[發明專利]一種固定翼無人機空冷型燃料電池雙堆集成動力系統

有效

• 申請號: 202110449470.6
• 申請日: 2021-04-25
• 公開（公告）號: CN113193209B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 殷聰;湯浩;曹繼申;王仁康;宋亞婷
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01M8/0263
• 分類號: H01M8/0263;H01M8/0267;H01M8/04014;H01M8/2457;B64D27/24;B64D33/10
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

本發明提供了一種固定翼無人機空冷型燃料電池雙堆集成動力系統，屬于燃料電池領域，包括機身、動力電機、高壓儲氫罐、機翼、兩個對稱設置于機身中部或機翼上的空冷型燃料電池電堆、及兩個與空冷型燃料電池電堆對應的散熱系統；電堆的空氣流道為并行波浪型流道；電堆設置于機身中部時，散熱系統還包括冷卻風扇；電堆設置于機翼上時，動力系統適用于機翼上裝有輔助螺旋槳的無人機，散熱系統還包括機翼前置導流罩；在無人機啟動或低速飛行，中速飛行，及高速飛行時，分別通過不同散熱方式控制電堆反應溫度處于理想溫度區間。本發明還提出雙堆系統運行時的一致性保障控制方案，在保證總體電功率需求的同時提高電堆性能一致性。

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，具體涉及一種固定翼無人機空冷型燃料電池雙堆集成動力系統。

背景技術

燃料電池是一種環境友好、高效、長壽命的發電裝置。以質子交換膜燃料電池(PEMFC)為例，燃料氣體從陽極側進入，氫原子在陽極失去電子變成質子，質子穿過質子交換膜到達陰極，電子同時經由外部回路也到達陰極，陰極處的質子、電子與氧氣結合生成水。燃料電池采用非燃燒的方式將化學能轉化為電能，由于不受卡諾循環的限制其直接發電效率可高達45％。以電池堆為核心發電裝置，燃料電池系統集成了電源管理、熱管理等模塊，具有熱、電、水、氣統籌管理的特征。燃料電池系統產品從固定式電站到移動式電源，從電動汽車到航天飛船，從軍用裝備到民用產品，均有著廣泛的應用空間。

空冷燃料電池的陽極燃料為氫氣，陰極反應物為空氣，空氣同時還作為冷卻介質，因此空冷燃料電池的系統結構簡潔，在備用電源、小型便攜式電源以及小型動力電源等領域具有廣泛的應用前景。尤其在工業無人機領域，空冷燃料電池能夠大幅提升無人機續航時間至4小時以上。

在現有的固定翼無人機中，如中國專利CN107176301A公開的固定翼燃料電池植保無人機，一般將空冷燃料電池發電模塊布置于密閉機艙內部，由于密閉機艙內空氣容量有限，電堆不易散熱，堆內反應溫度升高，陰極側相對濕度降低，導致質子交換膜內水含量降低，增加膜內阻，降低電堆電壓，造成更高的能量損失與反應余熱，形成正反饋，最終電堆輸出電壓降低至安全閾值，導致系統關機；此外，電堆散熱需要額外提供風扇輔助用電，降低發電模塊總體系統效率。

現有技術中也有將空冷燃料電池電堆布置于螺旋槳后方，如中國專利CN107200119A公開的燃料電池無人機，中國專利CN205900703U公開的一種用于無人機燃料電池的散熱結構，通過螺旋槳為無人機提供動力時的空氣流動，實現電堆被動散熱，但該方式無法主動控制電堆承接風量，可能在無人機正常航行時造成風量過高，降低電堆內部相對濕度，造成膜電極過度干燥，增加膜內阻，降低電堆電壓與發電效率；此外，電堆位于動力螺旋槳的正后方，容易造成過高的空氣阻力，降低螺旋槳推力，造成動力浪費，降低動力系統能量效率。

此外，固定翼無人機上的多電堆集成存在無人機重力平衡、連接方式以及性能一致性等技術問題。因此在無人機多電堆方案設計中需要考慮電堆擺放位置對無人機系統重力平衡的影響，同時，解決串并聯供電方式及反應物供應方式對電堆輸出性能，使用壽命及運行過程中性能衰減的影響。

發明內容

針對上述現有技術中存在的電堆散熱不佳、動力系統效率低的問題，本發明提出了一種固定翼無人機空冷型燃料電池雙堆集成動力系統，保證無人機重量平衡的同時提升電堆性能一致性，且提高燃料電池系統發電效率與無人機續航能力。

本發明具體技術方案如下：

一種固定翼無人機空冷型燃料電池雙堆集成動力系統，包括機身、位于機身前部的動力電機、位于機身后部的高壓儲氫罐和位于機身兩側的機翼；其特征在于，所述動力系統還包括兩個對稱設置于機身中部或機翼上的空冷型燃料電池電堆，及兩個與空冷型燃料電池電堆對應的散熱系統；兩個空冷型燃料電池電堆的直流輸出端并聯或串聯，氫氣管路并聯。