陈 潇， 王一拓， 李中华

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

随着作战形式和作战环境的变化，未来战场陆军作战方式将迎来重大变革，以打准备之仗、打胜仗为目标，要求我军未来一线装甲车辆逐渐向高打击、高机动、高防护(隐身)、高可靠性方向发展.未来装甲车辆将成为搭载电磁炮、电化学炮、大功率激光等作战武器，具备全电炮控、电传动，采用电磁减振悬挂，采用电磁装甲、电磁隐身等防护高新技术的一线突击作战平台.该平台可根据作战任务及作战区域需求，搭载不同负载单元进行作战匹配，这将成为未来装甲车辆主流趋势.未来装甲车辆的整车动力系统、作战武器系统、能量传输系统、主被动防御系统均涉及一个核心，就是电能的来源.

目前装甲车辆的电能供给主要有汽(柴)油发电、汽(柴)油-锂离子电池混合动力发电(油-电混合)、纯锂离子动力电池供电(纯电动)3种模式.面对未来装甲车辆对电能的需求，上述3种模式均存在一定的缺点：采用汽(柴)油或油-电混合为动力源，需与发电机协同提供“电能”，满足车辆动力、续航里程及长时功率输出响应速度要求，但存在环境噪声较大、热辐射效应明显、瞬时功率响应较慢的短板，另外受卡诺热机效应限制，其内燃机热效率最高约为45%[1]；“纯电动”模式直接以锂离子动力电池作为能量储存装置，具备低辐、低噪和瞬时大功率等技术优势，并且能量密度可以达到300 Wh/kg(《节能与新能源汽车技术路线图》——2020年指标)，但是相对于传统柴油能量密度3 800 Wh/kg(柴油燃烧能46 MJ/kg，转换效率30%)而言，作为二次能源的锂电池能够提供的“电”能源着实有限，势必对续航里程造成严重影响.

可见，在现有能源供给模式下，无论采用“油-电混合”动力模式还是纯电动模式，均无法在热辐射、噪声、长时功率输出、瞬态功率响应和续航里程5个方面取得平衡.在这一背景下，急需引入持续、稳定、安静的新型电能源系统，实现在未来装甲车辆电能源供给，满足未来作战需求.

本研究将氢燃料电池系统引入未来装甲车辆电能源系统，从氢燃料电池的特性对应装甲车辆作战使用、环境适应、瞬时/长时大功率等需求，深入分析未来装甲车辆选用氢燃料电池的可行性，并给出轻中重型装甲车辆选用氢燃料电池作为电能源的选型方式.

1 氢燃料电池的技术特点

1.1 氢燃料电池的系统组成

燃料电池，又称电化学发电器，由正负两个电极(燃料电极、氧化剂电极)以及电解质组成.电解质隔膜两侧分别发生氧化反应与还原反应，电子通过外电路做功产生电能.通过消耗燃料(如氢气)和氧化剂(如纯氧或空气)产生可持续、功率稳定的电能.氢燃料电池作为燃料电池诸多种类的一种，以氢气作为还原剂，质子交换膜作为电解质，工作温度在室温至80 ℃，转化效率在40%～60%，并具有体积功率密度较高、适合在大气环境下使用等优势，被认为是最为适合在车辆上应用的燃料电池.

氢燃料电池系统主要由电堆核心单元、氢气供应单元、空气供应单元、水管理单元、热管理单元以及电子控制单元6个子单元组成(如图1所示)，涉及到电堆材料、水管理、热管理以及系统控制等多项关键技术.

图1 氢燃料电池发动机系统组成结构

1.2 氢燃料电池的技术优势

氢燃料电池系统与传统的电能源模式相比，具有功率、噪声、效率等方面优势，同样也存在技术复杂程度高，工程化应用不足的劣势(见表1)，其主要技术特点如下：

1)氢燃料电池系统运行过程中振动、噪声小，红外特征弱.氢燃料电池工作时噪声不高于65 db，温度不高于80 ℃，红外发射强度在40～100 mW/sr之间，远低于传统柴油发电机.

2)氢燃料电池系统具备分布式供能的特点.氢燃料电池系统可以由多个独立电堆串并联组成，各电堆单元可以在车内分布式布置，灵活性强，能够方便、灵活、有效地利用车内空间.

3)相对锂电池需要耗费大量充电时间，氢燃料加注迅速(接近油料加注时间)，可以有效提升装甲车辆的战略机动性及后勤保障能力.

表1 不同能源类型优劣势对比

2 氢燃料电池系统在装甲车辆上的适用性

2.1 功率匹配性

现阶段重型装甲车辆的传统动力推进系统工程化技术非常成熟，大功率柴油发电机体积功率密度已经可以达到1 348 W/L，小功率柴油发电机可以达到224 W/L，但是必须要看到，传统柴油发电机的体积功率密度已经进入了发展瓶颈.而国内氢燃料电池系统功率密度现在可以达到170 W/L，已经接近同功率柴油发电机的技术水平，而国外氢燃料电池系统(如丰田Mirai)系统功率密度已经可以达到约1 000 W/L，已经接近大功率柴油发电机的技术水平.具体参数见表2.可以预见，随着未来氢燃料电池系统集成技术进一步提升，氢燃料电池系统的高功率特性可以极大提升装甲车辆的动力效能.

表2 传统动力推进系统同氢燃料电池推进系统 功率密度比较

注：1)指的是发动机体积功率密度；2)指的是燃料电池系统体积功率密度.

此外结合我国燃料电池发展路线图，我国将来在较长一段时间内主要以“氢-电混合”燃料电池系统为主要技术路线.这主要由氢燃料电池自身特性决定：氢燃料电池在低电流和高电流区效率均相对较低(图2)，在车辆启动以及高功率输出环境时，需要使用锂离子动力电池进行功率补偿(图3).这表明采用“氢-电混合”燃料电池系统会带来更高的能量转换效率.这种“氢-电混合”技术同现阶段装甲车辆采用的“油-电混合”串联式电传动装甲车辆混合动力系统类似[3]，通过将串联式电传动装甲车辆混合动力系统中的柴油发电机替换为氢燃料电池系统，并开展相关工程化研究，可以实现快速技术迭代.

图2 燃料电池系统的典型运行特性[4]

图3 车速、氢燃料电池功率、锂电池功率、 以及锂电池能量变化[4]

2.2 能量匹配性

氢燃料的能量储存效率高.如图4所示，经换算氢燃料质量能量密度接近970 Wh/kg、体积能量密度接近790 Wh/L，远高于锂离子电池系统理论上限(氢气罐质量分数按5%w.t.，气体压力按70 MPa计算)[5]；同体积能量约为柴油的25%，同质量能量约为柴油的26%，低于柴油.若采用金属储氢，其体积储氢能力接近燃油(体积为燃油的83%).若未来新型储氢技术逐渐发展并取得突破，如超高压储氢技术以及液态储氢技术等，其能量储存效率将远高于柴油.

图4 不同储能体积下氢气体积能量密度 和质量能量密度同柴油比较

2.3 系统安全性

未来装甲车辆采用综合防护理念，具有被动和主动防御能力，能抵抗敌常规轻武器、火箭弹、反坦克导弹的火力打击，对乘员作战安全有严密保护.车载动力来源必须具备内在安全性，须对其实车应用安全性进行分析.依据现有行业对氢燃料电池系统安全性的研究，氢燃料电池系统应用的主要安全隐患在于氢气安全.不同于柴油燃点较高，不易点燃，氢气的特性是逃逸速度非常快.氢燃料电池系统应用到装甲车辆最关键的安全要点就是氢气管控与储氢系统防护.

1)氢气管控.由于氢气属于高易燃易爆气体，密闭空间内氢气积累到一定量时，一旦有燃烧源则有燃爆风险.在设计氢-电混合系统时，设计逃逸通道对可能泄露的氢气进行稀释，一定情况下可以加入强制排放系统，控制其在密闭或半密闭的动力舱以及成员舱的聚集浓度，保证其始终低于燃爆比例.

2)储氢系统防护.现有储氢系统主要有高压氢气储存、液态氢储存、活性炭吸附储氢、金属储氢和碳纳米材料储氢等方法.现阶段一般采用氢气罐的方式存储氢气，车载氢气瓶的主要类型有金属型气瓶、金属内胆环向缠绕气瓶、金属内胆全缠绕气瓶、塑料内胆全缠绕气瓶等类型.高压储氢系统中氢气罐被穿甲弹/燃烧弹击中时，可能会发生燃爆危险，可将储氢系统放置于装甲防护车体内，减少储氢系统被可自燃烧的弹药击穿风险.如果被非自燃烧弹药击穿后，高压氢气会在极短时间内逃逸(小于3 min)，不会发生爆炸.对于需要进行接触作战使用车辆，可以通过搭载金属储氢系统(如稀土镧镍系等)进行安全规避，相对而言储氢金属质量能量密度低于气体储氢，而这种储氢金属具有非常高的热稳定性，可以减少由于车辆装甲被击穿后储氢系统氢气泄漏造成的乘员危险.

2.4 环境适应性

未来装甲车辆具有全地域作战能力，因此在选择车辆动力系统时，需要考虑低温、高温、高海拔等环境影响因素.同时在作战战场区域，存在电磁环境、含硫等空气环境的复杂因素，动力系统必须能够适用作战要求，正常发挥动力能源性能，确保作战效能发挥.

对于环境适应性因素，氢燃料电池系统主要考核5个方面：

1)低温适应性.现阶段氢燃料电池系统已经具备低温-30 ℃启动能力，在未来2～3年内将实现军用低温-43 ℃能力，至于更低的启动温度，其主要因素在于低温环境启动前需加热，保证催化剂、反应产物的活性和流动性，并不存在极难的技术瓶颈.

2)高温适应性.受限于氢燃料电池系统工作温度影响(堆体温度70～80 ℃)，其对散热系统需求较高(接近1∶1)，目前氢燃料电池系统使用温度上限为60 ℃.为突破未来60 ℃温度上限瓶颈，有必要开展氢燃料电池隔膜材料优化以及主动散热技术研究.

3)高海拔适应性.气压对于氢燃料电池最大的影响是储氢系统，如果采用高压储氢，需要考虑外界海拔对储氢瓶的影响.电堆本身，由于需要空气参与电化学反应，需要加大空气压缩泵功率，以提供足够的空气用于电堆产生功率.氢燃料电池其他部分基本不受高海拔影响.

4)电磁兼容性.氢燃料电池系统由电堆(核心)、氢气供应、空气供应、水管理、热管理以及电子控制6个子单元组成，其主要反应过程为氢氧的电化学反应，受电磁兼容环境影响微乎其微.但对于氢燃料电池系统的驱动控制部分，类似于柴油发动机的ECU系统，需要对电堆运行状态进行监控、管理，需要做电磁兼容防护设计.

5)作战区域空气环境.氢燃料电池系统需要空气进行电化学反应.氢燃料电池的空气电极对环境空气质量要求非常敏感，“有毒”的二氧化硫、氨气、硫化氢、NOx、SOx等气体会对空气电极有不可逆损伤.需要通过研发特种空气滤及活性碳吸附，实现对有毒气体完全过滤，提高战场适应性.

3 氢燃料电池在车辆领域应用情况

3.1 民用领域应用情况

国外乘用车厂氢燃料电池电堆体积功率密度大于3 kW/L，基本实现-30 ℃以下低温启动，寿命5 000 h以上，已实现商业化销售.目前国际量产氢燃料电池乘用车有丰田公司Mirai、本田公司Clarity、现代ix35三款产品.以丰田Mirai为例，纯电堆峰值功率114 kW，体积37 L，经数据测算纯电堆的体积功率密度3.1 kW/L，质量功率密度2.0 kW/kg；附属部件DC-DC转换器体积13 L，附属部件镍氢电池组体积约为30 L.氢燃料电池系统(不包含氢气罐和动力控制装置)总体积约为80 L，系统体积功率密度约为1 kW/L.氢气使用碳纤维氢气罐进行储存，体积122.4 L，重量87.5 kg，储气压力70 MPa，储存氢气5 kg，预计续航里程650 km.[6]

国内北京亿华通、新源动力、上海重塑、广东国鸿重塑等企业开发出30 kW以上氢燃料电池系统.大连化物所研发的50 kW电堆体积约为20 L、电堆体积功率密度3 kW/L，寿命5 000 h，系统能量转换效率为50%～55%；50 kW电池系统总体积约为300 L.清华北京亿华通科技股份有限公司开发的氢燃料电池发电机额定功率达到60 kW，最大包络尺寸约为400 L，重量约为300 kg，具备低温-30 ℃启动能力.[7]

目前顶尖的氢燃料电池系统100 kW左右的峰值功率无法直接满足重型车辆高功率输出的需求，一般是将氢燃料电池系统与锂离子电池混合构建氢燃料电池复合电能源系统.以丰田公司Beta氢燃料电池卡车为例，其通过将2个Mirai氢燃料电池与1个12 kWh的电池组组成混合电能源，实现了500 kW功率输出[8].相关参数见表3.

表3 国际氢燃料电池乘用车发动机参数(民)

3.2 军用领域应用情况

自从氢燃料电池问世以来，欧美国家就非常重视其在军事领域的应用研究.美国海军早在1995年就完成了氢燃料电池技术在船用电网和推进系统应用的性能及其影响评价研究、德国2003年服役的U31常规潜艇，采用34 kW的氢燃料电池系统，可在水下连续运行3周.德国212潜艇采用了氢燃料电池AIP(不依赖空气的动力装置)系统.日本海洋研究开发机构2005年开发一款燃料电池无人驾驶型深海巡航探测器“URASIMA”，续航距离达到217 km.[9]

在地面平台领域，氢燃料电池技术也已经展开应用.日本FC-R&D公司研制了一款采用氢燃料电池的双足机器人Speecys-FC，额定功率25 W；以色列BlueBird公司开发的Boomerang无人机，其动力系统就是由Horizon Fuel Cell Tech公司研发的氢燃料电池系统.[10]

从目前的资料显示，美国正在研究适用于陆军的氢燃料电池车辆.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ZH2氢燃料电池样车(图5).该车以雪佛兰科罗拉多皮卡为平台，装有氢燃料电池和电力驱动系统.ZH2动力传动系统不产生烟雾、气味，仅有少量噪声和热信号，具备“隐身”能力.车载氢燃料电池系统能产生80～90 kW的功率，加装缓冲电池后能产生接近于130 kW的纯功率.ZH2单次加注氢气可行驶240 km，每小时可以为士兵“生产”7.6 L的饮用水.并且试验证明ZH2氢燃料电池样车与传统推进系统的车辆相比，不会被音频或热量探测器发现，全车最热的热点是轮胎.[11]

图5 通用汽车公司ZH2氢燃料电池车辆

美国通用汽车公司(GM)推出另一款SURUS氢燃料电池车辆，车长17 ft，是一种没有前后之分的多种用途底盘(推进系统)(图6).SURUS配备两台电机独立驱动两个车桥，具备四轮驱动转向，采用ZH2同一技术来源的第三代氢燃料电池，缩小了一半体积和质量，额定输出功率50 kW，3 min内即可加满氢燃料，具备水回收系统.[12]

图6 通用汽车公司SURUS氢燃料电池车辆

国内大连化物所开发氢燃料电池应用于无人及有人航空装备，先后开发了10 kW级别I型、II型以及III型航空用质子交换膜燃料电池系统.I型系统2009年11月应用于我国首艘燃料电池动力飞艇“致远一号”，II型系统2012年7月应用于我国首架燃料电池无人机“雷鸟号”，III型作为某飞艇的尾推动力通过高海拔测试.2016年12月，该团队国内第一架有人驾驶氢燃料电池飞机成功首飞.[13]

但在军用地面装备上，国内氢燃料电池仍未得到应用.

4 氢燃料电池系统在未来装甲车辆上的应用设想

4.1 适用于氢燃料电池系统的装甲车辆吨位和续航里程

锂电池纯电动电能源系统和氢燃料电池电能源系统都具备各自技术优势，两者不是取而代之的关系.通过比较目前主流锂电池系统(能量密度为150 Wh/kg)、氢燃料电池系统(国产30 kW系统，选取70 MPa氢气瓶)以及现有装甲车辆功率需求，可以得到军用装甲车辆氢燃料电池系统和锂电池系统续航经济性比较曲线(图7).由图7可知，锂电池电能源系统和燃料电池电能源系统两种能量储存模式存在一个明显的经济分界线，即续航里程140～150 km分界线.低于该分界线续航里程(即低于140～150 km)时，选用锂电池系统在重量上比较有优势，高于该分界线续航里程(即高于140～150 km)时，选用氢燃料电池时在重量上比较有优势.并且随着车辆吨位的增加，该分界线向负方向移动，这表明高吨位的地面装甲车辆电能源系统更倾向采用氢燃料电池系统作为其动力源.

图7 军用装甲车辆氢燃料、锂电池系统续航经济性比较

图8为氢燃料-锂电混合与纯锂电池能源结构的军用装甲车辆续航里程经济性比较曲线，在未来军事作战剖面下会有与之相适应的应用环境.在现有氢燃料电池和锂电池技术的支撑下，锂电池系统倾向于在吨位小于2 t、低续航里程小于150 km、对燃料加注时间不那么敏感的环境下使用，如近距离巡逻、感知等使用工况；氢燃料电池则可以应用于吨位2 t以上、续航里程需求大于150 km、对燃料加注时间敏感的环境，如需要长距离奔袭、持续性工作、高武器装备负载等使用工况.因此，依据未来实际使用环境的区别，可以有针对性地开发、使用不同工况区间混合电能源系统.

图8 军用装甲车辆不同能源结构续航里程经济性比较

4.2 氢燃料电池系统会给未来装甲车辆带来的作战变革

通过引入氢燃料电池系统，未来装备车辆作战战术将会迎来重大变革.在可预见的将来，氢燃料电池系统作为电能源的装甲车辆可实现以下特殊作战任务：

1)高安全的能量储存体系.氢燃料电池可以构建“高压储氢-金属储氢”双模储氢体系，应对不同危险需求，比如：长距离突袭危险系数低时，可以对通过搭载可抛式外挂续航氢气罐(类似主战坦克外挂油箱)增加突袭作战距离；接触作战危险系数高时，将外挂油箱抛弃，使用在动力舱内的金属储氢系统(化学惰性强，安全系数高)，可以极大提升安全性.

2)超长时间高隐蔽性侦查巡逻及静默值守.借助氢燃料电池系统巡航里程长，暴露征候低的技术优势，搭载氢燃料电池系统的地面装甲车辆可以实现在高隐蔽条件下超长时间侦查巡逻及静默值守，缩短往返补给时间，扩大侦查平面.

3)新型班组支援平台持续性发电系统.班组支援平台混合电能源系统可以通过搭载额外的氢气供给罐，在保证氢气供应量充足条件下，建立小规模发电基站，为可穿戴装备以及通信设备供能，这种发电基站红外特征弱、噪声小，反侦察能力强.大吨位装甲车辆可扩展应用为电能源补给母车，搭载充电模块，为驻车或行进状态下的纯电动地面无人平台的电能源系统进行能量补充.

4)战场纯净水供应系统.平均1 kg氢气(约15 kWh电量，2 t级别轮式班组支援平台40 km行驶里程)可以产生9 kg纯净水.通过对氢燃料电池系统生成的纯净水收集，可以满足作战时饮用水需求.

5)智能可变式模块化电能源系统.氢燃料电池系统以及锂离子电池系统不同于传统不可拆分的机械动力传动装置，可以实现在动力舱内多模块分布式布局，实现分布式柔性供能，既可以最大化利用整车空间，又可以提升能量转换效率.且不同于柴油发动机、锂电池等系统遭到破坏后，整车会立即失去动力源，采用分布式布局的氢燃料电池系统，单系统遭到破坏后，其他系统可以过载降效率运行，并继续为整车供能，具备优异的故障冗余特性.

5 结束语

氢燃料电池系统是一种新型的能源供给系统，与锂离子动力电池搭配能够形成“供能-储能”持续电能供给和“持续-瞬态”大功率释放系统.相比传统燃料发动机能源供给系统，具有静音、热辐射小、功率比系数高，可分散、集中布置等优势.依托我国新能源产业顶层设计，结合国内目前氢燃料电池系统技术成熟度，开展氢燃料电池系统在装甲车辆上的工程化试验十分必要.同时，也可根据未来装甲装备可能遭遇的作战环境、自然环境等进行适应性分析，根据作战需求开展相关氢燃料电池系统工程化研究，解决限制氢燃料上车的瓶颈问题.可以预见，氢燃料电池系统在未来装甲车辆领域，定会发挥出其优异的军用价值.