[发明专利]一种固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统

说明书

本发明提供了一种空冷型燃料电池电堆，其空气流道为并行波浪型流道；还提供了一种基于上述并行波浪型流道的固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统，包括空冷电堆前置导流模块、导流进气窗口、空冷电堆后置导流模块、导流出气窗口和冷却风扇；为控制电堆反应温度处于理想温度区间，当无人机启动或低速飞行时冷却风扇开启，外部空气被吸入电堆；中速飞行时冷却风扇关闭，飞行时形成的相对空气流流入电堆阴极空气流道，反应后形成电堆出口空气流，冷却风扇被动转动；高速飞行时冷却风扇关闭，通过调节导流进气窗口的开口大小，控制相对空气流流入电堆的进风量。本发明将风扇主动散热与空气对流被动散热相结合，提高发电效率与无人机续航能力。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统。

背景技术

燃料电池是一种环境友好、高效、长寿命的发电装置。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，燃料气体从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，阴极处的质子、电子与氧气结合生成水。燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制其直接发电效率可高达45％。以电池堆为核心发电装置，燃料电池系统集成了电源管理、热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征。燃料电池系统产品从固定式电站到移动式电源，从电动汽车到航天飞船，从军用装备到民用产品，均有着广泛的应用空间。

空冷燃料电池的阳极燃料为氢气，阴极反应物为空气，空气同时还作为冷却介质，因此空冷燃料电池的系统结构简洁，在备用电源、小型便携式电源以及小型动力电源等领域具有广泛的应用前景。尤其在工业无人机领域，空冷燃料电池能够大幅提升无人机续航时间至4小时以上。

在现有的固定翼无人机中，如中国专利CN107176301A公开的固定翼燃料电池植保无人机，一般将空冷燃料电池发电模块布置于密闭机舱内部，由于密闭机舱内空气容量有限，电堆不易散热，堆内反应温度升高，阴极侧相对湿度降低，导致质子交换膜内水含量降低，增加膜内阻，降低电堆电压，造成更高的能量损失与反应余热，形成正反馈，最终电堆输出电压降低至安全阈值，导致系统关机；此外，电堆散热需要额外提供风扇辅助用电，降低发电模块总体系统效率。

现有技术中也有将空冷燃料电池电堆布置于螺旋桨后方，如中国专利CN107200119A公开的燃料电池无人机，中国专利CN205900703U公开的一种用于无人机燃料电池的散热结构，通过螺旋桨为无人机提供动力时的空气流动，实现电堆被动散热，但该方式无法主动控制电堆承接风量，可能在无人机正常航行时造成风量过高，降低电堆内部相对湿度，造成膜电极过度干燥，增加膜内阻，降低电堆电压与发电效率；此外，电堆位于动力螺旋桨的正后方，容易造成过高的空气阻力，降低螺旋桨推力，造成动力浪费，降低动力系统能量效率。

发明内容

针对上述现有技术中存在的电堆散热不佳、动力系统效率低的问题，本发明提出了一种固定翼无人机空冷型燃料电池动力系统，基于新型的空冷型燃料电池电堆，采用风扇主动散热与空气对流被动散热相结合的可控散热方式，提高燃料电池系统发电效率与无人机续航能力。

本发明具体技术方案如下：

一种空冷型燃料电池电堆，包括依次叠放的双极板和膜电极，所述双极板的阳极设有氢气流道，阴极设有空气流道；其特征在于，所述空气流道为并行波浪型流道。

进一步地，所述并行波浪型流道的结构与空冷型燃料电池电堆所需的功率等级、空气流道的流阻及阴极压力限制等因素有关。