[发明专利]燃料电池无人机

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池无人机领域，特别是涉及一种结构简单、轻量化、多旋翼、具有长续驶里程的燃料电池无人机以及控制燃料电池无人机飞行的方法。

背景技术

无人机、即无人驾驶飞机(Unmanned aerial vehicle，缩写UAV)是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机实际上是无人驾驶飞行器的统称，从技术角度定义可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇和无人伞翼机等。无人机的特点是机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。

在无人机的各种类型中，多旋翼式无人机由于其操控简单、可靠性高等优点已逐步成为微小型无人机或航模的主流类型。但是，多旋翼无人机的续航里程一直是其设计发展的软肋。例如，以锂电池为动力的多旋翼无人机的普遍航时不足半小时，因而不能有效进行超视距飞行，尤其难以克服山地、水域等复杂地形，因此无法完成专业复杂的飞行任务。

目前，已知采用燃料电池来作为无人机的动力源之一。一般来说，燃料电池包含阴阳两个电极，两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由燃料电池的阳极进入，氧气(或空气)则由阴极进入燃料电池。经由催化剂的作用，使得阳极的氢分子分解成两个质子与两个电子，其中质子被氧吸引到薄膜的另一边，电子则经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，质子、氧及电子，发生反应形成水分子。因此，燃料电池系统具有能量密度高、低噪音和零排放等优点，近年来被应用于无人机领域，从而使得无人机的续驶里程有长足的提升，并能实现运行过程中碳的零排放。

例如，研发制造无人机系统的以色列宇航工业公司(IAI)和英国氢能源先进新材料企业Cella Energy公司尝试利用Cella公司的固氢燃料系统技术为IAI旗下的一款“鸟眼”微型无人机研发出一种燃料电池供能系统。Cella公司将氢能技术取代了现有的锂聚合物电池，将其用作微型无人机系统的能量来源。Cella研发的储氢材料在加热至0摄氏度以上时会在数分钟内释放。每克材料的安全容量相当于约一升的气态氢。这款“鸟眼”无人机通过燃料电池搭载测试使续航能力从2小时提升至6小时。

又例如，市场上目前还存在由Horizon Unmanned Systems公司打造的Hycopter无人机净重约5kg，其采用锂电池与燃料电池作为混合动力。Hycopter无人机在无负重的状态下飞行四小时之久，续航力是目前同级机种的八到十倍，携带1kg的飞行载荷实现2.5小时的飞行时间。

然而，为了进一步增加续航里程，从飞行器设计的角度讲，降低整个无人机的结构重量是始终追求的目标。因此，行业内仍然存在对于燃料电池无人机的重量降低的需求。

发明内容

目前市场上已有的燃料电池无人机存在多个问题。首先，此类无人机的结构较为复杂，尤其是额外需要氢瓶储存燃料，并且需要风扇来对燃料电池进行散热和为燃料电池供给空气。这些辅助设备的存在与使用都与燃料电池堆的轻量化设计以及具有较高的集成度的设计方向相悖。其次，燃料电池系统的整体成本较高，其中，氢瓶不但重量大而且价格也一直居高不下。另外，与其配套使用的减压阀技术难度高且仅能通过进口方式购买，因此成本十分高昂。

为了解决上述问题，本发明通过合理的设计在燃料电池无人机中安装能够向无人机提供升力的可充胀的储氢构件，由此一方面可以降低燃料电池无人机在起飞阶段和巡航阶段对燃料电池功率的需求，另一方面也能储存氢气，减轻氢瓶的重量，以此减小燃料电池的功率和储氢系统，从而降低燃料电池系统的成本，同时增加续航里程。

更进一步，充胀构件通常所具有的较大体积在燃料电池无人机的飞行过程中可能会受到空中气流的影响而产生摆动，因此，存在影响整机稳定性的风险。 为此，也需要对旋翼进行相应调节、进行相应补偿以实时地抵消由于充胀构件所带来的不利影响或不稳定因素。

为此，本发明通过如下一种燃料电池无人机来实现上述目的，该燃料电池无人机包括燃料电池系统、机架、飞行提升构件和控制机构，其中，燃料电池系统与供给氢气的氢气源相连通并为所述燃料电池无人机提供动力，以经由所述控制机构使飞行提升构件旋转从而进行飞行，其中，该燃料电池无人机还包括至少一个可充胀的储氢构件，所述可充胀的储氢构件也与所述氢气源相连通，在需要增加升力时，所述氢气源向所述可充胀的储氢构件供给氢气，以使其充胀，在需要减少升力时，所述可充胀的储氢构件内的氢气被供给到燃料电池系统来消耗，以使其收缩。