燃料電池飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)概述

楊明明+張利國(guó)

摘 要：燃料電池作為一種清潔高效電化學(xué)發(fā)電裝置，正被逐步應(yīng)用在汽車(chē)和輕型飛機(jī)上。首先對(duì)PEMFC進(jìn)行介紹;分析對(duì)比氫的制取和儲(chǔ)存技術(shù);重點(diǎn)分析了燃料電池的電動(dòng)力系統(tǒng)及其子系統(tǒng);分析氫氣安全問(wèn)題;最后指出燃料電池電動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展需要解決的技術(shù)課題。

關(guān)鍵詞：燃料電池 ?PEMFC ?氫 ?電動(dòng)力系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：V242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（b）-0096-02

燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。與熱機(jī)過(guò)程的多步驟（如從化學(xué)能到熱能，再到機(jī)械能，最后到電能）相比，燃料電池的直接轉(zhuǎn)化（從化學(xué)能到電能）具有明顯的優(yōu)勢(shì)。例如，目前以燃燒燃料為基礎(chǔ)的能源發(fā)電技術(shù)對(duì)環(huán)境損害嚴(yán)重，如氣候變化，臭氧層破壞，酸雨，植被覆蓋減少等等。此外，這些技術(shù)依賴(lài)的化石燃料有限，全球燃料供應(yīng)呈日益減少的趨勢(shì)。[1]

燃料電池則提供了一種清潔有效的能量轉(zhuǎn)換途徑。此外，作為可再生能源和現(xiàn)代能源的載體，氫氣可以作為燃料電池的能量來(lái)源。燃料電池的靜態(tài)特性決定了其無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)的安靜運(yùn)行模式，而其固有的模塊化設(shè)計(jì)則保證其尺寸的靈活性，可根據(jù)需要進(jìn)行組合，電量大小易于調(diào)節(jié)。因此燃料電池技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的清潔高效能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。

根據(jù)所用電解質(zhì)的不同，可以將燃料電池分為5種主要類(lèi)型：堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）[2]，其中PEMFC最適合用作汽車(chē)、輕型飛機(jī)的動(dòng)力電源。PEMFC常見(jiàn)的能量來(lái)源是氫氣。

1 PEMFC簡(jiǎn)介

質(zhì)子交換膜燃料電池的主要部件包括膜電極組件、雙極板以及密封元件等[3]。

燃料電池的工作方式與內(nèi)燃機(jī)類(lèi)似，燃料電池系統(tǒng)通常包括氧化劑供應(yīng)、燃料供應(yīng)、水熱管理及電控等子系統(tǒng)，相對(duì)較為復(fù)雜。理論上只要不斷為燃料電池供給氧化劑與燃料，其就可以持續(xù)發(fā)電。

此外，為了維持燃料電池連續(xù)正常工作，還須有一套包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等在內(nèi)的輔助系統(tǒng)?？窟@些輔助系統(tǒng)，燃料電池本體能得到所需氧化劑和燃料，并不斷排出燃料電池反應(yīng)所生成的水和熱。

2 氫的制取和儲(chǔ)存

2.1 氫的制取

根據(jù)目前的技術(shù)水平，主要有兩種方法來(lái)制取氫氣：一種是化石能源（主要是天然氣、石油和煤）蒸汽重整法，這是目前制氫的主要方法，約占?xì)錃鈦?lái)源的97%;另一種是電解水法[4]，但是此法要求較高，消耗較大。一般而言，燃料電池飛機(jī)所用的氫氣來(lái)自化石能源蒸汽重整。

2.2 氫的儲(chǔ)存

燃料電池飛機(jī)上的氫氣儲(chǔ)存主要以液體形式為主，氫氣罐可以放在兩側(cè)機(jī)翼，這樣可以在不對(duì)飛機(jī)做重大修改的情況下充分利用機(jī)上空間。氫氣的存在狀態(tài)取決于壓力和溫度，只有在超低溫和高壓條件下，氫氣以液態(tài)形式存在。氫氣的比重很低，所以需要采取措施以提高氫氣儲(chǔ)存的效率。目前，主要有三種氫的儲(chǔ)存方法：高壓氣瓶?jī)?chǔ)存、液化儲(chǔ)存和儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)存，三種儲(chǔ)存方式的比較見(jiàn)表1。

從技術(shù)難度、成本、能耗等方面進(jìn)行綜合考慮，選擇高壓氣瓶?jī)?chǔ)存方式。與電動(dòng)汽車(chē)類(lèi)似，氫的儲(chǔ)存是阻礙燃料電池在飛機(jī)上應(yīng)用的瓶頸之一。目前，世界各國(guó)均設(shè)計(jì)了采用高壓罐與儲(chǔ)氫材料相結(jié)合的燃料罐，但是效果仍不是很理想。

3 飛機(jī)配置研究

3.1 燃料電池系統(tǒng)組成

現(xiàn)有燃料電池的瞬時(shí)功率不大，比能量（參與電極反應(yīng)的單位質(zhì)量的電極材料放出電能的大小稱(chēng)為該電池的比能量）不高，如果只依賴(lài)燃料電池完成滑跑、起飛、巡航、降落等任務(wù)，燃料電池堆和燃料的重量再加上結(jié)構(gòu)重量將超過(guò)現(xiàn)有輕型飛機(jī)的起飛重量。所以采用燃料電池加鋰離子電池的方案。在巡航過(guò)程中由燃料電池為鋰電池充電以獲得更遠(yuǎn)的航程，在起飛和爬升等其他任務(wù)時(shí)由鋰電池為電動(dòng)機(jī)等設(shè)備提供電力。圖1為燃料電池飛機(jī)的推進(jìn)和能源系統(tǒng)示意圖。

燃料電池將氫氣罐中的氫氣和空氣中的氧氣轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)電能管理和分配系統(tǒng)（PMAD）為鋰電池充電，電源管理系統(tǒng)根據(jù)油門(mén)踏板的動(dòng)作將電能分配給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳為飛機(jī)產(chǎn)生推力。

3.2 燃料電池電動(dòng)力系統(tǒng)研究

燃料電池電動(dòng)力系統(tǒng)原理如圖2所示。系統(tǒng)的工作過(guò)程為：燃料電池是整個(gè)系統(tǒng)的主電源，鋰離子電池組輸出直流電，DC-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓和電流進(jìn)行調(diào)制后輸送給直流電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳推動(dòng)飛機(jī)飛行。若選擇直流電機(jī)則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，若選擇交流電機(jī)則需要增加DC-AC逆變器，這無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)較為復(fù)雜，因此在電動(dòng)力系統(tǒng)中選擇直流電機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行由綜合控制系統(tǒng)——飛機(jī)管理單元進(jìn)行控制。鋰離子電池為在飛機(jī)起飛和爬升階段為電機(jī)提供額外的電功率，還可用作備份電源，以保證飛行安全。

3.3 燃料電池子系統(tǒng)研究

在輕型飛機(jī)中，一般使用空氣或氧氣作為氧化劑。氫氣—空氣和氫氣—氧氣質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)框圖如圖3所示。

供給質(zhì)子交換膜燃料電池的氫燃料（氣體或液態(tài)）和液氧需要加熱和增濕，以達(dá)到電池工作溫度和膜元件適宜的濕度。外界空氣需要增壓和增濕。中間冷卻器用于保證二級(jí)壓縮機(jī)的工作溫度。壓縮機(jī)要消耗部分燃料電池功率。質(zhì)子交換膜燃料電池堆的水管理很重要，主要通過(guò)調(diào)整反應(yīng)物濕度與陽(yáng)極氣流速率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 氫氣安全研究

為了保證燃料電池飛機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要有安全有效的供氫系統(tǒng)。在燃料電池飛機(jī)上，供氫系統(tǒng)一般包括電磁閥、安全閥、溢流閥、熱熔栓、手動(dòng)截止閥、溫度傳感器和壓力傳感器等在內(nèi)的輔助安全裝置。

燃料電池飛機(jī)內(nèi)部有高壓氣體容器和高電壓電池，因此它既存在傳統(tǒng)機(jī)載設(shè)備各容器和電池之間的碰撞問(wèn)題，同時(shí)由于氫的內(nèi)在特性，也對(duì)其安全性形成巨大挑戰(zhàn)。與氫安全相關(guān)的問(wèn)題主要有兩個(gè)。

（1）泄露性。氫的分子量最小，擴(kuò)散速度快，容易泄露。與汽油、天然氣和丙烷相比，氫氣具有更快的擴(kuò)散性和更大的浮力，一旦發(fā)生泄露，其危險(xiǎn)程度會(huì)很大。氫在空氣中的著火點(diǎn)很低，而且氫氣火焰幾乎看不到，增加了其危險(xiǎn)性。

（2）氫氣罐保護(hù)。高壓氫氣罐的固定支架和鋼帶應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以保證在碰撞過(guò)程中，避免造成連接管路的斷裂、變形和氫氣的大量泄漏。因此提出安全有效的氫氣罐保護(hù)措施，即氫氣罐保護(hù)系統(tǒng)采用整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

5.1 不足之處和亟待解決的問(wèn)題

現(xiàn)有燃料電池存在重量大、技術(shù)成熟度低、比功率低的問(wèn)題，并存在環(huán)境差，運(yùn)行效率低的問(wèn)題。這些問(wèn)題在燃料電池飛機(jī)上會(huì)顯得更加明顯。

氫燃料密度低、易燃燒，制備、密封、阻燃、安全控制技術(shù)復(fù)雜，供應(yīng)與運(yùn)輸也存在問(wèn)題。目前燃料電池飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)難題是氫燃料的儲(chǔ)存。

燃料電池子系統(tǒng)的不足之處在于效率較低，廢熱浪費(fèi)較多，散熱系統(tǒng)復(fù)雜。

5.2 結(jié)論

經(jīng)過(guò)發(fā)展，燃料電池電動(dòng)力系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足燃料電池電動(dòng)飛機(jī)的基本使用要求。但是當(dāng)前燃料電池飛機(jī)電動(dòng)力系統(tǒng)仍然存在性能低、重量和體積大、費(fèi)用高、技術(shù)不成熟等不足之處，系統(tǒng)性能有限，還不能充分滿(mǎn)足電動(dòng)飛機(jī)的要求。相信隨著相關(guān)技術(shù)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作的加強(qiáng)和深入，燃料電池電動(dòng)力系統(tǒng)定能推動(dòng)燃料電池電動(dòng)飛機(jī)實(shí)現(xiàn)革命性發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] Omar Z.Sharaf，Mehmet F.Orhan.An overview of fuel cell technology：Fundamentals and applications[R].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，32： 810-853 .

[2] 黃莎華，劉之景，王克逸.燃料電池開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].化學(xué)通報(bào)，2004（67）：1-7.

[3] 侯明，衣寶廉.燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].電化學(xué)，2012，18（1）：1-13.

[4] 許震宇，周華，楊志剛.電動(dòng)力輕型飛機(jī)的研制[J].航空科學(xué)技術(shù)，2007（6）：26-30.endprint

摘 要：燃料電池作為一種清潔高效電化學(xué)發(fā)電裝置，正被逐步應(yīng)用在汽車(chē)和輕型飛機(jī)上。首先對(duì)PEMFC進(jìn)行介紹;分析對(duì)比氫的制取和儲(chǔ)存技術(shù);重點(diǎn)分析了燃料電池的電動(dòng)力系統(tǒng)及其子系統(tǒng);分析氫氣安全問(wèn)題;最后指出燃料電池電動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展需要解決的技術(shù)課題。

關(guān)鍵詞：燃料電池 ?PEMFC ?氫 ?電動(dòng)力系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：V242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（b）-0096-02

燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。與熱機(jī)過(guò)程的多步驟（如從化學(xué)能到熱能，再到機(jī)械能，最后到電能）相比，燃料電池的直接轉(zhuǎn)化（從化學(xué)能到電能）具有明顯的優(yōu)勢(shì)。例如，目前以燃燒燃料為基礎(chǔ)的能源發(fā)電技術(shù)對(duì)環(huán)境損害嚴(yán)重，如氣候變化，臭氧層破壞，酸雨，植被覆蓋減少等等。此外，這些技術(shù)依賴(lài)的化石燃料有限，全球燃料供應(yīng)呈日益減少的趨勢(shì)。[1]

燃料電池則提供了一種清潔有效的能量轉(zhuǎn)換途徑。此外，作為可再生能源和現(xiàn)代能源的載體，氫氣可以作為燃料電池的能量來(lái)源。燃料電池的靜態(tài)特性決定了其無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)的安靜運(yùn)行模式，而其固有的模塊化設(shè)計(jì)則保證其尺寸的靈活性，可根據(jù)需要進(jìn)行組合，電量大小易于調(diào)節(jié)。因此燃料電池技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的清潔高效能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。

根據(jù)所用電解質(zhì)的不同，可以將燃料電池分為5種主要類(lèi)型：堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）[2]，其中PEMFC最適合用作汽車(chē)、輕型飛機(jī)的動(dòng)力電源。PEMFC常見(jiàn)的能量來(lái)源是氫氣。

1 PEMFC簡(jiǎn)介

質(zhì)子交換膜燃料電池的主要部件包括膜電極組件、雙極板以及密封元件等[3]。

燃料電池的工作方式與內(nèi)燃機(jī)類(lèi)似，燃料電池系統(tǒng)通常包括氧化劑供應(yīng)、燃料供應(yīng)、水熱管理及電控等子系統(tǒng)，相對(duì)較為復(fù)雜。理論上只要不斷為燃料電池供給氧化劑與燃料，其就可以持續(xù)發(fā)電。

此外，為了維持燃料電池連續(xù)正常工作，還須有一套包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等在內(nèi)的輔助系統(tǒng)。靠這些輔助系統(tǒng)，燃料電池本體能得到所需氧化劑和燃料，并不斷排出燃料電池反應(yīng)所生成的水和熱。

2 氫的制取和儲(chǔ)存

2.1 氫的制取

根據(jù)目前的技術(shù)水平，主要有兩種方法來(lái)制取氫氣：一種是化石能源（主要是天然氣、石油和煤）蒸汽重整法，這是目前制氫的主要方法，約占?xì)錃鈦?lái)源的97%;另一種是電解水法[4]，但是此法要求較高，消耗較大。一般而言，燃料電池飛機(jī)所用的氫氣來(lái)自化石能源蒸汽重整。

2.2 氫的儲(chǔ)存

燃料電池飛機(jī)上的氫氣儲(chǔ)存主要以液體形式為主，氫氣罐可以放在兩側(cè)機(jī)翼，這樣可以在不對(duì)飛機(jī)做重大修改的情況下充分利用機(jī)上空間。氫氣的存在狀態(tài)取決于壓力和溫度，只有在超低溫和高壓條件下，氫氣以液態(tài)形式存在。氫氣的比重很低，所以需要采取措施以提高氫氣儲(chǔ)存的效率。目前，主要有三種氫的儲(chǔ)存方法：高壓氣瓶?jī)?chǔ)存、液化儲(chǔ)存和儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)存，三種儲(chǔ)存方式的比較見(jiàn)表1。

從技術(shù)難度、成本、能耗等方面進(jìn)行綜合考慮，選擇高壓氣瓶?jī)?chǔ)存方式。與電動(dòng)汽車(chē)類(lèi)似，氫的儲(chǔ)存是阻礙燃料電池在飛機(jī)上應(yīng)用的瓶頸之一。目前，世界各國(guó)均設(shè)計(jì)了采用高壓罐與儲(chǔ)氫材料相結(jié)合的燃料罐，但是效果仍不是很理想。

3 飛機(jī)配置研究

3.1 燃料電池系統(tǒng)組成

現(xiàn)有燃料電池的瞬時(shí)功率不大，比能量（參與電極反應(yīng)的單位質(zhì)量的電極材料放出電能的大小稱(chēng)為該電池的比能量）不高，如果只依賴(lài)燃料電池完成滑跑、起飛、巡航、降落等任務(wù)，燃料電池堆和燃料的重量再加上結(jié)構(gòu)重量將超過(guò)現(xiàn)有輕型飛機(jī)的起飛重量。所以采用燃料電池加鋰離子電池的方案。在巡航過(guò)程中由燃料電池為鋰電池充電以獲得更遠(yuǎn)的航程，在起飛和爬升等其他任務(wù)時(shí)由鋰電池為電動(dòng)機(jī)等設(shè)備提供電力。圖1為燃料電池飛機(jī)的推進(jìn)和能源系統(tǒng)示意圖。

燃料電池將氫氣罐中的氫氣和空氣中的氧氣轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)電能管理和分配系統(tǒng)（PMAD）為鋰電池充電，電源管理系統(tǒng)根據(jù)油門(mén)踏板的動(dòng)作將電能分配給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳為飛機(jī)產(chǎn)生推力。

3.2 燃料電池電動(dòng)力系統(tǒng)研究

燃料電池電動(dòng)力系統(tǒng)原理如圖2所示。系統(tǒng)的工作過(guò)程為：燃料電池是整個(gè)系統(tǒng)的主電源，鋰離子電池組輸出直流電，DC-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓和電流進(jìn)行調(diào)制后輸送給直流電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳推動(dòng)飛機(jī)飛行。若選擇直流電機(jī)則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，若選擇交流電機(jī)則需要增加DC-AC逆變器，這無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)較為復(fù)雜，因此在電動(dòng)力系統(tǒng)中選擇直流電機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行由綜合控制系統(tǒng)——飛機(jī)管理單元進(jìn)行控制。鋰離子電池為在飛機(jī)起飛和爬升階段為電機(jī)提供額外的電功率，還可用作備份電源，以保證飛行安全。

3.3 燃料電池子系統(tǒng)研究

在輕型飛機(jī)中，一般使用空氣或氧氣作為氧化劑。氫氣—空氣和氫氣—氧氣質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)框圖如圖3所示。

供給質(zhì)子交換膜燃料電池的氫燃料（氣體或液態(tài)）和液氧需要加熱和增濕，以達(dá)到電池工作溫度和膜元件適宜的濕度。外界空氣需要增壓和增濕。中間冷卻器用于保證二級(jí)壓縮機(jī)的工作溫度。壓縮機(jī)要消耗部分燃料電池功率。質(zhì)子交換膜燃料電池堆的水管理很重要，主要通過(guò)調(diào)整反應(yīng)物濕度與陽(yáng)極氣流速率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 氫氣安全研究

為了保證燃料電池飛機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要有安全有效的供氫系統(tǒng)。在燃料電池飛機(jī)上，供氫系統(tǒng)一般包括電磁閥、安全閥、溢流閥、熱熔栓、手動(dòng)截止閥、溫度傳感器和壓力傳感器等在內(nèi)的輔助安全裝置。

燃料電池飛機(jī)內(nèi)部有高壓氣體容器和高電壓電池，因此它既存在傳統(tǒng)機(jī)載設(shè)備各容器和電池之間的碰撞問(wèn)題，同時(shí)由于氫的內(nèi)在特性，也對(duì)其安全性形成巨大挑戰(zhàn)。與氫安全相關(guān)的問(wèn)題主要有兩個(gè)。

（1）泄露性。氫的分子量最小，擴(kuò)散速度快，容易泄露。與汽油、天然氣和丙烷相比，氫氣具有更快的擴(kuò)散性和更大的浮力，一旦發(fā)生泄露，其危險(xiǎn)程度會(huì)很大。氫在空氣中的著火點(diǎn)很低，而且氫氣火焰幾乎看不到，增加了其危險(xiǎn)性。

（2）氫氣罐保護(hù)。高壓氫氣罐的固定支架和鋼帶應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以保證在碰撞過(guò)程中，避免造成連接管路的斷裂、變形和氫氣的大量泄漏。因此提出安全有效的氫氣罐保護(hù)措施，即氫氣罐保護(hù)系統(tǒng)采用整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

5.1 不足之處和亟待解決的問(wèn)題

現(xiàn)有燃料電池存在重量大、技術(shù)成熟度低、比功率低的問(wèn)題，并存在環(huán)境差，運(yùn)行效率低的問(wèn)題。這些問(wèn)題在燃料電池飛機(jī)上會(huì)顯得更加明顯。

氫燃料密度低、易燃燒，制備、密封、阻燃、安全控制技術(shù)復(fù)雜，供應(yīng)與運(yùn)輸也存在問(wèn)題。目前燃料電池飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)難題是氫燃料的儲(chǔ)存。

燃料電池子系統(tǒng)的不足之處在于效率較低，廢熱浪費(fèi)較多，散熱系統(tǒng)復(fù)雜。

5.2 結(jié)論

經(jīng)過(guò)發(fā)展，燃料電池電動(dòng)力系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足燃料電池電動(dòng)飛機(jī)的基本使用要求。但是當(dāng)前燃料電池飛機(jī)電動(dòng)力系統(tǒng)仍然存在性能低、重量和體積大、費(fèi)用高、技術(shù)不成熟等不足之處，系統(tǒng)性能有限，還不能充分滿(mǎn)足電動(dòng)飛機(jī)的要求。相信隨著相關(guān)技術(shù)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作的加強(qiáng)和深入，燃料電池電動(dòng)力系統(tǒng)定能推動(dòng)燃料電池電動(dòng)飛機(jī)實(shí)現(xiàn)革命性發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] Omar Z.Sharaf，Mehmet F.Orhan.An overview of fuel cell technology：Fundamentals and applications[R].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，32： 810-853 .

[2] 黃莎華，劉之景，王克逸.燃料電池開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].化學(xué)通報(bào)，2004（67）：1-7.

[3] 侯明，衣寶廉.燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].電化學(xué)，2012，18（1）：1-13.

[4] 許震宇，周華，楊志剛.電動(dòng)力輕型飛機(jī)的研制[J].航空科學(xué)技術(shù)，2007（6）：26-30.endprint

摘 要：燃料電池作為一種清潔高效電化學(xué)發(fā)電裝置，正被逐步應(yīng)用在汽車(chē)和輕型飛機(jī)上。首先對(duì)PEMFC進(jìn)行介紹;分析對(duì)比氫的制取和儲(chǔ)存技術(shù);重點(diǎn)分析了燃料電池的電動(dòng)力系統(tǒng)及其子系統(tǒng);分析氫氣安全問(wèn)題;最后指出燃料電池電動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展需要解決的技術(shù)課題。

關(guān)鍵詞：燃料電池 ?PEMFC ?氫 ?電動(dòng)力系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：V242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（b）-0096-02

燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。與熱機(jī)過(guò)程的多步驟（如從化學(xué)能到熱能，再到機(jī)械能，最后到電能）相比，燃料電池的直接轉(zhuǎn)化（從化學(xué)能到電能）具有明顯的優(yōu)勢(shì)。例如，目前以燃燒燃料為基礎(chǔ)的能源發(fā)電技術(shù)對(duì)環(huán)境損害嚴(yán)重，如氣候變化，臭氧層破壞，酸雨，植被覆蓋減少等等。此外，這些技術(shù)依賴(lài)的化石燃料有限，全球燃料供應(yīng)呈日益減少的趨勢(shì)。[1]

燃料電池則提供了一種清潔有效的能量轉(zhuǎn)換途徑。此外，作為可再生能源和現(xiàn)代能源的載體，氫氣可以作為燃料電池的能量來(lái)源。燃料電池的靜態(tài)特性決定了其無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)的安靜運(yùn)行模式，而其固有的模塊化設(shè)計(jì)則保證其尺寸的靈活性，可根據(jù)需要進(jìn)行組合，電量大小易于調(diào)節(jié)。因此燃料電池技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的清潔高效能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。

根據(jù)所用電解質(zhì)的不同，可以將燃料電池分為5種主要類(lèi)型：堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）[2]，其中PEMFC最適合用作汽車(chē)、輕型飛機(jī)的動(dòng)力電源。PEMFC常見(jiàn)的能量來(lái)源是氫氣。

1 PEMFC簡(jiǎn)介

質(zhì)子交換膜燃料電池的主要部件包括膜電極組件、雙極板以及密封元件等[3]。

燃料電池的工作方式與內(nèi)燃機(jī)類(lèi)似，燃料電池系統(tǒng)通常包括氧化劑供應(yīng)、燃料供應(yīng)、水熱管理及電控等子系統(tǒng)，相對(duì)較為復(fù)雜。理論上只要不斷為燃料電池供給氧化劑與燃料，其就可以持續(xù)發(fā)電。

此外，為了維持燃料電池連續(xù)正常工作，還須有一套包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等在內(nèi)的輔助系統(tǒng)?？窟@些輔助系統(tǒng)，燃料電池本體能得到所需氧化劑和燃料，并不斷排出燃料電池反應(yīng)所生成的水和熱。

2 氫的制取和儲(chǔ)存

2.1 氫的制取

根據(jù)目前的技術(shù)水平，主要有兩種方法來(lái)制取氫氣：一種是化石能源（主要是天然氣、石油和煤）蒸汽重整法，這是目前制氫的主要方法，約占?xì)錃鈦?lái)源的97%;另一種是電解水法[4]，但是此法要求較高，消耗較大。一般而言，燃料電池飛機(jī)所用的氫氣來(lái)自化石能源蒸汽重整。

2.2 氫的儲(chǔ)存

燃料電池飛機(jī)上的氫氣儲(chǔ)存主要以液體形式為主，氫氣罐可以放在兩側(cè)機(jī)翼，這樣可以在不對(duì)飛機(jī)做重大修改的情況下充分利用機(jī)上空間。氫氣的存在狀態(tài)取決于壓力和溫度，只有在超低溫和高壓條件下，氫氣以液態(tài)形式存在。氫氣的比重很低，所以需要采取措施以提高氫氣儲(chǔ)存的效率。目前，主要有三種氫的儲(chǔ)存方法：高壓氣瓶?jī)?chǔ)存、液化儲(chǔ)存和儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)存，三種儲(chǔ)存方式的比較見(jiàn)表1。

從技術(shù)難度、成本、能耗等方面進(jìn)行綜合考慮，選擇高壓氣瓶?jī)?chǔ)存方式。與電動(dòng)汽車(chē)類(lèi)似，氫的儲(chǔ)存是阻礙燃料電池在飛機(jī)上應(yīng)用的瓶頸之一。目前，世界各國(guó)均設(shè)計(jì)了采用高壓罐與儲(chǔ)氫材料相結(jié)合的燃料罐，但是效果仍不是很理想。

3 飛機(jī)配置研究

3.1 燃料電池系統(tǒng)組成

現(xiàn)有燃料電池的瞬時(shí)功率不大，比能量（參與電極反應(yīng)的單位質(zhì)量的電極材料放出電能的大小稱(chēng)為該電池的比能量）不高，如果只依賴(lài)燃料電池完成滑跑、起飛、巡航、降落等任務(wù)，燃料電池堆和燃料的重量再加上結(jié)構(gòu)重量將超過(guò)現(xiàn)有輕型飛機(jī)的起飛重量。所以采用燃料電池加鋰離子電池的方案。在巡航過(guò)程中由燃料電池為鋰電池充電以獲得更遠(yuǎn)的航程，在起飛和爬升等其他任務(wù)時(shí)由鋰電池為電動(dòng)機(jī)等設(shè)備提供電力。圖1為燃料電池飛機(jī)的推進(jìn)和能源系統(tǒng)示意圖。

燃料電池將氫氣罐中的氫氣和空氣中的氧氣轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)電能管理和分配系統(tǒng)（PMAD）為鋰電池充電，電源管理系統(tǒng)根據(jù)油門(mén)踏板的動(dòng)作將電能分配給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳為飛機(jī)產(chǎn)生推力。

3.2 燃料電池電動(dòng)力系統(tǒng)研究

燃料電池電動(dòng)力系統(tǒng)原理如圖2所示。系統(tǒng)的工作過(guò)程為：燃料電池是整個(gè)系統(tǒng)的主電源，鋰離子電池組輸出直流電，DC-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓和電流進(jìn)行調(diào)制后輸送給直流電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳推動(dòng)飛機(jī)飛行。若選擇直流電機(jī)則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，若選擇交流電機(jī)則需要增加DC-AC逆變器，這無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)較為復(fù)雜，因此在電動(dòng)力系統(tǒng)中選擇直流電機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行由綜合控制系統(tǒng)——飛機(jī)管理單元進(jìn)行控制。鋰離子電池為在飛機(jī)起飛和爬升階段為電機(jī)提供額外的電功率，還可用作備份電源，以保證飛行安全。

3.3 燃料電池子系統(tǒng)研究

在輕型飛機(jī)中，一般使用空氣或氧氣作為氧化劑。氫氣—空氣和氫氣—氧氣質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)框圖如圖3所示。

供給質(zhì)子交換膜燃料電池的氫燃料（氣體或液態(tài)）和液氧需要加熱和增濕，以達(dá)到電池工作溫度和膜元件適宜的濕度。外界空氣需要增壓和增濕。中間冷卻器用于保證二級(jí)壓縮機(jī)的工作溫度。壓縮機(jī)要消耗部分燃料電池功率。質(zhì)子交換膜燃料電池堆的水管理很重要，主要通過(guò)調(diào)整反應(yīng)物濕度與陽(yáng)極氣流速率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 氫氣安全研究

為了保證燃料電池飛機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要有安全有效的供氫系統(tǒng)。在燃料電池飛機(jī)上，供氫系統(tǒng)一般包括電磁閥、安全閥、溢流閥、熱熔栓、手動(dòng)截止閥、溫度傳感器和壓力傳感器等在內(nèi)的輔助安全裝置。

燃料電池飛機(jī)內(nèi)部有高壓氣體容器和高電壓電池，因此它既存在傳統(tǒng)機(jī)載設(shè)備各容器和電池之間的碰撞問(wèn)題，同時(shí)由于氫的內(nèi)在特性，也對(duì)其安全性形成巨大挑戰(zhàn)。與氫安全相關(guān)的問(wèn)題主要有兩個(gè)。

（1）泄露性。氫的分子量最小，擴(kuò)散速度快，容易泄露。與汽油、天然氣和丙烷相比，氫氣具有更快的擴(kuò)散性和更大的浮力，一旦發(fā)生泄露，其危險(xiǎn)程度會(huì)很大。氫在空氣中的著火點(diǎn)很低，而且氫氣火焰幾乎看不到，增加了其危險(xiǎn)性。

（2）氫氣罐保護(hù)。高壓氫氣罐的固定支架和鋼帶應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以保證在碰撞過(guò)程中，避免造成連接管路的斷裂、變形和氫氣的大量泄漏。因此提出安全有效的氫氣罐保護(hù)措施，即氫氣罐保護(hù)系統(tǒng)采用整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

5.1 不足之處和亟待解決的問(wèn)題

現(xiàn)有燃料電池存在重量大、技術(shù)成熟度低、比功率低的問(wèn)題，并存在環(huán)境差，運(yùn)行效率低的問(wèn)題。這些問(wèn)題在燃料電池飛機(jī)上會(huì)顯得更加明顯。

氫燃料密度低、易燃燒，制備、密封、阻燃、安全控制技術(shù)復(fù)雜，供應(yīng)與運(yùn)輸也存在問(wèn)題。目前燃料電池飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)難題是氫燃料的儲(chǔ)存。

燃料電池子系統(tǒng)的不足之處在于效率較低，廢熱浪費(fèi)較多，散熱系統(tǒng)復(fù)雜。

5.2 結(jié)論

經(jīng)過(guò)發(fā)展，燃料電池電動(dòng)力系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足燃料電池電動(dòng)飛機(jī)的基本使用要求。但是當(dāng)前燃料電池飛機(jī)電動(dòng)力系統(tǒng)仍然存在性能低、重量和體積大、費(fèi)用高、技術(shù)不成熟等不足之處，系統(tǒng)性能有限，還不能充分滿(mǎn)足電動(dòng)飛機(jī)的要求。相信隨著相關(guān)技術(shù)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作的加強(qiáng)和深入，燃料電池電動(dòng)力系統(tǒng)定能推動(dòng)燃料電池電動(dòng)飛機(jī)實(shí)現(xiàn)革命性發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] Omar Z.Sharaf，Mehmet F.Orhan.An overview of fuel cell technology：Fundamentals and applications[R].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，32： 810-853 .

[2] 黃莎華，劉之景，王克逸.燃料電池開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].化學(xué)通報(bào)，2004（67）：1-7.

[3] 侯明，衣寶廉.燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].電化學(xué)，2012，18（1）：1-13.

[4] 許震宇，周華，楊志剛.電動(dòng)力輕型飛機(jī)的研制[J].航空科學(xué)技術(shù)，2007（6）：26-30.endprint