楊明明+張利國

摘 要：燃料電池作為一種清潔高效電化學發(fā)電裝置，正被逐步應用在汽車和輕型飛機上。首先對PEMFC進行介紹;分析對比氫的制取和儲存技術;重點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)展需要解決的技術課題。

關鍵詞：燃料電池 ?PEMFC ?氫 ?電動力系統(tǒng)

中圖分類號：V242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0096-02

燃料電池是一種將儲存在燃料中的化學能直接轉化為電能的電化學裝置。與熱機過程的多步驟（如從化學能到熱能，再到機械能，最后到電能）相比，燃料電池的直接轉化（從化學能到電能）具有明顯的優(yōu)勢。例如，目前以燃燒燃料為基礎的能源發(fā)電技術對環(huán)境損害嚴重，如氣候變化，臭氧層破壞，酸雨，植被覆蓋減少等等。此外，這些技術依賴的化石燃料有限，全球燃料供應呈日益減少的趨勢。[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、無振動的安靜運行模式，而其固有的模塊化設計則保證其尺寸的靈活性，可根據需要進行組合，電量大小易于調節(jié)。因此燃料電池技術被譽為21世紀最有前途的清潔高效能量轉換技術。

根據所用電解質的不同，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）和質子交換膜燃料電池（PEMFC）[2]，其中PEMFC最適合用作汽車、輕型飛機的動力電源。PEMFC常見的能量來源是氫氣。

1 PEMFC簡介

質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燃機類似，燃料電池系統(tǒng)通常包括氧化劑供應、燃料供應、水熱管理及電控等子系統(tǒng)，相對較為復雜。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)及安全裝置等在內的輔助系統(tǒng)?？窟@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所生成的水和熱。

2 氫的制取和儲存

2.1 氫的制取

根據目前的技術水平，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，約占氫氣來源的97%;另一種是電解水法[4]，但是此法要求較高，消耗較大。一般而言，燃料電池飛機所用的氫氣來自化石能源蒸汽重整。

2.2 氫的儲存

燃料電池飛機上的氫氣儲存主要以液體形式為主，氫氣罐可以放在兩側機翼，這樣可以在不對飛機做重大修改的情況下充分利用機上空間。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。

從技術難度、成本、能耗等方面進行綜合考慮，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上應用的瓶頸之一。目前，世界各國均設計了采用高壓罐與儲氫材料相結合的燃料罐，但是效果仍不是很理想。

3 飛機配置研究

3.1 燃料電池系統(tǒng)組成

現(xiàn)有燃料電池的瞬時功率不大，比能量（參與電極反應的單位質量的電極材料放出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，燃料電池堆和燃料的重量再加上結構重量將超過現(xiàn)有輕型飛機的起飛重量。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的航程，在起飛和爬升等其他任務時由鋰電池為電動機等設備提供電力。圖1為燃料電池飛機的推進和能源系統(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)根據油門踏板的動作將電能分配給電動機，電動機驅動螺旋槳為飛機產生推力。

3.2 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：燃料電池是整個系統(tǒng)的主電源，鋰離子電池組輸出直流電，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飛機飛行。若選擇直流電機則系統(tǒng)結構較為簡單，若選擇交流電機則需要增加DC-AC逆變器，這無疑會導致系統(tǒng)較為復雜，因此在電動力系統(tǒng)中選擇直流電機。整個系統(tǒng)的運行由綜合控制系統(tǒng)——飛機管理單元進行控制。鋰離子電池為在飛機起飛和爬升階段為電機提供額外的電功率，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

在輕型飛機中，一般使用空氣或氧氣作為氧化劑。氫氣—空氣和氫氣—氧氣質子交換膜燃料電池系統(tǒng)框圖如圖3所示。

供給質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的工作溫度。壓縮機要消耗部分燃料電池功率。質子交換膜燃料電池堆的水管理很重要，主要通過調整反應物濕度與陽極氣流速率來實現(xiàn)。

4 氫氣安全研究

為了保證燃料電池飛機的安全穩(wěn)定運行，需要有安全有效的供氫系統(tǒng)。在燃料電池飛機上，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的輔助安全裝置。

燃料電池飛機內部有高壓氣體容器和高電壓電池，因此它既存在傳統(tǒng)機載設備各容器和電池之間的碰撞問題，同時由于氫的內在特性，也對其安全性形成巨大挑戰(zhàn)。與氫安全相關的問題主要有兩個。

（1）泄露性。氫的分子量最小，擴散速度快，容易泄露。與汽油、天然氣和丙烷相比，氫氣具有更快的擴散性和更大的浮力，一旦發(fā)生泄露，其危險程度會很大。氫在空氣中的著火點很低，而且氫氣火焰幾乎看不到，增加了其危險性。

（2）氫氣罐保護。高壓氫氣罐的固定支架和鋼帶應有足夠的強度，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措施，即氫氣罐保護系統(tǒng)采用整體式結構設計。

5 結語

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、技術成熟度低、比功率低的問題，并存在環(huán)境差，運行效率低的問題。這些問題在燃料電池飛機上會顯得更加明顯。

氫燃料密度低、易燃燒，制備、密封、阻燃、安全控制技術復雜，供應與運輸也存在問題。目前燃料電池飛機的關鍵技術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，廢熱浪費較多，散熱系統(tǒng)復雜。

5.2 結論

經過發(fā)展，燃料電池電動力系統(tǒng)能夠滿足燃料電池電動飛機的基本使用要求。但是當前燃料電池飛機電動力系統(tǒng)仍然存在性能低、重量和體積大、費用高、技術不成熟等不足之處，系統(tǒng)性能有限，還不能充分滿足電動飛機的要求。相信隨著相關技術研究和產品開發(fā)工作的加強和深入，燃料電池電動力系統(tǒng)定能推動燃料電池電動飛機實現(xiàn)革命性發(fā)展。

參考文獻

[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] 黃莎華，劉之景，王克逸.燃料電池開發(fā)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].化學通報，2004（67）：1-7.

[3] 侯明，衣寶廉.燃料電池技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].電化學，2012，18（1）：1-13.

[4] 許震宇，周華，楊志剛.電動力輕型飛機的研制[J].航空科學技術，2007（6）：26-30.endprint

摘 要：燃料電池作為一種清潔高效電化學發(fā)電裝置，正被逐步應用在汽車和輕型飛機上。首先對PEMFC進行介紹;分析對比氫的制取和儲存技術;重點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)展需要解決的技術課題。

關鍵詞：燃料電池 ?PEMFC ?氫 ?電動力系統(tǒng)

中圖分類號：V242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0096-02

燃料電池是一種將儲存在燃料中的化學能直接轉化為電能的電化學裝置。與熱機過程的多步驟（如從化學能到熱能，再到機械能，最后到電能）相比，燃料電池的直接轉化（從化學能到電能）具有明顯的優(yōu)勢。例如，目前以燃燒燃料為基礎的能源發(fā)電技術對環(huán)境損害嚴重，如氣候變化，臭氧層破壞，酸雨，植被覆蓋減少等等。此外，這些技術依賴的化石燃料有限，全球燃料供應呈日益減少的趨勢。[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、無振動的安靜運行模式，而其固有的模塊化設計則保證其尺寸的靈活性，可根據需要進行組合，電量大小易于調節(jié)。因此燃料電池技術被譽為21世紀最有前途的清潔高效能量轉換技術。

根據所用電解質的不同，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）和質子交換膜燃料電池（PEMFC）[2]，其中PEMFC最適合用作汽車、輕型飛機的動力電源。PEMFC常見的能量來源是氫氣。

1 PEMFC簡介

質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燃機類似，燃料電池系統(tǒng)通常包括氧化劑供應、燃料供應、水熱管理及電控等子系統(tǒng)，相對較為復雜。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)及安全裝置等在內的輔助系統(tǒng)?？窟@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所生成的水和熱。

2 氫的制取和儲存

2.1 氫的制取

根據目前的技術水平，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，約占氫氣來源的97%;另一種是電解水法[4]，但是此法要求較高，消耗較大。一般而言，燃料電池飛機所用的氫氣來自化石能源蒸汽重整。

2.2 氫的儲存

燃料電池飛機上的氫氣儲存主要以液體形式為主，氫氣罐可以放在兩側機翼，這樣可以在不對飛機做重大修改的情況下充分利用機上空間。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。

從技術難度、成本、能耗等方面進行綜合考慮，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上應用的瓶頸之一。目前，世界各國均設計了采用高壓罐與儲氫材料相結合的燃料罐，但是效果仍不是很理想。

3 飛機配置研究

3.1 燃料電池系統(tǒng)組成

現(xiàn)有燃料電池的瞬時功率不大，比能量（參與電極反應的單位質量的電極材料放出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，燃料電池堆和燃料的重量再加上結構重量將超過現(xiàn)有輕型飛機的起飛重量。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的航程，在起飛和爬升等其他任務時由鋰電池為電動機等設備提供電力。圖1為燃料電池飛機的推進和能源系統(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)根據油門踏板的動作將電能分配給電動機，電動機驅動螺旋槳為飛機產生推力。

3.2 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：燃料電池是整個系統(tǒng)的主電源，鋰離子電池組輸出直流電，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飛機飛行。若選擇直流電機則系統(tǒng)結構較為簡單，若選擇交流電機則需要增加DC-AC逆變器，這無疑會導致系統(tǒng)較為復雜，因此在電動力系統(tǒng)中選擇直流電機。整個系統(tǒng)的運行由綜合控制系統(tǒng)——飛機管理單元進行控制。鋰離子電池為在飛機起飛和爬升階段為電機提供額外的電功率，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

在輕型飛機中，一般使用空氣或氧氣作為氧化劑。氫氣—空氣和氫氣—氧氣質子交換膜燃料電池系統(tǒng)框圖如圖3所示。

供給質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的工作溫度。壓縮機要消耗部分燃料電池功率。質子交換膜燃料電池堆的水管理很重要，主要通過調整反應物濕度與陽極氣流速率來實現(xiàn)。

4 氫氣安全研究

為了保證燃料電池飛機的安全穩(wěn)定運行，需要有安全有效的供氫系統(tǒng)。在燃料電池飛機上，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的輔助安全裝置。

燃料電池飛機內部有高壓氣體容器和高電壓電池，因此它既存在傳統(tǒng)機載設備各容器和電池之間的碰撞問題，同時由于氫的內在特性，也對其安全性形成巨大挑戰(zhàn)。與氫安全相關的問題主要有兩個。

（1）泄露性。氫的分子量最小，擴散速度快，容易泄露。與汽油、天然氣和丙烷相比，氫氣具有更快的擴散性和更大的浮力，一旦發(fā)生泄露，其危險程度會很大。氫在空氣中的著火點很低，而且氫氣火焰幾乎看不到，增加了其危險性。

（2）氫氣罐保護。高壓氫氣罐的固定支架和鋼帶應有足夠的強度，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措施，即氫氣罐保護系統(tǒng)采用整體式結構設計。

5 結語

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、技術成熟度低、比功率低的問題，并存在環(huán)境差，運行效率低的問題。這些問題在燃料電池飛機上會顯得更加明顯。

氫燃料密度低、易燃燒，制備、密封、阻燃、安全控制技術復雜，供應與運輸也存在問題。目前燃料電池飛機的關鍵技術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，廢熱浪費較多，散熱系統(tǒng)復雜。

5.2 結論

經過發(fā)展，燃料電池電動力系統(tǒng)能夠滿足燃料電池電動飛機的基本使用要求。但是當前燃料電池飛機電動力系統(tǒng)仍然存在性能低、重量和體積大、費用高、技術不成熟等不足之處，系統(tǒng)性能有限，還不能充分滿足電動飛機的要求。相信隨著相關技術研究和產品開發(fā)工作的加強和深入，燃料電池電動力系統(tǒng)定能推動燃料電池電動飛機實現(xiàn)革命性發(fā)展。

參考文獻

[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] 黃莎華，劉之景，王克逸.燃料電池開發(fā)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].化學通報，2004（67）：1-7.

[3] 侯明，衣寶廉.燃料電池技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].電化學，2012，18（1）：1-13.

[4] 許震宇，周華，楊志剛.電動力輕型飛機的研制[J].航空科學技術，2007（6）：26-30.endprint

摘 要：燃料電池作為一種清潔高效電化學發(fā)電裝置，正被逐步應用在汽車和輕型飛機上。首先對PEMFC進行介紹;分析對比氫的制取和儲存技術;重點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)展需要解決的技術課題。

關鍵詞：燃料電池 ?PEMFC ?氫 ?電動力系統(tǒng)

中圖分類號：V242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0096-02

燃料電池是一種將儲存在燃料中的化學能直接轉化為電能的電化學裝置。與熱機過程的多步驟（如從化學能到熱能，再到機械能，最后到電能）相比，燃料電池的直接轉化（從化學能到電能）具有明顯的優(yōu)勢。例如，目前以燃燒燃料為基礎的能源發(fā)電技術對環(huán)境損害嚴重，如氣候變化，臭氧層破壞，酸雨，植被覆蓋減少等等。此外，這些技術依賴的化石燃料有限，全球燃料供應呈日益減少的趨勢。[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、無振動的安靜運行模式，而其固有的模塊化設計則保證其尺寸的靈活性，可根據需要進行組合，電量大小易于調節(jié)。因此燃料電池技術被譽為21世紀最有前途的清潔高效能量轉換技術。

根據所用電解質的不同，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）和質子交換膜燃料電池（PEMFC）[2]，其中PEMFC最適合用作汽車、輕型飛機的動力電源。PEMFC常見的能量來源是氫氣。

1 PEMFC簡介

質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燃機類似，燃料電池系統(tǒng)通常包括氧化劑供應、燃料供應、水熱管理及電控等子系統(tǒng)，相對較為復雜。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)及安全裝置等在內的輔助系統(tǒng)?？窟@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所生成的水和熱。

2 氫的制取和儲存

2.1 氫的制取

根據目前的技術水平，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，約占氫氣來源的97%;另一種是電解水法[4]，但是此法要求較高，消耗較大。一般而言，燃料電池飛機所用的氫氣來自化石能源蒸汽重整。

2.2 氫的儲存

燃料電池飛機上的氫氣儲存主要以液體形式為主，氫氣罐可以放在兩側機翼，這樣可以在不對飛機做重大修改的情況下充分利用機上空間。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。

從技術難度、成本、能耗等方面進行綜合考慮，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上應用的瓶頸之一。目前，世界各國均設計了采用高壓罐與儲氫材料相結合的燃料罐，但是效果仍不是很理想。

3 飛機配置研究

3.1 燃料電池系統(tǒng)組成

現(xiàn)有燃料電池的瞬時功率不大，比能量（參與電極反應的單位質量的電極材料放出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，燃料電池堆和燃料的重量再加上結構重量將超過現(xiàn)有輕型飛機的起飛重量。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的航程，在起飛和爬升等其他任務時由鋰電池為電動機等設備提供電力。圖1為燃料電池飛機的推進和能源系統(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)根據油門踏板的動作將電能分配給電動機，電動機驅動螺旋槳為飛機產生推力。

3.2 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：燃料電池是整個系統(tǒng)的主電源，鋰離子電池組輸出直流電，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飛機飛行。若選擇直流電機則系統(tǒng)結構較為簡單，若選擇交流電機則需要增加DC-AC逆變器，這無疑會導致系統(tǒng)較為復雜，因此在電動力系統(tǒng)中選擇直流電機。整個系統(tǒng)的運行由綜合控制系統(tǒng)——飛機管理單元進行控制。鋰離子電池為在飛機起飛和爬升階段為電機提供額外的電功率，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

在輕型飛機中，一般使用空氣或氧氣作為氧化劑。氫氣—空氣和氫氣—氧氣質子交換膜燃料電池系統(tǒng)框圖如圖3所示。

供給質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的工作溫度。壓縮機要消耗部分燃料電池功率。質子交換膜燃料電池堆的水管理很重要，主要通過調整反應物濕度與陽極氣流速率來實現(xiàn)。

4 氫氣安全研究

為了保證燃料電池飛機的安全穩(wěn)定運行，需要有安全有效的供氫系統(tǒng)。在燃料電池飛機上，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的輔助安全裝置。

燃料電池飛機內部有高壓氣體容器和高電壓電池，因此它既存在傳統(tǒng)機載設備各容器和電池之間的碰撞問題，同時由于氫的內在特性，也對其安全性形成巨大挑戰(zhàn)。與氫安全相關的問題主要有兩個。

（1）泄露性。氫的分子量最小，擴散速度快，容易泄露。與汽油、天然氣和丙烷相比，氫氣具有更快的擴散性和更大的浮力，一旦發(fā)生泄露，其危險程度會很大。氫在空氣中的著火點很低，而且氫氣火焰幾乎看不到，增加了其危險性。

（2）氫氣罐保護。高壓氫氣罐的固定支架和鋼帶應有足夠的強度，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措施，即氫氣罐保護系統(tǒng)采用整體式結構設計。

5 結語

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、技術成熟度低、比功率低的問題，并存在環(huán)境差，運行效率低的問題。這些問題在燃料電池飛機上會顯得更加明顯。

氫燃料密度低、易燃燒，制備、密封、阻燃、安全控制技術復雜，供應與運輸也存在問題。目前燃料電池飛機的關鍵技術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，廢熱浪費較多，散熱系統(tǒng)復雜。

5.2 結論

經過發(fā)展，燃料電池電動力系統(tǒng)能夠滿足燃料電池電動飛機的基本使用要求。但是當前燃料電池飛機電動力系統(tǒng)仍然存在性能低、重量和體積大、費用高、技術不成熟等不足之處，系統(tǒng)性能有限，還不能充分滿足電動飛機的要求。相信隨著相關技術研究和產品開發(fā)工作的加強和深入，燃料電池電動力系統(tǒng)定能推動燃料電池電動飛機實現(xiàn)革命性發(fā)展。

參考文獻

[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] 黃莎華，劉之景，王克逸.燃料電池開發(fā)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].化學通報，2004（67）：1-7.

[3] 侯明，衣寶廉.燃料電池技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].電化學，2012，18（1）：1-13.

[4] 許震宇，周華，楊志剛.電動力輕型飛機的研制[J].航空科學技術，2007（6）：26-30.endprint