一种用于阴极开式风冷燃料电池的恒压补氧系统及方法与流程

1.本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种用于阴极开式风冷燃料电池的恒压补氧系统及方法。


背景技术：

2.风冷燃料电池在小型高空无人机领域应用广泛。其中阴极开式风冷燃料电池相较于闭式，合并了空气路和冷却路，使得整个系统更加简捷，在体积及重量上具有较大优势。但是由于开式风冷燃料电池的阴极气体既是燃料又是冷却介质，当其在高空运行时，高空环境中空气的压力和氧气浓度偏低，如果使用传统的风冷燃料电池系统，为阴极空气增压的风扇需提供更大的流量和压比，增加了风扇的设计难度和功耗。且高空温度低，给系统的控温带来了更大的难度。因此开式风冷燃料电池一般无法适应高空环境。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种阴极开式风冷燃料电池的恒压补氧系统及方法，解决了风冷燃料电池在高空环境中应用时氧气浓度偏低的技术问题。本发明保证整个系统结构构成简单的前提下，能够通过实现阴极气体氧气的补充及循环利用。
4.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种用于阴极开式风冷燃料电池的恒压补氧系统，包括氧气瓶、压力调节阀、风扇、风道、排水装置和压力传感器；
6.氧气瓶与燃料电池的阴极入口连接，压力调节阀设于氧气瓶与燃料电池的阴极入口之间；
7.风道为环形，风道的第一端连接燃料电池的阴极入口，风道的第二端连接燃料电池的阴极出口；风扇设于风道的第二端内部，压力传感器设于风道的第一端内部；
8.风道的最低点设有用于排出冷凝水的排水装置。
9.进一步的，风道的外表面设有散热翅片。
10.进一步的，还包括第一温度传感器和第二温度传感器；
11.第一温度传感器和第二温度传感器分别用于获取燃料电池阴气入口的温度t1和燃料电池阴极出口的温度t2。
12.进一步的，排水装置为疏水阀或电磁阀。
13.进一步的，当排水装置为电磁阀时，按照如下方法控制排水装置的打开：
14.获取燃料电池的实时发电电流；
15.对实时发电电流随时间进行积分，得到用于反映风道中水量累积值的电流积分值；
16.当电流积分值大于预设阈值时，打开排水装置。
17.进一步的，电流积分值≤预设阈值时，风道中水蒸气含量≤60％。
18.进一步的，阴极开式风冷燃料电池运行前，向燃料电池的阴极入口充入氧气和氮
气的混合气；所述混合气中氧气和氮气的体积百分比分别为20％和80％；
19.阴极开式风冷燃料电池运行时，氧气瓶的氧气供给量等于燃料电池发电时的氧气消耗量。风道连通燃料电池阴极属于密闭环境，预先充入20％氧气和80％氮气的混合气用于模拟空气，20％初始氧气可作为氧气循环量的过量系数。
20.进一步的，风道的散热面积a根据如下公式确定：
[0021][0022]
其中q为燃料电池运行散热量；
[0023]
h为环境的对流换热系数；
[0024]
t1为燃料电池阴极入口温度；
[0025]
t2为燃料电池阴极出口温度；
[0026]
t0为外界环境温度。
[0027]
进一步的，风道的第一端内部温度为50～70℃；
[0028]
压力调节阀根据压力传感器监测的压力进行调整，使风道内部的压力恒定。
[0029]
进一步的，上述用于阴极开式风冷燃料电池的恒压补氧系统，应用于≥5km的高空环境。
[0030]
一种用于阴极开式风冷燃料电池的恒压补氧方法，采用上述用于阴极开式风冷燃料电池的恒压补氧系统实现，包括:
[0031]
阴极开式风冷燃料电池运行前，向燃料电池的阴极入口预先充入氧气和氮气的混合气；
[0032]
阴极开式风冷燃料电池运行时，氧气瓶中的氧气经压力调节阀调节后通入燃料电池的阴极入口；
[0033]
燃料电池接收由外部预先充入的混合气、由氧气瓶通入的氧气和由氢气源通入的氢气，产生发电电流，同时在风扇作用下将剩余气体和水蒸气经燃料电池的阴极出口排入风道；剩余气体为氧气和氮气的混合气；
[0034]
剩余气体和水蒸气在风道中与风道外部的空气进行热交换；
[0035]
热交换后的水蒸气在风道中冷凝，冷凝水到达风道的最低点经排水装置排出，剩余气体经风道重新返回燃料电池的阴极入口。
[0036]
本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：
[0037]
(1)本发明采用阴极风道循环补氧设计，克服了高空低气压环境风冷燃料电池阴极气体供应不足稳定性差问题；
[0038]
(2)本发明减少了辅助系统消耗，风扇只需提供循环回路流阻带来的压降，同时不需要额外设置电加热器为高空气体加热；
[0039]
(3)本发明充分利用高空低温特性，实现风道对外换热，减少了燃料电池系统散热机构，简化系统组成，在体积和重量上具有较大优势，同时降低了系统运行控制复杂度；
[0040]
(4)本发明为风冷燃料电池在高空领域应用提供了一种新思路，为其在高空领域使用提供可能性。
附图说明
[0041]
图1为本发明阴极开式风冷燃料电池的恒压补氧系统示意图。
具体实施方式
[0042]
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0043]
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0044]
为了解决阴极开式风冷燃料电池在高空应用时的阴极气体供应问题，提升系统在高空低温低气压环境下的输出性能，本发明提供一种用于阴极开式风冷燃料电池的恒压补氧系统，压力调节阀通过调整阀门开度保证保证阀后压力与给定目标值一致。保证整个系统结构构成简单的前提下，能够通过控制策略实现阴极气体氧气的补充及循环利用，同时能够控制阴极气体的温度、压力和湿度，满足料电池在其高效区间运行，保证开式风冷燃料电池可正常应用于小型高空无人机领域。具体的，本发明通过可供阴极气体循环流动的风道，利用风道壁面与外界低温环境的热交换实现对阴极气体降温、降湿的功能。为实现燃料电池运行在高效温度区间50-70℃，根据目标温度与环境温度及产热量计算散热面积，通过控制散热翅片数量及风道管径达到所需散热目标，实现控温目的，同时可以通过调节风扇转速控制循环气风量及风速来匹配环境温度变化带来的温度变化，从而实现温度动态可调。在风道的最低点设置自动排水装置，实现阴极排水目的。在燃料电池入口的风道外侧设置补氧装置，起到补充阴极循环气体中氧浓度的作用。该系统结构简单、大大减小了风扇功耗通过设置合理的控制策略可实现对阴极气体控温、稳压及氧浓度的控制，使阴极开式风冷燃料电池系统能适应高空低氧低气压环境，持续稳定高效工作。其简图如图1所示，所述系统包括氧气瓶1，压力调节阀2，风扇3，风道4，排水装置5，散热翅片6，压力传感器7，第一温度传感器8、第二温度传感器9。
[0045]
燃料电池为阴极开式风冷电堆，其中阴极气体既提供用于燃料电池发电的氧化剂，同时用于对燃料电池散热。所述风扇3具有转速调节能力，用来控制气体的流量。
[0046]
风道4作为气体循环流通的通道，其壁面为高传热系数的材料，风道4外表面设有散热翅片6，通过与外界低温环境进行热交换达到冷却气体，降低气体水蒸气含量。排水装置5设置在风道最低点，用于将冷凝水及时排出，同时循环气不会被排出实现循环利用。
[0047]
氧气瓶1为阴极补充氧气浓度，满足燃料电池发电所需氧化剂。压力调节阀2，可以根据阴极气体的压力需求调节合适的进堆压力和流量。
[0048]
所述阴极开式风冷燃料电池系统恒压补氧的方法，耗氧气按照燃料电池运行所需设定气体流量，根据氧气消耗量进行氧气补充，保证风道内气体的氧气浓度。通过风道与外界自动换热实现为循环气体降温目的，自动排水装置具备排水不排气的功能自动排出风道内冷凝水，氧气瓶通过压力调节阀根据燃料电池发电需求补充氧气，使得系统可以在≥5km的高空，≤50kpa.a低气压环境下连续循环稳定运行。
[0049]
在一种优选的实施方式中，燃料电池运行时根据燃料电池运行功率调整风扇转速，提供燃料电池当前功率下发电所需流量及压力；
[0050]
阴极气体在运行过程中会带出阴极反应生成水并对燃料电池进行对流散热，使燃料电池运行在合理温度区间，提高燃料电池运行效率；
[0051]
随阴极带出的高温高湿气体经过风道壁面与外界低温环境进行热交换，气体中的水蒸气冷凝后沿管壁顺流至风道低点的排气排水口，自动排水装置自动进行排水。
[0052]
随着反应的进行阴极气体经冷却循环到燃料电池入口，此时阴极气体氧浓度较低，需根据燃料电池运行工况所需流量进行恒流量补氧，通过压力调节阀气瓶输出流量的氧气对阴极气体进行适用于当前氧气消耗量的氧气补偿，如此循环达到动态平衡，实现补氧功能，满足阴极开式风冷燃料电池系统在高空环境使用需求。
[0053]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0054]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。