CN115458784B - 一种适用于高空无人机的燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

一种适用于高空无人机的燃料电池系统及其控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115458784B
CN115458784B CN202211410095.5A CN202211410095A CN115458784B CN 115458784 B CN115458784 B CN 115458784B CN 202211410095 A CN202211410095 A CN 202211410095A CN 115458784 B CN115458784 B CN 115458784B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
gas
oxygen
electromagnetic
air
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.)
Active
Application number
CN202211410095.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115458784A (zh
Inventor
陈震
胡传宇
徐国富
李瀚�
张兴宁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui Yunyi Aviation Technology Co ltd
Original Assignee
Anhui Yunyi Aviation Technology Co ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anhui Yunyi Aviation Technology Co ltd filed Critical Anhui Yunyi Aviation Technology Co ltd
Priority to CN202211410095.5A priority Critical patent/CN115458784B/zh
Publication of CN115458784A publication Critical patent/CN115458784A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115458784B publication Critical patent/CN115458784B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • 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

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种适用于高空无人机的燃料电池系统及其控制方法，包括控制器、空气流道，以及设置于空气流道内部的燃料电池系统，燃料电池系统包括燃料电池电堆、气体混合室、氧发生器、储水箱、冷凝水分离器、氢气瓶和空气进口；空气进口、氧发生器均通过气体管路与气体混合室连接，气体混合室、氢气瓶均通过气体管路与燃料电池电堆连接，燃料电池电堆通过气体管路与冷凝水分离器连接，冷凝水分离器的气体出口通过气体管路与气体混合室连接，冷凝水分离器的液体出口与储水箱连接，储水箱与氧发生器连接；本发明提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的燃料电池电堆无法在高空环境下有效使用的缺陷。

Description

一种适用于高空无人机的燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池，具体涉及一种适用于高空无人机的燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
近年来，无人机技术取得快速发展。目前，普遍使用锂离子电池提供无人机所需的电能。但是，锂离子电池的能量密度较低，严重限制了无人机的续航时间。为了提升无人机的续航时间，近年来，以燃料电池供能的无人机开始引起关注。燃料电池具有较高的能量密度，能够显著提升无人机的续航时间。
目前，燃料电池无人机一般采用风冷式氢燃料电池电堆，通过环境空气供氧并对电堆进行冷却。这种电堆具有重量轻、体积小的优势，适合无人机使用。然而，在高空无人机的应用场景下，这种燃料电池受到较大限制。
高空环境下，空气中的氧气分压和温度均远低于海平面。海拔5000m时，环境温度下降至-18℃，氧气分压为10.9KPa，仅为海平面的51%；海拔10000m时，环境温度下降至-50℃，氧气分压为4.6kPa，仅为海平面的22%。
高空环境下的低温、低压条件对上述风冷式氢燃料电池电堆形成较大的应用挑战。传统的无人机燃料电池从空气中获得氧气，而在高空的低压环境下，空气稀薄，容易出现供氧不足的情况；在高空的低温环境下，外界低温空气进入风冷式氢燃料电池电堆，容易造成电堆温度过低，影响燃料电池的运行效率。
申请公布号为CN 107585316 A的发明专利使用液氧作为高空环境下的氧源，来解决高空环境中氧气稀薄的问题。但是，液氧不仅需要特殊的存储条件以及专业人员操作，而且由于高空环境温度本身就比较低，液氧气化又需要吸收大量热量，因此在高空无人机上使用这种方案可能会造成电堆温度低于适宜区间。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种适用于高空无人机的燃料电池系统及其控制方法，能够有效克服现有技术所存在的燃料电池电堆无法在高空环境下有效使用的缺陷。
（二）技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种适用于高空无人机的燃料电池系统，包括控制器、空气流道，以及设置于空气流道内部的燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池电堆、气体混合室、氧发生器、储水箱、冷凝水分离器、氢气瓶和空气进口；
所述空气进口、氧发生器均通过气体管路与气体混合室连接，所述气体混合室、氢气瓶均通过气体管路与燃料电池电堆连接，所述燃料电池电堆通过气体管路与冷凝水分离器连接，所述冷凝水分离器的气体出口通过气体管路与气体混合室连接；
所述冷凝水分离器的液体出口与储水箱连接，所述储水箱与氧发生器连接。
优选地，所述燃料电池电堆内部设有第一温度传感器和电堆功率传感器；
所述空气进口处设有第一电磁气阀、第一气体流量计、第二温度传感器和气压传感器；
所述氧发生器的出气口设有第二电磁气阀和第二气体流量计；
所述储水箱的出水口分别设有水泵、排水口；
所述氢气瓶的出气口设有第三电磁气阀；
所述冷凝水分离器的气体出口设有第四电磁气阀、排气口；
所述第一温度传感器、电堆功率传感器、第一气体流量计、第二温度传感器、气压传感器、第二气体流量计与控制器的信号输入端电性连接，所述控制器的信号输出端与第一电磁气阀、第二电磁气阀、水泵、第三电磁气阀、第四电磁气阀电性连接。
优选地，所述空气流道包括气体通道，所述气体通道的两端分别设有导流进气窗口、导流出气窗口，所述导流进气窗口与燃料电池系统之间设有风扇；
所述导流进气窗口、导流出气窗口分别设置于无人机的头部、尾部，所述导流进气窗口设有电磁开关，所述控制器通过电磁开关控制导流进气窗口的大小，所述控制器控制风扇的转速。
优选地，所述燃料电池电堆为风冷式氢燃料电池电堆，所述燃料电池电堆中的化学反应方程式：
2H2+O2=2H2O；
所述氧发生器中采用过氧化物作为氧发生剂，所述氧发生剂的体积占氧发生器容积的40%~60%，所述氧发生器中的化学反应方程式为：
2Li2O2+2H2O=4LiOH+O2，
所述氧发生器中生成的氧气与外界空气在气体混合室中混合后进入燃料电池电堆。
一种适用于高空无人机的燃料电池系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、控制器根据第一温度传感器上传的温度检测数据及预设温度范围，对导流进气窗口、风扇进行控制；
S2、控制器根据电堆功率传感器上传的实时输出功率计算平均功率需求P，并根据平均功率需求P计算标准氧气需求流量Q；
S3、控制器根据第一气体流量计、第二温度传感器和气压传感器上传的检测数据计算空气进口处的标准氧气流量Q1；
S4、控制器基于标准氧气需求流量Q与标准氧气流量Q1之间的关系判断燃料电池系统的供氧模式，并对第一电磁气阀、第二电磁气阀、水泵、第三电磁气阀、第四电磁气阀进行控制。
优选地，S2中控制器根据电堆功率传感器上传的实时输出功率计算平均功率需求P，并根据平均功率需求P计算标准氧气需求流量Q，包括：
在dt时间内，燃料的化学能以一定的效率转化为电能输出，即有：
利用气体状态方程pV=nRT计算标准氧气需求流量Q：
其中，n(O2)为参与反应的氧气物质的量，t为时间，为燃料电池系统的能量转化效率，为氢氧反应的吉布斯自由能，=-457.2kJ/mol，气体常数R=8.314J/(mol·K)，标准温度T0=273.15K，标准气压P0=101.325kPa。
优选地，S3中控制器根据第一气体流量计、第二温度传感器和气压传感器上传的检测数据计算空气进口处的标准氧气流量Q1，包括：
采集第一气体流量计、第二温度传感器、气压传感器分别上传的工况流量Q’、进气温度T和气压p；
由气体状态方程，可以得到：
其中，V’为工况下的空气体积，V为标准状态下的空气体积；
由于工况流量，因此标准空气流量Q3：
则标准氧气流量Q1=c·Q3，c为空气中的氧气占比，一般按照21%计算。
优选地，S4中控制器基于标准氧气需求流量Q与标准氧气流量Q1之间的关系判断燃料电池系统的供氧模式，并对第一电磁气阀、第二电磁气阀、水泵、第三电磁气阀、第四电磁气阀进行控制，包括：
当Q≤Q1时，外界空气提供的氧气能够满足燃料电池系统的需求，此时燃料电池系统的供氧模式为外界空气供氧模式，外界空气供氧模式适合常温、常压的应用场景，控制器控制第一电磁气阀、第三电磁气阀、第四电磁气阀打开，同时控制第二电磁气阀、水泵关闭，氧发生器不工作；
当Q>Q1>0时，外界空气提供的氧气不能满足燃料电池系统的需求，此时燃料电池系统的供氧模式为混合供氧模式，混合供氧模式适合外界气温或气压较低的应用场景，控制器控制第一电磁气阀、第二电磁气阀、水泵、第三电磁气阀、第四电磁气阀打开，氧发生器工作；
当Q1=0时，燃料电池系统所需的氧气完全由氧发生器提供，此时燃料电池系统的供氧模式为内部供氧模式，燃料电池系统处于封闭状态，与外界没有气体交换，内部供氧模式适合需要封闭体系的应用场景，控制器控制第二电磁气阀、水泵、第三电磁气阀打开，同时控制第一电磁气阀、第四电磁气阀关闭，氧发生器工作。
优选地，当Q>Q1时，控制器计算需要水泵提供的水流量Q4，并对水泵进行控制，包括：
由氧发生器中的化学反应方程式2Li2O2+2H2O=4LiOH+O2可知：n(H2O)=2n(O2)；
利用气体状态方程n(O2)RT0=p0V计算氧发生器需要提供的氧气流量Q2：
而水的体积 ，其中，M为水的分子量M=18.02g/mol，为水的密度=1g/cm3；
则需要水泵提供的水流量Q4：
其中，为常数。
优选地，所述控制器计算标准氢气需求流量Q5，并对第三电磁气阀进行控制，包括：
由燃料电池电堆中的化学反应方程式2H2+O2=2H2O可知：n(H2)=2n(O2)；
基于气体状态方程可知标准氢气需求流量Q5同样为标准氧气需求流量Q的2倍，即Q5=2Q。
（三）有益效果
与现有技术相比，本发明所提供的一种适用于高空无人机的燃料电池系统及其控制方法，具有以下有益效果：
1）相比使用锂离子电池作为动力系统的无人机，本发明使用氢燃料电池，具有能量密度高、续航时间久的优点；
2）相比使用普通的氢燃料电池作为动力系统的无人机，本发明使用过氧化物作为氧发生剂，通过回收燃料电池电堆中生成的水，并将回收的水与过氧化物进行反应产生氧气，消除了高空环境下氧气稀薄、环境温度低对燃料电池运行造成的不利影响；
3）通过本发明的控制方法，系统能够控制空气流道的状态以将燃料电池电堆温度控制在预设温度范围内，并控制氧发生器的工作状态以维持氧气供给充足，系统具有外界空气供氧、混合供氧、内部供氧三种供氧模式，既能适应常温、常压的低空环境，又能适应低温、低压的高空环境，环境适应性非常好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 为本发明的结构示意图；
图2 为本发明中空气流道的结构示意图；
图3 为本发明中控制器对燃料电池电堆进行散热的流程示意图；
图4 为本发明中控制器判断燃料电池系统的供氧模式的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
一种适用于高空无人机的燃料电池系统，如图1所示（图中“ ”表示水传输线路，“”表示气体传输线路，“”表示信号传输线路），包括控制器1、空气流道，以及设置于空气流道内部的燃料电池系统2，燃料电池系统2包括燃料电池电堆21、气体混合室23、氧发生器24、储水箱25、冷凝水分离器26、氢气瓶27和空气进口28；
空气进口28、氧发生器24均通过气体管路与气体混合室23连接，气体混合室23、氢气瓶27均通过气体管路与燃料电池电堆21连接，燃料电池电堆21通过气体管路与冷凝水分离器26连接，冷凝水分离器26的气体出口通过气体管路与气体混合室23连接；
冷凝水分离器26的液体出口与储水箱25连接，储水箱25与氧发生器24连接。
燃料电池电堆21内部设有第一温度传感器212和电堆功率传感器211；
空气进口28处设有第一电磁气阀281、第一气体流量计282、第二温度传感器283和气压传感器284；
氧发生器24的出气口设有第二电磁气阀241和第二气体流量计242；
储水箱25的出水口分别设有水泵251、排水口252；
氢气瓶27的出气口设有第三电磁气阀271；
冷凝水分离器26的气体出口设有第四电磁气阀261、排气口262。
第一温度传感器212、电堆功率传感器211、第一气体流量计282、第二温度传感器283、气压传感器284、第二气体流量计242与控制器1的信号输入端电性连接；控制器1的信号输出端与第一电磁气阀281、第二电磁气阀241、水泵251、第三电磁气阀271、第四电磁气阀261电性连接。
如图2所示，空气流道包括气体通道31，气体通道31的两端分别设有导流进气窗口33、导流出气窗口34，导流进气窗口33与燃料电池系统2之间设有风扇35，外界空气通过气体通道31到达燃料电池电堆21的阴极板，同时起到供氧和散热的作用。
导流进气窗口33、导流出气窗口34分别设置于无人机的头部、尾部，导流进气窗口33设有电磁开关，控制器1通过电磁开关控制导流进气窗口33的大小，控制器1控制风扇35的转速。
燃料电池电堆21为风冷式氢燃料电池电堆，燃料电池电堆21的额定输出功率为1000w，燃料电池电堆21中的化学反应方程式：
2H2+O2=2H2O，
燃料电池电堆21排出气体中的水分在冷凝水分离器26中冷凝并分离，冷凝水进入储水箱25。储水箱25设置水位上限，当储水量达到上限时，多余水体通过排水口252排出，储水箱25中的水体通过水泵251进入氧发生器24，与氧发生器24中的过氧化锂反应生成氧气，水泵251的流速受控制器1控制。
氧发生器24中采用过氧化物作为氧发生剂（包括但不限于过氧化锂、过氧化钠、过氧化钙等，本申请中选用分子量最小的过氧化锂作为氧发生剂），氧发生器24的体积为2L，过氧化锂的体积占氧发生器24容积的50%，质量为1.206kg，氧发生器24中的化学反应方程式为：
2Li2O2+2H2O=4LiOH+O2，
能够产生的氧气量为1206g/45.88g/mol*0.5=13.14mol，氧发生器24中生成的氧气与外界空气在气体混合室23中混合后进入燃料电池电堆21。
氢气瓶27为碳纤维轻量化氢气瓶，重量为3.2kg，体积为12L，氢气压强为35Mpa。
一种适用于高空无人机的燃料电池系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、控制器1根据第一温度传感器212上传的温度检测数据及预设温度范围，对导流进气窗口33、风扇35进行控制；
S2、控制器1根据电堆功率传感器211上传的实时输出功率计算平均功率需求P，并根据平均功率需求P计算标准氧气需求流量Q；
S3、控制器1根据第一气体流量计282、第二温度传感器283和气压传感器284上传的检测数据计算空气进口28处的标准氧气流量Q1；
S4、控制器1基于标准氧气需求流量Q与标准氧气流量Q1之间的关系判断燃料电池系统2的供氧模式，并对第一电磁气阀281、第二电磁气阀241、水泵251、第三电磁气阀271、第四电磁气阀261进行控制。
如图3所示，控制器1根据第一温度传感器212上传的温度检测数据及预设温度范围，对导流进气窗口33、风扇35进行控制，包括：
设置在燃料电池电堆21阴极的第一温度传感器212向控制器1上传温度检测数据T，控制器1内部设置有低温阈值T1、高温阈值T2，T1＜T2（风冷式氢燃料电池电堆最适宜的工作温度为80℃，因此低温阈值T1设置为75℃，高温阈值T2设置为85℃）；
当温度检测数据T小于低温阈值T1时，控制器1通过电磁开关减小导流进气窗口33的大小，减小风扇35的转速，此时空气进气流量减小；
当温度检测数据T大于高温阈值T2时，控制器1通过电磁开关增大导流进气窗口33的大小，增加风扇35的转速，此时空气进气流量增大；
当T1≤T≤T2时，保持导流进气窗口33的大小与风扇35的转速不变，此时空气进气流量不变。
如图4所示，控制器1根据电堆功率传感器211上传的实时输出功率计算平均功率需求P，并根据平均功率需求P计算标准氧气需求流量Q，包括：
在dt时间内，燃料的化学能以一定的效率转化为电能输出，即有：
利用气体状态方程pV=nRT计算标准氧气需求流量Q：
其中，n(O2)为参与反应的氧气物质的量，t为时间，为燃料电池系统2的能量转化效率，为氢氧反应的吉布斯自由能， =-457.2kJ/mol，气体常数R=8.314J/(mol·K)，标准温度T0=273.15K，标准气压P0=101.325kPa。
如图4所示，控制器1根据第一气体流量计282、第二温度传感器283和气压传感器284上传的检测数据计算空气进口28处的标准氧气流量Q1，包括：
采集第一气体流量计282、第二温度传感器283、气压传感器284分别上传的工况流量Q’、进气温度T和气压p；
由气体状态方程，可以得到：
其中，V’为工况下的空气体积，V为标准状态下的空气体积；
由于工况流量，因此标准空气流量Q3：
则标准氧气流量Q1=c·Q3，c为空气中的氧气占比，一般按照21%计算。
如图4所示，控制器1基于标准氧气需求流量Q与标准氧气流量Q1之间的关系判断燃料电池系统2的供氧模式，并对第一电磁气阀281、第二电磁气阀241、水泵251、第三电磁气阀271、第四电磁气阀261进行控制，包括：
当Q≤Q1时，外界空气提供的氧气能够满足燃料电池系统2的需求（与普通的风冷燃料电池系统的工作状态没有区别），此时燃料电池系统2的供氧模式为外界空气供氧模式，外界空气供氧模式适合常温、常压的应用场景，控制器1控制第一电磁气阀281、第三电磁气阀271、第四电磁气阀261打开，同时控制第二电磁气阀241、水泵251关闭，氧发生器24不工作；
当Q>Q1>0时，外界空气提供的氧气不能满足燃料电池系统2的需求，此时燃料电池系统2的供氧模式为混合供氧模式，混合供氧模式适合外界气温或气压较低的应用场景，控制器1控制第一电磁气阀281、第二电磁气阀241、水泵251、第三电磁气阀271、第四电磁气阀261打开，氧发生器24工作；
当Q1=0时，燃料电池系统2所需的氧气完全由氧发生器24提供，此时燃料电池系统2的供氧模式为内部供氧模式，燃料电池系统2处于封闭状态，与外界没有气体交换，内部供氧模式适合需要封闭体系（如高空、高寒、深潜等）的应用场景，控制器1控制第二电磁气阀241、水泵251、第三电磁气阀271打开，同时控制第一电磁气阀281、第四电磁气阀261关闭，氧发生器24工作。
内部供氧模式一般在低温或低压的环境条件下使用，此时导流进气窗口33完全关闭，空气进气流量为0。在内部供氧模式的工作状态下，氧发生器24产生的氧气进入燃料电池电堆21中反应生成水，燃料电池电堆21排出气体中的水分在冷凝水分离器26中冷凝并分离，冷凝水进入储水箱25，再通过水泵251进入氧发生器24生成氧气，从而在内部形成循环，此时燃料电池系统2处于封闭状态，与外界没有气体交换。
1）当Q>Q1时，控制器1计算需要水泵251提供的水流量Q4，并对水泵251进行控制，包括：
由氧发生器24中的化学反应方程式2Li2O2+2H2O=4LiOH+O2可知：n(H2O)=2n(O2)；
利用气体状态方程n(O2)RT0=p0V计算氧发生器24需要提供的氧气流量Q2：
而水的体积，其中，M为水的分子量M=18.02g/mol，为水的密度=1g/cm3；
则需要水泵251提供的水流量Q4：
其中，为常数。
2）控制器1计算标准氢气需求流量Q5，并对第三电磁气阀271进行控制，包括：
由燃料电池电堆21中的化学反应方程式2H2+O2=2H2O可知：n(H2)=2n(O2)；
基于气体状态方程可知标准氢气需求流量Q5同样为标准氧气需求流量Q的2倍，即Q5=2Q。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种适用于高空无人机的燃料电池系统，其特征在于：包括控制器（1）、空气流道，以及设置于空气流道内部的燃料电池系统（2），所述燃料电池系统（2）包括燃料电池电堆（21）、气体混合室（23）、氧发生器（24）、储水箱（25）、冷凝水分离器（26）、氢气瓶（27）和空气进口（28）；
所述空气进口（28）、氧发生器（24）均通过气体管路与气体混合室（23）连接，所述气体混合室（23）、氢气瓶（27）均通过气体管路与燃料电池电堆（21）连接，所述燃料电池电堆（21）通过气体管路与冷凝水分离器（26）连接，所述冷凝水分离器（26）的气体出口通过气体管路与气体混合室（23）连接；
所述冷凝水分离器（26）的液体出口与储水箱（25）连接，所述储水箱（25）与氧发生器（24）连接；
所述燃料电池电堆（21）为风冷式氢燃料电池电堆，所述燃料电池电堆（21）中的化学反应方程式：
2H2+O2=2H2O；
所述氧发生器（24）中采用过氧化物作为氧发生剂，所述氧发生剂的体积占氧发生器（24）容积的40%~60%，所述氧发生器（24）中的化学反应方程式为：
2Li2O2+2H2O=4LiOH+O2，
所述氧发生器（24）中生成的氧气与外界空气在气体混合室（23）中混合后进入燃料电池电堆（21）。
2.根据权利要求1所述的适用于高空无人机的燃料电池系统，其特征在于：所述燃料电池电堆（21）内部设有第一温度传感器（212）和电堆功率传感器（211）；
所述空气进口（28）处设有第一电磁气阀（281）、第一气体流量计（282）、第二温度传感器（283）和气压传感器（284）；
所述氧发生器（24）的出气口设有第二电磁气阀（241）和第二气体流量计（242）；
所述储水箱（25）的出水口分别设有水泵（251）、排水口（252）；
所述氢气瓶（27）的出气口设有第三电磁气阀（271）；
所述冷凝水分离器（26）的气体出口设有第四电磁气阀（261）、排气口（262）；
所述第一温度传感器（212）、电堆功率传感器（211）、第一气体流量计（282）、第二温度传感器（283）、气压传感器（284）、第二气体流量计（242）与控制器（1）的信号输入端电性连接，所述控制器（1）的信号输出端与第一电磁气阀（281）、第二电磁气阀（241）、水泵（251）、第三电磁气阀（271）、第四电磁气阀（261）电性连接。
3.根据权利要求2所述的适用于高空无人机的燃料电池系统，其特征在于：所述空气流道包括气体通道（31），所述气体通道（31）的两端分别设有导流进气窗口（33）、导流出气窗口（34），所述导流进气窗口（33）与燃料电池系统（2）之间设有风扇（35）；
所述导流进气窗口（33）、导流出气窗口（34）分别设置于无人机的头部、尾部，所述导流进气窗口（33）设有电磁开关，所述控制器（1）通过电磁开关控制导流进气窗口（33）的大小，所述控制器（1）控制风扇（35）的转速。
4.一种基于权利要求3所述的适用于高空无人机的燃料电池系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、控制器（1）根据第一温度传感器（212）上传的温度检测数据及预设温度范围，对导流进气窗口（33）、风扇（35）进行控制；
S2、控制器（1）根据电堆功率传感器（211）上传的实时输出功率计算平均功率需求P，并根据平均功率需求P计算标准氧气需求流量Q；
S3、控制器（1）根据第一气体流量计（282）、第二温度传感器（283）和气压传感器（284）上传的检测数据计算空气进口（28）处的标准氧气流量Q1；
S4、控制器（1）基于标准氧气需求流量Q与标准氧气流量Q1之间的关系判断燃料电池系统（2）的供氧模式，并对第一电磁气阀（281）、第二电磁气阀（241）、水泵（251）、第三电磁气阀（271）、第四电磁气阀（261）进行控制。
5.根据权利要求4所述的适用于高空无人机的燃料电池系统的控制方法，其特征在于：S2中控制器（1）根据电堆功率传感器（211）上传的实时输出功率计算平均功率需求P，并根据平均功率需求P计算标准氧气需求流量Q，包括：
在dt时间内，燃料的化学能以一定的效率转化为电能输出，即有：
利用气体状态方程pV=nRT计算标准氧气需求流量Q：
其中，n(O2)为参与反应的氧气物质的量，t为时间，为燃料电池系统（2）的能量转化效率，为氢氧反应的吉布斯自由能，=-457.2kJ/mol，气体常数R=8.314J/(mol·K)，标准温度T0=273.15K，标准气压P0=101.325kPa。
6.根据权利要求5所述的适用于高空无人机的燃料电池系统的控制方法，其特征在于：S3中控制器（1）根据第一气体流量计（282）、第二温度传感器（283）和气压传感器（284）上传的检测数据计算空气进口（28）处的标准氧气流量Q1，包括：
采集第一气体流量计（282）、第二温度传感器（283）、气压传感器（284）分别上传的工况流量Q’、进气温度T和气压p；
由气体状态方程，可以得到：
其中，V’为工况下的空气体积，V为标准状态下的空气体积；
由于工况流量，因此标准空气流量Q3：
则标准氧气流量Q1=c·Q3，c为空气中的氧气占比，按照21%计算。
7.根据权利要求6所述的适用于高空无人机的燃料电池系统的控制方法，其特征在于：S4中控制器（1）基于标准氧气需求流量Q与标准氧气流量Q1之间的关系判断燃料电池系统（2）的供氧模式，并对第一电磁气阀（281）、第二电磁气阀（241）、水泵（251）、第三电磁气阀（271）、第四电磁气阀（261）进行控制，包括：
当Q≤Q1时，外界空气提供的氧气能够满足燃料电池系统（2）的需求，此时燃料电池系统（2）的供氧模式为外界空气供氧模式，外界空气供氧模式适合常温、常压的应用场景，控制器（1）控制第一电磁气阀（281）、第三电磁气阀（271）、第四电磁气阀（261）打开，同时控制第二电磁气阀（241）、水泵（251）关闭，氧发生器（24）不工作；
当Q>Q1>0时，外界空气提供的氧气不能满足燃料电池系统（2）的需求，此时燃料电池系统（2）的供氧模式为混合供氧模式，混合供氧模式适合外界气温或气压较低的应用场景，控制器（1）控制第一电磁气阀（281）、第二电磁气阀（241）、水泵（251）、第三电磁气阀（271）、第四电磁气阀（261）打开，氧发生器（24）工作；
当Q1=0时，燃料电池系统（2）所需的氧气完全由氧发生器（24）提供，此时燃料电池系统（2）的供氧模式为内部供氧模式，燃料电池系统（2）处于封闭状态，与外界没有气体交换，内部供氧模式适合需要封闭体系的应用场景，控制器（1）控制第二电磁气阀（241）、水泵（251）、第三电磁气阀（271）打开，同时控制第一电磁气阀（281）、第四电磁气阀（261）关闭，氧发生器（24）工作。
8.根据权利要求7所述的适用于高空无人机的燃料电池系统的控制方法，其特征在于：当Q>Q1时，控制器（1）计算需要水泵（251）提供的水流量Q4，并对水泵（251）进行控制，包括：
由氧发生器（24）中的化学反应方程式2Li2O2+2H2O=4LiOH+O2可知：n(H2O)=2n(O2)；
利用气体状态方程n(O2)RT0=p0V计算氧发生器（24）需要提供的氧气流量Q2：
而水的体积，其中，M为水的分子量M=18.02g/mol，为水的密度=1g/cm3；
则需要水泵（251）提供的水流量Q4：
其中，为常数。
9.根据权利要求7所述的适用于高空无人机的燃料电池系统的控制方法，其特征在于：所述控制器（1）计算标准氢气需求流量Q5，并对第三电磁气阀（271）进行控制，包括：
由燃料电池电堆（21）中的化学反应方程式2H2+O2=2H2O可知：n(H2)=2n(O2)；
基于气体状态方程可知标准氢气需求流量Q5同样为标准氧气需求流量Q的2倍，即Q5=2Q。
CN202211410095.5A 2022-11-11 2022-11-11 一种适用于高空无人机的燃料电池系统及其控制方法 Active CN115458784B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211410095.5A CN115458784B (zh) 2022-11-11 2022-11-11 一种适用于高空无人机的燃料电池系统及其控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211410095.5A CN115458784B (zh) 2022-11-11 2022-11-11 一种适用于高空无人机的燃料电池系统及其控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115458784A CN115458784A (zh) 2022-12-09
CN115458784B true CN115458784B (zh) 2023-04-07

Family

ID=84295700

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211410095.5A Active CN115458784B (zh) 2022-11-11 2022-11-11 一种适用于高空无人机的燃料电池系统及其控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115458784B (zh)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10308230A (ja) * 1997-05-02 1998-11-17 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 燃料電池発電装置
WO2006104246A1 (ja) * 2005-03-29 2006-10-05 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 燃料電池システム
CN106628114B (zh) * 2016-10-10 2020-06-09 北京航空航天大学 一种一体化无人机机翼
CN108539226B (zh) * 2018-03-29 2020-09-08 中国科学院理化技术研究所 一种用于水下长时间发电的燃料电池系统
CN112768725B (zh) * 2021-01-22 2023-08-22 浙江氢航科技有限公司 一种燃料电池无人机及氢动力装备温控的方法及装置
CN217444443U (zh) * 2022-04-25 2022-09-16 盛世盈创氢能科技(陕西)有限公司 一种适用于高原无人机的氢燃料电池系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN115458784A (zh) 2022-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7132662B2 (ja) 燃料電池システム、及びそのシャットダウン時と起動時にパージ及び排水を行う方法
CN113629277B (zh) 一种燃料电池系统及其停机吹扫方法
CN109411784A (zh) 一种商用车燃料电池发动机供气系统
JP3722019B2 (ja) 燃料電池システム
CN100463278C (zh) 一种高效的车、船用质子交换膜燃料电池系统及流程
CN104134810B (zh) 一种燃料流量及压力可控的燃料电池电源系统
CN209029485U (zh) 一种商用车燃料电池发动机供气系统
CN110265691B (zh) 一种适用于燃料电池的可控水解释氢用供氢一体化系统
CN207800760U (zh) 一种质子交换膜燃料电池测控系统
CN107565148A (zh) 一种燃料电池水淹检测及故障排除系统及其工作方法
CN112599818A (zh) 一种质子燃料电池水管理系统
CN105914386A (zh) 一种在线供氢风冷燃料电池系统
CN106099143A (zh) 一种缓解电池水淹的燃料电池系统
US8895199B2 (en) Fuel cell system using hydrogen from electrolyzer of sea water
KR101394677B1 (ko) 연료전지 시스템 운전 방법
CN204029931U (zh) 一种高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源系统
CN115458784B (zh) 一种适用于高空无人机的燃料电池系统及其控制方法
CN117199437A (zh) 一种提高燃料电池性能的自增湿系统
CN115763893A (zh) 一种基于氢空电堆的水下燃料电池动力系统
CN105070928B (zh) 一种燃料电池供氧系统及供氧方法
JP2006092801A (ja) 燃料電池システム
CN213692125U (zh) 燃料电池监控系统
JP2007299737A (ja) 加湿装置を燃料電池未反応ガス排出ダクトに連結した燃料電池システム
CN114388850A (zh) 一种燃料电池高效吹扫系统及其控制方法
JPH11154528A (ja) 燃料電池

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant