CN112455698B - 燃料电池氢气喷管混合动力系统以及应用其的无人机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种燃料电池氢气喷管混合动力无人机，涉及飞行器领域。本发明要解决无人机的长时间巡航飞行和短时间高机动性飞行兼顾的需求。该无人机包括无人机机身结构、飞行控制装置、信号传输装置、载物仓、副翼舵面、尾翼舵面和燃料电池氢气喷管混合动力系统，当无人机处于巡航状态时，无人机所需推进功率较小，氢气喷管不工作，氢气进入燃料电池电堆中发电驱动电动推进器，当无人机需要进行高机动性的飞行时，高压氢气输入引射器中，将外界的空气抽入引射器中并进行混合，混合气体通入燃烧室中，通过电打火器点燃后通过喷管喷出，为无人机提供大额推力。本发明通过将燃料电池和氢气喷管的结合，满足了无人机长航时巡航和短时间机动飞行的需求。

Description

燃料电池氢气喷管混合动力系统以及应用其的无人机系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池氢气喷管混合动力系统以及应用其的无人机系统，属于飞行器技术领域。
背景技术
燃料电池电推进飞行器作为一种清洁环保的电推进方式受到了人们的关注。以氢气作为能源的燃料电池系统相对于传统的锂电池能源具有较高的能量密度，可以为电动飞行器提供更长时间的续航，但是燃料电池动力系统的功率密度较低，无法满足飞行器高功率飞行的要求，因此人们采用了与其他动力源组成混合动力的方式为无人机提供动力。目前燃料电池混合动力系统中通常使用高功率密度的锂电池作为辅助能源，但是这种方法需要装载一块大重量能量密度较低的锂电池，减少了飞行器的有效载重，同时增加了电力系统的复杂度。
发明内容
本发明为了解决上述背景技术中提到的无人机的长时间巡航飞行和短时间高机动性飞行兼顾的需求问题，以及燃料电池电推进无人机动力系统功率密度低带来的机动性不足的问题，提出一种燃料电池氢气喷管混合动力系统以及应用其的无人机系统，使用燃料电池氢气喷管为无人机提供短时间的大功率的推动力，使无人机利用简单的结构和较轻的额外重量具备大功率飞行的能力。
本发明提出一种燃料电池氢气喷管混合动力系统，包括高压氢气瓶、截止阀、高压减压阀、分流阀、进气道、引射器、燃烧室、喷管、低压减压阀、燃料电池、直流稳压器和电动推进器，所述高压氢气瓶的出口通过截止阀与高压减压阀相连通，所述高压减压阀与分流阀相连通，所述分流阀分出两个出口分别与低压减压阀和引射器相连通，分流阀在控制系统的控制下调节两个出口的氢气流量；所述低压减压阀的出口与燃料电池的氢气入口连通，所述燃料电池与直流稳压器相连，直流稳压器输出稳压直流电为电动推进器发电，所述引射器从进气道抽吸空气与氢气混合，进入燃烧室中燃烧，通过喷管向外喷射。
优选地，所述高压氢气瓶采用铝内胆碳纤维缠绕的复合结构氢气瓶，内存有40MPa压力的氢气。
优选地，所述高压减压阀将高压氢气压力降为10MPa-30MPa。
优选地，氢气通过所述低压减压阀降压至0.05Mpa。
一种应用所述的燃料电池氢气喷管混合动力系统的无人机系统，包括无人机系统和燃料电池氢气喷管混合动力系统，所述无人机系统内安装燃料电池氢气喷管混合动力系统，作为动力系统。
优选地，所述无人机系统包括无人机机身结构、飞行控制装置、信号传输装置、载物仓、副翼舵面和尾翼舵面，所述信号传输装置与飞行控制装置连接，飞行控制装置分别与两个电动推进器、分流阀、电打火器、副翼舵面和尾翼舵面连接。
优选地，所述燃料电池为飞行控制装置和信号传输装置发电提供动力。
优选地，所述信号传输装置接收指令信号传输至飞行控制装置，飞行控制装置接收来自信号传输装置的进行燃料电池动力飞行的信号后，飞行控制装置控制开启分流阀通向燃料电池的流路，并进行流量控制，控制燃料电池工作状态，关闭分流阀通向引射器的流路，喷管不工作。
优选地，当飞行控制装置接收来自信号传输装置的进行氢气喷管动力飞行的信号后，飞行控制装置控制开启分流阀通向引射器的流路，氢气与抽吸的空气混合进入燃烧室中，飞行控制装置控制电打火器点燃燃烧室中气体，高温高压气体通过喷管做功，为无人机提供额外推力。
优选地，当需要进行小功率飞行时，飞行控制装置发出信号控制分流阀使氢气通入燃料电池中进行发电，氢气不进入引射器，当需要进行大功率飞行时，飞行控制装置发出信号控制分流阀使氢气同时通入燃料电池和引射器中，无人机进行大功率飞行。
本发明所述的燃料电池氢气喷管混合动力系统以及应用其的无人机系统的有益效果为：
1、本发明所述的燃料电池氢气喷管混合动力系统，利用氢燃料电池电推进和氢气喷管组成混合动力，使用燃料电池电推进为无人机提供高能量密度推进方案，延长无人机的续航时间，使用氢气喷管为无人机提供大功率的推进能力，补足燃料电池无人机机动性不足的问题。
2、本发明所述的燃料电池氢气喷管混合动力系统，氢气喷管推进系统利用燃料电池无人机使用的高压氢气瓶中氢气的压差能量，利用引射器引射空气完成气体混合，不需要额外的设备，结构简单轻便，额外重量小，对无人机的续航影响较小。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为本发明所述的一种燃料电池氢气喷管混合动力系统的动力系统工作原理图；
图2为本发明所述的一种应用燃料电池氢气喷管混合动力系统的无人机系统的结构示意图；
其中，1-高压氢气瓶，2-截止阀，3-高压减压阀，4-分流阀，5-进气道，6-引射器，7-燃烧室，8-喷管，9-低压减压阀，10-燃料电池，11-直流稳压器，12-电动推进器，15-无人机机身结构，16-飞行控制装置，17-信号传输装置，18-载物仓，19-副翼舵面，20-尾翼舵面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-2说明本实施方式。本实施方式所述的燃料电池氢气喷管混合动力系统，包括高压氢气瓶1、截止阀2、高压减压阀3、分流阀4、进气道5、引射器6、燃烧室7、喷管8、低压减压阀9、燃料电池10、直流稳压器11和电动推进器12，所述高压氢气瓶1的出口通过截止阀2与高压减压阀3相连通，所述高压减压阀3与分流阀4相连通，所述分流阀4分出两个出口分别与低压减压阀9和引射器6相连通，分流阀4在控制系统的控制下调节两个出口的氢气流量；
所述低压减压阀9的出口与燃料电池10的氢气入口连通，所述燃料电池10与直流稳压器11相连，直流稳压器11输出稳压直流电为电动推进器12发电，所述引射器6从进气道5抽吸空气与氢气混合，进入燃烧室7中燃烧，通过喷管8向外喷射。
所述高压氢气瓶1内存有40MPa压力的氢气。所述高压减压阀3将高压氢气压力降为10MPa-30MPa。氢气通过所述低压减压阀9降压至0.05Mpa。
所述的燃料电池氢气喷管混合动力系统采用高压氢气瓶1作为供氢源，所述高压氢气瓶1采用铝内胆碳纤维缠绕的复合结构氢气瓶，充气气压可以达到40MPa，充气过程中需要做功将氢气加压充入氢气瓶1中，充气过程消耗了大量的功，这些能量以压差的方式储存在高压氢气中，当需要向燃料电池10提供氢气时，需要使用减压阀9减压后通入燃料电池中，能量以热量的方式发散。
氢气喷管推进装置由引射器6、燃烧室7、燃烧室7和喷管8组成，引射器6是一种常用的流体设备，引射器6利用一股高速高能流(液流、气流或其他物质流)引射另一股低速低能流的装置，射流经收缩形喷嘴迸入混合室，其周围是被引射流。通过边界的参混作用，引射流将能量传递给被引射流，之后引射流和被引射流进入扩压式升压，完成两种气体的混合。按照一定比例混合的高压混合气体进入燃烧室7中，由电打火器21点燃后，迅速燃烧，将氢气中的化学能迅速转化为内能，燃烧室7中温度压强升高，通过喷管8作用，在一段时间内为无人机提供大推力，航空领域对于航空涡轮发动机的研究积累了应用于不用工况下的燃烧室和喷管的理论和设计方法，可以用于氢气喷管推进装置的设计过程。
一种应用所述的燃料电池氢气喷管混合动力系统的无人机系统，包括无人机系统和燃料电池氢气喷管混合动力系统，所述无人机系统内安装燃料电池氢气喷管混合动力系统，作为动力系统。
所述无人机系统包括无人机机身结构15、飞行控制装置16、信号传输装置17、载物仓18、副翼舵面19和尾翼舵面20，所述信号传输装置17与飞行控制装置16连接，飞行控制装置17分别与两个电动推进器12、分流阀4、电打火器21、副翼舵面19和尾翼舵面20连接。
所述燃料电池10为飞行控制装置16和信号传输装置17发电提供动力。
所述信号传输装置17接收指令信号传输至飞行控制装置16，飞行控制装置16接收来自信号传输装置17的进行燃料电池动力飞行的信号后，飞行控制装置16控制开启分流阀4通向燃料电池10的流路，并进行流量控制，控制燃料电池工作状态，关闭分流阀4通向引射器6的流路，喷管8不工作。
当飞行控制装置16接收来自信号传输装置17的进行氢气喷管动力飞行的信号后，飞行控制装置控制开启分流阀4通向引射器6的流路，氢气与抽吸的空气混合进入燃烧室7中，飞行控制装置16控制电打火器21点燃燃烧室中气体，高温高压气体通过喷管8做功，为无人机提供额外推力。
当需要进行小功率飞行时，飞行控制装置16发出信号控制分流阀4使氢气通入燃料电池10中进行发电，氢气不进入引射器6，当需要进行大功率飞行时，飞行控制装置16发出信号控制分流阀4使氢气同时通入燃料电池10和引射器6中，无人机进行大功率飞行。
所述信号传输装置17接收指令信号传输至飞行控制装置16，飞行控制装置16分析指令信号，确定飞行推进功率，所述飞行控制装置16通过信号传输装置17接收指令信号后对电动推进器12和燃料电池氢气喷管混合动力系统进行控制，调节无人机的推力，控制副翼舵面19、尾翼舵面20对无人机的飞行状态和飞行路线进行控制。
本发明利用氢气作为能源的质子交换膜燃料电池的无人机加装氢气燃烧喷管推进系统，当无人机处于巡航状态时，无人机所需推进功率较小，分流阀4不向喷管中供气，氢气喷管不工作，高压氢气罐1通过截止阀2和高压减压阀3、分流阀4进入燃料电池10电堆中与空气进行反应发电，为无人机提供巡航动力，同时为无人机的电子设备供电。当无人机需要进行大功率、高机动性的飞行时，分流阀4在飞行控制系统的控制下将高压氢气输入引射器6中，在引射器6中利用高压氢气的抽吸作用，将外界的空气抽入引射器6中并进行混合，混合气体通入燃烧室7中，燃烧室7中的电打火器21将混合气体点燃，混合气体燃烧升温通过喷管8喷出，为无人机提供额外的推力。本发明通过将燃料电池和氢气喷管的结合，满足了无人机长航时巡航和短时间机动飞行的需求。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用燃料电池氢气喷管混合动力系统的无人机系统，其特征在于，包括无人机系统和燃料电池氢气喷管混合动力系统，所述无人机系统内安装燃料电池氢气喷管混合动力系统，作为动力系统；
所述无人机系统包括无人机机身结构(15)、飞行控制装置(16)、信号传输装置(17)、载物仓(18)、副翼舵面(19)和尾翼舵面(20)，所述信号传输装置(17)与飞行控制装置(16)连接，飞行控制装置(16)分别与两个电动推进器(12)、分流阀(4)、电打火器(21)、副翼舵面(19)和尾翼舵面(20)连接；
所述燃料电池(10)为飞行控制装置(16)和信号传输装置(17)发电提供动力；
所述信号传输装置(17)接收指令信号传输至飞行控制装置(16)，飞行控制装置(16)接收来自信号传输装置(17)的进行燃料电池动力飞行的信号后，飞行控制装置(16)控制开启分流阀(4)通向燃料电池(10)的流路，并进行流量控制，控制燃料电池(10)工作状态，关闭分流阀(4)通向引射器(6)的流路，喷管(8)不工作；
所述燃料电池氢气喷管混合动力系统包括高压氢气瓶(1)、截止阀(2)、高压减压阀(3)、分流阀(4)、进气道(5)、引射器(6)、燃烧室(7)、喷管(8)、低压减压阀(9)、燃料电池(10)、直流稳压器(11)和电动推进器(12)，所述高压氢气瓶(1)的出口通过截止阀(2)与高压减压阀(3)相连通，所述高压减压阀(3)与分流阀(4)相连通，所述分流阀(4)分出两个出口分别与低压减压阀(9)和引射器(6)相连通，分流阀(4)在控制系统的控制下调节两个出口的氢气流量；
所述低压减压阀(9)的出口与燃料电池(10)的氢气入口连通，所述燃料电池(10)与直流稳压器(11)相连，直流稳压器(11)输出稳压直流电为电动推进器(12)发电，所述引射器(6)从进气道(5)抽吸空气与氢气混合，进入燃烧室(7)中燃烧，通过喷管(8)向外喷射。
2.根据权利要求1所述的应用燃料电池氢气喷管混合动力系统的无人机系统，其特征在于，当飞行控制装置(16)接收来自信号传输装置(17)的进行氢气喷管动力飞行的信号后，飞行控制装置控制开启分流阀(4)通向引射器(6)的流路，氢气与抽吸的空气混合进入燃烧室(7)中，飞行控制装置(16)控制电打火器(21)点燃燃烧室(7)中气体，高温高压气体通过喷管(8)做功，为无人机提供额外推力。
3.根据权利要求2所述的应用燃料电池氢气喷管混合动力系统的无人机系统，其特征在于，当需要进行小功率飞行时，飞行控制装置(16)发出信号控制分流阀(4)使氢气通入燃料电池(10)中进行发电，氢气不进入引射器(6)，当需要进行大功率飞行时，飞行控制装置(16)发出信号控制分流阀(4)使氢气同时通入燃料电池(10)和引射器(6)中，无人机进行大功率飞行。
4.根据权利要求1所述的应用燃料电池氢气喷管混合动力系统的无人机系统，其特征在于，所述高压氢气瓶(1)采用铝内胆碳纤维缠绕的复合结构氢气瓶，内存有40MPa压力的氢气。
5.根据权利要求4所述的应用燃料电池氢气喷管混合动力系统的无人机系统，其特征在于，所述高压减压阀(3)将高压氢气压力降为10MPa-30MPa。
6.根据权利要求4所述的应用燃料电池氢气喷管混合动力系统的无人机系统，其特征在于，氢气通过所述低压减压阀(9)降压至0.05Mpa。
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