一种集成式氢能源飞行器动力系统和电动飞行器的制作方法

专利2022-05-09  1


本申请涉及电动飞行器技术领域,特别地,涉及一种集成式氢能源飞行器动力系统和电动飞行器。



背景技术:

目前的飞机动力系统主要为活塞式发动机和轴流式发动机,其主要的能源是将化石燃料的燃烧化学能转换为机械能输出做功推进飞机的空中飞行,而化石燃料的燃烧排放物会造成大气污染与温室效应,且化石燃料为不可再生资源,未来面临能源短缺的危机。所以需要一种清洁的可再生能源作为飞机的动力系统。

目前国内外以电力作为飞机动力驱动的研制工作正方兴未艾,现有在研的电动飞机都采用电池驱动电动机的方式,要么采用可充放电的锂离子电池作为能源,要么采用燃料电池作为电力源。锂离子电池存在续航时间短、充放电时间长的问题,目前仅能做到30~90分钟续航时间,而目前使用的燃料电池反应物氢气则采用高压压缩气瓶存储,气瓶压力大(约700个大气压),或者使用液态氢(超低温存储(约-252.87℃))存在较高危险性。



技术实现要素:

针对现有技术的不足,本发明提出一种集成式氢能源飞行器动力系统和电动飞行器。

本发明提供的集成式氢能源飞行器动力系统包括:

螺旋桨;

第一电机,与所述螺旋桨相连;

第一燃料电池,与所述第一电机相连;

氢气发生器,与所述第一燃料电池相连;

其中,所述氢气发生器产生的氢气进入所述第一燃料电池,与所述第一燃料电池中的氧气或含氧空气反应,从而为所述第一电机提供电源,以驱动所述螺旋桨转动,给所述飞行器提供推力或反推力。

在本发明的一些实施例中,该动力系统还包括固态储氢材料存储罐体和储水罐体,所述固态储氢材料存储罐体和所述储水罐体分别与所述氢气发生器相连;

其中,所述固态储氢材料存储罐体底部设有第二电机,所述固态储氢材料存储罐体内部设有第一丝杆和第一活塞机构,所述第一丝杆分别与所述第二电机和所述第一活塞机构相连;

所述储水罐体底部设有第三电机,所述储水罐体内部设有第二丝杆和第二活塞机构,所述第二丝杆分别与所述第三电机和所述第二活塞机构相连;

在所述第二电机和所述第三电机的作用下,所述第一活塞机构和所述第二活塞机构分别在所述第一丝杆和所述第二丝杆上往复运动,从而加注和排出所述固态储氢材料存储罐体和所述储水罐体内的储氢材料和水。

在本发明的一些实施例中,该动力系统还包括反应废弃物存储器,所述反应废弃物存储器与所述氢气发生器相连,

其中,所述反应废弃物存储器底部设有第四电机,所述反应废弃物存储器内部设有第三丝杆和第三活塞机构,所述第三丝杆分别与所述第四电机和所述第三活塞机构相连;在所述第四电机的作用下,所述第三活塞机构在所述第三丝杆上往复运动,从而加注和排出所述反应废弃物存储器内的反应废弃物。

在本发明的一些实施例中,所述第二电机、所述第三电机和所述第四电机中的一个或多个与所述第一燃料电池相连。

在本发明的一些实施例中,该动力系统还包括集成安装架,所述集成安装架包括第一防火隔舱和第二防火隔舱,所述第一防火隔舱和所述第二防火隔舱均包括陶瓷隔热材料与不锈钢板夹层结构,所述第一燃料电池和所述氢气发生器分别安装在所述第一防火隔舱和所述第二防火隔舱中;

所述第一防火隔舱和所述第二防火隔舱中设有灭火装置。

在本发明的一些实施例中,该动力系统还包括整流罩,所述第一电机和所述集成安装架位于所述整流罩内部,所述整流罩包括能够分别向两侧打开的第一舱尾整流罩和第二舱尾整流罩,所述集成安装架设有撑杆,当所述第一舱尾整流罩和所述第二舱尾整流罩打开后,通过所述撑杆支撑固定。

本发明还提供了一种电动飞行器,包括:

机翼,包括第二燃料电池;和

上述集成式氢能源飞行器动力系统,所述氢气发生器与所述第二燃料电池相连

在本发明的一些实施例中,所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机和所述第四电机中的一个或多个与所述第二燃料电池相连。

在本发明的一些实施例中,所述集成安装架设有耳片和剪切销,所述机翼通过所述耳片和所述剪切销与所述集成安装架相连。

在本发明的一些实施例中,所述储水罐体与所述第一燃料电池和/或所述第二燃料电池的散热器相连。

本发明提供的动力系统,除可以给飞行器自行提供绿色无污染动力之外,还可以给飞行器的燃料电池提供反应原料氢气,且制氢条件安全可靠。该动力系统作为集成式设计,可作为一个可更换单元整体更换,当出现动力故障时不需要在线维修,极大增加了飞机出勤率。

而且,通过与机翼上的燃料电池相结合,可以将原有的电动飞机续航时间由60~90分钟提高到10个小时,极大的增加了电动无人机的留空续航时间。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的电动飞行器的剖视示意图。

图2为图1所示的电动飞行器的前视示意图。

图3为图2所示的电动飞行器的后舱打开时的状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明,以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而,以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的,而不是对本发明的限制。

在本发明的描述中,需要理解的是,术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中,"多个"的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。

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"、"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,也可以是电连接或可以相互通讯;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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开,下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然,它们仅仅为示例,并且目的不在于限制本发明。此外,本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母,这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外,本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子,但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

图1-3示出了本发明提供的一种电动飞行器1000,其包括集成式氢能源飞行器动力系统100和机翼200。

集成式氢能源飞行器动力系统100包括螺旋桨101、第一电机102、第一燃料电池103、氢气发生器104。如图1所示,螺旋桨101位于飞行器1000的一端(本实施例中将图1中螺旋桨101的位置称为前端),第一电机102分别与螺旋桨101和第一燃料电池103相连,第一燃料电池103还和氢气发生器104相连。其中,氢气发生器104产生的氢气进入第一燃料电池103中,与第一燃料电池103中的氧气或含氧空气反应,从而为第一电机102提供电源,以驱动螺旋桨101运动,给飞行器提供推力或反推力。

图1所示的实施例中集成式氢能源飞行器动力系统100还包括原料存储器,该原料存储器包括固态储氢材料存储罐体105和储水罐体106。本实施例中固态储氢材料存储罐体105用于存储固态储氢材料,商品名为powerpaste,常温下为固态糊状物,主要成分为氢镁化合物mxhy,这种固态糊状物是将氢气和镁放在350℃左右的高温和五到六倍的大气压下发生反应,形成氢化镁,再添加酯类和金属盐,并最终合成。这个过程是可逆的,从而实现了氢气的吸、放。固态糊状物可以在常温常压下储存氢气(相对于高压存储有较高安全性)。并且此种糊状物可以与水反应,释放氢气,其储氢质量密度远高于700bar的高压气态储氢罐。和锂电池相比,同等质量下,它储存的氢气能量相当于当前锂电池能量密度的10倍。且该种糊状物可以方便采用常温常压的罐体封装,便于运输更换,不存在安全性问题。需要特别说明的是,本发明的其他实施例中还可使用其他的储氢材料,只要能实现相应功能即可。

固态储氢材料存储罐体105和储水罐体106分别与氢气发生器104相连。当需要制备氢气时,将固态储氢材料存储罐体105中的储氢材料和储水罐体106中的水加入氢气发生器104中进行反应,从而制备出所需氢气。

如图1所示,固态储氢材料存储罐体105和储水罐体106的底部(本实施例中为相对于螺旋桨101所在位置的另一端,在本发明其它实施例中,可为其他位置)分别设置有第二电机和第三电机107(图中107同时代表了第二电机和第三电机),固态储氢材料存储罐体105和储水罐体106的内部分别设有第一丝杆、第二丝杆108(图中108同时代表了第一丝杆、第二丝杆)和第一活塞机构、第二活塞机构109(图中109同时代表了第一活塞机构、第二活塞机构)。其中,第一丝杆分别与第二电机和第一活塞机构相连,第二丝杆分别与第三电机和第二活塞机构相连。即,固态储氢材料存储罐体105和储水罐体106分别配有一套电机、丝杆和活塞机构。

在第二电机和第三电机的作用下,第一活塞机构和第二活塞机构分别在第一丝杆和第二丝杆上往复运动,从而加注和排出固态储氢材料存储罐体105和储水罐体106内的储氢材料和水。

可选地,可按照反应的比例制定排料速率,从而提高原料的利用率和制氢效率。

在此需要特别说明,虽然图中107同时代表了第二电机和第三电机,图中108同时代表了第一丝杆、第二丝杆,图中109同时代表了第一活塞机构、第二活塞机构,但第二电机、第三电机是相互独立的,可单独也可同时工作,即便同时工作,也可单独控制。第一丝杆、第二丝杆,第一活塞机构、第二活塞机构也类似,不再赘述。此外,本实施例中为了节约空间将第二电机、第三电机,第一丝杆、第二丝杆,第一活塞机构、第二活塞机构设计在了一起,但在本申请其他实施例中,还可以有其他的设置方式。

图1所示的实施例中,动力系统100还包括反应废弃物存储器110。反应废弃物存储器110与氢气发生器104相连,用于存储制备氢气时所生成的反应废弃物。

反应废弃物存储器110底部设有第四电机111,反应废弃物存储器110内部设有第三丝杆112和第三活塞机构113。第三丝杆112分别与第四电机111和第三活塞机构113相连。在第四电机111的作用下,第三活塞机构113在第三丝杆112上往复运动,从而加注和排出反应废弃物存储器110内的反应废弃物。类似地,可按照反应的比例制定进料速率,从而能给反应废弃物留出足够的空间。当反应废弃物慢后,可通过排出口将其排出动力系统100中。

可选地,第二电机、第二电机和第四电机111的电能来自第一燃料电池103,可减少飞行器1000整体的重量。当然,也可单独给第二电机、第三电机和第四电机111配备电池。

图1所示的实施例中,动力系统100还包括集成安装架114。集成安装架114包括第一防火隔舱114a和第二防火隔舱114b。第一防火隔舱114a和第二防火隔舱114b采用陶瓷隔热材料与不锈钢板夹层结构组成,第一燃料电池103和氢气发生器104分别安装在第一防火隔舱114a和第二防火隔舱114b中。当氢气泄漏时,可防止引发的火灾范围扩大。

图1所示的实施例中,集成安装架114还包括第三防火隔舱114c和第四防火隔舱114d。固态储氢材料存储罐体105和储水罐体106放置在第三防火隔舱114c中,反应废弃物存储器110放置在第四防火隔舱114d中。

可选地,还可在上述各自的舱体里布置灭火装置。可选地,该灭火装置为粉末灭火器,当发现火警时,系统能自动检测到并自动喷洒粉末灭火剂,防止火灾蔓延。

如图1所示,本实施例中第一电机102安装在集成安装架114上。

如图1所示,动力系统100还包括整流罩115,其将除了螺旋桨101在外的所有的动力系统部件都包裹在内,即,第一电机102和集成安装架114都位于整流罩115内部。

本实施例中,如图3所示,整流罩115包括能够分别向两侧打开的第一舱尾整流罩115a和第二舱尾整流罩115b。其中,集成安装架114设有撑杆114e,当第一舱尾整流罩115a和第二舱尾整流罩115b打开后,通过两侧的撑杆支撑114e固定。可选地,第一舱尾整流罩115a和第二舱尾整流罩115b底部设有锁扣。

当动力系统100需要维护时,通过向两侧打开第一舱尾整流罩115a和第二舱尾整流罩115b,并通过撑杆114e支撑固定,便于系统件的定期维修检查。维护完成后放下撑杆114e,并通过第一舱尾整流罩115a和第二舱尾整流罩115b底部的锁扣完成对合锁紧。

机翼200包括第二燃料电池201。本发明中,第二燃料电池201与动力系统100的氢气发生器104相连,从而氢气发生器104内的氢气能进入第二燃料电池201中,为机翼200提供动力。

可选地,第一电机102、第二电机、第三电机和第四电机111中的一个或多个与第二燃料电池201相连,从而当第一燃料电池103没电时,第二燃料电池201可为其供电。

可选地,本发明中,储水罐体10与第一燃料电池103和/或所述第二燃料电池201的散热器相连。储水罐体里面的水可以用于燃料电池的水冷散热。

如图2所示,本实施例中,动力系统100的集成安装架114设有耳片114f和剪切销114g,机翼200通过耳片114f和剪切销114g与集成安装架114相连,从而实现动力系统100和机翼200的连接。

耳片114f和用于承受动力系统整体的法向、侧向载荷,剪切销114g用于承受吊舱整体的航向载荷,剪切销114g同时是将动力系统推力传递给飞行器的主要结构件。动力系统顶部的耳片114f和剪切销114g一起用于承受动力系统的扭矩与飞行器俯仰、偏航产生的陀螺力矩。

本发明的动力系统100类似一个吊舱的形式,可整体置换。

本实施例中,如图2所示,在整流罩115的两侧上方分别开有储氢材料和水的注入口,在整流罩115的侧下方设有反应废弃物的排放口。

当使用储氢材料powerpaste时,生成的反应废弃物是可以回收继续使用的,反应产生水和电能,水可以直接排放,电能供给电机使用。当储氢材料与水耗尽时,可以通过储氢材料和水的注入口及时注入反应原材料,并通过反应废弃物的排放口排出反应物运输到相应的制造工厂,将反应废弃物通过逆反应继续存储氢气。

参见图1和图2中的加粗箭头和文字说明,使用时,先将储氢材料和水通过注入口注入固态储氢材料存储罐体105和储水罐体106中,按照设定速度通过第二电机、第一丝杆、第一活塞机构和第三电机、第二丝杆、第二活塞机构分别将储氢材料和水送入氢气发生器104中进行反应生成氢气,氢气送入第一燃料电池103和第二燃料电池201中,与其中的氧气发生反应,生成电能和水,分别给第一电机102和机翼200(还可为第二电机、第三电机、第四电机111)供电。氢气发生器104排出的废弃物进入反应废弃物存储器110,按照设定的速度通过第四电机111、第三丝杆112和第三活塞机构113接收反应废弃物,当装满时,通过排出口排出。

本发提供的动力系统,除可以给飞行器自行提供绿色无污染动力之外,还可以给飞行器的燃料电池提供反应原料氢气,且制氢条件安全可靠。该动力系统作为集成式设计,可作为一个可更换单元整体更换,当出现动力故障时不需要在线维修,极大增加了飞机出勤率。

而且,通过与机翼上的燃料电池相结合,可以将原有的电动飞机续航时间由60~90分钟提高到10个小时,极大的增加了电动无人机的留空续航时间。

显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

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