士兵的便攜式電源管理：燃料電池混合動力系統(tǒng)更輕、更安全

完全集成的燃料電池/電池混合系統(tǒng)為軍隊提供了一個安全，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備到GPS和傳感器，越來越多的士兵電子設備的部署增加了軍隊對輕便、可靠和便攜式電力的需求。但是，要有效地為士兵配備運行這些設備所需的動力，存在重大的技術和后勤挑戰(zhàn)。

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

現在，已經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)可提供這種功率轉換靈活性和足夠的容量來支持72小時的任務。關鍵任務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，為當今的軍隊提供便攜式，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行而不會產生廢氣，它們不受極端天氣的影響，并且僅在需要時產生動力。與僅存儲能量的電池不同，DMFC是實際的發(fā)電機，只需一個有效的步驟即可將燃料化學轉化為電能。

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，陽極側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，因為純甲醇具有非常高的能量密度。環(huán)境空氣被泵入陰極側的煙囪中。與鉑催化劑接觸后，甲醇釋放其電子，其沿陰極方向流動，從而產生電能。同時，質子被釋放并穿透膜到陰極。在那里，氧氣與質子和電子反應形成純水。

在這個化學過程中，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：產生的水蒸氣和二氧化碳的量與兒童的呼吸相當。

這些便攜式DMFC中最新的 - 由美國和歐洲的軍隊組織使用 - 重量僅為3.7磅，尺寸為10“ x 7” x 3“。它直接為電氣設備或二次電池充電提供 25 W 的連續(xù)標稱功率。其標稱電壓為16.8 V，可適應其他電壓。（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)。一旦低于預定義的值，燃料電池將自動開始為電池充電。當電池充滿時，燃料電池返回待機模式。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，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，因為他們的設備需要不同的電壓。

因此，為了確保72小時任務所需的能量，士兵必須攜帶大約30磅的電池。適用技術的一個例子是來自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，運輸和運輸的液態(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，不能用飛機運輸。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，在主機設備運行期間提供電力，從而在現場實現高效的電池充電?？赡艿碾娫窗ǜ鞣N化學成分和充電狀態(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）幾乎與軍隊組織使用的任何電氣設備兼容，如夜視鏡、筆記本電腦、通信以及 GPS 設備和傳感器。電源管理器將通過實現的電纜識別功能自動調整到所需的輸出電壓。這使得戰(zhàn)場上的士兵能夠在任務期間充分利用任何可用的能源。

混合動力系統(tǒng)提供軍隊優(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，運輸重量可減輕65%，與次要可充電電池相比，可減輕多達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，則會出現嚴重問題。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，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輸，使士兵獨立于后勤支持。

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對甲醇燃料進行了嚴格的測試，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)與技術保持同步

技術為軍隊提供了更高效、更安全的實地任務的先進裝備，但直到最近，現有的動力源還沒有跟上這些進步的步伐。DMFC結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的設備，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)的士兵可以產生重大影響。關鍵任務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