CN112038665B - 一种无人机用燃料电池组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机用燃料电池组，包括无人机，无人机的内部设置有电池存放腔室，电池存放腔室的侧壁固定连接有弹簧，电池存放腔室的内部设置有燃料电池，燃料电池的内部的一端设置有正极板，正极板的另一侧设置有气体扩散层，气体扩散层的另一侧设置有催化剂层，催化剂层的另一侧设置有质子交换膜，质子交换膜的另一侧设置有负极板，无人机的顶部固定连接有支撑座，支撑座的内部镶嵌有电动机，电动机的顶部固定连接有固定块，固定块的两侧固定连接有螺旋桨；该一种无人机用燃料电池组通过设置螺旋桨下方的散热孔，可以达到对无人机的散热的作用。
Description
技术领域
本发明涉及能源技术领域，具体为一种无人机用燃料电池组。
背景技术
随着燃料电池技术的发展，燃料电池的应用越来越广，燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高; 另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料；同时没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。当前，一些型号的无人机已经采用燃料电池为电机和其它电子设备供电，燃料电池在给无人机供电时，其散热性能并不是很好；且现在的无人机并没有给燃料电池设置有保护装置。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种无人机用燃料电池组，以达到灵敏度高、信息采集度较佳的目的。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括无人机，所述无人机的内部设置有电池存放腔室，所述电池存放腔室的侧壁固定连接有弹簧，所述电池存放腔室的内部设置有燃料电池，所述燃料电池的内部的一端设置有正极板，所述正极板的另一侧设置有气体扩散层，所述气体扩散层的另一侧设置有催化剂层，所述催化剂层的另一侧设置有质子交换膜，所述质子交换膜的另一侧设置有负极板，所述无人机的顶部固定连接有支撑座，所述支撑座的内部镶嵌有电动机，所述电动机的顶部固定连接有固定块，所述固定块的两侧固定连接有螺旋桨，所述无人机靠近支撑座的一侧贯穿设置有散热孔。
作为本发明的优选技术方案，所述电池存放腔室的内径尺寸与燃料电池的外表面尺寸相匹配，所述燃料电池插接在电池存放腔室的内部。
作为本发明的优选技术方案，所述弹簧的数量有若干组，且呈线性等间距分布，所述弹簧的一端与电池存放腔室的侧壁固定连接，所述弹簧的另一端与燃料电池的前端面活动连接。
作为本发明的优选技术方案，所述燃料电池的内部两端分别为正极板与负极板，所述正极板靠近负极板之间依次设置有气体扩散层、催化剂层与质子交换膜。
作为本发明的优选技术方案，所述气体扩散层与催化剂层的数量有两组，且均关于质子交换膜对称，所述催化剂层的内部填充有Pt／C载体型催化剂，所述质子交换膜的材质为全氟磺酸质子膜。
作为本发明的优选技术方案，所述燃料电池与电动机电性连接，所述支撑座的形状为中空管状，所述电动机固定连接在支撑座的内部，所述电动机的输出端贯穿延伸出支撑座的外部与固定块的中心处固定连接，所述螺旋桨的数量有两组，且对称分布在固定块的两侧。
作为本发明的优选技术方案，所述散热孔的数量有若干组，且呈弧形分布在螺旋桨的正下方。
在一实施例中，还包括：
燃料电池组消耗氢气费用计算模块，用于计算燃料电池组在预设周期中的消耗氢气的费用；
第一控制模块，与所述燃料电池组消耗氢气费用计算模块连接，用于接收所述燃料电池组消耗氢气费用计算模块计算的燃料电池组在预设周期中的消耗氢气的费用并判断是否大于预设消耗氢气费用，在确定消耗氢气费用大于预设消耗氢气费用时，控制燃料电池组处于节能模式且发出报警提示；
所述计算燃料电池组在预设周期中的消耗氢气费用，包括：
计算燃料电池组在使用过程中对氢气的利用效率
：
其中，T为预设周期；M为利用的氢气的摩尔质量；k为燃料电池组在使用过程中氢气的充满系数；U为燃料电池组在预设周期内的平均电压；n为单个氢气分子在化学反应时转移的电子数量；F为法拉第常数；R为燃料电池组的电阻，m为燃料电池组中燃料的质量；
根据燃料电池组在使用过程中对氢气的利用效率
，计算燃料电池组在预设周期
中的消耗氢气费用S：
其中，Q为氢气的单价；N为燃料电池组中包括的燃料电池的组数；P i 为燃料电池组中第i个燃料电池的有效利用氢气量。
在一实施例中，还包括：
获取模块，设置在所述电动机上，用于获取所述电动机的转速信号及当前转速下的声音信号及振动强度信号；
报警模块，设置在所述无人机的外部；
第二控制模块，分别与所述获取模块、报警模块连接，用于：
接收所述获取模块获取的当前转速下的声音信号及振动强度信号；将当前转速下的声音信号通过快速傅里叶变换为频域声音信号并进行信号分割成N个子频域声音信号，对N个子频域声音信号进行解析，得到N个声音能量值；将当前转速下的振动强度信号通过快速傅里叶变换为频域振动强度信号并进行信号分割，分割成与N个子频域声音信号对应的N个子频域振动强度信号，对N个子频域振动强度信号进行解析，得到N个振动强度值；
将当前转速下的一声音能量值与一振动强度值分别与预设声音能量阈值及预设振动强度阈值进行比较，在确定声音能量值大于预设声音能量阈值且振动强度值大于预设振动强度阈值时，标记为报警点；
统计所有报警点的个数，在确定报警点的个数大于预设个数时，表示电动机发生故障，控制所述报警模块发出报警提示。
与现有技术相比，本发明提供了一种无人机用燃料电池组，具备以下有益效果：首先将燃料电池放置在电池存放腔室的内部，其侧板固定连接的弹簧将把燃料电池固定在电池存放腔室，其弹簧能够有效的防止了燃料电池与外壳的剧烈撞击；燃料电池通过利用质子交换膜技术，使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下，在正极板将氢气催化分解成为质子，这些质子通过质子交换膜到达负极板，在氢气的分解过程中释放出电子，电子通过负载被引出到负极板，这样就产生了电能，所产生的电能输送到电动机，然后电动机将带动螺旋桨旋转，从而带动无人机飞行，因其螺旋桨正下方设置有散热孔，可通过螺旋桨产生的风力为无人机进行散热，从而提高无人机的散热能力。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明燃料电池结构示意图；
图3为本发明电动机与螺旋桨结构示意图；
图4为本发明散热孔结构示意图；
图5为本发明一实施例的无人机用燃料电池组的框图；
图6为本发明又一实施例的无人机用燃料电池组的框图。
图中：1、无人机；2、电池存放腔室；3、弹簧；4、燃料电池；5、正极板；6、气体扩散层；7、催化剂层；8、质子交换膜；9、负极板；10、支撑座；11、电动机；12、固定块；13、螺旋桨；14、散热孔；15、燃料电池组消耗氢气费用计算模块；16、第一控制模块；17、获取模块；18、报警模块；19、第二控制模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本实施方案中：包括无人机1，无人机1的内部设置有电池存放腔室2，电池存放腔室2的侧壁固定连接有弹簧3，电池存放腔室2的内部设置有燃料电池4，6-HKW-105HD，燃料电池4的内部的一端设置有正极板5，正极板5的另一侧设置有气体扩散层6，气体扩散层6的另一侧设置有催化剂层7，催化剂层7的另一侧设置有质子交换膜8，质子交换膜8的另一侧设置有负极板9，无人机1的顶部固定连接有支撑座10，支撑座10的内部镶嵌有电动机11，其型号为PC-FF-130SHV-15165，电动机11的顶部固定连接有固定块12，固定块12的两侧固定连接有螺旋桨13，无人机1靠近支撑座10的一侧贯穿设置有散热孔14。
本实施例中，电池存放腔室2的内径尺寸与燃料电池4的外表面尺寸相匹配，燃料电池4插接在电池存放腔室2的内部，燃料电池4设置有无人机1的内部；弹簧3的数量有若干组，且呈线性等间距分布，弹簧3的一端与电池存放腔室2的侧壁固定连接，弹簧3的另一端与燃料电池4的前端面活动连接，通过弹簧3能够有效的防止了燃料电池4与外壳之间的碰撞；燃料电池4的内部两端分别为正极板5与负极板9，正极板5靠近负极板9之间依次设置有气体扩散层6、催化剂层7与质子交换膜8，燃料电池4的内部结构；气体扩散层6与催化剂层7的数量有两组，且均关于质子交换膜8对称，催化剂层7的内部填充有Pt／C载体型催化剂，质子交换膜8的材质为全氟磺酸质子膜，利用质子交换膜8技术，使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜8作用下，在阳极将氢气催化分解成为质子，这些质子通过质子交换膜8到达阴极，在氢气的分解过程中释放出电子，电子通过负载被引出到阴极，从而产生了电能；燃料电池4与电动机11电性连接，支撑座10的形状为中空管状，电动机11固定连接在支撑座10的内部，电动机11的输出端贯穿延伸出支撑座10的外部与固定块12的中心处固定连接，螺旋桨13的数量有两组，且对称分布在固定块12的两侧，通过燃料电池4产生的电力，来带动电动机11旋转；散热孔14的数量有若干组，且呈弧形分布在螺旋桨13的正下方，通过螺旋桨13产生的风力，给无人机1进行散热。
本发明的工作原理及使用流程：首先将燃料电池4放置在电池存放腔室2的内部，其侧板固定连接的弹簧3把燃料电池4固定在电池存放腔室2，其弹簧3能够有效的防止了燃料电池4与外壳的剧烈撞击；燃料电池4通过利用质子交换膜8技术，使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜8作用下，在正极板5将氢气催化分解成为质子，这些质子通过质子交换膜8到达负极板9，在氢气的分解过程中释放出电子，电子通过负载被引出到负极板9，这样就产生了电能，所产生的电能输送到电动机11，然后电动机11将带动螺旋桨13旋转，从而带动无人机1飞行，因其螺旋桨13正下方设置有散热孔14，可通过螺旋桨13产生的风力为无人机1进行散热，从而提高无人机1的散热能力。
如图5所示，在一实施例中，还包括：
燃料电池组消耗氢气费用计算模块15，用于计算燃料电池组在预设周期中的消耗氢气的费用；
第一控制模块16，与所述燃料电池组消耗氢气费用计算模块15连接，用于接收所述燃料电池组消耗氢气费用计算模块15计算的燃料电池组在预设周期中的消耗氢气的费用并判断是否大于预设消耗氢气费用，在确定消耗氢气费用大于预设消耗氢气费用时，控制燃料电池组处于节能模式且发出报警提示；
所述计算燃料电池组在预设周期中的消耗氢气费用，包括：
计算燃料电池组在使用过程中对氢气的利用效率
：
其中，T为预设周期；M为利用的氢气的摩尔质量；k为燃料电池组在使用过程中氢气的充满系数；U为燃料电池组在预设周期内的平均电压；n为单个氢气分子在化学反应时转移的电子数量；F为法拉第常数；R为燃料电池组的电阻，m为燃料电池组中燃料的质量；
根据燃料电池组在使用过程中对氢气的利用效率
，计算燃料电池组在预设周期
中的消耗氢气费用S：
其中，Q为氢气的单价；N为燃料电池组中包括的燃料电池的组数；P i 为燃料电池组中第i个燃料电池的有效利用氢气量。
上述技术方案的工作原理及有益效果：通过燃料电池组消耗氢气费用计算模块15计算燃料电池组在预设周期中的消耗氢气费用，在确定消耗氢气费用大于预设消耗氢气费用时，表示在预设周期中燃料电池组消耗氢气费用增加，使燃料电池组处于节能模式，降低氢气的损耗。同时发出报警提示对燃料电池组进行及时查看，避免因燃料电池组的故障导致的氢气消耗费用增加的问题。预设周期可以是1h，本发明对此不作限定；节能模式可以延长相应燃料电池的使用寿命，在保证无人机飞行的同时，减少能源的损耗，降低成本，提高用户体验。燃料电池组在产生电能的过程中对氢气进行有效利用，通过利用的氢气的摩尔质量、燃料电池组在使用过程中氢气的充满系数、燃料电池组在预设周期内的平均电压等保证计算出的燃料电池组在使用过程中对氢气的利用效率的准确性，进而准确计算出燃料电池组在预设周期中的消耗氢气费用，提高判断消耗氢气费用与预设消耗氢气费用大小的准确性，进而进行合理的规划燃料电池组的工作模式，提高燃料电池组的安全性及可靠性，在节约能源的基础上，保证无人机的飞行时长。有效利用氢气量为燃料电池在产生电能时实际有效利用的氢气量。
如图6所示，在一实施例中，还包括：
获取模块17，设置在所述电动机11上，用于获取所述电动机11的转速信号及当前转速下的声音信号及振动强度信号；
报警模块18，设置在所述无人机的外部；
第二控制模块19，分别与所述获取模块17、报警模块18连接，用于：接收所述获取模块17获取的当前转速下的声音信号及振动强度信号；将当前转速下的声音信号通过快速傅里叶变换为频域声音信号并进行信号分割成N个子频域声音信号，对N个子频域声音信号进行解析，得到N个声音能量值；将当前转速下的振动强度信号通过快速傅里叶变换为频域振动强度信号并进行信号分割，分割成与N个子频域声音信号对应的N个子频域振动强度信号，对N个子频域振动强度信号进行解析，得到N个振动强度值；
将当前转速下的一声音能量值与一振动强度值分别与预设声音能量阈值及预设振动强度阈值进行比较，在确定声音能量值大于预设声音能量阈值且振动强度值大于预设振动强度阈值时，标记为报警点；
统计所有报警点的个数，在确定报警点的个数大于预设个数时，表示电动机11发生故障，控制所述报警模块18发出报警提示。
上述技术方案的工作原理及有益效果：通过获取模块17获取所述电动机11的转速信号及当前转速下的声音信号及振动强度信号，第二控制模块19将当前转速下的声音信号通过快速傅里叶变换为频域声音信号并进行信号分割成N个子频域声音信号，对N个子频域声音信号进行解析，得到N个声音能量值；进行解析前还包括对N个子频域声音信号进行声音去噪处理，使得得到的子频域声音信号更加清晰准确，消除噪声的影响，计算出的声音能量值更加准确。第二控制模块19还用于将当前转速下的振动强度信号通过快速傅里叶变换为频域振动强度信号并进行信号分割，分割成与N个子频域声音信号对应的N个子频域振动强度信号，对N个子频域振动强度信号进行解析，得到N个振动强度值；通过将声音信号及振动强度信号分别转换为频域声音信号及频域振动强度信号，可以减少计算量，保证计算的准确性。将当前转速下的一声音能量值与一振动强度值分别与预设声音能量阈值及预设振动强度阈值进行比较，在确定声音能量值大于预设声音能量阈值且振动强度值大于预设振动强度阈值时，标记为报警点，在确定声音能量值大于预设声音能量阈值且振动强度值大于预设振动强度阈值时更能准确确定出电动机11的异常点，避免误判；统计所有报警点的个数，在确定报警点的个数大于预设个数时，表示电动机11发生故障，控制所述报警模块18发出报警提示，使得无人机的控制人员及时采取相应的策略，控制无人机安全降落，避免无人机发生撞毁等事故，提高无人机的安全性，减少损失，同时无人机时间故障自动报警，提高维修及时性，节约了对故障的检查时间，提高用户体验。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种无人机用燃料电池组，其特征在于：包括无人机（1），所述无人机（1）的内部设置有电池存放腔室（2），所述电池存放腔室（2）的侧壁固定连接有弹簧（3），所述电池存放腔室（2）的内部设置有燃料电池（4），所述燃料电池（4）的内部的一端设置有正极板（5），所述正极板（5）的另一侧设置有气体扩散层（6），所述气体扩散层（6）的另一侧设置有催化剂层（7），所述催化剂层（7）的另一侧设置有质子交换膜（8），所述质子交换膜（8）的另一侧设置有负极板（9），所述无人机（1）的顶部固定连接有支撑座（10），所述支撑座（10）的内部镶嵌有电动机（11），所述电动机（11）的顶部固定连接有固定块（12），所述固定块（12）的两侧固定连接有螺旋桨（13），所述无人机（1）靠近支撑座（10）的一侧贯穿设置有散热孔（14）；
还包括：
获取模块（17），设置在所述电动机上，用于获取所述电动机的转速信号及当前转速下的声音信号及振动强度信号；
报警模块（18），设置在所述无人机的外部；
第二控制模块（19），分别与所述获取模块（17）、报警模块（18）连接，用于：
接收所述获取模块（17）获取的当前转速下的声音信号及振动强度信号；将当前转速下的声音信号通过快速傅里叶变换为频域声音信号并进行信号分割成N个子频域声音信号，对N个子频域声音信号进行解析，得到N个声音能量值；将当前转速下的振动强度信号通过快速傅里叶变换为频域振动强度信号并进行信号分割，分割成与N个子频域声音信号对应的N个子频域振动强度信号，对N个子频域振动强度信号进行解析，得到N个振动强度值；
将当前转速下的一声音能量值与一振动强度值分别与预设声音能量阈值及预设振动强度阈值进行比较，在确定声音能量值大于预设声音能量阈值且振动强度值大于预设振动强度阈值时，标记为报警点；
统计所有报警点的个数，在确定报警点的个数大于预设个数时，表示电动机发生故障，控制所述报警模块（18）发出报警提示。
2.根据权利要求1所述的一种无人机用燃料电池组，其特征在于：所述电池存放腔室（2）的内径尺寸与燃料电池（4）的外表面尺寸相匹配，所述燃料电池（4）插接在电池存放腔室（2）的内部。
3.根据权利要求1所述的一种无人机用燃料电池组，其特征在于：所述弹簧（3）的数量有若干组，且呈线性等间距分布，所述弹簧（3）的一端与电池存放腔室（2）的侧壁固定连接，所述弹簧（3）的另一端与燃料电池（4）的前端面活动连接。
4.根据权利要求1所述的一种无人机用燃料电池组，其特征在于：所述燃料电池（4）的内部两端分别为正极板（5）与负极板（9），所述正极板（5）靠近负极板（9）之间依次设置有气体扩散层（6）、催化剂层（7）与质子交换膜（8）。
5.根据权利要求1所述的一种无人机用燃料电池组，其特征在于：所述气体扩散层（6）与催化剂层（7）的数量有两组，且均关于质子交换膜（8）对称，所述催化剂层（7）的内部填充有Pt／C载体型催化剂，所述质子交换膜（8）的材质为全氟磺酸质子膜。
6.根据权利要求1所述的一种无人机用燃料电池组，其特征在于：所述燃料电池（4）与电动机（11）电性连接，所述支撑座（10）的形状为中空管状，所述电动机（11）固定连接在支撑座（10）的内部，所述电动机（11）的输出端贯穿延伸出支撑座（10）的外部与固定块（12）的中心处固定连接，所述螺旋桨（13）的数量有两组，且对称分布在固定块（12）的两侧。
7.根据权利要求1所述的一种无人机用燃料电池组，其特征在于：所述散热孔（14）的数量有若干组，且呈弧形分布在螺旋桨（13）的正下方。
8.根据权利要求1所述的一种无人机用燃料电池组，其特征在于：还包括：
燃料电池组消耗氢气费用计算模块（15），用于计算燃料电池组在预设周期中的消耗氢气的费用；
第一控制模块（16），与所述燃料电池组消耗氢气费用计算模块（15）连接，用于接收所述燃料电池组消耗氢气费用计算模块（15）计算的燃料电池组在预设周期中的消耗氢气的费用并判断是否大于预设消耗氢气费用，在确定消耗氢气费用大于预设消耗氢气费用时，控制燃料电池组处于节能模式且发出报警提示；
所述计算燃料电池组在预设周期中的消耗氢气费用，包括：
计算燃料电池组在使用过程中对氢气的利用效率
：
其中，T为预设周期；M为利用的氢气的摩尔质量；k为燃料电池组在使用过程中氢气的充满系数；U为燃料电池组在预设周期内的平均电压；n为单个氢气分子在化学反应时转移的电子数量；F为法拉第常数；R为燃料电池组的电阻，m为燃料电池组中燃料的质量；
根据燃料电池组在使用过程中对氢气的利用效率
，计算燃料电池组在预设周期中的
消耗氢气费用S：
其中，Q为氢气的单价；N为燃料电池组中包括的燃料电池的组数；P i 为燃料电池组中第i个燃料电池的有效利用氢气量。
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