摘要：針對(duì)空間應(yīng)用場(chǎng)景下的能源需求，對(duì)空間氫氧燃料電池技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，總結(jié)國(guó)內(nèi)外在空間氫氧燃料電池發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，面向利用液氫液氧推進(jìn)劑的一次燃料電池以及月面可再生電池應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)多種空間電源技術(shù)方案進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)空間氫氧燃料電池在運(yùn)載火箭上面級(jí)推進(jìn)劑利用、月面探測(cè)能源系統(tǒng)、月球原位資源利用、長(zhǎng)時(shí)間月面駐留等應(yīng)用場(chǎng)景具有較高潛力。通過(guò)分析空間應(yīng)用場(chǎng)景下氫氧燃料電池電源系統(tǒng)特點(diǎn)，對(duì)未來(lái)空間氫氧燃料電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，空間氫氧燃料電池技術(shù)發(fā)展方向提出展望。
關(guān)鍵詞：空間場(chǎng)景；氫氧燃料電池；電源系統(tǒng)；月面資源利用
新一代運(yùn)載火箭上面級(jí)、空間飛行器以及載人登月等應(yīng)用對(duì)電源提出更高的能量密度、功率密度及效率要求。燃料電池技術(shù)作為一項(xiàng)非常重要的空間電源技術(shù)，可將液氫、液氧推進(jìn)劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，不但可作為飛行器的主電源，而且可與飛行器推進(jìn)子系統(tǒng)、環(huán)控生命保障子系統(tǒng)、原位資源利用子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工質(zhì)共用，對(duì)于減輕發(fā)射質(zhì)量、降低發(fā)射成本等具有重要意義。
本文從空間型號(hào)應(yīng)用對(duì)電源系統(tǒng)的需求出發(fā)，對(duì)國(guó)內(nèi)外空間氫氧燃料電池技術(shù)在航天工程中的應(yīng)用和發(fā)展情況進(jìn)行闡述，針對(duì)典型空間應(yīng)用場(chǎng)景下的能源需求，對(duì)比分析燃料電池與其他電源系統(tǒng)方案在能量密度、資源綜合利用等方面的差異，重點(diǎn)分析月面探測(cè)能源需求，針對(duì)空間氫氧燃料電池電源系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)應(yīng)用場(chǎng)景，點(diǎn)明空間氫氧發(fā)電技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向。
一、空間氫氧發(fā)電技術(shù)分類
根據(jù)空間工程應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)電源系統(tǒng)具體需求，空間氫氧發(fā)電技術(shù)可分為具備放電功能的一次燃料電池技術(shù)和具備充放電功能的可再生燃料電池技術(shù)?？臻g氫氧發(fā)電技術(shù)原理和組成如下所述。
1.1 一次燃料電池
空間用一次燃料電池即氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)是一種能夠?qū)淙剂虾脱趸瘎┲械幕瘜W(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置[圖1(a)]。質(zhì)子交換膜燃料電池一般在陽(yáng)極采用氫氣為燃料，針對(duì)密閉空間使用環(huán)境，陰極采用氧氣為氧化劑。
在陽(yáng)極，氫氣在催化劑的作用下反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子和電子，電子通過(guò)外電路傳輸?shù)疥帢O，過(guò)程中對(duì)外輸出電能，質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜傳輸?shù)疥帢O；在陰極，氧氣和從陽(yáng)極傳輸過(guò)來(lái)的質(zhì)子和電子反應(yīng)生成水，同時(shí)釋放熱量[1]。
1.2 可再生燃料電池
可再生燃料電池是在一次氫氧燃料電池基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)生、儲(chǔ)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[圖1(b)][2]。
在光照期，電解器電解水(一般由太陽(yáng)電池供電)制取氫氣和氧氣，分離除濕后儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中；在陰影期，燃料電池使用儲(chǔ)存的氫氣和氧氣發(fā)電，滿足載荷需求。反應(yīng)產(chǎn)物水經(jīng)收集后，又可通過(guò)電解產(chǎn)生氫氣和氧氣供燃料電池使用，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)和能量的循環(huán)利用。
圖1 燃料電池原理示意圖
二、國(guó)內(nèi)外空間氫氧發(fā)電技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)
2.1 國(guó)外研究進(jìn)展情況
20世紀(jì)60到70年代，在載人航天技術(shù)帶動(dòng)下，燃料電池技術(shù)得以蓬勃發(fā)展。
1962—1965年間，PEMFC在雙子星座(Gemini)載人飛船飛行任務(wù)中得到應(yīng)用，累計(jì)飛行時(shí)間超過(guò)5 000 h。同期，氫氧堿性燃料電池(AFC)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貢獻(xiàn)[3-4]。
隨后，堿性石棉膜燃料電池作為主電源還在美國(guó)太空實(shí)驗(yàn)室(Sky-lab)、Apollo-Soyus、航天飛機(jī)(space shuttle)以及俄羅斯的月球軌道器等其它空間飛行器上得以成功應(yīng)用。航天飛機(jī)裝備三套燃料電池發(fā)電裝置，平均功率達(dá)到7 kW。隨著地面車用和站式PEMFC電源技術(shù)不斷進(jìn)步和成熟，美國(guó)NASA增加對(duì)空間PEMFC應(yīng)用技術(shù)研究。研究表明，由于使用全固態(tài)質(zhì)子交換膜，PEMFC具有高比能量、高可靠性、長(zhǎng)壽命、可模塊化設(shè)計(jì)，易維護(hù)、可持續(xù)高功率放電、壽命不受放電深度影響、無(wú)自放電、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、可兼容使用推進(jìn)劑作燃料等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。
從2001年開(kāi)始，美國(guó)NASA制定第一個(gè)五年計(jì)劃大力發(fā)展PEMFC技術(shù)?；诘谝粋€(gè)五年開(kāi)發(fā)計(jì)劃，美國(guó)NASA從2006年開(kāi)始支持新一代空間PEMFC技術(shù)開(kāi)發(fā)，以克服上一階段研究中所暴露出問(wèn)題和不足。圖2所示為新一代空間PEMFC工程樣機(jī)，其采用被動(dòng)的水、熱管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)燃料電池排水、排熱。
被動(dòng)排水原理是在電池陰極增加一個(gè)排水組件，組件材料常用多孔板、選擇性透過(guò)膜，燃料電池生成水通過(guò)排水組件排出并阻止反應(yīng)氣體排出。該技術(shù)可使燃料電池電堆無(wú)需通過(guò)氣體流動(dòng)來(lái)排水，從而可以省去氣體循環(huán)泵、外部相分離器、氣體加濕器等輔助設(shè)備。該技術(shù)使反應(yīng)物在電堆內(nèi)全部消耗，電堆出口無(wú)反應(yīng)物排出，因此被稱之為非流過(guò)式燃料電池堆。
圖2 NASA空間燃料電池工程樣機(jī)(第二階段)
NASA格林研究中心對(duì)Infinity公司研制的被動(dòng)式PEM燃料電池在圣甲蟲(chóng)月球車(SCARAB rover)上成功進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，如圖3所示。研究人員用模擬月球表面行駛工況對(duì)燃料電池性能進(jìn)行測(cè)試，成功驗(yàn)證被動(dòng)式燃料電池在移動(dòng)電源應(yīng)用能力[8]。
圖3 被動(dòng)式PEMFC在月球車上測(cè)試
Teledyne能源系統(tǒng)公司(TESI)開(kāi)發(fā)了一種基于氫氧燃料電池的噴射器驅(qū)動(dòng)反應(yīng)物循環(huán)系統(tǒng)(ejector-driven reactant, EDR)。該系統(tǒng)主要由質(zhì)子交換膜燃料電池堆，排水組件以及噴射器電磁閥組成，如圖 4所示。這一系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于放棄機(jī)械泵，改用被動(dòng)式噴射器將氫氣和氧氣輸運(yùn)到電池中，減少了寄生能量消耗[9]。
第一代EDR燃料電池是由NASA在2013年為美國(guó)海軍無(wú)人潛航器(unmanned underwater vehicle, UUV)所生產(chǎn)調(diào)試的，其關(guān)鍵部件為不銹鋼材質(zhì)，這使EDR燃料電池的質(zhì)量很大，不能滿足航天器需求[10]。在2016年，開(kāi)發(fā)了如圖4所示的第二代EDR燃料電池系統(tǒng)，即標(biāo)準(zhǔn)EDR燃料電池。標(biāo)準(zhǔn)EDR燃料電池是一個(gè)重15.4 kg、高566 mm、寬188 mm以及最薄側(cè)為110 mm的系統(tǒng)，最大持續(xù)功率為6 kW，峰值功率為8 kW，設(shè)計(jì)工作時(shí)長(zhǎng)為7 000 h，已被認(rèn)為可以應(yīng)用于無(wú)人駕駛飛行器和太空飛船中。
圖4 EDR燃料電池及其噴射器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
2006年，美國(guó)宇航局格倫研究中心驗(yàn)證了閉式循環(huán)氫氧PEM再生燃料電池(RFC)在額定功率下進(jìn)行多次充電/放電循環(huán)閉環(huán)操作[11]。2013年，NASA開(kāi)發(fā)出模塊化再生燃料電池為ATHLETE機(jī)器人供能。圖5為供能過(guò)程示意圖[12]。
圖5 再生燃料電池電池系統(tǒng)為ATHLETE充電圖
2011年，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)為其平流層平臺(tái)項(xiàng)目設(shè)計(jì)并制造了100 W集成可再生燃料電池電堆與1 kW試驗(yàn)型可再生燃料電池電堆，對(duì)燃料電池正常工作狀況進(jìn)行了測(cè)試，模擬了物料平衡過(guò)程[13]。
2019年，歐洲航天局提出“赫拉克勒斯”計(jì)劃，計(jì)劃發(fā)射月球探測(cè)車滿足月面探測(cè)以及樣本采集需求。圖6為月球車著陸示意圖。月球車考慮使用可再生燃料電池技術(shù)滿足月面探測(cè)車能源需求。歐空局已設(shè)計(jì)并制造由兩個(gè)10單體質(zhì)子交換膜燃料電池堆組成的工程樣機(jī)，在常規(guī)和特定操作條件下進(jìn)行了結(jié)構(gòu)裝配強(qiáng)度測(cè)試，抗震動(dòng)測(cè)試以及長(zhǎng)時(shí)間額定工況測(cè)試。
圖6 赫拉克勒斯月球探測(cè)車著陸示意圖
2020年，美國(guó)NASA基于月面探測(cè)需求，與Infinity公司合作，計(jì)劃開(kāi)發(fā)一種可擴(kuò)展、模塊化和靈活的可再生燃料電池，并建立圖7所示月面可再生循環(huán)系統(tǒng)，月晝利用太陽(yáng)能電解水制備氫氣與氧氣，月夜通過(guò)燃料電池進(jìn)行發(fā)電。
圖7 月球表面的循環(huán)可再生能源系統(tǒng)
2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展情況
20世紀(jì)70年代，在航天工程項(xiàng)目牽引推動(dòng)下，中國(guó)科學(xué)院大連化物所、上海空間電源研究所、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所等單位合作參與燃料電池研究，成功研制出小功率堿性石棉膜燃料電池樣機(jī)。
自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，在國(guó)際燃料電池研究熱潮帶動(dòng)下，掀起PEMFC技術(shù)研究第二次高潮，主要研究單位以中科院、高等院校以及少數(shù)企業(yè)為主，包括車用燃料電池技術(shù)、分布式燃料電池發(fā)電技術(shù)、燃料電池應(yīng)急/備用式電源技術(shù)以及小型便攜式燃料電池電源技術(shù)等[14-15]。
針對(duì)空間氫氧燃料電池應(yīng)用，上海空間電源研究所在國(guó)內(nèi)首次成功開(kāi)發(fā)出圖8所示基于輕質(zhì)金屬雙極板的靜態(tài)排水氫氧燃料電池電源系統(tǒng)樣機(jī)，完成樣機(jī)三軸四向性能測(cè)試，驗(yàn)證空間微重力環(huán)境適應(yīng)性；完成樣機(jī)低溫、真空模擬環(huán)境試驗(yàn)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出針對(duì)上面級(jí)火箭主電源應(yīng)用場(chǎng)景千瓦級(jí)氫氧燃料電池主電源原理樣機(jī)并設(shè)計(jì)型號(hào)應(yīng)用方案，完成型號(hào)樣機(jī)研制。
圖8 千瓦級(jí)氫氧燃料電池型號(hào)樣機(jī)
在可再生燃料電池方面，上?？臻g電源研究所研制基本具備臨近空間環(huán)境適用性的再生燃料電池儲(chǔ)能系統(tǒng)地面樣機(jī)。
2022年11月12日，北京衛(wèi)星制造廠將燃料電池搭載于天舟五號(hào)，開(kāi)展我國(guó)首次燃料電池能源太空在軌試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了空間燃料電池能源系統(tǒng)在軌艙外真空、低溫及微重力條件下發(fā)電特性、變功率響應(yīng)規(guī)律以及電化學(xué)反應(yīng)的界面特性，為空間燃料電池能源系統(tǒng)的研制和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)提供了重要的數(shù)據(jù)和理論支撐。
2.3 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展情況
2.3.1 閉式循環(huán)發(fā)電技術(shù)
在地面等有空氣環(huán)境中，燃料電池陰極氧化劑為空氣，采用直排的方式提供過(guò)量的空氣參與電化學(xué)反應(yīng)，在空間及水下等無(wú)空氣密閉空間，需攜帶氧氣為燃料電池陰極提供氧化劑，為提高氧氣利用率，采用氧氣循環(huán)的方式滿足發(fā)電和排水需求，閉式循環(huán)發(fā)電技術(shù)旨在提供氫氣氧氣循環(huán)的同時(shí)最大程度減少氣體排放，提高密閉空間氫氧發(fā)電安全性[16]。常用的循環(huán)裝置可分為有源主動(dòng)式與無(wú)源被動(dòng)式兩種類型。
有源循環(huán)器件如氣體循環(huán)泵，可根據(jù)燃料電池不同發(fā)電功率主動(dòng)調(diào)節(jié)循環(huán)流量，然而其需要額外供電，增加了系統(tǒng)輔助功耗，降低了發(fā)電效率，機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件在壽命和密封性上存在安全風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)源循環(huán)器件如引射器根據(jù)燃料電池氫氣/氧氣消耗量被動(dòng)調(diào)節(jié)循環(huán)流量，無(wú)需外部供電，無(wú)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)部件，體積小質(zhì)量輕，具備更好發(fā)展?jié)摿Α?
循環(huán)泵與引射器都曾被用于氫氧燃料電池的循環(huán)裝置，美國(guó)ARGONNE實(shí)驗(yàn)室為綜合二者優(yōu)勢(shì)，制備了循環(huán)泵與引射器復(fù)合裝置，雖然一定程度上提升了低功率發(fā)電工況下的循環(huán)流量，但是增加了系統(tǒng)復(fù)雜程度，不利于系統(tǒng)控制[17]。
為了提高引射器在小功率下的循環(huán)流量，可采用變孔徑引射器、多級(jí)引射等方式[18-19]，Teledyne能源系統(tǒng)公司采用三級(jí)引射滿足不同功率范圍的氣體循環(huán)需求，有效解決了單引射器與電堆功率的適配問(wèn)題，改善了低功率工況下循環(huán)效果。
2.3.2 熱管理技術(shù)
氫氧燃料電池發(fā)電效率在50%~70%之間，相同發(fā)電功率下相比鋰電池產(chǎn)熱更多。相比鋰電池電源系統(tǒng)，燃料電池需采用更高效的熱管理策略。常見(jiàn)的技術(shù)手段有散熱片冷卻技術(shù)、液體介質(zhì)冷卻技術(shù)、相變冷卻技術(shù)[20]。
散熱片冷卻技術(shù)將電堆產(chǎn)熱從電堆中心區(qū)域傳導(dǎo)至電堆邊緣，通常采用高導(dǎo)熱材料如石墨等，Ballad設(shè)計(jì)的Nexa燃料電池工程樣機(jī)即采用石墨雙極板進(jìn)行導(dǎo)熱[21]。
液體介質(zhì)冷卻是應(yīng)用最廣泛的冷卻技術(shù)，其利用去離子水或防凍冷卻液流經(jīng)冷卻流場(chǎng)帶出反應(yīng)產(chǎn)生熱量。液冷技術(shù)包括液冷流場(chǎng)設(shè)計(jì)，流道設(shè)計(jì)，液冷介質(zhì)選取等，對(duì)流場(chǎng)、流道、介質(zhì)的優(yōu)化能夠進(jìn)一步地提升液冷技術(shù)散熱效率。阿波羅飛船燃料電池系統(tǒng)采用乙二醇作為液冷介質(zhì)，熱乙二醇在消耗型水蒸發(fā)器中冷卻。
相變冷卻是利用相變過(guò)程的熱量變化，使不同形態(tài)的冷卻介質(zhì)在電堆內(nèi)部發(fā)生相變循環(huán)，從而帶出熱量的散熱技術(shù)。與液冷技術(shù)相比，其介質(zhì)流速較慢且無(wú)需氣體循環(huán)泵，能夠進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)[22]。
空間氫氧燃料電池?zé)峁芾沓Ｅc飛行器整體熱控系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，采用多種冷卻方法，石墨化雙極板導(dǎo)熱，液冷介質(zhì)流出電堆后經(jīng)相變冷卻散熱重新進(jìn)行熱循環(huán)。
2.3.3 氫氧排放與水循環(huán)利用技術(shù)
考慮密閉空間條件下的安全性需求，氫氧排放氣量需要盡可能少，未反應(yīng)氫氣需要妥善處理。為了減少燃料電池內(nèi)雜質(zhì)氣體的積累，需要少量間歇排放尾氣，可將排放的氫氣和氧氣通入化學(xué)鏈燃燒消氫裝置，消氫催化劑盒等消氫裝置進(jìn)行處理，或排放至外部空間環(huán)境。
燃料電池產(chǎn)水有多種用途，水下場(chǎng)景應(yīng)用的燃料電池如德國(guó)212型潛艇，產(chǎn)水經(jīng)凈化后可用于乘員日常飲用需要；上世紀(jì)用于航天飛機(jī)的燃料電池產(chǎn)水，收集后被用于補(bǔ)充消耗型水蒸發(fā)器；近年來(lái)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外月面探測(cè)需求與技術(shù)手段發(fā)展，燃料電池反應(yīng)產(chǎn)水在水電解器制氧，航天員日常飲用水，散熱系統(tǒng)介質(zhì)補(bǔ)充，自身增濕需求等多種用途均有良好應(yīng)用前景。
2.4 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析
在航天領(lǐng)域中應(yīng)用過(guò)或現(xiàn)在正在研究的燃料電池根據(jù)電解質(zhì)類型可分為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和堿性燃料電池(AFC)。
堿性燃料電池在早期航天任務(wù)中已成功應(yīng)用，技術(shù)已相當(dāng)成熟。但隨著地面車用和站式PEMFC電源技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟，空間燃料電池技術(shù)研究已轉(zhuǎn)向以PEMFC為主。
傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)包括主動(dòng)式氣體循環(huán)泵和相分離器，系統(tǒng)復(fù)雜、寄生能耗高、可靠性低。因此，針對(duì)空間應(yīng)用場(chǎng)景，國(guó)內(nèi)外的研究集中在被動(dòng)式氣體循環(huán)或被動(dòng)式排水燃料電池及系統(tǒng)研究。通過(guò)非流過(guò)式None Flow Through(NFT)或噴射器驅(qū)動(dòng)Ejector Driven Reaction(EDR)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)的氣水分離和氣體循環(huán)，減少燃料電池系統(tǒng)復(fù)雜度、降低輔助功耗、減小系統(tǒng)體積質(zhì)量、提高燃料電池系統(tǒng)功率密度[23]。
近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外載人探月計(jì)劃的公布與持續(xù)推進(jìn)，結(jié)合水電解技術(shù)的可再生燃料電池系統(tǒng)具有月面高比能儲(chǔ)能、原位資源綜合利用、熱電聯(lián)供與生命保障等多方面的能源系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，可再生燃料電池成為未來(lái)空間氫氧發(fā)電技術(shù)最具潛力的應(yīng)用方向[24]。
圖9為國(guó)內(nèi)外氫氧燃料電池發(fā)展趨勢(shì)圖。為滿足深空探測(cè)尤其是月面科研基地需求，氫氧燃料電池向系統(tǒng)簡(jiǎn)化的被動(dòng)式水氣管理、閉式循環(huán)以及結(jié)合水電解技術(shù)的可再生燃料電池技術(shù)方向發(fā)展。
圖9 國(guó)內(nèi)外空間氫氧燃料電池發(fā)展趨勢(shì)圖
三、模擬仿真
燃料電池與傳統(tǒng)儲(chǔ)能電池電源技術(shù)有顯著不同，其本身不儲(chǔ)存能量，只是化學(xué)能-電能轉(zhuǎn)化場(chǎng)所，需要持續(xù)供應(yīng)燃料和氧化劑來(lái)維持電能輸出，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，燃料電池具有不同電源系統(tǒng)特性。本文針對(duì)運(yùn)載火箭上面級(jí)、載人月球探測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)電源系統(tǒng)的具體需求，對(duì)比燃料電池與其他電源系統(tǒng)方案，分析空間氫氧發(fā)電技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
3.1 利用液氫液氧推進(jìn)劑的一次燃料電池
上面級(jí)是多級(jí)火箭的第一級(jí)以上的部分，通常為第二級(jí)或第三級(jí)，功能包括完成從低軌道到同步轉(zhuǎn)移軌道、地球同步軌道、太陽(yáng)同步軌道等各種軌道的有效載荷運(yùn)送。燃料電池可利用液氫液氧推進(jìn)劑進(jìn)行發(fā)電，且在電源系統(tǒng)能量密度上具有顯著的優(yōu)勢(shì) 。
針對(duì)運(yùn)載火箭末級(jí)推進(jìn)劑再利用，滿足條件的電源系統(tǒng)方案如下：
(1)鋰氟化碳電池組供電方案
鋰氟化碳電池組電源系統(tǒng)由多個(gè)電池組串聯(lián)而成，以達(dá)到輸出電壓要求。電源系統(tǒng)包括電源管理器等基本配套元件。
(2)燃料電池供電方案
燃料電池方案包括燃料電池子系統(tǒng)，蓄電池組，反應(yīng)氣體儲(chǔ)存裝置以及其他配套設(shè)備。
燃料電池本身不儲(chǔ)存能量，發(fā)電裝置的體積質(zhì)量不隨能量需求增加而增加。相比于火箭上面級(jí)剩余液氫液氧燃料，燃料電池氫氧消耗量非常少，因此無(wú)需額外攜帶燃料。
對(duì)比不同留軌任務(wù)周期內(nèi)的電源系統(tǒng)質(zhì)量和能量密度如圖10和圖11所示。由圖可知，當(dāng)留軌時(shí)間大于1天時(shí)，燃料電池電源方案優(yōu)于鋰氟化碳電源方案，且隨著任務(wù)周期延長(zhǎng)，燃料電池電源方案優(yōu)勢(shì)更加明顯，在10天任務(wù)周期內(nèi)燃料電池電源系統(tǒng)能量密度(不含氫氧燃料質(zhì)量)可達(dá)2 600 Wh/kg，且推進(jìn)劑仍然充分剩余。
圖10 電源系統(tǒng)質(zhì)量對(duì)比分析圖
圖11 電源系統(tǒng)能量密度對(duì)比分析圖
3.2 月面可再生燃料電池
中國(guó)探月工程三期圓滿收官后，探月工程四期已全面啟動(dòng)，中國(guó)航天事業(yè)正全面開(kāi)啟星際探測(cè)的新征程。中國(guó)將陸續(xù)發(fā)射嫦娥六號(hào)、嫦娥七號(hào)、嫦娥八號(hào)探測(cè)器，開(kāi)展任務(wù)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和國(guó)際月球科研站建設(shè)。其中嫦娥六號(hào)計(jì)劃到月球背面采樣，并構(gòu)建環(huán)月球通信導(dǎo)航衛(wèi)星星座。
能源系統(tǒng)作為月面探測(cè)裝置的核心，決定了載人月面探測(cè)任務(wù)的可行與成敗，月面能源主要有月晝功率輸出和月夜儲(chǔ)能的需求[25]。
針對(duì)長(zhǎng)期月面探測(cè)任務(wù)能源需求，滿足條件的電源系統(tǒng)方案如下：
(1)太陽(yáng)電池+鋰電池供電方案
電源系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)考慮總體能源需求，電源系統(tǒng)由太陽(yáng)電池陣，蓄電池組構(gòu)成。
鋰電池組負(fù)責(zé)滿足月夜駐留階段能量需求以及載人移動(dòng)階段功率需求；太陽(yáng)電池陣滿足有人移動(dòng)、有人駐留以及月夜駐留等階段能量需求。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖12所示。
圖12 太陽(yáng)電池陣+鋰電池組電源系統(tǒng)架構(gòu)
(2)太陽(yáng)電池+可再生燃料電池供電方案
電源系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)考慮總體能源需求，電源系統(tǒng)由燃料電池組，蓄電池組，太陽(yáng)電池陣構(gòu)成。
燃料電池組與蓄電池組共同負(fù)責(zé)滿足月面駐留階段能量需求以及載人移動(dòng)階段的功率需求；太陽(yáng)電池陣滿足有人移動(dòng)、有人駐留以及月夜駐留等階段的能量需求。
其系統(tǒng)架構(gòu)如圖13所示。
圖13 太陽(yáng)電池陣+可再生燃料電池電源系統(tǒng)架構(gòu)
基于特定任務(wù)場(chǎng)景邊界條件，對(duì)比不同月夜功率需求條件下的能源系統(tǒng)方案，對(duì)比結(jié)果如圖14和圖15所示。
圖14 電源系統(tǒng)及太陽(yáng)電池陣質(zhì)量對(duì)比分析圖
圖15 電源系統(tǒng)月夜能量密度對(duì)比分析圖
對(duì)圖14和圖15進(jìn)行分析可見(jiàn)，當(dāng)載人月面移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室月夜功率需求＞100 W時(shí)，太陽(yáng)電池+可再生燃料電池方案具有系統(tǒng)質(zhì)量和能量密度方面優(yōu)勢(shì)，且隨著月夜功率需求增加，優(yōu)勢(shì)更加明顯。雖然可再生燃料電池系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率低于鋰電池，導(dǎo)致可再生燃料電池方案配置太陽(yáng)電池翼質(zhì)量更大，但整個(gè)能源系統(tǒng)能量密度仍是太陽(yáng)電池+可再生燃料電池方案占優(yōu)。
可再生燃料電池不僅在質(zhì)量、功率密度方面具有優(yōu)勢(shì)，而且由于燃料電池反應(yīng)過(guò)程與外界不僅有能量交換，還有氫、氧、水等物質(zhì)交換，因此在月面原位資源利用、推進(jìn)動(dòng)力、環(huán)控生保方面實(shí)現(xiàn)兼容[26]。
在月面原位資源利用方面，月球可以利用的原位資源有兩種，分別是富含金屬氧化物的礦石和位于月球表面坑洞中的冰。金屬氧化物礦石中包含豐富的氧元素，可以通過(guò)化學(xué)催化反應(yīng)得到水，產(chǎn)物水可作為水電解器的反應(yīng)物，月球表面分布最多的氧化物類型為FeO。月面的另一種重要資源是位于月球南極及北極坑洞中的冰，可作為水電解器反應(yīng)物供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)氫、氧介質(zhì)獲取[27-28]。上述原位資源利用技術(shù)能夠滿足載人月球探測(cè)飛行器、月面居住艙、月球基地等對(duì)水的需求，燃料電池可以通過(guò)氫、氧介質(zhì)反應(yīng)滿足對(duì)能源的需求。
在推進(jìn)動(dòng)力兼容利用方面，載人航天任務(wù)中飛船、地月轉(zhuǎn)移器及推進(jìn)器等飛行器中，再生燃料可利用推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)揮發(fā)的低溫推進(jìn)劑如液氫進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)與推進(jìn)動(dòng)力分系統(tǒng)工質(zhì)共用，同時(shí)發(fā)電產(chǎn)生熱能可用于低溫推進(jìn)劑升溫加熱，實(shí)現(xiàn)熱能的回收利用。此外，再生燃料電池水電解器產(chǎn)生的氫、氧介質(zhì)可作為推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)燃料。對(duì)于載人月面探測(cè)，通過(guò)將再生燃料電池與月面著陸上升器等運(yùn)載推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì)，再生燃料電池在利用月面冰資源再生產(chǎn)生生命保障用氧、水介質(zhì)的同時(shí)，將產(chǎn)生的氫氣高壓儲(chǔ)存作為著陸上升器等運(yùn)載工具推進(jìn)燃料，又可以通過(guò)燃料電池發(fā)電為飛行器提供電力保障，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)月面原位資源最大化循環(huán)綜合利用。
在環(huán)控生保兼容利用方面，可再生燃料電池系統(tǒng)可通過(guò)熱管理系統(tǒng)接口、介質(zhì)接口等，實(shí)現(xiàn)與飛行器、月面居住艙等設(shè)施設(shè)備環(huán)控生保一體化。在載人飛行器中，空間再生氫氧燃料電池發(fā)電產(chǎn)物水可以提供可供宇航員飲用和飛行器艙氣體加濕的水，而且液態(tài)氧系統(tǒng)同時(shí)還可以作為飛船的備用生命保障系統(tǒng)。因此，在航天飛機(jī)、載人飛船中再生燃料電池可與生保環(huán)控分系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，在運(yùn)行過(guò)程中為宇航員提供補(bǔ)給保障。
3.3 電源系統(tǒng)對(duì)比分析
綜合以上典型應(yīng)用場(chǎng)景與相匹配的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)比分析，可以看到，一次燃料電池在液氫液氧推進(jìn)劑一體化設(shè)計(jì)方向，可再生燃料電池在月夜儲(chǔ)能、月面資源利用方向具有高能量密度優(yōu)勢(shì)，是較為理想的電源系統(tǒng)方案。
燃料電池在地面車載應(yīng)用工況下已具有較成熟的高低溫、振動(dòng)、低氣壓等環(huán)境適應(yīng)性，以及運(yùn)行壽命、可靠性等方面的應(yīng)用和驗(yàn)證，但面對(duì)空間應(yīng)用環(huán)境，燃料電池還未開(kāi)展充分環(huán)境適應(yīng)性、可靠性和系統(tǒng)控制驗(yàn)證。面對(duì)空間應(yīng)用比地面應(yīng)用更嚴(yán)苛的振動(dòng)、微重力等條件，燃料電池電源技術(shù)在針對(duì)空間應(yīng)用工況的力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)、電源系統(tǒng)耐久性試驗(yàn)方面存在不足，在應(yīng)用電源系統(tǒng)層面，燃料電池電源系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制與自動(dòng)運(yùn)行等工程實(shí)踐方面仍存在差距，需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。
四、空間氫氧發(fā)電技術(shù)發(fā)展建議
空間應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)能源需求較為迫切，鋰氟化碳電池，燃料電池，太陽(yáng)能電池等電源系統(tǒng)是可行的方案。通過(guò)對(duì)典型的空間應(yīng)用場(chǎng)景分析可知，對(duì)于可利用液氫液氧推進(jìn)劑剩余量的先進(jìn)上面級(jí)火箭、載人月球探測(cè)則是燃料電池未來(lái)最具潛力的應(yīng)用場(chǎng)景。
目前，燃料電池電源技術(shù)在空間環(huán)境適應(yīng)性、耐久性與可靠性、電源系統(tǒng)自動(dòng)化控制等方面仍存在差距。未來(lái)燃料電池應(yīng)以運(yùn)載上面級(jí)應(yīng)用為短期目標(biāo)，突破空間燃料電池高可靠水氣管理發(fā)電技術(shù)、密閉空間零排放安全性提升技術(shù)，液氫液氧燃料一體化利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一次燃料電池空間型號(hào)應(yīng)用；以載人月球探測(cè)為長(zhǎng)期目標(biāo)，突破大功率再生燃料電池系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)與研制、再生燃料電池與推進(jìn)動(dòng)力、綜合熱控、生命保障、原位資源利用等的一體化設(shè)計(jì)與智能化、多樣化應(yīng)用等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可再生燃料電池的空間應(yīng)用。
五、結(jié)論
本文介紹了空間氫氧發(fā)電技術(shù)特征，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外空間氫氧發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)運(yùn)載火箭上面級(jí)推進(jìn)劑發(fā)電場(chǎng)景與月面可再生發(fā)電場(chǎng)景，對(duì)比了多種技術(shù)路線的空間電源系統(tǒng)方案，分析能量需求與電源系統(tǒng)特性參數(shù)的變化規(guī)律，指出燃料電池技術(shù)的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用場(chǎng)景，面向工程化應(yīng)用，還需解決系統(tǒng)可靠性提升、能源系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)、智能化系統(tǒng)控制等系統(tǒng)技術(shù)問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)空間氫氧發(fā)電技術(shù)在載人航天、深空探測(cè)等領(lǐng)域的型號(hào)應(yīng)用。
