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燃料电池燃气轮机混合动力系统具有发电量大、效率高、污染物排放低等优点，是一种可同时满足飞机推进和能源需求的、极具应用前景的综合动力装置。
传统燃气涡轮航空发动机受材料限制，涡轮入口温度难以提高，限制了发动机性能的提升。另外，压气机和涡轮的功率和转速宽范围匹配也是航空发动机发展的一大难题，需要新的解决方案。同时，为简化飞机能源结构，降低油耗和污染物排放，多电/全电飞机成为飞机新的发展方向之一，其中电推进技术成为实现飞机动力系统电气化的重要途径。然而锂离子电池能量密度小限制了飞机的载重量、速度和航程，影响了电推进技术的应用。作为解决上述问题的方法之一，以质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）为代表的燃料电池电推进技术成为近年来的研究热点。 目前航空燃料电池系统的主要类型如图1所示。其中SOFC具有燃料适应性广、效率高（40%~60%）等优点，而且其产生的高温尾气可供燃气轮机（GT）利用，组成混合动力系统。混合动力系统的发电部分来自SOFC和涡轮机，与单一的燃料电池或燃气轮机相比，效率大大提高，因此燃气涡轮发动机的分类，燃料消耗低的SOFC-GT混合动力可作为航空动力系统。
图1 航空燃料电池系统主要类型
SOFC-GT混合系统工作原理
SOFC与GT发动机组合形成的动力系统通常兼具推进和发电两种功能，前者一般通过与涡喷（或涡扇）等发动机组合实现，后者一般通过与涡轴（或涡桨）发动机组合实现。SOFC与涡喷发动机组合的混合动力系统往往适用于多电飞机；而SOFC与涡轴发动机组合的混合动力系统则输出全部电力，对应未来的全电飞机。
SOFC-涡喷混合动力系统与SOFC-涡轴混合动力系统的物质流路基本相同：SOFC布置在压气机与燃烧室之间，阴极为经压气机增压后的高压空气，阳极入口一般为含氢的重整气，如图2所示。燃料电池出口的高温尾气进入燃烧室进一步反应，提高推进系统的能量利用率和系统效率。二者做功形式有较大区别，前者混合动力系统的高温高压气体从喷管喷出，由喷管提供推力；后者混合动力系统主要通过动力涡轮输出轴功，通过发电机进一步转化为电功，与SOFC发出的电功一起为螺旋桨/涵道风扇等推进装置提供电能。
图2 SOFC-GT混合系统结构
SOFC-GT混合动力系统研究现状
SOFC-GT混合动力系统目前已被航空领域多家科研机构研究，该系统可以作为飞机辅助动力装置（APU）的替代品，也可以作为飞机的发动机。
已发表的研究涉及SOFC-GT APU解决方案，功率范围从50 kW到972 kW，其中最具代表性的是Tunca等人的研究[1]。该方案在波音737上使用SOFC-GT APU，额定功率为440 kW。研究结果表明，新型APU的质量是传统APU的两倍，但燃油消耗每小时减少58.2 kg。同时，该系统还可以回收43.7 kg的水，因此对于飞机整体而言，与传统APU相比，它节省了101.9 kg的质量。
在载人飞机领域，SOFC-GT的典型应用是美国国家航空航天局(NASA)研制的电动飞机X-57[2]，该SOFC-GT系统燃料为低硫柴油，系统功率为120kW，质量功率密度为281W/kg，发电效率为55%。
此外，等[3]研究了SOFC与90kN级涡轮发动机相结合的动力系统（见图3）。结果表明，该构型在小推力、低马赫数时油耗降低较为明显，当马赫数为0.2、推力为10kN时，混合系统油耗比传统涡轮发动机降低约16%。该推进系统在满足推力的同时，可为飞机提供更多功率，是一种适合多电飞机的动力系统方案。虽然目前SOFC功率密度较低，但通过各部件间的协调配合，该构型的质量功率密度有潜力达到760 W/kg。
图3 SOFC与涡轮发动机集成推进系统结构
改进的SOFC-GT混合动力系统
为了进一步提高SOFC-GT混合系统的性能，业界对SOFC-GT混合系统进行了配置改进。
2015年，马里兰大学帕克分校的等[4]发表了一系列文章，提出了一种类似于SOFC-燃气涡轮发动机并联混合系统的概念，将催化部分氧化重整器和SOFC集成到燃气涡轮发动机中，以增加功率需求相对较大的无人机的航程/飞行时间。他们开发并验证了SOFC、催化部分氧化重整器和三类燃气涡轮发动机（涡喷发动机、低涵道比涡扇发动机和高涵道比涡扇发动机）的热力学模型（见图4）。结果表明，对于电功率分数（飞机电功率占总功率的比重）为10%的无人机，与传统发动机发电机发电相比，集成系统可降低燃料消耗4%；当电功率分数分别为30%和50%时，集成系统可分别降低燃料消耗12%和29%。
图4 团队的SOFC-GT并联混合系统概念图
作者团队提出了一种新型“旁通式”SOFC-GT构型[5]，即在高压涡轮和低压涡轮之间引入级间燃烧室（ITB），这样既能满足未来机载设备大功率电能需求，又能显著提高低压涡轮入口温度，从而提高发动机比功率和推力。在这种“旁通式”SOFC-GT混合系统中，碳氢燃料在供给燃料电池前被部分氧化重整，当电功率分数为0.2时，与同等条件下运行的涡喷发动机相比，该发动机的单位推力可提高24.07%。当压气机压比过高时，重整温度升高，燃料电池不能得到有效冷却，因此存在压比限制，最大压比为24。
由于涡轮材料和工艺的限制，燃气涡轮发动机的燃烧温度难以提高，因此涡轮入口温度成为进一步提高燃气涡轮发动机性能的限制因素。为了提高航空发动机的性能和电功率分数，作者团队在国内首次提出了一种新型无涡轮喷气发动机[6]（见图5）。这种发动机中的压气机由电动机驱动，电动机以SOFC为动力，SOFC后部直接与燃烧室和喷管相连。由于没有涡轮，不存在“涡轮前最高工作温度”的限制，通过提高燃烧温度可以大幅度提高发动机推力。此外，由于燃料电池效率高，燃烧室温度越低，这种发动机的比冲就越高。
图5 非涡喷发动机示意图
火焰燃料电池涡轮混合系统
火焰燃料电池的概念最早由日本的等人提出[7]，研究团队将SOFC置于丁烷、石蜡、石蜡和木材的富燃烧火焰中，测试了其电化学性能，首次发现SOFC能在富燃烧火焰下发电。火焰燃料电池由于结构简单、启动速度快等特点，近年来受到业界的广泛关注。
等 [8] 研究了与辅助动力装置燃气轮机集成的火焰辅助燃料电池。与传统的双室 SOFC 不同，火焰燃料电池燃气轮机混合辅助动力装置以燃烧室气体为燃料。混合系统以 JP-5 为燃料，在燃料电池电压为 0.5V 时，燃料电池燃料利用率高达 75%。混合系统的热效率在海平面和巡航条件下分别比燃气轮机热效率高 30% 和 16%。
SOFC-GT混合动力系统的技术难点
SOFC-GT混合系统具有明显的理论性能优势，但其系统解决方案仍存在一些问题。
目前的SOFC-GT混合推进系统需要依赖航空煤油等燃料的重整，性能较好的重整方式为自热重整或蒸汽重整。两种重整方式都需要水的参与，但携带水会增加额外质量，减少燃料携带量。因此，通过回收燃料电池阳极废气为重整过程提供水，可以从系统方案配置上解决这一问题。作者团队针对高空长航时无人机提出的SOFC-GT混合系统，考虑了燃料电池阳极和阴极废气的共同回收，不仅为重整过程提供了水，而且使得系统不再需要用于空气加热的热交换器，并对有无废气再循环的混合系统方案进行了性能对比。结果表明，有阳极废气再循环的系统不仅不携带额外的水燃气涡轮发动机的分类，而且使系统的效率提高了约20％。 因此优化燃料电池尾气再循环方案，实现反应所需物质的供应是有效的解决方案。
SOFC-GT混合系统的另一个问题是SOFC压力损失引起的废气燃烧。在混合系统配置下，SOFC阳极废气中存在25%~35%未反应的燃料，因此需要进入燃烧室进一步反应，以提高系统的燃料利用率。但由于SOFC的总压恢复系数大于燃烧室的总压恢复系数，因此SOFC废气往往难以进入燃烧室或在燃烧室内反应不充分。针对这一问题，作者团队提出了级间涡轮燃烧器，即在高低压涡轮之间增加一个燃烧室，SOFC废气在此进行反应。此时SOFC的排气压力高于级间燃烧室的压力，因此废气可以更好地喷入燃烧室进行反应。该系统与传统涡轮发动机相比，推力和热效率分别提升23.87%和2.94%。
SOFC的功率密度较低也是系统发展的一大障碍。根据SOFC-GT混合系统的质量计算，SOFC电堆的质量占系统总质量的77%以上。王静懿（）团队针对轻量化航空燃料电池，重新设计了SOFC电堆结构和材料，使其能够在873K以下低温运行船舶电子与信息设备保养，减轻了质量。对于75kW的SOFC电堆，质量功率密度达到了1.2kW/kg，有了显著的提升。此外，NASA格伦研究中心开发了双电极（BSC）支撑的SOFC，质量和体积减少了70%，燃料电池质量功率密度可达2.5kW/kg，体积功率密度可达7.5kW/L。SOFC功率密度的不断提高为SOFC-GT混合系统的进一步应用创造了更大的可能性。
此外，能量管理是发展SOFC-GT混合动力系统的关键技术之一。SOFC-GT系统结构复杂，且SOFC与GT的工作范围和动态响应特性不同，因此需要采用能量管理系统对不同子系统进行综合管理，通过制定相应的能量管理策略，使系统在满足负载功率要求的同时，提高稳定性和燃油经济性。吕晓静等提出了一种以压缩机转速、燃料流量、空气流量和压比为控制参数，划分全工况安全区域的方法，同时考虑压缩机安全工作区、涡轮过温、电池过温等因素[9]。目前的研究主要集中在采用简单的比例积分（PI）控制逻辑实现地面SOFC-GT混合动力系统的单变量控制，航空混合动力系统涉及的参数较多船舶安全管理体系软件，对其能量管理的研究相对有限。
结论
加强航空用燃料电池燃气轮机混合动力系统研究，对航空领域的节能减排、缩小国内外相关技术的差距具有重要意义。因此，尽快解决航空燃料电池燃气轮机混合动力系统关键技术问题是推动混合动力系统技术向更加成熟、更贴近应用方向发展的重要环节。
（李成杰，哈尔滨工业大学，博士生，主要从事燃料电池混合动力系统研究）
参考
[1] M, S, V, 等.SOFC-APU的动力性能研究[J]. 核动力学报, 2018,43(33):16311-16333.
[2] STOIA T,BALAN C, S 等.固体氧化物燃料电池-蒸汽动力全[C]//2018, ,and , 2018.
[3] R, P. 使用 SOFC 发电 [C]//Asme Turbo Expo: & ,2014.
[4] C D,CADOU.固体氧化物燃料电池的动力性能研究[J].电力学报,2015,284:588-605.
[5] 季哲,秦建,程凯,等. 一种带正极和固体氧化物燃料电池的研究[J]. ,2019,168:702-711.
[6] 季哲,秦建,程凯等. 一种用于燃料电池和蒸汽高速飞行器的设计与制造[J]. ，2019.
[7] M, S, M. 气体火焰功率、温度和压力的计算[J]. 石油学报,2004,151(9): A1402.
[8] R, R.火焰-气体燃料电池用动力装置[J]. , 2020,204:.
[9]吕晓静.SOFC/GT混合动力系统运行关键问题研究[D].上海:上海交通大学,2016.
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