CN111162303A - 一种固体氧化物燃料电池堆、基于该固体氧化物燃料电池堆的无人机增程控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体氧化物燃料电池堆、基于该固体氧化物燃料电池堆的无人机增程控制系统及方法；该电池堆包括上封接板、下封接板，以及若干个电池单体，在相邻两个电池单体之间设置有连接件，电池单体包括自上而下依次设置的阳极集流层、单电池层、阴极集流层；该增程控制系统包括固体氧化物燃料电池模块、锂电池模块、开关稳压控制器、充电模块、并流控制模块、无人机系统和预警模块；本发明采用固体氧化物燃料电池与锂电池混合供电系统对无人机进行驱动，利用固体氧化物燃料电池系统和并流控制模块转换并最终对机载锂电池进行供电。
Description
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池及无人机技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池堆、基于该固体氧化物燃料电池堆的无人机增程控制系统及方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步，无人机技术以经广泛应用于军事和民用领域。军用无人机改变了传统的作战模式，向中继通讯、情报搜集、电子对抗和空中打击四大职能转变；民用无人机也在农林植保、电力巡检、消防救灾、气象监测、包裹派送等领域发挥着举足轻重的作用。传统无人机采用锂电池作为动力来源，续航时间短，无法进行长时间执行任务，需将无人机返航更换电池的方法来增加续航时间，这极大的降低了无人机的工作效率，也限制了无人机的进一步发展。
固体氧化物燃料电池是一种清洁的能源转化装置。采用氢气作为燃料，将氢气的化学能直接转化为电能，反应不受卡诺循环限制，转化效率高，同时反应物为水，无污染。单体固体氧化物燃料电池的工作电压通常为0.6-0.9V，可以通过将多个单体电池串联的方式构建电池堆来满足不同的功率需求。然而无人机进行在变换飞行姿势、抗湍流等工作情况时需要的较大瞬时功率，现有的固体氧化物燃料电池无法满足这一点要求，限制了其在无人机领域的进一步发展。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种固体氧化物燃料电池堆，可用于无人机。
本发明的目的之二是提供一种基于上述固体氧化物燃料电池堆的无人机增程控制系统，
本发明的目的之三是提供一种利用上述控制系统控制无人机增程的方法，
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种固体氧化物燃料电池堆，包括平行设置的上封接板和下封接板，以及若干个依次层叠的位于两个封接板之间的电池单体，在相邻两个电池单体之间设置有连接件，所述电池单体包括自上而下依次设置的阳极集流层、单电池层、阴极集流层，所述单电池层的制备过程如下：
(1)将阳极材料、电解质材料和造孔剂按6:4:2的质量比例混合，球磨24小时，经干燥后得到所需阳极初级粉体，采用流延成型或挤出成型的方式将阳极初级粉体制成阳极支撑体素坯，在空气气氛中1200℃烧结10小时，得到复合阳极平板型支撑体，所述造孔剂为淀粉；
(2)采用丝网印刷法或流延成型方式将电解质材料均匀涂覆在步骤(1)中制备的复合阳极平板型支撑体上，并于空气气氛中1400℃烧结10小时，得到阳极-电解质支撑半电池；
(3)在阴极材料中加入含10wt％乙基纤维素的松油醇，松油醇与阴极材料质量比为1：2，混合球磨12小时后，得到阴极浆料，采用丝网印刷方式将所制备阴极浆料均匀涂覆在步骤(2)中制备的阳极-电解质支撑半电池上，并于空气气氛中1000℃烧结5小时，得到平板状的固体氧化物燃料单电池。
优选的，所述阳极材料为氧化镍。
优选的，所述电解质为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、Ce0.8Gd0.2O1.9(GDC)、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)中的一种。
优选的，所述阴极材料为La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)、(La0.75Sr0.25)0.95MnO3(LSM)、PrBaCo2O5+δ(PBC)中的一种。
优选的，所述连接件为SUS430材质。
优选的，所述阳极集流层为泡沫镍，所述阴极集流层为银网。
本发明还提供一种基于上述固体氧化物燃料电池堆的无人机增程控制系统，包括固体氧化物燃料电池模块、锂电池模块、开关稳压控制器、充电模块、并流控制模块、、无人机系统和预警模块；
所述的固体氧化物燃料电池模块包括固体氧化物燃料电池堆、预重整器、后燃室和控制模块，所述预重整器内部设有电加热器，所述控制模块包括若干个温度传感器、气体流量计和气压传感器，所述固体氧化物燃料电池堆的阳极入口依次连接气体流量计、预重整器、温度传感器、气压传感器，所述固体氧化物燃料电池堆的阴极入口连接热交换器，所述后燃室的入口连接所述固体氧化物燃料电池堆的尾气输出端，所述后燃室的出口连接所述热交换器，
所述的锂电池模块包括锂电池A和锂电池B，所述锂电池A与预重整器电连接，所述的并流控制模块为一双输入单输出的三端口直流变换器，所述直流变换器的输入口分别连接所述固体氧化物燃料电池堆、锂电池B，直流变换器的输出口连接所述无人机系统，所述固体氧化物燃料电池堆另一输出端依次连接所述开关稳压控制器、充电模块和锂电池模块，所述预警模块与无人机系统连接。
本发明还提供利用上述控制系统控制无人机增程的方法，包括以下步骤：
将乙醇燃料与水蒸气按比例混合通入预重整器中进行重整，通过气体流量计监控燃料气的流速，同时锂电池模块中的锂电池A对预重整器进行加热升温，通过温度传感器、分别监控燃料气和空气的温度，通过气压传感器监控燃料气的压力，使燃料气达到固体氧化物燃料电池工作要求；
重整后的燃料气进入固体氧化物燃料电池堆的阳极侧，同时，空气经热交换器预热后进入固体氧化物燃料电池堆的阴极侧，固体氧化物燃料电池堆进行发电，产生的尾气在后燃室中燃烧，将燃烧产生的热量经过热交换器与空气进行热交换，交换热量之后的空气继续通入固体氧化物燃料电池的阴极；
固体氧化物燃料电池堆未工作时，锂电池B驱动无人机的启停，固体氧化物燃料电池堆启动工作时，产生的电量一方面驱动无人机工作，另一方面对锂电池模块进行充电，固体氧化物燃料电池堆模块、锂电池模块通过直流交换器进行切换，以适配不同的工作环境要求；预警模块对无人机在工作过程中出现的故障问题进行及时反馈，发出预警信号，避免无人机突然停止工作。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明采用固体氧化物燃料电池与锂电池混合供电系统对无人机进行驱动，利用固体氧化物燃料电池系统和并流控制模块转换并最终对机载锂电池进行供电。本发明解决了无人机充电时需将电池卸下后再连接适配器充电的不便，提高了无人机的使用效率。
附图说明
图1是本发明实施例的一种用于无人机的固体氧化物燃料电池堆的三维示意图。
图中，1-上封接板；2-阳极集流层；3-单电池层；4-阴极集流层；5-连接件；6-下封接板。
图2是本发明实施例的固体氧化物燃料电池模块的结构示意图。
图中，7-燃料气进气口；8-气体流量计；9-预重整器；10-电加热器；11-锂电池A；12-温度传感器；13-气压传感器；14-固体氧化物燃料电池堆；15-后燃室；16-热交换器；17-空气进气口；18-尾气排出口。
图3是基于固体氧化物燃料电池堆的无人机增程控制系统图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明的一种固体氧化物燃料电池堆，包括平行设置的上封接板1和下封接板6，以及若干个依次层叠的位于两个封接板之间的电池单体，在相邻两个电池单体之间设置有连接件5，所述电池单体3包括自上而下依次设置的阳极集流层2、单电池层3、阴极集流层4，所述单电池层3的制备过程如下：
(1)将阳极材料NiO、电解质材料YSZ(GDC、LSGM)和造孔剂按6:4:2的质量比例混合，在行星式球磨机上混合球磨24小时，经干燥后得到所需阳极初级粉体，采用流延成型或挤出成型的方式将阳极初级粉体制成阳极支撑体素坯，在空气气氛中1200℃烧结10小时，得到NiO-YSZ(NiO-GDC、NiO-LSGM)复合阳极平板型支撑体，所述造孔剂为淀粉；
(2)采用丝网印刷法或流延成型方式将电解质材料均匀涂覆在步骤(1)中制备的复合阳极平板型支撑体上，并于空气气氛中1400℃烧结10小时，得到阳极-电解质支撑半电池；
(3)在阴极材料LSM(LSCF、PBC)中加入含10wt％乙基纤维素的松油醇，松油醇与阴极材料质量比为1：2，混合球磨12小时后，得到阴极浆料，采用丝网印刷方式将所制备阴极浆料均匀涂覆在步骤(2)中制备的阳极-电解质支撑半电池上，并于空气气氛中1000℃烧结5小时，得到平板状的固体氧化物燃料单电池。
将五个上述制得的固体氧化物燃料单体电池与连接件(SUS430材质)5、阳极集流层(泡沫镍)2、阴极集流层(银网)4以及上连接板1、下连接板6采用热压的方式，构建成尺寸为5cm×5cm的平板型固体氧化物燃料单体电池堆。
实施例2
本发明还提供一种基于上述固体氧化物燃料电池堆的无人机增程控制系统，包括固体氧化物燃料电池模块、锂电池模块、开关稳压控制器、充电模块、并流控制模块、、无人机系统和预警模块。
如图2所示，所述的固体氧化物燃料电池模块包括固体氧化物燃料电池堆14、预重整器9、后燃室15和控制模块，所述预重整器9内部设有电加热器10，所述控制模块包括若干个温度传感器12、气体流量计8和气压传感器13，所述固体氧化物燃料电池堆14的阳极入口依次连接气体流量计8、预重整器9、一温度传感器12、气压传感器13，所述固体氧化物燃料电池堆14的阴极入口依次连接热交换器16、一温度传感器12，所述后燃室15的入口连接所述固体氧化物燃料电池堆14的尾气输出端，所述后燃室15的出口连接所述热交换器16。固体氧化物燃料电池反应温度是影响能量转换效率和电池寿命的重要因素之一，电池堆在工作过程中要实时对电池堆系统的工作温度进行监测。在固体氧化物燃料电池堆系统中将温度传感器埋于电堆系统中，与外部的温度输出系统相连，可以实时监测电池堆内部的温度。在燃料供应系统中加入气压传感器13与气体流量计8，可以实时监测供应反应气体的压力与流速。
SOFC的性能要求如下：燃料气流速应小于100ml/min，工作过程中，燃料的泄露量应小于燃料反应量的1％；
SOFC的预设功率过载率为120％～150％；
SOFC的启动时间为小于2min，关机时间为小于3min；
在SOFC额定输出功率下，其电效率为大于60％，工作阈值为30％～60％；所述充电上限阈值为70％～90％。
所述的锂电池模块包括锂电池A11和锂电池B，所述锂电池A11与预重整器9电连接。锂电池A、锂电池B为10Ah/48V的无人机专用动力锂电池。
如图3所示，所述的并流控制模块为一双输入单输出的三端口直流变换器，所述直流变换器的输入口分别连接固体氧化物燃料电池堆、锂电池B，直流变换器的输出口连接无人机系统。固体氧化物燃料电池和锂电池两种不同直流电源作为输入端接入直流变换器，然后输出接入无人机负载。
固体氧化物燃料电池堆另一输出端依次连接开关稳压控制器、充电模块和锂电池模块。固体氧化物燃料电池输出的电压范围较广，若将固体氧化物燃料电池模块直接与锂电池模块相连，为锂电池充电，则会造成锂电池模块由于过大电流充电而导致的鼓包现象，降低锂电池的工作寿命。通过开关稳压控制器来调节固体氧化物燃料电池的输出电压与电流大小，以匹配系统中锂电池所需要的额定电压及电流，提高整个系统的稳定性及寿命。
所述预警模块与无人机系统连接，无人机在工作过程中若出现过热、电流过大等问题时，预警模块能够及时对出现的问题进行反馈，避免出现突然停止工作的状况。
利用上述控制系统控制无人机增程的方法，包括以下步骤：
将乙醇燃料与水蒸气按比例混合后从燃料气进气口7通入预重整器9中进行重整，通过气体流量计8监控燃料气的流速，同时锂电池模块中的锂电池A11对预重整器9进行加热升温，通过温度传感器12、分别监控燃料气和空气的温度，通过气压传感器13监控燃料气的压力，使燃料气达到固体氧化物燃料电池工作要求；
重整后的燃料气进入固体氧化物燃料电池堆14的阳极侧，同时，从空气进气口17通入的空气经热交换器16预热后进入固体氧化物燃料电池堆14的阴极侧，固体氧化物燃料电池堆14进行发电，产生的尾气在后燃室15中燃烧，燃烧产生的热量经过热交换器16与空气进行热交换，交换热量之后的空气继续通入固体氧化物燃料电池堆14的阴极；
固体氧化物燃料电池堆未工作时，锂电池B驱动无人机的启停，固体氧化物燃料电池堆启动工作，产生的电量一方面驱动无人机工作，另一方面对锂电池模块进行充电，固体氧化物燃料电池堆模块、锂电池模块通过直流交换器进行切换，以适配不同的工作环境要求；预警模块对无人机在工作过程中出现的故障问题进行及时反馈，发出预警信号，避免无人机突然停止工作。
无人机在启动和爬升模式下，负载功率可达额定功率数倍，固体氧化物燃料电池对快速变化的负载响应速度缓慢，难以及时提供需求功率，锂电池功率密度高，可以补充固体氧化物燃料电池不足的部分，满足无人机负载所需瞬时功率。
无人机在巡航模式下，负载功率变化缓慢，固体氧化物燃料电池能够及时提供能量，此时锂电池作辅助电源工作。无人机处于该工作模式下，固体氧化物燃料电池输出功率和需求功率大致相当，锂电池基本上不进行充放电操作。
无人机在载荷减小、降落等情况下，负载需求功率小于固体氧化物燃料电池额定输出功率，此时固体氧化物燃料电池为无人机提供能量的同时视情况为锂电池充电。
以多旋翼无人机为例，固体氧化物燃料电池的额定输出功率不小于无人机负载的平均需求功率(3kW)，否则锂电池可能将一直处于放电状态；
无人机在启动和爬升模式下，需求功率是额定功率的数倍，固体氧化物燃料电池和锂电池输出功率之和不小于无人机最大需求功率(12kW)。
对锂电池SOC进行估算是进行能量管理的基础，本发明采用开路电压法和安时积分法相结合的方式对锂电池SOC进行估算。在系统工作前，对锂电池进行混合动力脉冲能力特性测试，取安时积分法SOC估算值和开路电压法SOC估算值的平均值来修正当前SOC值，最后将锂电池开路电压、电流、SOC等数据保存在SD卡中。
无人机在启动时，无人机配置的锂电池在短时间内将无人机电机驱动器拖动至怠速转速。
无人机怠速时，如锂电池SOC＜40％，SOFC开始工作，向锂电池充电；如锂电池SOC＞80％，充电停止。
无人机爬坡或降落时，如锂电池SOC＜50％，SOFC启动工作，向锂电池充电；如锂电池SOC＞80％，充电停止。
无人机巡航时，如锂电池SOC＜35％，启动SOFC向锂电池充电；锂电池SOC＞80％，充电停止。
以上所揭露的仅为本发明的几种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种固体氧化物燃料电池堆，包括平行设置的上封接板(1)和下封接板(6)，以及若干个依次层叠的位于两个封接板之间的电池单体，在相邻两个电池单体之间设置有连接件(5)，所述电池单体包括自上而下依次设置的阳极集流层(2)、单电池层(3)、阴极集流层(4)，其特征在于，所述单电池层(3)的制备过程如下：
(1)将阳极材料、电解质材料和造孔剂按质量比6:4:2混合，球磨24小时，经干燥后得到所需阳极初级粉体，采用流延成型或挤出成型的方式将阳极初级粉体制成阳极支撑体素坯，在空气气氛中1200℃烧结10小时，得到复合阳极平板型支撑体，所述造孔剂为淀粉；
(2)采用丝网印刷法或流延成型方式将电解质材料均匀涂覆在步骤(1)中制备的复合阳极平板型支撑体上，并于空气气氛中1400℃烧结10小时，得到阳极-电解质支撑半电池；
(3)在阴极材料中加入含10wt％乙基纤维素的松油醇，松油醇与阴极材料质量比为1：2，混合球磨12小时后，得到阴极浆料，采用丝网印刷方式将所制备阴极浆料均匀涂覆在步骤(2)中制备的阳极-电解质支撑半电池上，并于空气气氛中1000℃烧结5小时，得到平板状的固体氧化物燃料单电池。
2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述阳极材料为氧化镍。
3.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述电解质为氧化钇稳定的氧化锆、Ce0.8Gd0.2O1.9、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述阴极材料为La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ、(La0.75Sr0.25)0.95MnO3、PrBaCo2O5+δ中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述连接件(5)为SUS430材质。
6.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池堆，其特征在于，所述阳极集流层(2)为泡沫镍，所述阴极集流层(4)为银网。
7.一种基于权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆的无人机增程控制系统，其特征在于，包括固体氧化物燃料电池模块、锂电池模块、开关稳压控制器、并流控制模块、无人机系统和预警模块；
所述的固体氧化物燃料电池模块包括固体氧化物燃料电池堆(14)、预重整器(9)、后燃室(15)和控制模块，所述预重整器(9)内部设有电加热器(10)，所述控制模块包括若干个温度传感器(12)、气体流量计(8)和气压传感器(13)，所述固体氧化物燃料电池堆(14)的阳极入口依次连接气体流量计(8)、预重整器(9)、一温度传感器(12)、气压传感器(13)，所述固体氧化物燃料电池堆(14)的阴极入口依次连接热交换器(16)、一温度传感器(12)，所述后燃室(15)的入口连接所述固体氧化物燃料电池堆(14)的尾气输出端，所述后燃室(15)的出口连接所述热交换器(16)，
所述的锂电池模块包括锂电池A(11)和锂电池B，所述锂电池A(11)与预重整器(9)电连接，所述的并流控制模块为一双输入单输出的三端口直流变换器，所述直流变换器的输入口分别连接所述固体氧化物燃料电池堆、锂电池B，直流变换器的输出口连接所述无人机系统，所述固体氧化物燃料电池堆另一输出端依次连接所述开关稳压控制器、充电模块和锂电池模块，所述预警模块与无人机系统连接。
8.一种利用权利要求7所述的控制系统控制无人机增程的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将乙醇燃料与水蒸气按比例混合通入预重整器(9)中进行重整，通过气体流量计(8)监控燃料气的流速，同时锂电池模块中的锂电池A(11)对预重整器(9)进行加热升温，通过温度传感器(12)分别监控燃料气和空气的温度，通过气压传感器(13)监控燃料气的压力，使燃料气达到固体氧化物燃料电池工作要求；
重整后的燃料气进入固体氧化物燃料电池堆(14)的阳极侧，同时，空气经热交换器预热后进入固体氧化物燃料电池堆(14)的阴极侧，固体氧化物燃料电池堆(14)进行发电，产生的尾气在后燃室(15)中燃烧，燃烧产生的热量经过热交换器(16)与空气进行热交换，交换热量之后的空气继续通入固体氧化物燃料电池堆(14)的阴极；
固体氧化物燃料电池堆未工作时，锂电池B驱动无人机的启停，固体氧化物燃料电池堆启动工作时，产生的电量一方面驱动无人机，另一方面通过开关稳压控制器和充电模块对锂电池模块进行充电，固体氧化物燃料电池堆、锂电池B通过直流交换器进行切换，以适配不同的工作环境要求；预警模块对无人机在工作过程中出现的故障问题进行及时反馈，发出预警信号，避免无人机突然停止工作。
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