一种低温储氢的燃料电池小型无人机

1.本发明涉及无人机领域，具体是一种低温储氢的燃料电池小型无人机。


背景技术：

2.随着无人机的应用范围越来越广泛，如何延长无人机的工作时间就成为了一个重要的问题。对于小型无人机，由于锂电池的能量密度的限制，使用锂电池的小型无人机的工作时间受到了很大的限制。氢能是一种能量密度很高的能源，氢气通过质子交换膜燃料电池可以为小型用电设备进行供电，因此使用氢气作为能源的小型燃料电池无人机就成为了提升小型无人机工作时间的重要方向。
3.现有的燃料电池无人机普遍采用高压氢气罐作为储氢方式，这种储氢方式将高纯度的氢气在高压氢气罐中以35mpa左右的压力进行储存，但是由于使用高压氢气，因此对氢气罐的强度提出了很高的要求，但是为了保持燃料电池系统较高的能量密度，对高压氢气罐的重量提出了严格的限制。目前的最先进的高压氢气罐，氢气储量占高压氢气罐质量的10％左右，氢气罐的质量仍然是很大的负担，减少了燃料电池无人机的储氢量，减少了无人机的续航时间。
4.现有的铝合金内胆外部使用碳纤维材料包裹的高压氢气罐已经得到了广泛的应用，有较高的可靠性。同时，美国劳伦斯利弗摩尔国家实验室开展了铝内胆碳纤维缠绕的iii型低温高压氢气瓶安全性研究，已研制出3代复合储氢气瓶，这种氢气罐可以承受35mpa的储氢压力，重量储氢密度为7.3％，能够在低温环境中正常运行。
5.现有的燃料电池无人机在工作过程中，燃料电池的电堆会不停的散发大量的热量，同时无人机的其他电子器件例如图像传输天线等电子设备，均会在工作过程中产生大量的热量，对无人机的热管理系统提出了很高的要求。无人机的热管理系统往往用到大量的散热风扇和散热管路，系统结构庞杂，同时占用了无人机上宝贵的空间和载荷。
6.因此，本领域技术人员提供了一种低温储氢的燃料电池小型无人机，以解决上述背景技术中提出的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种低温储氢的燃料电池小型无人机，以解决上述背景技术中提出的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种低温储氢的燃料电池小型无人机，包括无人机机翼、电动机、飞行控制器、视频拍摄传输系统、无人机机体、备用电源、压力控制阀、燃料电池系统、真空氢气罐、保温材料、v型尾翼和氢气管路；所述无人机机体的两侧上部均设有无人机机翼，无人机机翼的上部内侧均设有电动机，无人机机体的下部两侧均设有v型尾翼，无人机机体的内部下侧均设有真空氢气罐，真空氢气罐的外部包裹有保温材料，且真空氢气罐的上部设有燃料电池系统，燃料电池系统与真空氢气罐之间连接有氢气管路，燃料电池系统的上部分别设有飞行
控制器和压力控制阀，飞行控制器和压力控制阀的上部设有备用电源，备用电源的上部设有视频拍摄传输系统。
10.作为本发明进一步的方案：所述真空氢气罐中储存氢气温度为-k低于环境温度，远高于氢气液化温度。
11.作为本发明再进一步的方案：所述无人机机体采用了传统布局方式和v型尾翼结构，其内部用双电动机提供动力，无人机全重为15-20kg之间。
12.作为本发明再进一步的方案：所述保温材料为轻质保温材料。
13.作为本发明再进一步的方案：所述真空氢气罐的内胆采用铝合金材料。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15.使用了低温储氢罐储存氢气，利用低温氢气相对于常温状态下密度提升的特点，可以在使用相同容器的情况下提升氢气罐的储量，使用现有的复合材料的储氢罐，这种氢气罐的内胆材料使用铝合金，外部使用碳纤维包覆，在相当高的储氢压力的情况下，可以保持结构强度，是一种较为成熟的氢气罐技术；本发明使用这种氢气罐灌装低温的氢气，可以在保持一定的储氢压力的情况下提高氢气的储存量。
16.无人机机体的两侧上部均设有无人机机翼，无人机机翼的上部内侧均设有电动机，无人机机体的下部两侧均设有v型尾翼，采用的是常规布局的v型尾翼无人机，这种常规布局结构发展较为成熟，飞行的稳定性高采用了v型尾翼结构可以增加无人机俯仰动作的稳定性，采用了双电动机提供动力，大展弦比的设计延长了无人机的续航时间。
附图说明
17.图1为一种低温储氢的燃料电池小型无人机的结构示意图。
18.图中：1-无人机机翼、2-电动机、3-飞行控制器、4-视频拍摄传输系统、5-无人机机体、6-备用电源、7-压力控制阀、8-燃料电池系统、9-真空氢气罐、10-保温材料、11-v型尾翼、12-氢气管路。
具体实施方式
19.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
20.请参阅图1，本发明实施例中，一种低温储氢的燃料电池小型无人机，包括无人机机翼1、电动机2、飞行控制器3、视频拍摄传输系统4、无人机机体5、备用电源6、压力控制阀
7、燃料电池系统8、真空氢气罐9、保温材料10、v型尾翼11和氢气管路12；所述无人机机体5的两侧上部均设有无人机机翼1，无人机机翼1的上部内侧均设有电动机2，无人机机体5的下部两侧均设有v型尾翼11，无人机机体5的内部下侧均设有真空氢气罐9，真空氢气罐9的外部包裹有保温材料10，且真空氢气罐9的上部设有燃料电池系统8，燃料电池系统8与真空氢气罐9之间连接有氢气管路12，燃料电池系统8的上部分别设有飞行控制器3和压力控制阀7，飞行控制器3和压力控制阀7的上部设有备用电源6，备用电源6的上部设有视频拍摄传输系统4。
21.所述真空氢气罐9中储存氢气温度为220-240k低于环境温度，远高于氢气液化温度。
22.所述无人机机体5采用了传统布局方式和v型尾翼结构，其内部用双电动机提供动力，无人机全重为15-20kg之间。
23.所述保温材料10为轻质保温材料。
24.所述真空氢气罐9的内胆采用铝合金材料。
25.使用低温氢气作为冷源，对无人机的各个系统进行散热，低温氢气流入氢气管道12中，不会直接进入燃料电池中进行反应，首先进入氢气管道12通过弯折、回转形成的平板换热管路结构，这些管路结构分别与燃料电池系统8、飞行控制器3、视频拍摄传输系统4、备用电源6进行接触换热，对这些无人机元件进行冷却，同时流经氢气管路12进入压力控制阀7中的氢气的温度也逐渐上升，可以进入燃料电池中进行反应；燃料电池系统8、飞行控制器3、视频拍摄传输系统4、备用电源6作为散热源不需要配备复杂的热管理系统，节省了无人机机舱内部的空间和无人机的载荷；真空氢气罐9外部包覆一层轻质的发泡保温材料10，减少外界向低温氢气的导热；真空氢气罐9中储存低温氢气，低温氢气从真空氢气罐9中通入氢气管路12，氢气管路(12)分别经过燃料电池系统8、飞行控制器3、备用电源6、视频拍摄传输系统4为这些装置散热，同时低温氢气在吸热后温度逐渐升高，之后流入压力控制阀7，通过阀门维持阀门氢气出气口处保持稳定的压力，稳定压力的氢气流入燃料电池电堆中进行反应产生电能为无人机各个部分供电；
26.无人机机体5的两侧上部均设有无人机机翼1，无人机机翼1的上部内侧均设有电动机2，无人机机体5的下部两侧均设有v型尾翼11，采用的是常规布局的v型尾翼无人机，这种常规布局结构发展较为成熟，飞行的稳定性高采用了v型尾翼结构可以增加无人机俯仰动作的稳定性，采用了双电动机提供动力，大展弦比的设计延长了无人机的续航时间；
27.本发明使用了低温储氢罐储存氢气，利用低温氢气相对于常温状态下密度提升的特点，可以在使用相同容器的情况下提升氢气罐的储量，使用现有的复合材料的储氢罐，这种氢气罐的内胆材料使用铝合金，外部使用碳纤维包覆，在相当高的储氢压力的情况下，可以保持结构强度，是一种较为成熟的氢气罐技术；本发明使用这种氢气罐灌装低温的氢气，可以在保持一定的储氢压力的情况下提高氢气的储存量。
28.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
29.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。