再生氢氧燃料电池

摘要：再生氢氧燃料电池作为一种比能量高、使用寿命长的新型贮能电池引起了世界各国的广泛重视，作为贮能电池已通过航天模拟实验，并可望转为民用。本文介绍了再生氢氧燃料电池的原理、结构、分类及其特点，并对其主要技术问题及发展方向进行了分析。

卫星、空间站等太空飞行器在轨道上运行时存在向日和背日工作状态；仅依靠太阳能电池不能满足连续供电的需要，必须装备储能电池；即向日时利用太阳能对储能电池充电，背日时依靠储能电池供电。

由于再生氢氧燃料电池(RFC)与目前所用二次电池相比，具有明显的优点，将能够为空间站提供更大功率的电源，并且研制成功的RFC 电源系统还可与地面太阳能或风能配套，作为高效的蓄能电池。由于具有很好的应用前景，国外十分重视该技术的研制[1]。

1 RFC工作原理[2]

再生氢氧燃料电池是将氢氧燃料电池技术与水电解技术相结合，使[2H2+O2→2H2O+电能]与[电能+2H2O→2H2+O2]过程得以循环进行，使氢氧燃料电池的燃料H2和氧化剂O2可通过水电解过程得以“再生”，起到蓄能作用。

2 RFC的结构

从RFC 工作原理可知，RFC 技术主要由四个部分组成：(1)燃料电池(FC)子系统，将H2、O2的化学能直接转化为电能；(2)电解水(WE)子系统，将燃料电池生成的水利用外部电能重新电解成H2、O2；(3)反应物储罐，用于储存高压H2、O2和水；(4)电源调节及控制子系统。 3 RFC的分类

RFC 从燃料电池与电解池结合方式来划分，可分为三种形式：分开式，综合式和可逆式

[3]。

3.1分开式(Dedicated)[4]

分开式的各个子系统独立，除反应物互相贯通，每个子系统完全与其它子系统分开，装入各自的轨道更换单元，较先进的分开式RFC 系统，各子系统都装在一个轨道更换单元内，共用一个冷却系统。分开式RFC 系统优点容易放大，各自系统单独定型，易引入新技术，并且容易维修。缺点是系统复杂，体积能量密度低。

NASA 的Lewis 中心于80年代中后期完成的分开式RFC 系统[5，6]，在模拟近地轨道运行条件下，最长寿命可达7.8年。

3.2综合式(Integrated)[7]

综合式RFC 的电池与电解池同在一个机箱中，FC 电池放电与WE 电解充电在各自的电极和电池区域进行，这种结构所需的连接设备要求高，而且在两种电池运行时要选择相匹配的运行参数。其优点是体积能量密度比分开式高，缺点是RFC 循环周期短，受储水板容量限制，电路气路连接复杂，电池组装麻烦。

美国80年代申请了这种结构的RFC 专利[7]。

3.3可逆式(Reversible)[8，9]

可逆式RFC 的电池可以以燃料电池模式或电解模式工作，将原先的燃料电池与水电解池以一个双效电池替代，减轻了系统重量，提高了系统的可靠性和系统比能量。可逆式RFC 主要特点是电极双效性，FC/WE功能合一，从而可省去WE 构件。

可逆式RFC 从电解质可分为两种：(1)石棉膜2碱性KOH 水溶液(ARFC)，(2)离子膜型2纯水固体电解质(PEMRFC)。近年来，由于质子交换膜燃料电池发展很快，各国都把研究重点转向PEMRFC[10]。

4 RFC与Ni-H2、Ni-Cd 电池对比

作为贮能系统，RFCS 较现有的二次电池更有竞争力，尤其在功率大于2kW 时，其主要指标为贮能系统重量，下表为近地轨道(LEO)飞行时，20kWRFCS 与Ni2H2电池对比[11]见表1。