摘要

隨著世界范圍內(nèi)碳減排需求的日益增長(zhǎng)及長(zhǎng)航時(shí)飛機(jī)的發(fā)展需要，高效率的燃料電池航空電推進(jìn)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?xì)淙剂系母邷厝剂想姵剡€可與燃?xì)鉁u輪組成混合動(dòng)力系統(tǒng)，發(fā)電效率進(jìn)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(dòng)力系統(tǒng)方向應(yīng)用概況；概述了幾種突破現(xiàn)有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)瓶頸的新概念混合電推進(jìn)系統(tǒng)，如發(fā)電與推進(jìn)一體化燃料電池渦輪混合動(dòng)力系統(tǒng)和無(wú)渦輪燃料電池混合推進(jìn)系統(tǒng)；基于此，分析了限制燃料電池混合系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題，主要體現(xiàn)在混合動(dòng)力系統(tǒng)功重比較低、大分子碳?xì)淙剂现卣夹g(shù)未突破兩方面。

關(guān)鍵詞：航空動(dòng)力系統(tǒng)；電推進(jìn)；混合動(dòng)力；燃料電池；燃料重整

? ?

引言

為構(gòu)建節(jié)約型、可持續(xù)發(fā)展型社會(huì)，各國(guó)的環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)日益提高 。2019年12月歐盟提出了到2050年實(shí)現(xiàn)溫室氣體碳中和的目標(biāo)，之后日本、韓國(guó)也提出了在2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。2020年9月的第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上，中國(guó)提出了二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)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(yùn)輸量持續(xù)增長(zhǎng)的航空領(lǐng)域?yàn)槔?，其二氧化碳排放量占全球二氧化碳總排放量?%以上，且逐年上升。因此，如何提高航空工業(yè)動(dòng)力系統(tǒng)的能量利用效率并降低污染物排放是每一個(gè)能源、動(dòng)力裝置研究人員所關(guān)心的問(wèn)題。傳統(tǒng)交通工具的動(dòng)力系統(tǒng)主要為燃燒式引擎，燃?xì)?輪機(jī)等。燃燒式引擎從第二次工業(yè)革命起開始實(shí)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(jī)，人們提出了多電、全電飛機(jī)，以電池作為飛機(jī)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(jī)能源限制了其航程和載重。燃料電池相對(duì)于電池等設(shè)備具有功率密度大、受天氣制約小等特點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)燃燒式引擎具有熱效率高、污染物排放小等特點(diǎn)，可作為新型、高效、低排放動(dòng)力系統(tǒng) ，是未來(lái)飛機(jī)的潛在 最優(yōu)動(dòng)力解決方案之一。 質(zhì)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(yīng)用潛力的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)。PEMFC 已經(jīng)開始應(yīng)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(shè)備，可使用碳?xì)淙剂?，相較于質(zhì)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(shì)。歐洲和北美已有多個(gè)供給碳?xì)淙剂系腟OFC 示范項(xiàng)目。日本尼桑公司在2016年試運(yùn)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(duì)簡(jiǎn)單。

SOFC 由于工作溫度高，基于“溫度對(duì)口”的能量梯級(jí)利用原理，可與燃?xì)廨啓C(jī)（Gas Turbine，GT）相結(jié)合，組成熱效率更高的 SOFC/GT 混合動(dòng)力系統(tǒng)，被用于地面分布式發(fā)電系統(tǒng)。由于碳?xì)淙剂先绫椤?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(dòng)力系統(tǒng)可用作飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)方案，應(yīng)用前景廣闊，可發(fā)揮更大用途。如果用 SOFC/GT 混合動(dòng)力系統(tǒng)替換現(xiàn)有飛機(jī)的燃燒式引擎， 發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率可提高近一倍，飛機(jī)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(shì)。美國(guó)國(guó)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(jī)構(gòu) （Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）對(duì) SOFC 在航空器上的應(yīng)用非常關(guān)注，均認(rèn)為高效率、低污染的SOFC/GT 混合動(dòng)力系統(tǒng)在飛機(jī)的應(yīng)用具有重要意 義。NASA 在培育超高效率低排放航空動(dòng)力項(xiàng)目中（Fostering Ultra-Efficient Low-Emitting Aviation Pow? er Project，F(xiàn)UELEAP）計(jì)劃用 SOFC/GT 混合動(dòng)力系統(tǒng)作為NASA第 一 個(gè) 全 電 飛 機(jī) X-57“Maxwell”的 動(dòng)力裝置。

本文系統(tǒng)總結(jié)了近些年有關(guān)燃料電池及燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)在飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)方面的研究進(jìn)展及相應(yīng)成果，分析了適用于航空推進(jìn)系統(tǒng)的燃料電池類型及特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了 PEMFC 有人機(jī)、無(wú)人機(jī)和 SOFC 無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的研究、發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了非燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)在航空推進(jìn)系統(tǒng)方面的研究進(jìn) 展。此外，燃料電池渦輪混合系統(tǒng)不僅可作為大型 飛機(jī)機(jī)載能源系統(tǒng)，還可為高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)、分布式推進(jìn)飛機(jī)和低排放民用客機(jī)等長(zhǎng)續(xù)航、低排放飛機(jī)提供動(dòng)力。文中介紹了燃料電池渦輪混合動(dòng)力系統(tǒng)作為飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的相關(guān)研究，包括燃料電池燃?xì)鉁u輪分布式混合推進(jìn)系統(tǒng)、燃料電池混合推進(jìn)與能源一體化系統(tǒng)、無(wú)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等多種新型燃料電池及混合電推進(jìn)系統(tǒng)方案，重點(diǎn)分析了限制燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)性能提升及實(shí)際應(yīng)用的主要技術(shù)難題：混合系統(tǒng)功重比較低；大分子碳?xì)淙剂现卣夹g(shù)未突破。