CN206134830U - 一种抛掷式固态硼氢化钠燃料电池供氢系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种抛掷式固态硼氢化钠燃料电池供氢系统，属于航空航天器能源系统领域。该抛掷式固态硼氢化钠燃料电池供氢系统包括产氢模块、供氢模块、废罐抛掷模块和控制模块；所述产氢模块包括N组能量罐组、注水电磁阀、供水电磁阀、水泵和水罐；每组能量罐组与一个注水电磁阀连接，各个注水电磁阀与供水电磁阀连接，供水电磁阀与水泵连接，水泵与水罐连接；每组能量罐组包括至少一个固态硼氢化钠能量罐；所述供氢模块包括氢气集气接头、氢气缓冲罐、供氢减压阀、供氢电磁阀、氢气压力传感器；所述氢气集气接头设有多个进气口，每个进气口分别与一个硼氢化钠能量罐的出气管相连，所述氢气集气接头的出气口与所述氢气缓冲罐相连。

Description

一种抛掷式固态硼氢化钠燃料电池供氢系统

技术领域

本实用新型属于航空航天器能源系统领域，具体涉及一种抛掷式固态硼氢化钠燃料电池供氢系统，可以用于无人机、无人飞行器等等。

背景技术

由于燃料电池发电效率高、氢气燃料来源丰富并可再生、排放无污染等特性，符合现代社会新能源发展需求，得到大力发展，作为新能源供电和新能源动力应用在微电网、基站、汽车等领域。传统燃料电池氢源主要以高压氢气瓶为主，但无人机由于作业任务需要频繁运输，随机携运的高压氢气瓶存在泄漏易燃易爆等特性，需要充分的安全保障措施，因此导致工作量大大增加。

化学储氢材料中，硼氢化钠储氢密度高，自身含氢量达到10.6％，约为常规金属氢化物的5倍。硼氢化钠在空气中较稳定，溶于水形成液态储氢材料，没有自燃、爆炸的危险。启动时间短、反应条件低，最低放氢温度可达--40℃。与传统化学氢化物的改质相比(甲烷、甲醇等)，硼氢化钠产氢流程简单，系统简单，产氢速度可调，因此作为燃料电池氢源有很好的应用前景。

专利201420095666.5提到了一种燃料电池供氢系统，由装有硼氢化钠溶液的储液罐、多个子反应罐和冷凝装置构成。但硼氢化钠溶液配比需要大量水，很大程度上增加了燃料电池系统重量，不能满足质量要求严格的无人机的燃料电池氢源需求。

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，提供一种抛掷式 固态硼氢化钠燃料电池供氢系统，实现产氢供氢一体化，减轻燃料电池系统及无人机载荷重量、增加无人机巡航时长，并消除氢源储运过程中的安全隐患。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种抛掷式固态硼氢化钠燃料电池供氢系统，包括产氢模块、供氢模块、废罐抛掷模块和控制模块；

所述产氢模块包括N组能量罐组、注水电磁阀、供水电磁阀、水泵和水罐；每组能量罐组与一个注水电磁阀连接，各个注水电磁阀与供水电磁阀连接，供水电磁阀与水泵连接，水泵与水罐连接；每组能量罐组包括至少一个固态硼氢化钠能量罐；

所述供氢模块包括氢气集气接头、氢气缓冲罐、供氢减压阀、供氢电磁阀、氢气压力传感器；所述氢气集气接头设有多个进气口，每个进气口分别与一个硼氢化钠能量罐的出气管相连，所述氢气集气接头的出气口与所述氢气缓冲罐相连；所述供氢减压阀的一端连接氢气缓冲罐，另一端连接供氢电磁阀，供氢电磁阀的另一端与燃料电池反应堆相连；所述氢气压力传感器设置在氢气集气接头上；

所述废罐抛掷模块包括支架和电磁底座，所述电磁底座固定在支架上，各个所述硼氢化钠能量罐均安装在电磁底座上，并能够被电磁底座释放；

所述控制模块通过导线与水泵、供水电磁阀、注水电磁阀、供氢电磁阀、氢气压力传感器、电磁底座相连。

在所述电磁底座上对应每个硼氢化钠能量罐均设有至少两个磁金属环，对应每个磁金属环，设有至少一个弹簧；

在每个所述硼氢化钠能量罐的下部均设有沟槽，每个沟槽对应一个磁金属环，所述磁金属环的内侧与所述硼氢化钠能量罐的外表面形状吻合，并与沟槽等宽，所述磁金属环的外侧与弹簧的一端连接，弹簧的另一端与支架连接。

抛掷前，所述弹簧处于压缩状态,磁金属环嵌入沟槽,固定硼氢化钠能量罐，抛掷时，控制模块对电磁底座通电，磁金属环被吸引，弹簧被进一步压缩，磁 金属环从硼氢化钠能量罐上的沟槽脱出，硼氢化钠能量罐被释放。

各个所述硼氢化钠能量罐是同等规格的。

在所述供水电磁阀的内部设有流量传感器。

所述燃料电池反应堆的阴极水出口与水罐的入水口连接；

启动前，根据无人机续航要求及燃料电池反应堆的参数得到水罐初始携带的最少水量，预先向所述水罐中注入该最少水量的去离子水，启动后，水罐中的后续水源由燃料电池反应堆的阴极水提供。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型实现了燃料电池系统的产氢供氢一体化。采用固态硼氢化钠和水回收循环利用，减轻了燃料电池系统及无人机载荷重量。将反应完的废罐抛掷，减小了无人机载荷和电消耗，增加了无人机续航时长。能量罐的组合可适应不同功率燃料电池系统，且替换传统高压储氢瓶，消除了氢源储运过程中的安全隐患。

附图说明

图1固态硼氢化钠供氢系统图；

图2电磁底座正视图；

图3电磁底座俯视图。

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：

本实用新型固态硼氢化钠燃料电池供氢系统，如图1所示，该系统包括产氢模块、供氢模块、废罐抛掷模块和控制模块；其中产氢模块中的能量罐通过软管与供氢模块中的缓冲罐相连；控制模块通过导线与水泵、供水电磁阀、能量罐注水电磁阀、供氢电磁阀、氢气压力传感器、抛掷模块电磁底座相连。

所述产氢模块包括至少一个固态硼氢化钠能量罐11、水罐01、水泵02、供水电磁阀03、水流量传感器、注水电磁阀04(一个注水电磁阀连接一个或多个能量罐，即能量罐分为N组，每组对应一个注水电磁阀，每组中有一个或多个能量罐)，其中硼氢化钠能量罐11通过软管与水泵02相连，水泵02通过软管与水罐01相连，其中供水电磁阀03设置在水罐上(供水电磁阀的一端通过分水接口与各个注水电磁阀相连，另一端与水泵02连接)，流量传感器设置在供水电磁阀03的内部；其中水罐01中首次装少量去离子水，后续水源由燃料电池反应堆05阴极水提供。

所述硼氢化钠能量罐设计为同等规格，可根据不同功率燃料电池反应堆05的氢气需求几个或一个成一组，同时供氢。每个能量罐有一个氢气出口，所有能量罐的氢气出口均连接到氢气集气接头。

所述供氢模块包括氢气缓冲罐21、供氢电磁阀22、氢气集气接头12(氢气集气接头与各个能量罐的出气管相连)、氢气压力传感器、供氢减压阀23；其中氢气集气接头12的多个进气口通过软管分别与各个硼氢化钠能量罐的出气管相连，另一端与氢气缓冲罐相连；供氢电磁阀21一端连接缓冲罐，另一端连接供氢减压阀，供氢减压阀的另一端与燃料电池反应堆05相连；其中氢气压力传感器设置在氢气集气接头12上。

所述废罐抛掷模块包括支架，用于能量罐的位置排布；还包括电磁底座06，用于能量罐的固定和释放；其中支架固定在无人机机舱内底部，电磁底座06固定在支架上；

其中电磁底座06如图2和图3所示，由装有线圈的两个磁金属环和两个弹簧构成，所述磁金属环嵌套在能量罐罐体沟槽内，例如可以是半圆形、弧形等，能量罐下部有与电磁底座06的磁金属环等宽的沟槽，弹簧的弹力使金属环嵌在能量罐沟槽内，此时弹簧处于压缩状态，磁金属环固定能量罐防止移动，通电时磁金属环产生磁力，弹簧被进一步压缩，释放能量罐；

本系统的使用方法如下：燃料电池启动前，能量罐按顺序排布在支架上，电磁底座06固定能量罐。水罐中装少量去离子水，控制模块启动供水电磁阀、水泵和一组注水电磁阀，启动一组能量罐产氢；氢气经过氢气集气接头进入氢 气缓冲罐，打开供氢电磁阀供氢；当氢气压力传感器检测到氢气压力低于预设值下限时，关闭该组能量罐电磁阀，同时标记该组能量罐为废罐，然后按顺序打开另一个或一组注水电磁阀；当无人机飞行至预设废罐回收点，控制模块断开废罐磁力底座供电，废罐从无人机底部抛掷。

以2kw无人机固态硼氢化钠燃料电池供电系统为例，峰值功率2kw，运行平均功率1kw。

设计一个标准小规格硼氢化钠能量罐产氢速率5L/min，该燃料电池系统需要两个能量罐同时供氢。在水罐中装100g去离子水，控制模块控制开启水泵和供水电磁阀，开启第一组的两个能量罐注水电磁阀，去离子水进入能量罐产氢。氢气通过氢气集气接口进入氢气缓冲罐。控制模块控制供氢电磁阀开启，氢气进入燃料电池反映堆。当氢气压力传感器数值小于20bar时，控制模块开启第二组两个能量罐注水电磁阀，关闭第一组两个能量罐注水电磁阀，依次供氢。当无人机飞行到预设废罐回收点，控制模块控制电磁底座06开启，抛掷废罐，减轻无人机整体重量。

该系统12个能量罐可供无人机飞行144min，供氢系统重2.8kg；20个能量罐供无人机飞行240min，供氢系统重4.5kg；能量罐大小可以根据需求功率合理设计和改变，例如可以设计一个定制大规格硼氢化钠能量罐可供电600wh，6个能量罐供无人机飞行216min，供氢系统重3kg。

本实用新型提供了一种抛掷式固态硼氢化钠燃料电池供氢系统及方法，使用固态硼氢化钠能量罐代替高压储氢瓶，消除了氢源储运过程中的安全隐患和冲氢过程的安全隐患。本系统实现了产氢供氢一体化，简化了传统氢瓶充氢的操作步骤。该系统使用标准化可抛掷能量罐方案，增加了无人机巡航时长。

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 (6)

1.一种用于无人机的抛掷式固态硼氢化钠燃料电池供氢系统，其特征在于：所述抛掷式固态硼氢化钠燃料电池供氢系统包括产氢模块、供氢模块、废罐抛掷模块和控制模块；

所述产氢模块包括N组能量罐组、注水电磁阀、供水电磁阀、水泵和水罐；每组能量罐组与一个注水电磁阀连接，各个注水电磁阀与供水电磁阀连接，供水电磁阀与水泵连接，水泵与水罐连接；每组能量罐组包括至少一个固态硼氢化钠能量罐；

所述供氢模块包括氢气集气接头、氢气缓冲罐、供氢减压阀、供氢电磁阀、氢气压力传感器；所述氢气集气接头设有多个进气口，每个进气口分别与一个硼氢化钠能量罐的出气管相连，所述氢气集气接头的出气口与所述氢气缓冲罐相连；所述供氢减压阀的一端连接氢气缓冲罐，另一端连接供氢电磁阀，供氢电磁阀的另一端与燃料电池反应堆相连；所述氢气压力传感器设置在氢气集气接头上；

所述废罐抛掷模块包括支架和电磁底座，所述电磁底座固定在支架上，各个所述硼氢化钠能量罐均安装在电磁底座上，并能够被电磁底座释放；

所述控制模块通过导线与水泵、供水电磁阀、注水电磁阀、供氢电磁阀、氢气压力传感器、电磁底座相连。

2.根据权利要求1所述的用于无人机的抛掷式固态硼氢化钠燃料电池供氢系统，其特征在于：在所述电磁底座上对应每个硼氢化钠能量罐均设有至少两个磁金属环，对应每个磁金属环，设有至少一个弹簧；

在每个所述硼氢化钠能量罐的下部均设有沟槽，每个沟槽对应一个磁金属环，所述磁金属环的内侧与所述硼氢化钠能量罐的外表面形状吻合，并与沟槽等宽，所述磁金属环的外侧与弹簧的一端连接，弹簧的另一端与支架连接。

3.根据权利要求2所述的用于无人机的抛掷式固态硼氢化钠燃料电池供氢系统，其特征在于：抛掷前，所述弹簧处于压缩状态,磁金属环嵌入到沟槽内,固定硼氢化钠能量罐，抛掷时，控制模块对电磁底座通电，磁金属环被吸引，弹簧被进一步压缩，磁金属环从硼氢化钠能量罐上的沟槽脱出，硼氢化钠能量罐被释放。

4.根据权利要求1至3任一所述的用于无人机的抛掷式固态硼氢化钠燃料电池供氢系统，其特征在于：各个所述硼氢化钠能量罐是同等规格的。

5.根据权利要求4所述的用于无人机的抛掷式固态硼氢化钠燃料电池供氢系统，其特征在于：在所述供水电磁阀的内部设有流量传感器。

6.根据权利要求5所述的用于无人机的抛掷式固态硼氢化钠燃料电池供氢系统，其特征在于：所述燃料电池反应堆的阴极水出口与水罐的入水口连接；

启动前，根据无人机续航要求及燃料电池反应堆的参数得到水罐初始携带的最少水量，预先向所述水罐中注入该最少水量的去离子水，启动后，水罐中的后续水源由燃料电池反应堆的阴极水提供。