RU2712352C1 - Unmanned aerial vehicle with fuel cell battery cooling system - Google Patents
Unmanned aerial vehicle with fuel cell battery cooling system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2712352C1 RU2712352C1 RU2019112528A RU2019112528A RU2712352C1 RU 2712352 C1 RU2712352 C1 RU 2712352C1 RU 2019112528 A RU2019112528 A RU 2019112528A RU 2019112528 A RU2019112528 A RU 2019112528A RU 2712352 C1 RU2712352 C1 RU 2712352C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- air
- housing
- unmanned aerial
- aerial vehicle
- duct
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
- B64C39/00—Aircraft not otherwise provided for
- B64C39/02—Aircraft not otherwise provided for characterised by special use
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к авиационной технике, а более конкретно к авиационным энергоустановкам на базе топливных элементов и может быть использовано при разработке малоразмерных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) различного назначения.The invention relates to aircraft, and more specifically to aircraft power plants based on fuel cells and can be used in the development of small unmanned aerial vehicles (UAVs) for various purposes.
В настоящее время активно развивается беспилотная авиация с электрическими бортовыми системами питания. В связи с этим, одной из насущных проблем является подбор системы электропитания. На сегодняшний день наиболее перспективным является использование систем электропитания или энергетических установок, основанных на батареях топливных элементов (БТЭ). Такие энергетические установки обладают рядом преимуществ перед традиционными литиевыми аккумуляторами, позволяя значительно снизить вес летательного аппарата, увеличить длительность полетов, возможность осуществления полетов при низких температурах (до - 40°С), и т.д.Currently, unmanned aircraft with electric on-board power systems are actively developing. In this regard, one of the pressing problems is the selection of a power supply system. Today, the most promising is the use of power systems or power plants based on fuel cell batteries (BFC). Such power plants have a number of advantages over traditional lithium batteries, allowing you to significantly reduce the weight of the aircraft, increase the duration of flights, the ability to fly at low temperatures (up to -40 ° C), etc.
Однако, использование энергетических установок с БТЭ связано с задачей поддержания оптимального рабочего диапазона температуры в активной зоне электрохимической реакции в БТЭ для обеспечения стабильной работы БТЭ. Известно, что при электрохимических реакциях в БТЭ происходит значительное выделение тепла, в связи с чем, для поддержания нормальной работы БТЭ, зачастую требуется ее охлаждение.However, the use of power plants with BFCs is associated with the task of maintaining the optimum operating temperature range in the core of the electrochemical reaction in BFCs to ensure stable operation of BFCs. It is known that during electrochemical reactions in BFC there is a significant heat release, and therefore, to maintain the normal operation of BFC, its cooling is often required.
Известно использование силовой авиационной установки на базе топливных элементов с системой воздушного охлаждения (РФ 2492116, 10.09.2013 г).It is known to use a power aircraft installation based on fuel cells with an air cooling system (RF 2492116, 09/10/2013).
Недостатком известного технического решения является сложность конструкции, обусловленная использованием большого количества конструктивных элементов в системе охлаждения ТЭ, что помимо усложнения устройства, увеличивает его вес, материалоемкость и стоимость. Кроме того, топливные элементы в известной конструкции являются твердооксидными, что неприемлемо для легкого (взлетной массой до 30 кг) беспилотного летательного аппарата (БПЛА) по соображениям больших массогабаритных характеристик силовой установки.A disadvantage of the known technical solution is the design complexity due to the use of a large number of structural elements in the cooling system of the fuel cell, which, in addition to complicating the device, increases its weight, material consumption and cost. In addition, fuel cells in a known design are solid oxide, which is unacceptable for light (take-off weight up to 30 kg) unmanned aerial vehicle (UAV) for reasons of large mass and size characteristics of the power plant.
Наиболее приемлемым на сегодняшний день в системах электропитания беспилотных летательных аппаратов является использование низкотемпературных водород-воздушных БТЭ с полимерной мембраной.The most acceptable today in the power supply systems of unmanned aerial vehicles is the use of low-temperature hydrogen-air BFC with a polymer membrane.
Например, известен беспилотный летательный аппарат, электрический двигатель которого питается от электричества, вырабатываемого батареей водородных топливных элементов (на основе полимерных мембран). (PL 68768, 16.02.2015).For example, an unmanned aerial vehicle is known, the electric motor of which is powered by electricity generated by a battery of hydrogen fuel cells (based on polymer membranes). (PL 68768, 02.16.2015).
В известном устройстве задача охлаждения БТЭ решается продувкой воздуха, забираемого из внешней среды, сквозь БТЭ с последующим сбросом нагретого воздуха за пределы корпуса беспилотного летательного аппарата. При этом устройство оборудовано термодатчиками для контроля температуры и системой управления положения створок в каналах подачи охлаждающего воздушного потока и отвода отработанного горячего воздуха.In the known device, the task of cooling the BFC is solved by blowing air taken from the external environment through the BFC with the subsequent discharge of heated air outside the body of the unmanned aerial vehicle. At the same time, the device is equipped with temperature sensors for temperature control and a control system for the position of the valves in the channels for supplying a cooling air stream and exhaust hot air.
Таким образом, поддержание необходимой температуры БТЭ обеспечивается системой управления положением угла поворота створок.Thus, maintaining the required temperature of the BFC is provided by the control system of the position of the angle of rotation of the valves.
Это известное решение является наиболее близким к заявленному по технической сущности и достигаемому результату.This known solution is the closest to the declared technical essence and the achieved result.
Однако, оно не лишено недостатков.However, it is not without flaws.
Так, размещение датчиков температуры на выходе из БТЭ не обеспечит должного контроля за рабочей температурой БТЭ, а любое отклонение от допустимых температур (от 40 до 90°С) может негативно сказаться на работе топливных элементов, вплоть до потери эксплуатационных свойств полимерных мембран в БТЭ, очень чувствительных к изменениям температуры.So, the placement of temperature sensors at the outlet of the BFC will not provide proper control over the operating temperature of the BFC, and any deviation from the permissible temperatures (from 40 to 90 ° C) can adversely affect the operation of fuel cells, up to the loss of operational properties of polymer membranes in the BFC, very sensitive to temperature changes.
Кроме того, на работоспособность БТЭ сильно влияют перепады температур, связанные с неблагоприятными погодными явлениями или изменениями высоты полета. Поэтому регулирование температуры воздушного (охлаждающего) потока в зоне БТЭ за счет объема его поступления (регулирование с помощью поворота створок) не всегда может обеспечить желаемый результат (работоспособность БТЭ), в том числе по причине возникающих ограничений требуемого количества воздуха для стабильной электрохимической реакции окисления топлива в БТЭ кислородом из воздуха. Таким образом, регулирование температуры БТЭ лишь за счет изменения объема забираемого воздуха может отразиться на полетных характеристиках летательного аппарата.In addition, changes in temperature associated with adverse weather events or changes in flight altitude greatly affect the performance of BFCs. Therefore, the regulation of the temperature of the air (cooling) flow in the BFC zone due to the volume of its flow (regulation by turning the valves) can not always provide the desired result (BFC operability), including due to the limitations of the required amount of air for a stable electrochemical fuel oxidation reaction in BTE with oxygen from the air. Thus, the regulation of the BFC temperature only due to a change in the volume of intake air can affect the flight characteristics of the aircraft.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является расширение функциональных возможностей конструкции при одновременном ее удешевлении.The problem to which the claimed invention is directed, is to expand the functionality of the design while reducing its cost.
Поставленная задача решается за счет того, что беспилотный летательный аппарат с системой охлаждения БТЭ, включает корпус, батарею топливных элементов (БТЭ), установленную внутри корпуса, подсистему воздухораспределения, подсистему терморегулирования и подсистему управления, например автоматического управления, причем подсистема воздухораспределения содержит управляемые воздухозаборные створки, установленные в воздухозаборных отверстиях, проточный канал для подачи воздушного потока в зону БТЭ, образованный внутренними стенками корпуса и наружными боковыми стенками БТЭ, перепускные клапаны для управляемого отвода части горячего воздуха повторно в проточный канал и выпускное отверстие для выброса горячего отработанного воздуха за пределы корпуса, подсистема теморегулирования содержит термодатчики, а подсистема управления связана с системой терморегулирования (термодатчиками) и подсистемой воздухораспределения, при этом между БТЭ и выпускным отверстием установлен короб с воздуховодом, таким образом, что стенки короба с воздуховодом делят внутреннее пространство корпуса в зоне БТЭ на две смежные камеры, одна из которых является проточной камерой для подачи отрегулированного по оптимальной температуре воздушного потока, а другая - для отвода горячего воздуха, средством принудительной прокачки воздуха, размещенном внутри воздуховода, при этом перепускные клапаны установлены в отверстиях стенки воздуховода, а термодатчики установлены на входе в БТЭ.The problem is solved due to the fact that an unmanned aerial vehicle with a BTE cooling system includes a hull, a fuel cell battery (BTE) installed inside the hull, an air distribution subsystem, a temperature control subsystem and a control subsystem, for example, automatic control, and the air distribution subsystem contains controllable air intake flaps installed in the air intake openings, a flow channel for supplying air flow to the BTE zone formed by the inner walls to the housing and the external side walls of the BFC, the bypass valves for the controlled removal of part of the hot air again into the flow channel and the outlet for discharging hot exhaust air outside the housing, the temperature control subsystem contains temperature sensors, and the control subsystem is connected to the temperature control system (temperature sensors) and the air distribution subsystem, at the same time, a duct with a duct is installed between the BTE and the outlet, so that the walls of the duct with the duct divide the inner space your body in the BTE zone to two adjacent chambers, one of which is a flow chamber for supplying an air flow adjusted to the optimum temperature, and the other for venting hot air, by means of forced air circulation located inside the air duct, while the bypass valves are installed in the wall openings air duct, and temperature sensors are installed at the entrance to the BFC.
Поддержание необходимой температуры в зоне электрохимической реакции БТЭ, которая контролируется датчиками температуры, размещенными на входе в БТЭ, осуществляется за счет выравнивания температуры охлаждающего воздушного потока, забираемого из внешней среды. Для этого в стенке воздуховода (патрубка вывода горячего воздуха за пределы корпуса беспилотного летательного аппарата), выполнены отверстия для перепуска части отходящего горячего воздуха в проточный канал, образованный внутренними стенками корпуса БПЛА и наружными боковыми стенками БТЭ. Эти отверстия оснащены регулируемыми перепускными клапанами. Для более эффективного протекания воздуха через БТЭ, в воздуховоде устанавливают средство для принудительной протяжки воздуха, например, вентилятор.Maintaining the required temperature in the BFC electrochemical reaction zone, which is monitored by temperature sensors located at the inlet of the BFC, is carried out by equalizing the temperature of the cooling air flow taken from the external environment. To do this, in the wall of the duct (the outlet pipe for hot air outside the body of the unmanned aerial vehicle), holes are made for transferring part of the exhaust hot air into the flow channel formed by the inner walls of the UAV body and the outer side walls of the BTE. These openings are equipped with adjustable bypass valves. For more efficient air flow through the BFC, a means for forced air drawing, for example, a fan, is installed in the duct.
В заявленной конструкции беспилотного летательного аппарата БТЭ гармонично вписывается в корпус летательного аппарата таким образом, что между внутренними стенками корпуса БПЛА и наружными боковыми стенками БТЭ образуется канал для пропускания охлаждающего воздуха. Причем БТЭ ориентирована во внутреннем пространстве корпуса таким образом, что воздуховод (патрубок для отвода горячего воздуха за пределы корпуса БПЛА), пристыкованный к ней посредством короба БТЭ, образует смежную камеру с камерой (каналом) для пропускания воздушного потока оптимальной температуры (40…90°С) в БТЭ. Это делает возможным, без использования дополнительного громоздкого оборудования, осуществлять перепуск части нагретого воздуха в канал для пропускания охлаждающего воздуха через перепускные клапаны, размещенные в отверстиях, находящихся в стенках воздуховода.In the claimed design of the unmanned aerial vehicle, the BTE harmoniously fits into the body of the aircraft in such a way that between the inner walls of the UAV body and the outer side walls of the BTE there is a channel for passing cooling air. Moreover, the BTE is oriented in the internal space of the hull in such a way that the air duct (pipe for exhausting hot air outside the UAV hull), docked to it through the BTE duct, forms an adjacent chamber with a chamber (channel) for transmitting the optimal temperature air flow (40 ... 90 ° C) in BTE. This makes it possible, without the use of additional bulky equipment, to transfer part of the heated air into the channel for passing cooling air through the bypass valves located in the openings located in the walls of the duct.
Заявленное конструктивное выполнение устройства позволяет расширить его функциональные возможности и одновременно снизить материалоемкость, а, следовательно, вес и стоимость устройства, что в итоге дает эксплуатационную и экономическую выгоду.The claimed constructive implementation of the device allows you to expand its functionality and at the same time reduce the material consumption, and, consequently, the weight and cost of the device, which ultimately gives operational and economic benefits.
Заявленное изобретение иллюстрируется графическими материалами, где на Фиг. 1 изображен общий вид беспилотного летательного аппарата (БПЛА),The claimed invention is illustrated by graphic materials, where in FIG. 1 shows a General view of an unmanned aerial vehicle (UAV),
на Фиг. 2 - вид сбоку БПЛА,in FIG. 2 - side view of the UAV,
на Фиг. 3 - поперечное сечение (разрез по А-А) Фиг. 2,in FIG. 3 is a cross section (section along AA) FIG. 2
на Фиг. 4 - поперечный разрез схематично.in FIG. 4 is a cross-sectional view schematically.
Заявленное устройство включает корпус 1 беспилотного летательного аппарата, батарею 2 топливных элементов, установленную в корпусе 1 таким образом, что между внутренними боковыми стенками 3 корпуса 1 и наружными стенками 4 батареи 2 образован канал 5 для пропускания воздушного потока, забираемого из внешней среды через отверстия 6 выполненные в боковых стенках 3 корпуса 1. В отверстиях 6 установлены поворотные створки 7, связанные системой управления (на чертежах не показана) с термодатчиками 8, размещенными на входе в батарею 2 топливных элементов. Воздуховод 9 предназначен для выпуска горячего (отработанного) воздуха из батареи 2 за пределы корпуса 1 БПЛА т.е. во внешнюю среду. Батарея 2 ориентирована в корпусе 1 таким образом, что воздуховод 9, посредством короба 10, пристыкованный одним концом к ней, а другим - к выходному отверстию 11 в корпусе 1, делит внутреннее пространство корпуса БПЛА на две смежные камеры, камера 5 из которых является каналом для пропускания охлаждающего воздуха (воздушного потока), а другая камера - 12 является каналом для выпуска отработанного горячего воздуха за пределы БПЛА. В стенках воздуховода 9 выполнены отверстия 13 с перепускными клапанами 14. Отверстия 13 предназначены для перепуска части отходящего горячего воздуха из камеры 12 в канал 5. Перепускные клапаны 14 связаны с помощью системы управления с термодатчиками 8 и створками 7. Перепуск части горячего воздуха осуществляют для выравнивания температуры воздушного потока до определенного значения, приемлемого для нормального функционирования мембранно-электродного блока батареи ТЭ 2.Устройство оснащено вентилятором 15 протяжки воздуха.The claimed device includes a
Заявленное устройство работает следующим образом.The claimed device operates as follows.
В процессе полета БПЛА воздух, необходимый для охлаждения БТЭ поступает снаружи (из атмосферы) сквозь створки 7 отверстий 6 и далее, принудительно, посредством вентилятора 15 протяжки, проходит в БТЭ для ее охлаждения. Далее, нагретый воздух проходит через камеру 12 воздуховода 9 и часть его сбрасывается в атмосферу через отверстие 11, а часть возвращается в (канал) 5, где смешивается с воздухом, забираемым из атмосферы и подаваемым в БТЭ.During the UAV flight, the air necessary for cooling the BFC is supplied externally (from the atmosphere) through the
Для стабильной работы БТЭ температура поддерживается на определенном уровне с помощью подсистемы автоматики (на чертежах не показана). На входе охлаждающего воздуха в БТЭ установлены термодатчики 8. Подсистема автоматики выполняет функции контроля температуры на входе в БТЭ и регулирования степени открытия створок 7 и клапанов 14. Регулировка температуры обеспечивается различными пропорциями открытия створок 7 и клапанов 14. Они работают в противофазе друг другу.For stable operation of the BFC, the temperature is maintained at a certain level using the automation subsystem (not shown in the drawings).
Для обеспечения БТЭ воздухом оптимальной температуры, приоткрываются клапаны 14, при этом прикрываются створки 7, в результате обеспечивается необходимый объем воздуха, за счет выравнивания давления.To provide BTE with optimal temperature air, the
Подсистема автоматики обеспечивает также запуск энергоустановки, ее работу в оптимальном режиме, защиту от аварий в результате теплового удара и вывод энергоустановки из рабочего режима.The automation subsystem also ensures the start-up of the power plant, its operation in optimal mode, protection against accidents due to heat stroke and the power plant is taken out of operation.
Заявленное устройство отличается оптимальным конструктивным исполнением его отдельных элементов, их взаимосвязью и взаимным расположением, а также рациональным расположением в корпусе беспилотного летательного аппарата, что в конечном итоге дает эксплуатационную и экономическую выгоду.The claimed device is characterized by the optimal design of its individual elements, their interconnection and relative position, as well as the rational arrangement in the body of an unmanned aerial vehicle, which ultimately gives operational and economic benefits.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019112528A RU2712352C1 (en) | 2019-04-24 | 2019-04-24 | Unmanned aerial vehicle with fuel cell battery cooling system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019112528A RU2712352C1 (en) | 2019-04-24 | 2019-04-24 | Unmanned aerial vehicle with fuel cell battery cooling system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2712352C1 true RU2712352C1 (en) | 2020-01-28 |
Family
ID=69624766
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019112528A RU2712352C1 (en) | 2019-04-24 | 2019-04-24 | Unmanned aerial vehicle with fuel cell battery cooling system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2712352C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5295643A (en) * | 1992-12-28 | 1994-03-22 | Hughes Missile Systems Company | Unmanned vertical take-off and landing, horizontal cruise, air vehicle |
US20070158494A1 (en) * | 2004-01-08 | 2007-07-12 | Burrage Robert G | Tilt-rotor aircraft |
RU100491U1 (en) * | 2010-09-02 | 2010-12-20 | Закрытое акционерное общество "АЭРОКОН" | UNMANNED AERIAL VEHICLE |
PL68768Y1 (en) * | 2014-06-23 | 2016-12-30 | Akademia Górniczohutnicza Im Stanisława Staszica W Krakowie | Cooling system for fuel cells in the pilotless propeller-driven aircraft |
RU2629473C1 (en) * | 2016-05-04 | 2017-08-29 | Дмитрий Сергеевич Дуров | Unmanned vertiplane with channel propellers |
-
2019
- 2019-04-24 RU RU2019112528A patent/RU2712352C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5295643A (en) * | 1992-12-28 | 1994-03-22 | Hughes Missile Systems Company | Unmanned vertical take-off and landing, horizontal cruise, air vehicle |
US20070158494A1 (en) * | 2004-01-08 | 2007-07-12 | Burrage Robert G | Tilt-rotor aircraft |
RU100491U1 (en) * | 2010-09-02 | 2010-12-20 | Закрытое акционерное общество "АЭРОКОН" | UNMANNED AERIAL VEHICLE |
PL68768Y1 (en) * | 2014-06-23 | 2016-12-30 | Akademia Górniczohutnicza Im Stanisława Staszica W Krakowie | Cooling system for fuel cells in the pilotless propeller-driven aircraft |
RU2629473C1 (en) * | 2016-05-04 | 2017-08-29 | Дмитрий Сергеевич Дуров | Unmanned vertiplane with channel propellers |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10150570B2 (en) | Device and method for cooling at least one autonomous electric power source of an aircraft | |
US11749851B2 (en) | Thermal regulation of batteries | |
US11152631B2 (en) | Air-cooled fuel-cell freeze-protection system | |
WO2011100385A1 (en) | Environmental control system for precision airborne payloads | |
US8939397B2 (en) | Aircraft capable of hovering having an exhaust duct with thermoelectric conversion circuit | |
JP7257502B2 (en) | fuel cell power pack | |
US11370529B2 (en) | Aerial vehicle turbine system | |
CN111993857B (en) | Fuel cell humidifying system with passenger cabin humidifying function and control method | |
CN111584973B (en) | Ventilating system for open-air storage battery for ship | |
RU2712352C1 (en) | Unmanned aerial vehicle with fuel cell battery cooling system | |
EP3122636B1 (en) | System and method for providing temperature control | |
WO2012055367A1 (en) | Heating, ventilating and air conditioning system for electric vehicle or hybrid electric vehicle | |
US20210339872A1 (en) | Variable chiller exhaust with crown ventilation | |
US20240280320A1 (en) | Method and system for drying a battery part | |
WO2023209316A1 (en) | Cooling system for fuel cell onboard a vehicle including thermal energy storage device | |
KR102559282B1 (en) | Hydrogen power pack for drone equipped with temperature control system | |
CN208028156U (en) | Heat-insulated and heat-exchange device for unmanned plane fuel cell under low temperature environment | |
US20210265643A1 (en) | Long endurance fuel cell-based power source | |
CN211642632U (en) | Unmanned aerial vehicle with automatic cooling system | |
PL68768Y1 (en) | Cooling system for fuel cells in the pilotless propeller-driven aircraft | |
JP3766387B2 (en) | Airship thermal control structure and thermal control method thereof | |
EP3753851A2 (en) | Thermal regulation of batteries | |
CN117699013A (en) | Air conditioning system and aircraft | |
TW202410523A (en) | Fuel cell power module | |
CN118270240A (en) | Comprehensive control system and method for aircraft cabin environment |