Abad ini adalah era perkembangan pesat dan penerapan luas material baru dan teknologi canggih. Ini adalah era penggunaan energi baru yang efisien, bersih dan aman. Sel bahan bakar, sebagai sumber daya yang sangat efisien dan bersih, memiliki prospek penerapan yang sangat luas. Sel bahan bakar adalah perangkat yang secara langsung mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Perbedaan dari baterai tradisional adalah tidak perlu diisi ulang. Baterai hanya perlu memasukkan bahan bakar dan oksidan secara terus menerus serta mengeluarkan produk reaksi untuk menyediakan pasokan tanpa gangguan. Energi listrik. Bisa dikatakan fuel cell merupakan alat pengubah energi layaknya pembangkit listrik otomatis. Umumnya baterai yang menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar disebut sel bahan bakar hidrogen. Sel bahan bakar hidrogen terdiri dari katoda, anoda, dan elektrolit, anoda adalah bahan bakar hidrogen, katoda adalah oksigen, dan produk yang dilepaskan oleh reaksi adalah air murni. Reaksi internal sel bahan bakar hidrogen tidak memerlukan proses konversi panas-mekanis, sehingga tidak dibatasi oleh siklus Carnot, memiliki efisiensi konversi energi yang tinggi, dan tidak memerlukan peralatan operasi mekanis yang besar, kebisingan yang rendah, tidak panas, dan karakteristik inframerah dan kebisingan yang sangat baik. Cocok untuk penggunaan militer.
Sebagai militer berteknologi tinggi yang khas di dunia, militer AS sangat mementingkan penerapan teknologi baru dan sumber energi baru. Dalam beberapa tahun terakhir, militer AS sangat mementingkan penelitian dan pengembangan sel bahan bakar, mulai dari menyalakan peralatan individu hingga mengendarai kapal selam tak berawak dan drone di bawah air. Manusia dan mesin, hingga truk militer yang digerakkan listrik dan proyek lainnya, semuanya menggunakan sel bahan bakar hidrogen untuk menyediakan kemampuan suplai daya yang bersih, andal, dan efisien. Artikel ini secara singkat memperkenalkan teknologi sel bahan bakar hidrogen yang saat ini sedang dikembangkan oleh militer AS.
Sel bahan bakar hidrogen untuk kapal selam tak berawak di bawah air
Kendaraan kapal selam tak berawak bawah air (UUV) memainkan peran penting dalam peperangan modern, dan dapat memainkan peran pengintaian, deteksi, dan serangan bawah air. Persyaratan untuk sistem propulsi kapal selam tak berawak bawah air adalah energi spesifik yang tinggi, keamanan dan kehandalan, serta karakteristik kebisingan yang rendah.Sistem baterai lithium-ion saat ini hanya dapat menyediakan catu daya sekitar 24 jam, dan kapal selam tak berawak bawah air perlu terus bekerja Persyaratan beberapa minggu masih jauh, sehingga perlu untuk menemukan sistem penggerak energi energi spesifik yang lebih tinggi. Untuk alasan ini, pada tahun 2017, Departemen Pertahanan AS menyetujui pendanaan sebesar 6 juta dolar AS dan berencana menghabiskan 5 tahun untuk mengembangkan bisu kapal selam tak berawak bawah air. Sistem propulsi.
Sistem propulsi kapal selam tak berawak bawah air yang dipelajari oleh US Army Research Laboratory menggunakan sistem propulsi bertenaga sel bahan bakar hidrogen. Diagram skematik sistem propulsi ditunjukkan pada Gambar 1. Sistem ini mewujudkan sirkulasi internal yang lengkap, menggunakan litium perklorat untuk menyimpan oksigen, dan sumber hidrogen adalah metanol. Setelah metanol dipecah, hidrogen diperoleh, dan oksigen yang dipisahkan dari litium perklorat masing-masing dimasukkan ke dalam reaktor untuk reaksi menghasilkan listrik. Hidrogen berlebih dikembalikan ke pembakar untuk pembakaran, dan panas yang dihasilkan digunakan untuk memanaskan dulu prosesor konversi dan memanaskan litium perklorat untuk memisahkan oksigen. Uap air dan panas yang dihasilkan oleh reaksi dikondensasikan dan dihilangkan oleh kondensor tersegmentasi. Tumpukan sel bahan bakar hidrogen ditunjukkan pada Gambar 1 (kanan atas) Pengujian menunjukkan bahwa setiap tumpukan sel bahan bakar hidrogen dapat mencapai daya 400W.
Sel bahan bakar hidrogen untuk kendaraan udara tak berawak
Di masa perang, ketika diperlukan untuk melakukan beberapa misi terbang yang sangat berbahaya dan sulit, kendaraan udara tak berawak (UAV atau kendaraan udara tak berawak) biasanya digunakan. UAV dapat secara efisien melakukan pengintaian taktis di medan perang, dan mengembalikan data gambar dan data di medan perang secara real time. Dalam sepuluh tahun terakhir, semua negara berkembang pesat. Namun, drone yang ada digerakkan oleh baterai lithium-ion, dan ada masalah kapasitas catu daya yang tidak mencukupi. Daya akan habis dalam waktu sekitar 30 menit setiap kali misi diberangkatkan. Drone perlu dikembalikan untuk diisi, sehingga perlu mengembangkan waktu pasokan daya yang lebih lama. Sistem catu daya sel bahan bakar hidrogen yang lebih aman dan andal.
Dalam keadaan normal, drone sel bahan bakar hidrogen memiliki perangkat penyimpanan hidrogen yang aman dan andal serta dilengkapi dengan baterai lithium-ion untuk mengatasi keluaran arus puncak. Persyaratan teknis utama militer AS untuk drone sel bahan bakar hidrogen meliputi:
Sumber hidrogen aman, andal, dan hemat biaya;
Sistem sel bahan bakar harus segera diganti dalam 5 menit, dan pengoperasiannya sederhana;
Sistem sel bahan bakar harus ringan, aman dan andal, mudah untuk menambahkan bahan bakar, dan suku cadang standar untuk memfasilitasi produksi industri skala besar;
Pesawat harus memiliki karakteristik kebisingan yang rendah agar dapat terbang pada ketinggian rendah;
Sel bahan bakar dan sistem kontrolnya harus beradaptasi dengan daerah dataran tinggi dan daerah pegunungan;
Biaya produksi sel bahan bakar harus mendekati biaya baterai lithium ion.
Sel bahan bakar hidrogen yang dipasok oleh Canadian Ballard untuk UAV taktis militer AS ditunjukkan pada Gambar 2 (kiri). Sel bahan bakar hidrogen ini telah diaplikasikan pada produk-produk Lockheed Martin Corporation dan Aviation Environment dan perusahaan lainnya, memiliki karakteristik kemampuan beradaptasi yang kuat, keamanan dan kehandalan, serta bobot yang ringan, dapat digunakan di lingkungan yang ekstrim dan dapat melakukan pengawasan. Tugas jarak dll.
General Motors juga secara aktif berpartisipasi dalam pengembangan sel bahan bakar hidrogen. Sel bahan bakar hidrogen yang dikembangkan oleh perusahaan telah digunakan secara luas di lebih dari 120 kendaraan listrik militer dan sipil, dengan pengalaman R&D dan akumulasi teknologi yang kaya. Gambar 3 (kiri) menunjukkan hal ini Sistem sel bahan bakar hidrogen perusahaan untuk drone militer AS. Gambar 3 menunjukkan sistem sel bahan bakar hidrogen generasi mendatang, yang ukurannya lebih kecil, lebih baik dalam performa, dan memiliki kisaran suhu yang lebih luas dan sistem operasi yang lebih nyaman. Setelah penggunaan sel bahan bakar hidrogen, waktu terbang drone dapat ditingkatkan menjadi 8 jam, dan perawatannya mudah, setelah mendarat hanya membutuhkan waktu kurang dari 15 menit untuk mengisi ulang dan menjalankan misi kembali.
Sel bahan bakar hidrogen untuk truk tempur ringan
Berbagai keunggulan sel bahan bakar hidrogen telah membuat aplikasinya pada peralatan militer semakin meluas, misalnya aplikasinya pada truk tempur juga mendapat perhatian. Dalam kondisi lapangan, operasi malam hari membutuhkan penyembunyian yang sangat tinggi. Panas yang dihasilkan oleh mesin kendaraan biasa akan memaparkannya ke perangkat penglihatan malam inframerah. Untuk mengatasi situasi ini, Angkatan Darat AS mengedepankan permintaan sel bahan bakar hidrogen untuk menggerakkan kendaraan. General Motors secara aktif bekerja sama dengan Pusat Penelitian dan Pengembangan Mengemudi Otonom Tank AS untuk mengembangkan truk tempur ringan yang ditenagai oleh sel bahan bakar hidrogen. Truk ini menggunakan Chevrolet Corolla sebagai model dasarnya, menyempurnakan sistem suspensi untuk menyesuaikan dengan kebutuhan off-road, dan meningkatkan kekuatan bodi, dinamai ZH2, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Truk ini menggunakan sel bahan bakar hidrogen dan baterai lithium-ion tradisional untuk suplai daya. Dibandingkan dengan mesin bensin, truk ini memiliki kebisingan yang sangat rendah dan emisi energi panas yang sangat rendah. Ini terutama digunakan di lingkungan pertempuran tertentu dengan kebisingan tinggi dan emisi energi panas. Mesin tradisional dapat menempuh jarak 200 hingga 300 mil setelah hanya menggunakan 5 hingga 6 kilogram bahan bakar hidrogen. Hidrogen yang digunakan dalam ZH2 berasal dari tangki penyimpanan hidrogen bertekanan tinggi, yang telah dirancang untuk beradaptasi dengan lingkungan medan perang dan dapat menahan senapan serbu jarak dekat, yang sangat meningkatkan penerapan medan perang.
Truk ini terutama didukung oleh paket baterai lithium-ion 50kW. Paket baterai dapat dibongkar untuk memberi daya pada peralatan lain. Saat paket baterai habis, baterai akan diisi oleh sel bahan bakar hidrogen-oksigen. Karena produk sampingan dari reaksi sel bahan bakar adalah air murni, ZH2 bahkan dapat digunakan untuk memasok air ke tentara di medan perang. ZH2 sudah dikembangkan dan diproduksi selama 10 tahun. Mulai tahun 2017, Angkatan Darat AS berniat menggunakan satu tahun untuk mengevaluasi performa militer truk tempur ringan ini, termasuk
Operasi senyap dekat untuk meningkatkan kemampuan observasi diam;
Kemampuan untuk mengurangi kebisingan dan sinyal inframerah;
Kemampuan penggerak empat roda dalam kondisi penggerak listrik;
Kemampuan olah raga dalam kondisi suplai bahan bakar minimum;
Pemanfaatan air hasil samping secara menyeluruh.
Platform listrik multifungsi bisu umum untuk sel bahan bakar hidrogen
Setelah meluncurkan truk tempur ZH2, GM terus memanfaatkan potensi aplikasi sel bahan bakar hidrogen di militer, dan meluncurkan rencana platform listrik multi-fungsi diam universal (SURUS) sel bahan bakar hidrogen pada bulan Oktober 2017, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. .
Platform tersebut terlihat mirip dengan trailer belakang truk heavy-duty. Digerakkan oleh sel bahan bakar hidrogen dan menggunakan sistem penggerak tanpa awak. Sistem baterai dan sistem penggerak keduanya ditempatkan di dalam platform. Oleh karena itu, bagian depan platform dilepas selama desain platform untuk mengangkut barang dan orang. Lebih fleksibel dan nyaman, Gambar 5 menunjukkan contoh penerapannya, seperti mengangkut kontainer, tempat penampungan tempur, dan gudang medis. Platform ini dapat melaju di jalan yang tidak rata, memiliki kemampuan off-road yang kuat, dan memiliki jangkauan jelajah teoritis 400 mil (sekitar 463 kilometer).
Platform listrik multifungsi senyap universal memanfaatkan penelitian ilmiah dan pencapaian GM di bidang teknologi sel bahan bakar selama lebih dari 50 tahun. Dapat bekerja dengan baik dalam berbagai kondisi seperti darat, laut, dan udara, serta dapat memenuhi persyaratan aplikasi sipil dan militer komersial. Saat ini, pengujian platform telah dimulai, dengan tujuan untuk segera menerapkannya ke dalam aplikasi.
Sistem catu daya yang dapat dikenakan prajurit individu
Area aplikasi lain dari sel bahan bakar hidrogen adalah sistem catu daya yang dapat dikenakan untuk masing-masing prajurit. Idealnya, setiap orang di medan perang dapat membawa 30% dari beratnya sendiri. Namun, dalam banyak kasus, tentara perlu membawa lebih banyak peralatan tempur. 100 pound. Angkatan Darat AS sedang mempersiapkan untuk mengimplementasikan rencana peningkatan energi untuk mengganti baterai lithium-ion tradisional dengan sel bahan bakar hidrogen untuk mengurangi beban tentara hingga 50%. Persyaratan Angkatan Darat AS di masa mendatang untuk sistem catu daya yang dapat dipakai individu dapat dilihat pada Gambar 6.
General Motors telah bekerja sama dengan Pusat Penelitian dan Pengembangan dan Teknik Komunikasi dan Elektronik Angkatan Darat AS (CERDEC) untuk meluncurkan sistem sel bahan bakar hidrogen baru untuk digunakan sebagai sumber daya untuk sistem yang dapat dikenakan tentara individu. Pusat tersebut menghabiskan lebih dari sepuluh tahun untuk mencari sel bahan bakar hidrogen yang dapat dipakai untuk setiap tentara, terutama untuk memecahkan masalah keamanan sumber hidrogen. Bahan penyimpanan hidrogen biasa atau tangki penyimpanan hidrogen akan meledak ketika ditembak dengan senjata, yang akan mempengaruhi kehidupan tentara, dan tangki penyimpanan hidrogen bertekanan tinggi akan menghadapi terlalu banyak faktor yang tidak pasti di medan perang dalam kondisi lapangan dan tidak dapat memenuhi persyaratan untuk digunakan. Sel bahan bakar hidrogen ini menggunakan senyawa alumunium hidrida (AlH3) sebagai bahan penyimpan hidrogen. Alumunium hidrida merupakan bahan penyimpan hidrogen yang sangat baik, hanya akan mengeluarkan gas hidrogen dengan pemanasan, tidak bereaksi secara kimiawi dengan air dan udara pada suhu kamar. , Stabilitas tinggi, dan sangat aman dalam kondisi yang merusak seperti terjepit, pelepasan muatan berlebih, dan tembakan. Setelah lulus uji kinerja produk, Pusat Litbang dan Teknik Komunikasi dan Elektronik Angkatan Darat juga melakukan sejumlah uji keamanan.
1. Menguji kinerja kelistrikan, kinerja termal, dan kinerja koneksi pada masing-masing peralatan beban ringan modular. Setelah pengujian, ketika suhu ruangan sekitar 20 ° C, suhu internal peralatan sekitar 50 ° C dan suhu eksternal sekitar 30 ° C, yang membuktikan kepraktisan sel bahan bakar hidrogen.
2. Di lingkungan udara terbuka gurun New Jersey pada sekitar 32 ~ 37 ° C, jaminan catu daya dalam penggunaan normal, penyiaran, dan perangkat genggam diuji. Pengujian berlangsung selama 2 hari, yang membuktikan bahwa sistem dapat digunakan dalam kondisi arus yang relatif rendah. Pekerjaan normal dalam kondisi suhu dan debu tinggi, waktu kerja terus menerus dapat dipertahankan selama lebih dari 27 jam.
Pengujian telah menunjukkan bahwa tentara AS sangat puas dengan kinerja sel bahan bakar ini, terutama ukurannya yang kecil, ringan, dan mudah dibawa tanpa mempengaruhi pengembangan operasi taktis. Karena proses industri pembuatan aluminium hidrida belum sepenuhnya matang, serta jaminan pasokan logistik, sel bahan bakar hidrogen ini tidak bisa langsung dilengkapi dengan militer AS. Untuk tujuan ini, Departemen Energi AS juga secara aktif berupaya mengurangi biaya aluminium hidrida.
Sel bahan bakar hidrogen ini dapat dilihat pada Gambar 7. Gambar 7 (kiri bawah) menunjukkan peralatan beban ringan modular untuk prajurit individu yang dikembangkan oleh General Motors, Gambar 7 (kiri atas) menunjukkan tangki penyimpanan hidrogen hidrida aluminium, Gambar 7 (tengah atas) menunjukkan sel bahan bakar, dan Gambar 7 (kanan) menunjukkan seluruh sistem sel bahan bakar Situasi peralatan di sabuk pinggang individu.
Indikator kinerja utama sel bahan bakar hidrogen ini adalah sebagai berikut:
Daya rata-rata adalah 20W, dan daya puncak adalah 35W (10 menit);
Pembongkaran dan pengoperasian diperbolehkan di daerah terpencil;
Pasang dan mainkan sistem baterai;
Dapat mengisi baterai portabel lainnya;
Sebuah tangki penyimpanan hidrogen tunggal 80Wh dapat memberikan kepadatan daya 811Wh / kg;
Tegangan tunggal 10 ~ 16.8V;
Densitas daya 300Wh / kg dapat disediakan untuk misi 24 jam;
Beratnya hanya 0.92kg;
Ukuran keseluruhan adalah 7.0x8.0x0.81 inci.
Ringkasan
Merangkum pengembangan dan penerapan sistem sel bahan bakar hidrogen oleh militer AS dalam beberapa tahun terakhir, kita dapat menemukan karakteristik berikut.
Pertama-tama, departemen manajemen puncak militer AS sangat mementingkan dan berpartisipasi dalam proses penelitian dan pengembangan, seperti Departemen Pertahanan AS, Laboratorium Penelitian Angkatan Darat AS, Laboratorium Penelitian Angkatan Laut AS, Pusat Penelitian dan Pengembangan dan Pengembangan Teknik dan Komunikasi Angkatan Darat AS. Partisipasi langsung personel militer tingkat tinggi dalam rencana pembangunan dapat memastikan bahwa persyaratan operasional jelas, indikator teknis operasional yang dirumuskan akurat, dan tujuan penelitian ilmiah bersatu dan tepat sasaran. Dalam tautan tindak lanjut pengembangan, partisipasi tingkat tinggi militer dapat secara efisien mengatur pasukan untuk melakukan tes yang sesuai, dan bahkan beberapa produk dimasukkan ke dalam medan perang Afghanistan dan Irak untuk pengujian tempur yang sebenarnya, sehingga departemen pengembangan dapat memperoleh umpan balik langsung untuk pertama kalinya. Pendapat dan material serta peningkatan telah meningkatkan efisiensi pengembangan produk. Militer AS bertekad untuk menerapkan teknologi terkini pada peralatan.Penelitian dan pengembangan berbagai produk sel bahan bakar hidrogen telah berlangsung lebih dari sepuluh tahun, yang tidak terlepas dari dukungan militer tingkat senior.
Kedua, penelitian dan pengembangan sel bahan bakar hidrogen militer AS mengikuti prinsip "mudah dulu, sulit dulu, kecil dulu, besar dulu, dimulai dengan peralatan individu dan catu daya portabel lapangan, dan secara bertahap meluas ke platform daya menengah seperti kendaraan udara tak berawak dan kapal selam tak berawak bawah air. , Dan kemudian ke sistem tenaga kendaraan tempur dan transportasi, dan secara bertahap mengakumulasi teknologi dan pengalaman, meletakkan dasar untuk penggunaan teknologi sel bahan bakar hidrogen dalam skala besar di masa depan. Militer AS bersikeras untuk memulai dari pertempuran yang sebenarnya dan berorientasi pada orang dalam penelitian dan pengembangan sel bahan bakar hidrogen, dengan mengutamakan persyaratan keselamatan dan pertempuran tentara garis depan. Tidak hanya membutuhkan produk untuk lulus tes keamanan dan destruktif yang ketat, tetapi juga untuk memastikan tindakan taktis individu. Penerapan harus sesuai dengan kebiasaan penggunaan biasa dan mudah dibawa. Pengembangan sel bahan bakar hidrogen militer AS juga mengikuti strategi R&D dan pengujian paralel. Umpan balik yang diterima selama proses pengembangan dapat diumpankan kembali ke peningkatan produk tepat waktu, yang sangat meningkatkan efisiensi R&D dan memperpendek siklus R&D.
Singkatnya, sel bahan bakar hidrogen secara bertahap digunakan di militer AS, dan tren perkembangan masa depan bagus. Model militer AS ini telah secara efektif memastikan posisi terdepannya di bidang militer sel bahan bakar hidrogen dan patut dipelajari.
Sumber informasi: Terjemahkan Tim Konsultasi Teknis \ Translate Information Technology Consulting Co., Ltd.
Penulis: Harta Karun Li Jinfeng Guo He
- Asia Tenggara sebenarnya menyembunyikan "Islandia kecil" secara pribadi, dan konsumsi harian rata-rata tidak tinggi.
- Manajer manajemen kekayaan kehilangan kontak setelah mentransfer puluhan juta, pelanggan menggugat bank dua kali dan kalah
- Sepakbola Dunia: Messi bertalenta, Ronaldo diganjar surga. Kalimat ini membuat argumentasi tidak lagi penting