本发明涉及燃料电池模块化集成技术，具体地说是一种航空用简化的质子交换膜燃料电池系统。
背景技术：
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转化效率高、环境友好、结构简单、操作方便等优点，因而其被广泛应用于航空航天、新能源汽车、分布式电站等诸多领域。
PEMFC通常是以氢气为阳极燃料、以空气或氧气为阴极氧化剂，在低温下进行电化学反应，反应生成物为水。虽然电池反应原理简单，但是作为模块化的电池还需要将供气、尾气排放、动力电控制、废热排出等诸多执行部件进行集成。针对不同的应用领域，对电池以及电池系统的使用工况、使用环境、重量、体积等均有不同要求，所以系统集成技术也就不同。常规燃料电池系统包括电子控制单元(ECU)、气瓶、增湿部件、传感器、阀件、水热管理部件等。对航空应用不得不面对减重和精简控制策略的问题。
专利CN201110254614中提出了一种燃料电池的增湿供气系统，包括水泵、风机、温度探头和控制器。系统复杂，重量大，不适合用于对重量敏感的航空用燃料电池系统中。本发明不使用增湿系统，而是电池采用金属双极板技术来减重，同时使用自增湿膜技术，此种膜电极在一定温度以内不需要增湿，这样就省略了复杂的增湿部件。
专利201610581987.X中提到了无人机使用的燃料电池系统，使用锂电池作为启动和联合供电，使用DC-DC接电池输出，调整电压后接电机电调。本发明不使用锂电池启动燃料电池，而使用外部触发电源启动电池系统。也不使用DC-DC调节电压，而是利用调节电池输出电压以及宽范围电机电调来为电机和风机直接供电。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种航空用简化的质子交换膜燃料电池系统，针对航空应用这一应用环境，精简控制策略，简化系统结构，优化控制方案，减轻重量，提高性能和稳定性。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种航空用简化的质子交换膜燃料电池系统，包括：
氢气瓶通过减压阀和稳压阀连接燃料电池，氢气作为燃料，经过减压阀和稳压阀后进入燃料电池；
风机，用于将空气输入到燃料电池，空气中的氧气作为燃料电池的氧化剂；
燃料电池，与水箱和水泵形成闭环，通过循环水为燃料电池散热；
排气驱动模块连接燃料电池，控制电磁阀将燃料电池产生的尾气排出；
电机电调连接燃料电池，为航空器提供动力源输出。
所述燃料电池采用金属双极板，并用自增湿膜代替增湿器。
所述自增湿膜为Nafion/SiO2复合膜，SiO2为纳米颗粒，其粒径为5nm-20nm，SiO2在Nafion膜中所占的比例为1-10wt.％，膜的厚度为25-150μm。
在所述水箱上的航空器向风处设置散热翅片，用于散热。
氢气侧和空气侧的压力保持平衡。
所述排气驱动模块使用555定时电路作为脉冲信号发生端，使用功率管放大驱动电磁阀定时排气。
在电池输出与外部电源间设置单刀双掷开关，用于切换外部触发电源和燃料电池电源。
所述切换外部电源和燃料电池电源为：
启动时，单刀双掷开关切换到外部触发电源上，并同时向燃料电池通入氢气和空气，直至燃料电池进入开路状态，完成启动；然后调整单刀双掷开关切换至燃料电池上，使系统仅通过燃料电池提供电源。
所述燃料电池的输出电压范围与风机、水泵、尾排电磁阀和散热风扇的工作电压匹配。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明采用金属双极板和自增湿膜技术的燃料电池，摒弃膜增湿器，并控制电池温度，以此来降低重量和减少体积；
2.本发明设计燃料电池的工作点使燃料电池输出电压范围与电池系统的风机和电机电调的工作电压匹配，如此可以省去电压变换的DC-DC模块；
3.本发明电池尾排阀采用独立程控模块控制电路来实现可调的自动尾排，使用外部触发电源启动电池，省去了启动电池。
附图说明
图1是本发明的系统结构连接图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示为本发明的系统结构连接图。
风机为电池提供空气，其中的氧气作为氧化剂被风机以一定的风压输入燃料电池。氢气瓶内存氢气作为燃料，经过减压阀稳压阀进入燃料电池。电池反应产生的尾气经过程控驱动模块驱动的电磁阀排放。水箱内存有热循环水，用于循环起来经过电池内部将电池热量带出，水泵为循环水提供动力。航空用电机电调，由于该电机采用电调，可以做到宽电压输入，也可以直接连接电池作为动力源。
氢空燃料电池模块一般需要增湿来保证膜电极性能。但是从系统考虑增湿部件复杂而且重量大。本发明不采用增湿而是采用改变电池组成和控制电池工作温度的方案来保证膜电极性能。具体是质子交换膜燃料电池采用金属双极板和自增湿膜技术，此种电池在一定温度范围内不需要增湿，以此省略增湿部件。
自增湿膜的制备具体过程如下：首先，将Nafion(115、NRE212)膜在真空干燥箱中80℃条件下干燥12h去除水份，备用。然后将膜浸入一定比例的30℃的甲醇/水溶液(CH3OH/H2O)中，在其中浸泡1h。待其溶胀充分平衡后，将样品取出，用滤纸小心擦去表面残余液。然后将溶胀后Nafion膜放入30℃的一定比例的甲醇/正硅酸乙酯(CH3OH/TEOS)溶液中，此时，溶胶-凝胶反应将在膜中进行。反应时间，对NRE212为5min，对Nafion115膜为3min。取出反应后的膜，将其在真空干燥箱中80℃干燥48h，即得到Nafion/SiO2复合膜。
为了控制电池温度，需要从产热和散热两方面考虑。电池作为系统中的产热部件，其发热功率受到负载要求的限制。质子交换膜燃料电池的效率可以达到50％左右，也就是说如果输出1kWh的电能，会伴随产生1kWh的热量，航空动力电机在巡航、爬升、滑翔时的工况要求电池输出功率也不同，以爬升时要求的最大功率以及一般的持续时间计算产生的热量。那么再配合散热系统的散热功率的计算并通过实验验证即可以保持电池温度保持在正常工作温度(例如60℃左右)并不出现大的波动。电池产生的废热要及时排出电池，否则电池会超温损坏。这里采用小水泵驱动循环水将热量导出，水箱上加装散热翅片置于航空器向风(迎风)处散热，也可以置于螺旋桨附近，利用螺旋桨的风力散热。
在系统中的水泵、风机、程控驱动模块等都采用24VDC电源的情况下，例如本发明专利为30节左右电池，输出电压在30-18V左右，这样不需要使用专制的DC-DC为上述部件供电。对于负载电机，不同情况下电压要求不同，宽范围可以直接使用电池输出电压；而对于定点电压要求，如24VDC电压，则需要采用与系统24VDC设备统一使用一个全功率的24V的DC-DC。如采用其他电压的负载电机，则还需要加装一个独立的DC-DC提供给负载。所以负载电机最好选择宽范围的比如带电调的无刷电机等。这样可以节省大功率DC-DC，不仅减重减少体积，也可以提高效率。
质子交换膜燃料电池供气部分也是系统重要组成部分，电池内部氢侧和空气侧压力必须平衡，如果压差过大会造成膜的损坏。尤其是高压系统的启动或者停车过程。本发明将压力降低，氢侧压力经过减压稳压至0.2-0.7bar直接进入电池内部。空气侧供气采用风机，风压与氢侧匹配。这样两侧压力可以做到基本平衡，以保证启动、运行、停车时对电池膜电极的保护。
质子交换膜燃料电池的氢气利用率在95％甚至99％以上，在工作过程中由气源中的杂质和未反应完全的氢气与少量的水蒸气等组成的尾气需要及时从电池排出。由于取消了ECU，所以本发明制作了一个程控驱动模块，直接驱动尾排电磁阀排放尾气。
燃料电池启动时需要外部触发电源，先行对系统中的水泵、风机、程控驱动模块等进行供电。本发明使用一个单刀双掷开关在外部触发电源和电池之间直接切换，启动时切换到外部触发电源上，打开气瓶阀进气，燃料电池进入开路状态，此时燃料电池电压为开路30V左右，此时完成了启动。然后，将开关切换至电池供电状态，撤掉外部触发电源，系统部件靠燃料电池本身提供电源而不再依赖外部触发电源，此时电池就处于待机状态，当载荷电机在不同工况下工作时，燃料电池对应输出电能。停车过程是卸载后，手动或自动关闭上述切换开关，系统各部件断电停止运行。最后关闭气源，完成停车。