質(zhì)子交換膜燃料電池在植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用研究

李廷　周樂(lè)

【摘 要】針對(duì)目前植保無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)主要有油動(dòng)、電動(dòng)等背景下，將燃料電池與鋰電池混合動(dòng)力作為植保無(wú)人機(jī)的能量來(lái)源，以實(shí)現(xiàn)增加續(xù)航里程，提升作業(yè)效率。根據(jù)植保無(wú)人機(jī)各工況下功率需求不一樣，提出不同的能量管理策略，科學(xué)管理能量系統(tǒng)。由于植保無(wú)人機(jī)的工作環(huán)境，提出采用空氣冷卻、陰極開(kāi)放型燃料電池，該系統(tǒng)擁有比較簡(jiǎn)潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，適合作為野外作業(yè)電池系統(tǒng)。為燃料電池在植保機(jī)上的應(yīng)用，可以提供理論參考意義。

【關(guān)鍵詞】燃料電池;質(zhì)子交換膜;植保無(wú)人機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)： S499 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）28-0037-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.013

【Abstract】In view of the fact that the current plant protection UAV power system mainly has oil and electric power，the fuel cell and lithium battery hybrid power is used as the energy source of the plant protection drone in order in order to increase the cruising range and improve work efficiency.According to the different power requirements of plant protection drones under different working conditions，different energy management strategies are proposed to scientifically manage energy systems.Due to the working environment of the plant protection drone，an air-cooled， cathodic open fuel cell is proposed.The system has a relatively simple system structure and is suitable as a field operation battery system. For the application of fuel cells on plant protection machines，theoretical reference can be provided.

【Key words】Fuel cell;Proton exchange membrane;Plant protection UAV

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，擁有18億畝耕地面積，農(nóng)作物的施藥工作量巨大，現(xiàn)階段農(nóng)村從業(yè)人口不斷減少， 現(xiàn)階段施藥作業(yè)主要依靠人工或者半自動(dòng)化設(shè)備作業(yè)，對(duì)于高效、自動(dòng)化植保作業(yè)機(jī)械需求迫切。由于農(nóng)業(yè)集中化以及科技發(fā)展，能夠植保作業(yè)的無(wú)人機(jī)成為越來(lái)越多種植戶的青睞。農(nóng)用航空植保是以無(wú)人駕駛直升機(jī)為載體，采用智能控制系統(tǒng)，飛手借助地面工作站或者手機(jī)APP，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。航空植保機(jī)不僅僅可以代替人工作業(yè)，其旋翼產(chǎn)生的氣流可以使藥液霧滴化，以及更好的穿透性，實(shí)現(xiàn)低空高效超低量農(nóng)藥的噴施。

農(nóng)業(yè)植保機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)目前主要有油動(dòng)、電動(dòng)兩種。油動(dòng)無(wú)人機(jī)，汽油能量密度較高，但發(fā)動(dòng)機(jī)其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪音大，加油不方便，危險(xiǎn)性較高等缺點(diǎn)。電動(dòng)無(wú)人機(jī)由于鋰電池技術(shù)的限制，目前續(xù)航時(shí)間較短，野外作業(yè)的時(shí)候需要配置電池較多，野外充電不方便等問(wèn)題，但具備無(wú)污染、噪音、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在在航空植保動(dòng)力領(lǐng)域內(nèi)處于主流位置[1]。

燃料電池，在一定的工作溫度下，直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料和氧氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，主要由正極、負(fù)極、電解質(zhì)和輔助設(shè)備組成的發(fā)電裝置，燃料電池發(fā)電不受卡諾循環(huán)的限制。發(fā)電效率理論可達(dá)到85%～90%，目前由于技術(shù)原因，目前燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率大約為40%～60%。若實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可高達(dá)80%以上。燃料電池具有發(fā)電效率高、污染小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，是繼火電、水電、核電之后的第四代發(fā)電方式，只要能保證燃料和氧化劑的供給，燃料電池就可以連續(xù)不斷地發(fā)電。在各種燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）因?yàn)椴僮鳒囟容^低（約80度），功率密度高、啟動(dòng)快，對(duì)負(fù)載變化響應(yīng)塊，越來(lái)越成為研究熱點(diǎn)[2]。質(zhì)子交換膜燃料電池以氫氣為燃料，以質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，陽(yáng)極和陰極分別進(jìn)行氫氣氧化反應(yīng)（HOR）和氧氣還原反應(yīng)（ORR）的燃料電池[2]。由于燃料電池的電力特性較軟，輸出電壓隨功率的增加下降明顯[3]，需要與大比功率的電源配合使用，鋰電池具有較高的能量比功率，所以采用燃料電池和鋰電池混合動(dòng)力的方案成為植保無(wú)人機(jī)的選擇。

1 植保無(wú)人機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)方案

航空植保機(jī)在施藥作業(yè)中，負(fù)載需求功率會(huì)隨藥液量、施藥速度、風(fēng)力大小等因素變化而變化，根據(jù)飛行作業(yè)的實(shí)際狀況，可以將工作模式分為三種：?jiǎn)?dòng)模式;巡航模式;降落模式[4]。啟動(dòng)模式需求功率最大，數(shù)值上為額定功率的數(shù)倍，燃料電池響應(yīng)較慢，難以提供即時(shí)功率，需要鋰電池提供大部分的能量需求。施藥模式，植保無(wú)人機(jī)功率需求較穩(wěn)定，可以全部由燃料電池提供電力需求。降落模式，負(fù)載功率需求較小，可以由鋰電池直接提供能量需求。為了植保無(wú)人機(jī)能夠正常作業(yè)，燃料電池的額定輸出功率不小于無(wú)人機(jī)負(fù)載的平均需求功率， 否則鋰電池將長(zhǎng)時(shí)間處于放電狀態(tài)，影響無(wú)人機(jī)的續(xù)航里程。植保無(wú)人機(jī)在工作模式下，燃料電池和鋰電池輸出功率之和不小于無(wú)人機(jī)最大需求功率，否則無(wú)人機(jī)將無(wú)法作業(yè)。為了增加系統(tǒng)可靠性，給鋰電池與燃料電池各設(shè)置一個(gè)安全閥值，當(dāng)鋰電池的電量不足以用于安全降落所需電量時(shí)，燃料電池還需給鋰電池充電。當(dāng)檢測(cè)到氫氣的余量不足以用于安全降落所需值時(shí)，燃料電池停止輸出功率，進(jìn)行降落操作。

植保無(wú)人機(jī)燃料電池?zé)o人機(jī)電動(dòng)力系統(tǒng)原理如圖1所示。系統(tǒng)控制策略：燃料電池是整個(gè)系統(tǒng)的主電源，鋰離子電池組作為補(bǔ)充電源，根據(jù)功率平衡的原則，被動(dòng)實(shí)現(xiàn)充放電的控制。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)無(wú)人機(jī)飛行。本方案可兼顧燃料電池與鋰電池的電力特性，使燃料電池能夠高效工作，鋰電池充分發(fā)揮大功率、快速響應(yīng)的工作特性，同時(shí)也能夠科學(xué)充放電管理，可提高系統(tǒng)效率，降低燃料的消耗，增加植保無(wú)人機(jī)的續(xù)航里程，且延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。

2 質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)

植保無(wú)人機(jī)空冷型燃料電池，采用空氣冷卻、陰極開(kāi)放型的質(zhì)子交換膜燃料電池，擁有簡(jiǎn)潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，適合作為野外作業(yè)的動(dòng)力系統(tǒng)。空冷燃料電池可分為自呼吸型和強(qiáng)制對(duì)流型兩種。自呼吸型燃料電池，指的是雙極板的陰極直接外露于空氣中，完全依靠空氣自然對(duì)流，為電池提供氧氣并散熱，但此種燃料電池存在散熱不足，空氣供應(yīng)取決于對(duì)流強(qiáng)度，相對(duì)供應(yīng)量不大，目前只適用于低功率的場(chǎng)合中。強(qiáng)制對(duì)流型結(jié)構(gòu)相對(duì)自呼吸型系統(tǒng)[5]來(lái)說(shuō)，需要配置直流風(fēng)扇作為輔助系統(tǒng)。此風(fēng)扇的作用：為電堆提供氧氣、降溫冷卻電堆、帶走陰極生成的多余水分，放置水淹。直流風(fēng)扇只消耗PEMFC輸出功率5%以?xún)?nèi)，卻能提升PEMFC性能[6]。

植保無(wú)人機(jī)所使用的燃料電池的單電池結(jié)構(gòu)，主要由膜電極、密封圈、雙極板等部件組成見(jiàn)圖3。質(zhì)子交換膜燃料電池包括雙極板、膜電極組件以及密封元件等主要部件。雙極板功能是提供燃料氣體、空氣流道，防止電池氣室中的氫氣與氧氣串通，并串聯(lián)的陰陽(yáng)兩極之間建立電流通路。膜電極組件由兩部分組成，一部分為電解質(zhì)隔膜，另一部分為陰陽(yáng)兩極多孔氣體擴(kuò)散層，一般指的是碳紙。電解質(zhì)隔膜的兩側(cè)分別發(fā)生氫氧化反應(yīng)與氧化還原反應(yīng)，電子通過(guò)外電路做功，反應(yīng)生成的產(chǎn)物為水。密封條主要起到密封作用防止水、氧氣、空氣串通與泄漏。

3 植保無(wú)人機(jī)燃電混合效果驗(yàn)證

目前大多數(shù)植保無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間由于無(wú)人機(jī)重量限制、鋰電池技術(shù)瓶頸等原因，大體上續(xù)航時(shí)間只有15-30min。極大限制植保無(wú)人機(jī)的使用效率，植保機(jī)采用PEMFC燃料電池與鋰電池混合動(dòng)力，能有限提升續(xù)航里程與作業(yè)時(shí)間。提供給燃料電池電堆的氫燃料需要增濕，空氣需要風(fēng)扇增加對(duì)流，系統(tǒng)的重量會(huì)增加。以江蘇數(shù)字鷹M-6160K無(wú)人植保機(jī)，其起飛質(zhì)量為21.9kg，配備聚合物鋰電池12000mah鋰電池，續(xù)航時(shí)間為15min。將其改造成燃料電池與鋰電池混合動(dòng)力，選用上海攀業(yè)氫能源科技有限公司定制的額定功率為3000W質(zhì)子交換膜燃料電池與格式無(wú)人機(jī)專(zhuān)用電池10000mah作業(yè)混合動(dòng)力源，起飛質(zhì)量為25.2kg。在起飛前利用電子負(fù)載測(cè)試控制系統(tǒng)在不同功率輸出要求下，查看電源之間是否進(jìn)行平穩(wěn)切換，測(cè)試完成后，對(duì)植保機(jī)進(jìn)行裝機(jī)操作，在無(wú)風(fēng)天氣在空曠的場(chǎng)地上進(jìn)行試飛作業(yè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明植保機(jī)可以滿足不同功率下飛行試驗(yàn)，續(xù)航時(shí)間可以達(dá)到45min，顯著提高續(xù)航時(shí)間。

4 總結(jié)

目前大多植保無(wú)人機(jī)采用鋰電池作為能量來(lái)源，鋰電池作為儲(chǔ)備能源瞬間功率輸出能力強(qiáng)。但鋰電池容量固定，也限制了無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。燃料電池穩(wěn)定通過(guò)化學(xué)反應(yīng)供電，不會(huì)有鋰電池固定容量的限制。理論上只要?dú)錃饽軌蚍€(wěn)定充足的供應(yīng)，燃料電池可以一直為負(fù)載供電。但其功率瞬間變化能力不足，限制其發(fā)展。氫電混合動(dòng)力供電系統(tǒng)是鋰電池與燃料電池混合供電。它具有燃料電池與鋰電池的優(yōu)點(diǎn)，且弱化了各自的缺點(diǎn)。燃料電池可以延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，在無(wú)人機(jī)功率突變時(shí)。

【參考文獻(xiàn)】

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