一种用于空间燃料电池的吹扫系统

本发明属于燃料电池，具体涉及一种用于空间燃料电池的吹扫系统。

背景技术：

1、空间燃料电池作为航天器电源模块的重要部组件，最早在“双子座”卫星、“阿波罗”号飞船上均有应用。空间燃料电池具有高能量转化效率、低噪音、零排放等方面优点。对于深空探测任务，在太阳能供给短缺时，它可以作为航天器的主要能源之一。对于空间站或国际月球科研站，它在提供能源的同时，反应产物可作为航天员的储备用水。对于卫星星座，它可持续提供大功率的能源供给，保障卫星组网机动变轨。对于超低轨吸气式卫星，它可利用捕集的低轨大气工质为卫星供电，或者在短期任务中替代部分太阳能帆板以降低卫星的气动阻力。总之，燃料电池在诸多空间任务中均具有重要的应用前景。

2、在空间燃料电池非工作/工作状态切换之后，启动空间燃料电池吹扫系统是其使用过程中的关键步骤，对于燃料电池在太空环境下的安全启动、膜电极保护至关重要，具体为：在空间燃料电池开机或者关机时，需将燃料电池阴极反应产物水通过吹扫系统予以排出。

3、通常，地面吹扫系统(例如氢燃料电池汽车的吹扫装置)的工作原理是利用吸入增压后的环境空气，使其以一定的流速通过图1右侧阴极区域，将阴极中的反应产物水排出阴极区，这一过程称之为“吹扫”。

4、上述空间燃料电池空中吹扫系统实现的难点在于：空间燃料电池在太空使用时，所处环境为真空，不同于地面具有充足的环境气源可供吹扫系统使用。若采用地面成熟的车载吹扫装置，需要携带大量气源，这大幅增加了航天器空间电源系统载荷质量和体积，增加发射成本，不适用于空间任务，所以地面上成熟的吹扫装置在太空无法使用。

技术实现思路

1、本发明专利提供了一种用于空间燃料电池的吹扫系统，目的在于利用太空高真空、超低温的环境特点，解决空间燃料电池在太空环境使用时其吹扫系统无环境气源可用的问题。

2、本发明为解决其技术问题提出以下技术方案：

3、一种用于空间燃料电池的吹扫系统，其特点是：包括空间燃料电池电堆、布设在该空间燃料电池电堆阳极侧的用于控制该阳极侧氢气工质的流动与循环利用的氢气循环系统、布设在该空间燃料电池电堆阴极侧的用于控制该阴极侧的氧气工质的流动与循环利用的氧气循环系统；还包括布设在空间燃料电池电堆侧下方和下方的液态水吹扫系统、气态水吹扫系统、离轨推进系统；所述液态水吹扫系统用于对空间燃料电池电堆阴极侧的液态水进行吹扫，并通过蠕动泵进入水贮箱18；所述气态水吹扫系统，用于使空间燃料电池电堆膜电极中少量的水分汽化后进入气态吹扫水贮箱，再将气态水转变成液态水，并通过蠕动泵进入水贮箱18；所述离轨推进系统，用于在卫星执行离轨任务时，将工质水以气态形式喷出，产生毫牛级推力。

4、进一步地，所述空间燃料电池电堆由多个单电池组合而成，单电池包括阳极板7、膜电极8、阴极板9；该阳极板7、膜电极8、阴极板9并排放置，在合适的紧固力下贴合，共同构成单电池的电化学反应环境。

5、进一步地，所述布设在该空间燃料电池电堆阳极侧的用于控制该阳极侧氢气工质的流动与循环利用的氢气循环系统，包括氢气贮箱1、氢气减压阀(2)、氢气比例阀3、氢气压力表4、氢气循环泵5、电磁阀6；该氢气贮箱1用于存储工质，氢气贮箱1中的工质通过氢气减压阀2和氢气比例阀3以特定压力、流量进入空间燃料电池电堆的阳极，参与氧化反应；阳极侧富余的氢气通过电磁阀6、氢气循环泵5再次回到空间燃料电池电堆阳极侧参与反应；通过氢气比例阀3和电磁阀6的通断，控制氢气循环系统与电堆阳极的联通与隔离。

6、进一步地，所述布设在该空间燃料电池电堆阴极侧的用于控制该阴极侧的氧气工质的流动与循环利用的氧气循环系统，包括氧气贮箱10、氧气减压阀11、氧气比例阀12、氧气压力表13、氧气循环泵14、电磁阀15、气液分离器16、水贮箱18、蠕动泵20、电磁阀21；氧气贮箱10中工质通过氧气减压阀11和氧气比例阀12以指定压力和流量进入电堆阴极，参与还原反应；阴极侧富余的氧气和反应产物水通过气液分离器16后分流，其中氧气通过氧气循环泵14再次回到空间燃料电池电堆阴极侧参与反应，水则流经电磁阀21后，由蠕动泵20泵送进入水贮箱18存储，供离轨推进系统使用，通过氧气比例阀12和电磁阀15的通断，控制氧气循环系统与电堆阴极的联通与隔离。

7、进一步地，所述液态水吹扫系统，包括电磁阀22、电磁阀24、液态吹扫水贮箱25、真空计26、电磁阀27；利用太空高真空环境，降低液态吹扫水贮箱25中的压力，通过液态吹扫水贮箱25与所述阴极板9之间的压降，使阴极板9水通过电磁阀24进入液态吹扫水贮箱25，并通过电磁阀22、蠕动泵20进入所述水贮箱18。

8、进一步地，所述气态水吹扫系统，包括电磁阀23、电磁阀28、气态吹扫水贮箱29、电磁阀30、真空计21、冷板与电热膜32；利用太空的超高真空环境，使膜电极8中的少量水分汽化，通过压差作用，流经电磁阀28后进入气态吹扫水贮箱29，并被处于背阴面的冷板与电热膜32在冷板模式下予以捕获；当捕获的气态水足够多时，通过电热膜加热，使其进入液态，并通过电磁阀23和蠕动泵20进入水贮箱18。

9、进一步地，所述离轨推进系统，包括换热器17、水贮箱18、拉瓦尔喷管19、电磁阀33；在卫星执行离轨任务时，打开换热器17，在空间燃料电池工作的情况下，一方面加热水贮箱18，另一方面继续为水贮箱18补充高温水产物。打开电磁阀33和拉瓦尔喷管19，将工质水以气态形式喷出，产生毫牛级推力。

10、本发明的优点效果

11、1、本发明利用太空高真空的环境特点，在太空中没有空气可以用于液态水吹扫的情况下，通过分级失压，在液态吹扫水贮箱与阴极板之间形成多级压差，在相对较高的真空度下排出液态水，使阴极液态水经吹扫后进入液态吹扫水贮箱，并进一步存入水贮箱，供循环利用。

12、2、本发明利用太空超低温、高真空的环境特点，在太空中没有空气可以利用的情况下，通过高真空度使膜电极中的残余水汽化，并在气态吹扫水贮箱与阴极板、膜电极之间形成较高的压差，将阴极板和膜电极中的气态水进入气态吹扫水贮箱，并被气态吹扫水贮箱中的超低温冷板吸附，再将长时间工作后吸附的大量气态水通过电热膜加热后转化为液态水，排入水贮箱，供循环再利用。

13、3、本发明利用循环水替代了常规卫星的离轨推进工质，产生了优异的效果：卫星离轨推进系统，无需自带推力器，利用水贮箱中的循环水，将循环水以气态形式喷出，产生毫牛级推力，为卫星离轨提供推力。

技术特征：

1.一种用于空间燃料电池的吹扫系统，其特点是：包括空间燃料电池电堆、布设在该空间燃料电池电堆阳极侧的用于控制该阳极侧氢气工质的流动与循环利用的氢气循环系统、布设在该空间燃料电池电堆阴极侧的用于控制该阴极侧的氧气工质的流动与循环利用的氧气循环系统；还包括布设在空间燃料电池电堆侧下方和下方的液态水吹扫系统、气态水吹扫系统、离轨推进系统；所述液态水吹扫系统用于对空间燃料电池电堆阴极侧的液态水进行吹扫，并通过蠕动泵进入水贮箱(18)；所述气态水吹扫系统，用于使空间燃料电池电堆膜电极中少量的水分汽化后进入气态吹扫水贮箱，再将气态水转变成液态水，并通过蠕动泵进入水贮箱(18)；所述离轨推进系统，用于在卫星执行离轨任务时，将工质水以气态形式喷出，产生毫牛级推力。

2.根据权利要求1所述一种用于空间燃料电池的吹扫系统，其特征在于：

3.根据权利要求1所述一种用于空间燃料电池的吹扫系统，其特征在于：所述布设在该空间燃料电池电堆阳极侧的用于控制该阳极侧氢气工质的流动与循环利用的氢气循环系统，包括氢气贮箱(1)、氢气减压阀(2)、氢气比例阀(3)、氢气压力表(4)、氢气循环泵(5)、电磁阀(6)；该氢气贮箱(1)用于存储工质，氢气贮箱(1)中的工质通过氢气减压阀(2)和氢气比例阀(3)以特定压力、流量进入空间燃料电池电堆的阳极，参与氧化反应；阳极侧富余的氢气通过电磁阀(6)、氢气循环泵(5)再次回到空间燃料电池电堆阳极侧参与反应；通过氢气比例阀(3)和电磁阀(6)的通断，控制氢气循环系统与电堆阳极的联通与隔离。

4.根据权利要求1所述一种用于空间燃料电池的吹扫系统，其特征在于：所述布设在该空间燃料电池电堆阴极侧的用于控制该阴极侧的氧气工质的流动与循环利用的氧气循环系统，包括氧气贮箱(10)、氧气减压阀(11)、氧气比例阀(12)、氧气压力表(13)、氧气循环泵(14)、电磁阀(15)、气液分离器(16)、水贮箱(18)、蠕动泵(20)、电磁阀(21)；氧气贮箱(10)中工质通过氧气减压阀(11)和氧气比例阀(12)以指定压力和流量进入电堆阴极，参与还原反应；阴极侧富余的氧气和反应产物水通过气液分离器(16)后分流，其中氧气通过氧气循环泵(14)再次回到空间燃料电池电堆阴极侧参与反应，水则流经电磁阀(21)后，由蠕动泵(20)泵送进入水贮箱(18)存储，供离轨推进系统使用，通过氧气比例阀(12)和电磁阀(15)的通断，控制氧气循环系统与电堆阴极的联通与隔离。

5.根据权利要求1所述一种用于空间燃料电池的吹扫系统，其特征在于：所述液态水吹扫系统，包括电磁阀(22)、电磁阀(24)、液态吹扫水贮箱(25)、真空计(26)、电磁阀(27)；利用太空高真空环境，降低液态吹扫水贮箱(25)中的压力，通过液态吹扫水贮箱(25)与所述阴极板(9)之间的压降，使阴极板(9)水通过电磁阀(24)进入液态吹扫水贮箱(25)，并通过电磁阀(22)、蠕动泵(20)进入所述水贮箱(18)。

6.根据权利要求1所述一种用于空间燃料电池的吹扫系统，其特征在于：

7.根据权利要求1所述一种用于空间燃料电池的吹扫系统，其特征在于：

技术总结
本发明公开了一种用于空间燃料电池的吹扫系统，包括空间燃料电池电堆、布设在空间燃料电池电堆两侧的氢气循环系统、氧气循环系统；还包括布设在空间燃料电池电堆下方和侧下方的液态水吹扫系统、气态水吹扫系统、离轨推进系统。本发明利用太空超低温、高真空的环境特点，在太空中没有空气可以利用的情况下，通过在液态吹扫水贮箱与阴极板之间形成分级失压，将阴极的液态水吹扫排入液态吹扫水贮箱；将膜电极中的部分孔隙水转换为气态吹扫排入气态吹扫水贮箱，并通过低温冷板对气态水吸附固化。同时，本发明中的卫星离轨推进系统，利用空间燃料电池的反应产物水，将其汽化喷出，产生毫牛级推力，为卫星离轨提供推力。

技术研发人员：罗军,康琦,段俐,吴笛,王佳,胡良,张璞
受保护的技术使用者：中国科学院力学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29