CN114976140A - 一种适用于高空作业的燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于高空作业的燃料电池系统，属于燃料电池技术领域，解决了现有装置应用于高空作业时能源转换效率过低的问题。该系统包括氧气分离器、空压机、调节阀、循环装置、电堆和控制器。氧气分离装置的氧气出口经空压机与调节阀的输入端一连接，其氮气出口与调节阀的输入端二连接；电堆的空气入口与调节阀的输出端连接，空气尾气出口经循环装置接其空气入口。控制器，启动后先对氧气分离装置执行加热以快速制备氧气，再启动空压机，并根据当前时刻的大气压力控制调节阀达到匹配开度，然后启动循环装置，在空气尾气压力达到设定值后，关闭调节阀的输入端二，以保证入堆气体的氧分压始终超过设定分压。该系统能够适合多种场景下的能源应用。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种适用于高空作业的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池系统是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的装置。其通常包含电堆和外围的氢气、空气、冷却设备等零部件。而电堆进一步包括质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、双极板等，由于1片的理论电压为1.23 V，其通常通过几百片并联实现大功率输出。
目前，燃料电池系统主要应用于氢能燃料电池汽车中。氢能燃料电池汽车是一种具有广阔发展应用前景的新能源汽车，具有加氢时间短、续驶里程长等诸多优点。
而燃料电池系统应用于飞机等高空场景中，由于高空空气稀薄，需要非常大的压缩比才能将空气压缩到燃料电池反应所需的压力，这将导致燃料电池的效率非常低。氧分压是燃料电池内部反应的关键参数，而空气中79%的氮气并不参与反应。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种适用于高空作业的燃料电池系统，用以解决现有装置应用于高空作业时能源转换效率过低的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种适用于高空作业的燃料电池系统，包括氧气分离装置（3）、空压机（2）、调节阀（9）、循环装置（8）、电堆（5）和控制器（10）；其中，
氧气分离装置（3）的氧气出口经空压机（2）与调节阀（9）的输入端一连接，其氮气出口与调节阀（9）的输入端二连接；电堆（5）的空气入口与调节阀（9）的输出端连接，空气尾气出口经循环装置（8）接其所述空气入口；
控制器（10），用于启动后先对氧气分离装置（3）执行加热以快速制备氧气，再启动空压机（2），并根据当前时刻的大气压力控制调节阀（9）达到匹配的开度，然后启动循环装置（8），在电堆（5）的空气尾气压力达到设定值后，关闭调节阀（9）的输入端二，以保证入堆气体的氧分压始终超过设定分压。
上述技术方案的有益效果如下：提供了一种适用于高空作业（飞机等）的燃料电池系统，即使在电堆空气侧氧气压力较低的情况下，依然可以保证较高的反应效率，例如，通常情况下，燃料电池系统空气侧的压力为200kPa，氧分压大概为42kPa，因此在高空中只需要将分离后的氧气压缩到42kPa，就可以与常规的燃料电池系统相当，能够有效降低空压机的功率。
基于上述系统的进一步改进，所述氧气分离装置（3）中的高透膜采用含钡钙钛矿氧化物材质。
进一步，所述控制器（10）进一步包括：
数据采集单元，用于获取当前时刻的大气压力、空气尾气压力，发送至数据处理与控制单元；
数据处理与控制单元，用于启动后先对氧气分离装置（3）执行加热至设定温度以快速制备氧气，再启动空压机（2），并根据当前时刻的大气压力控制调节阀（9）达到设定开度，然后启动循环装置（8），在电堆（5）的空气尾气压力达到设定值后，关闭调节阀（9）的输入端二，以保证入堆气体的氧分压始终超过设定分压。
进一步，所述数据采集单元进一步包括：
温度传感器，设于氧气分离装置（3）内部，用于获取氧气分离装置（3）内环境温度；
空气流量计（1），设于氧气分离装置（3）的入口处，用于获取获取当前时刻空气的瞬时流量；
大气压力传感器，设于电堆（5）外部，用于获取当前时刻的大气压力；
气体压力传感器（7），设于循环装置（8）的入口管道内部上，用于获取进入循环装置（8）内的空气尾气压力。
进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序：
接收到用户的启动指令后，获取当前时刻的大气压力；
控制氧气分离装置（3）执行加热，在加热过程中，实时监测氧气分离装置（3）内温度，在其达到设定温度后，通入空气以进行氧气分离；
启动空压机（2），根据当前时刻的大气压力控制调节阀（9）达到设定开度；
启动循环装置（8），监测进入循环装置（8）内的空气尾气压力，在该空气尾气压力达到设定值后，关闭调节阀（9）的输入端二，通过调节阀（9）的输入端一通入纯氧，以保证入堆气体的氧分压始终超过设定分压。
进一步，该燃料电池系统还包括密封阀（4）；其中，
所述密封阀（4）的一端悬置，另一端与氧气分离装置（3）的氮气出口连接，控制端与控制器（10）的输出端连接。
进一步，所述数据处理与控制单元还执行如下程序：
在关闭调节阀（9）的输入端二后，打开密封阀（4），以将氮气连续不断地持续送出。
进一步，该燃料电池系统还包括排水排气阀（6）；其中，
电堆（5）的空气尾气出口一路经循环装置（8）接其所述空气入口，另一路接排水排气阀（6）；
所述排水排气阀（6）的控制端与控制器（10）的输出端连接。
进一步，所述数据处理与控制单元还执行如下程序：
识别排水排气阀（6）是否打开，如果是，执行下一步，否则，关闭调节阀（9）的输入端二，以对电堆（5）补充纯氧；
控制调节阀（9）达到设定开度，以对电堆（5）补充氮氧混合气。
进一步，所述数据处理与控制单元还执行如下程序：
根据空气流量计（1）采集的预设时段内各时刻t i 空气的瞬时流量q ti ，结合电堆预设进气压力P、循环装置（8）内的空气尾气压力P 1，得出空压机（2）的转速V
V=f（A，B，P，P 1）
A=（q t1+…+q tn）/（t n -t 1）
B=（q t1-A）2+…+（q tn-A）2
式中，i=1，…，n，f（）为拟合函数；
调整空压机（2）的运行状态至上述转速。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、含钡钙钛矿氧化物表面析出的氧化钡纳米粒子对氧活化具有超高活性，该粒子也是氧交换反应的活性位点，因此可以用来制备高温透氧膜，实现对空气中氧气的高效分离，适合多种场景下的燃料电池系统应用。
2、在纯氧的环境中，氧化性太强，为了提高零部件的寿命，因此掺杂一定成分的氮气。
3、在排水排气阀打开过程中，部分氮气会排出，为了保证氧气的体积比例，在此时补充一定量的氮氧混合比例。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了实施例1适用于高空作业的燃料电池系统组成示意图；
图2示出了实施例2适用于高空作业的燃料电池系统组成示意图；
图3示出了实施例2燃料电池系统的控制原理示意图。
附图标记：
1- 空气流量计；2- 空压机；3- 氧气分离器；4- 密封阀；5- 电堆；6- 排水排气阀；7- 气体压力传感器；8-循环装置；9- 调节阀；10- 控制器。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
实施例1
本发明的一个实施例，公开了一种适用于高空作业的燃料电池系统，如图1所示，包括氧气分离装置3、空压机2、调节阀9、循环装置8、电堆5和控制器10。
其中，氧气分离装置3的氧气出口经空压机2与调节阀9的输入端一连接，其氮气出口与调节阀9的输入端二连接；电堆5的空气入口与调节阀9的输出端连接，空气尾气出口经循环装置8接其所述空气入口。
控制器10，用于启动后先对氧气分离装置3执行加热以快速制备氧气，再启动空压机2，并根据当前时刻的大气压力控制调节阀9达到匹配的开度，然后启动循环装置8，在电堆5的空气尾气压力达到设定值后，关闭调节阀9的输入端二，以保证入堆气体的氧分压始终超过设定分压。
需说明的是，该发动机还包括燃料气控制支路、冷却液控制支路，可参见专利CN202011171825.1等，均采用现有设备，无需赘述，本领域技术人员能够理解。
实施时，由于高空空气稀薄，因此现有燃料电池系统需要非常大的压缩比才能将空气压缩到燃料电池反应所需的压力，但这将导致燃料电池系统的效率非常低。对于燃料电池反应而言，氧分压是反应的关键参数，而空气中79%的氮气并不参与反应，因此通过氧气分离装置3，将大气中的氮气和氧气分离，并将氧气单独压缩，从而保证高空作业的燃料电池系统的效率处于正常水平。
与现有技术相比，本实施例提供了一种适用于高空作业（飞机等）的燃料电池系统，即使在电堆空气侧氧气压力较低的情况下，依然可以保证较高的反应效率，例如，通常情况下，燃料电池系统空气侧的压力为200kPa，氧分压大概为42kPa，因此在高空中只需要将分离后的氧气压缩到42kPa，就可以与常规的燃料电池系统相当，能够有效降低空压机的功率。
实施例2
在实施例1的基础上进行改进，所述氧气分离装置3中的高透膜采用含钡钙钛矿氧化物材质。含钡钙钛矿氧化物表面析出的氧化钡纳米粒子对氧活化具有超高活性，该粒子也是氧交换反应的活性位点，因此可以用来制备高温透氧膜，实现对空气中氧气的高效分离，适合多种场景下的燃料电池系统应用。
氧气分离装置通常为具有高温透氧膜的气体装置，高温透氧膜为新型材料制作的膜，其可以在高温环境，如含钡钙钛矿氧化物高透膜在700 ℃下，将空气分离成氧气和氮气。氧气分离装置结构参见专利CN201380039222.8、CN201920525750.9、CN202120461920.9等。
优选地，控制器10的输出端与氧气分离装置3、空压机2、调节阀9、循环装置8的控制端连接。
优选地，所述控制器10进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。
数据采集单元，用于获取当前时刻的大气压力、空气尾气压力，发送至数据处理与控制单元。
数据处理与控制单元，用于启动后先对氧气分离装置3执行加热至设定温度以快速制备氧气，再启动空压机2，并根据当前时刻的大气压力控制调节阀9达到设定开度，然后启动循环装置8，在电堆5的空气尾气压力达到设定值后，关闭调节阀9的输入端二，以保证入堆气体的氧分压始终超过设定分压。
优选地，所述数据采集单元进一步包括温度传感器、空气流量计1、大气压力传感器、气体压力传感器7。
温度传感器，设于氧气分离装置3内部，用于获取氧气分离装置3内环境温度。
空气流量计1，设于氧气分离装置3的入口处，用于获取获取当前时刻空气的瞬时流量。
大气压力传感器，设于电堆5外部，用于获取当前时刻的大气压力。
气体压力传感器7，设于循环装置8的入口管道内部上，用于获取进入循环装置8内的空气尾气压力。
优选地，所述数据处理与控制单元执行如下程序：
S1.接收到用户的启动指令后，获取当前时刻的大气压力；
S2.控制氧气分离装置3执行加热，在加热过程中，实时监测氧气分离装置3内温度，在其达到设定温度后，通入空气以进行氧气分离；
S3.启动空压机2，根据当前时刻的大气压力控制调节阀9达到设定开度；
S4.启动循环装置8，监测进入循环装置8内的空气尾气压力，在该空气尾气压力达到设定值后，关闭调节阀9的输入端二，通过调节阀9的输入端一通入纯氧，以保证入堆气体的氧分压始终超过设定分压。
控制器的控制原理如图3所示。
优选地，该燃料电池系统还包括密封阀4，如图2所示。其中，所述密封阀4的一端悬置，另一端与氧气分离装置3的氮气出口连接，控制端与控制器10的输出端连接。
优选地，所述数据处理与控制单元还执行如下程序：
S5.在关闭调节阀9的输入端二后，打开密封阀4，以将氮气连续不断地持续送出。
优选地，该燃料电池系统还包括排水排气阀6。其中，电堆5的空气尾气出口一路经循环装置8接其所述空气入口，另一路接排水排气阀6。所述排水排气阀6的控制端与控制器10的输出端连接。
优选地，所述数据处理与控制单元还执行如下程序：
S6.识别排水排气阀6是否打开，如果是，执行下一步，否则，关闭调节阀9的输入端二，以对电堆5补充纯氧；
S7.控制调节阀9达到设定开度，以对电堆5补充氮氧混合气。
优选地，该燃料电池系统还包括空气过滤器。其中，所述空气过滤器设于氧气分离装置3的入口处。
优选地，所述设定温度为600~800 ℃。
优选地，所述数据处理与控制单元还执行如下程序：
S8.根据空气流量计1采集的预设时段内各时刻t i 空气的瞬时流量q ti ，结合电堆预设进气压力P、循环装置8内的空气尾气压力P 1，得出空压机2的转速V
V=f（A，B，P，P 1）
A=（q t1+…+q tn）/（t n -t 1）
B=（q t1-A）2+…+（q tn-A）2
式中，i=1，…，n，A、B为中间变量，f（）为拟合函数，通过实验室标定获得；
S9.调整空压机2的运行状态至上述转速。
与实施例1相比，本实施例提供的装置具有如下有益效果：
1、含钡钙钛矿氧化物表面析出的氧化钡纳米粒子对氧活化具有超高活性，该粒子也是氧交换反应的活性位点，因此可以用来制备高温透氧膜，实现对空气中氧气的高效分离，适合多种场景下的燃料电池系统应用。
2、在纯氧的环境中，氧化性太强，为了提高零部件的寿命，因此掺杂一定成分的氮气。
3、在排水排气阀打开过程中，部分氮气会排出，为了保证氧气的体积比例，在此时补充一定量的氮氧混合比例。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (10)
1.一种适用于高空作业的燃料电池系统，其特征在于，包括氧气分离装置（3）、空压机（2）、调节阀（9）、循环装置（8）、电堆（5）和控制器（10）；其中，
氧气分离装置的氧气出口经空压机（2）与调节阀（9）的输入端一连接，其氮气出口与调节阀（9）的输入端二连接；电堆（5）的空气入口与调节阀（9）的输出端连接，空气尾气出口经循环装置（8）接其所述空气入口；
控制器（10），用于启动后先对氧气分离装置（3）执行加热以快速制备氧气，再启动空压机（2），并根据当前时刻的大气压力控制调节阀（9）达到匹配的开度，然后启动循环装置（8），在电堆（5）的空气尾气压力达到设定值后，关闭调节阀（9）的输入端二，以保证入堆气体的氧分压始终超过设定分压。
2.根据权利要求1所述的适用于高空作业的燃料电池系统，其特征在于，所述氧气分离装置（3）中的高透膜采用含钡钙钛矿氧化物材质。
3.根据权利要求1或2所述的适用于高空作业的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器（10）进一步包括：
数据采集单元，用于获取当前时刻的大气压力、空气尾气压力，发送至数据处理与控制单元；
数据处理与控制单元，用于启动后先对氧气分离装置（3）执行加热至设定温度以快速制备氧气，再启动空压机（2），并根据当前时刻的大气压力控制调节阀（9）达到设定开度，然后启动循环装置（8），在电堆（5）的空气尾气压力达到设定值后，关闭调节阀（9）的输入端二，以保证入堆气体的氧分压始终超过设定分压。
4.根据权利要求3所述的适用于高空作业的燃料电池系统，其特征在于，所述数据采集单元进一步包括：
温度传感器，设于氧气分离装置（3）内部，用于获取氧气分离装置（3）内环境温度；
空气流量计（1），设于氧气分离装置（3）的入口处，用于获取获取当前时刻空气的瞬时流量；
大气压力传感器，设于电堆（5）外部，用于获取当前时刻的大气压力；
气体压力传感器（7），设于循环装置（8）的入口管道内部上，用于获取进入循环装置（8）内的空气尾气压力。
5.根据权利要求4所述的适用于高空作业的燃料电池系统，其特征在于，所述数据处理与控制单元执行如下程序：
接收到用户的启动指令后，获取当前时刻的大气压力；
控制氧气分离装置（3）执行加热，在加热过程中，实时监测氧气分离装置（3）内温度，在其达到设定温度后，通入空气以进行氧气分离；
启动空压机（2），根据当前时刻的大气压力控制调节阀（9）达到设定开度；
启动循环装置（8），监测进入循环装置（8）内的空气尾气压力，在该空气尾气压力达到设定值后，关闭调节阀（9）的输入端二，通过调节阀（9）的输入端一通入纯氧，以保证入堆气体的氧分压始终超过设定分压。
6.根据权利要求5所述的适用于高空作业的燃料电池系统，其特征在于，还包括密封阀（4）；其中，
所述密封阀（4）的一端悬置，另一端与氧气分离装置（3）的氮气出口连接，控制端与控制器（10）的输出端连接。
7.根据权利要求6所述的适用于高空作业的燃料电池系统，其特征在于，所述数据处理与控制单元还执行如下程序：
在关闭调节阀（9）的输入端二后，打开密封阀（4），以将氮气连续不断地持续送出。
8.根据权利要求6或7所述的适用于高空作业的燃料电池系统，其特征在于，还包括排水排气阀（6）；其中，
电堆（5）的空气尾气出口一路经循环装置（8）接其所述空气入口，另一路接排水排气阀（6）；
所述排水排气阀（6）的控制端与控制器（10）的输出端连接。
9.根据权利要求8所述的适用于高空作业的燃料电池系统，其特征在于，所述数据处理与控制单元还执行如下程序：
识别排水排气阀（6）是否打开，如果是，执行下一步，否则，关闭调节阀（9）的输入端二，以对电堆（5）补充纯氧；
控制调节阀（9）达到设定开度，以对电堆（5）补充氮氧混合气。
10.根据权利要求5、6、7、9任意一项所述的适用于高空作业的燃料电池系统，其特征在于，所述数据处理与控制单元还执行如下程序：
根据空气流量计（1）采集的预设时段内各时刻t i 空气的瞬时流量q ti ，结合电堆（5）预设进气压力P、循环装置（8）内的空气尾气压力P 1，得出空压机（2）的转速V
V=f（A，B，P，P 1）
A=（q t1+…+q tn）/（t n -t 1）
B=（q t1-A）2+…+（q tn-A）2
式中，i=1，…，n，f（）为拟合函数；
调整空压机（2）的运行状态至上述转速。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210684735.5A CN114976140A (zh) | 2022-06-17 | 2022-06-17 | 一种适用于高空作业的燃料电池系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210684735.5A CN114976140A (zh) | 2022-06-17 | 2022-06-17 | 一种适用于高空作业的燃料电池系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114976140A true CN114976140A (zh) | 2022-08-30 |
Family
ID=82964502
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210684735.5A Pending CN114976140A (zh) | 2022-06-17 | 2022-06-17 | 一种适用于高空作业的燃料电池系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114976140A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118156559A (zh) * | 2024-05-11 | 2024-06-07 | 武汉船用电力推进装置研究所(中国船舶集团有限公司第七一二研究所) | 一种封闭空间燃料电池氮气供应装置及方法 |
-
2022
- 2022-06-17 CN CN202210684735.5A patent/CN114976140A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118156559A (zh) * | 2024-05-11 | 2024-06-07 | 武汉船用电力推进装置研究所(中国船舶集团有限公司第七一二研究所) | 一种封闭空间燃料电池氮气供应装置及方法 |
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