[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

说明书

本发明涉及一种高比能量航空用燃料电池发电系统，特别是以液氢为燃料的航空用质子交换膜燃料电池发电系统，包括液氢储罐、缓冲罐、压力传感器、氢气减压器、水用电磁阀、氢气用电磁阀、质子交换膜燃料电池、空气泵、循环水泵、水箱、温度调节器、热交换器等。以燃料电池自身热量为液氢储罐提供热源实现液氢气化，以空气中的氧气作为氧化剂，以航空器外部的高速来流空气作为冷介质，将燃料电池多余热量散去。本发明与传统的高压气瓶储氢方式的航空用燃料电池发电系统相比，具有储氢量大、重量轻、体积小、工作压力低、安全可靠、燃料加注速度快、燃料加注方式简单等优点，尤其适用于有长航时需求、重量和体积要求的航空用燃料电池发电系统。

技术领域

本发明涉及一种高比能量航空用燃料电池发电系统，特别是以液氢为燃料的航空用质子交换膜燃料电池发电系统。

背景技术

燃料电池与传统意义的电池不同，它是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应转化为电能的高效发电装置。与传统的内燃机不同，它虽然同内燃机一样需要燃料和氧化剂，但不需要经过燃烧，可在低温条件下完成化学反应实现发电功能。燃料电池有很多类型，按照电解质不同可分为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池等。其中，质子交换膜燃料电池根据氧化剂使用纯氧和空气的不同，又分为氢-氧质子交换膜燃料电池和氢-空质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池与其他类型燃料电池相比，具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动和运行、低噪音、无污染等优点，因此，在交通、军事、清洁能源等领域中有着广泛的应用。

航空用质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，以空气中的氧气作为氧化剂。传统的储氢方式以高压气态储氢为主。高压气态储氢(35-70MPa)，通过压缩气态氢气，存于高压气瓶内，受压力限制，储氢量有限(重量百分比可达10％)。高压、易爆带来的安全隐患不容忽视。且高压氢气加注速度极慢，需要增压设备等一系列的外部保障方可实现。液氢作为一种新型的燃料电池供氢方式，具有体积小、压力低、加注速度快、储氢量大等优点，等体积或等重量的储氢系统，液氢有着绝对的储氢量优势(重量百分比可达20％)。尤其适用于航空用质子换膜燃料电池发电系统。

然而，液态氢不能直接用于燃料电池发电，需要将液态氢汽化后使用，汽化过程需要外环境提供热量。而燃料电池的工作过程是一个发热过程，需要将自身产生的热量排出，正好可以将此部分热量提供给液氢系统实现其汽化过程。液氢系统与质子交换膜燃料电池系统之间有着绝对的互补优势，因此，以液氢为燃料的质子交换膜燃料电池发电系统可以具有高集成度、高效率、高比能量输出等诸多优点。此外，燃料电池在工作过程中需要发热，一部分热量可提供给液氢作为汽化动力，多余部分的热量需要及时散掉，考虑到航空器的工作环境特点，利用航空器飞行所产生的高速流动冷空气作为热交换的冷介质，可使整个发电系统结构更紧凑，重量更低。

发明内容

本发明目的在于提供一种以液氢为燃料的航空用燃料电池发电系统，以燃料电池工作时的自身放热作为液氢汽化的动力，以航空器外部高速流动空气作为热交换的冷介质，进而实现一个以液氢为燃料的航空用燃料电池发电系统的高效热管理。通过热管理控制实现液氢汽化速度可控，为燃料电池变工况运行提供所需氢气流量。

实现本发明目的的技术方案是：一种以液氢为燃料的航空用燃料电池发电系统，包括液氢储罐，缓冲罐，压力传感器，氢气减压器，第一水用电磁阀，氢气用电磁阀，质子交换膜燃料电池，空气泵，循环水泵，水箱，温度调节器，第二水用电磁阀，热交换器。整个系统热管理以纯净水为介质，通过循环水泵将水打入质子交换膜燃料电池，温度调节器，水箱等各个部件，在热交换器处与航空器外表面高速流动空气进行热交换，实现整个系统的热管理。循环水流经液氢储罐时，将燃料电池的热量传递给液氢使其汽化，汽化生成的氢气储存在缓冲罐内，经过氢气减压器和氢气用电磁阀进入燃料电池，与空气泵输入至燃料电池内的空气(氧气)发生电化学反应，进而实现整个系统的发电过程。

具体控制如下：