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第5期
Vol 7 No 5
2012年10月
Journal of CAEIT
2012
といと
空间燃料电池技术发展
刘向,张伟,孙毅,张新荣,王涛
(上海空间电源研究所,上海200245
摘要:載人航天、探月与深空探測等空间计划需要高品质的电能源技术以支持负载的用电需求。
燃料电池具有高比能量等诸多优势和鲜明的特点,可在一些未来空间任务中发挥重要作用。主要
介绍了空间用的燃料电池技术发展现状和趋势,以及面向空间应用的主要问题及其解决途径。
关键词:空间应用;燃料电池;质子交换膜燃料电池;被动排水;传导散热
中图分类号:TM911.4文献标识码:A文章编号:1673-5692(2012)05472-05
The Development of Space Fuel Cell Technology
LIU Xiang, ZHANG Wei, SUN Yi, ZHANG Xin-rong, WANG Tao
Shanghai Institute of Space Power-sources, Shanghai 200245, China
Abstract: Future space missions need high performance electric power which meets user's requirements
Fuel cells which have many advantages will play an important role in future space applications. The de-
velopment status and prospects of space fuel cell technology, the main problems and solutions in space
applications are briefly introduced in this article
Key words: space application; fuel cell; PEMFC; passive water removal; conductive heat removal
为一次氢氧燃料电池技术和再生氢氧燃料电池技术
0引言
炳大类,从电池体系上可分为碱性燃料电池(AFC)、
质子交换膜燃料电池( PEMFC)2。下面主要介绍
目前,美国航天局(NASA)、欧空局、日本等都空间用的燃料电池技术发展现状和趋势,以及面向
制定了针对未来空间探测任务的空间燃料电池开发空间应用的主要问题及其解决途径。
计划。我国未来载人航天及空间探测计划也在有序
开展,未来还将涵盖登月、探火等空间任务,因此对1空间燃料电池技术的发展
新型空间电能源技术提出了更高的迫切需求。
燃料电池的核心概念是一种“电化学池”,可直接
20世纪60年代,在载人航天技术带动下燃料
将燃料和氧化剂中所蕴含的化学能以电化学方式转化电池技术得以蓬勃发展和应用。氢氧碱性燃料电池
为电能的能量转化器件,如果使用纯氢、纯氧为反应作为主电源成功应用于阿波罗( Apollo)登月飞船
物,反应产物只有水及热能。因此,氢-氧燃料电池上,为人类首次登月做出了贡献。随后,碱性石棉膜
在空间工程中具有很好的应用前景,可以与航天器、登燃料电池作为主电源还在美国太空实验室(Sky
陆器、巡视器及舱外活动装备中的电力系统、生命保障lab)、Apol-CSM、航天飞机( Shuttle)及俄罗斯的
系统、推进剂系统,以及原位资源利用系统等有效兼月球轨道器等其他空间飞行器上得以成功应用。
容,对于降低发射、飞行和探测成本具有重要意义。
1962~1965年间,质子交换膜燃料电池( PEMFC)多
燃糌电池技术在载人航天历史上是一项非常重次在双子星座( Gemini)载人飞船飞行任务中进行应
要的空间电能源技术,空间燃料电池从用途上可分用,累计飞行时间超过了5000小时。此后,NASA
收稿日期:2012-07-28修订日期:2012-08-10
方方数
方方数邦
方方数邦
2012年第5期
刘向等:空间燃料电池技术发展
475
0.90
"1:16.00E-05
传感器
0.80
-Water flux
加热器旁路闿
5.00E0。
冷却剂
0.70
泵循环热管理燃料
来自航
60
00E-05
燃料电池电池
且、天器冷
0.50
却系统
0.40
系0.30
P200E-05?
水箱
燃料电池系统
?0.20
换热器
0.10
1000
加热器
0.00.200.400.60080,00E+00
被动热管理燃料
冷却剂
燃料电池电池堆
温控阀
来自航
JA·cmr
天器冷
却系统
图6氢氧燃料电池排热和排水通量
燃料电池系统
换热器
为实现氢氧燃料电池的被动水、热管理,需设计
图7具有不同热管理方式的燃料电池系统
两种功能组件
形尺寸(长度Lx宽度0x厚度)、重量M(或密度
(1)空间PEM燃料电池双极板静态排水结构
p)、热导率k之间函数关系,建立数值模型,为双极
设计
板散热组件构设计和材料选择提供理论指导。假
双极板静态排水结构在电池中主要起到在电池设:散热结构等效为均质平板,其Q/M=1000w
全工况范围内满足排水要求(水通量≥2x10-5
g、9,=0.3W/cm2、长度L方向底边为热传导方向。
cm-2?s'),即达到与带气体循环泵系统相同的排
水效果。气-水分离膜一般采用均相膜、复合膜或微
孔膜,水在膜中的宏观扩散速度D是水的活度a、
水的浓度C、水的自扩散系数D,的函数°
92
、×D
d n C
水的扩散系数不但与膜的种类、厚度、温度、渗
透压等因素有关,甚至与双极板具体尺寸参数有关。
△T
根据电池堆工作特性和水通量,选择水扩散系数高
阻气性能好的膜材料,尚需进一步通过实验确定所
图8燃料电池传导散热结构模型
选膜的水通量与膜含水量、温度及压力(水蒸气分
根据图8所示模型可以进一步计算出双极板外
压和氧气分压)、结构之间的函数关系,建立精确水形尺寸设计与密度、热导率之间的关系,分别如图
渗透模型。
9、图10所示。
(2)空间PEM燃料电池双极板传导散热结构
=0.5mE##
35H=10mm
设计
'#1.5 mm
面问空间应用的燃料电池工作时电极上的热通量
E 20 aiw
般≤0.3W/cm2(电压≥0.8V、电流≤0.4A/cmn2),
张15
世10
目前正在研究开发的燃料电池系统中循环液冷系统
的重量比散热效率一般为400~600W/kg。双极板
4000800012000
的传导散热结构主要是替代目前使用的循环液冷系
导热系数/Wm1·K1
统,如图7所示。研究中双极板传导散热效率设
图9双极板外形尺寸设计与热导系数的关系