CN206040830U - 一种无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统 - Google Patents

一种无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统，属于航空航天器能源系统领域。该无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统为燃料电池电堆供氢，该系统包括：水罐、能量罐、氢气过滤装置、反应水回收装置；所述能量罐为NaBH4贮存场所和氢气发生装置，在能量罐中的NaBH4以固体形式存在，并与固态催化剂混合；所述能量罐的入口通过管线与水罐的出口连接，能量罐的出口通过管线与氢气过滤装置的入口连接；所述氢气过滤装置的出口通过管线与燃料电池电堆连接，燃料电池电堆的出水口与反应水回收装置的入口连接，反应水回收装置的出口与水罐的入口连接。

Description

一种无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统
技术领域
本实用新型属于航空航天器能源系统领域，具体涉及一种无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统。
背景技术
随着无人机技术的进步，无人机已在勘测、防火、安防等多个领域得以广泛的应用。目前，全球能源供应日益紧张，低碳经济方兴未艾，利用清洁能源动力系统代替传统的内燃机系统是各国无人机发展的重要方向。同时，氢氧燃料电池尤其是质子交换膜燃料电池作为一种清洁的新能源，因其零排放、高效率、高能量密度等特点使得其在无人机上的应用研究在近年来逐渐在各国兴起。燃料电池的工作方式与内燃机类似。其燃料是电池外携带的，且其燃料充装只需几分钟，较蓄电池表现出很大的优势。目前研究的无人机用燃料电池氢气来源主要来自于高压氢瓶，但是高压氢瓶即使在非常高的压力下，其质量存储效率仍低于5％。另外，加氢站等基础设施建设的不完全以及无人机野外作业环境等都限制了高压氢瓶供氢方式在无人机上的应用。
NaBH4水解作为一种安全、即时、低能耗、产氢纯度高的制氢技术，已发展成为当前燃料电池的重要氢源之一。NaBH4水解制氢的最常见方案就是利用碱溶液稳定NaBH4形成一定浓度水溶液，再使之与催化剂接触水解制的氢气。这种制氢方法虽然较氢瓶供氢法方便，但液体NaBH4的储氢密度低，并且供氢系统占重过大，不适用于无人机系统。例如专利200810198544.8公开了一种利用硼氢化钠水溶液制氢的反应装置，利用小型液压泵根据反应条件自动通过调整加入反应室的硼氢化钠溶液的流量来对反应进行控制。该实用新型具有制氢反应效率高，自动化程度高，反应易控等优点。但是，该系统NaBH4溶液储氢密度低，燃料源更换麻烦，系统复杂，不适用于无人机系统。
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用于无人机燃料电池供氢系统燃料更换不便、能量密度低等技术难题，提供一种无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统，为无人机燃料电池提供稳定高纯且方便续添的氢燃料，同时提高无人机的续航能力。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统，为燃料电池电堆供氢，该系统包括：水罐、能量罐、氢气过滤装置、反应水回收装置；
所述能量罐为NaBH4贮存场所和氢气发生装置，在能量罐中的NaBH4以固体形式存在，并与固态催化剂混合；
所述能量罐的入口通过管线与水罐的出口连接，能量罐的出口通过管线与氢气过滤装置的入口连接；
所述氢气过滤装置的出口通过管线与燃料电池电堆连接，燃料电池电堆的出水口与反应水回收装置的入口连接，反应水回收装置的出口与水罐的入口连接。
在所述能量罐与水罐之间的管线上设置有能量罐电磁阀、微型泵和水罐电磁阀；
所述水罐电磁阀的一端与水罐的出口连接，另一端与微型泵的入口连接，微型泵的出口与能量罐电磁阀的一端连接，能量罐电磁阀的另一端与能量罐的入口连接。
所述系统包括至少一个能量罐，多个能量罐采用并联方式连接，所述微型泵的出口连接有多个分支管线，每个分支管线通过一个能量罐电磁阀连接一个能量罐。
在所述氢气过滤装置与燃料电池电堆之间的管线上设置有减压阀和氢气缓冲罐；
所述氢气缓冲罐的一端与氢气过滤装置的出口连接，另一端与减压阀的一端连接，减压阀的另一端与燃料电池电堆的入口连接。
所述反应水回收装置包括冷凝器、气液分离器，所述冷凝器的入口与燃料电池电堆的出水口连接，冷凝器的出口与气液分离器连接，气液分离器的气体出口与废气管连接，用于排放阴极废气，气液分离器的液体出口与水罐的入口连接。
所述能量罐的入口和出口均采用卡套式管接头；
所述能量罐中的催化剂为过渡金属粉末、载体负载过渡金属复合催化剂或三元催化剂。
在所述水罐内设有液位传感器，用于收集水罐内的存水量信息。
所述氢气缓冲罐采用轻质聚合物或复合材料制成；
所述能量罐采用具有导热性能的轻型材料制成；
所述水罐采用轻质聚合物或复合材料制成。
优选的，所述能量罐的材料为导热塑料；
所述水罐采用碳纤维或聚乙烯制成；
所述氢气过滤装置为固体酸盒；
所述燃料电池电堆采用风冷式或是水冷式电堆。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型采用固态NaBH4制氢路线，理论储氢密度为10.8wt％，是高压氢瓶密度的两倍，减小了储氢装置的体积，能够最大程度地发挥NaBH4储氢密度高的优点，使其更适用于无人机狭小的机舱。同时实现了储氢制氢一体化，通过能量罐并联及罐体材料的选择，简化系统散热装置，减轻了燃料电池供氢单元质量，提高了供氢单元的能量储存密度。同时通过能量罐的并联设计，实现氢燃料的方便续添。其次，本实用新型通过微型泵、氢气缓冲罐以及相应电磁阀的控制，实现了对NaBH4产氢的反应控制，为燃料电池系统提供稳定的氢源。本实用新型可成功用于燃料电池供电的无人机，提高无人机的工作时长及野外作业甚至是极端环境下的作业能力。
附图说明
图1本实用新型的无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统NaBH4供氢系统的结构示意图。
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，本实用新型设计了一种NaBH4供氢系统，所述系统包括：能量罐3、水罐1、氢气过滤装置4、氢气缓冲罐5、反应水回收装置6、相关管路气阀。
所述能量罐3为NaBH4贮存场所和氢气发生装置。在能量罐3中的NaBH4以固体形式存在，并与一定量的固态催化剂混合。作为本实用新型的一种优选，催化剂为过渡金属粉末、载体负载过渡金属复合催化剂或三元催化剂。
所述能量罐3作为氢气发生装置，两端分别与水罐1、氢气缓冲罐5连接。能量罐3与水罐1通过微型泵2(微型泵有一个出口，通过管线分为多个分支，每个分支连接一个能量罐)和电磁阀相连接。由微型泵2将水输送到能量罐3中开启反应，通过调节微型泵2和电磁阀对制氢反应速率进行调节。
所述能量罐3可以进行多个并联，能量罐3的入口处均设有电磁阀(图1中31-33均为电磁阀。)(在能量罐的出口可设有电磁阀也可不设电磁阀)，通过电磁阀的开关控制能量罐的并联，调节氢气产生速率；同时这种并联方案避免了NaBH4水解产氢产热速度过快而难以控制。能量罐3采用导热性能优的轻型材料制成，进一步控制NaBH4水解产氢时能量罐的温度，作为一种优选，能量罐体材料为导热塑料。
所述能量罐3为一种方便替换的轻型燃料罐，可根据相应燃料电池无人机的作用时间需求进行配置，能量罐两端采用方便装卸的接口，例如可采用卡套式管接头。
所述水罐1用以储存引发反应的去离子水，两端分别与能量罐3和反应水回收装置6连接；此供氢系统在无人机上的应用时，根据无人机续航要求及电堆的相关参数，确定水罐初始携带的最少水量。为减轻系统重量，作为一种优选方案，水罐可以采用轻质聚合物或复合材料制成，如碳纤维、聚乙烯。
所述水罐1内设有液位传感器，收集水罐内存水量信息；当存水量不足以维持产氢反应进行时，可通过外部添加保证反应水量充足，使得无人机动力系统正常运作。
所述氢气过滤装置4的入口与能量罐3的出口连接，用以除去制得的H2中含有的杂质，作为本实用新型方案的一种优选，所述氢气过滤装置为固体酸盒。
所述供氢系统还包括氢气缓冲罐5(采用轻质材料制成，例如轻质聚合物或是复合材料等等)，氢气缓冲罐5的入口与氢气过滤装置4的出口连接，在氢气缓冲罐5的出口处连接减压阀并根据其服务的电堆设定一定的压力值，保证氢气以一定压力输送到电堆，从而为燃料电池电堆稳定地提供氢气。
所述反应水回收装置6的入口端连接电堆反应出水口，另一端连接水罐1，将燃料电池反应产生的凝结水通过管路经过去离子装置送回到水罐中，具体来说，所述反应水回收装置6包括冷凝器、气液分离器，冷凝器的入口与电堆反应出水口连接，冷凝器的出口与气液分离器连接，气液分离器的气体出口与废气管连接，用于排放阴极废气，气液分离器的液体出口与水罐连接。
所述供氢系统可为燃料电池电堆供氢，燃料电池电堆采用风冷式或是水冷式电堆。
利用本实用新型提供的供氢系统向无人机燃料电堆供氢时，首先根据无人机续航要求及供电燃料电池规格配置并联一定量的标准能量罐(标准能量罐的规格已知后，其产电量则已知，根据飞行要求即可计算得到所需的能量罐的数量)，预先向水罐中注入一定量去离子水，启动微型泵、打开微型泵前面的电磁阀以及用到的能量罐前面的电磁阀，将水注入能量罐中引发反应，产生氢气；通过微型泵转速、相关电磁阀进行调节，使氢气发生反应以一定速度进行；能量罐中反应生成的氢气经过氢气过滤装置除杂进入氢气缓冲罐；通过缓冲罐出口端的减压阀的调节，向燃料电池提供稳定流速的氢气；电堆反应启动后利用反应水回收装置回收生成的水，继续提供给能量罐，维持NaBH4水解反应的持续进行。
本实用新型的一个实施例如下：
以一个功率为1KW的燃料电池电堆对无人机进行供电，维持无人机正常运行4小时，则需要供电4KWh,一个标准能量罐内含有100gNaBH4,需设置20个标准能量罐；经计算，包含供氢部分的电池系统总重6.8kg，体积为9.2L，质量储能密度为588.2Wh/kg,体积储能密度为434.8Wh/L。
若以传统的NaBH4水溶液法进行制氢，为满足供电4KWh,需要8.4Kg25.wt％NaBH4溶液。经计算，电池系统总重为11kg，体积为14.7L，质量储能密度为363.5Wh/kg，体积储能密度为272.1Wh/L。
经过上述对比可以看出，本实用新型提供的燃料电池供氢系统具有高的质量体积储能密度，更适用于无人机系统。同时，无人机野外作业，可根据作业时长配置标准能量罐，人工可操作能量罐替换，每个标准能量罐可维持飞机运行12min。
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)

1.一种无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统，其特征在于：所述无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统为燃料电池电堆供氢，该系统包括：水罐、能量罐、氢气过滤装置、反应水回收装置；
所述能量罐为NaBH4贮存场所和氢气发生装置，在能量罐中的NaBH4以固体形式存在，并与固态催化剂混合；
所述能量罐的入口通过管线与水罐的出口连接，能量罐的出口通过管线与氢气过滤装置的入口连接；
所述氢气过滤装置的出口通过管线与燃料电池电堆连接，燃料电池电堆的出水口与反应水回收装置的入口连接，反应水回收装置的出口与水罐的入口连接。
2.根据权利要求1所述的无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统，其特征在于：在所述能量罐与水罐之间的管线上设置有能量罐电磁阀、微型泵和水罐电磁阀；
所述水罐电磁阀的一端与水罐的出口连接，另一端与微型泵的入口连接，微型泵的出口与能量罐电磁阀的一端连接，能量罐电磁阀的另一端与能量罐的入口连接。
3.根据权利要求2所述的无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统，其特征在于：所述系统包括至少一个能量罐，多个能量罐采用并联方式连接，所述微型泵的出口连接有多个分支管线，每个分支管线通过一个能量罐电磁阀连接一个能量罐。
4.根据权利要求3所述的无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统，其特征在于：在所述氢气过滤装置与燃料电池电堆之间的管线上设置有减压阀和氢气缓冲罐；
所述氢气缓冲罐的一端与氢气过滤装置的出口连接，另一端与减压阀的一端连接，减压阀的另一端与燃料电池电堆的入口连接。
5.根据权利要求4所述的无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统，其特征在于：所述反应水回收装置包括冷凝器、气液分离器，所述冷凝器的入口与燃料电池电堆的出水口连接，冷凝器的出口与气液分离器连接，气液分离器的气体出口与废气管连接，用于排放阴极废气，气液分离器的液体出口与水罐的入口连接。
6.根据权利要求5所述的无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统，其特征在于：所述能量罐的入口和出口均采用卡套式管接头。
7.根据权利要求6所述的无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统，其特征在于：所述能量罐中的催化剂为过渡金属粉末、载体负载过渡金属复合催化剂或三元催化剂。
8.根据权利要求7所述的无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统，其特征在于：在所述水罐内设有液位传感器，用于收集水罐内的存水量信息。
9.根据权利要求7所述的无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统，其特征在于：所述氢气缓冲罐采用轻质聚合物或复合材料制成；
所述能量罐采用具有导热性能的轻型材料制成；
所述水罐采用轻质聚合物或复合材料制成。
10.根据权利要求9所述的无人机燃料电池用的NaBH4供氢系统，其特征在于：所述能量罐的材料为导热塑料；
所述水罐采用碳纤维或聚乙烯制成；
所述氢气过滤装置为固体酸盒；
所述燃料电池电堆采用风冷式或是水冷式电堆。
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