奖项类别

技术发明奖

主要完成单位

北京卫星制造厂有限公司，北京工业大学，北京理工大学

主要完成人

万成安，文陈，郭航，郑莎，韩恺，谢文，宋文晶，叶芳，冯磊，赵紫鹏

项目亮点

针对空间微重力条件下气液两相流的运行规律的难题，在地面多次“落塔”试验的基础上，国际上首次实现航天器在舱外百瓦级燃料电池发电系统的多工况搭载验证，获得大量空间燃料电池发电系统的基础性数据 。

项目介绍

传统航天器采用“光伏发电+蓄电池储能+电源控制器” 构建光伏能源系统，是航天器核心分系统之一，其性能决定了航天器的承载能力、寿命和可靠性。随着“航天强国” 要求的不断推进，在星辰大海的科学探索过程中，面临“长期无光照”环境下的发电难题， 亟需解决航天器的新型能源供给问题。

本项目源于我国载人登月重大工程关键技术攻关项目，提出一种空间无光照、真空及空间辐照环境条件下“氢氧质子交换膜燃料电池” 的新型空间发电技术，同时结合月球、火星等应用场景，形成适用于空间环境的氢氧燃料电池供电系统。该系统解决的核心难题主要体现在： 1）空间微重力条件下气、液两相流的运行机制及作用原理； 2）空间真空环境条件下燃料电池发电系统“静态排水”等问题的解决方案； 3）空间极宽温度范围、空间辐射等环境条件下燃料电池发电系统运行可靠性等问题。针对上述难题，项目有如下发明及创新成效：1）开展微重力条件对燃料电池气液两相流运行规律的影响机制等三项关键科学问题的研究；2）突破空间应用钨(W)与铂(Pt)、钴(Co)双金属键协同作用活性强化高效催化剂可控制备等三项关键技术，实现发电效率≥ 66%@200 mA/cm2； 3）发明“介观界面张力梯度+微孔毛细力”双驱动的无源静态水气分离方法，开发多相复合的 PtCoW/C 材料，解决复杂空间环境高效高稳定发电难题，实现空间复杂环境适应的高效氢氧燃料电池发电系统开发。通过本项目研究，形成国家发明专利 19 项， 发表高水平 SCI 论文 26 篇，著作 1 部。

针对空间应用的基础性难题，在对面多次采用“落塔”试验等方法探索微重力条件下气液两相流的运行规律，国际上首次实现航天器在舱外开展百瓦级燃料电池发电系统的多工况搭载验证，充分验证空间燃料电池发电系统设计的正确性和可行性。经中国航天科技集团有限公司组织鉴定评价【鉴字[2024]第 148 号】，该项目系统复杂，技术难度大，创新性强，核心技术自主可控，总体技术达到国际先进水平，其中氢氧燃料电池无源静态水气分离技术达到国际领先水平。

本项目所形成的空间高效氢氧燃料电池在天舟五号货运飞船舱外国际首次实现氢氧燃料电池稳定发电，经济和社会效益显著，应用前景广阔。通过项目团队十多年的联合攻关，形成空间燃料电池发电系统、发明专利等相关成果，为未来载人登月、火星探测等重大工程提供一种清洁、可原位资源利用的新型发电系统。

项目图片

完成单位介绍及对项目的贡献

北京卫星制造厂有限公司作为第一完成单位，隶属于中国航天科技集团公司第五研究院，是集星、船结构、电源产品、装、总装、总测、发射场服务于一体的国家高新技术企业。公司长期从事空间电源技术研究工作，在空间氢氧燃料电池的系统设计、工程化及可靠性验证等方面开展了全面深入的研究工作，对本项目的主要贡献：

1、在 “氢氧高效催化剂及发电技术”方面，研制的燃料电池系统和可视化单池在国际上首次实现了航天器在舱外开展验证空间微重力环境下质子交换膜燃料电池的运行特性，以及水气反应界面的原位特性。通过梯度载荷试验获得了燃料电池空间运行特性数据，能量转换效率>65%。

2、在 “空间适应无源静态水管理技术”方面，开展了空间燃料电池能源系统技术研究，突破了基于被动散热和静态排水的空间应用电堆，研究了“介观界面张力梯度+微孔毛细力”双驱动的非重力依赖无源静态水气分离方法，氢氧燃料电池无源静态水气分离技术达到国际领先水平。

北京工业大学作为第二完成单位，针对氢氧燃料电池在微重力条件下运行的公开数据极度缺乏的全球性问题，开展了一系列的研发工作，重点负责地面微重力条件下燃料电池实验、在轨试验用燃料电池微重力仿真以及学术成果的总结发表等，对产品技术的顺利研发起重要作用，对本产品技术的具体贡献如下:

1、针对“微重力条件对燃料电池气液两相流运行规律的影响机制”关键问题开展攻关，实施了国内首次对面燃料电池的微重力实验，丰富了微重力燃料电池运行数据，研究了质子交换膜燃料电池在跨重力场景下的运行特性，阐明了微重力条件对燃料电池气液两相流运行规律的影响机制，

2、在 “空间适应无源静态水管理技术”方面，明晰了燃料电池排水的重力影响规律，阐明了燃料电池在微重力条件下的水管理作用机制，获得了流道内部结构对燃料电池性能及水管理的影响规律，为空间燃料电池水管理系统优化提供了依据。

北京理工大学作为第三完成单位，重点负责燃料电池高效催化剂材料设计、介观界面张力梯度与微孔毛细力双驱动静态排水方案设计以及耦合闪蒸特性的冷启动数值模拟仿真。对本产品技术的具体贡献如下:

1、针对电化学反应效率低问题，提出了一种高效催化剂设计方案，通过钨(V)与钠(Pt)、钴(Co)双金属键协同作用活性强化机制开发了多相复合的 PICoWC 材料，解决了复杂空间环境高效高稳定发电难题，平均单电池电压0.851V@200mA/cm，单电池一致性偏差7mV，提高了氯氧燃料电池的性能与效

2、构建了静态排水板气液传质过程的氢氧燃料电池电堆模型，优化了低电流密度工况下的排水板孔隙率(0.5)与接触角(20’)，拓宽了燃料电池运行工况范围，提出了“介观界面张力梯度&微孔毛细力”双驱动的无源静态水气分离方法，为界面梯度接矩角和多孔材料复合双极板的设计提供了依据。

第一完成人简介

万成安 研究员

北京卫星制造厂有限公司

万成安，博导，研究员.现任北京卫星制造厂有限公司专业总师，国务院政府津贴专家，全国五一劳动奖章获得者。航天科技集团公司电源与供配电学科带头人，中国有色金属学会宽禁带半导体专业委员会委员，中国宇航学会空间太阳能电站专业委员会委员，航天五院宇航电源首席专家，中国电源学会理事。

多年来一直从事航天器电源与供配电技术研究工作，带领团队攻克宇航功率半导体材料与器件、空间高效大功率电源变换、空间能源系统并网与控制、空间燃料电池等关键技术，主持宇航电源相关的国家重点研发计划、瓶颈攻关和可靠性等项目研究工作，研制的系列化宇航级大功率电源模块、智能配电、能源系统并网与控制等产品在我国航天工程中实现全面应用。

获国防科技进步二等奖1项，中国电源学会科技进步二等奖1项，中国电源学会技术发明二等奖1项，部级技术发明三等奖和科技进步三等奖各1项，发明专利12项，专著3部，发表论文70多篇。