质子交换膜燃料电池在植保无人机应用研究

李廷　周乐

【摘 要】针对目前植保无人机动力系统主要有油动、电动等背景下，将燃料电池与锂电池混合动力作为植保无人机的能量来源，以实现增加续航里程，提升作业效率。根据植保无人机各工况下功率需求不一样，提出不同的能量管理策略，科学管理能量系统。由于植保无人机的工作环境，提出采用空气冷却、阴极开放型燃料电池，该系统拥有比较简洁的系统结构，适合作为野外作业电池系统。为燃料电池在植保机上的应用，可以提供理论参考意义。

【关键词】燃料电池;质子交换膜;植保无人机

中图分类号： S499 文献标识码： A 文章编号： 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

中國是一个农业大国，拥有18亿亩耕地面积，农作物的施药工作量巨大，现阶段农村从业人口不断减少， 现阶段施药作业主要依靠人工或者半自动化设备作业，对于高效、自动化植保作业机械需求迫切。由于农业集中化以及科技发展，能够植保作业的无人机成为越来越多种植户的青睐。农用航空植保是以无人驾驶直升机为载体，采用智能控制系统，飞手借助地面工作站或者手机APP，对其进行实时控制。航空植保机不仅仅可以代替人工作业，其旋翼产生的气流可以使药液雾滴化，以及更好的穿透性，实现低空高效超低量农药的喷施。

农业植保机动力系统目前主要有油动、电动两种。油动无人机，汽油能量密度较高，但发动机其结构复杂，噪音大，加油不方便，危险性较高等缺点。电动无人机由于锂电池技术的限制，目前续航时间较短，野外作业的时候需要配置电池较多，野外充电不方便等问题，但具备无污染、噪音、安全性好等优点，现在在航空植保动力领域内处于主流位置[1]。

燃料电池，在一定的工作温度下，直接以电化学反应方式将燃料和氧气中的化学能转化为电能，主要由正极、负极、电解质和辅助设备组成的发电装置，燃料电池发电不受卡诺循环的限制。发电效率理论可达到85%～90%，目前由于技术原因，目前燃料电池的能量转化效率大约为40%～60%。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。燃料电池具有发电效率高、污染小、噪声低等优点，是继火电、水电、核电之后的第四代发电方式，只要能保证燃料和氧化剂的供给，燃料电池就可以连续不断地发电。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）因为操作温度较低（约80度），功率密度高、启动快，对负载变化响应块，越来越成为研究热点[2]。质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，以质子交换膜作为电解质，阳极和阴极分别进行氢气氧化反应（HOR）和氧气还原反应（ORR）的燃料电池[2]。由于燃料电池的电力特性较软，输出电压随功率的增加下降明显[3]，需要与大比功率的电源配合使用，锂电池具有较高的能量比功率，所以采用燃料电池和锂电池混合动力的方案成为植保无人机的选择。

1 植保无人机混合动力系统方案

航空植保机在施药作业中，负载需求功率会随药液量、施药速度、风力大小等因素变化而变化，根据飞行作业的实际状况，可以将工作模式分为三种：启动模式;巡航模式;降落模式[4]。启动模式需求功率最大，数值上为额定功率的数倍，燃料电池响应较慢，难以提供即时功率，需要锂电池提供大部分的能量需求。施药模式，植保无人机功率需求较稳定，可以全部由燃料电池提供电力需求。降落模式，负载功率需求较小，可以由锂电池直接提供能量需求。为了植保无人机能够正常作业，燃料电池的额定输出功率不小于无人机负载的平均需求功率， 否则锂电池将长时间处于放电状态，影响无人机的续航里程。植保无人机在工作模式下，燃料电池和锂电池输出功率之和不小于无人机最大需求功率，否则无人机将无法作业。为了增加系统可靠性，给锂电池与燃料电池各设置一个安全阀值，当锂电池的电量不足以用于安全降落所需电量时，燃料电池还需给锂电池充电。当检测到氢气的余量不足以用于安全降落所需值时，燃料电池停止输出功率，进行降落操作。

植保无人机燃料电池无人机电动力系统原理如图1所示。系统控制策略：燃料电池是整个系统的主电源，锂离子电池组作为补充电源，根据功率平衡的原则，被动实现充放电的控制。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无人机飞行。本方案可兼顾燃料电池与锂电池的电力特性，使燃料电池能够高效工作，锂电池充分发挥大功率、快速响应的工作特性，同时也能够科学充放电管理，可提高系统效率，降低燃料的消耗，增加植保无人机的续航里程，且延长系统的使用寿命。

2 质子交换膜燃料电池结构

植保无人机空冷型燃料电池，采用空气冷却、阴极开放型的质子交换膜燃料电池，拥有简洁的系统结构，适合作为野外作业的动力系统。空冷燃料电池可分为自呼吸型和强制对流型两种。自呼吸型燃料电池，指的是双极板的阴极直接外露于空气中，完全依靠空气自然对流，为电池提供氧气并散热，但此种燃料电池存在散热不足，空气供应取决于对流强度，相对供应量不大，目前只适用于低功率的场合中。强制对流型结构相对自呼吸型系统[5]来说，需要配置直流风扇作为辅助系统。此风扇的作用：为电堆提供氧气、降温冷却电堆、带走阴极生成的多余水分，放置水淹。直流风扇只消耗PEMFC输出功率5%以内，却能提升PEMFC性能[6]。

植保无人机所使用的燃料电池的单电池结构，主要由膜电极、密封圈、双极板等部件组成见图3。质子交换膜燃料电池包括双极板、膜电极组件以及密封元件等主要部件。双极板功能是提供燃料气体、空气流道，防止电池气室中的氢气与氧气串通，并串联的阴阳两极之间建立电流通路。膜电极组件由两部分组成，一部分为电解质隔膜，另一部分为阴阳两极多孔气体扩散层，一般指的是碳纸。电解质隔膜的两侧分别发生氢氧化反应与氧化还原反应，电子通过外电路做功，反应生成的产物为水。密封条主要起到密封作用防止水、氧气、空气串通与泄漏。

3 植保无人机燃电混合效果验证

目前大多数植保无人机续航时间由于无人机重量限制、锂电池技术瓶颈等原因，大体上续航时间只有15-30min。极大限制植保无人机的使用效率，植保机采用PEMFC燃料电池与锂电池混合动力，能有限提升续航里程与作业时间。提供给燃料电池电堆的氢燃料需要增湿，空气需要风扇增加对流，系统的重量会增加。以江苏数字鹰M-6160K无人植保机，其起飞质量为21.9kg，配备聚合物锂电池12000mah鋰电池，续航时间为15min。将其改造成燃料电池与锂电池混合动力，选用上海攀业氢能源科技有限公司定制的额定功率为3000W质子交换膜燃料电池与格式无人机专用电池10000mah作业混合动力源，起飞质量为25.2kg。在起飞前利用电子负载测试控制系统在不同功率输出要求下，查看电源之间是否进行平稳切换，测试完成后，对植保机进行装机操作，在无风天气在空旷的场地上进行试飞作业，实验结果表明植保机可以满足不同功率下飞行试验，续航时间可以达到45min，显著提高续航时间。

4 总结

目前大多植保无人机采用锂电池作为能量来源，锂电池作为储备能源瞬间功率输出能力强。但锂电池容量固定，也限制了无人机的续航时间。燃料电池稳定通过化学反应供电，不会有锂电池固定容量的限制。理论上只要氢气能够稳定充足的供应，燃料电池可以一直为负载供电。但其功率瞬间变化能力不足，限制其发展。氢电混合动力供电系统是锂电池与燃料电池混合供电。它具有燃料电池与锂电池的优点，且弱化了各自的缺点。燃料电池可以延长无人机的续航时间，在无人机功率突变时。

【参考文献】

[1]张梦龙，吴文明，李元应.植保无人机动力系统的改进及试验研究[J].南方论坛，2019，5：29-31.

[2]章俊良，蒋峰紧.燃料电池-原理·关键材料和技术[M]. 上海：上海交通大学出版社，2014.

[3]张志祥，肖铎，王佳斌.多旋翼燃料电池无人机能量管理策略研究[J].工业自动化技术，2018，1：122-126.

[4]张志祥.燃料电池多旋翼无人机混合动力系统设计[D]. 杭州：浙江大学，2018.

[5]朱晓舟.自增湿阴极开放式PEMFC控制系统设计及实验研究[D].成都：西南交通大学，2015.

[6]张锦芳，汪小珊，王奔，等.阴极开放式质子交换膜燃料电池实验性研究[J].应用能源技术，2012，5：8-13.