王 飛，周抗寒，管春磊，焦飛飛，黃武博

（1.中國航天員科研訓(xùn)練中心 人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2.中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094）

0 引言

水電解技術(shù)在空間領(lǐng)域的應(yīng)用始于俄羅斯“和平”號(hào)空間站［1］，它使用流動(dòng)堿式水電解技術(shù)，采用強(qiáng)堿性的氫氧化鉀溶液作為電解質(zhì)，電解槽的陰極、陽極之間采用多孔石棉等作為隔膜，作為生保系統(tǒng)為航天員提供氧氣。進(jìn)一步改進(jìn)后的電解制氧裝置用于國際空間站俄羅斯服務(wù)艙的生保系統(tǒng)中。美國采用了一種新的水電解制氧技術(shù)，即質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane，PEM）水電解技術(shù)［2］，采用該技術(shù)的電解制氧裝置于2008年11月在國際空間站美國服務(wù)艙內(nèi)正式投入運(yùn)行。

隨著氫能源技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了PEM水電解技術(shù)的進(jìn)步與成熟，將加速推動(dòng)這一技術(shù)在航天方向的應(yīng)用拓展。本文介紹了PEM水電解技術(shù)在國內(nèi)外航天領(lǐng)域中的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀，并通過對發(fā)展趨勢的分析，提出該技術(shù)尚待深化發(fā)展的方向。

1 PEM水電解技術(shù)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的堿性水電解原理不同，PEM水電解技術(shù)采用純水作為工質(zhì)，PEM膜起著電解質(zhì)與隔膜的雙重作用。當(dāng)水電解器工作時(shí)，膜上水化的質(zhì)子通過界面區(qū)域在陽極和陰極之間傳遞，發(fā)生酸性水電解反應(yīng)。由于工作原理的不同，導(dǎo)致PEM水電解與流動(dòng)堿式水電解在水電解器性能、系統(tǒng)性能之間存在明顯差異，見表1。

表1 PEM水電解器與堿性水電解器以及系統(tǒng)總體性能對比Tab.1 Comparison of the general performance of PEM and alkali water electrolysers

PEM水電解器、堿性水電解器工作特性對比圖如圖1所示。

圖1 PEM水電解器與堿性水電解器工作特性對比Fig.1 Comparison of the performance characteristics of PEM and alkali water electrolysers

由表1和圖1可見，由于PEM水電解器在大電流密度時(shí)的極化遠(yuǎn)小于堿性水電解器，導(dǎo)致PEM水電解器工作電流密度范圍很寬，而且具有低比能耗的優(yōu)勢。PEM水電解器的工作電流密度可以達(dá)到3.0 A·cm-2以上，遠(yuǎn)高于堿性水電解器的0.2～0.4 A·cm-2。盡管由于PEM水電解器使用成本較高的貴金屬材料作為催化劑，部分抵消了提高電流密度對縮小水電解系統(tǒng)規(guī)模，減少了催化劑用量方面的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致目前只有小型PEM水電解裝置性價(jià)比優(yōu)于堿性水電解。但是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，大型、超大型的PEM水電解系統(tǒng)性價(jià)比將與堿性水電解系統(tǒng)趨同。

由于PEM水電解技術(shù)采用致密、無孔的高分子聚合物膜作為電解質(zhì)和陰、陽極隔膜，對比采用多孔、非電解質(zhì)隔膜的堿性水電解，工作模式更加靈活，耐內(nèi)外壓能力更強(qiáng)。在供水模式方面，不同于堿性水電解需要兩腔同時(shí)供堿液，且必須完全浸沒隔膜，PEM水電解可以采用陽極或陰極單側(cè)供水，從而減少對水氣分離器的需求。甚至還可以靜態(tài)供水，通過控制水蒸氣的輸入量與反應(yīng)量達(dá)到平衡，使電解器直接生成不含液態(tài)水的氫氣、氧氣，從而取消堿性水電解系統(tǒng)必須配套的水氣分離器，大大簡化了系統(tǒng)的流程［3］。

在承壓能力、壓力制度方面，由于PEM膜具有較強(qiáng)的耐壓能力，因此，不同于堿性水電解必須保持陰、陽極室之間壓力平衡的工作特性，PEM水電解既可以采用陰、陽極室壓力相同的等壓模式，也可以采用差壓模式。對于高壓水電解系統(tǒng)，既可以采用低壓水電解鎧裝、配備復(fù)雜壓控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，也可以采用系統(tǒng)簡單但技術(shù)難度大的無鎧裝高壓水電解器設(shè)計(jì)方案；此外，還可采用系統(tǒng)極為簡單，只是陰極室或陽極室工作在高壓，另一側(cè)工作在常壓的高差壓設(shè)計(jì)方案［4］。

2 載人航天工程對水電解技術(shù)的需求及經(jīng)濟(jì)可行性

2.1 載人航天工程對水電解技術(shù)的需求

隨著航天技術(shù)的進(jìn)步，21世紀(jì)載人航天活動(dòng)發(fā)展路線是建造與運(yùn)營空間站，建立永久性月球基地［5］，實(shí)現(xiàn)載人火星飛行。在這一系列工程中，對水電解技術(shù)的需求可能在以下3個(gè)方面：

1）在航天器生命保障系統(tǒng)中的應(yīng)用。航天生命保障系統(tǒng)的主要功能之一是為乘員提供氧氣［6］。短期載人航天飛行均采用非再生式環(huán)控生保技術(shù)，通過飛行器攜帶高壓氧瓶滿足乘員在軌生活期間對氧氣的需求。然而，該方案對于長期、深空探索是不可實(shí)現(xiàn)的。以3人乘組為例，每年消耗的氧氣量接近1 t，高壓氧瓶的質(zhì)量需求達(dá)1.5 t，這將給物資補(bǔ)給帶來無法承受的負(fù)擔(dān)。因此，空間站中采用水電解制氧，但空間站均為常壓工作的水電解裝置，產(chǎn)生的氧氣不能直接為艙外航天服氣瓶充氧，而月球基地建設(shè)過程中大規(guī)模月面活動(dòng)時(shí)艙外服氧瓶、星際航行過程中應(yīng)急生保系統(tǒng)氧瓶的在軌充填，都有在軌生產(chǎn)高壓氧氣的需求。

2）在空間電源系統(tǒng)中的應(yīng)用。由于航天任務(wù)規(guī)模的發(fā)展，對大功率、高比能電源的需求越來越強(qiáng)。高功率空間飛行器能源系統(tǒng)主要由太陽能光伏電池、儲(chǔ)能與發(fā)電模塊等部分組成。根據(jù)儲(chǔ)能與發(fā)電模塊的不同，空間電源系統(tǒng)分為蓄電池（鎘鎳、鋰）、再生燃料電池系統(tǒng)等［7］。蓄電池系統(tǒng)的質(zhì)量與電源規(guī)模成正比，光影周期越長，質(zhì)量增加越顯著。相比之下，由水電解與氫、氧燃料電池構(gòu)成的再生燃料電池系統(tǒng)具有比能量較高，以及10 kW以上的燃料電池電源系統(tǒng)質(zhì)量對規(guī)模不敏感的特點(diǎn)，更適宜于大規(guī)模、長光影周期的任務(wù)。在月球基地任務(wù)中，再生燃料電池系統(tǒng)成為滿足任務(wù)的優(yōu)選能源方案之一，水電解模塊作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)成為這一系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其比能耗、工作壓力、儲(chǔ)能密度等成為影響再生燃料電池系統(tǒng)指標(biāo)的重要因素。要滿足再生燃料電池電源系統(tǒng)性能的要求，水電解裝置部分的規(guī)模須達(dá)到發(fā)電功率2倍以上，氣體輸出壓力超過10 MPa。

3）在空間動(dòng)力上的應(yīng)用。無論登陸火星，還是登陸月球，都離不開高效降落推進(jìn)系統(tǒng)，這一推進(jìn)系統(tǒng)最重要的要求是發(fā)動(dòng)機(jī)必須有很深的調(diào)節(jié)能力。洛克希德-馬丁公司的研究結(jié)果表明，氫、氧是可重復(fù)使用的單級著陸器動(dòng)力系統(tǒng)唯一可行的推進(jìn)劑組合。該公司研制的著陸器推進(jìn)系統(tǒng)將使用液氧、液氫推進(jìn)劑，并計(jì)劃在月球軌道上建立推進(jìn)劑儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)施，從地球運(yùn)送水或從月球表面提取水，將其轉(zhuǎn)化為液氧、液氫推進(jìn)劑。

此外，在航天器中也可以使用氫、氧發(fā)動(dòng)機(jī)作為推進(jìn)動(dòng)力。美國國家航空航天局（NASA）提出了“水火箭”-可逆燃料電池組合方案，通過在軌水電解提供高壓氫氣、氧氣為燃料電池電源作燃料，同時(shí)為氫、氧發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料［8］。

2.2 在軌高壓水電解制氧的經(jīng)濟(jì)性分析

等效系統(tǒng)質(zhì)量（Equivalent System Mass，ESM）指系統(tǒng)的硬件質(zhì)量及支持硬件的其他部分的估算質(zhì)量之和，相當(dāng)于能夠提供系統(tǒng)功能所需的總發(fā)射質(zhì)量，從而等同于發(fā)射成本。依據(jù)總質(zhì)量及等效系統(tǒng)質(zhì)量對方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價(jià)是目前一種比較客觀與科學(xué)的方法。

2009年，NASA約翰遜中心聯(lián)合Hamilton Sundstrand公司在前期研究的基礎(chǔ)上，以長期駐月基地任務(wù)以及180 d周期的標(biāo)準(zhǔn)“前哨”飛行任務(wù)作為分析對象，進(jìn)行了多種供氧方案的總質(zhì)量及等效系統(tǒng)質(zhì)量評價(jià)［9］。任務(wù)中設(shè)定每次出艙活動(dòng)為2人，高壓氧（20.7 MPa）消耗量為0.73 kg·人-1·次-1，任務(wù)次數(shù)為150次。分析結(jié)果表明：180 d及10 a任務(wù)所需的高壓氧資源分別為218 kg、4 364 kg。對各種在軌高壓氧、高壓氫氣補(bǔ)給方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比，設(shè)定的方案包含高壓氣瓶運(yùn)輸、液氧運(yùn)輸、在軌電解制氧、利用原位資源制氧共4類、7種方案，具體如下：1）地面攜帶工作壓力范圍為21.4～27.6 MPa高壓氣瓶供氧（A）；2）地面攜帶低溫儲(chǔ)罐運(yùn)氧，將其蒸發(fā)后與氣態(tài)氧混合成高壓氧（B1）；3）地面攜帶低溫儲(chǔ)罐運(yùn)氧，由變溫吸附壓縮機(jī)加壓到27.6 MPa（B2）；4）軌道上低壓水電解制氧，用多級活塞式壓縮機(jī)壓縮至20.7 MPa（C）；5）軌道上用PEM水電解裝置輸出壓力12.8 MPa的氧，用壓縮機(jī)增壓到24.8 MPa（D）；6）共享能源系統(tǒng)的高壓水電解供氧，同時(shí)也為航天服供氧，電解裝置輸出壓力24.8 MPa（E）；7）月球基地“原位資源利用裝置”電解輸出5.2 MPa氧氣，壓縮機(jī)提高到24.8 MPa（F）。分析的結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 180 d開放式任務(wù)環(huán)控生保高壓氧補(bǔ)給方案的總質(zhì)量和等效系統(tǒng)質(zhì)量對比Fig.2 Comparison of the total mass and ESM of the high pressure oxygen supply scheme for environmental control and life support in the 180 d open mission

圖3 10 a封閉式任務(wù)環(huán)控生保高壓氧補(bǔ)給方案的總質(zhì)量和等效系統(tǒng)質(zhì)量對比Fig.3 Comparison of the total mass and ESM of the high pressure oxygen supply scheme for environmental control and life support in the 10 a closed mission

結(jié)果表明：對于180 d任務(wù)，采用液氧或生保能源共享的高壓電解制氧方案比較理想。對于10 a任務(wù)，則在軌電解的方案最優(yōu)。盡管壓縮機(jī)質(zhì)量、體積和功率都較低，與低壓電解組合在等效質(zhì)量方面略占優(yōu)勢，但由于無油，活塞和金屬氣缸之間的摩擦縮短壓縮機(jī)使用壽命，增大維護(hù)負(fù)擔(dān)。

國際空間站為氣閘艙及出艙活動(dòng)（Extravehicular Activity，EVA）補(bǔ)氧的高壓壓縮機(jī)的寶貴運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也表明：在氧氣充填系統(tǒng)中，壓縮組件的質(zhì)量、功耗與維護(hù)負(fù)擔(dān)較重，解決這些問題十分困難，而且壓縮氧氣過程存在嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，采用直接在軌高壓電解制氧替代機(jī)械壓縮機(jī)的技術(shù)有很大的價(jià)值。

3 國內(nèi)外PEM水電解技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 國外研究現(xiàn)狀

美國是最早進(jìn)行PEM水電解技術(shù)研究的國家，代表了目前國際水電解技術(shù)和應(yīng)用的最高水平。1982年，美國通用電氣公司（GE）為美國海軍“海狼”級核潛艇研制了水電解制氧裝置原型機(jī)［10］，在潛艇上累計(jì)工作了100 000 h，鎧裝在高壓容器內(nèi)的PEM電解器輸出氣體壓力為2～20 MPa。此后，Hamilton Standard公司接替GE，負(fù)責(zé)潛艇用高壓水電解制氧裝置的研制工作。

美國為航天員供氧的PEM水電解制氧裝置，于2006年7月運(yùn)送至國際空間站，2008年11月22日開始運(yùn)行。其工作模式是在軌道運(yùn)行周期90 min內(nèi)，53 min陽照區(qū)正常運(yùn)行，37 min陰影區(qū)轉(zhuǎn)入待機(jī)模式，額定工況滿足4名乘員，最大工況滿足7名乘員的耗氧需求。系統(tǒng)工作壓力為0.28 MPa，額定工作電流為10～55 A，待機(jī)電流為1 A［11-12］。

在軌高壓氧充裝方面，為解決航天飛機(jī)退役后，航天員出艙活動(dòng)時(shí)所需要的高壓氧瓶在軌充裝的問題，由Giner Electrochemical、Hamilton Sundstrand公司分別開展20.7 MPa在軌水電解器研究工作［13］。其中，Hamilton Sundstrand采用陰極供水、無鎧裝高差壓（氫氣0.3 MPa、氧氣20.7 MPa）電池堆設(shè)計(jì)方案；Giner Electrochemical采用陰極供水、差壓結(jié)合波紋筒體鎧裝電池堆設(shè)計(jì)方案（電解制氧輸出壓力為13.8 MPa，機(jī)械增壓至20.7 MPa）。

針對月球基地、載人火星探索等長期、復(fù)雜任務(wù)的環(huán)控生保-空間能源-推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，NASA提出了“水火箭”-可逆燃料電池組合方案，研制出原理樣機(jī)，進(jìn)行了地面試驗(yàn)驗(yàn)證。在該方案中，在軌高壓水電解裝置提供氫、氧發(fā)動(dòng)機(jī)以及燃料電池的燃料，產(chǎn)物水可提供給環(huán)控生保系統(tǒng)作為飲用水或作為電解制氧的原料［8］。

在民用可再生能源領(lǐng)域，歐美等國家紛紛推出兆瓦級的消納棄電的PEM水電解制氫系統(tǒng)［14-15］，其中美國的普頓Proton Onsite、英國的ITMpower、加拿大的Hydrogenics、德國Siemens等公司代表了目前PEM水電解技術(shù)大規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的國際水平。一些代表性機(jī)構(gòu)PEM水電解制氫裝備的技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 PEM水電解制氫裝備及技術(shù)參數(shù)Tab.2 Hydrogen production equipment and technical parameters by PEM water electrolysis

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)多家單位開展了PEM水電解技術(shù)的研究工作，如中國航天員中心、中船重工718所、航天科技集團(tuán)811所、大連化物所等。航天員中心研制的PEM電解制氧試驗(yàn)裝置于2012年7月隨“天宮1號(hào)”發(fā)射入軌，并在軌穩(wěn)定運(yùn)行［16-17］。在此基礎(chǔ)上研制的電解裝置將裝備到空間站，作為航天員供氧設(shè)備。該裝置采用陰極供水的PEM水電解與靜態(tài)水氣分離技術(shù)方案［6］，配套的水電解器地面穩(wěn)定運(yùn)行超過23 000 h［6］。圖4所示為“天宮一號(hào)”電解制氧裝置。

圖4 “天宮一號(hào)”電解制氧裝置Fig.4 “Tiangong-1”electrolysis oxygen generation device

在高壓水電解技術(shù)方面，研制了高差壓水電解單電池，采用陰極常壓供水、高壓產(chǎn)氧的設(shè)計(jì)方案，當(dāng)耐壓達(dá)到10 MPa、運(yùn)行壓差為5.0 MPa時(shí)，氧氣純度可達(dá)99.9%。

此外，為潛艇生保系統(tǒng)研制了輸出壓力5.0 MPa、產(chǎn)氧量3 m3·h-1樣機(jī)。在能源應(yīng)用方面先后參加北京航天動(dòng)力研究所、航天科技集團(tuán)811所再生式燃料電池能源系統(tǒng)研究，研制了單模塊30 kW、5 MPa水電解器，電堆性能的一致性與單體試樣基本一致［18-20］。

在高穩(wěn)定、大電流密度電極材料研究與制備方面，目前研制的電極材料在工作溫度為70 ℃，當(dāng)電流密度為1.5 A·cm-2和2.5 A·cm-2時(shí)，單池電壓分別穩(wěn)定在1.82 V和2.00 V，極化曲線如圖5所示。在電流密度1.00～3.25 A·cm-2的工況下，持續(xù)測試10 000 h，運(yùn)行穩(wěn)定。

圖5 高穩(wěn)定、大電流密度PEM電極材料極化曲線Fig.5 Polarization curve of novel high stable PEM electrode material at high current density

在差壓式、大尺寸水電解器設(shè)計(jì)與研制方面，研制的差壓式水電解器的陰（高壓）與陽極之間壓差可達(dá)2.5 MPa，產(chǎn)氫量為3 m3·h-1，工作電流密度為1.5 A·cm-2。等壓大尺寸水電解器氫、氧輸出壓力可達(dá)3.5 MPa，單電池有效電極面積達(dá)到1 550 cm2，工作電流密度為1.5 A·cm-2，如圖6所示。電堆的極化曲線與圖5基本相同。

圖6 差壓水電解器和大尺寸水電解器Fig.6 High differential pressure water electrolyser and large-scale water electrolyser

4 PEM水電解技術(shù)空間應(yīng)用的趨勢與挑戰(zhàn)

在月球建立人類的永久性基地、登陸火星是21世紀(jì)載人航天的發(fā)展路線，在這一飛行過程中涉及的目標(biāo)軌道包括：低地球軌道（Low Earth Orbit，LEO）、地月平動(dòng)的探索節(jié)點(diǎn)（Earth-Moon Libration point orbits，EML）、月球軌道、近地軌道（Near Earth Orbit，NEO）、火星軌道，飛往這些軌道的特征參數(shù)對比見表3。

表3 不同空間任務(wù)的顯著特征Tab.3 Distinct characteristics of various space missions

由表3可見，隨著飛行距離的延長，發(fā)射成本急劇增加。相比于低地球軌道的空間站，載人深空飛行任務(wù)不但對載荷的發(fā)射質(zhì)量、體積、功耗等有更高約束，而且由于應(yīng)急返回的不現(xiàn)實(shí)性，除了可靠性、壽命要求更高，依賴地面補(bǔ)給的低軌道后勤保障模式也不能適應(yīng)需求，將被自主的、可持續(xù)在軌生產(chǎn)的保障體系所替代。因此，通過系統(tǒng)兼容設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)能源、動(dòng)力、環(huán)境控制與生命保障物質(zhì)互用的解決方案與現(xiàn)有的、各自獨(dú)立的解決方案相比，具有無法比擬的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，將成為未來深空探索任務(wù)中能源、動(dòng)力、生保系統(tǒng)的發(fā)展方向。

PEM水電解技術(shù)是聯(lián)接生保物質(zhì)、能源與動(dòng)力物質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)。本身的技術(shù)原理與特點(diǎn)決定了該技術(shù)具備構(gòu)建小型化、輕量化空間設(shè)備的能力，具有無需機(jī)械壓縮機(jī)增壓而實(shí)現(xiàn)高壓氧氣、氫氣輸出的能力，可滿足在軌高壓氧瓶充裝、高壓氫氣儲(chǔ)能需求。PEM水電解技術(shù)在地面可再生能源系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用，將加速提升成熟度與可靠性，推動(dòng)該技術(shù)在空間領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。盡管該技術(shù)已經(jīng)在空間站生保系統(tǒng)中得到應(yīng)用，但對比能源、動(dòng)力領(lǐng)域的要求，PEM水電解還面臨如下技術(shù)差異以及由此而帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)：1）能源系統(tǒng)的燃料物質(zhì)量的需求是生保系統(tǒng)的成百上千倍，在微重力或低重力條件下高效的水、氣分離將面臨困難；2）電池堆工作電流密度成10倍以上的增加，在微重力或低重力條件下電池內(nèi)傳熱、傳質(zhì)以及低能耗的保障面臨困難；3）輸出壓力成100倍以上的增加，無鎧裝電池堆的密封及材料問題和高壓力下氣體純度保障面臨挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語

隨著載人航天任務(wù)向深空探索的發(fā)展，能源、動(dòng)力、生保物質(zhì)互用的解決方法是擺脫依賴地面支持，實(shí)現(xiàn)自主的、可持續(xù)保障的最優(yōu)途徑，作為這一途徑實(shí)施關(guān)鍵環(huán)節(jié)的PEM水電解技術(shù)，無論是該技術(shù)所具備的特點(diǎn)，還是已具有的技術(shù)積累，均具備了構(gòu)建這一系統(tǒng)的良好基礎(chǔ)。在深化解決所面臨的新問題后，PEM水電解技術(shù)將在空間應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。