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展需要，高效率的燃料電池航空電推進系統逐漸受到重視，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，發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在航空能源、動力系統方向應用概況；概述了幾種突破現有渦輪發動機技術瓶頸的新概念混合電推進系統，如發電與推進一體化燃料電池渦輪混合動力系統和無渦輪燃料電池混合推進系統；基于此，分析了限制燃料電池混合系統實際應用的關鍵技術難題，主要體現在混合動力系統功重比較低、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；電推進；混合動力；燃料電池；燃料重整

? ?

引言

為構建節約型、可持續發展型社會，各國的環境保護標準日益提高 。2019年12月歐盟提出了到2050年實現溫室氣體碳中和的目標，之后日本、韓國也提出了在2050年實現碳中和的目標。2020年9月的第七十五屆聯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，如何提高航空工業動力系統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。傳統交通工具的動力系統主要為燃燒式引擎，燃氣 輪機等。燃燒式引擎從第二次工業革命起開始實用化，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 ，是未來飛機的潛在 最優動力解決方案之一。 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。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，被用于地面分布式發電系統。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 混合動力系統可用作飛機動力系統方案，應用前景廣闊，可發揮更大用途。如果用 SOFC/GT 混合動力系統替換現有飛機的燃燒式引擎， 發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，FUELEAP）計劃用 SOFC/GT 混合動力系統作為NASA第 一 個 全 電 飛 機 X-57“Maxwell”的 動力裝置。

本文系統總結了近些年有關燃料電池及燃料電池混合動力系統在飛機推進系統方面的研究進展及相應成果，分析了適用于航空推進系統的燃料電池類型及特點，重點介紹了 PEMFC 有人機、無人機和 SOFC 無人機動力系統的研究、發展現狀，介紹了非燃料電池混合動力系統在航空推進系統方面的研究進 展。此外，燃料電池渦輪混合系統不僅可作為大型 飛機機載能源系統，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作為飛機動力系統的相關研究，包括燃料電池燃氣渦輪分布式混合推進系統、燃料電池混合推進與能源一體化系統、無渦輪噴氣發動機等多種新型燃料電池及混合電推進系統方案，重點分析了限制燃料電池混合動力系統性能提升及實際應用的主要技術難題：混合系統功重比較低；大分子碳氫燃料重整技術未突破。