本申请涉及燃料电池领域，特别是涉及一种径向阵列空冷高温质子交换膜燃料电池空气供应系统及其控制方法。
背景技术：
1、现有技术中，航空器电动系统主要依赖锂离子电池及低温质子交换膜燃料电池（lt-pemfc）。锂离子电池存在能量密度低、充电时间长及火灾风险高的缺陷，而传统lt-pemfc系统需依赖液态冷却系统（如水泵、散热器），导致系统重量增加，且工作温度受限（≤80°c），需严格湿度控制，并且液冷却系统的寄生质量占比较高，限制了航空器的有效载荷和续航能力。传统空冷燃料电池系统因阴极开放式结构导致空气流量和压力控制困难，尤其在高温条件下易出现氧气供应不足、散热效率低等问题。此外现有技术中，压缩空气的能耗占系统总能耗的10%以上，且传统涡轮增压系统难以实现废气能量与空气循环的协同利用，此外，多堆并联时空气分配不均易导致局部过热或性能衰减。
技术实现思路
1、本申请的目的是提供一种径向阵列空冷高温质子交换膜燃料电池空气供应系统及其控制方法，采用简单空冷双极板结构可实现增压效果，循环高压空气和废气回收利用可提升燃料电池输出性能，同时减少了压缩空气所需功耗，从而提升了系统整体输出效率。
2、为实现上述目的，本申请提供了如下方案。
3、第一方面，本申请提供了一种径向阵列空冷高温质子交换膜燃料电池空气供应系统，包括：电动废气涡轮增压器、多个模块化高温质子交换膜燃料电池堆、多个进气压力调节阀、多个循环压力调节阀、多个排气压力调节阀和集成控制模块。
4、电动废气涡轮增压器的出口与各模块化高温质子交换膜燃料电池堆的入口连接，电动废气涡轮增压器的入口与各模块化高温质子交换膜燃料电池堆的出口连接；电动废气涡轮增压器，用于为各模块化高温质子交换膜燃料电池电堆提供增压空气，并回收各模块化高温质子交换膜燃料电池电堆产生的废气能量。
5、各模块化高温质子交换膜燃料电池堆采用阴极开放式金属双极板；多个模块化高温质子交换膜燃料电池堆呈环形阵列排布，各模块化高温质子交换膜燃料电池堆通过循环压力调节阀串联，形成闭式空气循环通路。
6、各模块化高温质子交换膜燃料电池堆的入口端均设置有进气压力调节阀，各模块化高温质子交换膜燃料电池堆的出口端均设置有排气压力调节阀。
7、集成控制模块，分别与电动废气涡轮增压器、进气压力调节阀、循环压力调节阀和排气压力调节阀连接，用于根据监测到的各模块化高温质子交换膜燃料电池堆的工作参数调节电动废气涡轮增压器中电机转速、进气压力调节阀开度、循环压力调节阀开度和排气压力调节阀开度。
8、第二方面，本申请提供了一种径向阵列空冷高温质子交换膜燃料电池空气供应系统的控制方法，所述控制方法应用于上述的径向阵列空冷高温质子交换膜燃料电池空气供应系统，所述控制方法包括以下步骤。
9、启动阶段，初始化所述燃料电池空气供应系统，进气压力调节阀打开，循环压力调节阀和排气压力调节阀关闭，各模块化高温质子交换膜燃料电池堆发电并逐步预热至工作温度。
10、加压空气阶段，进气压力调节阀打开，循环压力调节阀和排气压力调节阀关闭，形成闭式结构，电动废气涡轮增压器将空气加压至各模块化高温质子交换膜燃料电池堆的气体压力工作范围内；当模块化高温质子交换膜燃料电池堆的堆内空气压力增加至设定阈值bar时，所述燃料电池空气供应系统进入循环空气阶段，循环压力调节阀打开，集成控制模块根据负载需求实时调整电动废气涡轮增压器中涡轮机的转速，使加压空气与回收空气混合循环至下一模块化高温质子交换膜燃料电池堆的入口；当模块化高温质子交换膜燃料电池堆过热或缺氧时，所述燃料电池空气供应系统进入排放空气阶段，循环压力调节阀关闭，进气压力调节阀和排气压力调节阀打开，涡轮机回收模块化高温质子交换膜燃料电池堆的废气做功；当模块化高温质子交换膜燃料电池堆的堆内温度过低120℃或气体压力过低2bar时，重新进入空气加压阶段；为模块化高温质子交换膜燃料电池堆的堆内温度，为氧气浓度，为气体压力。
11、停止阶段，打开并调节进气压力调节阀和排气压力调节阀的开度，关闭循环压力调节阀，涡轮机运行2分钟吹扫残余气体后关闭进气压力调节阀和排气压力调节阀。
12、根据本申请提供的具体实施例，本申请具有以下技术效果。
13、（1）高功率密度与轻量化：模块化空冷高温质子交换膜燃料电池堆无需依赖复杂的液态冷却系统，有效降低了系统重量。采用传统空冷燃料电池阴极开放式金属双极板，多堆并联形成阴极环式结构，从而可实现闭式增压效果，提升了系统功率密度，满足无人机、电动垂直起降飞行器等对轻量化、高功率密度的严格要求，增加有效载荷和续航能力。
14、（2）高效能量管理与利用：电动废气涡轮增压器实现增压空气供应与废气能量回收的高效结合。一方面，增压空气在电堆间循环利用，充分利用了未完全反应的压缩空气，减少了压缩新鲜空气的能耗；另一方面，当电堆循环空气热量过高或氧气不足时，废气可排放至电动废气涡轮增压器进行循环利用，降低了电动废气涡轮增压器的功率消耗。这种能量回收与循环利用机制，显著降低了压缩空气能耗在系统总能耗中的占比，大幅提高了系统的整体能源利用效率，相比现有技术具有明显的节能优势。
15、（3）精准运行控制与稳定性能：集成控制模块实时监测各电堆的工作参数，并依据这些参数精确调节电动废气涡轮增压器的电机转速以及各阀门的开度，维持各电堆的工作温度、气体压力和氧气浓度在合理工作范围内，从而实现系统的高效运行，有效避免传统空冷燃料电池空气供应系统在高温下氧气供应不足、散热效率低以及多堆并联时空气分配不均导致的局部过热或性能衰减等问题，显著提高了系统的稳定性和可靠性。
16、（4）系统简单与设计灵活：电动废气涡轮增压器出口的气体温度能直接满足高温质子交换膜燃料电池的工作温度要求，无需额外的预热环节，有效降低系统复杂度，减少了相关设备和操作流程。模块化高温质子交换膜燃料电池具备良好的灵活性，可通过配备不同数量的电堆模块，灵活满足各类具体场景的功率需求。
1.一种径向阵列空冷高温质子交换膜燃料电池空气供应系统，其特征在于，包括：电动废气涡轮增压器、多个模块化高温质子交换膜燃料电池堆、多个进气压力调节阀、多个循环压力调节阀、多个排气压力调节阀和集成控制模块；
2.根据权利要求1所述的径向阵列空冷高温质子交换膜燃料电池空气供应系统，其特征在于，电动废气涡轮增压器包括：压缩机、涡轮机和电机；压缩机的出口通过进气歧管与各模块化高温质子交换膜燃料电池堆的入口连接；涡轮机的入口通过排气歧管与各模块化高温质子交换膜燃料电池堆的出口连接；电机分别与压缩机和涡轮机连接，电机用于驱动压缩机和涡轮机。
3.根据权利要求2所述的径向阵列空冷高温质子交换膜燃料电池空气供应系统，其特征在于，当压缩机输出的增压空气的温度满足各模块化高温质子交换膜燃料电池堆的工作温度时，无需额外预热；压缩机输出的增压空气的温度为，，其中，为环境空气温度，为涡轮机的效率，为大气环境压力，为压缩机出口的空气压力，为气体绝热系数。
4.根据权利要求2所述的径向阵列空冷高温质子交换膜燃料电池空气供应系统，其特征在于，当废气提供的涡轮能量低于压缩机压缩空气需要的能量时，通过各模块化高温质子交换膜燃料电池堆的电能为电机供电，通过电机驱动压缩机加速运转。
5.根据权利要求2所述的径向阵列空冷高温质子交换膜燃料电池空气供应系统，其特征在于，压缩机消耗的功率为：，其中，为空气定压热容，为实时空气质量流量，为环境空气温度；为压缩机的效率；为压缩后的气体压力；为大气环境压力；为气体绝热系数。
6.根据权利要求2所述的径向阵列空冷高温质子交换膜燃料电池空气供应系统，其特征在于，涡轮机回收的废气能量为：，其中，为涡轮机的效率，为流经涡轮机的空气质量流量，为气体定压比热容，为涡轮机入口的气体温度，和分别为流过涡轮机入口和出口的气体压力，为气体绝热系数。
7.根据权利要求1所述的径向阵列空冷高温质子交换膜燃料电池空气供应系统，其特征在于，各模块化高温质子交换膜燃料电池堆的电解质为磷酸掺杂的聚苯并咪唑膜。
8.根据权利要求1所述的径向阵列空冷高温质子交换膜燃料电池空气供应系统，其特征在于，各模块化高温质子交换膜燃料电池堆的工作参数包括：入口压力、出口压力、工作温度和氧气浓度；
9.根据权利要求1所述的径向阵列空冷高温质子交换膜燃料电池空气供应系统，其特征在于，所述燃料电池空气供应系统包括三个阶段，分别为启动阶段、运行阶段和停止阶段；所述运行阶段包括加压空气阶段、循环空气阶段和排放空气阶段。
10.一种径向阵列空冷高温质子交换膜燃料电池空气供应系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于权利要求1-9任一项所述的径向阵列空冷高温质子交换膜燃料电池空气供应系统，所述控制方法包括：