CN207658075U - 一种具有高续航储氢及燃料电池系统的无人机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高续航储氢及燃料电池系统的无人机，包括无人机机壳、控制器和动力装置，其特征在于机翼上布置太阳能面板，内部设有储氢反应器、氢气缓冲罐、氢燃料电池和循环控制系统。所述储氢反应器内部为高温熔铸后压实填充的固体储氢材料，用于储存氢气，内置有换热流体管及氢气管；氢气缓冲罐内为空腔，装有压力传感器，顶端开进氢口；氢燃料电池的两个入口分别接氢气减压阀和空气接口，出口为氢燃料电池排水口。本实用新型克服了现有无人机耗油量大、电能使用效率低、二次污染严重等问题，在无人机飞行过程中可以明显提高其续航能力。

Description

一种具有高续航储氢及燃料电池系统的无人机

技术领域

本实用新型涉及一种具有高续航储氢及燃料电池系统的无人机，属于燃料电池技术领域。

背景技术

续航性能是飞行器的重要技术性能之一,主要的指标包括航程和航时。在飞行过程中, 能否充分发挥飞行器的最佳续航性能, 不仅关系到节约能源的经济性指标, 而且直接影响到飞行器的远航拍摄以及持久工作能力。因此, 提升飞行器续航性能一直是飞行器设计优化中一个重要的研究方向。提升电动无人机续航性能的主要途径是选择正确的飞行高度、飞行速度和发动机转速, 以获得最大的航程和航时。其主要通过提高升阻比, 增加可用燃油量, 选用耗油率低、经济性较好的发动机，使用时选择最省油状态上升和最佳巡航状态巡航。

由于小型电动无人机主要用于执行战场侦察、监视、目标搜索、打击毁伤效果评估等战术任务, 在到达目标上空时需要有尽可能长的飞行时间, 因此提高小型无人机的续航时间尤为重要，电池的能量主要与电池的类型有关。不同类型的电池具有不同的比功率和比能量。但其存在储电量低，供能时间短等问题。

目前，由于我国综合国力的提高，使得对于无人机的需求量逐渐增加；但市场上的大型无人机现阶段主要使用石油燃料，造成了能源的短缺以及环境的污染；小型无人机的电力系统大多使用的是蓄电池直接供电，但是其存在电能使用效率低、续驶里程短，充电时间长等缺点，且废弃蓄电池会对环境造成更加严重的二次污染。

氢作为一种清洁燃料，容易制取而且价格较低，用氢代替化石燃料应用于无人机上可减轻环境污染。然而，氢的高效储存是氢能利用的关键环节，目前市面上的氢燃料电池配套使用的储氢装置均为气态储氢装置，普遍存在储氢压力大、安全性低、且造价昂贵，导致其应用范围较窄。

实用新型内容

本实用新型的目的是将一种高续航储氢及燃料电池系统应用于无人机系统，解决现有无人机飞行过程中存在续航里程不足的问题。将氢气作为供能来源，利用储氢材料储存具有零排放、储量大、续航时间长、安全系数高等优点，且使用过程中能源补充需时短。同时顶部可安装太阳能面板，使其在光照条件下电解水，产生氢能源。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种具有高续航储氢及燃料电池系统的无人机，包括无人机机壳、控制器和动力装置，其机壳和/或机翼上布置太阳能面板，内部设有储氢反应器、氢气缓冲罐、氢燃料电池和控制器；所述储氢反应器内部为高温熔铸后压实填充的固体储氢材料，用于储存氢气，内置有换热流体管及氢气管；氢气缓冲罐内为空腔，装有压力传感器，顶端开进氢口；氢燃料电池的两个入口分别接氢气减压阀和空气接口，出口为氢燃料电池排水口；控制器控制无人机启动、停止及运行状态，内含储氢系统二级负反馈和换热流体负反馈，经压力传感器和温度传感器测量变送，控制氢燃料电池及换热流体加热器的工作状态。

所述太阳能面板为长方形结构，与机身完全贴合。

所述压力传感器检测氢气缓冲罐内的氢气压力，通过控制器控制换热流体入口阀的工作状态。

所述氢气减压阀内接压力表，能够自动调节压力范围，控制氢气压力稳定到一定值后输送至氢燃料电池。

所述换热流体加热器置于加热罐内部，其工作状态包括如下至少一种：开启，关闭，变频调节温度。

所述温度传感器用于监测加热罐内温度变化，通过控制器控制换热流体加热器的工作状态。所述加热罐上部为圆柱体，下部为圆锥体，外部包裹保温层，外壁开进料口孔用于添加换热流体，进口处连接防冷凝液倒流透明U型管，内置换热流体加热器与温度传感器，换热流体入口阀控制换热流体的流量，换热流体出口阀切断或接通换热流体在储氢反应器内的流动。

所述换热流体入口阀和换热流体出口阀，能够通过控制器控制换热流体入口管和换热流体出口管内的换热流体流量，并在工作时开启，停止时关闭。

所述换热流体循环泵，能够推动换热流体在储氢反应器内部的流动，其内置瞬时开启及延时关闭控制系统。

具体来说，本实用新型无人机包括机壳23，控制器12，动力装置11，机壳23和/或机翼24上布置太阳能面板22，内部设有储氢反应器4，氢气缓冲罐5，氢燃料电池14等。无人机机壳23具有一定强度，内侧置有高续航储氢系统以及燃料电池系统，机翼24上方为可调桨叶25，接点可转动。无人机太阳能面板22为长方形结构，与机壳23或/及机翼24完全贴合。

所述无人机储氢反应器4为长圆柱形状，两端与椭球封头双面焊接，耐高温高压，上端开进氢口与氢气输送管6法兰口连接，采用自紧密封方式，垫有密封圈，内部为固体储氢材料采用高温熔铸后压实填充，能够储存大量氢气；内部置有换热流体管及氢气管，换热流体端口分别与换热流体入口管2和换热流体出口管16连接。

所述无人机氢气缓冲罐5为长圆柱形状，两端与椭球封头双面焊接，具有一定的耐压能力，内为空腔，装有压力传感器21，顶端开进氢口，采用自紧密封方式连接至氢气输送管6，垫有密封圈。所述无人机氢气减压阀9内接压力表，能够自动调节压力范围，控制氢气压力稳定到一定值后，输送至氢燃料电池14。所述无人机转换阀门8可以切换充氢和放氢过程，其工作状态包括：充氢时，接通进氢口7，氢气通过氢气输送管6储存在储氢反应器4和氢气缓冲罐5内；放氢时，接通氢气减压阀9，储存的氢气经管路进入氢燃料电池14工作。

所述无人机氢燃料电池14的两个入口分别接氢气减压阀9和空气接口10，空气接口10与外界大气相连接，出口为氢燃料电池排水口15，与换热流体出口管16相连通。

所述无人机加热罐19上部为圆柱体，下部为圆锥体，采用双面焊连接，耐高温高压，外部包裹保温层，外壁开进料口孔用于添加换热流体，上端侧壁设出口，下端底部设进口，进口处连接透明防冷凝液倒流U型管，内置换热流体加热器1与温度传感器20，换热流体入口阀3控制换热流体的量，换热流体出口阀切断或接通换热流体在储氢反应器4内的流动。

所述无人机还包括换热流体入口阀3和换热流体出口阀17，能够通过控制器12控制换热流体入口管2和换热流体出口管16内的换热流体流量，并在工作时开启，停止时关闭。

所述无人机换热流体加热器1的工作状态为开启、关闭、变频调节温度三种状态。无人机稳压器13能够稳定氢燃料电池14的输出电压，且电压可调，内接电压示数表。

所述无人机还包括换热流体循环泵18，能够推动换热流体在储氢反应器4内部的流动，其内置瞬时开启及延时关闭控制系统。

所述无人机包括控制系统11，控制无人机启动、停止及运行状态，内含储氢系统二级负反馈系统和换热流体负反馈系统，经压力传感器21和温度传感器20测量变送，控制氢燃料电池14及换热流体加热器1的工作状态。

所述无人机还包括设于机体内部的动力装置11，其工作状态为开启，关闭，变速，转向等。所述无人机还包括温度传感器20，监测加热罐19内换热流体的温度变化，通过控制器12控制换热流体加热器1的工作状态。所述无人机还包括压力传感器21，检测氢气缓冲罐5内的氢气压力，通过控制器12控制换热流体入口阀3的工作状态。

本实用新型的有益效果是克服了现有技术下无人机耗油量大，电能使用效率不高、电池充电时间长、且二次污染严重等问题，采用清洁氢能源作为主要能源来源，氢能具有无可比拟的潜在开发价值，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,达142MJ/kg, 每千克氢燃烧后的热量, 约为汽油的3倍, 酒精的3.9倍, 焦炭的4.5倍。利用固体储氢材料存储氢气，其储氢密度大，远高于气态和液态的储氢密度，结合温度、压力二级负反馈系统控制放氢量，使氢燃料电池稳定输出电量驱动无人机，同时结合太阳能面板，利用太阳能电解水产生氢气。在应用过程中，实现了瞬间迅速充氢，一般电动汽车需要7-8小时充满；而补充氢气则只需要几分钟的时间即可充氢完全，大大缩短了充能时间，使燃料电池系统即充即用。该系统操作温度低，压力小，储氢量大，应用在无人机上可以明显增加其续航能力。

附图说明

图1是大型氢能源动力装置无人机局部剖视结构图；

图2是小型氢能源动力装置无人机局部剖视结构图；

图3是无人机动力系统布置图；

图4是储放氢系统流程图；

图5是储氢系统二级负反馈控制图；

图6是换热流体系统负反馈控制图；

图7是燃料电池动力系统控制框图。

图中，1.换热流体加热器；2.换热流体入口管；3.换热流体入口阀；4.储氢反应器；5.氢气缓冲罐；6.氢气输送管；7.充氢接口；8.充氢转换阀门；9.氢气减压阀；10.空气接口；11.动力装置；12.控制器；13.稳压器；14.氢燃料电池；15.氢燃料电池排水口；16.换热流体出口管；17.换热流体出口阀；18.换热流体循环泵；19.加热罐；20.温度传感器；21.压力传感器；22.太阳能面板；23.机壳；24.机翼；25.桨叶。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明或实用新型进行详细说明。

如图1、2所示，本无人机包括太阳能面板22，机壳23，储氢反应器4，氢气缓冲罐5，氢燃料电池14，动力装置11，控制器12等。机壳23顶端和/或机翼24部分装有太阳能面板22，在阳光充足的情况下，可将太阳能转换为电能存储起来，用于无人机启动时的启动电源，同时太阳能进一步可用来电解水生成氢气，为无人机运行提供原料。在机壳23内侧底端布置高续航储氢及燃料电池系统。

如图3所示，无人机启动时，太阳能蓄电为启动电源，打开换热流体入口阀3和换热流体出口阀17，换热流体加热器1和换热流体循环泵18开始工作，换热流体进入换热流体入口管2到达并加热储氢反应器4，储氢材料吸收热量放出氢气，经氢燃料电池14转化为电能后，控制器12控制动力系统11工作。

无人机运行时，通过储氢系统二级负反馈控制模块，控制氢气减压阀9的开度来改变氢燃料电池14的输出电量，经控制器12调节无人机动力系统11，改变运行时的加减速，高度升降，空中旋转等飞行任务。

无人机停止工作时，断开换热流体加热器1，关闭换热流体入口阀3和氢气减压阀9，换热流体出口阀17和换热流体循环泵18延迟一段时间后关闭，将储氢反应器4内部的换热流体抽出，换热流体停止向储氢反应器4供热。储氢反应器4内部的余热产生少量氢气进入氢气缓冲罐5内，为下一次运行前提供预备动力。

如图4、5所示，为储氢系统二级负反馈控制模块。氢燃料电池14采用控制入口氢气的流量来控制产生的电量，当实际的输出电量比设定值低时，通过负反馈系统调节氢气减压阀9开度增大，进入氢燃料电池14的氢气量增加，输出电量到增大到设定值；当实际的输出电量比设定值高时，通过负反馈系统调节氢气减压阀9开度减小，进入氢燃料电池14的氢气量减小，输出电量到减小到设定值。

采用控制换热流体量流量来控制储氢反应器的放氢量，通过压力传感器21检测氢气缓冲罐5的氢气压力，当实际值低于设定的氢气压力时，负反馈系统控制换热流体入口阀3开度增大，增加储氢反应器4的换热量，使其放氢量增加，氢压升高至设定值；当实际值高于设定的氢气压力时，负反馈系统控制换热流体入口阀3开度减小，降低储氢反应器4的换热量，使其放氢量减少，氢压降低至设定值。

如图6所示，加热罐19内部通过温度传感器20监测换热流体温度，当流体温度低于设定的储氢材料放氢温度时，换热流体加热器1开始工作加热流体，当流体实际温度值高于设定值时，换热流体加热器1停止加热。

如图7所示，为燃料电池动力系统控制模块。加氢过程中，换热流体为冷流体，氢气储存在储氢反应器4和氢气缓存罐5中，储氢反应器4内的储氢材料可存储大量氢气，氢气缓存罐5与储氢反应器4联通，起到缓存作用；放氢时，换热流体为热流体，储氢反应器4内的储氢材料吸热放出氢气，经氢气缓存罐5进入氢燃料电池14中，与空气反应生成的水蒸气进入换热流体循环系统。氢燃料电池14生成的电能进入稳压器13稳定到一定值后，经过控制器12控制动力装置11来改变无人机的运行速度，升降，转向等来改变无人机的运行状态。

Claims (9)

1.一种具有高续航储氢及燃料电池系统的无人机，包括无人机机壳、控制器和动力装置，其特征在于：机壳和/或机翼上布置太阳能面板，内部设有储氢反应器、氢气缓冲罐、氢燃料电池和控制器；所述储氢反应器内部为高温熔铸后压实填充的固体储氢材料，用于储存氢气，内置有换热流体管及氢气管；氢气缓冲罐内为空腔，装有压力传感器，顶端开进氢口；氢燃料电池的两个入口分别接氢气减压阀和空气接口，出口为氢燃料电池排水口；控制器控制无人机启动、停止及运行状态，内含储氢系统二级负反馈和换热流体负反馈，经压力传感器和温度传感器测量变送，控制氢燃料电池及换热流体加热器的工作状态。

2.根据权利要求1所述具有高续航储氢及燃料电池系统的无人机，其特征在于：所述太阳能面板为长方形结构，与机身完全贴合。

3.根据权利要求1所述具有高续航储氢及燃料电池系统的无人机，其特征在于：所述压力传感器检测氢气缓冲罐内的氢气压力，通过控制器控制换热流体入口阀的工作状态。

4.根据权利要求1所述具有高续航储氢及燃料电池系统的无人机，其特征在于：所述氢气减压阀内接压力表，能够自动调节压力范围，控制氢气压力稳定后输送至氢燃料电池。

5.根据权利要求1所述具有高续航储氢及燃料电池系统的无人机，其特征在于：所述换热流体加热器置于加热罐内部，其工作状态包括如下至少一种：开启，关闭，变频调节温度。

6.根据权利要求1所述具有高续航储氢及燃料电池系统的无人机，其特征在于：所述温度传感器用于监测加热罐内温度变化，通过控制器控制换热流体加热器的工作状态。

7.根据权利要求6所述具有高续航储氢及燃料电池系统的无人机，其特征在于：所述加热罐上部为圆柱体，下部为圆锥体，外部包裹保温层，外壁开进料口孔用于添加换热流体，进口处连接防冷凝液倒流透明U型管，内置换热流体加热器与温度传感器，换热流体入口阀控制换热流体的流量，换热流体出口阀切断或接通换热流体在储氢反应器内的流动。

8.根据权利要求6所述具有高续航储氢及燃料电池系统的无人机，其特征在于：所述换热流体入口阀和换热流体出口阀，能够通过控制器控制换热流体入口管和换热流体出口管内的换热流体流量，并在工作时开启，停止时关闭。

9.根据权利要求6所述具有高续航储氢及燃料电池系统的无人机，其特征在于：所述换热流体循环泵，能够推动换热流体在储氢反应器内部的流动，其内置瞬时开启及延时关闭控制系统。