该系统的额定功率约为258W，最高效率为47%。在低功率输出（<80W）时，未反应的氢（在排氢和短路（膜加湿）期间）而损失的能量是效率较低的主要原因；对于高功率输出，主要的能量损失是产生的大量热量。排氢持续时间随着功率的增加而增加，从而调节电堆的含水量。当功率输出超过200W时，风扇会主动控制堆内温度，避免温度过高对膜造成损害。当低于200W时，风扇不会进行主动控制。此外，该系统还包括一个提供额外电力的辅助电池，当燃料电池系统输出电压较低，辅助电池开始为系统提供能量。电池不仅用于提供额外电能，还用于补偿燃料电池对所需电能突然变化的较慢响应时间。燃料电池提供的多余电能可用来给电池充电，当燃料电池有足够电能时，可以以1A的电流为蓄电池进行充电。该电堆的具体参数见表1。
本次工作中使用的测试装置的简单示意图如图1所示，实物图如图2所示。其中氢气在输送到燃料电池堆之前，经过一个压力调节器以保持工作压力，同时质量流量控制器测量运行过程中氢气的消耗量。辅助电池通过电源管理器与系统相连，燃料电池控制器和电源管理器均与直流电子负载相连，在燃料电池控制器和电源管理器前后放置了电流和电压传感器，以评估它们的能耗。
图3 电堆极化曲线和电流-功率曲线[1]
同时文章对每个单体电池的性能进行评估，评估了三个不同电流下燃料电池的单体电压，在每个电流下稳定15分钟后进行测量，测量结果见图4。在不同的测试电流下，所有单体电池电压都相当接近，这表明燃料电池堆的设计保证了性能的一致性。
图4 不同单电池性能[1]
阳极侧排氢和膜加湿是燃料电池堆正确运行的重要策略。排氢主要是为了清除阳极侧在运行过程中从阴极产生并扩散至阳极而积聚的水；氮气也会通过阴极扩散而积聚，因此有必要定期对电堆进行膜加湿处理，以保持质子交换膜合适的湿度水平。排氢和短路（膜加湿）的频率都设定为15秒，与燃料电池的功率无关。
图5显示了在不同功率输出下这两个参数的持续时间值。随着功率的增加，排氢的持续时间也在增加。排氢时间从大约0.14秒增加到大约1.33秒，是因为在较高的功率输出下，运行期间产水量会更高。保持短路（膜加湿）持续时间不变的一个原因是在较高功率下允许的较高工作温度内不会造成膜干的风险，同时又有利于燃料电池堆的性能。
图5 排氢及短路在不同功率下的持续时间[1]
在本实验中，将燃料电池堆输出功率逐级增加，对温度响应进行分析。图6显示了不同输出功率时的燃料电池温度。当输出功率超过200W时，风扇开始主动控制温度，以确保不会对膜造成损害。
此外，文章还通过氢气的流量、吹扫时间及控制器的电流电压计算相应能量消耗。不同输出功率下燃料电池系统的功率消耗及其占比如上表2所示。在输出功率较低（低于80W）的情况下，未反应的氢气对燃料电池系统的输出功率有很大影响。而在输出功率为171W时，未反应的氢气损失仅为10%。在输出功率为258W时，损失仅为5%。当输出功率超过220W时，系统效率会降低，因为燃料电池的热损耗开始占据主导地位。
为了更好地了解辅助电池在本系统中的功用，文章测量了燃料电池和辅助电池在不同要求功率下的电流和电压，结果如图7所示。在负载要求的功率约为240W之前，所有向负载提供的电流都来自燃料电池。当输出功率较高时，辅助电池的输出功率开始迅速增加。
图7 不同负载需求下电流（A）及电压（B）变化图[1]
为确保所研究的燃料电池动力系统能够满足无人机飞行的能量需求，文章使用真实的飞行数据进行了模拟，模拟飞行的功率曲线如图8所示，测试期间的系统响应如图9所示。文章观察到，燃料电池对需求功率突然增加的响应时间较慢。测试结束时，辅助电池提供的电流接近0A，电压接近24.1V，在大功率负载需求下，辅助电池输出做功，其余时间段内辅助电池处于充电状态。
图8 模拟飞行中的需求功率曲线[1]
图9 模拟飞行中燃料电池及辅助电池的电流（A）及电压（B）变化图[1]
【来源标注】
[1] F.M. D S, B. R F, D.S. F, et al. Evaluation of a fuel cell system designed for unmanned aerial vehicles[J]. Energy,2022,253.
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原文始发于微信公众号（济美动力）：无人机燃料电池系统评价方法
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