[发明专利]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

说明书

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Q_in；

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。