CN206040827U - 一种无人机用燃料电池反应水管理系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种无人机用燃料电池反应水管理系统，属于航空航天器燃料电池及新能源领域。该系统一端与燃料电池电堆连接，另一端与燃料供应系统中的储水罐连接，所述无人机用燃料电池反应水管理系统包括冷凝装置和气液分离器；所述冷凝装置的入口端与燃料电池电堆的阴极尾气出口连接，将由阴极尾气带出的水蒸气冷凝成水；所述冷凝装置的出口端通过管道与气液分离器的入口相连接；所述气液分离器有两个出口端，分别为气体出口端和液体出口端；所述气液分离器的液体出口端与储水罐的入口连接；燃料电池电堆的阴极反应生成的水一部分用于润湿质子交换膜，一部分随尾气排出燃料电池电堆，被该无人机用燃料电池反应水管理系统回收利用。
Description
技术领域
本实用新型属于航空航天器燃料电池及新能源领域，具体涉及一种无人机用燃料电池反应水管理系统。
背景技术
随着无人机应用需求的不断高涨，无人机产业迅速兴盛起来。然而，无人机续航问题深深困扰了众多的无人机从业者。燃料电池因其能量转换效率高、寿命长、比功率高、零排放等优点成为无人机续航问题的有效解决方案。燃料电池在工作运行时，在阴极上，参与反应的氧气会在阴极被还原从而生成反应水。燃料电池的正常运行离不开对这部分水的合理管理。同时，在燃料电池系统中，电堆湿度的保持、特殊供氢系统如NaBH4供氢系统都需要水。与固定的燃料电池系统相比，为移动设备无人机供电时，很多时候无法补充相关系统中所需要的水。若是为燃料电池系统提供额外的水，势必引起系统的质量增大，复杂性增高，从而降低了燃料电池系统的比功率以及其在无人机上的适用性。
现有的反应水管理技术大多以维持电堆工作湿度为主要关注点，如通过结构设计将电极反应出口的水回收对电堆进行加湿，如专利99808766.1中的方案对电堆湿度进行了有效的控制，保证电堆的正常工作；但是这种方案的回收系统复杂，也未考虑燃料电池系统其他部分特别是NaBH4供氢系统的水需求，不能够满足燃料电池在无人机应用的实际需求。
实用新型内容
本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种无人机用燃料电池反应水管理系统,系统构成简单，对燃料电池反应水进行有效的回收利用，并在与NaBH4供氢系统联用时，能够减轻系统重量，增大燃料电池系统的能量密度，同时维持电堆高效的运行性能，提高其在无人机上的适用性。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种无人机用燃料电池反应水管理系统,其一端与燃料电池电堆连接，另一端与燃料供应系统中的储水罐连接，所述无人机用燃料电池反应水管理系统包括冷凝装置和气液分离器；
所述冷凝装置的入口端与燃料电池电堆的阴极尾气出口连接，将由阴极尾气带出的水蒸气冷凝成水；
所述冷凝装置的出口端通过管道与气液分离器的入口相连接；
所述气液分离器有两个出口端，分别为气体出口端和液体出口端；
所述气液分离器的液体出口端与储水罐的入口连接；
燃料电池电堆的阴极反应生成的水一部分用于润湿质子交换膜，一部分随尾气排出燃料电池电堆，被该无人机用燃料电池反应水管理系统回收利用。
所述冷凝装置与燃料电池电堆的阴极尾气出口通过一个单向阀进行连接，保证水汽只能从燃料电池电堆流向冷凝装置。
所述气液分离器采用超滤分离，在气液分离器内设置有憎水透气膜。
所述冷凝装置采用微型通道平行流式冷凝器，其冷却介质为环境空气，微型通道采用轻质高导热材料。
所述系统包括二位三通阀，所述二位三通阀的第一个接口与气液分离器的气体出口端连接，第二个接口与尾气排放管连接，第三个接口与冷凝装置的入口端连接。
在所述气液分离器的气体出口端设置有湿度传感器，收集尾气湿度信息。
所述二位三通阀中对应尾气排放管的阀门常开，对应冷凝装置的入口端的阀门常闭；当湿度传感器显示尾气湿度超过设定值时，关闭对应尾气排放管的阀门，开启对应冷凝装置的入口端的阀门；当湿度传感器显示尾气湿度低于设定值，两个阀门状态回归常态。
所述燃料供应系统为固态NaBH4供氢系统，包括储水罐、微型计量泵、反应器；
所述储水罐的出口与微型计量泵的入口连接，微型计量泵的出口与反应器的入口连接，在反应器内装有固态NaBH4和催化剂混合粉末；
所述气液分离器布置在储水罐的上方。
在所述燃料电池电堆的阳极废氢出口端设置有阳极冲刷电磁阀，阳极冲刷电磁阀每隔15秒开启一次，利用阳极气压产生的气流将多余的水分吹出燃料电池电堆，防止阳极水淹。
所述燃料电池电堆为自增湿轻型电堆，采用空冷型或是液冷型封闭式电堆。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型对无人机上使用的燃料电池系统反应产生水提供了有效的管理；结合无人机的应用环境和相应供氢系统的使用特点，简化了反应水回收系统，有效地利用了电堆反应生成的水。特别地，本实用新型根据固态NaBH4供氢系统的特点，将反应水回收利用，不仅有效地进行了水管理，还通过反应水的回收利用减轻了供氢系统重量，简化供氢系统结构，使得整体燃料电池系统的质量减轻。
附图说明
图1本实用新型无人机用燃料电池反应水管理系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述：
如图1所示，所述无人机用燃料电池电堆为自增湿轻型电堆，无需附加增湿系统，通过增大质子交换膜两侧水浓度梯度，提高电化学反应生成水由阴极到阳极的扩散动力，达到膜增湿目的；根据无人机动力系统要求，采用空冷型或是液冷型封闭式电堆。阴极反应生成的水一部分用于润湿质子交换膜，一部分可随着尾气排出电堆，被回收利用。
所述阳极冲刷电磁阀位于阳极废氢出口端；自增湿型电堆随着运行时间的增加，由阴极扩散到阳极的水分逐渐在阳极累积；作为本实用新型的一种，阳极冲刷电磁阀每隔15秒开启，利用阳极气压产生的气流将多余的水分吹出电堆，便于收集，同时也防止阳极水淹。
所述阴极反应水回收装置与NaBH4供氢系统联用：
根据飞机的飞行环境和作业要求进行设置燃料供应系统。作为本实用新型的一种优选，燃料供应系统为NaBH4供氢系统；
所述NaBH4供氢系统中固态NaBH4在催化剂存在时与水反应快速产氢，具有燃料更替方便的优点，更适用于无人机长时间野外作业。所述NaBH4供氢系统包括一个储水罐以及连接在储水罐和反应能量罐之间的微型计量泵。可以通过控制微型泵的转速控制进入反映能量罐的水流量实现氢气产率的调节。
所述阴极反应水回收装置具体包括：冷凝装置、气液分离器和湿度传感器、二位三通阀以及相关管路；
所述冷凝装置与燃料电池阴极尾气出口连接，将由阴极废气带出的水蒸气冷凝成水。作为本实用新型的一种优选，冷凝装置采用微型通道平行流式冷凝器，其冷却介质为环境空气，微通道采用轻质高导热材料例如铝合金；该装置出口端通过管道与气液分离器的入口相连接；
所述冷凝装置与燃料电池阴极尾气排出口通过一个单向阀进行连接，防止水汽回流。
所述的气液分离器有气体出口端和液体出口端两个出口；作为本实用新型的一个优选，气液分离采用超滤分离，在分离器内设置憎水透气膜。
所述气液分离器的气体出口端设置湿度传感器，收集尾气湿度信息；气体出口端连有一个二位三通电磁阀，另两端分别连接尾气排放管和冷凝器入口管道，将未完全液化的水汽再次送回冷凝器，使水充分液化；尾气排放端阀门常开，冷凝器入口管道端阀门常闭；当湿度传感器显示尾气湿度超过一定值，关闭排放端阀门，开启冷凝器入口管道端阀门；当湿度传感器显示尾气湿度低于设定值，阀门状态回归常态。
所述气液分离器的水出口端与固态NaBH4供氢系统连接。作为本实用新型的一种优选，回收水经分离器由水管输送到NaBH4供氢装置中的储水罐中，再通过微型计量泵将水输送到反应器与固态NaBH4发生反应，产生氢气。为保证反应水的流通，气液分离器布置在储水罐上端，利用重力保证反应水的流通。
当无人机在野外作业加氢不便时，或是续航要求高时，本实用新型采用易于更替的NaBH4供氢系统；利用微型通道平行流式冷凝器将阴极尾气带出的水蒸气冷凝成水，尾气与冷凝水通过管道进入气液分离器；气液分离器为一个密封容器，通过疏水透气膜对气液进行分离；尾气出口端具有一个湿度传感器并与电磁阀连接；通过尾气湿度信息的探测，控制相应电磁阀，对尾气进行排放或是再循环，提高反应水的回收率。
采用这种回水装置时，供氢系统只需携带初始引发产氢反应的较少水量即可，不必根据NaBH4的总量配备水，大大减少了供氢系统自带水的量，在实现系统减重的同时，为NaBH4水解反应提供充足的水。
以一个功率为1KW的燃料电池电堆对无人机进行供电为例，维持无人机正常运行4小时，则需要供电4KWh,若以NaBH4水溶液法进行制氢，为满足供电4KWh,需要8.4Kg25.wt％NaBH4溶液。若利用本实用新型提供的回水装置，只需固态NaBH4以及少量的水即可，这部分总重(包含回水装置)不超过5kg。对比两种方案可以看出，本实用新型有利于减轻燃料电池系统的总重，使其更适用于无人机
上述技术方案只是本实用新型的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本实用新型公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本实用新型上述具体实施例所描述的结构，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (10)
1.一种无人机用燃料电池反应水管理系统，其特征在于：所述无人机用燃料电池反应水管理系统一端与燃料电池电堆连接，另一端与燃料供应系统中的储水罐连接，所述无人机用燃料电池反应水管理系统包括冷凝装置和气液分离器；
所述冷凝装置的入口端与燃料电池电堆的阴极尾气出口连接，将由阴极尾气带出的水蒸气冷凝成水；
所述冷凝装置的出口端通过管道与气液分离器的入口相连接；
所述气液分离器有两个出口端，分别为气体出口端和液体出口端；
所述气液分离器的液体出口端与储水罐的入口连接；
燃料电池电堆的阴极反应生成的水一部分用于润湿质子交换膜，一部分随尾气排出燃料电池电堆，被该无人机用燃料电池反应水管理系统回收利用。
2.根据权利要求1所述的无人机用燃料电池反应水管理系统，其特征在于：所述冷凝装置与燃料电池电堆的阴极尾气出口通过一个单向阀进行连接，保证水汽只能从燃料电池电堆流向冷凝装置。
3.根据权利要求2所述的无人机用燃料电池反应水管理系统，其特征在于：所述气液分离器采用超滤分离，在气液分离器内设置有憎水透气膜。
4.根据权利要求3所述的无人机用燃料电池反应水管理系统，其特征在于：所述冷凝装置采用微型通道平行流式冷凝器，其冷却介质为环境空气，微型通道采用轻质高导热材料。
5.根据权利要求1至4任一所述的无人机用燃料电池反应水管理系统，其特征在于：所述系统包括二位三通阀，所述二位三通阀的第一个接口与气液分离器的气体出口端连接，第二个接口与尾气排放管连接，第三个接口与冷凝装置的入口端连接。
6.根据权利要求5所述的无人机用燃料电池反应水管理系统，其特征在于：在所述气液分离器的气体出口端设置有湿度传感器，收集尾气湿度信息。
7.根据权利要求6所述的无人机用燃料电池反应水管理系统，其特征在于:所述二位三通阀中对应尾气排放管的阀门常开，对应冷凝装置的入口端的阀门常闭；当湿度传感器显示尾气湿度超过设定值时，关闭对应尾气排放管的阀门，开启对应冷凝装置的入口端的阀门；当湿度传感器显示尾气湿度低于设定值，两个阀门状态回归常态。
8.根据权利要求1所述的无人机用燃料电池反应水管理系统，其特征在于：所述燃料供应系统为固态NaBH4供氢系统，包括储水罐、微型计量泵、反应器；
所述储水罐的出口与微型计量泵的入口连接，微型计量泵的出口与反应器的入口连接，在反应器内装有固态NaBH4和催化剂混合粉末；
所述气液分离器布置在储水罐的上方。
9.根据权利要求8所述的无人机用燃料电池反应水管理系统，其特征在于：在所述燃料电池电堆的阳极废氢出口端设置有阳极冲刷电磁阀，阳极冲刷电磁阀每隔15秒开启一次，利用阳极气压产生的气流将多余的水分吹出燃料电池电堆，防止阳极水淹。
10.根据权利要求1所述的无人机用燃料电池反应水管理系统，其特征在于：所述燃料电池电堆为自增湿轻型电堆，采用空冷型或是液冷型封闭式电堆。
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