氢燃料电池低温自启动及温湿度控制装置和方法与流程

本发明涉及无人飞行器控制，尤其涉及一种氢燃料电池低温自启动及温湿度控制装置和方法。

背景技术：

1、目前国际上在航空领域应用的氢燃料电池有水冷和空冷两种类型，国内广泛应用的为空冷型氢燃料电池，相比于水冷型氢燃料电池，空冷型氢燃料电池具有系统单位质量功率较高，寄生重量低及寄生功耗低的优点，但在环境适应能力上有所不及。空冷型氢燃料电池的质子交换膜普遍存在低温冷启动困难及低温环境下堆芯温度维持困难的问题，由于空冷型燃料电池的质子交换膜的阴极侧在反应中会由空气中的氧气及透过膜内迁移的氢质子生成水，质子交换膜作为燃料电池的关键部件若要保持正常工作，同样需要保有一定的液态水，即为浸湿状态，低温(0℃以下)环境下，这些水极易结冰，堵塞气体流道，影响膜电极的特征尺寸，甚至导致膜破裂，发生反极现象，对氢燃料电池的正常安全使用极为不利。目前在提高空冷型氢燃料电池低温环境适应能力方面主要有以下几种办法：1、采用加热入口空气的办法，2、利用空冷型氢燃料电池产生的废热与入口空气进行热交换的办法，3、提前在阴极侧通入适量氢气使其化学能完全转变为热能从而提高堆芯温度的办法，这些方法可以在一定程度上解决空冷型氢燃料电池的低温使用问题，但存在着寄生功耗大，热交换效率较低及一定程度的危险性问题，无法长时间维持堆芯温度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种氢燃料电池低温自启动及温湿度控制装置和方法，用于解决氢燃料电池的环境适应能力差的问题。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明首先提供一种氢燃料电池低温自启动及温湿度控制装置，包括：

4、控制单元，所述控制单元用于采集储氢瓶的气体压力和氢燃料电池的温湿度，并判断所述氢燃料电池的是否满足启动条件；

5、冷热空气混合室，所述冷热空气混合室设有冷空气入口、热空气入口和混合气出口，所述冷空气入口连通外界空气，所述氢燃料电池设有氧气入口和排气口，所述混合气出口与所述氧气入口连接以为所述氢燃料电池提供混合气，所述排气口设有排气管，所述排气管背离所述排气口的一端连接于所述热空气入口；

6、排气处理室，所述排气处理室设于所述排气管上，排气处理室用于将所述氢燃料电池的排气的温湿度进行处理后送入所述冷热空气混合室；

7、第一控制阀，所述第一控制阀设于所述排气管上并通讯连接所述控制单元，所述控制单元用于控制所述排气进入所述冷热空气混合室的流量。

8、在一些实施例中，所述排气处理室设于所述排气管上，所述排气处理室包括泄放阀、气体干燥室和湿度保持室，所述气体干燥室和所述湿度保持室切换连接于所述排气管，所述泄放阀设于所述排气口处，当所述排气口的排气的温度低于第一设定值时，所述排气通过所述排气管直接进入所述冷热空气混合室；当所述排气的温度高于第二设定值时，所述泄放阀打开；当所述排气的温度位于所述第一设定值和所述第二设定值之间时，所述气体干燥室和所述湿度保持室根据所述排气的湿度进行选择性导通。

9、在一些实施例中，所述排气处理室还包括第二控制阀，所述第二控制阀通讯连接所述控制单元，所述第二控制阀用于选择性导通所述气体干燥室和湿度保持室。

10、在一些实施例中，所述排气处理室设于所述排气管上，所述排气处理室包括泄放阀、冷凝水收集装置和分支管路，所述分支管路设于所述冷凝水收集装置和所述排气口之间的所述排气管上，所述分支管路上设有待加热设备，经过所述分支管路的所述排气在经过待加热设备的换热后温度降低并进入所述冷凝水收集装置进行冷凝水收集，所述泄放阀设于所述冷凝水收集装置和所述第一控制阀之间。

11、在一些实施例中，所述分支管路和所述待加热设备分别设有多个并一一对应设置，每个所述分支管路通过第三控制阀选择性导通所述排气管。

12、在一些实施例中，所述冷空气入口设有鼓风机，所述氢燃料电池的排气口设有散热风扇，所述鼓风机和所述散热风扇均通讯连接所述控制单元。

13、本发明还提供一种氢燃料电池低温自启动及温湿度控制方法，根据上述任一实施例所述的氢燃料电池低温自启动及温湿度控制装置，所述氢燃料电池低温自启动及温湿度控制方法包括如下步骤：

14、s1，启动控制单元，控制单元采集储氢瓶的气体压力和氢燃料电池的温湿度，并判断氢燃料电池的是否满足启动条件，如果满足启动条件则执行步骤s2；

15、s2，启动所述氢燃料电池，冷热空气混合室为所述氢燃料电池提供混合气，所述储氢瓶为所述氢燃料电池提供氢气，所述氢燃料电池的排气口与所述冷热空气混合室的热空气入口直接连通；

16、s3，当所述排气口的排气的温度高于第二设定值时，所述排气口的排气经过所述排气处理室后进入所述冷热空气混合室。

17、在一些实施例中，步骤s1中，当所述储氢瓶的气体压力低于最小启动压力时，提示氢气不足；当所述气体压力高于所述最小启动压力时，所述控制单元控制所述氢燃料电池启动。

18、在一些实施例中，步骤s2中，当所述排气口的排气的温度低于第一设定值时，所述控制单元控制所述冷空气入口的流量小于所述热空气入口的流量，所述第一设定值小于所述第二设定值。

19、在一些实施例中，步骤s3中，当所述排气口的排气的温度高于所述第二设定值时，所述排气口的排气直接经泄放阀排出，或，所述排气口的排气经分支管路降温后进入冷凝水收集装置，然后进入所述冷热空气混合室。

20、本发明的有益效果：

21、本发明提供的氢燃料电池低温自启动及温湿度控制装置，通过在氢燃料电池的氧气入口和排气口之间设置冷热空气混合室和排气处理室，使得通过控制单元，可以根据储氢瓶的气体压力数据和氢燃料电池的温湿度数据来控制氢燃料电池的启动，以及控制进入氧气入口的混合气的温湿度，进而实现对氢燃料电池的启动控制和启动后的温湿度控制，氢燃料电池启动后的排气可以直接回流到冷热空气混合室进行热量回收利用，利于快速增加氢燃料电池的环境温度，进而提高氢燃料电池的低温环境适应能力和工作效率。

22、本发明提供的氢燃料电池低温自启动及温湿度控制方法，控制单元通过采集储氢瓶的气体压力对氢燃料电池的启动条件进行判断；氢燃料电池启动后，控制单元通过控制冷热空气混合室的冷空气入口流量和热空气入口流量，以及通过排气处理室对排气的温湿度进行处理，实现对氢燃料电池的温湿度控制，不增加寄生功耗和额外重量的前提下，进而从系统层面上解决氢燃料电池的环境适应能力。

技术特征：

1.氢燃料电池低温自启动及温湿度控制装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池低温自启动及温湿度控制装置，其特征在于，所述排气处理室(3)设于所述排气管(103)上，所述排气处理室(3)包括泄放阀(31)、气体干燥室(32)和湿度保持室(33)，所述气体干燥室(32)和所述湿度保持室(33)选择性连接于所述排气管(103)，所述泄放阀(31)设于所述排气口(102)处，当所述排气口(102)的排气的温度低于第一设定值时，所述排气通过所述排气管(103)直接进入所述冷热空气混合室(2)；当所述排气的温度高于第二设定值时，所述泄放阀(31)打开；当所述排气的温度位于所述第一设定值和所述第二设定值之间时，所述气体干燥室(32)和所述湿度保持室(33)根据所述排气的湿度进行选择性导通。

3.根据权利要求2所述的氢燃料电池低温自启动及温湿度控制装置，其特征在于，所述排气处理室(3)还包括第二控制阀(34)，所述第二控制阀(34)通讯连接所述控制单元(1)，所述第二控制阀(34)用于选择性导通所述气体干燥室(32)和湿度保持室(33)。

4.根据权利要求1所述的氢燃料电池低温自启动及温湿度控制装置，其特征在于，所述排气处理室(3)设于所述排气管(103)上，所述排气处理室(3)包括泄放阀(31)、冷凝水收集装置(35)和分支管路(36)，所述分支管路(36)设于所述冷凝水收集装置(35)和所述排气口(102)之间的所述排气管(103)上，所述分支管路(36)上设有待加热设备(300)，经过所述分支管路(36)的所述排气在经过所述待加热设备(300)的换热后温度降低并进入所述冷凝水收集装置(35)进行冷凝水收集，所述泄放阀(31)设于所述冷凝水收集装置(35)和所述第一控制阀(4)之间。

5.根据权利要求4所述的氢燃料电池低温自启动及温湿度控制装置，其特征在于，所述分支管路(36)和所述待加热设备(300)分别设有多个并一一对应设置，每个所述分支管路(36)通过第三控制阀(361)选择性导通所述排气管(103)。

6.根据权利要求1所述的氢燃料电池低温自启动及温湿度控制装置，其特征在于，所述冷空气入口(21)设有鼓风机(24)，所述氢燃料电池(100)的排气口(102)设有散热风扇(104)，所述鼓风机(24)和所述散热风扇(104)均通讯连接所述控制单元(1)。

7.氢燃料电池低温自启动及温湿度控制方法，其特征在于，根据权利要求1-6任一项所述的氢燃料电池低温自启动及温湿度控制装置，所述氢燃料电池低温自启动及温湿度控制方法包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的氢燃料电池低温自启动及温湿度控制方法，其特征在于，步骤s1中，当所述储氢瓶(200)的气体压力低于最小启动压力时，提示氢气不足；当所述气体压力高于所述最小启动压力时，所述控制单元(1)控制所述氢燃料电池(100)启动。

9.根据权利要求7所述的氢燃料电池低温自启动及温湿度控制方法，其特征在于，步骤s2中，当所述排气口(102)的排气的温度低于第一设定值时，所述控制单元(1)控制冷空气入口(21)的流量小于所述热空气入口(22)的流量，所述第一设定值小于所述第二设定值。

10.根据权利要求7所述的氢燃料电池低温自启动及温湿度控制方法，其特征在于，步骤s3中，当所述排气口(102)的排气的温度高于所述第二设定值时，所述排气口(102)的排气直接经泄放阀(31)排出，或，所述排气口(102)的排气经分支管路(36)降温后进入冷凝水收集装置(35)，然后进入所述冷热空气混合室(2)。

技术总结
本发明属于无人飞行器控制技术领域，公开了一种氢燃料电池低温自启动及温湿度控制装置和方法。氢燃料电池低温自启动及温湿度控制装置包括控制单元、冷热空气混合室、排气处理室和第一控制阀，氢燃料电池设有氧气入口和排气口，控制单元能够采集储氢瓶的气体压力和氢燃料电池的温湿度，并判断氢燃料电池的是否满足启动条件；冷热空气混合室的冷空气入口连通外界空气，混合气出口与氧气入口连接，热空气入口和排气口之间设有排气管，排气处理室设于排气管上；第一控制阀设于排气管上并通讯连接控制单元。本发明在不增加寄生功耗和额外重力的前提下，能够对氢燃料电池的工作环境进行温湿度调节控制，进而提高氢燃料电池的环境适应能力。

技术研发人员：邹慧,刘越,李豹,刘天立,雍军,姬长成,窦晓军,吴见,孙宁,刘淑磊,王庆涵,李阳,李世亮,张毅,蒋楠,刘明林,孙磊
受保护的技术使用者：国网智能科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/23