CN113193208B - 一种固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种空冷型燃料电池电堆，其空气流道为并行波浪型流道；还提供了一种基于上述并行波浪型流道的固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统，包括空冷电堆前置导流模块、导流进气窗口、空冷电堆后置导流模块、导流出气窗口和冷却风扇；为控制电堆反应温度处于理想温度区间，当无人机启动或低速飞行时冷却风扇开启，外部空气被吸入电堆；中速飞行时冷却风扇关闭，飞行时形成的相对空气流流入电堆阴极空气流道，反应后形成电堆出口空气流，冷却风扇被动转动；高速飞行时冷却风扇关闭，通过调节导流进气窗口的开口大小，控制相对空气流流入电堆的进风量。本发明将风扇主动散热与空气对流被动散热相结合，提高发电效率与无人机续航能力。

Description

一种固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统。
背景技术
燃料电池是一种环境友好、高效、长寿命的发电装置。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，燃料气体从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，阴极处的质子、电子与氧气结合生成水。燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制其直接发电效率可高达45％。以电池堆为核心发电装置，燃料电池系统集成了电源管理、热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征。燃料电池系统产品从固定式电站到移动式电源，从电动汽车到航天飞船，从军用装备到民用产品，均有着广泛的应用空间。
空冷燃料电池的阳极燃料为氢气，阴极反应物为空气，空气同时还作为冷却介质，因此空冷燃料电池的系统结构简洁，在备用电源、小型便携式电源以及小型动力电源等领域具有广泛的应用前景。尤其在工业无人机领域，空冷燃料电池能够大幅提升无人机续航时间至4小时以上。
在现有的固定翼无人机中，如中国专利CN107176301A公开的固定翼燃料电池植保无人机，一般将空冷燃料电池发电模块布置于密闭机舱内部，由于密闭机舱内空气容量有限，电堆不易散热，堆内反应温度升高，阴极侧相对湿度降低，导致质子交换膜内水含量降低，增加膜内阻，降低电堆电压，造成更高的能量损失与反应余热，形成正反馈，最终电堆输出电压降低至安全阈值，导致系统关机；此外，电堆散热需要额外提供风扇辅助用电，降低发电模块总体系统效率。
现有技术中也有将空冷燃料电池电堆布置于螺旋桨后方，如中国专利CN107200119A公开的燃料电池无人机，中国专利CN205900703U公开的一种用于无人机燃料电池的散热结构，通过螺旋桨为无人机提供动力时的空气流动，实现电堆被动散热，但该方式无法主动控制电堆承接风量，可能在无人机正常航行时造成风量过高，降低电堆内部相对湿度，造成膜电极过度干燥，增加膜内阻，降低电堆电压与发电效率；此外，电堆位于动力螺旋桨的正后方，容易造成过高的空气阻力，降低螺旋桨推力，造成动力浪费，降低动力系统能量效率。
发明内容
针对上述现有技术中存在的电堆散热不佳、动力系统效率低的问题，本发明提出了一种固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统，基于新型的空冷型燃料电池电堆，采用风扇主动散热与空气对流被动散热相结合的可控散热方式，提高燃料电池系统发电效率与无人机续航能力。
本发明具体技术方案如下：
一种空冷型燃料电池电堆，包括依次叠放的双极板和膜电极，所述双极板的阳极设有氢气流道，阴极设有空气流道；其特征在于，所述空气流道为并行波浪型流道。
进一步地，所述并行波浪型流道的结构与空冷型燃料电池电堆所需的功率等级、空气流道的流阻及阴极压力限制等因素有关。
一种固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统，包括机身、位于机身前部的动力电机、位于机身中部的空冷型燃料电池电堆和位于机身后部的高压储氢罐；其特征在于，所述固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统还包括连通机身外部和空冷型燃料电池电堆阴极空气流道进气端的空冷电堆前置导流模块，空冷电堆前置导流模块与机身连接处的导流进气窗口，连通空冷型燃料电池电堆阴极空气流道出气端和机身外部的空冷电堆后置导流模块，空冷电堆后置导流模块与机身连接处的导流出气窗口，及设置于空冷电堆后置导流模块内部的冷却风扇；所述空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道为并行波浪型流道；
当固定翼无人机启动或低速飞行时，冷却风扇开启，外部空气在冷却风扇的强制对流作用下被吸入空冷型燃料电池电堆，为空冷型燃料电池电堆提供所需空气，同时将空冷型燃料电池电堆的反应温度控制在理想温度区间；
当固定翼无人机中速飞行时，冷却风扇关闭，固定翼无人机飞行时形成的相对空气流经导流进气窗口、空冷电堆前置导流模块流入空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道，相对空气流在阴极空气流道内反应后带走产热，形成电堆出口空气流，流入空冷电堆后置导流模块，冷却风扇在电堆出口空气流下被动转动，为空冷型燃料电池电堆散热，将空冷型燃料电池电堆的反应温度控制在理想温度区间，经冷却风扇后的电堆出口空气流从导流出气窗口流出；
当固定翼无人机高速飞行时，冷却风扇关闭，通过调节导流进气窗口的开口大小，控制相对空气流流入空冷型燃料电池电堆的进风量，冷却风扇在电堆出口空气流下被动转动，将空冷型燃料电池电堆的反应温度控制在理想温度区间，以避免过高的空气进风量造成电堆内部膜电极过度干燥。
进一步地，当固定翼无人机启动或低速飞行时，通过在冷却风扇处施加预设定的风扇风量控制信号，控制冷却风扇的风量。
进一步地，所述动力系统还包括DC-DC直流变换器、蓄电池、氢气减压阀、进堆电磁阀、出堆电磁阀、氢气一级压力传感器、氢气二级压力传感器、空气进堆温度传感器、空气出堆温度传感器、电堆输出电流传感器和电堆电压传感器；
所述高压储氢罐经氢气一级压力传感器、氢气减压阀、氢气二级压力传感器、进堆电磁阀连接空冷型燃料电池电堆阳极氢气进气端，空冷型燃料电池电堆阳极氢气出气端经出堆电磁阀连接外部环境；所述空冷型燃料电池电堆的输出直流电的正极和负极分别经DC-DC直流变换器的正极和负极，连接至动力电机；所述蓄电池的正极和负极分别与动力电机相连；所述空气进堆温度传感器和空气出堆温度传感器分别设置在空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道进气端和阴极空气流道出气端；所述电堆输出电流传感器和电堆电压传感器设置在空冷型燃料电池电堆的输出直流电的正极与DC-DC直流变换器之间。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出了一种空气流道为并行波浪型流道的空冷型燃料电池电堆，波浪型设计使得在流道内传输的空气具有振荡变化的气体速度矢量和局部气体压强，一方面可以提升空气中氧气从流道至膜电极的传质效率，另一方面可以加强空气的对流散热效果；
2、本发明还提出了一种基于并行波浪型空气流道的空冷型燃料电池电堆的固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统，将无人机正常飞行时形成的相对空气流动与电堆散热需求结合，形成风扇主动散热与空气对流被动散热结合的可控电堆散热，保证空冷电堆散热需求，同时减少或消除辅助风扇耗能，从而提高燃料电池电堆的发电效率与无人机续航能力。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的空冷型燃料电池电堆的结构图；
图2为本发明实施例1提出的空冷型燃料电池电堆中双极板的截面结构图；
图3为本发明实施例1提出的空冷型燃料电池电堆中膜电极的截面结构图；
图4为本发明实施例1提出的空冷型燃料电池电堆中双极板与膜电极叠放的截面结构图；
图5为本发明实施例1提出的空冷型燃料电池电堆中氢气流道的结构图；其中(a)为多路并行的蛇形流道，(b)为多路并行的双栏型蛇形流道；
图6为本发明实施例1提出的空冷型燃料电池电堆中空气流道的结构图；其中(a)为并行直通流道，(b)为并行波浪型流道；
图7为本发明实施例1提出的固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统的布置顶视图；
图8为本发明实施例1提出的固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统的布置侧视图；
图9为本发明实施例1提出的固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统的流程设计图。
附图包括以下附图标记：
EP1：阳极端部板
Ins1：阳极绝缘板
CC1：阳极集流板
B：双极板
MEA：膜电极
CC2：阴极集流板
Ins2：阴极绝缘板
EP2：阴极端部板
B1：氢气流道
B2：空气流道
M1：阳极气体扩散层
M2：阳极催化剂层
M3：质子交换膜
M4：阴极催化剂层
M5：阴极气体扩散层
An11：阳极侧的氢气进口
An12：氢气进口至反应区的导流槽
MEA1：阳极反应区
An13：氢气出口的导流槽
An14：阳极侧的氢气出口
An15：多路并行的蛇形阳极氢气流道
An25：多路并行的双栏型蛇形阳极氢气流道
Ca11：阴极侧的氢气进口
Ca12：阴极侧的氢气出口
MEA2：阴极反应区
Ca13：并行直通阴极空气流道
Ca23：并行波浪型阴极空气流道
U0：机身
U1：动力电机
U2：空冷型燃料电池电堆
U3：高压储氢罐
U4：机翼
U5：水平尾翼
U6：垂直尾翼
U100：任务负载
U21：空冷电堆前置导流模块
U201：导流进气窗口
U22：空冷电堆后置导流模块
U202：导流出气窗口
U23：冷却风扇
Sub1：DC-DC直流变换器
Sub2：蓄电池
F1：氢气减压阀
F2：进堆电磁阀
F3：出堆电磁阀
S1：氢气一级压力传感器
S2：氢气二级压力传感器
S3：空气进堆温度传感器
S4：空气出堆温度传感器
S5：风扇风量控制信号
S6：电堆输出电流传感器
S7：电堆电压传感器
P1：空冷型燃料电池电堆的输出直流电的正极
P2：空冷型燃料电池电堆的输出直流电的负极
P3：DC-DC直流变换器前端的正极
P4：DC-DC直流变换器前端的负极
P5：DC-DC直流变换器后端的正极
P6：DC-DC直流变换器后端的负极
P7：蓄电池的正极
P8：蓄电池的负极
Uair1：机身前方正对的相对空气流
Uair3：贴近机身的部分空气流
Uair2：贴近机身的相对空气流
Uair4：电堆出口空气流
Uair5：风扇散热空气流
Uair6：排放气流
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本方明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例提供了一种空冷型燃料电池电堆，如图1所示，包括依次设置的阳极端部板EP1，阳极绝缘板Ins1，阳极集流板CC1，多层叠放的双极板B和膜电极MEA，阴极集流板CC2，阴极绝缘板Ins2和阴极端部板EP2；
所述双极板B的加工材料可为石墨板、复合板或金属板，截面结构如图2所示，双极板B的上表面为阳极，设有氢气流道B1，供燃料氢气流通反应，下表面为阴极，设有空气流道B2，供空气流通，其中空气同时作为氧化剂与冷却介质；
所述膜电极MEA为电化学反应发生的场所，截面结构如图3所示，膜电极MEA包括自上而下依次设置的阳极气体扩散层M1、阳极催化剂层M2、质子交换膜M3、阴极催化剂层M4和阴极气体扩散层M5；
所述双极板B与膜电极MEA叠放的截面结构如图4所示，依次为双极板B的阳极、双极板B的阴极、膜电极MEA的阴极和膜电极MEA的阳极；
所述阳极集流板CC1和阴极集流板CC2的材料为紫铜、黄铜或带有导电铜层的PCB板，通过阳极集流板CC1和阴极集流板CC2在电堆两端实现电堆整体电流的收集；
所述阳极绝缘板Ins1和阴极绝缘板Ins2的材料为高分子材料，如聚丙烯，聚氯乙烯等，分别位于阳极端部板EP1和阳极集流板CC1之间、阴极集流板CC2和阴极端部板EP2之间，起电绝缘作用；
所述阳极端部板EP1和阴极端部板EP2通过螺杆将电堆内部的各部件夹持在一起，形成总体的电堆结构，保证膜电极MEA与双极板B之间足够的电接触。
所述氢气流道B1的结构分为多路并行的蛇形流道和多路并行的双栏型蛇形流道两种；多路并行的蛇形流道的结构如图5(a)所示，氢气经阳极侧的氢气进口An11、氢气进口至反应区的导流槽An12，流入膜电极MEA的阳极反应区MEA1(虚线所示)内的多路并行的蛇形阳极氢气流道An15，反应后经反应区至氢气出口的导流槽An13、阳极侧的氢气出口An14流出；多路并行的双栏型蛇形流道如图5(b)所示，氢气经阳极侧的氢气进口An11、氢气进口至反应区的导流槽An12，流入膜电极MEA的阳极反应区MEA1(虚线所示)内的多路并行的双栏型蛇形阳极氢气流道An25，反应后经反应区至氢气出口的导流槽An13、阳极侧的氢气出口An14流出。
所述空气流道B2的结构为并行波浪型流道，与传统的并行直通流道不同；传统的并行直通流道的结构如图6(a)所示，Ca11与Ca12分别为阴极侧的氢气进口与氢气出口，外部环境的空气流入膜电极MEA的阴极反应区MEA2内的并行直通阴极空气流道Ca13，反应后流出；本实施例采用的并行波浪型流道的结构如图6(b)所示，Ca11与Ca12分别为阴极侧的氢气进口与氢气出口，外部环境的空气流入膜电极MEA的阴极反应区MEA2内的并行波浪型阴极空气流道Ca23，其结构与空冷型燃料电池电堆U2所需的功率等级、空气流道B2的流阻及阴极压力限制等因素有关，并行波浪型阴极空气流道Ca23内传输的空气具有振荡变化的气体速度矢量和局部气体压强，一方面可以提升空气中氧气从流道至膜电极的传质效率，另一方面可以加强空气的对流散热效果。
由于并行波浪型阴极空气流道Ca23会提高空气进出口的压差，应用于固定翼无人机中会增加风扇的散热能力需求，因此，本实施例提出了一种基于并行波浪型阴极空气流道Ca23的空冷型燃料电池电堆的固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统，将无人机正常飞行时形成的相对空气流动与电堆散热需求结合，形成风扇主动散热与空气对流被动散热结合的可控电堆散热，保证空冷电堆散热需求，同时减少或消除辅助风扇耗能，从而提高燃料电池电堆的发电效率与无人机续航能力。
所述固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统，如图7、8所示，包括机身U0、位于机身U0前部的动力电机U1、位于机身U0中部的空冷型燃料电池电堆U2、位于机身U0后部的高压储氢罐U3、位于机身U0两侧的机翼U4、位于机身U0尾部的水平尾翼U5和垂直尾翼U6、及位于动力电机U1和空冷型燃料电池电堆U2之间的任务负载U100；
所述固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统还包括连通机身U0外部和空冷型燃料电池电堆U2阴极空气流道进气端的空冷电堆前置导流模块U21，空冷电堆前置导流模块U21与机身U0连接处的导流进气窗口U201，连通空冷型燃料电池电堆U2阴极空气流道出气端和机身U0外部的空冷电堆后置导流模块U22，空冷电堆后置导流模块U22与机身U0连接处的导流出气窗口U202，及设置于空冷电堆后置导流模块U22内部的冷却风扇U23；所述空冷型燃料电池电堆U2的阴极空气流道B2为并行波浪型阴极空气流道Ca23。
所述固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统的流程设计图如图9所示，还包括DC-DC直流变换器Sub1、蓄电池Sub2、氢气减压阀F1、进堆电磁阀F2、出堆电磁阀F3、氢气一级压力传感器S1、氢气二级压力传感器S2、空气进堆温度传感器S3、空气出堆温度传感器S4、电堆输出电流传感器S6和电堆电压传感器S7；
所述高压储氢罐U3经氢气一级压力传感器S1、氢气减压阀F1、氢气二级压力传感器S2、进堆电磁阀F2连接空冷型燃料电池电堆U2阳极氢气进气端，为空冷型燃料电池电堆U2阳极提供氢气反应，反应后的氢气废气从空冷型燃料电池电堆U2阳极氢气出气端，经出堆电磁阀F3排出至外部环境；空冷型燃料电池电堆U2的输出直流电的正极P1和负极P2分别连接DC-DC直流变换器Sub1前端的正极P3和负极P4，DC-DC直流变换器Sub1后端的正极P5和负极P6连接至动力电机U1，DC-DC直流变换器Sub1将空冷型燃料电池电堆U2输出的直流电转换为动力电机U1所需的直流电压；所述蓄电池Sub2的正极P7和负极P8分别与动力电机U1相连，当空冷型燃料电池电堆U2输出的功率不足以满足动力电机U1需求时，为动力电机U1提供功率；所述空气进堆温度传感器S3和空气出堆温度传感器S4分别设置在空冷型燃料电池电堆U2的阴极空气流道进气端和阴极空气流道出气端，实时监测空气进出堆温度；所述电堆输出电流传感器S6和电堆电压传感器S7设置在空冷型燃料电池电堆U2的输出直流电的正极P1与DC-DC直流变换器Sub1前端的正极P3之间。
在本发明中，对固定翼无人机的低速飞行的速度范围、中速飞行的速度范围和高速飞行的速度范围不做具体限制，具体飞行速度范围根据空冷型燃料电池电堆结构的不同人为设置；在本实施例中采用以下具体飞行速度范围：
当固定翼无人机启动或飞行速度不超过最大飞行速度的30％时，冷却风扇U23开启，通过施加风扇风量控制信号S5控制冷却风扇U23的风量，外部空气在冷却风扇U23的强制对流作用下被吸入空冷型燃料电池电堆U2，为空冷型燃料电池电堆U2提供所需空气，同时将空冷型燃料电池电堆U2的反应温度控制在理想温度区间；
当固定翼无人机的飞行速度为最大飞行速度的30％～70％时，冷却风扇U23关闭，机身前方正对的相对空气流Uair1在靠近机身U0后成为贴近机身的相对空气流Uair2，其中贴近机身的部分空气流Uair3经导流进气窗口U201、空冷电堆前置导流模块U21流入空冷型燃料电池电堆U2的并行波浪型阴极空气流道Ca23，贴近机身的部分空气流Uair3在并行波浪型阴极空气流道Ca23内反应后带走产热，形成电堆出口空气流Uair4，流入空冷电堆后置导流模块U22，冷却风扇U23在电堆出口空气流下被动转动，为空冷型燃料电池电堆U2散热，将空冷型燃料电池电堆U2的反应温度控制在理想温度区间，电堆出口空气流Uair4经冷却风扇U23后成为风扇散热空气流Uair5，经导流出气窗口U202流出机身U0，形成排放气流Uair6；
当固定翼无人机的飞行速度为最大飞行速度的70％～100％时，冷却风扇U23关闭，通过调节导流进气窗口U201的开口大小，控制贴近机身的部分空气流Uair3流入空冷型燃料电池电堆U2的进风量，以避免过高的空气进风量造成电堆内部膜电极过度干燥；贴近机身的部分空气流Uair3经导流进气窗口U201、空冷电堆前置导流模块U21流入空冷型燃料电池电堆U2的并行波浪型阴极空气流道Ca23，贴近机身的部分空气流Uair3在并行波浪型阴极空气流道Ca23内反应后带走产热，形成电堆出口空气流Uair4，流入空冷电堆后置导流模块U22，冷却风扇U23在电堆出口空气流下被动转动，为空冷型燃料电池电堆U2散热，将空冷型燃料电池电堆U2的反应温度控制在理想温度区间，电堆出口空气流Uair4经冷却风扇U23后成为风扇散热空气流Uair5，经导流出气窗口U202流出机身U0，形成排放气流Uair6。

Claims (3)

1.一种固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统，包括机身、动力电机、空冷型燃料电池电堆和高压储氢罐；其特征在于，所述动力系统还包括连通机身外部和空冷型燃料电池电堆阴极空气流道进气端的空冷电堆前置导流模块，空冷电堆前置导流模块与机身连接处的导流进气窗口，连通空冷型燃料电池电堆阴极空气流道出气端和机身外部的空冷电堆后置导流模块，空冷电堆后置导流模块与机身连接处的导流出气窗口，及设置于空冷电堆后置导流模块内部的冷却风扇；所述空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道为并行波浪型流道；
当固定翼无人机启动或低速飞行时，冷却风扇开启，外部空气被吸入空冷型燃料电池电堆，将反应温度控制在理想温度区间；
当固定翼无人机中速飞行时，冷却风扇关闭，固定翼无人机飞行时形成的相对空气流经导流进气窗口、空冷电堆前置导流模块流入空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道，反应后带走产热，形成电堆出口空气流，流入空冷电堆后置导流模块，冷却风扇在电堆出口空气流下被动转动，将反应温度控制在理想温度区间，经冷却风扇后的电堆出口空气流从导流出气窗口流出；
当固定翼无人机高速飞行时，冷却风扇关闭，通过调节导流进气窗口的开口大小，控制相对空气流流入空冷型燃料电池电堆的进风量，冷却风扇在电堆出口空气流下被动转动，将反应温度控制在理想温度区间。
2.根据权利要求1所述固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统，其特征在于，当固定翼无人机启动或低速飞行时，根据风扇风量控制信号控制冷却风扇的风量。
3.根据权利要求1～2任一所述固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统，其特征在于，所述动力系统还包括DC-DC直流变换器、蓄电池、氢气减压阀、进堆电磁阀、出堆电磁阀、氢气一级压力传感器、氢气二级压力传感器、空气进堆温度传感器、空气出堆温度传感器、电堆输出电流传感器和电堆电压传感器；
所述高压储氢罐经氢气一级压力传感器、氢气减压阀、氢气二级压力传感器、进堆电磁阀连接空冷型燃料电池电堆阳极氢气进气端，空冷型燃料电池电堆阳极氢气出气端经出堆电磁阀连接外部环境；所述空冷型燃料电池电堆的输出直流电的正极和负极分别经DC-DC直流变换器的正极和负极，连接至动力电机；所述蓄电池的正极和负极分别与动力电机相连；所述空气进堆温度传感器和空气出堆温度传感器分别设置在空冷型燃料电池电堆的阴极空气流道进气端和阴极空气流道出气端；所述电堆输出电流传感器和电堆电压传感器设置在空冷型燃料电池电堆的输出直流电的正极与DC-DC直流变换器之间。
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