民用飛機燃料電池技術(shù)應用現(xiàn)狀及未來展望

丁金亮

（廈門航空有限公司飛機維修工程部福州維修基地，福州 350209）

燃料電池的有關(guān)理論自1839年被英國科學家威廉·葛洛夫提出以來，因受制于性能、工藝、成本等方面因素，長時間內(nèi)未得到廣泛應用。直到19世紀60年代，伴隨著空間技術(shù)的迅猛發(fā)展，燃料電池先后在美國“雙子星”載人飛船、“阿波羅”登月飛船和航天飛機，前蘇聯(lián)“暴風雪”航天飛機、月球軌道飛行器上得到成功應用。燃料電池除作為主電源外，還能夠為宇航員提供飲用水。從此之后，燃料電池開始進入商業(yè)化應用階段，現(xiàn)已在新能源汽車等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商業(yè)化應用。在最近幾年航煤價格持續(xù)上漲的趨勢下，經(jīng)濟、舒適、環(huán)保這3項指標已成為影響民用飛機競爭力的關(guān)鍵要素，民用飛機對機載系統(tǒng)電功率的要求不斷提高，對飛機電源系統(tǒng)也提出了更高的要求。燃料電池作為一種高效率、低排放的新型發(fā)電裝置，能有效提高機載系統(tǒng)的能源效率，進而提升飛機的經(jīng)濟與環(huán)保性水平。

1 燃料電池的分類

不同于通常意義上的儲能型電池，燃料電池是一種將燃料化學能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娀瘜W裝置，由電解質(zhì)及電解質(zhì)兩側(cè)的陰、陽極組成。根據(jù)電解質(zhì)類型的不同，可將燃料電池分為質(zhì)子交換膜型燃料電池（PEMFC）、固態(tài)氧化物型燃料電池（SOFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）、堿性燃料電池（AFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸鹽型燃料電池（PAFC）等。

堿性燃料電池（AFC）的電解質(zhì)易被二氧化碳破壞，故不能使用空氣作為氧化劑；熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）的電解質(zhì)為高溫熔融態(tài)碳酸鹽，其安全性較低；磷酸鹽型燃料電池（PAFC）的工作溫度約為200℃，余熱利用能力較低；固態(tài)氧化物型燃料電池（SOFC）運行溫度高，使用陶瓷電解質(zhì)，在振動環(huán)境中的運行穩(wěn)定性不佳。上述缺點均限制了燃料電池在民用飛機領(lǐng)域的使用。

質(zhì)子交換膜型燃料電池（PEMFC）具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大、啟動快、耐久性好、工作溫度低等特點，經(jīng)過多年的研發(fā)，已在汽車行業(yè)成熟應用，是目前最適宜民用飛行器使用的燃料電池。與此同時，該燃料電池技術(shù)也存在需要使用貴金屬催化劑、電化學反應中產(chǎn)生的一氧化碳及硫化物等雜質(zhì)氣體會引起催化劑中毒等難題。此外，為維持燃料電池的特定運行狀態(tài)，電解質(zhì)不僅需保持在一定濕度，還需要對反應環(huán)境進行精確控溫。

2 民用飛機使用燃料電池的主要優(yōu)勢

現(xiàn)代民用飛機主要使用航空汽油、煤油作為燃料，其在提供動力的同時，也提供飛機所需的電能。燃料電池與石化燃料相比，具有以下4方面優(yōu)勢：

（1）能量轉(zhuǎn)化效率高。傳統(tǒng)內(nèi)燃機的效率為30%～40%，先進渦輪風扇發(fā)動機的效率最高也只能達到50%。目前，燃料電池的效率普遍已超過50%，引入渦輪增壓技術(shù)的固態(tài)氧化物型燃料電池（SOFC）系統(tǒng)的效率可達到70%，如能將反應中剩余的熱能利用起來，則整體效率可達到80%以上。

（2）能量密度較高。燃料電池的能量密度取決于燃料類型和燃料電池系統(tǒng)的質(zhì)量。液氫、重整燃料的能量密度可達到數(shù)千瓦時/千克。與傳統(tǒng)蓄電池相比，燃料電池的功率密度稍低，但能量密度優(yōu)勢明顯。在各類燃料電池中，質(zhì)子交換膜型燃料電池結(jié)構(gòu)緊湊，具有更高的質(zhì)量功率密度。

（3）環(huán)境友好。燃料電池使用的燃料均經(jīng)過脫硫處理，在反應中氮氧化物和硫化物的排放量較小。即使以天然氣為燃料，氮氧化物排放量僅為0.0045kg/(MW·h)（化石燃料電廠的平均水平為2.23kg/(MW·h)），二氧化碳排放量為423kg/(MW·h)（化石燃料電廠平均水平為913.95kg/(MW·h)）。如果將純氫作為燃料，則反應排放物僅為水，可大大減少溫室氣體、氮氧化物的排放。

（4）噪聲低。燃料電池系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動部件為散熱、循環(huán)、環(huán)控等輔助裝置，噪聲水平較低。在當前的技術(shù)條件下，燃料電池系統(tǒng)的平均噪聲水平約為60dB，遠低于渦扇發(fā)動機、輔助動力裝置（APU）的噪聲水平。

3 限制燃料電池應用的主要技術(shù)瓶頸

安全和效益是民航技術(shù)應用的準則，對照民航技術(shù)應用需求，燃料電池的不足之處主要有以下4方面：

（1）系統(tǒng)總體功率密度還需提高。燃料電池作為飛機的輔助動力裝置，應避免額外空中損耗而增加飛機燃油消耗。因此，燃料電池系統(tǒng)的功率密度至少應高于1kW/kg。目前，投入商業(yè)使用的固態(tài)氧化物型燃料電池的功率密度僅為0.02kW/kg，質(zhì)子交換膜型燃料電池的功率密度約為0.8～1.6kW/kg?？梢?，對于可使用航煤等化石燃料的固態(tài)氧化物型燃料電池而言，還需通過優(yōu)化電解質(zhì)材料、電極材料、生產(chǎn)工藝等方法繼續(xù)提高功率密度。

（2）燃料存儲復雜。質(zhì)子交換膜型燃料電池需使用純氫燃料，燃料的質(zhì)量可占電池系統(tǒng)總重量的20%。但液態(tài)氫的長期存儲（當前最先進的氫儲罐的日泄漏量約為0.5%）及加注仍面臨諸多技術(shù)問題。壓縮氫形式則較為簡單，但其儲能密度僅為化石燃料的17%。當燃料需求量增加時，將使電池的體積與質(zhì)量明顯增加。固態(tài)氧化物型燃料電池使用的是極低硫化石燃料（硫含量低于1×10-6）。目前，航煤硫含量水平為(300～1000)×10-6，因此，需要對現(xiàn)有航煤進行進一步脫硫處理或另行設(shè)置機載脫硫裝置。

（3）安全性有待提高。質(zhì)子交換膜型燃料電池系統(tǒng)儲氫裝置在高空低氣壓條件下更易發(fā)生氫泄漏，并在密封的機體中進行累積，導致諸多直接與間接的安全問題。固態(tài)氧化物型燃料電池的運行溫度通常為600～1000℃，長期在振動、高低溫循環(huán)等環(huán)境下工作時，安全性水平將明顯降低。

（4）系統(tǒng)壽命還需進一步提高。目前車用質(zhì)子交換膜型燃料電池的壽命約為2500h，固態(tài)氧化物型燃料電池的壽命約為3000h。與民用飛機機載系統(tǒng)平均40000h的壽命相比仍有較大差距，一定程度上增加了地面的維護成本與時間，影響出勤率水平。

4 燃料電池主要研究進展

小型飛機（含無人機）使用的燃料電池功率一般小于50kW，與蓄電池一同為飛機提供動力。燃料電池技術(shù)的應用研究主要集中在高校、研究所、小型飛機公司等。大型飛機使用的燃料電池功率普遍大于50kW，主要用于驅(qū)動某個部件或系統(tǒng)。大型飛機燃料電池因涉及系統(tǒng)集成及安全性驗證，此類研究項目主要以美國波音飛機公司、歐洲空中客車公司為主導，其主要研究進展如下。

（1）美國波音公司。波音公司將燃料電池技術(shù)視為第三優(yōu)先考慮的新技術(shù)（第一為新型復合材料技術(shù)，第二為低能耗機載系統(tǒng)）。2003年，波音公司開展了商用飛機燃料電池APU系統(tǒng)概念研究；同年，“鬼怪工廠”歐洲分部啟動了“迪莫納”燃料電池飛機驗證項目；2012年，波音公司與日本石川島播磨重工業(yè)公司使用波音737飛機進行了再生型燃料電池系統(tǒng)試飛。

波音公司對燃料電池的研究分為短期、中期、長期這3個層面。短期研究主要集中在質(zhì)子交換膜型燃料電池，同步開展水管理、飛機接口、燃料儲存等研究；中期研究以高溫質(zhì)子交換膜型燃料電池為主，在客艙、娛樂系統(tǒng)、峰值電源等非關(guān)鍵用電系統(tǒng)使用；遠期研究將開展可直接使用航空煤油燃料的固態(tài)氧化物型燃料電池研究，在APU系統(tǒng)、電驅(qū)動等關(guān)鍵系統(tǒng)使用。

（2） 歐洲空中客車公司。2008年，空客公司使用一架德國航空航天中心（DLR）的A320試驗機，進行了質(zhì)子交換膜型燃料電池應急供電系統(tǒng)測試；2011年，空客公司與德國航空航天中心（DLR）合作，以A320為試驗平臺開展了以燃料電池為動力的電動前起落架地面測試；目前，空客公司重點開展的研究主要集中在多功能燃料電池系統(tǒng)（MFCS），以替代傳統(tǒng)的APU系統(tǒng)。

空客公司對燃料電池的研究路徑與波音公司基本相同，兩者的主要區(qū)別在于空客公司預計未來20年燃料電池將作為飛機主發(fā)動機的輔助電源，并因此開展了燃料電池與渦輪風扇發(fā)動機的混合動力研究（前期已開展了燃料電池與鋰電池混合電動滑翔機“安塔芮斯”的研發(fā)與試飛工作）。近期來看，空客公司更為傾向于技術(shù)成熟的質(zhì)子交換膜型燃料電池，以加快實現(xiàn)歐洲航空研究和創(chuàng)新咨詢委員會2020年愿景。

5 燃料電池在民用飛機上的應用展望

燃料電池用于飛機系統(tǒng)供電時，不但有助于減少污染、降低油耗，還可以起到優(yōu)化飛機二次能源結(jié)構(gòu)的作用。燃料電池由多個燃料電池單元組成，可根據(jù)機載系統(tǒng)所需的電壓及功率靈活組合成電源系統(tǒng)，并可將機載燃料電池系統(tǒng)設(shè)計為分布式供電模式，對優(yōu)化機上配電網(wǎng)絡、飛機配平、提高可靠性等均較為有利。結(jié)合目前已開展的各項應用研究，本文提出未來10年燃料電池在民用飛機上的應用研究將主要集中在以下領(lǐng)域：

（1）一定程度上替代發(fā)動機的發(fā)電功能。多電飛機是未來民用飛機發(fā)展的方向之一，飛機對電功率的要求將不斷增加，電力將成為飛機二次能源的最主要形式。燃料電池可在飛行的各階段為機載系統(tǒng)提供電力，未來飛機發(fā)動機上可僅保留一套啟動/發(fā)電機，發(fā)動機在通常情況下不為機載系統(tǒng)提供電力供應，僅為燃料電池提供備份。

（2）有望取代APU。目前APU工作的主要場所是機場候機樓附近，其平均噪聲水平高達90dB，干線飛機每小時APU燃油消耗達155～200kg。歐美地區(qū)及國家的部分機場數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示，APU燃油消耗約占總油耗的5%，占機場污染物總排放量的20%。如果使用固態(tài)氧化物型燃料電池替代傳統(tǒng)APU，則可有望將燃油消耗降低75%，噪聲降低至60dB。但以目前固態(tài)氧化物型燃料電池的技術(shù)水平而言，其自重約為傳統(tǒng)APU的2倍，一定程度上會降低總體經(jīng)濟性水平。

（3）供水及供熱。燃料電池在工作過程中將產(chǎn)生大量水蒸氣、熱量等副產(chǎn)品，可被飛機的其他系統(tǒng)循環(huán)利用。其中，余熱可用于為飛機客艙加熱與防止積冰，進而減少飛機發(fā)動機引氣用量和電加熱器功率。燃料電池產(chǎn)生的水均為冷凝水，可直接用于調(diào)節(jié)客艙空氣濕度與客艙用水。如作為飲用水，需進行二次凈化與pH值調(diào)節(jié)。

（4）供應惰性氣體。目前，大型民用飛機中都設(shè)有空氣分離裝置，用以向燃油箱內(nèi)注入高濃度氮氣，以防止燃油系統(tǒng)起火爆炸。燃料電池在反應過程中要消耗大量氧氣，其排放的氣體中氮氣濃度較高，可將這些氣體按照不同流量模式注入燃料箱中，替代現(xiàn)行的空分系統(tǒng)。

（5）為地面電動滑行提供動力。空中客車已進行過類似地面試驗，但因提供地面動力的電驅(qū)動前輪在起飛后成為無用的配件，其應用的經(jīng)濟型水平還需進一步評價。

6 結(jié)束語

在民用飛機領(lǐng)域，安全是壓倒一切的標準，所有新技術(shù)應用都必須經(jīng)過充分的驗證，并需要長時間驗證與各機載系統(tǒng)間的協(xié)同運行效果。近期而言，我國目前在燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)積累相對薄弱，需進一步發(fā)揮軍民融合優(yōu)勢，將傳統(tǒng)用于航空航天等尖端領(lǐng)域的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，并與石油化工行業(yè)的氫燃料、超低硫化石燃料的潛在供應方加強協(xié)同配合，用好現(xiàn)有生產(chǎn)裝置與集輸設(shè)施。遠期而言，要持續(xù)加強質(zhì)子交換膜、高溫陶瓷、高能量密度電解質(zhì)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)性研究，進一步提高系統(tǒng)效率、減輕質(zhì)量。同時，還可以借鑒船舶綜合電力系統(tǒng)的理念，從優(yōu)化飛機總體能力利用的角度做好不同電源之間的統(tǒng)籌平衡，提高二次能源系統(tǒng)效率。

綜上所述，經(jīng)過多年的持續(xù)研究與發(fā)展，燃料電池現(xiàn)已基本達到了在民用飛機上使用的技術(shù)要求。但燃料電池也存在著使用成本相對較高、不能使用航煤作為電解質(zhì)燃料等缺點，這在一定程度上制約了其發(fā)展與使用。