劉 向，張 偉，孫 毅，張新榮，王 濤

(上?？臻g電源研究所，上海 200245)

0 引言

目前，美國航天局(NASA)、歐空局、日本等都制定了針對未來空間探測任務(wù)的空間燃料電池開發(fā)計劃。我國未來載人航天及空間探測計劃也在有序開展，未來還將涵蓋登月、探火等空間任務(wù)，因此對新型空間電能源技術(shù)提出了更高的迫切需求。

燃料電池的核心概念是一種“電化學(xué)池”，可直接將燃料和氧化劑中所蘊含的化學(xué)能以電化學(xué)方式轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化器件，如果使用純氫、純氧為反應(yīng)物，反應(yīng)產(chǎn)物只有水及熱能[1]。因此，氫-氧燃料電池在空間工程中具有很好的應(yīng)用前景，可以與航天器、登陸器、巡視器及艙外活動裝備中的電力系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)、推進劑系統(tǒng)，以及原位資源利用系統(tǒng)等有效兼容，對于降低發(fā)射、飛行和探測成本具有重要意義。

燃料電池技術(shù)在載人航天歷史上是一項非常重要的空間電能源技術(shù)，空間燃料電池從用途上可分為一次氫氧燃料電池技術(shù)和再生氫氧燃料電池技術(shù)兩大類，從電池體系上可分為堿性燃料電池(AFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)[2]。下面主要介紹空間用的燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，以及面向空間應(yīng)用的主要問題及其解決途徑。

1 空間燃料電池技術(shù)的發(fā)展

20世紀60年代，在載人航天技術(shù)帶動下燃料電池技術(shù)得以蓬勃發(fā)展和應(yīng)用。氫氧堿性燃料電池作為主電源成功應(yīng)用于阿波羅(Apollo)登月飛船上，為人類首次登月做出了貢獻。隨后，堿性石棉膜燃料電池作為主電源還在美國太空實驗室(Skylab)、Apollo-CSM、航天飛機(Shuttle)及俄羅斯的月球軌道器等其他空間飛行器上得以成功應(yīng)用。1962～1965年間，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)多次在雙子星座(Gemini)載人飛船飛行任務(wù)中進行應(yīng)用，累計飛行時間超過了5000小時。此后，NASA還進行了350 W PEMFC生物飛船搭載試驗飛行。至今美國航天飛機上仍然使用堿性石棉膜燃料電池作為主電源使用。

前蘇聯(lián)曾經(jīng)為載人飛船開發(fā)了“Photon”堿性燃料電池電源型號產(chǎn)品，但進行了一次(也是最后一次)無人飛行試驗。歐空局(ESA)曾制定非常龐大的堿性燃料電池研究計劃，但隨著其“Hermes”航天飛機計劃與NASA競爭的失利，于1993年被終止。我國早在20世紀70年代也進行過以航天應(yīng)用為背景的堿性燃料電池技術(shù)開發(fā)，但最終并未得到應(yīng)用[3]。

由于AFC技術(shù)的應(yīng)用大多局限在空間領(lǐng)域，其技術(shù)發(fā)展也受到了嚴重制約，例如:壽命較短(＜5000 h)、重量比功率低(＜49 W/kg)、體積大、反應(yīng)介質(zhì)僅限高純氫氧氣、維護困難等。隨著20世紀材料技術(shù)的進步和民用燃料電池技術(shù)開發(fā)的熱潮，質(zhì)子交換膜、催化劑、雙極板等單項技術(shù)都取得了長足進步。從2001年開始，美國NASA制定了第一個五年計劃大力發(fā)展PEMFC技術(shù)，分兩個階段進行。第1階段發(fā)展目標是1～5 kW電源系統(tǒng)，由ElectroChem公司和Teledyne Energy Systems公司分頭承擔。第2階段的發(fā)展目標是10 kW級別的PEMFC系統(tǒng)工程樣機，由Teledyne公司單獨研制。項目完成后，Teledyne公司將工程樣機交付NASA格林研究中心，供NASA進行各種可靠性和環(huán)境耐受性等性能測試。測試結(jié)果表明:Teledyne研制的PEMFC系統(tǒng)性能指標接近了目前航天飛機上使用的堿性燃料電池，壽命超過10000小時，但是重量超出25%。與現(xiàn)有航天應(yīng)用的AFC技術(shù)相比，由于使用了主動式機械零部件(泵和分離器)導(dǎo)致了PEMFC系統(tǒng)的復(fù)雜化、重量增加，可靠性降低，因此提高系統(tǒng)可靠性已成為現(xiàn)有燃料電池技術(shù)要解決的主要問題。在NASA格林研究中心測試的PEM燃料電池系統(tǒng)，如圖1、圖2 所示[4]。

圖2 NASA空間燃料電池工程樣機(第二階段)

從2005年開始，美國NASA支持新一代的空間PEM燃料電池技術(shù)的開發(fā)，以克服上一階段研究中所暴露出的不足。2009年，首臺3 kW燃料電池樣機已經(jīng)研制成功，如圖3(a)所示。該樣機的最大技術(shù)特點在于采用了具有“非流過式”靜態(tài)排水和“被動式”散熱的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計，進而消除了電池堆對主動式輔助系統(tǒng)的依賴，不但降低了寄生能耗，而且簡化系統(tǒng)、提高可靠性。圖3(b)是在實現(xiàn)相同功能的前提下，新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)實物對比。

在2010年11月NASA公布的空間能源草案上明確提出了“被動式”燃料電池的開發(fā)和應(yīng)用計劃。有研究表明，以美國航天飛機使用的燃料電池系統(tǒng)為參考(功率12 kW、重量122 kg)，當工作時間超過2～3 h以上時，氫氧燃料電池與鋰離子蓄電池相比優(yōu)勢開始顯現(xiàn);當工作時間超過3～5 h以上時，氫氧燃料電池比能量可達400 Wh/kg;如使用高壓方式儲存氫氣和氧氣，燃料電池的體積遠大于鋰離子電池;但如果使用液氫液氧方式存儲，工作時間超過3 h以上的燃料電池系統(tǒng)體積比能量可超過150 Wh/L，工作時間超過5 h以上的氫氧燃料電池系統(tǒng)體積比能量就會與鋰離子蓄電池相當。所以燃料電池的重量比能量、體積比能量與氫氧存儲方式和存儲量密切相關(guān)，低溫液態(tài)儲存方式是氫氧燃料電池在空間應(yīng)用的最佳方案，這部分重量、體積還可與推進劑系統(tǒng)進行共用。例如:在美國NASA已中止的“星座”計劃中設(shè)計的登月飛船，其下降段使用燃料電池作為主電源(4.5 kW@28 V，1備1)，攜帶液氫液氧量供燃料電池195 h連續(xù)操作使用(包括:登陸艙3h分離下降、7天月球表面運行、1天冗余)，系統(tǒng)總重量約為600 kg，比能量約1.5 kW/kg，這是其他電源無法比擬的。另外，燃料電池生成的水可供宇航員生活飲用和環(huán)境濕度控制，這也是燃料電池在空間應(yīng)用的獨特優(yōu)勢。而在上升返回段，預(yù)計飛行時間約3 h，燃料電池方案比鋰蓄電池方案輕26%，但體積超出20%，這需要根據(jù)飛行器的總體設(shè)計進行琢情選用[4～6]。

根據(jù)國內(nèi)外空間燃料電池技術(shù)的發(fā)展趨勢分析，空間燃料電池具有以下特點:

(1)從體系選擇上，PEM燃料電池技術(shù)逐漸取代堿性燃料電池;

(2)從系統(tǒng)集成上，簡化電池堆和系統(tǒng)，降低寄生能耗。

3 空間燃料電池關(guān)鍵技術(shù)及其解決途徑

與地面應(yīng)用不同，燃料電池空間應(yīng)用必須解決的問題包括:(1)簡化系統(tǒng)、提高可靠性;(2)在多種重力環(huán)境(零重力～幾倍地球重力)使用要求下，解決電池堆水管理難題[7]。目前，正在發(fā)展的被動式燃料電池技術(shù)對解決上述問題、滿足空間環(huán)境使用要求具有很大潛力。

空間被動式燃料電池要解決的兩個關(guān)鍵技術(shù)[8]。

(1)電池堆靜態(tài)排水技術(shù)

電池結(jié)構(gòu)設(shè)計中加入高效氣-水分離膜，基于毛細力和膜分離技術(shù)解決微重力條件下電池排水和反應(yīng)氣體增濕、氣水分離難題。

(2)電池堆傳導(dǎo)散熱技術(shù)

與航天器的熱控系統(tǒng)兼容，在電池堆雙極板結(jié)構(gòu)設(shè)計中加入高效傳導(dǎo)散熱板結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱能力需要在保證電池活性反應(yīng)區(qū)最大溫差≤10℃的前提下可將電極反應(yīng)生成熱傳導(dǎo)到電池外進行散出，擺脫對循環(huán)液冷散熱的依賴。常規(guī)主動式PEM燃料電池結(jié)構(gòu)由陽極板、膜電極組件(MEA)、陰極板、冷卻劑板組成，如圖4(a)所示。陰極板上設(shè)計有溝槽式流道，用來實現(xiàn)反應(yīng)介質(zhì)在陰極表面的均勻分配，同時燃料電池陰極表面生成的水通過氧氣的循環(huán)流動使其沿流道排出電池，這樣介質(zhì)循環(huán)流動需要外部輔助設(shè)備來維持一定的流速，同時還需要氣水分離設(shè)備來從兩相流中對水進行分離回收。該電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計必然導(dǎo)致輔助系統(tǒng)復(fù)雜，使燃料電池系統(tǒng)重量和體積增加，機械式運動部件的使用也導(dǎo)致寄生能耗增加，可靠性、壽命降低。

圖4 PEM燃料電池結(jié)構(gòu)

針對主動式PEM燃料電池技術(shù)的不足，提出一種被動排水PEM燃料電池技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示。與主動式電池結(jié)構(gòu)不同的是，陰極板和冷卻板之間增加了一個親水膜組件和一個排水板，陰極板由溝槽式結(jié)構(gòu)改為多孔結(jié)構(gòu)，依靠材料的親水特性和表面張力的作用使陰極表面的水遷移至親水膜表面，在膜兩側(cè)壓差的作用下水被排至排水板內(nèi)，然后從排水板內(nèi)流出電池。該結(jié)構(gòu)設(shè)計無需借助氧氣循環(huán)流動來排水，從而具有減少輔助部件，降低系統(tǒng)重量、體積、寄生能耗，提高系統(tǒng)可靠性和壽命的優(yōu)勢。根據(jù)材料性質(zhì)和孔的特性，利用表面張力作用而不依賴重力作用實現(xiàn)被動水傳輸，可解決空間微重力環(huán)境下的有效水管理問題。

空間氫氧燃料電池工作特性如圖5所示，根據(jù)工作特性可以進一步計算出電池內(nèi)部向外排水通量和排熱通量，如圖6所示。從圖5、圖6可以看到，如果為了獲得較高效率，氫氧燃料電池設(shè)計工作點的工作電流密度一般＜400 mA·cm－2，那么每個單電池電極單位面積上的熱通量約為0.3 W·cm－2，陰極側(cè)水生成水速率約≈2 ×10－5g·cm－2·s－1。

圖5 氫氧燃料電池工作特性

圖6 氫氧燃料電池排熱和排水通量

為實現(xiàn)氫氧燃料電池的被動水、熱管理，需設(shè)計兩種功能組件。

(1)空間PEM燃料電池雙極板靜態(tài)排水結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙極板靜態(tài)排水結(jié)構(gòu)在電池中主要起到在電池全工況范圍內(nèi)滿足排水要求(水通量≥2×10－5g·cm－2·s－1)，即達到與帶氣體循環(huán)泵系統(tǒng)相同的排水效果。氣-水分離膜一般采用均相膜、復(fù)合膜或微孔膜，水在膜中的宏觀擴散速度Dchem是水的活度a、水的濃度C、水的自擴散系數(shù)Ds的函數(shù)[9]

水的擴散系數(shù)不但與膜的種類、厚度、溫度、滲透壓等因素有關(guān)，甚至與雙極板具體尺寸參數(shù)有關(guān)。根據(jù)電池堆工作特性和水通量，選擇水擴散系數(shù)高、阻氣性能好的膜材料，尚需進一步通過實驗確定所選膜的水通量與膜含水量、溫度及壓力(水蒸氣分壓和氧氣分壓)、結(jié)構(gòu)之間的函數(shù)關(guān)系，建立精確水滲透模型。

(2)空間PEM燃料電池雙極板傳導(dǎo)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

面向空間應(yīng)用的燃料電池工作時電極上的熱通量一般≤0.3 W/cm2(電壓≥0.8 V、電流≤0.4 A/cm2)，目前正在研究開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)中循環(huán)液冷系統(tǒng)的重量比散熱效率一般為400～600 W/kg。雙極板的傳導(dǎo)散熱結(jié)構(gòu)主要是替代目前使用的循環(huán)液冷系統(tǒng)，如圖7所示。研究中雙極板傳導(dǎo)散熱效率設(shè)計目標為≥1000 W/kg，接近現(xiàn)有循環(huán)散熱系統(tǒng)的2倍。

雙極板傳導(dǎo)散熱模型如圖8所示[10]，傳導(dǎo)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計中最為關(guān)鍵的兩個物性參數(shù)是ΔT和重量M。ΔT是雙極板(覆蓋電極活性反應(yīng)區(qū)域)所允許的最大溫差，一般PEMFC為≤5℃;重量M可等效為散熱板外形尺寸(長度L×寬度w×厚度t)與密度ρ的乘積。需要推導(dǎo)電池發(fā)熱量Q、溫差ΔT與外形尺寸(長度L×寬度w×厚度t)、重量M(或密度ρ)、熱導(dǎo)率k之間函數(shù)關(guān)系，建立數(shù)值模型，為雙極板散熱組件構(gòu)設(shè)計和材料選擇提供理論指導(dǎo)。假設(shè):散熱結(jié)構(gòu)等效為均質(zhì)平板，其Q/M≥1000 W/kg、qp=0.3 W/cm2、長度L方向底邊為熱傳導(dǎo)方向。

圖7 具有不同熱管理方式的燃料電池系統(tǒng)

圖8 燃料電池傳導(dǎo)散熱結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)圖8所示模型可以進一步計算出雙極板外形尺寸設(shè)計與密度、熱導(dǎo)率之間的關(guān)系，分別如圖9、圖10所示。

目前，熱導(dǎo)系數(shù) 2000 W·m－1·K－1是已知材料的極限熱傳能力，其中:合成鉆石材料(密度～3.5 g·cm－3)熱導(dǎo)系數(shù) 1100 ～1800 W·m－1·K－1;熱解石墨材料(HOPG，密度 ～2.3 g·cm－3)可達1500～1700 W·m－1·K－1;天然石墨材料可達～500 W·m－1·K－1;紫銅(密度 8.9 g·cm－3)可達 ～380 W·m－1·K－1;鋁(密度 ～2.7 g·cm－3)可達220 W·m－1·K－1。

從圖9中可看到，雙極板設(shè)計散熱通量0.3 W·cm－2、最大溫差 ＜5℃，雙極板厚度越厚熱傳導(dǎo)距離越長，即雙極板尺寸可以設(shè)計越大;隨著熱導(dǎo)率的增加，雙極板尺寸越大。但是如果雙極板選用普通材料，最大可設(shè)計尺寸不應(yīng)超過10 cm;當熱導(dǎo)系數(shù)＞15000 W·m－1·K－1時，最大設(shè)計尺寸可超過30 cm，即可覆蓋各種功率需求。

從圖10中可看到，如果雙極板設(shè)計散熱能力1000 W·kg－1、最大溫差＜5℃，所選材料密度越低熱傳導(dǎo)距離越長，即雙極板尺寸可以設(shè)計越大。但是如果雙極板選用普通材料，最大可設(shè)計尺寸也不應(yīng)超過10 cm。所以，為了滿足高功率電池堆設(shè)計要求，雙極板材料必須選用密度小、熱導(dǎo)率高的導(dǎo)熱材料。目前，隨著電子產(chǎn)品散熱技術(shù)的發(fā)展，熱管技術(shù)已達50000 W·m－1·K－1，如果將平板式熱管引入到雙極板結(jié)構(gòu)中就可以解決散熱難題，而且還可以與航天器散熱系統(tǒng)進行有效兼容。

4 結(jié)語

在載人航天、登月及深空探測及未來空間站、月球基地或其他星球基地的建設(shè)(包括往返的運輸系統(tǒng))等空間任務(wù)中需要先進的能源技術(shù)，燃料電池技術(shù)是新型空間能源技術(shù)之一。從早期得到成功應(yīng)用的堿性燃料電池到目前正被廣泛研究的質(zhì)子交換膜燃料電池，空間燃料電池技術(shù)正朝類型的升級，變主動為被動，系統(tǒng)構(gòu)成由復(fù)雜到簡單的趨勢發(fā)展。集成有被動排水組件和排熱組件的全被動式燃料電池堆，具有重量、體積小，系統(tǒng)簡單，可靠性高等優(yōu)點，將成為空間燃料電池重點的發(fā)展方向。隨著空間燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，必將在未來空間探索任務(wù)中發(fā)揮重要的作用。

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