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燃料电池用于坦克装甲车辆动力装置的发展前景及现存主要问题

已有 2019 次阅读 2020-3-6 13:51 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦| 燃料电池, 坦克, 装甲车辆, 军用车辆, 氢燃料

燃料电池用于坦克装甲车辆动力装置的发展前景及现存主要问题

伍赛特

 

0 引言

燃料电池在汽车动力装置领域的技术研究于近年来已取得了显著成果,但其在装甲车辆领域的应用依然处于旭日东升、初露锋芒的起步阶段。介绍了燃料电池在装甲车辆动力装置领域的相关应用,重点对其性能特点、未来发展前景及当前面临的主要技术问题进行了分析研究。

 

1 燃料电池发展概述

燃料电池的技术发展可以追溯到19世纪,而近年来随着科学技术的不断发展,针对燃料电池开展的相关研究更是风靡一时。

早在20世纪60年代,燃料电池即已应用于航天领域,而时至今日,目前基于燃料电池而开展的研究工作多扎根于汽车动力装置领域,该领域技术水平的提升亦是有目共睹。但即便如此,国内燃料电池汽车目前依然处于研发试验阶段,并未实现大规模商业化投产。

不同于蓄电池等传统储能元件,燃料电池更多被视为一类电化学发电装置。近年来,基于燃料电池技术发展的相关领域可谓备受关注,尽管其技术水平还不十分成熟,但是美国、日本、法国和德国等国非常重视燃料电池在装甲车辆领域的应用,相继启动了研发计划,以促进该领域燃料电池技术的飞速发展。

 

2 燃料电池在坦克装甲车辆动力装置领域的应用现状

美国坦克-机动车辆研发与工程中心在200212月启动车辆用燃料电池技术相关投资计划。并由昆腾公司为美国陆军研发出首辆采用氢燃料电池的轻型越野车,该车被命名为“侵略者”。“侵略者”氢燃料电池车采用混合动力驱动方式,使用10 kW燃料电池和电动机。车辆行驶安静,最高速度达到130 km /h065 km /h的加速时间仅为4 s

德国耗资5亿欧元,为车辆、固定和便携式设备领域应用氢气和燃料电池提供补助资金,并在2006年底制订了专用市场燃料电池开发计划。

固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)等都可用作装甲车辆的辅机电站,其中质子交换膜燃料电池更适于用作装甲车辆的主要动力装置。

目前采用燃料电池为辅机电站的典型车辆主要包括美国的“布雷德利”战车、以5 kW PEMFC为辅机电站的运输车和以2 kW PEMFC为辅机电站的轻型装甲车等。其中,美国“布雷德利”M2A3战车采用了带整体式JP -8燃油重整装置的5 kW固体氧化物燃料电池。

以燃料电池作为主动力源的装甲车辆依然处于试验研发阶段,早期国外仅有少数军用车辆以燃料电池作为主动力源,如美国“攻击者”越野车、GMT 800卡车和加拿大轻型装甲侦察车。

2016年,美陆军坦克-机动车辆研发与工程中心和通用汽车公司共同研制出了ZH2氢燃料电池样车,并于2017年进行了相关测试。根据通用汽车公司方面介绍,这辆名为雪佛兰“科罗拉多”ZH2的氢燃料电池动力卡车是在加长型皮卡车的基础上改造的。



 

雪佛兰“科罗拉多”ZH2

 


 

2  雪佛兰“科罗拉多”ZH2



 

3  雪佛兰“科罗拉多”ZH2

 


 

4  雪佛兰“科罗拉多”ZH2

 

该车型高逾6.5 ft(约198 cm),宽逾7 ft(约213 cm)。除了内外加固之外,还采用直径37 in(约94 cm)的轮胎和经过特殊改造的悬挂系统,适合在各种地形上行驶,越野性能极佳。由于使用氢燃料电池,该车型运行更安静,热信号低,难以被敌人的热传感器感知,具有隐身功能。氢燃料电池在工作过程中还可产生水。另外,由于车辆配有电力输出设备,车上燃料电池还可以为远离车辆的军事活动提供必备的电力。

近日来,据相关报道称,美国陆军作战能力发展司令部地面车辆系统中心(GVSC)和美国陆军研究实验室的科学家们依然在持续研发新型氢燃料电池作战车辆,包括坦克和步兵战车,为未来美国陆军地面车辆系统提供战术优势。

 

3 燃料电池作为坦克装甲车辆动力装置的应用前景

目前以主战坦克为代表的装甲车辆多采用柴油机及燃气轮机等常规热力发动机作为主要动力来源,而尤以前者为甚。柴油机具备油耗低、技术成熟、安全性好、可靠性高等一系列优势,从而在过去的较长的一段时间内,长期占据了装甲车辆动力装置领域的头把交椅。

燃料电池作为装甲车辆的动力装置时,其具有清洁、高效、运转部件少、静音性好的优势,可显著提升装甲车辆的整车隐蔽性,增强作战能力。同时能使坦克在整个速度范围内实现理想的驱动力,启动加速度快,无转向功率损失,传动效率高,并且可进行最佳的能量分配,同时也可取消变速箱、操纵转向机构等一系列传统的耗能部件,以此大幅简化了机械结构。

由此可见,尽管目前仍处于试验研发阶段,但燃料电池装甲车辆以其突出的优势,在面对柴油机等传统主流动力装置时,依然有一较长短的技术资本。

 

4 以燃料电池坦克装甲车辆当前面临的主要技术问题

尽管具备上述技术优势,同时依然不可否认,燃料电池如要应用于装甲车辆并作为主要动力来源,依然面临着如下三大技术问题:

1)燃料电池自身成本及燃料制取储运问题。除去燃料电池众所周知的高成本问题,其氢燃料的制取及储运也是亟待解决的重要问题。除了需要低成本且大量地制取氢之外,同时与公路运输等运用环境显著不同,其在战场进行储运及补给时还需考虑到复杂恶劣、瞬息万变的作战环境,由此制约了其在装甲车辆动力装置领域的应用。

2)燃料电池的动力性能及战时可靠性问题。虽然具备清洁高效的优势,但就目前而言,燃料电池的动力性能相比柴油机及燃气轮机等传统热力发动机,依然有着难以弥补的劣势。不仅如此,燃料电池通常不会采用牢固的金属机体结构,在遭受战场上的各类爆炸冲击后其可靠性难以保障,据此会显著影响到整车的作战性能。

3)燃料电池的安全性问题。以PEMFC为代表的燃料电池多采用氢燃料,其与常规能源相比,氢气具备诸多特性。其中不利于安全的属性有:更宽的着火范围,更低的着火能量,更容易泄漏,更高的火焰传播速度,更容易爆炸。考虑到上文所述的战时遇袭等相关原因而导致氢气泄漏的情况,由于氢气密度较低,易于迅速扩散,据此会严重影响到车内作战人员的安全性。为此需通过完善配套的氢泄漏探测、报警和紧急切断装置,能进一步提高使用氢燃料的使用安全性。

 

5 结论及展望

正如上文所述,燃料电池如要应用于装甲车辆动力装置,其优势及劣势均是一望而知。考虑到其当前的技术水平,目前仍无法即刻取代柴油机等传统动力装置,在未来的一段时间内,装甲车辆领域依然会以高密度柴油机作为主要动力来源。

但即便如此,燃料电池仍然有着其不可替代的优势,考虑到石油资源的日益稀缺,以及燃料电池自身技术的日新月异,作为装甲车辆动力装置领域的新生力量,依然有着锦绣前程。而以美国为代表的世界发达国家针对燃料电池装甲车辆的试验研究正在方兴未艾地开展当中,其战略意义自然是彰明较著、有目共睹。

 

参考文献

[1] 伍赛特.燃料电池应用于坦克动力装置的前景展望[J].装备制造技术,2018(12):91-94.

[2] 伍赛特.电动坦克装甲车辆应用可行性分析研究[J].自动化应用,2019(12):134-136.




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