燃料電池在航天中的使用

吳峰，葉芳，郭航，馬重芳

(北京工業大學傳熱強化與過程節能教育部重點試驗室，傳熱與能源利用北京市重點試驗室，北京100022)

摘要：解析了燃料電池在航天范疇中的使用情況。堿性燃料電池已經在航天飛機中成功使用，但存在成本高，壽命短和安全性差等缺點。再生燃料電池通常由質子交換膜燃料電池包成。再生燃料電池+太陽能電池的組合在月球基地、大功率衛星和空間站及近空間飛行器上有很好的使用前景。

質子交換膜燃料電池(PEMFC)的工作溫度低，啟動快，比功率大，操作簡單，適合于使用在航天范疇中[1]。

1燃料電池用于航天器電源系統的優點

電源系統是航天器中不可缺少的緊要組成部分，其可靠性筆直影響著航天器的壽命。航天器電源要依據飛行任務、航天器設計壽命和供電要求來選擇。早期發射的短壽命小功率航天器往往選擇鋅銀電池；長壽命地球軌道飛行的衛星一般選擇太陽能陣列+蓄電池包；而燃料電池更適合使用于載人航天器；深太空探索則可選擇核電源[2]。航天器的發展急切需要大功率、長壽命和高可靠性的電源系統。

電源系統的質量在航天器中的比重較大，如我國2003年發射的一顆微小衛星，電源占整個衛星質量的16.6%。航天發射的成本很高，以1996年的發射技術，1kg設備發射上天的費用為2萬美元[3]，高能量密度的燃料電池在航天使用范疇很有吸引力。燃料電池的能量密度可達100～1000Wh/kg[4]，而航天電源中使用較多的鎳電池，能量密度僅為25～40Wh/kg[5]。對質量要求非常嚴格的高空長航時太陽能飛行器，要求儲能裝置的比能量在400Wh/kg以上，目前惟有燃料電池可滿足要求。

燃料電池同蓄電池相比，無自放電、無記憶效應及不存在過充過放。燃料電池系統中貯存的氧氣和氫氣，還可用于生命支持系統和姿態調整。從再生燃料電池中排出的廢熱溫度約為50～70℃，可用于航天器的熱管理[6]。

2燃料電池在航天中的使用和研究熱點

按電解質的不同，在航天范疇中使用過的燃料電池可分為PEMFC和堿性燃料電池(AFC)。AFC主要作為航天飛機的主電源；PEMFC既可作為主電源使用，也可作為再生燃料電池(RFC)的組成部分。

燃料電池在航天范疇最早的使用，是美國GE公司為雙子星載人飛船開發的聚苯磺酸膜燃料電池(為早期的PEMFC)。

在使用中，電池中的電解質膜發生降解，造成電池壽命變短、生成物水被污染，不能提供給航天員飲用。盡管GE公司之后推出了全氟磺酸膜燃料電池，但沒有中標[7]。后來AFC在航天范疇開始使用，并取得了成功。

近20年來，PEMFC在地面使用上展現出巨大的潛力，激發了人們的研究興致，性能上有了很大的提高，價格也在逐漸降低。研究人員開始留意到PEMFC在航天中的使用潛力，開展了許多研究。

NASA(美國航天航空局)的相關研究聚集在可使用于月球基地電源系統、近空間飛行器動力系統的RFC及AFC的升級。

RFC可作為月球基地的電源系統[8]，其氣體貯存系統龐大。NASA的工作人員研究了不同氣體貯存系統的質量[8]。近空間飛行器，尤其是長航時無人機對電源的能量密度要求很高，RFC是能滿足其要求的。NASA和美國國防部積極研究將RFC使用到該范疇[9-10]，NASA也認識到AFC的相對不足并對其升級[11-12]；歐洲學者研究了用再生AFC取代蓄電池的可行性[7]；日本正在積極研究使用于太空環境中的PEMFC，并搭建了相關的試驗平臺[13-14]。

3 AFC在航天中的使用

AFC是目前航天范疇中使用最成功的燃料電池。它采用KOH溶液為電解質，燃料和氧化劑分別為純氫和純氧。早期用于阿波羅登月飛船的是Bacon型AFC，由31只單體電池串聯而成，輸出電壓為27～31V，正常輸出功率為563～1420W。目前，美國航天飛機使用的是石棉膜AFC，它由96只單體電池包成，輸出電壓為28V，輸出功率為12kW[15]。

盡管AFC在航天中的使用已經很成熟，但也有人指出了AFC的不足[11-12]：維護和購置成本高、壽命短，安全性差。NASA每年用于每架航天飛機AFC的維護費用高達0.12～0.19億美元；而新購置，則每架需要0.285億美元。AFC要求陰、陽極之間的氣體壓力差不能太大(<34.5kPa)，氣體壓力控制較困難[11]。KOH是強堿，其強腐蝕性使AFC的壽命較短，早期UTC燃料電池公司加工的用于航天飛機的AFC，壽命僅為2600h，其后經過各種改進，壽命也僅提高到5000h[12]。

KOH在水中容易溶解，使得AFC工作萌生的水要經過一定的解決才可飲用；這同時會造成電解質流失，影響電池性能。AFC的安全性也不能令人滿意，如美國1997年4月的一次發射任務，由于AFC失效，航天飛機上機組人員僅完成了10%的任務就不得不提前返航[11]。

4 RFC在航天中的使用

RFC從功能上看類似于二次電池[15]。當外界需要電能時，RFC將貯存在氫氣和氧氣中的化學能轉換為電能；當能量富余時，RFC利用外界提供的電能將水電解為氫氣和氧氣。

RFC可以分為一體式、分開式和綜合式。一體式的特點是水的電解和供電均由相同組件完成；分開式由完全獨立的兩個組件分別完成水的分析和供電；綜合式則將兩個組件放入同一單元中。目前，RFC中完成發電功能的組件一般為PEMFC，早期有采用AFC的研究[6]。在航天范疇中，同傳統的蓄電池相比，RFC的能量密度要高很多[15]。RFC通常要與太陽能電池陣列聯合使用[9]，其緊要使用前景是月球基地[8]、近地軌道衛星、空間站[16]及高空長航時無人機[17]。

月球基地，尤其是有人職守的月球基地，能量消耗很大，如美國的相關研究一般假定，月球基地的所需功率為20～100kW[8]。選擇能量密度大的電源系統，可節約大量的發射費用。

月球的自轉周期很長(達28個地球日)，其中無日照時間為16個地球日[8]，用于月球基地的電源非得能長期供電。RFC只需要增加氫、氧和水的貯存系統，就能滿足要求。若月球上存在水，RFC系統甚至可以不從地球上帶水。盡管RFC的能量密度比其他化學電源高得多，但由于在月球上的電源功率和供電周期都很長，其質量仍很大。據NASA的研究結果，用于月球基地的電源系統質量約為9000kg，其中貯存系統的比例很高[8]。

NASA對高壓氣態貯存和液態貯存這兩種貯存系統進行了研究。高壓氣態貯存的缺點是貯存罐的質量很大；液態貯存系統中，氣體液化系統是不可缺少的，要額外消耗一部分能量，這就要求更多的太陽能電池陣列，且氣體液化系統的質量也不小，雖然在氣體貯存上可以減輕，但整個系統的質量并沒有減少，氣體液化系統中運動部件多，維護困難，安全性差[8]。

循環充放電效率低是RFC的一個缺點。由于蓄電池洋溢電有浮充階段，即恒壓充電，太陽能電池陣列萌生的電能無法被充足利用；RFC沒有浮充的問題，這在一定程度上彌補了不足[16]。

采用電力驅動的高空長航時無人機的電源，能量密度應大于400Wh/kg[17]，目前，可以滿足該要求的化學電源惟有RFC。用于一架無人機的一體式RFC，功率密度可達791Wh/kg[17]。

5燃料電池航天使用在我國的研究現狀

中國科學院大連化學物理研究所于1997年承擔了一項有關RFC系統研究的863項目，成功開發了百瓦級再生氫氧燃料電池原型系統，在此基礎上，進行了一體式再生氫氧燃料電池的使用基礎研究。

航天范疇中，電池處于微重力狀態，氣液兩相流動、傳質傳熱規律與平常不同[18]。NASA已經把水管理作為使用于航天的PEMFC的關鍵技術。北京工業大學通過落塔開展了微重力條件下燃料電池中熱物理規律的相關研究，發今朝不同重力條件下，甲醇燃料電池陽極氣液兩相流動及電池電性能均不同[19]。

6結論

解析了燃料電池在航天范疇中的使用簡況。AFC是目前航天范疇中使用較成功的一種燃料電池，但存在成本和維護費用昂貴、壽命短和安全性差等問題。PEMFC主要以RFC的形式出今朝航天使用中，RFC+太陽能電池的聯合供電系統在月球基地、大功率近地衛星、空間站及近空間長航時飛行器上有一定的使用潛力。

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