CN220439670U - 燃料电池系统及无人机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种燃料电池系统及无人机，系统包括散热回路、氢存储装置、稳压罐、电堆和氢气循环泵，散热回路设有换热器、第一水泵；换热器的第一输入端与第一水泵的输出端连接，换热器的第一输出端通过第一冷却管路与第一水泵的输入端连接；氢存储装置与换热器的第二输入端连接，氢存储装置用于存储液氢，氢存储装置用于向换热器输送液氢；稳压罐与换热器的第二输出端连接；氢气循环泵的输入端与稳压罐的输出端连接，氢气循环泵的输出端与电堆连接。液氢不仅能够作为电堆的燃料，并通过与温度较高的冷却水进行换热，实现将液氢转变为气态氢，并升温至常温，无需增设加热装置，降低燃料电池系统的重量。

Description

燃料电池系统及无人机

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统及无人机。

背景技术

随着无人机的用途越为广泛，无人机将继续往载货、载人方向发展，需要无人机续航能力和载荷总量。相关技术中，为了提高无人机的续航能力和载荷总量，采用氢能燃料电池作为无人机的电池。

但是，相关技术中应用于无人机的氢能燃料电池系统中的氢存储装置通常是直接存储气态氢，气态氢密度低，导致氢存储装置的体积较大，从而导致氢存储装置的重量较大，使得无人机的重量和体积较大。

实用新型内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种燃料电池系统及无人机，能够降低燃料电池系统的重量及体积，从而降低无人机的重量及体积。

本申请第一方面实施例提供了一种燃料电池系统，包括：

散热回路，所述散热回路设有换热器、第一水泵，所述换热器的第一输入端与所述第一水泵的输出端连接，所述换热器的第一输出端通过第一冷却管路与所述第一水泵的输入端连接；

氢存储装置，所述氢存储装置与所述换热器的第二输入端连接，所述氢存储装置用于存储液氢，所述氢存储装置用于向所述换热器输送液氢；

稳压罐，所述稳压罐与所述换热器的第二输出端连接；

电堆；

氢气循环泵，所述氢气循环泵的输入端与所述稳压罐的输出端连接，所述氢气循环泵的输出端与所述电堆连接。

根据本申请的第一方面实施例的燃料电池系统，至少具有如下有益效果：在使用本申请实施例的燃料电池系统时，氢存储装置向换热器输送液氢，液氢在换热器中吸热转变为气态氢，并升温至常温，常温的氢气进入稳压罐，稳压罐的氢气通过氢气循环泵输入至电堆中，以供电堆使用。换热器的第一输出端通过第一冷却管路向第一水泵输送冷却水，第一冷却管路中的冷却水能够用于对燃料电池系统需要散热的器件进行散热，以使第一冷却管路中的冷却水温度升高，温度升高的冷却水通过第一水泵输送至换热器的第一输入端，在换热器内，温度较高的冷却水与液氢进行换热，以使液氢转变为气态氢，并升温至常温，且冷却水温度降低，温度降低的冷却水通过第一冷却管路输送至第一水泵，以使第一冷却管路用于燃料电池系统的器件的散热。如此，液氢不仅能够作为电堆的燃料，并通过与温度较高的冷却水进行换热，实现将液氢转变为气态氢，并升温至常温，无需增设加热装置，降低燃料电池系统的重量。并且，当本申请的燃料电池系统应用于无人机时，相比于传统高压气态氢存储，燃料电池系统采用液氢作为燃料，相同存储量的情况下存氢存储装置的体积更小，使得氢存储装置的重量更小，因此能够降低燃料电池系统的重量及体积，从而降低无人机的重量及体积。

根据本申请的一些实施例，所述换热器为以下之一：

板式换热器、板翅式换热器、管翅式换热器。

根据本申请的一些实施例，还包括气液分离器，所述气液分离器的输入端与所述电堆连接，所述气液分离器的气体输出端与所述氢气循环泵的输入端连接，所述气液分离器用于接收电堆输送的气液混合物，并对所述气液混合物进行气液分离，将从所述气液混合物中分离得到的气体输送至所述氢气循环泵。

根据本申请的一些实施例，还包括排水阀和尾气混合室，所述排水阀分别与所述气液分离器的液体输出端、所述尾气混合室连接。

根据本申请的一些实施例，还包括第二冷却管路，所述第二冷却管路包括节温器、散热器和第二水泵，所述节温器的一端与所述散热器的输入端连接，另一端与所述第二水泵的输出端连接，所述散热器的输出端与所述电堆连接，所述第二水泵的输入端与所述电堆连接。

根据本申请的一些实施例，所述第二冷却管路还包括第一通阀，所述第一通阀的一端与所述节温器连接，另一端与所述散热器的输出端连接。

根据本申请的一些实施例，还包括空压机、空气过滤器和加湿器，所述第一冷却管路穿设于所述空压机，所述空压机还分别与所述空气过滤器、所述加湿器连接，所述加湿器与所述电堆连接，所述加湿器还与所述尾气混合室连接。

根据本申请的一些实施例，还包括第一开关阀和比例阀，所述稳压罐的输出端通过所述第一开关阀与所述氢气循环泵的输入端连接，所述比例阀设于所述第一开关阀与所述氢气循环泵的输入端之间。

根据本申请的一些实施例，还包括泄压阀，所述泄压阀与所述氢气循环泵连接。

本申请第二方面实施例提供了一种无人机，包括如第一方面实施例任意一项所述的燃料电池系统。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请做进一步的说明，其中：

图1为本申请一些实施例的燃料电池系统的结构示意图。

附图标记：

氢存储装置100；第二开关阀110；换热器120；稳压罐130；第一开关阀140；比例阀150；氢气循环泵160；泄压阀170；压力变换器180；电动机190；电堆200；第二水泵210；第一水泵220；节温器230；散热器240；第一通阀250；气液分离器260；排水阀270；尾气混合室280；加湿器290；空压机300；空气过滤器310。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。

本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

参照图1，本申请第一方面实施例提供了一种燃料电池系统，包括：

散热回路，散热回路设有换热器120、第一水泵220，换热器120的第一输入端与第一水泵220的输出端连接，换热器120的第一输出端通过第一冷却管路与第一水泵220的输入端连接；

氢存储装置100，氢存储装置100与换热器120的第二输入端连接，氢存储装置100用于存储液氢，氢存储装置100用于向换热器120输送液氢；

稳压罐130，稳压罐130与换热器120的第二输出端连接；

电堆200；

氢气循环泵160，氢气循环泵160的输入端与稳压罐130的输出端连接，氢气循环泵160的输出端与电堆200连接。

根据本申请的第一方面实施例的燃料电池系统，至少具有如下有益效果：在使用本申请实施例的燃料电池系统时，氢存储装置100向换热器120输送液氢，液氢在换热器120中吸热转变为气态氢，并升温至常温，常温的氢气进入稳压罐130，稳压罐130的氢气通过氢气循环泵160输入至电堆200中，以供电堆200使用。换热器120的第一输出端通过第一冷却管路向第一水泵220输送冷却水，第一冷却管路中的冷却水能够用于对燃料电池系统需要散热的器件进行散热，以使第一冷却管路中的冷却水温度升高，温度升高的冷却水通过第一水泵输送至换热器120的第一输入端，在换热器120内，温度较高的冷却水与液氢进行换热，以使液氢转变为气态氢，并升温至常温，且冷却水温度降低，温度降低的冷却水通过第一冷却管路输送至第一水泵220，以使第一冷却管路用于燃料电池系统的器件的散热。如此，液氢不仅能够作为电堆200的燃料，并通过与温度较高的冷却水进行换热，实现将液氢转变为气态氢，并升温至常温，无需增设加热装置，降低燃料电池系统的重量。并且，当本申请的燃料电池系统应用于无人机时，相比于传统高压气态氢存储，燃料电池系统采用液氢作为燃料，相同存储量的情况下存氢存储装置100的体积更小，使得氢存储装置100的重量更小，因此能够降低燃料电池系统的重量及体积，从而降低无人机的重量及体积。

值得注意的是，虽然相关技术中的一些燃料电池系统也采用液氢作为燃料，但是通常需要增设加热装置，通过加热装置将液氢加热变为气态氢，再将气态氢输入至电堆200，由于需要加热装置进行加热，因此会增加燃料电池系统的重量。而本申请实施例的燃料电池系统，由于液氢不仅能够作为电堆200的燃料，并通过与温度较高的冷却水进行换热，实现将液氢转变为气态氢，并升温至常温，无需增设加热装置，降低燃料电池系统的重量。

需要说明的是，液氢需要在-252℃以下储存(液氢沸点温度：252℃)，属于低压储存(储存压力低于1MPa)适用于燃料电池供氢，密度为70.85kg/m3，汽化潜热值461.4kJ/kg(每千克液氢沸腾汽化时会吸收461.4kJ热量)，因此液氢即是高密度的储氢形式，也可以作为冷媒用于发热器件散热。

值得注意的是，电堆200通过压力变换器180与电动机190连接，用于给电动机190供电。

可以理解的是，换热器120为以下之一：

板式换热器、板翅式换热器、管翅式换热器。

本申请实施例的燃料电池系统，由于液氢能够降低冷却水温度，因此换热器120无需采用传统的风冷换热器也能达到降低冷却水温度的效果，例如换热器120可以是板式换热器或者板翅式换热器或者管翅式换热器，与传统的风冷换热器相比，板式换热器或者板翅式换热器或者管翅式换热器重量较轻，因此能够降低燃料电池系统的重量，进而能够降低无人机的重量。

需要说明的是，本申请实施例各器件的连接均是指通过管路连接，管路能够运输液体以及气体，例如，氢存储装置100与换热器120的第二输入端通过管路连接，以使氢气存储装置能够通过管路向换热器120输送液氢。

值得注意的是，参照图1，氢存储装置100与换热器120的第二输入端之间设有第二开关阀110，当第二开关阀110打开时，氢气存储装置能够通过管路向换热器120输送液氢。

可以理解的是，本申请实施例的燃料电池系统还包括气液分离器260，气液分离器260的输入端与电堆200连接，气液分离器260的气体输出端与氢气循环泵160的输入端连接，气液分离器260用于接收电堆200输送的气液混合物，并对气液混合物进行气液分离，将从气液混合物中分离得到的气体输送至氢气循环泵160。电堆200在进行反应时会产生气液混合物，气液混合物为水蒸气、液态水、氢气的混合，气液混合物从电堆200中流入汽液分离器，汽液分离器对气液混合物进行汽液分离，分离得到的气体为氢气，将氢气输送至氢气循环泵160，以实现对氢气的循环利用。

可以理解的是，本申请实施例的燃料电池系统还包括排水阀270和尾气混合室280，排水阀270分别与气液分离器260的液体输出端、尾气混合室280连接。汽液分离器分离得到的液体通过排水阀270输送至尾气混合室280，尾气混合室280中的气体及液体，排出至燃料电池系统外部。

可以理解的是，本申请实施例的燃料电池系统还包括第二冷却管路，第二冷却管路包括节温器230、散热器240和第二水泵210，节温器230的一端与散热器240的输入端连接，另一端与第二水泵210的输出端连接，散热器240的输出端与电堆200连接，第二水泵210的输入端与电堆200连接，第二水泵210接收电堆200输出的冷却水。在电堆200进行化学反应时，低温的冷却水在电堆200内吸收化学反应释放的热量，温度逐步升高，温度较高的冷却水依次经过第二水泵210、节温器230后进入散热器240，散热器240使温度较高的冷却水散热，以降低冷却水的温度，降低温度后的冷却水流入电堆200的进水口，用于吸收化学反应释放的热量。

需要说明的是，在一些实施例中，第一冷却管路穿设于第二水泵210，使得第一冷却管路中温度较低的冷却水能够用于第二水泵210的散热，从而降低第二水泵210的温度。

可以理解的是，第二冷却管路还包括第一通阀250，第一通阀250的一端与节温器230连接，另一端与散热器240的输出端连接。当电堆200进口温度超过控制下限时，节温器230中的冷却液可以经过第一通阀250流入电堆200的进水口，以增大电堆200进口水温。

可以理解的是，本申请实施例的燃料电池系统还包括空压机300、空气过滤器310和加湿器290，第一冷却管路穿设于空压机300，空压机300还分别与空气过滤器310、加湿器290连接，加湿器290与电堆200连接，加湿器290还与尾气混合室280连接。空气经过空气过滤器310后进入空压机300，空压机300增大空气的压强，增大压强后的空气进入加湿器290，加湿器290对空气进行加湿，经过加湿的空气输入至电堆200，在电堆200中，气态氢作为电堆200阳极的燃料，空气中的氧气作为电堆200阴极的还原剂，电堆200内氢气与氧气发生电化学反应将化学能转化为电能，电能经过压力变化器后给电动机190供电。电堆200内空气中的氧气被消耗，氧气被消耗后的空气通过加湿器290排放至尾气混合室280。值得注意的是，由于第一冷却管路穿设于空压机300，因此第一冷却管路能够用于冷却空压机300，降低空压机300的温度。

可以理解的是，本申请实施例的燃料电池系统还包括第一开关阀140和比例阀150，稳压罐130的输出端通过第一开关阀140与氢气循环泵160的输入端连接，比例阀150设于第一开关阀140与氢气循环泵160的输入端之间。

可以理解的是，本申请实施例的燃料电池系统还包括泄压阀170，泄压阀170与氢气循环泵160连接，且泄压阀170与燃料电池系统的通风系统，例如泄压阀170与燃料电池系统的空气进入口连通。

值得注意的是，冷却水包括但不限于去离子水、防冻液等，本领域技术人员可以根据实际需要选取冷却水。

值得注意的是，氢存储装置100可以是堆积绝热型或高真空绝热型或真空粉末绝热型存储装置，本领域技术人员可以根据实际需要设定氢存储装置100的类型。

在一实施例中，燃料电池系统额定净输出功率为80kw，该燃料电池系统能够应用于无人机中，燃料电池额定运行耗氢量为4-5kg/h，保证无人机续航时长2h，储氢重量为8-10kg。采用液态储存，使用真空绝热铝罐，存储装置总重为0-80kg。相较于气态储存，使用无人机专用超轻铝内胆缠绕高气瓶，储存装置总重为110-140kg。在燃料系统中，与气态氢存储相比，液态储氢可减重可达40％以上。燃料电池需求的供氢压力为1.2-2bar，液态储氢属于低压储氢技术，满足燃料电池供氢需求，搭配2-2.5bar储存压力液氢罐，考虑氢气在换热器120和管道流动压力损失。燃料电池额定运行产热量为80-100kw，电堆200出口水温为80-85℃，冷却水流量为170-200L/min。燃料电池系统内其余发热部件运行总产热4-7kw，散热回路中的第一冷却管路依次冷却各部件，冷却水流量为25-30L/min。第二冷却管路的高温冷却水经由第二水泵210、节温器230输送到输送至散热器240，散热器240的散热量大于100kw。第一冷却回路中的高温冷却水经由第一水泵220进入换热器120，通过液氢制冷降温。根据供氢流量4-5kg/h计算，液氢可提供不小于7kw的制冷量，满足散热量要求。将传统的风冷换热器更换为板式换热器，可以减重50％以上，板式换热器重量3-5kg，而风冷换热器重量7-10kg，空压机300直接从大气中吸取空气供给燃料电池系统运行，空气流量4000-5000L/min。该燃料电池系统总重为270-300kg，当应用于无人机时，能够为无人机提供80kw电能的同时，相较于传统燃料电池系统减重最高可达65kg。

本申请第二方面实施例提供了一种无人机，包括如第一方面任意一项实施例的燃料电池系统。

由于无人机包括如本申请第一方面实施例任一项的燃料电池系统，因此第一方面所提及到的实施例中的燃料电池系统的相应内容同样适用于第二方面所提及到的实施例中的无人机，并且具有相同的实现原理以及技术效果，为避免描述内容冗余，此处不再详细描述。

上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：

散热回路，所述散热回路设有换热器、第一水泵，所述换热器的第一输入端与所述第一水泵的输出端连接，所述换热器的第一输出端通过第一冷却管路与所述第一水泵的输入端连接；

氢存储装置，所述氢存储装置与所述换热器的第二输入端连接，所述氢存储装置用于存储液氢，所述氢存储装置用于向所述换热器输送液氢；

稳压罐，所述稳压罐与所述换热器的第二输出端连接；

电堆；

氢气循环泵，所述氢气循环泵的输入端与所述稳压罐的输出端连接，所述氢气循环泵的输出端与所述电堆连接。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述换热器为以下之一：

板式换热器、板翅式换热器、管翅式换热器。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括气液分离器，所述气液分离器的输入端与所述电堆连接，所述气液分离器的气体输出端与所述氢气循环泵的输入端连接，所述气液分离器用于接收电堆输送的气液混合物，并对所述气液混合物进行气液分离，将从所述气液混合物中分离得到的气体输送至所述氢气循环泵。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括排水阀和尾气混合室，所述排水阀分别与所述气液分离器的液体输出端、所述尾气混合室连接。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括第二冷却管路，所述第二冷却管路包括节温器、散热器和第二水泵，所述节温器的一端与所述散热器的输入端连接，另一端与所述第二水泵的输出端连接，所述散热器的输出端与所述电堆连接，所述第二水泵的输入端与所述电堆连接。

6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第二冷却管路还包括第一通阀，所述第一通阀的一端与所述节温器连接，另一端与所述散热器的输出端连接。

7.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括空压机、空气过滤器和加湿器，所述第一冷却管路穿设于所述空压机，所述空压机还分别与所述空气过滤器、所述加湿器连接，所述加湿器与所述电堆连接，所述加湿器还与所述尾气混合室连接。

8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括第一开关阀和比例阀，所述稳压罐的输出端通过所述第一开关阀与所述氢气循环泵的输入端连接，所述比例阀设于所述第一开关阀与所述氢气循环泵的输入端之间。

9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括泄压阀，所述泄压阀与所述氢气循环泵连接。

10.一种无人机，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的燃料电池系统。