一种新型电池动力装置

本发明涉及飞行器动力装置，具体涉及一种新型电池动力装置。

背景技术：

1、近年来，节能减排的呼声逐渐形成一股势不可挡的趋势与潮流，世界各国都在加大力度发展清洁能源以及高效能源动力转化技术。氢能被誉为21世纪的终极能源，具有质量能量密度高、清洁环保无污染等天然优势，而燃料电池作为一种将存储在燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置，具有能量转化效率高、噪声低、功率密度高等优势，具有良好的发展前景。

2、现有的氢燃料电池航空动力装置以低温(工作温度不超过100℃)质子交换膜燃料电池结合高压气态储氢、低温液态储氢或金属储氢等储氢技术为主要技术路线，具有系统组成简单、动态响应优良等优势。但氢气的压缩、储存及运输都面临着较高的安全隐患和高昂的成本问题，成为制约氢燃料电池推广应用的主要障碍。文献号为cn115477019a的中国发明专利公开了一种模块化氢能源无人机，该无人机包括主机身、动力模块和氢燃料供能模块，氢燃料供能模块包括设置于主机身的氢燃料电池模块、氢气瓶。这种无人机的机载储氢形式为高压气态储氢，储氢系统体积能量密度较低，如用作飞行器上的储氢方式时将会占据大量的机体空间。而液态储氢除耗能高之外，还存在液氢日蒸发损失、液氢存储系统复杂、使用维护困难等问题，而物理吸附储氢或化学吸附储氢均存在质量储氢密度(存储的氢气质量与储氢系统总重量的比值)低的问题，用于氢燃料电池地面载具的储氢形式尚可，用作飞行器的储氢形式则不成立为合理选项。

3、针对上述以氢气为燃料存在的制储运问题，考虑采用甲醇作为氢载体，其体积能量密度高，其水蒸气重整制氢反应具有硫含量低，氢/碳摩尔比高等优点，且可在较低温度区间(200～300℃)实现重整反应且氢气产率较高。但是以甲醇重整制氢重整气体组分中一般包含少量一氧化碳，对于低温工作的质子交换膜燃料电池催化剂会产生毒化作用，净化生成气中的一氧化碳则会带来额外的设备重量及功耗，这也是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述不足之处提供一种新型电池动力装置，采用甲醇重整制氢技术与高温质子交换膜氢燃料电池技术结合，拟解决直接以氢气为燃料存在不易制储运，以及低温质子交换膜燃料电池对一氧化碳耐受能力不足，飞行器续航时间短等问题，使装置整体效率及燃料利用率更高。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

2、一种新型电池动力装置，包括燃料电池、控制系统和动力输出系统，还包括甲醇重整制氢系统；所述甲醇重整制氢系统用于采用甲醇水溶液现场制氢气；所述甲醇重整制氢系统与燃料电池的阳极连接；所述燃料电池的阴极上连接设有风机；所述风机用于向燃料电池的阴极灌入空气；所述燃料电池的电力输出端和控制系统电连接；所述控制系统用于控制电力输出管理；所述控制系统分别与风机和动力输出系统电连接；所述动力输出系统用于提供维持飞行器飞行所需动力。

3、进一步的，所述甲醇重整制氢系统包括甲醇储箱、去离子水储箱、原料混合器、一级换热器、二级换热器和甲醇重整反应器；所述甲醇储箱和去离子水储箱分别与原料混合器连接；所述原料混合器、一级换热器、二级换热器和甲醇重整反应器的入口依次连接；所述甲醇重整反应器的出口、二级换热器和一级换热器依次连接；所述一级换热器连接设有冷凝器；所述冷凝器的出口端分别与燃料电池的阳极和原料混合器连接。

4、进一步的，所述甲醇重整反应器采用多层管状结构，包括隔热层、导热层、甲醇催化重整层、层间支撑材料和催化剂颗粒。

5、进一步的，所述甲醇储箱还与二级换热器直接连接；所述二级换热器与风机连接；所述甲醇重整反应器还包括甲醇催化燃烧层；所述甲醇储箱里的甲醇与通过风机灌入的空气经二级换热器预热进入甲醇重整反应器中的甲醇催化燃烧层发生催化燃烧反应。

6、进一步的，所述燃料电池采用高温质子交换膜燃料电池。

7、进一步的，所述燃料电池中设有水循环冷却系统；所述燃料电池和一级换热器之间设有冷却器；所述水循环冷却系统、一级换热器和冷却器形成换热回路；所述水循环冷却系统中的热水依次流经一级换热器和冷却器，最后回到水循环冷却系统的通道内。

8、进一步的，所述甲醇储箱、去离子水储箱、原料混合器、一级换热器、二级换热器和甲醇重整反应器均设有温度传感器；所述燃料电池中设有堆温度传感器。

9、进一步的，所述控制系统包括直流稳压模块、动力系统管理模块、飞行控制模块和启动电源；所述直流稳压模块分别与燃料电池、风机、二级换热器、动力系统管理模块和启动电源电连接；所述动力系统管理模块用于接收各路温度传感器的信号和控制直流稳压模块各供电端口是否输出，以及与飞行控制模块通讯；所述二级换热器中设有电加热回路；所述电加热回路用以给二级换热器升温。

10、进一步的，所述动力输出系统包括电子调速器、电机和螺旋桨；所述电子调速器分别与直流稳压模块和电机电连接；所述电子调速器用于接收飞行控制模块的控制信号，并确定向电机输出的实际功率值；所述电机用于驱动螺旋桨旋转。

11、进一步的，所述甲醇储箱和去离子水储箱均设有液位传感器。

12、本发明的有益效果是：

13、1、本发明采用甲醇作为飞行器的燃料，来源广泛，价格便宜，易于存储，具有较高的体积能量密度，降低燃料电池动力系统中燃料存储系统对飞行器机体空间的要求，降低以氢燃料电池为动力的飞行器的设计难度。

14、2、耦合甲醇催化燃烧反应和甲醇水蒸气重整制氢反应，在不增加其他燃料种类和额外设备重量的前提下，用同一种原料实现放热反应和吸热反应的热平衡，使制氢能够持续进行。

15、3、采用高温质子交换膜燃料电池作为动力系统的发电模块，通过升高反应温度，在提高燃料电池效率的同时，增强燃料电池对一氧化碳的耐受能力，使重整反应生成气无需进行一氧化碳的去除操作，降低系统的重量及复杂度。

16、4、动力系统中包含两级换热器，前一级为低温换热器，后一级为高温换热器，充分利用各环节产生的热能，整体提高系统的燃料利用率与能量转化效率。

17、5、增加冷凝器将未参与重整反应的甲醇和水冷凝回流，提高燃料利用率。

18、6、甲醇重整反应器采用多层管状结构，不但提高反应的面积，还可以使甲醇催化燃烧层产生的热能可以在较短的热传导路径上转移至甲醇催化重整层，使甲醇催化重整层温度分布更为均匀，进而提高催化重整反应的速率和效率。

技术特征：

1.一种新型电池动力装置，包括燃料电池(8)、控制系统和动力输出系统，其特征在于：还包括甲醇重整制氢系统；所述甲醇重整制氢系统用于采用甲醇水溶液现场制氢气；所述甲醇重整制氢系统与燃料电池(8)的阳极连接；所述燃料电池(8)的阴极上连接设有风机(4)；所述风机(4)用于向燃料电池(8)的阴极灌入空气；所述燃料电池(8)的电力输出端和控制系统电连接；所述控制系统用于控制电力输出管理；所述控制系统分别与风机(4)和动力输出系统电连接；所述动力输出系统用于提供维持飞行器飞行所需动力。

2.根据权利要求1所述的一种新型电池动力装置，其特征在于：所述甲醇重整制氢系统包括甲醇储箱(1)、去离子水储箱(2)、原料混合器(5)、一级换热器(6)、二级换热器(7)和甲醇重整反应器(3)；所述甲醇储箱(1)和去离子水储箱(2)分别与原料混合器(5)连接；所述原料混合器(5)、一级换热器(6)、二级换热器(7)和甲醇重整反应器(3)的入口依次连接；所述甲醇重整反应器(3)的出口、二级换热器(7)和一级换热器(6)依次连接；所述一级换热器(6)连接设有冷凝器(9)；所述冷凝器(9)的出口端分别与燃料电池(8)的阳极和原料混合器(5)连接。

3.根据权利要求2所述的一种新型电池动力装置，其特征在于：所述甲醇重整反应器(3)采用多层管状结构，包括隔热层(31)、导热层(32)、甲醇催化重整层(33)、层间支撑材料(34)和催化剂颗粒(35)。

4.根据权利要求3所述的一种新型电池动力装置，其特征在于：所述甲醇储箱(1)还与二级换热器(7)直接连接；所述二级换热器(7)与风机(4)连接；所述甲醇重整反应器(3)还包括甲醇催化燃烧层(36)；所述甲醇储箱(1)里的甲醇与通过风机(4)灌入的空气经二级换热器(7)预热进入甲醇重整反应器(3)中的甲醇催化燃烧层(36)发生催化燃烧反应。

5.根据权利要求1～4任一所述的一种新型电池动力装置，其特征在于：所述燃料电池(8)采用高温质子交换膜燃料电池。

6.根据权利要求5所述的一种新型电池动力装置，其特征在于：所述燃料电池(8)中设有水循环冷却系统；所述燃料电池(8)和一级换热器(6)之间设有冷却器(10)；所述水循环冷却系统、一级换热器(6)和冷却器(10)形成换热回路；所述水循环冷却系统中的热水依次流经一级换热器(6)和冷却器(10)，最后回到水循环冷却系统的通道内。

7.根据权利要求2～4任一所述的一种新型电池动力装置，其特征在于：所述甲醇储箱(1)、去离子水储箱(2)、原料混合器(5)、一级换热器(6)、二级换热器(7)和甲醇重整反应器(3)均设有温度传感器；所述燃料电池(8)中设有堆温度传感器。

8.根据权利要求7所述的一种新型电池动力装置，其特征在于：所述控制系统包括直流稳压模块(11)、动力系统管理模块(12)、飞行控制模块(13)和启动电源(17)；所述直流稳压模块(11)分别与燃料电池(8)、风机(4)、二级换热器(7)、动力系统管理模块(12)和启动电源(17)电连接；所述动力系统管理模块(12)用于接收各路温度传感器的信号和控制直流稳压模块(11)各供电端口是否输出，以及与飞行控制模块(13)通讯；所述二级换热器(7)中设有电加热回路；所述电加热回路用以给二级换热器(7)升温。

9.根据权利要求8所述的一种新型电池动力装置，其特征在于：所述动力输出系统包括电子调速器(14)、电机(15)和螺旋桨(16)；所述电子调速器(14)分别与直流稳压模块(11)和电机(15)电连接；所述电子调速器(14)用于接收飞行控制模块(13)的控制信号，并确定向电机(15)输出的实际功率值；所述电机(15)用于驱动螺旋桨(16)旋转。

10.根据权利要求2所述的一种新型电池动力装置，其特征在于：所述甲醇储箱(1)和去离子水储箱(2)均设有液位传感器。

技术总结
本发明公开了一种新型电池动力装置，属于飞行器动力装置技术领域，包括燃料电池、控制系统、动力输出系统和甲醇重整制氢系统；所述甲醇重整制氢系统用于采用甲醇水溶液现场制氢气；所述甲醇重整制氢系统与燃料电池的阳极连接；所述燃料电池的阴极上连接设有风机；所述风机用于向燃料电池的阴极灌入空气；所述燃料电池的电力输出端和控制系统电连接；所述控制系统用于控制电力输出管理；所述控制系统分别与风机和动力输出系统电连接；所述动力输出系统用于提供维持飞行器飞行所需动力。本发明的一种新型电池动力装置采用甲醇重整制氢技术与高温质子交换膜氢燃料电池技术结合，解决了直接以氢气为燃料存在不易制储运，以及低温质子交换膜燃料电池对一氧化碳耐受能力不足，飞行器续航时间短等问题，使装置整体效率及燃料利用率更高。

技术研发人员：曹林,李浩,居婷,杜玉环,李瑞博,张治华,胡金源,范瑜,赵凯
受保护的技术使用者：重庆交通大学绿色航空技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24