可再生燃料电池系统在空间电源中的应用研究

陈宋 孙凤焕 张明 戴孟瑜 崔波

（1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）（2 北京航天动力研究所，北京 100076）

1 引言

燃料电池是通过电化学过程将反应物中的化学能直接转化为电能的装置，曾在美国的载人飞船和航天飞机，以及俄罗斯的月球轨道器和航天飞机上应用。近年来开发出的以氢氧燃料电池为基础、结合水电解技术和太阳电池的可再生燃料电池（Regenerative Fuel Cell，RFC）系统，能为航天器提供超过20kW 的功率输出和20d或更久的持续供电能力，比传统太阳电池-蓄电池体系拥有更优良的工作特性，特别适合于太阳极轨探测器、大型载人空间站、月球基地等要求高输出功率、长持续工作时间的航天器。可再生燃料电池系统已在国外的高空长航时无人机上进行了飞行试验，并应用在平流层飞艇设计方案中；国内虽然已开始了可再生燃料电池系统的地面样机验证，但在空间应用的全系统方案设计、关键部件的性能优化和空间环境适应性设计等方面，还有很多问题要解决。

本文概括了可再生燃料电池的工作特性，调研了国内外可再生燃料电池系统的研究情况，在分析空间应用所要解决的关键技术基础上，提出了一种用于空间电源的可再生燃料电池系统设计方案，可为我国在高功率长寿命航天器上应用可再生燃料电池技术提供参考。

2 可再生燃料电池的工作原理和特性

可再生燃料电池是在普通氢氧燃料电池基础上发展起来的产生、储存和利用氢气／氧气的电化学装置，是将水电解技术和氢氧燃料电池技术相结合的一种新型发电装置，其工作原理如图1所示。在光照期，电解器电解水（一般由太阳电池供电）制取氢气和氧气，分离除湿后储存在储罐中；在阴影期，燃料电池使用储存的氢气和氧气发电，满足载荷需求。整个反应过程唯一的产物水经收集后，又可通过电解产生氢气和氧气供燃料电池使用，实现物质和能量的循环利用。

图1 可再生燃料电池工作原理Fig.1 Working principle of RFC

可再生燃料电池的比能量约为300～600 W·h／kg，作为其核心的燃料电池的比能量达到400～1000 W·h／kg，而目前在航天器电源中使用较多的镉镍蓄电池和氢镍蓄电池的比能量仅为25～40 W·h／kg，大容量锂离子蓄电池的比能量为150～200 W·h／kg，锂硫蓄电池的比能量为350 W·h／kg，因此，可再生燃料电池的比能量要远高于传统的化学储能电池。此外，可再生燃料电池的持续供电时间与氢氧燃料的储量密切相关，而水热循环处理、功率调节与控制等必备设备的质量变化较小，也就是说，航天器要求的输出功率等级越大、持续供电时间越长，燃料的占比就越大，可再生燃料电池在比能量、系统质量等方面的优势就越大。

综合上述技术特点，可再生燃料电池特别适合于有高功率输出、长持续供电时间需求的航天器。

3 国内外研究情况

3.1 国外可再生燃料电池系统研究

可再生燃料电池系统已被欧美国家列为今后空间能源技术的重要发展方向之一，组成可再生燃料电池系统的燃料电池、电解水制氧、废水回收利用等子系统已在载人飞船、“国际空间站”上应用。目前，完整的可再生燃料电池系统尚未在空间应用，但在美国“太阳神”高空长航时无人机上已进行了多次飞行试验，并被多国的平流层飞艇选为主要电源系统。

3.1.1 燃料电池的空间应用

燃料电池是可再生燃料电池系统的核心部件，在20世纪60年代，碱性燃料电池（AFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）就作为航天器的主电源，在美国的“双子星座”载人飞船、“阿波罗”登月飞船和航天飞机［1-3］，以及俄罗斯的月球轨道器和暴风雪号航天飞机上得到了应用。表1列出了应用于美国航天器上的燃料电池主要性能指标。

为了满足新一代航天器的发展需求，美国国家航空航天局（NASA）专门制定了针对可重复使用运载器和火星登陆器、空间站等航天器使用的10～20kW可再生燃料电池发展计划，改进了质子交换膜燃料电池，通过亲水膜的毛细作用实现对生成物的气／水分离，完全省去了循环使用所需的管路。这种革命性的设计极大地提高了整个燃料电池系统的比能量、可靠性、反应效率和使用寿命，并降低了自耗和使用费用［3-4］。3kW 新型质子交换膜燃料电池系统和1kW传统系统的对比如图2所示［3］。

美国已先后研制出利用可再生燃料电池发电的电解水制氧系统、废水回收利用系统及二氧化碳回收处理系统，并分步投入空间站测试使用，实现了空间站水及二氧化碳的处理率超过85%［3］。上述关键技术的突破，将对“国际空间站”延寿至2020年发挥重要作用。

表1 应用于美国航天器的燃料电池性能指标Table 1 Characteristics of fuel cells applied in American spacecraft

图2 新型和传统质子交换膜燃料电池系统的对比Fig.2 Comparison between new and traditional PEMFC

3.1.2 “太阳神”高空长航时无人机

作为NASA“环境研究飞行器与传感器技术”（ERAST）计划的一部分，AeroVironment公司为NASA 设计、制造了使用太阳电池-可再生燃料电池的“太阳神”（Helios）高空长航时无人机，并在1998-2005年进行了飞行试验，以验证可再生燃料电池系统工作的可靠性和稳定性。

“太阳神”无人机在75.3m 长的机翼上共铺设62 120片转换效率为19%的太阳电池片，可输出功率为35kW；在机身中部的设备舱中安装了输出功率为18.5kW 的氢气／空气可再生燃料电池，2个总质量150kg的气瓶（储氢比9.1%）用于供应氢气，由涡轮增压器供应空气，可再生燃料电池总质量为386kg。太阳电池-可再生燃料电池电源系统可以保证“太阳神”无人机7～14d的连续飞行，整个系统的比能量为350～400 W·h／kg，能量转换效率约为52%［5-6］。

3.1.3 平流层飞艇

平流层飞艇的飞行高度一般在19.8～40.0km，具备留空时间长、工作环境影响小、飞行高度高的特点，美国、俄罗斯、德国、以色列等国家均已开展了对平流层飞艇的研制。动力系统是平流层飞艇的重要组成部分，经过多年的研究和试验，各国均把可再生燃料电池系统作为研究的重点。以美国2005年论证的东西海岸监视用高空飞艇（HAA）设计为例，其电源系统由柔性太阳电池阵、水电解器、氢气／氧气和水分离器、氢气／氧气储罐、水储存装置、燃料电池堆、氢气／氧气吸入和压力控制器、电机驱动装置、水热循环管理器组成。动力系统配置如图3所示［7］，主要性能指标如表2所示［8］。

图3 高空飞艇动力系统配置Fig.3 Power／propulsion system configuration of HAA

表2 高空飞艇电源系统主要性能指标Table 2 Characteristics of HAA electrical power system

3.2 国内可再生燃料电池系统研究

国内多家科研单位在可再生燃料电池领域进行了研究。大连化学物理研究所于1997年承担了有关再生氢氧燃料电池系统研究的863项目，成功开发了百瓦级再生氢氧燃料电池原型系统，并于2000年8月通过项目验收［9］。北京航天动力研究所于2008年研制了12kW 氢氧储能系统地面样机；2011年又研制成功了临近空间用20kW 可再生燃料电池储能系统地面样机，全系统比能量为293 W·h／kg，能量转换效率为32%，如图4所示。按照国内的技术发展速度，预计很快可以实现400 W·h／kg的全系统比能量和50%的能量转换效率，达到美国“太阳神”无人机的技术水平。

图4 20kW 可再生燃料电池系统样机Fig.4 RFC system prototype of output power 20kW

4 空间应用分析

根据国外可再生燃料电池系统的设计验证和国内的研究经验，本节对可再生燃料电池系统的组成、工作流程、关键设计进行分析，并以此为基础提出初步的系统设计方案。

4.1 系统组成和工作流程

用于空间电源的可再生燃料电池系统主要由6部分组成：①太阳电池阵子系统，为航天器负载和水电解器提供电能；②水电解子系统，将燃料电池生成的水利用外部电能重新电解成氢气和氧气，效率一般大于90%；③氢氧燃料电池子系统，将氢气和氧气的化学能直接转化为电能；④反应物储存子系统，用于储存高压氢气、氧气和水；⑤环境控制子系统，用于控制整个系统的工作温度；⑥功率调节和控制子系统，对太阳电池阵的输出功率、水电解过程、燃料电池发电过程、系统对外功率输出进行综合控制。

整个可再生燃料电池系统的运行，围绕水电解能量储存和燃料电池发电能量输出两个过程循环展开。

1）水电解能量储存过程

在光照期，太阳电池阵始终工作在最大功率点，输出功率大于负载需求，富余能量通过功率控制器输送给电解器。电解器工作时，持续消耗去离子水，产生的氢气／氧气经后处理储存至氢氧储罐，电解过程中产生的废热通过换热器交换至外回路，最终由散热器散至空间环境，水的消耗通过补水泵定时补充；随着电解的进行，氢氧储罐中的压力持续上升，直至到达额定设计值。

2）燃料电池发电能量输出过程

在阴影期，高压氢气／氧气从氢氧储罐输出，经压力控制和加温加湿后进入燃料电池，输出的电能经功率控制器输送至负载母线。燃料电池发电过程中产生的废热通过换热器交换至外回路，同样经由散热器散至空间环境。燃料电池的循环气体将内部生成的水源源不断地带出，经分离后排入低压水箱。随着发电的进行，氢氧储罐中的压力持续降低，直至达到额定设计值。

4.2 系统关键设计分析

4.2.1 系统方案的优化设计

用于空间电源的可再生燃料电池系统受运载能力、航天器结构、空间环境的限制，须在地面可再生燃料电池的基础上结合航天器总体需求开展系统方案优化设计。从电源拓扑的角度，可以采用半调节或全调节拓扑；从母线电压的角度，可以选择100V或42V 母线；从太阳电池阵设计的角度，可以选择三结砷化镓电池片组成的半刚性太阳翼或铜铟镓硒薄膜电池片组成的柔性太阳翼；从能量传输的角度，可以采用直接能量传输或峰值功率跟踪（MPPT）设计；从功率变换的角度，可以对太阳电池阵采用降压变换输出至电解器，对燃料电池采用升压变换输出至母线。对于可再生燃料电池本身，须围绕比能量、输出效率、环境适应性和工作可靠性，对氢气／氧气的储量和流量、电解器的工作压强／温度、燃料电池单体的串联数、燃料电池的工作压强／温度等系统关键参数，进行优化匹配。

4.2.2 电解器和燃料电池的高性能设计

电解器和燃料电池是可再生燃料电池系统的核心，其性能直接影响整个系统的输出功率、转换效率和比能量。目前，国内质子交换膜电解器的功率可以达到15～34kW，比功率为600～800W／kg，工作电压为1.7～1.9V；氢氧燃料电池模块的功率可以达到15～28kW，比功率为800～900W／kg，单体输出电压约为0.7V。除提高单体模块的性能，还要采用质子交换膜两侧介质压差的稳态／瞬态精确控制设计、密封／绝缘一体化高压密封设计、多单体系统集成优化设计等系统级设计，提高系统工作的可靠性和稳定性。

4.2.3 电解器和燃料电池的安全性设计

电解器工作时的温度超过75℃，压力为5MPa；在非工作时段，其温度降至常温，压力降至0.3 MPa。因此，电解器处于温度和压力交变的过程中，而电解器密封方式为接触密封，这一特点决定了它的密封性受温度、压力影响较大。燃料电池和电解器结构类似，同样面临密封问题。针对这此问题，借鉴国外的设计经验，可以采用电解器、燃料电池外加承压容器、充入保护气体平衡内外压差的方法，提高电解器和燃料电池的安全性；还可以采用弹性垫片调节温度变化带来的热胀冷缩，以维持压力恒定。

4.2.4 功率控制器的集成化设计

功率控制器是整个系统的控制核心，须具备对水电解和燃料电池发电过程的精确控制，对系统内水气压力和温度的保持，对太阳电池阵输出功率的调节，对燃料电池输出功率的升／降压变换，对母线大功率输出的控制，以及通过通信总线进行数据交互。功率控制器采用综合电子架构的一体化、模块化、小型化设计，以提高控制器的集成度，并适应不同功率输出等级；同时，为了提高系统的可靠性，还要具备自主管理功能，监测电解器和燃料电池组各单体的电压、电流、压力、温度、气体流量，并对故障单体及时处理。

4.2.5 氢气／氧气的后处理设计

水介质是可再生燃料电池系统的能量转换媒介，水在运行过程中能否实现平衡是整个系统长寿命设计的关键之一。国内电解器多采用阳极供水，而燃料电池长期稳定工作需要氢气／氧气过量循环供应并对外脉冲排放，因此，减少水损失率的重点是有效控制电解氢气／氧气中的含水量和燃料电池发电过程中水的损失率，对电解／发电循环过程中氢气／氧气的水进行分离与回收。

针对上述过程，空间用可再生燃料电池系统可以采用冷凝干燥水分离设计。一般电解出的氢气／氧气排出时的温度约为75 ℃，-30 ℃下的饱和蒸气压为38Pa，约是75 ℃下的1／1000，利用空间低温环境对氢气／氧气进行循环冷却，将其温度降到较低水平，即可有效回收水介质。在发电循环时，预加温过的氢气／氧气反向流过冷冻干燥器，将内部结冰冷凝水蒸发后带入燃料电池。

4.2.6 氢气／氧气的空间储存设计

可再生燃料电池系统持续工作时间主要取决于所携带氢气／氧气的储存量。地面的燃料电池系统对氢气主要采用高压气态、氢气液态和金属氢化物方式储存。高压气态储存应用简单、广泛，但储罐质量很大；液态储存离不开气体液化系统，运动部件多，能量消耗大，安全性差；金属氢化物储存具有较高的密度，使用也较安全，但还处于前期发展阶段。

综合考虑，在空间用可再生燃料电池系统中，氢气／氧气采用中压气态低温储存，以减小对气阀和管路的压力，提高可靠性；将储罐置于空间环境中，不采用主动控温技术，只通过控温材料的包覆来维持储罐的低温状态；储罐采用铝质内衬、碳纤维缠绕等轻量化设计，提高储氢质量比。

4.3 系统方案初步设计

综合上述分析，可再生燃料电池系统由太阳电池阵子系统、水电解子系统、燃料电池子系统、氢氧储存子系统、环境控制子系统和功率控制子系统组成，系统配置如图5所示。

（1）整个系统对航天器提供100V 半调节母线，采用铜铟镓硒薄膜电池片组成柔性太阳翼，在保证太阳电池阵输出功率的同时尽可能减小系统质量。

（2）对太阳电池阵采用峰值功率跟踪控制，使太阳电池阵始终工作在最大功率点上，提高其使用效率。太阳电池阵在光照期优先满足负载功率的需求，通过升压变换器输出稳定负载母线电压，剩余功率用于水电解工况。

（3）水电解子系统由高压循环泵、离子净化器、电解氢气／氧气后处理单元、内外循环换热器、高压补水泵、高压水箱及高压质子交换膜水电解器等组成，以保证水电解工况的安全、高效运行。在水电解过程中，要对电解消耗用水的供应、氢气／氧气压差进行精确控制，保持温度稳定，并对电解所产生的氢气／氧气进行后处理。

（4）燃料电池子系统由常压循环泵、发电氢氧处理器、氢氧回收循环泵、氢氧水分离器、内外循环换热器、低压水箱及燃料电池组等组成，以保证燃料电池功率输出工况的安全、高效运行。在燃料电池发电全过程中，要对氢气／氧气压差进行精确控制，维持燃料电池单体和电池组工作在额定工作点，保证燃料电池进口氢气／氧气的加温加湿，并对燃料电池排出的氢气／氧气和水进行回收。

（5）氢氧储存子系统由氢氧储罐组件及电磁阀等组成，提供电解后氢气／氧气的轻质化安全储存。对氢气／氧气采用5 MPa中压气态储存，且出于减小质量考虑，不采取主动控温设计，将储罐直接置于低温环境中。对储罐和燃料电池的接口采用模块化设计，以便更换储罐和对储存量进行扩容。储存前要对电解产生的氢气／氧气进行除湿干燥处理，避免结冰堵塞管路。

（6）环境控制子系统由乙二醇泵、流量控制器、空间换热器和乙二醇储箱等组成，主要负责控制并保持整个系统内的工作环境，包括利用水电解和燃料电池发电所产生的热量进行各子系统设备的保温防冻、氢气／氧气发电前的预加温，为电解氢气／氧气的除水提供独立冷源，以及为数据处理、功率控制模块的温控提供冷（热）源。

（7）功率控制子系统由综合数据处理模块、伺服电机驱动模块、置于结构组件中的温度／压力传感器、总线通信模块、峰值功率跟踪模块及DC／DC 变换模块等组成。功率控制子系统主要负责对水电解和燃料电池的发电过程进行控制，须具备对燃料电池及电解器单体进行巡检的功能；变换太阳电池阵和燃料电池的输入功率以维持母线电压的稳定；通过数据通信总线实现内部各子系统间，以及与航天器综合控制系统间的数据交换。

图5 空间用可再生燃料电池系统初步设计方案Fig.5 Primary design of RFC system applied in space

5 结束语

目前，可再生燃料电池系统由于发展时间短、技术复杂，尚未获得空间应用。它具有的高比能量、高功率输出、长供电持续时间等特点，在月球基地、载人空间站、平流层飞艇上具备显著的优势。本文在总结国内外可再生燃料电池系统研究的基础上，对空间应用所要考虑的关键设计进行了分析，并对系统设计方案进行了初步探讨。后续要进一步明确空间应用条件，在系统集成优化设计、智能化自主管理、空间环境综合适应性等方面开展深入研究，为我国未来新型航天器的电源系统设计提供技术储备和参考。

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