21、燃料电池系统：原理、应用与发展

燃料电池系统：原理、应用与发展

1. 燃料电池系统概述

燃料电池系统由串联的电池组（燃料电池堆）、存储在堆外部的燃料和氧化剂，以及包括泵、管道、传感器和控制装置等辅助设备组成，用于处理产物和反应物。与电池不同，燃料电池的反应物储存在电池外部的气瓶中，这意味着可用的燃料和氧化剂越多，能量存储容量就越大，系统运行时间也越长。而电池的存储容量则受限于电池壳内所含活性材料的数量。

燃料电池堆的功率是每个电池电压之和乘以电流。燃料电池系统会使用部分堆功率来运行辅助设备，因此系统功率会小于堆功率。其容量由储存的燃料和氧化剂的数量决定。对于载人飞行来说，燃料电池系统是一种方便的选择，因为它可以提供足够的燃料和氧化剂，以满足相对较短的任务时长，并为生命支持系统提供水和热量。对于低地球轨道（LEO）和地球同步轨道（GEO）等较长任务，则使用可充电电池。

燃料电池发电厂在太空应用中具有诸多优势，除了是一种无污染的电源，基于直接转换且无活动部件外，其主要优势在于能够融入太空船员的生态循环。此外，液态氧和氢由于具有高比冲，也可用于太空飞行器的推进。这些特性使得燃料电池电源在双子座、阿波罗、航天飞机和太空实验室等项目中得到了广泛应用。其中，氢氧碱性燃料电池已成为太空应用中最具吸引力的选择。

在选择适合航天器需求的燃料电池系统时，需要考虑以下因素：
1. 可靠性
2. 效率
3. 寿命
4. 环境兼容性
5. 对太空环境条件（零重力、振动、冲击、加速度、声学噪声等）的耐受性
6. 能量密度
7. 存储
8. 过往经验
9. 成本

一旦做出选择，硬件的可靠性需要考虑选择合适的太空级