燃料电池的空间应用技术发展

胡 晶，李海滨，顾海涛

（1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2.上海空间电源研究所 空间电源技术国家重点实验室，上海 200245）

0 引言

目前，环境和能源问题正迫使航天器不断减少排放及降低能耗。然而，针对发动机燃烧过程的改进难以从根本上解决以上问题。作为一种清洁又高效的推进技术，电力推进取代气压及液压推动能够提升系统的灵活性、操作性及效率。但随着深空探测任务难度增大，航天器对电源系统的要求越来越苛刻［1］。航天发射成本很高，而传统发电机的体积及质量较大，难以满足航天器的高能量及高功率需求［2］。另一方面，燃料电池拥有高比能量，能量密度达到300～1 000 Wh/kg，可降低航天器的质量。同时其不需经过卡诺循环，直接将化学能转化为电能，拥有更高的效率。2012 年8 月，美国能源部部长曾在在Nature上撰文指出，燃料电池将是航天备用电源领域颇具潜力的应用方向［3］。

燃料电池的反应过程可看作电解水的逆过程，氢气和氧气分别通向阴极及阳极，在催化剂的作用下发生电化学反应，电子实现由阳极向阴极的迁移，产生电流，同时生成水，并释放一定热量。

目前，航天领域应用较多的燃料电池有碱性燃料电池（AFC）以及质子交换膜燃料电池（PEMFC），其中，AFC 主要作为航天飞机的主电源，而PEMFC既可作为主电源，也可作为可再生燃料电池（RFC）的组成部分［4］。PEMFC 可在低温快速启动，且电池结构紧密，因不使用腐蚀性液态电解质，电池可在任何方位、任何角度运行［5］，适宜于航天领域应用。

路易斯研究中心于1979—1987 年联合约翰逊航天中心，研制了针对空间站应用的碱性燃料电池，其效率高于55%。并且其于1987 年开展了针对中高轨运行的燃料电池研究。美国汉密尔顿标准公司也已经成功研制25 kW 和35 kW 燃料电池系统，并在空间站和空间飞行器中投入使用。

欧洲航天局（ESA）和日本航天局（JAXA）也十分重视燃料电池的发展。ESA 制作的燃料电池系统，系统工作设定在200 mA/cm2、35 V，每周期工作10 min。系统连续工作超过1 100 周次，等同于工作寿命10 a 以上［6］。

1 燃料电池的空间应用

20 世纪60 年代，燃料电池在航空航天领域中得到应用，并因此得到广泛研究及快速发展。1965年，聚苯磺酸膜燃料电池（早期的PEMFC）作为主电源应用于双子星座五号载人飞船中，但在飞行过程中，质子交换膜发生了降解，影响了燃料电池的寿命及性能，同时导致产生的水无法供给航天员饮用。之后，氢氧碱性燃料电池作为主电源用于阿波罗（Apollo）登月飞船上，为人类首次登月作出贡献。以上两种应用于航天器的燃料电池性能见表1。

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

此后，国际上便形成了AFC 的研制高潮，而PEMFC 的研究则暂时搁置。直至近二三十年，PEMFC 因其响应速度快、工作温度低等特性在地面应用上展现出了巨大的潜力，而且性能及成本问题也在逐步改善，从而再次引起了研究人员的关注。而AFC 则因为应用相对局限于空间领域，且存在着寿命较短（＜5 000 h）、比功率低、体积大、维护困难等缺陷［7］，技术发展受到了严重制约。

美国国家航空航天局（NASA）的相关研究，集中在可应用于月球基地电源系统、近空间飞行器动力系统的RFC（可再生燃料电池）及AFC 的升级［7］。

2 PEMFC 原理及结构

PEMFC 在地面应用中表现出了良好性能及较大潜力，在航天领域的应用正受到广泛的研究与探讨。质子交换膜燃料电池主要由质子交换膜、催化层以及扩散层组成，如图1 所示。催化层与扩散层的组合又称为电极。在扩散层之外配置有双极板，以提供反应气体及冷却水的流场，不同形状及结构的流场也会对燃料电池的性能产生显著的影响。

图1 PEMFC 结构简图Fig.1 Structure diagram of PEMFC

质子交换膜起着分隔燃料和氧化剂的作用，同时其由于自身的特殊结构而具备传导质子的能力［8］。质子交换膜一般由全氟磺酸树脂构成，如图2所示。质子（H+）在通过质子交换膜时首先附着在磺酸基上，之后迁移到邻近的水分子，形成水合氢离子，水合氢离子上的H+又附着到邻近的磺酸基上，如此循环往复，从而借助于水分子为媒介，在阳极产生的H+得以穿过质子交换膜到达阴极［9］，并完成电化学反应。因此，为了使质子交换膜获得高质子电导率，要求其工作于高湿度环境。

图2 全氟磺酸树脂结构Fig.2 Structure of Nafion-H

水管理的质量将直接影响电池性能。水积聚过多，会造成水淹现象，气体无法通过气体扩散层到达催化层，引起燃料电池的效率和最大输出功率的降低，甚至导致燃料电池的失效；水分不足则会引起质子交换膜失水，质子传导性能下降，甚至使燃料电池失效。

燃料电池催化层上分布有催化剂，为电化学反应的进行提供场所。碳纸构成的气体扩散层，由于强度较高，对催化层起着支撑作用，其多孔结构可使反应气顺畅通过气体扩散层，到达催化层参加反应，而且气体扩散层还具有收集电流的作用。

PEMFC 的工作 原理如图3 所示，H2通过燃 料入口进入，在阳极失去电子，电子通过外部电路，流经负载到达阴极，而H+则穿过质子交换膜到达阳极，与O2反应生成水，并放出热量。阳极、阴极发生的反应及总反应如下：

在现实应用中，单个燃料电池的电压及功率都非常有限，难以应用于具体需求中，工程中更多使用的并非单电池，而是燃料电池的电堆。电堆结构如图4 所示，单电池通过重复地堆砌便形成了电堆，通常为串联结构。

3 空间燃料电池水管理

由于电渗作用，质子的迁移过程中常携带水分子，阳极因此常处于缺水状态，需要加湿器湿润反应气体［10］。而阴极则因电化学反应生成水，需要排出多余的水，此时燃料电池水管理显得十分必要。

图3 质子交换膜燃料电池工作原理Fig.3 Working principle of PEMFC

图4 电池堆结构图Fig.4 Structure diagram of fuel cell stack

空间应用的燃料电池处于微重力环境下，有特殊的系统需求、操作条件及相关设计。尤其在流场的设计及布置上，在微重力环境中，重力影响消失，无论是流场中反应气体的浓度还是液态水的排出都发生了一些变化，燃料电池应用于空间场合之前，必须先考虑这些变化因素及其对电池性能与寿命的影响。

3.1 被动排水技术

不同于地面应用中的燃料电池，空间应用的燃料电池因微重力环境中出现的复杂气-液两相流，使气体吹扫效果不佳，此时流道进出口压差成为排水的主要驱动力。若采用主动排水技术，将增加系统功耗及复杂性，同时降低系统可靠性。被动排水技术也因此成为空间应用燃料电池的研究热点，与主动排水的不同点在于，采用该技术不需要运动部件，仅依靠毛细力和膜分离技术实现微重力环境的电池排水。

如图5 所示，在阴极流场侧布有多孔亲水膜，水和氧气混合物在通过阴极时，水便以水蒸气的形式吸附在亲水膜上，而氧气则被亲水膜阻隔，完成水与氧气的分离。水蒸气进入亲水膜的另一侧后，又在冷却剂的作用下，冷凝成液态水，并顺利排出。

图5 亲水膜被动排水原理Fig.5 Schematic of membrane-based static water separation PEMFC

尽管目前空间燃料电池系统的水管理已经实现了技术性突破，但是复杂的空间水管理仍需要更多的实验与研究。

3.2 气流方向对燃料电池的影响

燃料电池内气流方向的不同对水管理也会产生一定影响，当纯氢与纯氧联用且从相反方向通入燃料电池时，反应气体无需加湿，可通过反应生成水实现自加湿［10］。如图6 所示，氢气及氧气以相反方向通过燃料电池，阴极侧电化学反应生成的水，由氧气的高浓度端吹扫向低浓度端，且在此处聚集，聚集的水通过质子交换膜给氢气的入口处加湿，使得氢气高浓度端具有一定湿度，并进而将水滴吹扫向氢气低浓度端。此时，氢气低浓度端又通过质子交换膜给经过长时间吹扫已经干燥的氧气入口加湿，水滴便依此在系统中实现循环。反之，若使氢气、氧气从相同方向通过燃料电池且不加湿，燃料电池则表现出较差性能［11］。

图6 反向气流时水滴移动方式Fig.6 Water droplet movement mode when given reverse flow

3.3 燃料电池的布置

不同的放置方式会引起燃料电池内水的排出状况差异，对其工作性能也会产生显著影响。关于燃料电池放置形式的研究可以从竖直放置、水平放置（阳极在上）以及水平放置（阴极在上）3 个方面展开。

当燃料电池竖直放置时（如图7 所示），对于系统产生水较多的工况，不同于常规环境下重力作用使液态水堆积在流道底部无法有效排出，聚集在流道内的水和反应气体会形成气⁃液两相流动，液态水在气相惯性力的推动下可顺利排出，气体扩散层暴露在反应气体中，增强反应气体的传质，提高了燃料电池的工作性能［12］。由于大电流密度下对于气体传质的要求颇高，流道凝水的及时排除对大电流密度下燃料电池性能的提升作用比小电流密度下更为明显。研究表明，此时燃料电池的性能（同电流密度下的电压）可以提高4.6%左右［13］。

图7 竖直放置结构图Fig.7 Vertically placed structure diagram

而对于系统产生水不多的工况，水滴在被反应气体吹扫的同时，也聚集成较大的液滴。液滴的直径甚至达到了流道断面的直径，直径较大的液滴难以被反应气体吹扫出流道，依附在流道的角落上并且上下震动，阻碍了反应气体的顺利通过，燃料电池的工作性能与重力条件下相比有所下降。研究表明，此时燃料电池的性能将下降6.6%左右［13］。

当燃料电池水平放置时，存在两种情况：阳极在上及阴极在上。若阳极在上（如图8 所示），重力会使凝聚的液滴落在光滑的双极板上，液态水移动阻力小，也易于从流道中排出；若阴极在上（如图9所示），重力会使凝聚的水分子落在多孔的气体扩散层上，液滴移动阻力大，无法排出，形成水膜阻碍气体运输使电池性能下降［14］。因此，在重力工况下，阳极在上的工况燃料电池性能优于阴极在上的工况。而对于微重力环境则不存在以上差异。但是相比于微重力环境时垂直工况下的性能提升，在水平放置工况下，由于产生的水难于排出，微重力环境使燃料电池（阳极在上）的工作性能有所下降［15］。

图8 重力作用下阳极在上的液滴分布情况Fig.8 Droplet distribution when anode is upward under gravity

图9 重力作用下阴极在上的液滴分布情况Fig.9 Droplet distribution when cathode is upward under gravity

4 空间燃料电池热管理

燃料电池中电化学反应是放热过程，PEMFC实际发电效率可达40%～60%，其余能量则以热能形式释放。随着燃料电池运行时间增长，其温度也逐渐上升。而温度过高则会使电堆内水平衡无法维持，进而影响质子传导以及燃料电池的寿命。

若采用中压低温的方式储氢，对于小功率燃料电池，低温反应气流便能够带走系统废热；但对于输出功率在100 W 以上的电堆，低温反应气流不足以带走大量废热。此时需对燃料电池进行冷却，冷却的方式主要可分为液体冷却、散热板冷却以及热管冷却［16］。

其中，液体冷却主要用于大功率PEMFC 电堆，如图10 所示，通过在相邻的双极板间循环输运高比热容的液体冷却剂实现电堆的冷却，之后冷却剂又通过总热控系统实现热量的释放。该系统使用循环泵输运冷却剂，增加了辅助装置及较大数量的管道，并且对系统的可靠性及寿命也会造成一定影响。

图10 液体冷却原理Fig.10 Principle of liquid cooling

采用散热板进行冷却则是将相邻双极板间替换为散热板，散热板的边缘分别在对立两侧伸展到双极板以外，燃料电池产生的热量通过传递到冷却边缘，再与集成的外部热交换器换热，从而将废热传递到冷却系统中［17］。该方式作为一种被动散热，利用了航天器现有的热控系统，具有减小电堆质量、体积及复杂度，增强系统可靠性等优点。

热管冷却同样适用于大功率电堆，其通过气-液相变实现废热的吸收与排出，具有优良的热传递性能、很好的温度一致性以及较远的热传导距离。有研究者使用Cu 和改良Ti 制作热管，并用于未来空间上使用的大功率电堆废热管理研究［18］。

5 可再生燃料电池

可再生燃料电池（RFC）是在普通氢氧燃料电池（一般为PEMFC）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发电装置［19］。一般利用太阳能实现水的电解制取氢气及氧气，气体分离除湿后储存在储气罐中，在燃料电池工作时向其供气，产生电能与水，如图11 所示。燃料电池产生的水则又作为氢气及氧气的来源之一参与电解，实现物质和能量的循环利用。

RFC 可以分为一体式、分开式及综合式［4］：一体式的特点是水的电解和发电均由相同组件完成；分开式由完全独立的两个组件分别完成水的电解和发电；综合式则将两个组件放入同一单元内。

图11 可再生燃料电池系统框架图Fig.11 Frame diagram of RFC

目前可再生燃料电池因其能量密度高、质量小和效率高等特性，被广泛考虑用于载人飞船、国际空间站、近地轨道卫星及高空长航时无人机等航空航天领域。其能为航天器提供超过20 kW 的功率输出和20 d 或更久的持续供电能力，比传统太阳能电池-蓄电池体系拥有更优良的工作特性［20］。

可再生燃料电池具有的高比能量、高功率输出和长供电持续时间等特点，使其在空间上具有巨大潜力，现在也已成为燃料电池在空间应用的研究热点之一，后续可在其系统集成优化设计及智能化自主管理等方面进一步深入研究。

6 结束语

燃料电池的被动排水技术简化了水管理系统，较好地实现流道内的水气分离，提高了系统水管理的效率。系统产水较多时，竖直放置有利于微重力环境的排水，可以使电池的性能提高4.6%；而产水不多时，竖直放置不利于微重力下的排水，燃料电池的性能将下降6.6%左右。而当燃料电池水平放置时，若阴极在上，微重力会使水的排出更加通畅；但若阳极在上，微重力则会使水的排出更加困难。

对于燃料电池在空间的热管理，液体冷却需增加辅助装置及较大数量的管道，使系统的稳定性及寿命受到影响；散热板冷却可利用航天器现有的热控系统，提高热管理的效率；而热管冷却则具有优良的热传递能力及温度均匀性。可再生燃料电池所具有的高比能量、高功率输出、长供电持续时间等特点，使其在空间应用上具有巨大潜力。