CN111268144B - 一种安全高效的长航时无人机氢燃料电池动力装置 - Google Patents

一种安全高效的长航时无人机氢燃料电池动力装置 Download PDF

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Abstract

一种安全高效的长航时无人机氢燃料电池动力装置，包括燃料电池堆、氢气供气系统、空气供气系统、氢气回收系统、电力回收系统和燃料电池堆控制器。所述的燃料电池电动自行车动力系统将上述系统和部件采用集成装配，用可编程控制器控制整个燃料电池动力系统的气体(氢气、氧气)供应、氢气回收和燃料电池动力系统功率输出的控制。本发明利用水电解模块分流功率，使无人机在返航的降落段、拉平段、着陆段和滑跑段，氢燃料电池始终保持稳定输出，避免了氢燃料电池功率波动带来的水管理失衡。本发明提供一种简单的安全高效的长航时无人机氢燃料电池动力装置，有效地降低了水管理的难度，提高无人机的安全性和飞行时间。

Description

一种安全高效的长航时无人机氢燃料电池动力装置
技术领域
本发明专利涉及一种安全高效的长航时无人机氢燃料电池动力装置，属于燃料电池技术和无人机动力技术领域。
背景技术
无人机是一种由动力驱动的无人驾驶的航空器，在军事侦察、勘测、防火、救灾等多个领域有广泛的应用。目前的中大型无人机多采用以航空煤(汽)油为燃料的内燃机作为动力，但是内燃机噪声巨大、结构复杂、以及有害气体排放等缺点，在环保和维护上大大制约了其在民用领域的应用范围。小微型无人机则多以锂电池为动力，但能量密度过低，无法满足无人机长航时的需求。氢燃料电池则兼具上述内燃机和锂电池的优点，质量能量密度高、效率高、无热信号、无污染等优势，满足各种类型无人机的长航时需求，将成为未来无人机的首选动力。
氢燃料电池在使用过程中，时刻变化的负载增加了电堆内的水管理难度，一旦水失去平衡，氢燃料电池的效率和输出功率将大幅度降低，最终危害无人机和地面人员设备的安全，同时降低氢燃料电池使用寿命，增加运营成本。特别是在无人机返航的降落段、拉平段、着陆段和滑跑段，发动机功率一般为零，常用的做法是控制气阀，降低氢气的供给量，使氢燃料电池保持降低的功率输出。此时若无人机需要复飞或规避障碍，突然增大的负载会使氢燃料电池的水管理失控风险增加；同时气阀的调节存在一定的迟滞，无法及时调整无人机飞行状态。因此，利用氢燃料电池为动力若兼顾安全和高效，则要求无人机在使用过程中的任何阶段，氢燃料电池须保持稳定的负载。
本发明将氢燃料电池模块、供气系统、水电解模块、氢气循环系统、燃料电池堆控制器和电动机整合一体，提供一种安全高效的长航时无人机氢燃料电池动力装置，有效降低了水管理的难度，提高氢燃料电池的使用寿命，延长无人机的飞行时间，提高无人机的安全性。
发明内容
为了提高氢燃料电池作为无人机唯一动力的安全性和高效性,本发明专利提供一种简单的安全高效的长航时无人机(包括固定翼无人机、旋转翼无人机和无人飞艇)氢燃料电池动力装置，关键在于降低氢燃料电池的水管理难度的同时，提高氢气的利用率。
本发明专利通过加入水电解模块用于动态接收电能，达到在氢燃料电池输出稳定的条件下，快速控制流向直流电机的电能。
本发明专利的技术解决方案是：一种安全高效的长航时无人机氢燃料电池动力装置，由供气系统、氢燃料电池模块、水电解模块、氢气回收系统、控制器模块和直流电机组成，控制器模块通过导线将全系统中的用电设备和蓄电池连接，通过CAN总线与氢燃料电池模块相连接；通过管道分别连接供气系统、氢燃料电池模块、水电解模块和氢气回收系统；氢气回收系统通过管道连接氢燃料电池模块的氢气进气端。
在系统启动过程中，控制器模块启动后，分配蓄电池的电能为供气系统供电，氢燃料电池开始产生电能并稳定运行后，控制器为所有用电设备分配电能。在无人机返航的降落段、拉平段、着陆段和滑跑段需要将直流电机的功率降低为0，控制器直接将氢燃料电池的电能切换至水电解器，再控制减压阀降低氢气供气，可保持氢燃料电池的工作参数保持稳定；上述过程中若需复飞或规避障碍物，则利用控制器将电能切回至直流电机，再控制减压阀增加氢气供气，因氢燃料电池的工作参数保持稳定，直流电机的响应迅速。
本发明专利的优点或有益效果是：复飞或规避障碍物过程中，氢燃料电池的工作参数保持稳定，内部水管理难度降低，电能输出不容易失效；直流电机响应迅速，可显著提高无人机的安全性；利用水电解器消耗部分电能，并再生部分氢气，可最大程度节省燃料，提高无人机航程和飞行时间。
附图说明
图1为本发明专利的长航时无人机氢燃料电池动力装置的整体结构示意图；
图2为本发明专利的长航时无人机氢燃料电池动力装置的供气系统；
图3为本发明专利的长航时无人机氢燃料电池动力装置的氢燃料电池模块；
图4为本发明专利的长航时无人机氢燃料电池动力装置的水电解模块；
图5为本发明专利的长航时无人机氢燃料电池动力装置的氢气回收系统；
图6为本发明专利的长航时无人机氢燃料电池动力装置的控制器模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。参见附图1-6，本发明专利的长航时无人机氢燃料电池动力装置的整体结构示意图由图1给出：它由供气系统101、氢燃料电池模块102、水电解模块103、氢气回收系统104、控制器模块105和直流电机21组成，其特征是控制器模块105通过导线将全系统中的用电设备和蓄电池20连接，通过CAN总线18与氢燃料电池模块102相连接；通过管道分别连接供气系统101、氢燃料电池模块102、水电解模块103和氢气回收系统104；氢气回收系统104通过管道连接氢燃料电池模块102。
图2描述供气系统101的供气和控制过程，该供气系统分为氢气供气和空气供气。氢气供气通过管道分别连接碳纤维气瓶1、减压阀2和氢气流量计3，再与氢燃料电池模块102中的氢气进口22相连；空气供气则通过管道连接增压空气泵5和空气流量计6，再与氢燃料电池模块102中的空气进口23相连。控制过程是：氢气流量计3和空气流量计6通过导线向控制器19反馈气体实测流量信号，控制器19再分别通过调节减压阀2的开闭和增压空气泵5转速调控氢气和空气的供给。
图3描述氢燃料电池模块102的发电和排气过程，氢气由氢气进口22进入到氢燃料电池7参与化学反应，产生的水和未反应的氢气则通过氢气出口24排放到水电解模块103进行水气分离和氢气回收；空气由空气进口23进入到氢燃料电池7参与化学反应，产生的水和未反应的空气则通过空气出口25排放到水电解模块103进行水气分离。氢燃料电池7产生的电能以及温度、气体压力、电压、电流、湿度等参数通过CAN总线连接到控制器19上，进行进一步的电能分配和供气状态调整。
图4描述水电解模块103的水气处理，水电解模块103由空气端水气分离器8、氢气端水气分离器9、储水罐10、水电解器11和水气分离器12组成。工作过程中，空气端水气分离器8将分离的水排入储水罐10，并排出分离出的空气；氢气端水气分离器9将分离的水排入储水罐10，分离出的氢气沿管道流向氢气回收系统104；水电解器11电解制得的氧气排出，制得的氢气沿管道流向水气分离器12；水气分离器12将分离的水排出，分离出的氢气沿管道流向氢气回收系统104。
图5描述氢气回收系统104的回收氢气过程，通过氢燃料电池7未反应的氢气通过水气分离处理后，经由止逆阀15和流量计16到达辅助增压泵17；通过水电解器11产生的氢气则经由止逆阀13和流量计14到达辅助增压泵17；辅助增压泵17再将两股氢气通过程序控制增压后，优先通过氢气进口22进入到氢燃料电池7中。
图6描述控制器模块105的电能分配原理，控制器19为PLC控制器，可根据测量的参数，通过内置控制程序，调控分配减压阀2、增压空气泵5、水电解器11、辅助增压泵17和直流电机21的电能。在系统启动过程中，控制器模块105启动后，分配蓄电池20的电能为供气系统供电，氢燃料电池7开始产生电能并稳定运行后，控制器19为所有用电设备分配电能。在无人机返航的降落段、拉平段、着陆段和滑跑段需要将直流电机21的功率降低为0，控制器19直接将氢燃料电池7的电能切换至水电解器11，再控制减压阀2降低氢气供气，可保持氢燃料电池7的工作参数保持稳定；上述过程中若需复飞或规避障碍物，则利用控制器将电能切回至直流电机21，再控制减压阀2增加氢气供气，因氢燃料电池7的工作参数保持稳定，直流电机21的响应迅速。

Claims (6)

1.一种安全高效的长航时无人机氢燃料电池动力装置，由供气系统（101）、氢燃料电池模块（102）、水电解模块（103）、氢气回收系统（104）、控制器模块（105）和直流电机（21）组成，其特征在于，氢燃料电池模块（102）通过管道分别连接供气系统（101）、水电解模块（103）和氢气回收系统（104）；氢气回收系统（104）通过管道连接氢燃料电池模块（102），控制器模块（105）通过导线将全系统中的用电设备和蓄电池（20）连接，控制器模块（105）通过CAN总线（18）与氢燃料电池模块（102）相连接；蓄电池（20）的电能为供气系统供电，并启动氢燃料电池（7），氢燃料电池（7）开始产生电能并稳定运行后，控制器（19）为所有用电设备分配电能，供气系统（101）供气系统分为氢气供气和空气供气，氢气供气由碳纤维气瓶（1）、减压阀（2）、氢气流量计（3）、增压空气泵（5）和空气流量计（6）组成，碳纤维气瓶（1）通过管道依次连接减压阀（2）和氢气流量计（3）再与氢燃料电池模块（102）中的氢气进口（22）相连，空气供气则通过管道连接增压空气泵（5）和空气流量计（6），再与氢燃料电池模块（102）中的空气进口（23）相连，氢燃料电池模块（102）由氢燃料电池（7）、氢气进口（22）、空气进口（23）、氢气出口（24）和空气出口（25）组成，氢气由氢气进口（22）进入到氢燃料电池（7）参与化学反应，产生的水和未反应的氢气则通过氢气出口（24）排放到水电解模块（103）进行水气分离和氢气回收；空气由空气进口（23）进入到氢燃料电池（7）参与化学反应，产生的水和未反应的空气则通过空气出口（25）排放到水电解模块（103）进行水气分离，氢燃料电池（7）参数通过CAN总线连接到控制器（19）上，进行进一步的电能分配和供气状态调整。
2.根据权利要求1所述的电池动力装置，其特征在于，水电解模块（103）由空气端水气分离器（8）、氢气端水气分离器（9）、储水罐（10）、水电解器（11）和水气分离器（12）组成，所述的空气端水气分离器（8）通过管路将分离的水排入储水罐（10），分离出的空气排出；所述的氢气端水气分离器（9）通过管路将分离的水排入储水罐（10），分离出的氢气沿管道流向氢气回收系统（104）；所述的水电解器（11）和储水罐（10）相连，水电解器（11）电解制得的氧气排出，制得的氢气沿管道流向水气分离器（12），水气分离器（12）将分离的水排出，分离出的氢气沿管道流向氢气回收系统（104）。
3.根据权利要求1所述的电池动力装置，其特征在于，氢气回收系统（104）由第一止逆阀（13）、第一流量计（14）、第二止逆阀（15）、第二流量计（16）和辅助增压泵（17）组成，水气分离器（12）通过制得的氢气依次经由第一止逆阀（13）和第一流量计（14）到达辅助增压泵（17），氢燃料电池（7）未反应的氢气通过氢气端水气分离器（9）处理后，依次经由第二止逆阀（15）和第二流量计（16）到达辅助增压泵（17）辅助增压泵（17）再将两股氢气通过程序控制增压后，优先通过氢气进口（22）进入到氢燃料电池（7）中。
4.根据权利要求1所述的电池动力装置，其特征在于，控制器模块（105）由CAN总线（18）、控制器（19）和蓄电池（20）组成。
5.根据权利要求4所述的电池动力装置，其特征在于，所述CAN总线（18）用于向控制器（19）传输氢燃料电池（7）的温度、气体压力、电压、电流、湿度参数和电能。
6.根据权利要求5所述的电池动力装置，其特征在于，所述的控制器（19）为PLC控制器，通过CAN总线（18）连接氢燃料电池（7），通过导线分别连接减压阀（2）、增压空气泵（5）、水电解器（11）、辅助增压泵（17）和直流电机（21），根据测量的参数，通过内置控制程序，调控分配减压阀（2）、增压空气泵（5）、水电解器（11）、辅助增压泵（17）和直流电机（21）的电能。
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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
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Granted publication date: 20210615

Termination date: 20220218