本實(shí)用新型屬于航空航天器能源系統(tǒng)領(lǐng)域,具體涉及一種用于高空無人機(jī)燃料電池模塊的熱管理系統(tǒng)。
背景技術(shù):
燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的新能源發(fā)電裝置,其氫氣燃料來源充足且廉價(jià)、能量密度高、發(fā)電效率高、性能穩(wěn)定、無安全隱患且產(chǎn)物無污染,被廣泛應(yīng)用到民用和軍方產(chǎn)品。燃料電池作為高空無人機(jī)供電系統(tǒng)的輔助電源可以為其提供長時(shí)間用電需求,減輕供電系統(tǒng)重量。
燃料電池對(duì)工作環(huán)境要求嚴(yán)格,在離地面5000米的高空,溫度-10攝氏度,并且高度每上升1000米,溫度降低6攝氏度。高空無人機(jī)供電系統(tǒng)中燃料電池若要在低溫低壓環(huán)境下穩(wěn)定高效運(yùn)行,需要對(duì)燃料電池模塊保溫,并對(duì)進(jìn)入燃料電池反應(yīng)堆的氫氣和氧氣加熱,否則燃料電池工作效率和壽命嚴(yán)重下降,甚至不能工作。
目前傳統(tǒng)的燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究主要致力于常溫常壓條件下燃料電池模塊的熱管理。
專利號(hào)為200910073442.8的專利適用于AUV的閉式循環(huán)燃料電池系統(tǒng)中有完整的水熱交換循環(huán)系統(tǒng),但是只能保證燃料電池反應(yīng)堆的環(huán)境溫度和燃料電池反應(yīng)堆的冷卻,沒有考慮低溫環(huán)境下氫氣和氧氣加熱、供電系統(tǒng)體積和重量,并不適用于高空無人機(jī)燃料電池供電模塊的熱管理系統(tǒng)。
專利號(hào)為201510215700.7的專利提供了一種自身熱管理系統(tǒng)及其控制辦法,其中帶有加熱裝置的水箱、冷卻水循環(huán)泵、散熱器和溫度傳感器,可以實(shí)現(xiàn)燃料電池反應(yīng)堆的散熱冷卻,但此熱管理系統(tǒng)不能滿足對(duì)氧氣和氫氣的加熱和整體環(huán)境的保溫。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本實(shí)用新型的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題,提供一種用于高空無人機(jī)燃料電池模塊的熱管理系統(tǒng),由換熱器、散熱系統(tǒng)、保溫外殼協(xié)調(diào)工作,合理利用自身余熱,將熱量集中管理,簡化燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu),為燃料電池創(chuàng)建一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境。
本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種用于高空無人機(jī)燃料電池模塊的熱管理系統(tǒng),所述高空無人機(jī)燃料電池模塊包括燃料電池反應(yīng)堆、氧氣供氣系統(tǒng)和氫氣供氣系統(tǒng),所述熱管理系統(tǒng)包括換熱器和散熱系統(tǒng);
所述燃料電池反應(yīng)堆產(chǎn)生的余熱一部分通過換熱器對(duì)氫氣和氧氣加熱,另一部分通過散熱系統(tǒng)對(duì)燃料電池反應(yīng)堆所處的環(huán)境空間加熱;
所述燃料電池反應(yīng)堆為風(fēng)冷燃料電池反應(yīng)堆或液冷燃料電池反應(yīng)堆,所述風(fēng)冷燃料電池反應(yīng)堆包括封閉式風(fēng)冷燃料電池反應(yīng)堆和開放式風(fēng)冷燃料電池反應(yīng)堆。
所述換熱器為管殼式換熱器、板式換熱器或套管式換熱器。
對(duì)于風(fēng)冷燃料電池反應(yīng)堆,所述散熱系統(tǒng)包括冷卻風(fēng)扇;
空氣流經(jīng)燃料電池反應(yīng)堆陰極流道參加電化學(xué)反應(yīng),從燃料電池反應(yīng)堆流出,帶走燃料電池反應(yīng)堆余熱;冷卻風(fēng)扇將熱吹向換熱器,換熱器的導(dǎo)熱材料吸收熱量為氫氣和空氣加熱,同時(shí)冷卻風(fēng)扇促進(jìn)風(fēng)冷燃料電池反應(yīng)堆環(huán)境空間的熱氣循環(huán)。
對(duì)于液冷燃料電池反應(yīng)堆,所述散熱系統(tǒng)包括散熱器和設(shè)置在散熱器旁的風(fēng)扇;
所述散熱器中的冷卻液從散熱器流出后通過液冷燃料電池反應(yīng)堆上的冷卻入口進(jìn)入液冷燃料電池反應(yīng)堆,經(jīng)過液冷燃料電池反應(yīng)堆內(nèi)的冷卻板流道,帶走液冷燃料電池反應(yīng)堆產(chǎn)生的余熱,從液冷燃料電池反應(yīng)堆的冷卻出口流出,然后進(jìn)入換熱器,在換熱器內(nèi)對(duì)氫氣和氧氣進(jìn)行加熱,并將氧氣完全氣化,然后冷卻液從換熱器流出,回到散熱器,冷卻液的熱量經(jīng)過散熱器內(nèi)的導(dǎo)熱材料傳導(dǎo)到散熱器的冷卻流道外,利用所述風(fēng)扇將熱量吹送到液冷燃料電池反應(yīng)堆環(huán)境空間中,散熱后的低溫冷卻液從散熱器流出,進(jìn)入液冷燃料電池反應(yīng)堆,開始下一個(gè)循環(huán);
所述散熱器采用U型管散熱器或波紋板散熱器;
所述冷卻液采用去離子水或50%乙二醇溶液。
所述氫氣供氣系統(tǒng)包括氫源、電磁閥、第一減壓閥、供氫電磁閥、第二減壓閥和氫氣循環(huán)泵;
氫氣通過電磁閥,再經(jīng)第一減壓閥減壓后進(jìn)入換熱器,由換熱器將氫氣加熱;
加熱后的氫氣流出換熱器后經(jīng)過供氫電磁閥,再通過二次減壓閥的二次減壓,進(jìn)入燃料電池反應(yīng)堆參加電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)電;
未參加電化學(xué)反應(yīng)的過量氫氣流出燃料電池反應(yīng)堆,一部分通過氫氣循環(huán)泵再次進(jìn)入燃料電池反應(yīng)堆,另一部分經(jīng)過陽極沖刷閥的定時(shí)開啟,隨陽極積水排出陽極出口;
在所述供氫電磁閥上設(shè)置有氫氣溫度傳感器和氫氣壓力傳感器;
所述氫氣溫度傳感器用于檢測氫氣的溫度,所述氫氣壓力傳感器用于檢測氫氣的壓力。
所述氫源采用高壓儲(chǔ)氫罐、固態(tài)儲(chǔ)氫、硼氫化鈉水溶液加固態(tài)催化劑、固態(tài)硼氫化鈉和催化劑混合加水、或者固態(tài)硼氫化鈉加催化劑溶液。
對(duì)于封閉式風(fēng)冷燃料電池反應(yīng)堆或液冷燃料電池反應(yīng)堆,所述氧氣供氣系統(tǒng)包括液氧罐、電磁閥、液氧泵、供氧電磁閥和氧氣循環(huán)泵;
液氧經(jīng)電磁閥由液氧泵泵出,進(jìn)入換熱器,由換熱器將其充分氣化并加熱;
加熱后的氧氣流出換熱器后經(jīng)過供氧電磁閥后通過燃料電池反應(yīng)堆的陰極入口進(jìn)入燃料電池反應(yīng)堆,參加電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)電;
未參加電化學(xué)反應(yīng)的氧氣流出燃料電池反應(yīng)堆,一部分通過氧氣循環(huán)泵再次進(jìn)入換熱器,另一部分經(jīng)過陰極沖刷閥的定時(shí)開啟,隨陰極積水排出陰極出口;
在所述供氧電磁閥上設(shè)置有氧氣溫度傳感器和氧氣壓力傳感器;
所述氧氣溫度傳感器用于檢測氧氣的溫度,所述氧氣壓力傳感器用于檢測氧氣的壓力;
對(duì)于封閉式風(fēng)冷燃料電池反應(yīng)堆,所述氧氣供氣系統(tǒng)包括陰極過濾器和陰極風(fēng)機(jī),空氣經(jīng)過陰極過濾器過濾后通過陰極風(fēng)機(jī)輸送到燃料電池反應(yīng)堆,在燃料電池反應(yīng)堆內(nèi)參加電化學(xué)反應(yīng);
未參加電化學(xué)反應(yīng)的氧氣,經(jīng)過陰極沖刷閥的定時(shí)開啟,隨陰極積水排出陰極出口;
對(duì)于開放式風(fēng)冷燃料電池反應(yīng)堆,所述氧氣供氣系統(tǒng)為空氣,由冷卻風(fēng)扇促進(jìn)空氣循環(huán)提供氧氣和散熱。
進(jìn)一步,所述用于高空無人機(jī)燃料電池模塊的熱管理系統(tǒng)可以包括保溫殼,其采用雙層殼體結(jié)構(gòu),外層采用輕型保溫材料,維持燃料電池反應(yīng)堆環(huán)境溫度恒定,在外層設(shè)有散熱裝置;內(nèi)層密封,采用輕質(zhì)金屬材料導(dǎo)熱并維持環(huán)境氣壓穩(wěn)定;
在無人機(jī)起飛前將內(nèi)層的內(nèi)部充滿惰性氣體;
所述氫源放置在保溫殼的外部;
所述液氧罐放置在保溫殼的外部;
所述冷卻風(fēng)扇設(shè)置在保溫殼內(nèi)、風(fēng)冷燃料電池反應(yīng)堆的外部;
所述陽極出口和陰極出口經(jīng)軟管連接到所述保溫殼的外部;
在保溫殼上設(shè)有溫度傳感器、氣壓傳感器和輸電線路通道以及以下接口中的一種或多種:氫氣入口、廢氫出口、液氧入口、廢氧出口、氮?dú)馊肟冢?/p>
所述溫度傳感器用于檢測環(huán)境溫度,當(dāng)溫度過高,打開保溫殼的散熱裝置釋放部分熱量,溫度適中時(shí),關(guān)閉保溫殼的散熱裝置;
所述壓力傳感器用于檢測環(huán)境氣壓。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本實(shí)用新型的有益效果是:本實(shí)用新型通過創(chuàng)建一個(gè)穩(wěn)定的燃料電池供電環(huán)境,可以實(shí)現(xiàn)燃料電池在高空低溫低壓環(huán)境的正常運(yùn)行。通過使用換熱器將燃料電池反應(yīng)堆的余熱用于對(duì)燃料氣體進(jìn)行加熱,通過散熱器將余熱用于環(huán)境加熱,實(shí)現(xiàn)了燃料電池反應(yīng)堆的散熱和燃料加熱、環(huán)境加熱三步的同步進(jìn)行,簡化了燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。通過保溫殼的內(nèi)層密閉維持了環(huán)境氣壓穩(wěn)定,保溫殼外層的隔熱和散熱維持了環(huán)境溫度穩(wěn)定。考慮到環(huán)境溫度和壓強(qiáng)的易控和及時(shí)響應(yīng),將儲(chǔ)氫罐、液氧罐置于保溫殼外部,減小環(huán)境空間。該系統(tǒng)不僅適用于高空低溫低壓環(huán)境,同樣適用于其他特殊環(huán)境中的低溫低壓環(huán)境。
附圖說明
圖1是無人機(jī)氫罐儲(chǔ)氫液冷燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)圖;
圖2是無人機(jī)氫罐儲(chǔ)氫風(fēng)冷燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)圖;
圖3是無人機(jī)氫罐儲(chǔ)氫開放式風(fēng)冷燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)圖;
圖4是無人機(jī)氫罐儲(chǔ)氫封閉式風(fēng)冷燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)圖;
圖5是無人機(jī)固態(tài)儲(chǔ)氫開放式風(fēng)冷燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)圖;
圖6是無人機(jī)固態(tài)儲(chǔ)氫封閉式風(fēng)冷燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)圖;
圖7是液冷型燃料電池模塊保溫殼的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
本實(shí)用新型用于高空無人機(jī)燃料電池模塊的熱管理系統(tǒng),包括燃料電池反應(yīng)堆、換熱器、散熱系統(tǒng)、保溫殼;燃料電池反應(yīng)堆與無人機(jī)上的電調(diào)模塊6連接,電調(diào)模塊6與機(jī)載動(dòng)力系統(tǒng)7連接。
本實(shí)用新型中的燃料電池反應(yīng)堆可以根據(jù)工作環(huán)境選擇風(fēng)冷燃料電池反應(yīng)堆或液冷燃料電池反應(yīng)堆。
針對(duì)液冷型燃料電池16的熱管理系統(tǒng)如圖1所示。反應(yīng)堆余熱為熱管理系統(tǒng)的主要熱源;冷卻循環(huán)回路中的冷卻液帶出燃料電池反應(yīng)堆余熱,其中一部分通過換熱器對(duì)氫氣和氧氣加熱,一部分通過散熱器4對(duì)燃料電池反應(yīng)堆環(huán)境加熱。其中換熱器類型可以是管殼式換熱器、板式換熱器、套管式換熱器等;其中冷卻液可選擇去離子水或50%乙二醇溶液;
液冷型燃料電池啟動(dòng)前,如需要可由電加熱器為燃料電池環(huán)境加熱,為氧氣和氫氣預(yù)熱;從地面起飛設(shè)備,由于地面溫度適合,也可無預(yù)熱過程;
液冷型燃料電池待機(jī)時(shí),如設(shè)備處于寒冷條件,保溫殼為燃料電池環(huán)境保溫,由太陽能加熱器為環(huán)境補(bǔ)熱。其中太陽能加熱可選擇太陽能產(chǎn)電加熱、太陽能直接加熱等方式;
液冷型燃料電池處于工作狀態(tài)時(shí),散熱器4中冷卻液進(jìn)入燃料電池反應(yīng)堆冷卻液入口,經(jīng)過反應(yīng)堆冷卻板流道,冷卻液帶走燃料電池反應(yīng)堆余熱,從反應(yīng)堆冷卻出口流出,然后進(jìn)入換熱器,為氫氣和氧氣加熱,并將氧氣完全氣化。冷卻液從換熱器流出進(jìn)入散熱器4,散熱器4對(duì)其散熱降溫,并對(duì)燃料電池反應(yīng)堆環(huán)境加熱(散熱器4采用熱導(dǎo)性能好的材料,再通過散熱風(fēng)扇吹掃散熱器加速散熱,并促進(jìn)環(huán)境內(nèi)氣體流通),其中散熱器4可以選擇U型管散熱器、波紋板散熱器等。低溫冷卻液從散熱器4流出,進(jìn)入燃料電池反應(yīng)堆,進(jìn)入下一個(gè)循環(huán);
液冷型燃料電池模塊保溫殼外層使用輕型保溫材料例如薄型隔熱涂料、有機(jī)保溫材料、無機(jī)保溫材料等,維持燃料電池反應(yīng)堆環(huán)境溫度恒定;內(nèi)層封閉,采用輕質(zhì)金屬材料,導(dǎo)熱性好,維持環(huán)境氣壓穩(wěn)定,如圖7所示,殼體上有氫氣入口72、廢氫出口76、液氧入口73、廢氧出口77、氮?dú)馊肟?1、溫度傳感器74、氣壓傳感器75、輸電線路通道78。其中溫度傳感器74檢測環(huán)境溫度,當(dāng)溫度過高,打開保溫殼散熱器散熱,溫度適中時(shí),關(guān)閉保溫殼散熱器。其中壓力傳感器75檢測環(huán)境壓力;
氧氣供氣系統(tǒng):液氧罐1放置在保溫殼外部。液氧經(jīng)液氧泵3泵出,進(jìn)入換熱器,由換熱器將其充分氣化并加熱。加熱后氧氣經(jīng)過供氧電磁閥20進(jìn)入燃料電池反應(yīng)堆陰極入口,參加電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)電。通過氧氣溫度傳感器檢測氧氣溫度,通過氧氣壓力傳感器檢測氧氣壓力(氧氣溫度傳感器和壓力傳感器設(shè)置在供氧電磁閥20上)。未參加電化學(xué)反應(yīng)的氧氣流出反應(yīng)堆,一部分通過氧氣循環(huán)泵5再次進(jìn)入氧氣循環(huán)回路,一部分經(jīng)過陰極沖刷閥9的定時(shí)開啟,隨積水排出陰極出口10,經(jīng)軟管排放到保溫殼外部;
氫氣供氣系統(tǒng):儲(chǔ)氫罐11放置在保溫殼外部。氫氣通過電磁閥2,再經(jīng)減壓閥12減壓后進(jìn)入換熱器,由換熱器將其加熱(換熱器內(nèi)部有三個(gè)流道:氧氣、氫氣、冷卻液,三個(gè)流道互相隔離)。加熱后氫氣經(jīng)過供氫電磁閥13,通過二次減壓閥14二次減壓,進(jìn)入燃料電池反應(yīng)堆參加電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)電。通過氫氣溫度傳感器檢測氫氣溫度,通過氫氣壓力傳感器檢測氫氣壓力(溫度傳感器和壓力傳感器都設(shè)置在供氫電磁閥13上)。未參加電化學(xué)反應(yīng)的氫氣流出反應(yīng)堆,一部分通過氫氣循環(huán)泵15再次進(jìn)入氫氣循環(huán)回路,一部分經(jīng)過陽極沖刷閥17的定時(shí)開啟,隨積水排出陽極出口18,經(jīng)軟管排放到保溫殼外部;
燃料電池反應(yīng)堆的保溫系統(tǒng)采用雙層殼體保溫箱,無人機(jī)起飛前將箱體內(nèi)部充滿氮?dú)?在內(nèi)層殼體內(nèi)部充滿氮?dú)?,營造一個(gè)正壓環(huán)境,滿足燃料電池反應(yīng)堆運(yùn)行條件)。內(nèi)層殼封閉,采用輕質(zhì)導(dǎo)熱金屬材料,保證環(huán)境處于一定氣壓范圍內(nèi);外層殼采用隔熱材料保溫,并帶有散熱裝置
針對(duì)氧氣富足環(huán)境無人機(jī)燃料電池的熱管理系統(tǒng)如圖3-圖6所示,包括風(fēng)冷電堆、冷卻風(fēng)扇、換熱器、供氫氣路;
其中風(fēng)冷電堆21可以選擇開放式或封閉式,開放式風(fēng)冷電堆22由空氣對(duì)流提供氧氣和散熱,散熱風(fēng)扇23不僅有散熱作用,同時(shí)為陰極提供空氣中的氧氣,如圖3和圖5所示,封閉式通過鼓風(fēng)機(jī)提供氧氣(空氣經(jīng)過過濾除雜,經(jīng)過陰極風(fēng)機(jī),進(jìn)入反應(yīng)堆陰極),如圖4和圖6所示;
其中冷卻風(fēng)扇為風(fēng)冷燃料電池反應(yīng)堆供氧、散熱,同時(shí)為環(huán)境加熱,具體如下:冷卻風(fēng)扇位于殼體內(nèi),空氣流經(jīng)燃料電池反應(yīng)堆陰極流道,參加電化學(xué)反應(yīng),從陰極出口流出并帶走反應(yīng)堆熱量;開放式風(fēng)冷電堆的冷卻風(fēng)扇既給陽極輸送空氣又給燃料電池反應(yīng)堆散熱,封閉式風(fēng)冷電堆27的冷卻風(fēng)扇只有散熱作用。
其中換熱器19吸收風(fēng)扇余熱(冷卻風(fēng)扇將熱氣吹向換熱器,換熱器導(dǎo)熱材料吸收熱量并與氫氣進(jìn)行熱交換),為氫氣和空氣加熱;
其中氫源可以選擇高壓儲(chǔ)氫罐24,如圖1、圖2、圖3、圖4所示,或者固態(tài)儲(chǔ)氫,例如硼氫化鈉儲(chǔ)氫,如圖5、圖6所示,硼氫化鈉產(chǎn)氫有三種不同的方式:硼氫化鈉水溶液加固態(tài)催化劑28、固態(tài)硼氫化鈉和催化劑30混合加水29、固態(tài)硼氫化鈉加含催化劑的水溶液,三種方式均可使用。
下面通過對(duì)如圖1所示的無人機(jī)氫罐供氫液冷燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)來說明本實(shí)用新型的效果:
本實(shí)施例是燃料電池功率峰值為15kw,平均功率為10kw的無人機(jī)在離地面20km高空燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),20km高空溫度-45攝氏度,氣壓為5KPa,極少量氧氣。
經(jīng)計(jì)算,燃料電池反應(yīng)堆1h釋放的熱量為5kwh,所需氫氣和氧氣加熱至45攝氏度吸收的熱量為1.4kwh,考慮到填充氣加熱所需的熱量后,釋放的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于吸收所需的熱量,所以在保溫殼殼體外層設(shè)計(jì)散熱器,防止環(huán)境過熱。
燃料電池啟動(dòng)前,關(guān)閉供氫閥、供氧閥,打開氮?dú)夤忾y(無人機(jī)起飛前在地面填充氮?dú)?,減少系統(tǒng)體積和重量)。向封閉環(huán)境填充氣體,保溫殼防止環(huán)境的溫度和壓強(qiáng)流失。
燃料電池待機(jī)時(shí),若環(huán)境溫度過低,啟動(dòng)太陽能加熱器(放置在殼體外,利用內(nèi)層殼的熱傳導(dǎo)給內(nèi)部環(huán)境加熱,盡可能減少殼的打孔,降低密封內(nèi)層殼的泄漏概率),為環(huán)境補(bǔ)熱至常溫,關(guān)閉太陽能加熱器。過熱時(shí)打開保溫殼散熱器散熱。燃料電池反應(yīng)堆待機(jī)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)過熱狀態(tài)。
燃料電池運(yùn)行時(shí),啟動(dòng)冷卻液循環(huán)回路(只有圖1中需要,對(duì)于圖2-圖6,就不需要啟動(dòng)冷卻液循環(huán)回路),打開氧氣供氣閥和氫氣供氣閥,氧氣和氫氣通過氣管進(jìn)入換熱器,氧氣溫度傳感器和氫氣溫度傳感器檢測加熱后的溫度,進(jìn)入燃料供氣系統(tǒng)循環(huán)。散熱器為環(huán)境補(bǔ)熱,若環(huán)境過熱,打開保溫殼散熱器散熱。其中氮?dú)饪捎闷渌栊詺怏w代替。
本實(shí)用新型中熱管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了燃料電池給高空無人機(jī)在低溫低壓無氧環(huán)境的供電。實(shí)現(xiàn)了燃料電池反應(yīng)堆的散熱和燃料加熱、環(huán)境加熱三步的同步進(jìn)行,簡化了傳統(tǒng)燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)不僅適用于高空低溫低壓環(huán)境,同樣適用于其他特殊環(huán)境中的低溫低壓環(huán)境。
上述技術(shù)方案只是本實(shí)用新型的一種實(shí)施方式,對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言,在本實(shí)用新型公開了原理的基礎(chǔ)上,很容易做出各種類型的改進(jìn)或變形,而不僅限于本實(shí)用新型上述具體實(shí)施例所描述的結(jié)構(gòu),因此前面描述的只是優(yōu)選的,而并不具有限制性的意義。