[发明专利]一种适用于高空作业的燃料电池系统

说明书

本发明提供了一种适用于高空作业的燃料电池系统，属于燃料电池技术领域，解决了现有装置应用于高空作业时能源转换效率过低的问题。该系统包括氧气分离器、空压机、调节阀、循环装置、电堆和控制器。氧气分离装置的氧气出口经空压机与调节阀的输入端一连接，其氮气出口与调节阀的输入端二连接；电堆的空气入口与调节阀的输出端连接，空气尾气出口经循环装置接其空气入口。控制器，启动后先对氧气分离装置执行加热以快速制备氧气，再启动空压机，并根据当前时刻的大气压力控制调节阀达到匹配开度，然后启动循环装置，在空气尾气压力达到设定值后，关闭调节阀的输入端二，以保证入堆气体的氧分压始终超过设定分压。该系统能够适合多种场景下的能源应用。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种适用于高空作业的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池系统是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的装置。其通常包含电堆和外围的氢气、空气、冷却设备等零部件。而电堆进一步包括质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、双极板等，由于1片的理论电压为1.23 V，其通常通过几百片并联实现大功率输出。

目前，燃料电池系统主要应用于氢能燃料电池汽车中。氢能燃料电池汽车是一种具有广阔发展应用前景的新能源汽车，具有加氢时间短、续驶里程长等诸多优点。

而燃料电池系统应用于飞机等高空场景中，由于高空空气稀薄，需要非常大的压缩比才能将空气压缩到燃料电池反应所需的压力，这将导致燃料电池的效率非常低。氧分压是燃料电池内部反应的关键参数，而空气中79%的氮气并不参与反应。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种适用于高空作业的燃料电池系统，用以解决现有装置应用于高空作业时能源转换效率过低的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种适用于高空作业的燃料电池系统，包括氧气分离装置（3）、空压机（2）、调节阀（9）、循环装置（8）、电堆（5）和控制器（10）；其中，

氧气分离装置（3）的氧气出口经空压机（2）与调节阀（9）的输入端一连接，其氮气出口与调节阀（9）的输入端二连接；电堆（5）的空气入口与调节阀（9）的输出端连接，空气尾气出口经循环装置（8）接其所述空气入口；

控制器（10），用于启动后先对氧气分离装置（3）执行加热以快速制备氧气，再启动空压机（2），并根据当前时刻的大气压力控制调节阀（9）达到匹配的开度，然后启动循环装置（8），在电堆（5）的空气尾气压力达到设定值后，关闭调节阀（9）的输入端二，以保证入堆气体的氧分压始终超过设定分压。

上述技术方案的有益效果如下：提供了一种适用于高空作业（飞机等）的燃料电池系统，即使在电堆空气侧氧气压力较低的情况下，依然可以保证较高的反应效率，例如，通常情况下，燃料电池系统空气侧的压力为200kPa，氧分压大概为42kPa，因此在高空中只需要将分离后的氧气压缩到42kPa，就可以与常规的燃料电池系统相当，能够有效降低空压机的功率。

基于上述系统的进一步改进，所述氧气分离装置（3）中的高透膜采用含钡钙钛矿氧化物材质。

进一步，所述控制器（10）进一步包括：

数据采集单元，用于获取当前时刻的大气压力、空气尾气压力，发送至数据处理与控制单元；

数据处理与控制单元，用于启动后先对氧气分离装置（3）执行加热至设定温度以快速制备氧气，再启动空压机（2），并根据当前时刻的大气压力控制调节阀（9）达到设定开度，然后启动循环装置（8），在电堆（5）的空气尾气压力达到设定值后，关闭调节阀（9）的输入端二，以保证入堆气体的氧分压始终超过设定分压。

进一步，所述数据采集单元进一步包括：

温度传感器，设于氧气分离装置（3）内部，用于获取氧气分离装置（3）内环境温度；

空气流量计（1），设于氧气分离装置（3）的入口处，用于获取获取当前时刻空气的瞬时流量；