从经典航天电影阿波罗13看燃料电池在太空中的应用

燃料电池是一种新型化学能向电能转换的设备，它不需要燃烧，具有更高的化学能向电能和热能的转化效率。燃料电池最早应用在NASA1960年代的空间项目中，用于宇宙飞船中使用氢能产生电力，驱动宇宙飞船上的各种设备。

在经典航天电影《阿波罗 13》 中我们可以看到燃料电池的影子。《阿波罗 13》是一部非常著名的载人登月航天电影，故事由真实事件改编。万人迷汤姆汉克斯主演。

阿波罗13号是美国宇航局的第三次登月任务，但宇航员从未登上月球表面。故事的梗概是这样的，阿波罗 13 于1970年4月11日发射升空。阿波罗号航天器由两个独立的航天器组成，并由一条隧道连接：轨道飞行器奥德赛和着陆器水瓶座。乘员在登月之旅中住在奥德赛。 4 月 13 日晚上，由于奥德赛的储氢罐发生爆炸，导致了燃料电池缺乏燃料（氢）而无法提供足够电力给飞船。此时 NASA 决定放弃任务，让飞船在月球荡一次秋千，改变方向返回地球。

没电？应对事故的最大挑战是飞船的能源管理

1970年，储能电池技术没有这么成熟，同样月球任务需要 8 天左右的时间，储能电池技术根本没有这么长的续航能力。没有用太阳帆板的主要原因也类似，不成熟，提供的电力功率不够满足全部设备的用电需求。

现代的燃料电池

燃料电池的基本原理是氢气进入电池后，首先在一层膜发生电离，生成氢离子和电子。电子顺着导电的过滤膜流向负极，而氢质子则穿过膜，进入到电解液中，然后再到另一侧跟氧气发生反应，生成水。

简单来说，就是一层膜，可以把氢的电子过滤出来，向着电极流动，形成了电流。而剩下的氢质子，到了另外一边，与氧分子结合，生成了水。

这个东西神奇在什么地方呢？

1、它使用氢作为燃料，来产生电能。当然后面介绍到它也可以使用甲醇。

2、现在它的化学能向电能转换效率可以达到 50%左右，美国国家能源局确定的可商用化标准是 65%。目前的内燃机最多达到的效率是30%左右。加一次氢可以跑700公里。如果热能也回收，综合效率超过90%。

3、产物就是电和水，100%环保。

4、工作噪音没有，完全安静。

现在明白了，为什么 NASA 搞了这个东西来给飞船供电。如果用燃料电池，特斯拉跑不完下半场。

燃料电池视频

科普一下，看一下什么是燃料电池视频。

这是装载宇宙飞船中真实的燃料电池，在华盛顿美国航天航空博物馆中可以看到。

"Houston, we've had a problem..." 这是阿波罗13 的一句经典名言，休斯顿，我们遇上麻烦了。

燃料电池需要氢气和氧气，才能完成生产电力的循环。所以飞船上需要压缩的氢气和氧气。但是氢这种东西具有很特别的物理性质，就是密度很小。1 公斤氢气大约有 1 万多升的体积。小伙伴可以根据中学的气体摩尔体积去算。

4月13日晚上，当机组人员离地球200,000英里时，任务负责人Sy Liebergot在奥德赛的氢气罐上看到了低压警告信号。该信号可能表明存在问题，或者表明仅需要通过加热和散开储气罐内的气体来重新安置氢。该过程被称为“低温搅拌”，应该阻止超冷气体沉降成层。

简单来讲，就是高压气体氢在太空的低温下，变成了液体，这个时候有一个程序，需要搅拌或加热来把氢液体变成气体恢复储氢罐的压力。因为一个裸露电线的电火花，导致了氢罐爆炸。

炸成了这个样子

氢气泄露以后，造成了燃料电池没有了原料，因此无法提供飞船所需要的电力，设备不能开，生命保障系统被压缩到最低的功耗，宇航员不得不面对严寒。

大家都认识，这人演过很多经典影片。

一个机组是 3 个人，登月舱只能坐 2 个人，在这么长的时间里面，要让飞船返回地球，面对巨大的不确定性和舱内的严寒，大家心里都是捏着一把汗。

最后，在大家齐心努力下，飞船返回来地球。白雪公主和王子过上了幸福的生活。

燃料电池经过 50 年的发展，已经到了爆发的前夜，这点在 5 年内会首先改变新能源汽车行业。跟此有关的投资都是热点。

生物质废物处理技术也是一个未来的投资重点。

月球任务 8~10 天，火星任务 500 天。每个宇航员一天产生 1 公斤粪便，合计产生了 1500 公斤生物质废物。

尿液就是这么排放到太空的

如果把 1500 公斤的有机物回收裂解为氢气和氧气，这样实现飞船的生物质循环，无疑对于火星任务来讲，是非常具有吸引力的。这样可以少发射约 1500 公斤的燃料和氧气。

即使地球上，如果能够实现对有机物的催化裂解生产氢气，那么人类的氢能源供应将会更加低碳和环保。