基于固体氧化物燃料电池的长航程无人机动力系统.docx

基于固体氧化物燃料电池的长航程无人机动力系统无人机作为一个新兴产业，具有灵活、智能、安全等优点，在民用、军用领域都带来了巨大的变革，2020年的全球无人机市场达到了 1270亿美元，相关应用涵盖了物流运输、情报侦查、工业测绘、紧急搜救、消防救灾等众多领域。与汽车等地面交通工具相比，无人机的运行工况更加复杂；需要进行长航时飞行的无人机对于动力系统的要求，不仅受到输出功率的限制，还受到体积和重量的限制。对于军用小型无人机，以其高效性、任务灵活性及信息获取等特点，提高了部队联合作战能力，并激发出新型作战样式，典型的任务如战术侦查、察打一体、通信中继对抗等。目前常规动力中空长航时无人机得到了比较广泛的应用，续航时间大体在24-40小时之间，如中国的长鹰、彩虹，美国的捕食者，以色列的赫尔墨斯等。但是军用小型无人机，由于体积小，载重小，电池功率密度低，微小型活塞发动机耗油率高，航时普遍不长，影响了无人机功效的发挥。小型长航时无人机动力技术成为各航空强国关注的焦点，期望能够有一个高效方案，以满足全方位的军事需求。从21世纪初开始，众多外国企业投资研究基于质子交换膜燃料电池的新能源动力系统,比如加拿大Bal lard 英国的Intelligent Energy 新加坡Horizon等。燃料电池的输出功率从500W-2000W左右，航时从5小时到40多小时。国内的相关研究虽然起步较晚，近几年取得了迅速地发展。比如辽宁通用航空研究院与大连化物所合作研发了 10kW级别的燃料电池于2012年在试验机上进行了成功的验证，并于2016年将燃料电池功率提高到20kW。为了实现无人机动力系统向着长航时/超长航时的进一步突破，固体氧化物燃料电池成为最近几年中最新的研究方向。与质子交换膜燃料电池不同，固体氧化物燃料电池可以直接使用多种碳氢化合物作为燃料。以丙烷为例，它的单位体积能量密度达到25 MJ/L,显著高于压缩氢气瓶或者液氢的能量密度(1.7-8.4 MJ/L) o图1（a）美国洛克希德 吗丁公司Stalker XE无人机；（b）英国Adelan公司SkywalkerX8小型无人机；（c） D350XR微管SOFC动力系统；（d）微管SOFC单电池小型固体氧化物燃料电池混合动力航空发动机展现出了巨大的应用潜力，特别是用于长航时无人机这一新兴领域。作为一种清洁高效的化学放电装置，大型化的传统平板式和管式固体氧化物燃料电池经过几十年的发展，已经广泛应用在众多几十千瓦到兆瓦级别、投入运行的商用电站。与此同时，整体设计的微型化也成为新的研究热点来满足小型、便携式或者移动电源的要求，从而进一步扩大其应用领域，比如直径从厘米降低到毫米级别的微管式构型设计。这种设计除了具有传统固体氧化物燃料电池的特点之外，还有着体积功率密度高、抗热震性能好、传质效率高、启动/关闭速度快等独特优势。基于此，本项目充分发挥了微型化固体氧化物燃料电池系统的特点，通过结构设计优化开发高性能微管SOFC动力系统，为小型长航程无人机的动力系统提供了很有潜力的可选方案。