一种惰性气体吹扫的氢储供系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种惰性气体吹扫的氢储供系统及其方法，涉及氢能飞机技术领域。本发明专利技术利用汽化后的低温氢气冷量对压缩后的空气同时进行冷却和除湿，一体化设计大幅减小系统复杂度；利用氢空燃料电池的热量实现冷冻除湿器的再生，实现氢空燃料电池的高效热管理并减少额外热量损耗；采用膜分离器将空气分为富氧气和富氮气，其中富氧气进入氢空燃料电池进行反应，通过提高氧含量提升运行效率，富氮气则对液氢储罐及其配套系统进行正压吹扫，提升储供系统的整体安全性。系统的整体安全性。系统的整体安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种惰性气体吹扫的氢储供系统及其方法


[0001]本专利技术涉及氢能飞机
，特指一种惰性气体吹扫的氢储供系统及其方法。

技术介绍

[0002]现代飞机主要以石油为燃料，排出的气体对大气臭氧层破坏严重，造成环境污染，严峻的形势迫使世界积极发展代用燃料，由此各种方案应运而生。氢能源由于单位质量热值高于航空煤油，且燃烧或者电化学方式主要产生水，具有净零排放的特性，成为未来能源系统可持续发展的希望。
[0003]氢能源用于飞机的主要方式之一是将其作为氢空燃料电池的动力来源，由燃料电池产生电能，驱动电机运转，再由电机驱动推进器，为飞机提供前进动力，考虑到设备的尺寸、重量、成本以及当前的技术水平等诸多因素，可广泛用于小型支线飞机及无人机领域。此外，氢空燃料电池还具有清洁无污染、能源转化率高等诸多优点，日本丰田、韩国现代、德国奔驰等国际老牌车厂先后推出自己燃料电池产品，国内宇通、上汽、东风等大厂也开始了燃料电池的研究。
[0004]采用氢空燃料电池作为飞机动力系统存在着较多急需解决的问题，例如飞机上存储的高压氢或液氢存在着泄漏隐患，由于氢的扩散性强及燃烧(燃爆)比例低，安全风险较大；同时，氢空燃料电池的运行效率受到空气中氧含量的影响，在高原或高海拔地区的适应能力较差，一定程度上限制了氢空燃料电池在航空领域的快速推广。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种惰性气体吹扫的氢储供系统及其方法，利用汽化后的低温氢气冷量对压缩机压缩后的空气进行除湿冷却，利用氢空燃料电池的热量实现冷冻除湿器的再生，随后采用膜分离器将空气分为富氧气和富氮气，其中富氮气对液氢储罐及其配套系统进行吹扫，提升系统安全性，富氧气则进入氢空燃料电池进行反应，提升电池的运行效率。
[0006]本专利技术拟用如下技术方案实现本专利技术的目的：
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种惰性气体吹扫的氢储供系统，包括空气分离管路、第一冷冻除湿器、第二冷冻除湿器、正压密封箱、排空阀、空气管路、氢空燃料电池、氢管路和冷却剂循环管路；
[0008]所述第一冷冻除湿器、第二冷冻除湿器的内部分别具有能构成换热接触的第一通道和第二通道；
[0009]所述空气分离管路前段依次连接压缩机和三通阀，中段通过三通阀分为第一冷冻除湿管路和第二冷冻除湿管路；第一冷冻除湿管路连接第一冷冻除湿器的第一通道，第二冷冻除湿管路连接第二冷冻除湿器的第一通道，随后第一冷冻除湿管路和第二冷冻除湿管路再次合并并与空气分离管路后段连通；空气分离管路后段依次连接调压器、膜分离器、富氮阀和正压密封箱，用于将外部空气进行热湿处理和分离；
[0010]所述正压密封箱的一端连接空气分离管路，另一端连接排空阀，内部安装有液氢储罐、液氢截止阀、液氢泵和液氢冷能转化器，正压密封箱内部通过空气分离管路和排空阀维持正压态；
[0011]所述空气管路的首端与位于压缩机和三通阀之间的空气分离管路连通，末端与氢空燃料电池连通，其上设有空气阀；所述膜分离器通过设有富氧阀的富氧管路与空气管路连通，用于将膜分离器分离出来的富氧气输送至空气管路，以提升氢空燃料电池的运行效率；
[0012]所述氢管路前段位于正压密封箱内部，且依次连接液氢储罐、液氢截止阀、液氢泵和液氢冷能转化器，中段分为两条支路；第一支路依次连接第一氢气阀、第一冷冻除湿器的第二通道和第二氢气阀，第二支路依次连接第三氢气阀、第二冷冻除湿器的第二通道和第四氢气阀，随后两条支路合并并与氢管路末段连通，氢管路末端连接氢空燃料电池；氢管路用于将液氢储罐中的氢介质输送至氢空燃料电池进行反应；
[0013]所述冷却剂循环管路前段依次连接氢空燃料电池的冷却通道和冷却剂循环泵，中段分为两条支路；第一支路依次连接第一冷却阀、第一冷冻除湿器的第二通道和第二冷却阀，第二支路依次连接第三冷却阀、第二冷冻除湿器的第二通道和第四冷却阀，随后两条支路合并并与冷却剂循环管路末段连通，冷却剂循环管路末端再次连接氢空燃料电池的冷却通道以构成循环回路；冷却剂循环管路用于实现氢空燃料电池的热管理，提升其运行效率；
[0014]所述第一冷冻除湿器和第二冷冻除湿器均设有集水管路，集水管路用于将两者产生的液体水输送至集水器。
[0015]作为优选，所述氢管路、液氢储罐、液氢截止阀、液氢泵、液氢冷能转化器、第一氢气阀、第二氢气阀、第三氢气阀和第四氢气阀外部均设置有用于防止漏热的绝热材料。
[0016]作为优选，所述冷却剂循环管路中填充的冷却剂为R134a制冷剂；位于氢空燃料电池内部的冷却剂循环管路为盘管形式布设，以对氢空燃料电池进行冷却。
[0017]作为优选，所述第一冷冻除湿器和第二冷冻除湿器的第一通道均可设置为多孔介质的大比表面积换热结构，以提升冷却除湿效率。
[0018]作为优选，从所述第一冷冻除湿器和第二冷冻除湿器的第一通道流出的空气温度应低于0℃。
[0019]作为优选，所述膜分离器内设有空气分离膜，空气分离膜能通过对氧气和氮气的不同渗透性以分离制得富氮气体和富氧气体。
[0020]第二方面，本专利技术提供了一种利用第一方面任一所述惰性气体吹扫的氢储供系统的运行方法，具体如下：
[0021]S1、控制三通阀连通第一冷冻除湿管路，第一冷冻除湿器处于运行状态，第二冷冻除湿器处于再生状态；此时，第三氢气阀、第四氢气阀、第一冷却阀和第二冷却阀处于关闭状态，富氮阀、排空阀、空气阀、富氧阀、液氢截止阀、第一氢气阀、第二氢气阀、第三冷却阀和第四冷却阀处于打开状态；
[0022]S101、启动压缩机；外部空气进入空气分离管路，经过压缩机压缩后升温，一路通过三通阀进入第一冷冻除湿器的第一通道，另一路则通过空气阀并沿着空气管路进入氢空燃料电池进行反应；进入三通阀的空气在第一冷冻除湿器的第一通道内通过吸收低温氢气的冷量实现降温，降温后的空气温度低于0℃，此时空气中的水汽会冻结在第一冷冻除湿器
的内部，完成空气冷却和除湿的耦合；从第一冷冻除湿器流出的空气随后经过调压器调整压力后进入膜分离器进行氧氮分离；经膜分离器分离出的富氮气继续通过富氮阀进入正压密封箱，对正压密封箱内部进行连续吹扫，防止氢气聚集，吹扫后的气体则通过排空阀排出；经膜分离器分离出的富氧气则通过富氧阀并沿着富氧管路汇入空气管路，随后进入氢空燃料电池以提升其空气氧含量；
[0023]S102、启动液氢泵；液氢储罐中的液氢介质依次通过液氢截止阀和液氢泵进入液氢冷能转化器，吸收外部热量汽化并转变为低温氢气；低温氢气随后通过第一氢气阀进入第一冷冻除湿器的第二通道，释放冷量后通过第二氢气阀进入氢空燃料电池进行反应；
[0024]S103、启动冷却剂循环泵；来自氢空燃料电池的高温冷却剂通过第三冷却阀进入第二冷冻除湿器的第二通道，对第二冷冻除湿器内部的固体冰进行加热且自身温度降低，随后通过第四冷却阀再次返回氢空燃料电池的冷却通道吸收热量；第二冷冻除湿器内由于吸收热量产生的熔化液态水则通过集水管路进入集水器，当第二冷冻除湿器内的固体冰均熔化成液态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种惰性气体吹扫的氢储供系统，其特征在于，包括空气分离管路(1)、第一冷冻除湿器(6)、第二冷冻除湿器(7)、正压密封箱(11)、排空阀(12)、空气管路(13)、氢空燃料电池(17)、氢管路(18)和冷却剂循环管路(27)；所述第一冷冻除湿器(6)、第二冷冻除湿器(7)的内部分别具有能构成换热接触的第一通道和第二通道；所述空气分离管路(1)前段依次连接压缩机(4)和三通阀(5)，中段通过三通阀(5)分为第一冷冻除湿管路(2)和第二冷冻除湿管路(3)；第一冷冻除湿管路(2)连接第一冷冻除湿器(6)的第一通道，第二冷冻除湿管路(3)连接第二冷冻除湿器(7)的第一通道，随后第一冷冻除湿管路(2)和第二冷冻除湿管路(3)再次合并并与空气分离管路(1)后段连通；空气分离管路(1)后段依次连接调压器(8)、膜分离器(9)、富氮阀(10)和正压密封箱(11)，用于将外部空气进行热湿处理和分离；所述正压密封箱(11)的一端连接空气分离管路(1)，另一端连接排空阀(12)，内部安装有液氢储罐(19)、液氢截止阀(20)、液氢泵(21)和液氢冷能转化器(22)，正压密封箱(11)内部通过空气分离管路(1)和排空阀(12)维持正压态；所述空气管路(13)的首端与位于压缩机(4)和三通阀(5)之间的空气分离管路(1)连通，末端与氢空燃料电池(17)连通，其上设有空气阀(14)；所述膜分离器(9)通过设有富氧阀(16)的富氧管路(15)与空气管路(13)连通，用于将膜分离器(9)分离出来的富氧气输送至空气管路(13)，以提升氢空燃料电池(17)的运行效率；所述氢管路(18)前段位于正压密封箱(11)内部，且依次连接液氢储罐(19)、液氢截止阀(20)、液氢泵(21)和液氢冷能转化器(22)，中段分为两条支路；第一支路依次连接第一氢气阀(23)、第一冷冻除湿器(6)的第二通道和第二氢气阀(24)，第二支路依次连接第三氢气阀(25)、第二冷冻除湿器(7)的第二通道和第四氢气阀(26)，随后两条支路合并并与氢管路(18)末段连通，氢管路(18)末端连接氢空燃料电池(17)；氢管路(18)用于将液氢储罐(19)中的氢介质输送至氢空燃料电池(17)进行反应；所述冷却剂循环管路(27)前段依次连接氢空燃料电池(17)的冷却通道和冷却剂循环泵(28)，中段分为两条支路；第一支路依次连接第一冷却阀(29)、第一冷冻除湿器(6)的第二通道和第二冷却阀(30)，第二支路依次连接第三冷却阀(31)、第二冷冻除湿器(7)的第二通道和第四冷却阀(32)，随后两条支路合并并与冷却剂循环管路(27)末段连通，冷却剂循环管路(27)末端再次连接氢空燃料电池(17)的冷却通道以构成循环回路；冷却剂循环管路(27)用于实现氢空燃料电池(17)的热管理，提升其运行效率；所述第一冷冻除湿器(6)和第二冷冻除湿器(7)均设有集水管路(33)，集水管路(33)用于将两者产生的液体水输送至集水器(34)。2.根据权利要求1所述的一种惰性气体吹扫的氢储供系统，其特征在于，所述氢管路(18)、液氢储罐(19)、液氢截止阀(20)、液氢泵(21)、液氢冷能转化器(22)、第一氢气阀(23)、第二氢气阀(24)、第三氢气阀(25)和第四氢气阀(26)外部均设置有用于防止漏热的绝热材料。3.根据权利要求1所述的一种惰性气体吹扫的氢储供系统，其特征在于，所述冷却剂循环管路(27)中填充的冷却剂为R134a制冷剂；位于氢空燃料电池(17)内部的冷却剂循环管路(27)为盘管形式布设，以对氢空燃料电池(17)进行冷却。
4.根据权利要求1所述的一种惰性气体吹扫的氢储供系统，其特征在于，所述第一冷冻除湿器(6)和第二冷冻除湿器(7)的第一通道均可设置为多孔介质的大比表面积换热结构，以提升冷却除湿效率。5.根据权利要求1所述的一种惰性气体吹扫的氢储供系统，其特征在于，从所述第一冷冻除湿器(6)和第二冷冻除湿器(7)的第一通道流出的空气温度应低于0℃。6.根据权利要求1所述的一种惰性气体吹扫的氢储供系统，其特征在于，所述膜分离器(9)内设有空气分离膜，空气分离膜能通过对氧气和氮气的不同渗透性以分离制得富氮气体和富氧气体。7.一种利用权利要求1～6任一所述惰性气体吹扫的氢储供系统的运行方法，其特征在于，具体如下：S1、控制三通阀(5)连通第一冷冻除湿管路(2)，第一冷冻除湿器(6)处于运行状态，第二冷冻除湿器(7)处于再生状态；此时，第三氢气阀(25)、第四氢气阀(26)、第一冷却阀(29)和...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春伟，宋建军，樊凤彬，马军强，王淮英，张平，杨行，黎迎晖，苏谦，余海帅，杨括，陈永，瞿骞，
申请(专利权)人：北京航天试验技术研究所，
类型：发明
国别省市：