陳宋 孫鳳煥 張明 戴孟瑜 崔波

（1 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）（2 北京航天動力研究所，北京 100076）

1 引言

燃料電池是通過電化學(xué)過程將反應(yīng)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，曾在美國的載人飛船和航天飛機，以及俄羅斯的月球軌道器和航天飛機上應(yīng)用。近年來開發(fā)出的以氫氧燃料電池為基礎(chǔ)、結(jié)合水電解技術(shù)和太陽電池的可再生燃料電池（Regenerative Fuel Cell，RFC）系統(tǒng)，能為航天器提供超過20kW 的功率輸出和20d或更久的持續(xù)供電能力，比傳統(tǒng)太陽電池-蓄電池體系擁有更優(yōu)良的工作特性，特別適合于太陽極軌探測器、大型載人空間站、月球基地等要求高輸出功率、長持續(xù)工作時間的航天器?？稍偕剂想姵叵到y(tǒng)已在國外的高空長航時無人機上進行了飛行試驗，并應(yīng)用在平流層飛艇設(shè)計方案中；國內(nèi)雖然已開始了可再生燃料電池系統(tǒng)的地面樣機驗證，但在空間應(yīng)用的全系統(tǒng)方案設(shè)計、關(guān)鍵部件的性能優(yōu)化和空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計等方面，還有很多問題要解決。

本文概括了可再生燃料電池的工作特性，調(diào)研了國內(nèi)外可再生燃料電池系統(tǒng)的研究情況，在分析空間應(yīng)用所要解決的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了一種用于空間電源的可再生燃料電池系統(tǒng)設(shè)計方案，可為我國在高功率長壽命航天器上應(yīng)用可再生燃料電池技術(shù)提供參考。

2 可再生燃料電池的工作原理和特性

可再生燃料電池是在普通氫氧燃料電池基礎(chǔ)上發(fā)展起來的產(chǎn)生、儲存和利用氫氣／氧氣的電化學(xué)裝置，是將水電解技術(shù)和氫氧燃料電池技術(shù)相結(jié)合的一種新型發(fā)電裝置，其工作原理如圖1所示。在光照期，電解器電解水（一般由太陽電池供電）制取氫氣和氧氣，分離除濕后儲存在儲罐中；在陰影期，燃料電池使用儲存的氫氣和氧氣發(fā)電，滿足載荷需求。整個反應(yīng)過程唯一的產(chǎn)物水經(jīng)收集后，又可通過電解產(chǎn)生氫氣和氧氣供燃料電池使用，實現(xiàn)物質(zhì)和能量的循環(huán)利用。

圖1 可再生燃料電池工作原理Fig.1 Working principle of RFC

可再生燃料電池的比能量約為300～600 W·h／kg，作為其核心的燃料電池的比能量達到400～1000 W·h／kg，而目前在航天器電源中使用較多的鎘鎳蓄電池和氫鎳蓄電池的比能量僅為25～40 W·h／kg，大容量鋰離子蓄電池的比能量為150～200 W·h／kg，鋰硫蓄電池的比能量為350 W·h／kg，因此，可再生燃料電池的比能量要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的化學(xué)儲能電池。此外，可再生燃料電池的持續(xù)供電時間與氫氧燃料的儲量密切相關(guān)，而水熱循環(huán)處理、功率調(diào)節(jié)與控制等必備設(shè)備的質(zhì)量變化較小，也就是說，航天器要求的輸出功率等級越大、持續(xù)供電時間越長，燃料的占比就越大，可再生燃料電池在比能量、系統(tǒng)質(zhì)量等方面的優(yōu)勢就越大。

綜合上述技術(shù)特點，可再生燃料電池特別適合于有高功率輸出、長持續(xù)供電時間需求的航天器。

3 國內(nèi)外研究情況

3.1 國外可再生燃料電池系統(tǒng)研究

可再生燃料電池系統(tǒng)已被歐美國家列為今后空間能源技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，組成可再生燃料電池系統(tǒng)的燃料電池、電解水制氧、廢水回收利用等子系統(tǒng)已在載人飛船、“國際空間站”上應(yīng)用。目前，完整的可再生燃料電池系統(tǒng)尚未在空間應(yīng)用，但在美國“太陽神”高空長航時無人機上已進行了多次飛行試驗，并被多國的平流層飛艇選為主要電源系統(tǒng)。

3.1.1 燃料電池的空間應(yīng)用

燃料電池是可再生燃料電池系統(tǒng)的核心部件，在20世紀(jì)60年代，堿性燃料電池（AFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）就作為航天器的主電源，在美國的“雙子星座”載人飛船、“阿波羅”登月飛船和航天飛機［1-3］，以及俄羅斯的月球軌道器和暴風(fēng)雪號航天飛機上得到了應(yīng)用。表1列出了應(yīng)用于美國航天器上的燃料電池主要性能指標(biāo)。

為了滿足新一代航天器的發(fā)展需求，美國國家航空航天局（NASA）專門制定了針對可重復(fù)使用運載器和火星登陸器、空間站等航天器使用的10～20kW可再生燃料電池發(fā)展計劃，改進了質(zhì)子交換膜燃料電池，通過親水膜的毛細(xì)作用實現(xiàn)對生成物的氣／水分離，完全省去了循環(huán)使用所需的管路。這種革命性的設(shè)計極大地提高了整個燃料電池系統(tǒng)的比能量、可靠性、反應(yīng)效率和使用壽命，并降低了自耗和使用費用［3-4］。3kW 新型質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)和1kW傳統(tǒng)系統(tǒng)的對比如圖2所示［3］。

美國已先后研制出利用可再生燃料電池發(fā)電的電解水制氧系統(tǒng)、廢水回收利用系統(tǒng)及二氧化碳回收處理系統(tǒng)，并分步投入空間站測試使用，實現(xiàn)了空間站水及二氧化碳的處理率超過85%［3］。上述關(guān)鍵技術(shù)的突破，將對“國際空間站”延壽至2020年發(fā)揮重要作用。

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

圖2 新型和傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的對比Fig.2 Comparison between new and traditional PEMFC

3.1.2 “太陽神”高空長航時無人機

作為NASA“環(huán)境研究飛行器與傳感器技術(shù)”（ERAST）計劃的一部分，AeroVironment公司為NASA 設(shè)計、制造了使用太陽電池-可再生燃料電池的“太陽神”（Helios）高空長航時無人機，并在1998-2005年進行了飛行試驗，以驗證可再生燃料電池系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。

“太陽神”無人機在75.3m 長的機翼上共鋪設(shè)62 120片轉(zhuǎn)換效率為19%的太陽電池片，可輸出功率為35kW；在機身中部的設(shè)備艙中安裝了輸出功率為18.5kW 的氫氣／空氣可再生燃料電池，2個總質(zhì)量150kg的氣瓶（儲氫比9.1%）用于供應(yīng)氫氣，由渦輪增壓器供應(yīng)空氣，可再生燃料電池總質(zhì)量為386kg。太陽電池-可再生燃料電池電源系統(tǒng)可以保證“太陽神”無人機7～14d的連續(xù)飛行，整個系統(tǒng)的比能量為350～400 W·h／kg，能量轉(zhuǎn)換效率約為52%［5-6］。

3.1.3 平流層飛艇

平流層飛艇的飛行高度一般在19.8～40.0km，具備留空時間長、工作環(huán)境影響小、飛行高度高的特點，美國、俄羅斯、德國、以色列等國家均已開展了對平流層飛艇的研制。動力系統(tǒng)是平流層飛艇的重要組成部分，經(jīng)過多年的研究和試驗，各國均把可再生燃料電池系統(tǒng)作為研究的重點。以美國2005年論證的東西海岸監(jiān)視用高空飛艇（HAA）設(shè)計為例，其電源系統(tǒng)由柔性太陽電池陣、水電解器、氫氣／氧氣和水分離器、氫氣／氧氣儲罐、水儲存裝置、燃料電池堆、氫氣／氧氣吸入和壓力控制器、電機驅(qū)動裝置、水熱循環(huán)管理器組成。動力系統(tǒng)配置如圖3所示［7］，主要性能指標(biāo)如表2所示［8］。

圖3 高空飛艇動力系統(tǒng)配置Fig.3 Power／propulsion system configuration of HAA

表2 高空飛艇電源系統(tǒng)主要性能指標(biāo)Table 2 Characteristics of HAA electrical power system

3.2 國內(nèi)可再生燃料電池系統(tǒng)研究

國內(nèi)多家科研單位在可再生燃料電池領(lǐng)域進行了研究。大連化學(xué)物理研究所于1997年承擔(dān)了有關(guān)再生氫氧燃料電池系統(tǒng)研究的863項目，成功開發(fā)了百瓦級再生氫氧燃料電池原型系統(tǒng)，并于2000年8月通過項目驗收［9］。北京航天動力研究所于2008年研制了12kW 氫氧儲能系統(tǒng)地面樣機；2011年又研制成功了臨近空間用20kW 可再生燃料電池儲能系統(tǒng)地面樣機，全系統(tǒng)比能量為293 W·h／kg，能量轉(zhuǎn)換效率為32%，如圖4所示。按照國內(nèi)的技術(shù)發(fā)展速度，預(yù)計很快可以實現(xiàn)400 W·h／kg的全系統(tǒng)比能量和50%的能量轉(zhuǎn)換效率，達到美國“太陽神”無人機的技術(shù)水平。

圖4 20kW 可再生燃料電池系統(tǒng)樣機Fig.4 RFC system prototype of output power 20kW

4 空間應(yīng)用分析

根據(jù)國外可再生燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計驗證和國內(nèi)的研究經(jīng)驗，本節(jié)對可再生燃料電池系統(tǒng)的組成、工作流程、關(guān)鍵設(shè)計進行分析，并以此為基礎(chǔ)提出初步的系統(tǒng)設(shè)計方案。

4.1 系統(tǒng)組成和工作流程

用于空間電源的可再生燃料電池系統(tǒng)主要由6部分組成：①太陽電池陣子系統(tǒng)，為航天器負(fù)載和水電解器提供電能；②水電解子系統(tǒng)，將燃料電池生成的水利用外部電能重新電解成氫氣和氧氣，效率一般大于90%；③氫氧燃料電池子系統(tǒng)，將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能；④反應(yīng)物儲存子系統(tǒng)，用于儲存高壓氫氣、氧氣和水；⑤環(huán)境控制子系統(tǒng)，用于控制整個系統(tǒng)的工作溫度；⑥功率調(diào)節(jié)和控制子系統(tǒng)，對太陽電池陣的輸出功率、水電解過程、燃料電池發(fā)電過程、系統(tǒng)對外功率輸出進行綜合控制。

整個可再生燃料電池系統(tǒng)的運行，圍繞水電解能量儲存和燃料電池發(fā)電能量輸出兩個過程循環(huán)展開。

1）水電解能量儲存過程

在光照期，太陽電池陣始終工作在最大功率點，輸出功率大于負(fù)載需求，富余能量通過功率控制器輸送給電解器。電解器工作時，持續(xù)消耗去離子水，產(chǎn)生的氫氣／氧氣經(jīng)后處理儲存至氫氧儲罐，電解過程中產(chǎn)生的廢熱通過換熱器交換至外回路，最終由散熱器散至空間環(huán)境，水的消耗通過補水泵定時補充；隨著電解的進行，氫氧儲罐中的壓力持續(xù)上升，直至到達額定設(shè)計值。

2）燃料電池發(fā)電能量輸出過程

在陰影期，高壓氫氣／氧氣從氫氧儲罐輸出，經(jīng)壓力控制和加溫加濕后進入燃料電池，輸出的電能經(jīng)功率控制器輸送至負(fù)載母線。燃料電池發(fā)電過程中產(chǎn)生的廢熱通過換熱器交換至外回路，同樣經(jīng)由散熱器散至空間環(huán)境。燃料電池的循環(huán)氣體將內(nèi)部生成的水源源不斷地帶出，經(jīng)分離后排入低壓水箱。隨著發(fā)電的進行，氫氧儲罐中的壓力持續(xù)降低，直至達到額定設(shè)計值。

4.2 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計分析

4.2.1 系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計

用于空間電源的可再生燃料電池系統(tǒng)受運載能力、航天器結(jié)構(gòu)、空間環(huán)境的限制，須在地面可再生燃料電池的基礎(chǔ)上結(jié)合航天器總體需求開展系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計。從電源拓?fù)涞慕嵌?，可以采用半調(diào)節(jié)或全調(diào)節(jié)拓?fù)洌粡哪妇€電壓的角度，可以選擇100V或42V 母線；從太陽電池陣設(shè)計的角度，可以選擇三結(jié)砷化鎵電池片組成的半剛性太陽翼或銅銦鎵硒薄膜電池片組成的柔性太陽翼；從能量傳輸?shù)慕嵌?，可以采用直接能量傳輸或峰值功率跟蹤（MPPT）設(shè)計；從功率變換的角度，可以對太陽電池陣采用降壓變換輸出至電解器，對燃料電池采用升壓變換輸出至母線。對于可再生燃料電池本身，須圍繞比能量、輸出效率、環(huán)境適應(yīng)性和工作可靠性，對氫氣／氧氣的儲量和流量、電解器的工作壓強／溫度、燃料電池單體的串聯(lián)數(shù)、燃料電池的工作壓強／溫度等系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，進行優(yōu)化匹配。

4.2.2 電解器和燃料電池的高性能設(shè)計

電解器和燃料電池是可再生燃料電池系統(tǒng)的核心，其性能直接影響整個系統(tǒng)的輸出功率、轉(zhuǎn)換效率和比能量。目前，國內(nèi)質(zhì)子交換膜電解器的功率可以達到15～34kW，比功率為600～800W／kg，工作電壓為1.7～1.9V；氫氧燃料電池模塊的功率可以達到15～28kW，比功率為800～900W／kg，單體輸出電壓約為0.7V。除提高單體模塊的性能，還要采用質(zhì)子交換膜兩側(cè)介質(zhì)壓差的穩(wěn)態(tài)／瞬態(tài)精確控制設(shè)計、密封／絕緣一體化高壓密封設(shè)計、多單體系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計等系統(tǒng)級設(shè)計，提高系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。

4.2.3 電解器和燃料電池的安全性設(shè)計

電解器工作時的溫度超過75℃，壓力為5MPa；在非工作時段，其溫度降至常溫，壓力降至0.3 MPa。因此，電解器處于溫度和壓力交變的過程中，而電解器密封方式為接觸密封，這一特點決定了它的密封性受溫度、壓力影響較大。燃料電池和電解器結(jié)構(gòu)類似，同樣面臨密封問題。針對這此問題，借鑒國外的設(shè)計經(jīng)驗，可以采用電解器、燃料電池外加承壓容器、充入保護氣體平衡內(nèi)外壓差的方法，提高電解器和燃料電池的安全性；還可以采用彈性墊片調(diào)節(jié)溫度變化帶來的熱脹冷縮，以維持壓力恒定。

4.2.4 功率控制器的集成化設(shè)計

功率控制器是整個系統(tǒng)的控制核心，須具備對水電解和燃料電池發(fā)電過程的精確控制，對系統(tǒng)內(nèi)水氣壓力和溫度的保持，對太陽電池陣輸出功率的調(diào)節(jié)，對燃料電池輸出功率的升／降壓變換，對母線大功率輸出的控制，以及通過通信總線進行數(shù)據(jù)交互。功率控制器采用綜合電子架構(gòu)的一體化、模塊化、小型化設(shè)計，以提高控制器的集成度，并適應(yīng)不同功率輸出等級；同時，為了提高系統(tǒng)的可靠性，還要具備自主管理功能，監(jiān)測電解器和燃料電池組各單體的電壓、電流、壓力、溫度、氣體流量，并對故障單體及時處理。

4.2.5 氫氣／氧氣的后處理設(shè)計

水介質(zhì)是可再生燃料電池系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換媒介，水在運行過程中能否實現(xiàn)平衡是整個系統(tǒng)長壽命設(shè)計的關(guān)鍵之一。國內(nèi)電解器多采用陽極供水，而燃料電池長期穩(wěn)定工作需要氫氣／氧氣過量循環(huán)供應(yīng)并對外脈沖排放，因此，減少水損失率的重點是有效控制電解氫氣／氧氣中的含水量和燃料電池發(fā)電過程中水的損失率，對電解／發(fā)電循環(huán)過程中氫氣／氧氣的水進行分離與回收。

針對上述過程，空間用可再生燃料電池系統(tǒng)可以采用冷凝干燥水分離設(shè)計。一般電解出的氫氣／氧氣排出時的溫度約為75 ℃，-30 ℃下的飽和蒸氣壓為38Pa，約是75 ℃下的1／1000，利用空間低溫環(huán)境對氫氣／氧氣進行循環(huán)冷卻，將其溫度降到較低水平，即可有效回收水介質(zhì)。在發(fā)電循環(huán)時，預(yù)加溫過的氫氣／氧氣反向流過冷凍干燥器，將內(nèi)部結(jié)冰冷凝水蒸發(fā)后帶入燃料電池。

4.2.6 氫氣／氧氣的空間儲存設(shè)計

可再生燃料電池系統(tǒng)持續(xù)工作時間主要取決于所攜帶氫氣／氧氣的儲存量。地面的燃料電池系統(tǒng)對氫氣主要采用高壓氣態(tài)、氫氣液態(tài)和金屬氫化物方式儲存。高壓氣態(tài)儲存應(yīng)用簡單、廣泛，但儲罐質(zhì)量很大；液態(tài)儲存離不開氣體液化系統(tǒng)，運動部件多，能量消耗大，安全性差；金屬氫化物儲存具有較高的密度，使用也較安全，但還處于前期發(fā)展階段。

綜合考慮，在空間用可再生燃料電池系統(tǒng)中，氫氣／氧氣采用中壓氣態(tài)低溫儲存，以減小對氣閥和管路的壓力，提高可靠性；將儲罐置于空間環(huán)境中，不采用主動控溫技術(shù)，只通過控溫材料的包覆來維持儲罐的低溫狀態(tài)；儲罐采用鋁質(zhì)內(nèi)襯、碳纖維纏繞等輕量化設(shè)計，提高儲氫質(zhì)量比。

4.3 系統(tǒng)方案初步設(shè)計

綜合上述分析，可再生燃料電池系統(tǒng)由太陽電池陣子系統(tǒng)、水電解子系統(tǒng)、燃料電池子系統(tǒng)、氫氧儲存子系統(tǒng)、環(huán)境控制子系統(tǒng)和功率控制子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)配置如圖5所示。

（1）整個系統(tǒng)對航天器提供100V 半調(diào)節(jié)母線，采用銅銦鎵硒薄膜電池片組成柔性太陽翼，在保證太陽電池陣輸出功率的同時盡可能減小系統(tǒng)質(zhì)量。

（2）對太陽電池陣采用峰值功率跟蹤控制，使太陽電池陣始終工作在最大功率點上，提高其使用效率。太陽電池陣在光照期優(yōu)先滿足負(fù)載功率的需求，通過升壓變換器輸出穩(wěn)定負(fù)載母線電壓，剩余功率用于水電解工況。

（3）水電解子系統(tǒng)由高壓循環(huán)泵、離子凈化器、電解氫氣／氧氣后處理單元、內(nèi)外循環(huán)換熱器、高壓補水泵、高壓水箱及高壓質(zhì)子交換膜水電解器等組成，以保證水電解工況的安全、高效運行。在水電解過程中，要對電解消耗用水的供應(yīng)、氫氣／氧氣壓差進行精確控制，保持溫度穩(wěn)定，并對電解所產(chǎn)生的氫氣／氧氣進行后處理。

（4）燃料電池子系統(tǒng)由常壓循環(huán)泵、發(fā)電氫氧處理器、氫氧回收循環(huán)泵、氫氧水分離器、內(nèi)外循環(huán)換熱器、低壓水箱及燃料電池組等組成，以保證燃料電池功率輸出工況的安全、高效運行。在燃料電池發(fā)電全過程中，要對氫氣／氧氣壓差進行精確控制，維持燃料電池單體和電池組工作在額定工作點，保證燃料電池進口氫氣／氧氣的加溫加濕，并對燃料電池排出的氫氣／氧氣和水進行回收。

（5）氫氧儲存子系統(tǒng)由氫氧儲罐組件及電磁閥等組成，提供電解后氫氣／氧氣的輕質(zhì)化安全儲存。對氫氣／氧氣采用5 MPa中壓氣態(tài)儲存，且出于減小質(zhì)量考慮，不采取主動控溫設(shè)計，將儲罐直接置于低溫環(huán)境中。對儲罐和燃料電池的接口采用模塊化設(shè)計，以便更換儲罐和對儲存量進行擴容。儲存前要對電解產(chǎn)生的氫氣／氧氣進行除濕干燥處理，避免結(jié)冰堵塞管路。

（6）環(huán)境控制子系統(tǒng)由乙二醇泵、流量控制器、空間換熱器和乙二醇儲箱等組成，主要負(fù)責(zé)控制并保持整個系統(tǒng)內(nèi)的工作環(huán)境，包括利用水電解和燃料電池發(fā)電所產(chǎn)生的熱量進行各子系統(tǒng)設(shè)備的保溫防凍、氫氣／氧氣發(fā)電前的預(yù)加溫，為電解氫氣／氧氣的除水提供獨立冷源，以及為數(shù)據(jù)處理、功率控制模塊的溫控提供冷（熱）源。

（7）功率控制子系統(tǒng)由綜合數(shù)據(jù)處理模塊、伺服電機驅(qū)動模塊、置于結(jié)構(gòu)組件中的溫度／壓力傳感器、總線通信模塊、峰值功率跟蹤模塊及DC／DC 變換模塊等組成。功率控制子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對水電解和燃料電池的發(fā)電過程進行控制，須具備對燃料電池及電解器單體進行巡檢的功能；變換太陽電池陣和燃料電池的輸入功率以維持母線電壓的穩(wěn)定；通過數(shù)據(jù)通信總線實現(xiàn)內(nèi)部各子系統(tǒng)間，以及與航天器綜合控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換。

圖5 空間用可再生燃料電池系統(tǒng)初步設(shè)計方案Fig.5 Primary design of RFC system applied in space

5 結(jié)束語

目前，可再生燃料電池系統(tǒng)由于發(fā)展時間短、技術(shù)復(fù)雜，尚未獲得空間應(yīng)用。它具有的高比能量、高功率輸出、長供電持續(xù)時間等特點，在月球基地、載人空間站、平流層飛艇上具備顯著的優(yōu)勢。本文在總結(jié)國內(nèi)外可再生燃料電池系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，對空間應(yīng)用所要考慮的關(guān)鍵設(shè)計進行了分析，并對系統(tǒng)設(shè)計方案進行了初步探討。后續(xù)要進一步明確空間應(yīng)用條件，在系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計、智能化自主管理、空間環(huán)境綜合適應(yīng)性等方面開展深入研究，為我國未來新型航天器的電源系統(tǒng)設(shè)計提供技術(shù)儲備和參考。

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