燃料電池輔助動力裝置設計

劉曉羽

【摘 要】 航空工業的迅猛發展所帶來的能源消耗及環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能轉化為電能的發電裝置，具有高效率、無污染、低噪聲等優點，通過了解燃料電池的基本原理進行燃料電池系統主要組成部分的設計，并采用燃料電池和鋰電池并聯的混合供電系統作為飛機輔助動力裝置，用以替代我國國產輔助動力裝置WDZ-1渦輪發電裝置。在需要時投入電網，在一定程度上可以降低燃油消耗、減少有害污染和噪聲。

【關鍵詞】 燃料電池 鋰電池 新能源 輔助動力裝置 混合供電系統

1 WDZ-1輔助動力裝置概述

某型飛機上安裝我國國產輔助動力裝置WDZ-1渦輪發電裝置，其上安裝的直流起動發電機QF-24作為輔助電源，在無地面電源保障時，完成日常維護、飛行前準備和發動機起動等功能，在飛行中當直流主電源故障時向機上重要和關鍵用電設備提供電能。WDZ-1渦輪發電機裝置中的QF-24直流起動發電機由WDZ-1燃氣渦輪發動機帶動。向機上電網供電時的電壓為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將烴類燃料轉變為電能的電化學裝置[1]。燃料電池有很多種類型，其中PEM質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、價格適中的的優點成為最具有應用前景的新型能源[2]。PEM質子交換膜燃料電池有兩個電極，在兩個電極間為具有滲透性的薄膜。氫氣從燃料電池的陽極進入，分解為質子和電子，帶正電的質子穿過薄膜到達陰極，帶負電的電子經由外部電路形成電流到達陰極，在催化劑的作用下與陰極注入的氧反應生成水。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重要的特性，燃料電池的輸出電壓與壓力和溫度有關，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

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生較多的功率，具有較高的系統效率，能工作于較高的巡航速度，能減少由空氣污染造成的系統污染風險，而且省去了采用空氣供給系統所需要使用的空氣風機/壓縮機以及過濾器，系統構造簡單。但由于大型民機輔助動力裝置功率需求大，工作時間長，若采用純氧供給，則需要在機上安裝儲氧裝置，既占據空間也會增加重量。而且每次在地面維護時需要進行充氧，也給地面維護帶來了不便。因此本文采用空氣供給系統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，則需進行空氣管理系統的設計?？諝夤芾硐到y的作用是將過濾后的空氣供到燃料電池反應堆的陰極。空氣管理系統的主要組成有空氣過濾器、壓縮機/風機以及加濕器?？諝膺^濾器的作用是過濾掉灰塵、其他顆粒和化學物質，如是硫化物、氮化合物、一氧化碳和其他揮發性有機化合物等[5]。這些空氣中的污染物會損害燃料電池的性能。過濾后的空氣由風機/壓縮機輸入到燃料電池，為延長燃料電池的壽命，在將空氣輸送至燃料電池前應將空氣加濕，從燃料電池陰極收集到的反應物水可被用來進行加濕。空氣管理系統簡化框圖如圖2所示。

所需的空氣流量可由以下公式計算得出[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 氫存儲與分配

由于氫的密度及能量密度都非常低，使得氫在存儲方式上有很多不便[7]。常用的氫的存儲主要有物理存儲和化學存儲兩種方式，物理存儲有壓縮氣態存儲和液態存儲?；瘜W存儲主要是通過吸附[8]。壓縮氣態存儲方式簡單且應用廣泛，但是存儲效率較低，因此對于大量氫的存儲，采用液態存儲是較為合理的存儲方式[8]。使用時先將液態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，需經過壓力調節裝置。在進入燃料電池前，應將氫氣通過加濕器，以避免燃料電池交換膜過于干燥[9]。簡化的氫氣分配系統框圖見圖3所示。

所需的氫氣流量可由以下公式計算得出[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

由于燃料電池反應后會產生出水和大量的熱，因此進行水和熱的管理對燃料電池長期運行是非常必要的。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的性能等級。

燃料電池的制冷方式有水冷、氣冷和電解液制冷[11]，氣冷相對于水冷來說構造比較簡單，但適應于小于1KW的小型發電系統[8]。參考文獻[12]將三種制冷方式進行了對比，得出對于大型發電系統來說，水冷是較為適合的制冷方式。簡化的水熱管理系統框圖如圖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過冷凝器后將蒸汽中的水分進行分離。將水存儲在儲水器里，用泵將水通過散熱器進行循環，散熱裝置用來將燃料電池維持在所需的溫度。經散熱裝置的水用于燃料電池的冷卻，同時還可用于加濕空氣和氫氣。

產生出水的產量為[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

燃料電池具有較高的能量密度，但卻有較低的功率密度[13]，因此燃料電池的動態響應較為遲緩，而輔助動力裝置在起動主發動機階段，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速度[14]，將燃料電池與鋰電池組并聯，在突加突卸負載或起動主發時等功率需求較大時，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定，并且燃料電池組的輸出電壓等級并不是匯流條的電壓等級，需要升壓式DC-DC轉換器將燃料電池輸出電壓等級轉換為匯流條電壓等級。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化為所需的匯流條電壓等級，另一方面可將匯流條上多余的能量通過DC/DC變換器存儲在鋰電池組中，起到為鋰電池組充電的作用。選擇具有起動特性的鋰離子電池，用于在起動時提供峰值功率。燃料電池與鋰電池組并聯向機上電網供電的系統原理圖如圖5所示。

7 結語

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

參考文獻：

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

[2]MICHAEL W.ELLIS，MICHAEL R.VON SPAKOVSKY，AND DOUGLAS J.NELSON，Fuel Cell Systems：Efficient，Flexible 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，Fuel Cell Micro-grids，ISBN 978-1-84800-337-8.

[5]Professor Hulbert，Fuel Cell Air Intake System，Final Report

[6]James Larminie，Andrew Dicks，Fuel 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），Fuel cell technology program.

[9]Jiujun Zhang，PEM Fuel Cell Electrocatalysts and Catalyst Layers，Fundamentals 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，Fuel cell systems.ISBN 0-306-44158-6，1993.

[12]Brian D.James，George N.Baum，Franklin 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

燃料電池具有較高的能量密度，但卻有較低的功率密度[13]，因此燃料電池的動態響應較為遲緩，而輔助動力裝置在起動主發動機階段，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速度[14]，將燃料電池與鋰電池組并聯，在突加突卸負載或起動主發時等功率需求較大時，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定，并且燃料電池組的輸出電壓等級并不是匯流條的電壓等級，需要升壓式DC-DC轉換器將燃料電池輸出電壓等級轉換為匯流條電壓等級。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化為所需的匯流條電壓等級，另一方面可將匯流條上多余的能量通過DC/DC變換器存儲在鋰電池組中，起到為鋰電池組充電的作用。選擇具有起動特性的鋰離子電池，用于在起動時提供峰值功率。燃料電池與鋰電池組并聯向機上電網供電的系統原理圖如圖5所示。

7 結語

本文分析了燃料電池的基本原理，介紹了空氣管理系統，液態氫存儲，和水熱管理系統等燃料電池系統的主要組成部分，設計了燃料電池與鋰電池并聯的混合供電系統。可以解決在飛機速度發生變化以及突加突卸負載時造成的功率變化情況下燃料電池由于自身特性不能及時響應的問題。燃料電池作為輔助動力裝置在飛機上的應用目前尚處于論證階段，真正在飛機上的應用還需要相關支撐技術的快速突破，例如提高氫氣存儲效率，提高燃料電池功重比以及鋰電池組在飛機上使用的安全性而帶來的適航問題等。

參考文獻：

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

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6 混合供電系統

燃料電池具有較高的能量密度，但卻有較低的功率密度[13]，因此燃料電池的動態響應較為遲緩，而輔助動力裝置在起動主發動機階段，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速度[14]，將燃料電池與鋰電池組并聯，在突加突卸負載或起動主發時等功率需求較大時，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定，并且燃料電池組的輸出電壓等級并不是匯流條的電壓等級，需要升壓式DC-DC轉換器將燃料電池輸出電壓等級轉換為匯流條電壓等級。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化為所需的匯流條電壓等級，另一方面可將匯流條上多余的能量通過DC/DC變換器存儲在鋰電池組中，起到為鋰電池組充電的作用。選擇具有起動特性的鋰離子電池，用于在起動時提供峰值功率。燃料電池與鋰電池組并聯向機上電網供電的系統原理圖如圖5所示。

7 結語

本文分析了燃料電池的基本原理，介紹了空氣管理系統，液態氫存儲，和水熱管理系統等燃料電池系統的主要組成部分，設計了燃料電池與鋰電池并聯的混合供電系統。可以解決在飛機速度發生變化以及突加突卸負載時造成的功率變化情況下燃料電池由于自身特性不能及時響應的問題。燃料電池作為輔助動力裝置在飛機上的應用目前尚處于論證階段，真正在飛機上的應用還需要相關支撐技術的快速突破，例如提高氫氣存儲效率，提高燃料電池功重比以及鋰電池組在飛機上使用的安全性而帶來的適航問題等。

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