52、燃料电池系统：原理、应用与发展历程

燃料电池系统：原理、应用与发展历程

1. 燃料电池系统概述

燃料电池系统由串联的一组电池（燃料电池堆）、存储在电池堆外部的燃料和氧化剂，以及包括泵、管道、传感器和用于处理产物与反应物的控制装置等辅助设备组成。与电池不同，燃料电池的反应物存储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，燃料电池系统的运行时间也就越长。而电池的存储容量则受限于电池壳内所含活性物质的数量。

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。其容量由存储的燃料和氧化剂的数量决定。对于载人飞行而言，这是一种便捷的系统，因为燃料电池系统可以配备足够的燃料和氧化剂，以满足相对较短的任务时长，并为生命维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方面具有诸多优势。它不仅是一种无污染的电源，基于直接转换且无活动部件，还能融入太空船员的生态循环。此外，由于液氧和液氢具有高比冲，它们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。

在为航天器选择合适的燃料电池系统时，需要考虑以下因素：
1. 可靠性
2. 效率
3. 使用寿命
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. 存储方式
8. 过往应用经验
9. 成本

一旦做出选择，硬件的可靠性