1、燃料電池飛機動力系統技術概述 作者：楊明明 張利國 來源：科技創新導報 2014 年第 32 期楊明明 1 張利國 2(1. 沈陽航空航天大學 航空航天工程學部 ;2. 遼寧通用航空研究院 遼寧沈陽 110136 )摘要：燃料電池作為一種清潔高效電化學發電裝置，正被逐步應用在汽車和輕型飛機上。 首先對PEMFC進行介紹；分析對比氫的制取和儲存技術；重點分析了燃料電池的電動力系統及 其子系統；分析氫氣安全問題；最后指出燃料電池電動力系統發展需要解決的技術課題。關鍵詞：燃料電池 PEMFC 氫 電動力系統中圖分類號： V242 文獻標識碼： A文章編號： 1674-098X(2014)11(b)-

2、0096-02燃料電池是一種將儲存在燃料中的化學能直接轉化為電能的電化學裝置。與熱機過程的多 步驟(如從化學能到熱能，再到機械能，最后到電能)相比，燃料電池的直接轉化(從化學能 到電能)具有明顯的優勢。例如，目前以燃燒燃料為基礎的能源發電技術對環境損害嚴重，如 氣候變化，臭氧層破壞，酸雨，植被覆蓋減少等等。此外，這些技術依賴的化石燃料有限，全 球燃料供應呈日益減少的趨勢。 1燃料電池則提供了一種清潔有效的能量轉換途徑。此外，作為可再生能源和現代能源的載 體，氫氣可以作為燃料電池的能量來源。燃料電池的靜態特性決定了其無噪音、無振動的安靜 運行模式，而其固有的模塊化設計則保證其尺寸的靈活性，可根據

3、需要進行組合，電量大小易 于調節。因此燃料電池技術被譽為 21 世紀最有前途的清潔高效能量轉換技術。根據所用電解質的不同，可以將燃料電池分為5種主要類型 : 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)和質子交換膜燃料 電池(PEMFC)2，其中PEMFC最適合用作汽車、輕型飛機的動力電源。PEMFC常見的能量來源是氫氣。1 PEMFC 簡介質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燃機類似，燃料電池系統通常包括氧化劑供應、燃料供應、水熱 管理及電控等子系統，相對較為

4、復雜。理論上只要不斷為燃料電池供給氧化劑與燃料，其就可 以持續發電。此外，為了維持燃料電池連續正常工作，還須有一套包括反應劑供給系統、排熱系統、排 水系統、電性能控制系統及安全裝置等在內的輔助系統。靠這些輔助系統，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所生成的水和熱。2 氫的制取和儲存2.1 氫的制取根據目前的技術水平，主要有兩種方法來制取氫氣：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，約占氫氣來源的97%另一種是電解水法但是此法要求較高，消耗較大。一般而言，燃料電池飛機所用的氫氣來自化石能源蒸汽重整。2.2 氫的儲存燃料電池飛機上的氫

5、氣儲存主要以液體形式為主，氫氣罐可以放在兩側機翼，這樣可以在 不對飛機做重大修改的情況下充分利用機上空間。氫氣的存在狀態取決于壓力和溫度，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 儲存的效率。目前，主要有三種氫的儲存方法：高壓氣瓶儲存、液化儲存和儲氫材料儲存，三 種儲存方式的比較見表 1。從技術難度、成本、能耗等方面進行綜合考慮，選擇高壓氣瓶儲存方式。與電動汽車類似, 氫的儲存是阻礙燃料電池在飛機上應用的瓶頸之一。目前，世界各國均設計了采用高壓罐與儲 氫材料相結合的燃料罐，但是效果仍不是很理想。3 飛機配置研究3.1 燃料電池系統組成現有燃料電

6、池的瞬時功率不大，比能量（參與電極反應的單位質量的電極材料放岀電能的 大小稱為該電池的比能量）不高，如果只依賴燃料電池完成滑跑、起飛、巡航、降落等任務， 燃料電池堆和燃料的重量再加上結構重量將超過現有輕型飛機的起飛重量。所以采用燃料電池 加鋰離子電池的方案。在巡航過程中由燃料電池為鋰電池充電以獲得更遠的航程，在起飛和爬 升等其他任務時由鋰電池為電動機等設備提供電力。圖1為燃料電池飛機的推進和能源系統示意圖。燃料電池將氫氣罐中的氫氣和空氣中的氧氣轉化為電能，通過電能管理和分配系統（PMAD）為鋰電池充電，電源管理系統根據油門踏板的動作將電能分配給電動機，電動機驅動螺旋槳為 飛機產生推力。3.2

7、燃料電池電動力系統研究燃料電池電動力系統原理如圖2所示。系統的工作過程為：燃料電池是整個系統的主電源，鋰離子電池組輸出直流電，DC-DC轉換器對電壓和電流進行調制后輸送給直流電機，電機帶動螺旋槳推動飛機飛行。若選擇直流電機則系統結構較為簡單，若選擇交流電機則需要增加DC-AC逆變器，這無疑會導致系統較為復雜，因此在電動力系統中選擇直流電機。整個系統的運行 由綜合控制系統一一飛機管理單元進行控制。鋰離子電池為在飛機起飛和爬升階段為電機提供 額外的電功率，還可用作備份電源，以保證飛行安全。3.3 燃料電池子系統研究在輕型飛機中，一般使用空氣或氧氣作為氧化劑。氫氣一空氣和氫氣一氧氣質子交換膜燃 料電

8、池系統框圖如圖 3所示。供給質子交換膜燃料電池的氫燃料（氣體或液態）和液氧需要加熱和增濕，以達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壓縮機的工作 溫度。壓縮機要消耗部分燃料電池功率。質子交換膜燃料電池堆的水管理很重要，主要通過調 整反應物濕度與陽極氣流速率來實現。4 氫氣安全研究為了保證燃料電池飛機的安全穩定運行，需要有安全有效的供氫系統。在燃料電池飛機上， 供氫系統一般包括電磁閥、安全閥、溢流閥、熱熔栓、手動截止閥、溫度傳感器和壓力傳感器 等在內的輔助安全裝置。燃料電池飛機內部有高壓氣體容器和高電壓電池，因此它既存在傳統機載設備各容器和電 池之間的碰

9、撞問題，同時由于氫的內在特性，也對其安全性形成巨大挑戰。與氫安全相關的問 題主要有兩個。（1泄露性。氫的分子量最小，擴散速度快，容易泄露。與汽油、天然氣和丙烷相比，氫 氣具有更快的擴散性和更大的浮力，一旦發生泄露，其危險程度會很大。氫在空氣中的著火點 很低，而且氫氣火焰幾乎看不到，增加了其危險性。(2) 氫氣罐保護。高壓氫氣罐的固定支架和鋼帶應有足夠的強度，以保證在碰撞過程中， 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措施，即 氫氣罐保護系統采用整體式結構設計。5 結語5.1 不足之處和亟待解決的問題現有燃料電池存在重量大、技術成熟度低、比功率低的問題，并存在

10、環境差，運行效率低 的問題。這些問題在燃料電池飛機上會顯得更加明顯。氫燃料密度低、易燃燒，制備、密封、阻燃、安全控制技術復雜，供應與運輸也存在問題。 目前燃料電池飛機的關鍵技術難題是氫燃料的儲存。燃料電池子系統的不足之處在于效率較低，廢熱浪費較多，散熱系統復雜。5.2 結論經過發展，燃料電池電動力系統能夠滿足燃料電池電動飛機的基本使用要求。但是當前燃 料電池飛機電動力系統仍然存在性能低、重量和體積大、費用高、技術不成熟等不足之處，系 統性能有限，還不能充分滿足電動飛機的要求。相信隨著相關技術研究和產品開發工作的加強 和深入，燃料電池電動力系統定能推動燃料電池電動飛機實現革命性發展。參考文獻1 Omar Z.Sharaf,Mehmet F.Orhan.An overview of fuel cell technology:Fundamentals and applicationsR.Renewable and Sustainable Energy Reviews ， 2014,32: 81