一种具有阴极开放式空冷燃料电池动力系统的多旋翼无人机

技术领域

本发明涉及一种具有阴极开放式空冷燃料电池动力系统的多旋翼无人机。

背景技术

氢燃料电池可以将氢气经过氧化还原反应与氧气结合生成水，同时产生较高热量和电流的能量转换装置，具有功率密度大、清洁、零排、安静和长续航的特点，是未来清洁能源发展的重要研究和产业化方向，目前已经广泛应用在交通、储能发电领域。

开放式阴极燃料电池省略了燃料电池的阴极侧氧气的加湿、加压系统，同时也减去了原有的循环水散热系统，简化装置结构，直接通过配套的高速风扇来为燃料电池堆提供反应空气，带着多余热量，所以它的结构简单、系统自身消耗低、体积较小，广泛应用在小型便携式电源、电单车、无人机和部分小型汽车中。例如中国专利CN305503935S《无人机燃料电池动力装置》中，提供了一种无人机燃料电池动力装置，采用的是阴极开放式空冷燃料电池，并且将燃料电池动力系统集成到一个整体包中，安装在多旋翼无人机的中央支架中。中国专利CN206516708U《用于无人机燃料电池的燃料系统》中描述了一种氢气储存系统和燃料电池系统分离安装在多旋翼无人机中部支架上，提高了氢气瓶容量，方便了气瓶的更换，同时也提高了无人机的续航。

但是，这种方法将燃料电池集中在无人机的中部，增加了整体的重量，降低了无人机的有效负载，如果将电源分布在每个多旋翼的下方，可以有效分散燃料电池重量，为无人机的中部腾出更多有效空间用以运输和安装氢气瓶，从而提高无人机的续航能力。另外，上述的中置空冷燃料电池的方法，系统过于集合，空间压缩，对于燃料电池堆的散热是很大的挑战，会直接影响燃料电池的性能，从而影响无人机的稳定性和续航。

另外，近期中国专利CN113682459A《一种无人机》中，吸取了动力模块集中在中部问题，将燃料电池组件分散在外侧，燃料电池气瓶分布在机翼上，这增加了对机身支撑强度的要求，影响无人机的续航和操控稳定性。所以，在动力模块分散布置上，应当考虑到实际的使用效果，合理的设计无人机的系统空间结构布置，从而真正发挥出氢能燃料电池无人机长续航、快响应和高稳定性的特点。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种具有阴极开放式空冷燃料电池动力系统的多旋翼无人机，以解决现有技术开放式阴极燃料电池无人机以中置燃料电池方式带来的风道狭窄、气流分布不均、散热不均和流速低的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种具有阴极开放式空冷燃料电池动力系统的多旋翼无人机，系统包括了储氢系统、阴极开放式空冷燃料电池系统、蓄电池系统、智能控制系统和动力系统和无人机机身。

所述的储氢系统由储氢罐、氢气压力传感器、氢气输入电磁阀、氢气输出电磁阀和氢气传输管。储氢罐通过瓶口的螺纹结构固定在无人机的支架上，瓶口安装了压力传感器和氢气输入电磁阀，当储氢罐中氢气消耗完后，可以通过旋转罐体更换。所述的氢气输入电磁阀另一头通过氢气分流转化器和氢气传输软管连接到燃料电池堆中。所述的储氢罐中氢气压力由氢气压力传感器监测并且反馈到智能控制系统中，当燃料电池系统工作时，储氢罐中氢气由氢气传输管路输送到燃料电池电堆中，并且由智能控制系统调节氢气输入输出电磁阀，实现燃料电池中氢气的稳定供应。当储氢罐中氢气消耗完毕时，可以更换储氢罐后继续使用。

所述的阴极开放式空冷燃料电池系统由燃料电池堆、扰流装置和智能散热系统组成，安装在无人机多旋翼电机下方或者在无人机机翼的下方。所述燃料电池堆为圆环形结构，由圆环型的绝缘板、集流板、双极板、MEA和密封圈组成，燃料电池通过螺栓结构实现电堆的紧固和密封。所述燃料电池堆内部风道为圆柱型风道，通过双极板的阴极流道可以与燃料电池外部空气相通。所述的燃料电池堆的一端绝缘板保留了氢气的进出气口、电流输出接口和与无人机、扰流装置固定的接口，并且通过无人机支架圆盘中的镂空结构将管路传输到无人机中部的智能控制系统和氢气罐中。所述的燃料电池扰流装置为圆环型结构，通过螺栓和密封圈装置与燃料电池堆的绝缘板和多旋翼电机之间密封连接，可以提升多旋翼风机旋转产生的气流对燃料电池堆内部流速和散热效果。所述的燃料电池下绝缘板底部为封闭端板或者为轴流式风机或离心式风机，封闭端板适用于低功率燃料电池电堆系统中，对于大功率燃料电池电堆可以在底部额外安装风机，利用风机旋转在燃料电池内部圆型风道中形成负压，将外部空气均匀的吸入燃料电池中，为燃料电池阴极反应提供空气，同时将多余的热量和水排出。所述的智能散热系统是指在燃料电池圆型风道内壁上的热电材料或者金属散热薄鳍片，通过导热胶膜紧贴在燃料电池双极板的截面上，热电材料可以利用电堆和外部空气的温度差发电，同时起到散热效果，金属散热薄鳍片具有良好的热传递效果，同样是一种有效的散热方式。

所述的蓄电池系统为锂电池或者铅酸蓄电池，可以储存燃料电池发电产生的多余电量，同时为燃料电池动力系统启动和失效时提供电量，是燃料电池动力系统能量管理的重要组成部分。所述的蓄电池系统分为两部分互为轴对称安装在无人机中部的控制仓中，可以确保控制仓的重心与无人机的重心同轴，减轻对无人机操作性、运动性的影响。

所述的智能控制系统可以实现燃料电池动力系统各部件的信号采集、监控、处理和输出，保证无人机的稳定、持续工作。所述的各部件的信号采集包括：氢气压力、电堆温度、湿度、电压、电流、电机转速和飞机水平姿态。所述各部件的信号处理方法包括：数字PID算法或者神经网络算法。所述各部件的信号控制方法为脉宽调制(PWM)控制。所述的智能控制系统安装在无人机中部的控制仓内，信号传输线路通过无人机机翼支撑架内部的专用管道连接至各个电堆、旋翼电机和风扇。

所述的动力系统包含电机、桨叶和电子调速器，由燃料电池和蓄电池为电机提供电源，电子调速器根据智能控制系统调节电机转速，电机转动带动桨叶旋转产生升力。所述的动力系统固定在无人机机翼上方，与燃料电池电堆相同圆心，当动力系统的桨叶旋转时，可以为电堆提供向内的气流，提高燃料电池的散热效果，提升发电功率。

本发明的有益效果包括：

1)本发明通过改变燃料电池的结构设计，开发了圆环型内嵌风道的开放式阴极风冷燃料电池系统，将燃料电池与无人机的多旋翼结合，利用旋翼产生的风速来提高电堆的流通和散热，提高电堆发电效率。

2)新增扰流装置，优化了无人机旋翼旋转对燃料电池流速提升、高效散热的效果。

3)保持无人机机翼低负载的同时释放了无人机的中央机身空间，增大了氢气携带空间，提高了无人机的续航能力和飞行稳定性。

4)利用智能控制系统将氢电与蓄电两种发电方式结合，缩短了动力系统的响应时间，提升了系统的稳定性和能量利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为根据本发明的一个实施例的具有模块化阴极开放式空冷燃料电池堆动力系统的多旋翼无人机的立体图。

图2为根据本发明的系统组合示意图。

图3为根据本发明的实施例1的系统组合示意图。

图4为根据本发明的实施例1的燃料电池系统组合示意图。

图5为根据本发明的实施例1的燃料电池扰流支撑柱结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例的技术方案进行详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以A和/或B为例，包括A技术方案、B技术方案，以及A和B同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参照图1－图5，根据本发明的实施例1的具有模块化阴极开放式空冷燃料电池堆动力系统的多旋翼无人机包括：

储氢系统01，其包括：储氢罐07，多个氢气传输管路08和多个氢气控制阀09；

阴极开放式空冷燃料电池系统02，其包括：扰流支撑柱15(包含扰流热刺23)、绝缘板13(上绝缘板13a和下绝缘板13b)、集流板16(上集流板16a和下集流板16b)、膜电极17、密封圈18、双极板19、端板20(上端板20a和下端板20b)、内部风道21和紧固螺栓22；

动力系统03，其包括旋翼10、紧固装置11和动力电机12；

智能控制系统05；

蓄电池系统06；和

无人机机身04。

具体地，所述燃料电池动力系统无人机运行前，需要打开氢气控制阀09将储氢罐07中的氢气释放出，氢气经过氢气传输管路08输入到阴极开放式空冷燃料电池系统02中。氢气和阴极开放式空冷燃料电池系统02的双极板19的空气在膜电极17的作用下反应产生电流，电流驱动动力系统03的动力电机12工作，驱动旋翼10转动，形成了旋转的气流，提升了燃料电池系统02周围的空气流动，在扰流支撑柱15的影响下，更多的气流经过动力电机12和燃料电池02之间的空间流入燃料电池内部，提高了燃料电池内部空气的流量，从而满足燃料电池全功率输出的空气消耗量和散热效果，实现燃料电池的最佳工作状态，完成燃料电池无人机起飞前的预热工作。

燃料电池系统02产生的电流经过电线05传输到蓄电池系统06和智能控制系统05，为控制系统和蓄电池提供电量。在智能控制系统05的调控下，根据燃料电池系统02的温度、湿度、电流和电压状态，调节氢气控制阀09，实现氢气输出的控制，从而实现燃料电池输出功率的控制。另外，在无人机工作过程中，如果出现燃料电池输出功率不足或者失效时，智能控制系统05将调用蓄电池系统06中的电量驱动多旋翼电机旋转，确保动力系统的持续性、稳定性和安全性。

总体来讲，根据不同的负载情况，无人机的智能控制系统05可以根据电堆的电压、温度、蓄电池容量和旋翼转速反馈的信息，在蓄电池06和燃料电池02的电力支持下，基于不同的控制算法逻辑通过脉宽调制(PWM)控制动力电机12和氢气阀09的输出变化，确保无人机的稳定飞行。

作为一种可选实施方式，根据本发明的一个实施例，所述的储氢系统01起到氢气储存和供应的作用。所述的储氢罐07为圆柱形，通过顶部的螺纹装置与氢气控制阀连接，储氢方式可以是固态储氢、液体储氢和高压储氢中的至少一种，从经济性和轻量化考虑优选为高压气体储氢，所用的高压气体储氢罐07可以是选自纯碳钢、钢制内胆纤维缠绕、铝内胆纤维缠绕、塑料内胆纤维缠绕和无内胆纤维缠绕的罐体中的至少一种，优选为无内胆纤维缠绕的罐体。所述的氢气控制阀09可以是机械阀门或电控阀门，优选电控阀门；氢气控制阀09配套有氢气压力监控装置，安装在阀门09和气体传输管路08之间。氢气传输管路08连接了燃料电池电堆02和氢气阀门09，安装在无人机机翼中预留的中空管路中，起到了传输氢气的作用。氢气传输管路08可选用不锈钢编织或者耐高温硅胶材料的管路，优选耐高温的硅胶材料的管路。

阴极开放式空冷燃料电池系统02是利用氢气和氧气的氧化还原反应发电的装置，其包括：扰流支撑柱15、绝缘板13、集流板16、膜电极17、密封圈18、双极板19、端板20和紧固螺栓22。扰流支撑柱15的两端为螺纹结构，用于连接燃料电池下绝缘板13b和无人机旋翼动力电机12；扰流支撑柱15的中间为螺旋结构，其直径小于燃料电池内环直径的1/2～1/3，其长度在燃料电池电堆02的高度的5/4～6/5之间，保证了燃料电池内部风道21和顶部空间气体的流通性。考虑到燃料电池内部风道的温度较高，所以为扰流支撑柱15的外层覆盖了散热材料，以提高扰流柱的散热效果和耐热性。另外，扰流支撑柱15的表明分布了扰流热刺23，可以提高扰流效果。扰流支撑柱15可以选用美铝合金材质或者碳纤维材质，优选为碳纤维材质。燃料电池绝缘板13起到了紧固电堆02和绝缘隔热的效果，在燃料电池下绝缘板13b上预留了氢气传输接口、电流传递耳、紧固螺栓孔、扰流支撑柱螺栓孔的位置，燃料电池下绝缘板13b为圆形，直径为燃料电池双极板19直径的1.05-1.01倍。燃料电池上绝缘板13a为圆环形，直径为燃料电池双极板19内径的0.95-0.90倍。燃料电池绝缘板13为高抗压强度和抗弯强度的树脂玻纤复合板，优选为高强度FR-4级别的环氧玻纤板。

集流板16置于绝缘板13和端板20之间，起到汇集燃料电池电流的作用。集流板16为圆环形，内外直径与燃料电池双极板19相同，并且预留有输出电流的传递耳。集流板16为镀有导电涂层的金属板，优选为镀金的金属铜板。膜电极17放置于燃料电池双极板之间，与两块双极板阴极和阳极面组成一块单电池单元。膜电极17由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成，所述的气体扩散层优选为具有疏水性、低电阻、支撑强度和孔隙率的碳纸，所述的催化剂层为涂敷了催化剂的薄膜，所述的催化剂可选为Pt-C、Pt-M、Pt核壳、Pt单原子或者非贵金属催化剂，优选为Pt-C催化剂。所述的质子交换膜为全氟磺酸膜，具有机械强度高、化学性能稳定、湿度大条件下导电率高等优点，可选用科慕的nafion系列膜、Gore的Gore-select复合膜、陶氏Xus系列膜和东岳DF988系列膜，优选Gore的Gore-select复合膜。所述的密封圈为耐高温的硅胶密封圈，置于双极板19和膜电极17之间，起到隔绝水气的作用。所述的双极板19为圆环形结构，拥有阴极流道、阳极流道和密封圈凹槽，外空气在阴极流道内反应，氢气在密封的阳极流道内反应。所述的双极板19可选用硬质石墨板、柔性石墨板、复合石墨板和金属双极板中的至少一种，优选为硬质石墨板或金属双极板。所述的端板20是双极板19的一种规格，其尺寸材质与双极板相同，但是端板20分别只保留阴极和阳极面，置于集流板16和膜电极17之间。所述的紧固螺栓22为不锈钢内六角螺栓，安装在燃料电池的内环和外环，通过紧固螺栓22可以固定、锁紧燃料电池。

所述的动力系统03为无人机的飞行提供动力，同时增加燃料电池02周边空气的流速，为燃料电池02发电提供必要的空气和散热作用。所述的动力系统03包括了旋翼10、紧固装置11和动力电机12。所述的旋翼10采用高强度塑料材料制成，优选为碳纤维塑料材质。所述的动力电机12为无刷直流电机，所述的无刷直流电机连接动力系统外壳的顶端且通过传动轴与顶部旋翼10固定连接，可以利用燃料电池02和蓄电池系统06的电量驱动选旋转，为无人机的运动提供动力。

所述的无人机机身04为储氢系统01、燃料电池系统02、动力系统03、蓄电池系统06和智能控制系统05提供稳定、牢固的安装空间，同时能够保证无人机可以在一定工况条件下稳定飞行。所述的无人机机身包括了中部核心区域、功能扩展区域、底部支撑架和无人机机翼。为保证无人机整体的强度，所述的无人机机身04需选用低密度、高强度的材料。由于部分轻质合金金属材料会对无人机传输信号产生干扰，所以所述的无人机机身04需要选用高韧性、高强度的塑料或者复合材料，如：碳纤维增强PC、PA材料、高强PP、PVC材料等，作为一种优选方法：无人机机身04材料可以选择：SE9547、PP1120HF、PP310或PAFG430牌号的材料。

所述的蓄电池系统06为可以通过燃料电池发电进行充电存储电能，无人机动力系统工作时虽然平均需求功率与燃料电池的输出功率匹配，但是需求功率范围比较大，响应速度要求比较高，单独靠燃料电池系统无法满足系统的需求，所以需要蓄电池系统06过滤掉燃料电池输出的波动性，提高系统的反应速率，为系统的快速启动、燃料电池发电稳流提供帮助。所述的蓄电池系统06为串联连接的多块蓄电池，所述的蓄电池可以为铅酸电池或者锂电池，优选为锂电池。

所述的智能控制系统05主要包含了监控单元和控制单元，所述的监控单元可以通过对氢气压力、电堆温度、湿度、电压、电流、电机转速和飞机水平姿态等进行信号采集和识别，通过数字PID算法或者神经网络算法的信号处理方法进行评价、判断和调节，最后根据处理的指令通过脉宽调制(PWM)控制无人机的氢气阀09、燃料电池系统02、蓄电池系统06和动力系统03的输出功率和各个子模块的工作状态，实现无人机系统的高效能力管理、提高无人机的续航能力和里程，保证无人机的稳定、持续工作。

所述的智能控制系统05可以根据具体的应用场景、工作需求和使用寿命进行针对性的优化调整，能够满足多场景的应用需求。

所述的具有阴极开放式空冷燃料电池堆动力系统的多旋翼无人机可以根据不同的应用需求和场景进去模块化的更换、配套和工作状态控制。所述的具有模块化功能的无人机是因为其工作单元的模块化设计。作为一种具体的实施例，燃料电池系统02和无人机动力系统03组成了一套固定配合模块，每套燃料电池系统02的发电能力均能满足配套的动力系统03的需求，后续只需要跟据无人机不同的动力、负载和续航需求，进行数量化的调整，在智能控制系统05的调节下均能够实现无人机稳定和长续航的工作。

本发明所述的无人机动力系统相对于现有技术中的动力系统而言，将阴极开放式燃料电池和无人机动力系统组合成了一个模块，并且与动力系统一起设计在无人机机翼端，并且基于此想法提出了创新性电堆结构设计，提高了燃料电池系统的发电效率，增加了无人机的负载空间，提高了无人机的续航里程。