燃料电池在航天上的应用

燃料电池在航天上的应用电源系统是航天器中不可缺少的重要组成部分，其可靠性直接影响着航天器的寿命。航天器电源要根据飞行任务、航天器设计寿命和供电要求来选择。早期发射的短寿命小功率航天器往往选择锌银电池；长寿命地球轨道飞行的卫星一般选择太阳能阵列+蓄电池组；而燃料电池更适合应用于载人航天器；深太空探索则可选择核电源。航天器的发展迫切需要大功率、长寿命和高可靠性的电源系统。1燃料电池用于航天器电源系统的优势电源系统的质量在航天器中的比重较大，2003年的一颗微小卫星，电源占整个卫星质量的16.6%。航天发射的成本很高，1kg设备发射上天的费用为1万美元；高能量密度的燃料电池在航天应用领域很有吸引力。燃料电池的能量密度可达100～1000Wh/kg，而航天电源中使用较多的镍电池，能量密度仅为25～40Wh/kg。对质量要求非常严格的高空长航时太阳能飞行器，要求储能装置的比能量在400Wh/kg以上，目前只有燃料电池可满足要求。同蓄电池相比，燃料电池无自放电、无记忆效应及不存在过充过放。燃料电池系统中贮存的氧气和氢气，还可用于生命支持系统和姿态调整。从再生燃料电池中排出的废热温度约为50～70℃，可用于航天器的热管理。按电解质的不同，在航天领域中应用过的燃料电池可分为PEMFC和碱性燃料电池(AFC)。AFC主要作为航天飞机的主电源；PEMFC既可作为主电源应用，也可作为再生燃料电池(RFC)的组成部分。燃料电池在航天领域最早的应用，是美国GE公司为双子星载人飞船开发的聚苯磺酸膜燃料电池(为早期的PEMFC)。2燃料电池在航天中的应用和研究热点在使用中，电池中的电解质膜发生降解，造成电池寿命变短、生成物水被污染，不能提供给航天员饮用。尽管GE公司之后推出了全氟磺酸膜燃料电池，但没有中标。后来AFC在航天领域开始应用，并取得了成功。近20年来，PEMFC在地面应用上展现出巨大的潜力，激发了人们的研究兴趣，性能上有了很大的提高，价格也在逐渐降低。研究人员开始注意到PEMFC在航天中的应用潜力，开展了许多研究。NASA(美国航天航空局)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及AFC的升级。RFC可作为月球基地的电源系统，其气体贮存系统庞大。NASA的工作人员研究了不同气体贮存系统的质量。近空间飞行器，尤其是长航时无人机对电源的能量密度要求很高，RFC是能满足其要求的。NASA和美国国防部积极研究将RFC应用到该领域。AFC是目前航天领域中应用最成功的燃料电池。它采用KOH溶液为电解质，燃料和氧化剂分别为纯氢和纯氧。早期用于阿波罗登月飞船的是Bacon型AFC，由31只单体电池串联而成，输出电压为27～31V，正常输出功率为563～1420W。目前，美国航天飞机使用的是石棉膜AFC，它由96只单体电池组成，输出电压为28V，输出功率为12kW。3AFC在航天中的应用DiagramofanAlkalineFuelCell.1:Hydrogen2:Electronflow3:Load4:Oxygen5:Cathode6:Electrolyte7:Anode8:Water9:HydroxylIons尽管AFC在航天中的应用已经很成熟，但也不足：维护和购置成本高、寿命短，安全性差。NASA每年用于每架航天飞机AFC的维护费用高达0.12～0.19亿美元；而新购置，则每架需要0.285亿美元。AFC要求阴、阳极之间的气体压力差不能太大(<34.5kPa)，气体压力控制较困难。KOH是强碱，其强腐蚀性使AFC的寿命较短，早期航天飞机的AFC，寿命仅为2600h，经过各种改进，寿命也仅提高到5000h。KOH在水中容易溶解，使得AFC工作产生的水要经过一定的处理才可饮用；这同时会造成电解质流失，影响电池性能。AFC的安全性也不能令人满意，如美国1997年4月的一次发射任务，由于AFC失效，航天飞机上机组人员仅完成了10%的任务就不得不提前返航。RFC从功能上看类似于二次电池。当外界需要电能时，RFC将贮存在氢气和氧气中的化学能转换为电能；当能量富余时，RFC利用外界提供的电能将水电解为氢气和氧气。RFC可以分为一体式、分开式和综合式。一体式的特点是水的电解和供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分解和供电；综合式则将两个组件放入同一单元中。4RFC在航天中的应用目前，RFC中完成发电功能的组件一般为PEMFC，早期有采用AFC的研究。在航天领域中，同传统的蓄电池相比，RFC的能量密度要高很多。RFC通常要与太阳能电池阵列联合使用，其重要应用前景是月球基地、近地轨道卫星、空间站及高空长航时无人机。月球基地，尤其是有人职守的月球基地，能量消耗很大，如美国的相关研究一般假定，月球基地的所需功率为20～100kW。选择能量密度大的电源系统，可节约大量的发射费用。月球的自转周期很长(达28个地球日)，其中无日照时间为16个地球日，用于月球基地的电源必须能长期供电。RFC只需要增加氢、氧和水的贮存系统，就能满足要求。若月球上存在水，RFC系统甚至可以不从地球上带水。尽管RFC的能量密度比其他化学电源高得多，但由于在月球上的电源功率和供电周期都很长，其质量仍很大。据NASA的研究结果，用于月球基地的电源系统质量约为9000kg，其中贮存系统的比例很高。NASA对高压气态贮存和液态贮存这两种贮存系统进行了研究。高压气态贮存的缺点是贮存罐的质量很大；液态贮存系统中，气体液化系统是不可缺少的，要额外消耗一部分能量，这就要求更多的太阳能电池阵列，且气体液化系统的质量也不小，虽然在气体贮存上可以减轻，但整个系统的质量并没有减少，气体液化系统中运动部件多，维护困难，安全性差。循环充放电效率低是RFC的一个缺点。由于蓄电池充满电有浮充阶段，即恒压充电，太阳能电池阵列产生的电能无法被充分利用；RFC没有浮充的问题，这在一定程度上弥补了不足。采用电力驱动的高空长航时无人机的电源，能量密度应大于400Wh/kg，目前，可以满足该要求的化学电源只有RFC。用于一架无人机的一体式RFC，功率密度可达791Wh/kg蓄电池充满电后，改用小电流给电池继续充电，此时就称为浮充电，也称为涓流充电。该小电流一般不是人为设定的，而是在电压设定为浮充电压后（如以12V电池为例，浮充电压在13.2V～13.8V范围内），电池因已充足电，能够接受的电流的很小了，就自动形成了浮充电流。浮充的目的有三个：1、保持电池的电压处于浮充电压范围，此时电池的板栅（就是极板的导电骨架）腐蚀处于最慢的状态，可延长电池寿命。2、补充电池自放电造成的容量损失，保持电量充足。太阳能电池板给蓄电池充电时，直接连接是不可以的，太阳能板因为受光线影响很大，比如阴影，角度的影响，所以输出电压不稳定，不能稳定在5V。无法对蓄电池进行浮充。燃料电池为什么没有普及起来？好像从很小的时候就有听说燃料电池的研究，因为是添加燃料的似乎也可以解决现在纯电动车的充电效率问题。印象中小时候还有看到过报道说有燃料电池的手机，续航一个多月。那为什么到今天为止燃料电池都没有普及起来呢？不管是在电动车还是其他的用电设备上，倒是丰田有一个Mirai，但是也没有形成像特斯拉这样现象级的产品。燃料电池技术并不是一门新技术.

在上世纪80-90年代及本世纪05-08年,都掀起了燃料电池投资开发的热潮,并在加拿大和美国产生了多家燃料电池上市公司.所以有听说过燃料电池的研究并不奇怪,这个不是黑科技.添加燃料发电是燃料电池相对于其他电池最大的特点,

未来燃料电池市场化普及可能就跟这点有很大关系

以前，东芝、三星卡、西欧都开发出甲醇燃料电池,但是由于成

本和可靠性的关系,项目终止。成本问题,一个是车本身的成本,一个是加氢的成本,都相对较高.另外加氢站不普及也是很重要的一个原因.

经过百年发展，还没有得到大规模应用的技术，燃料电池是其中的一个典型。为什么现在还没有大规模普及？单纯技术发展来说：燃料电池的成本有待降低、寿命有待提高，目前相比于其他动力（内燃机、锂电）的优势综合来看还不大。从大的方面——燃料电池的发展历史节点事件来看，燃料电池技术的发展是全方位的。从1839年英国科学家SirWilliamRobertGrove首先发明第一个燃料电池开始；通用电气公司于1955年首先设计并采用离子交换膜来制造燃料电池；现在以丰田为首的以质子交换膜燃料电池为动力的汽车“小规模”商业化。其次，从小的方面来说——燃料电池核心部件，如燃料电池核心技术的催化剂来说，经过了三代催化剂的发展；质子交换膜从原来的125μm到现在25μm、10μm；流场从原来的平行、蛇形流场到现在丰田的3维流场……这些技术的发展都是有突破性的。然而，即使目前经过近200年的发展，燃料电池中仍存在很多前沿性的科学问题有待研究：氧还反应机理，超冷水形成、输运机理……以及工程问题：零下30℃启动，达到5000小时长寿命……都还有待研究。丰田从90年代首推混合动力的时候，也是小规模“商业化”，到现在各大公司的普及。燃料电池情况也很相似，丰田从2017年以后开始将燃料电池产量提升到几千台，其实也只有大规模商业化，成本才能下降。我国目前燃料电池还主要是商业示范运行，但十三五规划中也有多个项目关于燃料电池技术，相信十三五结束后，我国燃料电池技术应该能达小规模的“商业化”质子交换膜燃料电池的冷启动研究概况123PEMFC冷启动概述PEMFC冷启动水问题研究PEMFC冷启动方案研究冷启动概述1何为燃料电池冷启动？一般来说在冰点以下的温度启动为冷启动2为什么要研究冷启动？燃料电池汽车的商业化仍然存在技术瓶颈问题，除了电池耐久性和成本因素，提高低温启动性能也是关键问题之一。3冷启动中的主要问题？当燃料电池内的温度低于冰点时，燃料电池工作产生的水会发生冻结。在电池内的温度上升到零度之前，催化层内的水如果发生冻结，电化学反应将会因反应区域的冰封而停止，同时冰的形成由于体积膨胀可能会对膜电极组件的结构产生严重的破坏。4燃料电池汽车冷启动现状现有的大多数燃料电池系统冷启动需要辅助方法，例如辅助电源加热、冷却介质加热、热气体吹扫、氢气氧气电池内部直接接触反应等。无辅助方法的冷启动性能需要进一步显著提高，因为辅助冷启动会增加系统的体积和重量，同时还有操作的复杂性和附加成本。在冷启动这一方面的实验与仿真研究并不是很多，尤其是无辅助热源的冷启动需要更多的研究与努力。奔驰、丰田等大型汽车公司都在致力于提高冷启动的性能研究，下图是一些不同低温下的启动时间。

冷启动概述低温启动水研究PEMFC系统水的来源？1气体加湿和膜增湿的水分2燃料电池内部电化学反应产生的水3大功率电堆的循环水水的在PEM中的传递ANODEMembraneCLGDLBPreactionareaCATHODEGDLFlowchannelOUTPEMFC内水的冻结由水的形成与传递机理可以看出，水的冻结可以发生在CL、GDL和流道中，下面分别介绍这几种冻结方式。suppliedgasflowdirection

waterproductioniceformationCLGDLFlowchanneltemperaturedecreasingfromCLtoFlowchannel电化学反应产生的水由于冷启动温度过低导致催化层内的水还没来得及扩散出去就已经发生了冻结，进而覆盖了催化活性表面，阻碍了电化学反应的进行，导致电流密度变小，产热减少，引起冷启动失败。PEMFC内水的冻结suppliedgasflowdirection

waterproductionliquidformationCLGDLFlowchanneltemperaturedecreasingfromCLtoFlowchanneliceformation此过程中，CL内的水没有发生冻结，处于液态状。当传递到GDL时，由于传递过程中温度的降低，水发生冻结，导致流道内的气体很难进入CL，阻碍了电化学反应，使得冷启动失败。这种现象只发生在一定的温度范围之内。PEMFC内水的冻结suppliedgasflowdirection

waterproductionliquidformationCLGDLFlowchanneltemperaturedecreasingfromCLtoFlowchannelliquidformation这个过程和第二个过程类似，GDL层和流道很近，研究者发现成功的冷启动温度大约为-5摄氏度，此过程大约发生在-7摄氏度左右。iceformation催化层内水的冻结是引起冷启动失败的最主要因素，而在气体扩散层和流道内的水冻结仅仅发生在一个很小的温度范围内，此时催化层内的温度高于零度，而气体扩散层和流道内的温度低于零度。然而，阴极催化层内出现冻结现象，而气体扩散层和流道内却没有明显的结冰现象。现在广泛应用的nafion质子交换膜，由于其特殊的化学结构，必须保证膜中具有一定的水分，否则会影响电化学反应的进行。同时，膜中水的含量也是影响膜导电率的重要因素。然而膜中的含水量或者燃料电池中的含水量不能过多，则在冷启动之前多余的水就会发生冻结，影响电池性能，导致冷启动失败。冻结过程小结突破零度，低温启动成功无法突破零度，低温启动失败吹扫除水电池中的含水量容许含水量停止后扫气后冷启动后：温升到0℃，水的生成量低温启动时的水量变化容许含水量指的是什么？WETDRTBalance？既然冷启动之前，燃料电池含水量不能多也不能少，可能存在一个平衡点，而这个平衡点最有利于冷启动的性能。whatweconcernishowtofindthisbalance！燃料电池冷启动融冰问题保证燃料电池在低温下能成功启动运行，则电化学反应产热融冰的速率必须大于等于生成水冻结成冰的速度。VIHeatgenerationPowergeneration怎样实现rapidstar-upVI活化过电势阻抗过电势浓差过电势1.410.6空气化学计量比水平衡WaterinMEA气体加湿水电化学反应产水排水Target：气体加湿水+电化学产水=随气体排出的水水平衡控制PEMFC水的产生集中在阴极，及时将电化学反应生成的水排出是冷启动的必要环节之一。由于生成的水是随气体一起排出系统，可以根据不同的冷启动温度，通过调节空气侧的流速以达到电池内水的平衡。AirflowCathod冷启动方案现有P