燃料電池的空間應(yīng)用技術(shù)發(fā)展

胡 晶，李海濱，顧海濤

（1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.上海空間電源研究所 空間電源技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200245）

0 引言

目前，環(huán)境和能源問題正迫使航天器不斷減少排放及降低能耗。然而，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的改進(jìn)難以從根本上解決以上問題。作為一種清潔又高效的推進(jìn)技術(shù)，電力推進(jìn)取代氣壓及液壓推動(dòng)能夠提升系統(tǒng)的靈活性、操作性及效率。但隨著深空探測任務(wù)難度增大，航天器對(duì)電源系統(tǒng)的要求越來越苛刻［1］。航天發(fā)射成本很高，而傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的體積及質(zhì)量較大，難以滿足航天器的高能量及高功率需求［2］。另一方面，燃料電池?fù)碛懈弑饶芰浚芰棵芏冗_(dá)到300～1 000 Wh/kg，可降低航天器的質(zhì)量。同時(shí)其不需經(jīng)過卡諾循環(huán)，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，擁有更高的效率。2012 年8 月，美國能源部部長曾在在Nature上撰文指出，燃料電池將是航天備用電源領(lǐng)域頗具潛力的應(yīng)用方向［3］。

燃料電池的反應(yīng)過程可看作電解水的逆過程，氫氣和氧氣分別通向陰極及陽極，在催化劑的作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，電子實(shí)現(xiàn)由陽極向陰極的遷移，產(chǎn)生電流，同時(shí)生成水，并釋放一定熱量。

目前，航天領(lǐng)域應(yīng)用較多的燃料電池有堿性燃料電池（AFC）以及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），其中，AFC 主要作為航天飛機(jī)的主電源，而PEMFC既可作為主電源，也可作為可再生燃料電池（RFC）的組成部分［4］。PEMFC 可在低溫快速啟動(dòng)，且電池結(jié)構(gòu)緊密，因不使用腐蝕性液態(tài)電解質(zhì)，電池可在任何方位、任何角度運(yùn)行［5］，適宜于航天領(lǐng)域應(yīng)用。

路易斯研究中心于1979—1987 年聯(lián)合約翰遜航天中心，研制了針對(duì)空間站應(yīng)用的堿性燃料電池，其效率高于55%。并且其于1987 年開展了針對(duì)中高軌運(yùn)行的燃料電池研究。美國漢密爾頓標(biāo)準(zhǔn)公司也已經(jīng)成功研制25 kW 和35 kW 燃料電池系統(tǒng)，并在空間站和空間飛行器中投入使用。

歐洲航天局（ESA）和日本航天局（JAXA）也十分重視燃料電池的發(fā)展。ESA 制作的燃料電池系統(tǒng)，系統(tǒng)工作設(shè)定在200 mA/cm2、35 V，每周期工作10 min。系統(tǒng)連續(xù)工作超過1 100 周次，等同于工作壽命10 a 以上［6］。

1 燃料電池的空間應(yīng)用

20 世紀(jì)60 年代，燃料電池在航空航天領(lǐng)域中得到應(yīng)用，并因此得到廣泛研究及快速發(fā)展。1965年，聚苯磺酸膜燃料電池（早期的PEMFC）作為主電源應(yīng)用于雙子星座五號(hào)載人飛船中，但在飛行過程中，質(zhì)子交換膜發(fā)生了降解，影響了燃料電池的壽命及性能，同時(shí)導(dǎo)致產(chǎn)生的水無法供給航天員飲用。之后，氫氧堿性燃料電池作為主電源用于阿波羅（Apollo）登月飛船上，為人類首次登月作出貢獻(xiàn)。以上兩種應(yīng)用于航天器的燃料電池性能見表1。

表1 應(yīng)用于美國航天器的燃料電池性能指標(biāo)Tab.1 Characteristics of fuel cells applied in American spacecraft

此后，國際上便形成了AFC 的研制高潮，而PEMFC 的研究則暫時(shí)擱置。直至近二三十年，PEMFC 因其響應(yīng)速度快、工作溫度低等特性在地面應(yīng)用上展現(xiàn)出了巨大的潛力，而且性能及成本問題也在逐步改善，從而再次引起了研究人員的關(guān)注。而AFC 則因?yàn)閼?yīng)用相對(duì)局限于空間領(lǐng)域，且存在著壽命較短（＜5 000 h）、比功率低、體積大、維護(hù)困難等缺陷［7］，技術(shù)發(fā)展受到了嚴(yán)重制約。

美國國家航空航天局（NASA）的相關(guān)研究，集中在可應(yīng)用于月球基地電源系統(tǒng)、近空間飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的RFC（可再生燃料電池）及AFC 的升級(jí)［7］。

2 PEMFC 原理及結(jié)構(gòu)

PEMFC 在地面應(yīng)用中表現(xiàn)出了良好性能及較大潛力，在航天領(lǐng)域的應(yīng)用正受到廣泛的研究與探討。質(zhì)子交換膜燃料電池主要由質(zhì)子交換膜、催化層以及擴(kuò)散層組成，如圖1 所示。催化層與擴(kuò)散層的組合又稱為電極。在擴(kuò)散層之外配置有雙極板，以提供反應(yīng)氣體及冷卻水的流場，不同形狀及結(jié)構(gòu)的流場也會(huì)對(duì)燃料電池的性能產(chǎn)生顯著的影響。

圖1 PEMFC 結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of PEMFC

質(zhì)子交換膜起著分隔燃料和氧化劑的作用，同時(shí)其由于自身的特殊結(jié)構(gòu)而具備傳導(dǎo)質(zhì)子的能力［8］。質(zhì)子交換膜一般由全氟磺酸樹脂構(gòu)成，如圖2所示。質(zhì)子（H+）在通過質(zhì)子交換膜時(shí)首先附著在磺酸基上，之后遷移到鄰近的水分子，形成水合氫離子，水合氫離子上的H+又附著到鄰近的磺酸基上，如此循環(huán)往復(fù)，從而借助于水分子為媒介，在陽極產(chǎn)生的H+得以穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極［9］，并完成電化學(xué)反應(yīng)。因此，為了使質(zhì)子交換膜獲得高質(zhì)子電導(dǎo)率，要求其工作于高濕度環(huán)境。

圖2 全氟磺酸樹脂結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Nafion-H

水管理的質(zhì)量將直接影響電池性能。水積聚過多，會(huì)造成水淹現(xiàn)象，氣體無法通過氣體擴(kuò)散層到達(dá)催化層，引起燃料電池的效率和最大輸出功率的降低，甚至導(dǎo)致燃料電池的失效；水分不足則會(huì)引起質(zhì)子交換膜失水，質(zhì)子傳導(dǎo)性能下降，甚至使燃料電池失效。

燃料電池催化層上分布有催化劑，為電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行提供場所。碳紙構(gòu)成的氣體擴(kuò)散層，由于強(qiáng)度較高，對(duì)催化層起著支撐作用，其多孔結(jié)構(gòu)可使反應(yīng)氣順暢通過氣體擴(kuò)散層，到達(dá)催化層參加反應(yīng)，而且氣體擴(kuò)散層還具有收集電流的作用。

PEMFC 的工作 原理如圖3 所示，H2通過燃 料入口進(jìn)入，在陽極失去電子，電子通過外部電路，流經(jīng)負(fù)載到達(dá)陰極，而H+則穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陽極，與O2反應(yīng)生成水，并放出熱量。陽極、陰極發(fā)生的反應(yīng)及總反應(yīng)如下：

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，單個(gè)燃料電池的電壓及功率都非常有限，難以應(yīng)用于具體需求中，工程中更多使用的并非單電池，而是燃料電池的電堆。電堆結(jié)構(gòu)如圖4 所示，單電池通過重復(fù)地堆砌便形成了電堆，通常為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

3 空間燃料電池水管理

由于電滲作用，質(zhì)子的遷移過程中常攜帶水分子，陽極因此常處于缺水狀態(tài)，需要加濕器濕潤反應(yīng)氣體［10］。而陰極則因電化學(xué)反應(yīng)生成水，需要排出多余的水，此時(shí)燃料電池水管理顯得十分必要。

圖3 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理Fig.3 Working principle of PEMFC

圖4 電池堆結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of fuel cell stack

空間應(yīng)用的燃料電池處于微重力環(huán)境下，有特殊的系統(tǒng)需求、操作條件及相關(guān)設(shè)計(jì)。尤其在流場的設(shè)計(jì)及布置上，在微重力環(huán)境中，重力影響消失，無論是流場中反應(yīng)氣體的濃度還是液態(tài)水的排出都發(fā)生了一些變化，燃料電池應(yīng)用于空間場合之前，必須先考慮這些變化因素及其對(duì)電池性能與壽命的影響。

3.1 被動(dòng)排水技術(shù)

不同于地面應(yīng)用中的燃料電池，空間應(yīng)用的燃料電池因微重力環(huán)境中出現(xiàn)的復(fù)雜氣-液兩相流，使氣體吹掃效果不佳，此時(shí)流道進(jìn)出口壓差成為排水的主要驅(qū)動(dòng)力。若采用主動(dòng)排水技術(shù)，將增加系統(tǒng)功耗及復(fù)雜性，同時(shí)降低系統(tǒng)可靠性。被動(dòng)排水技術(shù)也因此成為空間應(yīng)用燃料電池的研究熱點(diǎn)，與主動(dòng)排水的不同點(diǎn)在于，采用該技術(shù)不需要運(yùn)動(dòng)部件，僅依靠毛細(xì)力和膜分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)微重力環(huán)境的電池排水。

如圖5 所示，在陰極流場側(cè)布有多孔親水膜，水和氧氣混合物在通過陰極時(shí)，水便以水蒸氣的形式吸附在親水膜上，而氧氣則被親水膜阻隔，完成水與氧氣的分離。水蒸氣進(jìn)入親水膜的另一側(cè)后，又在冷卻劑的作用下，冷凝成液態(tài)水，并順利排出。

圖5 親水膜被動(dòng)排水原理Fig.5 Schematic of membrane-based static water separation PEMFC

盡管目前空間燃料電池系統(tǒng)的水管理已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)性突破，但是復(fù)雜的空間水管理仍需要更多的實(shí)驗(yàn)與研究。

3.2 氣流方向?qū)θ剂想姵氐挠绊?/h3>

燃料電池內(nèi)氣流方向的不同對(duì)水管理也會(huì)產(chǎn)生一定影響，當(dāng)純氫與純氧聯(lián)用且從相反方向通入燃料電池時(shí)，反應(yīng)氣體無需加濕，可通過反應(yīng)生成水實(shí)現(xiàn)自加濕［10］。如圖6 所示，氫氣及氧氣以相反方向通過燃料電池，陰極側(cè)電化學(xué)反應(yīng)生成的水，由氧氣的高濃度端吹掃向低濃度端，且在此處聚集，聚集的水通過質(zhì)子交換膜給氫氣的入口處加濕，使得氫氣高濃度端具有一定濕度，并進(jìn)而將水滴吹掃向氫氣低濃度端。此時(shí)，氫氣低濃度端又通過質(zhì)子交換膜給經(jīng)過長時(shí)間吹掃已經(jīng)干燥的氧氣入口加濕，水滴便依此在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)循環(huán)。反之，若使氫氣、氧氣從相同方向通過燃料電池且不加濕，燃料電池則表現(xiàn)出較差性能［11］。

圖6 反向氣流時(shí)水滴移動(dòng)方式Fig.6 Water droplet movement mode when given reverse flow

3.3 燃料電池的布置

不同的放置方式會(huì)引起燃料電池內(nèi)水的排出狀況差異，對(duì)其工作性能也會(huì)產(chǎn)生顯著影響。關(guān)于燃料電池放置形式的研究可以從豎直放置、水平放置（陽極在上）以及水平放置（陰極在上）3 個(gè)方面展開。

當(dāng)燃料電池豎直放置時(shí)（如圖7 所示），對(duì)于系統(tǒng)產(chǎn)生水較多的工況，不同于常規(guī)環(huán)境下重力作用使液態(tài)水堆積在流道底部無法有效排出，聚集在流道內(nèi)的水和反應(yīng)氣體會(huì)形成氣?液兩相流動(dòng)，液態(tài)水在氣相慣性力的推動(dòng)下可順利排出，氣體擴(kuò)散層暴露在反應(yīng)氣體中，增強(qiáng)反應(yīng)氣體的傳質(zhì)，提高了燃料電池的工作性能［12］。由于大電流密度下對(duì)于氣體傳質(zhì)的要求頗高，流道凝水的及時(shí)排除對(duì)大電流密度下燃料電池性能的提升作用比小電流密度下更為明顯。研究表明，此時(shí)燃料電池的性能（同電流密度下的電壓）可以提高4.6%左右［13］。

圖7 豎直放置結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Vertically placed structure diagram

而對(duì)于系統(tǒng)產(chǎn)生水不多的工況，水滴在被反應(yīng)氣體吹掃的同時(shí)，也聚集成較大的液滴。液滴的直徑甚至達(dá)到了流道斷面的直徑，直徑較大的液滴難以被反應(yīng)氣體吹掃出流道，依附在流道的角落上并且上下震動(dòng)，阻礙了反應(yīng)氣體的順利通過，燃料電池的工作性能與重力條件下相比有所下降。研究表明，此時(shí)燃料電池的性能將下降6.6%左右［13］。

當(dāng)燃料電池水平放置時(shí)，存在兩種情況：陽極在上及陰極在上。若陽極在上（如圖8 所示），重力會(huì)使凝聚的液滴落在光滑的雙極板上，液態(tài)水移動(dòng)阻力小，也易于從流道中排出；若陰極在上（如圖9所示），重力會(huì)使凝聚的水分子落在多孔的氣體擴(kuò)散層上，液滴移動(dòng)阻力大，無法排出，形成水膜阻礙氣體運(yùn)輸使電池性能下降［14］。因此，在重力工況下，陽極在上的工況燃料電池性能優(yōu)于陰極在上的工況。而對(duì)于微重力環(huán)境則不存在以上差異。但是相比于微重力環(huán)境時(shí)垂直工況下的性能提升，在水平放置工況下，由于產(chǎn)生的水難于排出，微重力環(huán)境使燃料電池（陽極在上）的工作性能有所下降［15］。

圖8 重力作用下陽極在上的液滴分布情況Fig.8 Droplet distribution when anode is upward under gravity

圖9 重力作用下陰極在上的液滴分布情況Fig.9 Droplet distribution when cathode is upward under gravity

4 空間燃料電池?zé)峁芾?/h2>

燃料電池中電化學(xué)反應(yīng)是放熱過程，PEMFC實(shí)際發(fā)電效率可達(dá)40%～60%，其余能量則以熱能形式釋放。隨著燃料電池運(yùn)行時(shí)間增長，其溫度也逐漸上升。而溫度過高則會(huì)使電堆內(nèi)水平衡無法維持，進(jìn)而影響質(zhì)子傳導(dǎo)以及燃料電池的壽命。

若采用中壓低溫的方式儲(chǔ)氫，對(duì)于小功率燃料電池，低溫反應(yīng)氣流便能夠帶走系統(tǒng)廢熱；但對(duì)于輸出功率在100 W 以上的電堆，低溫反應(yīng)氣流不足以帶走大量廢熱。此時(shí)需對(duì)燃料電池進(jìn)行冷卻，冷卻的方式主要可分為液體冷卻、散熱板冷卻以及熱管冷卻［16］。

其中，液體冷卻主要用于大功率PEMFC 電堆，如圖10 所示，通過在相鄰的雙極板間循環(huán)輸運(yùn)高比熱容的液體冷卻劑實(shí)現(xiàn)電堆的冷卻，之后冷卻劑又通過總熱控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱量的釋放。該系統(tǒng)使用循環(huán)泵輸運(yùn)冷卻劑，增加了輔助裝置及較大數(shù)量的管道，并且對(duì)系統(tǒng)的可靠性及壽命也會(huì)造成一定影響。

圖10 液體冷卻原理Fig.10 Principle of liquid cooling

采用散熱板進(jìn)行冷卻則是將相鄰雙極板間替換為散熱板，散熱板的邊緣分別在對(duì)立兩側(cè)伸展到雙極板以外，燃料電池產(chǎn)生的熱量通過傳遞到冷卻邊緣，再與集成的外部熱交換器換熱，從而將廢熱傳遞到冷卻系統(tǒng)中［17］。該方式作為一種被動(dòng)散熱，利用了航天器現(xiàn)有的熱控系統(tǒng)，具有減小電堆質(zhì)量、體積及復(fù)雜度，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

熱管冷卻同樣適用于大功率電堆，其通過氣-液相變實(shí)現(xiàn)廢熱的吸收與排出，具有優(yōu)良的熱傳遞性能、很好的溫度一致性以及較遠(yuǎn)的熱傳導(dǎo)距離。有研究者使用Cu 和改良Ti 制作熱管，并用于未來空間上使用的大功率電堆廢熱管理研究［18］。

5 可再生燃料電池

可再生燃料電池（RFC）是在普通氫氧燃料電池（一般為PEMFC）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的產(chǎn)生、儲(chǔ)存和利用氫氣/氧氣的電化學(xué)裝置，是將水電解技術(shù)和氫氧燃料電池技術(shù)相結(jié)合的一種發(fā)電裝置［19］。一般利用太陽能實(shí)現(xiàn)水的電解制取氫氣及氧氣，氣體分離除濕后儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐中，在燃料電池工作時(shí)向其供氣，產(chǎn)生電能與水，如圖11 所示。燃料電池產(chǎn)生的水則又作為氫氣及氧氣的來源之一參與電解，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)和能量的循環(huán)利用。

RFC 可以分為一體式、分開式及綜合式［4］：一體式的特點(diǎn)是水的電解和發(fā)電均由相同組件完成；分開式由完全獨(dú)立的兩個(gè)組件分別完成水的電解和發(fā)電；綜合式則將兩個(gè)組件放入同一單元內(nèi)。

圖11 可再生燃料電池系統(tǒng)框架圖Fig.11 Frame diagram of RFC

目前可再生燃料電池因其能量密度高、質(zhì)量小和效率高等特性，被廣泛考慮用于載人飛船、國際空間站、近地軌道衛(wèi)星及高空長航時(shí)無人機(jī)等航空航天領(lǐng)域。其能為航天器提供超過20 kW 的功率輸出和20 d 或更久的持續(xù)供電能力，比傳統(tǒng)太陽能電池-蓄電池體系擁有更優(yōu)良的工作特性［20］。

可再生燃料電池具有的高比能量、高功率輸出和長供電持續(xù)時(shí)間等特點(diǎn)，使其在空間上具有巨大潛力，現(xiàn)在也已成為燃料電池在空間應(yīng)用的研究熱點(diǎn)之一，后續(xù)可在其系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)及智能化自主管理等方面進(jìn)一步深入研究。

6 結(jié)束語

燃料電池的被動(dòng)排水技術(shù)簡化了水管理系統(tǒng)，較好地實(shí)現(xiàn)流道內(nèi)的水氣分離，提高了系統(tǒng)水管理的效率。系統(tǒng)產(chǎn)水較多時(shí)，豎直放置有利于微重力環(huán)境的排水，可以使電池的性能提高4.6%；而產(chǎn)水不多時(shí)，豎直放置不利于微重力下的排水，燃料電池的性能將下降6.6%左右。而當(dāng)燃料電池水平放置時(shí)，若陰極在上，微重力會(huì)使水的排出更加通暢；但若陽極在上，微重力則會(huì)使水的排出更加困難。

對(duì)于燃料電池在空間的熱管理，液體冷卻需增加輔助裝置及較大數(shù)量的管道，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性及壽命受到影響；散熱板冷卻可利用航天器現(xiàn)有的熱控系統(tǒng)，提高熱管理的效率；而熱管冷卻則具有優(yōu)良的熱傳遞能力及溫度均勻性。可再生燃料電池所具有的高比能量、高功率輸出、長供電持續(xù)時(shí)間等特點(diǎn)，使其在空間應(yīng)用上具有巨大潛力。