月面探測器燃料電池應(yīng)用的初步研究

任德鵬,李青,彭松

（北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094）

0 引 言

燃料電池是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置,其發(fā)電過程不受卡諾循環(huán)限制,具有能量轉(zhuǎn)換效率高、無污染、比功率高的特點[1]。隨著人類面臨越來越嚴重的能源短缺和環(huán)境污染問題,燃料電池的優(yōu)點越發(fā)突顯,在世界范圍內(nèi)引發(fā)了廣泛的研究熱潮[2]。特別在航天領(lǐng)域,由于各類新型航天器的研制,對無污染、長時間高功率輸出的能源設(shè)備的需求更加強烈[3]。最初國外燃料電池就是為滿足航天器電源的需求而發(fā)展起來的,早在20世紀60年代,氫氧燃料電池系統(tǒng)已在航天器,如美國的“雙子星”座載人飛船、“阿波羅”登月飛船、俄羅斯的月球軌道器和暴風雪航天飛機上作為主電源系統(tǒng)使用[4]。我國于20世紀60年代開始燃料電池研究工作,經(jīng)多年技術(shù)積累已具備研制航天器燃料電池的技術(shù)能力。

燃料電池屬于一次性能源,不能長期連續(xù)地輸出電能,這是多年來其受限于我國航天領(lǐng)域的主要原因之一。而執(zhí)行月面采樣返回任務(wù)的探測器由于其工作壽命短、能源需求相對少,為燃料電池的應(yīng)用創(chuàng)造了條件,使用燃料電池后可以提高探測器對月面環(huán)境的適應(yīng)能力、簡化工作程序設(shè)計,此外燃料電池工作產(chǎn)生的水還可以解決探測器月面的熱控問題。

本文在對燃料電池技術(shù)特點及研制狀況分析的基礎(chǔ)上,提出一種月面探測器燃料電池的配置方案,并對其應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)進行了剖析。

1 燃料電池原理及分類

燃料電池按電化學原理,把貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能,其內(nèi)部發(fā)生著氧化還原反應(yīng)。以氫氧燃料電池為例,其工作原理如圖1所示,具體化學反應(yīng)如下[5]。

燃料極（陽極）：H2→2H++2e–；

氧化極（陰極）：1/2O2+2H++2e–→H2O；

總反應(yīng)式：H2+1/2O2=H2O+電能+熱能。

圖1 氫氧燃料電池工作原理示意圖Fig.1 Principle of operation of hydrogen–oxygen fuel cell

依據(jù)電解質(zhì)的不同,燃料電池分為堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell,AFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）、磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC）及固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）等,各類燃料電池的特點如表1所示。

表1 燃料電池分類及特點Table 1 Classification and characteristics of fuel cell

2 航天領(lǐng)域燃料電池應(yīng)用分析

2.1 國外應(yīng)用情況

目前航天領(lǐng)域以氫氧燃料電池為主,已使用的燃料電池類型為堿性燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。

堿性燃料電池是航天領(lǐng)域最早被實際應(yīng)用的燃料電池。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。阿波羅登月飛船的Bacon型AFC由31只單體電池串聯(lián)而成,輸出電壓為27～31 V,正常輸出功率為563～1 420 W、最大功率2 300 W,工作溫度206 ℃、質(zhì)量約為113 kg、設(shè)計容量為400 h,實際無故障運行了690 h。美國航天飛機使用的石棉膜AFC由96只單體電池組成,輸出電壓為28 V、輸出功率為12 kW、短期最大輸出功率可達16 kW、質(zhì)量約為118 kg、工作溫度80 ℃[6]。

堿性燃料電池在實際應(yīng)用中也不斷暴露出其購置成本高、壽命短、可靠性低的缺點。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大于34.5 kPa,壓力控制較困難[7]。KOH是強堿,導(dǎo)致其工作壽命較短,早期的AFC壽命僅為2 600 h,其后經(jīng)過各種改進,壽命也僅提高到5 000 h[8]。其工作原理決定了AFC的可靠性不高,如美國1997年4月的一次載人發(fā)射任務(wù)中,由于AFC失效,導(dǎo)致航天飛機提前返航[7]。

近20年來,質(zhì)子交換膜燃料電池在應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力,性能也有了很大得提高,其價格也在逐漸降低。PEMFC既可作為主電源應(yīng)用,也可作為再生燃料電池的組成部分。20世紀90年代末期NASA致力于對其所有航天器的AFC進行PEMFC的更新?lián)Q代,并專門制定了供航天飛機、可重復(fù)使用運載器、火星登陸器、空間站使用的PEMFC發(fā)展計劃。近期,美國聯(lián)合科技公司宣布其開發(fā)的PEMFC在任務(wù)中成功運行了10萬h。日本也在積極研究應(yīng)用于太空環(huán)境的PEMFC,并搭建了相應(yīng)的實驗平臺[9]。

2.2 國內(nèi)研制狀態(tài)

我國燃料電池研究工作開始于1958年,是世界上從事燃料電池研究較早的國家之一。1958—1970年,國內(nèi)的科研院所分散地進行了燃料電池的探索性及基礎(chǔ)性研究工作。1970年后,在航天事業(yè)的推動下,空間燃料電池被列入“曙光計劃”,各地的科研機構(gòu)組成燃料電池協(xié)作網(wǎng),聯(lián)合開展燃料電池的研究,但70年代末該項目被中止。整個80年代,中國燃料電池的研究工作處于低潮。90年代初,中科院所屬的科研院所又開展了對MCFC、PEMFC及SOFC的基礎(chǔ)研究,1997年國家科技委將“燃料電池技術(shù)”列為國家“九五”計劃的重大科技攻關(guān)項目。

與國外的研制及應(yīng)用主線一致,由于堿性燃料電池已不能滿足航天的需求,90年代后國內(nèi)將燃料電池的研究重點轉(zhuǎn)至質(zhì)子交換膜燃料電池,已突破了系列關(guān)鍵技術(shù),研制的電堆地面功率可達7.5 kW,尤其是中電集團某電源研究所近年來在航天PEMFC的研究方面取得了可觀的成果,先后開發(fā)出系列產(chǎn)品,使PEMFC比功率不斷提高,如圖2所示。

圖2 國內(nèi)燃料電池技術(shù)發(fā)展情況Fig.2 Domestic development of fuel cell technology

3 探測器燃料電池配置方案分析

由國外燃料電池的應(yīng)用及我國燃料電池的研究現(xiàn)狀分析可知,質(zhì)子交換膜型燃料電池具有工作可靠、成本低且拓展應(yīng)用強的特點,成為航天領(lǐng)域的主要應(yīng)用方向,其工作時間受限于燃料攜帶量的缺點對設(shè)計壽命較短的探測器而言影響不突出,而其優(yōu)點卻能簡化探測器的設(shè)計。以月面采樣返回探測器為例,對燃料電池的具體應(yīng)用進行分析。

3.1 性能要求分析

執(zhí)行月面采樣返回任務(wù)的探測器由著陸器和上升器組成,月面著陸后探測器開展月球樣品的采集工作,隨后由上升器攜帶樣品從月面起飛并進入對接軌道。著陸器和上升器都是短期工作的探測器,任務(wù)周期內(nèi)用電量需求分別為95 kWh和20 kWh,結(jié)合當前燃料電池的研制狀態(tài),確定了對電池電源系統(tǒng)的指標要求,如表2所示。

表2 電源系統(tǒng)指標要求Table 2 Performance requirement of power system

3.2 系統(tǒng)組成

月面探測器燃料電池電源系統(tǒng)由電池電堆、反應(yīng)劑儲罐、閥門管路組件、水收集裝置及電源控制器5部分組成。

1）電池電堆是電源系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的主體,它由陰極、陽極、電解質(zhì)隔膜、極板、集流板、端板、鎖緊件等部件構(gòu)成。燃料氣和氧化氣分別由電池的陽極和陰極通入,燃料氣在陽極上放出電子,電子經(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子,離子在電場作用下通過電解質(zhì)遷移到陽極上并與燃料氣反應(yīng)形成回路而產(chǎn)生電流。電池的陰、陽兩極除傳導(dǎo)電子外,也作為氧化還原反應(yīng)的催化劑。電解質(zhì)起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。

2）反應(yīng)劑儲罐包括氫氣和氧氣貯箱,其外表面包覆隔熱材料,避免內(nèi)部氣體在月面高溫環(huán)境中受熱導(dǎo)致壓力升高。

3）閥門管路組件的作用是將儲罐內(nèi)的氣體減壓后引入電池電堆,并根據(jù)電源控制器的指令對工作氣體的質(zhì)量流量進行調(diào)節(jié)。

4）水收集裝置的作用是將電池電堆產(chǎn)生的水蒸氣進行收集,供探測器“水升華散熱裝置”使用。

5）電源控制器的作用是根據(jù)探測器的功率需求調(diào)節(jié)母線電壓的穩(wěn)定,并控制工作氣體的流量保持電池電堆穩(wěn)定運行。

3.3 系統(tǒng)配置設(shè)計

根據(jù)月面探測器任務(wù)特點,著陸器與上升器電源系統(tǒng)采用聯(lián)合設(shè)計,將電池電堆及電源控制器配置在上升器上,同時上升器上配置小型儲罐以滿足月面起飛后單獨工作期間的用電需求；著陸器上配置大儲罐和水收集裝置,滿足月面著陸和月面工作期間著陸器和上升器共同用電需求,并對電堆發(fā)電生成的水進行收集。

電源系統(tǒng)最大功率要求不高,小型燃料電池即可滿足功率要求,電池電堆質(zhì)量不超過13 kg；由發(fā)電量及系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率要求分析,探測器共需5.1 kg氫氣、41 kg氧氣提供能源,按最大壓力36 MPa狀態(tài)進行存儲,上升器需要配置1個15 L的氧氣儲罐、1個30 L氫氣儲罐,著陸器則需要1個70 L氧氣儲罐、2個70 L氫氣儲罐,儲罐及管路閥門總質(zhì)量約46 kg；采用橡膠囊式水收集裝置,其質(zhì)量約為1 kg；電源控制器質(zhì)量不超過10 kg。探測器燃料電池電源系統(tǒng)干重約為70 kg,其中上升器分配32 kg、著陸器38 kg；攜帶氣體總量為46.1 kg,上升器需8 kg、著陸器需38.1 kg。

3.4 方案比較分析

按常規(guī)“太陽帆板+蓄電池”的電源設(shè)計方案,上升器上需配置太陽翼、蓄電池組和電源控制器,著陸器上也需要單獨配置太陽翼和電源控制器,上升器電源系統(tǒng)質(zhì)量約為36 kg、著陸器系統(tǒng)質(zhì)量約為55 kg。與之相比,燃料電池方案會導(dǎo)致上升器增重4 kg、著陸器增重21.1 kg,但燃料電池工作過程中能夠產(chǎn)生與工作氣體消耗相同質(zhì)量的水,至少能減少探測器20 kg的附加質(zhì)量,因此該方案導(dǎo)致探測器凈質(zhì)量增加不大于5 kg。使用燃料電池后,探測器沒有蓄電池充電平衡問題,在環(huán)月軌道可直接準備軟著陸,能夠縮短15 h以上的任務(wù)時間,可將著陸器用電量降至80 kWh左右,電源系統(tǒng)質(zhì)量也會相應(yīng)減小,與常規(guī)方案能夠基本持平。

對于常規(guī)的設(shè)計方案而言,為滿足探測器功率需求太陽帆板面積不能再進一步減小,即便縮短任務(wù)周期也不會降低電源系統(tǒng)的質(zhì)量；在環(huán)月軌道上,需要探測器多圈飛行才能滿足功率平衡,增加了任務(wù)時間；探測器飛行過程中,需要考慮結(jié)構(gòu)承載力的限制而多次收攏太陽帆板,增加了任務(wù)執(zhí)行的復(fù)雜性；為提高月面工作段太陽帆板的發(fā)電效率,對探測器的著陸姿態(tài)有嚴格的限制；此外,設(shè)計中還需要考慮太陽帆板的遮擋、月面環(huán)境適應(yīng)性等問題,這些都增加了探測器的設(shè)計難度。而燃料電池方案則沒有上述約束,在月面低緯度工作時可利用其工作中產(chǎn)生的水降低探測器溫度、在高緯度環(huán)境中可利用其產(chǎn)生的熱量為探測器加熱,其工作特性基本不受姿態(tài)的影響,月面環(huán)境適應(yīng)性強。隨著我國月球探測技術(shù)的發(fā)展,載人登月是未來的發(fā)展趨勢,在該類任務(wù)中燃料電池將會更充分體現(xiàn)出其技術(shù)優(yōu)點。

4 應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)展望

雖然燃料電池有其明顯的技術(shù)優(yōu)點,但距在我國航天領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用仍存在一定的差距,需要后續(xù)在以下關(guān)鍵技術(shù)上繼續(xù)開展研制工作。

1）高可靠性設(shè)計技術(shù)。燃料電池在我國航天器上尚未有應(yīng)用的先例,作為探測器的主電源必須要求其可靠性不低于0.999,完善系統(tǒng)冗余、備份設(shè)計并開展地面可靠性驗證試驗是后續(xù)實際應(yīng)用過程中的首要工作。

2）高效儲氣技術(shù)。目前的設(shè)計方案將氫氧均以高壓氣體形式攜帶,儲罐質(zhì)量占電源系統(tǒng)干重的60%以上,為降低系統(tǒng)質(zhì)量必須開展高效的儲氣技術(shù)研究。以液體形式攜帶是系統(tǒng)減重的有效途徑之一,但液氫存儲需要20 K以下的低溫環(huán)境,對儲罐材料及隔熱設(shè)計有嚴格的要求；提高儲氣壓力[10]、開展多孔納米材料[11]或金屬材料[12]吸附儲氣應(yīng)用研究也是后續(xù)的研究方向。

3）多功能電源控制技術(shù)。燃料電池的電源控制器需要維持探測器母線電壓的穩(wěn)定并有良好的瞬態(tài)特性,同時還要求能夠輸出較大的瞬態(tài)電流,這就需要控制器有高效迅速的控制能力。維持電源系統(tǒng)的輸出品質(zhì)、提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度、優(yōu)化系統(tǒng)的工作狀態(tài)是燃料電池后續(xù)的重點研究內(nèi)容之一。

4）月面環(huán)境適應(yīng)技術(shù)。探測器上燃料電池主要工作在失重及月面低重力環(huán)境中,低重力環(huán)境能夠影響電堆電極通道內(nèi)水–氣的兩相流動,從而改變其電流密度及電堆的溫度分布,使實際工作特性與地面狀態(tài)不同。因此掌握低重力環(huán)境對電池的影響、開展針對性設(shè)計并研究地面等效試驗測試方法是燃料電池在航天領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的一項重點工作[13]。同時,燃料電池也需拓寬其工作溫度范圍,以適應(yīng)月面的高低溫環(huán)境。

5）系統(tǒng)集成及輕小型設(shè)計技術(shù)。燃料電池在航天領(lǐng)域的應(yīng)用需要多專業(yè)、多學科的綜合設(shè)計,除繼續(xù)優(yōu)化電堆本體設(shè)計提高其工作適應(yīng)能力和轉(zhuǎn)化效率并降低重量外,還需要集成探測器的供電、熱控、構(gòu)型布局等方面的設(shè)計,使燃料電池達到狀態(tài)匹配、系統(tǒng)優(yōu)化、并降低系統(tǒng)的體積和重量。

6）能源綜合利用技術(shù)。目前燃料電池的轉(zhuǎn)換效率已接近或超過60%,但仍有約40%的能量最終轉(zhuǎn)化成熱量,電堆穩(wěn)定運行需要匹配的熱設(shè)計；燃料電池安裝在探測器上,勢必與整個探測器熱設(shè)計產(chǎn)生耦合。因此,必須開展燃料電池與常規(guī)熱控方式集成的熱設(shè)計,月面著陸前利用電池工作的熱量為探測器加熱以減小對電功率的需求,月面階段利用電池產(chǎn)生的水對電堆及探測器散熱,實現(xiàn)能源的綜合利用和水資源的合理調(diào)配。

5 結(jié)束語

隨著我國在燃料電池方面研究工作的不斷深入,使其初步具備在航天領(lǐng)域應(yīng)用的條件,月面探測器的研制也為其提供了較好的應(yīng)用背景。本文提出了一種探測器的燃料電池系統(tǒng)方案,并將之與傳統(tǒng)方案進行了綜合對比,在此基礎(chǔ)上對燃料電池在我國航天領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進行了剖析,旨在縮短其實際應(yīng)用周期。

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