航空固體氧化物燃料電池渦輪動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展＊

■ 曾澤智 錢(qián)煜平 張揚(yáng)軍 / 清華大學(xué)

固體氧化物燃料電池渦輪動(dòng)力系統(tǒng)兼具燃料電池效率高和燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度高的綜合優(yōu)勢(shì)，在航空領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前固體氧化物燃料電池存在功率密度低、循環(huán)壽命短等技術(shù)瓶頸，亟須進(jìn)一步突破。

航空動(dòng)力目前以燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)為主，通過(guò)熱力循環(huán)將燃料燃燒釋放的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。在燃燒過(guò)程中，由于燃料化學(xué)?損大，且動(dòng)力系統(tǒng)效率受到卡諾效率限制，現(xiàn)有燃?xì)鉁u輪動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)電效率較低（40%左右），通過(guò)提升循環(huán)參數(shù)（如提高總壓比和渦輪前溫度等）來(lái)提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的潛力越來(lái)越小，即使考慮部件效率改進(jìn)與循環(huán)參數(shù)提高，系統(tǒng)效率也很難超過(guò)45%。固體氧化物燃料電池能夠連續(xù)將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，其效率不受卡諾循環(huán)限制，具有發(fā)電效率高的優(yōu)勢(shì)，理論上可達(dá)70%，且效率與發(fā)電功率等級(jí)無(wú)關(guān)。固體氧化物燃料電池渦輪動(dòng)力系統(tǒng)采用燃料電池替換燃燒室的方案，通過(guò)中低溫化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)燃料化學(xué)能的高效綜合利用，具備效率高、工作溫度低和成本低等優(yōu)勢(shì)，可有效提升航空動(dòng)力系統(tǒng)效率，增加飛行航程或減少燃料需求。

總體技術(shù)研究

固體氧化物燃料電池渦輪動(dòng)力系統(tǒng)一般包括固體氧化物燃料電堆、燃料重整系統(tǒng)、壓氣機(jī)、渦輪和換熱器等主要部件，如圖1所示。由于燃料電池可以將燃料化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)電效率可達(dá)60%以上。在動(dòng)力系統(tǒng)中，空氣首先經(jīng)壓氣機(jī)壓縮為高壓空氣，小部分高壓空氣經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入燃料重整系統(tǒng)，與噴入的碳?xì)淙剂线M(jìn)行充分混合后進(jìn)行部分氧化重整，而重整反應(yīng)釋放的熱量可進(jìn)一步用來(lái)預(yù)熱空氣。碳?xì)淙剂媳恢卣麨镠2與CO后進(jìn)入固體氧化物燃料電堆進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，由于并非所有的H2與CO都會(huì)在燃料電池中反應(yīng)，未參與電化學(xué)反應(yīng)的H2與CO在后燃室進(jìn)行燃燒，形成高溫氣體推動(dòng)渦輪做功，燃燒室釋放的熱量經(jīng)過(guò)換熱器和壓氣機(jī)出口的高壓空氣進(jìn)行換熱，進(jìn)行余熱利用，進(jìn)一步提升系統(tǒng)效率。由于固體氧化物燃料電池工作溫度在700～1000℃左右，進(jìn)入燃料電池中的H2、CO和空氣需盡可能接近其工作溫度，以保證燃料電池高效穩(wěn)定運(yùn)行，渦輪排出的氣體也可通過(guò)回?zé)崞鬟M(jìn)行余熱利用，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率，但會(huì)進(jìn)一步增加系統(tǒng)復(fù)雜度。

圖1 固體氧化物燃料電池渦輪動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）格倫研究中心針對(duì)X-57電動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)了100kW級(jí)固體氧化物燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，并初步規(guī)劃了在飛機(jī)中的集成，如圖2所示，針對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)提出了兩種設(shè)計(jì)方案。方案一的系統(tǒng)效率可達(dá)62%，功率質(zhì)量比可達(dá)302W/kg，但該方案需針對(duì)900℃以上的高溫排氣加工新的高溫風(fēng)機(jī)，導(dǎo)致技術(shù)難度顯著提升，可行性較低；方案二中動(dòng)力系統(tǒng)效率可達(dá)55%，功率質(zhì)量比可達(dá)281W/kg，但部件加工與系統(tǒng)集成難度較方案一更低，具備更高的可行性。

圖2 X-57電動(dòng)飛機(jī)的固體氧化物燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)

馬里蘭大學(xué)的卡杜（Cadou）課題組針對(duì)不同構(gòu)型的固體氧化物燃料電池渦輪動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)層面的熱力學(xué)仿真，也計(jì)算了在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、大涵道比分排渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、小涵道比混排渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中集成固體氧化物燃料電堆的效果，研究了關(guān)鍵循環(huán)參數(shù)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)效率的影響。研究表明：在高空長(zhǎng)航時(shí)飛機(jī)上，將固體氧化物燃料電堆整合進(jìn)機(jī)體內(nèi)可以降低至少8%的耗油率，而集成在短艙內(nèi)可以降低至少4%的耗油率。在飛機(jī)中集成固體氧化物燃料電池渦輪動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量避免迎風(fēng)面積增加而帶來(lái)的空氣阻力增大的問(wèn)題。

除傳統(tǒng)固體氧化物燃料電池渦輪混合動(dòng)力構(gòu)型外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)秦江課題組提出去掉傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪，用固體氧化物燃料電池驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)的新循環(huán)構(gòu)型，并針對(duì)新循環(huán)進(jìn)行了系統(tǒng)層面的性能計(jì)算。研究表明：新循環(huán)可有效提高燃料轉(zhuǎn)化效率，動(dòng)力系統(tǒng)比推力與燃料種類(lèi)關(guān)聯(lián)性不高，當(dāng)壓比增加時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)效率隨之增加，以碳?xì)淙剂虾蜌錃庾魅剂系膭?dòng)力系統(tǒng)性能差異也隨之增大。在固體氧化物燃料電池渦輪動(dòng)力系統(tǒng)中，一般來(lái)說(shuō)，燃料電池輸出功率在動(dòng)力系統(tǒng)中占比越高，動(dòng)力系統(tǒng)總體效率越高，固體氧化物燃料電池的性能將直接影響動(dòng)力系統(tǒng)的整體性能。雖然動(dòng)力系統(tǒng)層面的熱力學(xué)仿真具備快速預(yù)測(cè)的能力，但無(wú)法考慮運(yùn)行過(guò)程中電堆內(nèi)反應(yīng)物濃度分布不均和燃料電池溫度分布不均帶來(lái)的影響。

哈里（Hari）和郝（Hao）等基于動(dòng)力系統(tǒng)中固體氧化物燃料電池入口邊界條件，模擬了管式固體氧化物燃料電池內(nèi)的溫度分布與反應(yīng)物速度分布，如圖3所示。相關(guān)研究指出：在設(shè)計(jì)電堆具體結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步考慮進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、反應(yīng)物流量對(duì)電堆內(nèi)溫度分布及電流密度分布的影響，確保沒(méi)有局部熱點(diǎn)的出現(xiàn)。局部熱點(diǎn)的出現(xiàn)會(huì)顯著降低燃料電池壽命，而反應(yīng)物分布不均則會(huì)影響電堆的功率密度，在未來(lái)針對(duì)固體氧化物燃料電池渦輪動(dòng)力系統(tǒng)的仿真中，可首先基于具體的燃料電池結(jié)構(gòu)和進(jìn)氣方式，模擬不同工況下燃料電池的溫度分布與輸出功率，得出不同工況下燃料電堆的工作特性曲線(xiàn)后，再聯(lián)合系統(tǒng)熱力學(xué)模型計(jì)算起飛、巡航等工況下的系統(tǒng)效率，進(jìn)一步提升系統(tǒng)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，由于燃燒室溫度比固體氧化物燃料電池高，可能會(huì)導(dǎo)致電堆出口附近出現(xiàn)高溫區(qū)而引起損壞，針對(duì)固體氧化物燃料電堆和燃燒室的匹配集成需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖3 固體氧化物燃料電堆溫度分布不均及反應(yīng)物速度分布不均

從上述針對(duì)固體氧化物燃料電池渦輪動(dòng)力系統(tǒng)的研究可看出：固體氧化物燃料電堆是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的核心，其工作性能直接影響動(dòng)力系統(tǒng)的效率與功率密度。NASA曾提出了針對(duì)航空動(dòng)力固體氧化物燃料電池的具體要求：固體氧化物燃料電池質(zhì)量功率密度需至少達(dá)到1.0kW/kg，并可在30min內(nèi)完成起動(dòng)；電堆需具備良好的抗熱循環(huán)能力且保證每10000h的功率衰減率小于2%；此外，在將電堆集成于飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的過(guò)程中不能增加額外的空氣阻力代償。目前固體氧化物燃料電池存在功率密度低、起動(dòng)速度慢、循環(huán)壽命短等關(guān)鍵瓶頸，無(wú)法直接應(yīng)用于航空動(dòng)力。研制大功率、高功率密度、長(zhǎng)壽命的固體氧化物燃料電堆是決定固體氧化物燃料電池能否應(yīng)用于航空動(dòng)力的關(guān)鍵。

功率密度研究

固體氧化物燃料電池的功率密度是決定其能否應(yīng)用于航空動(dòng)力的關(guān)鍵指標(biāo)。圖4統(tǒng)計(jì)了目前固體氧化物燃料電池的功率等級(jí)和質(zhì)量功率密度的關(guān)系，其中包括應(yīng)用于地面固定式發(fā)電的固體氧化物燃料電池和初步探索用于交通工具動(dòng)力源的固體氧化物燃料電池。

圖4 固體氧化物燃料電池功率等級(jí)與質(zhì)量功率密度統(tǒng)計(jì)

針對(duì)地面固定式發(fā)電的燃料電池的研究主要聚焦于如何提升電堆的功率等級(jí)與壽命，其中美國(guó)Bloom Energy公司、潮州三環(huán)公司等企業(yè)已具備生產(chǎn)高效率百千瓦級(jí)固體氧化物燃料電堆的能力，此類(lèi)電堆發(fā)電效率可超過(guò)60%，并可穩(wěn)定運(yùn)行上萬(wàn)小時(shí)，但由于質(zhì)量功率密度與體積功率密度較低，需進(jìn)一步突破后才可應(yīng)用于航空動(dòng)力。

除地面固定式發(fā)電外，業(yè)界近年來(lái)也探索了將固體氧化物燃料電池應(yīng)用于交通工具動(dòng)力源的可行性。在航空動(dòng)力方面，具有代表性的為NASA格倫研究中心研制的高功率密度板式電堆與自適應(yīng)材料公司（AMI）研制的微管式電堆。NASA指出：固體氧化物燃料電堆中金屬連接體總質(zhì)量占比可達(dá)75%，大幅降低了電堆的質(zhì)量功率密度，通過(guò)改進(jìn)冰凍流延工藝，實(shí)現(xiàn)陶瓷電極-流道的一體化加工以減少連接體在電堆中的占比，成功研制出質(zhì)量功率密度為1.1kW/kg、體積功率密度為4kW/L的板式固體氧化物燃料電堆，但電堆功率等級(jí)不高。除板式固體氧化物燃料電池外，微管式固體氧化物燃料電池近年來(lái)也受到業(yè)界的重視，由于管式燃料電池本身抗熱循環(huán)能力優(yōu)于板式燃料電池，且直徑小于10 mm的微管式燃料電池具有比表面積大的幾何特性，有潛力同時(shí)滿(mǎn)足未來(lái)動(dòng)力對(duì)高功率密度和抗熱循環(huán)能力的需求。此外，美國(guó)洛克希德-馬?。羼R）公司聯(lián)合AMI研發(fā)的千瓦級(jí)微管式固體氧化物燃料電池也可用于無(wú)人機(jī)增程器。

但從圖4可看出，目前應(yīng)用于動(dòng)力的固體氧化物燃料電池在功率密度與功率等級(jí)上仍有待突破，需要注意的是，電堆功率等級(jí)的提升也會(huì)導(dǎo)致功率密度的下降。NASA的研究表明：將當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室級(jí)的瓦級(jí)小型紐扣電池功率提升至數(shù)百千瓦級(jí)的電堆時(shí)的功率密度會(huì)下降70%左右。在固體氧化物燃料電池輸出功率層面，隨著電堆輸出功率大幅提高，電堆內(nèi)燃料濃度分布不均、溫度分布不均、電流收集損失增大等因素會(huì)導(dǎo)致其電化學(xué)性能下降，使輸出功率損失顯著增加；在系統(tǒng)質(zhì)量層面，從燃料電池單體到航空燃料電池渦輪動(dòng)力系統(tǒng)，功率等級(jí)的提升需考慮到集流器、換熱器和支撐件等一系列系統(tǒng)輔件的質(zhì)量與體積，會(huì)進(jìn)一步降低固體氧化物燃料電池渦輪動(dòng)力的功率密度。當(dāng)固體氧化物燃料電池功率等級(jí)提升時(shí)，如何提升電化學(xué)性能、減輕系統(tǒng)質(zhì)量是提高其功率密度的關(guān)鍵。

起動(dòng)速度與熱循環(huán)研究

傳統(tǒng)應(yīng)用于地面固定式發(fā)電的固體氧化物燃料電池起動(dòng)時(shí)間為小時(shí)級(jí)，由于燃料電堆內(nèi)所有組件溫度均需接近700～800℃左右的工作溫度才可進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。在起動(dòng)過(guò)程中，燃料電池需經(jīng)歷從室溫加熱到工作溫度的溫度變化過(guò)程，由于起動(dòng)過(guò)程中燃料電池各位置受熱不均并受加熱方式影響，極易在電極-電解質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生大的溫度梯度，且由于電極-電解質(zhì)各層材料特性不同，各位置受熱不均易引起電極脫落或在其內(nèi)部形成微裂紋，使電極損壞或電堆密封失效。傳統(tǒng)地面固定式發(fā)電的燃料電堆為保證其穩(wěn)定運(yùn)行，起動(dòng)速度約為1～5℃/min。圖5所示為文獻(xiàn)中統(tǒng)計(jì)的固體氧化物燃料電池?zé)嵫h(huán)次數(shù)與加熱速率關(guān)系圖，需要注意的是，圖中的熱循環(huán)次數(shù)為文獻(xiàn)中所匯報(bào)的燃料電池在試驗(yàn)中運(yùn)行的熱循環(huán)次數(shù)，而非其所能實(shí)現(xiàn)的最大熱循環(huán)次數(shù)。

圖5 固體氧化物燃料電池加熱速率與熱循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì)

從圖5可以看出：極少數(shù)固體氧化物燃料電池可穩(wěn)定運(yùn)行1000次熱循環(huán)以上。目前英國(guó)Ceres Power公司在金屬支撐板式電堆的研究中取得突破，其電堆工作溫度可降至500～600℃，通過(guò)在不銹鋼基板上沉積電極和電解質(zhì)，并在單元集成時(shí)采用焊接方式密封，電堆本身與密封點(diǎn)的強(qiáng)度得到保證。由于電堆工作溫度的降低與支撐體強(qiáng)度的增加，Ceres Power公司所生產(chǎn)的電堆在起動(dòng)時(shí)間與循環(huán)壽命上有優(yōu)異的表現(xiàn)，所研發(fā)的金屬支撐板式電堆可實(shí)現(xiàn)9min的快速起動(dòng)，且經(jīng)歷了2500次熱循環(huán)后仍無(wú)明顯的性能衰減，其平均衰減率約為1.5%/1000次熱循環(huán)。

除金屬支撐板式固體氧化物燃料電池外，微管式固體氧化物燃料電池由于熱慣性小且密封容易，也有潛力滿(mǎn)足航空動(dòng)力快速起動(dòng)與多次熱循環(huán)的需求，近年來(lái)亦受到重視。英國(guó)伯明翰大學(xué)肯德?tīng)栒n題組曾嘗試以大于100℃/min的加熱速率對(duì)燃料電池進(jìn)行升溫，并成功實(shí)現(xiàn)了上百次燃料電池?zé)嵫h(huán)，同時(shí)還嘗試了將輸出功率為250W左右的小型電堆用于質(zhì)量6kg、翼展2m的無(wú)人機(jī)上，電堆體積功率密度與質(zhì)量功率密度分別約為270W/L和350W/kg。

綜上可以看出：金屬板式與微管式固體氧化物燃料電池是應(yīng)用于航空動(dòng)力的固體氧化物燃料電池的研究重點(diǎn)和重要發(fā)展方向。未來(lái)有必要研究保證電堆均溫性的加熱方式，并探索不同起動(dòng)方式下固體氧化物燃料電池的溫度變化，研究提升電堆循環(huán)壽命的方法。

結(jié)束語(yǔ)

固體氧化物燃料電池渦輪動(dòng)力系統(tǒng)具備燃料電池效率高和燃機(jī)功率密度高的優(yōu)勢(shì)，其中燃料電堆的功率密度、起動(dòng)速度與循環(huán)壽命是決定動(dòng)力系統(tǒng)能否應(yīng)用于航空動(dòng)力的關(guān)鍵，下一步研究建議聚焦電堆功率密度、起動(dòng)速度與循環(huán)壽命提升方法，開(kāi)展電堆與燃燒室匹配集成試驗(yàn)，建立考慮燃料電堆溫度分布與電流密度分布的動(dòng)力系統(tǒng)模型，為航空固體氧化物燃料電池渦輪動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。