分布式空冷燃料电池系统和航天器技术方案

本申请公开了一种分布式空冷燃料电池系统和航天器，该系统包括：储氢模块、燃料电池模块、电控模块和第一温度传感器，其中，第一温度传感器用于监测系统的环境温度；储氢模块用于向燃料电池模块供给低压力氢气；燃料电池模块包括至少三个采用串并联方式连接的空冷氢燃料电池，每个电池包括第二温度传感器和转速及转向可调型风扇；电控模块包括控制器，位于系统的中心，控制器用于根据环境温度调节每个风扇的转向，并根据每个电池的运行温度和发电功率对风扇的转速进行闭环控制。该系统结合内电池的环境特性及自身的热管理需求对风扇进行多目标闭环转速控制，并根据环境温度的控制风扇转向，提高了系统整体的发电输出效率。提高了系统整体的发电输出效率。提高了系统整体的发电输出效率。

【技术实现步骤摘要】
分布式空冷燃料电池系统和航天器


[0001]本申请涉及质子交换膜燃料电池
，尤其涉及一种分布式空冷燃料电池系统和航天器。

技术介绍

[0002]目前，空冷型氢燃料电池系统以其高质量功率密度、零污染和长续航等优势在航空航天等多个领域的应用日益广泛。在无人机等航天器中，由于空冷燃料电池动力系统在布局方面要与航天器的机舱相匹配，因此受制于空间布局及气体流动特性通常采用多堆串并联的分布式布置方式，并通过空冷燃料电池的热管理系统监测环境温度及电堆温度，并结合固态储氢散热及功率调节等因素对空冷燃料电池进行散热控制。
[0003]相关技术中，空冷燃料电池的热管理系统通常是采用风扇进行实际散热控制，根据环境温度及电堆温度调节各个风扇的转速，实现对系统内不同区域的散热。比如，公开号为CN103401004A的相关专利中公开了根据电池的工作温度对风扇的转速进行控制，以及根据环境温度对风扇的转向进行控制。然而，由于分布式空冷燃料电池安装在机舱内的不同位置,实际运行中环境温度及气流差异明显，采用上述方式简单的以环境温度或电堆温度进行风扇转速调节会导致各个电堆实际进气量存在差异，从而导致各支路电堆发电能力不一致，使系统无法达到最佳运行工况，影响系统整体稳定输出,降低系统运行效率。

技术实现思路

[0004]本申请的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
[0005]为此，本申请的第一个目的在于提出一种分布式空冷燃料电池系统。该系统结合内部各燃料电池子模块的安装环境特性及电池自身的热管理需求，对风扇进行多目标闭环转速控制，实现燃料电池系统整体的高效输出，并通过锂电池的热管理需求与环境温度的监测，控制风扇转向，实现动力系统整体温度的综合管理，解决了分布式空冷燃料电池动力系统在实际运行中由于环境差异导致的各子单元发电效率差异过大，影响系统整体稳定输出的问题。
[0006]本申请的第二个目的在于提出一种航天器。
[0007]为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种分布式空冷燃料电池系统，该系统包括：储氢模块、燃料电池模块、电控模块和第一温度传感器，其中，所述储氢模块、所述燃料电池模块和所述电控模块相互连接，所述第一温度传感器与所述电控模块连接以向所述电控模块传输监测数据,所述第一温度传感器，用于监测分布式空冷燃料电池系统的环境温度；所述储氢模块，用于向所述燃料电池模块供给低压力氢气；所述燃料电池模块，包括至少三个采用串联和/或并联方式连接的空冷氢燃料电池，每个所述空冷氢燃料电池包括至少一个第二温度传感器和至少一个转速及转向可调型
风扇，所述第二温度传感器用于监测对应的空冷氢燃料电池的运行温度；所述电控模块，包括至少一个控制器，所述电控模块位于所述燃料电池模块的中心，所述控制器用于根据所述环境温度调节每个所述风扇的转向，并根据每个所述空冷氢燃料电池运行状态下的温度偏差和功率偏差，对相应的风扇的转速进行闭环控制。
[0008]另外，本申请实施例的分布式空冷燃料电池系统还具有如下附加的技术特征：可选地，在一些实施例中，电控模块还包括至少一个锂电池，所述控制器具体用于：在所述环境温度处于预设范围内时，控制每个所述风扇正转，以使空气由所述中心向四周流动，所述预设范围是预设的低温阈值与高温阈值之间的温度范围；在所述环境温度低于低温阈值时，控制每个所述风扇反转，以使空气由四周向所述中心流动。
[0009]可选地，在一些实施例中，控制器具体用于：根据每个所述空冷氢燃料电池所处的位置和周边空气流动区域，为每个所述空冷氢燃料电池建立对应的空气流动模型；根据所述空气流动模型计算不同风扇转速下通过对应的所述空冷氢燃料电池的空气计量比；根据所述空气流动模型确定对应的所述空冷氢燃料电池的运行功率范围，并基于目标载荷分配每个所述空冷氢燃料电池的目标发电功率。
[0010]可选地，在一些实施例中，控制器还用于：根据任一空冷氢燃料电池的目标发电功率确定对应的空气计量比下的风扇基础转速；计算任一空冷氢燃料电池的运行温度与所述任一空冷氢燃料电池的目标发电功率对应的最佳运行温度之间的所述温度偏差，根据所述温度偏差对所述任一空冷氢燃料电池的风扇的转速进行第一闭环转速控制；在所述温度偏差低于预设的温度偏差阈值时，计算所述任一空冷氢燃料电池当前的发电功率与目标发电功率之间的所述功率偏差，并判断所述功率偏差是否高于预设的功率偏差阈值；在所述功率偏差高于所述功率偏差阈值时，对所述任一空冷氢燃料电池的风扇的转速进行第二闭环转速调节。
[0011]可选地，在一些实施例中，电控模块还包括稳压器和变压配电器，所述稳压器和所述变压配电器集成设置在一个配电箱中，其中，所述稳压器，用于匹配所述燃料电池模块与负载端间的电压；所述变压配电器，用于向所述分布式空冷燃料电池系统中的电气零部件提供匹配的电压。
[0012]可选地，在一些实施例中，锂电池具体用于：在所述分布式空冷燃料电池系统启动前辅助供电，并且在载荷升高速率大于预设的速率阈值时补充供电。
[0013]可选地，在一些实施例中，储氢模块具体用于：将氢气转换为固态后存储，或者将氢气压缩后存储。
[0014]可选地，在一些实施例中，每个所述空冷氢燃料电池还包括：至少一个压力传感器，其中，所述压力传感器，用于监测氢气进入对应的空冷氢燃料电池时的进气压力。
[0015]可选地，在一些实施例中，该系统还包括：至少一个氢气浓度传感器，其中，所述氢气浓度传感器，用于监测所述分布式空冷燃料电池系统所处环境中的氢气浓度；所述控制器具体用于：根据所述氢气浓度和所述进气压力判断所述储氢模块是否漏氢，在确定所述储氢模块漏氢时，控制所述储氢模块关闭，并在控制每个所述风扇进行预设时间的吹扫后，控制所述分布式空冷燃料电池系统下电停机。
[0016]本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：氢燃料电池采用分布式布置，最大程度利用既有空间，锂电池位于各分布式燃料
电池的中心。根据环境温度调节燃料电池风扇的转向，一方面实现低温环境条件下的燃料电池发热量充分利用，另一方面，实现锂电池及电控系统在高温下的协助散热。
[0017]基于分布式燃料电池环境的差异性建立空气流动模型，依据各模块最佳运行范围进行载荷分解，提升燃料电池系统可靠性及氢电转化效率。
[0018]依据燃料电池发电功率偏差与最佳工作温度偏差双目标闭环调节风扇转速，实现各个燃料电池持续高效运行，提升系统整体功率响应精度，提高了系统整体的发电输出效率。
[0019]为实现上述目的，本专利技术第二方面实施例提出了一种航天器，包括如上述实施例所述的分布式空冷燃料电池系统。
[0020]本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
[0021]本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本申请实施例提出的一种分布式空冷燃料电池系统的结构示意图；图2为本申本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分布式空冷燃料电池系统，其特征在于，包括：储氢模块、燃料电池模块、电控模块和第一温度传感器，其中，所述储氢模块、所述燃料电池模块和所述电控模块相互连接，所述第一温度传感器与所述电控模块连接以向所述电控模块传输监测数据,所述第一温度传感器，用于监测分布式空冷燃料电池系统的环境温度；所述储氢模块，用于向所述燃料电池模块供给低压力氢气；所述燃料电池模块，包括至少三个采用串联和/或并联方式连接的空冷氢燃料电池，每个所述空冷氢燃料电池包括至少一个第二温度传感器和至少一个转速及转向可调型风扇，所述第二温度传感器用于监测对应的空冷氢燃料电池的运行温度；所述电控模块，包括至少一个控制器，所述电控模块位于所述燃料电池模块的中心，所述控制器用于根据所述环境温度调节每个所述风扇的转向，并根据每个所述空冷氢燃料电池运行状态下的温度偏差和功率偏差，对相应的风扇的转速进行闭环控制。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电控模块还包括至少一个锂电池，所述控制器具体用于：在所述环境温度处于预设范围内时，控制每个所述风扇正转，以使空气由所述中心向四周流动，所述预设范围是预设的低温阈值与高温阈值之间的温度范围；在所述环境温度低于所述低温阈值时，控制每个所述风扇反转，以使空气由四周向所述中心流动。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器具体用于：根据每个所述空冷氢燃料电池所处的位置和周边空气流动区域，为每个所述空冷氢燃料电池建立对应的空气流动模型；根据所述空气流动模型计算不同风扇转速下通过对应的所述空冷氢燃料电池的空气计量比；根据所述空气流动模型确定对应的所述空冷氢燃料电池的运行功率范围，并基于目标载荷分配每个所述空冷氢燃料电池的目标发电功率。4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制器还用于：根据任一空冷氢燃料电池的目标发电功率确定对应的空气计量比下的风扇基础转速；计算所述任一空冷氢燃料电...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙振兴，韩立勇，吕希，曹博凯，胡黎花，杨子骁，高博一，李欢，曾琪钊，陈平，李从心，
申请(专利权)人：国家电投集团氢能科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：