本實用新型屬于航空航天器能源系統(tǒng)領域，具體涉及一種用于高空無人機燃料電池模塊的熱管理系統(tǒng)。

背景技術：

燃料電池是將化學能轉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、能量密度高、發(fā)電效率高、性能穩(wěn)定、無安全隱患且產物無污染，被廣泛應用到民用和軍方產品。燃料電池作為高空無人機供電系統(tǒng)的輔助電源可以為其提供長時間用電需求，減輕供電系統(tǒng)重量。

燃料電池對工作環(huán)境要求嚴格，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)定高效運行，需要對燃料電池模塊保溫，并對進入燃料電池反應堆的氫氣和氧氣加熱，否則燃料電池工作效率和壽命嚴重下降，甚至不能工作。

目前傳統(tǒng)的燃料電池熱管理系統(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堆的環(huán)境溫度和燃料電池反應堆的冷卻，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燃料電池供電模塊的熱管理系統(tǒng)。

專利號為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，可以實現(xiàn)燃料電池反應堆的散熱冷卻，但此熱管理系統(tǒng)不能滿足對氧氣和氫氣的加熱和整體環(huán)境的保溫。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于解決上述現(xiàn)有技術中存在的難題，提供一種用于高空無人機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)調工作，合理利用自身余熱，將熱量集中管理，簡化燃料電池熱管理系統(tǒng)結構，為燃料電池創(chuàng)建一個穩(wěn)定的運行環(huán)境。

本實用新型是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種用于高空無人機燃料電池模塊的熱管理系統(tǒng)，所述高空無人機燃料電池模塊包括燃料電池反應堆、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)；

所述燃料電池反應堆產生的余熱一部分通過換熱器對氫氣和氧氣加熱，另一部分通過散熱系統(tǒng)對燃料電池反應堆所處的環(huán)境空間加熱；

所述燃料電池反應堆為風冷燃料電池反應堆或液冷燃料電池反應堆，所述風冷燃料電池反應堆包括封閉式風冷燃料電池反應堆和開放式風冷燃料電池反應堆。

所述換熱器為管殼式換熱器、板式換熱器或套管式換熱器。

對于風冷燃料電池反應堆，所述散熱系統(tǒng)包括冷卻風扇；

空氣流經燃料電池反應堆陰極流道參加電化學反應，從燃料電池反應堆流出，帶走燃料電池反應堆余熱；冷卻風扇將熱吹向換熱器，換熱器的導熱材料吸收熱量為氫氣和空氣加熱，同時冷卻風扇促進風冷燃料電池反應堆環(huán)境空間的熱氣循環(huán)。

對于液冷燃料電池反應堆，所述散熱系統(tǒng)包括散熱器和設置在散熱器旁的風扇；

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堆上的冷卻入口進入液冷燃料電池反應堆，經過液冷燃料電池反應堆內的冷卻板流道，帶走液冷燃料電池反應堆產生的余熱，從液冷燃料電池反應堆的冷卻出口流出，然后進入換熱器，在換熱器內對氫氣和氧氣進行加熱，并將氧氣完全氣化，然后冷卻液從換熱器流出，回到散熱器，冷卻液的熱量經過散熱器內的導熱材料傳導到散熱器的冷卻流道外，利用所述風扇將熱量吹送到液冷燃料電池反應堆環(huán)境空間中，散熱后的低溫冷卻液從散熱器流出，進入液冷燃料電池反應堆，開始下一個循環(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，再經第一減壓閥減壓后進入換熱器，由換熱器將氫氣加熱；

加熱后的氫氣流出換熱器后經過供氫電磁閥，再通過二次減壓閥的二次減壓，進入燃料電池反應堆參加電化學反應產電；

未參加電化學反應的過量氫氣流出燃料電池反應堆，一部分通過氫氣循環(huán)泵再次進入燃料電池反應堆，另一部分經過陽極沖刷閥的定時開啟，隨陽極積水排出陽極出口；

在所述供氫電磁閥上設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氫罐、固態(tài)儲氫、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。

對于封閉式風冷燃料電池反應堆或液冷燃料電池反應堆，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；

液氧經電磁閥由液氧泵泵出，進入換熱器，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過供氧電磁閥后通過燃料電池反應堆的陰極入口進入燃料電池反應堆，參加電化學反應產電；

未參加電化學反應的氧氣流出燃料電池反應堆，一部分通過氧氣循環(huán)泵再次進入換熱器，另一部分經過陰極沖刷閥的定時開啟，隨陰極積水排出陰極出口；

在所述供氧電磁閥上設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；

對于封閉式風冷燃料電池反應堆，所述氧氣供氣系統(tǒng)包括陰極過濾器和陰極風機，空氣經過陰極過濾器過濾后通過陰極風機輸送到燃料電池反應堆，在燃料電池反應堆內參加電化學反應；

未參加電化學反應的氧氣，經過陰極沖刷閥的定時開啟，隨陰極積水排出陰極出口；

對于開放式風冷燃料電池反應堆，所述氧氣供氣系統(tǒng)為空氣，由冷卻風扇促進空氣循環(huán)提供氧氣和散熱。

進一步，所述用于高空無人機燃料電池模塊的熱管理系統(tǒng)可以包括保溫殼，其采用雙層殼體結構，外層采用輕型保溫材料，維持燃料電池反應堆環(huán)境溫度恒定，在外層設有散熱裝置；內層密封，采用輕質金屬材料導熱并維持環(huán)境氣壓穩(wěn)定；

在無人機起飛前將內層的內部充滿惰性氣體；

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；

所述冷卻風扇設置在保溫殼內、風冷燃料電池反應堆的外部；

所述陽極出口和陰極出口經軟管連接到所述保溫殼的外部；

在保溫殼上設有溫度傳感器、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、氮氣入口；

所述溫度傳感器用于檢測環(huán)境溫度，當溫度過高，打開保溫殼的散熱裝置釋放部分熱量，溫度適中時，關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)有技術相比，本實用新型的有益效果是：本實用新型通過創(chuàng)建一個穩(wěn)定的燃料電池供電環(huán)境，可以實現(xiàn)燃料電池在高空低溫低壓環(huán)境的正常運行。通過使用換熱器將燃料電池反應堆的余熱用于對燃料氣體進行加熱，通過散熱器將余熱用于環(huán)境加熱，實現(xiàn)了燃料電池反應堆的散熱和燃料加熱、環(huán)境加熱三步的同步進行，簡化了燃料電池熱管理系統(tǒng)。通過保溫殼的內層密閉維持了環(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?？紤]到環(huán)境溫度和壓強的易控和及時響應，將儲氫罐、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是無人機氫罐儲氫液冷燃料電池熱管理系統(tǒng)圖；

圖2是無人機氫罐儲氫風冷燃料電池熱管理系統(tǒng)圖；

圖3是無人機氫罐儲氫開放式風冷燃料電池熱管理系統(tǒng)圖；

圖4是無人機氫罐儲氫封閉式風冷燃料電池熱管理系統(tǒng)圖；

圖5是無人機固態(tài)儲氫開放式風冷燃料電池熱管理系統(tǒng)圖；

圖6是無人機固態(tài)儲氫封閉式風冷燃料電池熱管理系統(tǒng)圖；

圖7是液冷型燃料電池模塊保溫殼的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作進一步詳細描述：

本實用新型用于高空無人機燃料電池模塊的熱管理系統(tǒng)，包括燃料電池反應堆、換熱器、散熱系統(tǒng)、保溫殼；燃料電池反應堆與無人機上的電調模塊6連接，電調模塊6與機載動力系統(tǒng)7連接。

本實用新型中的燃料電池反應堆可以根據(jù)工作環(huán)境選擇風冷燃料電池反應堆或液冷燃料電池反應堆。

針對液冷型燃料電池16的熱管理系統(tǒng)如圖1所示。反應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堆余熱，其中一部分通過換熱器對氫氣和氧氣加熱，一部分通過散熱器4對燃料電池反應堆環(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，為氧氣和氫氣預熱；從地面起飛設備，由于地面溫度適合，也可無預熱過程；

液冷型燃料電池待機時，如設備處于寒冷條件，保溫殼為燃料電池環(huán)境保溫，由太陽能加熱器為環(huán)境補熱。其中太陽能加熱可選擇太陽能產電加熱、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，散熱器4中冷卻液進入燃料電池反應堆冷卻液入口，經過反應堆冷卻板流道，冷卻液帶走燃料電池反應堆余熱，從反應堆冷卻出口流出，然后進入換熱器，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入散熱器4，散熱器4對其散熱降溫，并對燃料電池反應堆環(huán)境加熱(散熱器4采用熱導性能好的材料，再通過散熱風扇吹掃散熱器加速散熱，并促進環(huán)境內氣體流通)，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，進入燃料電池反應堆，進入下一個循環(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、有機保溫材料、無機保溫材料等，維持燃料電池反應堆環(huán)境溫度恒定；內層封閉，采用輕質金屬材料，導熱性好，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、氮氣入口71、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，當溫度過高，打開保溫殼散熱器散熱，溫度適中時，關閉保溫殼散熱器。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。液氧經液氧泵3泵出，進入換熱器，由換熱器將其充分氣化并加熱。加熱后氧氣經過供氧電磁閥20進入燃料電池反應堆陰極入口，參加電化學反應產電。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置在供氧電磁閥20上)。未參加電化學反應的氧氣流出反應堆，一部分通過氧氣循環(huán)泵5再次進入氧氣循環(huán)回路，一部分經過陰極沖刷閥9的定時開啟，隨積水排出陰極出口10，經軟管排放到保溫殼外部；

氫氣供氣系統(tǒng)：儲氫罐11放置在保溫殼外部。氫氣通過電磁閥2，再經減壓閥12減壓后進入換熱器，由換熱器將其加熱(換熱器內部有三個流道：氧氣、氫氣、冷卻液，三個流道互相隔離)。加熱后氫氣經過供氫電磁閥13，通過二次減壓閥14二次減壓，進入燃料電池反應堆參加電化學反應產電。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置在供氫電磁閥13上)。未參加電化學反應的氫氣流出反應堆，一部分通過氫氣循環(huán)泵15再次進入氫氣循環(huán)回路，一部分經過陽極沖刷閥17的定時開啟，隨積水排出陽極出口18，經軟管排放到保溫殼外部；

燃料電池反應堆的保溫系統(tǒng)采用雙層殼體保溫箱，無人機起飛前將箱體內部充滿氮氣(在內層殼體內部充滿氮氣，營造一個正壓環(huán)境，滿足燃料電池反應堆運行條件)。內層殼封閉，采用輕質導熱金屬材料，保證環(huán)境處于一定氣壓范圍內；外層殼采用隔熱材料保溫，并帶有散熱裝置

針對氧氣富足環(huán)境無人機燃料電池的熱管理系統(tǒng)如圖3-圖6所示，包括風冷電堆、冷卻風扇、換熱器、供氫氣路；

其中風冷電堆21可以選擇開放式或封閉式，開放式風冷電堆22由空氣對流提供氧氣和散熱，散熱風扇23不僅有散熱作用，同時為陰極提供空氣中的氧氣，如圖3和圖5所示，封閉式通過鼓風機提供氧氣(空氣經過過濾除雜，經過陰極風機，進入反應堆陰極)，如圖4和圖6所示；

其中冷卻風扇為風冷燃料電池反應堆供氧、散熱，同時為環(huán)境加熱，具體如下：冷卻風扇位于殼體內，空氣流經燃料電池反應堆陰極流道，參加電化學反應，從陰極出口流出并帶走反應堆熱量；開放式風冷電堆的冷卻風扇既給陽極輸送空氣又給燃料電池反應堆散熱，封閉式風冷電堆27的冷卻風扇只有散熱作用。

其中換熱器19吸收風扇余熱(冷卻風扇將熱氣吹向換熱器，換熱器導熱材料吸收熱量并與氫氣進行熱交換)，為氫氣和空氣加熱；

其中氫源可以選擇高壓儲氫罐24，如圖1、圖2、圖3、圖4所示，或者固態(tài)儲氫，例如硼氫化鈉儲氫，如圖5、圖6所示，硼氫化鈉產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。

下面通過對如圖1所示的無人機氫罐供氫液冷燃料電池熱管理系統(tǒng)來說明本實用新型的效果：

本實施例是燃料電池功率峰值為15kw，平均功率為10kw的無人機在離地面20km高空燃料電池熱管理系統(tǒng)，20km高空溫度－45攝氏度，氣壓為5KPa，極少量氧氣。

經計算，燃料電池反應堆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，釋放的熱量遠遠大于吸收所需的熱量，所以在保溫殼殼體外層設計散熱器，防止環(huán)境過熱。

燃料電池啟動前，關閉供氫閥、供氧閥，打開氮氣供氣閥(無人機起飛前在地面填充氮氣，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)境的溫度和壓強流失。

燃料電池待機時，若環(huán)境溫度過低，啟動太陽能加熱器(放置在殼體外，利用內層殼的熱傳導給內部環(huán)境加熱，盡可能減少殼的打孔，降低密封內層殼的泄漏概率)，為環(huán)境補熱至常溫，關閉太陽能加熱器。過熱時打開保溫殼散熱器散熱。燃料電池反應堆待機時不會出現(xiàn)過熱狀態(tài)。

燃料電池運行時，啟動冷卻液循環(huán)回路(只有圖1中需要，對于圖2-圖6，就不需要啟動冷卻液循環(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，進入燃料供氣系統(tǒng)循環(huán)。散熱器為環(huán)境補熱，若環(huán)境過熱，打開保溫殼散熱器散熱。其中氮氣可用其他惰性氣體代替。

本實用新型中熱管理系統(tǒng)實現(xiàn)了燃料電池給高空無人機在低溫低壓無氧環(huán)境的供電。實現(xiàn)了燃料電池反應堆的散熱和燃料加熱、環(huán)境加熱三步的同步進行，簡化了傳統(tǒng)燃料電池熱管理系統(tǒng)結構。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。

上述技術方案只是本實用新型的一種實施方式，對于本領域內的技術人員而言，在本實用新型公開了原理的基礎上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限于本實用新型上述具體實施例所描述的結構，因此前面描述的只是優(yōu)選的，而并不具有限制性的意義。