用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统

1.本发明属于航天能源技术领域，特别是涉及一种用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统。


背景技术：

2.燃料电池和电解池属于电化学设备，已经用于太空的生命支持和电力供应。在早期的太空任务中，由于低温燃料电池具有重量轻，结构简单等特点，受到广泛关注。燃料电池在太空的第一次使用是在1960年代，其类型为质子交换膜燃料电池。阿波罗飞船在1968-1972年使用了高功率密度的碱性燃料电池。直到2011年nasa航天飞机退役前，碱性燃料电池一直是其主要电力供应来源。这些燃料电池的燃料和氧化剂来源为航天器携带的液氢和液氧。燃料电池电化学反应生成的水可以被航天员饮用，也可以用于航天器人员活动空间空气加湿。在1960年代，人们试图通过二氧化碳和水的共电解来获得氧气。1970年代，在火星就地资源利用方面，人们提出了利用二氧化碳与水共电解生产氧气和甲烷的想法。然而，早期的二氧化碳共电解必须使用铂作为电极。经过30多年的发展，固体氧化物燃料电池材料的技术得到了巨大提升，已经逐步应用于二氧化碳的共电解。
3.此外，一些限制固体氧化物燃料电池在航空航天领域应用的困难也在逐渐被重视，主要是体积功率密度和重量功率密度。nasa通过改进燃料电池材料和结构实现了其功率密度达到1kw/kg。但是该技术也面临密封、应力破坏等问题。固体氧化物燃料电池具有可逆性，即可进行电化学反应，也可进行电解反应。相比于低温燃料电池对co、硫化物等气体容忍度更高，更适用于火星表面、航天器等环境下利用。2021年登陆火星表面的探测器携带了固体氧化物燃料电池堆，完成了第一次就地资源利用实验。通过该燃料电池在火星表面产生了氧气，完成了人类历史上第一次就地资源利用技术。如今，固体氧化物燃料电池技术取得了长足进步，最近的报道，co2转换为co实验中持续1000小时，几乎没有性能衰减。但是，目前的燃料电池、电解池几乎主要用于地面发电设备，很少用于航空航天领域，因而其小型化、紧凑化设计研究很少。如果算上附属设备，燃料电池系统重量或体积可能增加80％-200％。对于航空航天应用，燃料电池堆设计和部件设计是必须要考虑的为了降低系统体积和重量。例如，新开发的高温气凝胶与传统的高温隔热材料相比，质量密度降低了一个数量级。在航空航天领域，燃料电池堆栈结构和封装设计的发展，包括将电池堆从发射到降落稳定运输，是需要着重考虑的。因此，燃料电池辅助部件设计变得尤为重要。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明为航天运载器提供了一种新型可再生能源生成方案，解决能源可持续生成难题，满足未来空间探索、载人航行等需求，提出一种用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统，包括供给系统、能量转换系统和储能及能量回收系统，所述原料供
给系统、能量转换系统和储能及能量回收系统依次连接，所述原料供给系统和能量回收系统流路可逆；所述原料供给系统包括两个推进剂储箱，分别装氧化剂和燃料，所述能量转换系统包括若干换热器和燃料电池，储能及能量回收系统包括电池和多个电能转换控制系统，所述推进剂储箱与换热器连接，然后高温氧气进入燃料电池阴极通道，高温燃料进入燃料电池阳极通道，燃料电池阳极通道出口气体进入高压水蒸气罐，燃料电池阴极出口气体进入高压储罐，燃料电池发的电能经过电能转换控制系统，一部分电能储存在电池，另一部分提供给用电设备使用，两个推进剂储箱与高压水蒸气罐和高压储罐的流路可逆。
6.更进一步的，两个推进剂储箱分别为高压丙烷罐和高压氧气罐，所述高压氧气罐提供氧化剂，所述高压丙烷罐提供燃料。
7.更进一步的，所述燃料为丙烷，经过第一开关阀后，经第一电动增压鼓风机增压后送入换热器升温，电阻加热器在系统启动时为流体工质升温。
8.更进一步的，所述氧化剂为高压氧气，经过第二开关阀后，径第二电动增压鼓风机加压后进入换热器升温，电阻加热器在系统启动时为流体工质升温。
9.更进一步的，燃料电池阳极通道出口气体经过第四电动增压鼓风机后，流经第四开关阀，之后进入高压水蒸气罐。
10.更进一步的，燃料电池阴极出口气体经过换热器后，温度降低，流经第三电动增压鼓风机，之后经过第三开关阀进入高压储罐。
11.更进一步的，高压氧气罐和高压丙烷罐内气体正向流动时，燃料电池发的电能和光伏板发的电能均提供给电池和用电设备，此时高压储罐和高压水蒸气罐内气体质量增加。
12.更进一步的，当高压储罐和高压水蒸气罐为供给端时，燃料电池不发电，利用光伏板的电能将供给端工质电解，生成气体输送到高压氧气罐和高压丙烷罐。
13.更进一步的，所述燃料电池为陶瓷结构燃料电池。
14.与现有技术相比，本发明所述的用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统的有益效果是：
15.(1)、目前的航天器较多采用低温燃料电池和太阳能提供电能地方法，如阿波罗登月飞船，nasa航天飞机等。低温燃料电池主要使用液氢和液氧，占用较大空间。太阳能发电设备无法在夜间使用，需要为其配备储能电池，电池的能量密度相比化学燃料较小，因而所能贮存的能量受到限制。本发明成功克服了上述技术难题，用丙烷储能，其能量密度约为电池的密度的50倍。因而可提高单位体积和质量容积的储能密度，研发了一种用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统。
16.(2)、本发明利用高压小分子碳氢燃料(丙烷和丁烷)储存能量，相比电池储能密度更高，解决了传统航天器储能困难，体积较大等问题，而且还可以对航天器内的二氧化碳进行处理。
17.(3)、本发明所使用的管路和部件为闭式系统，且在高压下运行，非常有利于提高换热器、燃料电池等部件的功率密度，减小部件体积，适合在航天器上利用。
18.(4)、本发明的燃料电池为陶瓷结构，升温速率快容易导致结构不坏。因此，通过电阻丝埋藏在电极材料里可以利用小电流缓慢升温，提高电堆温度，进而逐步供气，启动电堆。
19.(5)、本发明所使用的电加热式换热器和燃料电池解决了整个系统的自启动难题，克服了高温陶瓷燃料电池升温慢的困难。此外，由于整个系统具有可逆性，电阻加热的方法，可以满足同时满足系统正向运行和逆向运行。
20.(6)、本发明使用的燃料电池发电系统效率高，因此所需要携带的高压气态推进剂较少，进一步提高了系统的功率密度，降低了其重量惩罚。
21.(7)、本发明应用较广，可广泛应用于各类航天器，满足其电能需求和水需求，同时可以处理舱内废气。
22.(8)、本发明中的高压氧气罐、高压丙烷罐、高压罐和高压水蒸气罐均为高压储罐，因此不仅整个系统反应速率高，而且非常紧凑，整个系统均耐高压。
附图说明
23.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
24.图1为本发明所述的一种用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统的结构示意图；
25.图2为本发明所述的一种用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统中的换热器的结构示意图。
26.图中：1-高压丙烷罐，2-高压氧气罐，3-高压储罐，4-高压水蒸气罐，5-第一电动增压鼓风机，6-第二电动增压鼓风机，7-第三电动增压鼓风机，8-第四电动增压鼓风机，9-换热器，10-电加热器，11-壳体，12-控制中心，13-太阳能板，14-储能电池，15-燃料电池，16-绝缘层。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
28.一、具体实施方式一，参见图1-2说明本实施方式，一种用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统，包括原料供给系统、能量转换系统和储能及能量回收系统，所述原料供给系统、能量转换系统和储能及能量回收系统依次连接，所述原料供给系统和能量回收系统流路可逆；
29.所述原料供给系统包括两个推进剂储箱，分别装氧化剂和燃料，所述能量转换系统包括换热器9和燃料电池15，储能及能量回收系统包括储能电池14和多个电能转换控制系统，所述推进剂储箱与换热器连接，然后高温氧气进入燃料电池15阴极通道，高温燃料进入燃料电池15阳极通道，燃料电池阳极通道出口气体进入高压水蒸气罐4，燃料电池阴极出口气体进入高压储罐3，燃料电池15发的电能经过电能转换控制系统，一部分电能储存在储能电池14，另一部分提供给用电设备使用，两个推进剂储箱与高压水蒸气罐4和高压储罐3的流路可逆。
30.两个推进剂储箱分别为高压丙烷罐1和高压氧气罐2，所述高压氧气罐2提供氧化剂，所述高压丙烷罐1提供燃料。
31.所述燃料为丙烷，经过第一开关阀后，经第一电动增压鼓风机5增压后送入换热器9升温，电阻加热器10在系统启动时为流体工质升温。
32.所述氧化剂为高压氧气，经过第二开关阀后，径第二电动增压鼓风机6加压后进入换热器9升温，电阻加热器10在系统启动时为流体工质升温。电阻加热器10不仅可实现电加热为工质升温，还可实现工质流向反转，即一路流体为另一路流体加热或另一路流体为该路流体加热。
33.燃料电池阳极通道出口气体经过第四电动增压鼓风机8后，流经第四开关阀，之后进入高压水蒸气罐4。
34.燃料电池阴极出口气体经过换热器9后，温度降低，流经第三电动增压鼓风机7，之后经过第三开关阀进入高压储罐3。
35.高压氧气罐2和高压丙烷罐1内气体正向流动时，燃料电池15发的电能和太阳能板13发的电能均提供给储能电池14和用电设备，此时高压储罐3和高压水蒸气罐4内气体质量增加。
36.当高压储罐3和高压水蒸气罐4为供给端时，燃料电池15不发电，利用太阳能板13的电能将供给端工质电解，生成气体输送到高压氧气罐2和高压丙烷罐1。
37.换热器9冷热流为逆向流动，冷热流之间壁面由金属包裹带有绝缘的电阻组成，换热器外侧具有绝缘层16，防止漏电。
38.所述燃料电池15具有电阻丝加热的结构，为整个燃料电池堆进行预热。所述燃料电池15为陶瓷结构燃料电池，升温速率快容易导致结构不坏。
39.整个装置具有保温设置，例如高压储箱3和高压水蒸气罐4外安装有保温棉，换热器外安装有隔热瓦保温装置，燃料电池15也有隔热瓦保温装置，采取紧凑设置，防止热量散失到空气中。
40.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

技术特征：
1.一种用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统，其特征在于：包括原料供给系统、能量转换系统和储能及能量回收系统，所述原料供给系统、能量转换系统和储能及能量回收系统依次连接，所述原料供给系统和能量回收系统流路可逆；所述原料供给系统包括两个推进剂储箱，分别装氧化剂和燃料，所述能量转换系统包括换热器(9)和燃料电池(15)，储能及能量回收系统包括储能电池(14)和多个电能转换控制系统，所述推进剂储箱与换热器连接，然后高温氧气进入燃料电池(15)阴极通道，高温燃料进入燃料电池(15)阳极通道，燃料电池阳极通道出口气体进入高压水蒸气罐(4)，燃料电池阴极出口气体进入高压储罐(3)，燃料电池(15)发的电能经过电能转换控制系统，一部分电能储存在储能电池(14)，另一部分提供给用电设备使用，两个推进剂储箱与高压水蒸气罐(4)和高压储罐(3)的流路可逆。2.根据权利要求1所述的用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统，其特征在于：两个推进剂储箱分别为高压丙烷罐(1)和高压氧气罐(2)，所述高压氧气罐(2)提供氧化剂，所述高压丙烷罐(1)提供燃料。3.根据权利要求2所述的用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统，其特征在于：所述燃料为丙烷，经过第一开关阀后，经第一电动增压鼓风机(5)增压后送入换热器(9)升温，电阻加热器(10)在系统启动时为流体工质升温。4.根据权利要求2所述的用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统，其特征在于：所述氧化剂为高压氧气，经过第二开关阀后，经第二电动增压鼓风机(6)加压后进入换热器(9)升温，电阻加热器(10)在系统启动时为流体工质升温。5.根据权利要求1、2、3或4所述的用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统，其特征在于：燃料电池阳极通道出口气体经过第四电动增压鼓风机(8)后，流经第四开关阀，之后进入高压水蒸气罐(4)。6.根据权利要求5所述的用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统，其特征在于：燃料电池阴极出口气体经过换热器(9)后，温度降低，流经第三电动增压鼓风机(7)，之后经过第三开关阀进入高压储罐(3)。7.根据权利要求6所述的用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统，其特征在于：高压氧气罐(2)和高压丙烷罐(1)内气体正向流动时，燃料电池(15)发的电能和太阳能板(13)发的电能均提供给储能电池(14)和用电设备，此时高压储罐(3)和高压水蒸气罐(4)内气体质量增加。8.根据权利要求6或7所述的用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统，其特征在于：当高压储罐(3)和高压水蒸气罐(4)为供给端时，燃料电池(15)不发电，利用太阳能板(13)的电能将供给端工质电解，生成气体输送到高压氧气罐(2)和高压丙烷罐(1)。9.根据权利要求5所述的用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统，其特征在于：所述燃料电池(15)为陶瓷结构燃料电池。

技术总结
本发明提出了一种用于航天运载器领域的机载/舰载可持续电能供给系统，属于航天能源技术领域。解决了能源可持续生成难题，满足未来空间探索、载人航行等需求。该可持续电能供给系统的原料供给系统、能量转换系统和储能及能量回收系统依次连接，原料供给系统和能量回收系统流路可逆；推进剂储箱与换热器连接，燃料电池阳极通道出口气体进入高压水蒸气罐，燃料电池阴极出口气体进入高压储罐，燃料电池发的电能经过电能转换控制系统。本发明所使用的电加热式换热器和燃料电池解决了整个系统的自启动难题，克服了高温陶瓷燃料电池升温慢的困难。此外，由于整个系统具有可逆性，电阻加热的方法，可以满足同时满足系统正向运行和逆向运行。运行。运行。


技术研发人员：姬志行 程莉雯 王占学
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/7/18