电磁发射用氢燃料电池初级能源的应用前景.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月火炮发射与控制学报 :./.收稿日期:基金项目:陕西省重点研发计划项目()作者简介:王遂()男 博士 助理研究员 研究方向为脉冲功率与电磁发射技术电磁发射用氢燃料电池初级能源的应用前景王遂 黄凯 苏子舟 王毅 李菊香(西北机电工程研究所 陕西 咸阳)摘 要:初级能源为脉冲电源提供持续工作的能量基础 是电磁发射用电源系统的关键组成部分 目前常见的初级能源形式均存在不可忽视的缺点 综合性能难以满足电磁发射技术的武器化应用需求 将氢燃料电池引入电磁发射武器系统 概述了氢燃料电池关键技术的研究现状 从功率密度、能量密度、能量补给速度、环境保护、温度适应能力等多个方面对比分析了氢燃
2、料电池初级能源的技术优势 进一步地 探讨预测了氢燃料电池初级能源应用于电磁发射武器系统的工作模式及其带来的武器系统作战效能变革 展望了氢燃料电池初级能源在电磁发射领域的应用前景关键词:电磁发射 初级能源 氢燃料电池 技术优势 应用前景中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:电磁发射技术利用电流与磁场之间的相互作用产生电磁力来推进物体能够突破传统发射方式的速度和能量极限具有发射初速高、发射质量范围大、连续可控性好、声光特征低等优势已经在电磁轨道炮、电磁线圈炮、舰载机电磁弹射等军事领域展现出巨大的应用潜力 火炮发射与控制学报第 卷电源系统是电磁发射的能量来源其性能很大程度上决定了电磁发射技
3、术的工程化应用前景 目前用于电磁发射的电源系统一般由初级能源和脉冲电源两部分组成 其中初级能源主要用于存储多次电磁发射所需要的能量并在电磁发射之前为脉冲电源充电脉冲电源主要用于存储单次电磁发射所需的能量并在几毫秒的瞬间释放电能为发射装置输出符合需求的大功率脉冲电流现阶段应用最广泛的初级能源形式主要为柴油发电机和锂离子蓄电池 然而柴油发电机的功率密度较低难以满足电磁发射系统的高频发射需求且存在运行噪声大、环境污染高、热辐射高等缺点 锂电池虽然可以实现很高的功率密度但其储能密度较低且需要较长的能量补给时间严重影响电磁发射系统的持续工作能力 显然当前初级能源形式的综合性能与电磁发射武器装备的实战化应
4、用需求还有较大差距 因此研究探索具备高储能密度和高功率密度同时更加清洁高效、环境适应能力更强的初级能源形式已经成为电磁发射技术领域的一个重要发展方向氢燃料电池是一种通过电化学反应的方式直接将氢气的化学能转化为电能的能源转换装置具有储能密度高、功率密度高、能量转化效率高、零污染、噪声小等诸多优势被认为是一种潜力巨大的能源利用方式笔者将氢燃料电池引入电磁发射系统 首先分别总结了常见初级能源形式和氢燃料电池的发展现状接着对比分析了氢燃料电池作为电磁发射用初级能源的技术优势之后探讨了氢燃料电池初级能源的工作模式和其对电磁发射武器系统带来的变革最后展望了氢燃料电池初级能源的发展前景 电磁发射用初级能源现
5、状.电磁发射对初级能源的技术要求电磁发射系统主要由电源系统、发射装置、发射组件以及监测控制系统组成如图 所示 电磁发射武器系统对初级能源的各项关键技术指标提出了严苛的要求 首先初级能源需要在一定的体积和质量限制下存储多次电磁发射所需的能量因此初级能源必须具备非常高的储能密度其次高射频的电磁发射武器要求脉冲电源实现较高的充放电频率而初级能源的输出功率决定了脉冲电源的充电速度因此初级能源必须具备较高的功率密度 以美国海军 炮口动能的电磁轨道炮样机为例该样机目前已经实现了 发/的射速 发射装置考虑 的效率和 次发射则初级能源需要有效输出 的能量且平均输出功率至少达到 此外为提高电磁发射武器的持续作战
6、能力保障系统安全初级能源还需要具备很高的安全可靠性、较快的能量补给能力和较长的循环工作寿命 最后初级能源还必须实现宽温域工作从而适应不同的战场环境温度.常见初级能源现状目前应用最为广泛的初级能源形式主要包括柴油发电机和锂离子蓄电池.柴油发电机柴油的热值一般为./柴油发电机的储能密度很高 以额定功率 的 型柴油发电机为例配备容量 的油箱该柴油发电机的能量密度达到约 /然而应用于电磁发射系统的柴油发电机的功率密度较低通常低于./虽然多台大功率柴油发电机同时运行可以为电磁发射系统提供几兆瓦的输出功率但是多台高功率柴油发电机的体积规模非常巨大严重限制电磁发射武器的灵活机动性 此外柴油发电机在运行过程中
7、还会产生巨大的噪声和油烟隐蔽性差且会带来比较严重的环境污染.锂离子蓄电池锂离子电池组的功率密度远高于柴油发电机能够达到 /左右因此锂电池初级能源能够以较小的体积实现几兆瓦甚至几十兆瓦的输出功率比较适合电磁发射武器系统的高射频需求 然而锂电池初级能源依然存在一些不容忽视的缺点 首先目前锂电池组的储能密度只能达到.第 期王遂等:电磁发射用氢燃料电池初级能源的应用前景./且为了实现高功率放电其化学储能不能完全释放一般需要考虑 的释能深度因此锂电池初级能源的持续工作能力较差一般在完成约 次能量输出之后就必须充电 其次锂电池的充电倍率非常低其能量补给时间往往需要几十分钟 再次锂电池的环境温度适应能力较差
8、环境温度过高或过低时其放电倍率和使用寿命都会大幅降低 最后锂电池初级能源还存在一定的火灾风险其安全可靠性还需要得到进一步的提升 氢燃料电池初级能源.氢燃料电池简介氢气的热值约为 /高达煤炭、柴油等传统燃料的 倍 氢燃料电池是一种直接将氢气(燃料)的化学能转化为电能的发电装置其工作过程不涉及燃烧不受卡诺循环的限制能量转化效率高达 以上 氢燃料电池的化学反应生成物仅为水不产生空气污染物和温室气体是一种高效清洁的能源利用形式氢燃料电池工作过程中电子由阳极通过外电路流向阴极时会产生直流电 一节单体燃料电池的发电电压理论上限为.接有负载时的输出电压通常在.之间 为了满足一定的功率需求通常由数百个单电池串
9、并联组成氢燃料电池堆同时配置相应的辅助系统包括氢气供给系统、空气供给系统、水管理系统、热管理系统以及电子控制系统等共同实现氢燃料电池的正常工作.氢燃料电池的研究现状 年 提出了燃料电池的原型 进入 世纪 年代随着能源危机、环境污染的加剧氢燃料电池作为一种清洁高效的能源转化装置进入了突飞猛进的发展阶段 目前氢能燃料电池已经取得了一系列关键技术突破尤其在轿车、客车、船舶等运输领域已经基本完成了性能研发成熟度已非常接近产业化阶段.电堆技术电堆是燃料电池动力系统的核心部分其性能直接决定着整个燃料电池系统的性能上限 评价氢燃料电池电堆性能的指标主要包括寿命、启动温度以及功率密度 年日本丰田汽车公司推出了
10、 氢燃料电池汽车该汽车搭载电堆的功率密度达到./启动温度 寿命 以上 近年来国内电堆企业迅速崛起多项关键技术指标都取得了长足的进步 以新源动力公司为例该公司生产的 型氢燃料电池电堆的功率密度达到./实现了 冷启动寿命达到 .储氢技术氢是最轻的元素常温常压情况下的密度只有水的万分之一因此高密度储氢的难度非常高 氢气也是最小的分子容易穿透很多金属容器造成材料的氢脆和氢气泄露 目前氢气的储存方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢和有机液体储氢 其中后三种储氢方式的成本都非常高且固态储氢和有机液体储氢目前还存在一些关键技术瓶颈 与之对比高压气态储氢的技术最为成熟成本较低是目前应用最广泛的储氢技
11、术经过多年的发展目前产业化的高压气态储氢容器已经发展到了 型铝合金内胆纤维缠绕瓶该型储氢瓶可以实现 高压储氢储氢密度达到 /且几乎无氢脆问题结构可以在烈火环境和受到猛烈撞击下不爆炸 近年来日本使用的车载储氢瓶单次充气压力的安全上限值已经从 提高到 实现了技术的进一步升级.系统集成技术氢燃料电池系统包括电堆、氢气供给系统、空气供给系统、水管理系统、热管理系统以及电子控制系统等多个组成部件 燃料电池动力系统集成设计的过程中涉及到各部件的选型及参数匹配各部件性能各异参数众多相互耦合共同影响着燃料电池的工作性能、能量转换效率、体积质量规模以及制造成本 目前国外先进氢燃料电池系统已经实现了比较高的系统集
12、成水平如丰田 氢燃料电池的功率密度达到约 /储存 的氢气能量密度约为 /.输出功率以日本丰田、本田 和韩国现代 的产品为代表车用燃料电池的输出功率级别一般在 左右 由于船舶的载重量较高应用于船舶的氢燃料电池输出功率一般高于 年“”燃料电池船用系统示范项目推出了“”号海洋工程供应船该船舶装备了功率为 的燃料电池系统 年火炮发射与控制学报第 卷月加拿大 公司基于质子交换膜技术推出了功率为 的船用氢燃料电池模块 该燃料电池模块将电堆和辅助系统集成封装在箱体内多个模块可以串联扩展至几兆瓦的功率水平.电池寿命目前国内外先进氢燃料电池的寿命已经满足商用要求 应用于轿车的燃料电池寿命超过 应用于客车的燃料电
13、池寿命已经达到了 以上.温度环境适应性质子交换膜氢燃料电池的高温适应性非常好能够在 正常工作且启动时间只需要几秒钟 在低温性能方面目前国内外处于先进水平的氢燃料电池的电堆均实现了 冷启动且低温启动时间仅需 左右.安全性氢气是密度最小的气体极易挥发扩散因此只要不是密闭空间就不会发生氢气的积聚 年美国迈阿密大学 博士对氢燃料电池汽车和汽油车进行了燃料泄漏模拟研究通过对比实验表明氢燃料电池在燃料泄露起火后的安全性高于传统内燃机 近年来随着高压储氢材料的革新和监测控制技术的发展氢燃料电池可能发生的氢脆问题和氢气泄露得到了有效的控制氢燃料电池的安全性进一步提升 氢燃料电池在电磁发射领域的应用前景 随着氢
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