空間氫氧燃料電池技術發展現狀與趨勢分析

周子陽，杜 瑋，王星顯，羅若尹，鄧呈維

(上海空間電源研究所，上海 200245)

新一代運載火箭上面級、空間飛行器以及載人登月等應用對電源提出更高的能量密度、功率密度及效率要求。燃料電池技術作為一項非常重要的空間電源技術，可將液氫、液氧推進劑的化學能直接轉化為電能，不但可作為飛行器的主電源，而且可與飛行器推進子系統、環控生命保障子系統、原位資源利用子系統實現工質共用，對于減輕發射質量、降低發射成本等具有重要意義。

本文從空間型號應用對電源系統的需求出發，對國內外空間氫氧燃料電池技術在航天工程中的應用和發展情況進行闡述，針對典型空間應用場景下的能源需求，對比分析燃料電池與其他電源系統方案在能量密度、資源綜合利用等方面的差異，重點分析月面探測能源需求，針對空間氫氧燃料電池電源系統優勢應用場景，點明空間氫氧發電技術的未來發展方向。

1 空間氫氧發電技術分類

根據空間工程應用場景對電源系統具體需求，空間氫氧發電技術可分為具備放電功能的一次燃料電池技術和具備充放電功能的可再生燃料電池技術。空間氫氧發電技術原理和組成如下所述。

1.1 一次燃料電池

空間用一次燃料電池即氫氧質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)是一種能夠將氫燃料和氧化劑中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能的電化學裝置[圖1(a)]。質子交換膜燃料電池一般在陽極采用氫氣為燃料，針對密閉空間使用環境，陰極采用氧氣為氧化劑。

圖1 燃料電池原理示意圖

在陽極，氫氣在催化劑的作用下反應產生質子和電子，電子通過外電路傳輸到陰極，過程中對外輸出電能，質子通過質子交換膜傳輸到陰極；在陰極，氧氣和從陽極傳輸過來的質子和電子反應生成水，同時釋放熱量[1]。

1.2 可再生燃料電池

可再生燃料電池是在一次氫氧燃料電池基礎上發展起來的產生、儲存和利用氫氣/氧氣的電化學裝置，是將水電解技術和氫氧燃料電池技術相結合的一種新型發電裝置[圖1(b)][2]。

在光照期，電解器電解水(一般由太陽電池供電)制取氫氣和氧氣，分離除濕后儲存在儲罐中；在陰影期，燃料電池使用儲存的氫氣和氧氣發電，滿足載荷需求。反應產物水經收集后，又可通過電解產生氫氣和氧氣供燃料電池使用，實現物質和能量的循環利用。

2 國內外空間氫氧發電技術應用和發展趨勢

2.1 國外研究進展情況

20 世紀60 到70 年代，在載人航天技術帶動下，燃料電池技術得以蓬勃發展。

1962—1965 年間，PEMFC 在雙子星座(Gemini)載人飛船飛行任務中得到應用，累計飛行時間超過5 000 h。同期，氫氧堿性燃料電池(AFC)作為主電源成功應用于阿波羅(Apollo)登月飛船上，為人類首次登月做出貢獻[3-4]。

隨后，堿性石棉膜燃料電池作為主電源還在美國太空 實驗室(Sky-lab)、Apollo-Soyus、航天飛 機(space shuttle)以及俄羅斯的月球軌道器等其它空間飛行器上得以成功應用。航天飛機裝備三套燃料電池發電裝置，平均功率達到7 kW。隨著地面車用和站式PEMFC 電源技術不斷進步和成熟，美國NASA增加對空間PEMFC 應用技術研究。研究表明，由于使用全固態質子交換膜，PEMFC 具有高比能量、高可靠性、長壽命、可模塊化設計，易維護、可持續高功率放電、壽命不受放電深度影響、無自放電、動態響應速度快、可兼容使用推進劑作燃料等優點[5-7]。

從2001 年開始，美國NASA 制定第一個五年計劃大力發展PEMFC 技術。基于第一個五年開發計劃，美國NASA 從2006 年開始支持新一代空間PEMFC 技術開發，以克服上一階段研究中所暴露出問題和不足。圖2 所示為新一代空間PEMFC 工程樣機，其采用被動的水、熱管理技術實現燃料電池排水、排熱。

圖2 NASA空間燃料電池工程樣機(第二階段)

被動排水原理是在電池陰極增加一個排水組件，組件材料常用多孔板、選擇性透過膜，燃料電池生成水通過排水組件排出并阻止反應氣體排出。該技術可使燃料電池電堆無需通過氣體流動來排水，從而可以省去氣體循環泵、外部相分離器、氣體加濕器等輔助設備。該技術使反應物在電堆內全部消耗，電堆出口無反應物排出，因此被稱之為非流過式燃料電池堆。

NASA 格林研究中心對Infinity 公司研制的被動式PEM 燃料電池在圣甲蟲月球車(SCARAB rover)上成功進行驗證測試，如圖3 所示。研究人員用模擬月球表面行駛工況對燃料電池性能進行測試，成功驗證被動式燃料電池在移動電源上的應用能力[8]。

Teledyne 能源系統公司(TESI)開發了一種基于氫氧燃料電池的噴射器驅動反應物循環系統(ejector-driven reactant,EDR)。該系統主要由質子交換膜燃料電池堆、排水組件以及噴射器電磁閥組成，如圖4 所示。這一系統優勢在于放棄機械泵，改用被動式噴射器將氫氣和氧氣輸運到電池中，減少了寄生能量消耗[9]。

圖4 EDR燃料電池及其噴射器驅動系統

第一代EDR 燃料電池是由NASA 在2013 年為美國海軍無人潛航器(unmanned underwater vehicle,UUV)所生產調試的，其關鍵部件為不銹鋼材質，這使EDR 燃料電池的質量很大，不能滿足航天器需求[10]。在2016 年，開發了如圖4 所示的第二代EDR燃料電池系統，即標準EDR 燃料電池。標準EDR 燃料電池是一個重15.4 kg、高566 mm、寬188 mm 以及最薄側為110 mm 的系統，最大持續功率為6 kW，峰值功率為8 kW，設計工作時長為7 000 h，已被認為可以應用于無人駕駛飛行器和太空飛船中。

2006 年，美國宇航局格倫研究中心驗證了閉式循環氫氧PEM 再生燃料電池(RFC)在額定功率下進行多次充電/放電循環閉環操作[11]。2013 年，NASA開發出模塊化再生燃料電池為ATHLETE 機器人供能。圖5 為供能過程示意圖[12]。

圖5 再生燃料電池系統為ATHLETE充電圖

2011 年，日本宇宙航空研究開發機構為其平流層平臺項目設計并制造了100 W 集成可再生燃料電池電堆與1 kW 試驗型可再生燃料電池電堆，對燃料電池正常工作狀況進行了測試，模擬了物料平衡過程[13]。

2019 年，歐洲航天局提出“赫拉克勒斯”計劃，計劃發射月球探測車滿足月面探測以及樣本采集需求。圖6 為月球車著陸示意圖。月球車考慮使用可再生燃料電池技術滿足月面探測車能源需求。歐空局已設計并制造由兩個10 單體質子交換膜燃料電池堆組成的工程樣機，在常規和特定操作條件下進行了結構裝配強度測試、抗震動測試以及長時間額定工況測試。

圖6 赫拉克勒斯月球探測車著陸示意圖

2020 年，美國NASA 基于月面探測需求，與Infinity 公司合作，計劃開發一種可擴展、模塊化和靈活的可再生燃料電池，并建立圖7 所示月面可再生循環系統，月晝利用太陽能電解水制備氫氣與氧氣，月夜通過燃料電池進行發電。

圖7 月球表面的循環可再生能源系統

2.2 國內研究進展情況

20 世紀70 年代，在航天工程項目牽引推動下，中國科學院大連化物所、上海空間電源研究所、中國電子科技集團公司第十八研究所等單位合作參與燃料電池研究，成功研制出小功率堿性石棉膜燃料電池樣機。

自20 世紀90 年代開始，在國際燃料電池研究熱潮帶動下，掀起了PEMFC 技術研究第二次高潮，主要研究單位以中科院、高等院校以及少數企業為主，包括車用燃料電池技術、分布式燃料電池發電技術、燃料電池應急/備用式電源技術以及小型便攜式燃料電池電源技術等[14-15]。

針對空間氫氧燃料電池應用，上海空間電源研究所在國內首次成功開發出圖8 所示基于輕質金屬雙極板的靜態排水氫氧燃料電池電源系統樣機，完成樣機三軸四向性能測試，驗證空間微重力環境適應性；完成樣機低溫、真空模擬環境試驗，達到國際先進水平。在此基礎上，開發出針對上面級火箭主電源應用場景千瓦級氫氧燃料電池主電源原理樣機并設計型號應用方案，完成型號樣機研制。

圖8 千瓦級氫氧燃料電池型號樣機

在可再生燃料電池方面，上海空間電源研究所研制基本具備臨近空間環境適用性的再生燃料電池儲能系統地面樣機。

2022 年11 月12 日，北京衛星制造廠將燃料電池搭載于天舟五號，開展我國首次燃料電池能源太空在軌試驗，初步驗證了空間燃料電池能源系統在軌艙外真空、低溫及微重力條件下發電特性、變功率響應規律以及電化學反應的界面特性，為空間燃料電池能源系統的研制和關鍵技術攻關提供了重要的數據和理論支撐。

2.3 關鍵技術發展情況

2.3.1 閉式循環發電技術

在地面等有空氣環境中，燃料電池陰極氧化劑為空氣，采用直排的方式提供過量的空氣參與電化學反應，在空間及水下等無空氣密閉空間，需攜帶氧氣為燃料電池陰極提供氧化劑，為提高氧氣利用率，采用氧氣循環的方式滿足發電和排水需求，閉式循環發電技術旨在提供氫氣氧氣循環的同時最大程度減少氣體排放，提高密閉空間氫氧發電安全性[16]。常用的循環裝置可分為有源主動式與無源被動式兩種類型。

有源循環器件如氣體循環泵，可根據燃料電池不同發電功率主動調節循環流量，然而其需要額外供電，增加了系統輔助功耗，降低了發電效率，機械旋轉部件在壽命和密封性上存在安全風險。無源循環器件如引射器根據燃料電池氫氣/氧氣消耗量被動調節循環流量，無需外部供電，無機械運轉部件，體積小質量輕，具備更好發展潛力。

循環泵與引射器都曾被用于氫氧燃料電池的循環裝置。美國ARGONNE 實驗室為綜合二者優勢，制備了循環泵與引射器復合裝置，雖然一定程度上提升了低功率發電工況下的循環流量，但是增加了系統復雜程度，不利于系統控制[17]。

為了提高引射器在小功率下的循環流量，可采用變孔徑引射器、多級引射等方式[18-19]。Teledyne 能源系統公司采用三級引射滿足不同功率范圍的氣體循環需求，有效解決了單引射器與電堆功率的適配問題，改善了低功率工況下循環效果。

2.3.2 熱管理技術

氫氧燃料電池發電效率在50%～70%之間，相同發電功率下相比鋰電池產熱更多。相比鋰電池電源系統，燃料電池需采用更高效的熱管理策略。常見的技術手段有散熱片冷卻技術、液體介質冷卻技術、相變冷卻技術[20]。

散熱片冷卻技術將電堆產熱從電堆中心區域傳導至電堆邊緣，通常采用高導熱材料如石墨等，Ballad 設計的Nexa 燃料電池工程樣機即采用石墨雙極板進行導熱[21]。

液體介質冷卻是應用最廣泛的冷卻技術，其利用去離子水或防凍冷卻液流經冷卻流場帶出反應產生熱量。液冷技術包括液冷流場設計、流道設計、液冷介質選取等，對流場、流道、介質的優化能夠進一步地提升液冷技術散熱效率。阿波羅飛船燃料電池系統采用乙二醇作為液冷介質，熱乙二醇在消耗型水蒸發器中冷卻。

相變冷卻是利用相變過程的熱量變化，使不同形態的冷卻介質在電堆內部發生相變循環，從而帶出熱量的散熱技術。與液冷技術相比，其介質流速較慢且無需氣體循環泵，能夠進一步簡化系統[22]。

空間氫氧燃料電池熱管理常與飛行器整體熱控系統集成設計，采用多種冷卻方法，石墨化雙極板導熱，液冷介質流出電堆后經相變冷卻散熱重新進行熱循環。

2.3.3 氫氧排放與水循環利用技術

考慮密閉空間條件下的安全性需求，氫氧排放氣量需要盡可能少，未反應氫氣需要妥善處理。為了減少燃料電池內雜質氣體的積累，需要少量間歇排放尾氣，可將排放的氫氣和氧氣通入化學鏈燃燒消氫裝置，消氫催化劑盒等消氫裝置進行處理，或排放至外部空間環境。

燃料電池產水有多種用途，水下場景應用的燃料電池如德國212 型潛艇，產水經凈化后可用于乘員日常飲用需要；20 世紀用于航天飛機的燃料電池產水，收集后被用于補充消耗型水蒸發器；近年來，結合國內外月面探測需求與技術手段發展，燃料電池反應產水在水電解器制氧、航天員日常飲用水、散熱系統介質補充、自身增濕需求等多種用途均有良好應用前景。

2.4 技術發展趨勢分析

在航天領域中應用過或現在正在研究的燃料電池根據電解質類型可分為質子交換膜燃料電池(PEMFC)和堿性燃料電池(AFC)。

堿性燃料電池在早期航天任務中已成功應用，技術已相當成熟。但隨著地面車用和站式PEMFC電源技術的不斷進步和成熟，空間燃料電池技術研究已轉向以PEMFC 為主。

傳統燃料電池系統包括主動式氣體循環泵和相分離器，系統復雜、寄生能耗高、可靠性低。因此，針對空間應用場景，國內外的研究集中在被動式氣體循環或被動式排水燃料電池及系統研究。通過非流過式NFT(none flow through)或噴射器驅動EDR(ejector driven reaction)技術，實現被動的氣水分離和氣體循環，減少燃料電池系統復雜度、降低輔助功耗、減小系統體積質量、提高燃料電池系統功率密度[23]。

近年來，隨著國內外載人探月計劃的公布與持續推進，結合水電解技術的可再生燃料電池系統具有月面高比能儲能、原位資源綜合利用、熱電聯供與生命保障等多方面的能源系統優勢，可再生燃料電池成為未來空間氫氧發電技術最具潛力的應用方向[24]。

圖9 為國內外氫氧燃料電池發展趨勢圖。為滿足深空探測尤其是月面科研基地需求，氫氧燃料電池向系統簡化的被動式水氣管理、閉式循環以及結合水電解技術的可再生燃料電池技術方向發展。

圖9 國內外空間氫氧燃料電池發展趨勢圖

3 空間氫氧燃料電池應用場景分析

燃料電池與傳統儲能電池電源技術有顯著不同，其本身不儲存能量，只是化學能-電能轉化場所，需要持續供應燃料和氧化劑來維持電能輸出，在不同的應用場景下，燃料電池具有不同電源系統特性。本文針對運載火箭上面級、載人月球探測等應用場景下對電源系統的具體需求，對比燃料電池與其他電源系統方案，分析空間氫氧發電技術優勢。

3.1 利用液氫液氧推進劑的一次燃料電池

上面級是多級火箭的第一級以上的部分，通常為第二級或第三級，功能包括完成從低軌道到同步轉移軌道、地球同步軌道、太陽同步軌道等各種軌道的有效載荷運送。燃料電池可利用液氫液氧推進劑進行發電，且在電源系統能量密度上具有顯著的優勢。

針對運載火箭末級推進劑再利用，滿足條件的電源系統方案如下：

(1)鋰氟化碳電池組供電方案

鋰氟化碳電池組電源系統由多個電池組串聯而成，以達到輸出電壓要求。電源系統包括電源管理器等基本配套元件。

(2)燃料電池供電方案

燃料電池方案包括燃料電池子系統、蓄電池組、反應氣體儲存裝置以及其他配套設備。

燃料電池本身不儲存能量，發電裝置的體積質量不隨能量需求增加而增加。相比于火箭上面級剩余液氫液氧燃料，燃料電池氫氧消耗量非常少，因此無需額外攜帶燃料。

對比不同留軌任務周期內的電源系統質量和能量密度如圖10 和圖11 所示。由圖可知，當留軌時間大于1 d 時，燃料電池電源方案優于鋰氟化碳電源方案，且隨著任務周期延長，燃料電池電源方案優勢更加明顯，在10 d 任務周期內燃料電池電源系統比能量(不含氫氧燃料質量)可達2 600 Wh/kg，且推進劑仍然充分剩余。

圖10 電源系統質量對比分析圖

圖11 電源系統能量密度對比分析圖

3.2 月面可再生燃料電池

中國探月工程三期圓滿收官后，探月工程四期已全面啟動，中國航天事業正全面開啟星際探測的新征程。中國將陸續發射嫦娥六號、嫦娥七號、嫦娥八號探測器，開展任務關鍵技術攻關和國際月球科研站建設。其中嫦娥六號計劃到月球背面采樣，并構建環月球通信導航衛星星座。

能源系統作為月面探測裝置的核心，決定了載人月面探測任務的可行與成敗，月面能源主要有月晝功率輸出和月夜儲能的需求[25]。

針對長期月面探測任務能源需求，滿足條件的電源系統方案如下：

(1)太陽電池+鋰電池供電方案

電源系統方案設計考慮總體能源需求，電源系統由太陽電池陣、蓄電池組構成。

鋰電池組負責滿足月夜駐留階段能量需求以及載人移動階段功率需求；太陽電池陣滿足有人移動、有人駐留以及月夜駐留等階段能量需求。其系統架構如圖12 所示。

圖12 太陽電池陣+鋰電池組電源系統架構

(2)太陽電池+可再生燃料電池供電方案

電源系統方案設計考慮總體能源需求，電源系統由燃料電池組、蓄電池組、太陽電池陣構成。

燃料電池組與蓄電池組共同負責滿足月面駐留階段能量需求以及載人移動階段的功率需求；太陽電池陣滿足有人移動、有人駐留以及月夜駐留等階段的能量需求。

其系統架構如圖13 所示。

圖13 太陽電池陣+可再生燃料電池電源系統架構

基于特定任務場景邊界條件，對比不同月夜功率需求條件下的能源系統方案，對比結果如圖14 和圖15 所示。

圖14 電源系統及太陽電池陣質量對比分析圖

圖15 電源系統月夜比能量對比分析圖

對圖14 和圖15 進行分析可見，當載人月面移動實驗室月夜功率需求＞100 W 時，太陽電池+可再生燃料電池方案具有系統質量和能量密度方面優勢，且隨著月夜功率需求增加，優勢更加明顯。雖然可再生燃料電池系統的能量轉換效率低于鋰電池，導致可再生燃料電池方案配置太陽電池翼質量更大，但整個能源系統能量密度仍是太陽電池+可再生燃料電池方案占優。

可再生燃料電池不僅在質量、功率密度方面具有優勢，而且由于燃料電池反應過程與外界不僅有能量交換，還有氫、氧、水等物質交換，因此在月面原位資源利用、推進動力、環控生保方面實現兼容[26]。

在月面原位資源利用方面，月球可以利用的原位資源有兩種，分別是富含金屬氧化物的礦石和位于月球表面坑洞中的冰。金屬氧化物礦石中包含豐富的氧元素，可以通過化學催化反應得到水，產物水可作為水電解器的反應物，月球表面分布最多的氧化物類型為FeO。月面的另一種重要資源是位于月球南極及北極坑洞中的冰，可作為水電解器反應物供應，實現氫、氧介質獲取[27-28]。上述原位資源利用技術能夠滿足載人月球探測飛行器、月面居住艙、月球基地等對水的需求，燃料電池可以通過氫、氧介質反應滿足對能源的需求。

在推進動力兼容利用方面，載人航天任務中飛船、地月轉移器及推進器等飛行器中，再生燃料可利用推進動力系統揮發的低溫推進劑如液氫進行發電，實現與推進動力分系統工質共用，同時發電產生熱能可用于低溫推進劑升溫加熱，實現熱能的回收利用。此外，再生燃料電池水電解器產生的氫、氧介質可作為推進動力系統燃料。對于載人月面探測，通過將再生燃料電池與月面著陸上升器等運載推進動力系統進行標準接口設計，再生燃料電池在利用月面冰資源再生產生生命保障用氧、水介質的同時，將產生的氫氣高壓儲存作為著陸上升器等運載工具推進燃料，又可以通過燃料電池發電為飛行器提供電力保障，進一步實現月面原位資源最大化循環綜合利用。

在環控生保兼容利用方面，可再生燃料電池系統可通過熱管理系統接口、介質接口等，實現與飛行器、月面居住艙等設施設備環控生保一體化。在載人飛行器中，空間再生氫氧燃料電池發電產物水可以提供可供宇航員飲用和飛行器艙氣體加濕的水，而且液態氧系統同時還可以作為飛船的備用生命保障系統。因此，在航天飛機、載人飛船中再生燃料電池可與生保環控分系統進行一體化設計，在運行過程中為宇航員提供補給保障。

3.3 電源系統對比分析

綜合以上典型應用場景與相匹配的電源系統設計對比分析，可以看到，一次燃料電池在液氫液氧推進劑一體化設計方向，可再生燃料電池在月夜儲能、月面資源利用方向具有高能量密度優勢，是較為理想的電源系統方案。

燃料電池在地面車載應用工況下已具有較成熟的高低溫、振動、低氣壓等環境適應性，以及運行壽命、可靠性等方面的應用和驗證，但面對空間應用環境，燃料電池還未開展充分環境適應性、可靠性和系統控制驗證。面對空間應用比地面應用更嚴苛的振動、微重力等條件，燃料電池電源技術在針對空間應用工況的力學振動試驗、電源系統耐久性試驗方面存在不足，在應用電源系統層面，燃料電池電源系統架構設計、系統控制與自動運行等工程實踐方面仍存在差距，需要進行進一步研究。

4 空間氫氧發電技術發展建議

空間應用場景對能源需求較為迫切，鋰氟化碳電池、燃料電池、太陽電池等電源系統是可行的方案。通過對典型的空間應用場景分析可知，對于可利用液氫液氧推進劑剩余量的先進上面級火箭、載人月球探測則是燃料電池未來最具潛力的應用場景。

目前，燃料電池電源技術在空間環境適應性、耐久性與可靠性、電源系統自動化控制等方面仍存在差距。未來燃料電池應以運載上面級應用為短期目標，突破空間燃料電池高可靠水氣管理發電技術、密閉空間零排放安全性提升技術，液氫液氧燃料一體化利用技術，實現一次燃料電池空間型號應用；以載人月球探測為長期目標，突破大功率再生燃料電池系統的集成設計與研制、再生燃料電池與推進動力、綜合熱控、生命保障、原位資源利用等的一體化設計與智能化、多樣化應用等技術，實現可再生燃料電池的空間應用。

5 結論

本文介紹了空間氫氧發電技術特征，總結了國內外空間氫氧發電技術研究進展與發展趨勢，針對運載火箭上面級推進劑發電場景與月面可再生發電場景，對比了多種技術路線的空間電源系統方案，分析能量需求與電源系統特性參數的變化規律，指出燃料電池技術的優勢應用場景，面向工程化應用，還需解決系統可靠性提升、能源系統一體化設計、智能化系統控制等系統技術問題，以實現空間氫氧發電技術在載人航天、深空探測等領域的型號應用。