一种氨燃料电池无人机动力系统及其工作方法

1.本发明创造属于无人机动力系统领域，尤其是涉及一种氨燃料电池无人机动力系统及其工作方法。


背景技术：

2.无人机具有良好的机动灵活性，适应性强，可以应用于城市管理、抢险救灾、军事作战等方面，如何扩大无人机的使用范围、提高其续航能力和经济性是无人机研发领域的重点问题，针对无人机的动力系统方面提出了更高的要求，设计研发低噪音，长航时的动力系统是无人机发展的重要方向之一。固体氧化物燃料电池具有发电效率高、燃料适应性强、污染物排放少等优点，其工作温度高，可以与涡轮组成混合动力系统，从而实现燃料电池高温尾气等的充分利用，提高系统效率，具有良好的工程利用前景，燃料电池动力系统已经成为了长航时无人机应用背景下最有利的动力方案。
3.氨是一种清洁的高能量密度氢载体，分解无需引入氧气和水，过程简单，装置结构紧凑，占地面积小、制氢纯度高，易小型化，符合可移动氢源的要求。与其他重整燃料相比，氨具有含氢率高、无污染气体产生、不含碳元素等优点。氨相较于氢气，体积能量密度大，易于液化和储存运输，相对其它常见燃料更安全，经济性更好，环境危害性很小；此外市场上氨供应充足，每年的产量达2亿余吨，是当今世界上用量最大的单一化工产品，在世界范围内拥有广泛的制造和分销基础设施，足以保障燃料的不间断供应，且氨的环境危害性很小。
4.现有的无人机动力系统面临着体积大，重量大，污染气体排放等问题；


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明创造旨在提出一种氨燃料电池无人机动力系统，以解决现有的无人机动力系统面临着体积大，重量大，污染气体排放问题。
6.为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
7.一种氨燃料电池无人机动力系统，包括换热器、燃料电池、反应器、压气机、储氨罐、涡轮、发电机、电转换机构、电动机、主离合器、变速器和螺旋桨，储氨罐与压气机的进气口连通，压气机的出气口与反应器的入口连通，反应器的出口与涡轮的入口连通，涡轮的出口与燃料电池的阳极入口连通，燃料电池的阳极出口与反应器外围的催化燃烧区的入口连通，催化燃烧区的出口与大气连通；
8.空气进入换热器的冷流体入口，换热器的冷流体出口与燃料电池的阴极入口连通，燃料电池的阴极出口与换热器的热流体入口连通，换热器的热流体出口与大气连通；燃料电池的电输出口通过电转换机构与电网主母线连接，压气机和涡轮同轴连接，涡轮和发电机连接，发电机与电网主母线连接，电网主母线与电动机连接，电动机与主离合器连接，主离合器和变速器连接，变速器和螺旋桨连接。
9.更进一步的，在储氨罐出口与压气机的进气口连通的管路上设有第二流量传感器，在反应器的出口和涡轮的入口之间的管路上设有第四温度传感器；在涡轮的出口与燃
料电池的阳极的入口连通的管路上设有第三温度传感器；在换热器的冷流体出口和燃料电池的阴极的入口之间的管路上设有第二温度传感器，在燃料电池的阴极的出口之间的管路上设有第一温度传感器，在换热器的冷流体入口处设有管路，在管路内通入空气，在管路上设有第一流量传感器。
10.更进一步的，在压气机出口和和反应器的入口之间的管路上设有第一压力传感器，在反应器的出口和涡轮的入口之间的管路上设有第二压力传感器。
11.更进一步的，所述反应器是氨分解反应器，在氨分解反应器内部涂覆有氨分解催化剂。
12.更进一步的，所述燃料电池为固体氧化物燃料电池。
13.更进一步的，氨分解催化剂为钙酰亚胺和镍组合物。
14.更进一步的，所述电转换机构包括第一逆变装置和第一断路器，整流装置、第二断路器、第二逆变装置和供电元件，燃料电池的电输出口分别与第一逆变装置和整流装置连接，第一逆变装置与第一断路器连接，整流装置与供电元件连接，供电元件与第二逆变装置连接，第二逆变装置与第二断路器连接，两个断路器均与电网主母线连接。
15.更进一步的，所述发电机与第三断路器连接，第三断路器与电网主母线连接。
16.更进一步的，供电元件为蓄电池。
17.本发明创造的另一目的在于提出一种氨燃料电池无人机动力系统的工作方法，具体包括：
18.储氨罐中的氨气进入压气机中加压，高压氨气流入反应器中发生分解反应生成氮气与氢气，氨裂解气进入涡轮中，冲击叶轮产生动力，涡轮尾气直接通入燃料电池的阳极作为燃料，涡轮的尾气中的氢气在燃料电池内部发生电化学反应，阳极的高温尾气中有部分未完全反应的氢气，将尾气通入催化燃烧区中燃烧放热，为氨分解反应器提供热量，空气进入换热器中加热，以达到燃料电池阴极进口温度要求，空气中的氧气在燃料电池内部发生电化学反应，高温尾气通入换热器中作为空气加热热源，燃料电池产生的直流电经电转换机构转化为交流电输出至电网主母线，发电机将涡轮中的机械能转化为电能输送至电网，电网主母线连接电动机，经主离合器，变速器带动螺旋桨转动。
19.与现有技术相比，本发明创造所述的一种氨燃料电池无人机动力系统的有益效果是：
20.(1)本发明创造所述的一种氨燃料电池无人机动力系统，使用氨作为系统燃料，且燃料电池是将化学能转化为电能，无污染；整个系统无碳排放。
21.(2)本发明创造所述的一种氨燃料电池无人机动力系统中氨分解的气体即为高温高压气体，因此带动涡轮做功的气体无需经燃烧室升温加压，省去了燃烧室部件，可以减轻机身重量。
22.(3)本发明创造所述的一种氨燃料电池无人机动力系统，使用固体氧化物燃料电池阴极尾气加热阴极进口空气，提供了一个有效的热源，实现了能量的高效利用；
23.(4)本发明创造所述的一种氨燃料电池无人机动力系统，使用高温高压的氨裂解气进入涡轮膨胀做功，带动叶片旋转做功，无需燃烧，系统简便紧凑型好；
24.(5)本发明创造所述的一种氨燃料电池无人机动力系统，使用燃料电池高温尾气催化燃烧作为氨分解反应的加热热源，实现了能量综合利用。
25.(6)本发明创造所述的一种氨燃料电池无人机动力系统，使用的固体氧化物燃料电池与涡轮联合发电系统效率高于单一燃料电池或涡轮的发电效率。
附图说明
26.构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
27.图1为本发明创造实施例所述的一种氨燃料电池无人机动力系统的原理图。
28.附图标记说明：
29.1a、第一温度传感器；1b、第二温度传感器；1c、第三温度传感器；1d、第四温度传感器；2、换热器；3a、第一流量传感器；3b、第二流量传感器；4、阴极；5、阳极；6a、第一逆变装置；6b、第二逆变装置；7、整流装置；8a、第一压力传感器；8b、第二压力传感器；9、反应器；10、催化燃烧区；11、蓄电池；12、储氨罐；13、压气机；14、涡轮；15、发电机；16a、第一断路器；16b、第二断路器；16c、第三断路器；17、电动机；18、主离合器；19、变速器；20、螺旋桨。
具体实施方式
30.下面将结合附图对本发明创造的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明创造保护的范围。
31.在本发明创造的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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创造和简化描述，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创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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创造中的具体含义。
33.此外，下面所描述的本发明创造不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
34.如图1所示，一种氨燃料电池无人机动力系统，包括换热器2、燃料电池、反应器9、压气机13、储氨罐12、涡轮14、发电机15、电转换机构、电动机17、主离合器18、变速器19和螺旋桨20，储氨罐12与压气机13的进气口连通，压气机13的出气口与反应器9的入口连通，反应器9的出口与涡轮14的入口连通，涡轮14的出口与燃料电池的阳极5入口连通，燃料电池的阳极5出口与反应器9外围的催化燃烧区10的入口连通，催化燃烧区10的出口与大气连通；催化燃烧区10设计与布置满足与反应器9换热良好；
35.空气进入换热器2的冷流体入口，换热器2的冷流体出口与燃料电池的阴极4入口
连通，燃料电池的阴极4出口与换热器2的热流体入口连通，换热器2的热流体出口与大气连通；燃料电池的电输出口通过电转换机构与电网主母线连接，压气机13和涡轮14同轴连接，涡轮14带动压气机13工作，涡轮14和发电机15连接，发电机15与电网主母线连接，电网主母线与电动机17连接，电动机17与主离合器18连接，主离合器18和变速器19连接，变速器19和螺旋桨20连接。
36.本发明充分利用氨分解产生的高温裂解气以及燃料电池尾气，设计了一套氨燃料电池无人机动力系统，通过流量传感器控制储氨罐中流出的氨气流量，氨气进入压气机加压，随后进入反应器中进行氨分解反应，生成高温高压的氢气和氮气裂解气，裂解气进入涡轮中膨胀做功，涡轮带动同轴压气机工作，发电机将涡轮输出的机械能转化为电能，空气经换热器加热达到燃料电池入口要求温度后，通入燃料电池阴极，燃料电池阴极尾气作为阴极入口空气的换热高温热源，燃料电池阳极尾气进入催化燃烧区，燃烧放热，为氨分解反应提供热量，燃料电池产生的电能经逆变装置可直接输出或储存于蓄电池再输出，电动机将系统输出的电能转化为机械能，经主离合器、变速器调节输出参数，最后带动螺旋桨转动。
37.本发明充分利用了固体氧化物燃料电池高温尾气，省去了燃料电池阴、阳极进口气体加热装置，解决的空气预热的热源需求，省去了氨分解所需的额外加热器，满足了涡轮与燃料电池系统对高功率密度的要求，系统紧凑性好，实现了热氨涡轮与燃料电池联合发电。
38.在储氨罐12出口与压气机13的进气口连通的管路上设有第二流量传感器3b，在反应器9的出口和涡轮14的入口之间的管路上设有第四温度传感器1d；在涡轮14的出口与燃料电池的阳极5的入口连通的管路上设有第三温度传感器1c；在换热器2的冷流体出口和燃料电池的阴极4的入口之间的管路上设有第二温度传感器1b，在燃料电池的阴极4的出口之间的管路上设有第一温度传感器1a，在换热器2的冷流体入口处设有管路，在管路内通入空气，在管路上设有第一流量传感器3a；在压气机13出口和和反应器9的入口之间的管路上设有第一压力传感器8a，在反应器9的出口和涡轮14的入口之间的管路上设有第二压力传感器8b。各传感器的设置用于对温度，流量和压力进行实时监测，有利于系统良好的运行。
39.所述反应器9是氨分解反应器，在氨分解反应器内部涂覆有氨分解催化剂。氨分解催化剂为钙酰亚胺和镍组合物。
40.所述燃料电池为固体氧化物燃料电池。
41.所述电转换机构包括第一逆变装置6a和第一断路器16a，整流装置7、第二断路器16b、第二逆变装置6b和供电元件，燃料电池的电输出口分别与第一逆变装置6a和整流装置7连接，第一逆变装置6a与第一断路器16a连接，整流装置7与供电元件连接，供电元件与第二逆变装置6b连接，第二逆变装置6b与第二断路器16b连接，两个断路器均与电网主母线连接；供电元件为蓄电池11。
42.所述发电机15与第三断路器16c连接，第三断路器16c与电网主母线连接。
43.一种氨燃料电池无人机动力系统的工作方法，具体包括：
44.储氨罐12中的氨气进入压气机13中加压，由第二流量传感器3b监测流量，第一压力传感器8a监测压气机13流出的高压气体压力，高压氨气流入反应器9中，在高温、催化剂条件下发生分解反应，生成氮气与氢气，高温高压的氨裂解气的温度压力由第四温度传感器1d与第二压力传感器8b监测，氨裂解气进入涡轮14中，冲击叶轮产生动力，第三温度传感
器1c监测涡轮高温尾气温度，涡轮尾气直接通入燃料电池的阳极5作为燃料，涡轮14的尾气中的氢气在燃料电池内部发生电化学反应，阳极5的高温尾气中有部分未完全反应的氢气，将尾气通入催化燃烧区10中燃烧放热，为氨分解反应器9提供热量，第一流量传感器3a检测流入换热器2的空气流量，空气进入换热器2中加热，加热后的温度由第二温度传感器1b监测，以达到燃料电池阴极4进口温度要求，空气中的氧气在燃料电池内部发生电化学反应，阴极4d的出口高温尾气温度由第一温度传感器1a监测，高温尾气通入换热器2中作为空气加热热源，燃料电池产生的直流电可经第一逆变装置6a转变为交流电直接输出至电网主母线，或经整流器7整流后储存于蓄电池11中，再经第二逆变装置6b转化为交流电输出至电网主母线，发电机15将涡轮14中的机械能转化为电能输送至电网，第一断路器16a、第二断路器16b、第三断路器16c控制电能输出，电网主母线连接电动机17，经主离合器18，变速器19带动螺旋桨20转动。
45.以上公开的本发明创造实施例只是用于帮助阐述本发明创造。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明创造仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明创造的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明创造。