燃料電池飛機(jī)動力系統(tǒng)技術(shù)概述

1、燃料電池飛機(jī)動力系統(tǒng)技術(shù)概述 作者：楊明明 張利國 來源：科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2014 年第 32 期楊明明 1 張利國 2(1. 沈陽航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)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(xué)發(fā)電裝置，正被逐步應(yīng)用在汽車和輕型飛機(jī)上。 首先對PEMFC進(jìn)行介紹；分析對比氫的制取和儲存技術(shù)；重點(diǎn)分析了燃料電池的電動力系統(tǒng)及 其子系統(tǒng)；分析氫氣安全問題；最后指出燃料電池電動力系統(tǒng)發(fā)展需要解決的技術(shù)課題。關(guān)鍵詞：燃料電池 PEMFC 氫 電動力系統(tǒng)中圖分類號： V242 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。與熱機(jī)過程的多 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。例如，目前以燃燒燃料為基礎(chǔ)的能源發(fā)電技術(shù)對環(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)依賴的化石燃料有限，全 球燃料供應(yīng)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(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源。燃料電池的靜態(tài)特性決定了其無噪音、無振動的安靜 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)

3、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、輕型飛機(jī)的動力電源。PEMFC常見的能量來源是氫氣。1 PEMFC 簡介質(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)，相對較為

4、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)錃鈦碓吹?7%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(jī)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(jī)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(cè)機(jī)翼，這樣可以在 不對飛機(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(shù)難度、成本、能耗等方面進(jìn)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(jī)上應(yīng)用的瓶頸之一。目前，世界各國均設(shè)計(jì)了采用高壓罐與儲 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

6、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(wù)， 燃料電池堆和燃料的重量再加上結(jié)構(gòu)重量將超過現(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)油門踏板的動作將電能分配給電動機(jī)，電動機(jī)驅(qū)動螺旋槳為 飛機(jī)產(chǎn)生推力。3.2

7、燃料電池電動力系統(tǒng)研究燃料電池電動力系統(tǒng)原理如圖2所示。系統(tǒng)的工作過程為：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)帶動螺旋槳推動飛機(jī)飛行。若選擇直流電機(jī)則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，若選擇交流電機(jī)則需要增加DC-AC逆變器，這無疑會導(dǎo)致系統(tǒng)較為復(fù)雜，因此在電動力系統(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)一一飛機(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。氫氣一空氣和氫氣一氧氣質(zhì)子交換膜燃 料電

8、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，主要通過調(diào) 整反應(yīng)物濕度與陽極氣流速率來實(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

9、撞問題，同時(shí)由于氫的內(nèi)在特性，也對其安全性形成巨大挑戰(zhàn)。與氫安全相關(guān)的問 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5.1 不足之處和亟待解決的問題現(xiàn)有燃料電池存在重量大、技術(shù)成熟度低、比功率低的問題，并存在

10、環(huán)境差，運(yùn)行效率低 的問題。這些問題在燃料電池飛機(jī)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(shù)復(fù)雜，供應(yīng)與運(yùn)輸也存在問題。 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)過發(fā)展，燃料電池電動力系統(tǒng)能夠滿足燃料電池電動飛機(jī)的基本使用要求。但是當(dāng)前燃 料電池飛機(jī)電動力系統(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，還不能充分滿足電動飛機(jī)的要求。相信隨著相關(guān)技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)工作的加強(qiáng) 和深入，燃料電池電動力系統(tǒng)定能推動燃料電池電動飛機(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 applicationsR.Renewable and Sustainable Energy Reviews ， 2014,32: 81