燃料電池的空間應(yīng)用技術(shù)發(fā)展

胡 晶，李海濱，顧海濤

（1.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；2.上?？臻g電源研究所 空間電源技術(shù)國家重點實驗室，上海 200245）

0 引言

目前，環(huán)境和能源問題正迫使航天器不斷減少排放及降低能耗。然而，針對發(fā)動機燃燒過程的改進難以從根本上解決以上問題。作為一種清潔又高效的推進技術(shù)，電力推進取代氣壓及液壓推動能夠提升系統(tǒng)的靈活性、操作性及效率。但隨著深空探測任務(wù)難度增大，航天器對電源系統(tǒng)的要求越來越苛刻［1］。航天發(fā)射成本很高，而傳統(tǒng)發(fā)電機的體積及質(zhì)量較大，難以滿足航天器的高能量及高功率需求［2］。另一方面，燃料電池擁有高比能量，能量密度達到300～1 000 Wh/kg，可降低航天器的質(zhì)量。同時其不需經(jīng)過卡諾循環(huán)，直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能，擁有更高的效率。2012 年8 月，美國能源部部長曾在在Nature上撰文指出，燃料電池將是航天備用電源領(lǐng)域頗具潛力的應(yīng)用方向［3］。

燃料電池的反應(yīng)過程可看作電解水的逆過程，氫氣和氧氣分別通向陰極及陽極，在催化劑的作用下發(fā)生電化學反應(yīng)，電子實現(xiàn)由陽極向陰極的遷移，產(chǎn)生電流，同時生成水，并釋放一定熱量。

目前，航天領(lǐng)域應(yīng)用較多的燃料電池有堿性燃料電池（AFC）以及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），其中，AFC 主要作為航天飛機的主電源，而PEMFC既可作為主電源，也可作為可再生燃料電池（RFC）的組成部分［4］。PEMFC 可在低溫快速啟動，且電池結(jié)構(gòu)緊密，因不使用腐蝕性液態(tài)電解質(zhì)，電池可在任何方位、任何角度運行［5］，適宜于航天領(lǐng)域應(yīng)用。

路易斯研究中心于1979—1987 年聯(lián)合約翰遜航天中心，研制了針對空間站應(yīng)用的堿性燃料電池，其效率高于55%。并且其于1987 年開展了針對中高軌運行的燃料電池研究。美國漢密爾頓標準公司也已經(jīng)成功研制25 kW 和35 kW 燃料電池系統(tǒng)，并在空間站和空間飛行器中投入使用。

歐洲航天局（ESA）和日本航天局（JAXA）也十分重視燃料電池的發(fā)展。ESA 制作的燃料電池系統(tǒng)，系統(tǒng)工作設(shè)定在200 mA/cm2、35 V，每周期工作10 min。系統(tǒng)連續(xù)工作超過1 100 周次，等同于工作壽命10 a 以上［6］。

1 燃料電池的空間應(yīng)用

20 世紀60 年代，燃料電池在航空航天領(lǐng)域中得到應(yīng)用，并因此得到廣泛研究及快速發(fā)展。1965年，聚苯磺酸膜燃料電池（早期的PEMFC）作為主電源應(yīng)用于雙子星座五號載人飛船中，但在飛行過程中，質(zhì)子交換膜發(fā)生了降解，影響了燃料電池的壽命及性能，同時導致產(chǎn)生的水無法供給航天員飲用。之后，氫氧堿性燃料電池作為主電源用于阿波羅（Apollo）登月飛船上，為人類首次登月作出貢獻。以上兩種應(yīng)用于航天器的燃料電池性能見表1。

表1 應(yīng)用于美國航天器的燃料電池性能指標Tab.1 Characteristics of fuel cells applied in American spacecraft

此后，國際上便形成了AFC 的研制高潮，而PEMFC 的研究則暫時擱置。直至近二三十年，PEMFC 因其響應(yīng)速度快、工作溫度低等特性在地面應(yīng)用上展現(xiàn)出了巨大的潛力，而且性能及成本問題也在逐步改善，從而再次引起了研究人員的關(guān)注。而AFC 則因為應(yīng)用相對局限于空間領(lǐng)域，且存在著壽命較短（＜5 000 h）、比功率低、體積大、維護困難等缺陷［7］，技術(shù)發(fā)展受到了嚴重制約。

美國國家航空航天局（NASA）的相關(guān)研究，集中在可應(yīng)用于月球基地電源系統(tǒng)、近空間飛行器動力系統(tǒng)的RFC（可再生燃料電池）及AFC 的升級［7］。

2 PEMFC 原理及結(jié)構(gòu)

PEMFC 在地面應(yīng)用中表現(xiàn)出了良好性能及較大潛力，在航天領(lǐng)域的應(yīng)用正受到廣泛的研究與探討。質(zhì)子交換膜燃料電池主要由質(zhì)子交換膜、催化層以及擴散層組成，如圖1 所示。催化層與擴散層的組合又稱為電極。在擴散層之外配置有雙極板，以提供反應(yīng)氣體及冷卻水的流場，不同形狀及結(jié)構(gòu)的流場也會對燃料電池的性能產(chǎn)生顯著的影響。

圖1 PEMFC 結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of PEMFC

質(zhì)子交換膜起著分隔燃料和氧化劑的作用，同時其由于自身的特殊結(jié)構(gòu)而具備傳導質(zhì)子的能力［8］。質(zhì)子交換膜一般由全氟磺酸樹脂構(gòu)成，如圖2所示。質(zhì)子（H+）在通過質(zhì)子交換膜時首先附著在磺酸基上，之后遷移到鄰近的水分子，形成水合氫離子，水合氫離子上的H+又附著到鄰近的磺酸基上，如此循環(huán)往復，從而借助于水分子為媒介，在陽極產(chǎn)生的H+得以穿過質(zhì)子交換膜到達陰極［9］，并完成電化學反應(yīng)。因此，為了使質(zhì)子交換膜獲得高質(zhì)子電導率，要求其工作于高濕度環(huán)境。

圖2 全氟磺酸樹脂結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Nafion-H

水管理的質(zhì)量將直接影響電池性能。水積聚過多，會造成水淹現(xiàn)象，氣體無法通過氣體擴散層到達催化層，引起燃料電池的效率和最大輸出功率的降低，甚至導致燃料電池的失效；水分不足則會引起質(zhì)子交換膜失水，質(zhì)子傳導性能下降，甚至使燃料電池失效。

燃料電池催化層上分布有催化劑，為電化學反應(yīng)的進行提供場所。碳紙構(gòu)成的氣體擴散層，由于強度較高，對催化層起著支撐作用，其多孔結(jié)構(gòu)可使反應(yīng)氣順暢通過氣體擴散層，到達催化層參加反應(yīng)，而且氣體擴散層還具有收集電流的作用。

PEMFC 的工作 原理如圖3 所示，H2通過燃 料入口進入，在陽極失去電子，電子通過外部電路，流經(jīng)負載到達陰極，而H+則穿過質(zhì)子交換膜到達陽極，與O2反應(yīng)生成水，并放出熱量。陽極、陰極發(fā)生的反應(yīng)及總反應(yīng)如下：

在現(xiàn)實應(yīng)用中，單個燃料電池的電壓及功率都非常有限，難以應(yīng)用于具體需求中，工程中更多使用的并非單電池，而是燃料電池的電堆。電堆結(jié)構(gòu)如圖4 所示，單電池通過重復地堆砌便形成了電堆，通常為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

3 空間燃料電池水管理

由于電滲作用，質(zhì)子的遷移過程中常攜帶水分子，陽極因此常處于缺水狀態(tài)，需要加濕器濕潤反應(yīng)氣體［10］。而陰極則因電化學反應(yīng)生成水，需要排出多余的水，此時燃料電池水管理顯得十分必要。

圖3 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理Fig.3 Working principle of PEMFC

圖4 電池堆結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of fuel cell stack

空間應(yīng)用的燃料電池處于微重力環(huán)境下，有特殊的系統(tǒng)需求、操作條件及相關(guān)設(shè)計。尤其在流場的設(shè)計及布置上，在微重力環(huán)境中，重力影響消失，無論是流場中反應(yīng)氣體的濃度還是液態(tài)水的排出都發(fā)生了一些變化，燃料電池應(yīng)用于空間場合之前，必須先考慮這些變化因素及其對電池性能與壽命的影響。

3.1 被動排水技術(shù)

不同于地面應(yīng)用中的燃料電池，空間應(yīng)用的燃料電池因微重力環(huán)境中出現(xiàn)的復雜氣-液兩相流，使氣體吹掃效果不佳，此時流道進出口壓差成為排水的主要驅(qū)動力。若采用主動排水技術(shù)，將增加系統(tǒng)功耗及復雜性，同時降低系統(tǒng)可靠性。被動排水技術(shù)也因此成為空間應(yīng)用燃料電池的研究熱點，與主動排水的不同點在于，采用該技術(shù)不需要運動部件，僅依靠毛細力和膜分離技術(shù)實現(xiàn)微重力環(huán)境的電池排水。

如圖5 所示，在陰極流場側(cè)布有多孔親水膜，水和氧氣混合物在通過陰極時，水便以水蒸氣的形式吸附在親水膜上，而氧氣則被親水膜阻隔，完成水與氧氣的分離。水蒸氣進入親水膜的另一側(cè)后，又在冷卻劑的作用下，冷凝成液態(tài)水，并順利排出。

圖5 親水膜被動排水原理Fig.5 Schematic of membrane-based static water separation PEMFC

盡管目前空間燃料電池系統(tǒng)的水管理已經(jīng)實現(xiàn)了技術(shù)性突破，但是復雜的空間水管理仍需要更多的實驗與研究。

3.2 氣流方向?qū)θ剂想姵氐挠绊?/h3>

燃料電池內(nèi)氣流方向的不同對水管理也會產(chǎn)生一定影響，當純氫與純氧聯(lián)用且從相反方向通入燃料電池時，反應(yīng)氣體無需加濕，可通過反應(yīng)生成水實現(xiàn)自加濕［10］。如圖6 所示，氫氣及氧氣以相反方向通過燃料電池，陰極側(cè)電化學反應(yīng)生成的水，由氧氣的高濃度端吹掃向低濃度端，且在此處聚集，聚集的水通過質(zhì)子交換膜給氫氣的入口處加濕，使得氫氣高濃度端具有一定濕度，并進而將水滴吹掃向氫氣低濃度端。此時，氫氣低濃度端又通過質(zhì)子交換膜給經(jīng)過長時間吹掃已經(jīng)干燥的氧氣入口加濕，水滴便依此在系統(tǒng)中實現(xiàn)循環(huán)。反之，若使氫氣、氧氣從相同方向通過燃料電池且不加濕，燃料電池則表現(xiàn)出較差性能［11］。

圖6 反向氣流時水滴移動方式Fig.6 Water droplet movement mode when given reverse flow

3.3 燃料電池的布置

不同的放置方式會引起燃料電池內(nèi)水的排出狀況差異，對其工作性能也會產(chǎn)生顯著影響。關(guān)于燃料電池放置形式的研究可以從豎直放置、水平放置（陽極在上）以及水平放置（陰極在上）3 個方面展開。

當燃料電池豎直放置時（如圖7 所示），對于系統(tǒng)產(chǎn)生水較多的工況，不同于常規(guī)環(huán)境下重力作用使液態(tài)水堆積在流道底部無法有效排出，聚集在流道內(nèi)的水和反應(yīng)氣體會形成氣?液兩相流動，液態(tài)水在氣相慣性力的推動下可順利排出，氣體擴散層暴露在反應(yīng)氣體中，增強反應(yīng)氣體的傳質(zhì)，提高了燃料電池的工作性能［12］。由于大電流密度下對于氣體傳質(zhì)的要求頗高，流道凝水的及時排除對大電流密度下燃料電池性能的提升作用比小電流密度下更為明顯。研究表明，此時燃料電池的性能（同電流密度下的電壓）可以提高4.6%左右［13］。

圖7 豎直放置結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Vertically placed structure diagram

而對于系統(tǒng)產(chǎn)生水不多的工況，水滴在被反應(yīng)氣體吹掃的同時，也聚集成較大的液滴。液滴的直徑甚至達到了流道斷面的直徑，直徑較大的液滴難以被反應(yīng)氣體吹掃出流道，依附在流道的角落上并且上下震動，阻礙了反應(yīng)氣體的順利通過，燃料電池的工作性能與重力條件下相比有所下降。研究表明，此時燃料電池的性能將下降6.6%左右［13］。

當燃料電池水平放置時，存在兩種情況：陽極在上及陰極在上。若陽極在上（如圖8 所示），重力會使凝聚的液滴落在光滑的雙極板上，液態(tài)水移動阻力小，也易于從流道中排出；若陰極在上（如圖9所示），重力會使凝聚的水分子落在多孔的氣體擴散層上，液滴移動阻力大，無法排出，形成水膜阻礙氣體運輸使電池性能下降［14］。因此，在重力工況下，陽極在上的工況燃料電池性能優(yōu)于陰極在上的工況。而對于微重力環(huán)境則不存在以上差異。但是相比于微重力環(huán)境時垂直工況下的性能提升，在水平放置工況下，由于產(chǎn)生的水難于排出，微重力環(huán)境使燃料電池（陽極在上）的工作性能有所下降［15］。

圖8 重力作用下陽極在上的液滴分布情況Fig.8 Droplet distribution when anode is upward under gravity

圖9 重力作用下陰極在上的液滴分布情況Fig.9 Droplet distribution when cathode is upward under gravity

4 空間燃料電池熱管理

燃料電池中電化學反應(yīng)是放熱過程，PEMFC實際發(fā)電效率可達40%～60%，其余能量則以熱能形式釋放。隨著燃料電池運行時間增長，其溫度也逐漸上升。而溫度過高則會使電堆內(nèi)水平衡無法維持，進而影響質(zhì)子傳導以及燃料電池的壽命。

若采用中壓低溫的方式儲氫，對于小功率燃料電池，低溫反應(yīng)氣流便能夠帶走系統(tǒng)廢熱；但對于輸出功率在100 W 以上的電堆，低溫反應(yīng)氣流不足以帶走大量廢熱。此時需對燃料電池進行冷卻，冷卻的方式主要可分為液體冷卻、散熱板冷卻以及熱管冷卻［16］。

其中，液體冷卻主要用于大功率PEMFC 電堆，如圖10 所示，通過在相鄰的雙極板間循環(huán)輸運高比熱容的液體冷卻劑實現(xiàn)電堆的冷卻，之后冷卻劑又通過總熱控系統(tǒng)實現(xiàn)熱量的釋放。該系統(tǒng)使用循環(huán)泵輸運冷卻劑，增加了輔助裝置及較大數(shù)量的管道，并且對系統(tǒng)的可靠性及壽命也會造成一定影響。

圖10 液體冷卻原理Fig.10 Principle of liquid cooling

采用散熱板進行冷卻則是將相鄰雙極板間替換為散熱板，散熱板的邊緣分別在對立兩側(cè)伸展到雙極板以外，燃料電池產(chǎn)生的熱量通過傳遞到冷卻邊緣，再與集成的外部熱交換器換熱，從而將廢熱傳遞到冷卻系統(tǒng)中［17］。該方式作為一種被動散熱，利用了航天器現(xiàn)有的熱控系統(tǒng)，具有減小電堆質(zhì)量、體積及復雜度，增強系統(tǒng)可靠性等優(yōu)點。

熱管冷卻同樣適用于大功率電堆，其通過氣-液相變實現(xiàn)廢熱的吸收與排出，具有優(yōu)良的熱傳遞性能、很好的溫度一致性以及較遠的熱傳導距離。有研究者使用Cu 和改良Ti 制作熱管，并用于未來空間上使用的大功率電堆廢熱管理研究［18］。

5 可再生燃料電池

可再生燃料電池（RFC）是在普通氫氧燃料電池（一般為PEMFC）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的產(chǎn)生、儲存和利用氫氣/氧氣的電化學裝置，是將水電解技術(shù)和氫氧燃料電池技術(shù)相結(jié)合的一種發(fā)電裝置［19］。一般利用太陽能實現(xiàn)水的電解制取氫氣及氧氣，氣體分離除濕后儲存在儲氣罐中，在燃料電池工作時向其供氣，產(chǎn)生電能與水，如圖11 所示。燃料電池產(chǎn)生的水則又作為氫氣及氧氣的來源之一參與電解，實現(xiàn)物質(zhì)和能量的循環(huán)利用。

RFC 可以分為一體式、分開式及綜合式［4］：一體式的特點是水的電解和發(fā)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電解和發(fā)電；綜合式則將兩個組件放入同一單元內(nèi)。

圖11 可再生燃料電池系統(tǒng)框架圖Fig.11 Frame diagram of RFC

目前可再生燃料電池因其能量密度高、質(zhì)量小和效率高等特性，被廣泛考慮用于載人飛船、國際空間站、近地軌道衛(wèi)星及高空長航時無人機等航空航天領(lǐng)域。其能為航天器提供超過20 kW 的功率輸出和20 d 或更久的持續(xù)供電能力，比傳統(tǒng)太陽能電池-蓄電池體系擁有更優(yōu)良的工作特性［20］。

可再生燃料電池具有的高比能量、高功率輸出和長供電持續(xù)時間等特點，使其在空間上具有巨大潛力，現(xiàn)在也已成為燃料電池在空間應(yīng)用的研究熱點之一，后續(xù)可在其系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計及智能化自主管理等方面進一步深入研究。

6 結(jié)束語

燃料電池的被動排水技術(shù)簡化了水管理系統(tǒng)，較好地實現(xiàn)流道內(nèi)的水氣分離，提高了系統(tǒng)水管理的效率。系統(tǒng)產(chǎn)水較多時，豎直放置有利于微重力環(huán)境的排水，可以使電池的性能提高4.6%；而產(chǎn)水不多時，豎直放置不利于微重力下的排水，燃料電池的性能將下降6.6%左右。而當燃料電池水平放置時，若陰極在上，微重力會使水的排出更加通暢；但若陽極在上，微重力則會使水的排出更加困難。

對于燃料電池在空間的熱管理，液體冷卻需增加輔助裝置及較大數(shù)量的管道，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性及壽命受到影響；散熱板冷卻可利用航天器現(xiàn)有的熱控系統(tǒng)，提高熱管理的效率；而熱管冷卻則具有優(yōu)良的熱傳遞能力及溫度均勻性?？稍偕剂想姵厮哂械母弑饶芰?、高功率輸出、長供電持續(xù)時間等特點，使其在空間應(yīng)用上具有巨大潛力。