CN117002765A - 一种氢燃料电池无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种氢燃料电池无人机，包括仓体和旋翼组件，所述仓体的上方设有储氢瓶，所述仓体的内部设有氢燃料电堆、散热组件、散热控制模块、排气控制模块、智能控气模块、控制系统模块和电源控制模块，散热控制模块与散热组件连接并控制散热组件的启闭，排气控制模块连接并控制氢燃料电堆的排气，智能控气模块连接储氢瓶并控制氢气输送量，控制系统模块连接并控制旋翼组件，电源控制模块连接氢燃料电堆并分配电能。本氢燃料电池无人机的电源系统通过使用氢燃料，并合理布置所述储氢瓶、所述氢燃料电堆及其相关附件，能够减小整个电源系统的质量，使其具有质量轻、安全性能高、能耗少等优点，使无人机续航时间得到提升。
Description
技术领域
本发明涉及到无人机技术领域，具体涉及到一种氢燃料电池无人机。
背景技术
无人机作为21世纪的时代产物，它对推动工业生产以及军工发展有着举足轻重的作用，目前市面上的无人机主要是以锂电池供电为主，为了提升续航里程，不得不装载体积或者容量更大电池，而电池占比大了以后，又会增加重量，增加飞行能耗。而氢能由于其热值高、无污染、重量轻，逐渐成为解决无人机续航的手段，如何将氢能源电池及其附件集成在无人机中是需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种氢燃料电池无人机。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种氢燃料电池无人机，包括仓体，所述仓体的上方设有储氢瓶，所述仓体的内部设有氢燃料电堆，所述氢燃料电堆的一侧设有散热组件，所述仓体的外部通过若干支架连接有旋翼组件；所述仓体内还设有电路控制系统，所述电路控制系统至少包括散热控制模块、排气控制模块、智能控气模块、控制系统模块和电源控制模块，所述散热控制模块与所述散热组件电连接并根据所述氢燃料电堆的温度控制所述散热组件的启闭，所述排气控制模块连接并控制所述氢燃料电堆的排气，所述智能控气模块连接所述储氢瓶并控制所述储氢瓶的氢气输送量，所述控制系统模块连接并控制所述旋翼组件，所述电源控制模块连接所述氢燃料电堆并分配电能。
本氢燃料电池无人机的电源系统通过使用氢燃料，并合理布置所述储氢瓶、所述氢燃料电堆及其相关附件，能够减小整个电源系统的质量，使其具有质量轻、安全性能高、能耗少等优点，使无人机续航时间得到提升。
本氢燃料电池无人机利用所述氢燃料电堆产生的电能为所述旋翼组件以及内部的控制电路系统供电，相较于单纯的锂电池供电，具有明显的长续航优点，一方面在同等功率下，本氢燃料电池的体积更小，所占用的空间会更少，另一方面在同等重量下，本氢燃料电池无人机可以携带更多的燃料，续航里程可以更持久。
所述储氢瓶用于储存氢气，所述氢燃料电堆能够分解氢气并转化为电能，所述散热组件能够对所述氢燃料电堆进行散热，防止所述氢燃料电堆温度过高而损坏；所述电路控制系统起到总的控制作用，能够根据各项数据收发指令，控制每个模块进行合理的工作，为整个氢燃料电源的正常运行和电源输出提供可靠支持。
所述电源控制模块能够将所述氢燃料电堆产生的电能按需分配至每个负载，能够为仓体内部的各个部件和模块提供电能，最重要的是能够提供充足而稳定的电能供所述旋翼组件使用，从而让所述旋翼组件带动整个无人机进行飞行。
进一步的，所述储氢瓶的输出端连接有电磁减压阀，所述电磁减压阀通过进气管与所述氢燃料电堆连接，所述智能控气模块电连接所述电磁减压阀，用以控制所述电磁减压阀的阀门开度，以防氢气流量太大导致所述氢燃料电堆损坏或氢气流量过小导致所述氢燃料电堆工作效率过低。
进一步的，所述散热组件包括安装在所述氢燃料电堆端侧的散热支架，所述散热支架内安装有散热风扇；所述散热控制模块电连接所述散热风扇；当所述氢燃料电堆温度上升到85摄氏度以上时，所述散热控制模块控制所述散热风扇通电运作；当所述氢燃料电堆温度下降到61摄氏度以下时，所述散热控制模块控制散热风扇断电停止运作。
将氢燃料电堆的温度控制在合理的区间的内，不会让其温度过高而故障、损坏甚至产生安全问题，也不会长期开启所述散热风扇，避免氢燃料电堆温度偏低，以免影响其运行效率，也可以节省驱动风扇运行的电能，将更多的电能提供给飞行所需。
进一步的，所述氢燃料电堆的排气口连接有出气管，所述出气管连接有排气阀，所述排气阀连接有排气管，所述排气管连接至所述仓体的外部；所述排气控制模块连接所述排气阀，并控制所述排气阀间歇性的通断电，比如每20秒断电1秒，所述电磁排气阀的阀门通电闭合，断电打开。
进一步的，所述电源控制模块包括DC/DC模块，所述DC/DC模块与所述氢燃料电堆连接，并将所述氢燃料电堆所产生的电能进行降压，降压后的电能输送给所述旋翼组件，并为所述散热组件、所述散热控制模块、所述排气控制模块、所述智能控气模块和所述控制系统模块供电。
进一步的，所述电源控制模块还包括双向DC/DC模块，所述双向DC/DC模块连接所述氢燃料电堆和锂电池，所述锂电池也设置在所述仓体内。
所述双向DC/DC模块与所述锂电池通过导线连接，所述双DC/DC模块可以接收所述锂电池提供的电能，在负载或其他用电模块需要时，及时输出电能，保证无人机氢燃料电源的正常运作；所述双向DC/DC模块也可以将所述氢燃料电堆产生的电能储存进锂电池中，以减少能源损失和存储电能随时启用
进一步的，所述氢燃料电堆包含有多个串联叠装的单电池模块，相邻的所述单电池模块之间设有隔热板，每个所述单电池模块内分别设有向外延伸的散热板。
所述隔热板的设置，能够避免相邻电池模块之间的热量传递，减少单电池模块之间的相互影响；所述散热板的设置，能够让每个当电池模块向外独立散热，有助于整体的温度控制。
进一步的，所述仓体包括底座，所述底座上设有盒体结构，所述盒体结构上设有安装座，所述安装座上设有多个弧形卡扣，所述弧形卡扣连接安装所述储氢瓶，所述安装座的四周连接有多个所述支架；所述底座上设置所述氢燃料电堆、所述散热控制模块、所述排气控制模块、所述智能控气模块和所述控制系统模块。
进一步的，所述盒体结构的外部还连接有多个支腿，所述盒体结构的外壁上对应所述散热组件处还设有蜂窝状散热孔，能够进行通风散热，也可以吸入必需的氧气。
进一步的，所述旋翼组件包括旋翼，以及连接并驱动所述旋翼的旋翼电机，所述旋翼电机安装在所述支架上，所述旋翼电机与所述控制系统模块电连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本氢燃料电池无人机的电源系统通过使用氢燃料，并合理布置所述储氢瓶、所述氢燃料电堆及其相关附件，能够减小整个电源系统的质量，使其具有质量轻、安全性能高、能耗少等优点，使无人机续航时间得到提升；2、本氢燃料电池无人机利用所述氢燃料电堆产生的电能为所述旋翼组件以及内部的控制电路系统供电，相较于单纯的锂电池供电，具有明显的长续航优点，在同等功率下，本氢燃料电池的体积更小，所占用的空间会更少；‘在同等重量下，本氢燃料电池无人机可以携带更多的燃料，续航里程可以更持久；3、所述DC/DC模块和所述双向DC/DC模块将接收的电能传送给所述控制系统模块，形成燃料电池/锂电池混合动力系统；无人机启动时需求功率较大，而氢燃料电池响应时间较长，需锂电池提供部分功率需求；正常航行时，功率需求稳定，有氢燃料电池提供主要功率需求，以达到为负载持续高效供电，保证无人机持久续航。
附图说明
图1为本发明一种氢燃料电池无人机的整体结构示意图；
图2为本发明一种氢燃料电池无人机的透视结构示意图；
图3为本发明一种氢燃料电池无人机的仓体内部结构示意图；
图中：1、仓体；101、排气口；102、通风口；2、储氢瓶；201、进气管；202、弧形卡扣；203、电磁减压阀；3、氢燃料电堆；301、出气管；302、排气阀；303、排气管；4、锂电池；5、散热风扇；601、散热控制模块；602、排气控制模块；603、智能控气模块；604、控制系统模块；605、DC/DC模块；606、双向DC/DC模块；7、安装座；8、支腿；9、支架；10、旋翼组件；1001、旋翼电机；1002、旋翼。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中间”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1～图3所示，一种氢燃料电池无人机，包括仓体1，所述仓体1的上方设有储氢瓶2，所述仓体1的内部设有氢燃料电堆3，所述氢燃料电堆3的一侧设有散热组件，所述仓体1的外部通过若干支架连接有旋翼组件10；所述仓体1内还设有电路控制系统，所述电路控制系统至少包括散热控制模块601、排气控制模块602、智能控气模块603、控制系统模块604和电源控制模块，所述散热控制模块601与所述散热组件电连接并根据所述氢燃料电堆3的温度控制所述散热组件的启闭，所述排气控制模块602连接并控制所述氢燃料电堆3的排气，所述智能控气模块603连接所述储氢瓶2并控制所述储氢瓶2的氢气输送量，所述控制系统模块604连接并控制所述旋翼组件10，所述电源控制模块连接所述氢燃料电堆并分配电能。
本氢燃料电池无人机的电源系统通过使用氢燃料，并合理布置所述储氢瓶2、所述氢燃料电堆3及其相关附件，能够减小整个电源系统的质量，使其具有质量轻、安全性能高、能耗少等优点，使无人机续航时间得到提升。
本氢燃料电池无人机利用所述氢燃料电堆产生的电能为所述旋翼组件10以及内部的控制电路系统供电，相较于单纯的锂电池供电，具有明显的长续航优点，一方面在同等功率下，本氢燃料电池的体积更小，所占用的空间会更少，另一方面在同等重量下，本氢燃料电池无人机可以携带更多的燃料，续航里程可以更持久。
所述储氢瓶2用于储存氢气，所述氢燃料电堆3能够分解氢气并转化为电能，所述散热组件能够对所述氢燃料电堆进行散热，防止所述氢燃料电堆温度过高而损坏；所述电路控制系统起到总的控制作用，能够根据各项数据收发指令，控制每个模块进行合理的工作，为整个氢燃料电源的正常运行和电源输出提供可靠支持。
所述电源控制模块能够将所述氢燃料电堆产生的电能按需分配至每个负载，能够为仓体内部的各个部件和模块提供电能，最重要的是能够提供充足而稳定的电能供所述旋翼组件使用，从而让所述旋翼组件带动整个无人机进行飞行。
进一步的，所述储氢瓶2的输出端连接有电磁减压阀203，所述电磁减压阀203通过进气管202与所述氢燃料电堆3连接，所述智能控气模块603电连接所述电磁减压阀203，用以控制所述电磁减压阀203的阀门开度。
所述电磁减压阀203通过快插式接头与所述进气管202相连，通过设置流量传感器，可以实时监测氢气流量并将流量信息反馈至所述智能控气模块，根据实际监测到的氢气流量和所需氢气流量以及是否工作来控制所述电磁减压阀的阀门的启闭和开度大小，以防氢气流量太大导致所述氢燃料电堆损坏或氢气流量过小导致所述氢燃料电堆工作效率过低。
在所述电路控制系统出现故障时或者氢气流量异常时，所述电磁减压阀203还能够断电自动闭合，以确保电源安全。
进一步的，所述散热组件包括安装在所述氢燃料电堆3端侧的散热支架，所述散热支架内安装有散热风扇5；所述散热控制模块601电连接所述散热风扇5；当所述氢燃料电堆3温度上升到85摄氏度以上时，所述散热控制模块601控制所述散热风扇5通电运作；当所述氢燃料电堆3温度下降到61摄氏度以下时，所述散热控制模块控制散热风扇5断电停止运作。
在所述氢燃料电堆3上还设有温度传感器，所述温度传感器能够实时监测氢燃料电堆的温度并将温度信息反馈至散热控制模块，所述散热控制模块可以向所述散热风扇发送指令，以调整风速或者启闭。将氢燃料电堆的温度控制在合理的区间的内，不会让其温度过高而故障、损坏甚至产生安全问题，也不会长期开启所述散热风扇，避免氢燃料电堆温度偏低，以免影响其运行效率，也可以节省驱动风扇运行的电能，将更多的电能提供给飞行所需。
进一步的，所述氢燃料电堆3的排气口连接有出气管301，所述出气管301连接有排气阀302，所述排气阀302连接有排气管303，所述排气管303通过排气口101连接至所述仓体1的外部；所述排气控制模块602连接所述排气阀302，并控制所述排气阀302间歇性的通断电。
所述氢燃料电堆3的排气口通过快拧式接头与出气管301连接，所述出气管301通过固定接头连接所述排气阀302，所述排气阀302可以是电磁排气阀，所述排气管303能够将反应产生的多余其它向仓体的外部排出。
所述排气控制模块602控制排气阀工作，每20秒断电1秒，所述电磁排气阀的阀门通电闭合，断电打开。
进一步的，所述电源控制模块包括DC/DC模块605，所述DC/DC模块605与所述氢燃料电堆3连接，并将所述氢燃料电堆3所产生的电能进行降压，降压后的电能输送给所述旋翼组件10，并为所述散热组件、所述散热控制模块、所述排气控制模块、所述智能控气模块和所述控制系统模块供电。
具体的，所述DC/DC模块605与所述氢燃料电堆3通过导线连接，所述氢燃料电堆3所产生的电能将传递给所述DC/DC模块605进行降压，降压后的电能输送给负载进行供电。
进一步的，所述电源控制模块还包括双向DC/DC模块606，所述双向DC/DC模块606连接所述氢燃料电堆3和锂电池4，所述锂电池4也设置在所述仓体1内。
所述双向DC/DC模块606与所述锂电池4通过导线连接，所述双向DC/DC模块606可以接收所述锂电池4提供的电能，在负载或其他用电模块需要时，及时输出电能，保证无人机氢燃料电源的正常运作；所述双向DC/DC模块606也可以将所述氢燃料电堆产生的电能储存进锂电池4中，以减少能源损失和存储电能随时启用。
所述控制系统模块604与负载通过导线连接，为负载持续供电；所述DC/DC模块605和所述双向DC/DC模块606将接收的电能传送给所述控制系统模块604，形成燃料电池/锂电池混合动力系统；无人机启动时需求功率较大，而氢燃料电池响应时间较长，需锂电池提供部分功率需求；正常航行时，功率需求稳定，有氢燃料电池提供主要功率需求，以达到为负载持续高效供电，保证无人机持久续航。
进一步的，所述氢燃料电堆3包含有多个串联叠装的单电池模块，相邻的所述单电池模块之间设有隔热板，每个所述单电池模块内分别设有向外延伸的散热板。
所述隔热板的设置，能够避免相邻电池模块之间的热量传递，减少单电池模块之间的相互影响；所述散热板的设置，能够让每个当电池模块向外独立散热，有助于整体的温度控制。
所述单电池模块包括双极板、膜电极组件、集流器、密封垫片、集电极板、绝缘垫片和端盖板，所述膜电极组件包括质子交换膜、催化剂层和扩散层。
具体的，阳极集电极板通过导电密封胶与阳极板粘接，阴极集电极板通过导电密封胶与阴极板粘接；氢气从所述储氢瓶2流入氢燃料电堆3的阳极，氧气从阴极流通道流入氢燃料电堆3的阴极，所述阴极流通道采用针状流通道，氧气和氢气经扩散层到达质子交换膜(PEMFC)和催化剂层的界面，在催化剂作用下发生电解水的逆反应2H2+O2＝＝2H2O。在阳极氢气发生氧化反应生成氢离子和电子2H2-4e-→4H+，电子通过外电路到达阴极，在阴极氢离子、电子和氧气反应生成水4H+4e-+O2→2H2O。产生的水气及其多余的氢气通过排气管从排气阀排出。
在一些实施方式中，所述氢燃料电堆3的双极板(BPP)两面流道路径采用针状流场，所述双极板采用导热石墨材料；所述催化层表面采用粗糙多孔结构，所述催化层材料选用铂，所述质子交换膜(PEMFC)为全氟磺酸型固体聚合物；所述集电极板采用铜板制成，所述密封垫片采用硅橡胶材质，所述绝缘垫片采用陶瓷纤维绝缘垫片。可以制作成单个电池模块后在组装成氢燃料电堆，比如所述氢燃料电堆可以由20个10W的单电池模块串联叠装而成。
进一步的，所述仓体1包括底座，所述底座上设有盒体结构，所述盒体结构上设有安装座7，所述安装座7上设有多个弧形卡扣202，所述弧形卡扣202连接安装所述储氢瓶2，所述安装座7的四周连接有多个所述支架9；所述底座上设置所述氢燃料电堆3、所述散热控制模块、所述排气控制模块、所述智能控气模块和所述控制系统模块。
在一些实施方式中，所述储氢瓶2为高压碳纤维缠绕式储氢瓶，容量为2L、压力为35Mpa，所述储氢瓶2具有质量更轻，安全性能更好等优良特点，并且通过快插式接头与进气管相连，使得换取储氢瓶更加方便快捷。
所述储氢瓶2可拆卸的安装在所述弧形卡扣202上，所述弧形卡扣202可以采用PVC塑料材质或者弹性金属材质，弧形卡扣开口弧度90度。
具体的，所述仓体1内合理安装所述氢燃料电堆3并在其相邻处安装散热风扇5，在另一侧间隔适当位置安装所述锂电池4；所述散热控制模块601、所述排气控制模块602、所述智能控气模块603、所述控制系统模604、所述DC/DC模块605和所述双向DC/DC模块606并排安装在一旁适当位置，以使所述仓体1内重量分布均匀；所述排气阀302安装在所述氢燃料电堆3和所述排气控制模块602之间空旷位置，合理减小仓体1内的占用空间。
进一步的，所述盒体结构的外部还连接有多个支腿8，能够支撑整个无人机，方便无人机着陆；所述盒体结构的外壁上对应所述散热组件处还设有蜂窝状散热孔，能够进行通风散热，也可以吸入必需的氧气。
进一步的，所述旋翼组件10包括旋翼1002，以及连接并驱动所述旋翼1002的旋翼电机1001，所述旋翼电机1001安装在所述支架9上，所述旋翼电机1001与所述控制系统模块604电连接。
所述支架9可以为中空的支架，线路可以从支架9的内部引入到所述旋翼电机1001处，所述旋翼电机直接驱动所述旋翼进行旋转。
在一些实施方式中，所述仓体1上的安装座7可以为正六边形，每个角处分别设置一根所述支架9，所述支架9倾斜布置并向上延伸，所述支架9的端部安装所述旋翼电机1001。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种氢燃料电池无人机，其特征在于，包括仓体，所述仓体的上方设有储氢瓶，所述仓体的内部设有氢燃料电堆，所述氢燃料电堆的一侧设有散热组件，所述仓体的外部通过若干支架连接有旋翼组件；所述仓体内还设有电路控制系统，所述电路控制系统至少包括散热控制模块、排气控制模块、智能控气模块、控制系统模块和电源控制模块，所述散热控制模块与所述散热组件电连接并根据所述氢燃料电堆的温度控制所述散热组件的启闭，所述排气控制模块连接并控制所述氢燃料电堆的排气，所述智能控气模块连接所述储氢瓶并控制所述储氢瓶的氢气输送量，所述控制系统模块连接并控制所述旋翼组件，所述电源控制模块连接所述氢燃料电堆并分配电能。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池无人机，其特征在于，所述储氢瓶的输出端连接有电磁减压阀，所述电磁减压阀通过进气管与所述氢燃料电堆连接，所述智能控气模块电连接所述电磁减压阀，用以控制所述电磁减压阀的阀门开度。
3.根据权利要求1所述的氢燃料电池无人机，其特征在于，所述散热组件包括安装在所述氢燃料电堆端侧的散热支架，所述散热支架内安装有散热风扇；所述散热控制模块电连接所述散热风扇；当所述氢燃料电堆温度上升到85摄氏度以上时，所述散热控制模块控制所述散热风扇通电运作；当所述氢燃料电堆温度下降到61摄氏度以下时，所述散热控制模块控制散热风扇断电停止运作。
4.根据权利要求1所述的氢燃料电池无人机，其特征在于，所述氢燃料电堆的排气口连接有出气管，所述出气管连接有排气阀，所述排气阀连接有排气管，所述排气管连接至所述仓体的外部；所述排气控制模块连接所述排气阀，并控制所述排气阀间歇性的通断电。
5.根据权利要求1所述的氢燃料电池无人机，其特征在于，所述电源控制模块包括DC/DC模块，所述DC/DC模块与所述氢燃料电堆连接，并将所述氢燃料电堆所产生的电能进行降压，降压后的电能输送给所述旋翼组件，并为所述散热组件、所述散热控制模块、所述排气控制模块、所述智能控气模块和所述控制系统模块供电。
6.根据权利要求1所述的氢燃料电池无人机，其特征在于，所述电源控制模块还包括双向DC/DC模块，所述双向DC/DC模块连接所述氢燃料电堆和锂电池，所述锂电池也设置在所述仓体内。
7.根据权利要求1所述的氢燃料电池无人机，其特征在于，所述氢燃料电堆包含有多个串联叠装的单电池模块，相邻的所述单电池模块之间设有隔热板，每个所述单电池模块内分别设有向外延伸的散热板。
8.根据权利要求1所述的氢燃料电池无人机，其特征在于，所述仓体包括底座，所述底座上设有盒体结构，所述盒体结构上设有安装座，所述安装座上设有多个弧形卡扣，所述弧形卡扣连接安装所述储氢瓶，所述安装座的四周连接有多个所述支架；所述底座上设置所述氢燃料电堆、所述散热控制模块、所述排气控制模块、所述智能控气模块和所述控制系统模块。
9.根据权利要求8所述的氢燃料电池无人机，其特征在于，所述盒体结构的外部还连接有多个支腿，所述盒体结构的外壁上对应所述散热组件处还设有蜂窝状散热孔。
10.根据权利要求1所述的氢燃料电池无人机，其特征在于，所述旋翼组件包括旋翼，以及连接并驱动所述旋翼的旋翼电机，所述旋翼电机安装在所述支架上，所述旋翼电机与所述控制系统模块电连接。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310991766.XA CN117002765A (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种氢燃料电池无人机 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| CN117002765A true CN117002765A (zh) | 2023-11-07 |
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ID=88574129
Family Applications (1)
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| CN202310991766.XA Pending CN117002765A (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种氢燃料电池无人机 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN117002765A (zh) |
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2023
- 2023-08-08 CN CN202310991766.XA patent/CN117002765A/zh active Pending
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