航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述

发布时间:2023-3-20 | 杂志分类:其他
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航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述

2022 年 7 月第 43 卷 第 7 期July 2022Vol.43 No.7推 进 技 术JOURNA L O F PRO PU L S ION TECHNO LOGY210164-1航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述 *秦 江,姬志行,郭发福,刘 禾,李成杰,沈轶岭,程昆林,章思龙(哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院,工信部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001)摘 要:随着世界范围内碳减排需求的日益增长及长航时飞机的发展需要,高效率的燃料电池航空电推进系统逐渐受到重视,氢能航空的理念被人们所熟知,可使用碳氢燃料的高温燃料电池还可与燃气涡轮组成混合动力系统,发电效率进一步提高至70%。本文回顾了燃料电池及燃料电池涡轮混合系统在航空能源、动力系统方向应用概况;概述了几种突破现有涡轮发动机技术瓶颈的新概念混合电推进系统,如发电与推进一体化燃料电池涡轮混合动力系统和无涡轮燃料电池混合推进系统;基于此,分析了限制燃料电池混合系统实际应用的关键技术难题,主要体现在混合动力系统功重比较低、大分子碳氢燃料重整技术未突破两方面。关键词:航空动力系统;电推进;混合动力;燃料电池;燃料重整... [收起]
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2022 年 7 月

第 43 卷 第 7 期

July 2022

Vol.43 No.7

推 进 技 术

JOURNA L O F PRO PU L S ION TECHNO LOGY

210164-1

航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述 *

秦 江,姬志行,郭发福,刘 禾,李成杰,沈轶岭,程昆林,章思龙

(哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院,工信部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001)

摘 要:随着世界范围内碳减排需求的日益增长及长航时飞机的发展需要,高效率的燃料电池航空

电推进系统逐渐受到重视,氢能航空的理念被人们所熟知,可使用碳氢燃料的高温燃料电池还可与燃气

涡轮组成混合动力系统,发电效率进一步提高至70%。本文回顾了燃料电池及燃料电池涡轮混合系统在

航空能源、动力系统方向应用概况;概述了几种突破现有涡轮发动机技术瓶颈的新概念混合电推进系

统,如发电与推进一体化燃料电池涡轮混合动力系统和无涡轮燃料电池混合推进系统;基于此,分析了

限制燃料电池混合系统实际应用的关键技术难题,主要体现在混合动力系统功重比较低、大分子碳氢燃

料重整技术未突破两方面。

关键词:航空动力系统;电推进;混合动力;燃料电池;燃料重整

中图分类号:TM911 文献标识码:A 文章编号:1001-4055(2022)07-210164-18

DOI:10.13675/j.cnki. tjjs. 210164

Review of Aviation Fuel Cell and Hybrid Electric

Propulsion Systems

QIN Jiang,JI Zhi-xing,GUO Fa-fu,LIU He,LI Cheng-jie,SHEN Yi-ling,CHENG Kun-lin,ZHANG Si-long

(Key Laboratory of the Ministry of Industry and Information Technology,School of Energy Science and Engineering,

Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

Abstract:With the increasing demand of carbon emission reduction and the development of long endur‐

ance aircraft in the world,the high efficiency fuel cell aviation electric propulsion system has been paid more and

more attention,and the concept of hydrogen aviation is well known. The high temperature fuel cell which can use

hydrocarbon fuel can also form a hybrid power system with gas turbine,and the power generation efficiency can

be further improved to 70%. Firstly,this paper reviews the application of fuel cell and fuel cell turbine hybrid sys‐

tem in aviation energy and power system. Then,several new concepts of hybrid electric propulsion systems are

summarized,such as power generation and propulsion integrated fuel cell turbine hybrid power system and non

turbine fuel cell hybrid propulsion system. Based on this,this paper analyzes the key technical problems that lim‐

it the practical application of the fuel cell hybrid system,mainly reflected in the low power to weight ratio of the

hybrid system and not achieved a breakthrough of the macromolecular hydrocarbon fuel reforming technology.

Key words:Aircraft power system;Electric propulsion;Hybrid power;Fuel cell;Fuel reforming

1 引 言

为构建节约型、可持续发展型社会,各国的环境

保 护 标 准 日 益 提 高 。 2019 年 12 月 欧 盟 提 出 了 到

2050 年实现温室气体碳中和的目标,之后日本、韩国

也提出了在 2050 年实现碳中和的目标[1]。2020 年 9

* 收稿日期:2021-03-18;修订日期:2021-09-24。

通讯作者:秦 江,博士,教授,博士生导师,研究领域为燃料电池混合动力、热管理、能量综合利用。

引用格式:秦 江,姬志行,郭发福,等 . 航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述[J]. 推进技术,2022,43(7):

210164. (QIN Jiang,JI Zhi-xing,GUO Fa-fu,et al. Review of Aviation Fuel Cell and Hybrid Electric Propulsion

Systems[J]. Journal of Propulsion Technology,2022,43(7):210164.)

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推 进 技 术

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第 43 卷 第 7 期 2022 年

月的第七十五届联合国大会一般性辩论上,中国提

出了二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值,努力

争取 2060 年前实现碳中和的目标和承诺[2]。其中,

交通工具不仅在化石燃料消耗及排放中所占的比例

较大[3]

,而且影响人们的生活。以运输量持续增长的

航空领域为例,其二氧化碳排放量占全球二氧化碳

总排放量的 2% 以上[4]

,且逐年上升。因此,如何提高

航空工业动力系统的能量利用效率并降低污染物排

放是每一个能源、动力装置研究人员所关心的问题。

传统交通工具的动力系统主要为燃烧式引擎,燃气

轮机等。燃烧式引擎从第二次工业革命起开始实用

化,已被广泛研究。截止目前,其性能提升较为缓

慢,且提升幅度较小[5]

。为降低碳排放、发展噪音较

小的新型飞机,人们提出了多电、全电飞机,以电池

作为飞机部分或全部能源供给。由于电池能量密度

较小,将其作为飞机能源限制了其航程和载重。燃

料电池相对于电池等设备具有功率密度大、受天气

制约小等特点,相对于传统燃烧式引擎具有热效率

高、污染物排放小等特点,可作为新型、高效、低排放

动 力 系 统 ,是 未 来 飞 机 的 潜 在 最 优 动 力 解 决 方 案

之一[6]

质 子 交 换 膜 燃 料 电 池(Proton Exchange Mem‐

brane Fuel Cell,PEMFC)和固体氧化物燃料电池(Sol‐

id Oxide Fuel Cell,SOFC)是目前最具有应用潜力的

燃料电池动力系统。PEMFC 已经开始应用于汽车、

轮船等交通工具。然而其只能使用高纯度氢作为燃

料,具有一定局限。相比之下,SOFC 是一种高效、清

洁能源设备[7]

,可使用碳氢燃料,相较于质子交换膜

燃料电池在燃料后勤保障体系方面有较大优势。欧

洲 和 北 美 已 有 多 个 供 给 碳 氢 燃 料 的 SOFC 示 范 项

目[8]

。日本尼桑公司在 2016 年试运行了一款以乙醇

为燃料的 SOFC 汽车[9]。此外,SOFC 工作温度较高

(600~1000℃),相较于 PEMFC 可允许电极温升大,其

水、热管理也相对简单。

SOFC 由于工作温度高,基于“温度对口”的能量

梯级利用原理,可与燃气轮机(Gas Turbine,GT)相结

合,组成热效率更高的 SOFC/GT 混合动力系统,被用

于地面分布式发电系统[10-12]

。由于碳氢燃料如丙烷、

汽柴油、煤油等具有较大的能量密度。以这些燃料

为能源的 SOFC/GT 混合动力系统可用作飞机动力系

统方案,应用前景广阔,可发挥更大用途。如果用

SOFC/GT 混合动力系统替换现有飞机的燃烧式引擎,

发动机热效率可提高近一倍,飞机耗油率将显著下

降,且在污染物减排等方面也有较大优势。美国国

家航空和宇宙航行局(National Aeronautics and Space

Administration,NASA)和日本宇宙航空研究开发机构

(Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA)对 SOFC

在航空器上的应用非常关注,均认为高效率、低污染

的 SOFC/GT 混合动力系统在飞机的应用具有重要意

义。NASA 在培育超高效率低排放航空动力项目中

(Fostering Ultra-Efficient Low-Emitting Aviation Pow‐

er Project,FUELEAP)计划用 SOFC/GT 混合动力系统

作 为 NASA 第 一 个 全 电 飞 机 X-57“Maxwell”的 动 力

装置[13]

本文系统总结了近些年有关燃料电池及燃料电

池混合动力系统在飞机推进系统方面的研究进展及

相应成果,分析了适用于航空推进系统的燃料电池

类型及特点,重点介绍了 PEMFC 有人机、无人机和

SOFC 无人机动力系统的研究、发展现状,介绍了非燃

料电池混合动力系统在航空推进系统方面的研究进

展。此外,燃料电池涡轮混合系统不仅可作为大型

飞机机载能源系统,还可为高空长航时无人机、分布

式推进飞机和低排放民用客机等长续航、低排放飞

机提供动力。文中介绍了燃料电池涡轮混合动力系

统作为飞机动力系统的相关研究,包括燃料电池燃

气涡轮分布式混合推进系统[14]、燃料电池混合推进

与能源一体化系统[15]、无涡轮喷气发动机[16]等多种

新型燃料电池及混合电推进系统方案,重点分析了

限制燃料电池混合动力系统性能提升及实际应用的

主要技术难题:混合系统功重比较低;大分子碳氢燃

料重整技术未突破。

2 燃料电池航空动力装置研究进展

与传统动力装置中的燃烧反应不同,燃料电池

是通过电化学反应方式将燃料中的化学能直接转化

为电能的发电装置。由于不经过高温燃烧,不受卡

诺循环效率的制约,所以燃料电池的能量转化效率

非常高,可达 60% 以上。燃料的节约同时意味着二

氧化碳排放量的降低。同时因为不经历高温燃烧而

避免了氮氧化物的生成,所以燃料电池污染物排放

少。此外,由于没有涉及高速旋转部件,所以燃料电

池噪声污染也小。因此,燃料电池是十分有利于环

境 保 护 的 技 术 ,被 称 为 21 世 纪 的 绿 色 能 源 转 化 技

术[17]

。燃料电池动力装置被逐步应用于航空、航海、

汽车、火车、地面发电等多个领域。

2.1 燃料电池简介

按电解质类型分类,燃料电池主要有五种:碱性

燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、

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PEMFC 和 SOFC[18],如表 1 所示[19]。其中,碱性燃料

电池(工作温度 60~220℃)以 35%~50% 的氢氧化钾

溶液为电解质,不能直接采用空气作为氧化剂,也不

能使用重整气体作为燃料,目前仅用于航天器等特

殊场合,不适合民用。磷酸燃料电池(工作温度 150~

220℃)以铂为电催化剂,已经实现商品化,但是由于

电解质为液体,限制了其被广泛应用。熔融碳酸盐

燃料电池(工作温度 600~650℃)以碳酸盐为电解质,

正在由示范运行阶段向商品化阶段过渡,但是由于

其电解质也为液体,在运输、密封等方面天然处于劣

势,因此其应用也受到一定限制。PEMFC(工作温度

80~200℃)以固体聚合物膜为电解质,燃料为氢气或

重整气,效率较高,适用于电动汽车和可移动电源。

SOFC(工作温度 600~1000℃)以复合氧化物为电解

质,不需要其他的催化剂,并且燃料种类多样。PEM‐

FC 和 SOFC 是目前最有可能被广泛应用的两种燃料

电 池 。 虽 然 目 前 PEMFC 已 被 广 泛 应 用 ,但 是 由 于

SOFC 的工作温度高、不需要使用贵金属催化剂、燃料

适应广泛等特性,被公认是非常有发展前景的发电

装置,可广泛应用于传统电力市场,包括住宅用、工

业用/现场型发电机,便携移动电源、偏远地区供电以

及机车动力装置等[20]

图 1 为 SOFC 工作原理示意图。阳极通道内,碳

氢燃料与电化学反应产生的水蒸汽进行重整反应,

重整反应产生氢气。阴极通道内,氢气与空气进行

电化学反应,输出电能。SOFC 由 Patel 等[21]于 19 世

纪末提出。然而较高的工作温度(600~1000℃)使得

SOFC 的相关研究一度停滞。随着 20 世纪 70 年代末

期陶瓷技术的突破,SOFC 逐渐重新受到人们的重视,

并一直持续到现在。SOFC 相比于其他类型燃料电池

的优势在于:(1)热效率高,约为 40%~80%[22]

,几乎为

热效率最高的燃料电池。(2)燃料来源广泛:可使用

液体碳氢燃料、醇类燃料、一氧化碳、煤炭、生物质

等。(3)因为工作温度高,不需要使用贵金属催化剂。

(4)电池为全固态结构,不会产生电解液泄露与电解

液腐蚀的情况。(5)相比于其它燃料电池,SOFC 对硫

的容忍度最高。(6)因其尾气余热温度高,可与其他

系统组成联合循环。(7)因其工作温度较燃气轮机等

热机低,氮氧化物污染物排放较少。(8)SOFC 可利用

一氧化碳作为燃料,因此不存在一氧化碳中毒现象。

(9)除去泵/风机外,SOFC 发电系统没有其他较大的

转动部件,噪音较低。

SOFC 相比于其他类型燃料电池的劣势在于:(1)

工作温度高,对材料热稳定性要求很高,SOFC 广泛使

用昂贵的陶瓷材料。(2)SOFC 材料主要为陶瓷,陶瓷

升温速率慢,因而系统启动缓慢。(3)相对于传统能

量利用技术,如涡轮与内燃机(功率密度为几千瓦每

千克),SOFC 功率密度(主流为几百瓦每千克)相对

较低。

国内生产固体氧化物燃料电池的公司主要有:

宁波索福人有限公司、苏州华清京昆新能源科技有

限公司、潮州三环有限公司和佛山索弗克氢能源有

Table 1 Introduction of various fuel cells[19]

Fuel cell type

Electrolyte type and

conductive ion type

Working temperature

Fuel

Efficiency /%

Toxic substance of fuel cell

Catalyst type

Starting speed

AFC

KOH solution

(OH-

80~250℃

H2

60~90

CO,sulfide

Noble metal

A few minutes

PEMFC

Proton conductor

polymer(H+

40~80℃

H2,CH3OH

43~58

CO,sulfide

Noble metal

A few minutes

PAFC

Phosphoric acid

(H+

150~220℃

H2,CH3OH,et al

37~42

CO,sulfide

Pt

Dozens of minutes

MCFC

Molten phosphate

(CO3

2-

650℃

H2,hydrocarbon

50

CO,sulfide

Ni

Dozens of minutes ~

Few hours

SOFC

Solid oxide(O2- or H+

600~1000℃

H2,hydrocarbon

50~65

CO is the fuel with high

sulfur tolerance

Electrode

Dozens of minutes ~

Few hours

Fig. 1 Schematic diagram of SOFC

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推 进 技 术

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第 43 卷 第 7 期 2022 年

限公司等。索福人能源技术有限公司[23]可以提供

2200W,700W 电堆、测试及发电系统。2021 年 1 月 6

号,宁波索福人有限公司成功试运行 25kW SOFC 系

统 。 燃 料 电 池 系 统 发 电 功 率 达 到 30.3kW,电 效 率

60.8%,燃料利用率 79.8%[24]。苏州华清京昆新能源

有限公司[25]可提供 1000W 电堆、测试及发电系统产

品,工作温度 750℃,功率密度为 300mW/cm2

,燃料利

用率达到 55%。潮州三环已突破了 SOFC 关键核心

技术,开发出 1.5kW 的 SOFC 电堆,预计寿命可达到 5

年。佛山索弗克氢能源有限公司[26]

的产品主要以微

管式 SOFC 为主,电堆功率一般为几百瓦量级。此外

一些研究所也在开发高质量 SOFC 产品或系统,如上

海硅酸盐研究所、大连化物所等。

2.2 PEMFC动力系统发展现状

由于 PEMFC 较 SOFC 工作温度低,生产制造较为

容易,因而率先应用于航空飞行器。

2.2.1 国外 PEMFC 无人机及动力发展现状

公开文献发表的第一架燃料电池无人机是 2003

年 AeroVironment 公司在 NASA 资助下研制的“Hornet

(大黄蜂)”无人机,该无人机采用飞翼式布局,翼展

仅有 38cm,总重 170g,其中燃料电池为质子交换膜燃

料电池,可以续航 0.25h

[27]。同年 NASA 研制的“He‐

lios”无 人 机 翼 展 可 以 达 到 75m,携 带 可 以 发 出

18.5kW 功率的燃料电池也实现了成功飞行[28]

。这些

无人机表明燃料电池发电可以驱动不同尺寸的无人

机,证实燃料电池作为无人机动力是可行的。

在接下来的十年中,燃料电池无人机的续航能

力不断增加,从最初 15min 增长至 48h,成为电动小型

无人机最有希望提高续航能力的途径。美国海军研

究实验室(NRL)在 2005 年研制的小型研究型燃料电

池无人机 Spider Lion 使用燃料电池推进系统,无人机

翼 展 2m,总 重 2.5kg,采 用 Protonex 公 司 生 产 的 95W

的质子交换膜燃料电池,携带 34MPa 高压气态氢气

罐,飞行实验测定飞行时间为 3h19min[29]

。在同一时

期,该实验室也在执行 Ion Tiger 无人机项目,其目的

是验证燃料电池无人机的极限航时应用。无人机翼

展 5.2m,总重 15.9kg,使用 550W 的质子交换膜燃料

燃料电池(与 XFC 的 550W 燃料电池一致),在携带

2.3kg 载荷的情况下,持续飞行 26h。2013 年通过对

无人机的储氢技术进行改进,携带液氢罐,飞行时间

达到了 48h,创造了燃料电池无人机的航时记录[30]。

除此之外,国外多个研究单位、高校、企业等都开始

对该领域进行研发,比如 AeroVironment 公司、洛马公

司、韩国航空航天研究院(KARI)、加利福尼亚大学、

佐治亚理工大学等均研制了功率不等的燃料电池无

人机,如表 2 所示。综上所述,国外在燃料电池无人

机方面率先开展相关研究,无人机类型以固定翼无

人机为主,尝试了高压氢气罐储氢以及液态储氢等

高效储氢技术,燃料电池无人机的续航时间纪录长

达 48h,相比于以锂电池为动力的电动飞机不超过

10h 的续航时间翻了数倍,是未来在长续航电动无人

机方面的重点实现途径。

2.2.2 国外 PEMFC 载人飞机及动力发展现状

在载人燃料电池飞机方面,以波音、空客、DLR

为首的研究单位首先展开相关研究。2008 年,波音

公司成功完成了载人燃料电池飞机的飞行测试[36-37]

将质子交换膜燃料电池和锂电池组成混合动力系统

配置进飞机,通过驱动电动机,继而带动螺旋桨实现

飞机飞行。燃料电池系统输出的最大功率为 24kW,

锂离子电池可以输出 50~75kW 的电功,飞机飞行过

程中仅产生水蒸汽,且比传统飞机安静得多。除此

之外,德国宇航中心(DLR)牵头研制的燃料电池飞机

DLR-H2于 2009 年试飞成功[38]

,其中质子交换膜燃料

电池可以发出 25kW 的电功,燃料电池的工作效率可

以达到 52%。这架燃料电池飞机可连续飞行 5h,航

程可达 750km。在载人飞机方面,其他的单位也有试

飞成功的报道,如表 3 所示[39-40]

。国外也有部分企业

参与了燃料电池载人飞机的研制。2019 年,位于美

Table 2 Fuel cell UAV

Development organization

NRL[29]

NRL[30]

University of California[31]

Georgia Institute of Technology[32]

KARI[33]

Loma company[34]

University of Michigan[35]

Name

Spider Lion

Ion Tiger

Pterosoar

GT FCU AV

EAV-1 UAV

Stalker XE

Endurance

Fuel cell type

PEMFC

PEMFC

PEMFC

PEMFC

PEMFC

SOFC

SOFC

Power/W

115

550

150

500

300

Fuel cell mass/kg

1.9

2.273

4.96

Total mass/kg

3.1

15.9

5.0

16.4

6.5

11.0

5.3

Time/h

3~4

48

12

0.75

4.5

8

10

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第 43 卷 第 7 期 2022 年

国加州的 Alaka'i Technologies 公司公布了研制的 Skai

六旋翼五座氢燃料电池电动垂直起降飞机,这架原

型 机 为 5 座 ,续 航 4h,航 程 640km,商 载 450kg[41]。

2020 年美国 ZeroAvia 公司的电动改型 M500 六座飞

机在英国克兰菲尔德机场成功试飞[42],该机采用氢

燃 料 电 池 供 电 ,最 大 起 飞 重 量 2.3t,最 大 航 程

1800km,满足大部分短途通勤民航的需求。

2.2.3 国内 PEMFC 无人机及动力发展现状

国内首先在燃料电池无人机方面开展研究的高

校是同济大学,2012 年 12 月,同济大学研制完成了我

国第一架纯燃料电池无人机“飞跃一号”,无人机使

用了一个 1kW 的质子交换膜燃料电池作为动力,有

效载荷 1kg,续航时间 2h

[43-44]。2012 年 7 月 30 日,由

辽宁通用航空研究院和大连化物所合作研制,由氢

燃料电池作为主要动力,锂电池作为辅助动力的无

人试验机“雷鸟”首飞成功。无人机在起飞阶段使用

燃料电池与锂电池共同驱动,巡航和降落阶段由燃

料电池驱动。“雷鸟”使用的燃料电池为大连化物所

研发的 10kW 级航空用质子交换膜燃料电池系统[45]

2020 年,哈尔滨工业大学秦江教授课题组设计

制造了基于燃料电池和锂电池混合动力的“翌翔一

号”长航时固定翼无人机,是国内起飞重量最小的燃

料电池固定翼无人机,无人机实物图如图 2 所示。该

无人机使用了质子交换膜氢燃料电池作为无人机推

进动力来源,同时采用了锂电池作为无人机动力的

辅助能量来源,无人机性能参数如表 4 所示,从表中

可以看出,该无人机的续航时间达到了 8h 以上。

图 3 是该无人机的动力系统原理图,混合动力系

统包括锂电池、氢气罐、燃料电池、DC/DC 转换器、电

源管理模块和电动螺旋桨,无人机在起飞和高速飞

行时需要动力系统有大功率输出,因此采用锂电池

供电,在巡航阶段改由燃料电池供电。

Fig. 2 Physical picture of UAV

Fig. 3 Schematic diagram of UAV power system

Table 3 Fuel cell manned aircraft

Name

Time

Development organization

Aircraft appearance

Flight speed

Flight range/flight time

Power

HY4

[39]

2016

DLR

Double fuselage,wingspan 21.36m,four seat passenger plane

Cruise:145km/h Max:200km/h

1500km

Fuel cell 80kW+cell 45kW

Rapid 200 FC[40]

2010

Jihlavan,Polytechnic University of Turin

Wingspan 10m

Cruise:135km/h Max:150km/h

45min

Fuel cell 20kW+cell 20kW

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推 进 技 术

210164-6

第 43 卷 第 7 期 2022 年

该无人机所具有的优势总结如下:

(1)动力系统为燃料电池,该系统效率高,可以

达 到 50% 以 上 。 相 对 活 塞 发 动 机 而 言 ,效 率 提 升

20% 左右,相对蓄电池而言,具有更高的能量密度(蓄

电池能量密度 250Wh/kg,燃料电池系统能量密度达

500Wh/kg)。

(2)动力系统不含旋转部件,工作安静,低噪音。

(3)属于电动飞机,节能环保,不排放污染气体。

(4)动力系统具有较高的效率和能量密度,其航

程和航时相比同功率传统动力形式的无人机大幅

提高。

2021 年 1 月,哈工大“翌翔一号”燃料电池无人机

还完成了国内首次氢燃料电池固定翼无人机弹射起

飞试验,该技术可大幅降低需要携带的锂电池重量,

使得无人机对于起飞场地的要求大幅下降,其应用

场景可进一步扩展。

2021 年 2 月,哈工大“翌翔二号”无人机首飞成

功,该飞机翼展为 3.2m,最大起飞重量为 20kg,最大

载重可以达到 3.5kg,理论续航时间可达到 16h,最大

航程可以达到 1000km,项目团队开发应用于“翌翔二

号”的燃料电池/锂电池混合动力系统具有高功率密

度和高能量密度的特点,是锂电池无人机的续航时

间的 3 倍。“翌翔二号”无人机采用了动力系统/结构

一体化设计方式,是国内首架可以采用多种起降方

式,具有大载重、长航时特点的无人机实验平台。

除了高校、研究所等研究机构外,国内的一些企

业也对燃料电池无人机开展了研究并研制出了多款

技术验证机,主要有科比特航空科技有限公司、浙江

氢航科技有限公司、武汉众宇动力系统科技有限公

司、斗山创新(深圳)有限公司、黑鲨科技有限公司和

新研氢能源科技有限公司等企业,代表性验证机如

表 5 所示。

目 前 国 内 的 燃 料 电 池 无 人 机 主 要 以 旋 翼 机 为

主。其他公司的燃料电池无人机产品也在其各自的

应用场景中有竞争优势,例如“独角鲸 2”号旋翼机用

于数据通信,“高山雨燕”固定翼无人机用于大范围

侦察等。总体来说,目前国内的燃料电池无人机行

业发展的如火如荼,燃料电池无人机的发展前景一

片光明。

2.2.4 国内 PEMFC 载人飞机发展现状

国内的燃料电池载人飞机由中科院大连化物所

与辽宁通用航空研究院联合研制,基于辽宁通用航

空研究院研制的 RX1E 电动飞机改装而来。燃料电

池飞机采用大连化物所研制的 20kW 氢燃料电池为

动力电源,配合小容量辅助锂电池组,储氢方式为机

载 35MPa 氢储罐,于 2017 年试飞成功[51]

相比于燃料电池无人机,燃料电池载人飞机的

技术难度更高,进行相关研究的机构较少,但燃料电

池载人飞机在未来低碳环保、清洁静音的短途通勤

任务上相比燃油飞机拥有无可比拟的优势,近年来

越来越受到相关学者的重视。

随着世界范围内对低排放、低耗油率动力系统

的需求,燃料电池逐渐得到了广泛研究和应用。相

比于燃烧式引擎,燃料电池动力的主要优势是效率

高,污染物排放低。燃料电池效率为 40%~80%,相比

之 下 柴 油 发 动 机 效 率 约 35%,蒸 汽 轮 机 效 率 29%~

42%。因此,以燃料电池为动力和能源系统,可节约

大量化石燃料,降低污染物及碳排放。

2.3 SOFC动力系统发展现状

洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin Space Sys‐

tems Company,LMT)研 制 了 以 丙 烷 为 燃 料 的 8kg

“Stalker-XE”小型无人机[52],如图 4 所示。该无人机

Table 4 UAV performance parameters

Index

Cruise speed/(m/s)

Practical ceiling/km

Maximum take-off weight/kg

Empty weight/kg

Carrying capacity/kg

Maximum flight speed/(m/s)

Maximum flight time/h

Maximum flight radius/km

Data

20

5

10

6

4

30

8.9

240

Table 5 Domestic fuel cell UAV enterprises

Serial number

1

2

3

4

5

6

Name

CorBit Aviation Technology Co.,Ltd

Zhejiang Qinghang Technology Co.,Ltd

Wuhan Zhongyu Power System Technology Co.,Ltd

Doosan Innovation(Shenzhen)Co.,Ltd

Black Shark Technology Co.,Ltd

Xinyan Hydrogen Energy Technology Co.,Ltd

Representative UAV

HYDrone-1800[46]

Apus melba[47]

Light cavalry[46]

DT30[48]

Narwhal 2

[49]

Six rotor industrial UAV[50]

第7页

航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述

210164-7

第 43 卷 第 7 期 2022 年

原型采用电池作为能源,续航时间为 2h。改装后的

无人机以 SOFC 为动力,续航时间增加到 8h。此外,

意大利先进能源技术研究所在欧洲燃料电池和氢能

利用项目的资助下对小型 SOFC 无人机进行了流动

换热仿真与实验研究[53]

3 航空混合动力系统研究现状分析

以固体氧化物燃料电池为主体,与涡轮发动机

相结合所组成的新型混合系统可结合两种动力系统

的优势,大幅降低单一动力在某方面劣势所带来的

不良影响,燃料电池混合动力系统逐渐受到关注,主

要类型有燃料电池涡轮混合动力系统、“旁路式”燃

料电池涡轮推进发电一体化系统、与燃料电池相结

合的无涡轮喷气发动机。

3.1 传统航空混合动力系统

目前在研的大多数混合动力系统可以分为电电混合系统和油-电混合系统两类[54]。前者在传统

意义上是将氢燃料电池和锂电池结合提供混合动

力,之后也考虑使用太阳能电池和蓄电池结合,该系

统因在整个能量转化过程中输出有用功率都为电

功,因此又称为纯电动推进系统。后者是由传统的

航空燃油发动机和电动机结合而成的混合动力系

统,根据发动机是否直接提供推进动力,进一步又可

分为并联式油电混合系统和串联式油电混合系统,

如图 5 和图 6 所示[55]

。在并联式油电混合系统中,发

动机和电池驱动的电动机共同驱动螺旋桨,二者在

能量上相互补充协调,降低了系统的耗油率,但发动

机和螺旋桨存在紧密的耦合关系,效率的提升受到

一定限制。串联式油电混合系统则解决了并联式油

电混合系统存在的耦合弊端,该系统通过发动机驱

动发电机,再通过电动机带动螺旋桨,因此旋转部件

均可在各自最优工况下运行。

飞机在飞行过程中,需要经历起飞、爬升、巡航、

下降等过程,而这些过程对能量的需求差异较大。

以 MQ-9“死神”无人机为例,起飞和爬升阶段的功率

需求是巡航阶段功率需求的 3 倍左右,但前两个阶段

工作时间却很短。对于传统的燃油发动机而言,设

计点往往为最大功率输出点,这实际在一定程度上

造成了一种浪费和低效[56]

。而混合动力系统通过能

量之间的协调补偿,可以将工作时间长但功率需求

低的续航下的工况作为设计点,这极大地提高了系

统的整体效率。

采用电-电混合动力系统的飞机在 21 世纪初已

经开始被研制。2008 年,波音公司成功完成了第一

架载人燃料电池飞机的飞行测试[31],该飞机的动力

系统为质子交换膜燃料电池和锂电池的混合系统,

在起飞阶段燃料电池和锂电池共同工作为电动机提

供电能,之后在巡航状态下仅燃料电池输出电功通

过驱动电动机,带动螺旋桨实现飞机飞行,证实了该

混合动力系统的可行性及先进性。

并联式油电混合系统被认为是传统动力系统的

巨大颠覆,因其优异的性能也开始被研究。2011 年,

NASA,Boing 和 GE 推 进 的 Subsonic Ultra Green Air‐

craft Research 的第一阶段报告中提出了并联式混合

构型的“hFan”发动机,将作为波音“SUGAR Volt”混

合动力飞机的动力方案,如图 7 所示。该动力系统由

燃气涡轮发动机和电动机组成,起飞阶段电动机和

发动机共同工作;巡航阶段仅电动机提供全部推进

功率。该方案可比传统发动机 CFM56 的耗油率降低

28%[4]

。之后,在 2012 年,在 NASA 的资助下,英国剑

桥大学研制出全球首架并联式混合动力飞机,相较

柴油机节省 30% 的燃料。飞机在起飞时同时使用柴

Fig. 5 Parallel hybrid system

Fig. 4 “Stalker XE”unmanned aerial vehicle powered by

SOFC[52]

Fig. 6 Series hybrid system

第8页

推 进 技 术

210164-8

第 43 卷 第 7 期 2022 年

油机及电动机,巡航时电动机切换至发电模式,为蓄

电池充电,或切换至引擎辅助模式以节省燃料[57]

串联式油电混合系统因最终输出能量全部转化

为电能,通过电动机带动推进器,因此一般需要较大

容量的电动机。而又考虑到电机尺寸无关的这一特

性,基于该动力系统的分布式推进方案被广泛研究。

当发动机的类型为燃气涡轮时,该系统被称为涡轮

发电分布式电推进系统(Turboelectric Distributed Pro‐

pulsion,TeDP)。在 2013 年 6 月巴黎航展上,空客宣

布 与 西 门 子/罗 罗 公 司 联 合 开 发 100 座 级 支 线 客 机

“E-Airbus”概念,并计划于 2030 年服役,该飞机采用

了一种名为 E-Thrust 的混合电推进系统,该系统由 1

台安装在机身后部的嵌入式涡扇发动机带动发电机

产生电力,驱动安装在机翼上的 6 台风扇,并为机载

电池充电,每个机翼沿展向分布 3 台风扇,该推进系

统的等效涵道比预计将超过 20[58]

。2017 年 12 月,该

三家公司又宣布合作研发一款混合电推进验证机 EFan X,其动力采用串联混合电推进结构,4 台涡扇发

动机中的 1 台将被 2MW 的电动机取代。一旦系统成

熟性得到验证后,飞机的另外 1 台涡扇发动机也将被

电动机取代[59]。NASA 为了进一步提升飞机的动力

性能,提出了翼身融合机身的混合动力飞机 N3-X,

其概念图如图 8 所示,飞机的动力方案为分布式燃气

涡轮电力推进系统[60-61]

,安装在每个机翼顶端的是一

个燃气涡轮发动机,每个发动机驱动两个超导发电

机,共带动 14 个风扇运转以产生推力。该飞机相比

传统的波音 777-200LR,在飞行任务相同的条件下,

可降低燃油消耗 70%~72%,且 NOx 和噪音排放都明

显降低。

上 述 的 混 合 系 统 被 认 为 是 传 统 的 混 合 系 统 构

型,其中燃气涡轮的做功效率依旧没有得到本质上

的提升,且存在配备的蓄电池能量密度低、高功率密

度的电机研制困难等问题。随着燃料电池技术的不

断发展,尤其是高温的固体氧化物燃料电池所展现

出的优良性能不断提升,一种基于固体氧化物燃料

电池的混合动力系统也逐渐被研究者所关注。

3.2 燃料电池涡轮混合动力APU

SOFC 尾气温度较高,达 600~1000℃,可以被涡

轮利用。因此,SOFC 可与燃气轮机 GT 组成混合动力

系统[63-64]

,如图 9 所示。空气经加压预热后供给燃料

电 池 阴 极 ;碳 氢 燃 料 重 整 后 供 给 燃 料 电 池 阳 极 。

SOFC 内部发生内重整反应和电化学反应。SOFC 未

反应的燃料在燃烧室内燃烧后,尾气进入涡轮膨胀

做功。因此,混合系统的发电功率来自 SOFC 和涡轮

两部分,较单一的燃料电池或燃气涡轮效率有较大

提升。SOFC/GT 混合系统于 20 世纪 70 年代被提出,

其系统热效率可高达 70%,如图 10 所示,几乎是目前

发电效率最高的大功率发电系统。国内主要研究单

位有清华大学、上海交通大学、西安交通大学、重庆

大学等高校。清华大学的史翊翔副教授课题组在针

对地面分布式发电的燃料电池涡轮混合动力系统领

域进行了较早的研究[65-66]

,且对固体氧化物直接碳燃

料电池[67]

、固体氧化物火焰燃料电池[68]

、可逆固体氧

化物燃料电池[69]

等多种新型的燃料电池做了大量工

作,为混合系统的进一步发展提供了多种选择。上

海交通大学翁一武教授等[70]

搭建了国内第一个高温

燃料电池燃气轮机混合动力实验平台,在我国研究

混合动力系统前进道路上迈出了重要的一步。

SOFC/GT 混合系统可作为地面分布式电站。该

发电系统具有效率高、污染排放少、噪音较低等特

点,已被国内外单位广泛研究[71-76]

。本文主要关注混

合动力系统在交通运输工具动力系统方面的应用研

究,故在地面发电领域的相关情况不再赘述。

飞机机载 APU 一般为微型燃气轮机。在非设计

工况运行时,其发电效率较低,CO2和污染物排放均

Fig. 8 NASA concept picture of N3-X 较大,给地面机场带来很大环境污染[77]。SOFC/GT [62]

Fig. 7 Hybrid configuration of“hFan”engine[4]

Fig. 9 Schematic diagram of SOFC/GT hybrid systems

第9页

航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述

210164-9

第 43 卷 第 7 期 2022 年

混合系统的热效率相较微型燃气轮机高出近一倍,

有望作为飞机的能源系统。Daggett 等[78]

在 2003 年指

出 SOFC/GT 混合系统作为机载 APU 的主要优点是消

除了飞机主发动机的供电负荷,提高了发电效率。

劳 斯 莱 斯 公 司 、波 音 公 司 和 NASA 等 单 位[79-84]于

2004~2006 年用数值推进系统仿真仿真软件(Numeri‐

cal Propulsion System Simulation,NPSS)对 SOFC/GT 混

合系统进行了热力循环、质量等系统级性能分析,构

建的 SOFC/GT 机载 APU 三维模型,如图 11 所示。研

究结果表明:(1)为提高系统效率并降低重量,SOFC

应工作在 850~880℃。SOFC 最优工作压力为 3 个大

气压。(2)阳极循环给系统带来了很多益处,如提升

了系统工作温度和可对水进行回收。(3)在深度改进

SOFC 堆型和提升重整器性能后,将整个系统封装在

给 定 的 体 积 中 是 可 能 的 ,并 且 重 量 也 是 可 以 接

受的。

Freeh 等[81-82]

利用集总参数模型模拟了 200kW 等

级的 SOFC/GT 机载 APU 混合系统。结果表明,该系

统在巡航阶段的发电效率为 73%。Tornabene 等[83]

立 了 SOFC/GT 混 合 系 统 详 细 的 质 量 模 型 ,受 到 了

SOFC/GT 混合系统在飞机方向研究的相关人员的广

泛关注。Steffen 等[84]的研究结果显示 SOFC 形式对

混合系统的重要影响,采用金属支撑时,混合系统质

量为 1396kg,采用瓦楞式结构时,质量为 720kg。Ra‐

jashekara 等[80]预 测 SOFC/GT 混 合 系 统 在 100kW~

10MW 功率等级的应用范围具有竞争力。美国联合

技 术 研 究 中 心 的 Braun 等[85]以 航 煤 为 燃 料 模 拟 了

300kW 的 SOFC/GT 机载 APU 混合系统,热效率可达

70%。以上研究结果充分表明 SOFC/GT 混合系统作

为机载 APU 展现出较高的热效率。此外,波音公司

曾计划将 SOFC 系统作为 B-787 客机的 APU。研究

结果表明,在操作电压为 0.7V,压力为 0.8MPa 时,燃

料电池系统效率高于 50%,质量小于 4000kg。

3.3 燃料电池涡轮混合推进系统

与机载燃料电池构型相似的混合动力系统还可

作为高空长航时无人机、分布式推进飞机、高效低排

放飞机和通勤飞机等对耗油率、排放、静音等要求严

格的飞机的推进系统。

3.3.1 高空长航时无人机用混合推进系统

高空长航时(High-Altitude Long Endurance,HALE)

无人机是一种新型无人机,在监视、通信等方面有极

高的战略价值,能极大提高整个作战体系的效能,受

到国内外研究单位广泛关注[86]

Himansu 等[87]于 2006 年首次开展了 SOFC/GT 混

合系统用于 HALE 无人机推进系统的研究。任务指

标为 15~22km 高度巡航 10 天以上。该推进系统使用

氢燃料。模型充分考虑了推进系统的效率、重量以

及任务时间。研究结果表明,当巡航时间大于 10 天

时,SOFC/GT 混合系统在热效率方面的优势将抵消该

系统带来的质量惩罚。

帝国理工大学 Aguiar 等[88]

于 2008 年对 SOFC/GT

混合系统应用于 HALE 无人机进行了热力循环构型

研究。HALE 无人机任务时间为 1 周以上,马赫数为

0.25~0.35,飞行高度为 15~20km,燃料为液氢。Agu‐

iar 分析了单堆、双电堆、三电堆结构的 SOFC/GT 混合

系统。三堆的 SOFC/GT 混合系统如图 12 所示。结果

表明三电堆 SOFC/GT 混合系统效率可达 66.3%,相比

于单堆 SOFC/GT 混合系统效率为 54.4%。通过增加

SOFC 电推数量来提高 SOFC/GT 混合系统热效率的

原因在于:空气进入下一个 SOFC 堆前进行了中冷,

因而间接降低了压气机耗功,提高了系统效率。

美 国 国 家 燃 料 电 池 中 心(National Fuel Cell Re‐

search Center,NFCRC)Tarroja 等[89]于 2009 年利用低

压下的 SOFC 实验数据对 50kW 等级 HALE 无人机氢

Fig. 11 Schematic diagram of the SOFC/GT APU[79]

Fig. 10 Cycle efficiency comparison

第10页

推 进 技 术

210164-10

第 43 卷 第 7 期 2022 年

燃料 SOFC/GT 混合系统进行了精确的热力学参数分

析和性能评估。研究结果表明,热力学循环效率最

高可达 65%。系统压比存在最优值,SOFC 不一定必

须工作在一个大气压下。荷兰代尔夫特理工大学

Fernandes 等[90]于 2014 年进行了以生物质为初始燃

料的 HALE 无人机的 SOFC/GT 混合系统热力学研究。

飞行器巡航高度为 21km,功率为 100kW,Fernandes

没有考量飞行器系统质量和燃油质量。研究结果表

明,生物质转化成的液氢在 SOFC/GT 推进系统中的

㶲损失所占比例约为 11%,因此液氢不一定是最佳燃

料选择,其它燃料也应该被讨论。

哈尔滨工业大学姬志行研究了以航空煤油为燃

料的 SOFC/GT 混合系统[91]

,并应用于 HALE 无人机。

结果表明,在采取阴极循环和阳极循环后,发动机热

效率可达 64%,阳极循环比对发动机性能影响很大。

随着阳极循环比增加,SOFC/GT 混合系统热效率先增

加后减少。而阴极循环比对发动机性能影响较小。

3.3.2 分布式推进飞机用混合推进系统

分布式推进飞机改变了原有飞机的推进方式。

该飞机布置多达十余个电动涵道风扇,如图 13 所示。

其效果相当于变相增加涡扇发动机涵道比。可突破

现有涡扇发动机涵道比增加受制于飞机机身高度这

一 局 限 ,因 此 也 对 动 力 系 统 耗 油 率 敏 感 性 较 高 。

JAXA 于 2012 年提出将 SOFC/GT 混合系统作为分布

式推进系统的核心机[92-94]

。Okai 等[93]

研究了氢燃料

供应给 SOFC 和燃烧室比例对发动机热力循环的影

响。为了平衡燃料和燃料箱的体积和重量,Okai等[94]

提出了两种燃料、两组燃气涡轮的混合系统。Okai

指出:增加 SOFC 功率时,会带来得不偿失的质量惩

罚,需要综合权衡。重量和可操作性是 SOFC/GT 混

合系统作为分布式推进系统核心动力装置的关键

技术。

厄瓜多尔基多公立大学 Valencia 等[95]

于 2015 年

将 SOFC/GT 混合系统用于满足 NASA 提出的“N3-X”

飞行器,其为结合边界层摄食概念的分布式电力推

进飞行器。该系统燃料为氢。Esteban 对每个部件的

重量都进行了评估。研究结果表明混合布雷顿循环

和燃料电池,和涡轮带动电动机的分布式推进系统

的协同优势可以为整个推进系统的性能改进提供更

Fig. 12 Three-stack SOFC/GT system arrangement diagram[88]

Fig. 13 Schematic diagram of distributed electricity

airplanes

第11页

航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述

210164-11

第 43 卷 第 7 期 2022 年

多的可能性。莱特州立大学 Chakravarthula[96]

于 2016

年进行了有关 SOFC/GT 混合系统用于分布式电力推

进飞机的瞬态分析。

3.3.3 亚声速民用客机用混合动力系统

波音公司、通用公司和佐治亚理工大学[97-99]在

2008年 10月~2010年 3月进行了亚声速超绿色飞机研

究(Subsonic Ultra Green Aircraft Research,SUGAR)。

该飞机不仅要求动力系统低排放、低耗油率,还要求

动力系统噪音较低。燃料电池系统在这几方面具有

优势。然而,相比于燃气涡轮系统,基于燃料电池的

推进系统将面临更多挑战。而且,与燃气涡轮知识

库相比,用于辅助设计燃料电池燃气涡轮混合系统

的经验基础和工具处于相对原始的状态。NASA[100]

在“N+4”先进概念研究中表明如果飞行器采用 SOFC/

GT 混合系统并和开式转子螺旋桨相结合,相对于原

型波音 765 飞机可降低 64.1% 的燃油消耗。因此,以

LNG 为燃料的 SOFC/GT 混合系统是非常有前景的技

术。Yanovskiy 等[5]研究结果表明,如果将以 LNG 或

液氢为燃料的 SOFC/GT 混合系统作为民用客机或运

输机动力系统,可拓展原有飞机航程 20%~100%。

波音公司提出用 SOFC/GT 混合系统与电池共同

作为小型通勤飞机的动力源[13,101-102],如图 14 所示。

SOFC/GT 混合系统功率满足飞机巡航时的功率需求,

并在功率富余时给电池充电,电池提供飞机起飞和

爬升需要的额外功率。目前小型内燃机通勤飞机巡

航 效 率 低 于 30%,而 SOFC/GT 混 合 系 统 可 以 达 到

60% 的热效率,将其作为轻型通勤飞机的动力源可减

少 50% 的燃油消耗。

Stoia 等[103]

指出 SOFC/GT 混合系统通过配置温度

较高热循环鼓风机可以实现超过 60%的效率,并且

通过配置温度较低的热循环鼓风机可以实现超过

50%的效率。Woodham 等[104]

完成了 SOFC/GT 混合系

统 的 安 全 分 析 ,为 推 进 该 混 合 系 统 实 用 化 做 出 了

贡献。

3.4 发电与推进一体化燃料电池涡轮混合动力系统

正 在 发 展 的 新 型 飞 机 不 仅 对 动 力 系 统 有 耗 油

率、推力等各项指标要求,随着机载设备用电功率的

增加,对发电系统功率和效率提出了更高要求。马

里兰大学帕克分校 Waters 等[105-108]

于 2014~2016 年将

SOFC 系统与涡喷发动机、高涵道比涡扇发动机、低涵

道比涡扇发动机进行了结合。SOFC 发电系统作为涡

轮发动的旁路,如图 15 所示。SOFC 系统使原有涡轮

发动机功率密度下降 10% 以内,但可以为飞机提供

更多的电能并提升发动机整体热效率。在旁路比为

8,压力比为 40 时,涡扇发动机与 SOFC 旁路结合后,

可以产生高达 100~200kW 的电力,而且几乎没有阻

力损失。研究表明,将推进与供电相结合 SOFC/GT

混合系统整体性能比独立组件的性能更好。

哈尔滨工业大学姬志行提出了一种“旁路式 ”

SOFC/GT 混合动力循环的新构型[109],如图 15 所示,

在 高 、低 压 透 平 间 引 入 了 级 间 燃 烧 室(Inter-Stage

Turbine Burner,ITB),不仅可满足未来机载设备高功

率电能需求,还可显著提高低压透平入口温度,进而

提高发动机比功,增大推力。该“旁路式”SOFC/GT 混

合系统中,碳氢燃料通过部分氧化重整后供给燃料

电池。当电功分数(飞机电功率与总功率之比,总功

率定义为电功率与推进功率之和)为 0.2 时,相较于

同等情况下工作的涡喷发动机,发动机单位推力可

提高 24.07%。

3.5 无涡轮燃料电池混合推进系统

燃气涡轮发动机受限于涡轮材料和工艺,燃烧

温度提升较为困难。因而涡轮入口温度成为限制燃

气涡轮发动机性能进一步提升的制约因素。哈尔滨

工业大学秦江教授课题组在国内率先提出了一种新

型无涡轮喷气式发动机[110-113]

,如图 16 所示。该发动

机中压气机由电动机驱动。电动机由 SOFC 提供电

能。SOFC 后部直接燃烧室和喷管。由于没有透平,

Fig. 14 Schematic diagram of all-electricity commuter

airplanes[13]

Fig. 15 Schematic diagram of SOFC/GT hybrid system

with bypass

第12页

推 进 技 术

210164-12

第 43 卷 第 7 期 2022 年

因此没有“涡轮前最高工作温度”这一限制,可通过

提高燃烧温度,大幅提升发动机推力。此外,由于燃

料电池效率较高,该发动机在燃烧室温度较低时比

冲较高。

在飞行高度为 10km,压比为 20,飞行马赫数为

0.9,燃烧室出口温度为 1700K 条件下,无涡轮发动机

相比传统涡喷发动机性能对比如表 6 所示[112]

。该新

型发动机在比推力和比冲两个指标方面均有较大

提高。

SOFC 具有高温余热和未利用完的燃料,如果将

其与燃气涡轮想结合,混合系统发电效率将进一步

提升。相比于原有燃气涡轮系统,基于 SOFC 混合系

统热效率更高、耗油率更低,二氧化碳和氮氧化物排

放也更低。如图 17 所示,本文重点介绍了航空用燃

料电池及混合电推进系统研究现状。由于推进系统

输出推进功而不是轴功的复杂性,基于 SOFC 混合系

统有多种构型,包括基本的 SOFC 燃气涡轮混合系

统、“旁路式”SOFC 混合推进能源系统和与无涡轮喷

气发动机。各种动力装置中的 SOFC/GT 混合系统特

点总结如表 7 所示。从表中可以看出,除推进能源一

体化飞机与无涡轮喷气发动机配置的 SOFC/GT 混合

系统外,其余飞机等配置的 SOFC/GT 混合系统构型

均相同,均为 SOFC/GT 混合系统基本构型。这是因

为航空动力机械有推进功的需求,不完全需要轴功。

为节省重量,部分用于航空发动机的 SOFC/GT 混合

系统选择了大分子碳氢燃料,如煤油、汽油等。用于

动力装置的 SOFC/GT 混合系统与地面 SOFC/GT 混合

系统效率相近,均高达 50%~70%。

4 航空混合动力装置面临的技术挑战

4.1 燃料电池混合动力系统功重比

地 面 发 电 设 施 由 于 有 较 大 空 间 可 供 安 装 和 运

行,一般对设备体积和重量不是很敏感。交通工具

尤其是汽车、航空器等对动力系统体积和重量非常

敏感。自从燃料电池混合系统被提出用于无人机动

力系统,系统质量优化研究一直在进行。

燃料电池在飞机上应用具有油耗率低的优势,

但也会带来质量惩罚[115]。Tornabene 等[83]首次建立

了 燃 料 电 池 混 合 系 统 的 质 量 和 体 积 模 型 。 Jansen

Table 6 Performance comparison between turbojet engines

and turbine-less jet engines

Performance

parameter

Specific thrust/(N/(kg∙s

-1

))

Specific impulse/s

Turbojet

engine

786

2583

New

engine

1189

3187

Performance

improvement/%

52

23

Fig. 16 Schematic diagram of turbine-less jet engine

Fig. 17 Classifications and applications of fuel cell hybrid

power system for aircraft

Table 7 Performance comparison among SOFC/GT hybrid engines

Application object

Airborne auxiliary energy system[86-87]

High altitude long endurance UAV[92]

Promoting energy integration aircraft[110]

Distributed propulsion aircraft[99]

Subsonic ultra green aircraft[105]

Commuter plane[106]

Turboless jet engine[114]

Configuration

Basic configuration

Basic configuration

SOFC bypass

Basic configuration

Basic configuration

Basic configuration

Cancel turbine

Characteristic

Clean and efficient

Amount of fuel is particularly large

High power required

Power demand MW

Clean and efficient

Electric energy needs 75kW

Thrust specific impulse average lift

Fuel

Hydrocarbon

H2/hydrocarbon

Hydrocarbon

H2/hydrocarbon

H2/hydrocarbon

Hydrocarbon

Hydrocarbon

Efficiency/%

73.0

66.3

60.0

60.0

57.6

第13页

航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述

210164-13

第 43 卷 第 7 期 2022 年

等[114]

通过建立电动飞机的质量和性能模型,分析了

飞机性能和发动机性能之间的联系。Valencia 等[95]

通过对燃料电池混合系统热力性能和质量进行分

析,发现通过使用液氢燃料,飞机耗油率降低了 70%,

然而发动机重量将增加 40%。因此,如何提高燃料电

池混合系统功重比是目前该系统实现示范应用的主

要问题。燃料电池混合系统中燃料电池占据了绝大

部分质量[87]

。如何提高燃料电池功率密度是提高燃

料电池混合系统功率密度的关键。Hashimoto 等[116]

通过设计新材料,研究了一种高功率密度燃料电池。

工 作 在 加 压 情 况 时 ,该 新 型 SOFC 功 率 密 度 可 达

1.20kW/kg,远高于目前 0.23kW/kg 的 SOFC 水平。当

使用该高功率密度燃料电池时,混合系统功率密度

可达 0.3kW/kg 以上。该动力系统在功率密度方面,

将满足 NASA 正在研发的 X-57“Maxwell”飞机对动力

系统的要求[13]

4.2 大分子碳氢燃料重整技术

氢气体积能量密度较低,目前的储氢方法常用

的为高压储氢罐储氢,最先进的 70MPa 高压储氢罐

的质量储氢密度为 10% 左右[117]

。相比于高压储氢罐

储氢,有些研究者开始考虑发展常规大分子碳氢燃

料重整制氢技术,如煤油、汽油和柴油等,碳氢燃料

重整制氢可以达到较高的储氢密度同时氢气可以随

时制取和使用,目前的基础设施也较完善,是获取氢

气的另一种重要途径。

碳 氢 燃 料 重 整 方 法 主 要 有 催 化 部 分 氧 化 重 整

(Catalytic Partial Oxidation,CPOX)、自 热 重 整(Auto‐

thermal Reformation,ATR)和水蒸汽重整(Steam Ref‐

ormation,SR)[101]

。其中,水蒸汽重整吸热,效率最高;

部分氧化重整放热,紧凑度最大;自热重整绝热,效

率与紧凑度均适中。自热重整反应中,可通过调节

水蒸汽流量和空气流量,轻微控制反应器吸放热。

交通工具对紧凑度要求较高,因此部分氧化重整和

自热重整是目前用于交通工具的两种重要制氢技

术。Dorazio 等[118]

通过对正十四烷自热重整反应的计

算动力学研究,得到了该反应的反应机理,并与实验

结果符合得很好。反应机理总结如下:正十四烷的

氧化反应与裂解反应最先开始,然后催化剂作用于

表面反应和气化反应,氢气主要来源于部分氧化重

整反应和水汽置换反应。水汽置换反应消耗了供给

系统的大部分水蒸汽。该机理对数值仿真研究含有

大 分 子 碳 氢 燃 料 重 整 的 热 力 系 统 起 到 了 很 大 帮

助[119]

。亚利桑那州大学李培文课题组进行了大量自

热重整实验的相关工作[120]

。实验中燃料为 Jet-A 型

煤油。在重整器温度为 696℃,水碳比为 2.5,氧碳比

为 0.5 条件下,自热重整反应效果最佳。燃料转换

率、制氢率、能量效率分别为 0.89,1.44,和 0.65,该研

究具有较大的实用意义。国内在汽、柴、煤油等液体

碳氢燃料重整方面研究较少,未见成熟产品公开。

碳氢燃料容易在重整器或 SOFC 内积碳,这将引

起设备故障。目前主要通过加大氧碳比[107]或水碳

比[121]

的方法抑制积碳。该方法主要适用于外重整的

SOFC/GT 混合系统。由于 SOFC 工作在 600~1000℃,

因此燃料可先其内部进行重整,然后发生电化学反

应。Liese 等[122]的研究结果表明,由于要对 SOFC 进

行冷却,外重整 SOFC 的阴极空气流量几乎是内重整

SOFC 的阴极空气流量的两倍。如果此时为了抑制结

焦 ,大 幅 度 增 加 重 整 器 氧 碳 比 或 水 碳 比 ,将 增 加

SOFC/GT 混合系统体积和重量,影响交通设备里程。

因此,探究低空气/水蒸汽流量条件下,抑制燃料在重

整器及 SOFC 积碳方法是一项影响到 SOFC/GT 安全

运行的关键技术。

燃料电池中的催化剂对硫非常敏感。硫极易引

起催化剂中毒,进而导致燃料电池失效。即使 SOFC

是对硫容忍度最高的燃料电池之一,也需要对燃料

中的硫进行严格检测与去除。城市中的煤油、汽油、

柴油含硫量均较高,进入燃料电池前必须进行脱硫

处理。目前主要有两种方式进行脱硫,一种是贮存

地脱硫[123]

,即燃料从炼油地出厂前后进行脱硫除硫。

汽、柴油在注入交通工具的油箱后,其硫浓度就已经

降到 SOFC 许可标准以下。该方式需要在地面安装

大规模除硫设备,工程量较大。但除硫效果好,易于

燃料电池车的大规模推广。第二种除硫方式为“在

岸”除硫[124-125]

,即在需要使用燃料电池的交通工具上

安装一套除硫设备。此方式不用对现有燃料体系做

较大改动,但会使本来功重比较低的 SOFC 发动机功

重比进一步降低,且无法保证除硫设备的长期、高效

工作。因此,衡量各方面成本、研制高效、低能耗脱

硫设备是推广 SOFC 等燃料电池动力装置实用化需

要解决的重要问题。

5 总结与展望

本文系统介绍了航空燃料电池及混合电推进概

念、原理、技术优点和相关技术的发展现状,梳理了

世界各国燃料电池飞机的技术现状、理论研究、仿真

分析、实验研究。飞行试验表明,燃料电池动力及混

合推进系统具有高效率、低耗油率、低排放等技术优

势,可显著提升航空飞行器的航时及工作范围,在发

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推 进 技 术

210164-14

第 43 卷 第 7 期 2022 年

展超长航时航空飞行器方面具有很大的技术优势,

特别在军事无人机方面发展前景广阔。

航空燃料电池及混合电推进系统可实现超低排

放和零排放,为发展绿色航空提供了重要的技术路

径,将极大地助力多电/全电飞机的发展,在零碳时代

的大背景下将进一步得到快速的发展,为航空碳减

排做出巨大的贡献。

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(编辑:朱立影)

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