专利名称：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的制作方法
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Qltll，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Vltl3，所述电量Vltl3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Vltl3进行制冷；另一方面吸收液冷服(101)产生的热量Qltll ；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Qltl4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。
图I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。
具体实施例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I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—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 ；—燃料电池储氢装置102, —方面用于吸收液冷服101的热量Q皿,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Qltll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Vltl3，所述电量Vltl3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Vltl3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Vltl3进行制冷；另一方面吸收液冷服101产生的热量Qltll ;使用微型热电制冷器104匹配液冷服101需要排放出的热量Qltll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01(13和微型热电制冷器104排放出的热量Qltl4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
权利要求
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), —方面用于吸收液冷服(101)的热量Qltll,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Vltl3，所述电量Vltl3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Vltl3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Vltl3进行制冷；另一方面吸收液冷服(101)产生的热量Qltll ；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Qltl3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I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I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°C时，将此金属氢化物中的氢气含量释放到O. 4%，储氢罐中氢气的平衡压力将降低到I. 5MPa，在30°C时将降低至2. 33MPa。在20°C时，饱和储存氢气时，平衡压力为3MPa，30°C为5. 46MPa。
4.根据权利要求I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(20IB)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。每一个储氢单兀(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I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) —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)—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I 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I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I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I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。
全文摘要
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。
文档编号B64G6/00GK102935899SQ20121033438
公开日2013年2月20日 申请日期2012年9月11日 优先权日2012年9月11日
发明者李运泽, 高峰, 周国栋, 张红生 申请人:中国航天员科研训练中心, 北京航空航天大学