[發(fā)明專利]一種無人機用燃料電池反應(yīng)水管理系統(tǒng)

在審

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• 申請日: 2016-09-05
• 公開（公告）號: CN107799789A
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡曉晶;賴平化;張浙閩
• 申請（專利權(quán)）人: 北京晟澤科技有限公司
• 主分類號: H01M8/04119
• 分類號: H01M8/04119;H01M8/065
• 代理公司: 北京知舟專利事務(wù)所(普通合伙)11550
• 代理人: 郭韞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航空航天器燃料電池及新能源領(lǐng)域，具體涉及一種無人機用燃料電池反應(yīng)水管理系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著無人機應(yīng)用需求的不斷高漲，無人機產(chǎn)業(yè)迅速興盛起來。然而，無人機續(xù)航問題深深困擾了眾多的無人機從業(yè)者。燃料電池因其能量轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、比功率高、零排放等優(yōu)點成為無人機續(xù)航問題的有效解決方案。燃料電池在工作運行時，在陰極上，參與反應(yīng)的氧氣會在陰極被還原從而生成反應(yīng)水。燃料電池的正常運行離不開對這部分水的合理管理。同時，在燃料電池系統(tǒng)中，電堆濕度的保持、特殊供氫系統(tǒng)如NaBH₄供氫系統(tǒng)都需要水。與固定的燃料電池系統(tǒng)相比，為移動設(shè)備無人機供電時，很多時候無法補充相關(guān)系統(tǒng)中所需要的水。若是為燃料電池系統(tǒng)提供額外的水，勢必引起系統(tǒng)的質(zhì)量增大，復(fù)雜性增高，從而降低了燃料電池系統(tǒng)的比功率以及其在無人機上的適用性。

現(xiàn)有的反應(yīng)水管理技術(shù)大多以維持電堆工作濕度為主要關(guān)注點，如通過結(jié)構(gòu)設(shè)計將電極反應(yīng)出口的水回收對電堆進(jìn)行加濕，如專利99808766.1中的方案對電堆濕度進(jìn)行了有效的控制，保證電堆的正常工作；但是這種方案的回收系統(tǒng)復(fù)雜，也未考慮燃料電池系統(tǒng)其他部分特別是NaBH₄供氫系統(tǒng)的水需求，不能夠滿足燃料電池在無人機應(yīng)用的實際需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題，提供一種無人機用燃料電池反應(yīng)水管理系統(tǒng),系統(tǒng)構(gòu)成簡單，對燃料電池反應(yīng)水進(jìn)行有效的回收利用，并在與NaBH₄供氫系統(tǒng)聯(lián)用時，能夠減輕系統(tǒng)重量，增大燃料電池系統(tǒng)的能量密度，同時維持電堆高效的運行性能，提高其在無人機上的適用性。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種無人機用燃料電池反應(yīng)水管理系統(tǒng),其一端與燃料電池電堆連接，另一端與燃料供應(yīng)系統(tǒng)中的儲水罐連接，所述無人機用燃料電池反應(yīng)水管理系統(tǒng)包括冷凝裝置和氣液分離器；

所述冷凝裝置的入口端與燃料電池電堆的陰極尾氣出口連接，將由陰極尾氣帶出的水蒸氣冷凝成水；

所述冷凝裝置的出口端通過管道與氣液分離器的入口相連接；

所述氣液分離器有兩個出口端，分別為氣體出口端和液體出口端；

所述氣液分離器的液體出口端與儲水罐的入口連接；

燃料電池電堆的陰極反應(yīng)生成的水一部分用于潤濕質(zhì)子交換膜，一部分隨尾氣排出燃料電池電堆，被該無人機用燃料電池反應(yīng)水管理系統(tǒng)回收利用。

所述冷凝裝置與燃料電池電堆的陰極尾氣出口通過一個單向閥進(jìn)行連接，保證水汽只能從燃料電池電堆流向冷凝裝置。

所述氣液分離器采用超濾分離，在氣液分離器內(nèi)設(shè)置有憎水透氣膜。

所述冷凝裝置采用微型通道平行流式冷凝器，其冷卻介質(zhì)為環(huán)境空氣，微型通道采用輕質(zhì)高導(dǎo)熱材料。

所述系統(tǒng)包括二位三通閥，所述二位三通閥的第一個接口與氣液分離器的氣體出口端連接，第二個接口與尾氣排放管連接，第三個接口與冷凝裝置的入口端連接。

在所述氣液分離器的氣體出口端設(shè)置有濕度傳感器，收集尾氣濕度信息。

所述二位三通閥中對應(yīng)尾氣排放管的閥門常開，對應(yīng)冷凝裝置的入口端的閥門常閉；當(dāng)濕度傳感器顯示尾氣濕度超過設(shè)定值時，關(guān)閉對應(yīng)尾氣排放管的閥門，開啟對應(yīng)冷凝裝置的入口端的閥門；當(dāng)濕度傳感器顯示尾氣濕度低于設(shè)定值，兩個閥門狀態(tài)回歸常態(tài)。

所述燃料供應(yīng)系統(tǒng)為固態(tài)NaBH₄供氫系統(tǒng)，包括儲水罐、微型計量泵、反應(yīng)器；

所述儲水罐的出口與微型計量泵的入口連接，微型計量泵的出口與反應(yīng)器的入口連接，在反應(yīng)器內(nèi)裝有固態(tài)NaBH₄和催化劑混合粉末；

所述氣液分離器布置在儲水罐的上方。

在所述燃料電池電堆的陽極廢氫出口端設(shè)置有陽極沖刷電磁閥，陽極沖刷電磁閥每隔15秒開啟一次，利用陽極氣壓產(chǎn)生的氣流將多余的水分吹出燃料電池電堆，防止陽極水淹。

所述燃料電池電堆為自增濕輕型電堆，采用空冷型或是液冷型封閉式電堆。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明對無人機上使用的燃料電池系統(tǒng)反應(yīng)產(chǎn)生水提供了有效的管理；結(jié)合無人機的應(yīng)用環(huán)境和相應(yīng)供氫系統(tǒng)的使用特點，簡化了反應(yīng)水回收系統(tǒng)，有效地利用了電堆反應(yīng)生成的水。特別地，本發(fā)明根據(jù)固態(tài)NaBH₄供氫系統(tǒng)的特點，將反應(yīng)水回收利用，不僅有效地進(jìn)行了水管理，還通過反應(yīng)水的回收利用減輕了供氫系統(tǒng)重量，簡化供氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得整體燃料電池系統(tǒng)的質(zhì)量減輕。

附圖說明