完全集成的燃料電池/電池混合系統(tǒng)為軍隊(duì)提供了一個安全，輕便的電源，供戰(zhàn)場上的士兵不間斷地操作設(shè)備，作為攜帶額外電池和充電系統(tǒng)的替代方案。

從夜視鏡、筆記本電腦和通信設(shè)備到GPS和傳感器，越來越多的士兵電子設(shè)備的部署增加了軍隊(duì)對輕便、可靠和便攜式電力的需求。但是，要有效地為士兵配備運(yùn)行這些設(shè)備所需的動力，存在重大的技術(shù)和后勤挑戰(zhàn)。

由于他們的設(shè)備必須自主操作，士兵通常必須攜帶多達(dá)30磅的各種主電池和備用電池，具體取決于其各個設(shè)備的功率要求。這大大增加了設(shè)備和物品的重量，他們也必須打包。但是，如果士兵們能夠攜帶一個能夠適應(yīng)所有裝備的電力需求的輕型功率轉(zhuǎn)換裝置呢？這種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備應(yīng)使他們能夠使用現(xiàn)場任何可用的電源 - 發(fā)電機(jī)，現(xiàn)場充電器，太陽能電池板，燃料電池等 - 為電池充電。

現(xiàn)在，已經(jīng)為北美和歐洲的國防組織開發(fā)了一種新的完全集成的輕型燃料電池/電池混合動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提供這種功率轉(zhuǎn)換靈活性和足夠的容量來支持72小時的任務(wù)。關(guān)鍵任務(wù)不再需要因更換電池或充電而中斷，重要系統(tǒng)也不會因電池空置而發(fā)生故障。所有這些因素都大大提高了士兵的安全性和有效性。

直接甲醇燃料電池（DMFC）系統(tǒng)（包括燃料電池，燃料電池盒和電源管理器）可以將電池重量減輕多達(dá)80%，同時為士兵提供更好的物流和更高的安全性。

適用于士兵的便攜式混合動力

這些混合式便攜式DMFC系統(tǒng)由三個組件組成，它們協(xié)同工作，為當(dāng)今的軍隊(duì)提供便攜式，靈活，可靠的電源：燃料電池，燃料盒和電源管理器。

組件 1 – 燃料電池

燃料電池越來越被視為國防應(yīng)用的可靠、多功能的電源。它們在戰(zhàn)場上提供了一系列士兵所欣賞的后勤，安全和功能優(yōu)勢：它們幾乎無聲無息地運(yùn)行而不會產(chǎn)生廢氣，它們不受極端天氣的影響，并且僅在需要時產(chǎn)生動力。與僅存儲能量的電池不同，DMFC是實(shí)際的發(fā)電機(jī)，只需一個有效的步驟即可將燃料化學(xué)轉(zhuǎn)化為電能。

在堆棧中，燃料電池的發(fā)電心臟，甲醇和水的混合物被引入陽極側(cè)，陽極側(cè)通過電路連接到陰極。獲得專利的水管理系統(tǒng)允許在燃料盒中使用100%純甲醇。（這也有助于減輕裝置的重量，因?yàn)榧兗状季哂蟹浅８叩哪芰棵芏取－h(huán)境空氣被泵入陰極側(cè)的煙囪中。與鉑催化劑接觸后，甲醇釋放其電子，其沿陰極方向流動，從而產(chǎn)生電能。同時，質(zhì)子被釋放并穿透膜到陰極。在那里，氧氣與質(zhì)子和電子反應(yīng)形成純水。

在這個化學(xué)過程中，燃料電池以水蒸氣和二氧化碳的形式釋放水。該過程是環(huán)保的：產(chǎn)生的水蒸氣和二氧化碳的量與兒童的呼吸相當(dāng)。

這些便攜式DMFC中最新的 - 由美國和歐洲的軍隊(duì)組織使用 - 重量僅為3.7磅，尺寸為10“ x 7” x 3“。它直接為電氣設(shè)備或二次電池充電提供 25 W 的連續(xù)標(biāo)稱功率。其標(biāo)稱電壓為16.8 V，可適應(yīng)其他電壓。（輸出電壓為 10 至 30 VDC。25 W時的燃料消耗小于每瓦時0.8克，這意味著能量密度大于1，250 Wh / kg - 大約是鋰離子電池能量密度的10倍。當(dāng)連接到可充電電池時，燃料電池將持續(xù)監(jiān)控電池的充電狀態(tài)。一旦低于預(yù)定義的值，燃料電池將自動開始為電池充電。當(dāng)電池充滿時，燃料電池返回待機(jī)模式。這種連續(xù)的發(fā)電過程使士兵無需中斷更換電池或充電的任務(wù)，并且可以顯著減輕他們必須攜帶的電池重量。

例如，在72小時任務(wù)期間需要25 W的士兵的總功率需求為1，600瓦時。需要九個軍用電池，如BA5590型（每節(jié)電池210瓦時）來提供這種能量。每個電池重2磅，因此至少一名士兵必須攜帶18磅才能滿足這些電力需求。但士兵通常攜帶多種類型的電池，因?yàn)樗麄兊脑O(shè)備需要不同的電壓。

因此，為了確保72小時任務(wù)所需的能量，士兵必須攜帶大約30磅的電池。適用技術(shù)的一個例子是來自SFC智能燃料電池的Jenny燃料電池，其重量僅為3.7磅，外加一個1磅的電源管理器。這種組合，加上混合動力解決方案的五個0.8磅燃料盒，與初級或不可充電電池相比，將使士兵的電源重量減輕65%。二次電池或可充電電池的能量密度更低，而重量更大。平均而言，混合動力燃料電池系統(tǒng)比同等功率的二次電池輕80%。

組件 2 – 燃油盒

DMFC使用甲醇作為燃料，這是一種易于儲存，運(yùn)輸和運(yùn)輸?shù)囊簯B(tài)酒精 - 與氫燃料電池中使用的氫氣不同。然而，甲醇最重要的特性是其極高的能量密度。重量約為18磅的10升甲醇可提供11千瓦時的功率，在非常低的重量下提供大量能量。

相比之下，同等容量的氫氣罐高約五英尺，重187磅，不能用飛機(jī)運(yùn)輸。等效功率的電池系統(tǒng)將重近600磅。

珍妮燃料電池的燃料采用方便的輕質(zhì)彈藥筒，每個彈藥筒含有近10盎司的燃料，重量為0.6磅。燃油盒可在運(yùn)行期間輕松更換（熱插拔）。

組件 3 – 電源管理器

混合DMFC系統(tǒng)的一部分，電源管理器為士兵提供了出色的操作靈活性。它的尺寸為 1.6“ x 3.4” x 5“，重量為 1 lb，通過收集和有效管理來自幾乎任何能源的能量，在主機(jī)設(shè)備運(yùn)行期間提供電力，從而在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)高效的電池充電。可能的電源包括各種化學(xué)成分和充電狀態(tài)的電池、燃料電池、光伏電池、典型電池充電器或汽車電池總線。

電源管理器接受非常寬的輸入電壓范圍（工作范圍：30 VDC 標(biāo)稱：22 至 24 VDC;12 VDC：10 至 32 VDC），其輸出電壓（工作范圍：10 至 24 VDC）幾乎與軍隊(duì)組織使用的任何電氣設(shè)備兼容，如夜視鏡、筆記本電腦、通信以及 GPS 設(shè)備和傳感器。電源管理器將通過實(shí)現(xiàn)的電纜識別功能自動調(diào)整到所需的輸出電壓。這使得戰(zhàn)場上的士兵能夠在任務(wù)期間充分利用任何可用的能源。

混合動力系統(tǒng)提供軍隊(duì)優(yōu)勢

如前所述，DMFC混合動力系統(tǒng)為地面上的士兵提供了明顯的優(yōu)勢：減輕了重量，改善了后勤，提高了安全性。

顯著減輕重量

通過使用燃料電池/燃料盒/電源管理器混合動力系統(tǒng)，與初級不可充電電池相比，運(yùn)輸重量可減輕65%，與次要可充電電池相比，可減輕多達(dá)80%。

改善物流

電池物流可能是一個艱巨的挑戰(zhàn)，正如伊拉克戰(zhàn)爭所看到的那樣。陸軍組織仍然更喜歡原電池而不是二次電池，原因有很多：它們提供長保質(zhì)期，易于使用，并且無需充電和啟動即可立即使用。然而，它們的缺點(diǎn)是，一旦它們空了，就需要排出和更換 - 這在危急情況下都是一個挑戰(zhàn)。二次電池可以充電，因此可以重復(fù)使用多次，這不會帶來物流挑戰(zhàn)。但是，如果沒有可用的充電站，則會出現(xiàn)嚴(yán)重問題。然而，使用便攜式混合動力解決方案，士兵所需要的一切總是在他們的背心里。使用燃料電池，它們具有個人發(fā)電機(jī)，而使用可充電電池，它們具有電力存儲。幾天的燃料（25 W連續(xù)72小時：五個0.8磅的彈藥筒）可以很容易地包裝和運(yùn)輸，使士兵獨(dú)立于后勤支持。

提高士兵安全性

直接甲醇燃料電池不含有害成分。美國和歐洲的國防組織已經(jīng)對甲醇燃料進(jìn)行了嚴(yán)格的測試，以確定它是否會著火或爆炸。在這些測試中，向SFC燃料筒和浸泡在甲醇中的材料發(fā)射了不同類型的彈藥。甲醇在任何測試中都沒有著火。

混合動力系統(tǒng)與技術(shù)保持同步

技術(shù)為軍隊(duì)提供了更高效、更安全的實(shí)地任務(wù)的先進(jìn)裝備，但直到最近，現(xiàn)有的動力源還沒有跟上這些進(jìn)步的步伐。DMFC結(jié)合在一個完全集成的燃料電池/電池混合系統(tǒng)中，使士兵能夠利用這種先進(jìn)的設(shè)備，同時減輕他們需要攜帶的重量。在真正重要的情況下，擁有自己的電力系統(tǒng)的士兵可以產(chǎn)生重大影響。關(guān)鍵任務(wù)不再需要因更換電池或充電而中斷，重要系統(tǒng)也不會因電池空置而發(fā)生故障。所有這些因素都大大提高了士兵的安全性和可操作性。

審核編輯：郭婷