CN102935899A - 基于燃料电池及其储氢装置的舱外航天服冷热电一体化系统 - Google Patents

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李运泽
高峰
周国栋
张红生
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Beihang University
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Abstract

本发明公开了一种基于燃料电池及其储氢装置的舱外航天服冷热电一体化系统，包括燃料电池储氢装置、质子交换膜燃料电池、热电制冷组件、液冷服和辐射器；液冷服用于收集舱外航天服内人体代谢产热和用电设备产热；燃料电池储氢装置用于吸收从液冷服中传递来的热量，同时释放出氢气供质子交换膜燃料电池使用；质子交换膜燃料电池用于利用储氢装置释放的氢气发电，为舱外航天服提供电源；热电制冷组件用于匹配燃料电池储氢装置可供冷量和液冷服所需排散热量，使二者趋于平衡；辐射器用于将质子交换膜燃料电池发电过程中产生的废热和热电制冷组件排放出的热量通过辐射方式排放到太空中去。本系统具有体积小、消耗性工质需求少、再生过程迅速等优点。

Description

基于燃料电池及其储氢装置的舱外航天服冷热电一体化系统
技术领域
本发明涉及一种用于舱外航天服的冷热电一体化系统，该系统特别适用于长时间、高频次、多次数的出舱活动。
背景技术
舱外航天服在航天员执行出舱任务时为其提供必要的环境防护和生命保障支持。为保持航天员的热舒适性，舱外航天服需要提供冷源；为了给风扇、泵和分离器等生保系统组件及显示与控制模块、警报及报警系统和无线电系统等设备供电，舱外航天服需要提供电源。发展维护方便、体积小、消耗性工质少的舱外航天服冷源、电源技术，能够降低航天员出舱活动体力负荷、增大其舱外活动范围、降低系统维护和消耗品补充的难度和费用，对载人航天发展具有重要意义。
目前，舱外航天服主要采用水升华器作为冷源，采用Ag-Zn电池、锂电池等二次电池作为电源。水升华器的工作原理是通过蒸发或升华消耗性工质水进入太空，利用水的相变潜热，将航天员代谢产热和舱外航天服内用电设备产热排放到太空中。水升华冷源的主要缺点是需要补充消耗性工质水，国际空间站上每次典型的出舱需要消耗2.7～3.6kg的水；在出舱次数多、频率高情况下升华用水的补给难度大、费用高，以NASA设想的月球基地计划为例，如果使用水升华器作舱外航天服冷源，在其10年的运行期内，仅输送水升华器用水到月球上就需要花费50亿美元。此外，升华到空间中的水蒸汽还会造成污染，影响空间站一些仪器设备的正常工作。二次电池的工作原理是：充电过程将电能转化为化学能储存起来，放电过程再将化学能转化为电能使用。二次电池电源的主要缺点有两个，一是其储能密度（30～120Wh/Kg）提升空间有限，难以满足舱外航天服日益增长的电力供应要求；二是其充/放电循环使用次数少，在出舱次数多的情况下需要频繁更换电源，增加了补给难度和成本。
其它在研究中的舱外航天服冷源包括：动态开式膜分离器、辐射器、金属氢化物热泵、冰（石蜡）蓄冷，以及相变储热/辐射器混合式冷源等；舱外航天服电源包括：燃料电池、光纤电池等。这些冷源和电源原理虽有所不同，但与目前广泛使用的水升华器作冷源，二次电池作电源的方案都有一个共同点：采用冷源、电源分开设计的方案，没有进行冷热电一体化设计，这在客观上限制了系统综合性能的提高。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种体积小、消耗性工质需求少、再生过程迅速的舱外航天服冷热电一体化系统。
本发明的技术解决方案是：基于燃料电池及其储氢装置的舱外航天服冷热电一体化系统，包括燃料电池储氢装置、质子交换膜燃料电池、热电制冷组件、液冷服和辐射器；液冷服用于收集舱外航天服内人体代谢产热和用电设备产热，然后再将这部分热量传递给燃料电池储氢装置；燃料电池储氢装置用于吸收从液冷服中传递来的热量，并释放出氢气供燃料电池使用；燃料电池用于利用燃料电池储氢装置释放的氢气发电，为舱外航天服内的各种电力设备提供电源；热电制冷组件用于匹配燃料电池储氢装置可供冷量和液冷服所需排散热量，使二者趋于平衡；辐射器用于将质子交换膜燃料电池发电过程中产生的废热热电制冷组件排放出的热量通过辐射方式排放到太空中去。
本发明的一种基于燃料电池及其储氢装置的舱外航天服冷热电一体化系统，该舱外航天服冷热电一体化系统包括有：
一液冷服（101），用于收集舱外航天服服内人体代谢和用电设备产生的热量Qin；
一燃料电池储氢装置（102），一方面用于吸收液冷服（101）的热量Q101，并释放出氢气；另一方面，将释放出的氢气供质子交换膜燃料电池（103）使用；
一质子交换膜燃料电池（103），利用燃料电池储氢装置（102）释放出的氢气及舱外航天服服内携带的氧气进行发电输出电量V103，所述电量V103能够提供给舱外航天服服内的用电设备使用、也能提供给微型热电制冷器（104）使用；
一超级电容（106），使用超级电容（106）对质子交换膜燃料电池（103）产生的电量V103进行储存；
一微型热电制冷器（104），一方面接受质子交换膜燃料电池（103）产生的电能V103进行制冷；另一方面吸收液冷服（101）产生的热量Q101；
一辐射散热器（105），用于将质子交换膜燃料电池（103）发电过程中产生的废热Q103和微型热电制冷器（104）排放出的热量Q104通过辐射方式排放到舱外太空中去。
本发明的所述舱外航天服冷热电一体化系统设置在舱外航天服服内。
本发明与现有技术相比的优点在于：
①体积小，以使用金属氢化物作冷源为例：在相同散热负荷和出舱条件，其体积与传统水升华器相当，单位体积的蓄冷密度是冰的5倍、石蜡的8倍；质子交换膜燃料电池的体积能量密度也比传统二次蓄电池高得多。
②在同样的使用条件下，金属氢化物冷源消耗的工质质量仅为水升华器的1/9～1/5，而且排放出的氢气还可以部分或者全部提供给质子交换膜燃料电池使用；燃料电池发电过程产生的水补充到航天服水源系统中，并最终在出舱完成后得到回收，进一步减少了质量损失。
③金属氢化物冷源在回到舱内后可以在30min内完成再生过程，液氢储罐的加注时间更短；质子交换膜燃料电池将氢气和氧气的化学能直接转化为电能，不存在充放电周期，只需要补充氢气和氧气就可以持续使用。系统整体再生过程是其他冷源、电源不能相比的。
④与二次电池相比，质子交换膜燃料电池功率密度高、无自放电、无记忆效应、不存在过冲过放，性能稳定。
附图说明
图1是本发明冷热电一体化系统的结构框图。
图2是金属氢化物燃料电池储氢装置的结构图。
图2A是金属氢化物燃料电池储氢装置中的储氢单元的剖面图。
图3是液氢储存装置的结构图。
图4是质子交换膜燃料电池的结构图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步阐述。应理解，它们仅是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限定。
参见图1所示，本发明设计的一种基于燃料电池及其储氢装置的舱外航天服冷热电一体化系统，该系统包括有：
一液冷服101，用于收集舱外航天服服内人体代谢和用电设备产生的热量Qin；
一燃料电池储氢装置102，一方面用于吸收液冷服101的热量Q101，并释放出氢气；另一方面，将释放出的氢气供质子交换膜燃料电池103使用；液冷服101的热量Q101被燃料电池储氢装置102吸收，从而使得液冷服101的温度降低，达到对液冷服101进行冷却；在本发明中，燃料电池储氢装置102作为冷源释放出的氢气提供给质子交换膜燃料电池103使用，实现了液冷服冷源与燃料电池储氢装置的一体化设计。
一质子交换膜燃料电池103，利用燃料电池储氢装置102释放出的氢气及舱外航天服服内携带的氧气进行发电输出电量V103，所述电量V103能够提供给舱外航天服服内的用电设备使用、也能提供给微型热电制冷器104使用；质子交换膜燃料电池103发电过程中产生的水补充到舱外航天服的水源系统中，可以减少出舱活动中需要携带的水量，实现电源、水源的一体化设计。
一超级电容106，使用超级电容106对质子交换膜燃料电池103产生的电量V103进行储存；所述超级电容106储存的电能能够补充给用电设备；
一微型热电制冷器104，一方面接受质子交换膜燃料电池103产生的电能V103进行制冷；另一方面吸收液冷服101产生的热量Q101；使用微型热电制冷器104匹配液冷服101需要排放出的热量Q101其目的是让液冷服101冷却，用于利用质子交换膜燃料电池103产生的电能制冷，使其作为液冷服101的辅助冷源；
一辐射散热器105，用于将质子交换膜燃料电池103发电过程中产生的废热Q103和微型热电制冷器104排放出的热量Q104通过辐射方式排放到舱外太空中去。
在本发明中，根据选用所述燃料电池储氢装置102的不同，系统有两种方案：一是使用金属氢化物燃料电池储氢装置作冷源的舱外航天服冷热电一体化系统，二是使用液氢燃料电池储氢装置做冷源的舱外航天服冷热电一体化系统。
在本发明中，质子交换膜燃料电池103发电过程中产生的水（即氢气与氧气的结合物）补充到舱外航天服的水源系统中，可以减少出舱活动中需要携带的水量，实现电源、水源的一体化设计。
某型号舱外航天服具有的性能参数如下表所示：
  人体平均代谢功率   300W
不同状态下人体代谢功率   80～580W
液冷服带走热量   60%～80%
通风服带走热量   20%～40%
液冷服工质流量   72～80L/min
通风气体流量   100L/min
服装内通风气体温度   20℃
液冷服入口温度   20～26℃
液冷服出口温度   23～29℃
空间环境向航天服内传入热流   ≥100W
电子设备功率   120W
辐射器面积   0.88m2
燃料电池工作温度   60～80℃
燃料电池工作压力   1～1.5atm
燃料电池工作效率   50%
储氢合金   Ti0.99Zr0.01V0.43Fe0.09Cr0.05Mn1.5
储氢装置（铝合金）承受最大压力   20MPa
  储氢装置工作压力   1.5～5.46MPa
在本发明中，燃料电池储氢装置102能够在20℃时，将此金属氢化物中的氢气含量释放到0.4%，储氢罐中氢气的平衡压力将降低到1.5MPa，在30℃时将降低至2.33MPa。在20℃时，饱和储存氢气时，平衡压力为3MPa，30℃为5.46MPa。
实施例1
如图1所示进行各器件的连接构成金属氢化物燃料电池储氢装置作冷源的舱外航天服冷热电一体化系统，该系统包括以下几个组成部分：液冷服101、金属氢化物燃料电池储氢装置102、质子交换膜燃料电池103、热电制冷组件104、辐射器105和超级电容106。
实施例1中的金属氢化物燃料电池储氢装置102的结构如图2、图2A所示，其反应床外壳201的侧板201A与隔板201B之间是氢气腔203，所述氢气腔203用于储存氢气；反应床外壳201内设有储氢单元202和液体腔205，所述储氢单元202的一端与氢气腔203导通，储氢单元202泡在液体腔205中的液体中，反应床外壳201上设有氢气出口204、液体入口206、液体出口207，所述氢气出口204用于向氢气腔203进行充入氢气，所述液体入口206用于向液体腔205注入液体，所述液体出口207用于将液体腔205中的液体排出。所述储氢单元202在液体腔205内设置的个数至少6个或者以上。每一个储氢单元202由外向里是外壁208、金属氢化物粉末209、筛网210和氢气通道211。外壁208与筛网210之间是金属氢化物粉末209。储氢单元202的中部是氢气通道211。反应床外壳201采用不锈钢材料，储氢单元202的外壁208选用导热性良好的铝合金材料，金属氢化物粉末209采用多孔体金属氢化物，筛网210用于供氢气通过并且阻止金属氢化物粉末209通过。
实施例1中所述的金属氢化物燃料电池储氢装置102，在出舱过程中，液冷服101中的工质经液体入口206流入，并储存在液体腔205中，工质经对流换热将热量Q101传递给各个储氢单元202的外壁208，再通过热传导将热量Q101传递给金属氢化物粉末209。在这个过程中，金属氢化物粉末209吸收热量，释放出氢气，氢气穿过筛网210，经氢气通道211、氢气腔203、氢气出口204流出，再经过压力调节阀102A（设置在金属氢化物燃料电池储氢装置102与质子交换膜燃料电池103之间联通的管道上）调压后供给质子交换膜燃料电池103使用；同时，工质释放出了热量，自身温度得到降低，经液体出口207流出。在再生过程中，液体入口206、液体出口207分别与航天器内的冷却工质出口、入口相连，构成冷却回路，氢气出口204与航天器内的氢源相连。与出舱过程相反，这时航天器内的氢源提供的氢气与储氢装置中的金属粉末发生吸附反应，释放出的热量由冷却工质带走，直到完成金属氢化物的再生过程。
本实施例的质子交换膜燃料电池103内部结构如图4所示，质子交换膜燃料电池103的一端定义为阳极，则另一端则为阴极；质子交换膜燃料电池103主要包括金属网401、气体扩散层402、铂催化剂层403和质子交换膜404四个单元。所述质子交换膜燃料电池103的各个单元是共面的，各个单元由一个共同的金属支架连接在一起。这种结构大大简化了燃料电池的装配，消除了对专门的电流收集器和支架的需求，减少了组装一个燃料电池块的组件数目和电连接点的数目。
所述的质子交换膜燃料电池103在工作时，氢气和氧气在气体扩散层上均匀分布，氢气在催化剂的作用下被电离成氢离子（质子）和电子。氢离子以水合质子H＋形式从一个磺酸基转移到另一个磺酸基，从而实现质子在离子交换膜中的导电。氢气和氧气被中间的质子交换膜404隔离，而氢离子则能够在水的作用下在膜中从阳极迁移至阴极。与此同时，所形成的电子沿着外电路从阳极流向阴极，从而产生电能V103。在阴极，氧气与迁移过来的电子、氢离子结合生成水和热能Q103。
本实施例的舱外航天服冷热电一体化系统，工作时金属氢化物燃料电池储氢装置102吸收人体代谢产热和电力设备产热释放出氢气，通过调节金属氢化物反应床的氢气压力可以调节液冷服101入口冷却工质的温度。当热负荷较大时，开启微型热电制冷器104作为液冷服101辅助冷源，当处于较冷环境，还可以通以反向电流，给液冷服101加热，以保证释放金属氢化物燃料电池储氢装置102释放氢气的速率不发生太大变化。当电力需求较少时，多余的电量储存到超级电容106中，当电力需求较大时，超级电容106释放出电能，质子交换膜燃料电池103发电的速率也保持较小的波动范围。通过微型热电制冷器104和超级电容106的共同作用，使本实施例构成的冷热电一体化系统保持在一个相对稳定的工作环境下。
在实施例1中选用的燃料电池性能参数为：最大功率200W，工作电压16V，能量转化效率：约为50%，内部正常工作压力0.15～0.2MPa之间，工作温度65℃～75℃，储氢装置供氢的压力调节阀当氢气压力大于1.8atm时阀门开启。
在实施例1中选用的液冷服性能参数为：进口温度：20℃～26℃，流速：1.5～3.0L/min。
实施例2
实施例2与实施例1唯一的不同在于所用的燃料电池储氢装置，实施例2所用的燃料电池储氢装置102为液氢储存装置，因此在这里只对液氢储存装置作说明，其余部分不再赘述。
本实施例的液氢储存装置结构示意图如图3所示，主要包括有：外壳301、支撑物302、夹层303、内胆304、安全阀305、泵306、热交换器307、高压气瓶308、压力调节阀309、压力调节阀310、截止阀311等部分。液氢储罐分为内外两层，外壳301一般采用低碳钢、不锈钢等材料，也可采用铝合金材料，以减轻容器质量；支撑物302可由长长的玻璃纤维带制成，具有良好的绝热性能，用于将内胆304固定于外层壳体301中心；夹层303中间填充多层镀铝涤纶薄膜，以减少热辐射，各层薄膜之间放上碳绝热纸，以增加热阻，吸附低温下的残余气体，用真空泵抽去夹层303内的空气，形成高真空便可避免气体对流漏热；内胆304一般采用铝合金、不锈钢等材料制成，用于盛装温度为20K的液氢，承压（1～2）Mpa；热交换器307的两个接口分别与液冷服101的冷却水出口和入口相连。
本实施例的液氢储存装置，在出舱活动时，截止阀311关闭，安全阀305打开，泵306将液氢从内胆304中抽吸出来，在热交换器307中吸收液冷服101工质中的热量，气化后进入高压气瓶308，然后经压力调节阀309调压后一方面供给质子交换膜燃料电池103使用，另一方面再经压力调节阀310调节后充入内胆304，以保持内胆304中的压力，使泵306能够顺利工作。在飞行器内需要充氢气时，安全阀305关闭，压力调节阀310关闭，截止阀311打开，液氢经截止阀311冲入到内胆304中，即完成了再生过程。
本发明采用燃料电池储氢装置102作为舱外航天服液冷服冷源，采用质子交换膜燃料电池103作为舱外航天服电源，液冷服冷源同时也为舱外航天服电源提供燃料氢气，电源产生的水同时补充到舱外航天服的水源系统中去，实现了冷源、电源、水源的一体化集成设计，充分利用了舱外航天服内部物质和能量需求的互补性，具有体积小，消耗性工质需求少、再生过程迅速的优点。
本发明的一种基于燃料电池及其储氢装置的舱外航天服冷热电一体化系统，包括燃料电池储氢装置、质子交换膜燃料电池、热电制冷组件、液冷服和辐射器；液冷服用于收集舱外航天服内人体代谢产热和用电设备产热；燃料电池储氢装置用于吸收从液冷服中传递来的热量，同时释放出氢气供质子交换膜燃料电池使用；质子交换膜燃料电池用于利用储氢装置释放的氢气发电，为舱外航天服提供电源；热电制冷组件用于匹配燃料电池储氢装置可供冷量和液冷服所需排散热量，使二者趋于平衡；辐射器用于将质子交换膜燃料电池发电过程中产生的废热和热电制冷组件排放出的热量通过辐射方式排放到太空中去。本系统具有体积小、消耗性工质需求少、再生过程迅速等优点。

Claims (9)

1.一种基于燃料电池及其储氢装置的舱外航天服冷热电一体化系统，其特征在于：舱外航天服冷热电一体化系统包括有：
一液冷服（101），用于收集舱外航天服服内人体代谢和用电设备产生的热量Qin；
一燃料电池储氢装置（102），一方面用于吸收液冷服（101）的热量Q101，并释放出氢气；另一方面，将释放出的氢气供质子交换膜燃料电池（103）使用；
一质子交换膜燃料电池（103），利用燃料电池储氢装置（102）释放出的氢气及舱外航天服服内携带的氧气进行发电输出电量V103，所述电量V103能够提供给舱外航天服服内的用电设备使用、也能提供给微型热电制冷器（104）使用；
一超级电容（106），使用超级电容（106）对质子交换膜燃料电池（103）产生的电量V103进行储存；
一微型热电制冷器（104），一方面接受质子交换膜燃料电池（103）产生的电能V103进行制冷；另一方面吸收液冷服（101）产生的热量Q101；
一辐射散热器（105），用于将质子交换膜燃料电池（103）发电过程中产生的废热Q103和微型热电制冷器（104）排放出的热量Q104通过辐射方式排放到舱外太空中去。
2.根据权利要求1所述的基于燃料电池及其储氢装置的舱外航天服冷热电一体化系统，其特征在于：所述舱外航天服冷热电一体化系统设置在舱外航天服服内。
3.根据权利要求1所述的基于燃料电池及其储氢装置的舱外航天服冷热电一体化系统，其特征在于：燃料电池储氢装置（102）能够在20℃时，将此金属氢化物中的氢气含量释放到0.4%，储氢罐中氢气的平衡压力将降低到1.5MPa，在30℃时将降低至2.33MPa。在20℃时，饱和储存氢气时，平衡压力为3MPa，30℃为5.46MPa。
4.根据权利要求1所述的基于燃料电池及其储氢装置的舱外航天服冷热电一体化系统，其特征在于：燃料电池储氢装置（102）可以选用金属氢化物燃料电池储氢装置和液氢燃料电池储氢装置。
5.根据权利要求4所述的基于燃料电池及其储氢装置的舱外航天服冷热电一体化系统，其特征在于：金属氢化物燃料电池储氢装置中的反应床外壳（201）的侧板（201A）与隔板（201B）之间是氢气腔（203），所述氢气腔（203）用于储存氢气；反应床外壳（201）内设有储氢单元（202）和液体腔（205），所述储氢单元（202）的一端与氢气腔（203）导通，储氢单元（202）泡在液体腔（205）中的液体中，反应床外壳（201）上设有氢气出口（204）、液体入口（206）、液体出口（207），所述氢气出口（204）用于向氢气腔（203）进行充入氢气，所述液体入口（206）用于向液体腔（205）注入液体，所述液体出口（207）用于将液体腔（205）中的液体排出。所述储氢单元（202）在液体腔（205）内设置的个数至少6个或者以上。每一个储氢单元（202）由外向里是外壁（208）、金属氢化物粉末（209）、筛网（210）和氢气通道（211）。外壁（208）与筛网（210）之间是金属氢化物粉末（209）。储氢单元（202）的中部是氢气通道（211）。反应床外壳（201）采用不锈钢材料，储氢单元（202）的外壁（208）选用导热性良好的铝合金材料，金属氢化物粉末（209）采用多孔体金属氢化物，筛网（210）用于供氢气通过并且阻止金属氢化物粉末（209）通过。
6.根据权利要求1所述的基于燃料电池及其储氢装置的舱外航天服冷热电一体化系统，其特征在于：液氢燃料电池储氢装置包括有：外壳（301）、支撑物（302）、夹层（303）、内胆（304）、安全阀（305）、泵（306）、热交换器（307）、高压气瓶（308）、压力调节阀（309）、压力调节阀（310）、截止阀（311）；液氢储罐分为内外两层，外壳（301）一般采用低碳钢、不锈钢等材料，也可采用铝合金材料，以减轻容器质量；支撑物（302）可由长长的玻璃纤维带制成，具有良好的绝热性能，用于将内胆（304）固定于外层壳体（301）中心；夹层（303）中间填充多层镀铝涤纶薄膜，以减少热辐射，各层薄膜之间放上碳绝热纸，以增加热阻，吸附低温下的残余气体，用真空泵抽去夹层（303）内的空气，形成高真空便可避免气体对流漏热；内胆（304）一般采用铝合金、不锈钢等材料制成，用于盛装温度为20K的液氢，承压1～2Mpa；热交换器（307）的两个接口分别与液冷服（101）的冷却水出口和入口相连。
7.根据权利要求1所述的基于燃料电池及其储氢装置的舱外航天服冷热电一体化系统，其特征在于：根据所述燃料电池储氢装置（102）的不同，系统有两种方案：一是使用金属氢化物燃料电池储氢装置作冷源的舱外航天服冷热电一体化系统，二是使用液氢燃料电池储氢装置做冷源的舱外航天服冷热电一体化系统。
8.根据权利要求1所述的基于燃料电池及其储氢装置的舱外航天服冷热电一体化系统，其特征在于：燃料电池储氢装置（102）作为冷源释放出的氢气提供给质子交换膜燃料电池（103）使用，实现了液冷服冷源与燃料电池储氢装置的一体化设计。
9.根据权利要求1所述的基于燃料电池及其储氢装置的舱外航天服冷热电一体化系统，其特征在于：质子交换膜燃料电池（103）发电过程中产生的水补充到舱外航天服的水源系统中，可以减少出舱活动中需要携带的水量，实现电源、水源的一体化设计。
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