航天用燃料電池技術發展及展望

伍賽特

上海汽車集團股份有限公司

關鍵字：航天；燃料電池；質子交換膜燃料電池；氫氧燃料電池；堿性燃料電池；再生式燃料電池

0 引言

當前日益嚴苛的環境問題對動力裝置的技術要求日益提升，從節能減排的角度，燃料電池作為一類清潔的電化學發電裝置受到了廣泛關注。

近年來，國內外針對燃料電池的技術應用研究主要集中于汽車動力裝置領域，與此同時，其在船舶、機車、航空推進等領域的相關研究也在亦步亦趨地開展[1-7]。

近年來，燃料電池發電裝置雖有趕超并取代傳統熱力發動機的勢頭，但事實上，燃料電池的技術發展由來已久，其于十九世紀上半葉便登上歷史舞臺，并于早期已在航天領域得到應用。

1 燃料電池在航天領域的應用

自1957年第一顆人造地球衛星上天以來，全世界已經發射了包括衛星、載人飛船、空間站、空間探測器等幾千顆各類航天器。電源系統是航天器保障系統中的一個重要組成部分，它為航天器中的其他系統提供可靠的電能。近年來，隨著航天器的有效載荷日益增加，工作壽命不斷延長，對電源系統的功率、壽命、可靠度和性價比等指標的要求也日益提高，航天用燃料電池通常是堿性燃料電池和質子交換膜燃料電池兩種類型，燃料通常為氫，氧化劑通常為氧。目前有部分觀點認為，壽命一個月左右的航天器主電源，氫氧燃料電池具有鋅銀電池組以及硅、砷化鎵太陽能電池陣與鎘鎳、氫鎳蓄電池組聯合供電系統所無法比擬的優點，是我國今后發展載人空間站補給貨運飛船的首選電源[8-10]。

2 航天用燃料電池技術應用及發展

2.1 概述

早期的質子交換膜燃料電池的商業應用之一是在20世紀60年代初由美國通用電氣公司為雙子星座宇航飛行器開發的1kW質子交換膜燃料電池電源。在為該宇航飛行器提供電源的同時，電池的反應產物——純水還可供宇航員飲用。但該類電池當時采用的是聚乙酸酯磺酸膜作為質子交換膜，電池的可靠性不理想，電池在工作過程中膜曾發生降解[11-12]。這也是該類燃料電池在以后未能在阿波羅飛船中得到應用的原因之一。但其被普遍認為是第一代航天用氫氧燃料電池。

第二代航天用燃料電池為普拉特-惠特尼公司在20世紀60年代后開發的作為阿波羅宇宙飛船主電源的培根型中溫（200℃～250℃）堿性燃料電池系統，共為阿波羅18次飛行提供了飛船上的電力，使燃料電池技術為人類登月做出了貢獻。

第三代航天用燃料電池——石棉膜型堿性燃料電池，最著名的應用是作為主電源被用于航天飛機上。美國航天飛機用堿性石棉膜氫氧燃料電池已飛行近百次，工作時間已大于7 000 h。美國國際燃料電池公司生產的第三代航天飛機用堿性石棉膜型氫氧燃料電池單組電池系統的輸出功率已達12kW，峰值功率可達16kW[13-14]，電池輸出電壓為28V，效率70%，單組系統質量為117kg。

2.2 堿性燃料電池與質子交換膜燃料電池

自燃料電池應用于航天領域起，堿性燃料電池和質子交換膜燃料電池兩者之間的比較始終在進行。由于堿性燃料電池在可靠性、性價比等方面的優勢，在航天應用領域與質子交換膜燃料電池的競爭中一度占據優勢。然而，經過多年的商業和軍事開發，質子交換膜燃料電池系統在性能、壽命、安全性、可靠性和成本上都趕上甚至超過了堿性燃料電池系統，由于質子交換膜兩側所允許的壓力不同[15]，以致質子交換膜燃料電池幾乎不需要有像堿性燃料電池系統中精密的壓力控制裝置。

質子交換膜燃料電池電源系統幾乎不需要運動部件，例如，可以不用氫氣泵、分離器和冷凝器。在堿性燃料電池中，由于反應產生的水中含有少量KOH，因此在載人航天飛行中，必須有一個去除KOH的凈化水的裝置，使水可以飲用；由于KOH電解質具有腐蝕性，因此對堿性燃料電池還須有特殊的防護措施以確保其安全性。由于堿性燃料電池含碳產物和堿性電解質的腐蝕，縮短了其使用壽命。

隨著反應氣的流動、液體電解質的流失、石棉基質的干燥以及隨之產生的反應氣通過基質的滲透和竄氣都會導致堿性燃料電池壽命降低。航天飛機規范要求的堿性燃料電池壽命為2 400h；然而在實際中僅約1 200h后，堿性燃料電池系統就需要一次大的維修。由于多年大規模的地面商業開發應用，質子交換膜燃料電池壽命不斷增加，目前，質子交換膜燃料電池組壽命約為10 000h。據預測，未來堿性燃料電池組壽命將超過10 000h，而質子交換膜燃料電池系統的壽命可超過20 000h。因此，在未來的航天用燃料電池中，氫氧質子交換膜燃料電池將在與堿性燃料電池的競爭中逐漸占據優勢。

在太空近地軌道中，太陽電池陣在陰影期內無法進行發電。在深空飛行中，太陽光線太高或者太低均不適合太陽電池產生能量。而在重返月球或探索火星等太空探索中，飛行時間相當長，目前在航天器上廣泛使用的化學蓄電池并不能完全滿足要求。雖然小型核能電源也可為航天器提供長期能源，但是為生命支持系統供能的千瓦級大型核電源由于安全性等多種原因，目前還不能滿足未來載人航天飛行的需要。再生式燃料電池系統（regenerative fuel cell system）的出現為航天電源提供了一種新的解決方案。

2.3 再生式燃料電池

再生式燃料電池系統通常與太陽能發電系統配合使用。它一般由質子交換膜燃料電池發電系統和電解水系統以及高壓氫氣和氧氣儲存罐、髙純度水儲存器等組成。在日照期，光伏電池利用太陽能為航天器提供電能，并把多余的電能提供給電解系統；電解系統利用電能把水分解為氫和氧，并儲藏在高壓容器中。當在軌道陰影期或其他太陽電池陣不能供電情況下，質子交換膜燃料電池利用儲存的氫氣和氧氣為航天器供電，并把生成的水儲存起來，以供再次分解或飲用。

由此可見，再生式燃料電池系統不但是發電裝置，還可以看作是能量的儲存系統。在電解水和燃料電池發電過程中產生的熱還可用來為航天器內供暖。再生式燃料電池系統的發電部分和能量儲存部分是相對獨立的。這意味著如果要增加再生式燃料電池系統的發電能力，僅需增加更多的儲存罐即可，而不必增加電池和電解裝置的大小。而其他化學電池只能通過增加更多的電池來增加發電能力。

3 航天用燃料電池面臨的相關技術問題

航天用燃料電池歷經40年的發展，已受到越來越多的關注。盡管如此，用于航天器的燃料電池技術仍有不少尚未得到很好解決的問題，這些問題也制約著燃料電池技術在航天領域的進一步應用。

非再生式燃料電池受氫、氧體積限制，航天器的飛行時間一般不超過半年。再生式燃料電池系統由于電池和電解裝置的間斷性工作性能，其壽命可能受到影響。航天用燃料電池電源系統較復雜，除電池組外，還有液氫、液氧超臨界儲罐，氣路系統，水系統，熱控系統等。

如何有效地簡化系統、如何降低系統復雜性對系統可靠性的負面影響，是今后需要解決的問題。除此之外，地面用燃料電池與航天用燃料電池的主要區別有兩個，一是重力場的影響不同，二是環境溫度的變化不同。由這兩個因素引起的一系列問題都需要從熱物理角度著手加以研究解決。

燃料電池中的流體流動與傳熱傳質是影響燃料電池性能的重要因素。氫氧質子交換膜燃料電池在電池的陰極產生水，適量的水能使質子交換膜保持濕潤，使膜的質子導電性保持在較高水平。但是，過多的水將淹沒陰極多孔介質擴散電極，嚴重情況下凝結水還將使用于向陰極供應氧氣的微細通道的流通面積下降，阻礙氧氣向陰極催化層電化學反應界面的輸送，從而導致電池性能下降。

由此可見，合理的水管理對燃料電池來說非常必要。在太空微重力條件下流體的流動規律與在地面有著顯著的不同，與氣相/液相分離有關的過程更是如此；而在氫氧燃料電池中幾乎不可避免地存在這樣的過程，這就需要對微重力條件下的水管理開展深入系統的研究工作。

溫度對燃料電池性能的影響非常大。一方面，為提高燃料電池催化劑的活性，需要電池具有足夠高的溫度；另一方面，過高的溫度將導致電池部件的穩定性下降，影響電池可靠性和壽命。

燃料電池內流體流動的不均勻將導致電池溫度分布的不均勻。過低的局部溫度將影響燃料電池發電能力的發揮；而過高的局部溫度將導致質子交換膜等部件干涸甚至受損。在太空條件下，一方面，由微重力引起的流體流動規律的變化將影響燃料電池的傳熱特性；另一方面因太空環境中航天器外溫度變化幅度遠遠大于在地面時的情況，這對航天器燃料電池的熱管理而言也是一個挑戰。

4 結論與展望

回溯歷史，燃料電池早期即已在航天領域得到應用，并據此為后續的技術提供了必要的理論及研發基礎。

當前，燃料電池的技術研發重心已出現了變遷，不可否認，其在航天領域的傳統應用方式依然有其既定的優勢。

針對該領域燃料電池技術的研究雖不像車輛、船舶、航空器等領域會密切影響到居民的生活與出行，但考慮到對空間科學等相關領域的探索及拓展，依然有著廣闊的前景。