一种适用于真空环境的燃料电池主被动热控系统

技术领域

本发明属于燃料电池热控设计领域，涉及一种适用于真空环境的燃料电池主被动热控系统。

背景技术

在宇航领域，燃料电池发电系统具有广泛应用前景，其具有高能量密度等优势。然而，在极限高低温真空环境下，燃料电池发电系统面临着温度控制的挑战。传统的压缩空气循环散热的热控方法难以在真空环境中有效实施。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种适用于真空环境的燃料电池主被动热控系统，可以有效地调节和控制燃料电池系统的温度，确保其在真空环境下稳定运行，提高系统的效率和可靠性。

本发明解决技术的方案是：

一种适用于真空环境的燃料电池主被动热控系统，包括电控单元、气管理单元、水管理单元、燃料电池电堆、换热器H1和壳体；

其中，壳体为中空腔体结构；电控单元、气管理单元、水管理单元、燃料电池电堆、换热器H1均设置在壳体的内腔中；燃料电池电堆设置在壳体的内腔的中部；电控单元设置在壳体内腔的顶部；气管理单元、水管理单元对称设置在壳体内腔的两侧内壁处；换热器H1设置在壳体内腔的底部。

在上述的一种适用于真空环境的燃料电池主被动热控系统，所述换热器H1与燃料电池电堆通过循环管路连接；换热器H1内部设置有冷却剂；冷却剂从循环管路中的输出管路输出至燃料电池电堆；并通过输入管路从燃料电池电堆流回换热器H1。

在上述的一种适用于真空环境的燃料电池主被动热控系统，在输出管路上设置有泵M1，提供对冷却剂在循环管路流动的驱动力；在输入管路上设置温度传感器T1，实现对燃料电池电堆温度的监控。

在上述的一种适用于真空环境的燃料电池主被动热控系统，换热器H1的上表面与气管理单元和水管理单元接触，电控单元的下表面与气管理单元和水管理单元接触，实现换热器H1对气管理单元、水管理单元和电控单元的温度控制；通过温度传感器T1的监测，换热器H1实现将电控单元、气管理单元、水管理单元、燃料电池电堆的温度控制在50℃以上。

在上述的一种适用于真空环境的燃料电池主被动热控系统，所述燃料电池电堆的工作过程为：

气管理单元向燃料电池电堆提供气体，燃料电池电堆对气体进行氧化还原反应，生成电能和水；将电能输出至电控单元进行供电；将水输出至水管理单元存储；电控单元实时监控燃料电池电堆的工作状态。

在上述的一种适用于真空环境的燃料电池主被动热控系统，壳体顶部的上表面喷涂SR107热控涂层。

在上述的一种适用于真空环境的燃料电池主被动热控系统，壳体顶部的下表面循环布置热管。

在上述的一种适用于真空环境的燃料电池主被动热控系统，壳体的周向侧壁设置多层隔热组件；所述隔热组件采用双面镀铝薄膜和涤纶网组成。

在上述的一种适用于真空环境的燃料电池主被动热控系统，当热控系统处于光照环境时，通过SR107热控涂层减少热吸收，同时通过多层隔热组件减少热传递。

在上述的一种适用于真空环境的燃料电池主被动热控系统，当热控系统处于非光照环境时，通过SR107热控涂层降低热辐射散热速率，同时通过多层隔热组件降低传导热损失。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明引入被动热控手段，在光照区采用低吸收低发射热控涂层和多层隔热组件，有效减少系统因光照区和阴影区环境转换带来的温度变化；

(2)本发明结合燃料电池产生的热量，采取主动热控手段，在阴影区实现系统的保温；

(3)本发明通过组合应用被动热控和主动热控手段，实现对真空环境下燃料电池系统的精确温度控制，提高系统的效率和可靠性。

附图说明

图1为本发明燃料电池主被动热控系统示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供了一种适用于真空环境的燃料电池主被动热控系统，解决了真空环境下燃料电池发电系统热控存在的问题。通过在光照区和阴影区采用被动热控手段和主动热控手段结合方式，可以有效地调节和控制燃料电池系统的温度，确保其在真空环境下稳定运行，提高系统的效率和可靠性。

适用于真空环境的燃料电池主被动热控系统，如图1所示，具体包括电控单元、气管理单元、水管理单元、燃料电池电堆、换热器H1和壳体。其中，壳体为中空腔体结构；电控单元、气管理单元、水管理单元、燃料电池电堆、换热器H1均设置在壳体的内腔中；燃料电池电堆设置在壳体的内腔的中部；电控单元设置在壳体内腔的顶部；气管理单元、水管理单元对称设置在壳体内腔的两侧内壁处；换热器H1设置在壳体内腔的底部。

本发明中，换热器H1与燃料电池电堆通过循环管路连接；换热器H1内部设置有冷却剂；冷却剂从循环管路中的输出管路输出至燃料电池电堆；并通过输入管路从燃料电池电堆流回换热器H1。

在输出管路上设置有泵M1，提供对冷却剂在循环管路流动的驱动力；在输入管路上设置温度传感器T1，实现对燃料电池电堆温度的监控。换热器H1的上表面与气管理单元和水管理单元接触，电控单元的下表面与气管理单元和水管理单元接触，实现换热器H1对气管理单元、水管理单元和电控单元的温度控制；通过温度传感器T1的监测，换热器H1实现将电控单元、气管理单元、水管理单元、燃料电池电堆的温度控制在50℃以上。

燃料电池电堆的工作过程为：

气管理单元向燃料电池电堆提供气体，燃料电池电堆对气体进行氧化还原反应，生成电能和水；将电能输出至电控单元进行供电；将水输出至水管理单元存储；电控单元实时监控燃料电池电堆的工作状态。

在壳体外壁上的涂层设计：

壳体顶部的上表面喷涂SR107热控涂层。壳体顶部的下表面循环布置热管。壳体的周向侧壁设置多层隔热组件；所述隔热组件采用双面镀铝薄膜和涤纶网组成。

当热控系统处于光照环境时，通过SR107热控涂层减少热吸收，同时通过多层隔热组件减少热传递。当热控系统处于非光照环境时，通过SR107热控涂层降低热辐射散热速率，同时通过多层隔热组件降低传导热损失。

本发明在光照环境中采用低吸收低发射热控涂层，以减少热吸收。在采用多层隔热组件中以减少热传递。使用可调节的反射层或遮光装置，在必要时阻挡光线进入光照区，以进一步减少热吸收。

本发明在阴影环境中采用低吸收低发射热控涂层时，降低阴影区热辐射散热速率。在采用多层隔热组件中以降低传导热损失。燃料电池主要在阴影区工作发电，发电同时产生的废热采用高效的热交换器，通过流体循环实现热量传递和控制实现系统保温。

燃料电池主要在阴影区工作发电，发电同时产生的废热，通过泵M1将冷却剂在电堆和集成式微通道换热器H1内回路之间热交换，集成式微通道换热器H1外回路与气管理单元、水管理单元、电控之间通过热管实现循环，循环过程采用集成式微通道换热器H1与系统气管理单元、水管理单元和电控进行热交换，实现电堆、气管理单元和水管理单元温度50℃以上。

全系统热控整合设计整体热控系统，集成光照区和阴影区的热控手段，实现全系统的温度平衡和稳定。引入多传感器网络，监测不同区域的温度分布，实时反馈到控制单元进行调控。利用先进的控制算法和模型预测，根据环境条件和负载需求，优化热控策略，提高能源利用效率。结合远程监控和远程控制技术，实现对燃料电池发电系统的远程热控和故障诊断。

通过以上的技术手段，本发明进一步完善了适用于真空环境的燃料电池主被动热控方法。通过在光照区和阴影区采用不同的热控手段，并整合全系统热控策略，可以实现对燃料电池系统的精确温度控制，提高系统的热管理能力和安全性能。具体实施方式可以根据实际需求进行调整和优化，以满足特定应用环境和要求。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。