航空用燃料電池及燃料電池渦輪發(fā)動機混合電推進系統(tǒng)發(fā)展綜述

摘要

隨著世界范圍內碳減排需求的日益增長及長航時飛機的發(fā)展需要，高效率的燃料電池航空電推進系統(tǒng)逐漸受到重視，氫能航空的理念被人們所熟知，可使用碳氫燃料的高溫燃料電池還可與燃氣渦輪組成混合動力系統(tǒng)，發(fā)電效率進一步提高至70%。本文回顧了燃料電池及燃料電池渦輪混合系統(tǒng)在航空能源、動力系統(tǒng)方向應用概況；概述了幾種突破現(xiàn)有渦輪發(fā)動機技術瓶頸的新概念混合電推進系統(tǒng)，如發(fā)電與推進一體化燃料電池渦輪混合動力系統(tǒng)和無渦輪燃料電池混合推進系統(tǒng)；基于此，分析了限制燃料電池混合系統(tǒng)實際應用的關鍵技術難題，主要體現(xiàn)在混合動力系統(tǒng)功重比較低、大分子碳氫燃料重整技術未突破兩方面。

關鍵詞：航空動力系統(tǒng)；電推進；混合動力；燃料電池；燃料重整

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引言

為構建節(jié)約型、可持續(xù)發(fā)展型社會，各國的環(huán)境保護標準日益提高 。2019年12月歐盟提出了到2050年實現(xiàn)溫室氣體碳中和的目標，之后日本、韓國也提出了在2050年實現(xiàn)碳中和的目標。2020年9月的第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上，中國提出了二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的目標和承諾。其中，交通工具不僅在化石燃料消耗及排放中所占的比例 較大，而且影響人們的生活。以運輸量持續(xù)增長的航空領域為例，其二氧化碳排放量占全球二氧化碳總排放量的2%以上，且逐年上升。因此，如何提高航空工業(yè)動力系統(tǒng)的能量利用效率并降低污染物排放是每一個能源、動力裝置研究人員所關心的問題。傳統(tǒng)交通工具的動力系統(tǒng)主要為燃燒式引擎，燃氣 輪機等。燃燒式引擎從第二次工業(yè)革命起開始實用化，已被廣泛研究。截止目前，其性能提升較為緩慢，且提升幅度較小 。為降低碳排放、發(fā)展噪音較小的新型飛機，人們提出了多電、全電飛機，以電池作為飛機部分或全部能源供給。由于電池能量密度較小，將其作為飛機能源限制了其航程和載重。燃料電池相對于電池等設備具有功率密度大、受天氣制約小等特點，相對于傳統(tǒng)燃燒式引擎具有熱效率高、污染物排放小等特點，可作為新型、高效、低排放動力系統(tǒng) ，是未來飛機的潛在 最優(yōu)動力解決方案之一。 質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Mem? brane Fuel Cell，PEMFC）和固體氧化物燃料電池（Sol? id Oxide Fuel Cell，SOFC）是目前最具有應用潛力的燃料電池動力系統(tǒng)。PEMFC 已經開始應用于汽車、 輪船等交通工具。然而其只能使用高純度氫作為燃料，具有一定局限。相比之下，SOFC 是一種高效、清潔能源設備，可使用碳氫燃料，相較于質子交換膜燃料電池在燃料后勤保障體系方面有較大優(yōu)勢。歐洲和北美已有多個供給碳氫燃料的SOFC 示范項目。日本尼桑公司在2016年試運行了一款以乙醇為燃料的SOFC汽車。此外，SOFC工作溫度較高 （600~1000℃），相較于 PEMFC 可允許電極溫升大，其 水、熱管理也相對簡單。

SOFC 由于工作溫度高，基于“溫度對口”的能量梯級利用原理，可與燃氣輪機（Gas Turbine，GT）相結合，組成熱效率更高的 SOFC/GT 混合動力系統(tǒng)，被用于地面分布式發(fā)電系統(tǒng)。由于碳氫燃料如丙烷、 汽柴油、煤油等具有較大的能量密度。以這些燃料為能源的 SOFC/GT 混合動力系統(tǒng)可用作飛機動力系統(tǒng)方案，應用前景廣闊，可發(fā)揮更大用途。如果用 SOFC/GT 混合動力系統(tǒng)替換現(xiàn)有飛機的燃燒式引擎， 發(fā)動機熱效率可提高近一倍，飛機耗油率將顯著下降，且在污染物減排等方面也有較大優(yōu)勢。美國國家航空和宇宙航行局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）和日本宇宙航空研究開發(fā)機構 （Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）對 SOFC 在航空器上的應用非常關注，均認為高效率、低污染的SOFC/GT 混合動力系統(tǒng)在飛機的應用具有重要意 義。NASA 在培育超高效率低排放航空動力項目中（Fostering Ultra-Efficient Low-Emitting Aviation Pow? er Project，F(xiàn)UELEAP）計劃用 SOFC/GT 混合動力系統(tǒng)作為NASA第 一 個 全 電 飛 機 X-57“Maxwell”的 動力裝置。

本文系統(tǒng)總結了近些年有關燃料電池及燃料電池混合動力系統(tǒng)在飛機推進系統(tǒng)方面的研究進展及相應成果，分析了適用于航空推進系統(tǒng)的燃料電池類型及特點，重點介紹了 PEMFC 有人機、無人機和 SOFC 無人機動力系統(tǒng)的研究、發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了非燃料電池混合動力系統(tǒng)在航空推進系統(tǒng)方面的研究進 展。此外，燃料電池渦輪混合系統(tǒng)不僅可作為大型 飛機機載能源系統(tǒng)，還可為高空長航時無人機、分布式推進飛機和低排放民用客機等長續(xù)航、低排放飛機提供動力。文中介紹了燃料電池渦輪混合動力系統(tǒng)作為飛機動力系統(tǒng)的相關研究，包括燃料電池燃氣渦輪分布式混合推進系統(tǒng)、燃料電池混合推進與能源一體化系統(tǒng)、無渦輪噴氣發(fā)動機等多種新型燃料電池及混合電推進系統(tǒng)方案，重點分析了限制燃料電池混合動力系統(tǒng)性能提升及實際應用的主要技術難題：混合系統(tǒng)功重比較低；大分子碳氫燃料重整技術未突破。