CN212676319U - 一种无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置，包括燃料箱、甲醇重整制氢装置、小型气压缓冲罐与氢燃料电池装置之间依次连接，中央处理器同时连接甲醇重整制氢装置与氢燃料电池装置，氢燃料电池装置同时连接辅助锂电池与负载配电输出接口，电池管理系统同时连接辅助锂电池与能量回收装置，能量回收装置与负载配电输出接口连接辅助锂电池。本实用新型提供的一种无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置，解决了现有的无人机续航时间短、噪音大、污染环境、功率不稳定、工作效率低、受限于自然环境以及高压危险性大的问题。

Description

一种无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置

技术领域

本实用新型涉及甲醇燃料技术领域，特别是涉及一种无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置。

背景技术

随着科学技术的进步，无人机从2010年以前的规模小、应用领域窄，增长缓慢的状态，到如今的普遍化，其主要应用领域有国土资源探测、植保如喷水农药、播种等、森林防火、航拍婚礼策划、广告拍摄、旅游拍摄等、架设电线、夜视巡查、送餐、快递、救援等；其中，国外主要代表有亚马逊、谷歌、迪士尼、脸谱等，而国内代表有大疆、京东、小米、腾讯等；且在各企业的引领下，无人机目前已被广发应用于国防、商用及民用，无人机在未来的使用中将引爆各行各业。

众所周知，续航能力一直是无人机存在的不足，一般的无人机只能续航0.5-2.5小时，而续航的能源来自电能，电能的储能靠电池，在无人机能源耗尽时则需要做站点充电，这样既浪费时间、也影响工作效率，而为弥补续航能力及免除电池的站点充电，提高工作效率等需求，现有技术常常采用有线电缆配电、内燃机发电配电、锂电池配电、太阳能发电配电与氢燃料电池配电等方法。

但在实践中发现，利用电缆的连接方式，虽然可以让直流电机或无人机系统的配电得到有效的永久使用，但由于线缆的束缚，无人机受限于高度及航程距离；利用柴油、汽油等内燃机发电机为无人机提供配电，一般续航能力1小时，但噪音大，且排放的气体会污染环境；系统的供电主要能源供应来自于电池，随着电池能源的消耗，电池电压会越来越低，此种方式的能源供应存在着功率不稳定、续航能力差、经常拆卸、更换电池、充电时间长、工作效率低等缺点；利用太阳能发电的无人机通常同时安装了锂电池和太阳能电池板，有阳光时就可利用太阳能提供飞行动力，锂电池则作为备用电池。但在晚上，或者是太阳不足的时候，太阳能起不到发电的作用，受限于环境的影响；氢燃料电池替代锂电池，同时配置了高压氢罐，一般可以续航2小时，但添加燃料需要专门的加氢机，且高压气罐处在一定的危险性。

因此，需要提供一种无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置以解决上述技术问题。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置，解决了现有的无人机续航时间短、噪音大、污染环境、功率不稳定、工作效率低、受限于自然环境以及高压危险性大的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是提供一种无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置，包括燃料箱1、甲醇重整制氢装置3、中央处理器5、电池管理系统6、能量回收装置7、辅助锂电池 8、负载配电输出接口9、氢燃料电池装置13与小型气压缓冲罐15；其中，所述燃料箱1、甲醇重整制氢装置3、小型气压缓冲罐15与氢燃料电池装置13之间依次连接，所述中央处理器5同时连接所述甲醇重整制氢装置3与所述氢燃料电池装置13，所述氢燃料电池装置13同时连接所述辅助锂电池8与所述负载配电输出接口9，所述电池管理系统6 同时连接所述辅助锂电池8与所述能量回收装置7，所述能量回收装置 7与所述负载配电输出接口9连接所述辅助锂电池8。

优选，无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置进一步包括用于检测所述小型气压缓冲罐15内气体压力的电子气压表16，所述电子气压表 16同时连接所述中央处理器5与所述小型气压缓冲罐15。

优选，所述氢燃料电池装置13与所述辅助锂电池8以及所述负载配电输出接口9之间设有DC-DC能量转换装置11。

优选，所述无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置进一步包括第一散热器2、第二散热器14、第一氧气输入接口4与第二氧气输入接口10；其中，所述第一散热器2与所述第二散热器14分别连接所述甲醇重整制氢装置3与所述氢燃料电池装置13，所述第一氧气输入接口4与第二氧气输入接口10分别置于所述甲醇重整制氢装置3与所述氢燃料电池装置13上。

优选，所述燃料箱1内至少包括燃料箱液位传感器，所述氢燃料电池装置13内至少设有入口泄压电磁阀、进气电磁阀、排气电磁阀与电堆温探插头；其中，所述燃料箱液位传感器、入口泄压电磁阀、进气电磁阀、排气电磁阀与电堆温探插头连接所述中央处理器5。

优选，所述氢燃料电池装置13与所述DC-DC能量转换装置11之间依次设有电流传感器与第一直流接触器，所述DC-DC能量转换装置 11与所述辅助锂电池8之间设有第二直流接触器；其中，所述电流传感器、第一直流接触器与第二直流接触器连接所述中央处理器5。

优选，所述氢燃料电池装置13上设有用于排出多余杂质的杂质排放接口12。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置，解决了现有的无人机续航时间短、噪音大、污染环境、功率不稳定、工作效率低、受限于自然环境以及高压危险性大的问题。

附图说明

图1是本实用新型实施例公开的一种无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置的结构示意图。

燃料箱1；第一散热器2；甲醇重整制氢装置3；第一氧气输入接口 4；中央处理器5；电池管理系统6；能量回收装置7；辅助锂电池8；负载配电输出接口9；第二氧气输入接口10；DC-DC能量转换装置11；杂质排放接口12；氢燃料电池装置13；第二散热器14；小型气压缓冲罐15；电子气压表16。

具体实施方式

下面结合图示对本实用新型的技术方案进行详述。

请参阅图1，图1是本实用新型实施例公开的一种无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置的结构示意图。如图1所示，本实施例的无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置，包括燃料箱1、甲醇重整制氢装置3、中央处理器5、电池管理系统6、能量回收装置7、辅助锂电池8、负载配电输出接口9、氢燃料电池装置13与小型气压缓冲罐15；其中，燃料箱1、甲醇重整制氢装置3、小型气压缓冲罐15与氢燃料电池装置13 之间依次连接，中央处理器5同时连接甲醇重整制氢装置3与氢燃料电池装置13，氢燃料电池装置13同时连接辅助锂电池8与负载配电输出接口9，电池管理系统6同时连接辅助锂电池8与能量回收装置7，能量回收装置7与负载配电输出接口9连接辅助锂电池8；

以及，无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置进一步包括用于检测小型气压缓冲罐15内气体压力的电子气压表16，电子气压表16同时连接中央处理器5与小型气压缓冲罐15；

以及，氢燃料电池装置13与辅助锂电池8以及负载配电输出接口9 之间设有DC-DC能量转换装置11；

以及，无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置进一步包括第一散热器2、第二散热器14、第一氧气输入接口4与第二氧气输入接口10；其中，第一散热器2与第二散热器14分别连接甲醇重整制氢装置3与氢燃料电池装置13，第一氧气输入接口4与第二氧气输入接口10分别置于甲醇重整制氢装置3与氢燃料电池装置13上；

以及，燃料箱1内至少包括燃料箱液位传感器，氢燃料电池装置13 内至少设有入口泄压电磁阀、进气电磁阀、排气电磁阀与电堆温探插头；其中，燃料箱液位传感器、入口泄压电磁阀、进气电磁阀、排气电磁阀与电堆温探插头连接中央处理器5；

以及，氢燃料电池装置13上设有用于排出多余杂质的杂质排放接口12；

以及，氢燃料电池装置13与DC-DC能量转换装置11之间依次设有电流传感器与第一直流接触器，DC-DC能量转换装置11与辅助锂电池8之间设有第二直流接触器；其中，电流传感器、第一直流接触器与第二直流接触器连接中央处理器5。

在本实施例中，一种无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置的应用方法，包括下述步骤：

S1、当电子气压表16的压力低于第一指定值时，第一氧气输入接口4为甲醇重整制氢装置3提供助燃氧气；

S2、通过甲醇重整制氢装置3燃烧的热量将燃料箱1内的甲醇水燃料进行完全气化并进入甲醇重整制氢装置3内以提供能源燃料；其中，燃料箱1内部存储的是已配比好的甲醇水燃料；

S3、在一定的温度下和催化剂的作用下，甲醇重整制氢装置3内的甲醇水燃料发生重整反应以产生氢气，并将经提纯获得的高纯氢气存放于小型气压缓冲罐15中；

S4、若电子气压表16的压力值达到第二指定值时，甲醇重整制氢装置3停止制氢；其中，甲醇重整制氢装置3产生的热能通过第一散热器2处理；

S5、开启进气电磁阀，以便高纯氢气进入氢燃料电池装置13内与通过第二氧气输入接口10来及的氧气进行反应以产生电能；

S6、通过杂质排放接口12排出氢燃料电池装置13内产生的杂质，且氢燃料电池装置13产生的热能通过第二散热器14处理；

S7、通过DC-DC能量转换装置11以将氢燃料电池装置13产生的电能转换为无人机实际需要的电能，以便输出负载配电输出接口9为无人机提供所需电能，并同时通过电池管理系统6为辅助锂电池8进行充电；

S8、能量回收装置7将螺旋桨动作的机械能转化为回收电能，并同时通过电池管理系统6将回收电能提供给辅助锂电池8进行充电；和/ 或，直接将回收电能输出负载配电输出接口9为无人机提供所需电能。

在本实施例中，一种无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置中各组件单元的作用：

燃料箱1，用于为配电装置提供能源燃料，内部存储的是已配比的甲醇水燃料；

第一散热器2，用于处理甲醇重整制氢装置在化学反应下产氢过程中所排放的热量；

甲醇重整制氢装置3，甲醇水在气化的条件下，进入重整室，在适当的温度下和催化剂的作用下，用于发生重整反应生产氢气，化学反应式为：

CH3OH→CO+2H2(1)

H2O+CO→CO2+H2(2)

CH3OH+H2O→CO2+3H2(3)

重整反应生成的H2和CO2,再经过提纯的方式将H2和CO2分离, 得到99.95以上的高纯氢气；

第一氧气输入接口4，由于重整室温度的需要内部部分H2燃烧的热来维持，燃烧需要氧气的提供，故此接口用于为甲醇重整制氢装置提供氧气。

中央处理器5，主要用于控制及处理甲醇重整制氢装置和氢燃料电池装置的产氢及发电，包括所有阀组件、传感器、输入、输出、通信等功能，是整个装置的控制中心；

电池管理系统6，主要用于管理电池的输入输出，在设备启动前期，需要辅助锂电池提供部分放电输出，而当氢燃料电池发电充足的过程中，多余的电则需要电池管理系统进行对锂电池的充电输入；其次，在无人机运作过程中，能源回收装置上回收的多余电量也可以通过电池管理系统进行对锂电池的充电输入；

能量回收装置7，用于无人机在运行过程中，螺旋桨上的机械能通过能源回收装置转化为电能，以便通过电池管理系统对电池充电，或者是对无人机配置输出提供部分电能；

辅助锂电池8，由于甲醇重整制氢是化学反应，存在一定的滞后性，因此，设备启动前期氢燃料电池在制氢机产氢前期，消耗了部分缓冲罐的H2，此时发电并不是最高效率，需要辅助锂电池提供部分电能，待制氢机产氢条件满足且产氢充足时，氢燃料电池以最大消耗输出，此时辅助锂电池将不再输出电能，反而把多余的电能进行对辅助锂电池的充电；

负载配电输出接口9，这个为无人机配电输出接口，无人机运作所需要的所有电能来自这个接口的输出；

第二氧气输入接口10，由于氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，故反应过程中的氧气来源于此接口的输入；

DC-DC能量转换装置11，氢燃料电池发电所产生的电压并不一定是无人机直接使用的电源，所以需要DC-DC把氢燃料电池产生的电能转化为无人机实际需要的电能；

杂质排放接口12，氢燃料电池反应过程中只产生水和热，此接口用于排放反应过程中的水；

氢燃料电池装置13，为发电装置，将甲醇重整制氢装置反应后并经过提纯为99.95％以上的氢气和氧气输入二所提供的氧气进行反应，产生电能；

第二散热器14，用于将氢燃料电池装置产生的热量进行处理，以维持氢燃料电池装置的正常工作；

小型气压缓冲罐15，用于存放甲醇重整制氢装置所提纯后的氢气，这个容积并不需要很大，具体大小可根据前期需要功率而定，而且不需要很高的压力，属于低压装置；

电子气压表16，用于检测小型缓冲罐的气体压力，而且作为甲醇重整制氢装置的运行逻辑控制。

在本实施例中，工作原理分为制氢过程、发电过程与能源回收过程：

(1)制氢过程：中央处理器5在接收到运行指令控制的情况下，以及当电子气压表16的压力低于15psi或第一指定值时，甲醇重整制氢装置3由热待机状态自动切换到运行状态，这时需要来自第一氧气输入接口4的氧气进行对内部的助燃，同时通过燃烧的热量把来及燃料箱1的甲醇水燃料进行完全气化，然后在通过重整反应产生氢气，再存放于小型气压缓冲罐15中，同时中央处理器5采集电子气压表16的压力信息，一旦电子气压表16的压力达25psi或第二指定值，甲醇重整制氢装置3 自动由运行状态切换到热点系统停止制氢，整过制氢过程产生的热通过第一散热器2处理；

(2)发电过程：中央处理器5接收到发电指令，开启与小型低压缓冲罐15连接的进气电磁阀，以便氢气进入氢燃料电池装置13和来及第二氧气输入接口10的氧气进行反应转化为电能、水和热，产生的水通过杂质排放接口12排出装置外部，热量通过第二散热器14冷却到氢燃料电池装置13工作的最佳温度，主要的电能通过DC-DC能量转换装置11转化为无人机所需要的电压，以便输出电能至负载配电输出接口9，及通过电池管理系统6给辅助锂电池8充电；

(3)能源回收过程：无人机在运行过程中，螺旋桨动作的机械能，通过能源回收单元7转化为电能，然后通过电池管理系统6提供给辅助锂电池8充电，或直接通过转化后的电提供给负载配电输出接口9来给无人机配电。

优选，本实施例中的能源驱动，大多都是自身通过化学/电化学反应提供，首先由甲醇重整制氢装置3产生的氢气提供给氢燃料电池装置13 反应，产生电能，整个过程的燃料消耗是闭环的，消耗的甲醇水燃料少，保证了续航的能力，且其添加甲醇水燃料也较于方便。

优选，本实施例中整个制氢过程、发电过程与能源回收过程的反应过程都是比较安静的，无任何的噪音；且整个反应排除的只有水和热，不存在任何的环境污染。

优选，配电输出取决于氢燃料电池装置13发电输出，不存在功率不稳定问题，进而能够有效的大大提高了工作的效率。

优选，本实施例中的整个装置不受限于自然环境太阳能、风能等，反应的条件和自然环境无关。

优选，本实施例中的整个置不存在任何高压部分，既没有采用高压钢气瓶(使用小型缓冲罐替代)，也不需要专门的加氢设备，同时也不需要向纯锂电池配电方式一样需要外置的给锂电池充电或更换，减少了安全性的危险和提高了配电的工作效率。

可见，实施上图所描述的无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置，解决了现有的无人机续航时间短、噪音大、污染环境、功率不稳定、工作效率低、受限于自然环境以及高压危险性大的问题。

此外，实施上图所描述的无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置，具有保护环境、减少噪音污染与提高发电效率的优势。

以上仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置，其特征在于：包括燃料箱(1)、甲醇重整制氢装置(3)、中央处理器(5)、电池管理系统(6)、能量回收装置(7)、辅助锂电池(8)、负载配电输出接口(9)、氢燃料电池装置(13)与小型气压缓冲罐(15)；其中，所述燃料箱(1)、甲醇重整制氢装置(3)、小型气压缓冲罐(15)与氢燃料电池装置(13)之间依次连接，所述中央处理器(5)同时连接所述甲醇重整制氢装置(3)与所述氢燃料电池装置(13)，所述氢燃料电池装置(13)同时连接所述辅助锂电池(8)与所述负载配电输出接口(9)，所述电池管理系统(6)同时连接所述辅助锂电池(8)与所述能量回收装置(7)，所述能量回收装置(7)与所述负载配电输出接口(9)连接所述辅助锂电池(8)。

2.根据权利要求1所述的无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置，其特征在于：

无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置进一步包括用于检测所述小型气压缓冲罐(15)内气体压力的电子气压表(16)，所述电子气压表(16)同时连接所述中央处理器(5)与所述小型气压缓冲罐(15)。

3.根据权利要求2所述的无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置，其特征在于：所述氢燃料电池装置(13)与所述辅助锂电池(8)以及所述负载配电输出接口(9)之间设有DC-DC能量转换装置(11)。

4.根据权利要求3所述的无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置，其特征在于：

所述无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置进一步包括第一散热器(2)、第二散热器(14)、第一氧气输入接口(4)与第二氧气输入接口(10)；其中，所述第一散热器(2)与所述第二散热器(14)分别连接所述甲醇重整制氢装置(3)与所述氢燃料电池装置(13)，所述第一氧气输入接口(4)与第二氧气输入接口(10)分别置于所述甲醇重整制氢装置(3)与所述氢燃料电池装置(13)上。

5.根据权利要求4所述的无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置，其特征在于：

所述燃料箱(1)内至少包括燃料箱液位传感器，所述氢燃料电池装置(13)内至少设有入口泄压电磁阀、进气电磁阀、排气电磁阀与电堆温探插头；其中，所述燃料箱液位传感器、入口泄压电磁阀、进气电磁阀、排气电磁阀与电堆温探插头连接所述中央处理器(5)。

6.根据权利要求5所述的无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置，其特征在于：

所述氢燃料电池装置(13)与所述DC-DC能量转换装置(11)之间依次设有电流传感器与第一直流接触器，所述DC-DC能量转换装置(11)与所述辅助锂电池(8)之间设有第二直流接触器；其中，所述电流传感器、第一直流接触器与第二直流接触器连接所述中央处理器(5)。

7.根据权利要求1～6任一项所述的无人机小型甲醇重整燃料电池配电装置，其特征在于：所述氢燃料电池装置(13)上设有用于排出多余杂质的杂质排放接口(12)。

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