摘要：针对空间应用场景下的能源需求，对空间氢氧燃料电池技术现状和发展趋势进行分析，总结国内外在空间氢氧燃料电池发电技术的发展趋势，面向利用液氢液氧推进剂的一次燃料电池以及月面可再生电池应用场景，对多种空间电源技术方案进行对比，发现空间氢氧燃料电池在运载火箭上面级推进剂利用、月面探测能源系统、月球原位资源利用、长时间月面驻留等应用场景具有较高潜力。通过分析空间应用场景下氢氧燃料电池电源系统特点，对未来空间氢氧燃料电池技术发展趋势，空间氢氧燃料电池技术发展方向提出展望。
关键词：空间场景；氢氧燃料电池；电源系统；月面资源利用
新一代运载火箭上面级、空间飞行器以及载人登月等应用对电源提出更高的能量密度、功率密度及效率要求。燃料电池技术作为一项非常重要的空间电源技术，可将液氢、液氧推进剂的化学能直接转化为电能，不但可作为飞行器的主电源，而且可与飞行器推进子系统、环控生命保障子系统、原位资源利用子系统实现工质共用，对于减轻发射质量、降低发射成本等具有重要意义。
本文从空间型号应用对电源系统的需求出发，对国内外空间氢氧燃料电池技术在航天工程中的应用和发展情况进行阐述，针对典型空间应用场景下的能源需求，对比分析燃料电池与其他电源系统方案在能量密度、资源综合利用等方面的差异，重点分析月面探测能源需求，针对空间氢氧燃料电池电源系统优势应用场景，点明空间氢氧发电技术的未来发展方向。
一、空间氢氧发电技术分类
根据空间工程应用场景对电源系统具体需求，空间氢氧发电技术可分为具备放电功能的一次燃料电池技术和具备充放电功能的可再生燃料电池技术。空间氢氧发电技术原理和组成如下所述。
1.1 一次燃料电池
空间用一次燃料电池即氢氧质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)是一种能够将氢燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的电化学装置[图1(a)]。质子交换膜燃料电池一般在阳极采用氢气为燃料，针对密闭空间使用环境，阴极采用氧气为氧化剂。
在阳极，氢气在催化剂的作用下反应产生质子和电子，电子通过外电路传输到阴极，过程中对外输出电能，质子通过质子交换膜传输到阴极；在阴极，氧气和从阳极传输过来的质子和电子反应生成水，同时释放热量[1]。
1.2 可再生燃料电池
可再生燃料电池是在一次氢氧燃料电池基础上发展起来的产生、储存和利用氢气/氧气的电化学装置，是将水电解技术和氢氧燃料电池技术相结合的一种新型发电装置[图1(b)][2]。
在光照期，电解器电解水(一般由太阳电池供电)制取氢气和氧气，分离除湿后储存在储罐中；在阴影期，燃料电池使用储存的氢气和氧气发电，满足载荷需求。反应产物水经收集后，又可通过电解产生氢气和氧气供燃料电池使用，实现物质和能量的循环利用。
图1 燃料电池原理示意图
二、国内外空间氢氧发电技术应用和发展趋势
2.1 国外研究进展情况
20世纪60到70年代，在载人航天技术带动下，燃料电池技术得以蓬勃发展。
1962—1965年间，PEMFC在双子星座(Gemini)载人飞船飞行任务中得到应用，累计飞行时间超过5 000 h。同期，氢氧碱性燃料电池(AFC)作为主电源成功应用于阿波罗(Apollo)登月飞船上，为人类首次登月做出贡献[3-4]。
随后，碱性石棉膜燃料电池作为主电源还在美国太空实验室(Sky-lab)、Apollo-Soyus、航天飞机(space shuttle)以及俄罗斯的月球轨道器等其它空间飞行器上得以成功应用。航天飞机装备三套燃料电池发电装置，平均功率达到7 kW。随着地面车用和站式PEMFC电源技术不断进步和成熟，美国NASA增加对空间PEMFC应用技术研究。研究表明，由于使用全固态质子交换膜，PEMFC具有高比能量、高可靠性、长寿命、可模块化设计，易维护、可持续高功率放电、寿命不受放电深度影响、无自放电、动态响应速度快、可兼容使用推进剂作燃料等优点[5-7]。
从2001年开始，美国NASA制定第一个五年计划大力发展PEMFC技术。基于第一个五年开发计划，美国NASA从2006年开始支持新一代空间PEMFC技术开发，以克服上一阶段研究中所暴露出问题和不足。图2所示为新一代空间PEMFC工程样机，其采用被动的水、热管理技术实现燃料电池排水、排热。
被动排水原理是在电池阴极增加一个排水组件，组件材料常用多孔板、选择性透过膜，燃料电池生成水通过排水组件排出并阻止反应气体排出。该技术可使燃料电池电堆无需通过气体流动来排水，从而可以省去气体循环泵、外部相分离器、气体加湿器等辅助设备。该技术使反应物在电堆内全部消耗，电堆出口无反应物排出，因此被称之为非流过式燃料电池堆。
图2 NASA空间燃料电池工程样机(第二阶段)
NASA格林研究中心对Infinity公司研制的被动式PEM燃料电池在圣甲虫月球车(SCARAB rover)上成功进行验证测试，如图3所示。研究人员用模拟月球表面行驶工况对燃料电池性能进行测试，成功验证被动式燃料电池在移动电源应用能力[8]。
图3 被动式PEMFC在月球车上测试
Teledyne能源系统公司(TESI)开发了一种基于氢氧燃料电池的喷射器驱动反应物循环系统(ejector-driven reactant, EDR)。该系统主要由质子交换膜燃料电池堆，排水组件以及喷射器电磁阀组成，如图 4所示。这一系统优势在于放弃机械泵，改用被动式喷射器将氢气和氧气输运到电池中，减少了寄生能量消耗[9]。
第一代EDR燃料电池是由NASA在2013年为美国海军无人潜航器(unmanned underwater vehicle, UUV)所生产调试的，其关键部件为不锈钢材质，这使EDR燃料电池的质量很大，不能满足航天器需求[10]。在2016年，开发了如图4所示的第二代EDR燃料电池系统，即标准EDR燃料电池。标准EDR燃料电池是一个重15.4 kg、高566 mm、宽188 mm以及最薄侧为110 mm的系统，最大持续功率为6 kW，峰值功率为8 kW，设计工作时长为7 000 h，已被认为可以应用于无人驾驶飞行器和太空飞船中。
图4 EDR燃料电池及其喷射器驱动系统
2006年，美国宇航局格伦研究中心验证了闭式循环氢氧PEM再生燃料电池(RFC)在额定功率下进行多次充电/放电循环闭环操作[11]。2013年，NASA开发出模块化再生燃料电池为ATHLETE机器人供能。图5为供能过程示意图[12]。
图5 再生燃料电池电池系统为ATHLETE充电图
2011年，日本宇宙航空研究开发机构为其平流层平台项目设计并制造了100 W集成可再生燃料电池电堆与1 kW试验型可再生燃料电池电堆，对燃料电池正常工作状况进行了测试，模拟了物料平衡过程[13]。
2019年，欧洲航天局提出“赫拉克勒斯”计划，计划发射月球探测车满足月面探测以及样本采集需求。图6为月球车着陆示意图。月球车考虑使用可再生燃料电池技术满足月面探测车能源需求。欧空局已设计并制造由两个10单体质子交换膜燃料电池堆组成的工程样机，在常规和特定操作条件下进行了结构装配强度测试，抗震动测试以及长时间额定工况测试。
图6 赫拉克勒斯月球探测车着陆示意图
2020年，美国NASA基于月面探测需求，与Infinity公司合作，计划开发一种可扩展、模块化和灵活的可再生燃料电池，并建立图7所示月面可再生循环系统，月昼利用太阳能电解水制备氢气与氧气，月夜通过燃料电池进行发电。
图7 月球表面的循环可再生能源系统
2.2 国内研究进展情况
20世纪70年代，在航天工程项目牵引推动下，中国科学院大连化物所、上海空间电源研究所、中国电子科技集团公司第十八研究所等单位合作参与燃料电池研究，成功研制出小功率碱性石棉膜燃料电池样机。
自20世纪90年代开始，在国际燃料电池研究热潮带动下，掀起PEMFC技术研究第二次高潮，主要研究单位以中科院、高等院校以及少数企业为主，包括车用燃料电池技术、分布式燃料电池发电技术、燃料电池应急/备用式电源技术以及小型便携式燃料电池电源技术等[14-15]。
针对空间氢氧燃料电池应用，上海空间电源研究所在国内首次成功开发出图8所示基于轻质金属双极板的静态排水氢氧燃料电池电源系统样机，完成样机三轴四向性能测试，验证空间微重力环境适应性；完成样机低温、真空模拟环境试验，达到国际先进水平。在此基础上，开发出针对上面级火箭主电源应用场景千瓦级氢氧燃料电池主电源原理样机并设计型号应用方案，完成型号样机研制。
图8 千瓦级氢氧燃料电池型号样机
在可再生燃料电池方面，上海空间电源研究所研制基本具备临近空间环境适用性的再生燃料电池储能系统地面样机。
2022年11月12日，北京卫星制造厂将燃料电池搭载于天舟五号，开展我国首次燃料电池能源太空在轨试验，初步验证了空间燃料电池能源系统在轨舱外真空、低温及微重力条件下发电特性、变功率响应规律以及电化学反应的界面特性，为空间燃料电池能源系统的研制和关键技术攻关提供了重要的数据和理论支撑。
2.3 关键技术发展情况
2.3.1 闭式循环发电技术
在地面等有空气环境中，燃料电池阴极氧化剂为空气，采用直排的方式提供过量的空气参与电化学反应，在空间及水下等无空气密闭空间，需携带氧气为燃料电池阴极提供氧化剂，为提高氧气利用率，采用氧气循环的方式满足发电和排水需求，闭式循环发电技术旨在提供氢气氧气循环的同时最大程度减少气体排放，提高密闭空间氢氧发电安全性[16]。常用的循环装置可分为有源主动式与无源被动式两种类型。
有源循环器件如气体循环泵，可根据燃料电池不同发电功率主动调节循环流量，然而其需要额外供电，增加了系统辅助功耗，降低了发电效率，机械旋转部件在寿命和密封性上存在安全风险。无源循环器件如引射器根据燃料电池氢气/氧气消耗量被动调节循环流量，无需外部供电，无机械运转部件，体积小质量轻，具备更好发展潜力。
循环泵与引射器都曾被用于氢氧燃料电池的循环装置，美国ARGONNE实验室为综合二者优势，制备了循环泵与引射器复合装置，虽然一定程度上提升了低功率发电工况下的循环流量，但是增加了系统复杂程度，不利于系统控制[17]。
为了提高引射器在小功率下的循环流量，可采用变孔径引射器、多级引射等方式[18-19]，Teledyne能源系统公司采用三级引射满足不同功率范围的气体循环需求，有效解决了单引射器与电堆功率的适配问题，改善了低功率工况下循环效果。
2.3.2 热管理技术
氢氧燃料电池发电效率在50%~70%之间，相同发电功率下相比锂电池产热更多。相比锂电池电源系统，燃料电池需采用更高效的热管理策略。常见的技术手段有散热片冷却技术、液体介质冷却技术、相变冷却技术[20]。
散热片冷却技术将电堆产热从电堆中心区域传导至电堆边缘，通常采用高导热材料如石墨等，Ballad设计的Nexa燃料电池工程样机即采用石墨双极板进行导热[21]。
液体介质冷却是应用最广泛的冷却技术，其利用去离子水或防冻冷却液流经冷却流场带出反应产生热量。液冷技术包括液冷流场设计，流道设计，液冷介质选取等，对流场、流道、介质的优化能够进一步地提升液冷技术散热效率。阿波罗飞船燃料电池系统采用乙二醇作为液冷介质，热乙二醇在消耗型水蒸发器中冷却。
相变冷却是利用相变过程的热量变化，使不同形态的冷却介质在电堆内部发生相变循环，从而带出热量的散热技术。与液冷技术相比，其介质流速较慢且无需气体循环泵，能够进一步简化系统[22]。
空间氢氧燃料电池热管理常与飞行器整体热控系统集成设计，采用多种冷却方法，石墨化双极板导热，液冷介质流出电堆后经相变冷却散热重新进行热循环。
2.3.3 氢氧排放与水循环利用技术
考虑密闭空间条件下的安全性需求，氢氧排放气量需要尽可能少，未反应氢气需要妥善处理。为了减少燃料电池内杂质气体的积累，需要少量间歇排放尾气，可将排放的氢气和氧气通入化学链燃烧消氢装置，消氢催化剂盒等消氢装置进行处理，或排放至外部空间环境。
燃料电池产水有多种用途，水下场景应用的燃料电池如德国212型潜艇，产水经净化后可用于乘员日常饮用需要；上世纪用于航天飞机的燃料电池产水，收集后被用于补充消耗型水蒸发器；近年来，结合国内外月面探测需求与技术手段发展，燃料电池反应产水在水电解器制氧，航天员日常饮用水，散热系统介质补充，自身增湿需求等多种用途均有良好应用前景。
2.4 技术发展趋势分析
在航天领域中应用过或现在正在研究的燃料电池根据电解质类型可分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)和碱性燃料电池(AFC)。
碱性燃料电池在早期航天任务中已成功应用，技术已相当成熟。但随着地面车用和站式PEMFC电源技术的不断进步和成熟，空间燃料电池技术研究已转向以PEMFC为主。
传统燃料电池系统包括主动式气体循环泵和相分离器，系统复杂、寄生能耗高、可靠性低。因此，针对空间应用场景，国内外的研究集中在被动式气体循环或被动式排水燃料电池及系统研究。通过非流过式None Flow Through(NFT)或喷射器驱动Ejector Driven Reaction(EDR)技术，实现被动的气水分离和气体循环，减少燃料电池系统复杂度、降低辅助功耗、减小系统体积质量、提高燃料电池系统功率密度[23]。
近年来，随着国内外载人探月计划的公布与持续推进，结合水电解技术的可再生燃料电池系统具有月面高比能储能、原位资源综合利用、热电联供与生命保障等多方面的能源系统优势，可再生燃料电池成为未来空间氢氧发电技术最具潜力的应用方向[24]。
图9为国内外氢氧燃料电池发展趋势图。为满足深空探测尤其是月面科研基地需求，氢氧燃料电池向系统简化的被动式水气管理、闭式循环以及结合水电解技术的可再生燃料电池技术方向发展。
图9 国内外空间氢氧燃料电池发展趋势图
三、模拟仿真
燃料电池与传统储能电池电源技术有显著不同，其本身不储存能量，只是化学能-电能转化场所，需要持续供应燃料和氧化剂来维持电能输出，在不同的应用场景下，燃料电池具有不同电源系统特性。本文针对运载火箭上面级、载人月球探测等应用场景下对电源系统的具体需求，对比燃料电池与其他电源系统方案，分析空间氢氧发电技术优势。
3.1 利用液氢液氧推进剂的一次燃料电池
上面级是多级火箭的第一级以上的部分，通常为第二级或第三级，功能包括完成从低轨道到同步转移轨道、地球同步轨道、太阳同步轨道等各种轨道的有效载荷运送。燃料电池可利用液氢液氧推进剂进行发电，且在电源系统能量密度上具有显著的优势 。
针对运载火箭末级推进剂再利用，满足条件的电源系统方案如下：
(1)锂氟化碳电池组供电方案
锂氟化碳电池组电源系统由多个电池组串联而成，以达到输出电压要求。电源系统包括电源管理器等基本配套元件。
(2)燃料电池供电方案
燃料电池方案包括燃料电池子系统，蓄电池组，反应气体储存装置以及其他配套设备。
燃料电池本身不储存能量，发电装置的体积质量不随能量需求增加而增加。相比于火箭上面级剩余液氢液氧燃料，燃料电池氢氧消耗量非常少，因此无需额外携带燃料。
对比不同留轨任务周期内的电源系统质量和能量密度如图10和图11所示。由图可知，当留轨时间大于1天时，燃料电池电源方案优于锂氟化碳电源方案，且随着任务周期延长，燃料电池电源方案优势更加明显，在10天任务周期内燃料电池电源系统能量密度(不含氢氧燃料质量)可达2 600 Wh/kg，且推进剂仍然充分剩余。
图10 电源系统质量对比分析图
图11 电源系统能量密度对比分析图
3.2 月面可再生燃料电池
中国探月工程三期圆满收官后，探月工程四期已全面启动，中国航天事业正全面开启星际探测的新征程。中国将陆续发射嫦娥六号、嫦娥七号、嫦娥八号探测器，开展任务关键技术攻关和国际月球科研站建设。其中嫦娥六号计划到月球背面采样，并构建环月球通信导航卫星星座。
能源系统作为月面探测装置的核心，决定了载人月面探测任务的可行与成败，月面能源主要有月昼功率输出和月夜储能的需求[25]。
针对长期月面探测任务能源需求，满足条件的电源系统方案如下：
(1)太阳电池+锂电池供电方案
电源系统方案设计考虑总体能源需求，电源系统由太阳电池阵，蓄电池组构成。
锂电池组负责满足月夜驻留阶段能量需求以及载人移动阶段功率需求；太阳电池阵满足有人移动、有人驻留以及月夜驻留等阶段能量需求。其系统架构如图12所示。
图12 太阳电池阵+锂电池组电源系统架构
(2)太阳电池+可再生燃料电池供电方案
电源系统方案设计考虑总体能源需求，电源系统由燃料电池组，蓄电池组，太阳电池阵构成。
燃料电池组与蓄电池组共同负责满足月面驻留阶段能量需求以及载人移动阶段的功率需求；太阳电池阵满足有人移动、有人驻留以及月夜驻留等阶段的能量需求。
其系统架构如图13所示。
图13 太阳电池阵+可再生燃料电池电源系统架构
基于特定任务场景边界条件，对比不同月夜功率需求条件下的能源系统方案，对比结果如图14和图15所示。
图14 电源系统及太阳电池阵质量对比分析图
图15 电源系统月夜能量密度对比分析图
对图14和图15进行分析可见，当载人月面移动实验室月夜功率需求＞100 W时，太阳电池+可再生燃料电池方案具有系统质量和能量密度方面优势，且随着月夜功率需求增加，优势更加明显。虽然可再生燃料电池系统的能量转换效率低于锂电池，导致可再生燃料电池方案配置太阳电池翼质量更大，但整个能源系统能量密度仍是太阳电池+可再生燃料电池方案占优。
可再生燃料电池不仅在质量、功率密度方面具有优势，而且由于燃料电池反应过程与外界不仅有能量交换，还有氢、氧、水等物质交换，因此在月面原位资源利用、推进动力、环控生保方面实现兼容[26]。
在月面原位资源利用方面，月球可以利用的原位资源有两种，分别是富含金属氧化物的矿石和位于月球表面坑洞中的冰。金属氧化物矿石中包含丰富的氧元素，可以通过化学催化反应得到水，产物水可作为水电解器的反应物，月球表面分布最多的氧化物类型为FeO。月面的另一种重要资源是位于月球南极及北极坑洞中的冰，可作为水电解器反应物供应，实现氢、氧介质获取[27-28]。上述原位资源利用技术能够满足载人月球探测飞行器、月面居住舱、月球基地等对水的需求，燃料电池可以通过氢、氧介质反应满足对能源的需求。
在推进动力兼容利用方面，载人航天任务中飞船、地月转移器及推进器等飞行器中，再生燃料可利用推进动力系统挥发的低温推进剂如液氢进行发电，实现与推进动力分系统工质共用，同时发电产生热能可用于低温推进剂升温加热，实现热能的回收利用。此外，再生燃料电池水电解器产生的氢、氧介质可作为推进动力系统燃料。对于载人月面探测，通过将再生燃料电池与月面着陆上升器等运载推进动力系统进行标准接口设计，再生燃料电池在利用月面冰资源再生产生生命保障用氧、水介质的同时，将产生的氢气高压储存作为着陆上升器等运载工具推进燃料，又可以通过燃料电池发电为飞行器提供电力保障，进一步实现月面原位资源最大化循环综合利用。
在环控生保兼容利用方面，可再生燃料电池系统可通过热管理系统接口、介质接口等，实现与飞行器、月面居住舱等设施设备环控生保一体化。在载人飞行器中，空间再生氢氧燃料电池发电产物水可以提供可供宇航员饮用和飞行器舱气体加湿的水，而且液态氧系统同时还可以作为飞船的备用生命保障系统。因此，在航天飞机、载人飞船中再生燃料电池可与生保环控分系统进行一体化设计，在运行过程中为宇航员提供补给保障。
3.3 电源系统对比分析
综合以上典型应用场景与相匹配的电源系统设计对比分析，可以看到，一次燃料电池在液氢液氧推进剂一体化设计方向，可再生燃料电池在月夜储能、月面资源利用方向具有高能量密度优势，是较为理想的电源系统方案。
燃料电池在地面车载应用工况下已具有较成熟的高低温、振动、低气压等环境适应性，以及运行寿命、可靠性等方面的应用和验证，但面对空间应用环境，燃料电池还未开展充分环境适应性、可靠性和系统控制验证。面对空间应用比地面应用更严苛的振动、微重力等条件，燃料电池电源技术在针对空间应用工况的力学振动试验、电源系统耐久性试验方面存在不足，在应用电源系统层面，燃料电池电源系统架构设计、系统控制与自动运行等工程实践方面仍存在差距，需要进行进一步研究。
四、空间氢氧发电技术发展建议
空间应用场景对能源需求较为迫切，锂氟化碳电池，燃料电池，太阳能电池等电源系统是可行的方案。通过对典型的空间应用场景分析可知，对于可利用液氢液氧推进剂剩余量的先进上面级火箭、载人月球探测则是燃料电池未来最具潜力的应用场景。
目前，燃料电池电源技术在空间环境适应性、耐久性与可靠性、电源系统自动化控制等方面仍存在差距。未来燃料电池应以运载上面级应用为短期目标，突破空间燃料电池高可靠水气管理发电技术、密闭空间零排放安全性提升技术，液氢液氧燃料一体化利用技术，实现一次燃料电池空间型号应用；以载人月球探测为长期目标，突破大功率再生燃料电池系统的集成设计与研制、再生燃料电池与推进动力、综合热控、生命保障、原位资源利用等的一体化设计与智能化、多样化应用等技术，实现可再生燃料电池的空间应用。
五、结论
本文介绍了空间氢氧发电技术特征，总结了国内外空间氢氧发电技术研究进展与发展趋势，针对运载火箭上面级推进剂发电场景与月面可再生发电场景，对比了多种技术路线的空间电源系统方案，分析能量需求与电源系统特性参数的变化规律，指出燃料电池技术的优势应用场景，面向工程化应用，还需解决系统可靠性提升、能源系统一体化设计、智能化系统控制等系统技术问题，以实现空间氢氧发电技术在载人航天、深空探测等领域的型号应用。
