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上海汽車集團(tuán)股份有限公司

關(guān)鍵字：航天；燃料電池；質(zhì)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(dāng)前日益嚴(yán)苛的環(huán)境問題對動力裝置的技術(shù)要求日益提升，從節(jié)能減排的角度，燃料電池作為一類清潔的電化學(xué)發(fā)電裝置受到了廣泛關(guān)注。

近年來，國內(nèi)外針對燃料電池的技術(shù)應(yīng)用研究主要集中于汽車動力裝置領(lǐng)域，與此同時，其在船舶、機(jī)車、航空推進(jìn)等領(lǐng)域的相關(guān)研究也在亦步亦趨地開展[1-7]。

近年來，燃料電池發(fā)電裝置雖有趕超并取代傳統(tǒng)熱力發(fā)動機(jī)的勢頭，但事實(shí)上，燃料電池的技術(shù)發(fā)展由來已久，其于十九世紀(jì)上半葉便登上歷史舞臺，并于早期已在航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1 燃料電池在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

自1957年第一顆人造地球衛(wèi)星上天以來，全世界已經(jīng)發(fā)射了包括衛(wèi)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(tǒng)是航天器保障系統(tǒng)中的一個重要組成部分，它為航天器中的其他系統(tǒng)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(tǒng)的功率、壽命、可靠度和性價比等指標(biāo)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(zhì)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(diǎn)認(rèn)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(lián)合供電系統(tǒng)所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，是我國今后發(fā)展載人空間站補(bǔ)給貨運(yùn)飛船的首選電源[8-10]。

2 航天用燃料電池技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展

2.1 概述

早期的質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)應(yīng)用之一是在20世紀(jì)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(fā)的1kW質(zhì)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(yīng)產(chǎn)物——純水還可供宇航員飲用。但該類電池當(dāng)時采用的是聚乙酸酯磺酸膜作為質(zhì)子交換膜，電池的可靠性不理想，電池在工作過程中膜曾發(fā)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(yīng)用的原因之一。但其被普遍認(rèn)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(jì)60年代后開發(fā)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(tǒng)，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(shù)為人類登月做出了貢獻(xiàn)。

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(yīng)用是作為主電源被用于航天飛機(jī)上。美國航天飛機(jī)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(chǎn)的第三代航天飛機(jī)用堿性石棉膜型氫氧燃料電池單組電池系統(tǒng)的輸出功率已達(dá)12kW，峰值功率可達(dá)16kW[13-14]，電池輸出電壓為28V，效率70%，單組系統(tǒng)質(zhì)量為117kg。

2.2 堿性燃料電池與質(zhì)子交換膜燃料電池

自燃料電池應(yīng)用于航天領(lǐng)域起，堿性燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池兩者之間的比較始終在進(jìn)行。由于堿性燃料電池在可靠性、性價比等方面的優(yōu)勢，在航天應(yīng)用領(lǐng)域與質(zhì)子交換膜燃料電池的競爭中一度占據(jù)優(yōu)勢。然而，經(jīng)過多年的商業(yè)和軍事開發(fā)，質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)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(tǒng)，由于質(zhì)子交換膜兩側(cè)所允許的壓力不同[15]，以致質(zhì)子交換膜燃料電池幾乎不需要有像堿性燃料電池系統(tǒng)中精密的壓力控制裝置。

質(zhì)子交換膜燃料電池電源系統(tǒng)幾乎不需要運(yùn)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(yīng)產(chǎn)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(zhì)具有腐蝕性，因此對堿性燃料電池還須有特殊的防護(hù)措施以確保其安全性。由于堿性燃料電池含碳產(chǎn)物和堿性電解質(zhì)的腐蝕，縮短了其使用壽命。

隨著反應(yīng)氣的流動、液體電解質(zhì)的流失、石棉基質(zhì)的干燥以及隨之產(chǎn)生的反應(yīng)氣通過基質(zhì)的滲透和竄氣都會導(dǎo)致堿性燃料電池壽命降低。航天飛機(jī)規(guī)范要求的堿性燃料電池壽命為2 400h；然而在實(shí)際中僅約1 200h后，堿性燃料電池系統(tǒng)就需要一次大的維修。由于多年大規(guī)模的地面商業(yè)開發(fā)應(yīng)用，質(zhì)子交換膜燃料電池壽命不斷增加，目前，質(zhì)子交換膜燃料電池組壽命約為10 000h。據(jù)預(yù)測，未來堿性燃料電池組壽命將超過10 000h，而質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)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(zhì)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(jù)優(yōu)勢。

在太空近地軌道中，太陽電池陣在陰影期內(nèi)無法進(jìn)行發(fā)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(chǎn)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(dāng)長，目前在航天器上廣泛使用的化學(xué)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(tǒng)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(tǒng)（regenerative fuel cell system）的出現(xiàn)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(tǒng)通常與太陽能發(fā)電系統(tǒng)配合使用。它一般由質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)和電解水系統(tǒng)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(tǒng)；電解系統(tǒng)利用電能把水分解為氫和氧，并儲藏在高壓容器中。當(dāng)在軌道陰影期或其他太陽電池陣不能供電情況下，質(zhì)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(tǒng)不但是發(fā)電裝置，還可以看作是能量的儲存系統(tǒng)。在電解水和燃料電池發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱還可用來為航天器內(nèi)供暖。再生式燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電部分和能量儲存部分是相對獨(dú)立的。這意味著如果要增加再生式燃料電池系統(tǒng)的發(fā)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(xué)電池只能通過增加更多的電池來增加發(fā)電能力。

3 航天用燃料電池面臨的相關(guān)技術(shù)問題

航天用燃料電池歷經(jīng)40年的發(fā)展，已受到越來越多的關(guān)注。盡管如此，用于航天器的燃料電池技術(shù)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(shù)在航天領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)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(tǒng)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(tǒng)較復(fù)雜，除電池組外，還有液氫、液氧超臨界儲罐，氣路系統(tǒng)，水系統(tǒng)，熱控系統(tǒng)等。

如何有效地簡化系統(tǒng)、如何降低系統(tǒng)復(fù)雜性對系統(tǒng)可靠性的負(fù)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(qū)別有兩個，一是重力場的影響不同，二是環(huán)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(zhì)是影響燃料電池性能的重要因素。氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池在電池的陰極產(chǎn)生水，適量的水能使質(zhì)子交換膜保持濕潤，使膜的質(zhì)子導(dǎo)電性保持在較高水平。但是，過多的水將淹沒陰極多孔介質(zhì)擴(kuò)散電極，嚴(yán)重情況下凝結(jié)水還將使用于向陰極供應(yīng)氧氣的微細(xì)通道的流通面積下降，阻礙氧氣向陰極催化層電化學(xué)反應(yīng)界面的輸送，從而導(dǎo)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(guī)律與在地面有著顯著的不同，與氣相/液相分離有關(guān)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(tǒng)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(dǎo)致電池部件的穩(wěn)定性下降，影響電池可靠性和壽命。

燃料電池內(nèi)流體流動的不均勻?qū)?dǎo)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(fā)電能力的發(fā)揮；而過高的局部溫度將導(dǎo)致質(zhì)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(guī)律的變化將影響燃料電池的傳熱特性；另一方面因太空環(huán)境中航天器外溫度變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhàn)。

4 結(jié)論與展望

回溯歷史，燃料電池早期即已在航天領(lǐng)域得到應(yīng)用，并據(jù)此為后續(xù)的技術(shù)提供了必要的理論及研發(fā)基礎(chǔ)。

當(dāng)前，燃料電池的技術(shù)研發(fā)重心已出現(xiàn)了變遷，不可否認(rèn)，其在航天領(lǐng)域的傳統(tǒng)應(yīng)用方式依然有其既定的優(yōu)勢。

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