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1、燃料电池应用于航空推进领域的前景展望摘要：介绍了燃料电池的原理及特点，以及其应用于飞机动力装置的国内外技术现状，针对其特点分析了当前限制其应用的主要问题，并对其未来应用前景进行了展望。燃料电池尽管具备清洁、高效、低噪声等显著优势，但是同时也具备功率密度较低、重量尺寸较大、成本较高、技术成熟度有限等一系列缺点，目前仅在无人机领域得到应用。但即使如此，仍不失为一类充满前景的航空动力装置。1燃料电池分类及原理燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电化学反应转换为电能的发电装置。燃料电池有电解质及正负极，燃料在阳极被氧化，氧化剂则在阴极被还原，与通常的蓄电池较为相似，因此也被称为“电池”。但是不同
2、于蓄电池，蓄电池的反应物都储存在其内部，本质上是一种储电装置，而燃料电池的反应物与氧化物则是通过外部系统输送到电极处而进行发电，本质上为一种发电机。与目前的发电技术相比，燃料电池的发电原理是基于电化学反应，不像热机受到卡诺循环的限制，因而具备更高的转换效率。因此燃料电池可视作一种电化学发电机，其能量转换原理为电解水的逆过程，产物仅有水与热能，是一种对环境较为友好的发电技术。燃料电池通常分为许多类型，其燃料种类、反应机理、工作温度、应用领域也存在差异，通常依据电解质的不同，可将燃料电池分类为：碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(S
3、OFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)。燃料电池汽车是目前最受瞩目的燃料电池应用领域，全球汽车生产厂家均在开发燃料电池汽车。同样在航空推进领域，也有着宽广的应用前景1。2燃料电池的优势及劣势燃料电池的优缺点均十分显著，其优势为：1)清洁：燃料电池发电唯一生成物质为水，无其他有害物质，可做到真正的零排放；2)高效：通过电化学反应将燃料的化学能转换为电能，可达到40%50%的热效率，比内燃机约高出10%；3)低噪声：燃料电池系统中通常会布置有水泵、散热器等运动部件，但是电堆本身并无运动件，振动与噪声均低于内燃机。燃料电池的劣势为：1)寿命短：燃料电池内部的材料性能随着时间会逐渐衰退，输出性能也
4、会逐渐变差，目前燃料电池普遍存在着寿命较短的弊病。一般电站燃料电池的使用寿命约为40000h，车用燃料电池的寿命为15000h左右。2)成本高：燃料电池目前并未批量投入使用，生产费用较高，燃料电池系统的单位功率成本可达内燃机的数十倍。同时在氢能供应方面，氢能的转换、储备、运输、加注等目前还未形成统一的供给体系，便捷性远不如内燃机使用的汽油、柴油。3)安全性要求高：无论气态氢或是液态氢，从生产至加注的流程较为复杂，并且安全性要求较高。3燃料电池飞机技术发展现状3.1国外燃料电池飞机技术发展现状2002年9月，美国波音公司与美国国防部签订研发合同，开发了一套基于燃料电池的无人机推进系统2。2003
5、年，该公司建成并演示了完整的燃料电池动力系统。2002年8月，NASA即展出了1台采用燃料电池驱动的电动飞机样机，重量达150kg。2005年5月，美国航空环境公司的“全球探测者”氢燃料电池推进的无人机首飞成功。2009年7月，全球首架采用燃料电池驱动的有人驾驶飞机在德国北部城市汉堡得以成功试飞3。该燃料电池飞机可连续飞行5h，续航里程为750km。其燃料电池动力装置布置于后翼夹层之中。该飞机采用了轻型气冷电池组系统，可将上百个燃料电池相互组合，传导电流，通过专门管道输送燃料。该类燃料电池飞机具备诸多环保优势，其起飞过程几乎是无声无息，可谓是一架清洁飞机。美国海军研究实验室于2009年10月研
6、制出的一款氢动力燃料电池飞机“离子虎”(IonTiger)完成了23h17min的飞行，创造了非官方燃料电池动力飞行的记录。该燃料电池飞机于美国马里兰州哈特福德郡(Hartford)阿伯丁(Aberdeen)试验场进行试飞，其燃料电池推进系统具备低噪声的特点，并充分利用了高能燃料氢。3.2国内燃料电池飞机技术发展现状2012年12月同济大学航空航天与力学学院与上海奥科赛飞机公司历时1年多时间共同研制的中国第1架纯燃料电池无人机“飞跃一号”，已在上海奉贤海边首次试飞成功。该无人机可升至2km以内高空，速度为30km/h，可连续飞行2h。2017年1月，中国科学院大连化学物理研究所研制的20kW燃
7、料电池系统为动力电源的国内第1架有人驾驶燃料电池试验机首次试飞成功，标志着我国航空用燃料电池技术取得突破性进展，成为继美、德之后第3个拥有该技术的国家。4应用于民用飞机的燃料电池辅助推进动力装置燃料电池可为飞机提供辅助推进动力装置(APU)，波音及空客等航空公司也开展了对燃料电池APU技术的大力开发，并以此制定了其发展蓝图。空客公司开展了质子交换膜燃料电池(PEMFC)APU技术的研究，并于2008年在A320验证飞机上完成了25kW燃料电池APU的飞行试验，可降低约15%的燃油消耗。波音公司则于2012年在B737机型上开展了对燃料电池APU的试验，近年来则计划于在B787机型开展相关试验。
8、大型民用客机燃料电池APU技术是建立在燃料电池研发、生产与集成等相关产业领域之上的一类高度集成的技术。因此在其技术发展过程中，通常可从3个角度出发，针对其技术进行开发，包括：飞机制造商、系统供应商、燃料电池设备供应商。从飞机制造商角度出发需定义适合大型民用飞机燃料电池APU的一系列技术要求，包括其功率密度、最佳工作温度，系统接口技术要求以及适航性要求指标等。系统供应商与燃料电池供应商则需要依据此类指标来研发及制造满足大型民用飞机动力性要求、经济性要求以及适航性要求的设备及系统4。飞机制造商再依据飞机的整体布局以及性能要求，对燃料电池APU的安全性、热管理以及能源管理策略等进行整体设计。大型民用
9、飞机燃料电池APU可谓是一项复杂的技术，各方面进行通力合作，方可有效促进该技术的发展。5燃料电池应用于航空推进领域的现存主要问题由于燃料电池采用氢燃料，其安全性堪称一大重要问题。氢燃料分子量小，易于扩散及泄露，危险系数较高，一旦飞行过程中出现失火现象，后果不堪设想。除此之外，其高压储氢罐及附属固定装置应具备足够的强度及刚度，避免在飞机飞行过程中由于气流影响产生的颠簸致使其罐体开裂，管路断裂，使氢气外泄，因此需采用整体式防护设计，有效改善其安全性5。不仅如此，燃料电池目前的功率密度及能量密度还有待提升，整机功率也相对较低，还有着重量尺寸较大、成本较高、技术不够成熟等显著缺点，无法与传统的航空燃气
10、轮机相提并论6-7。燃料电池不同于空气喷气发动机以及火箭发动机等性能优越的直接反作用推进装置，其工作过程中并不会持续产生大量高温燃气并以此作为飞行器的推进动力来源。因此仅能采用电动机+螺旋桨的间接反作用推进推进装置，存在着结构复杂、适航速度较低等固有劣势。6燃料电池应用于航空推进领域的前景展望不可否认，随着环境的日益恶化以及传统化石燃料的日渐枯竭，采用电力驱动的飞机将会日渐受到关注。电动飞机可大大减少CO及CO2的排放量8-12，并减少对传统石油燃料的依赖。以燃料电池飞机为代表的电动飞机，无污染低噪声、发热量较小，同时电动飞机仅有着微弱的热、光辐射，几乎很难被探测到。因此以燃料电池飞机为代表的
11、电动飞机在军事领域有着极大的发展潜力。目前燃料电池动力装置主要在小型无人机领域得以应用13，该机型的发展对于国防工业也有着重要的作用。从信息监控直至通讯联系，电动无人机有着几乎无法被地面检测到的优越性能。由于配备有燃料电池作为动力来源14，可使得小型电动无人机长期执行其侦测任务，从而有着较长的续航里程，可减少日常起飞及降落的次数，以此提供了更广泛的使用可能性，并且可一定程度节省机组人员的时间及精力。目前氢动力燃料电池无人机的主要发展方向在于提升燃料电池系统的动力型、使氢气储罐轻量化、改善热能管理系统以及实现系统的高效集成。7结论要将燃料电池应用于航空推进动力，尽管其具备清洁、高效、低噪声等显著
12、优势，但是同时也具备功率密度有限、重量尺寸较大、成本较高、技术成熟度有限，仅可与间接反作用推进装置匹配使用等一系列缺点。同时由于氢燃料的固有特点，导致其对其储氢系统的安全性要求也较高。因此目前要成为大型民用飞机的主推进动力装置仍有较长的一段路要走，目前仅在无人机领域得到应用，但其仍不失为一类充满前景的动力装置。随着相关技术的不断完善，燃料电池必将在航空推进领域占据一席之地。参考文献1许震宇,卢强.燃料电池轻型飞机起飞质量估算方法J.飞机设计,2011,31(3):6-8,23.2杜宗潆.波音公司研究燃料电池飞机J.电世界,2008,49(1):53.3高育红.燃料电池飞机J.能源研究与利用,2
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