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1、化学电源在军事、国防的应用化学电源在军事、国防的应用孙浩重庆大学建筑环境系，重庆 401331摘要：自1799年伏特将一块锌板和一块银板浸在盐水至今，化学电池不断发展出现了锂离子电池、铅酸蓄电池、燃料电池等多种新型化学电池已经广泛应用于各个领域，尤其是在军事国防上的应用，已成为某些军事装备与武器的关键技术，发展化学电池已与未来武器息息相关。关键词：化学电源，军事国防 如人们已经熟悉的，化学电池在满足信息（如手机、对讲机、笔记本计算机、数码装置等）、交通运输、办公自动化、矿产探查、时有钻井、医疗器械乃至家用电器等所有现代社会的必需方面，已具有越来越重要的作用和地位。同时，随着武器装备信息化的快速
2、发展及用电能作为动力武器装备的快速发展，军用电池的地位和作用也越来越高，军用电池已经成为各种军事装备和武器系统、航天器等各种装备的“心脏”和动力，是电能源的重要供应。下面，我就军用化学电源产品在军事装备与武器上的应用做一些介绍。理原电池最早研究锂电池的计划由美国国防部门提出并予以推进，其首要目的是发展航天和军事领域需求的高比能量蓄电池，但由于锂电池的循环寿命差和安全性难于解决，首先获得技术突破与应用的是锂原电池。1971年，日本松下电器公司的福田雅太郎首先发明了锂氟化碳电池，并使其获得应用。从此，锂原电池技术得到发展，逐渐从实验室走向生产，从原型样品走向实用化和商品化。随后，相继出现了锂碘电池
3、（1927年）、锂铬酸银电池（1973年）、锂二氧化硫电池（1974）、锂亚硫酷氯电池（1974年）、锂氧化铜电池（1975年）、锂二氧化锰电池（1976年）和锂硫化铁电池等。 这里着重介绍锂二氧化硫电池。锂二氧化硫电池也属于有机电解质锂电池，但它的电解质溶液中溶解有二氧化硫，二氧化硫既是电解质溶液的组成部分，也是电池的正极活性物质。虽然二氧化硫溶解于有机溶剂中呈液态形式，但在一定温度下显示出维持气/液相间平衡的蒸气压力。一般电池在室温下内部仍保持又一定压力，且随温度升高而升高，故这类电池一般都设计为圆柱形全密封结构。这类电池的壳、盖通常采用镀镍冷轧钢或不锈钢材料，并在底部、侧壁或顶盖设有安全
4、装置，当电池内部压力达到一定值时，安全装置动作，电池漏气以防止电池的爆炸。自1971年发表第一个锂二氧化硫专利以来，该电池技术发展较快，是有机电解质锂电池中综合性能最好的电池。电池的化学反应式如下：2Li+2SO2Li2S2O4(连二亚硫酸锂)当二氧化硫与金属锂接触时，金属锂表面生成二亚硫酸锂膜，这层膜可以阻止二氧化硫与金属锂继续反应，却能让锂离子自由通过，这层膜一般称为钝化膜，是使电池保持长储存寿命特性的关键。但是由于储存过程中，该钝化膜会生长增厚，使电池出现电压滞后现象。电池放电过程中的产物连二亚硫酸锂不溶于电解质溶液，在多孔碳电极的空隙中沉淀，反应末期，碳电极钝化放电终止，电池失效目前应
5、用的锂二氧化硫电池都为卷绕式结构。单电池的容量从0.5Ah至35Ah，大多组成电池组后使用。锂二氧化硫电池开路电压为2.95V，其工作电压的数值视放点率、放电的环境温度二定，其典型的工作电压为2.7V2.9V,终止电压一般为2.0V。该体系电池具有放电曲线平坦、低温性能特别优良（-40工作环境能放出额定容量的50%以上）、储存期内容降小（储存14年的电容量损失小于10%）、可以在较宽的工作电流或功率范围内工作，即能以高放电率短时间或脉冲负载放电，又能以小电流连续放电3年5年；有电压滞后现象，即当电池长期储存后，第一次使用时，特别是以大电流或低温条件下放电时，电压滞后尤为明显。对滞后采取的措施是
6、储存后的电池使用前，用较高的放电率对电池进行“激活”，使其达到规定的工作电压。锂二氧化硫电池主要用于军事装备及工作领域，包括军用电子设备、导弹、水中兵器、无人机、救援设备。声呐浮标及各类雷、弹的电源等。尤其适合于对电压平台和电压精度要求高、长储存后使用及高寒地区（-40以下）等需要高脉冲电流的设备使用。在伊拉克战争特定场合，由于战时来不及充电，也难以找到充电电源，因此士兵通信等用的电池大多是方便的一次性电池。其典型产品正是BA-5590锂二氧化硫一次电池。这种电池是美军目前使用最广泛的便携式电源，多种通信设备依靠它工作。一块这种电池重1025g，体积为111.8mm（长）62.3mm(宽)12
7、7.0mm(高)，容量14.4Ah（12V）或7.2 Ah（24V），工作温度范围为-5575,储存期为十年。除此之外，由于锂亚硫酰氯、锂二氧化锰电池具有高比能量特性，也广泛应用于水雷及其他水中探测设备，炮弹、地雷乃至手榴弹的小型引线电源上。这类电池的进一步发展将会围绕提高电池的比能量、改善电池储存后的电压滞后以及提高电池的可靠性与安全性等方面进行，以此来满足更高的军事要求。燃料电池燃料电池是一种等温并直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的发电装置，也是一种新型的低污染、低噪音、大规模大功率和高效率的汽车动力和发电设备。这类电池的负极活性物质是天然燃料或易从天然燃料得到
8、的物质（如氢，一氧化碳，水煤气等）正极活性物质通常是空气中的氧或纯氧。据统计，2005年全球拥有50万个固定的（静止式）燃料电池装置，到2010年，已有259万户家庭使用燃料电池，同时全球拥有60万台燃料电池汽车，占世界汽车生产量的1%。美国市场上以燃料电池为动力的机动车占美国汽车市场4%的份额，日本和西欧燃料电池汽车分别占市场份额的4.5%和3.7%。预计到2020年，燃料电池汽车将占世界汽车市场的25%。按电池所采用的电解质课将燃料电池分为5类：碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池。这里着重介绍质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池又称PE
9、MFC，它以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂碳或铂钌/碳为电催化剂,氢或净化重整气为燃料,空气或纯氧为氧化剂,带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板.PEMFC中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应，即H2H+2e 该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生成水，即1/2O2+2H+2eH2O生成的水不稀释电解质,而是通过电极随反应尾气排出.至今,绝大多数PEMFC是按压滤机方式组装的,而且大多采用内共用管道形式.电池堆的主体为MEA、双极板及相应的密封件单元的重复，一端为氧单
10、极板，可兼做电流导出板，为电池堆的正极；另一端为氢单极板，也兼做电流导出板，为电池堆的负极。与这两块导流板相邻的是电池堆端板，也称夹板，在其上除布有反应气与冷却液进出通道外，周边还均不一定数目的圆孔。在组电池堆时，因孔内穿入螺杆，给电流施加一定的组装力。若两块端板用金属（如不锈钢、铁板、超硬铝等）制作，还需在导流板与端板之间加入由工程塑料制备的绝缘板。20 世纪60 年代,美国首先将通用电气公司研制出的PEMFC 应用于双子星座飞船的主电源。此后,因成本原因，PEMFC 的发展一度处于低谷。1983 年加拿大国防部看到PEMFC 具有广泛的军用背景,斥巨资支持巴拉德动力公司研究质子交换膜燃料电
11、池。在加、美等各国科学家的共同努力下,PEMFC 取得了突破性进展,相继解决了电极结构立体化、大幅度降低催化剂的铂含量、电极- 膜- 电极三合一的热压以及电池内水传递与平衡等一系列问题。目前, PEMFC 电池组的质量比功率和体积比功率已分别达到或超过1 kW/ kg 和1 kW/ L ,以其为动力源的潜艇也已经下水使用,性能远超过传统动力潜艇;各种以PEMFC 为动力源的电动汽车已在运行,不但其性能可以和内燃机汽车相媲美,而且无排放污染。除此之外PEMFC还具有隐蔽性好、运行时间长、可靠性高、机动性强等诸多优点，在军事领域的应用前景极为广阔。用作海军舰艇的动力源是PEMFC 在军事领域的一个
12、重大用途。美国海军自20 世纪80 年代以来就使用燃料电池为其深海探索的船只和无人潜艇提供动力,美国Analytic Power (AP) 公司在海军技术办公室的支持下,也于同期开始研制以柴油为燃料的10 kW PEMFC 系统。1996 年荷兰海军开始设计和试验用于常规舰艇的PEMFC 柴油机混合能源供应系统。1997 年俄罗斯开始建造柴电燃料电池混合动力潜艇。20世纪80 年代初,Simens 公司开始研究PEMFC 作电源的AIP (不依赖空气动力装置) 潜艇;时至今日,德国AIP 技术已经相当成熟与完善,2003 年4 月7 日试航了投资达2716 亿德国马克的212A型U31潜艇,这
13、是世界上第一艘现代化的AIP 质子交换膜燃料电池潜艇。U31 采用由燃料电池和柴- 电动力系统组成的混合动力系统,其中燃料电池动力系统总功率306 kW,具有体积小,无腐蚀,功率密度大,使用寿命长,不用空气等特点。U31 用燃料电池提供的动力驱动时,可在水下连续潜行3 周。U31 的出现,在潜艇发展史上第一次实现了非核能动力潜艇能长期或至少一半出航时间保持潜航状态,成为世界潜艇发展史上的一个新里程碑。另据英国简氏国际海军2005 年11 月刊报道说德国的第二艘212A 型潜艇U32也于2005年9月27日已交付给国防技术与采办局。PEMFC用作潜艇AIP 推进动力源,与斯特林发动机(瑞典考库姆
14、公司开发的潜AIP 动力系统) 、闭式循环柴油机相比,除了效率高这一优点外,还具有如下优势:1) 向海水辐射的热能少,红外特征很小;2) 基本不向艇外排放废物,尾流特征很小;3)超安静运行,声信号特征很低;4) 在携带相同重量或体积的燃料和氧化剂时,续航能力最强,是斯特林发动机的两倍。所以PEMFC 潜艇隐形效果极好,潜艇的生存力与战斗力得到极大的提高。航空航天领域用PEMFC 包括再生式燃料电池(RFC) 和超级移动装备( EMU) 电源装置。Hamilton 标准公司为美国NASA 研制的RFC系统,旨在配合太阳能发电系统,组成用于火星探测飞行器或月球基地的动力电源。该公司目前已开发出15
15、0 V 直流电压驱动的电动汽车的RFC 装置 。Treadwell 公司与美国空军部门签订了有关的协议,为其设计、制造和测试用于卫星上的RFC 系统,该系统功率为12 kW ,工作电压为28 V.。在EMU应用方面, 美国的EPSI 公司与NASA 共同开发0172 MJ ,514 MJ 的PEMFC 储能子系统,该系统采用金属氢化物储氢提供氢源, 拟替代目前用于EMU 中寿命较短的锌- 银氧化物电池,与蓄电池相比,PEMFC 在循环寿命、充电速度、容量保持率、能量密度等方面具有明显的优势。质子交换膜燃料电池也是许多军事备用电源，应急照明电源的选择。化学电源在军事国防的应用还有很多。具有长储存
16、寿命、短激活时间瞬间提供大电流的热电池用于高机动性的战术导弹，可靠性高、比能量高和工作电压精度高的二次银锌电池用于战略导弹，镉镍蓄电池和铅酸蓄电池分别用于飞机和军用车辆的启动、应急电源。这里就不一一列举。在信息化战争的今天，相信化学电源凭借其具有的各种独特优势将会在军事国防领域有越来越多的用途。参考文献1汪继强，化学与物理电源（第2版）信息化武器装备的动力之源，北京，国防工业出版社，2008.7:26-30。2Kordesc K V , Oliveira J C T. Fuel cells , Ulmanns encyclopediaof industrial chemistry M . Fi
17、fth edition. Germany : VCH ,Wei2heim , 1996 ,A12 :55。 3衣宝廉. 燃料电池原理、技术、应用M . 北京:化学工业出版社,2003 :161 330。4周未,王金全,仲未秧. PEM 燃料电池的应用前景J . 电池工业,2004 ,9 (4) :208 212。5刘驰,沈卫东,阮喻,等. 质子交换膜燃料电池作为军事通信电源的应用前景分析J . 能源技术,2004 ,25 (3) :105 107。6陈军,陶占良. 能源化学M . 北京:化学工业出版社,2004 :239 280。 7日电气学会. 燃料电池友电,21 世纪系统技术调查专门委员会
18、. 燃料电池技M . 谢晓峰,范星河,译. 北京:化学工业出版社,2004 :50 89。 8黄倬. 质子交换膜燃料电池的应用与前景展望M . 北京:冶金工业出版社,2000 :153 154。9胡里清, 周利容, 李拯,等。便携式200 W 至500 W 质子交换膜燃料电池系统研制J . 电化学,2002 ,8 (2) :182 185。 10 DYER C K. Fuel cells for portable applications J . JPowerSources ,2002 ,106 :31 34。11于同双.蓄电池J ,沈阳.2008, (12) ：2012衣宝廉.燃料电池高效、环场友好的发电力一式LMJ北京:化学工业出版社，2000：20。13膜燃料电池性能研究LJ.电源技术，2001:23-28.
