便攜式燃料電池技術的研究進展

陳思安，范 晶，余 猛

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

便攜式燃料電池是一種將燃料與氧化劑中的能量直接轉化為電能的發電裝置[1]。燃料電池作為一種新型的電源裝置具有高效、清潔的優點，廣泛應用于便攜電源、機動化電站、水面及水下艦艇等領域。

人類戰爭在經過不同階段的轉換后，已經進入到信息化作戰階段，而按照目前國際發展形勢來看，未來爆發大規模戰爭的可能性較小，但發生局部沖突的事件可能無法避免，因此單兵作戰系統有望成為未來戰爭的主要武器平臺[2]。單兵作戰系統除了要求士兵較高的身體作戰素養，輔助作戰系統也不容忽視，特別對于士兵隨身攜帶的各種小型便攜式電源系統裝備。便攜式燃料電池裝備具有較多的一些優勢，首先由于它依靠燃料電池作為發電系統，具備良好的隱蔽效果，避免被敵人發現或者摧毀；其次，便攜式電源由于小巧輕量化，因此具備較好的機動性，可滿足作戰時來回奔跑走動的需求；最后，便攜式燃料電池安全性較高、操作簡單、可長時間工作，維護性也小。因此，無論從軍事領域還是經濟效益角度來看，都應對便攜式燃料電池進行應用研究，保障單兵作戰電能的可靠性，這在軍事領域應用意義重大，也使得便攜式燃料電池技術研究成為了必然[3]。

1 便攜式燃料電池技術的現狀

便攜式燃料電池發展對于單兵系統來說越來越先進，也越來越復雜。這種發展趨勢對于便攜式燃料電池技術而言無疑是提出了更高要求。目前，常見便攜式燃料電池主要分為四種：質子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、直接甲醇燃料電池（DFMC）、重整甲醇燃料電池（RMFC）[4]。

1.1 質子交換膜燃料電池（PEMFC）

PEMFC因具有較高的能量轉換效率以及低溫下就可以快速運行起來的優勢，備受國內外研究者的關注。PEMFC主要由三大關鍵部件組成，分別為雙極板、膜電極與墊片，其中核心部件為膜電極，由質子交換膜、氣體擴散層和催化劑組成。PEMFC工作時以氫氣為燃料氣體性能最優，其能量轉換效率接近50%。但由于氫氣不便于隨身攜帶，因此成為制約PEMFC的發展的一個關鍵因素，目前大多技術均采用現場水解制氫來解決供氫問題。其次組成膜電極的關鍵技術中的材料成本較高，這也是制約PEMFC的發展的另一個關鍵因素。

日本的Toshiba公司研發的PEMFC系統，其每消耗21ml的氫氣提供的能量相當于10只LR6電池所產生的的能量，為便攜式燃料電池的發展提供了技術參考。

瑞典的myFC公司研發的產品Power Trekk，其中單個燃料盒容量為1 000 mA·h，該便攜式產品具有較長的續航時間及較高的機動性，產品采用硅化鈉與水反應生成氫氣，為PEMFC系統提供氫氣[5]。

新加坡的Horizon公司研發的產品MINPAK，其中PEMFC系統的燃料也為氫氣，作為便攜式攜式燃料電池產品，其輸出功率為2 W[6]。

美國的Brunton公司研發的產品Brunton Hydrogen Reactor，其中PEMFC系統的電池容量為8 500 mA·h，質量僅為242 g。

浙江高成綠能公司研發的便攜式產品MINEK發電模塊，可提供多種輸出電壓，該模塊質量15 kg，體積36.9 L，額定功率70 W，最高可達150 W。

上海攀業氫能源科技公司研發的PEMFC系統，燃料采用硼氫化鈉為原料進行水解制氫，系統發電功率最大可達200 W。

北京氫璞創能科技公司研發的NowoGen S20型便攜式產品，其質量為1 kg，系統輸出功率為20 W。北京首貝爾公司研發的SFC6600便攜式燃料電池，可背負前行，重達15 kg，可提供多種輸出電壓，最大發電功率達600 W。

PEMFC系統雖然具有較長的續航時間、較高的能量密度，但其成本價格較高，其次對系統補充燃料較為困難，這些因素制約了它的一些發展方向，目前使用較多的場合為單兵綜合作戰系統或一些其他特殊場合。因此想要將其真正應用化，應將研發重點放在氫氣的制備、存儲等方面。

1.2 固體氧化物燃料電池（SOFC）

便攜式SOFC系統主要由五大部分組成，分別是氣源供應端、電堆反應端、尾氣處理端、熱量回收端、電信號控制端等。SOFC系統的氣源多數采用碳氫化合物為熱源，利用重整技術將其重整為氫氣與一氧化碳，用于提升系統性能。常見的重整方式有蒸汽重整、催化部分氧化重整、自熱重整等[7]。SOFC系統的一般工作溫度較高，反應過程塊，因此在便攜式裝備方面具有較高的研究意義。

便攜式SOFC研究水平較高的AMI公司與其他公司聯合所生產的60 W產品Amie60，所用燃料為丙烷罐，該系統額定功率為60W，最大峰值功率可達100 W，尺寸較為小巧，260×230×100 mm，整個SOFC系統重僅有2.8 kg。該產品作為便攜式燃料電池已經在軍隊中得到了廣泛應用。

美國的Nano Dynamics 公司研發的便攜式SOFC產品Revolution，所用燃料為丙烷，燃料填裝完畢后，可長航時運行24 h，該系統額定功率為50 W，對應的比能量為3 000 Wh/kg。

美國的Protonex公司所研發的便攜式SOFC產品P200i，使用丙烷為燃料，最大輸出功率為200 W，在該峰值功率下可續航5 h，該產品的循環壽命次數較高，可循環250次。

UItra-USSI公司研發的便攜式SOFC產品D350，同樣采用丙烷化合物為燃料，最大輸出功率為350 W，動力系統重量為15.8 kg，系統可產生13 kWh的能量。該產品可以輕易的背裝攜帶，并且工作時幾乎無噪音，非常合適戰場環境下的單兵作戰系統。

對比國外所研發的便攜式SOFC產品來看，大多數燃料系統的原料均為丙烷化合物，這主要是由于丙烷具有較高的能量密度且易于保存運輸的特點，這些特點非常適用于便攜式燃料電池技術。但同樣也有不足，因為碳氫化合物在使用過程中會產生積碳，積碳長時間的堆積就會堵塞催化劑孔道，導致丙烷重整失效。其次，SOFC在運行過程中會產生溫度梯度，過高的反應溫度會使密封失效，因此控制SOFC在運行過程中溫度恒定也是至關重要的一個環節。

1.3 直接甲醇燃料電池（DFMC）

便攜式DFMC系統主要由三大部分組成，分別是膜電極、電池陰極與電池陽極，而核心部分膜電極又有三大塊組成，分別是質子交換膜、氣體擴散層與催化劑[8]。便攜式DFMC系統作為一種質子交換膜燃料電池，其所需燃料的分子結構簡單，具有較高的能量密度。攜帶起來也方便，構成也較為簡單，因此在目前也是備受廣泛關注的便攜式結構之一。

美國的MTI Micro 公司所研發的Mobion-30M電池部件配備DFMC系統后，可將原來電池的重量減小一半，可滿足72 h長航時續航。

美國軍隊已投入使用的產品M-25型便攜式DFMC系統，對外可輸出8 V或14 V的電壓，系統可產生2 kWh的能量，最高峰值功率可達200 W，在20 W的輸出功率下可滿足72 h長航時續航，整個系統質量僅有2.73 kg，較多應用于軍隊指揮系統的便攜式移動電源中。著名的洛斯阿拉莫斯實驗室所研發的便攜式DFMC電源系統，對外可輸出12 V電壓，總質量僅1.025 kg。

韓國的Samsung公司所研發的便攜式DFMC電源系統，可產生1.8 kWh的能量，輸出功率20 W，可滿足72 h長航時續航。此產品已經在軍隊中被推廣使用。

我國大連化學物理研究所研發的便攜式DFMC系統，輸出功率最低20 W，最大200 W，系統比能量高達500 Wh/kg。該產品可使用的溫度范圍跨度較大，最低可在零下20度環境下使用。輸出功率為25 W的DFMC系統質量約2-3 kg，可對外穩定輸出十幾伏直流電壓。

便攜式DFMC系統因具有較高的能量轉換率及較高的技術成熟度而備受關注，但由于甲醇在反應過程中會產生有毒產物，這就會導致DFMC系統的催化劑中毒，此外對人體也有一定危害。因此，目前對該系統的研發重心應該放在催化劑方面，研制更高轉換效率、更長續航時間、更小的質量及體積的便攜式DFMC電源系統。

1.4 重整甲醇燃料電池（RMFC）

便攜式RMFC系統同樣采用甲醇為原料，主要區別在于，通過重整技術將甲醇溶液轉換為甲醇蒸汽，再通過重整反應器變為高溫重整氫氣，再與PEMFC系統進行統一集成，用于發電[9]。該過程大大提高了甲醇的轉換效率，并且該過程產生的有毒氣體會被吸附，彌補了DFMC系統中催化劑中毒的缺點，此外還能回收該過程熱量，提高了整體系統的效率。

美國的UItra CeII公司所研發的便攜式RMFC系統，其儲能高達12500Wh，該系統的使用壽命可滿足野外環境下長期使用，使用壽命可達2500 h，產品經過許多項嚴格的產品測試后依舊保持良好的使用性能。此外該公司所研制的XX25型RMFC系統，質量僅有8 kg，并且研制費用較低，可滿足72 h長航時續航。該公司所研發的另一款產品XX55，輸出功率55 W，最大輸出功率可達85 W，也是目前便攜式燃料電池產品中質量、體積較小的一款產品。

丹麥的Serenergy公司所研發的商業化RMFC系統，輸出功率350 W，可穩定輸出21 V的電壓，此外該系統相比DFMC系統，其體積比功率與質量比功率均提高2-3倍。該產品可替代移動設備中的蓄電池。

便攜式RMFC系統是目前比較成熟的一種燃料電池系統，但同樣也有許多的技術問題需要解決，即如何將RMFC系統中催化劑的活性與穩定性提高是當前技術首要解決的問題，其次對整個反應中所產生的的熱量要加以重復利用。在現有技術上對RMFC系統的體積、質量進行改進，朝著更小、更輕的目標加快研發，將便攜式RMFC系統更快的向燃料電池領域推進。

2 便攜式燃料電池技術面臨的挑戰

便攜式燃料電池發展在目前軍事領域應用較為廣泛，同樣也面臨一些挑戰。通過前面介紹與系統結構可知，目前便攜式燃料電池系統主要存在氫氣的制備與存儲、能量管理與控制系統、環境適應性與匹配性等幾大挑戰。

2.1 氫氣的制備與存儲

便攜式燃料電池的能源部分主要依靠氫氣為氣源，但由于氫氣的特殊性，在使用過程中其制備與存儲是目前一大難點。常見的氣態氫或者液態氫由于狀態原因，在運輸及存儲方面極其困難，具有較高的安全風險[10]。而技術較為成熟的固態儲氫雖然較為安全，但其儲氫密度低，抗氣體毒化性能差，存在儲氫介質失效的可能。物理吸附儲雖然儲氫密度高、過程安全，但其儲氫機理與具體過程難以控制，且該技術成本較高，不適合大批量推行使用。因此要推廣便攜式燃料電池的實際應用，對制氫、儲氫的技術還需進一步研究。目前采用便攜燃料包并配合水解制氫法在小型反應制氫裝置中進行制氫是研究較多的一個方向，針對便攜式燃料電池技術，采用此方法對產氫壓力予以控制，可直接供產品使用，該方法風險較小，成本可控，也可解決氫氣存儲的高風險問題。

2.2 能量管理與控制系統

便攜式燃料電池的能量管理與控制是整個系統的重要部分，也是技術中的一個難點，如何高效安全對能量進行管理分配、合理利用是實現產業化必需要解決的問題。高效合理的能量管理與控制系統可以保證系統安全流暢的運行，對能量系統進行優化，實行智能管理控制可以保證系統能量分配的均衡。在不同工況下使用不同的能量控制策略，明確不同階段的能量使用狀況，開展制定相應的能量指標與能量控制策略的研究，以適用不同情況下的能量需求。能量管理結構可采用模塊化集成設計，對能量進行統一管理，可單一進行使用，也可并聯進行使用，實現能量自由切換。對便攜式燃料電池能量管理系統進行組合、梯度配置，為不同發電單元提供不同的負荷能量，提高系統整體的能量利用率。

2.3 環境適應性與匹配性

便攜式燃料電池在單兵上的應用較多，考慮士兵需要負重作戰，因此對于戰場環境適應性要求較高，便攜式設備的研制應盡可能的輕量化與小體積，特別是對于輕量化的改進，在保證能源供給滿足的情況下，減小電池的質量與體積是便攜式燃料電池在未來軍事領域大規模使用的前提。便攜式燃料電池所使用過程中存在有些制氫方式會發熱產熱的情況，而隨著熱探測技術的發展，發熱源會較容易被探測到，從而引起暴露。因此應對局部發熱問題深入研究，降低熱源，提高戰場使用環境安全性。目前除直接制氫方式為燃料供應外，還有一些碳氫化合物如丙烷、甲醇等通過重整技術作為便攜式燃料電池的燃料供應，但重整技術的反應器溫度較高，這就需要耐高溫的材料用于反應器的制造，但此種材料造價成本較高。因此提高燃料的適應性，盡可能降低燃料使用成本，是將便攜式燃料電池大規模推廣的重要前提。

3 便攜式燃料電池技術應用前景

便攜式燃料電池系統既可以單模塊供電，也可集中統一供電，無論針對哪種用戶需求，均可滿足。由于便攜式燃料電池較低的紅外輻射既不會對部隊人員工作環境造成影響，又可保障部隊不同任務的單兵用電需求，因此在軍事領域的應用優勢極為突出。

軍事領域擁有較多的電子系統設備，如無線電臺、定位系統、夜視設備等。而支持這些電子設備正常運行的重要部位為動力能源。因此為軍事電子系統提供輕便、高儲能密度的燃料電池是產品研發中的關鍵環節。輕便的高能密度電池不僅可以減輕士兵的負擔，更使裝備更加輕量化，增加戰場環境的機動性與生存能力[11]。

便攜式燃料電池系統可用于小型無人機等飛行器武器，為該類武器提供動力能源，由于裝置工作時溫度接近常溫，紅外隱身性能好，飛行過程中可有效的避免被發現，提高偵察能力與反偵察能力。

便攜式燃料電池系統可用于微型發電機，用于替代傳統電池的供電系統，微型發電機主要由兩部分構成，一部分為渦輪發電機將燃油轉換為機械能，另一部分就是微型發電機通過將機械能轉換為能量為設備供電。

便攜式燃料電池系統可用于車載、艦船等機動化設備[4]。利用燃料補給的快速性與靈活性，為行進中的機動部隊提供不間斷的動力能源，保障電力系統的暢通。

便攜式燃料電池由于特定的優勢目前應用較為廣泛，但由于燃料電池電堆成本較高問題，使得目前僅在軍事領域應用較多，如果能將其成本降低，則會在更多的民用產品上也得到應用，從而帶來巨大的商業價值。這為推廣新能源的發展也創造了機遇。

4 便攜式燃料電池技術研究總結與展望

燃料電池經過近幾年的快速發展，已經在較多的行業與領域得到了應用。而便攜式燃料電池因其特性在軍事領域得到了更加快速的發展。從目前世界各國技術來看，便攜式PEMFC與SOFC系統相對而言發展研究較為火熱，相比較國外的成熟技術，我國在集成化及小型輕量化方面有一定差距，且國外相關技術對我國有所保留。此外便攜式燃料電池技術發展中也有不少挑戰，主要問題為燃料氣源的制備與存儲問題，選擇合適的制氫方法，提高燃料環境的適應性，可加快PEMFC與SOFC系統的實際應用。對核心問題進行技術改革與創新，降低燃料電池電堆的成本，加快便攜式燃料電池在民用產品上的步伐，可為整個應用行業提供更輕便、高效的新能源系統。