便携式燃料电池技术的研究进展

陈思安，范 晶，余 猛

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

0 引言

便携式燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的能量直接转化为电能的发电装置[1]。燃料电池作为一种新型的电源装置具有高效、清洁的优点，广泛应用于便携电源、机动化电站、水面及水下舰艇等领域。

人类战争在经过不同阶段的转换后，已经进入到信息化作战阶段，而按照目前国际发展形势来看，未来爆发大规模战争的可能性较小，但发生局部冲突的事件可能无法避免，因此单兵作战系统有望成为未来战争的主要武器平台[2]。单兵作战系统除了要求士兵较高的身体作战素养，辅助作战系统也不容忽视，特别对于士兵随身携带的各种小型便携式电源系统装备。便携式燃料电池装备具有较多的一些优势，首先由于它依靠燃料电池作为发电系统，具备良好的隐蔽效果，避免被敌人发现或者摧毁；其次，便携式电源由于小巧轻量化，因此具备较好的机动性，可满足作战时来回奔跑走动的需求；最后，便携式燃料电池安全性较高、操作简单、可长时间工作，维护性也小。因此，无论从军事领域还是经济效益角度来看，都应对便携式燃料电池进行应用研究，保障单兵作战电能的可靠性，这在军事领域应用意义重大，也使得便携式燃料电池技术研究成为了必然[3]。

1 便携式燃料电池技术的现状

便携式燃料电池发展对于单兵系统来说越来越先进，也越来越复杂。这种发展趋势对于便携式燃料电池技术而言无疑是提出了更高要求。目前，常见便携式燃料电池主要分为四种：质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、直接甲醇燃料电池（DFMC）、重整甲醇燃料电池（RMFC）[4]。

1.1 质子交换膜燃料电池（PEMFC）

PEMFC因具有较高的能量转换效率以及低温下就可以快速运行起来的优势，备受国内外研究者的关注。PEMFC主要由三大关键部件组成，分别为双极板、膜电极与垫片，其中核心部件为膜电极，由质子交换膜、气体扩散层和催化剂组成。PEMFC工作时以氢气为燃料气体性能最优，其能量转换效率接近50%。但由于氢气不便于随身携带，因此成为制约PEMFC的发展的一个关键因素，目前大多技术均采用现场水解制氢来解决供氢问题。其次组成膜电极的关键技术中的材料成本较高，这也是制约PEMFC的发展的另一个关键因素。

日本的Toshiba公司研发的PEMFC系统，其每消耗21ml的氢气提供的能量相当于10只LR6电池所产生的的能量，为便携式燃料电池的发展提供了技术参考。

瑞典的myFC公司研发的产品Power Trekk，其中单个燃料盒容量为1 000 mA·h，该便携式产品具有较长的续航时间及较高的机动性，产品采用硅化钠与水反应生成氢气，为PEMFC系统提供氢气[5]。

新加坡的Horizon公司研发的产品MINPAK，其中PEMFC系统的燃料也为氢气，作为便携式携式燃料电池产品，其输出功率为2 W[6]。

美国的Brunton公司研发的产品Brunton Hydrogen Reactor，其中PEMFC系统的电池容量为8 500 mA·h，质量仅为242 g。

浙江高成绿能公司研发的便携式产品MINEK发电模块，可提供多种输出电压，该模块质量15 kg，体积36.9 L，额定功率70 W，最高可达150 W。

上海攀业氢能源科技公司研发的PEMFC系统，燃料采用硼氢化钠为原料进行水解制氢，系统发电功率最大可达200 W。

北京氢璞创能科技公司研发的NowoGen S20型便携式产品，其质量为1 kg，系统输出功率为20 W。北京首贝尔公司研发的SFC6600便携式燃料电池，可背负前行，重达15 kg，可提供多种输出电压，最大发电功率达600 W。

PEMFC系统虽然具有较长的续航时间、较高的能量密度，但其成本价格较高，其次对系统补充燃料较为困难，这些因素制约了它的一些发展方向，目前使用较多的场合为单兵综合作战系统或一些其他特殊场合。因此想要将其真正应用化，应将研发重点放在氢气的制备、存储等方面。

1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）

便携式SOFC系统主要由五大部分组成，分别是气源供应端、电堆反应端、尾气处理端、热量回收端、电信号控制端等。SOFC系统的气源多数采用碳氢化合物为热源，利用重整技术将其重整为氢气与一氧化碳，用于提升系统性能。常见的重整方式有蒸汽重整、催化部分氧化重整、自热重整等[7]。SOFC系统的一般工作温度较高，反应过程块，因此在便携式装备方面具有较高的研究意义。

便携式SOFC研究水平较高的AMI公司与其他公司联合所生产的60 W产品Amie60，所用燃料为丙烷罐，该系统额定功率为60W，最大峰值功率可达100 W，尺寸较为小巧，260×230×100 mm，整个SOFC系统重仅有2.8 kg。该产品作为便携式燃料电池已经在军队中得到了广泛应用。

美国的Nano Dynamics 公司研发的便携式SOFC产品Revolution，所用燃料为丙烷，燃料填装完毕后，可长航时运行24 h，该系统额定功率为50 W，对应的比能量为3 000 Wh/kg。

美国的Protonex公司所研发的便携式SOFC产品P200i，使用丙烷为燃料，最大输出功率为200 W，在该峰值功率下可续航5 h，该产品的循环寿命次数较高，可循环250次。

UItra-USSI公司研发的便携式SOFC产品D350，同样采用丙烷化合物为燃料，最大输出功率为350 W，动力系统重量为15.8 kg，系统可产生13 kWh的能量。该产品可以轻易的背装携带，并且工作时几乎无噪音，非常合适战场环境下的单兵作战系统。

对比国外所研发的便携式SOFC产品来看，大多数燃料系统的原料均为丙烷化合物，这主要是由于丙烷具有较高的能量密度且易于保存运输的特点，这些特点非常适用于便携式燃料电池技术。但同样也有不足，因为碳氢化合物在使用过程中会产生积碳，积碳长时间的堆积就会堵塞催化剂孔道，导致丙烷重整失效。其次，SOFC在运行过程中会产生温度梯度，过高的反应温度会使密封失效，因此控制SOFC在运行过程中温度恒定也是至关重要的一个环节。

1.3 直接甲醇燃料电池（DFMC）

便携式DFMC系统主要由三大部分组成，分别是膜电极、电池阴极与电池阳极，而核心部分膜电极又有三大块组成，分别是质子交换膜、气体扩散层与催化剂[8]。便携式DFMC系统作为一种质子交换膜燃料电池，其所需燃料的分子结构简单，具有较高的能量密度。携带起来也方便，构成也较为简单，因此在目前也是备受广泛关注的便携式结构之一。

美国的MTI Micro 公司所研发的Mobion-30M电池部件配备DFMC系统后，可将原来电池的重量减小一半，可满足72 h长航时续航。

美国军队已投入使用的产品M-25型便携式DFMC系统，对外可输出8 V或14 V的电压，系统可产生2 kWh的能量，最高峰值功率可达200 W，在20 W的输出功率下可满足72 h长航时续航，整个系统质量仅有2.73 kg，较多应用于军队指挥系统的便携式移动电源中。著名的洛斯阿拉莫斯实验室所研发的便携式DFMC电源系统，对外可输出12 V电压，总质量仅1.025 kg。

韩国的Samsung公司所研发的便携式DFMC电源系统，可产生1.8 kWh的能量，输出功率20 W，可满足72 h长航时续航。此产品已经在军队中被推广使用。

我国大连化学物理研究所研发的便携式DFMC系统，输出功率最低20 W，最大200 W，系统比能量高达500 Wh/kg。该产品可使用的温度范围跨度较大，最低可在零下20度环境下使用。输出功率为25 W的DFMC系统质量约2-3 kg，可对外稳定输出十几伏直流电压。

便携式DFMC系统因具有较高的能量转换率及较高的技术成熟度而备受关注，但由于甲醇在反应过程中会产生有毒产物，这就会导致DFMC系统的催化剂中毒，此外对人体也有一定危害。因此，目前对该系统的研发重心应该放在催化剂方面，研制更高转换效率、更长续航时间、更小的质量及体积的便携式DFMC电源系统。

1.4 重整甲醇燃料电池（RMFC）

便携式RMFC系统同样采用甲醇为原料，主要区别在于，通过重整技术将甲醇溶液转换为甲醇蒸汽，再通过重整反应器变为高温重整氢气，再与PEMFC系统进行统一集成，用于发电[9]。该过程大大提高了甲醇的转换效率，并且该过程产生的有毒气体会被吸附，弥补了DFMC系统中催化剂中毒的缺点，此外还能回收该过程热量，提高了整体系统的效率。

美国的UItra CeII公司所研发的便携式RMFC系统，其储能高达12500Wh，该系统的使用寿命可满足野外环境下长期使用，使用寿命可达2500 h，产品经过许多项严格的产品测试后依旧保持良好的使用性能。此外该公司所研制的XX25型RMFC系统，质量仅有8 kg，并且研制费用较低，可满足72 h长航时续航。该公司所研发的另一款产品XX55，输出功率55 W，最大输出功率可达85 W，也是目前便携式燃料电池产品中质量、体积较小的一款产品。

丹麦的Serenergy公司所研发的商业化RMFC系统，输出功率350 W，可稳定输出21 V的电压，此外该系统相比DFMC系统，其体积比功率与质量比功率均提高2-3倍。该产品可替代移动设备中的蓄电池。

便携式RMFC系统是目前比较成熟的一种燃料电池系统，但同样也有许多的技术问题需要解决，即如何将RMFC系统中催化剂的活性与稳定性提高是当前技术首要解决的问题，其次对整个反应中所产生的的热量要加以重复利用。在现有技术上对RMFC系统的体积、质量进行改进，朝着更小、更轻的目标加快研发，将便携式RMFC系统更快的向燃料电池领域推进。

2 便携式燃料电池技术面临的挑战

便携式燃料电池发展在目前军事领域应用较为广泛，同样也面临一些挑战。通过前面介绍与系统结构可知，目前便携式燃料电池系统主要存在氢气的制备与存储、能量管理与控制系统、环境适应性与匹配性等几大挑战。

2.1 氢气的制备与存储

便携式燃料电池的能源部分主要依靠氢气为气源，但由于氢气的特殊性，在使用过程中其制备与存储是目前一大难点。常见的气态氢或者液态氢由于状态原因，在运输及存储方面极其困难，具有较高的安全风险[10]。而技术较为成熟的固态储氢虽然较为安全，但其储氢密度低，抗气体毒化性能差，存在储氢介质失效的可能。物理吸附储虽然储氢密度高、过程安全，但其储氢机理与具体过程难以控制，且该技术成本较高，不适合大批量推行使用。因此要推广便携式燃料电池的实际应用，对制氢、储氢的技术还需进一步研究。目前采用便携燃料包并配合水解制氢法在小型反应制氢装置中进行制氢是研究较多的一个方向，针对便携式燃料电池技术，采用此方法对产氢压力予以控制，可直接供产品使用，该方法风险较小，成本可控，也可解决氢气存储的高风险问题。

2.2 能量管理与控制系统

便携式燃料电池的能量管理与控制是整个系统的重要部分，也是技术中的一个难点，如何高效安全对能量进行管理分配、合理利用是实现产业化必需要解决的问题。高效合理的能量管理与控制系统可以保证系统安全流畅的运行，对能量系统进行优化，实行智能管理控制可以保证系统能量分配的均衡。在不同工况下使用不同的能量控制策略，明确不同阶段的能量使用状况，开展制定相应的能量指标与能量控制策略的研究，以适用不同情况下的能量需求。能量管理结构可采用模块化集成设计，对能量进行统一管理，可单一进行使用，也可并联进行使用，实现能量自由切换。对便携式燃料电池能量管理系统进行组合、梯度配置，为不同发电单元提供不同的负荷能量，提高系统整体的能量利用率。

2.3 环境适应性与匹配性

便携式燃料电池在单兵上的应用较多，考虑士兵需要负重作战，因此对于战场环境适应性要求较高，便携式设备的研制应尽可能的轻量化与小体积，特别是对于轻量化的改进，在保证能源供给满足的情况下，减小电池的质量与体积是便携式燃料电池在未来军事领域大规模使用的前提。便携式燃料电池所使用过程中存在有些制氢方式会发热产热的情况，而随着热探测技术的发展，发热源会较容易被探测到，从而引起暴露。因此应对局部发热问题深入研究，降低热源，提高战场使用环境安全性。目前除直接制氢方式为燃料供应外，还有一些碳氢化合物如丙烷、甲醇等通过重整技术作为便携式燃料电池的燃料供应，但重整技术的反应器温度较高，这就需要耐高温的材料用于反应器的制造，但此种材料造价成本较高。因此提高燃料的适应性，尽可能降低燃料使用成本，是将便携式燃料电池大规模推广的重要前提。

3 便携式燃料电池技术应用前景

便携式燃料电池系统既可以单模块供电，也可集中统一供电，无论针对哪种用户需求，均可满足。由于便携式燃料电池较低的红外辐射既不会对部队人员工作环境造成影响，又可保障部队不同任务的单兵用电需求，因此在军事领域的应用优势极为突出。

军事领域拥有较多的电子系统设备，如无线电台、定位系统、夜视设备等。而支持这些电子设备正常运行的重要部位为动力能源。因此为军事电子系统提供轻便、高储能密度的燃料电池是产品研发中的关键环节。轻便的高能密度电池不仅可以减轻士兵的负担，更使装备更加轻量化，增加战场环境的机动性与生存能力[11]。

便携式燃料电池系统可用于小型无人机等飞行器武器，为该类武器提供动力能源，由于装置工作时温度接近常温，红外隐身性能好，飞行过程中可有效的避免被发现，提高侦察能力与反侦察能力。

便携式燃料电池系统可用于微型发电机，用于替代传统电池的供电系统，微型发电机主要由两部分构成，一部分为涡轮发电机将燃油转换为机械能，另一部分就是微型发电机通过将机械能转换为能量为设备供电。

便携式燃料电池系统可用于车载、舰船等机动化设备[4]。利用燃料补给的快速性与灵活性，为行进中的机动部队提供不间断的动力能源，保障电力系统的畅通。

便携式燃料电池由于特定的优势目前应用较为广泛，但由于燃料电池电堆成本较高问题，使得目前仅在军事领域应用较多，如果能将其成本降低，则会在更多的民用产品上也得到应用，从而带来巨大的商业价值。这为推广新能源的发展也创造了机遇。

4 便携式燃料电池技术研究总结与展望

燃料电池经过近几年的快速发展，已经在较多的行业与领域得到了应用。而便携式燃料电池因其特性在军事领域得到了更加快速的发展。从目前世界各国技术来看，便携式PEMFC与SOFC系统相对而言发展研究较为火热，相比较国外的成熟技术，我国在集成化及小型轻量化方面有一定差距，且国外相关技术对我国有所保留。此外便携式燃料电池技术发展中也有不少挑战，主要问题为燃料气源的制备与存储问题，选择合适的制氢方法，提高燃料环境的适应性，可加快PEMFC与SOFC系统的实际应用。对核心问题进行技术改革与创新，降低燃料电池电堆的成本，加快便携式燃料电池在民用产品上的步伐，可为整个应用行业提供更轻便、高效的新能源系统。