PEM水電解技術在航天上的應用現狀與發展趨勢

王 飛，周抗寒，管春磊，焦飛飛，黃武博

（1.中國航天員科研訓練中心 人因工程重點實驗室，北京 100094；2.中國航天員科研訓練中心，北京 100094）

0 引言

水電解技術在空間領域的應用始于俄羅斯“和平”號空間站［1］，它使用流動堿式水電解技術，采用強堿性的氫氧化鉀溶液作為電解質，電解槽的陰極、陽極之間采用多孔石棉等作為隔膜，作為生保系統為航天員提供氧氣。進一步改進后的電解制氧裝置用于國際空間站俄羅斯服務艙的生保系統中。美國采用了一種新的水電解制氧技術，即質子交換膜（Proton Exchange Membrane，PEM）水電解技術［2］，采用該技術的電解制氧裝置于2008年11月在國際空間站美國服務艙內正式投入運行。

隨著氫能源技術的發展，促進了PEM水電解技術的進步與成熟，將加速推動這一技術在航天方向的應用拓展。本文介紹了PEM水電解技術在國內外航天領域中的應用與研究現狀，并通過對發展趨勢的分析，提出該技術尚待深化發展的方向。

1 PEM水電解技術的特點

與傳統的堿性水電解原理不同，PEM水電解技術采用純水作為工質，PEM膜起著電解質與隔膜的雙重作用。當水電解器工作時，膜上水化的質子通過界面區域在陽極和陰極之間傳遞，發生酸性水電解反應。由于工作原理的不同，導致PEM水電解與流動堿式水電解在水電解器性能、系統性能之間存在明顯差異，見表1。

表1 PEM水電解器與堿性水電解器以及系統總體性能對比Tab.1 Comparison of the general performance of PEM and alkali water electrolysers

PEM水電解器、堿性水電解器工作特性對比圖如圖1所示。

圖1 PEM水電解器與堿性水電解器工作特性對比Fig.1 Comparison of the performance characteristics of PEM and alkali water electrolysers

由表1和圖1可見，由于PEM水電解器在大電流密度時的極化遠小于堿性水電解器，導致PEM水電解器工作電流密度范圍很寬，而且具有低比能耗的優勢。PEM水電解器的工作電流密度可以達到3.0 A·cm-2以上，遠高于堿性水電解器的0.2～0.4 A·cm-2。盡管由于PEM水電解器使用成本較高的貴金屬材料作為催化劑，部分抵消了提高電流密度對縮小水電解系統規模，減少了催化劑用量方面的貢獻，導致目前只有小型PEM水電解裝置性價比優于堿性水電解。但是，隨著技術的進步，大型、超大型的PEM水電解系統性價比將與堿性水電解系統趨同。

由于PEM水電解技術采用致密、無孔的高分子聚合物膜作為電解質和陰、陽極隔膜，對比采用多孔、非電解質隔膜的堿性水電解，工作模式更加靈活，耐內外壓能力更強。在供水模式方面，不同于堿性水電解需要兩腔同時供堿液，且必須完全浸沒隔膜，PEM水電解可以采用陽極或陰極單側供水，從而減少對水氣分離器的需求。甚至還可以靜態供水，通過控制水蒸氣的輸入量與反應量達到平衡，使電解器直接生成不含液態水的氫氣、氧氣，從而取消堿性水電解系統必須配套的水氣分離器，大大簡化了系統的流程［3］。

在承壓能力、壓力制度方面，由于PEM膜具有較強的耐壓能力，因此，不同于堿性水電解必須保持陰、陽極室之間壓力平衡的工作特性，PEM水電解既可以采用陰、陽極室壓力相同的等壓模式，也可以采用差壓模式。對于高壓水電解系統，既可以采用低壓水電解鎧裝、配備復雜壓控系統的設計方案，也可以采用系統簡單但技術難度大的無鎧裝高壓水電解器設計方案；此外，還可采用系統極為簡單，只是陰極室或陽極室工作在高壓，另一側工作在常壓的高差壓設計方案［4］。

2 載人航天工程對水電解技術的需求及經濟可行性

2.1 載人航天工程對水電解技術的需求

隨著航天技術的進步，21世紀載人航天活動發展路線是建造與運營空間站，建立永久性月球基地［5］，實現載人火星飛行。在這一系列工程中，對水電解技術的需求可能在以下3個方面：

1）在航天器生命保障系統中的應用。航天生命保障系統的主要功能之一是為乘員提供氧氣［6］。短期載人航天飛行均采用非再生式環控生保技術，通過飛行器攜帶高壓氧瓶滿足乘員在軌生活期間對氧氣的需求。然而，該方案對于長期、深空探索是不可實現的。以3人乘組為例，每年消耗的氧氣量接近1 t，高壓氧瓶的質量需求達1.5 t，這將給物資補給帶來無法承受的負擔。因此，空間站中采用水電解制氧，但空間站均為常壓工作的水電解裝置，產生的氧氣不能直接為艙外航天服氣瓶充氧，而月球基地建設過程中大規模月面活動時艙外服氧瓶、星際航行過程中應急生保系統氧瓶的在軌充填，都有在軌生產高壓氧氣的需求。

2）在空間電源系統中的應用。由于航天任務規模的發展，對大功率、高比能電源的需求越來越強。高功率空間飛行器能源系統主要由太陽能光伏電池、儲能與發電模塊等部分組成。根據儲能與發電模塊的不同，空間電源系統分為蓄電池（鎘鎳、鋰）、再生燃料電池系統等［7］。蓄電池系統的質量與電源規模成正比，光影周期越長，質量增加越顯著。相比之下，由水電解與氫、氧燃料電池構成的再生燃料電池系統具有比能量較高，以及10 kW以上的燃料電池電源系統質量對規模不敏感的特點，更適宜于大規模、長光影周期的任務。在月球基地任務中，再生燃料電池系統成為滿足任務的優選能源方案之一，水電解模塊作為儲能環節成為這一系統的關鍵部分，其比能耗、工作壓力、儲能密度等成為影響再生燃料電池系統指標的重要因素。要滿足再生燃料電池電源系統性能的要求，水電解裝置部分的規模須達到發電功率2倍以上，氣體輸出壓力超過10 MPa。

3）在空間動力上的應用。無論登陸火星，還是登陸月球，都離不開高效降落推進系統，這一推進系統最重要的要求是發動機必須有很深的調節能力。洛克希德-馬丁公司的研究結果表明，氫、氧是可重復使用的單級著陸器動力系統唯一可行的推進劑組合。該公司研制的著陸器推進系統將使用液氧、液氫推進劑，并計劃在月球軌道上建立推進劑儲存與轉運設施，從地球運送水或從月球表面提取水，將其轉化為液氧、液氫推進劑。

此外，在航天器中也可以使用氫、氧發動機作為推進動力。美國國家航空航天局（NASA）提出了“水火箭”-可逆燃料電池組合方案，通過在軌水電解提供高壓氫氣、氧氣為燃料電池電源作燃料，同時為氫、氧發動機提供燃料［8］。

2.2 在軌高壓水電解制氧的經濟性分析

等效系統質量（Equivalent System Mass，ESM）指系統的硬件質量及支持硬件的其他部分的估算質量之和，相當于能夠提供系統功能所需的總發射質量，從而等同于發射成本。依據總質量及等效系統質量對方案進行經濟性評價是目前一種比較客觀與科學的方法。

2009年，NASA約翰遜中心聯合Hamilton Sundstrand公司在前期研究的基礎上，以長期駐月基地任務以及180 d周期的標準“前哨”飛行任務作為分析對象，進行了多種供氧方案的總質量及等效系統質量評價［9］。任務中設定每次出艙活動為2人，高壓氧（20.7 MPa）消耗量為0.73 kg·人-1·次-1，任務次數為150次。分析結果表明：180 d及10 a任務所需的高壓氧資源分別為218 kg、4 364 kg。對各種在軌高壓氧、高壓氫氣補給方案的經濟性進行對比，設定的方案包含高壓氣瓶運輸、液氧運輸、在軌電解制氧、利用原位資源制氧共4類、7種方案，具體如下：1）地面攜帶工作壓力范圍為21.4～27.6 MPa高壓氣瓶供氧（A）；2）地面攜帶低溫儲罐運氧，將其蒸發后與氣態氧混合成高壓氧（B1）；3）地面攜帶低溫儲罐運氧，由變溫吸附壓縮機加壓到27.6 MPa（B2）；4）軌道上低壓水電解制氧，用多級活塞式壓縮機壓縮至20.7 MPa（C）；5）軌道上用PEM水電解裝置輸出壓力12.8 MPa的氧，用壓縮機增壓到24.8 MPa（D）；6）共享能源系統的高壓水電解供氧，同時也為航天服供氧，電解裝置輸出壓力24.8 MPa（E）；7）月球基地“原位資源利用裝置”電解輸出5.2 MPa氧氣，壓縮機提高到24.8 MPa（F）。分析的結果如圖2和圖3所示。

圖2 180 d開放式任務環控生保高壓氧補給方案的總質量和等效系統質量對比Fig.2 Comparison of the total mass and ESM of the high pressure oxygen supply scheme for environmental control and life support in the 180 d open mission

圖3 10 a封閉式任務環控生保高壓氧補給方案的總質量和等效系統質量對比Fig.3 Comparison of the total mass and ESM of the high pressure oxygen supply scheme for environmental control and life support in the 10 a closed mission

結果表明：對于180 d任務，采用液氧或生保能源共享的高壓電解制氧方案比較理想。對于10 a任務，則在軌電解的方案最優。盡管壓縮機質量、體積和功率都較低，與低壓電解組合在等效質量方面略占優勢，但由于無油，活塞和金屬氣缸之間的摩擦縮短壓縮機使用壽命，增大維護負擔。

國際空間站為氣閘艙及出艙活動（Extravehicular Activity，EVA）補氧的高壓壓縮機的寶貴運行經驗也表明：在氧氣充填系統中，壓縮組件的質量、功耗與維護負擔較重，解決這些問題十分困難，而且壓縮氧氣過程存在嚴重的安全風險。因此，采用直接在軌高壓電解制氧替代機械壓縮機的技術有很大的價值。

3 國內外PEM水電解技術現狀

3.1 國外研究現狀

美國是最早進行PEM水電解技術研究的國家，代表了目前國際水電解技術和應用的最高水平。1982年，美國通用電氣公司（GE）為美國海軍“海狼”級核潛艇研制了水電解制氧裝置原型機［10］，在潛艇上累計工作了100 000 h，鎧裝在高壓容器內的PEM電解器輸出氣體壓力為2～20 MPa。此后，Hamilton Standard公司接替GE，負責潛艇用高壓水電解制氧裝置的研制工作。

美國為航天員供氧的PEM水電解制氧裝置，于2006年7月運送至國際空間站，2008年11月22日開始運行。其工作模式是在軌道運行周期90 min內，53 min陽照區正常運行，37 min陰影區轉入待機模式，額定工況滿足4名乘員，最大工況滿足7名乘員的耗氧需求。系統工作壓力為0.28 MPa，額定工作電流為10～55 A，待機電流為1 A［11-12］。

在軌高壓氧充裝方面，為解決航天飛機退役后，航天員出艙活動時所需要的高壓氧瓶在軌充裝的問題，由Giner Electrochemical、Hamilton Sundstrand公司分別開展20.7 MPa在軌水電解器研究工作［13］。其中，Hamilton Sundstrand采用陰極供水、無鎧裝高差壓（氫氣0.3 MPa、氧氣20.7 MPa）電池堆設計方案；Giner Electrochemical采用陰極供水、差壓結合波紋筒體鎧裝電池堆設計方案（電解制氧輸出壓力為13.8 MPa，機械增壓至20.7 MPa）。

針對月球基地、載人火星探索等長期、復雜任務的環控生保-空間能源-推進系統設計問題，NASA提出了“水火箭”-可逆燃料電池組合方案，研制出原理樣機，進行了地面試驗驗證。在該方案中，在軌高壓水電解裝置提供氫、氧發動機以及燃料電池的燃料，產物水可提供給環控生保系統作為飲用水或作為電解制氧的原料［8］。

在民用可再生能源領域，歐美等國家紛紛推出兆瓦級的消納棄電的PEM水電解制氫系統［14-15］，其中美國的普頓Proton Onsite、英國的ITMpower、加拿大的Hydrogenics、德國Siemens等公司代表了目前PEM水電解技術大規模、產業化應用的國際水平。一些代表性機構PEM水電解制氫裝備的技術參數見表2。

表2 PEM水電解制氫裝備及技術參數Tab.2 Hydrogen production equipment and technical parameters by PEM water electrolysis

3.2 國內研究現狀

近年來，國內多家單位開展了PEM水電解技術的研究工作，如中國航天員中心、中船重工718所、航天科技集團811所、大連化物所等。航天員中心研制的PEM電解制氧試驗裝置于2012年7月隨“天宮1號”發射入軌，并在軌穩定運行［16-17］。在此基礎上研制的電解裝置將裝備到空間站，作為航天員供氧設備。該裝置采用陰極供水的PEM水電解與靜態水氣分離技術方案［6］，配套的水電解器地面穩定運行超過23 000 h［6］。圖4所示為“天宮一號”電解制氧裝置。

圖4 “天宮一號”電解制氧裝置Fig.4 “Tiangong-1”electrolysis oxygen generation device

在高壓水電解技術方面，研制了高差壓水電解單電池，采用陰極常壓供水、高壓產氧的設計方案，當耐壓達到10 MPa、運行壓差為5.0 MPa時，氧氣純度可達99.9%。

此外，為潛艇生保系統研制了輸出壓力5.0 MPa、產氧量3 m3·h-1樣機。在能源應用方面先后參加北京航天動力研究所、航天科技集團811所再生式燃料電池能源系統研究，研制了單模塊30 kW、5 MPa水電解器，電堆性能的一致性與單體試樣基本一致［18-20］。

在高穩定、大電流密度電極材料研究與制備方面，目前研制的電極材料在工作溫度為70 ℃，當電流密度為1.5 A·cm-2和2.5 A·cm-2時，單池電壓分別穩定在1.82 V和2.00 V，極化曲線如圖5所示。在電流密度1.00～3.25 A·cm-2的工況下，持續測試10 000 h，運行穩定。

圖5 高穩定、大電流密度PEM電極材料極化曲線Fig.5 Polarization curve of novel high stable PEM electrode material at high current density

在差壓式、大尺寸水電解器設計與研制方面，研制的差壓式水電解器的陰（高壓）與陽極之間壓差可達2.5 MPa，產氫量為3 m3·h-1，工作電流密度為1.5 A·cm-2。等壓大尺寸水電解器氫、氧輸出壓力可達3.5 MPa，單電池有效電極面積達到1 550 cm2，工作電流密度為1.5 A·cm-2，如圖6所示。電堆的極化曲線與圖5基本相同。

圖6 差壓水電解器和大尺寸水電解器Fig.6 High differential pressure water electrolyser and large-scale water electrolyser

4 PEM水電解技術空間應用的趨勢與挑戰

在月球建立人類的永久性基地、登陸火星是21世紀載人航天的發展路線，在這一飛行過程中涉及的目標軌道包括：低地球軌道（Low Earth Orbit，LEO）、地月平動的探索節點（Earth-Moon Libration point orbits，EML）、月球軌道、近地軌道（Near Earth Orbit，NEO）、火星軌道，飛往這些軌道的特征參數對比見表3。

表3 不同空間任務的顯著特征Tab.3 Distinct characteristics of various space missions

由表3可見，隨著飛行距離的延長，發射成本急劇增加。相比于低地球軌道的空間站，載人深空飛行任務不但對載荷的發射質量、體積、功耗等有更高約束，而且由于應急返回的不現實性，除了可靠性、壽命要求更高，依賴地面補給的低軌道后勤保障模式也不能適應需求，將被自主的、可持續在軌生產的保障體系所替代。因此，通過系統兼容設計，實現能源、動力、環境控制與生命保障物質互用的解決方案與現有的、各自獨立的解決方案相比，具有無法比擬的技術與經濟優勢，將成為未來深空探索任務中能源、動力、生保系統的發展方向。

PEM水電解技術是聯接生保物質、能源與動力物質的關鍵技術。本身的技術原理與特點決定了該技術具備構建小型化、輕量化空間設備的能力，具有無需機械壓縮機增壓而實現高壓氧氣、氫氣輸出的能力，可滿足在軌高壓氧瓶充裝、高壓氫氣儲能需求。PEM水電解技術在地面可再生能源系統中的大規模應用，將加速提升成熟度與可靠性，推動該技術在空間領域的大規模應用。盡管該技術已經在空間站生保系統中得到應用，但對比能源、動力領域的要求，PEM水電解還面臨如下技術差異以及由此而帶來的技術挑戰：1）能源系統的燃料物質量的需求是生保系統的成百上千倍，在微重力或低重力條件下高效的水、氣分離將面臨困難；2）電池堆工作電流密度成10倍以上的增加，在微重力或低重力條件下電池內傳熱、傳質以及低能耗的保障面臨困難；3）輸出壓力成100倍以上的增加，無鎧裝電池堆的密封及材料問題和高壓力下氣體純度保障面臨挑戰。

5 結束語

隨著載人航天任務向深空探索的發展，能源、動力、生保物質互用的解決方法是擺脫依賴地面支持，實現自主的、可持續保障的最優途徑，作為這一途徑實施關鍵環節的PEM水電解技術，無論是該技術所具備的特點，還是已具有的技術積累，均具備了構建這一系統的良好基礎。在深化解決所面臨的新問題后，PEM水電解技術將在空間應用中發揮更大的作用。