CN112768725B - 一种燃料电池无人机及氢动力装备温控的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池无人机及氢动力装备温控的方法及装置，本发明在不产生额外加热功率的条件下，大幅度提高以空冷型燃料电池为动力的无人机系统或其他氢动力装备的低温环境适应能力，质子交换膜氢燃料电池在发出电功率的同时，基本上也会产生同等数量的热功率，充分地有效地利用这部分热量对于拓宽使用空冷燃料电池作动力的无人机或其他装备的应用场景具有重要意义。

Description

一种燃料电池无人机及氢动力装备温控的方法及装置
技术领域
本发明涉及无人机领域，具体是一种燃料电池无人机及氢动力装备温控的方法及装置。
背景技术
在国家燃料电池相关政策的大力扶持下，质子交换膜氢燃料电池技术得到了快速的发展。目前国际上在航空领域应用的有水冷氢燃料电池和空冷氢燃料电池，国内广泛应用的为空冷型氢燃料电池，相比于水冷型氢燃料电池，其具有系统单位质量功率较高，寄生重量低及寄生功耗低的优点，但在环境适应能力上有所不及，空冷型质子交换膜燃料电池普遍存在低温冷启动困难及低温环境下堆芯温度维持困难的问题，由于空冷型质子交换膜燃料电池的阴极侧在反应中会由空气中的氧气及透过膜内迁移的氢质子生成水，质子交换膜作为燃料电池的关键部件若要保持正常工作，同样需要保有一定的液态水，即为浸湿状态，低温(0℃以下)环境下，这些水极易结冰，堵塞气体流道，影响膜电极的特征尺寸，甚至导致膜破裂，发生反极现象，对氢燃料电池的正常安全使用极为不利。另一方面，采用空冷氢燃料电池为电力来源的无人机或其他氢动力装备在使用时，燃料电池除产生电能以外，还会产生几乎等量的热能，这部分热能由燃料电池风扇工作时产生的空气气流带走，以使燃料电池稳定在适宜的温度下，以往的做法多是直接将热气流排到空气中，没有回收利用；无人机及其他氢动力装备的设备数量往往较多，其中不乏有不适于低温环境使用的设备，将燃料电池风扇排出的热气引导向这些设备并对其进行加热，同时使用回流热气提升燃料电池进气口气流温度，对提高无人机系统或其他氢动力装备系统的低温适应能力具有显著的意义。因此，本领域技术人员提供了一种燃料电池无人机及氢动力装备温控的方法及装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池无人机及氢动力装备温控的方法及装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种燃料电池无人机及氢动力装备温控的方法及装置，包括采用空气冷却的氢燃料电池，空气过滤装置，电子控制单元(ECU)，冷热空气混合室，空气入口风扇，若干温度传感器，氢气存储系统，热气流循环主管路，设备加热支路，冷凝水收集装置，带流量控制功能的三通阀。
作为本发明进一步的方案：所述阴极开放式空冷型氢燃料电池在使用前应注意保持其堆芯温度在0℃以上，防止膜内水结冰，其阳极侧通过电磁阀和减压阀接入氢气储罐，阴极进气侧端面接口与冷热空气混合室的输出端接口连接。
作为本发明再进一步的方案：所述燃料电池湿热空气出风接口与热循环主管路的输入口连接，该主管路上可接入若干设备加热支路，将主管路内的热空气导向待加热设备，具体实施方式之一是将待加热设备安装于导热性能良好的中空翅片板上，中空翅片板内通入设备加热通路出来的热气，以此实现对系统内其他元器件的热管理。
作为本发明再进一步的方案：所述热循环主管路后接冷凝水收集装置将管路内经由待加热设备后温度有所降低的湿热空气中产生的液态水收集、分离并排出，之后热气流通过带流量控制功能的三通阀，该三通阀一端接入循环热气流，一端安装热空气泄放流量控制阀，最后一端安装循环热空气流量控制阀，二者相互配合用以控制循环热空气流量，以达到控制冷热空气混合后温度的目的。
作为本发明再进一步的方案：所述冷热空气混合室另外一端经由空气过滤器及空气入口风扇输入外界冷空气，空气过滤器用以过滤吸入空气中的灰尘、一氧化碳、含硫氧化物，避免杂质气体对膜电极性能产生不利影响。
作为本发明再进一步的方案：所述电子控制单元通过温度传感器1采集冷热空气混合室输出到燃料电池进气端面的气流的温度，通过设置在燃料电池内部的堆芯温度传感器采集燃料电池堆芯温度，通过设置在燃料电池风扇出口处的温度传感器2采集风扇出口湿热空气的温度，通过设置在外界空气入口的温度传感器3采集外界空气的温度，对于采用气态储氢方式的氢气存储单元，通过设置在氢气储罐瓶口的压力传感器采集气瓶内氢气压力，借以判断氢气储罐内的剩余气量。
作为本发明再进一步的方案：所述温度传感器4、温度传感器5用以监测待加热设备 1、2的温度，以便将待加热设备的温度保持在适宜于其工作的温度范围内，输出信号包括空气入口风扇转速控制信号、燃料电池氢气入口电磁阀开闭信号、燃料电池风扇转速控制信号、加热气流量控制阀1的控制信号、加热气流量控制阀2的控制信号，冷凝水收集装置的冷凝水排水阀控制信号，带流量控制功能的三通阀的热空气泄放流量控制阀的控制信号及循环热空气流量控制阀的控制信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过本方案的热气回流，将空冷型氢燃料电池的废热充分利用起来，提高了采用阴极开放式空冷型氢燃料电池作为电力来源的无人机或其他氢动力装备系统的能量利用效率。
2、本发明低温环境下，在保证燃料电池能够正常工作的基础上，利用余热对系统内其余器件进行加热，有利于从系统层面上解决低温环境适应问题。
3、本发明系统的监测与控制集成在电子控制单元上，具备自主控制能力，其控制形式流程简单，执行效率高，安全可靠。
附图说明
图1为一种燃料电池无人机及氢动力装备温控的方法及装置的结构示意图。
图中：图中填充小箭头为冷空气流向，空心宽箭头为冷热混合前热空气的流向，填充宽箭头为冷热空气混合后混合气的流向，冷热混合气经过燃料电池时参与电化学反应，从燃料电池风扇排出的气体即为湿热空气，空心箭头细线条为电子控制单元发出的控制信号，填充箭头细线条为电子控制单元收集的传感器信号，黑色虚线为各元器件的名称。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例中，一种燃料电池无人机及氢动力装备温控的方法及装置：
启动时，首先开启电子控制单元(ECU)的电源，它将采集各路传感器的信号以判断是否启动燃料电池，若氢气储罐内气压低于设定的最小启动气压，则不执行开启电磁阀的指令，若高于设定的最小启动气压，结合采集的空气的温度和堆芯温度数据，判断此时燃料电池的工作环境，开启电磁阀，控制空气入口风扇起转，刚开始启动时，若燃料电池入口空气温度较低，则减小三通阀的热空气泄放流量，增大热气循环量，同时减小空气入口风扇及燃料电池风扇的转速，以此提高冷热空气混合室混合后输出给燃料电池入口端的空气温度，减小被气流带走的燃料电池电堆的热量，待堆芯温度升高至适宜于燃料电池正常工作(一般不低于50℃)后通过联合控制带流量控制功能的三通阀的热气回流比例、空气入口风扇转速及燃料电池风扇转速来维持燃料电池的堆芯温度，提前将各待加热设备的适宜工作温度写入电子控制单元内并启用，燃料电池工作期间可通过电子控制单元开启各加热气流量控制阀从热循环主管路内获取热空气以维持设备的适宜工作温度。
待加热设备1、2并不仅限于某一个单独的设备，也可以是具有相近的适宜工作温度的设备的集合。
一般而言，设备的适宜工作温度是一个范围值，电子控制单元对整个系统进行温度控制时，需联系燃料电池的实际堆芯温度，例如，刚开始于低温环境下启动时，加热气流量控制阀仅允许较少量热气气流通过为待加热设备升温，即使其工作在适宜工作温度范围内相对较低的值上，优先满足燃料电池本身的热回流需求，待燃料电池温度逐渐升高，不需要太多的回流热气后，可考虑进一步提高设备加热气流量，使其工作在较高效率的温度下。
热气流在循环过程中会逐渐冷却，气流中夹带的液态水滴或含有的水蒸气会液化在热循环管道壁上，采用冷凝水收集装置对液态水进行收集，由电子控制单元控制的冷凝水排水阀可设定为间隔一定时间开启一次的模式，开启的持续时间可设定，用于将收集的液态水排出系统外。
在极低温度条件下，热循环主管路及各设备加热支路可选用相对绝热的材料或采取绝热措施以减小在循环管路上的热量损失。
更进一步地，为使冷热空气在冷热空气混合室内具有更高的混合程度，可在该混合室内设置强制对流风扇。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种燃料电池无人机及氢动力装备温控的装置，其特征在于，包括采用空气冷却的阴极开放式空冷型氢燃料电池，空气过滤装置，电子控制单元（ECU），冷热空气混合室，空气入口风扇，若干温度传感器，氢气存储系统，热气流循环主管路，设备加热支路，冷凝水收集装置，带流量控制功能的三通阀；
所述阴极开放式空冷型氢燃料电池在使用前应注意保持其堆芯温度在0℃以上，防止膜内水结冰，其阳极侧通过电磁阀和减压阀接入氢气储罐，阴极进气侧端面接口与冷热空气混合室的输出端接口连接；
所述阴极开放式空冷型氢燃料电池的湿热空气出风接口与热循环主管路的输入口连接，该热循环主管路上可接入若干设备加热支路，将主管路内的热空气导向待加热设备，待加热设备安装于导热性能良好的中空翅片板上，中空翅片板内通入设备加热通路出来的热气，以此实现对系统内其他元器件的热管理；
所述热循环主管路后接冷凝水收集装置将管路内经由待加热设备后温度有所降低的湿热空气中产生的液态水收集、分离并排出，之后热气流通过带流量控制功能的三通阀，该三通阀一端接入循环热气流，一端安装热空气泄放流量控制阀，最后一端安装循环热空气流量控制阀，二者相互配合用以控制循环热空气流量，循环热空气流量控制阀与冷热空气混合室连接；
所述冷热空气混合室另外一端经由空气过滤器及空气入口风扇输入外界冷空气，空气过滤器用以过滤吸入空气中的灰尘、一氧化碳、含硫氧化物；
电子控制单元通过温度传感器1采集冷热空气混合室输出到燃料电池进气端面的气流的温度，通过设置在燃料电池内部的堆芯温度传感器采集燃料电池堆芯温度，通过设置在燃料电池风扇出口处的温度传感器2采集风扇出口湿热空气的温度，通过设置在外界空气入口的温度传感器3采集外界空气的温度，对于采用气态储氢方式的氢气存储单元，通过设置在氢气储罐瓶口的压力传感器采集气瓶内氢气压力，借以判断氢气储罐内的剩余气量；
启动时，首先开启电子控制单元(ECU)的电源，若氢气储罐内气压低于设定的最小启动气压，则不执行开启电磁阀的指令，若高于设定的最小启动气压，结合空气的温度和堆芯温度数据，判断此时燃料电池的工作环境，开启电磁阀，控制空气入口风扇起转，刚开始启动时，若燃料电池入口空气温度较低，则减小三通阀的热空气泄放流量，增大热气循环量，同时减小空气入口风扇及燃料电池风扇的转速，以此提高冷热空气混合室混合后输出给燃料电池入口端的空气温度，减小被气流带走的燃料电池电堆的热量，待堆芯温度升高至适宜于燃料电池正常工作后通过联合控制带流量控制功能的三通阀的热气回流比例、空气入口风扇转速及燃料电池风扇转速来维持燃料电池的堆芯温度，提前将各待加热设备的适宜工作温度写入电子控制单元内并启用，燃料电池工作期间可通过电子控制单元开启各加热气流量控制阀从热循环主管路内获取热空气以维持设备的适宜工作温度。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池无人机及氢动力装备温控的装置，其特征在于，温度传感器4、温度传感器5用以监测待加热设备1、2的温度，以便将待加热设备的温度保持在适宜于其工作的温度范围内，输出信号包括空气入口风扇转速控制信号、燃料电池氢气入口电磁阀开闭信号、燃料电池风扇转速控制信号、加热气流量控制阀1的控制信号、加热气流量控制阀2的控制信号，冷凝水收集装置的冷凝水排水阀控制信号，带流量控制功能的三通阀的热空气泄放流量控制阀的控制信号及循环热空气流量控制阀的控制信号。
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