一种空间应用的再生燃料电池能源系统的制作方法

1.本实用新型属于宇航应用燃料电池领域，涉及一种空间应用的再生燃料电池能源系统。


背景技术：

2.燃料电池发电过程消耗氢气和氧气产生水，通过电解池电解可重新生成氢气和氧气，实现物质和能源的循环利用。燃料电池产水水质相对较好，通过相对成熟的过滤净化技术既可以实现饮用要求，与环控生保分系统的水处理子系统结合，即可以实现燃料电池产水的二次再利用。电解池产生的氧气可用于航天员生存保障以及其他需要氧环境的资源需求，产生的氢气用做燃料或者还原剂使用。因此，通过合理设计再生燃料电池系统与环控生保系统的系统接口，不仅仅可以在物质资源上实现资源高效利用，还可以实现某些功能上的共用。再生燃料电池中的燃料电池与环控生保水净化系统协同为宇航员提供引用及生活用水，水电解池与温湿度控制系统协同对氧气和氢气的冷凝除湿后提供宇航员所需的氧气。通过再生燃料电池系统与环控生保分系统的优化设计，实现系统减重的目的。而目前的宇航应用燃料电池领域，所设计的能源系统还比较落后，不能实现资源高效利用，也不能同时提供氧气及生活用水，系统笨重。


技术实现要素：

3.本实用新型解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种空间应用的再生燃料电池能源系统，通过燃料电池实现为系统提供电能功能；通过供气调压系统具备供气调压功能，利用水电解池实现电解水制氢氧功能；通过水质再生与净化子系统实现水质净化功能，可提供生活用水和饮用水；温湿度控制子系统具备温湿度控制功能，通过通风净化子系统实现气体纯化功能，吸附去除co2和有害气体。
4.本实用新型解决技术的方案是：
5.一种空间应用的再生燃料电池能源系统，包括发电子系统、供气调压系统、气体再生子系统、水质再生与净化子系统、温湿度控制子系统、通风净化子系统和环境监测系统；发电子系统、供气调压系统、气体再生子系统、水质再生与净化子系统、温湿度控制子系统、通风净化子系统和环境监测系统均位于密封舱内；供气调压系统内部设置有氧气贮箱和氢气贮箱；
6.发电子系统：接收供气调压系统传来的氧气和氢气，通过氧化还原反应发电，并为供气调压系统、气体再生子系统、水质再生与净化子系统、温湿度控制子系统、通风净化子系统、环境监测系统和外部负载供电；
7.水质再生与净化子系统：收集发电子系统发电过程中的产物水、气体再生子系统电解过程的循环水、温湿度控制子系统温湿度控制过程中的冷凝水、生活废水；对产物水、循环水、冷凝水和生活废水进行净化处理，并将净化处理后的水传输至气体再生子系统；
8.气体再生子系统：接收水质再生与净化子系统传来的净化处理后的水；通过电解
水处理，生成氧气和氢气，并将氧气传输至供气调压系统的氧气贮箱；将氢气传输至供气调压系统的氢气贮箱；
9.供气调压系统：接收气体再生子系统传来的氧气和氢气，分别存储至氧气贮箱和氢气贮箱中，将氧气和氢气的压力调整至预设压力并输出至发电子系统；
10.环境监测系统：实现对密封舱内部环境的监测，监测参数包括密封舱内的温度、湿度、气体成分；当测量温度湿度测量结果不满足预设标准时，发出控制信号至温湿度控制子系统；当测量气体成分中co2或有害气体含量超标时，发出控制信号至通风净化子系统；
11.温湿度控制子系统：接收环境监测系统传来的控制信号，对密封舱内的温度和湿度进行控制，生成冷凝水，将冷凝水输出至水质再生与净化子系统；
12.通风净化子系统：接收环境监测系统传来的控制信号，对密封舱内的进行通风净化处理，使气体成分维持在预设标准。
13.在上述的一种空间应用的再生燃料电池能源系统，所述发电子系统包括燃料电池和锂电池；发电子系统启动时，由锂电池为供气调压系统、气体再生子系统、水质再生与净化子系统、温湿度控制子系统、通风净化子系统和环境监测系统供电；发电子系统达到正常工作状态后，切换为燃料电池为供气调压系统、气体再生子系统、水质再生与净化子系统、温湿度控制子系统、通风净化子系统、环境监测系统和外部负载供电。
14.在上述的一种空间应用的再生燃料电池能源系统，当锂电池电量不足时，燃料电池通过恒流稳压dc-dc对锂电池进行充电。
15.在上述的一种空间应用的再生燃料电池能源系统，所述产物水、循环水、冷凝水较为干净，水质再生与净化子系统通过过滤器对产物水、循环水、冷凝水进行杂质过滤，再通过去离子交换树脂对去除水中的离子即完成净化处理；水质再生与净化子系统通过活性炭、膜过滤、反渗透和去离子交换树脂对生活废水实现净化，满足生活用水需求。
16.在上述的一种空间应用的再生燃料电池能源系统，所述气体再生子系统在电解水制氢气和氧气过程中，调控保持氢气和氧气两侧压力平衡后，分别输入到氧气贮箱和氢气贮箱中。
17.在上述的一种空间应用的再生燃料电池能源系统，气体再生子系统内部设置有膜式过滤器、干燥器和钯触媒；电解水制氢气和氧气中含有大量水蒸气和杂志气体；通过膜式过滤器、干燥器回收水蒸气；通过钯触媒实现去除杂质气体；处理后的氢气和氧气的纯度达到99.99％以上。
18.在上述的一种空间应用的再生燃料电池能源系统，氧气和氢气的预设压力均为1.0
±
0.2bar。
19.在上述的一种空间应用的再生燃料电池能源系统，通过温湿度控制子系统实现将密封舱内的温度维持在21℃-25℃的范围，实现将密封舱内的湿度维持在20-60％rh的范围。
20.在上述的一种空间应用的再生燃料电池能源系统，所述通风净化子系统通过活性炭、膜式分离器吸附co2和有害气体，实现通风净化。
21.本实用新型与现有技术相比的有益效果是：
22.(1)本实用新型实现了当电能余量时，将多余的电能用于电解槽制取氢气、氧气存储起来，而在太阳能供电不能满足用户用电需求时，用电解槽制取的氢气通入燃料电池内
部进行燃料电池发电提供给负载使用；
23.(2)本实用新型的再生燃料电池能源系统具备发电功能，利用燃料电池实现为系统提供电能功能；再生燃料电池能源系统具备供气调压功能，利用水电解池实现电解水制氢氧功能；再生燃料电池能源系统具备水质净化功能，可提供生活用水和饮用水；
24.(3)本实用新型再生燃料电池能源系统具备气体纯化功能，吸附去除co2和有害气体；再生燃料电池能源系统具备温湿度控制功能，可以与热控系统进行热交换。
附图说明
25.图1为本实用新型再生燃料电池能源系统示意图。
具体实施方式
26.下面结合实施例对本实用新型作进一步阐述。
27.本实用新型提出一种空间应用的再生燃料电池能源系统，太阳能提供给用户使用，多余的电能用于电解槽制取氢气、氧气存储起来，而在太阳能供电不能满足用户用电需求时，用电解槽制取的氢气通入燃料电池内部进行燃料电池发电提供给负载使用。通过与热控系统、环控生保系统优化设计、试验验证，有机构成了氢氧燃料电池再生能源系统总体方案。再生燃料电池能源系统具备发电功能，利用燃料电池实现为系统提供电能功能；再生燃料电池能源系统具备供气调压功能，利用水电解池实现电解水制氢氧功能；再生燃料电池能源系统具备水质净化功能，可提供生活用水和饮用水；再生燃料电池能源系统具备气体纯化功能，吸附去除co2和有害气体；再生燃料电池能源系统具备温湿度控制功能，可以与热控系统进行热交换。
28.再生燃料电池能源系统，如图1所示，具体包括发电子系统1、供气调压系统2、气体再生子系统3、水质再生与净化子系统4、温湿度控制子系统5、通风净化子系统6和环境监测系统7；发电子系统1、供气调压系统2、气体再生子系统3、水质再生与净化子系统4、温湿度控制子系统5、通风净化子系统6和环境监测系统7均位于密封舱内；供气调压系统2内部设置有氧气贮箱和氢气贮箱。
29.发电子系统1：接收供气调压系统2传来的氧气和氢气，通过氧化还原反应发电，并为供气调压系统2、气体再生子系统3、水质再生与净化子系统4、温湿度控制子系统5、通风净化子系统6、环境监测系统7和外部负载供电。
30.发电子系统1包括燃料电池和锂电池；发电子系统1启动时，由锂电池为供气调压系统2、气体再生子系统3、水质再生与净化子系统4、温湿度控制子系统5、通风净化子系统6和环境监测系统7供电；发电子系统1达到正常工作状态后，切换为燃料电池为供气调压系统2、气体再生子系统3、水质再生与净化子系统4、温湿度控制子系统5、通风净化子系统6、环境监测系统7和外部负载供电。
31.当锂电池电量不足时，燃料电池通过恒流稳压dc-dc对锂电池进行充电。
32.水质再生与净化子系统4：收集发电子系统1发电过程中的产物水、气体再生子系统3电解过程的循环水、温湿度控制子系统5温湿度控制过程中的冷凝水、生活废水；对产物水、循环水、冷凝水和生活废水进行净化处理，并将净化处理后的水传输至气体再生子系统3。
33.其中，产物水、循环水、冷凝水较为干净，水质再生与净化子系统4通过过滤器对产物水、循环水、冷凝水进行杂质过滤，再通过去离子交换树脂对去除水中的离子即完成净化处理；水质再生与净化子系统4通过活性炭、膜过滤、反渗透和去离子交换树脂对生活废水实现净化，满足生活用水需求。
34.气体再生子系统3：接收水质再生与净化子系统4传来的净化处理后的水；通过电解水处理，生成氧气和氢气，并将氧气传输至供气调压系统2的氧气贮箱；将氢气传输至供气调压系统2的氢气贮箱；气体再生子系统3在电解水制氢气和氧气过程中，调控保持氢气和氧气两侧压力平衡后，分别输入到氧气贮箱和氢气贮箱中。
35.此外，气体再生子系统3内部设置有膜式过滤器、干燥器和钯触媒；电解水制氢气和氧气中含有大量水蒸气和杂志气体；通过膜式过滤器、干燥器回收水蒸气；通过钯触媒实现去除杂质气体；处理后的氢气和氧气的纯度达到99.99％以上。
36.供气调压系统2：接收气体再生子系统3传来的氧气和氢气，分别存储至氧气贮箱和氢气贮箱中，将氧气和氢气的压力调整至预设压力并输出至发电子系统1；氧气和氢气的预设压力均为1.0
±
0.2bar。
37.环境监测系统7：实现对密封舱内部环境的监测，监测参数包括密封舱内的温度、湿度、气体成分；当测量温度湿度测量结果不满足预设标准时，发出控制信号至温湿度控制子系统5；当测量气体成分中co2或有害气体含量超标时，发出控制信号至通风净化子系统6。
38.温湿度控制子系统5：接收环境监测系统7传来的控制信号，对密封舱内的温度和湿度进行控制，生成冷凝水，将冷凝水输出至水质再生与净化子系统4；通过温湿度控制子系统5实现将密封舱内的温度维持在21℃-25℃的范围，实现将密封舱内的湿度维持在20-60％rh的范围。
39.通风净化子系统6：接收环境监测系统7传来的控制信号，对密封舱内的进行通风净化处理，使气体成分维持在预设标准。通风净化子系统6通过活性炭、膜式分离器吸附co2和有害气体，实现通风净化。
40.本实用新型还设置有信息处理与控制系统，其功能包括：供配电、单元组件信号收集及处理功能。信息系统组成包括信息管理层、信息处理层、测控设备层等，信息管理层主要包括控制器和计算机等，是系统的信息中心，通过总线和综合业务单元专用总线以及系统总线进行分系统的信息交互；系统信息处理层，主要包括发电子系统控制器、气体再生控制器、环控等综合业务单元以及气体检测装置控制器等，它们是对分系统进行测量处理与控制，通过分系统内部总线与中心计算机等进行信息交互；测控设备层是指系统的执行设备。
41.由此可见，本实用新型提供的空间应用再生燃料电池能源系统，通过燃料电池实现为系统提供电能功能；通过供气调压系统具备供气调压功能，利用水电解池实现电解水制氢氧功能；通过水质再生与净化子系统实现水质净化功能，可提供生活用水和饮用水；温湿度控制子系统具备温湿度控制功能，通过通风净化子系统实现气体纯化功能，吸附去除co2和有害气体。
42.本实用新型虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技
术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。