本實(shí)用新型屬于航空航天器能源系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種無人機(jī)燃料電池用的NaBH₄供氫系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)已在勘測(cè)、防火、安防等多個(gè)領(lǐng)域得以廣泛的應(yīng)用。目前，全球能源供應(yīng)日益緊張，低碳經(jīng)濟(jì)方興未艾，利用清潔能源動(dòng)力系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)是各國(guó)無人機(jī)發(fā)展的重要方向。同時(shí)，氫氧燃料電池尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池作為一種清潔的新能源，因其零排放、高效率、高能量密度等特點(diǎn)使得其在無人機(jī)上的應(yīng)用研究在近年來逐漸在各國(guó)興起。燃料電池的工作方式與內(nèi)燃機(jī)類似。其燃料是電池外攜帶的，且其燃料充裝只需幾分鐘，較蓄電池表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)。目前研究的無人機(jī)用燃料電池氫氣來源主要來自于高壓氫瓶，但是高壓氫瓶即使在非常高的壓力下，其質(zhì)量存儲(chǔ)效率仍低于5％。另外，加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不完全以及無人機(jī)野外作業(yè)環(huán)境等都限制了高壓氫瓶供氫方式在無人機(jī)上的應(yīng)用。

NaBH₄水解作為一種安全、即時(shí)、低能耗、產(chǎn)氫純度高的制氫技術(shù)，已發(fā)展成為當(dāng)前燃料電池的重要?dú)湓粗?。NaBH₄水解制氫的最常見方案就是利用堿溶液穩(wěn)定NaBH₄形成一定濃度水溶液，再使之與催化劑接觸水解制的氫氣。這種制氫方法雖然較氫瓶供氫法方便，但液體NaBH₄的儲(chǔ)氫密度低，并且供氫系統(tǒng)占重過大，不適用于無人機(jī)系統(tǒng)。例如專利200810198544.8公開了一種利用硼氫化鈉水溶液制氫的反應(yīng)裝置，利用小型液壓泵根據(jù)反應(yīng)條件自動(dòng)通過調(diào)整加入反應(yīng)室的硼氫化鈉溶液的流量來對(duì)反應(yīng)進(jìn)行控制。該實(shí)用新型具有制氫反應(yīng)效率高，自動(dòng)化程度高，反應(yīng)易控等優(yōu)點(diǎn)。但是，該系統(tǒng)NaBH₄溶液儲(chǔ)氫密度低，燃料源更換麻煩，系統(tǒng)復(fù)雜，不適用于無人機(jī)系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的用于無人機(jī)燃料電池供氫系統(tǒng)燃料更換不便、能量密度低等技術(shù)難題，提供一種無人機(jī)燃料電池用的NaBH₄供氫系統(tǒng)，為無人機(jī)燃料電池提供穩(wěn)定高純且方便續(xù)添的氫燃料，同時(shí)提高無人機(jī)的續(xù)航能力。

本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種無人機(jī)燃料電池用的NaBH₄供氫系統(tǒng)，為燃料電池電堆供氫，該系統(tǒng)包括：水罐、能量罐、氫氣過濾裝置、反應(yīng)水回收裝置；

所述能量罐為NaBH₄貯存場(chǎng)所和氫氣發(fā)生裝置，在能量罐中的NaBH₄以固體形式存在，并與固態(tài)催化劑混合；

所述能量罐的入口通過管線與水罐的出口連接，能量罐的出口通過管線與氫氣過濾裝置的入口連接；

所述氫氣過濾裝置的出口通過管線與燃料電池電堆連接，燃料電池電堆的出水口與反應(yīng)水回收裝置的入口連接，反應(yīng)水回收裝置的出口與水罐的入口連接。

在所述能量罐與水罐之間的管線上設(shè)置有能量罐電磁閥、微型泵和水罐電磁閥；

所述水罐電磁閥的一端與水罐的出口連接，另一端與微型泵的入口連接，微型泵的出口與能量罐電磁閥的一端連接，能量罐電磁閥的另一端與能量罐的入口連接。

所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)能量罐，多個(gè)能量罐采用并聯(lián)方式連接，所述微型泵的出口連接有多個(gè)分支管線，每個(gè)分支管線通過一個(gè)能量罐電磁閥連接一個(gè)能量罐。

在所述氫氣過濾裝置與燃料電池電堆之間的管線上設(shè)置有減壓閥和氫氣緩沖罐；

所述氫氣緩沖罐的一端與氫氣過濾裝置的出口連接，另一端與減壓閥的一端連接，減壓閥的另一端與燃料電池電堆的入口連接。

所述反應(yīng)水回收裝置包括冷凝器、氣液分離器，所述冷凝器的入口與燃料電池電堆的出水口連接，冷凝器的出口與氣液分離器連接，氣液分離器的氣體出口與廢氣管連接，用于排放陰極廢氣，氣液分離器的液體出口與水罐的入口連接。

所述能量罐的入口和出口均采用卡套式管接頭；

所述能量罐中的催化劑為過渡金屬粉末、載體負(fù)載過渡金屬復(fù)合催化劑或三元催化劑。

在所述水罐內(nèi)設(shè)有液位傳感器，用于收集水罐內(nèi)的存水量信息。

所述氫氣緩沖罐采用輕質(zhì)聚合物或復(fù)合材料制成；

所述能量罐采用具有導(dǎo)熱性能的輕型材料制成；

所述水罐采用輕質(zhì)聚合物或復(fù)合材料制成。

優(yōu)選的，所述能量罐的材料為導(dǎo)熱塑料；

所述水罐采用碳纖維或聚乙烯制成；

所述氫氣過濾裝置為固體酸盒；

所述燃料電池電堆采用風(fēng)冷式或是水冷式電堆。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：

本實(shí)用新型采用固態(tài)NaBH₄制氫路線，理論儲(chǔ)氫密度為10.8wt％，是高壓氫瓶密度的兩倍，減小了儲(chǔ)氫裝置的體積，能夠最大程度地發(fā)揮NaBH₄儲(chǔ)氫密度高的優(yōu)點(diǎn)，使其更適用于無人機(jī)狹小的機(jī)艙。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)氫制氫一體化，通過能量罐并聯(lián)及罐體材料的選擇，簡(jiǎn)化系統(tǒng)散熱裝置，減輕了燃料電池供氫單元質(zhì)量，提高了供氫單元的能量?jī)?chǔ)存密度。同時(shí)通過能量罐的并聯(lián)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)氫燃料的方便續(xù)添。其次，本實(shí)用新型通過微型泵、氫氣緩沖罐以及相應(yīng)電磁閥的控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)NaBH₄產(chǎn)氫的反應(yīng)控制，為燃料電池系統(tǒng)提供穩(wěn)定的氫源。本實(shí)用新型可成功用于燃料電池供電的無人機(jī)，提高無人機(jī)的工作時(shí)長(zhǎng)及野外作業(yè)甚至是極端環(huán)境下的作業(yè)能力。

附圖說明

圖1本實(shí)用新型的無人機(jī)燃料電池用的NaBH₄供氫系統(tǒng)NaBH₄供氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

如圖1所示，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種NaBH₄供氫系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：能量罐3、水罐1、氫氣過濾裝置4、氫氣緩沖罐5、反應(yīng)水回收裝置6、相關(guān)管路氣閥。

所述能量罐3為NaBH₄貯存場(chǎng)所和氫氣發(fā)生裝置。在能量罐3中的NaBH₄以固體形式存在，并與一定量的固態(tài)催化劑混合。作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選，催化劑為過渡金屬粉末、載體負(fù)載過渡金屬復(fù)合催化劑或三元催化劑。

所述能量罐3作為氫氣發(fā)生裝置，兩端分別與水罐1、氫氣緩沖罐5連接。能量罐3與水罐1通過微型泵2(微型泵有一個(gè)出口，通過管線分為多個(gè)分支，每個(gè)分支連接一個(gè)能量罐)和電磁閥相連接。由微型泵2將水輸送到能量罐3中開啟反應(yīng)，通過調(diào)節(jié)微型泵2和電磁閥對(duì)制氫反應(yīng)速率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

所述能量罐3可以進(jìn)行多個(gè)并聯(lián)，能量罐3的入口處均設(shè)有電磁閥(圖1中31-33均為電磁閥。)(在能量罐的出口可設(shè)有電磁閥也可不設(shè)電磁閥)，通過電磁閥的開關(guān)控制能量罐的并聯(lián)，調(diào)節(jié)氫氣產(chǎn)生速率；同時(shí)這種并聯(lián)方案避免了NaBH₄水解產(chǎn)氫產(chǎn)熱速度過快而難以控制。能量罐3采用導(dǎo)熱性能優(yōu)的輕型材料制成，進(jìn)一步控制NaBH₄水解產(chǎn)氫時(shí)能量罐的溫度，作為一種優(yōu)選，能量罐體材料為導(dǎo)熱塑料。

所述能量罐3為一種方便替換的輕型燃料罐，可根據(jù)相應(yīng)燃料電池?zé)o人機(jī)的作用時(shí)間需求進(jìn)行配置，能量罐兩端采用方便裝卸的接口，例如可采用卡套式管接頭。

所述水罐1用以儲(chǔ)存引發(fā)反應(yīng)的去離子水，兩端分別與能量罐3和反應(yīng)水回收裝置6連接；此供氫系統(tǒng)在無人機(jī)上的應(yīng)用時(shí)，根據(jù)無人機(jī)續(xù)航要求及電堆的相關(guān)參數(shù)，確定水罐初始攜帶的最少水量。為減輕系統(tǒng)重量，作為一種優(yōu)選方案，水罐可以采用輕質(zhì)聚合物或復(fù)合材料制成，如碳纖維、聚乙烯。

所述水罐1內(nèi)設(shè)有液位傳感器，收集水罐內(nèi)存水量信息；當(dāng)存水量不足以維持產(chǎn)氫反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，可通過外部添加保證反應(yīng)水量充足，使得無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)正常運(yùn)作。

所述氫氣過濾裝置4的入口與能量罐3的出口連接，用以除去制得的H₂中含有的雜質(zhì)，作為本實(shí)用新型方案的一種優(yōu)選，所述氫氣過濾裝置為固體酸盒。

所述供氫系統(tǒng)還包括氫氣緩沖罐5(采用輕質(zhì)材料制成，例如輕質(zhì)聚合物或是復(fù)合材料等等)，氫氣緩沖罐5的入口與氫氣過濾裝置4的出口連接，在氫氣緩沖罐5的出口處連接減壓閥并根據(jù)其服務(wù)的電堆設(shè)定一定的壓力值，保證氫氣以一定壓力輸送到電堆，從而為燃料電池電堆穩(wěn)定地提供氫氣。

所述反應(yīng)水回收裝置6的入口端連接電堆反應(yīng)出水口，另一端連接水罐1，將燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生的凝結(jié)水通過管路經(jīng)過去離子裝置送回到水罐中，具體來說，所述反應(yīng)水回收裝置6包括冷凝器、氣液分離器，冷凝器的入口與電堆反應(yīng)出水口連接，冷凝器的出口與氣液分離器連接，氣液分離器的氣體出口與廢氣管連接，用于排放陰極廢氣，氣液分離器的液體出口與水罐連接。

所述供氫系統(tǒng)可為燃料電池電堆供氫，燃料電池電堆采用風(fēng)冷式或是水冷式電堆。

利用本實(shí)用新型提供的供氫系統(tǒng)向無人機(jī)燃料電堆供氫時(shí)，首先根據(jù)無人機(jī)續(xù)航要求及供電燃料電池規(guī)格配置并聯(lián)一定量的標(biāo)準(zhǔn)能量罐(標(biāo)準(zhǔn)能量罐的規(guī)格已知后，其產(chǎn)電量則已知，根據(jù)飛行要求即可計(jì)算得到所需的能量罐的數(shù)量)，預(yù)先向水罐中注入一定量去離子水，啟動(dòng)微型泵、打開微型泵前面的電磁閥以及用到的能量罐前面的電磁閥，將水注入能量罐中引發(fā)反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣；通過微型泵轉(zhuǎn)速、相關(guān)電磁閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，使氫氣發(fā)生反應(yīng)以一定速度進(jìn)行；能量罐中反應(yīng)生成的氫氣經(jīng)過氫氣過濾裝置除雜進(jìn)入氫氣緩沖罐；通過緩沖罐出口端的減壓閥的調(diào)節(jié)，向燃料電池提供穩(wěn)定流速的氫氣；電堆反應(yīng)啟動(dòng)后利用反應(yīng)水回收裝置回收生成的水，繼續(xù)提供給能量罐，維持NaBH₄水解反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。

本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例如下：

以一個(gè)功率為1KW的燃料電池電堆對(duì)無人機(jī)進(jìn)行供電，維持無人機(jī)正常運(yùn)行4小時(shí)，則需要供電4KWh,一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)能量罐內(nèi)含有100gNaBH₄,需設(shè)置20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)能量罐；經(jīng)計(jì)算，包含供氫部分的電池系統(tǒng)總重6.8kg，體積為9.2L，質(zhì)量?jī)?chǔ)能密度為588.2Wh/kg,體積儲(chǔ)能密度為434.8Wh/L。

若以傳統(tǒng)的NaBH₄水溶液法進(jìn)行制氫，為滿足供電4KWh,需要8.4Kg25.wt％NaBH₄溶液。經(jīng)計(jì)算，電池系統(tǒng)總重為11kg，體積為14.7L，質(zhì)量?jī)?chǔ)能密度為363.5Wh/kg，體積儲(chǔ)能密度為272.1Wh/L。

經(jīng)過上述對(duì)比可以看出，本實(shí)用新型提供的燃料電池供氫系統(tǒng)具有高的質(zhì)量體積儲(chǔ)能密度，更適用于無人機(jī)系統(tǒng)。同時(shí)，無人機(jī)野外作業(yè)，可根據(jù)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)配置標(biāo)準(zhǔn)能量罐，人工可操作能量罐替換，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)能量罐可維持飛機(jī)運(yùn)行12min。

上述技術(shù)方案只是本實(shí)用新型的一種實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言，在本實(shí)用新型公開了原理的基礎(chǔ)上，很容易做出各種類型的改進(jìn)或變形，而不僅限于本實(shí)用新型上述具體實(shí)施例所描述的結(jié)構(gòu)，因此前面描述的只是優(yōu)選的，而并不具有限制性的意義。