CN103094591B - 应用于浮空器的可再生燃料电池的高效储气系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于浮空器的可再生燃料电池的高效储气系统，本发明充分利用浮空器内部巨大的体积，利用两只相互独立的气囊储存参与燃料电池反应的氢气和氧气，提高了气体的储存重量效率，减少了储气过程中的能量消耗，提高了可再生氢氧燃料电池系统的能量密度、循环效率和循环寿命。本发明利用氦气的阻燃特性，保证氢气囊和氧气囊的安全；利用气囊材料的力学性能，通过气囊的超压储气，减小气囊体积和重量，减小储气体积变化对浮空器内外压差的影响。

Description

应用于浮空器的可再生燃料电池的高效储气系统

技术领域

本发明涉及一种应用于浮空器的可再生燃料电池的高效储气系统，属于航空航天技术领域。

背景技术

太阳能浮空器是一种极具发展潜力的新型飞行器，它以太阳能为动力来源，无需携带任何燃料，理论上可以实现永久空中飞行。白天，依靠铺设于浮空器表面的光伏电池，太阳能浮空器将太阳能转化为电能，一部分电能直接供螺旋桨和机载用电设备使用，维持浮空器的正常飞行，另一部分电能储存在储能装置中，供夜间使用。能源动力系统以一天为一个循环，不需消耗任何燃料，因此太阳能浮空器具有数周至数月的超长航时。相比常规飞行器，太阳能浮空器优势明显，应用前景非常广阔。

可在生氢氧燃料电池是很理想的储能装置，其理论能量密度可达3400wh/kg，但受制于现实技术水平，特别是氢气和氧气的储存重量效率，目前其能量密度只能达到300—500wh/kg，循环效率低于50%，储能装置重量占太阳能浮空器的比重很大，导致浮空器尺寸巨大，可行性差。提高氢气和氧气的储存重量效率，对于提高可再生氢氧燃料电池的能量密度，进而减小太阳能浮空器的尺寸和重量，有着极其重要的意义。

目前普遍采用的储气装置是复合材料缠绕金属内衬储气罐，储气压力在30-70MPa之间，主要依靠铝制内衬密封气体，复合材料承受气体压力。气罐的储气重量效率很低，且反复充放气会导致金属疲劳，因此气罐的循环使用次数很有限，制约了其在超长航时飞行器上的应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种应用于浮空器的可再生燃料电池的高效储气系统，通过改变氢气和氧气的储存形式，提高储气重量效率，进而提高可再生氢氧燃料电池的能量密度、循环效率和循环寿命，减小太阳能浮空器的尺寸和体积。

一种应用于浮空器的可再生燃料电池的高效储气系统，包括连接件、氢气囊、输气管路、可再生燃料电池和氧气囊；

连接件、氢气囊、输气管路、可再生燃料电池和氧气囊均位于浮空器外壳内部，氢气囊通过连接件悬挂固定在浮空器外壳的顶部，氢气囊与浮空器外壳之间设有间隙，氧气囊通过另外一个连接件固定在外壳的底部，氢气囊通过输气管路与可再生燃料电池相连，氧气囊通过另一个输气管路与可再生燃料电池相连，浮空器外壳内部充满氦气。

本发明的优点在于：

（1）提高了储气重量效率和可再生燃料电池系统能量密度。现在一般采用高压气罐储气技术存储氢气和氧气，对于氢气的储存重量效率在7%左右。本发明的储气方式可将氢气的储存重量效率提高到20%左右。储存重量效率的增加，提高了可再生燃料电池系统的能量密度；

（2）提高了可再生燃料电池系统循环效率。现有的采用高压气罐储气技术，在将燃料电池电解水产生的氢气和氧气储存进气罐时，需对氢气和氧气加压做功，一般需加压到30—70MPa。加压过程需消耗大量的能量，降低了可再生燃料电池系统循环效率。本发明的气囊储气方式，不需对气体进行加压处理，电解水产生的氢气和氧气可以直接储存到气囊中，提高了可再生燃料电池系统循环效率；

（3）降低了储气系统的耐压要求，提高了可再生燃料电池系统可靠性和循环寿命。由于气囊采用低压储气方式，相应的输气管路的耐压要求大大降低，简化了加压和降压设备，提高了可再生燃料电池系统可靠性。高压气罐为了密封气体，采用铝制内衬，反复充放气会导致金属疲劳，因此气罐的循环使用次数很有限，而采用柔性的气囊储气则不存在该问题，使用寿命大大提高。

附图说明

图1是本发明的结构组成示意图。

图中：

1-浮空器外壳；2-连接件；3-氢气囊；4-输气管路；5-可再生燃料电池；6-氧气囊；7-浮空器尾翼。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种应用于浮空器的可再生燃料电池的高效储气系统，如图1所示，包括连接件2、氢气囊3、输气管路4、可再生燃料电池5和氧气囊6；

连接件2、氢气囊3、输气管路4、可再生燃料电池5和氧气囊6均位于浮空器外壳1内部，氢气囊3通过连接件2悬挂固定在浮空器外壳1的顶部，氢气囊3与浮空器外壳1之间设有间隙，氧气囊6通过另外一个连接件2固定在外壳1的底部，氢气囊3通过输气管路4与可再生燃料电池5相连，氧气囊6通过另一个输气管路4与可再生燃料电池5相连，浮空器外壳1内部充满氦气。

所述的氢气囊3和氧气囊6采用高强度、高阻隔、轻质柔性薄膜材料，材料可以有效阻隔气体泄漏，并承受拉应力。

所述的氢气囊3和氧气囊6采用超压储气方式，根据气囊材料的抗拉强度，适当加压所储气体，以减小气囊体积和重量，提高气囊储气重量效率。

本发明中采用两只内部气囊储存参与燃料电池反应的氢气和氧气，氢气囊3和氧气囊6分开布置，通过连接件2与浮空器外气囊1固定，氢气囊3依靠重力并通过连接件2悬挂在浮空器外壳1上部，与浮空器外壳1保持一定间距，防止互相摩擦产生静电，氢气囊3和氧气囊6中间充满氦气，可以保证安全。

本发明充分利用浮空器内部巨大的体积，利用两只相互独立的气囊储存参与燃料电池反应的氢气和氧气，提高气体的储存重量效率，减少储气过程中的能量消耗，且不存在金属疲劳问题，可提高可再生氢氧燃料电池系统的能量密度、循环效率和循环寿命。

工作过程：

氢气囊3和氧气囊6参与可再生燃料电池5的反应过程。可再生燃料电池5放电反应时，氢气囊3和氧气囊6依靠气囊的内外压差，分别将氢气和氧气通过输气管路4输入可再生燃料电池5中，参与放电反应；可再生燃料电池5电解水时，电解产生的氢气和氧气通过输气管路4分别输入氢气囊3和氧气囊6中储存起来。

氢气和氧气在可再生燃料电池5中反应，产生电能；电机将电能转化为机械能，并带动螺旋桨旋转，为浮空器提供动力。浮空器尾翼7用来保证浮空器的稳定性和操纵性。

本发明用氢气囊和氧气囊代替传统的高压储气罐，储存参与可再生燃料电池反应的氢气和氧气，具有以下特征：

1、采用氢气囊3和氧气囊6代替传统的高压储气罐，储存参与可再生燃料电池5反应的氢气和氧气。

2、氢气囊3和氧气囊6采用超压储气方式，根据气囊材料的抗拉强度，适当加压所储气体，以减小气囊体积和重量，提高气囊储气重量效率。

3、氢气囊3和氧气囊6分开布置，通过连接件2与浮空器外壳1固定，氢气囊3依靠重力并通过连接件2悬挂在浮空器外壳1上部，与浮空器外壳1保持一定间距，防止互相摩擦产生静电，氢气囊3和氧气囊6中间充满氦气，可以保证安全。

Claims (2)

1.一种应用于浮空器的可再生燃料电池的高效储气系统，包括连接件(2)、氢气囊(3)、输气管路(4)、可再生燃料电池(5)和氧气囊(6)；

连接件(2)、氢气囊(3)、输气管路(4)、可再生燃料电池(5)和氧气囊(6)均位于浮空器外壳(1)内部，氢气囊(3)通过连接件(2)悬挂固定在浮空器外壳(1)的顶部，氢气囊(3)与浮空器外壳(1)之间设有间隙，氧气囊(6)通过另外一个连接件(2)固定在外壳(1)的底部，氢气囊(3)通过输气管路(4)与可再生燃料电池(5)相连，氧气囊(6)通过另一个输气管路(4)与可再生燃料电池(5)相连，浮空器外壳(1)内部充满氦气。

2.根据权利要求1所述的一种应用于浮空器的可再生燃料电池的高效储气系统，所述的氢气囊(3)和氧气囊(6)采用高强度、高阻隔、轻质柔性薄膜材料。