[發明專利]燃料電池無人機

在審

• 申請號: 201610149836.7
• 申請日: 2016-03-16
• 公開（公告）號: CN107200120A
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發明（設計）人: 林琦;胡哲;劉澍;何一凡
• 申請（專利權）人: 上海重塑能源科技有限公司
• 主分類號: B64C27/08
• 分類號: B64C27/08;B64D37/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司31100
• 代理人: 江漪

技術領域

本發明涉及燃料電池無人機領域，特別是涉及一種結構簡單、輕量化、多旋翼、具有長續駛里程的燃料電池無人機以及控制燃料電池無人機飛行的方法。

背景技術

無人機、即無人駕駛飛機(Unmanned aerial vehicle，縮寫UAV)是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。無人機實際上是無人駕駛飛行器的統稱，從技術角度定義可以分為：無人直升機、無人固定翼機、無人多旋翼飛行器、無人飛艇和無人傘翼機等。無人機的特點是機上無駕駛艙，但安裝有自動駕駛儀、程序控制裝置等設備。地面、艦艇上或母機遙控站人員通過雷達等設備，對其進行跟蹤、定位、遙控、遙測和數字傳輸。

在無人機的各種類型中，多旋翼式無人機由于其操控簡單、可靠性高等優點已逐步成為微小型無人機或航模的主流類型。但是，多旋翼無人機的續航里程一直是其設計發展的軟肋。例如，以鋰電池為動力的多旋翼無人機的普遍航時不足半小時，因而不能有效進行超視距飛行，尤其難以克服山地、水域等復雜地形，因此無法完成專業復雜的飛行任務。

目前，已知采用燃料電池來作為無人機的動力源之一。一般來說，燃料電池包含陰陽兩個電極，兩個電極間則為具有滲透性的薄膜所構成。氫氣由燃料電池的陽極進入，氧氣(或空氣)則由陰極進入燃料電池。經由催化劑的作用，使得陽極的氫分子分解成兩個質子與兩個電子，其中質子被氧吸引到薄膜的另一邊，電子則經由外電路形成電流后，到達陰極。在陰極催化劑之作用下，質子、氧及電子，發生反應形成水分子。因此，燃料電池系統具有能量密度高、低噪音和零排放等優點，近年來被應用于無人機領域，從而使得無人機的續駛里程有長足的提升，并能實現運行過程中碳的零排放。

例如，研發制造無人機系統的以色列宇航工業公司(IAI)和英國氫能源先進新材料企業Cella Energy公司嘗試利用Cella公司的固氫燃料系統技術為IAI旗下的一款“鳥眼”微型無人機研發出一種燃料電池供能系統。Cella公司將氫能技術取代了現有的鋰聚合物電池，將其用作微型無人機系統的能量來源。Cella研發的儲氫材料在加熱至0攝氏度以上時會在數分鐘內釋放。每克材料的安全容量相當于約一升的氣態氫。這款“鳥眼”無人機通過燃料電池搭載測試使續航能力從2小時提升至6小時。

又例如，市場上目前還存在由Horizon Unmanned Systems公司打造的Hycopter無人機凈重約5kg，其采用鋰電池與燃料電池作為混合動力。Hycopter無人機在無負重的狀態下飛行四小時之久，續航力是目前同級機種的八到十倍，攜帶1kg的飛行載荷實現2.5小時的飛行時間。

然而，為了進一步增加續航里程，從飛行器設計的角度講，降低整個無人機的結構重量是始終追求的目標。因此，行業內仍然存在對于燃料電池無人機的重量降低的需求。

發明內容

目前市場上已有的燃料電池無人機存在多個問題。首先，此類無人機的結構較為復雜，尤其是額外需要氫瓶儲存燃料，并且需要風扇來對燃料電池進行散熱和為燃料電池供給空氣。這些輔助設備的存在與使用都與燃料電池堆的輕量化設計以及具有較高的集成度的設計方向相悖。其次，燃料電池系統的整體成本較高，其中，氫瓶不但重量大而且價格也一直居高不下。另外，與其配套使用的減壓閥技術難度高且僅能通過進口方式購買，因此成本十分高昂。

為了解決上述問題，本發明通過合理的設計在燃料電池無人機中安裝能夠向無人機提供升力的可充脹的儲氫構件，由此一方面可以降低燃料電池無人機在起飛階段和巡航階段對燃料電池功率的需求，另一方面也能儲存氫氣，減輕氫瓶的重量，以此減小燃料電池的功率和儲氫系統，從而降低燃料電池系統的成本，同時增加續航里程。

更進一步，充脹構件通常所具有的較大體積在燃料電池無人機的飛行過程中可能會受到空中氣流的影響而產生擺動，因此，存在影響整機穩定性的風險。 為此，也需要對旋翼進行相應調節、進行相應補償以實時地抵消由于充脹構件所帶來的不利影響或不穩定因素。

為此，本發明通過如下一種燃料電池無人機來實現上述目的，該燃料電池無人機包括燃料電池系統、機架、飛行提升構件和控制機構，其中，燃料電池系統與供給氫氣的氫氣源相連通并為所述燃料電池無人機提供動力，以經由所述控制機構使飛行提升構件旋轉從而進行飛行，其中，該燃料電池無人機還包括至少一個可充脹的儲氫構件，所述可充脹的儲氫構件也與所述氫氣源相連通，在需要增加升力時，所述氫氣源向所述可充脹的儲氫構件供給氫氣，以使其充脹，在需要減少升力時，所述可充脹的儲氫構件內的氫氣被供給到燃料電池系統來消耗，以使其收縮。