可再生燃料電池系統在空間電源中的應用研究

陳宋 孫鳳煥 張明 戴孟瑜 崔波

（1 北京空間飛行器總體設計部，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過程將反應物中的化學能直接轉化為電能的裝置，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用。近年來開發出的以氫氧燃料電池為基礎、結合水電解技術和太陽電池的可再生燃料電池（Regenerative Fuel Cell，RFC）系統，能為航天器提供超過20kW 的功率輸出和20d或更久的持續供電能力，比傳統太陽電池-蓄電池體系擁有更優良的工作特性，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、長持續工作時間的航天器。可再生燃料電池系統已在國外的高空長航時無人機上進行了飛行試驗，并應用在平流層飛艇設計方案中；國內雖然已開始了可再生燃料電池系統的地面樣機驗證，但在空間應用的全系統方案設計、關鍵部件的性能優化和空間環境適應性設計等方面，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，調研了國內外可再生燃料電池系統的研究情況，在分析空間應用所要解決的關鍵技術基礎上，提出了一種用于空間電源的可再生燃料電池系統設計方案，可為我國在高功率長壽命航天器上應用可再生燃料電池技術提供參考。

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上發展起來的產生、儲存和利用氫氣／氧氣的電化學裝置，是將水電解技術和氫氧燃料電池技術相結合的一種新型發電裝置，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電，滿足載荷需求。整個反應過程唯一的產物水經收集后，又可通過電解產生氫氣和氧氣供燃料電池使用，實現物質和能量的循環利用。

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高于傳統的化學儲能電池。此外，可再生燃料電池的持續供電時間與氫氧燃料的儲量密切相關，而水熱循環處理、功率調節與控制等必備設備的質量變化較小，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、系統質量等方面的優勢就越大。

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

3 國內外研究情況

3.1 國外可再生燃料電池系統研究

可再生燃料電池系統已被歐美國家列為今后空間能源技術的重要發展方向之一，組成可再生燃料電池系統的燃料電池、電解水制氧、廢水回收利用等子系統已在載人飛船、“國際空間站”上應用。目前，完整的可再生燃料電池系統尚未在空間應用，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。

3.1.1 燃料電池的空間應用

燃料電池是可再生燃料電池系統的核心部件，在20世紀60年代，堿性燃料電池（AFC）和質子交換膜燃料電池（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雪號航天飛機上得到了應用。表1列出了應用于美國航天器上的燃料電池主要性能指標。

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

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

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

圖2 新型和傳統質子交換膜燃料電池系統的對比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“環境研究飛行器與傳感器技術”（ERAST）計劃的一部分，AeroVironment公司為NASA 設計、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工作的可靠性和穩定性。

“太陽神”無人機在75.3m 長的機翼上共鋪設62 120片轉換效率為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個總質量150kg的氣瓶（儲氫比9.1%）用于供應氫氣，由渦輪增壓器供應空氣，可再生燃料電池總質量為386kg。太陽電池-可再生燃料電池電源系統可以保證“太陽神”無人機7～14d的連續飛行，整個系統的比能量為350～400 W·h／kg，能量轉換效率約為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。動力系統是平流層飛艇的重要組成部分，經過多年的研究和試驗，各國均把可再生燃料電池系統作為研究的重點。以美國2005年論證的東西海岸監視用高空飛艇（HAA）設計為例，其電源系統由柔性太陽電池陣、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、電機驅動裝置、水熱循環管理器組成。動力系統配置如圖3所示［7］，主要性能指標如表2所示［8］。

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

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

3.2 國內可再生燃料電池系統研究

國內多家科研單位在可再生燃料電池領域進行了研究。大連化學物理研究所于1997年承擔了有關再生氫氧燃料電池系統研究的863項目，成功開發了百瓦級再生氫氧燃料電池原型系統，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地面樣機，全系統比能量為293 W·h／kg，能量轉換效率為32%，如圖4所示。按照國內的技術發展速度，預計很快可以實現400 W·h／kg的全系統比能量和50%的能量轉換效率，達到美國“太陽神”無人機的技術水平。

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

4 空間應用分析

根據國外可再生燃料電池系統的設計驗證和國內的研究經驗，本節對可再生燃料電池系統的組成、工作流程、關鍵設計進行分析，并以此為基礎提出初步的系統設計方案。

4.1 系統組成和工作流程

用于空間電源的可再生燃料電池系統主要由6部分組成：①太陽電池陣子系統，為航天器負載和水電解器提供電能；②水電解子系統，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，將氫氣和氧氣的化學能直接轉化為電能；④反應物儲存子系統，用于儲存高壓氫氣、氧氣和水；⑤環境控制子系統，用于控制整個系統的工作溫度；⑥功率調節和控制子系統，對太陽電池陣的輸出功率、水電解過程、燃料電池發電過程、系統對外功率輸出進行綜合控制。

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

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，持續消耗去離子水，產生的氫氣／氧氣經后處理儲存至氫氧儲罐，電解過程中產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上升，直至到達額定設計值。

2）燃料電池發電能量輸出過程

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

4.2 系統關鍵設計分析

4.2.1 系統方案的優化設計

用于空間電源的可再生燃料電池系統受運載能力、航天器結構、空間環境的限制，須在地面可再生燃料電池的基礎上結合航天器總體需求開展系統方案優化設計。從電源拓撲的角度，可以采用半調節或全調節拓撲；從母線電壓的角度，可以選擇100V或42V 母線；從太陽電池陣設計的角度，可以選擇三結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；從能量傳輸的角度，可以采用直接能量傳輸或峰值功率跟蹤（MPPT）設計；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、環境適應性和工作可靠性，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數、燃料電池的工作壓強／溫度等系統關鍵參數，進行優化匹配。

4.2.2 電解器和燃料電池的高性能設計

電解器和燃料電池是可再生燃料電池系統的核心，其性能直接影響整個系統的輸出功率、轉換效率和比能量。目前，國內質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，還要采用質子交換膜兩側介質壓差的穩態／瞬態精確控制設計、密封／絕緣一體化高壓密封設計、多單體系統集成優化設計等系統級設計，提高系統工作的可靠性和穩定性。

4.2.3 電解器和燃料電池的安全性設計

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構類似，同樣面臨密封問題。針對這此問題，借鑒國外的設計經驗，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節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計

功率控制器是整個系統的控制核心，須具備對水電解和燃料電池發電過程的精確控制，對系統內水氣壓力和溫度的保持，對太陽電池陣輸出功率的調節，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據交互。功率控制器采用綜合電子架構的一體化、模塊化、小型化設計，以提高控制器的集成度，并適應不同功率輸出等級；同時，為了提高系統的可靠性，還要具備自主管理功能，監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／氧氣的后處理設計

水介質是可再生燃料電池系統的能量轉換媒介，水在運行過程中能否實現平衡是整個系統長壽命設計的關鍵之一。國內電解器多采用陽極供水，而燃料電池長期穩定工作需要氫氣／氧氣過量循環供應并對外脈沖排放，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電過程中水的損失率，對電解／發電循環過程中氫氣／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可以采用冷凝干燥水分離設計。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，利用空間低溫環境對氫氣／氧氣進行循環冷卻，將其溫度降到較低水平，即可有效回收水介質。在發電循環時，預加溫過的氫氣／氧氣反向流過冷凍干燥器，將內部結冰冷凝水蒸發后帶入燃料電池。

4.2.6 氫氣／氧氣的空間儲存設計

可再生燃料電池系統持續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對氫氣主要采用高壓氣態、氫氣液態和金屬氫化物方式儲存。高壓氣態儲存應用簡單、廣泛，但儲罐質量很大；液態儲存離不開氣體液化系統，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，但還處于前期發展階段。

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

4.3 系統方案初步設計

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

（1）整個系統對航天器提供100V 半調節母線，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質量。

（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先滿足負載功率的需求，通過升壓變換器輸出穩定負載母線電壓，剩余功率用于水電解工況。

（3）水電解子系統由高壓循環泵、離子凈化器、電解氫氣／氧氣后處理單元、內外循環換熱器、高壓補水泵、高壓水箱及高壓質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、氫氣／氧氣壓差進行精確控制，保持溫度穩定，并對電解所產生的氫氣／氧氣進行后處理。

（4）燃料電池子系統由常壓循環泵、發電氫氧處理器、氫氧回收循環泵、氫氧水分離器、內外循環換熱器、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／氧氣的輕質化安全儲存。對氫氣／氧氣采用5 MPa中壓氣態儲存，且出于減小質量考慮，不采取主動控溫設計，將儲罐直接置于低溫環境中。對儲罐和燃料電池的接口采用模塊化設計，以便更換儲罐和對儲存量進行擴容。儲存前要對電解產生的氫氣／氧氣進行除濕干燥處理，避免結冰堵塞管路。

（6）環境控制子系統由乙二醇泵、流量控制器、空間換熱器和乙二醇儲箱等組成，主要負責控制并保持整個系統內的工作環境，包括利用水電解和燃料電池發電所產生的熱量進行各子系統設備的保溫防凍、氫氣／氧氣發電前的預加溫，為電解氫氣／氧氣的除水提供獨立冷源，以及為數據處理、功率控制模塊的溫控提供冷（熱）源。

（7）功率控制子系統由綜合數據處理模塊、伺服電機驅動模塊、置于結構組件中的溫度／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。功率控制子系統主要負責對水電解和燃料電池的發電過程進行控制，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定；通過數據通信總線實現內部各子系統間，以及與航天器綜合控制系統間的數據交換。

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

5 結束語

目前，可再生燃料電池系統由于發展時間短、技術復雜，尚未獲得空間應用。它具有的高比能量、高功率輸出、長供電持續時間等特點，在月球基地、載人空間站、平流層飛艇上具備顯著的優勢。本文在總結國內外可再生燃料電池系統研究的基礎上，對空間應用所要考慮的關鍵設計進行了分析，并對系統設計方案進行了初步探討。后續要進一步明確空間應用條件，在系統集成優化設計、智能化自主管理、空間環境綜合適應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設計提供技術儲備和參考。

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