近日，中國自主研制的首架有人駕駛氫燃料電池試驗(yàn)機(jī)在沈陽試飛成功。飛機(jī)飛行高度320米，全程零污染排放。至此，中國成為繼美、德之后第三個擁有該技術(shù)的國家。
據(jù)報道，這架氫燃料電池試驗(yàn)機(jī)是由中科院大連化物所與遼寧通用航空研究院聯(lián)合研制的。
它是在遼寧通用航空研究院研制的RX1E電動飛機(jī)上進(jìn)行改裝，采用大連化物所研制的20千瓦氫燃料電池為動力電源，配合小容量輔助鋰電池組，儲氫方式為機(jī)載35MPa氫儲罐。
飛機(jī)在起飛和大速率爬升時由燃料電池和鋰電池組共同提供動力電能，在巡航階段完全由燃料電池提供電能，并為鋰電池組充電。
據(jù)介紹，此項研究突破了氫燃料電池輕量化、高效水熱管理、高可靠機(jī)載動力系統(tǒng)集成等多項關(guān)鍵技術(shù)。
試飛中，燃料電池系統(tǒng)輸出性能、安全性、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性等全部達(dá)到了技術(shù)要求，在-20℃低溫環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)良的存放、啟動和運(yùn)行性能。
大連化物所是中國國內(nèi)燃料電池主要研究單位之一。其質(zhì)子交換膜燃料電池研究團(tuán)隊早在2001年就聯(lián)合相關(guān)單位研制出中國首臺氫燃料電池電動車。
近年來，團(tuán)隊又先后研制出了多種型號的航空用質(zhì)子交換膜燃料電池電源系統(tǒng)，填補(bǔ)了中國在這一技術(shù)領(lǐng)域的空白。
其中，Ⅰ型系統(tǒng)2009年11月應(yīng)用于中國首艘燃料電池動力飛艇“致遠(yuǎn)一號”，Ⅱ型系統(tǒng)2012年7月應(yīng)用于中國首架燃料電池?zé)o人機(jī)“雷鳥號”。
燃料電池是一種高效、環(huán)境友好的發(fā)電裝置。以燃料電池為動力電源的航空器因低噪聲、零污染和長時間續(xù)航等顯著優(yōu)勢，成為近年來國際上新能源飛行器的研發(fā)熱點(diǎn)。
中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所于1997年承擔(dān)了一項有關(guān)RFC（AFC是目前航天領(lǐng)域中應(yīng)用最成功的燃料電池。它采用KOH溶液為電解質(zhì)，燃料和氧化劑分別為純氫和純氧。）系統(tǒng)研究的“863”項目，成功開發(fā)了百瓦級再生氫氧燃料電池原型系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一體式再生氫氧燃料電池的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。
航天領(lǐng)域中，電池處于微重力狀態(tài)，氣液兩相流動、傳質(zhì)傳熱規(guī)律與平常不同。NASA已經(jīng)把水管理作為應(yīng)用于航天的PEMFC的關(guān)鍵技術(shù)。
北京工業(yè)大學(xué)通過落塔開展了微重力條件下燃料電池中熱物理規(guī)律的相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)在不同重力條件下，甲醇燃料電池陽極氣液兩相流動及電池電性能均不同。
波音公司于2008年4月3日成功試飛氫燃料電池為動力源的一架小型飛機(jī)。波音公司稱這在世界航空史上尚屬首次，預(yù)示航空工業(yè)未來更加環(huán)保。但波音承認(rèn)，這一技術(shù)不太可能為大型客機(jī)提供主要動力。
爬升至海拔1000米巡航高度后，飛機(jī)切斷傳統(tǒng)電池電源，只靠氫燃料電池提供動力。飛機(jī)在1000米高空飛行了約20分鐘，時速約100公里。這一技術(shù)對波音公司意義重大，也讓航空工業(yè)的未來“充滿綠色希望”。
中國首架有人駕駛氫燃料電池飛機(jī)試飛成功意味著什么？實(shí)際上，在筆者看來，最重要的不是該架飛機(jī)本身，而是飛機(jī)的動力系統(tǒng)——氫燃料電池的成功掌握。因?yàn)?，該電池在海陸空三軍中的?yīng)用，都不可小覷。
1、燃料電池在陸軍軍事裝備應(yīng)用
國外軍方開展燃料電池在軍事上研究比較早。燃料電池在陸軍事裝備中的應(yīng)用主要有三方面：一是作為單兵作戰(zhàn)動力電源（<100W）；二是作為移動電站（100W-500W）；三是作為地面軍用動力驅(qū)動電源（500W-10kW）。
從1980年到1990年隨著微電子的發(fā)展，單兵配備很多新式裝備如夜視鏡、全球定位系統(tǒng)(GPS)、通訊聯(lián)系設(shè)備和智能搜索系統(tǒng)。這些系統(tǒng)成為士兵的數(shù)字化裝備必備系統(tǒng)。士兵必須帶有很多不同型號的單電池為這些設(shè)備提供電源。
燃料電池就可以為所有設(shè)備提供動力，減輕單兵所帶電源。鮑爾航天與技術(shù)公司（Ball Aerospace & Technologies）為陸軍提供兩種移動電源功率分別為50W和100W。
美國軍方發(fā)布的混合動力軍車是以柴油動力系統(tǒng)和燃料電池動力系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的混合動力型軍車。通用公司為運(yùn)輸車提供混合動力中的5kWPEMFC輔助系統(tǒng)。裝甲車作戰(zhàn)時除了有較強(qiáng)的移動能力，還需要良好隱蔽性。
裝甲車處在靜態(tài)守候狀態(tài)，一般電池?zé)o法提供車上大量的通信設(shè)備和預(yù)警裝置，這時就依靠PEMFC發(fā)電系統(tǒng)，它能夠在滿足低溫和低噪音要求運(yùn)行。
美國陸軍研究與開發(fā)司令部通信與電子研究開發(fā)中心（CERDEC）公布一種2kWPEMFC給輕型裝甲車提供輔助動力，它使用甲醇重整氫氣裝置作為氫源。
這些年對PEMFC研究隨著良好設(shè)計，有效熱管理和水管理，膜電極制作改進(jìn)使得電池性能提高和成本降低。軍事應(yīng)用中需要一個高度安全，便于運(yùn)輸和相對可靠氫源。最近研究終點(diǎn)從「電堆」轉(zhuǎn)移到「燃料」上來。因此需要發(fā)展氫氣的高儲能裝置和發(fā)生裝置。
2、PEMFC在海軍軍事裝備應(yīng)用
燃料電池在海里軍事裝備中的應(yīng)用主要有三個方面：一是作為海面艦艇輔助動力源；二是作為水下無人駕駛機(jī)器人電源；三是作為潛艇的驅(qū)動電源。
美國海軍1995年完成了一項燃料電池技術(shù)在用作船用電網(wǎng)和推進(jìn)系統(tǒng)時，對驅(qū)逐艦和小型護(hù)衛(wèi)艦等海軍戰(zhàn)艦的設(shè)計性能及其影響進(jìn)行了評價研究。
海軍水面戰(zhàn)中心(NSWC)和美國海軍研究署(ONR)，以及美國防高級研究計劃局(DARPA)合作對巴拉德公司(BALLARD)提供500kW PEM 模塊進(jìn)行了測試。
美國海軍計劃在2007-2011年實(shí)現(xiàn)2.5MW電堆用于驅(qū)逐艦，如圖5所示。最終目標(biāo)是25MW的電堆。一般電池電能釋放完后報廢或需進(jìn)行充電，PEMFC只要向其不斷輸入燃料和氧化劑，就能不斷產(chǎn)生電能。
PEMFC可以長時間連續(xù)工作，非常符合水下無人駕駛機(jī)器人的動力要求。UTC公司在1990年研制一個10kW PEMFC電堆用于海軍的水下無人駕駛機(jī)器人(UUV)。
潛艇上的應(yīng)用。2002年3月德國潛艇制造商HDW公司制造的212A型常規(guī)潛艇采用了燃料電池和柴電動力聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)。其中柴電動力系統(tǒng)中有一臺16V396型增壓高速柴油機(jī)，燃料電池動力系統(tǒng)由9組PEMFC模塊、14噸液氧貯存柜和1.7噸氣態(tài)氫貯存柜3部分組成。
燃料電池是由西門子公司提供。212型潛艇的水中連續(xù)潛航就能達(dá)到2至3周，傳統(tǒng)的柴電動力潛艇在水下潛航2～3天，就會耗盡電池能量，必須浮上水面給蓄電池充電。同時燃料電池運(yùn)行沒有噪音，而且不會放出熱量，這些因素有助于潛艇不易被識別。212A 型潛艇的燃料電池動力系統(tǒng)用于水下長時間巡航。
柴-電動力系統(tǒng)用于潛艇作戰(zhàn)時高速航行。單靠燃料電池航行時，其航速可達(dá)8節(jié)；當(dāng)以4.5節(jié)航速潛航時，該電池系統(tǒng)還可提供11kW的生活用電。
同時續(xù)航力可達(dá)2315km，潛航時間達(dá)278h。兩種動力系統(tǒng)同時工作時，潛艇的水下持續(xù)航行時間能超過364h，續(xù)航力達(dá)到3034km，這比209型潛艇的水下續(xù)航力提高了4.4倍，從而大大提高了212A型潛艇的生存力與戰(zhàn)斗力。
西門子公司下一步將進(jìn)一步研制120kW的PEMFC模塊，使用2個模塊240kW代替現(xiàn)有潛艇上的PEMFC模塊。
俄羅斯研制燃料電池也有三十多年歷史，在八十年代初成功進(jìn)行了燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行試驗(yàn)。俄紅寶石海上工程中央設(shè)計局設(shè)計的第四代常規(guī)動力潛艇發(fā)展「阿穆爾」級（Amur）型潛艇將裝備燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)，如圖8所示。
3、PEMFC在空軍軍事裝備應(yīng)用
PEMFC具有高能量密度，使得它能為無人駕駛飛機(jī)提供驅(qū)動力。美國航空航天局（NASA）研制一架使用燃料電池做推進(jìn)無人太陽能飛機(jī)的備份動力的無人駕駛飛機(jī)太陽神號(Helios)。
這架飛機(jī)在2001年8月締造世界飛行高度的紀(jì)錄，飛抵32，160m高空。太陽神號外形是一個飛行翼，長82m，由前面至后面只有2.6m。兩名飛行員在地面可以利用手提計算機(jī)遙控它。
太陽神機(jī)翼上有62，000枚太陽能電池，以此驅(qū)動由小型電力馬達(dá)所轉(zhuǎn)動的14具螺旋槳；太陽神可以接近自行車的速度起飛，并以每個小時9至15km的速度飛行。
設(shè)計制造太陽神號的美國Aero Vironment公司正在發(fā)展可重復(fù)充電的氫氧能源儲存系統(tǒng)。太陽神號白天多余的太陽能轉(zhuǎn)存至燃料電池以在夜間使用，實(shí)現(xiàn)能在空中飛行幾個月時間，提高飛行半徑和對偏遠(yuǎn)地區(qū)的偵探。
Aero Vironment公司又在2003年5月對一架由燃料電池作為驅(qū)動力的微型飛行器大黃蜂(Hornet)進(jìn)行了試飛，驗(yàn)證用燃料電池作為動力的微型飛行器進(jìn)行長時間飛行的可能性。
大黃蜂重170g，翼展38cm，大黃蜂機(jī)翼的上表面可以清楚地看到順序排列18節(jié)燃料電池，電池串聯(lián)在一起，每一節(jié)產(chǎn)生0.5～0.6V的電壓。
美國波音公司也開展使用燃料電池做動力推進(jìn)系統(tǒng)的UAV研究。波音公司與美國防高級研究計劃局簽訂了無人機(jī)燃料電池動力系統(tǒng)開發(fā)合同，前期投入資金為30萬美元，按設(shè)計要求新型燃料電池的無人機(jī)將延長無人機(jī)的空中連續(xù)飛行時間。
燃料電池動力系統(tǒng)能使無人機(jī)在空中連續(xù)飛行數(shù)周，而不是現(xiàn)在的幾十小時。計劃項目的第一階段，波音無人機(jī)系統(tǒng)部將領(lǐng)導(dǎo)一支團(tuán)隊來設(shè)計無人機(jī)的燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)，并且完成風(fēng)險減除研究。