CN110203406B - 一种无人机及便携式动力设备 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于无人机及便携式动力设备技术领域，公开了一种无人机及便携式动力设备。无人机包括无人机本体，无人机本体包括作为机臂的储氢罐和连接于储氢罐的动力组件，无人机还包括连接于无人机本体的燃料电池，动力组件电连接于燃料电池。便携式动力设备包括设备本体，设备本体包括作为支撑体的储氢罐和连接于储氢罐的动力组件，便携式动力设备还包括连接于设备本体的燃料电池，动力组件电连接于燃料电池。本发明所提供的一种无人机及便携式动力设备，无人机将储氢罐作为机臂成为机身的一部分，不再单独外置，提高了空间利用率，使得无人机结构简化、集成度高，实现机身轻量化，利于提高无人机的续航时间。
Description
技术领域
本发明属于无人机及便携式动力设备技术领域，尤其涉及一种无人机及便携式动力设备。
背景技术
电动多旋翼无人机由于操作简单、机动性高、成本低等优点已广泛应用于军事和民用领域，并逐步成为微小型无人机的主流类型，近年来更是广泛应用于航拍无人机，但续航里程低成为制约其应用和发展的关键因素之一。
燃料电池无人机是以燃料电池作为主要动力源的新型电动无人机,是中低空电动无人机长航时应用需求背景下最具潜力的无人机类型,已经成为当前国内外研究热点。燃料电池无人机采用氢气作为燃料，将氢气的化学能直接转化为电能，为无人机飞行提供能量，反应过程不受卡诺循环的限制，因此转化效率高，且具有零污染、低噪音、能量密度高等优点。
传统的锂电池无人机续航时间只有30分钟左右，而燃料电池无人机续航时间最高可达4小时以上。燃料电池在无人机领域的应用极大地提升了无人机的实用性并扩大了其使用范围，但如何提高续航时间仍然是本领域研究和改进的方向。
现有的燃料电池无人机都是使用单独外置的储氢罐为燃料电池供氢，这使得无人机的结构较为复杂，空间利用率较低，并且储氢罐占用的体积和重量都比较大，这与燃料电池的轻量化设计以及具有较高集成度的设计方向相悖。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供了一种无人机及便携式动力设备，无人机使用储氢罐作为无人机的机臂，储氢罐既作为储氢设备，又作为机臂使用，使无人机结构更为简便，提高了无人机空间利用率及续航时间。
本发明的技术方案是：一种无人机，包括无人机本体，所述无人机本体包括作为机臂的储氢罐和连接于所述储氢罐的动力组件，所述无人机还包括连接于所述无人机本体的燃料电池，所述动力组件电连接于所述燃料电池。
可选地，所述燃料电池为柔性燃料电池。
可选地，所述燃料电池设置于所述储氢罐的外侧。
可选地，所述燃料电池呈筒状且套于所述储氢罐的外侧。
可选地，所述动力组件包括旋翼和电机，所述电机连接于所述储氢罐，所述旋翼连接于所述电机的转轴，所述电机连接所述燃料电池。
可选地，所述燃料电池连接有DC/DC转换模块，所述电机连接有电机控制器，所述DC/DC转换模块连接于所述电机控制器。
可选地，所述储氢罐连接有调压器，所述燃料电池具有阳极、阴极和膜电极组件，所述阳极和阴极分别设置于所述膜电极组件的两侧，且所述燃料电池的阳极与所述储氢罐接触，所述燃料电池的阳极与所述调压器连接，所述燃料电池的阴极与空气接触。
可选地，所述膜电极组件包括柔性Ag纳米线渗透网络集电器，所述阴极为阴极PDMS端板，所述阳极为阳极PDMS端板，所述阴极PDMS端板具有流道，所述阴极PDMS端板和阳极PDMS端板分别通过硅密封剂连接于所述柔性Ag纳米线渗透网络集电器的两侧。
可选地，所述燃料电池包括多个串联的燃料电池单池。
本发明还提供了一种便携式动力设备，包括设备本体，所述设备本体包括作为支撑体的储氢罐和连接于所述储氢罐的动力组件，所述便携式动力设备还包括连接于所述设备本体的燃料电池，所述动力组件电连接于所述燃料电池。
本发明所提供的一种无人机及便携式动力设备，无人机将储氢罐作为机臂成为机身的一部分，不再单独外置，提高了空间利用率，使得无人机结构简化、集成度高，实现机身轻量化，利于提高无人机的续航时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种无人机的局部立体示意图；
图2是本发明实施例提供的一种无人机中储氢罐(机臂)处的平面示意图；
图3是图2中A处的剖面示意图；
图4是本发明实施例提供的一种无人机的工作流程参考示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接设置、连接，也可以通过居中元部件、居中结构间接设置、连接。
另外，本发明实施例中若有“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系的用语，其为基于附图所示的方位或位置关系或常规放置状态或使用状态，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构、特征、装置或元件必须具有特定的方位或位置关系、也不是必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。
如图1至图4所示，本发明实施例提供的一种无人机，包括无人机本体，所述无人机本体包括作为机臂的储氢罐20和连接于所述储氢罐20的动力组件10，所述无人机还包括连接于所述无人机本体的燃料电池30，所述动力组件10电连接于所述燃料电池30。即将无人机的机臂设置为储氢罐20，将储氢罐20作为机臂成为机身的一部分，不再单独外置，提高了空间利用率，使得无人机结构简化、集成度高，实现机身轻量化，利于提高无人机的续航时间。
具体地，所述动力组件10包括旋翼11和电机12，所述电机12连接于所述储氢罐20，所述旋翼11连接于所述电机12的转轴，且所述电机12电连接所述燃料电池30，燃料电池30产生的电能可以驱动电机12工作。
具体地，所述燃料电池30可为吸气式燃料电池，其可以设置于无人机本体的外侧表面。
具体地，所述燃料电池30可为柔性燃料电池，即本实施例中的燃料电池30为吸气式柔性燃料电池，其可以覆盖于无人机本体合适的表面，设置位置灵活、可设置的位置多、可设置的面积大，利于进一步增加无人机的续航能力。
具体应用中，无人机本体可包括主壳体(机身)，机臂(储氢罐20)可以设置有多个，且机臂的一端固定或可折叠式(通过可锁定的转动结构)连接于主壳体。动力组件10可以连接于机臂的另一端。具体应用中，每个机臂均可以作为储氢罐20，即每个机臂内均具有储氢内腔21，且每个机臂外侧均设置有上述吸气式柔性燃料电池。或者，也可以将其中一个或多个机臂设置为储氢罐20。每个设置为储氢罐20的机臂均具有储氢内腔21且外侧均设置有上述吸气式柔性燃料电池。具体应用中，储氢罐20可以设置有加注口，加注口处可以设置有控制阀或密封件等。
通过使用储氢罐20作为无人机的机臂，如图1、图2所示，储氢罐20连接旋翼11与机身(主壳体)，代替原有机臂使用，起到连接与支撑的作用，省掉了原本单独放置的储氢罐20及固定结构等，使无人机结构更为简单，利于减轻整体质量，提高了无人机的空间利用率，实现无人机的轻量化。
具体应用中，所述燃料电池30可设置于所述储氢罐20的外侧，即燃料电池30(吸气式柔性燃料电池)可以设置于机臂外侧，其可靠性佳，不影响。
本实施例中，所述燃料电池30呈筒状且套于所述储氢罐20的外侧。机臂(储氢罐20)的横断面可呈圆形、椭圆形、多边形等。本实施例中，机臂(储氢罐20)的横断面呈圆形，机臂(储氢罐20)呈圆管状，燃料电池30呈圆筒状套于机臂(储氢罐20)外侧，燃料电池30系统采用轻型圆筒形柔性燃料电池，其有效地利用了机臂(储氢罐20)的外部面积，且储氢罐20与燃料电池30之间连接管路短，圆筒状的吸气式柔性燃料电池卷折为圆筒状，其无尖锐折角、无应力集中，可以使吸气式柔性燃料电池的性能得以完全发挥。
具体应用中，每个机臂(储氢罐20)外侧的燃料电池30(吸气式柔性燃料电池)可包括至少一组燃料电池组，每组燃料电池组可以包括多个燃料电池单池，各燃料电池单池可以串联得到设定的电压。当燃料电池组设置有两组或两组以上时，各燃料电池组可以串联或并联。
具体应用中，各机臂(储氢罐20)外侧的燃料电池30(吸气式柔性燃料电池)可以相互独立工作，即各机臂(储氢罐20)外侧的燃料电池30(吸气式柔性燃料电池)可以连接于同一电路板，也可以通过电压控制模块连接于对应机臂(储氢罐20)的动力组件10。
具体应用中，机身(主壳体)内可以设置有储能装置，储能装置可以可充电式电池或电容，储能装置可以电连接于电路板(电机12)或/和燃料电池30。燃料电池30可以对储能装置进行充电。储能装置可以作为应急电源使用，其体积、重量可以设计为较小。储能装置还可以设置为可拆卸式，以便于用户选择是否在无人机上搭载该储能装置。储能装置可以通过插拔式连接器连接于电路板。
具体应用中，燃料电池30设置有两组或多组时，各组燃料电池30可以同时工作，也可以分组交替或先后工作。
具体地，旋翼11可位于燃料电池30上方，本实施例中，至少部分燃料电池30位于所述旋翼11转动范围的下方，将吸气式柔性燃料电池做成圆筒形并包裹在储氢罐20外与空气直接接触并发生反应，在无人机飞行过程中旋翼11产生的风力可以为燃料电池30供给一定量的空气流量和压力，并为燃料电池30散热。根据旋翼11的结构特点，在旋翼11转动时对下方空气产生压力，随旋翼11转速增大，导致燃料电池30上方空气压强增大，增强反应物气体的分压。根据能斯特方程：
其中E0为标准电极电势，R为气体常数，T为温度，n为电极反应中电子转移数，F为法拉第常数，
为生成物水的活度，
为反应物氧气与氢气的活度，
(反应物氧气与氢气的活度)的增长将导致可逆电压E的增大，使燃料电池30性能得到提升，从而利于进一步提高了无人机的续航时间或载重能力。
具体地，所述燃料电池30连接有DC/DC转换模块，所述电机12连接有电机控制器，所述DC/DC转换模块连接于所述电机控制器，DC/DC转换模块(直流/直流转换模块)可以将燃料电池30工作时产生的电压调整至设定输出值。具体应用中，电机控制器可以设置于电机12内，也可以设置于电机12外，例如设置于机臂底部或设置于主壳体内并集成于电路板上，电机控制器可以连接于电路板和电机12。主壳体内还可以设置有主控模块(主电路板)、定位芯片(例如GPS芯片等)等。
具体地，所述储氢罐20连接有调压器，调压器用于调节输出氢气的压力、流速，以控制燃料电池30的反应进而控制输出电能(电流)。所述燃料电池30具有阳极31、阴极33和膜电极组件32，所述阳极31和阴极33分别设置于所述膜电极组件32的两侧，且所述燃料电池30的阳极31与所述储氢罐20(图3中为储氢罐的侧壁)接触，所述燃料电池30的阳极31与所述调压器连接，所述燃料电池30的阴极33与空气接触。储氢罐20中的氢气经调压器调压进入阳极31，并在燃料电池30内部发生电化学反应产生电流，经过DC/DC转换器得到所需工作电压进而驱动电机12，带动无人机的旋翼11工作。
本实施例中，所述膜电极组件32包括柔性Ag纳米线渗透网络集电器，柔性Ag纳米线渗透网络集电器是一种将Ag纳米线网络涂覆在聚二甲基硅氧烷(PDMS)上制备的具有集电功能的柔性集电器，所述阴极33为阴极PDMS端板，所述阳极31为阳极PDMS端板，阳极PDMS端板和阴极PDMS端板均采用PDMS(聚二甲基硅氧烷，polydimethylsiloxane)材料制成，其柔性佳、不易燃，具有高拉伸性、耐热性、耐寒性，且黏度随温度变化小。所述阴极PDMS端板具有流道，所述阴极PDMS端板和阳极PDMS端板分别通过硅密封剂连接于所述柔性Ag纳米线渗透网络集电器的两侧。
本实施例中，柔性燃料电池采用柔性MEA(膜电极组件32)和柔性Ag纳米线(Ag NW)渗透网络集电器。传统燃料电池中的端板、流道、集电器是三个独立的部分，而柔性燃料电池将这三者制造在一个聚二甲基硅氧烷(PDMS)垫上，简化了制造工艺，并且这种柔性Ag NW渗透网络集电器取代了传统燃料电池中的石墨或金属双极板，这极大的减少了燃料电池的体积和重量，进而减轻了燃料电池无人机的整体质量，利于进一步实现轻量化设计。而且燃料电池30的柔性特性可使其适用于不同尺寸的无人机。
具体应用中，上述柔性燃料电池的制造过程可以参考如下：在分别印有阴阳极流道形状的不锈钢模具上涂覆Ag NW溶液并使其干燥，从而形成Ag NW渗透网络集电器，然后利用该模具对PDMS进行定温固化得到具有柔性Ag NW渗透网络集电器和流道的阴极PDMS端板和阳极PDMS端板；之后，使用硅密封剂将阳极PDMS端板和柔性MEA连接到阴极PDMS端板上制成柔性燃料电池单池；燃料电池堆由柔性燃料电池单池堆叠制备，通过串联连接增加总电压，并将燃料电池堆弯曲成圆筒形包裹在储氢罐20上为无人机提供动力。
本实施中，提供了一种新的燃料电池系统和结构设计应用于无人机，采用吸气式新型轻型柔性燃料电池，将其做成圆筒形嵌套在储氢罐20上，并利用储氢罐20作为机臂，达到机身轻量化、提高无人机空间利用率、提升无人机续航里程的目的。
实施例二：
本实施例提供了一种便携式动力设备，包括设备本体，所述设备本体包括作为支撑体的储氢罐和连接于所述储氢罐的动力组件，所述便携式动力设备还包括连接于所述设备本体的燃料电池，所述动力组件电连接于所述燃料电池，燃料电池可为实施例一中所述的燃料电池(吸气式燃料电池)，吸气式的燃料电池外置使电池效率提高，便携式动力设备的性能得以提升。
具体应用中，便携式动力设备可为飞行器、机器人(例如高压线缆巡检机器人、包裹分拣机器人等)，其具有机架或机臂等支撑体，支撑体可作为储氢罐。
具体地，所述动力组件包括旋翼和电机或包括驱动轮和电机等，所述电机连接于所述储氢罐。以动力组件包括旋翼和电机为例，所述旋翼连接于所述电机的转轴，所述电机电连接所述燃料电池，燃料电池产生的电能可以驱动电机工作。
具体地，所述燃料电池可为吸气式燃料电池，其可以设置于支撑体的外侧表面。
具体地，所述燃料电池可为柔性燃料电池，即本实施例中的燃料电池为吸气式柔性燃料电池，其可以覆盖于支撑体合适的表面，设置位置灵活、可设置的位置多、可设置的面积大，利于进一步增加便携式动力设备的续航能力。
实施例三：
本发明实施例还提供了一种燃料电池，可用于无人机等便携式动力设备，燃料电池可为实施例一中所述的燃料电池30，无人机可为实施例一中所述无人机。所述燃料电池30具有阳极31、阴极33和膜电极组件32，所述阳极31和阴极33分别设置于所述膜电极组件32的两侧，且所述燃料电池30的阳极31与所述储氢罐20接触，所述燃料电池30的阳极31与所述调压器连接，所述燃料电池30的阴极33与空气接触。储氢罐20中的氢气经调压器调压进入阳极31，并在燃料电池30内部发生电化学反应产生电流，经过DC/DC转换器得到所需工作电压进而驱动电机12，带动无人机的旋翼11工作。
本实施例中，所述膜电极组件32包括柔性Ag纳米线渗透网络集电器，所述阴极33为阴极PDMS端板，所述阳极31为阳极PDMS端板，阳极PDMS端板和阴极PDMS端板均采用PDMS(聚二甲基硅氧烷，polydimethylsiloxane)材料制成，其柔性佳、不易燃，具有高拉伸性、耐热性、耐寒性，且黏度随温度变化小。所述阴极PDMS端板具有流道，所述阴极PDMS端板和阳极PDMS端板分别通过硅密封剂连接于所述柔性Ag纳米线渗透网络集电器的两侧。
本实施例中，柔性燃料电池采用柔性MEA(膜电极组件32)和柔性Ag纳米线(Ag NW)渗透网络集电器。传统燃料电池中的端板、流道、集电器是三个独立的部分，而柔性燃料电池将这三者制造在一个聚二甲基硅氧烷(PDMS)垫上，简化了制造工艺，并且这种柔性Ag NW渗透网络集电器取代了传统燃料电池中的石墨或金属双极板，这极大的减少了燃料电池的体积和重量，进而减轻了燃料电池无人机的整体质量，利于进一步实现轻量化设计。
本发明实施例所提供的一种无人机及便携式动力设备，将吸气式柔性燃料电池做成与储氢罐20相匹配的圆筒形并套于储氢罐20上，将燃料电池30与储氢罐20相连，并将燃料电池30放置于无人机的旋翼11的下方，根据旋翼11的结构特点，在旋翼11转动时，旋翼11对下方空气产生压力，随旋翼11转速增大，导致燃料电池30上方空气压强增大，根据能斯特方程，可逆电压随反应物气体分压的增大而增大，进而提升无人机性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种无人机，包括无人机本体，其特征在于，所述无人机本体包括作为机臂的储氢罐和连接于所述储氢罐的动力组件，所述无人机还包括连接于所述无人机本体的燃料电池，所述动力组件电连接于所述燃料电池；所述燃料电池呈筒状且套于所述储氢罐的外侧，用于与空气直接接触并发生反应，使无人机飞行过程中旋翼产生的风力能为所述燃料电池供给空气流量和压力，并为所述燃料电池散热；
所述燃料电池至少有两组，所述燃料电池配置为能够同时工作，也能够分组交替或先后工作；所述燃料电池为柔性燃料电池。
2.如权利要求1所述的一种无人机，其特征在于，所述动力组件包括旋翼和电机，所述电机连接于所述储氢罐，所述旋翼连接于所述电机的转轴，所述电机连接所述燃料电池。
3.如权利要求2所述的一种无人机，其特征在于，所述燃料电池连接有DC/DC转换模块，所述电机连接有电机控制器，所述DC/DC转换模块连接于所述电机控制器。
4.如权利要求1所述的一种无人机，其特征在于，所述储氢罐连接有调压器，所述燃料电池具有阳极、阴极和膜电极组件，所述阳极和阴极分别设置于所述膜电极组件的两侧，且所述燃料电池的阳极与所述储氢罐接触，所述燃料电池的阳极与所述调压器连接，所述燃料电池的阴极与空气接触。
5.如权利要求4所述的一种无人机，其特征在于，所述膜电极组件包括柔性Ag纳米线渗透网络集电器，所述阴极为阴极PDMS端板，所述阳极为阳极PDMS端板，所述阴极PDMS端板具有流道，所述阴极PDMS端板和阳极PDMS端板分别通过硅密封剂连接于所述柔性Ag纳米线渗透网络集电器的两侧。
6.如权利要求1所述的一种无人机，其特征在于，所述燃料电池包括多个串联的燃料电池单池。
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