摘 要：燃料电池作为一种清洁高效电化学发电装置，正被逐步应用在汽车和轻型飞机上。首先对PEMFC进行介绍;分析对比氢的制取和储存技术;重点分析了燃料电池的电动力系统及其子系统;分析氢气安全问题;最后指出燃料电池电动力系统发展需要解决的技术课题。

关键词：燃料电池  PEMFC  氢  电动力系统

中图分类号：V242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（b）-0096-02

燃料电池是一种将储存在燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置。与热机过程的多步骤（如从化学能到热能，再到机械能，最后到电能）相比，燃料电池的直接转化（从化学能到电能）具有明显的优势。例如，目前以燃烧燃料为基础的能源发电技术对环境损害严重，如气候变化，臭氧层破坏，酸雨，植被覆盖减少等等。此外，这些技术依赖的化石燃料有限，全球燃料供应呈日益减少的趋势。[1]

燃料电池则提供了一种清洁有效的能量转换途径。此外，作为可再生能源和现代能源的载体，氢气可以作为燃料电池的能量来源。燃料电池的静态特性决定了其无噪音、无振动的安静运行模式，而其固有的模块化设计则保证其尺寸的灵活性，可根据需要进行组合，电量大小易于调节。因此燃料电池技术被誉为21世纪最有前途的清洁高效能量转换技术。

根据所用电解质的不同，可以将燃料电池分为5种主要类型：碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）[2]，其中PEMFC最适合用作汽车、轻型飞机的动力电源。PEMFC常见的能量来源是氢气。

1 PEMFC简介

质子交换膜燃料电池的主要部件包括膜电极组件、双极板以及密封元件等[3]。

燃料电池的工作方式与内燃机类似，燃料电池系统通常包括氧化剂供应、燃料供应、水热管理及电控等子系统，相对较为复杂。理论上只要不断为燃料电池供给氧化剂与燃料，其就可以持续发电。

此外，为了维持燃料电池连续正常工作，还须有一套包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等在内的辅助系统。靠这些辅助系统，燃料电池本体能得到所需氧化剂和燃料，并不断排出燃料电池反应所生成的水和热。

2 氢的制取和储存

2.1 氢的制取

根据目前的技术水平，主要有两种方法来制取氢气：一种是化石能源（主要是天然气、石油和煤）蒸汽重整法，这是目前制氢的主要方法，约占氢气来源的97%;另一种是电解水法[4]，但是此法要求较高，消耗较大。一般而言，燃料电池飞机所用的氢气来自化石能源蒸汽重整。

2.2 氢的储存

燃料电池飞机上的氢气储存主要以液体形式为主，氢气罐可以放在两侧机翼，这样可以在不对飞机做重大修改的情况下充分利用机上空间。氢气的存在状态取决于压力和温度，只有在超低温和高压条件下，氢气以液态形式存在。氢气的比重很低，所以需要采取措施以提高氢气储存的效率。目前，主要有三种氢的储存方法：高压气瓶储存、液化储存和储氢材料储存，三种储存方式的比较见表1。

从技术难度、成本、能耗等方面进行综合考虑，选择高压气瓶储存方式。与电动汽车类似，氢的储存是阻碍燃料电池在飞机上应用的瓶颈之一。目前，世界各国均设计了采用高压罐与储氢材料相结合的燃料罐，但是效果仍不是很理想。

3 飞机配置研究

3.1 燃料电池系统组成

现有燃料电池的瞬时功率不大，比能量（参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小称为该电池的比能量）不高，如果只依赖燃料电池完成滑跑、起飞、巡航、降落等任务，燃料电池堆和燃料的重量再加上结构重量将超过现有轻型飞机的起飞重量。所以采用燃料电池加锂离子电池的方案。在巡航过程中由燃料电池为锂电池充电以获得更远的航程，在起飞和爬升等其他任务时由锂电池为电动机等设备提供电力。图1为燃料电池飞机的推进和能源系统示意图。

燃料电池将氢气罐中的氢气和空气中的氧气转化为电能，通过电能管理和分配系统（PMAD）为锂电池充电，电源管理系统根据油门踏板的动作将电能分配给电动机，电动机驱动螺旋桨为飞机产生推力。

3.2 燃料电池电动力系统研究

燃料电池电动力系统原理如图2所示。系统的工作过程为：燃料电池是整个系统的主电源，锂离子电池组输出直流电，DC-DC转换器对电压和电流进行调制后输送给直流电机，电机带动螺旋桨推动飞机飞行。若选择直流电机则系统结构较为简单，若选择交流电机则需要增加DC-AC逆变器，这无疑会导致系统较为复杂，因此在电动力系统中选择直流电机。整个系统的运行由综合控制系统——飞机管理单元进行控制。锂离子电池为在飞机起飞和爬升阶段为电机提供额外的电功率，还可用作备份电源，以保证飞行安全。

3.3 燃料电池子系统研究

在轻型飞机中，一般使用空气或氧气作为氧化剂。氢气—空气和氢气—氧气质子交换膜燃料电池系统框图如图3所示。

供给质子交换膜燃料电池的氢燃料（气体或液态）和液氧需要加热和增湿，以达到电池工作温度和膜元件适宜的湿度。外界空气需要增压和增湿。中间冷却器用于保证二级压缩机的工作温度。压缩机要消耗部分燃料电池功率。质子交换膜燃料电池堆的水管理很重要，主要通过调整反应物湿度与阳极气流速率来实现。

4 氢气安全研究

为了保证燃料电池飞机的安全稳定运行，需要有安全有效的供氢系统。在燃料电池飞机上，供氢系统一般包括电磁阀、安全阀、溢流阀、热熔栓、手动截止阀、温度传感器和压力传感器等在内的辅助安全装置。

燃料电池飞机内部有高压气体容器和高电压电池，因此它既存在传统机载设备各容器和电池之间的碰撞问题，同时由于氢的内在特性，也对其安全性形成巨大挑战。与氢安全相关的问题主要有两个。

（1）泄露性。氢的分子量最小，扩散速度快，容易泄露。与汽油、天然气和丙烷相比，氢气具有更快的扩散性和更大的浮力，一旦发生泄露，其危险程度会很大。氢在空气中的着火点很低，而且氢气火焰几乎看不到，增加了其危险性。

（2）氢气罐保护。高压氢气罐的固定支架和钢带应有足够的强度，以保证在碰撞过程中，避免造成连接管路的断裂、变形和氢气的大量泄漏。因此提出安全有效的氢气罐保护措施，即氢气罐保护系统采用整体式结构设计。

5 结语

5.1 不足之处和亟待解决的问题

现有燃料电池存在重量大、技术成熟度低、比功率低的问题，并存在环境差，运行效率低的问题。这些问题在燃料电池飞机上会显得更加明显。

氢燃料密度低、易燃烧，制备、密封、阻燃、安全控制技术复杂，供应与运输也存在问题。目前燃料电池飞机的关键技术难题是氢燃料的储存。

燃料电池子系统的不足之处在于效率较低，废热浪费较多，散热系统复杂。

5.2 结论

经过发展，燃料电池电动力系统能够满足燃料电池电动飞机的基本使用要求。但是当前燃料电池飞机电动力系统仍然存在性能低、重量和体积大、费用高、技术不成熟等不足之处，系统性能有限，还不能充分满足电动飞机的要求。相信随着相关技术研究和产品开发工作的加强和深入，燃料电池电动力系统定能推动燃料电池电动飞机实现革命性发展。

参考文献

[1] Omar Z.Sharaf，Mehmet F.Orhan.An overview of fuel cell technology：Fundamentals and applications[R].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，32： 810-853 .

[2] 黄莎华，刘之景，王克逸.燃料电池开发现状及其发展趋势[J].化学通报，2004（67）：1-7.

[3] 侯明，衣宝廉.燃料电池技术发展现状与展望[J].电化学，2012，18（1）：1-13.

[4] 许震宇，周华，杨志刚.电动力轻型飞机的研制[J].航空科学技术，2007（6）：26-30.