CN113571739B - 无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置及方法。低温低气压性能试验装置包括放置无人机氢燃料电池系统的低气压箱，其提供‑40℃至150℃温度，压力范围10kPa至标准大气压大气环境；燃料电池系统压气机入口管路引入为压气机入口提供‑60℃至50℃、压力20Kpa至标准大气压力、质量流量大于50g/s的模拟高空飞行时压气机的吸气状态的低温气流，氢燃料电堆出口处管路提供压力20Kpa至标准大气压力、排气流量大于50g/s的模拟高空飞行的实际排气环境的稳定排气环境；低温气流是由液氮以及液氧按空气比例各自水浴气化后气体充分混合并加热到预定温度后稳压输出的气流。本发明低温低气压性能试验装置实现了无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验。

Description

无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置及方法

技术领域

本发明涉及试验装置技术领域，特别是涉及一种无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置及方法。

背景技术

氢燃料电池系统的核心部件是氢燃料电堆和离心式空压机（该离心式空压机下文称压气机），氢燃料电堆好比氢燃料电池系统的心脏，吸收氧气和氢气，将化学能转换为电能，压气机则是燃料电池系统的“肺”，通过对进堆空气进行增压，以提高电堆的功率密度和效率。无人机氢燃料电池系统作为氢能源无人机核心部件，其稳定、高效的性能成为制约氢燃料电池无人机性能的关键。氢燃料无人机的飞行高度一般在10000米以内，这个高度的极端大气温度在-40℃，大气压力为26Kpa。地面环境试验往往只能模拟高空大气环境，但是无法模拟压气机的吸气环境和氢燃料电堆的排气环境，由于氢燃料电池系统的综合性能在地面环境的与高空环境差异较大，因此，地面环境试验对于氢燃料电池系统的“心肺功能”考核不足。为了在研发阶段充分验证电池系统能否在高空环境达到预计的性能指标，亟需开发一套能够满足高空环境模拟的地面试验装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置，是一种能够实现高空环境且满足低温低气压大流量进气及喷气要求的综合试验装置及方法。

本发明第一方面，提供一种无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置，包括用于在内部放置无人机氢燃料电池系统的低气压箱，无人机氢燃料电池系统由压气机以及氢燃料电堆组成，该低气压箱提供-40℃至150℃的温度，压力范围10kPa至标准大气压的大气环境；该低气压箱的箱壁上开孔以连接管路，压气机入口处管路引入能为压气机入口提供温度为-60℃至50℃、压力为20Kpa至标准大气压力、质量流量大于50g/s的用于模拟高空飞行时压气机的吸气状态的低温气流，氢燃料电堆出口处管路提供压力为20Kpa至标准大气压力、排气流量大于50g/s的用于模拟高空飞行的实际排气环境的稳定排气环境；所述低温气流是由液氮以及液氧按空气比例各自水浴汽化形成的气体充分混合并加热到预定温度后稳压输出的气流，所述氢燃料电堆的氢供气口连接高压氢气源。

优选的，形成所述低温气流的装置包括有自增压液氮罐、自增压液氧罐；

所述自增压液氮罐连接至液氮质量流量计,液氮质量流量计连接至液氮调节阀，液氮调节阀连接至液氮水浴汽化器；

所述自增压液氧罐连接至液氧质量流量计,液氧质量流量计连接至液氧调节阀，液氧调节阀连接至液氧水浴汽化器；

所述液氮水浴汽化器、液氧水浴汽化器连接至氮-氧混合器，氮-氧混合器连接到空气加热器，空气加热器连接至进气调压阀，进气调压阀连接至进气稳压罐，在进气稳压罐上装有入口总压传感器；氮-氧混合器具有氮-氧混合器温度传感器以及氮-氧混合器安全阀；

所述进气稳压罐由管路通至低气压箱内部与燃料电池系统的压气机进气口连接，管路上装有入口常闭电磁阀和入口温度传感器。

优选的，所述液氮水浴汽化器与液氧水浴汽化器结构一致，具有壳体，壳体中设置有浮子以及螺旋状缠绕围在浮子外侧的换热铜管，换热铜管底部入口与液氮调节阀/液氧调节阀连接通入液氮/液氧，顶部出口与氮-氧混合器连接，排出低温气体；壳体上的供水口连接水浴供水泵；装在浮子上的浮动水管自水浴汽化器顶盖向上伸出与水浴变频回水泵连接，浮子由导向杆与水浴汽化器顶盖连接，磁致伸缩液位计固定在水浴汽化器顶盖上，磁致伸缩液位计的磁环固定在浮子上，磁致伸缩液位计的信号连接至水浴汽化控制器，水浴汽化控制器与水浴变频回水泵连接，控制水浴变频回水泵的抽水量，形成液位PID控制。

优选的，所述氢燃料电堆的出口通过管路连接至排气稳压罐的入口，所述排气稳压罐上安装有出口压力传感器，所述排气稳压罐的排气口由三通管路连接大流量水环真空泵和排气调节阀。

优选的，所述氢燃料电堆的氢供气口管路通过高压氢气常闭电磁阀连接到高压氢气瓶，所述低气压箱上的高压氮气口经管路并通过高压氮气常开电磁阀连接至高压氮气瓶。

优选的，所述低气压箱上近排气侧的箱壁上近顶部预留泄压孔，该泄压孔安装有快排安全阀。

优选的，所述快排安全阀包括安装在支架上的阀体，阀体内部安装有阀杆和阀芯弹簧，阀芯弹簧套在阀杆上为阀杆提供复位力，阀杆伸出阀体的前端有密封板，该密封板的前端具有橡胶密封条，安装在低气压箱上后贴紧低气压箱箱壁形成对所述泄压孔的密封，阀体的后端设置有快开阀气口以通过电磁阀接入压缩空气将阀杆压紧，使密封板压紧在低气压箱箱壁上。

优选的，在低气压箱中，靠近氢气管路和燃料电堆的位置安装有氢浓度传感器，所述氢浓度传感器连接至安全控制器，安全控制器连接继电器，所述继电器控制高压氮气常开电磁阀、氢气常闭电磁阀、控制所述低温气流进入所述压气机的入口常闭电磁阀以及快排安全阀的气源电磁阀。

本发明第二方面，提供一种无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验方法，采用第一方面所述无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置对无人机氢燃料电池系统进行试验，采用以下步骤：

将无人机氢燃料电池系统安装在低气压箱中，将压气机进气口连接至进气管路，氢燃料电堆出气口连接至排气管路，将高压氢气连接至氢燃料电堆，并在低气压箱中靠近氢气管路和氢燃料电堆的位置安装氢浓度传感器；

使用安全控制器控制气源电磁阀开启，将快排安全阀充入高压气体，推动快排阀阀杆动作，将快开密封板推紧，完成密封；使用安全控制器控制高压氮气常开电磁阀关闭；

控制低气压箱进行降压及降温，将环境压力和温度控制到试验压力和温度；

由综合控制器下达指令至液氮/氧汽化控制器，设置气量，由液氮/氧汽化控制器中的PID控制器、液氧质量流量计、液氮质量流量计和液氧调节阀、液氮调节阀组成液氮、液氧输出循环系统，输出定量的液氮和液氧进入液氧/液氮水浴汽化器；

打开水浴供水泵为水浴汽化器供水，打开水浴变频回水泵，通过水浴汽化控制器设定指定水位，水浴汽化控制器根据磁致伸缩液位计的信号闭环控制变频回水泵的回水量，稳定控制水浴水位；

液氮/液氧经过汽化后进入氮-氧混合器，氮-氧混合器中具有氮-氧混合器温度传感器，根据氮-氧混合器温度传感器的示值调整液氧/液氮水浴汽化器的水位，调试氮-氧混合器内气体温度低于试验温度10℃左右，此时由于系统没有运行，入口常闭电磁阀处于关闭状态，低温氮氧混合气通过氮-混合器安全阀排入大气；

开启入口常闭电磁阀，将进气调压阀阀门开度调节至最大，将排气调节阀开度调节至最大，打开氢燃料电池系统的压气机，形成完整气路；

由综合控制器下达指令至气体温度控制器，气体温度控制器根据入口温度传感器对空气加热器进行闭环调节，将氮氧混合气温度升温至试验温度；

气流温度稳定后，由综合控制器下达指令至气体压力控制器，气体压力控制器根据入口总压传感器的测量值，闭环调节进气调节阀的开度，控制进气稳压罐的压力达到试验压力；入口压力调节的同时，由综合控制器下达指令至气体压力控制器，气体压力控制器根据出口压力传感器的测量值，闭环调节排气调节阀的开度，控制排气稳压罐的压力达到试验压力；

试验装置的环境压力、环境温度、入口压力、入口温度、出口压力都稳定后，由安全控制器输出指令打开高压氢气常闭电磁阀为氢燃料电堆提供氢气；所有状态稳定后，开始进行氢燃料电池电性能测试；

氢浓度传感器实时监测氢气浓度，一但氢浓度超过阈值，安全控制器通过继电器完成动力电源切断、入口常闭电磁阀关闭、高压氢气常闭电磁阀关闭、快开阀气口排气、高压氮气常开电磁阀打开；

高压氮气常开电磁阀打开后，迅速向低气压箱充入氮气，低气压箱内气压迅速恢复至常压；快开阀气口完成排气，快排安全阀的阀杆受到阀芯弹簧的作用开始动作，使快排安全阀的阀杆与快排安全阀的密封板分离，低气压箱压力恢复后，快排安全阀的密封板迅速掉落，使低气压箱与大气联通，低气压箱内氢气迅速从开口处排除，达到安全防护的效果。

本发明的该试验装置，其低气压箱能提供-40℃至150℃的温度，压力范围10kPa至标准大气压的大气环境的试验环境，在压气机入口可提供温度为-60℃至50℃、压力为20Kpa至标准大气压力、质量流量大于50g/s的低温气流，用于模拟高空飞行时压气机的吸气状态，在电堆出口处提供压力为20Kpa至标准大气压力的稳定排气环境排气流量大于50g/s，用于模拟高空飞行的实际排气环境，能满足试验要求。

本发明的该试验装置，还包括有燃料电池系统所需的供氢系统、氢气浓度报警系统，确保试验安全可靠。

附图说明

图1是本发明实施例的无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置控制流程图。

图2是本发明实施例的无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置的整体组成示意图。

图3是本发明实施例的无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能的安全控制系统示意图。

图4是本发明实施例的水浴汽化器控制的示意图。

图5是本发明实施例的水浴汽化器的整体示意图。

图6是本发明实施例的水浴汽化器的部分示意图。

图7是本发明实施例的水浴汽化器的剖面示意图。

图8是本发明实施例的快排安全阀的整体示意图。

图9是本发明实施例的快排安全阀的剖面示意图。

附图标记说明：

综合控制器1、液氮/氧汽化控制器2、气体温度控制器3、气体压力控制器4、安全控制器5、液氮质量流量计6、液氧质量流量计7、液氮调节阀8、液氧调节阀9、水浴汽化器10、氮-氧混合器11、空气加热器12、进气调压阀13、进气稳压罐14、入口总压传感器15、入口常闭电磁阀16、入口温度传感器17、低气压箱18、排气稳压罐19、出口压力传感器20、排气调节阀21、大流量水环真空泵22、高压氮气常开电磁阀23、高压氢气常闭电磁阀24、快排安全阀25、水浴汽化控制器10-1、水浴供水口10-2、水浴变频回水泵10-3、水浴汽化器壳体10-4、水浴汽化器顶盖10-5、换热铜管10-6、浮子10-7、浮动水管10-8、磁致伸缩液位计10-9、导向杆10-10、氮-氧混合器温度传感器11-1、氮-氧混合器安全阀11-2、支架25-1、快排阀体25-2、快排阀阀杆25-3、阀芯弹簧25-4、快开密封板25-5、快开阀气口25-6、高压氮气瓶26、高压氢气瓶27、自增压液氮罐28、自增压液氧罐29、压气机30、氢燃料电堆31、氢浓度传感器32。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的试验装置的测试对象是无人机氢燃料电池系统，无人机氢燃料电池系统主要由氢燃料电堆和压气机组成，测试时，无人机氢燃料电池系统放置在低气压箱内部，由低气压箱提供-40℃至150℃的温度，压力范围10kPa至标准大气压的大气环境，低气压箱壁开有法兰孔，用于连接管路和线缆，无人机氢燃料电池系统的进气端通过管路连接至试验装置。

本发明实施例的试验装置，根据无人机氢燃料电池系统的实际使用环境搭建，能有效实现对无人机氢燃料电池系统高空工作性能的地面测试，该系统可以精确复现高空大气环境环境压力、环境温度、进口压力、出口压力。

如图1-图9所示，本发明实施例的无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置，包括用于在内部放置无人机氢燃料电池系统的低气压箱18，无人机氢燃料电池系统由压气机以及电堆组成，该低气压箱提供-40℃至150℃的温度，压力范围10kPa至标准大气压的大气环境；该低气压箱的箱壁上开孔以连接管路，压气机入口处管路引入能为压气机入口提供温度为-60℃至50℃、压力为20Kpa至标准大气压力、质量流量大于50g/s的用于模拟高空飞行时压气机的吸气状态的低温气流，电堆出口处管路提供压力为20Kpa至标准大气压力、排气流量大于50g/s的用于模拟高空飞行的实际排气环境的稳定排气环境；所述低温气流是由液氮以及液氧按空气比例各自水浴汽化形成的气体充分混合并加热到预定温度后稳压输出的低温气流，所述氢燃料电堆的氢供气口连接高压氢气源。

本发明的实施例的试验装置，压气机入口气流可以实现温度为-40℃至50℃连续可调，供气流量大于50g/s。在压气机工作时，压气机进气口大量吸气，通过调节进气口阀门开度，使压气机进气口达到负压状态，可以调节压力范围20KPa至常压。

由于氢燃料电堆实际工作时，需要氧气与氢气作用，将化学能转换为电能，因此无人机氢燃料电池系统的进气氧含量必须与实际空气中氧含量一致，为满足大流量低温进气要求，试验所需的大流量空气由液氧和液氮按空气比例汽化得到，这种供气方式可以有效避免使用风机供气造成的低温凝露现象，同时可以降低制冷成本。

为保证液氮和液氧汽化后的气体混合比例与空气相同，可选的，可以采取双闭环控制的方式控制液氮和液氧的汽化量。根据试验流量要求，如可按照空气中氮氧比例近似取为4:1设置液氮的质量目标值，由液氮调节阀闭环控制液氮流量。控制液氧流量时，以液氮流量实测值按照空气氮氧比例计算出液氧需求量，以该值作为目标值，由液氮调节阀闭环控制液氮流量。液氮、液氧双闭环的控制方式可以确保输出气流氮氧比例与实际空气氮氧比例相同，确保无人机氢燃料电池系统正常工作。液氮/液氧由水浴汽化的方式进行汽化，汽化后混合为氮氧低温气体，经过加热器加热至试验要求温度。

作为一个可选的实施例，形成所述低温气流的装置包括有自增压液氮罐28、自增压液氧罐29；

所述自增压液氮罐连接至液氮质量流量计6,液氮质量流量计连接至液氮调节阀8，液氮调节阀连接至液氮水浴汽化器；

所述自增压液氧罐连接至液氧质量流量计7,液氧质量流量计连接至液氧调节阀9，液氧调节阀连接至液氧水浴汽化器；

所述液氮水浴汽化器、液氧水浴汽化器连接至氮-氧混合器11，氮-氧混合器连接到空气加热器12，空气加热器连接至进气调压阀13，进气调压阀连接至进气稳压罐14，在进气稳压罐上装有入口总压传感器15；氮-氧混合器具有氮-氧混合器温度传感器11-1以及氮-氧混合器安全阀11-2；该液氮水浴汽化器与液氧水浴汽化器采用同一结构的水浴汽化器10；

所述进气稳压罐14由管路通至低气压箱内部与燃料电池系统的压气机进气口连接，管路上装有入口常闭电磁阀16和入口温度传感器17。

其中，液氮质量流量计6的测量信号连接至液氮/氧汽化控制器2，液氮调节阀8的控制输入端连接至液氮/氧汽化控制器2，形成液氮PID控制循环；液氧质量流量计7连接至液氮/氧汽化控制器2，液氧调节阀9的控制输入端连接至液氮/氧汽化控制器2，形成液氧PID控制循环；

其中，入口温度传感器17连接至气体温度控制器3，气体温度控制器3连接至空气加热器的可控硅模块，形成温度PID控制循环；

其中，入口总压传感器15的信号接入气体压力控制器4，由气体压力控制器4控制进气调压阀13的开度，形成入口压力PID控制循环。将出口压力传感器20的信号接入气体压力控制器4，由气体压力控制器4控制排气调节阀21开度，形成入口压力PID控制循环。

本试验装置中可以是由液氮/氧汽化控制器2，基于PID控制器根据液氮质量流量计6、液氧质量流量计7的测量值以及设定的质量目标值对液氮/液氧的调节阀开度进行闭环控制，保证液氮/液氧的比例符合试验的要求。

本试验装置中的水浴汽化器，可以通过调节水浴槽的水位对汽化温度进行粗调，汽化后温度仅略低于试验温度，通过空气加热器12可以进行精确温度控制，将温度加热至试验要求温度，该水浴汽化器通过粗调温度可以有效降低空气加热器的加热功率，提升试验效率。该空气加热器12可以是由气体温度控制器3基于PID控制器闭环控制实现温度的控制。

作为一个可选的实施例，由气体压力控制器4基于PID控制器，根据入口总压传感器15的实测值，进气压力目标值，进行闭环控制进气调压阀13的开度，控制进气量，使符合试验的要求。

作为一个可选的实施例，所述液氮水浴汽化器与液氧水浴汽化器结构一致，具有水浴汽化器壳体10-4，水浴汽化器壳体10-4中设置有浮子10-7以及螺旋状缠绕围在浮子外侧的换热铜管10-6，换热铜管10-6的底部入口与液氮调节阀/液氧调节阀连接通入液氮/液氧，顶部出口与氮-氧混合器11连接，排出低温气体；水浴汽化器壳体10-4上的水浴供水口10-2连接水浴供水泵；装在浮子上的浮动水管10-8自水浴汽化器顶盖10-5向上伸出与水浴变频回水泵10-3连接，浮子10-7由导向杆10-10与水浴汽化器顶盖10-5连接，磁致伸缩液位计10-9固定在水浴汽化器顶盖10-5上，磁致伸缩液位计10-9的磁环固定在浮子10-7上，磁致伸缩液位计10-9的信号连接至水浴汽化控制器10-1，水浴汽化控制器10-1与水浴变频回水泵10-3连接，控制水浴变频回水泵10-3的抽水量，形成液位PID控制。

作为一个可选的实施例，所述氢燃料电堆的出口通过管路连接至排气稳压罐19的入口，所述排气稳压罐19上安装有出口压力传感器20，所述排气稳压罐19的排气口由三通管路连接大流量水环真空泵22和排气调节阀21。

通过氢燃料电堆的出口连接排气稳压罐，排气稳压罐连接大流量水环真空泵和出口压力传感器，由排气稳压罐、大流量水环真空泵、出口压力传感器、组成排气压力控制循环，由气体压力控制器4基于PID控制器，根据出口压力传感器20的实测值、排气压力目标值，闭环控制排气调节阀21的开度，实现控制排气压力，使排气压力始终处于稳定，从而可调压力范围20KPa至标准大气压。

作为一个可选的实施例，所述氢燃料电堆的氢供气口管路通过高压氢气常闭电磁阀24连接到高压氢气瓶27，所述低气压箱上的高压氮气口经管路并通过高压氮气常开电磁阀23连接至高压氮气瓶26。

作为一个可选的实施例，所述低气压箱18上近排气侧的箱壁上近顶部预留泄压孔，该泄压孔安装有快排安全阀25。

作为一个可选的实施例，所述快排安全阀25，包括安装在支架25-1上的快排阀体25-2，快排阀体内部安装有快排阀阀杆25-3和阀芯弹簧25-4，阀芯弹簧套在阀杆上为快排阀阀杆提供复位力，快排阀阀杆伸出阀体的前端有快开密封板25-5，该快开密封板的前端具有橡胶密封条，安装在低气压箱上后贴紧低气压箱箱壁形成对所述泄压孔的密封，快排阀体的后端设置有快开阀气口25-6以通过电磁阀接入压缩空气将快排阀杆压紧，使快排密封板压紧在低气压箱箱壁上。

作为一个可选的实施例，在低气压箱中，靠近氢气管路和氢燃料电堆的位置安装有氢浓度传感器32，所述氢浓度传感器连接至安全控制器5，安全控制器连接继电器，所述继电器控制高压氮气常开电磁阀23、高压氢气常闭电磁阀24、控制所述低温气流进入所述压气机的入口常闭电磁阀16以及快排安全阀25的气源电磁阀。

由于试验时，需要对氢燃料电堆供氢、供氧，无人机氢燃料电池系统具有泄漏风险，非密封环境中，轻微的氢气泄漏会迅速排放到大气中，不会造成堆积，爆燃风险较低，但是在低气压箱中，氢气发生泄漏不能及时泄出，会迅速在箱顶累积，具有较大的安全风险，为了避免试验中出现爆燃事故，该试验装置具备独立的安全控制回路，确保氢气泄漏的实时监测和氢气的快速泄出。

其中，所述安全控制回路由独立运行的安全控制器组成，其中，安全控制器由电池供电，停电或出现意外断电时，安全控制器仍然独立运行，安全控制器直采集低气压箱中的氢气浓度，一但检测氢气泄漏，安全控制器通过继电器切断氢气供给、切断供气回路，控制打开高压氮气的阀门，将低气压箱内部充入氮气，使得低气压箱内压力迅速升高，同时控制快排安全阀启动，压力平衡时快排安全阀的阀板脱落，实现低气压箱内残余氢气会快速排出，达到安全控制的目的，确保安全。

作为一个可选的实施例，本发明实施例中，试验的压力控制、温度控制、液氮/液氧汽化控制具备独立的PID控制器，可独立运行，也可以是由综合控制器1统一设置运行。所述的液氮/氧汽化控制器2，气体温度控制器3，气体压力控制器4通过RS485总线连接至综合控制器1，综合控制器1实现汇总数据、显示数据和下发数据的功能

作为一个可选的实施例，本发明实施例中的水浴汽化器可以在液氮/液氮汽化过程中，通过控制水浴水位粗调出气口温度，以有效降低了空气加热器的额定功率，从而达到降本增效的目的。

本发明的实施例的第二方面，提供一种无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验方法，采用本发明第一方面所述无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置对无人机氢燃料电池系统进行试验，采用以下步骤：

将无人机氢燃料电池系统安装在低气压箱18，将压气机进气口连接至进气管路，氢燃料电堆出气口连接至排气管路，将高压氢气连接至电堆，将氢浓度传感器32布置在靠近氢气管路和氢燃料电堆的位置；

使用安全控制器5控制气源电磁阀开启，将快排安全阀25充入高压气体，推动快排阀阀杆25-3动作，将快开密封板25-5推紧，完成密封，使用安全控制器5控制高压氮气常开电磁阀23关闭；

控制低气压箱18进行降压及降温，将环境压力和温度控制到试验压力和温度；

由综合控制器1下达指令至液氮/氧汽化控制器2，设置气量（质量流量g/s），由液氮/氧汽化控制器2中的PID控制器、液氮质量流量计6，液氧质量流量计7和液氮调节阀8,液氧调节阀9组成液氮、液氧输出循环系统，输出定量的液氮和液氧分别进入液氮水浴汽化器、液氧水浴汽化器；

打开水浴供水泵通过水浴供水口10-2为液氮水浴汽化器、液氧水浴汽化器供水，打开水浴变频回水泵10-3，通过水浴汽化控制器10-1设定指定水位，水浴汽化控制器10-1根据磁致伸缩液位计10-9的信号闭环控制水浴变频回水泵10-3的回水量，稳定控制水浴水位；

液氮/液氧经过汽化后进入氮-氧混合器，氮-氧混合器中具有氮-氧混合器温度传感器11-1，根据温度传感器的示值手动调整液氮水浴汽化器、液氧水浴汽化器的水位，调试氮-氧混合器内气体温度低于试验温度10℃左右。此时由于系统没有运行，入口常闭电磁阀16处于关闭状态，低温氮氧混合气通过氮-氧混合器安全阀11-2排入大气；

开启入口常闭电磁阀16，将进气调压阀13阀门开度调节至最大，将排气调节阀21开度调节至最大，打开燃料电池系统的压气机，形成完整气路；

由综合控制器1下达指令至气体温度控制器3，气体温度控制器3根据入口温度传感器17对空气加热器12进行闭环调节，将氮氧混合气温度升温至试验温度；

气流温度稳定后，由综合控制器1下达指令至气体压力控制器4，气体压力控制器4根据入口总压传感器15的测量值，闭环调节进气调压阀13的开度，控制进气稳压罐14的压力达到试验压力。入口压力调节的同时，由综合控制器1下达指令至气体压力控制器4，气体压力控制器4根据出口压力传感器20的测量值，闭环调节排气调节阀21的开度，控制排气稳压罐19的压力达到试验压力；

试验装置的环境压力、环境温度、入口压力、入口温度、出口压力都稳定后，由安全控制器5输出指令打开高压氢气常闭电磁阀24为氢燃料电堆提供氢气。所有状态稳定后，开始进行氢燃料电池的电性能测试。

氢浓度传感器32实时监测氢气浓度，一但氢浓度超过阈值，安全控制器5会通过继电器控制动力电源接触器完成动力电源切断、入口常闭电磁阀16关闭、高压氢气常闭电磁阀24关闭、打开快开阀气口25-6排气、高压氮气常开电磁阀23打开；

高压氮气常开电磁阀23打开后，迅速向低气压箱18充入氮气，低气压箱内气压迅速恢复至常压。快开阀气口25-6完成排气，快排阀阀杆25-3受到阀芯弹簧25-4的作用开始动作，使快排阀阀杆25-3与快开密封板25-5分离，低气压箱18压力恢复后，快开密封板25-5迅速掉落，使低气压箱18与大气联通，低气压箱18内氢气迅速从开口处排除，达到安全防护的效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置，其特征在于，包括用于在内部放置无人机氢燃料电池系统的低气压箱，无人机氢燃料电池系统由压气机以及氢燃料电堆组成，该低气压箱提供-40℃至150℃的温度，压力范围10kPa至标准大气压的大气环境；该低气压箱的箱壁上开孔以连接管路，压气机入口处管路引入能为压气机入口提供温度为-60℃至50℃、压力为20Kpa至标准大气压力、质量流量大于50g/s的用于模拟高空飞行时压气机的吸气状态的低温气流，氢燃料电堆出口处管路提供压力为20Kpa至标准大气压力、排气流量大于50g/s的用于模拟高空飞行的实际排气环境的稳定排气环境；所述低温气流是由液氮以及液氧按空气比例各自水浴汽化形成的气体充分混合并加热到预定温度后稳压输出的气流，所述氢燃料电堆的氢供气口连接高压氢气源。

2.根据权利要求1所述无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置，其特征在于，形成所述低温气流的装置包括有自增压液氮罐、自增压液氧罐；

所述自增压液氮罐连接至液氮质量流量计,液氮质量流量计连接至液氮调节阀，液氮调节阀连接至液氮水浴汽化器；

所述自增压液氧罐连接至液氧质量流量计,液氧质量流量计连接至液氧调节阀，液氧调节阀连接至液氧水浴汽化器；

所述液氮水浴汽化器、液氧水浴汽化器连接至氮-氧混合器，氮-氧混合器连接到空气加热器，空气加热器连接至进气调压阀，进气调压阀连接至进气稳压罐，在进气稳压罐上装有入口总压传感器；氮-氧混合器具有氮-氧混合器温度传感器以及氮-氧混合器安全阀；

所述进气稳压罐由管路通至低气压箱内部与燃料电池系统的压气机进气口连接，管路上装有入口常闭电磁阀和入口温度传感器。

3.根据权利要求2所述无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置，其特征在于，所述液氮水浴汽化器与液氧水浴汽化器结构一致，具有壳体，壳体中设置有浮子以及螺旋状缠绕围在浮子外侧的换热铜管，换热铜管底部入口与液氮调节阀/液氧调节阀连接通入液氮/液氧，顶部出口与氮-氧混合器连接，排出低温气体；壳体上的供水口连接水浴供水泵；装在浮子上的浮动水管自水浴汽化器顶盖向上伸出与水浴变频回水泵连接，浮子由导向杆与水浴汽化器顶盖连接，磁致伸缩液位计固定在水浴汽化器顶盖上，磁致伸缩液位计的磁环固定在浮子上，磁致伸缩液位计的信号连接至水浴汽化控制器，水浴汽化控制器与水浴变频回水泵连接，控制水浴变频回水泵的抽水量，形成液位PID控制。

4.根据权利要求3所述无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置，其特征在于，所述氢燃料电堆的出口通过管路连接至排气稳压罐的入口，所述排气稳压罐上安装有出口压力传感器，所述排气稳压罐的排气口由三通管路连接大流量水环真空泵和排气调节阀。

5.根据权利要求4所述无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置，其特征在于，所述氢燃料电堆的氢供气口管路通过高压氢气常闭电磁阀连接到高压氢气瓶，所述低气压箱上的高压氮气口经管路并通过高压氮气常开电磁阀连接至高压氮气瓶。

6.根据权利要求5所述无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置，其特征在于，所述低气压箱上近排气侧的箱壁上近顶部预留泄压孔，该泄压孔安装有快排安全阀。

7.根据权利要求6所述无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置，其特征在于，所述快排安全阀包括安装在支架上的阀体，阀体内部安装有阀杆和阀芯弹簧，阀芯弹簧套在阀杆上为阀杆提供复位力，阀杆伸出阀体的前端有密封板，该密封板的前端具有橡胶密封条，安装在低气压箱上后贴紧低气压箱箱壁形成对所述泄压孔的密封，阀体的后端设置有快开阀气口以通过电磁阀接入压缩空气将阀杆压紧，使密封板压紧在低气压箱箱壁上。

8.根据权利要求7所述无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置，其特征在于，在低气压箱中靠近氢气管路和氢燃料电堆的位置安装有氢浓度传感器，所述氢浓度传感器连接至安全控制器，安全控制器连接继电器，所述继电器控制高压氮气常开电磁阀、氢气常闭电磁阀、控制所述低温气流进入所述压气机的入口常闭电磁阀以及快开安全阀的气源电磁阀。

9.一种无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验方法，其特征在于，采用权利要求8所述无人机氢燃料电池系统的低温低气压性能试验装置对无人机氢燃料电池系统进行试验，采用以下步骤：

将无人机氢燃料电池系统安装在低气压箱中，将压气机进气口连接至进气管路，氢燃料电堆出气口连接至排气管路，将高压氢气连接至氢燃料电堆，并在低气压箱中靠近氢气管路和氢燃料电堆的位置安装氢浓度传感器；

使用安全控制器控制气源电磁阀开启，将快排安全阀充入高压气体，推动快排阀阀杆动作，将快开密封板推紧，完成密封；使用安全控制器控制高压氮气常开电磁阀关闭；

控制低气压箱进行降压及降温，将环境压力和温度控制到试验压力和温度；

由综合控制器下达指令至液氮/氧气化控制器，设置气量，由液氮/氧气化控制器中的PID控制器、液氧质量流量计、液氮质量流量计和液氧调节阀、液氮调节阀组成液氮、液氧输出循环系统，输出定量的液氮和液氧进入液氧水浴汽化器、液氮水浴汽化器；

打开水浴供水泵为液氧/液氮水浴汽化器供水，打开水浴变频回水泵，通过水浴汽化控制器设定指定水位，水浴汽化控制器根据磁致伸缩液位计的信号闭环控制变频回水泵的回水量，稳定控制水浴水位；

液氮/液氧经过汽化后进入氮-氧混合器，氮-氧混合器中具有氮-氧混合器温度传感器，根据氮-氧混合器温度传感器的示值调整液氧/液氮水浴汽化器的水位，调试氮-氧混合器内气体温度低于试验温度10℃左右，此时由于系统没有运行，入口常闭电磁阀处于关闭状态，低温氮氧混合气通过氮-氧混合器安全阀排入大气；

开启入口常闭电磁阀，将进气调压阀阀门开度调节至最大，将排气调节阀开度调节至最大，打开氢燃料电池系统的压气机，形成完整气路；

由综合控制器下达指令至气体温度控制器，气体温度控制器根据入口温度传感器对空气加热器进行闭环调节，将氮氧混合气温度升温至试验温度；

气流温度稳定后，由综合控制器下达指令至气体压力控制器，气体压力控制器根据入口总压传感器的测量值，闭环调节进气调压阀的开度，控制进气稳压罐的压力达到试验压力；入口压力调节的同时，由综合控制器下达指令至气体压力控制器，气体压力控制器根据出口压力传感器的测量值，闭环调节排气调节阀的开度，控制排气稳压罐的压力达到试验压力；

试验装置的环境压力、环境温度、入口压力、入口温度、出口压力都稳定后，由安全控制器输出指令打开高压氢气常闭电磁阀为氢燃料电堆提供氢气；所有状态稳定后，开始进行氢燃料电池电性能测试；

氢浓度传感器实时监测氢气浓度，一旦氢浓度超过阈值，安全控制器通过继电器完成动力电源切断、入口常闭电磁阀关闭、高压氢气常闭电磁阀关闭、快开阀气口排气、高压氮气常开电磁阀打开；

高压氮气常开电磁阀打开后，迅速向低气压箱充入氮气，低气压箱内气压迅速恢复至常压；快开阀气口完成排气，快排安全阀的阀杆受到阀芯弹簧的作用开始动作，使快排安全阀的阀杆与快排安全阀的密封板分离，低气压箱压力恢复后，快排安全阀的密封板迅速掉落，使低气压箱与大气联通，低气压箱内氢气迅速从开口处排除，达到安全防护的效果。

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