CN107878783B - 一种基于可再生燃料电池的电源推进系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于可再生燃料电池的电源推进系统，包括太阳能电池、能量管理模块、流体管理装置和推力器；太阳能电池作为整个系统的能量源，将太阳能转换为电能，产生的电能供能量管理模块调配；能量管理模块根据卫星的工作状况，调整能量在整个系统的能量调配；流体管理装置在能量管理模块的调节之下，以电解池或者燃料电池模式工作；推力器利用流体管理装置中产生的氢气和氧气工作，通过点燃氢气和氧气并喷出产生推力。本发明提出了一种流体管理装置与其他相关元器件结合作为电源系统和推进系统结合方案的一种实现方法，该实现方法有简单、质量轻、结构紧凑的特点，非常适合微纳卫星应用。

Description

一种基于可再生燃料电池的电源推进系统
技术领域
本发明属于航天器系统设计领域，更具体地，是一种电源系统和推进系统结合的实现方案。
背景技术
一体化可再生燃料电池技术渐渐成熟，使得可再生燃料电池在航天上的应用成为可能。大型卫星空间充足，将各部分分立设计可以提高设计的灵活性，现已有部分应用于大型卫星的以可再生燃料电池系统为纽带的电源系统和推进系统结合方案。
小卫星对各个分系统的重量有非常严格的要求，需要尽量提高星上设备的复用率，以降低星上元器件数目，降低系统质量。
小卫星体积小、质量小、可以安装太阳能电池板的面积有限，也就是可以提供的功率有限，必须对星上的各个分系统进行综合设计，以满足小卫星严苛的功率限制条件。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于可再生燃料电池的电源推进系统，提高了原系统中各个元件的复用率，降低了系统的复杂度以及重量。
本发明的技术方案是：一种基于可再生燃料电池的电源推进系统，包括太阳能电池、能量管理模块、流体管理装置和推力器；太阳能电池作为整个系统的能量源，将太阳能转换为电能，产生的电能供能量管理模块调配；能量管理模块根据卫星的工作状况，调整能量在整个系统的能量调配；流体管理装置在能量管理模块的调节之下，以电解池或者燃料电池模式工作；推力器利用流体管理装置中产生的氢气和氧气工作，通过点燃氢气和氧气并喷出产生推力。
所述流体管理装置包括可再生燃料电池组件、氢气储箱组件和氧气储箱组件；可再生燃料电池组件镶嵌在氢气储箱组件和氧气储箱组件之间。
所述氢气储箱组件和氧气储箱组件内的压力保持一致。
所述可再生燃料电池组件采用静态供水的供水方法工作，在能量管理模块的控制之下，以电解池模式或者燃料电池模式工作。当卫星处于光照区时，太阳能电池提供的能量充足，能量管理模块控制可再生燃料电池以电解池的工作模式工作，水被分解称为氢气和氧气分别存储在氢气储箱组件、氧气储箱组件中。
在氢气储箱组件中设有一层以软性的不透水的材料制成的薄膜，膜内装水；通过不透水的薄膜将氢气储箱组件中的氢气和水隔离开保证氢气的干燥。
当卫星处于光照区时，能量管理模块将控制可再生燃料电池组件以电解池的工作模式工作，消耗水产生氢气和氧气，并将电能以化学能的形式存储在氢气和氧气中；当卫星处于阴影区时，能量管理模块将控制可再生燃料电池组件以燃料电池的工作模式工作，将氢气和氧气中存储的化学能转化为电能，同时生成水。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、通过本技术，将原系统中的水储箱系统、一体化可再生燃料电池系统、氢气储箱系统和氧气储箱系统集成为一个元件流体管理装置，在结构上将水储箱系统、氢气储箱系统和氧气储箱系统简化为氢气储箱组件和氧气储箱组件，原系统的太阳能电池系统对应本设计的太阳能电池，原设计的能量管理系统对应本设计的能量管理模块，原设计的推力器系统对应本设计的推力器，从而提高了原系统中各个元件的复用率，降低了系统的复杂度以及重量。
2、可再生燃料电池组件直接嵌入在氢气储箱组件和氧气储箱组件之间，氢气储箱组件和氧气储箱组件内的气压一致，因此对氢气储箱组件和氧气储箱组件之间的结构以及可再生燃料电池组件的力学结构要求低，可以将它设计的轻薄，从而降低了系统的重量。
3、通过将氢气储箱组件和氧气储箱组件以及可再生燃料电池组件(4.3)集成到一起，可以去掉传统水储箱系统、氢气储箱系统和氧气储箱系统和一体化可再生燃料电池系统之间的管道，降低了系统的重量。
4、通过将复杂的流体管理部分集成的一起，可以使系统整体更加紧凑，设计成的产品可以更方便的安装到卫星上。
附图说明
图1为本发明的工作方案；
图2为经典的以一体化可再生燃料电池系统为纽带的电源系统和推进系统结合方案。
图3为流体管理装置的细节结构；
图4为电解池工作模式下的流体流动方向；
图5为燃料电池工作模式下的流体流动方向。
具体实施方式
如图1-5所示，本发明一种基于可再生燃料电池的电源推进系统，包括太阳能电池1、能量管理模块2、流体管理装置4和推力器5；太阳能电池1作为整个系统的能量源，将太阳能转换为电能，产生的电能供能量管理模块2调配；能量管理模块2根据卫星的工作状况，调整能量在整个系统的能量调配；流体管理装置4在能量管理模块2的调节之下，以电解池或者燃料电池模式工作；推力器5利用流体管理装置4中产生的氢气和氧气工作，通过点燃氢气和氧气并喷出产生推力。
所述流体管理装置4包括可再生燃料电池组件4.3、氢气储箱组件4.1和氧气储箱组件4.2；可再生燃料电池组件4.3镶嵌在氢气储箱组件4.1和氧气储箱组件4.2之间。所述氢气储箱组件4.1和氧气储箱组件4.2内的压力保持一致。所述可再生燃料电池组件4.3采用静态供水的供水方法工作，在能量管理模块2的控制之下，以电解池模式或者燃料电池模式工作。当卫星处于光照区时，太阳能电池1提供的能量充足，能量管理模块2控制可再生燃料电池4.1以电解池的工作模式工作，水被分解称为氢气和氧气分别存储在氢气储箱组件4.1、氧气储箱组件4.2中。
在氢气储箱组件4.1中设有一层以软性的不透水的材料制成的薄膜，膜内装水；通过不透水的薄膜将氢气储箱组件4.1中的氢气和水隔离开保证氢气的干燥。
设计氢气储箱组件4.1体积为400ml，氧气储箱组件4.2体积为400ml，在氢气储箱组件4.2中注入300ml水。在卫星发射上天之后，在能量管理模块2的控制之下，当卫星出于光照区时，流体管理装置4利用耗电设备3的富余电能，以电解池的工作模式工作，电解水氢气储箱组件4.2不透水薄膜中的水产生氢气和氧气，分别存储在氢气储箱组件4.1和氧气储箱组件4.2中，同时将电能转换为化学能。在卫星出于阴影区时，在能量管理模块2的控制之下，流体管理装置4以燃料电池的工作模式工作，储存在氢气储箱组件4.1和氧气储箱组件4.2中的氢氧气体发生燃料电池反应生成水，同时释放电能，在能量管理模块2的控制之下供给耗电设备3工作。
当卫星有轨道机动或者姿态机动需求时，在能量管理模块2的控制之下，流体管理装置4中产生的氢气和氧气流入到发动机的燃烧室中燃烧，通过从推力器5喷出燃烧后的混合气体从而产生推力。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种基于可再生燃料电池的电源推进系统，其特征在于：包括太阳能电池(1)、能量管理模块(2)、流体管理装置(4)和推力器(5)；太阳能电池(1)作为整个系统的能量源，将太阳能转换为电能，产生的电能供能量管理模块(2)调配；能量管理模块(2)根据卫星的工作状况，调整能量在整个系统的能量调配；流体管理装置(4)在能量管理模块(2)的调节之下，以电解池或者燃料电池模式工作；推力器(5)利用流体管理装置(4)中产生的氢气和氧气工作，通过点燃氢气和氧气并喷出产生推力；
所述流体管理装置(4)，包括可再生燃料电池组件(4.3)、氢气储箱组件(4.1)和氧气储箱组件(4.2)；可再生燃料电池组件(4.3)镶嵌在氢气储箱组件(4.1)和氧气储箱组件(4.2)之间；在氢气储箱组件(4.1)中设有一层以软性的不透水的材料制成的薄膜，膜内装水；通过不透水的薄膜将氢气储箱组件(4.1)中的氢气和水隔离开保证氢气的干燥；
所述可再生燃料电池组件(4.3)采用静态供水的供水方法工作，在能量管理模块(2)的控制之下，以电解池模式或者燃料电池模式工作；当卫星处于光照区时，太阳能电池(1)提供的能量充足，能量管理模块(2)控制可再生燃料电池(4.1)以电解池的工作模式工作，氢气储箱组件(4.1)中膜内的水被分解成为干燥的氢气和氧气分别存储在氢气储箱组件(4.1)、氧气储箱组件(4.2)中；
当卫星处于阴影区时，能量管理模块(2)将控制可再生燃料电池组件(4.3)以燃料电池的工作模式工作，将氢气和氧气中存储的化学能转化为电能，同时生成水；所述氢气储箱组件(4.1)和氧气储箱组件(4.2)内的压力保持一致。
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