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便攜式氫燃料電池 為軍用裝備注入活力
2019/1/8 7:45:39    新聞來源:科技日報

典型案例

小朋友能一手合握,你見過如此迷你輕便的氫燃料電池嗎?這是北京大學化學與分子工程學院教授李星國團隊研發的便攜式氫燃料電池,這款電池使用25克的氫燃料棒,實際發電量可達25Wh,而一臺常用的手機電池電量為15Wh。

“便攜式氫燃料電池可以為手提電腦、相機甚至戶外作業耗電機器持續提供電能,供電時間成倍高于各類蓄電池,也不會像普通的蓄電池一樣耗時充電,不僅具有廣泛的民用市場,還大有軍用裝備領域的發展空間。”該實驗室副教授鄭捷在接受科技日報記者采訪時表示,他所在的團隊憑借著該技術走上了“參軍”的道路。

便攜式氫燃料電池成“潛力股”

“效率高、無噪聲、環境友好是氫燃料電池的三大優勢。業界也都認為氫能與燃料電池產業是一個長期的朝陽產業。”鄭捷表示,直接將化學能轉換為電能,不需要經過熱能和機械能(發電機)的中間變換,這是氫燃料電池高效的秘訣;運行安靜,噪聲大約只有55分貝,相當于人們正常會話的水平;氫燃料電池的基本原理是電解水的逆反應,反應產物只有水,污染近乎為零。與普通的氫燃料電池相比,研發難度更大、集成度更高的便攜式氫燃料電池在人們戶外休閑、作業和軍隊執行野外任務過程中都能夠扮演重要的角色。

“便攜式氫燃料電池憑借諸多優勢具有廣泛的應用前景,但必須以氫氣為燃料,而我們團隊最擅長的領域正是儲氫材料,其中MgH2是最具有應用前景的。”鄭捷告訴記者,MgH2的作用是將氫以原子態形式存儲在材料內部的空隙中,需要時通過與水的反應將氫釋放出來,而以發電為核心的氫燃料電池則是消耗氫,二者是密切相關卻又完全不同的系統。

在民用市場“開疆拓土”

究竟是什么促使了李星國團隊的“跨界”呢?

“2015年1月,我們在一次偶然機會中參加了與燃料電池相關的研討會。與會的還有一些軍方專家,在交談的過程中了解到各個兵種對燃料電池都很感興趣。”鄭捷回憶,既然團隊有儲氫技術的基礎,為何不向前跨越一步?當然,一次的交流遠遠不夠,在隨后的3年時間里,李星國團隊逐漸與軍方相關單位開始了密切交流和戰略合作。

李星國團隊通過對納米MgH2的活化,使其與水迅速反應,達到了均勻且快速釋放氫的目的,這種即產即用的方式使氫氣壓力大大降低,提高了安全性,從而降低了對儲氫罐外殼的要求,即足夠安全的反應控制可以利用輕便的材料代替原本的金屬外殼。如此一來,成本自然會大幅降低,對于士兵而言,負重也得到了有效緩解,這也是與軍方合作的契機。

在基礎研究功底的助推下,李星國團隊很快做出了樣品——一個邊長15厘米左右的立方體。其實這種便攜式氫燃料電池的形狀并不固定,為了在某些狹小、固定空間的軍用裝備上使用,儲氫、發電以及電控單元被“貼心”地設計成了3個模塊,可以根據服役空間進行組合和拼裝。

“家里有糧,心里不慌。”鄭捷將團隊的技術和產品形象地稱為“家里的糧”。前不久鄭捷不僅帶著“家里糧”參加了第三屆中國軍民兩用技術創新應用大賽,還多次為中學生進行科普活動,未來還有可能在民用市場上“開疆拓土”。

需求對接決定了“參軍”之路是否順暢

雖然現階段還算順利,但鄭捷坦言,前些年也走了許多彎路。“最主要的原因在于當時對軍方的具體需求不甚了解。”鄭捷舉例,出于成本的考慮,傳統的儲氫材料通常是設計成可重復使用的,即儲氫材料中的氫使用完畢后可再次充入新的氫,繼續使用。但在軍方看來,戰士執行野外任務時基本沒有重復加氫的條件。“只有在了解到這個需求并設計了一次性的輕便氫燃料棒,我們才算擁有了'參軍'的敲門磚。”鄭捷表示。

“需求對接決定了大學、科研機構以及有研發能力的企業是否能走上'參軍'之路,解決問題的能力卻決定著一個團隊在這條路上能夠走多遠。”在鄭捷看來,一些團隊在軍民融合的大浪淘沙中保留下來,自然也有很多團隊在激烈的競爭中鎩羽而歸,再觀這些一如既往“堅挺”著的團隊,無一不具備解決科學問題和實際問題的能力。其實不止于軍民融合項目,也不論地域、時期、獨研亦或是合作,強硬的專業素質和高超的科研水平始終都是一個研發隊伍的“鐵飯碗”。(于紫月)

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