專利名稱：應用于浮空器的可再生燃料電池的高效儲氣系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用于浮空器的可再生燃料電池的高效儲氣系統，屬于航空航天技術領域。
背景技術：
太陽能浮空器是一種極具發展潛力的新型飛行器，它以太陽能為動力來源，無需攜帶任何燃料，理論上可以實現永久空中飛行。白天，依靠鋪設于浮空器表面的光伏電池，太陽能浮空器將太陽能轉化為電能，一部分電能直接供螺旋槳和機載用電設備使用，維持浮空器的正常飛行，另一部分電能儲存在儲能裝置中，供夜間使用。能源動力系統以一天為一個循環，不需消耗任何燃料，因此太陽能浮空器具有數周至數月的超長航時。相比常規飛行器，太陽能浮空器優勢明顯，應用前景非常廣闊。可在生氫氧燃料電池是很理想的儲能裝置，其理論能量密度可達3400wh/kg，但受制于現實技術水平，特別是氫氣和氧氣的儲存重量效率，目前其能量密度只能達到300—500wh/kg，循環效率低于50%，儲能裝置重量占太陽能浮空器的比重很大，導致浮空器尺寸巨大，可行性差。提高氫氣和氧氣的儲存重量效率，對于提高可再生氫氧燃料電池的能量密度，進而減小太陽能浮空器的尺寸和重量，有著極其重要的意義。目前普遍采用的儲氣裝置是復合材料纏繞金屬內襯儲氣罐，儲氣壓力在30_70MPa之間，主要依靠鋁制內襯密封氣體，復合材料承受氣體壓力。氣罐的儲氣重量效率很低，且反復充放氣會導致金屬疲勞，因此氣罐的循環使用次數很有限，制約了其在超長航時飛行器上的應用。
發明內容
本發明的目的是為了解決上述問題，提出一種應用于浮空器的可再生燃料電池的高效儲氣系統，通過改變氫氣和氧氣的儲存形式，提高儲氣重量效率，進而提高可再生氫氧燃料電池的能量密度、循環效率和循環壽命，減小太陽能浮空器的尺寸和體積。一種應用于浮空器的可再生燃料電池的高效儲氣系統，包括連接件、氫氣囊、輸氣管路、可再生燃料電池和氧氣囊；連接件、氫氣囊、輸氣管路、可再生燃料電池和氧氣囊均位于浮空器外殼內部，氫氣囊通過連接件懸掛固定在浮空器外殼的頂部，氫氣囊與浮空器外殼之間設有間隙，氧氣囊通過另外一個連接件固定在外殼的底部，氫氣囊通過輸氣管路與可再生燃料電池相連，氧氣囊通過另一個輸氣管路與可再生燃料電池相連，浮空器外殼內部充滿氦氣。本發明的優點在于:(I)提高了儲氣重量效率和可再生燃料電池系統能量密度。現在一般采用高壓氣罐儲氣技術存儲氫氣和氧氣，對于氫氣的儲存重量效率在7%左右。本發明的儲氣方式可將氫氣的儲存重量效率提高到20%左右。儲存重量效率的增加，提高了可再生燃料電池系統的能量密度；
(2)提高了可再生燃料電池系統循環效率。現有的采用高壓氣罐儲氣技術，在將燃料電池電解水產生的氫氣和氧氣儲存進氣罐時，需對氫氣和氧氣加壓做功，一般需加壓到30— 70MPa。加壓過程需消耗大量的能量，降低了可再生燃料電池系統循環效率。本發明的氣囊儲氣方式，不需對氣體進行加壓處理，電解水產生的氫氣和氧氣可以直接儲存到氣囊中，提高了可再生燃料電池系統循環效率；(3)降低了儲氣系統的耐壓要求，提高了可再生燃料電池系統可靠性和循環壽命。由于氣囊采用低壓儲氣方式，相應的輸氣管路的耐壓要求大大降低，簡化了加壓和降壓設備，提高了可再生燃料電池系統可靠性。高壓氣罐為了密封氣體，采用鋁制內襯，反復充放氣會導致金屬疲勞，因此氣罐的循環使用次數很有限，而采用柔性的氣囊儲氣則不存在該問題，使用壽命大大提高。
圖1是本發明的結構組成示意圖。圖中:1-浮空器外殼；2_連接件；3_氫氣囊；4_輸氣管路；5_可再生燃料電池；6_氧氣囊；7-浮空器尾翼。
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明是一種應用于浮空器的可再生燃料電池的高效儲氣系統，如圖1所示，包括連接件2、氫氣囊3、輸氣管路4、可再生燃料電池5和氧氣囊6 ；連接件2、氫氣囊3、輸氣管路4、可再生燃料電池5和氧氣囊6均位于浮空器外殼I內部，氫氣囊3通過連接件2懸掛固定在浮空器外殼I的頂部，氫氣囊3與浮空器外殼I之間設有間隙，氧氣囊6通過另外一個連接件2固定在外殼I的底部，氫氣囊3通過輸氣管路4與可再生燃料電池5相連，氧氣囊6通過另一個輸氣管路4與可再生燃料電池5相連，浮空器外殼I內部充滿氦氣。所述的氫氣囊3和氧氣囊6采用高強度、高阻隔、輕質柔性薄膜材料，材料可以有效阻隔氣體泄漏，并承受拉應力。所述的氫氣囊3和氧氣囊6采用超壓儲氣方式，根據氣囊材料的抗拉強度，適當加壓所儲氣體，以減小氣囊體積和重量，提高氣囊儲氣重量效率。本發明中采用兩只內部氣囊儲存參與燃料電池反應的氫氣和氧氣，氫氣囊3和氧氣囊6分開布置，通過連接件2與浮空器外氣囊I固定，氫氣囊3依靠重力并通過連接件2懸掛在浮空器外殼I上部，與浮空器外殼I保持一定間距，防止互相摩擦產生靜電，氫氣囊3和氧氣囊6中間充滿氦氣,可以保證安全。本發明充分利用浮空器內部巨大的體積，利用兩只相互獨立的氣囊儲存參與燃料電池反應的氫氣和氧氣，提高氣體的儲存重量效率，減少儲氣過程中的能量消耗，且不存在金屬疲勞問題，可提高可再生氫氧燃料電池系統的能量密度、循環效率和循環壽命。工作過程:氫氣囊3和氧氣囊6參與可再生燃料電池5的反應過程。可再生燃料電池5放電反應時，氫氣囊3和氧氣囊6依靠氣囊的內外壓差，分別將氫氣和氧氣通過輸氣管路4輸入可再生燃料電池5中，參與放電反應；可再生燃料電池5電解水時，電解產生的氫氣和氧氣通過輸氣管路4分別輸入氫氣囊3和氧氣囊6中儲存起來。氫氣和氧氣在可再生燃料電池5中反應,產生電能；電機將電能轉化為機械能，并帶動螺旋槳旋轉，為浮空器提供動力。浮空器尾翼7用來保證浮空器的穩定性和操縱性。本發明用氫氣囊和氧氣囊代替傳統的高壓儲氣罐，儲存參與可再生燃料電池反應的氫氣和氧氣，具有以下特征:1、采用氫氣囊3和氧氣囊6代替傳統的高壓儲氣罐，儲存參與可再生燃料電池5反應的氫氣和氧氣。2、氫氣囊3和氧氣囊6采用超壓儲氣方式，根據氣囊材料的抗拉強度，適當加壓所儲氣體，以減小氣囊體積和重量，提高氣囊儲氣重量效率。3、氫氣囊3和氧氣囊6分開布置，通過連接件2與浮空器外殼I固定，氫氣囊3依靠重力并通過連接件2懸掛在浮空器外殼I上部，與浮空器外殼I保持一定間距，防止互相摩擦產生靜電，氫氣囊3和氧氣囊6中間充滿氦氣，可以保證安全。
權利要求
1.一種應用于浮空器的可再生燃料電池的高效儲氣系統，包括連接件(2)、氫氣囊(3)、輸氣管路(4)、可再生燃料電池(5)和氧氣囊(6); 連接件(2)、氫氣囊(3)、輸氣管路(4)、可再生燃料電池(5)和氧氣囊(6)均位于浮空器外殼(I)內部，氫氣囊(3)通過連接件(2)懸掛固定在浮空器外殼(I)的頂部，氫氣囊(3)與浮空器外殼(I)之間設有間隙，氧氣囊(6)通過另外一個連接件(2)固定在外殼(I)的底部，氫氣囊(3)通過輸氣管路(4)與可再生燃料電池(5)相連，氧氣囊(6)通過另一個輸氣管路(4 )與可再生燃料電池(5 )相連，浮空器外殼(I)內部充滿氦氣。
2.根據權利要求1所述的一種應用于浮空器的可再生燃料電池的高效儲氣系統，所述的氫氣囊(3)和氧氣囊(6)采用高強度、高阻隔、輕質柔性薄膜材料。
3.根據權利要求1所述的一種應用于浮空器的可再生燃料電池的高效儲氣系統，所述的氫氣囊(3)和氧氣囊(6)采用超壓儲氣方式。
全文摘要
本發明公開了一種應用于浮空器的可再生燃料電池的高效儲氣系統，本發明充分利用浮空器內部巨大的體積，利用兩只相互獨立的氣囊儲存參與燃料電池反應的氫氣和氧氣，提高了氣體的儲存重量效率，減少了儲氣過程中的能量消耗，提高了可再生氫氧燃料電池系統的能量密度、循環效率和循環壽命。本發明利用氦氣的阻燃特性，保證氫氣囊和氧氣囊的安全；利用氣囊材料的力學性能，通過氣囊的超壓儲氣，減小氣囊體積和重量，減小儲氣體積變化對浮空器內外壓差的影響。
文檔編號H01M8/04GK103094591SQ20131002997
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月25日 優先權日2013年1月25日
發明者馬東立, 包文卓, 喬宇航 申請人:北京航空航天大學