[發(fā)明專利]燃料電池?zé)o人機

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610149836.7
• 申請日: 2016-03-16
• 公開（公告）號: CN107200120A
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林琦;胡哲;劉澍;何一凡
• 申請（專利權(quán)）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(biāo)事務(wù)所有限公司31100
• 代理人: 江漪

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池?zé)o人機領(lǐng)域，特別是涉及一種結(jié)構(gòu)簡單、輕量化、多旋翼、具有長續(xù)駛里程的燃料電池?zé)o人機以及控制燃料電池?zé)o人機飛行的方法。

背景技術(shù)

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(shè)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(tǒng)稱，從技術(shù)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(shè)備。地面、艦艇上或母機遙控站人員通過雷達等設(shè)備，對其進行跟蹤、定位、遙控、遙測和數(shù)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(yōu)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(xù)航里程一直是其設(shè)計發(fā)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(fù)雜地形，因此無法完成專業(yè)復(fù)雜的飛行任務(wù)。

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(gòu)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(jīng)由催化劑的作用，使得陽極的氫分子分解成兩個質(zhì)子與兩個電子，其中質(zhì)子被氧吸引到薄膜的另一邊，電子則經(jīng)由外電路形成電流后，到達陰極。在陰極催化劑之作用下，質(zhì)子、氧及電子，發(fā)生反應(yīng)形成水分子。因此，燃料電池系統(tǒng)具有能量密度高、低噪音和零排放等優(yōu)點，近年來被應(yīng)用于無人機領(lǐng)域，從而使得無人機的續(xù)駛里程有長足的提升，并能實現(xiàn)運行過程中碳的零排放。

例如，研發(fā)制造無人機系統(tǒng)的以色列宇航工業(yè)公司(IAI)和英國氫能源先進新材料企業(yè)Cella Energy公司嘗試利用Cella公司的固氫燃料系統(tǒng)技術(shù)為IAI旗下的一款“鳥眼”微型無人機研發(fā)出一種燃料電池供能系統(tǒng)。Cella公司將氫能技術(shù)取代了現(xiàn)有的鋰聚合物電池，將其用作微型無人機系統(tǒng)的能量來源。Cella研發(fā)的儲氫材料在加熱至0攝氏度以上時會在數(shù)分鐘內(nèi)釋放。每克材料的安全容量相當(dāng)于約一升的氣態(tài)氫。這款“鳥眼”無人機通過燃料電池搭載測試使續(xù)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(tài)下飛行四小時之久，續(xù)航力是目前同級機種的八到十倍，攜帶1kg的飛行載荷實現(xiàn)2.5小時的飛行時間。

然而，為了進一步增加續(xù)航里程，從飛行器設(shè)計的角度講，降低整個無人機的結(jié)構(gòu)重量是始終追求的目標(biāo)。因此，行業(yè)內(nèi)仍然存在對于燃料電池?zé)o人機的重量降低的需求。

發(fā)明內(nèi)容

目前市場上已有的燃料電池?zé)o人機存在多個問題。首先，此類無人機的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，尤其是額外需要氫瓶儲存燃料，并且需要風(fēng)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(shè)備的存在與使用都與燃料電池堆的輕量化設(shè)計以及具有較高的集成度的設(shè)計方向相悖。其次，燃料電池系統(tǒng)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(shù)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(fā)明通過合理的設(shè)計在燃料電池?zé)o人機中安裝能夠向無人機提供升力的可充脹的儲氫構(gòu)件，由此一方面可以降低燃料電池?zé)o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(tǒng)，從而降低燃料電池系統(tǒng)的成本，同時增加續(xù)航里程。

更進一步，充脹構(gòu)件通常所具有的較大體積在燃料電池?zé)o人機的飛行過程中可能會受到空中氣流的影響而產(chǎn)生擺動，因此，存在影響整機穩(wěn)定性的風(fēng)險。 為此，也需要對旋翼進行相應(yīng)調(diào)節(jié)、進行相應(yīng)補償以實時地抵消由于充脹構(gòu)件所帶來的不利影響或不穩(wěn)定因素。

為此，本發(fā)明通過如下一種燃料電池?zé)o人機來實現(xiàn)上述目的，該燃料電池?zé)o人機包括燃料電池系統(tǒng)、機架、飛行提升構(gòu)件和控制機構(gòu)，其中，燃料電池系統(tǒng)與供給氫氣的氫氣源相連通并為所述燃料電池?zé)o人機提供動力，以經(jīng)由所述控制機構(gòu)使飛行提升構(gòu)件旋轉(zhuǎn)從而進行飛行，其中，該燃料電池?zé)o人機還包括至少一個可充脹的儲氫構(gòu)件，所述可充脹的儲氫構(gòu)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(gòu)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(gòu)件內(nèi)的氫氣被供給到燃料電池系統(tǒng)來消耗，以使其收縮。