[发明专利]一种用于高空无人机燃料电池模块的热管理系统及方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。