[发明专利]一种高比能量航空用燃料电池发电装置及控制方法

权利要求书

1.一种高比能量航空用燃料电池发电装置，以液氢为燃料的航空用质子交换膜燃料电池发电装置，包括带水加热管路的液氢储罐（1），其特征在于：液氢储罐（1）的氢气出口经缓冲罐（2）、氢气减压器（4）、氢气用电磁阀（6）与质子交换膜燃料电池（7）的氢气入口相连，水箱（10）经循环水泵（9）与质子交换膜燃料电池（7）的水入口相连，质子交换膜燃料电池（7）的水出口通过管路分别经第一电磁阀（5）与液氢储罐（1）的加热水入口相连，液氢储罐（1）的加热水出口与温度调节器（11）入口相连，温度调节器（11）入口与第二电磁阀（12）相连；温度调节器（11）的一个出口经热交换器（13）后与水箱（10）相连，温度调节器（11）的另一个出口直接与水箱（10）相连；

具体控制如下：

当质子交换膜燃料电池（7）准备启动时，此时循环水水温接近室温；循环水泵（9）启动，第二电磁阀（12）关闭，第一电磁阀（5）开启，循环水从循环水泵（9）进入质子交换膜燃料电池（7）后，经过第一电磁阀（5）进入液氢储罐（1），再经过温度调节器（11），回到水箱（10）内，完成低温条件下的水循环过程；此过程会将温度较低的水带入液氢储罐（1），液氢汽化生成少量氢气，汽化出的氢气在缓冲罐（2）内蓄压，待其压力达到质子交换膜燃料电池（7）启动压力要求后，进行质子交换膜燃料电池（7）启动工作；

随质子交换膜燃料电池（7）启动完成后运行一段时间后，电池温度逐渐升高，循环水温度也逐渐升高，此时在液氢储罐（1）内的液氢汽化速度随之加快，氢气生成量逐步加大，这期间质子交换膜燃料电池（7）实现增功率工作，温度进而提高；待质子交换膜燃料电池（7）循环水温度超过设定的质子交换膜燃料电池（7）最佳工作温度时，温度调节器（11）切换管路，此时的水循环顺序为：循环水从循环水泵（9）进入质子交换膜燃料电池（7），经第一电磁阀（5）后进入液氢储罐（1），然后进入温度调节器（11），再进入热交换器（13）后回到水箱（10），完成高温条件下的水循环过程；此过程中，质子交换膜燃料电池（7）的多余热量通过热交换器（13）与航空器壁外空气进行热量交换，实现质子交换膜燃料电池（7）恒温工作的热管理；

在质子交换膜燃料电池（7）运行的整个过程中，缓冲罐（2）内的压力测点实时采集压力信息，通过该测点数据，控制第一电磁阀（5）、第二电磁阀（12）的开启与关闭，实现管路切换，即通过循环水是否通过液氢储罐（1）来控制液氢汽化速度，进而满足质子交换膜燃料电池（7）的变工况运行所需的氢气量变化；空气泵（8）也随电池功率变化，实时调节电压，改变空气的输出量；

待质子交换膜燃料电池（7）准备停车时，第一电磁阀（5）提前关闭，第二电磁阀（12）开启，使循环水不经过液氢储罐（1），此时液氢汽化速度将大大降低，少量氢气储存在缓冲罐（2）内，此时切断氢气用电磁阀（6）和空气泵（8），实现质子交换膜燃料电池（7）停车过程。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：液氢储罐（1）的水加热管路缠绕于储罐外壁面上或外壁面内或储罐内。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：缓冲罐（2）与质子交换膜燃料电池（7）的氢气入口间的连接管路上设有氢气减压器（4）和氢气用电磁阀（6）。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：质子交换膜燃料电池（7）的空气入口与空气泵（8）出口相连。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：缓冲罐（2）上设有压力传感器（3）。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：液氢储罐是盛放液氢燃料的杜瓦瓶容器，要求能够承受不低于1 MPa的内部压力，具有独立的热交换管路和对外接口；

所述的缓冲罐（2），是存放液氢汽化后变成氢气的容器，用于调节氢气输出气量和压力，以供质子交换膜燃料电池（7）使用，要求该容器能够承受不低于液氢储罐（1）所能承受的内部压力。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：压力传感器（3），测点位于缓冲罐（2）内，用于测量缓冲罐（2）内部氢气压力，根据该测点数据，通过控制程序和执行元件可实现液氢汽化速度控制。