TWI829455B - 氫氣燃料電池無人機的飛行時間估算方法及其系統 - Google Patents

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Abstract

一種氫氣燃料電池無人機飛行時間估算方法，包含以處理器執行下列步驟：從設置於氣瓶的壓力感測器取得氣瓶的內部壓力，依據內部壓力及氣瓶的容量計算剩餘氫氣量，取得燃料電池的反應電流值，依據反應電流值、燃料電池的膜電極組串聯數量及法拉第常數計算第一氫氣消耗率，取得燃料電池的陽極的排氣操作的第二氫氣消耗率，取得燃料電池的電堆的氫氣洩漏率，以及依據剩餘氫氣量、第一氫氣消耗率、第二氫氣消耗率及氫氣洩漏率計算可飛行時間。

Description

氫氣燃料電池無人機的飛行時間估算方法及其系統
本發明涉及氫氣燃料電池及無人機，特別是一種氫氣燃料電池無人機的飛行時間估算方法及其系統。
氫氣燃料電池可運用在各式載具上，無論是車輛、船舶、自行車甚至是無人機都可以搭載燃料電池作為動力來源。隨著環保意識日漸高漲，燃料電池所排出的反應物只有純淨的水，不會造成汙染。相較於用鋰電池作為動力來源，相同重量的燃料電池具有更高的能量密度，能夠滿足更長時間的任務需求。而在實際的應用中，準確的續航時間估算是完成任務的一個重要因素。
現有氫氣燃料電池無人機對於可飛行時間的計算，大多是以高壓氣瓶儲存氫氣量與燃料電池發電功率進行推估而得。然而，除了因發電而消耗的氫氣之外，還有一部分是未經反應而排出的氫氣，包含燃料電池運作過程中的排氣(purge)程序與電堆的漏氣。無人機在空中執行任務時，為了避免氫氣剩餘量不足導致無法繼續飛行，需要預留返航或降落的時間。因此，必須能夠掌握氫氣的消耗情況，推估出最精確的飛行時間以保證飛行過程的安全。
目前預估氫氣燃料電池無人機可飛行時間的實務作法，通常是考慮無人機重量、飛行速度、風力狀況、氫氣瓶壓力與容量等條件，依過去使用經驗評估可飛行時間。然而，這種作法並未考慮未經反應而排出的氫氣消耗量，僅以發電反應的氫氣消耗為主。因此，現有作法無法精準地估算可飛行時間。往往需要準備更多備用燃料，以降低飛行風險。
有鑑於此，本案提出一種氫氣燃料電池無人機的飛行時間估算方法及其系統，在無人機飛行過程中，可以更精確掌握飛行剩餘時間，降低無人機的飛行風險。
依據本發明一實施例的一種氫氣燃料電池無人機飛行時間估算方法，包含以處理器執行下列步驟：從設置於氣瓶的壓力感測器取得氣瓶的內部壓力，依據內部壓力及氣瓶的容量計算剩餘氫氣量，取得燃料電池的反應電流值，依據反應電流值、燃料電池的膜電極組串聯數量及法拉第常數計算第一氫氣消耗率，取得燃料電池的陽極的排氣操作的第二氫氣消耗率，取得燃料電池的電堆的氫氣洩漏率，以及依據剩餘氫氣量、第一氫氣消耗率、第二氫氣消耗率及氫氣洩漏率計算可飛行時間。
依據本發明一實施例的一種可估算飛行時間的氫氣燃料電池系統，包括氣瓶、壓力感測器、燃料電池電堆、控制電路及處理器。氣瓶用於儲存氫氣。壓力感測器設置於氣瓶，並用於取得氣瓶的內部壓力。燃料電池電堆連接該氣瓶以取得氫氣進行發電反應。燃料電池電堆 具有陽極執行排氣操作。控制電路電性連接燃料電池電堆。控制電路用於取得發電反應的的反應電流值。處理器電性連接壓力感測器及控制電路。處理器用於依據內部壓力及氣瓶的容量計算剩餘氫氣量，依據反應電流值、燃料電池電堆的膜電極組串聯數量及法拉第常數計算第一氫氣消耗率，依據剩餘氫氣量、第一氫氣消耗率、關聯於排氣操作的第二氫氣消耗率及燃料電池電堆的氫氣洩漏率計算可飛行時間。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
1:氣瓶
2:燃料電池電堆
21:膜電極組及流道板
22:陽極進氣口
23:陽極出氣口
g:接觸面
3:控制電路
4:處理電路
51,52,53:閥
61,62,63:壓力感測器
S1~S9,S11,S12,S31,S32,S71~S75:步驟
圖1係依據本發明一實施例所繪示的一種可估算飛行時間的氫氣燃料電池系統的架構示意圖；圖2係依據本發明一實施例所繪示的燃料電池電堆的示意圖；圖3依據本發明一實施例的氫氣燃料電池無人機飛行時間估算方法的流程圖；圖4是圖3中步驟的一實施例的細部流程圖；圖5是圖3中步驟的一實施例的細部流程圖；圖6是圖3中步驟的一實施例的細部流程圖；以及圖7是關係函數的一實施例的示意圖。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請參考圖1。圖1係依據本發明一實施例所繪示的一種可估算飛行時間的氫氣燃料電池系統的架構示意圖。如圖1所示，可估算飛行時間的氫氣燃料電池系統包括：氣瓶1、燃料電池電堆2、控制電路3、處理器4，多個閥51、52、53及多個壓力感測器61、62、63。
氣瓶1用於儲存氫氣。氣瓶1透過管線連接至燃料電池電堆2以提供氫氣。管線上包括閥51及閥52，其中閥51及閥52各自連接壓力感測器61及壓力感測器62。壓力感測器61用於取得氣瓶1的內部壓力，壓力感測器62用於取得燃料電池電堆2的氫氣入口的閥52的壓力。
燃料電池電堆2透過管線及其末端的閥52連接氣瓶1，藉此取得氫氣進行發電反應。請參考圖2。圖2係依據本發明一實施例所繪示的燃料電池電堆2的示意圖。燃料電池電堆2包括：陽極進氣口22、陽極出氣口23以及構成電堆的多個膜電極組(membrane electrode assembly,MEA)，MEA及流道板標示如圖2中的標號21。實務上，漏氣現象可能發生在相鄰MEA與流道板接觸面g或MEA陰陽極分隔薄膜破損處。
燃料電池電堆2的陽極進氣口22可透過閥53執行排氣(purge)操作。例如：在氫氣燃料電池電堆2運作時，需5至60秒執行 一次陽極purge程序，每次約花費0.1至0.2秒的時間，藉此將陽極的積水推出。由於purge程序是藉由氣壓差將陽極積水推出，執行次數相當頻繁，因此，在評估無人機可飛行時間時，除了燃料電池電堆2的反應消耗量，更需要將陽極氫氣purge量納入計算當中。在一實施例中，可透過purge次數估算氫氣排出率。
如圖1所示，控制電路3電性連接燃料電池電堆2以取得發電反應的反應電流值。處理器4電性連接所有的壓力感測器61、62、63以及控制電路3。處理器4用於依據內部壓力及氣瓶的容量計算剩餘氫氣量，依據反應電流值、燃料電池電堆2的膜電極組串聯數量及法拉第常數計算第一氫氣消耗率，依據剩餘氫氣量、第一氫氣消耗率、關聯於排氣操作的第二氫氣消耗率及燃料電池電堆1的氫氣洩漏率計算可飛行時間。以下配合本發明一實施例的氫氣燃料電池無人機飛行時間估算方法說明處理器4的計算方式。在一實施例中，壓力感測器62及63可擇一安裝。
請參考圖3。圖3是依據本發明一實施例的氫氣燃料電池無人機飛行時間估算方法的流程圖，包括步驟S1、S3、S5、S7及S9。
在步驟S1中，處理器4計算氣瓶剩餘氫氣量。請參考圖4。圖4是圖3中步驟S1的細部流程圖，包括步驟S11及S12。在步驟S11中，處理器4從設置於氣瓶1的壓力感測器61取得氣瓶1的內部壓力。在步驟S12中，處理器4可依據內部壓力、氣瓶的容量、理想氣體方程式及氣體壓縮率計算剩餘氫氣量。
在步驟S3中，處理器4計算電堆反應氫氣消耗率，這是燃料電池電堆2主要消耗氫氣的部分。請參考圖5。圖5是圖3中步驟S3的細部流程圖，包括步驟S31及步驟S32。在步驟S31中，處理器4從控制電路3取得燃料電池的反應電流值。在步驟S32中，處理器4依據反應電流值、燃料電池的膜電極組串聯數量及法拉第常數計算電堆反應氫氣消耗率。在一實施例中，處理器4採用下方式一實現步驟S32：電堆反應氫氣消耗率=(S×I)/(2×F) (式一)
其中電堆反應氫氣消耗率可換算為單位為「公升/分鐘」的Hi，S代表膜電極組串聯數量，I代表反應電流值，F代表法拉第常數96485 C/mol。
在步驟S5中，取得陽極排氣操作的消耗率。在一實施例中，可在無人機起飛前透過實驗方式，測得此消耗率。例如設置與電堆操作進氣流量壓力條件一致的密閉腔體連接進出口閥，設定相同的排氣頻率，累計排氣執行50~100次後，計算重量差或氣壓差，再換算每次執行排氣之平均排出氣量。
在步驟S7中，處理器4取得燃料電池電堆2的氫氣洩漏率。步驟S7可以在燃料電池電堆2未被用來發電時執行，無論是無人機飛行前或是飛行過程中。請參考圖6。圖6是圖3中步驟S7的一實施例的細部流程圖，包括步驟S71至S75。
在步驟S71中，控制電路3關閉燃料電池電堆2的閥52。當閥52被關閉時，處理器4記錄開始時間。在一實施例中，步驟S74執行的前提為電堆2已經進氣達工作壓力，且閥53關閉。
在步驟S72中，處理器4週期性地從設置於陽極燃料出口或入口的壓力感測器62或63取得壓力值。在步驟S73中，當處理器4取得的壓力值為零時，處理器4記錄結束時間。在步驟S74中，處理器4依據開始時間及結束時間計算時間間隔。
在步驟S75中，處理器依據時間間隔及關係函數計算電堆的氫氣洩漏率。請參考圖7。圖7是關係函數的一實施例的示意圖。如圖7所示，處理器4依據步驟S74計算出的時間間隔值對應至圖7的橫軸，然後再從圖7的縱軸獲得氫氣洩漏率。在一實施例中，關係函數可透過多次實驗歸納出圖7所示的曲線。所述實驗例如：設置氣瓶1連接電堆2，關閉陽極出氣口23，開啟陽極進氣口22，維持一段時間(如3~10分鐘)，再量測氣瓶重量差或氣壓差以換算電堆2的漏氣率。透過累積不同漏氣率的電堆數據與步驟S74方法得出之時間，可歸納出圖7。
請回顧圖3。在步驟S9中，處理器4依據剩餘氫氣量、電堆氫氣消耗率、陽極排氣操作的氫氣消耗率及氫氣洩漏率計算可飛行時間。在一實施例中，處理器4採用下方式二實現步驟S9：t=Htank/(Hi+c1×HP+c2×HL) (式二)
其中t為可飛行時間、Htank為Htank、Hi為電堆氫氣消耗率、HP陽極排氣操作的氫氣消耗率、HL為氫氣洩漏率、c1及c2為修正常數，可依電堆溫度、環境溫度或陽極氫氣壓力等條件進行調整。
下方表格一整理前文的式一及式二所提到的代號及其意義及其單位。
表格一，單位列表。
Figure 111145957-A0305-02-0010-1
綜上所述，本發明提出的可估算飛行時間的氫氣燃料電池系統以及氫氣燃料電池無人機飛行時間估算方法，可以被運用於氫氣燃料電池無人機長航程飛行任務規劃、任務飛行中實時監測。本發明將氫氣消耗細分為反應消耗及非反應消耗，而且將燃料電池反應消耗量、陽極氫氣purge量以及電堆漏氣量三者一併考慮，可區分個別電堆的氫氣消耗狀況。本發明透過精確計算氫氣消耗量，讓使用者能夠更準確預估無人機可飛行時間，提升任務安全度。在實際應用中，採用本發明計算出的可飛行時間，相較於採用傳統方式(僅估算電堆反應消耗的氫氣)計算出的可飛行時間，差異可達到32.6%。這是因為當非反應消耗的氫氣量增加時，所估算出的飛行時間誤差也會增加，因此在無人機飛行過程中以燃料電池系統反應消耗及非反應消耗的氫氣量去估算剩餘可飛行時間會是最精確的，即本發明所採用的方式。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬 本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
S1~S9:步驟

Claims (6)

  1. 一種氫氣燃料電池無人機飛行時間估算方法，包含以處理器執行： 從設置於氣瓶的壓力感測器取得該氣瓶的內部壓力； 依據該內部壓力及該氣瓶的容量計算剩餘氫氣量； 取得該燃料電池的反應電流值； 依據該反應電流值、該燃料電池的膜電極組串聯數量及法拉第常數計算第一氫氣消耗率； 取得該燃料電池的陽極的排氣操作的第二氫氣消耗率； 取得該燃料電池的電堆的氫氣洩漏率；以及 依據該剩餘氫氣量、該第一氫氣消耗率、該第二氫氣消耗率及該氫氣洩漏率計算一可飛行時間。
  2. 如請求項1所述氫氣燃料電池無人機飛行時間估算方法，更包括：以控制電路關閉該電堆的氫氣入口閥，其中取得該燃料電池的電堆的該氫氣洩漏率包括： 當該氫氣入口閥被關閉時，以該處理器記錄一開始時間； 以該處理器週期性地從設置於該陽極的另一壓力感測器取得壓力值； 當該壓力值為零時，以該處理器記錄一結束時間； 以該處理器依據該開始時間及該結束時間計算一時間間隔；以及 以該處理器依據該時間間隔及一關係函數計算該電堆的該氫氣洩漏率。
  3. 如請求項1所述氫氣燃料電池無人機飛行時間估算方法，其中依據該剩餘氫氣量、該第一氫氣消耗率、該第二氫氣消耗率及該氫氣洩漏率計算該可飛行時間係依據下式： t = H tank/ (H i+c 1×H P+ c 2×H L)； 其中t為該可飛行時間、H tank為該剩餘氫氣量、H i為該第一氫氣消耗率、H P為該第二氫氣消耗率、H L為該氫氣洩漏率、c 1及c 2為修正常數。
  4. 一種可估算飛行時間的氫氣燃料電池系統，包括： 氣瓶，用於儲存氫氣； 壓力感測器，設置於該氣瓶並用於取得該氣瓶的內部壓力； 燃料電池電堆，連接該氣瓶以取得該氫氣進行發電反應，且具有一陽極執行排氣操作； 控制電路，電性連接燃料電池電堆，且用於取得該發電反應的反應電流值；以及 處理器，電性連接該壓力感測器及該控制電路，該處理器用於： 依據該內部壓力及該氣瓶的容量計算剩餘氫氣量； 依據該反應電流值、該燃料電池電堆的膜電極組串聯數量及法拉第常數計算第一氫氣消耗率；及 依據該剩餘氫氣量、該第一氫氣消耗率、關聯於該排氣操作的該第二氫氣消耗率及該燃料電池電堆的氫氣洩漏率計算一可飛行時間。
  5. 如請求項4所述可估算飛行時間的氫氣燃料電池系統，其中 該控制電路更用於關閉該燃料電池電堆的氫氣入口閥；以及 該處理器更用於： 記錄該氫氣入口閥被關閉時的開始時間； 從設置於該陽極的另一壓力感測器取得壓力值，且當該壓力值為零時記錄一結束時間； 依據該開始時間及該結束時間計算一時間間隔；及 依據該時間間隔及一關係函數計算該燃料電池電堆的該氫氣洩漏率。
  6. 如請求項4所述可估算飛行時間的氫氣燃料電池系統，其中該處理器依據該剩餘氫氣量、該第一氫氣消耗率、該第二氫氣消耗率及該氫氣洩漏率計算該可飛行時間係依據下式： t = H tank/ (H i+c 1×H P+ c 2×H L)； 其中t為該可飛行時間、H tank為該剩餘氫氣量、H i為該第一氫氣消耗率、H P為該第二氫氣消耗率、H L為該氫氣洩漏率、c 1及c 2為修正常數。
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