缩比航空用多电池堆燃料电池系统运行策略的实验评估

《Aerospace Science and Technology》：Experimental evaluation of operating strategies for a scaled aeronautical multi-stack fuel cell system

　　

**要点**

• 三个质子交换膜电堆无变换器或开关的并联电气连接
• 通过空气供应控制实现的新型电堆切换策略
• 为并联电气电堆提出的启动、变载和停机流程
• 运行策略参数的敏感性分析
• 通过缩尺飞行任务对运行策略进行实验验证

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**引言**

质子交换膜燃料电池（PEMFC）在工业应用中的作用日益重要[4]。除公路和铁路运输外，航空业也越来越关注氢-电车载电源发电技术[5]、[6]、[7]。飞机和发动机制造商已开始着手开发基于氢燃料电池的替代推进系统[8]、[9]、[10]。到2050年，航空业的目标是将碳排放量比2000年的新飞机减少75%[11]。目前常见的燃料电池应用通常为地面式，功率不超过200 kW[12]、[13]、[14]。为实现基于燃料电池的飞机推进系统，需大幅将燃料电池功率输出提升至数兆瓦级[15]、[16]。在航空应用中，不仅总功率输出至关重要，燃料电池系统的功率密度同样极为关键，因为重量在飞行系统中起着决定性作用。本研究探讨了近期提出的一种燃料电池系统架构[1]、[2]、[3]，该架构同时解决了功率扩展以及系统重量和复杂性问题。

一般来说，PEMFC电堆的功率输出可以通过增大活性电池面积（更高的最大电流）和增加串联电池数量（更高电压）来提升。然而，电堆的尺寸受限于电池面积和电池数量[17]，单个电堆无法为运输机推进系统提供所需的电功率。因此，高功率燃料电池系统需要将多个电堆进行连接，也称为多电堆燃料电池系统（MFCS）。电堆可以以串联、并联或两者结合的方式连接[18]、[19]、[20]。串联连接结构简单且成本较低，但可靠性较低，因为单个电堆故障会导致整个系统失效，除非每个电堆都配备隔离电路[19]、[21]、[22]、[23]。相反，并联连接虽然控制难度更大，但可以实现对单个电堆的独立隔离[22]，而无需断开电路。这使得主动运行点控制成为可能——即在部分负载下仅激活部分电堆，避免过高电池电压，从而延长电堆寿命（参见[18]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]）。Garcia等人[30]表明，基于性能的堆激活方式可以获得比所有电堆始终激活运行更高的系统效率。单独的电化学转化效率在高电压/低电流条件下最高（参见[31]、[32]），即所有电堆以低功率运行时的情况。然而，系统整体效率在低功率时反而降低（参见[30]）。这是因为氢气和空气存在最低需求流量所致。部分氢气总是因吹扫和氢气渗透（crossover）而损失。为保证反应物在电池上的充分分布并避免液泛，需要最低空气流量，因此压缩机始终消耗最低功率。这些损失无论功率需求如何均会发生，但可以通过限制激活电堆数量来减少。相应地，Macias等人[33]报道称，与包含电堆切换的策略相比，所有电堆同时激活时的氢气消耗量更高。此外，电堆切换通过高级功率分配策略还可实现电堆老化的均衡化，如[33]所述，若所有电堆始终激活则无法实现这一点。最后，在具备电堆停用能力的并联MFCS架构中，故障电堆可被隔离[22]、[33]、[34]，从而增强冗余性和系统可靠性。

并联电气MFCS架构的布置方式有多种可能。文献中已有使用DC/DC变换器的MFCS介绍，用于将各电堆对齐至公共直流母线上的相同电压水平，如图1a所示[19]。然而，DC/DC变换器增加了系统的重量和复杂性，这对航空应用是不利的。作为替代方案，已有系统架构将电堆几乎直接连接，不使用变换器，如图1b所示。此处仅使用串联二极管防止一个电堆向另一个电堆的反向电流[18]、[19]。MOSFETs用于单独隔离电堆。DC/DC变换器、MOSFETs和二极管的比功率密度如表1所示。表1还补充了1 MW系统的功率耗散（指示冷却需求）。与DC/DC变换器方案相比，使用MOSFETs和二极管的系统架构重量更轻，但MOSFETs仍增加了系统复杂性和重量，尤其在高功率应用中。

本研究探讨的是近期提出的一种MFCS架构[1]、[2]、[3]，该架构既不需要变换器也不需要开关1，如图1c所示。仅使用二极管防止反向电流[18]、[19]。运行过程中的电堆切换仍然可行，但不是通过电气隔离电堆，而是通过控制各电堆的独立空气供应来实现[1]、[2]、[3]。通过切断某电堆的空气质量流量，可抑制氧气供应，导致有意缺氧，直至电化学反应停止，该电堆不再产生电流。若重新激活空气供应，该电堆将重新开始发电。这种新的运行策略已在先前出版物中通过物理系统模拟和实验进行了验证[1]、[2]、[3]。这些策略此后已进一步优化，例如实现了更有效的变载和同时电堆切换。本研究首次通过飞行任务负载剖面对缩尺MFCS测试平台进行实验，展示了所提出的MFCS运行策略的性能。

如表1所示，与先前架构相比，所提出的电气架构具有更高的比功率和更低的功率耗散。比功率的对比适用于电气组件（不含连接器、外壳、电磁干扰滤波器等）。在流体方面，假设所有架构均采用每电堆空气进口阀，因此空气供应控制不会给系统引入额外重量。

所研究的电堆切换程序是针对近期提出的MFCS架构的全新程序。尽管如此，文献中已涵盖广泛的MFCS运行策略，其中部分可迁移至本研究讨论的架构。Zhou等人[21]综述了带二极管和开关的并联MFCS。Ma等人[22]和Qiu等人[23]进一步综述了带和不带DC/DC变换器的MFCS，并列出了能源之间的能源管理策略。Jahromi和Heidary[39]提出了一种确保各电堆运行时间相等的策略，他们根据各自运行时间来切换电堆。Zhang等人[40]引入了一种迟滞控制策略来平衡所有电堆的使用。Garcia等人[30]、Macias等人[33]、Macias Fernandez等人[41]和Ma等人[22]描述了一种所谓的菊花链（daisy chain）切换程序，即根据总功率需求依次激活各电堆。在[33]、[41]中，作者进一步探索了一种自适应电堆切换逻辑，也称为"旋转菊花链"，其中并联电堆按各自效率顺序切换以实现均匀退化。Garcia等人[30]探索了一种功率分配算法，用于优化带DC/DC变换器的MFCS效率。Li和Zhang[42]提出了一种并联MFCS的协调控制策略，目标为实现最高瞬时效率。

此外，大量为单电池或单电堆燃料电池系统设计并测试的运行策略同样适用于MFCS。以下研究探讨了PEMFC的停机策略。Oyarce等人[43]比较了五种不同的停机策略并测量了退化情况，发现氢气吹扫策略导致的退化最少，其次是氧气消耗策略。Yu等人[44]比较了停机过程中使用假负载的氢气和氧气消耗情况，其结果表明氧气消耗比氢气消耗导致的退化更少。Lin等人[45]提出了一种低退化停机策略，使用辅助负载和空气吹扫。Fan等人[29]为单电堆开发了一种快速氧气消耗策略，通过在停机过程中施加电流梯度和恒定最终负载来实现。该策略将在本工作中被采用并迁移至MFCS。

为求完整起见，还应指出存在燃料电池与电池的混合系统，这些系统在电气连接方面与仅用电堆的MFCS有相似之处。Nishizawa等人[46]研究了不使用DC/DC变换器的燃料电池电堆与电池的直接混合。Di Trolio等人[47]进一步研究了仅使用二极管的电堆与电池的直接并联连接，他们使用电气开关和假电阻来实现系统的启动和停机。Qiu等人[23]进一步综述了二极管保护的电池与燃料电池电堆并联架构。

上述运行策略主要针对带DC/DC变换器或电气开关的MFCS。这些策略在一定程度上可迁移至本研究讨论的仅使用二极管的架构。然而，专门针对既不带DC/DC变换器也不带电气开关的MFCS的运行策略鲜有报道。本工作通过将现有策略适配新的MFCS架构以及引入新的、架构特定策略来填补这一空白。基于先前的工作[1]、[2]、[3]，主要研究目标如下：

1. 证明无变换器和电气开关的并联MFCS的可行性；
2. 为新系统架构设计自主运行策略，包括通过控制各自空气供应实现的电堆（去）激活策略；
3. 通过飞行任务负载剖面对运行策略进行实验测试与评估。

此处的"负载"指电流或功率。两种负载模式均进行了研究，但最终目标是在功率模式下运行MFCS，这更接近实际应用。

本研究遵循需求驱动的开发与评估方法。一方面，既定的需求为运行策略开发提供了清晰框架；另一方面，它们也作为实验结果的评估指标。

本研究不考察所调查的运行策略引起的电池性能退化。尽管如此，运行策略是基于理论考虑设计的，旨在最小化退化。

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**章节片段**

**目标与设计方法**

MFCS运行策略通过典型的支线飞机飞行任务进行评估。归一化轴功率剖面如图2所示，涵盖从滑行和起飞到下降、着陆和最终滑行的所有相关飞行阶段。在首次着陆尝试时增加了复飞，以展示MFCS在较长飞行怠速期后仍能提供高功率的能力。复飞功率设置为与初始起飞功率相同。各阶段之间的转换……

**MFCS运行策略的设计**

以下描述的MFCS运行策略基于先前的工作[1]、[2]、[3]。虽然图4展示了时间上的开发过程，图5则描绘了MFCS的控制开发环境。后者可分为三个部分：

1. **被测试系统（SuT）**（蓝色框），可以是物理系统模型或测试平台；
2. **控制逻辑**（黄色框），包括压力控制和质量流量设定值确定；
3. **状态机**

**运行策略的实验验证**

所提出的MFCS运行策略通过缩尺测试平台进行了实验验证。首先，利用测试平台改进此前基于物理系统模型设计的运行策略。随后，提出了一种通过运行策略参数敏感性分析来提升MFCS性能的方法。

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1 原文脚注标记保留。

最后，通过缩比飞行任务负荷谱（图 2）对操作策略进行了验证。

实验结果讨论
本文呈现的结果是根据第 2.1 节设定的要求和目标进行讨论的。随后，将指出本文方法和研究的局限性，并提供展望。

结论
本文研究了一种无需附加电气组件（如变换器或电气开关）的 MFCS 架构。仅安装二极管以保护电堆免受反向电流影响 [18]、[19]。此类 MFCS 架构的运行需要新的运行策略。因此，本文提出了启动和关闭程序以及一种针对该架构的电堆切换程序。后者可实现工作点控制，即 MFCS 中的一个或多个电堆处于

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在本工作准备期间，作者使用了 DeepL 进行语言改进。此外，作者使用了 Microsoft Copilot 进行文献研究。在使用这些工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

CRediT 作者贡献声明
Sebastian Nicolay：写作 – 初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念构思、写作 – 审查与编辑。
Sophie F. Armanini：写作 – 审查与编辑、监督。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文中报告的工作。
Sebastian Nicolay | Sophie F. Armanini