士兵的便携式电源管理：燃料电池混合动力系统更轻、更安全

　　完全集成的燃料电池/电池混合系统为军队提供了一个安全，轻便的电源，供战场上的士兵不间断地操作设备，作为携带额外电池和充电系统的替代方案。

　　从夜视镜、笔记本电脑和通信设备到GPS和传感器，越来越多的士兵电子设备的部署增加了军队对轻便、可靠和便携式电力的需求。但是，要有效地为士兵配备运行这些设备所需的动力，存在重大的技术和后勤挑战。

　　由于他们的设备必须自主操作，士兵通常必须携带多达30磅的各种主电池和备用电池，具体取决于其各个设备的功率要求。这大大增加了设备和物品的重量，他们也必须打包。但是，如果士兵们能够携带一个能够适应所有装备的电力需求的轻型功率转换装置呢？这种功率转换设备应使他们能够使用现场任何可用的电源 - 发电机，现场充电器，太阳能电池板，燃料电池等 - 为电池充电。

　　现在，已经为北美和欧洲的国防组织开发了一种新的完全集成的轻型燃料电池/电池混合动力系统，该系统可提供这种功率转换灵活性和足够的容量来支持72小时的任务。关键任务不再需要因更换电池或充电而中断，重要系统也不会因电池空置而发生故障。所有这些因素都大大提高了士兵的安全性和有效性。

　　直接甲醇燃料电池（DMFC）系统（包括燃料电池，燃料电池盒和电源管理器）可以将电池重量减轻多达80%，同时为士兵提供更好的物流和更高的安全性。

　　适用于士兵的便携式混合动力

　　这些混合式便携式DMFC系统由三个组件组成，它们协同工作，为当今的军队提供便携式，灵活，可靠的电源：燃料电池，燃料盒和电源管理器。

　　组件 1 – 燃料电池

　　燃料电池越来越被视为国防应用的可靠、多功能的电源。它们在战场上提供了一系列士兵所欣赏的后勤，安全和功能优势：它们几乎无声无息地运行而不会产生废气，它们不受极端天气的影响，并且仅在需要时产生动力。与仅存储能量的电池不同，DMFC是实际的发电机，只需一个有效的步骤即可将燃料化学转化为电能。

　　在堆栈中，燃料电池的发电心脏，甲醇和水的混合物被引入阳极侧，阳极侧通过电路连接到阴极。获得专利的水管理系统允许在燃料盒中使用100%纯甲醇。（这也有助于减轻装置的重量，因为纯甲醇具有非常高的能量密度。环境空气被泵入阴极侧的烟囱中。与铂催化剂接触后，甲醇释放其电子，其沿阴极方向流动，从而产生电能。同时，质子被释放并穿透膜到阴极。在那里，氧气与质子和电子反应形成纯水。

　　在这个化学过程中，燃料电池以水蒸气和二氧化碳的形式释放水。该过程是环保的：产生的水蒸气和二氧化碳的量与儿童的呼吸相当。

　　这些便携式DMFC中最新的 - 由美国和欧洲的军队组织使用 - 重量仅为3.7磅，尺寸为10“ x 7” x 3“。它直接为电气设备或二次电池充电提供 25 W 的连续标称功率。其标称电压为16.8 V，可适应其他电压。（输出电压为 10 至 30 VDC。25 W时的燃料消耗小于每瓦时0.8克，这意味着能量密度大于1，250 Wh / kg - 大约是锂离子电池能量密度的10倍。当连接到可充电电池时，燃料电池将持续监控电池的充电状态。一旦低于预定义的值，燃料电池将自动开始为电池充电。当电池充满时，燃料电池返回待机模式。这种连续的发电过程使士兵无需中断更换电池或充电的任务，并且可以显着减轻他们必须携带的电池重量。

　　例如，在72小时任务期间需要25 W的士兵的总功率需求为1，600瓦时。需要九个军用电池，如BA5590型（每节电池210瓦时）来提供这种能量。每个电池重2磅，因此至少一名士兵必须携带18磅才能满足这些电力需求。但士兵通常携带多种类型的电池，因为他们的设备需要不同的电压。

　　因此，为了确保72小时任务所需的能量，士兵必须携带大约30磅的电池。适用技术的一个例子是来自SFC智能燃料电池的Jenny燃料电池，其重量仅为3.7磅，外加一个1磅的电源管理器。这种组合，加上混合动力解决方案的五个0.8磅燃料盒，与初级或不可充电电池相比，将使士兵的电源重量减轻65%。二次电池或可充电电池的能量密度更低，而重量更大。平均而言，混合动力燃料电池系统比同等功率的二次电池轻80%。

　　组件 2 – 燃油盒

　　DMFC使用甲醇作为燃料，这是一种易于储存，运输和运输的液态酒精 - 与氢燃料电池中使用的氢气不同。然而，甲醇最重要的特性是其极高的能量密度。重量约为18磅的10升甲醇可提供11千瓦时的功率，在非常低的重量下提供大量能量。

　　相比之下，同等容量的氢气罐高约五英尺，重187磅，不能用飞机运输。等效功率的电池系统将重近600磅。

　　珍妮燃料电池的燃料采用方便的轻质弹药筒，每个弹药筒含有近10盎司的燃料，重量为0.6磅。燃油盒可在运行期间轻松更换（热插拔）。

　　组件 3 – 电源管理器

　　混合DMFC系统的一部分，电源管理器为士兵提供了出色的操作灵活性。它的尺寸为 1.6“ x 3.4” x 5“，重量为 1 lb，通过收集和有效管理来自几乎任何能源的能量，在主机设备运行期间提供电力，从而在现场实现高效的电池充电。可能的电源包括各种化学成分和充电状态的电池、燃料电池、光伏电池、典型电池充电器或汽车电池总线。

　　电源管理器接受非常宽的输入电压范围（工作范围：30 VDC 标称：22 至 24 VDC;12 VDC：10 至 32 VDC），其输出电压（工作范围：10 至 24 VDC）几乎与军队组织使用的任何电气设备兼容，如夜视镜、笔记本电脑、通信以及 GPS 设备和传感器。电源管理器将通过实现的电缆识别功能自动调整到所需的输出电压。这使得战场上的士兵能够在任务期间充分利用任何可用的能源。

　　混合动力系统提供军队优势

　　如前所述，DMFC混合动力系统为地面上的士兵提供了明显的优势：减轻了重量，改善了后勤，提高了安全性。

　　显著减轻重量

　　通过使用燃料电池/燃料盒/电源管理器混合动力系统，与初级不可充电电池相比，运输重量可减轻65%，与次要可充电电池相比，可减轻多达80%。

　　改善物流

　　电池物流可能是一个艰巨的挑战，正如伊拉克战争所看到的那样。陆军组织仍然更喜欢原电池而不是二次电池，原因有很多：它们提供长保质期，易于使用，并且无需充电和启动即可立即使用。然而，它们的缺点是，一旦它们空了，就需要排出和更换 - 这在危急情况下都是一个挑战。二次电池可以充电，因此可以重复使用多次，这不会带来物流挑战。但是，如果没有可用的充电站，则会出现严重问题。然而，使用便携式混合动力解决方案，士兵所需要的一切总是在他们的背心里。使用燃料电池，它们具有个人发电机，而使用可充电电池，它们具有电力存储。几天的燃料（25 W连续72小时：五个0.8磅的弹药筒）可以很容易地包装和运输，使士兵独立于后勤支持。

　　提高士兵安全性

　　直接甲醇燃料电池不含有害成分。美国和欧洲的国防组织已经对甲醇燃料进行了严格的测试，以确定它是否会着火或爆炸。在这些测试中，向SFC燃料筒和浸泡在甲醇中的材料发射了不同类型的弹药。甲醇在任何测试中都没有着火。

　　混合动力系统与技术保持同步

　　技术为军队提供了更高效、更安全的实地任务的先进装备，但直到最近，现有的动力源还没有跟上这些进步的步伐。DMFC结合在一个完全集成的燃料电池/电池混合系统中，使士兵能够利用这种先进的设备，同时减轻他们需要携带的重量。在真正重要的情况下，拥有自己的电力系统的士兵可以产生重大影响。关键任务不再需要因更换电池或充电而中断，重要系统也不会因电池空置而发生故障。所有这些因素都大大提高了士兵的安全性和可操作性。

　　审核编辑：郭婷