燃料電池輔助動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)

劉曉羽

【摘 要】 航空工業(yè)的迅猛發(fā)展所帶來的能源消耗及環(huán)境污染使得尋求新型清潔高效的能源成為必然。燃料電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有高效率、無污染、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，通過了解燃料電池的基本原理進(jìn)行燃料電池系統(tǒng)主要組成部分的設(shè)計(jì)，并采用燃料電池和鋰電池并聯(lián)的混合供電系統(tǒng)作為飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置，用以替代我國(guó)國(guó)產(chǎn)輔助動(dòng)力裝置WDZ-1渦輪發(fā)電裝置。在需要時(shí)投入電網(wǎng)，在一定程度上可以降低燃油消耗、減少有害污染和噪聲。

【關(guān)鍵詞】 燃料電池 鋰電池 新能源 輔助動(dòng)力裝置 混合供電系統(tǒng)

1 WDZ-1輔助動(dòng)力裝置概述

某型飛機(jī)上安裝我國(guó)國(guó)產(chǎn)輔助動(dòng)力裝置WDZ-1渦輪發(fā)電裝置，其上安裝的直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)QF-24作為輔助電源，在無地面電源保障時(shí)，完成日常維護(hù)、飛行前準(zhǔn)備和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)等功能，在飛行中當(dāng)直流主電源故障時(shí)向機(jī)上重要和關(guān)鍵用電設(shè)備提供電能。WDZ-1渦輪發(fā)電機(jī)裝置中的QF-24直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)由WDZ-1燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)。向機(jī)上電網(wǎng)供電時(shí)的電壓為28.5V，額定輸出功率為18KW。

2 燃料電池基本原理

燃料電池是一種能夠?qū)N類燃料轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娀瘜W(xué)裝置[1]。燃料電池有很多種類型，其中PEM質(zhì)子交換膜燃料電池以其較低的工作溫度、高電流密度、高效率、價(jià)格適中的的優(yōu)點(diǎn)成為最具有應(yīng)用前景的新型能源[2]。PEM質(zhì)子交換膜燃料電池有兩個(gè)電極，在兩個(gè)電極間為具有滲透性的薄膜。氫氣從燃料電池的陽極進(jìn)入，分解為質(zhì)子和電子，帶正電的質(zhì)子穿過薄膜到達(dá)陰極，帶負(fù)電的電子經(jīng)由外部電路形成電流到達(dá)陰極，在催化劑的作用下與陰極注入的氧反應(yīng)生成水。其基本的工作原理如下[3]：

陽極：

陰極：

電壓是燃料電池的一個(gè)重要的特性，燃料電池的輸出電壓與壓力和溫度有關(guān)，圖1給出了典型氫氧燃料電池的極化曲線，從圖1可以看出，電流密度在1A/cm3，也即單體燃料電池的輸出電功率在 0.6W左右。

3 空氣管理系統(tǒng)

燃料電池的氧化劑可以來源與純氧氣或者空氣。研究資料[4]表明在同樣供氫速率情況下，向燃料電池的陰極供純氧氣比供空氣能產(chǎn)生較多的功率，具有較高的系統(tǒng)效率，能工作于較高的巡航速度，能減少由空氣污染造成的系統(tǒng)污染風(fēng)險(xiǎn)，而且省去了采用空氣供給系統(tǒng)所需要使用的空氣風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)以及過濾器，系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單。但由于大型民機(jī)輔助動(dòng)力裝置功率需求大，工作時(shí)間長(zhǎng)，若采用純氧供給，則需要在機(jī)上安裝儲(chǔ)氧裝置，既占據(jù)空間也會(huì)增加重量。而且每次在地面維護(hù)時(shí)需要進(jìn)行充氧，也給地面維護(hù)帶來了不便。因此本文采用空氣供給系統(tǒng)作為燃料電池氧氣的來源。

采用空氣供給作為燃料電池氧化劑的來源，則需進(jìn)行空氣管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。空氣管理系統(tǒng)的作用是將過濾后的空氣供到燃料電池反應(yīng)堆的陰極。空氣管理系統(tǒng)的主要組成有空氣過濾器、壓縮機(jī)/風(fēng)機(jī)以及加濕器。空氣過濾器的作用是過濾掉灰塵、其他顆粒和化學(xué)物質(zhì)，如是硫化物、氮化合物、一氧化碳和其他揮發(fā)性有機(jī)化合物等[5]。這些空氣中的污染物會(huì)損害燃料電池的性能。過濾后的空氣由風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)輸入到燃料電池，為延長(zhǎng)燃料電池的壽命，在將空氣輸送至燃料電池前應(yīng)將空氣加濕，從燃料電池陰極收集到的反應(yīng)物水可被用來進(jìn)行加濕?？諝夤芾硐到y(tǒng)簡(jiǎn)化框圖如圖2所示。

所需的空氣流量可由以下公式計(jì)算得出[6]：

其中：Pe-燃料電池功率

Vc-單體燃料電池的電壓

λ-氣流理想配比（至少為2）

代入Pe=18KW，得出所需的空氣量為：

Air=0.021kg/s

4 氫存儲(chǔ)與分配

由于氫的密度及能量密度都非常低，使得氫在存儲(chǔ)方式上有很多不便[7]。常用的氫的存儲(chǔ)主要有物理存儲(chǔ)和化學(xué)存儲(chǔ)兩種方式，物理存儲(chǔ)有壓縮氣態(tài)存儲(chǔ)和液態(tài)存儲(chǔ)?；瘜W(xué)存儲(chǔ)主要是通過吸附[8]。壓縮氣態(tài)存儲(chǔ)方式簡(jiǎn)單且應(yīng)用廣泛，但是存儲(chǔ)效率較低，因此對(duì)于大量氫的存儲(chǔ)，采用液態(tài)存儲(chǔ)是較為合理的存儲(chǔ)方式[8]。使用時(shí)先將液態(tài)氫通過熱交換器使之氣化，為將氫氣維持在某一特定壓力點(diǎn)，需經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)裝置。在進(jìn)入燃料電池前，應(yīng)將氫氣通過加濕器，以避免燃料電池交換膜過于干燥[9]。簡(jiǎn)化的氫氣分配系統(tǒng)框圖見圖3所示。

所需的氫氣流量可由以下公式計(jì)算得出[6]：

其中：Pe-燃料電池功率

Vc-單體燃料電池的電壓

代入Pe=18KW，得出所需要的氫氣用量為：

H2=3×10-4kg/s

5 水和熱管理系統(tǒng)

由于燃料電池反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生出水和大量的熱，因此進(jìn)行水和熱的管理對(duì)燃料電池長(zhǎng)期運(yùn)行是非常必要的。為了維持燃料電池工作所需的溫度，必須去除掉過多的熱量。水管理也很重要，燃料電池的質(zhì)子交換膜不能過濕也不能過于干燥，燃料電池水管理的目的就是在干燥與被水浸泡之間取得平衡[10]，以保證燃料電池較優(yōu)的性能等級(jí)。

燃料電池的制冷方式有水冷、氣冷和電解液制冷[11]，氣冷相對(duì)于水冷來說構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，但適應(yīng)于小于1KW的小型發(fā)電系統(tǒng)[8]。參考文獻(xiàn)[12]將三種制冷方式進(jìn)行了對(duì)比，得出對(duì)于大型發(fā)電系統(tǒng)來說，水冷是較為適合的制冷方式。簡(jiǎn)化的水熱管理系統(tǒng)框圖如圖4所示。在燃料電池的出口處接有冷凝裝置，水蒸汽從燃料電池的出口經(jīng)過冷凝器后將蒸汽中的水分進(jìn)行分離。將水存儲(chǔ)在儲(chǔ)水器里，用泵將水通過散熱器進(jìn)行循環(huán)，散熱裝置用來將燃料電池維持在所需的溫度。經(jīng)散熱裝置的水用于燃料電池的冷卻，同時(shí)還可用于加濕空氣和氫氣。

產(chǎn)生出水的產(chǎn)量為[6]：

其中：Pe-燃料電池功率

Vc-單體燃料電池的電壓

代入Pe=18KW，得出水的流量為：

Water Production=2.8×10-3kg/sendprint

6 混合供電系統(tǒng)

燃料電池具有較高的能量密度，但卻有較低的功率密度[13]，因此燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較為遲緩，而輔助動(dòng)力裝置在起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)階段，功率需求變化較大。鋰電池具有較高的功重比和快速的響應(yīng)速度[14]，將燃料電池與鋰電池組并聯(lián)，在突加突卸負(fù)載或起動(dòng)主發(fā)時(shí)等功率需求較大時(shí)，由鋰電池作為峰值功率源。

從圖1可以看出，單體燃料電池的輸出并不穩(wěn)定，并且燃料電池組的輸出電壓等級(jí)并不是匯流條的電壓等級(jí)，需要升壓式DC-DC轉(zhuǎn)換器將燃料電池輸出電壓等級(jí)轉(zhuǎn)換為匯流條電壓等級(jí)。鋰電池的輸出通過雙向DC-DC變換器，一方面可以將鋰電池組的輸出電壓轉(zhuǎn)化為所需的匯流條電壓等級(jí)，另一方面可將匯流條上多余的能量通過DC/DC變換器存儲(chǔ)在鋰電池組中，起到為鋰電池組充電的作用。選擇具有起動(dòng)特性的鋰離子電池，用于在起動(dòng)時(shí)提供峰值功率。燃料電池與鋰電池組并聯(lián)向機(jī)上電網(wǎng)供電的系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

7 結(jié)語

本文分析了燃料電池的基本原理，介紹了空氣管理系統(tǒng)，液態(tài)氫存儲(chǔ)，和水熱管理系統(tǒng)等燃料電池系統(tǒng)的主要組成部分，設(shè)計(jì)了燃料電池與鋰電池并聯(lián)的混合供電系統(tǒng)?？梢越鉀Q在飛機(jī)速度發(fā)生變化以及突加突卸負(fù)載時(shí)造成的功率變化情況下燃料電池由于自身特性不能及時(shí)響應(yīng)的問題。燃料電池作為輔助動(dòng)力裝置在飛機(jī)上的應(yīng)用目前尚處于論證階段，真正在飛機(jī)上的應(yīng)用還需要相關(guān)支撐技術(shù)的快速突破，例如提高氫氣存儲(chǔ)效率，提高燃料電池功重比以及鋰電池組在飛機(jī)上使用的安全性而帶來的適航問題等。

參考文獻(xiàn)：

[1]Nigel Sammes，Herman F.Coors，F(xiàn)uel cell technology：reaching towards commercialization，ISBN-10：1852339748.

[2]MICHAEL W.ELLIS，MICHAEL R.VON SPAKOVSKY，AND DOUGLAS J.NELSON，F(xiàn)uel Cell Systems：Efficient，F(xiàn)lexible Energy Conversion for the 21st Century，PROCEEDINGS OF THE IEEE，VOL.89，NO.12，DECEMBER 2001.

[3]Helen L.Maynard and Jeremy P.Meyers，Miniature fuel cells for portable power：Design considerations and challenges，J.Vac Sci.Technol.B，20（4），2002.

[4]Shinya Obara，F(xiàn)uel Cell Micro-grids，ISBN 978-1-84800-337-8.

[5]Professor Hulbert，F(xiàn)uel Cell Air Intake System，F(xiàn)inal Report

[6]James Larminie，Andrew Dicks，F(xiàn)uel Cell Systems Explained，Second Edition，ISBN 0-470-84857-X，2003.

[7]James Larminie，John Lowry，Electric Vehicle Technology Explained，August 2012，ISBN：978-1-1199-4273-3.

[8]US department of energy，Energy Efficiency & Renewable Efficiency （EERE），F(xiàn)uel cell technology program.

[9]Jiujun Zhang，PEM Fuel Cell Electrocatalysts and Catalyst Layers，F(xiàn)undamentals and Applications，ISBN 978-1-84800-935-6.

[10]Mengbo Ji and Zidong Wei，A Review of Water Management in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells.

[11]Leo J.M.J.Blomen，Michael N.Mugerwa，F(xiàn)uel cell systems.ISBN 0-306-44158-6，1993.

[12]Brian D.James，George N.Baum，F(xiàn)ranklin D.Lomax，Jr.，C.E.（Sandy） Thomas Ira F.Kuhn，Jr.Comparison of Onboard Hydrogen Storage for Fuel Cell Vehicles，May 1996.

[13]Michael B.Burnett，Lawrence J.Borle，Component sizing for a power system combining batteries and supercapacitors in a solar/hydrogen hybrid electric vehicle.

[14]A.Eid，H.El-Kishky，M.Abdel-Salam，T.El-Mohandes，Modeling and Characterization of an Aircraft ElectricPower System with a Fuel Cell-Equipped APUParalleled at Main AC Bus，2010 IEEE.endprint

6 混合供電系統(tǒng)

燃料電池具有較高的能量密度，但卻有較低的功率密度[13]，因此燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較為遲緩，而輔助動(dòng)力裝置在起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)階段，功率需求變化較大。鋰電池具有較高的功重比和快速的響應(yīng)速度[14]，將燃料電池與鋰電池組并聯(lián)，在突加突卸負(fù)載或起動(dòng)主發(fā)時(shí)等功率需求較大時(shí)，由鋰電池作為峰值功率源。

從圖1可以看出，單體燃料電池的輸出并不穩(wěn)定，并且燃料電池組的輸出電壓等級(jí)并不是匯流條的電壓等級(jí)，需要升壓式DC-DC轉(zhuǎn)換器將燃料電池輸出電壓等級(jí)轉(zhuǎn)換為匯流條電壓等級(jí)。鋰電池的輸出通過雙向DC-DC變換器，一方面可以將鋰電池組的輸出電壓轉(zhuǎn)化為所需的匯流條電壓等級(jí)，另一方面可將匯流條上多余的能量通過DC/DC變換器存儲(chǔ)在鋰電池組中，起到為鋰電池組充電的作用。選擇具有起動(dòng)特性的鋰離子電池，用于在起動(dòng)時(shí)提供峰值功率。燃料電池與鋰電池組并聯(lián)向機(jī)上電網(wǎng)供電的系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

7 結(jié)語

本文分析了燃料電池的基本原理，介紹了空氣管理系統(tǒng)，液態(tài)氫存儲(chǔ)，和水熱管理系統(tǒng)等燃料電池系統(tǒng)的主要組成部分，設(shè)計(jì)了燃料電池與鋰電池并聯(lián)的混合供電系統(tǒng)?？梢越鉀Q在飛機(jī)速度發(fā)生變化以及突加突卸負(fù)載時(shí)造成的功率變化情況下燃料電池由于自身特性不能及時(shí)響應(yīng)的問題。燃料電池作為輔助動(dòng)力裝置在飛機(jī)上的應(yīng)用目前尚處于論證階段，真正在飛機(jī)上的應(yīng)用還需要相關(guān)支撐技術(shù)的快速突破，例如提高氫氣存儲(chǔ)效率，提高燃料電池功重比以及鋰電池組在飛機(jī)上使用的安全性而帶來的適航問題等。

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6 混合供電系統(tǒng)

燃料電池具有較高的能量密度，但卻有較低的功率密度[13]，因此燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較為遲緩，而輔助動(dòng)力裝置在起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)階段，功率需求變化較大。鋰電池具有較高的功重比和快速的響應(yīng)速度[14]，將燃料電池與鋰電池組并聯(lián)，在突加突卸負(fù)載或起動(dòng)主發(fā)時(shí)等功率需求較大時(shí)，由鋰電池作為峰值功率源。

從圖1可以看出，單體燃料電池的輸出并不穩(wěn)定，并且燃料電池組的輸出電壓等級(jí)并不是匯流條的電壓等級(jí)，需要升壓式DC-DC轉(zhuǎn)換器將燃料電池輸出電壓等級(jí)轉(zhuǎn)換為匯流條電壓等級(jí)。鋰電池的輸出通過雙向DC-DC變換器，一方面可以將鋰電池組的輸出電壓轉(zhuǎn)化為所需的匯流條電壓等級(jí)，另一方面可將匯流條上多余的能量通過DC/DC變換器存儲(chǔ)在鋰電池組中，起到為鋰電池組充電的作用。選擇具有起動(dòng)特性的鋰離子電池，用于在起動(dòng)時(shí)提供峰值功率。燃料電池與鋰電池組并聯(lián)向機(jī)上電網(wǎng)供電的系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

7 結(jié)語

本文分析了燃料電池的基本原理，介紹了空氣管理系統(tǒng)，液態(tài)氫存儲(chǔ)，和水熱管理系統(tǒng)等燃料電池系統(tǒng)的主要組成部分，設(shè)計(jì)了燃料電池與鋰電池并聯(lián)的混合供電系統(tǒng)?？梢越鉀Q在飛機(jī)速度發(fā)生變化以及突加突卸負(fù)載時(shí)造成的功率變化情況下燃料電池由于自身特性不能及時(shí)響應(yīng)的問題。燃料電池作為輔助動(dòng)力裝置在飛機(jī)上的應(yīng)用目前尚處于論證階段，真正在飛機(jī)上的應(yīng)用還需要相關(guān)支撐技術(shù)的快速突破，例如提高氫氣存儲(chǔ)效率，提高燃料電池功重比以及鋰電池組在飛機(jī)上使用的安全性而帶來的適航問題等。

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[9]Jiujun Zhang，PEM Fuel Cell Electrocatalysts and Catalyst Layers，F(xiàn)undamentals and Applications，ISBN 978-1-84800-935-6.

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