CN114759207A - 一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统，包括连接在燃料电池电堆阳极出口管路上的尾气回收系统，尾气回收系统的出口管道连接供氢系统，供氢系统的出口管道与燃料电池电堆连接；尾气回收系统包括通过管道与燃料电池电堆阳极尾气排气阀连接的气液分离器，气液分离器的液体出口管道连接微型泵，气体出口管道排空至大气环境，微型泵通过管道连接储水罐，储水罐的出口通过管道连接计量泵后接入供氢系统的入口。回收燃料电池电堆阳极尾气中的水作为供氢系统的反应物，解决无人机运行时无法及时补充系统水供应的问题。
Description
技术领域
本发明涉及无人及燃料电池技术领域，具体为一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
无人机大多采用锂离子电池作为动力源，续航时间短成为限制其应用的主要因素。燃料电池作为能量转换效率高、比功率高、零污染物排放的高效动力源，逐渐成为无人机续航问题有效的解决方案。
目前，作为无人机动力源的燃料电池，较为成熟的供氢系统是高压储氢气瓶，其体积储氢密度较小、储氢罐质量重等制约了无人机飞行距离与负载重量。与其相比，化学储氢可控且快速地产生氢气，以硼氢化物为例，其储氢容量高，产氢纯度高，可直接供给质子交换膜燃料电池(PEMFC)使用，更适用于无人机等便携式场合。然而，化学储氢方法需要水作为反应物，会产生无法及时、有效补充系统内所需反应水的问题。
针对上述问题，现有技术对燃料电池的阴极尾气进行回收利用，无人机燃料电池为阴极开放式，尾气中空气的占比较大，阴极尾气回收利用时需要将占比较大的空气分离，因此需要大型且复杂的系统，才能将尾气中携带的水蒸气更为有效地冷凝并回收利用，而无人机的载重量有限，无法满足大型的回收系统具有的重量。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统，在燃料电池的阳极出口设置尾气回收系统，回收阳极尾气中的水作为NaBH4供氢系统的反应物，在保证燃料电池高效运行的同时，有效提高尾气利用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统，包括：连接在燃料电池电堆阳极出口管路上的尾气回收系统，尾气回收系统的出口管道连接供氢系统，供氢系统的出口管道与燃料电池电堆连接；
尾气回收系统包括通过管道与燃料电池电堆阳极尾气排气阀连接的气液分离器，气液分离器的液体出口管道连接微型泵，气体出口管道排空至大气环境，微型泵通过管道连接储水罐，储水罐的出口通过管道连接计量泵后接入供氢系统的入口。
供氢系统的出口管道连接氢气进气阀，氢气进气阀通过管道与燃料电池电堆连接。
供氢系统内的压力传感器与计量泵通讯连接。
供氢系统为NaBH4供氢系统。
阳极尾气排气阀为单向阀。阳极尾气排气阀依据燃料电池电堆的电流大小间隔设定时间开启，开启时将电堆内产生的水与部分未反应的氢气排出燃料电池电堆。
气液分离器内设有液位传感器，液位传感器与微型泵通讯连接。液位传感器获取气液分离器内的水位，水位超过设定位置后，微型泵工作，将气液分离器内的水输送到储水罐内。
气液分离器的气体出口管道连接氢气排空阀后排空至大气环境。
燃料电池电堆为自增湿轻型电堆，电堆的阴极出口朝向大气环境。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1、回收燃料电池电堆阳极尾气中的水作为供氢系统的反应物，解决无人机运行时无法及时补充系统水供应的问题。
2、回收阳极尾气的方式有利于减轻无人机供氢系统及无人机整体的重量，环境适用性强，适用于多种无人机飞行工况。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书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。
图1是本发明一个或多个提供的一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统的结构示意图；
图中：1-无人机用燃料电池电堆、2-燃料电池尾气回收系统、3-燃料电池NaBH4供氢系统、101-氢气进气阀、102-阳极尾气电磁排气阀、201-气液分离器、202-氢气排空阀、203-微型泵、204-储水罐、205-微型计量泵。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
质子交换膜(PEMFC)燃料电池工作时，阳极需持续通入氢气，阴极供给氧气或空气，阴极根据流道设计，可分为阴极闭式和阴极开放式，但无论何种结构，氢气和氧气或空气都在催化剂的作用下分解成氢阳离子、氧阴离子及电子，将化学能转化成电能和热能，并生成水。
因此，针对尾气回收，涉及阳极、阴极位置及尾气中含有的水分、气体、热量。目前探究水回收的技术较多，一方面是尾气中水量大，方便回收，另一方面水除可用于进口气体的增湿外，还可直接加入燃料电池水管理系统或利用水的相变间接调节温度，目前已有相关专利对此进行探讨。阴极闭式与阴极开放式由于结构不同，前者阴、阳极气体有特定的出口，后者阴极反应所需的空气是通过风扇“吸”或“吹”进入和离开系统，因此回收水分时装置存在差异。
例如CN 207834460 U提供了一种氢燃料电池的尾气回收利用装置，此氢燃料电池为阴极闭式，通过加热增湿器和气体混合器连接阴、阳极尾气出口，实现阳极氢气和阴极热量的有效回收利用。
例如CN 112768727 A公开了一种空冷氢燃料电池温湿度控制的方法及装置，该燃料电池电堆为阴极开放式，该装置在阴极空气进口处设置冷热空气混合室，在阴极空气出口处增加湿度可控除水装置，将燃料电池正常高效工作时所需要的温度和湿度分开控制，提高燃料电池的环境适应能力。
然而，就无人机燃料电池而言，化学储氢因速率可控且快速地产生氢气，以硼氢化物为例，其储氢容量高，产氢纯度高，更适用于无人机等便携式场合，具体反应方程如下：
NaBH4+2H2O→NaBO2+4H2↑
该系统的相关尾气回收利用方向与上述有所区别，尾气生成的水除上述所述对电堆进行温、湿度控制外，于化学制氢系统而言，还可有效地补充储氢系统内所需的反应水问题，提高制氢系统单位储氢量。然而由于无人机能够携带的重量有限，在增加燃料电池回收系统时，需权衡增加重量与回收的利用率。
目前，已有相关专利对化学储氢方法尾气回收利用及水供应问题进行探讨。
例如CN 107799789 A提供了一种无人机用燃料电池反应水管理系统，该系统的入口端与燃料电池电堆的阴极尾气出口连接，阴极尾气带出来的水蒸气经该系统的冷凝装置、气液分离器后，冷凝成水后被NaBH4反应供氢系统回收利用。
例如CN 110165262提供了一种燃料电池尾气水分再利用的轻型固态储氢动力系统，其特征在于包括水汽冷却装置，氢燃料电池产生的尾气和部分空气进入水汽冷却装置，该装置冷凝下来的水通过出水管路和进水管路注入氢源系统中；与轻质元素氢化物进行水解反应产氢，提高了系统的质量储氢量。
以上专利均是回收燃料电池阴极尾气中的水，但由于无人机上为阴极开放式燃料电池，阴极尾气中空气占比较大，将其回收利用时，需较大或者较复杂的系统，无人机上空间与载重有限，上述方法在实际应用上可能较难达到理想状态。
此外，燃料电池正常工作状态下，内部的水运动一般有三种形式：氢离子需在水的作用下穿过交换膜移动到阴极，结合氧离子生成水；随着电化学反应的进行，阴极水浓度逐渐升高，一部分水会在阴阳极水浓度差的作用下向阳极侧移动，此过程为浓度反扩散；因气体压力的作用，水也会从膜的阴极向阳极的方向移动。因此，虽然水生成在阴极，但比较而言，阳极出气口也会有大量的水随氢气排出，且回收时并不需要较为复杂的设备，仅需气液分离器即可达到回收利用的目的，结构上更加简单，相应的重量更轻从而更适用于无人机搭载。
因此以下实施例给出一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统，在燃料电池的阳极出口设置尾气回收系统，回收阳极尾气中的水作为NaBH4供氢系统的反应物，在保证燃料电池高效运行的同时，有效提高尾气利用。
实施例一：
如图1所示，一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统，包括：连接在燃料电池电堆阳极出口管路上的尾气回收系统，尾气回收系统的出口管道连接供氢系统，供氢系统的出口管道与燃料电池电堆连接；
尾气回收系统包括通过管道与燃料电池电堆阳极尾气排气阀连接的气液分离器，气液分离器的液体出口管道连接微型泵，气体出口管道排空至大气环境，微型泵通过管道连接储水罐，储水罐的出口通过管道连接计量泵后接入供氢系统的入口。
供氢系统的出口管道连接氢气进气阀，氢气进气阀通过管道与燃料电池电堆连接。
供氢系统为NaBH4供氢系统。
供氢系统内的压力传感器与计量泵通讯连接。
阳极尾气排气阀为单向阀。
气液分离器内设有液位传感器，液位传感器与微型泵通讯连接。
燃料电池电堆为自增湿轻型电堆，电堆的阴极出口朝向大气环境。
具体的：
系统包括1-无人机用燃料电池电堆，2-燃料电池尾气回收系统和3-燃料电池NaBH4供氢系统；
燃料电池NaBH4供氢系统是利用固态储氢物质NaBH4与水反应，为无人机燃料电池提供氢气，包含水罐、NaBH4储料系统、反应系统和控制系统等组件，反应方程式如下：
NaBH4+2H2O→NaBO2+4H2↑
本实施例中，1-无人机用燃料电池电堆包括101-氢气进气阀、102-阳极尾气电磁排气阀；2-燃料电池尾气回收系统包括201-气液分离器、202-氢气排空阀、203-微型泵、204-储水罐和205-微型计量泵；
1-无人机用燃料电池电堆通过102-阳极尾气电磁排气阀与2-燃料电池尾气回收系统连接，2-燃料电池尾气回收系统通过205-微型计量泵与3-燃料电池NaBH4供氢系统连接，3-NaBH4燃料电池供氢系统通过101-氢气进气阀与1-无人机用燃料电池电堆连接；
1-燃料电堆阳极排放尾气经102-阳极尾气电磁排气阀进入201-气液分离器，氢气经202-氢气排空阀排出；
本实施例中，102-阳极尾气电磁排气阀为单向阀，依据燃料电池电堆的电流大小每间隔一定时间开启，如每间隔10s阀门开启1s，开启时可将电堆内产生的水与部分未反应的氢气排出1-燃料电池电堆；
阳极尾气电磁排气阀与燃料电池尾气回收系统的气液分离器进口端连接，阳极尾气在该系统内进行气液分离,阳极尾气中的水从201-气液分离器的出水口经203-微型泵进入204-储水罐的进水口；
气液分离器采用超滤分离，在气液分离器内设置有透气膜。
阳极尾气经气液分离器分离后，水从气液分离器的液体出口端流出后经微型泵进入储水罐，氢气排放至大气环境。
204-储水罐的出口端经205-微型计量泵和3-NaBH4供氢系统相连接，有效地将102-阳极尾气电磁排气阀中的的水经2-燃料电池尾气回收系统及时、高效地补充至3-燃料电池供氢系统，3-燃料电池供氢系统与回收的水反应得到氢气作为无人机的燃料。
本实施例中，阳极尾气经过气液分离器，分离的氢气直接排放到环境，不参与供氢，而分离后的水作为3-燃料电池供氢系统的反应物参与供氢。
1-燃料电池电堆为自增湿轻型电堆，采用阴极开放式空冷燃料电池系统。
2-燃料电池尾气回收系统包括201-气液分离器与203-微型泵间的液位控制、205-微型计量泵与3-燃料电池NaBH4供氢系统压力控制；
201-气液分离器内的水位超过设定位置后，203-微型泵开始工作，将201-气液分离器内的水输送到204-储水罐以便后续利用；
3-燃料电池NaBH4供氢系统设置有压力传感器，该压力传感器与2-燃料电池尾气回收系统的204-储水罐出口连接的205-微型计量泵连通，当3-燃料电池NaBH4供氢系统内水不足时，系统内的压力将低于一定值，压力信号传递给微型流量泵后，205-微型计量泵可根据燃料电池电堆系统实际压力调整进入3-燃料电池NaBH4供氢系统的进水量，从而根据实际工况进行有效输送，保证供氢系统的稳定及高效。
上述尾气利用系统连接在燃料电池电堆的阳极出口，既提高了燃料电池尾气利用，解决了无人机运行时无法及时补充系统水供应难题；又有利于减轻无人机供氢系统及无人机整体的重量，适用于多种无人机飞行工况。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)
1.一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统，其特征在于：包括连接在燃料电池电堆阳极出口管路上的尾气回收系统，尾气回收系统的出口管道连接供氢系统，供氢系统的出口管道与燃料电池电堆连接；
尾气回收系统包括通过管道与燃料电池电堆阳极尾气排气阀连接的气液分离器，气液分离器的液体出口管道连接微型泵，气体出口管道排空至大气环境，微型泵通过管道连接储水罐，储水罐的出口通过管道连接计量泵后接入供氢系统的入口。
2.如权利要求1所述的一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统，其特征在于：所述供氢系统的出口管道连接氢气进气阀，氢气进气阀通过管道与燃料电池电堆连接。
3.如权利要求1所述的一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统，其特征在于：所述供氢系统内的压力传感器与计量泵通讯连接。
4.如权利要求1所述的一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统，其特征在于：所述供氢系统为NaBH4供氢系统。
5.如权利要求1所述的一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统，其特征在于：所述阳极尾气排气阀为单向阀。
6.如权利要求5所述的一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统，其特征在于：所述阳极尾气排气阀依据燃料电池电堆的电流大小间隔设定时间开启。
7.如权利要求1所述的一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统，其特征在于：所述气液分离器内设有液位传感器，液位传感器与微型泵通讯连接。
8.如权利要求7所述的一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统，其特征在于：所述液位传感器获取气液分离器内的水位，水位超过设定位置后，微型泵工作，将气液分离器内的水输送到储水罐内。
9.如权利要求1所述的一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统，其特征在于：所述气液分离器的气体出口管道连接氢气排空阀后排空至大气环境。
10.如权利要求1所述的一种无人机用NaBH4燃料电池阳极尾气利用系统，其特征在于：所述燃料电池电堆的阴极出口朝向大气环境。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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