燃料电池在航天中的应用

吴峰，叶芳，郭航，马重芳

(北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室，传热与能源利用北京市重点实验室，北京100022)

摘要：介绍了燃料电池在航天领域中的应用情况。碱性燃料电池已经在航天飞机中成功应用，但存在成本高，寿命短和安全性差等缺点。再生燃料电池通常由质子交换膜燃料电池组成。再生燃料电池+太阳能电池的组合在月球基地、大功率卫星和空间站及近空间飞行器上有很好的应用前景。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作温度低，启动快，比功率大，操作简单，适合于应用在航天领域中[1]。

1燃料电池用于航天器电源系统的优势

电源系统是航天器中不可缺少的重要组成部分，其可靠性直接影响着航天器的寿命。航天器电源要根据飞行任务、航天器设计寿命和供电要求来选择。早期发射的短寿命小功率航天器往往选择锌银电池；长寿命地球轨道飞行的卫星一般选择太阳能阵列+蓄电池组；而燃料电池更适合应用于载人航天器；深太空探索则可选择核电源[2]。航天器的发展迫切需要大功率、长寿命和高可靠性的电源系统。

电源系统的质量在航天器中的比重较大，如我国2003年发射的一颗微小卫星，电源占整个卫星质量的16.6%。航天发射的成本很高，以1996年的发射技术，1kg设备发射上天的费用为2万美元[3]，高能量密度的燃料电池在航天应用领域很有吸引力。燃料电池的能量密度可达100～1000Wh/kg[4]，而航天电源中使用较多的镍电池，能量密度仅为25～40Wh/kg[5]。对质量要求非常严格的高空长航时太阳能飞行器，要求储能装置的比能量在400Wh/kg以上，目前只有燃料电池可满足要求。

燃料电池同蓄电池相比，无自放电、无记忆效应及不存在过充过放。燃料电池系统中贮存的氧气和氢气，还可用于生命支持系统和姿态调整。从再生燃料电池中排出的废热温度约为50～70℃，可用于航天器的热管理[6]。

2燃料电池在航天中的应用和研究热点

按电解质的不同，在航天领域中应用过的燃料电池可分为PEMFC和碱性燃料电池(AFC)。AFC主要作为航天飞机的主电源；PEMFC既可作为主电源应用，也可作为再生燃料电池(RFC)的组成部分。

燃料电池在航天领域最早的应用，是美国GE公司为双子星载人飞船开发的聚苯磺酸膜燃料电池(为早期的PEMFC)。

在使用中，电池中的电解质膜发生降解，造成电池寿命变短、生成物水被污染，不能提供给航天员饮用。尽管GE公司之后推出了全氟磺酸膜燃料电池，但没有中标[7]。后来AFC在航天领域开始应用，并取得了成功。

近20年来，PEMFC在地面应用上展现出巨大的潜力，激发了人们的研究兴趣，性能上有了很大的提高，价格也在逐渐降低。研究人员开始注意到PEMFC在航天中的应用潜力，开展了许多研究。

NASA(美国航天特种局)的相关研究集中在可应用于月球基地电源系统、近空间飞行器动力系统的RFC及AFC的升级。

RFC可作为月球基地的电源系统[8]，其气体贮存系统庞大。NASA的工作人员研究了不同气体贮存系统的质量[8]。近空间飞行器，尤其是长航时无人机对电源的能量密度要求很高，RFC是能满足其要求的。NASA和美国特种部积极研究将RFC应用到该领域[9-10]，NASA也认识到AFC的相对不足并对其升级[11-12]；欧洲学者研究了用再生AFC取代蓄电池的可行性[7]；日本正在积极研究应用于太空环境中的PEMFC，并搭建了相关的实验平台[13-14]。

3 AFC在航天中的应用

AFC是目前航天领域中应用最成功的燃料电池。它采用KOH溶液为电解质，燃料和氧化剂分别为纯氢和纯氧。早期用于阿波罗登月飞船的是Bacon型AFC，由31只单体电池串联而成，输出电压为27～31V，正常输出功率为563～1420W。目前，美国航天飞机使用的是石棉膜AFC，它由96只单体电池组成，输出电压为28V，输出功率为12kW[15]。

尽管AFC在航天中的应用已经很成熟，但也有人指出了AFC的不足[11-12]：维护和购置成本高、寿命短，安全性差。NASA每年用于每架航天飞机AFC的维护费用高达0.12～0.19亿美元；而新购置，则每架需要0.285亿美元。AFC要求阴、阳极之间的气体压力差不能太大(<34.5kPa)，气体压力控制较困难[11]。KOH是强碱，其强腐蚀性使AFC的寿命较短，早期UTC燃料电池公司生产的用于航天飞机的AFC，寿命仅为2600h，其后经过各种改进，寿命也仅提高到5000h[12]。

KOH在水中容易溶解，使得AFC工作产生的水要经过一定的处理才可饮用；这同时会造成电解质流失，影响电池性能。AFC的安全性也不能令人满意，如美国1997年4月的一次发射任务，由于AFC失效，航天飞机上机组人员仅完成了10%的任务就不得不提前返航[11]。

4 RFC在航天中的应用

RFC从功能上看类似于二次电池[15]。当外界需要电能时，RFC将贮存在氢气和氧气中的化学能转换为电能；当能量富余时，RFC利用外界提供的电能将水电解为氢气和氧气。

RFC可以分为一体式、分开式和综合式。一体式的特点是水的电解和供电均由相同组件完成；分开式由完全独立的两个组件分别完成水的分解和供电；综合式则将两个组件放入同一单元中。目前，RFC中完成发电功能的组件一般为PEMFC，早期有采用AFC的研究[6]。在航天领域中，同传统的蓄电池相比，RFC的能量密度要高很多[15]。RFC通常要与太阳能电池阵列联合使用[9]，其重要应用前景是月球基地[8]、近地轨道卫星、空间站[16]及高空长航时无人机[17]。

月球基地，尤其是有人职守的月球基地，能量消耗很大，如美国的相关研究一般假定，月球基地的所需功率为20～100kW[8]。选择能量密度大的电源系统，可节约大量的发射费用。

月球的自转周期很长(达28个地球日)，其中无日照时间为16个地球日[8]，用于月球基地的电源必须能长期供电。RFC只需要增加氢、氧和水的贮存系统，就能满足要求。若月球上存在水，RFC系统甚至可以不从地球上带水。尽管RFC的能量密度比其他化学电源高得多，但由于在月球上的电源功率和供电周期都很长，其质量仍很大。据NASA的研究结果，用于月球基地的电源系统质量约为9000kg，其中贮存系统的比例很高[8]。

NASA对高压气态贮存和液态贮存这两种贮存系统进行了研究。高压气态贮存的缺点是贮存罐的质量很大；液态贮存系统中，气体液化系统是不可缺少的，要额外消耗一部分能量，这就要求更多的太阳能电池阵列，且气体液化系统的质量也不小，虽然在气体贮存上可以减轻，但整个系统的质量并没有减少，气体液化系统中运动部件多，维护困难，安全性差[8]。

循环充放电效率低是RFC的一个缺点。由于蓄电池充满电有浮充阶段，即恒压充电，太阳能电池阵列产生的电能无法被充分利用；RFC没有浮充的问题，这在一定程度上弥补了不足[16]。

采用电力驱动的高空长航时无人机的电源，能量密度应大于400Wh/kg[17]，目前，可以满足该要求的化学电源只有RFC。用于一架无人机的一体式RFC，功率密度可达791Wh/kg[17]。

5燃料电池航天应用在我国的研究现状

中国科学院大连化学物理研究所于1997年承担了一项有关RFC系统研究的863项目，成功开发了百瓦级再生氢氧燃料电池原型系统，在此基础上，进行了一体式再生氢氧燃料电池的应用基础研究。

航天领域中，电池处于微重力状态，气液两相流动、传质传热规律与平常不同[18]。NASA已经把水管理作为应用于航天的PEMFC的关键技术。北京工业大学通过落塔开展了微重力条件下燃料电池中热物理规律的相关研究，发现在不同重力条件下，甲醇燃料电池阳极气液两相流动及电池电性能均不同[19]。

6结论

介绍了燃料电池在航天领域中的应用简况。AFC是目前航天领域中应用较成功的一种燃料电池，但存在成本和维护费用昂贵、寿命短和安全性差等问题。PEMFC主要以RFC的形式出现在航天应用中，RFC+太阳能电池的联合供电系统在月球基地、大功率近地卫星、空间站及近空间长航时飞行器上有一定的应用潜力。

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