CN107634242A - 一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统及方法 - Google Patents
一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107634242A CN107634242A CN201610569129.3A CN201610569129A CN107634242A CN 107634242 A CN107634242 A CN 107634242A CN 201610569129 A CN201610569129 A CN 201610569129A CN 107634242 A CN107634242 A CN 107634242A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fuel cell
- oxygen
- hydrogen
- heat
- reaction heap
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 188
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 109
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 107
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 107
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 92
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 90
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 90
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 90
- 230000036647 reaction Effects 0.000 claims abstract description 88
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 44
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 41
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 33
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 49
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 47
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 22
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 claims description 16
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 13
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 10
- 239000012279 sodium borohydride Substances 0.000 claims description 10
- 229910000033 sodium borohydride Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 10
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 230000006837 decompression Effects 0.000 claims description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 6
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 5
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 4
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 3
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 3
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 claims description 3
- 239000011949 solid catalyst Substances 0.000 claims description 3
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000007664 blowing Methods 0.000 claims description 2
- 238000007689 inspection Methods 0.000 claims description 2
- 230000009102 absorption Effects 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 2
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 description 2
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000006197 hydroboration reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000001149 thermolysis Methods 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明提供了一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统及方法，属于航空航天器能源系统领域。所述高空无人机燃料电池模块包括燃料电池反应堆、氧气供气系统和氢气供气系统，所述热管理系统包括换热器和散热系统；所述燃料电池反应堆产生的余热一部分通过换热器对氢气和氧气加热，另一部分通过散热系统对燃料电池反应堆所处的环境空间加热；所述燃料电池反应堆为风冷燃料电池反应堆或液冷燃料电池反应堆，所述风冷燃料电池反应堆包括封闭式风冷燃料电池反应堆和开放式风冷燃料电池反应堆。
Description
技术领域
本发明属于航空航天器能源系统领域，具体涉及一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统及方法。
背景技术
燃料电池是将化学能转化为电能的新能源发电装置，其氢气燃料来源充足且廉价、能量密度高、发电效率高、性能稳定、无安全隐患且产物无污染，被广泛应用到民用和军方产品。燃料电池作为高空无人机供电系统的辅助电源可以为其提供长时间用电需求，减轻供电系统重量。
燃料电池对工作环境要求严格，在离地面5000米的高空，温度-10摄氏度，并且高度每上升1000米，温度降低6摄氏度。高空无人机供电系统中燃料电池若要在低温低压环境下稳定高效运行，需要对燃料电池模块保温，并对进入燃料电池反应堆的氢气和氧气加热，否则燃料电池工作效率和寿命严重下降，甚至不能工作。
目前传统的燃料电池热管理系统研究主要致力于常温常压条件下燃料电池模块的热管理。
专利号为200910073442.8的专利适用于AUV的闭式循环燃料电池系统中有完整的水热交换循环系统，但是只能保证燃料电池反应堆的环境温度和燃料电池反应堆的冷却，没有考虑低温环境下氢气和氧气加热、供电系统体积和重量，并不适用于高空无人机燃料电池供电模块的热管理系统。
专利号为201510215700.7的专利提供了一种自身热管理系统及其控制办法，其中带有加热装置的水箱、冷却水循环泵、散热器和温度传感器，可以实现燃料电池反应堆的散热冷却，但此热管理系统不能满足对氧气和氢气的加热和整体环境的保温。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统及方法，由换热器、散热系统、保温外壳协调工作，合理利用自身余热，将热量集中管理，简化燃料电池热管理系统结构，为燃料电池创建一个稳定的运行环境。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，所述高空无人机燃料电池模块包括燃料电池反应堆、氧气供气系统和氢气供气系统，所述热管理系统包括换热器和散热系统；
所述燃料电池反应堆产生的余热一部分通过换热器对氢气和氧气加热，另一部分通过散热系统对燃料电池反应堆所处的环境空间加热；
所述燃料电池反应堆为风冷燃料电池反应堆或液冷燃料电池反应堆，所述风冷燃料电池反应堆包括封闭式风冷燃料电池反应堆和开放式风冷燃料电池反应堆。
所述换热器为管壳式换热器、板式换热器或套管式换热器。
对于风冷燃料电池反应堆，所述散热系统包括冷却风扇；
空气流经燃料电池反应堆阴极流道参加电化学反应，从燃料电池反应堆流出，带走燃料电池反应堆余热；冷却风扇将热吹向换热器，换热器的导热材料吸收热量为氢气和空气加热，同时冷却风扇促进风冷燃料电池反应堆环境空间的热气循环。
对于液冷燃料电池反应堆，所述散热系统包括散热器和设置在散热器旁的风扇；
所述散热器中的冷却液从散热器流出后通过液冷燃料电池反应堆上的冷却入口进入液冷燃料电池反应堆，经过液冷燃料电池反应堆内的冷却板流道，带走液冷燃料电池反应堆产生的余热，从液冷燃料电池反应堆的冷却出口流出，然后进入换热器，在换热器内对氢气和氧气进行加热，并将氧气完全气化，然后冷却液从换热器流出，回到散热器，冷却液的热量经过散热器内的导热材料传导到散热器的冷却流道外，利用所述风扇将热量吹送到液冷燃料电池反应堆环境空间中，散热后的低温冷却液从散热器流出，进入液冷燃料电池反应堆，开始下一个循环；
所述散热器采用U型管散热器或波纹板散热器；
所述冷却液采用去离子水或50％乙二醇溶液。
所述氢气供气系统包括氢源、电磁阀、第一减压阀、供氢电磁阀、第二减压阀和氢气循环泵；
氢气通过电磁阀，再经第一减压阀减压后进入换热器，由换热器将氢气加热；
加热后的氢气流出换热器后经过供氢电磁阀，再通过二次减压阀的二次减压，进入燃料电池反应堆参加电化学反应产电；
未参加电化学反应的过量氢气流出燃料电池反应堆，一部分通过氢气循环泵再次进入燃料电池反应堆，另一部分经过阳极冲刷阀的定时开启，随阳极积水排出阳极出口；
在所述供氢电磁阀上设置有氢气温度传感器和氢气压力传感器；
所述氢气温度传感器用于检测氢气的温度，所述氢气压力传感器用于检测氢气的压力。
所述氢源采用高压储氢罐、固态储氢、硼氢化钠水溶液加固态催化剂、固态硼氢化钠和催化剂混合加水、或者固态硼氢化钠加催化剂溶液。
对于封闭式风冷燃料电池反应堆或液冷燃料电池反应堆，所述氧气供气系统包括液氧罐、电磁阀、液氧泵、供氧电磁阀和氧气循环泵；
液氧经电磁阀由液氧泵泵出，进入换热器，由换热器将其充分气化并加热；
加热后的氧气流出换热器后经过供氧电磁阀后通过燃料电池反应堆的阴极入口进入燃料电池反应堆，参加电化学反应产电；
未参加电化学反应的氧气流出燃料电池反应堆，一部分通过氧气循环泵再次进入换热器，另一部分经过阴极冲刷阀的定时开启，随阴极积水排出阴极出口；
在所述供氧电磁阀上设置有氧气温度传感器和氧气压力传感器；
所述氧气温度传感器用于检测氧气的温度，所述氧气压力传感器用于检测氧气的压力；
对于封闭式风冷燃料电池反应堆，所述氧气供气系统包括阴极过滤器和阴极风机，空气经过阴极过滤器过滤后通过阴极风机输送到燃料电池反应堆，在燃料电池反应堆内参加电化学反应；
未参加电化学反应的氧气，经过阴极冲刷阀的定时开启，随阴极积水排出阴极出口；
对于开放式风冷燃料电池反应堆，所述氧气供气系统为空气，由冷却风扇促进空气循环提供氧气和散热。
进一步，所述用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统可以包括保温壳，其采用双层壳体结构，外层采用轻型保温材料，维持燃料电池反应堆环境温度恒定，在外层设有散热装置；内层密封，采用轻质金属材料导热并维持环境气压稳定；
在无人机起飞前将内层的内部充满惰性气体；
所述氢源放置在保温壳的外部；
所述液氧罐放置在保温壳的外部；
所述冷却风扇设置在保温壳内、风冷燃料电池反应堆的外部；
所述阳极出口和阴极出口经软管连接到所述保温壳的外部；
在保温壳上设有温度传感器、气压传感器和输电线路通道以及以下接口中的一种或多种：氢气入口、废氢出口、液氧入口、废氧出口、氮气入口；
所述温度传感器用于检测环境温度，当温度过高，打开保温壳的散热装置释放部分热量，温度适中时，关闭保温壳的散热装置；
所述压力传感器用于检测环境气压。
利用所述的用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统实现的热管理方法，包括：
燃料电池反应堆启动前，关闭氢气供气系统中的电磁阀、氧气供气系统中的电磁阀，对于设有保温壳的高空无人机燃料电池模块的热管理系统，打开惰性气体供气阀，向保温壳的内层封闭环境中填充惰性气体至正压；
燃料电池反应堆待机时，若环境温度过低，启动太阳能加热器为环境补热至常温后，关闭太阳能加热器；对于设有保温壳的高空无人机燃料电池模块的热管理系统，若环境温度过高时，打开保温壳的散热装置散热；
燃料电池反应堆运行时，打开氧气供气系统中的电磁阀和氢气供气系统中的电磁阀，氧气和氢气通过进入换热器，氧气温度传感器和氢气温度传感器检测加热后的温度，进入燃料供气系统循环；
散热系统为环境补热，对于设有保温壳的高空无人机燃料电池模块的热管理系统，若环境过热，打开保温壳的散热装置散热。
对于液冷燃料电池反应堆液，所述方法进一步包括：
在其启动前，如需要加热，由电加热器为其所处的环境空间加热，为氧气和氢气预热；在其待机时，如处于寒冷环境，则保温壳为其环境保温，采用太阳能加热器为环境补热；在其运行时，首先启动冷却液循环回路；
所述太阳能加热采用太阳能产电加热或者太阳能直接加热。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过创建一个稳定的燃料电池供电环境，可以实现燃料电池在高空低温低压环境的正常运行。通过使用换热器将燃料电池反应堆的余热用于对燃料气体进行加热，通过散热器将余热用于环境加热，实现了燃料电池反应堆的散热和燃料加热、环境加热三步的同步进行，简化了燃料电池热管理系统。通过保温壳的内层密闭维持了环境气压稳定，保温壳外层的隔热和散热维持了环境温度稳定。考虑到环境温度和压强的易控和及时响应，将储氢罐、液氧罐置于保温壳外部，减小环境空间。该系统不仅适用于高空低温低压环境，同样适用于其他特殊环境中的低温低压环境。
附图说明
图1是无人机氢罐储氢液冷燃料电池热管理系统图；
图2是无人机氢罐储氢风冷燃料电池热管理系统图；
图3是无人机氢罐储氢开放式风冷燃料电池热管理系统图；
图4是无人机氢罐储氢封闭式风冷燃料电池热管理系统图；
图5是无人机固态储氢开放式风冷燃料电池热管理系统图；
图6是无人机固态储氢封闭式风冷燃料电池热管理系统图；
图7是液冷型燃料电池模块保温壳的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，包括燃料电池反应堆、换热器、散热系统、保温壳；燃料电池反应堆与无人机上的电调模块连接，电调模块与机载动力系统连接。
本发明中的燃料电池反应堆可以根据工作环境选择风冷燃料电池反应堆或液冷燃料电池反应堆。
针对液冷型燃料电池的热管理系统如图1所示。反应堆余热为热管理系统的主要热源；冷却循环回路中的冷却液带出燃料电池反应堆余热，其中一部分通过换热器对氢气和氧气加热，一部分通过散热器对燃料电池反应堆环境加热。其中换热器类型可以是管壳式换热器、板式换热器、套管式换热器等；其中冷却液可选择去离子水或50％乙二醇溶液；
液冷型燃料电池启动前，如需要可由电加热器为燃料电池环境加热，为氧气和氢气预热；从地面起飞设备，由于地面温度适合，也可无预热过程；
液冷型燃料电池待机时，如设备处于寒冷条件，保温壳为燃料电池环境保温，由太阳能加热器为环境补热。其中太阳能加热可选择太阳能产电加热、太阳能直接加热等方式；
液冷型燃料电池处于工作状态时，散热器中冷却液进入燃料电池反应堆冷却液入口，经过反应堆冷却板流道，冷却液带走燃料电池反应堆余热，从反应堆冷却出口流出，然后进入换热器，为氢气和氧气加热，并将氧气完全气化。冷却液从换热器流出进入散热器，散热器对其散热降温，并对燃料电池反应堆环境加热(散热器采用热导性能好的材料，再通过散热风扇吹扫散热器加速散热，并促进环境内气体流通)，其中散热器可以选择U型管散热器、波纹板散热器等。低温冷却液从散热器流出，进入燃料电池反应堆，进入下一个循环；
液冷型燃料电池模块保温壳外层使用轻型保温材料例如薄型隔热涂料、有机保温材料、无机保温材料等，维持燃料电池反应堆环境温度恒定；内层封闭，采用轻质金属材料，导热性好，维持环境气压稳定，如图7所示，壳体上有氢气入口、废氢出口、液氧入口、废氧出口、氮气入口、温度传感器、气压传感器、输电线路通道。其中温度传感器检测环境温度，当温度过高，打开保温壳散热器散热，温度适中时，关闭保温壳散热器。其中压力传感器检测环境压力；
氧气供气系统：液氧罐放置在保温壳外部。液氧经液氧泵泵出，进入换热器，由换热器将其充分气化并加热。加热后氧气经过供氧电磁阀进入燃料电池反应堆阴极入口，参加电化学反应产电。通过氧气温度传感器检测氧气温度，通过氧气压力传感器检测氧气压力(氧气温度传感器和压力传感器设置在供氧电磁阀上)。未参加电化学反应的氧气流出反应堆，一部分通过氧气循环泵再次进入氧气循环回路，一部分经过阴极冲刷阀的定时开启，随积水排出阴极出口，经软管排放到保温壳外部；
氢气供气系统：储氢罐放置在保温壳外部。氢气通过电磁阀，再经减压阀减压后进入换热器，由换热器将其加热(换热器内部有三个流道：氧气、氢气、冷却液，三个流道互相隔离)。加热后氢气经过供氢电磁阀，通过二次减压阀二次减压，进入燃料电池反应堆参加电化学反应产电。通过氢气温度传感器检测氢气温度，通过氢气压力传感器检测氢气压力(温度传感器和压力传感器都设置在供氢电磁阀上)。未参加电化学反应的氢气流出反应堆，一部分通过氢气循环泵再次进入氢气循环回路，一部分经过阳极冲刷阀的定时开启，随积水排出阳极出口，经软管排放到保温壳外部；
燃料电池反应堆的保温系统采用双层壳体保温箱，无人机起飞前将箱体内部充满氮气(在内层壳体内部充满氮气，营造一个正压环境，满足燃料电池反应堆运行条件)。内层壳封闭，采用轻质导热金属材料，保证环境处于一定气压范围内；外层壳采用隔热材料保温，并带有散热装置
针对氧气富足环境无人机燃料电池的热管理系统如图3-图6所示，包括风冷电堆、冷却风扇、换热器、供氢气路；
其中风冷电堆可以选择开放式或封闭式，开放式风冷电堆由空气对流提供氧气和散热，散热风扇不仅有散热作用，同时为阴极提供空气中的氧气，如图3和图5所示，封闭式通过鼓风机提供氧气(空气经过过滤除杂，经过阴极风机，进入反应堆阴极)，如图4和图6所示；
其中冷却风扇为风冷燃料电池反应堆供氧、散热，同时为环境加热，具体如下：冷却风扇位于壳体内，空气流经燃料电池反应堆阴极流道，参加电化学反应，从阴极出口流出并带走反应堆热量；开放式风冷电堆的冷却风扇既给阳极输送空气又给燃料电池反应堆散热，封闭式风冷电堆的冷却风扇只有散热作用。
其中换热器吸收风扇余热(冷却风扇将热气吹向换热器，换热器导热材料吸收热量并与氢气进行热交换)，为氢气和空气加热；
其中氢源可以选择高压储氢罐，如图1、图2、图3、图4所示，或者固态储氢，例如硼氢化钠储氢，如图5、图6所示，硼氢化钠产氢有三种不同的方式：硼氢化钠水溶液加固态催化剂、固态硼氢化钠和催化剂混合加水、固态硼氢化钠加含催化剂的水溶液，三种方式均可使用。
下面通过对如图1所示的无人机氢罐供氢液冷燃料电池热管理系统来说明本发明的效果：
本实施例是燃料电池功率峰值为15kw，平均功率为10kw的无人机在离地面20km高空燃料电池热管理系统，20km高空温度-45摄氏度，气压为5KPa，极少量氧气。
经计算，燃料电池反应堆1h释放的热量为5kwh，所需氢气和氧气加热至45摄氏度吸收的热量为1.4kwh，考虑到填充气加热所需的热量后，释放的热量远远大于吸收所需的热量，所以在保温壳壳体外层设计散热器，防止环境过热。
燃料电池启动前，关闭供氢阀、供氧阀，打开氮气供气阀(无人机起飞前在地面填充氮气，减少系统体积和重量)。向封闭环境填充气体，保温壳防止环境的温度和压强流失。
燃料电池待机时，若环境温度过低，启动太阳能加热器(放置在壳体外，利用内层壳的热传导给内部环境加热，尽可能减少壳的打孔，降低密封内层壳的泄漏概率)，为环境补热至常温，关闭太阳能加热器。过热时打开保温壳散热器散热。燃料电池反应堆待机时不会出现过热状态。
燃料电池运行时，启动冷却液循环回路(只有图1中需要，对于图2-图6，就不需要启动冷却液循环回路)，打开氧气供气阀和氢气供气阀，氧气和氢气通过气管进入换热器，氧气温度传感器和氢气温度传感器检测加热后的温度，进入燃料供气系统循环。散热器为环境补热，若环境过热，打开保温壳散热器散热。其中氮气可用其他惰性气体代替。
本发明中热管理系统实现了燃料电池给高空无人机在低温低压无氧环境的供电。实现了燃料电池反应堆的散热和燃料加热、环境加热三步的同步进行，简化了传统燃料电池热管理系统结构。该系统不仅适用于高空低温低压环境，同样适用于其他特殊环境中的低温低压环境。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (10)
1.一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，所述高空无人机燃料电池模块包括燃料电池反应堆、氧气供气系统和氢气供气系统，其特征在于：所述热管理系统包括换热器和散热系统；
所述燃料电池反应堆产生的余热一部分通过换热器对氢气和氧气加热，另一部分通过散热系统对燃料电池反应堆所处的环境空间加热；
所述燃料电池反应堆为风冷燃料电池反应堆或液冷燃料电池反应堆，所述风冷燃料电池反应堆包括封闭式风冷燃料电池反应堆和开放式风冷燃料电池反应堆。
2.根据权利要求1所述的用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，其特征在于：所述换热器为管壳式换热器、板式换热器或套管式换热器。
3.根据权利要求2所述的用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，其特征在于：对于风冷燃料电池反应堆，所述散热系统包括冷却风扇；
空气流经燃料电池反应堆阴极流道参加电化学反应，从燃料电池反应堆流出，带走燃料电池反应堆余热；冷却风扇将热吹向换热器，换热器的导热材料吸收热量为氢气和空气加热，同时冷却风扇促进风冷燃料电池反应堆环境空间的热气循环。
4.根据权利要求3所述的用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，其特征在于：对于液冷燃料电池反应堆，所述散热系统包括散热器和设置在散热器旁的风扇；
所述散热器中的冷却液从散热器流出后通过液冷燃料电池反应堆上的冷却入口进入液冷燃料电池反应堆，经过液冷燃料电池反应堆内的冷却板流道，带走液冷燃料电池反应堆产生的余热，从液冷燃料电池反应堆的冷却出口流出，然后进入换热器，在换热器内对氢气和氧气进行加热，并将氧气完全气化，然后冷却液从换热器流出，回到散热器，冷却液的热量经过散热器内的导热材料传导到散热器的冷却流道外，利用所述风扇将热量吹送到液冷燃料电池反应堆环境空间中，散热后的低温冷却液从散热器流出，进入液冷燃料电池反应堆，开始下一个循环；
所述散热器采用U型管散热器或波纹板散热器；
所述冷却液采用去离子水或50％乙二醇溶液。
5.根据权利要求1至4任一所述的用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，其特征在于：所述氢气供气系统包括氢源、电磁阀、第一减压阀、供氢电磁阀、第二减压阀和氢气循环泵；
氢气通过电磁阀，再经第一减压阀减压后进入换热器，由换热器将氢气加热；
加热后的氢气流出换热器后经过供氢电磁阀，再通过二次减压阀的二次减压，进入燃料电池反应堆参加电化学反应产电；
未参加电化学反应的过量氢气流出燃料电池反应堆，一部分通过氢气循环泵再次进入燃料电池反应堆，另一部分经过阳极冲刷阀的定时开启，随阳极积水排出阳极出口；
在所述供氢电磁阀上设置有氢气温度传感器和氢气压力传感器；
所述氢气温度传感器用于检测氢气的温度，所述氢气压力传感器用于检测氢气的压力。
6.根据权利要求5所述的用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，其特征在于：所述氢源采用高压储氢罐、固态储氢、硼氢化钠水溶液加固态催化剂、固态硼氢化钠和催化剂混合加水、或者固态硼氢化钠加催化剂溶液。
7.根据权利要求6所述的用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，其特征在于：对于封闭式风冷燃料电池反应堆或液冷燃料电池反应堆，所述氧气供气系统包括液氧罐、电磁阀、液氧泵、供氧电磁阀和氧气循环泵；
液氧经电磁阀由液氧泵泵出，进入换热器，由换热器将其充分气化并加热；
加热后的氧气流出换热器后经过供氧电磁阀后通过燃料电池反应堆的阴极入口进入燃料电池反应堆，参加电化学反应产电；
未参加电化学反应的氧气流出燃料电池反应堆，一部分通过氧气循环泵再次进入换热器，另一部分经过阴极冲刷阀的定时开启，随阴极积水排出阴极出口；
在所述供氧电磁阀上设置有氧气温度传感器和氧气压力传感器；
所述氧气温度传感器用于检测氧气的温度，所述氧气压力传感器用于检测氧气的压力；
对于封闭式风冷燃料电池反应堆，所述氧气供气系统包括阴极过滤器和阴极风机，空气经过阴极过滤器过滤后通过阴极风机输送到燃料电池反应堆，在燃料电池反应堆内参加电化学反应；
未参加电化学反应的氧气，经过阴极冲刷阀的定时开启，随阴极积水排出阴极出口；
对于开放式风冷燃料电池反应堆，所述氧气供气系统为空气，由冷却风扇促进空气循环提供氧气和散热。
8.根据权利要求7所述的用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，其特征在于：所述用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统包括保温壳，其采用双层壳体结构，外层采用轻型保温材料，维持燃料电池反应堆环境温度恒定，在外层设有散热装置；内层密封，采用轻质金属材料导热并维持环境气压稳定；
在无人机起飞前将内层的内部充满惰性气体；
所述氢源放置在保温壳的外部；
所述液氧罐放置在保温壳的外部；
所述冷却风扇设置在保温壳内、风冷燃料电池反应堆的外部；
所述阳极出口和阴极出口经软管连接到所述保温壳的外部；
在保温壳上设有温度传感器、气压传感器和输电线路通道以及以下接口中的一种或多种：氢气入口、废氢出口、液氧入口、废氧出口、氮气入口；
所述温度传感器用于检测环境温度，当温度过高，打开保温壳的散热装置释放部分热量，温度适中时，关闭保温壳的散热装置；
所述压力传感器用于检测环境气压。
9.利用权利要求1至8任一所述的用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统实现的热管理方法，其特征在于：所述方法包括：
燃料电池反应堆启动前，关闭氢气供气系统中的电磁阀、氧气供气系统中的电磁阀，对于设有保温壳的高空无人机燃料电池模块的热管理系统，打开惰性气体供气阀，向保温壳的内层封闭环境中填充惰性气体至正压；
燃料电池反应堆待机时，若环境温度过低，启动太阳能加热器为环境补热至常温后，关闭太阳能加热器；对于设有保温壳的高空无人机燃料电池模块的热管理系统，若环境温度过高时，打开保温壳的散热装置散热；
燃料电池反应堆运行时，打开氧气供气系统中的电磁阀和氢气供气系统中的电磁阀，氧气和氢气通过进入换热器，氧气温度传感器和氢气温度传感器检测加热后的温度，进入燃料供气系统循环；
散热系统为环境补热，对于设有保温壳的高空无人机燃料电池模块的热管理系统，若环境过热，打开保温壳的散热装置散热。
10.根据权利要求9所述的热管理方法，其特征在于：所述方法进一步包括：
对于液冷燃料电池反应堆液，在其启动前，如需要加热，由电加热器为其所处的环境空间加热，为氧气和氢气预热；在其待机时，如处于寒冷环境，则保温壳为其环境保温，采用太阳能加热器为环境补热；在其运行时，首先启动冷却液循环回路；
所述太阳能加热采用太阳能产电加热或者太阳能直接加热。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610569129.3A CN107634242A (zh) | 2016-07-19 | 2016-07-19 | 一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610569129.3A CN107634242A (zh) | 2016-07-19 | 2016-07-19 | 一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107634242A true CN107634242A (zh) | 2018-01-26 |
Family
ID=61113247
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610569129.3A Pending CN107634242A (zh) | 2016-07-19 | 2016-07-19 | 一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107634242A (zh) |
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108400353A (zh) * | 2018-02-01 | 2018-08-14 | 广东国鸿氢能科技有限公司 | 船用氢燃料电池系统 |
| CN108417861A (zh) * | 2018-02-01 | 2018-08-17 | 广东国鸿氢能科技有限公司 | 船用氢燃料电池系统 |
| CN108954827A (zh) * | 2018-05-16 | 2018-12-07 | 重庆国翰能源发展有限公司 | 一种混合供能装置 |
| CN108987772A (zh) * | 2018-09-17 | 2018-12-11 | 中氢新能技术有限公司 | 燃料电池中的热利用系统 |
| CN109088473A (zh) * | 2018-08-16 | 2018-12-25 | 深圳亚华伟翌科技有限公司 | 一种电池能量管理控制系统 |
| CN109606141A (zh) * | 2019-01-30 | 2019-04-12 | 永安行科技股份有限公司 | 氢能源助力车 |
| CN109921065A (zh) * | 2019-02-28 | 2019-06-21 | 中山大洋电机股份有限公司 | 一种燃料电池冷启动系统及冷启动控制方法 |
| CN110233272A (zh) * | 2019-06-24 | 2019-09-13 | 上海电气集团股份有限公司 | 燃料电池的冷启动系统 |
| CN110649283A (zh) * | 2018-06-26 | 2020-01-03 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 燃料电池系统及其低温启动方法 |
| CN111463470A (zh) * | 2020-04-28 | 2020-07-28 | 深圳市南科燃料电池有限公司 | 一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统 |
| CN111900433A (zh) * | 2020-07-15 | 2020-11-06 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种质子交换膜燃料电池氢气加热系统及方法 |
| CN112640174A (zh) * | 2018-08-31 | 2021-04-09 | 斗山摩拜创新株式会社 | 燃料电池电源组 |
| CN113097531A (zh) * | 2021-04-07 | 2021-07-09 | 上海空间电源研究所 | 用于车舱供暖与反应物预热的车用燃料电池余热回收系统 |
| CN113193208A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-07-30 | 电子科技大学 | 一种固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统 |
| CN113193209A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-07-30 | 电子科技大学 | 一种固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统 |
| CN114335600A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-04-12 | 北京京豚科技有限公司 | 一种基于固态储氢的风冷燃料电池温控系统和控制方法 |
| CN114784417A (zh) * | 2022-06-21 | 2022-07-22 | 深圳市昂佳科技有限公司 | 用于无人机电池的散热外壳 |
| CN115395045A (zh) * | 2022-07-31 | 2022-11-25 | 天津大学 | 车用高温pemfc启动及运行时的热管理系统及控制方法 |
| CN117393796A (zh) * | 2023-12-13 | 2024-01-12 | 武汉雄韬氢雄燃料电池科技有限公司 | 一种具有双重冷却模式的燃料电池系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006286516A (ja) * | 2005-04-04 | 2006-10-19 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| CN102945973A (zh) * | 2012-10-30 | 2013-02-27 | 新源动力股份有限公司 | 防止燃料电池电堆封装内结露的电堆封装板 |
| CN103401004A (zh) * | 2013-07-11 | 2013-11-20 | 西南交通大学 | 空冷燃料电池系统及其耦合热控制方法 |
| CN104835976A (zh) * | 2015-05-07 | 2015-08-12 | 昆山弗尔赛能源有限公司 | 一种利用相变冷却的燃料电池散热系统 |
| CN206040826U (zh) * | 2016-07-19 | 2017-03-22 | 北京晟泽科技有限公司 | 一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统 |
-
2016
- 2016-07-19 CN CN201610569129.3A patent/CN107634242A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006286516A (ja) * | 2005-04-04 | 2006-10-19 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| CN102945973A (zh) * | 2012-10-30 | 2013-02-27 | 新源动力股份有限公司 | 防止燃料电池电堆封装内结露的电堆封装板 |
| CN103401004A (zh) * | 2013-07-11 | 2013-11-20 | 西南交通大学 | 空冷燃料电池系统及其耦合热控制方法 |
| CN104835976A (zh) * | 2015-05-07 | 2015-08-12 | 昆山弗尔赛能源有限公司 | 一种利用相变冷却的燃料电池散热系统 |
| CN206040826U (zh) * | 2016-07-19 | 2017-03-22 | 北京晟泽科技有限公司 | 一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统 |
Cited By (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108417861A (zh) * | 2018-02-01 | 2018-08-17 | 广东国鸿氢能科技有限公司 | 船用氢燃料电池系统 |
| CN108400353A (zh) * | 2018-02-01 | 2018-08-14 | 广东国鸿氢能科技有限公司 | 船用氢燃料电池系统 |
| CN108954827A (zh) * | 2018-05-16 | 2018-12-07 | 重庆国翰能源发展有限公司 | 一种混合供能装置 |
| CN108954827B (zh) * | 2018-05-16 | 2020-10-13 | 重庆国翰能源发展有限公司 | 一种混合供能装置 |
| CN110649283A (zh) * | 2018-06-26 | 2020-01-03 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 燃料电池系统及其低温启动方法 |
| CN110649283B (zh) * | 2018-06-26 | 2023-10-27 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 燃料电池系统及其低温启动方法 |
| CN109088473A (zh) * | 2018-08-16 | 2018-12-25 | 深圳亚华伟翌科技有限公司 | 一种电池能量管理控制系统 |
| CN112640174A (zh) * | 2018-08-31 | 2021-04-09 | 斗山摩拜创新株式会社 | 燃料电池电源组 |
| CN108987772A (zh) * | 2018-09-17 | 2018-12-11 | 中氢新能技术有限公司 | 燃料电池中的热利用系统 |
| CN108987772B (zh) * | 2018-09-17 | 2024-03-19 | 中氢新能技术有限公司 | 燃料电池中的热利用系统 |
| CN109606141A (zh) * | 2019-01-30 | 2019-04-12 | 永安行科技股份有限公司 | 氢能源助力车 |
| CN109921065A (zh) * | 2019-02-28 | 2019-06-21 | 中山大洋电机股份有限公司 | 一种燃料电池冷启动系统及冷启动控制方法 |
| CN110233272A (zh) * | 2019-06-24 | 2019-09-13 | 上海电气集团股份有限公司 | 燃料电池的冷启动系统 |
| CN111463470A (zh) * | 2020-04-28 | 2020-07-28 | 深圳市南科燃料电池有限公司 | 一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统 |
| CN111463470B (zh) * | 2020-04-28 | 2021-09-21 | 深圳市南科燃料电池有限公司 | 一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统 |
| CN111900433A (zh) * | 2020-07-15 | 2020-11-06 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种质子交换膜燃料电池氢气加热系统及方法 |
| CN113097531A (zh) * | 2021-04-07 | 2021-07-09 | 上海空间电源研究所 | 用于车舱供暖与反应物预热的车用燃料电池余热回收系统 |
| CN113193209A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-07-30 | 电子科技大学 | 一种固定翼无人机空冷型燃料电池双堆集成动力系统 |
| CN113193208A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-07-30 | 电子科技大学 | 一种固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统 |
| CN114335600A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-04-12 | 北京京豚科技有限公司 | 一种基于固态储氢的风冷燃料电池温控系统和控制方法 |
| CN114335600B (zh) * | 2021-12-29 | 2024-04-16 | 北京京豚科技有限公司 | 一种基于固态储氢的风冷燃料电池温控系统和控制方法 |
| CN114784417A (zh) * | 2022-06-21 | 2022-07-22 | 深圳市昂佳科技有限公司 | 用于无人机电池的散热外壳 |
| CN115395045A (zh) * | 2022-07-31 | 2022-11-25 | 天津大学 | 车用高温pemfc启动及运行时的热管理系统及控制方法 |
| CN115395045B (zh) * | 2022-07-31 | 2023-09-22 | 天津大学 | 车用高温pemfc启动及运行时的热管理系统及控制方法 |
| CN117393796A (zh) * | 2023-12-13 | 2024-01-12 | 武汉雄韬氢雄燃料电池科技有限公司 | 一种具有双重冷却模式的燃料电池系统 |
| CN117393796B (zh) * | 2023-12-13 | 2024-03-01 | 武汉雄韬氢雄燃料电池科技有限公司 | 一种具有双重冷却模式的燃料电池系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107634242A (zh) | 一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统及方法 | |
| CN206040826U (zh) | 一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统 | |
| CN103401044B (zh) | 一种基于平板热管的动力电池热管理系统 | |
| CN103579652B (zh) | 一种氢化镁水解供氢的燃料电池发电系统 | |
| CN206282930U (zh) | 一种氢储能系统中的热控制系统及应用 | |
| CN102610838A (zh) | 燃料电池热管理系统、燃料电池系统及具有该系统的车辆 | |
| CN104835976B (zh) | 一种利用相变冷却的燃料电池散热系统 | |
| CN210092225U (zh) | 燃料电池余热回收系统、燃料电池汽车 | |
| CN109037731B (zh) | 一种用于大功率燃料电池传热均温的液冷式模块 | |
| CN108417861A (zh) | 船用氢燃料电池系统 | |
| CN110400945A (zh) | 燃料电池余热回收系统、燃料电池汽车及其工作方法 | |
| US8603694B2 (en) | Method for operating fuel cells for systems that are restricted by exposure to thermal stress and fuel cell stack for carrying out said method | |
| CN113611895A (zh) | 一种基于冷却耦合热控制的燃料电池冷却系统及方法 | |
| CN203351711U (zh) | 一种基于平板热管的动力电池热管理系统 | |
| CN108106470A (zh) | 一种冷却装置及铝空气电池 | |
| CN103367837A (zh) | 基于平板环路热管的动力电池热管理系统 | |
| CN105932187B (zh) | 一种可快速充电的电动汽车电池系统 | |
| CN103367835A (zh) | 一种基于环路热管的动力电池热管理系统 | |
| CN101392729A (zh) | 采用太阳能喷射式冷却的风力发电机 | |
| CN109713337B (zh) | 直接甲醇燃料电池与锂离子电池混合输出装置和输出方法 | |
| CN204668398U (zh) | 一种利用相变冷却的燃料电池散热系统 | |
| US20130078486A1 (en) | Power supply device | |
| CN102593496B (zh) | 燃料电池系统 | |
| CN114927719A (zh) | 一种用于氢燃料电池的恒温调控装置 | |
| CN203339278U (zh) | 一种基于环路热管的动力电池热管理系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20210831 Address after: 300000 plant 1, intelligent equipment Park, Lingang Economic Zone, Binhai New Area, Tianjin Applicant after: Tianjin New Hydrogen Power Technology Co.,Ltd. Address before: 1105, 10th floor, building 1, No. 58, South East Third Ring Road, Chaoyang District, Beijing 100021 Applicant before: BEIJING SHENGZE TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| TA01 | Transfer of patent application right |