采用PEM燃料电池的扫描鹰无人机完成飞行测试

巴拉德动力系统公司(Ballard Power Systems)的子公司Protonex公司已经成功完成了利用质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)燃料电池作为推进动力的扫描鹰(ScanEagle)的飞行测试。美军采购了由波音公司旗下Insitu公司负责研发的扫描鹰无人机,主要完成低空侦察、监视和目标采集。

采用PEM燃料电池的扫描鹰无人机完成飞行测试

该飞机具有包括高清成像在内的多种有效载荷能力,跟大型无人机系统相比,具有明显的低运行成本优势。Insitu公司近期与Orbital公司一同研发了改进型内燃机(internal combustion engine,ICE),并与Protonex公司实现了在两个推进系统间进行热交换。

Protonex公司和Insitu公司的联合研发内容主要是将现有PEM燃料电池技术与机身集成,动力系统采用带余度的双栈设计,能够提供1.2千瓦的动力。燃料电池采用氢罐替代了传统的内燃机油箱,氢罐位于机身重心位置。由于采用了无刷设计,实现了电机与推进装置的集成。燃料电池将产生1.2千瓦的热量,需要通过燃料电池散热器进行热管理。

尽管1.2千瓦的功率等级已经能够满足平飞的需求,但工程师还是通过再生混合电池系统将输出功率等级提升到2千瓦。高转矩用于在发射和爬升阶段为定距螺旋桨提供直接驱动力。Insitu公司的目标是确保飞机燃料电池系统不会发生中断稳,并且能够提供即插即用的解决方案。

尽管PEM技术存在多种替代技术,但鉴于PEM技术的成熟度高、功率密度大,Protonex公司仍然采用PEM燃料电池。PEM燃料电池的原理是通过氢离子或质子与氧的反应产生电力。燃料电池利用薄Nafion电解质膜将氢燃料与空气分离,并允许质子通过。电解质层涂覆有催化剂(和少量铂以保持化学稳定性)以加速化学反应。将两个疏水性气体扩散层放置在催化剂层的顶部,用以从催化剂表面除去水(反应的副产物)并为电子运动提供空间。

PEM燃料电池通过消耗氢形成电流。纯氢燃料由发射场提供,这些气态氢是装在高压气瓶中通过航运送至发射场地,或者在发射现场通过使用电解槽来将水分解成氢气和氧气来获取氢。

采用这两种方法在无人机发射现场所需要的设备数量大致相当。扫描鹰目前使用纺丝碳纤维覆盖层轻质铝罐来制备液态氢。Insitu公司正在与华盛顿州立大学共同开发重型大容量双层Dewer罐。

使用改进型内燃机动力装置,扫描鹰可以飞行22小时。尽管使用PEM燃料电池飞行时间仅为10小时,但仍远远高高于扫描鹰8.5小时的平均飞行时间。Insitu公司预计扫描鹰配备PEM燃料电池后,可以降低运营成本,减少大修和维护成本,减少机械部件。

Insera公司无人机在2017年8月初达到一百万飞行小时,尽管初始单位成本略高于改进型内燃机动力扫描鹰,但随着PEM燃料电池扫描鹰规模化生产和使用,将有可能会降低单位成本。

采用PEM燃料系统的扫描鹰具有更低的噪音和和振动水平,操作人员能够使无人机低噪音飞行并拍摄更清晰的图像。扫描鹰燃料电池系统还允许空中启停,使操作员能够在滑翔和动力飞行之间进行切换。

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