CN108123163B - 一种高比能量航空用燃料电池发电装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高比能量航空用燃料电池发电系统，特别是以液氢为燃料的航空用质子交换膜燃料电池发电系统，包括液氢储罐、缓冲罐、压力传感器、氢气减压器、水用电磁阀、氢气用电磁阀、质子交换膜燃料电池、空气泵、循环水泵、水箱、温度调节器、热交换器等。以燃料电池自身热量为液氢储罐提供热源实现液氢气化，以空气中的氧气作为氧化剂，以航空器外部的高速来流空气作为冷介质，将燃料电池多余热量散去。本发明与传统的高压气瓶储氢方式的航空用燃料电池发电系统相比，具有储氢量大、重量轻、体积小、工作压力低、安全可靠、燃料加注速度快、燃料加注方式简单等优点，尤其适用于有长航时需求、重量和体积要求的航空用燃料电池发电系统。

Description

一种高比能量航空用燃料电池发电装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种高比能量航空用燃料电池发电系统，特别是以液氢为燃料的航空用质子交换膜燃料电池发电系统。

背景技术

燃料电池与传统意义的电池不同，它是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应转化为电能的高效发电装置。与传统的内燃机不同，它虽然同内燃机一样需要燃料和氧化剂，但不需要经过燃烧，可在低温条件下完成化学反应实现发电功能。燃料电池有很多类型，按照电解质不同可分为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池等。其中，质子交换膜燃料电池根据氧化剂使用纯氧和空气的不同，又分为氢-氧质子交换膜燃料电池和氢-空质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池与其他类型燃料电池相比，具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动和运行、低噪音、无污染等优点，因此，在交通、军事、清洁能源等领域中有着广泛的应用。

航空用质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，以空气中的氧气作为氧化剂。传统的储氢方式以高压气态储氢为主。高压气态储氢(35-70MPa)，通过压缩气态氢气，存于高压气瓶内，受压力限制，储氢量有限(重量百分比可达10％)。高压、易爆带来的安全隐患不容忽视。且高压氢气加注速度极慢，需要增压设备等一系列的外部保障方可实现。液氢作为一种新型的燃料电池供氢方式，具有体积小、压力低、加注速度快、储氢量大等优点，等体积或等重量的储氢系统，液氢有着绝对的储氢量优势(重量百分比可达20％)。尤其适用于航空用质子换膜燃料电池发电系统。

然而，液态氢不能直接用于燃料电池发电，需要将液态氢汽化后使用，汽化过程需要外环境提供热量。而燃料电池的工作过程是一个发热过程，需要将自身产生的热量排出，正好可以将此部分热量提供给液氢系统实现其汽化过程。液氢系统与质子交换膜燃料电池系统之间有着绝对的互补优势，因此，以液氢为燃料的质子交换膜燃料电池发电系统可以具有高集成度、高效率、高比能量输出等诸多优点。此外，燃料电池在工作过程中需要发热，一部分热量可提供给液氢作为汽化动力，多余部分的热量需要及时散掉，考虑到航空器的工作环境特点，利用航空器飞行所产生的高速流动冷空气作为热交换的冷介质，可使整个发电系统结构更紧凑，重量更低。

发明内容

本发明目的在于提供一种以液氢为燃料的航空用燃料电池发电系统，以燃料电池工作时的自身放热作为液氢汽化的动力，以航空器外部高速流动空气作为热交换的冷介质，进而实现一个以液氢为燃料的航空用燃料电池发电系统的高效热管理。通过热管理控制实现液氢汽化速度可控，为燃料电池变工况运行提供所需氢气流量。

实现本发明目的的技术方案是：一种以液氢为燃料的航空用燃料电池发电系统，包括液氢储罐，缓冲罐，压力传感器，氢气减压器，第一水用电磁阀，氢气用电磁阀，质子交换膜燃料电池，空气泵，循环水泵，水箱，温度调节器，第二水用电磁阀，热交换器。整个系统热管理以纯净水为介质，通过循环水泵将水打入质子交换膜燃料电池，温度调节器，水箱等各个部件，在热交换器处与航空器外表面高速流动空气进行热交换，实现整个系统的热管理。循环水流经液氢储罐时，将燃料电池的热量传递给液氢使其汽化，汽化生成的氢气储存在缓冲罐内，经过氢气减压器和氢气用电磁阀进入燃料电池，与空气泵输入至燃料电池内的空气(氧气)发生电化学反应，进而实现整个系统的发电过程。

具体控制如下：

当燃料电池准备启动时，此时循环水水温接近室温。循环水泵启动，水用电磁阀关闭，第一水用电磁阀开启，循环水从循环水泵进入燃料电池后，经过水用电磁阀进入液氢储罐，再经过温度调节器，回到水箱内，完成低温条件下的水循环过程。此过程会将温度较低的水带入液氢储罐，液氢汽化生成少量氢气，汽化出的氢气在缓冲罐内蓄压，待其压力达到燃料电池启动压力要求后，可进行燃料电池启动工作。

随燃料电池启动完成后运行一段时间后，电池温度逐渐升高，循环水温度也逐渐升高，此时在液氢储罐内的液氢汽化速度随之加快，氢气生成量逐步加大，这期间燃料电池可实现增功率工作，温度进而提高。待燃料电池循环水温度超过60℃(设定的燃料电池最佳工作温度)时，温度调节器会切换管路，此时的水循环顺序为：循环水从循环水泵进入燃料电池，经水用电磁阀后进入液氢储罐，然后进入温度调节器，再进入热交换器后回到水箱，完成高温条件下的水循环过程。此过程中，燃料电池的多余热量通过热交换器与航空器壁外空气进行热量交换，实现燃料电池恒温工作的热管理。

在燃料电池运行的整个过程中，缓冲罐内的压力测点实时采集压力信息，通过该测点数据，可控制第一、第二水用电磁阀的开启与关闭，实现管路切换，即通过循环水是否通过液氢储罐来控制液氢汽化速度，进而满足燃料电池的变工况运行所需的氢气量变化。空气泵也随电池功率变化，实时调节电压，改变空气的输出量。

待燃料电池准备停车时，第一水用电磁阀提前关闭，水用电磁阀开启，使循环水不经过液氢储罐，此时液氢汽化速度将大大降低，少量氢气储存在缓冲罐内。此时可切断电磁阀和空气泵，实现燃料电池停车过程。

本发明的工作原理是：充分利用燃料电池的自身特点，利用自身生成热，为液氢汽化提供热量，液氢汽化后的氢气，又作为燃料电池工作的燃料，保证燃料电池连续工作同时又产生了热量，实现二者的热耦合。充分考虑航空器工作环境特点，利用高速流动空气作为冷介质，将燃料电池多余热量散掉。最终实现高集成度的以液氢为燃料的航空用燃料电池发电系统。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1.能量密度高，与同体积与重量的燃料电池发电系统相比，本发明大幅度延长发电时间。

2.系统集成度高，结构接凑，体积更小，重量更轻。

3.与高压储氢瓶(35-70MPa)相比，工作压力低，基本在1MPa以内，更安全。

4.能量利用率高，燃料电池产生的热量有相当一部分提供给液氢作为汽化热源，实现热量耦合。

5.本发明所用管路、管件及减压器等零部件均为低压产品，成本低，可靠性高。

6.燃料加注速度快、加注方式简单。

附图说明

图1是以液氢为燃料的航空用燃料电池发电系统实施例1流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种高比能量的以液氢为燃料的航空用燃料电池发电系统实施例1流程示意图如图1所示：本流程适用于以氢气为燃料、以空气中的氧气为氧化剂的航空用氢-空燃料电池发电系统。利用燃料电池工作过程中产生的热作为液氢汽化热源，利用航空器壁外高速流动空气作为热交换的冷介质，实现整个系统的高效热管理。通过控制水用电磁阀的通断，进行管路切换，进而实现液氢汽化速度可控，达到燃料电池变工况工作目的。

结合图1，本发明由液氢储罐1，缓冲罐2，压力传感器3，氢气减压器4，第一水用电磁阀5，氢气用电磁阀6，质子交换膜燃料电池7，空气泵8，循环水泵9，水箱10，温度调节器11，第二水用电磁阀12，热交换器13组成。

燃料电池7、水用电磁阀5和12、液氢储罐1、温度调节器11、热交换器13、水箱10、循环水泵9以及相应管路构成了系统的水循环通路。液氢储罐1、缓冲罐2、减压器4和氢气用电磁阀6、燃料电池7以及相关管路，构成了系统的氢气通路。燃料电池7和空气泵8以及相关管路构成了系统的空气通路。具体实施步骤如下：

1.当燃料电池处于启动准备状态时，循环水泵9启动，水用电磁阀12关闭，水用电磁阀5开启，循环水从循环水泵9进入燃料电池7后，经过水用电磁阀5进入液氢储罐1，再经过温度调节器11，回到水箱10内，完成低温条件下的水循环过程。此过程会将温度较低的水带入液氢储罐1，进行汽化生成少量氢气，汽化生成的氢气在缓冲罐2内蓄压，待压力达到要求时即可启动燃料电池，作为燃料电池初始低功率工作的燃料，空气泵8启动。

2.燃料电池启动后，随时间的推移，自身温度将不断升高，循环水温度也逐渐升高，待燃料电池循环水温度超过60℃(设定的燃料电池最佳工作温度)时，温度调节器会切换管路，此时的水循环顺序为：循环水从循环水泵9进入燃料电池7，经水用电磁阀5后进入液氢储罐1，然后进入温度调节器11(又称节温器)，再进入热交换器13后回到水箱，完成高温条件下的水循环通路。此过程中，燃料电池7的多余热量通过热交换器13与航空器壁外空气进行热量交换。待循环水温度降低至60℃以下时，温度调节器11重新切换管路，将热交换器13切断，继而保证燃料电池循环水温度始终保持在60℃左右。

3.在燃料电池7运行的整个过程中，缓冲罐2内的压力测点实时采集压力信息，通过该测点数据，可控制水用电磁阀5和12的开启与关闭，实现管路切换，即通过循环水是否通过液氢储罐1来控制液氢汽化速度，进而满足燃料电池的变工况运行所需的氢气量变化。空气泵8也随电池功率变化，实时调节电压，改变空气的输出量。

4.待燃料电池7准备停车时，水用电磁阀5提前关闭，水用电磁阀12开启，使循环水不经过液氢储罐1，此时液氢汽化速度将大大降低，少量氢气储存在缓冲罐2内。此时可切断电磁阀6和空气泵8，实现燃料电池停车过程。

实施例2：

实施例2具体操作步骤与实施例1相同。只是在热交换器13的设计上可以不同，原理同样是利用高速空气作为冷介质，此实施例的热交换器不一定是随形设计作为航空器外表面的一部分。考虑到航空器的具体结构，当热交换器不适合安置在航空器表面时，可将其设计成独立零件，安置在航空器通风口附近，或是悬挂在舱外，冷却量达不到要求时再采用强制排风进行冷却。

Claims (9)

1.一种高比能量航空用燃料电池发电装置，以液氢为燃料的航空用质子交换膜燃料电池发电装置，包括带水加热管路的液氢储罐（1），其特征在于：液氢储罐（1）的氢气出口经缓冲罐（2）、氢气减压器（4）、氢气用电磁阀（6）与质子交换膜燃料电池（7）的氢气入口相连，水箱（10）经循环水泵（9）与质子交换膜燃料电池（7）的水入口相连，质子交换膜燃料电池（7）的水出口通过管路分别经第一电磁阀（5）与液氢储罐（1）的加热水入口相连，液氢储罐（1）的加热水出口与温度调节器（11）入口相连，温度调节器（11）入口与第二电磁阀（12）相连；温度调节器（11）的一个出口经热交换器（13）后与水箱（10）相连，温度调节器（11）的另一个出口直接与水箱（10）相连；

具体控制如下：

当质子交换膜燃料电池（7）准备启动时，此时循环水水温接近室温；循环水泵（9）启动，第二电磁阀（12）关闭，第一电磁阀（5）开启，循环水从循环水泵（9）进入质子交换膜燃料电池（7）后，经过第一电磁阀（5）进入液氢储罐（1），再经过温度调节器（11），回到水箱（10）内，完成低温条件下的水循环过程；此过程会将温度较低的水带入液氢储罐（1），液氢汽化生成少量氢气，汽化出的氢气在缓冲罐（2）内蓄压，待其压力达到质子交换膜燃料电池（7）启动压力要求后，进行质子交换膜燃料电池（7）启动工作；

随质子交换膜燃料电池（7）启动完成后运行一段时间后，电池温度逐渐升高，循环水温度也逐渐升高，此时在液氢储罐（1）内的液氢汽化速度随之加快，氢气生成量逐步加大，这期间质子交换膜燃料电池（7）实现增功率工作，温度进而提高；待质子交换膜燃料电池（7）循环水温度超过设定的质子交换膜燃料电池（7）最佳工作温度时，温度调节器（11）切换管路，此时的水循环顺序为：循环水从循环水泵（9）进入质子交换膜燃料电池（7），经第一电磁阀（5）后进入液氢储罐（1），然后进入温度调节器（11），再进入热交换器（13）后回到水箱（10），完成高温条件下的水循环过程；此过程中，质子交换膜燃料电池（7）的多余热量通过热交换器（13）与航空器壁外空气进行热量交换，实现质子交换膜燃料电池（7）恒温工作的热管理；

在质子交换膜燃料电池（7）运行的整个过程中，缓冲罐（2）内的压力测点实时采集压力信息，通过该测点数据，控制第一电磁阀（5）、第二电磁阀（12）的开启与关闭，实现管路切换，即通过循环水是否通过液氢储罐（1）来控制液氢汽化速度，进而满足质子交换膜燃料电池（7）的变工况运行所需的氢气量变化；空气泵（8）也随电池功率变化，实时调节电压，改变空气的输出量；

待质子交换膜燃料电池（7）准备停车时，第一电磁阀（5）提前关闭，第二电磁阀（12）开启，使循环水不经过液氢储罐（1），此时液氢汽化速度将大大降低，少量氢气储存在缓冲罐（2）内，此时切断氢气用电磁阀（6）和空气泵（8），实现质子交换膜燃料电池（7）停车过程。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：液氢储罐（1）的水加热管路缠绕于储罐外壁面上或外壁面内或储罐内。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：缓冲罐（2）与质子交换膜燃料电池（7）的氢气入口间的连接管路上设有氢气减压器（4）和氢气用电磁阀（6）。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：质子交换膜燃料电池（7）的空气入口与空气泵（8）出口相连。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：缓冲罐（2）上设有压力传感器（3）。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：液氢储罐是盛放液氢燃料的杜瓦瓶容器，要求能够承受不低于1 MPa的内部压力，具有独立的热交换管路和对外接口；

所述的缓冲罐（2），是存放液氢汽化后变成氢气的容器，用于调节氢气输出气量和压力，以供质子交换膜燃料电池（7）使用，要求该容器能够承受不低于液氢储罐（1）所能承受的内部压力。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：压力传感器（3），测点位于缓冲罐（2）内，用于测量缓冲罐（2）内部氢气压力，根据该测点数据，通过控制程序和执行元件可实现液氢汽化速度控制。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：氢气减压器（4），是将缓冲罐（2）内部的氢气压力减压至质子交换膜燃料电池（7）所需的氢气工作压力；

所述的第一电磁阀（5）和第二电磁阀（12），是液氢系统热管理的执行元件，通过该元件可执行管路切换动作，实现液氢系统的热管理工作；

所述的氢气用电磁阀（6），是氢气进入质子交换膜燃料电池（7）的关键控制点，通过该阀可实现质子交换膜燃料电池（7）启动、运行、停车以及安全保障多项功能；

所述的质子交换膜燃料电池（7），是以氢气为燃料、以空气中的氧气为氧化剂的氢空质子交换膜燃料电池；

所述的空气泵（8）采用空气风机或空气压缩机替代，是将空气提升压力后输入质子交换膜燃料电池（7）的核心部件，要求具有一定的压头和流量，具体数值根据质子交换膜燃料电池（7）参数而定，要求转速可调，可实现变流量输出。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的循环水泵，是质子交换膜燃料电池热管理的动力装置，要求泵头材料选用316钢、钛、塑料；

所述的水箱（10），是盛放质子交换膜燃料电池循环水的容器，要求洁净、轻便、不易腐蚀，其容积大小视质子交换膜燃料电池功率和循环泵参数而定；

所述的温度调节器（11），是质子交换膜燃料电池热管理的核心部件，可根据水温自动切换管路，实现整个系统的热管理自动控制；

所述的热交换器（13），是利用航空器飞行时外部的冷空气与质子交换膜燃料电池循环水进行热交换的部件，该部件随航空器外形设计，作为航空器外壁的一部分；或作为单独的零件安置在航空器通风口或悬挂于舱外壁。

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