Opis wzoruPattern description
Przedmiotem wzoru użytkowego jest układ chłodzenia ogniw paliwowych w bezzałogowym samolocie o napędzie śmigłowym, którego silnik elektryczny zasilany jest energią elektryczną generowaną w stosie polimerowych ogniw paliwowych w wyniku reakcji utleniania paliwa, zwłaszcza wodoru.The subject of the utility model is the fuel cell cooling system in an unmanned propeller-driven airplane, the electric motor of which is powered by electricity generated in a polymer fuel cell stack as a result of fuel oxidation, especially hydrogen.
Optymalne warunki pracy ogniwa paliwowego wymagają jego chłodzenia i utrzymywania temperatury w zakresie między około 60°C - poniżej której występuje istotny spadek mocy spowodowany zmniejszeniem szybkości reakcji elektrodowych i chemicznych, a temperaturą około 100°C - której przekroczenie grozi uszkodzeniem elektrolitu polimerowego. W znanych małych samolotach bezzało-gowych (UAS), przykładowo przedstawionym w opisie RU2011147359, temperaturę stosu ogniw paliwowych kontroluje i reguluje system czujników, których sygnały przetworzone w układzie sterowania nadają wymagany wydatek zespołowi wentylatorów układu chłodzenia. Zabudowany w wydzielonej komorze samolotu stos kilkudziesięciu ogniw paliwowych chłodzony jest powietrzem, które przepływa przez wewnętrzne, międzypłytowe kanały chłodzące w wyniku różnicy ciśnień w przylegających z obu stron stosu kanałów: wlotowego i wylotowego. Do kanału wlotowego tłoczone jest powietrze z wentylatorów. Przykładowo rozwiązanie takie przedstawione jest w opisie EP 1777770. Wyposażenie takie zwiększa jednak masę generatora obniżając parametry eksploatacyjne bezzałogowego samolotu.Optimal operating conditions of the fuel cell require its cooling and maintaining the temperature in the range between about 60 ° C - below which there is a significant decrease in power due to the reduction in the speed of electrode and chemical reactions, and a temperature of about 100 ° C - which may damage the polymer electrolyte. In the known small unmanned airplanes (UAS), for example shown in RU2011147359, the temperature of the fuel cell stack is controlled and regulated by a system of sensors whose signals processed in the control system give the required output to the cooling system fan assembly. A stack of several dozen fuel cells, built in a separate chamber of the aircraft, is cooled with air, which flows through internal, inter-plate cooling channels as a result of the pressure difference in the inlet and outlet channels adjacent to both sides of the stack. Air from the fans is forced into the inlet channel. For example, such a solution is presented in EP 1777770. Such equipment, however, increases the mass of the generator by lowering the operational parameters of the unmanned aircraft.
Układ chłodzenia ogniw paliwowych w bezzałogowym samolocie o napędzie śmigłowym, według niniejszego wzoru, podobnie jak w znanych rozwiązaniach zawiera wydzieloną w kadłubie samolotu komorę ze stosem ogniw paliwowych, które chłodzone są przepływem powietrza przez wewnętrzne, międzypłytowe kanały chłodzące ogniw i przez przylegające do nich z obu stron ażurowe ściany kanałów: wlotowego o wyższym i kanału wylotowego o niższym ciśnieniu. Istota wzoru polega na tym, że kanały wlotowy i wylotowy prowadzone są wzdłuż przeciwległych ścian bocznych kadłuba i z przodu, po obu stronach osi śmigła zakończone są otworami nadmuchowymi. Stos ogniw paliwowych zabudowany jest w prostopadłym do wzdłużnej osi samolotu usytuowaniu kanałów chłodzących ogniw. Wzdłuż ażurowej ścianki kanału wlotowego zamocowane są kierownice przechwytujące, pochylone pod kątem swobodnymi końcami w kierunku otworu nadmuchowego oraz których długość liniowo narasta w kierunku tylnego końca kanału wlotowego, który przesłonięty jest ostatnią kierownicą przechwytującą. W kanale wylotowym wzdłuż ażurowej ścianki zamocowane są łopatki eżektoro-we, o jednakowej długości oraz pochylone pod kątem swobodnymi końcami w kierunku tylnego, otwartego końca kanału wylotowego. W korzystnej postaci wykonania układu według wzoru kąty pochylenia kierownic przechwytujących i łopatek eżektorowych są regulowane mechanizmami dźwigniowymi napędzanymi przez siłowniki liniowe sterowane sygnałem czujnika temperatury zabudowanego na wylocie powietrza chłodzącego ze stosu ogniw paliwowych. W kolejnej postaci wzoru w komorę stosu ogniw paliwowych wbudowana jest bateria akumulatorów szczytowych, wykorzystywanych w okresie zwiększonego zapotrzebowania mocy.The fuel cell cooling system in the unmanned propeller-driven airplane, according to this formula, similarly to known solutions, includes a compartment with a stack of fuel cells separated in the fuselage, which are cooled by air flow through the internal inter-plate cooling channels of the cells and by adjacent to them both the sides of the openwork walls of the channels: the inlet channel with a higher pressure and the outlet channel with a lower pressure. The essence of the pattern is that the inlet and outlet channels run along the opposite side walls of the fuselage and at the front, on both sides of the propeller axis, they end with blowing holes. The fuel cell stack is built in the location of the cell cooling channels perpendicular to the longitudinal axis of the aircraft. Along the openwork wall of the inlet channel, intercepting guides are mounted, inclined at an angle with their free ends towards the blow hole, and the length of which increases linearly towards the rear end of the inlet channel, which is obscured by the last interceptor guide. In the outlet channel, along the openwork wall, ejector blades are mounted, of equal length and inclined at an angle with their free ends towards the rear, open end of the outlet channel. In a preferred embodiment of the patterned system, the inclination angles of the intercepting vanes and the ejector blades are controlled by lever mechanisms driven by linear actuators controlled by a signal from a temperature sensor installed at the cooling air outlet from the fuel cell stack. In a further form of the pattern, a peak battery bank for use in times of increased power demand is built into the fuel cell stack chamber.
Przedstawiony układ chłodzenia według wzoru wykorzystuje strumienie powietrza opływające kadłub samolotu do wytworzenia różnicy ciśnień po obu stronach kanałów chłodzących ogniw. Podczas startu, gdy moc stosu ogniw paliwowych wspomagana jest energią z akumulatorów szczytowych, wykorzystywane jest głównie wentylatorowe działanie śmigła, natomiast w czasie lotu podstawowe znaczenie ma aerodynamika prędkości strumieni przechwytywanych otworami nadmuchowymi do obu kanałów. Ciepło wydzielane przez stos jest proporcjonalne do obciążenia - wyższe obciążenia skutkują wyższymi obrotami śmigła i zasadniczo większą szybkością lotu. Występuje korzystna synergia pomiędzy mocą elektryczną czerpaną z generatora i ilością wytworzonego ciepła a szybkością lotu. Utrzymywanie optymalnej temperatury pracy ogniw paliwowych zapewnia układ sterowania położeniem kierownic przechwytujących i łopatek eżektorowych w kanałach wlotowym i wylotowym.The illustrated cooling system in the formula uses air flows flowing around the fuselage to create a pressure differential on both sides of the cooling cells' channels. During take-off, when the power of the fuel cell stack is supported by energy from peak batteries, mainly the fan action of the propeller is used, while during the flight, the aerodynamics of the velocity of the streams intercepted by the blast holes to both channels is of primary importance. The heat generated by the stack is proportional to the load - higher loads result in higher propeller RPM and substantially faster flight speed. There is a favorable synergy between the electrical power drawn from the generator and the amount of heat produced and the speed of flight. Maintaining the optimal operating temperature of the fuel cells is ensured by the control system for the position of the interceptor blades and ejector blades in the inlet and outlet channels.
Układ chłodzenia według wzoru użytkowego pokazany jest na rysunku w ujęciu schematycznym.The cooling system according to the utility model is shown in the diagram in schematic form.
Mały samolot bezzałogowy o napędzie śmigła 2 przez bezszczotkowy silnik elektryczny 3 o mocy kilkuset watów, ma wydzieloną w kadłubie 1 komorę 7 z zabudowanym w niej stosem ogniw paliwowych 9 zasilanych ze zbiornika sprężonego wodoru 16. Ogniwa paliwowe chłodzone są przepływem powietrza przez wewnętrzne, międzypłytowe kanały chłodzące 10, usytuowane prostopadle do wzdłużnej osi samolotu O-O. W komorę stosu ogniw paliwowych 7 wbudowana jest również bateria akumulatorów szczytowych 15, w położeniu narzuconym warunkami wyważenia. Komorę stosu ogniw paliwowych 7 obejmują z obu stron ażurowe ścianki boczne 8, za którymi znajdują sięA small unmanned aircraft powered by a propeller 2 by a brushless electric motor 3 with a power of several hundred watts, has a compartment 7 separated in the fuselage, with a stack of fuel cells 9, powered from a compressed hydrogen tank 16. Fuel cells are cooled by air flow through internal inter-plate channels cooling 10, disposed perpendicular to the longitudinal axis of the airplane OO. A peak battery bank 15 is also embedded in the fuel cell stack chamber 7, in the position imposed by the balancing conditions. The fuel cell stack 7 chamber is enclosed on both sides by openwork side walls 8, behind which they are located