吳峰，葉芳，郭航，馬重芳

(北京工業(yè)大學傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室，傳熱與能源利用北京市重點實驗室，北京100022)

摘要：介紹了燃料電池在航天領域中的應用情況。堿性燃料電池已經(jīng)在航天飛機中成功應用，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(zhì)子交換膜燃料電池組成。再生燃料電池+太陽能電池的組合在月球基地、大功率衛(wèi)星和空間站及近空間飛行器上有很好的應用前景。

質(zhì)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，適合于應用在航天領域中[1]。

1燃料電池用于航天器電源系統(tǒng)的優(yōu)勢

電源系統(tǒng)是航天器中不可缺少的重要組成部分，其可靠性直接影響著航天器的壽命。航天器電源要根據(jù)飛行任務、航天器設計壽命和供電要求來選擇。早期發(fā)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(wèi)星一般選擇太陽能陣列+蓄電池組；而燃料電池更適合應用于載人航天器；深太空探索則可選擇核電源[2]。航天器的發(fā)展迫切需要大功率、長壽命和高可靠性的電源系統(tǒng)。

電源系統(tǒng)的質(zhì)量在航天器中的比重較大，如我國2003年發(fā)射的一顆微小衛(wèi)星，電源占整個衛(wèi)星質(zhì)量的16.6%。航天發(fā)射的成本很高，以1996年的發(fā)射技術，1kg設備發(fā)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應用領域很有吸引力。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(zhì)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，目前只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(tǒng)中貯存的氧氣和氫氣，還可用于生命支持系統(tǒng)和姿態(tài)調(diào)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應用和研究熱點

按電解質(zhì)的不同，在航天領域中應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既可作為主電源應用，也可作為再生燃料電池(RFC)的組成部分。

燃料電池在航天領域最早的應用，是美國GE公司為雙子星載人飛船開發(fā)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(zhì)膜發(fā)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在航天領域開始應用，并取得了成功。

近20年來，PEMFC在地面應用上展現(xiàn)出巨大的潛力，激發(fā)了人們的研究興趣，性能上有了很大的提高，價格也在逐漸降低。研究人員開始注意到PEMFC在航天中的應用潛力，開展了許多研究。

NASA(美國航天特種局)的相關研究集中在可應用于月球基地電源系統(tǒng)、近空間飛行器動力系統(tǒng)的RFC及AFC的升級。

RFC可作為月球基地的電源系統(tǒng)[8]，其氣體貯存系統(tǒng)龐大。NASA的工作人員研究了不同氣體貯存系統(tǒng)的質(zhì)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和美國特種部積極研究將RFC應用到該領域[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]；日本正在積極研究應用于太空環(huán)境中的PEMFC，并搭建了相關的實驗平臺[13-14]。

3 AFC在航天中的應用

AFC是目前航天領域中應用最成功的燃料電池。它采用KOH溶液為電解質(zhì)，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(lián)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只單體電池組成，輸出電壓為28V，輸出功率為12kW[15]。

盡管AFC在航天中的應用已經(jīng)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燃料電池公司生產(chǎn)的用于航天飛機的AFC，壽命僅為2600h，其后經(jīng)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工作產(chǎn)生的水要經(jīng)過一定的處理才可飲用；這同時會造成電解質(zhì)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(fā)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在航天中的應用

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(zhuǎn)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解和供電；綜合式則將兩個組件放入同一單元中。目前，RFC中完成發(fā)電功能的組件一般為PEMFC，早期有采用AFC的研究[6]。在航天領域中，同傳統(tǒng)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(lián)合使用[9]，其重要應用前景是月球基地[8]、近地軌道衛(wèi)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(tǒng)，可節(jié)約大量的發(fā)射費用。

月球的自轉(zhuǎn)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必須能長期供電。RFC只需要增加氫、氧和水的貯存系統(tǒng)，就能滿足要求。若月球上存在水，RFC系統(tǒng)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(zhì)量仍很大。據(jù)NASA的研究結果，用于月球基地的電源系統(tǒng)質(zhì)量約為9000kg，其中貯存系統(tǒng)的比例很高[8]。

NASA對高壓氣態(tài)貯存和液態(tài)貯存這兩種貯存系統(tǒng)進行了研究。高壓氣態(tài)貯存的缺點是貯存罐的質(zhì)量很大；液態(tài)貯存系統(tǒng)中，氣體液化系統(tǒng)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(tǒng)的質(zhì)量也不小，雖然在氣體貯存上可以減輕，但整個系統(tǒng)的質(zhì)量并沒有減少，氣體液化系統(tǒng)中運動部件多，維護困難，安全性差[8]。

循環(huán)充放電效率低是RFC的一個缺點。由于蓄電池充滿電有浮充階段，即恒壓充電，太陽能電池陣列產(chǎn)生的電能無法被充分利用；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(qū)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只有RFC。用于一架無人機的一體式RFC，功率密度可達791Wh/kg[17]。

5燃料電池航天應用在我國的研究現(xiàn)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(tǒng)研究的863項目，成功開發(fā)了百瓦級再生氫氧燃料電池原型系統(tǒng)，在此基礎上，進行了一體式再生氫氧燃料電池的應用基礎研究。

航天領域中，電池處于微重力狀態(tài)，氣液兩相流動、傳質(zhì)傳熱規(guī)律與平常不同[18]。NASA已經(jīng)把水管理作為應用于航天的PEMFC的關鍵技術。北京工業(yè)大學通過落塔開展了微重力條件下燃料電池中熱物理規(guī)律的相關研究，發(fā)現(xiàn)在不同重力條件下，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

介紹了燃料電池在航天領域中的應用簡況。AFC是目前航天領域中應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的形式出現(xiàn)在航天應用中，RFC+太陽能電池的聯(lián)合供電系統(tǒng)在月球基地、大功率近地衛(wèi)星、空間站及近空間長航時飛行器上有一定的應用潛力。

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