摘 要：空間技術(shù)的飛速發(fā)展需要新型能源系統(tǒng)，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）具有比能量高、無(wú)污染等特點(diǎn)，能夠滿足未來(lái)空間電源的要求。論文介紹了基于被動(dòng)散熱的質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理及組成，探討了被動(dòng)式熱管理單元關(guān)鍵技術(shù)及其相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

引  言

隨著空間技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，航天器在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)等任務(wù)中具有舉足輕重的作用[1]。能源系統(tǒng)作為航天器的重要組成部分，直接影響航天器的性能和壽命。目前，美國(guó)、俄羅斯等國(guó)已經(jīng)將燃料電池作為其航天器能源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，燃料電池已經(jīng)在國(guó)外飛行器上得到了成功應(yīng)用，并成為主要的能源供應(yīng)系統(tǒng)，如美國(guó)的雙子星座載人飛船、生物衛(wèi)星、阿波羅載人登月飛船、航天飛機(jī)、俄羅斯的月球軌道器和暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)[2]。歐盟針對(duì)目前的長(zhǎng)壽命通訊衛(wèi)星需求，已著手開(kāi)始可再生燃料電池作為主要能源輸出的技術(shù)研究。相比于其他電池來(lái)說(shuō)，燃料電池在相同的比功率條件下，具有的比能量最高。燃料電池電源系統(tǒng)由于其具有比能量高、靈活性好、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，既可以作為航天器上的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，又可與航天器的推進(jìn)、熱控、環(huán)控生保等系統(tǒng)共同構(gòu)成一體化綜合能源系統(tǒng)，其特點(diǎn)非常適用于載人航天任務(wù)。

本文針對(duì)燃料電池?zé)峁芾矸绞讲⒔Y(jié)合我國(guó)未來(lái)航天器能源需求，介紹了基于平板熱管的被動(dòng)式空間燃料電池?zé)峁芾砑夹g(shù)，提出了被動(dòng)式熱管理的核心技術(shù)和熱量管理方法。

1 空間燃料電池?zé)峁芾韱卧砑敖M成

燃料電池工作過(guò)程伴隨著大量廢熱的產(chǎn)生，必須進(jìn)行廢熱排散及溫度控制以保證電池工作溫度，而對(duì)于空間用燃料電池而言，同時(shí)需進(jìn)行節(jié)能及減重設(shè)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)針對(duì)空間燃料電池的熱控制及熱管理技術(shù)研究屬于空白，因此，高精度控溫及廢熱循環(huán)利用是燃料電池研究中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。被動(dòng)式熱管理技術(shù)NASA Glenn研究中心正致力于發(fā)展先進(jìn)的被動(dòng)熱管理技術(shù)，以減低用于星空探索中空間燃料電池的重量并提高其可靠性[3～7]。

1.1 空間燃料電池系統(tǒng)組成

依據(jù)空間燃料電池電源子系統(tǒng)外部接口和功能，將空間燃料電池電源子系統(tǒng)分為三個(gè)組成部分，燃料電池電堆、輔助系統(tǒng)（BOP）以及控制系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)包括氣管理單元，水管理單元和熱管理單元，分別控制燃料傳輸控制、生成水收集和利用，反應(yīng)熱收集和利用。空間燃料電池電源子系統(tǒng)總體組成如圖1所示。燃料電池在電池陽(yáng)極，氫氣發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生氫離子和電子，同時(shí)從周?chē)h(huán)境中吸收熱量，氫離子滲透穿越質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極催化層，電子通過(guò)外電路輸運(yùn)到陰極催化層，兩者在此與氧氣發(fā)生還原反應(yīng)生成水，并向周?chē)h(huán)境放出熱量。若不斷向燃料電池陽(yáng)極和陰極供給氫氣和氧氣，電池即可不斷向外輸出電流，同時(shí)釋放熱量和反應(yīng)生成水。

空間燃料電池的燃料由液氫液氧（占用盡可能小的體積和重量）提供，液氫液氧的溫度較低，無(wú)法直接使用，液氫液氧變?yōu)闅鈿錃庋醯倪^(guò)程中吸收大量的熱，這一部分熱量采用燃料電池產(chǎn)生的廢熱則可以降低系統(tǒng)功耗，提高系統(tǒng)效率。


圖1 空間燃料電池系統(tǒng)組成框圖
Fig.1 Space fuel cell system block diagram

1.2 被動(dòng)式熱管理與主動(dòng)式熱管理對(duì)比

燃料電池?zé)崃慨a(chǎn)生后需要及時(shí)從電堆中轉(zhuǎn)移出去以防堆芯過(guò)熱，轉(zhuǎn)移熱量的常規(guī)方法是通過(guò)冷卻介質(zhì)通入燃料電池電堆之中，通過(guò)其氣液換熱器或液液換熱器實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。該系統(tǒng)包含加熱器、換熱器、泵、控制器、調(diào)節(jié)閥等裝置。系統(tǒng)復(fù)雜，且重量較大。

被動(dòng)式熱管理采用散熱板將電堆產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到電堆外部邊緣的散熱板冷卻段，通過(guò)與散熱板集成的換熱器將熱量帶出電堆。

空間燃料電池充分利用航天器現(xiàn)有熱控系統(tǒng)資源，利用系統(tǒng)熱控工質(zhì)對(duì)燃料電池散熱，被動(dòng)熱管理的優(yōu)勢(shì)在于減低電池的重量，降低電池的復(fù)雜程度，提高電堆內(nèi)部溫度均勻性，進(jìn)而提高其可靠性。


圖2 被動(dòng)熱管理與常規(guī)熱管理對(duì)比圖
Fig.2 Comparison of passive thermal management with conventional thermal management

1.3 被動(dòng)式熱管理單元組成

空間燃料電池被動(dòng)式熱管理單元采用嵌入高效散熱方案，保證電堆的工作溫度；同時(shí)采用廢熱循環(huán)利用技術(shù)實(shí)現(xiàn)低溫液氫/氧的預(yù)加熱。合理高效的燃料電池?zé)峁芾砜梢员ＷC燃料電池的工作效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料供給的溫度和電堆內(nèi)部溫度的精確控制，保證燃料在進(jìn)入電堆前達(dá)到合適的溫度，且調(diào)整電堆堆芯的溫度使得燃料利用率最高。


圖3 被動(dòng)式熱管理原理圖
Fig.3 Passive thermal management schematic

燃料電池運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量通過(guò)散熱平板熱管傳遞到熱交換器；熱控工質(zhì)經(jīng)過(guò)熱交換器帶走散熱平板熱管傳遞過(guò)來(lái)的熱量，溫度升高；其后，通過(guò)溫控閥，合理分配分別與氫氣路與氧氣路進(jìn)行熱交換的工質(zhì)的流量；分別進(jìn)入兩路的工質(zhì)在雙通道換熱器中與低溫的氫氣、氧氣進(jìn)行熱交換，氫氣、氧氣溫度升高；最后，工質(zhì)流出燃料電池電堆系統(tǒng)。

2 基于平板熱管的被動(dòng)式燃料電池?zé)峁芾黻P(guān)鍵技術(shù)研究

燃料電池在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生非常大的熱量，為保證電堆的工作溫度，需將電堆運(yùn)行產(chǎn)生的熱量排散出去。本電堆系統(tǒng)選擇被動(dòng)散熱方式對(duì)電堆進(jìn)行熱控管理。其中，被動(dòng)散熱的關(guān)鍵單機(jī)為散熱板，將電堆中產(chǎn)生的熱量快速的導(dǎo)出電堆，維持電堆工作溫度，同時(shí)保證電堆內(nèi)部溫度分部均勻的關(guān)鍵部件。

計(jì)算可知，為滿足燃料電池內(nèi)部均溫性滿足5℃要求，散熱板的導(dǎo)熱系數(shù)必須大于1500。目前常用金屬、非金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)都不能滿足目前的導(dǎo)熱系數(shù)要求，因此需要尋求導(dǎo)熱系數(shù)更高的散熱板。

2.1 平板熱管原理

散熱板選用微槽道平板熱管，其原理為利用內(nèi)部充裝介質(zhì)的汽液兩相相變來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞，具體形式是內(nèi)部中空，上層為蒸汽通道，下部的微槽道為液態(tài)工質(zhì)通道。平板熱管密封時(shí)先將平板熱管內(nèi)抽至真空狀態(tài)，再充以33%～45%的液態(tài)工質(zhì)，使平板熱管的微槽道內(nèi)充滿液態(tài)工質(zhì)后加以密封。平板熱管的一端為蒸發(fā)段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段）。當(dāng)平板熱管的一端受熱時(shí)微槽道中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿微槽道，靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，熱量由平板熱管的一端傳至另一端[8~10]。

平板熱管在實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，包含了以下六個(gè)相互關(guān)聯(lián)的主要過(guò)程：①熱量從熱源通過(guò)平板熱管板壁和充滿工作液體的微槽道傳遞到（液-汽）分界面；②液體在蒸發(fā)段內(nèi)的（液-汽）分界面上蒸發(fā)；③蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；④蒸汽在冷凝段內(nèi)的（液-汽）分界面上凝結(jié)；⑤熱量從（液-汽）分界面通過(guò)液體和板壁傳給冷源；⑥在微槽道內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。

平板熱管是依靠自身內(nèi)部液態(tài)工質(zhì)的相變來(lái)實(shí)現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有以下基本特性：

（1）很高的導(dǎo)熱性。平板熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導(dǎo)熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的平板熱管可多傳遞幾個(gè)數(shù)量級(jí)的熱量。當(dāng)然，高導(dǎo)熱性也是相對(duì)而言的，溫差總是存在的，不可能違反熱力學(xué)第二定律，并且平板熱管的傳熱能力受到各種因素的限制，存在著一些傳熱極限；平板熱管的軸向?qū)嵝院軓?qiáng)，徑向并無(wú)太大的改善。

（2）優(yōu)良的等溫性。平板熱管內(nèi)腔的蒸汽是處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小，根據(jù)熱力學(xué)中的方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。

（3）熱流密度可變性。平板熱管可以獨(dú)立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者平板熱管可以較大的傳熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量，這樣即可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。

2.2 平板熱管設(shè)計(jì)

在65°溫度工作點(diǎn)上，適用的液體工質(zhì)有乙醇，甲醇，丙酮，水，液氨。綜合考慮各液體工質(zhì)的飽和蒸汽壓，根據(jù)工作液體的傳輸因素表，在平板熱管的工作點(diǎn)上，最終選取丙酮為產(chǎn)品最終介質(zhì)。

與傳統(tǒng)槽道熱管相同，平板熱管也存在傳熱極限，分別為黏性極限，聲速極限，攜帶極限，毛細(xì)極限，冷凝極限，沸騰極限，連續(xù)流動(dòng)極限，冷凍啟動(dòng)極限。上述傳熱極限中，毛細(xì)極限，聲速極限和沸騰極限時(shí)最常遇到的問(wèn)題。

燃料電池用平板熱管相比于圓柱形槽道熱管而言，承壓能力較差，因此熱管內(nèi)部的壓力要保證系統(tǒng)處于常壓或者低壓差范圍內(nèi)工作。否則平板熱管的壁厚將會(huì)增大，重量和有效熱導(dǎo)率將會(huì)降低。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證與測(cè)試結(jié)果

為測(cè)試設(shè)計(jì)平板熱管的實(shí)際性能，設(shè)計(jì)了5單元燃料電池實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。對(duì)燃料電池四周采用保溫材料進(jìn)行包裹，確保熱量全部通過(guò)平板熱管從熱端傳遞到冷端。其中，測(cè)試5單元燃料電池被動(dòng)熱控的適應(yīng)性以及獲得的電壓電流性能，冷卻系統(tǒng)是一個(gè)冷卻水循環(huán)，通過(guò)泵驅(qū)動(dòng)水箱中的水通過(guò)冷凝裝置，帶走平板熱管傳遞過(guò)來(lái)的熱量。在平板熱管以及電池單元表面上沿傳熱方向布置多個(gè)熱電偶，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)溫度的變化，傳送到計(jì)算機(jī)中儲(chǔ)存。

試驗(yàn)證明采用平板熱管的被動(dòng)散熱方式能夠滿足燃料電池電堆系統(tǒng)的接口需求，同時(shí)，采用被動(dòng)散熱的燃料電池電堆系統(tǒng)在額定工況下可以良好的保持電堆運(yùn)行，平板熱管將電堆內(nèi)部產(chǎn)生的大量的廢熱成功導(dǎo)出，同時(shí)，平板熱管還有繼續(xù)優(yōu)化和提升性能的空間。


圖4 5單元燃料電池電性能曲線
Fig.4 Five unit fuel cell electrical performance curve

3 結(jié)論

隨著未來(lái)航天技術(shù)發(fā)展，載人登月、深空探測(cè)、地外駐留平臺(tái)的發(fā)展等都需要以燃料電池為代表的新型能源系統(tǒng)?；诒粍?dòng)散熱空間燃料電池能夠滿足宇航任務(wù)對(duì)電池重量體積小、性能優(yōu)良、可靠性高的要求，是未來(lái)空間電源的發(fā)展趨勢(shì)。


作者：謝 文1，劉建峰1，馬勇杰2，李 鵬1，李磊磊1，張玉良1
1.北京衛(wèi)星制造廠
2.北京智能機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)服務(wù)工程技術(shù)中心