燃料电池辅助动力装置设计

刘晓羽

【摘 要】 航空工业的迅猛发展所带来的能源消耗及环境污染使得寻求新型清洁高效的能源成为必然。燃料电池是一种将化学能转化为电能的发电装置，具有高效率、无污染、低噪声等优点，通过了解燃料电池的基本原理进行燃料电池系统主要组成部分的设计，并采用燃料电池和锂电池并联的混合供电系统作为飞机辅助动力装置，用以替代我国国产辅助动力装置WDZ-1涡轮发电装置。在需要时投入电网，在一定程度上可以降低燃油消耗、减少有害污染和噪声。

【关键词】 燃料电池 锂电池 新能源 辅助动力装置 混合供电系统

1 WDZ-1辅助动力装置概述

某型飞机上安装我国国产辅助动力装置WDZ-1涡轮发电装置，其上安装的直流起动发电机QF-24作为辅助电源，在无地面电源保障时，完成日常维护、飞行前准备和发动机起动等功能，在飞行中当直流主电源故障时向机上重要和关键用电设备提供电能。WDZ-1涡轮发电机装置中的QF-24直流起动发电机由WDZ-1燃气涡轮发动机带动。向机上电网供电时的电压为28.5V，额定输出功率为18KW。

2 燃料电池基本原理

燃料电池是一种能够将烃类燃料转变为电能的电化学装置[1]。燃料电池有很多种类型，其中PEM质子交换膜燃料电池以其较低的工作温度、高电流密度、高效率、价格适中的的优点成为最具有应用前景的新型能源[2]。PEM质子交换膜燃料电池有两个电极，在两个电极间为具有渗透性的薄膜。氢气从燃料电池的阳极进入，分解为质子和电子，带正电的质子穿过薄膜到达阴极，带负电的电子经由外部电路形成电流到达阴极，在催化剂的作用下与阴极注入的氧反应生成水。其基本的工作原理如下[3]：

阳极：

阴极：

电压是燃料电池的一个重要的特性，燃料电池的输出电压与压力和温度有关，图1给出了典型氢氧燃料电池的极化曲线，从图1可以看出，电流密度在1A/cm3，也即单体燃料电池的输出电功率在 0.6W左右。

3 空气管理系统

燃料电池的氧化剂可以来源与纯氧气或者空气。研究资料[4]表明在同样供氢速率情况下，向燃料电池的阴极供纯氧气比供空气能产生较多的功率，具有较高的系统效率，能工作于较高的巡航速度，能减少由空气污染造成的系统污染风险，而且省去了采用空气供给系统所需要使用的空气风机/压缩机以及过滤器，系统构造简单。但由于大型民机辅助动力装置功率需求大，工作时间长，若采用纯氧供给，则需要在机上安装储氧装置，既占据空间也会增加重量。而且每次在地面维护时需要进行充氧，也给地面维护带来了不便。因此本文采用空气供给系统作为燃料电池氧气的来源。

采用空气供给作为燃料电池氧化剂的来源，则需进行空气管理系统的设计。空气管理系统的作用是将过滤后的空气供到燃料电池反应堆的阴极。空气管理系统的主要组成有空气过滤器、压缩机/风机以及加湿器。空气过滤器的作用是过滤掉灰尘、其他颗粒和化学物质，如是硫化物、氮化合物、一氧化碳和其他挥发性有机化合物等[5]。这些空气中的污染物会损害燃料电池的性能。过滤后的空气由风机/压缩机输入到燃料电池，为延长燃料电池的寿命，在将空气输送至燃料电池前应将空气加湿，从燃料电池阴极收集到的反应物水可被用来进行加湿。空气管理系统简化框图如图2所示。

所需的空气流量可由以下公式计算得出[6]：

其中：Pe-燃料电池功率

Vc-单体燃料电池的电压

λ-气流理想配比（至少为2）

代入Pe=18KW，得出所需的空气量为：

Air=0.021kg/s

4 氢存储与分配

由于氢的密度及能量密度都非常低，使得氢在存储方式上有很多不便[7]。常用的氢的存储主要有物理存储和化学存储两种方式，物理存储有压缩气态存储和液态存储。化学存储主要是通过吸附[8]。压缩气态存储方式简单且应用广泛，但是存储效率较低，因此对于大量氢的存储，采用液态存储是较为合理的存储方式[8]。使用时先将液态氢通过热交换器使之气化，为将氢气维持在某一特定压力点，需经过压力调节装置。在进入燃料电池前，应将氢气通过加湿器，以避免燃料电池交换膜过于干燥[9]。简化的氢气分配系统框图见图3所示。

所需的氢气流量可由以下公式计算得出[6]：

其中：Pe-燃料电池功率

Vc-单体燃料电池的电压

代入Pe=18KW，得出所需要的氢气用量为：

H2=3×10-4kg/s

5 水和热管理系统

由于燃料电池反应后会产生出水和大量的热，因此进行水和热的管理对燃料电池长期运行是非常必要的。为了维持燃料电池工作所需的温度，必须去除掉过多的热量。水管理也很重要，燃料电池的质子交换膜不能过湿也不能过于干燥，燃料电池水管理的目的就是在干燥与被水浸泡之间取得平衡[10]，以保证燃料电池较优的性能等级。

燃料电池的制冷方式有水冷、气冷和电解液制冷[11]，气冷相对于水冷来说构造比较简单，但适应于小于1KW的小型发电系统[8]。参考文献[12]将三种制冷方式进行了对比，得出对于大型发电系统来说，水冷是较为适合的制冷方式。简化的水热管理系统框图如图4所示。在燃料电池的出口处接有冷凝装置，水蒸汽从燃料电池的出口经过冷凝器后将蒸汽中的水分进行分离。将水存储在储水器里，用泵将水通过散热器进行循环，散热装置用来将燃料电池维持在所需的温度。经散热装置的水用于燃料电池的冷却，同时还可用于加湿空气和氢气。

产生出水的产量为[6]：

其中：Pe-燃料电池功率

Vc-单体燃料电池的电压

代入Pe=18KW，得出水的流量为：

Water Production=2.8×10-3kg/sendprint

6 混合供电系统

燃料电池具有较高的能量密度，但却有较低的功率密度[13]，因此燃料电池的动态响应较为迟缓，而辅助动力装置在起动主发动机阶段，功率需求变化较大。锂电池具有较高的功重比和快速的响应速度[14]，将燃料电池与锂电池组并联，在突加突卸负载或起动主发时等功率需求较大时，由锂电池作为峰值功率源。

从图1可以看出，单体燃料电池的输出并不稳定，并且燃料电池组的输出电压等级并不是汇流条的电压等级，需要升压式DC-DC转换器将燃料电池输出电压等级转换为汇流条电压等级。锂电池的输出通过双向DC-DC变换器，一方面可以将锂电池组的输出电压转化为所需的汇流条电压等级，另一方面可将汇流条上多余的能量通过DC/DC变换器存储在锂电池组中，起到为锂电池组充电的作用。选择具有起动特性的锂离子电池，用于在起动时提供峰值功率。燃料电池与锂电池组并联向机上电网供电的系统原理图如图5所示。

7 结语

本文分析了燃料电池的基本原理，介绍了空气管理系统，液态氢存储，和水热管理系统等燃料电池系统的主要组成部分，设计了燃料电池与锂电池并联的混合供电系统。可以解决在飞机速度发生变化以及突加突卸负载时造成的功率变化情况下燃料电池由于自身特性不能及时响应的问题。燃料电池作为辅助动力装置在飞机上的应用目前尚处于论证阶段，真正在飞机上的应用还需要相关支撑技术的快速突破，例如提高氢气存储效率，提高燃料电池功重比以及锂电池组在飞机上使用的安全性而带来的适航问题等。

参考文献：

[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 混合供电系统

燃料电池具有较高的能量密度，但却有较低的功率密度[13]，因此燃料电池的动态响应较为迟缓，而辅助动力装置在起动主发动机阶段，功率需求变化较大。锂电池具有较高的功重比和快速的响应速度[14]，将燃料电池与锂电池组并联，在突加突卸负载或起动主发时等功率需求较大时，由锂电池作为峰值功率源。

从图1可以看出，单体燃料电池的输出并不稳定，并且燃料电池组的输出电压等级并不是汇流条的电压等级，需要升压式DC-DC转换器将燃料电池输出电压等级转换为汇流条电压等级。锂电池的输出通过双向DC-DC变换器，一方面可以将锂电池组的输出电压转化为所需的汇流条电压等级，另一方面可将汇流条上多余的能量通过DC/DC变换器存储在锂电池组中，起到为锂电池组充电的作用。选择具有起动特性的锂离子电池，用于在起动时提供峰值功率。燃料电池与锂电池组并联向机上电网供电的系统原理图如图5所示。

7 结语

本文分析了燃料电池的基本原理，介绍了空气管理系统，液态氢存储，和水热管理系统等燃料电池系统的主要组成部分，设计了燃料电池与锂电池并联的混合供电系统。可以解决在飞机速度发生变化以及突加突卸负载时造成的功率变化情况下燃料电池由于自身特性不能及时响应的问题。燃料电池作为辅助动力装置在飞机上的应用目前尚处于论证阶段，真正在飞机上的应用还需要相关支撑技术的快速突破，例如提高氢气存储效率，提高燃料电池功重比以及锂电池组在飞机上使用的安全性而带来的适航问题等。

参考文献：

[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 混合供电系统

燃料电池具有较高的能量密度，但却有较低的功率密度[13]，因此燃料电池的动态响应较为迟缓，而辅助动力装置在起动主发动机阶段，功率需求变化较大。锂电池具有较高的功重比和快速的响应速度[14]，将燃料电池与锂电池组并联，在突加突卸负载或起动主发时等功率需求较大时，由锂电池作为峰值功率源。

从图1可以看出，单体燃料电池的输出并不稳定，并且燃料电池组的输出电压等级并不是汇流条的电压等级，需要升压式DC-DC转换器将燃料电池输出电压等级转换为汇流条电压等级。锂电池的输出通过双向DC-DC变换器，一方面可以将锂电池组的输出电压转化为所需的汇流条电压等级，另一方面可将汇流条上多余的能量通过DC/DC变换器存储在锂电池组中，起到为锂电池组充电的作用。选择具有起动特性的锂离子电池，用于在起动时提供峰值功率。燃料电池与锂电池组并联向机上电网供电的系统原理图如图5所示。

7 结语

本文分析了燃料电池的基本原理，介绍了空气管理系统，液态氢存储，和水热管理系统等燃料电池系统的主要组成部分，设计了燃料电池与锂电池并联的混合供电系统。可以解决在飞机速度发生变化以及突加突卸负载时造成的功率变化情况下燃料电池由于自身特性不能及时响应的问题。燃料电池作为辅助动力装置在飞机上的应用目前尚处于论证阶段，真正在飞机上的应用还需要相关支撑技术的快速突破，例如提高氢气存储效率，提高燃料电池功重比以及锂电池组在飞机上使用的安全性而带来的适航问题等。

参考文献：

[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