質子交換膜燃料電池在植保無人機應用研究

李廷　周樂

【摘 要】針對目前植保無人機動力系統主要有油動、電動等背景下，將燃料電池與鋰電池混合動力作為植保無人機的能量來源，以實現增加續航里程，提升作業效率。根據植保無人機各工況下功率需求不一樣，提出不同的能量管理策略，科學管理能量系統。由于植保無人機的工作環境，提出采用空氣冷卻、陰極開放型燃料電池，該系統擁有比較簡潔的系統結構，適合作為野外作業電池系統。為燃料電池在植保機上的應用，可以提供理論參考意義。

【關鍵詞】燃料電池;質子交換膜;植保無人機

中圖分類號： S499 文獻標識碼： A 文章編號： 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

中國是一個農業大國，擁有18億畝耕地面積，農作物的施藥工作量巨大，現階段農村從業人口不斷減少， 現階段施藥作業主要依靠人工或者半自動化設備作業，對于高效、自動化植保作業機械需求迫切。由于農業集中化以及科技發展，能夠植保作業的無人機成為越來越多種植戶的青睞。農用航空植保是以無人駕駛直升機為載體，采用智能控制系統，飛手借助地面工作站或者手機APP，對其進行實時控制。航空植保機不僅僅可以代替人工作業，其旋翼產生的氣流可以使藥液霧滴化，以及更好的穿透性，實現低空高效超低量農藥的噴施。

農業植保機動力系統目前主要有油動、電動兩種。油動無人機，汽油能量密度較高，但發動機其結構復雜，噪音大，加油不方便，危險性較高等缺點。電動無人機由于鋰電池技術的限制，目前續航時間較短，野外作業的時候需要配置電池較多，野外充電不方便等問題，但具備無污染、噪音、安全性好等優點，現在在航空植保動力領域內處于主流位置[1]。

燃料電池，在一定的工作溫度下，直接以電化學反應方式將燃料和氧氣中的化學能轉化為電能，主要由正極、負極、電解質和輔助設備組成的發電裝置，燃料電池發電不受卡諾循環的限制。發電效率理論可達到85%～90%，目前由于技術原因，目前燃料電池的能量轉化效率大約為40%～60%。若實現熱電聯供，燃料的總利用率可高達80%以上。燃料電池具有發電效率高、污染小、噪聲低等優點，是繼火電、水電、核電之后的第四代發電方式，只要能保證燃料和氧化劑的供給，燃料電池就可以連續不斷地發電。在各種燃料電池中，質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）因為操作溫度較低（約80度），功率密度高、啟動快，對負載變化響應塊，越來越成為研究熱點[2]。質子交換膜燃料電池以氫氣為燃料，以質子交換膜作為電解質，陽極和陰極分別進行氫氣氧化反應（HOR）和氧氣還原反應（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力的方案成為植保無人機的選擇。

1 植保無人機混合動力系統方案

航空植保機在施藥作業中，負載需求功率會隨藥液量、施藥速度、風力大小等因素變化而變化，根據飛行作業的實際狀況，可以將工作模式分為三種：啟動模式;巡航模式;降落模式[4]。啟動模式需求功率最大，數值上為額定功率的數倍，燃料電池響應較慢，難以提供即時功率，需要鋰電池提供大部分的能量需求。施藥模式，植保無人機功率需求較穩定，可以全部由燃料電池提供電力需求。降落模式，負載功率需求較小，可以由鋰電池直接提供能量需求。為了植保無人機能夠正常作業，燃料電池的額定輸出功率不小于無人機負載的平均需求功率， 否則鋰電池將長時間處于放電狀態，影響無人機的續航里程。植保無人機在工作模式下，燃料電池和鋰電池輸出功率之和不小于無人機最大需求功率，否則無人機將無法作業。為了增加系統可靠性，給鋰電池與燃料電池各設置一個安全閥值，當鋰電池的電量不足以用于安全降落所需電量時，燃料電池還需給鋰電池充電。當檢測到氫氣的余量不足以用于安全降落所需值時，燃料電池停止輸出功率，進行降落操作。

植保無人機燃料電池無人機電動力系統原理如圖1所示。系統控制策略：燃料電池是整個系統的主電源，鋰離子電池組作為補充電源，根據功率平衡的原則，被動實現充放電的控制。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無人機飛行。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，鋰電池充分發揮大功率、快速響應的工作特性，同時也能夠科學充放電管理，可提高系統效率，降低燃料的消耗，增加植保無人機的續航里程，且延長系統的使用壽命。

2 質子交換膜燃料電池結構

植保無人機空冷型燃料電池，采用空氣冷卻、陰極開放型的質子交換膜燃料電池，擁有簡潔的系統結構，適合作為野外作業的動力系統。空冷燃料電池可分為自呼吸型和強制對流型兩種。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，空氣供應取決于對流強度，相對供應量不大，目前只適用于低功率的場合中。強制對流型結構相對自呼吸型系統[5]來說，需要配置直流風扇作為輔助系統。此風扇的作用：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。直流風扇只消耗PEMFC輸出功率5%以內，卻能提升PEMFC性能[6]。

植保無人機所使用的燃料電池的單電池結構，主要由膜電極、密封圈、雙極板等部件組成見圖3。質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，并串聯的陰陽兩極之間建立電流通路。膜電極組件由兩部分組成，一部分為電解質隔膜，另一部分為陰陽兩極多孔氣體擴散層，一般指的是碳紙。電解質隔膜的兩側分別發生氫氧化反應與氧化還原反應，電子通過外電路做功，反應生成的產物為水。密封條主要起到密封作用防止水、氧氣、空氣串通與泄漏。

3 植保無人機燃電混合效果驗證

目前大多數植保無人機續航時間由于無人機重量限制、鋰電池技術瓶頸等原因，大體上續航時間只有15-30min。極大限制植保無人機的使用效率，植保機采用PEMFC燃料電池與鋰電池混合動力，能有限提升續航里程與作業時間。提供給燃料電池電堆的氫燃料需要增濕，空氣需要風扇增加對流，系統的重量會增加。以江蘇數字鷹M-6160K無人植保機，其起飛質量為21.9kg，配備聚合物鋰電池12000mah鋰電池，續航時間為15min。將其改造成燃料電池與鋰電池混合動力，選用上海攀業氫能源科技有限公司定制的額定功率為3000W質子交換膜燃料電池與格式無人機專用電池10000mah作業混合動力源，起飛質量為25.2kg。在起飛前利用電子負載測試控制系統在不同功率輸出要求下，查看電源之間是否進行平穩切換，測試完成后，對植保機進行裝機操作，在無風天氣在空曠的場地上進行試飛作業，實驗結果表明植保機可以滿足不同功率下飛行試驗，續航時間可以達到45min，顯著提高續航時間。

4 總結

目前大多植保無人機采用鋰電池作為能量來源，鋰電池作為儲備能源瞬間功率輸出能力強。但鋰電池容量固定，也限制了無人機的續航時間。燃料電池穩定通過化學反應供電，不會有鋰電池固定容量的限制。理論上只要氫氣能夠穩定充足的供應，燃料電池可以一直為負載供電。但其功率瞬間變化能力不足，限制其發展。氫電混合動力供電系統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點，且弱化了各自的缺點。燃料電池可以延長無人機的續航時間，在無人機功率突變時。

【參考文獻】

[1]張夢龍，吳文明，李元應.植保無人機動力系統的改進及試驗研究[J].南方論壇，2019，5：29-31.

[2]章俊良，蔣峰緊.燃料電池-原理·關鍵材料和技術[M]. 上海：上海交通大學出版社，2014.

[3]張志祥，肖鐸，王佳斌.多旋翼燃料電池無人機能量管理策略研究[J].工業自動化技術，2018，1：122-126.

[4]張志祥.燃料電池多旋翼無人機混合動力系統設計[D]. 杭州：浙江大學，2018.

[5]朱曉舟.自增濕陰極開放式PEMFC控制系統設計及實驗研究[D].成都：西南交通大學，2015.

[6]張錦芳，汪小珊，王奔，等.陰極開放式質子交換膜燃料電池實驗性研究[J].應用能源技術，2012，5：8-13.