一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统及方法，属于航空航天器能源系统领域。所述高空无人机燃料电池模块包括燃料电池反应堆、氧气供气系统和氢气供气系统，所述热管理系统包括换热器和散热系统；所述燃料电池反应堆产生的余热一部分通过换热器对氢气和氧气加热，另一部分通过散热系统对燃料电池反应堆所处的环境空间加热；所述燃料电池反应堆为风冷燃料电池反应堆或液冷燃料电池反应堆，所述风冷燃料电池反应堆包括封闭式风冷燃料电池反应堆和开放式风冷燃料电池反应堆。

A heat management system and method for high altitude UAV fuel cell module

The invention provides a heat management system and method for a high-altitude unmanned aerial vehicle fuel cell module, which belongs to the field of the energy system of an aeronautical spacecraft. The high-altitude UAV fuel cell module includes a fuel cell reactor, oxygen and hydrogen gas supply system, gas supply system, the thermal management system comprises a heat exchanger and a cooling system; the waste heat of the fuel cell reactor part through the heat exchanger to heat the hydrogen and oxygen, another part of the cooling system of fuel cell reactor the environment of space heating; the fuel cell reactor fuel cell reactor for air-cooled or liquid cooled fuel cell reactor, the air-cooled fuel cell reactor includes a closed type air-cooled fuel cell reactor and open type air-cooled fuel cell reactor.

【技术实现步骤摘要】
一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统及方法
本专利技术属于航空航天器能源系统领域，具体涉及一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统及方法。
技术介绍
燃料电池是将化学能转化为电能的新能源发电装置，其氢气燃料来源充足且廉价、能量密度高、发电效率高、性能稳定、无安全隐患且产物无污染，被广泛应用到民用和军方产品。燃料电池作为高空无人机供电系统的辅助电源可以为其提供长时间用电需求，减轻供电系统重量。燃料电池对工作环境要求严格，在离地面5000米的高空，温度-10摄氏度，并且高度每上升1000米，温度降低6摄氏度。高空无人机供电系统中燃料电池若要在低温低压环境下稳定高效运行，需要对燃料电池模块保温，并对进入燃料电池反应堆的氢气和氧气加热，否则燃料电池工作效率和寿命严重下降，甚至不能工作。目前传统的燃料电池热管理系统研究主要致力于常温常压条件下燃料电池模块的热管理。专利号为200910073442.8的专利适用于AUV的闭式循环燃料电池系统中有完整的水热交换循环系统，但是只能保证燃料电池反应堆的环境温度和燃料电池反应堆的冷却，没有考虑低温环境下氢气和氧气加热、供电系统体积和重量，并不适用于高空无人机燃料电池供电模块的热管理系统。专利号为201510215700.7的专利提供了一种自身热管理系统及其控制办法，其中带有加热装置的水箱、冷却水循环泵、散热器和温度传感器，可以实现燃料电池反应堆的散热冷却，但此热管理系统不能满足对氧气和氢气的加热和整体环境的保温。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统及方法，由换热器、散热系统、保温外壳协调工作，合理利用自身余热，将热量集中管理，简化燃料电池热管理系统结构，为燃料电池创建一个稳定的运行环境。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，所述高空无人机燃料电池模块包括燃料电池反应堆、氧气供气系统和氢气供气系统，所述热管理系统包括换热器和散热系统；所述燃料电池反应堆产生的余热一部分通过换热器对氢气和氧气加热，另一部分通过散热系统对燃料电池反应堆所处的环境空间加热；所述燃料电池反应堆为风冷燃料电池反应堆或液冷燃料电池反应堆，所述风冷燃料电池反应堆包括封闭式风冷燃料电池反应堆和开放式风冷燃料电池反应堆。所述换热器为管壳式换热器、板式换热器或套管式换热器。对于风冷燃料电池反应堆，所述散热系统包括冷却风扇；空气流经燃料电池反应堆阴极流道参加电化学反应，从燃料电池反应堆流出，带走燃料电池反应堆余热；冷却风扇将热吹向换热器，换热器的导热材料吸收热量为氢气和空气加热，同时冷却风扇促进风冷燃料电池反应堆环境空间的热气循环。对于液冷燃料电池反应堆，所述散热系统包括散热器和设置在散热器旁的风扇；所述散热器中的冷却液从散热器流出后通过液冷燃料电池反应堆上的冷却入口进入液冷燃料电池反应堆，经过液冷燃料电池反应堆内的冷却板流道，带走液冷燃料电池反应堆产生的余热，从液冷燃料电池反应堆的冷却出口流出，然后进入换热器，在换热器内对氢气和氧气进行加热，并将氧气完全气化，然后冷却液从换热器流出，回到散热器，冷却液的热量经过散热器内的导热材料传导到散热器的冷却流道外，利用所述风扇将热量吹送到液冷燃料电池反应堆环境空间中，散热后的低温冷却液从散热器流出，进入液冷燃料电池反应堆，开始下一个循环；所述散热器采用U型管散热器或波纹板散热器；所述冷却液采用去离子水或50％乙二醇溶液。所述氢气供气系统包括氢源、电磁阀、第一减压阀、供氢电磁阀、第二减压阀和氢气循环泵；氢气通过电磁阀，再经第一减压阀减压后进入换热器，由换热器将氢气加热；加热后的氢气流出换热器后经过供氢电磁阀，再通过二次减压阀的二次减压，进入燃料电池反应堆参加电化学反应产电；未参加电化学反应的过量氢气流出燃料电池反应堆，一部分通过氢气循环泵再次进入燃料电池反应堆，另一部分经过阳极冲刷阀的定时开启，随阳极积水排出阳极出口；在所述供氢电磁阀上设置有氢气温度传感器和氢气压力传感器；所述氢气温度传感器用于检测氢气的温度，所述氢气压力传感器用于检测氢气的压力。所述氢源采用高压储氢罐、固态储氢、硼氢化钠水溶液加固态催化剂、固态硼氢化钠和催化剂混合加水、或者固态硼氢化钠加催化剂溶液。对于封闭式风冷燃料电池反应堆或液冷燃料电池反应堆，所述氧气供气系统包括液氧罐、电磁阀、液氧泵、供氧电磁阀和氧气循环泵；液氧经电磁阀由液氧泵泵出，进入换热器，由换热器将其充分气化并加热；加热后的氧气流出换热器后经过供氧电磁阀后通过燃料电池反应堆的阴极入口进入燃料电池反应堆，参加电化学反应产电；未参加电化学反应的氧气流出燃料电池反应堆，一部分通过氧气循环泵再次进入换热器，另一部分经过阴极冲刷阀的定时开启，随阴极积水排出阴极出口；在所述供氧电磁阀上设置有氧气温度传感器和氧气压力传感器；所述氧气温度传感器用于检测氧气的温度，所述氧气压力传感器用于检测氧气的压力；对于封闭式风冷燃料电池反应堆，所述氧气供气系统包括阴极过滤器和阴极风机，空气经过阴极过滤器过滤后通过阴极风机输送到燃料电池反应堆，在燃料电池反应堆内参加电化学反应；未参加电化学反应的氧气，经过阴极冲刷阀的定时开启，随阴极积水排出阴极出口；对于开放式风冷燃料电池反应堆，所述氧气供气系统为空气，由冷却风扇促进空气循环提供氧气和散热。进一步，所述用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统可以包括保温壳，其采用双层壳体结构，外层采用轻型保温材料，维持燃料电池反应堆环境温度恒定，在外层设有散热装置；内层密封，采用轻质金属材料导热并维持环境气压稳定；在无人机起飞前将内层的内部充满惰性气体；所述氢源放置在保温壳的外部；所述液氧罐放置在保温壳的外部；所述冷却风扇设置在保温壳内、风冷燃料电池反应堆的外部；所述阳极出口和阴极出口经软管连接到所述保温壳的外部；在保温壳上设有温度传感器、气压传感器和输电线路通道以及以下接口中的一种或多种：氢气入口、废氢出口、液氧入口、废氧出口、氮气入口；所述温度传感器用于检测环境温度，当温度过高，打开保温壳的散热装置释放部分热量，温度适中时，关闭保温壳的散热装置；所述压力传感器用于检测环境气压。利用所述的用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统实现的热管理方法，包括：燃料电池反应堆启动前，关闭氢气供气系统中的电磁阀、氧气供气系统中的电磁阀，对于设有保温壳的高空无人机燃料电池模块的热管理系统，打开惰性气体供气阀，向保温壳的内层封闭环境中填充惰性气体至正压；燃料电池反应堆待机时，若环境温度过低，启动太阳能加热器为环境补热至常温后，关闭太阳能加热器；对于设有保温壳的高空无人机燃料电池模块的热管理系统，若环境温度过高时，打开保温壳的散热装置散热；燃料电池反应堆运行时，打开氧气供气系统中的电磁阀和氢气供气系统中的电磁阀，氧气和氢气通过进入换热器，氧气温度传感器和氢气温度传感器检测加热后的温度，进入燃料供气系统循环；散热系统为环境补热，对于设有保温壳的高空无人机燃料电池模块的热管理系统，若环境过热，打开保温壳的散热装置散热。对于液冷燃料电池反应堆液，所述方法进一步包括：在其启动前，如需要加热，由电加热器为其所处的环境本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，所述高空无人机燃料电池模块包括燃料电池反应堆、氧气供气系统和氢气供气系统，其特征在于：所述热管理系统包括换热器和散热系统；所述燃料电池反应堆产生的余热一部分通过换热器对氢气和氧气加热，另一部分通过散热系统对燃料电池反应堆所处的环境空间加热；所述燃料电池反应堆为风冷燃料电池反应堆或液冷燃料电池反应堆，所述风冷燃料电池反应堆包括封闭式风冷燃料电池反应堆和开放式风冷燃料电池反应堆。

【技术特征摘要】
1.一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，所述高空无人机燃料电池模块包括燃料电池反应堆、氧气供气系统和氢气供气系统，其特征在于：所述热管理系统包括换热器和散热系统；所述燃料电池反应堆产生的余热一部分通过换热器对氢气和氧气加热，另一部分通过散热系统对燃料电池反应堆所处的环境空间加热；所述燃料电池反应堆为风冷燃料电池反应堆或液冷燃料电池反应堆，所述风冷燃料电池反应堆包括封闭式风冷燃料电池反应堆和开放式风冷燃料电池反应堆。2.根据权利要求1所述的用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，其特征在于：所述换热器为管壳式换热器、板式换热器或套管式换热器。3.根据权利要求2所述的用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，其特征在于：对于风冷燃料电池反应堆，所述散热系统包括冷却风扇；空气流经燃料电池反应堆阴极流道参加电化学反应，从燃料电池反应堆流出，带走燃料电池反应堆余热；冷却风扇将热吹向换热器，换热器的导热材料吸收热量为氢气和空气加热，同时冷却风扇促进风冷燃料电池反应堆环境空间的热气循环。4.根据权利要求3所述的用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，其特征在于：对于液冷燃料电池反应堆，所述散热系统包括散热器和设置在散热器旁的风扇；所述散热器中的冷却液从散热器流出后通过液冷燃料电池反应堆上的冷却入口进入液冷燃料电池反应堆，经过液冷燃料电池反应堆内的冷却板流道，带走液冷燃料电池反应堆产生的余热，从液冷燃料电池反应堆的冷却出口流出，然后进入换热器，在换热器内对氢气和氧气进行加热，并将氧气完全气化，然后冷却液从换热器流出，回到散热器，冷却液的热量经过散热器内的导热材料传导到散热器的冷却流道外，利用所述风扇将热量吹送到液冷燃料电池反应堆环境空间中，散热后的低温冷却液从散热器流出，进入液冷燃料电池反应堆，开始下一个循环；所述散热器采用U型管散热器或波纹板散热器；所述冷却液采用去离子水或50％乙二醇溶液。5.根据权利要求1至4任一所述的用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，其特征在于：所述氢气供气系统包括氢源、电磁阀、第一减压阀、供氢电磁阀、第二减压阀和氢气循环泵；氢气通过电磁阀，再经第一减压阀减压后进入换热器，由换热器将氢气加热；加热后的氢气流出换热器后经过供氢电磁阀，再通过二次减压阀的二次减压，进入燃料电池反应堆参加电化学反应产电；未参加电化学反应的过量氢气流出燃料电池反应堆，一部分通过氢气循环泵再次进入燃料电池反应堆，另一部分经过阳极冲刷阀的定时开启，随阳极积水排出阳极出口；在所述供氢电磁阀上设置有氢气温度传感器和氢气压力传感器；所述氢气温度传感器用于检测氢气的温度，所述氢气压力传感器用于检测氢气的压力。6.根据权利要求5所述的用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，其特征在于：所述氢源采用高压储氢罐、固态储氢、硼氢化钠水溶液加固态催化剂、固态硼氢化钠和催化剂混合加水、或者固态硼氢化钠加催化剂溶液。7.根据权利要求6所述的用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统，其特征在于：对于封闭式风冷燃料电池反应堆或液冷燃料电池反应堆，所述氧气供气系统包括液氧罐、电磁阀、液氧泵、供氧电磁阀和氧气循环泵；液氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡晓晶，赖平化，朱俊娥，
申请(专利权)人：北京晟泽科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11