民用飞机燃料电池技术应用现状及未来展望

厦门航空有限公司飞机维修工程部福州维修基地 丁金亮

　　燃料电池的有关理论自1839年被英国科学家威廉•葛洛夫提出以来，因受制于性能、工艺、成本等方面因素，长时间内未得到广泛应用。直到19世纪60年代，伴随着空间技术的迅猛发展，燃料电池先后在美国“双子星”载人飞船、“阿波罗”登月飞船和航天飞机，前苏联“暴风雪”航天飞机、月球轨道飞行器上得到成功应用。燃料电池除作为主电源外，还能够为宇航员提供饮用水。从此之后，燃料电池开始进入商业化应用阶段，现已在新能源汽车等领域实现了商业化应用。在最近几年航煤价格持续上涨的趋势下，经济、舒适、环保这3项指标已成为影响民用飞机竞争力的关键要素，民用飞机对机载系统电功率的要求不断提高，对飞机电源系统也提出了更高的要求。燃料电池作为一种高效率、低排放的新型发电装置，能有效提高机载系统的能源效率，进而提升飞机的经济与环保性水平。

　　1 燃料电池的分类

　　不同于通常意义上的储能型电池，燃料电池是一种将燃料化学能直接转变为电能的电化学装置，由电解质及电解质两侧的阴、阳极组成。根据电解质类型的不同，可将燃料电池分为质子交换膜型燃料电池（PEMFC）、固态氧化物型燃料电池（SOFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸盐型燃料电池（PAFC）等。

　　碱性燃料电池（AFC）的电解质易被二氧化碳破坏，故不能使用空气作为氧化剂；熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）的电解质为高温熔融态碳酸盐，其安全性较低；磷酸盐型燃料电池（PAFC）的工作温度约为200℃，余热利用能力较低；固态氧化物型燃料电池（SOFC）运行温度高，使用陶瓷电解质，在振动环境中的运行稳定性不佳。上述缺点均限制了燃料电池在民用飞机领域的使用。

　　质子交换膜型燃料电池（PEMFC）具有结构紧凑、功率密度大、启动快、耐久性好、工作温度低等特点，经过多年的研发，已在汽车行业成熟应用，是目前最适宜民用飞行器使用的燃料电池。与此同时，该燃料电池技术也存在需要使用贵金属催化剂、电化学反应中产生的一氧化碳及硫化物等杂质气体会引起催化剂中毒等难题。此外，为维持燃料电池的特定运行状态，电解质不仅需保持在一定湿度，还需要对反应环境进行精确控温。

　　2民用飞机使用燃料电池的主要优势

　　现代民用飞机主要使用航空汽油、煤油作为燃料，其在提供动力的同时，也提供飞机所需的电能。燃料电池与石化燃料相比，具有以下4方面优势：

　　（1）能量转化效率高。传统内燃机的效率为30%~40%，先进涡轮风扇发动机的效率最高也只能达到50%。目前，燃料电池的效率普遍已超过50%，引入涡轮增压技术的固态氧化物型燃料电池（SOFC）系统的效率可达到70%，如能将反应中剩余的热能利用起来，则整体效率可达到80%以上。

　　（2）能量密度较高。燃料电池的能量密度取决于燃料类型和燃料电池系统的质量。液氢、重整燃料的能量密度可达到数千瓦时/千克。与传统蓄电池相比，燃料电池的功率密度稍低，但能量密度优势明显。在各类燃料电池中，质子交换膜型燃料电池结构紧凑，具有更高的质量功率密度。

　　（3）环境友好。燃料电池使用的燃料均经过脱硫处理，在反应中氮氧化物和硫化物的排放量较小。即使以天然气为燃料，氮氧化物排放量仅为0.0045kg/(MW•h)（化石燃料电厂的平均水平为2.23kg/(MW•h)），二氧化碳排放量为423kg/(MW•h)（化石燃料电厂平均水平为913.95kg/(MW•h)）。如果将纯氢作为燃料，则反应排放物仅为水，可大大减少温室气体、氮氧化物的排放。

　　（4）噪声低。燃料电池系统中的转动部件为散热、循环、环控等辅助装置，噪声水平较低。在当前的技术条件下，燃料电池系统的平均噪声水平约为60dB，远低于涡扇发动机、辅助动力装置（APU）的噪声水平。

　　3限制燃料电池应用的主要技术瓶颈

　　安全和效益是民航技术应用的准则，对照民航技术应用需求，燃料电池的不足之处主要有以下4方面：

　　（1）系统总体功率密度还需提高。燃料电池作为飞机的辅助动力装置，应避免额外空中损耗而增加飞机燃油消耗。因此，燃料电池系统的功率密度至少应高于1kW/kg。目前，投入商业使用的固态氧化物型燃料电池的功率密度仅为0.02kW/kg，质子交换膜型燃料电池的功率密度约为0.8~1.6kW/kg。可见，对于可使用航煤等化石燃料的固态氧化物型燃料电池而言，还需通过优化电解质材料、电极材料、生产工艺等方法继续提高功率密度。

　　（2）燃料存储复杂。质子交换膜型燃料电池需使用纯氢燃料，燃料的质量可占电池系统总重量的20%。但液态氢的长期存储（当前最先进的氢储罐的日泄漏量约为0.5%）及加注仍面临诸多技术问题。压缩氢形式则较为简单，但其储能密度仅为化石燃料的17%。当燃料需求量增加时，将使电池的体积与质量明显增加。固态氧化物型燃料电池使用的是极低硫化石燃料（硫含量低于1×10-6）。目前，航煤硫含量水平为(300~1000)×10-6，因此，需要对现有航煤进行进一步脱硫处理或另行设置机载脱硫装置。

　　（3）安全性有待提高。质子交换膜型燃料电池系统储氢装置在高空低气压条件下更易发生氢泄漏，并在密封的机体中进行累积，导致诸多直接与间接的安全问题。固态氧化物型燃料电池的运行温度通常为600~1000℃，长期在振动、高低温循环等环境下工作时，安全性水平将明显降低。

　　（4）系统寿命还需进一步提高。目前车用质子交换膜型燃料电池的寿命与民用飞机机载系统平均40000h的寿命相比仍有较大差距，一定程度上增加了地面的维护成本与时间，影响出勤率水平。

　　4燃料电池主要研究进展

　　小型飞机（含无人机）使用的燃料电池功率一般小于50kW，与蓄电池一同为飞机提供动力。燃料电池技术的应用研究主要集中在高校、研究所、小型飞机公司等。大型飞机使用的燃料电池功率普遍大于50kW，主要用于驱动某个部件或系统。大型飞机燃料电池因涉及系统集成及安全性验证，此类研究项目主要以美国波音飞机公司、欧洲空中客车公司为主导，其主要研究进展如下。

　　（1）美国波音公司。波音公司将燃料电池技术视为第三优先考虑的新技术（第一为新型复合材料技术，第二为低能耗机载系统）。2003年，波音公司开展了商用飞机燃料电池APU系统概念研究；同年，“鬼怪工厂”欧洲分部启动了“迪莫纳”燃料电池飞机验证项目；2012年，波音公司与日本石川岛播磨重工业公司使用波音737飞机进行了再生型燃料电池系统试飞。

　　波音公司对燃料电池的研究分为短期、中期、长期这3个层面。短期研究主要集中在质子交换膜型燃料电池，同步开展水管理、飞机接口、燃料储存等研究；中期研究以高温质子交换膜型燃料电池为主，在客舱、娱乐系统、峰值电源等非关键用电系统使用；远期研究将开展可直接使用航空煤油燃料的固态氧化物型燃料电池研究，在APU系统、电驱动等关键系统使用。

　　（2）欧洲空中客车公司。2008年，空客公司使用一架德国航空航天中心（DLR）的A320试验机，进行了质子交换膜型燃料电池应急供电系统测试；2011年，空客公司与德国航空航天中心（DLR）合作，以A320为试验平台开展了以燃料电池为动力的电动前起落架地面测试；目前，空客公司重点开展的研究主要集中在多功能燃料电池系统（MFCS），以替代传统的APU系统。

　　空客公司对燃料电池的研究路径与波音公司基本相同，两者的主要区别在于空客公司预计未来20年燃料电池将作为飞机主发动机的辅助电源，并因此开展了燃料电池与涡轮风扇发动机的混合动力研究（前期已开展了燃料电池与锂电池混合电动滑翔机“安塔芮斯”的研发与试飞工作）。近期来看，空客公司更为倾向于技术成熟的质子交换膜型燃料电池，以加快实现欧洲航空研究和创新咨询委员会2020年愿景。

　　5燃料电池在民用飞机上的应用展望

　　燃料电池用于飞机系统供电时，不但有助于减少污染、降低油耗，还可以起到优化飞机二次能源结构的作用。燃料电池由多个燃料电池单元组成，可根据机载系统所需的电压及功率灵活组合成电源系统，并可将机载燃料电池系统设计为分布式供电模式，对优化机上配电网络、飞机配平、提高可靠性等均较为有利。结合目前已开展的各项应用研究，本文提出未来10年燃料电池在民用飞机上的应用研究将主要集中在以下领域：

　　（1）一定程度上替代发动机的发电功能。多电飞机是未来民用飞机发展的方向之一，飞机对电功率的要求将不断增加，电力将成为飞机二次能源的最主要形式。燃料电池可在飞行的各阶段为机载系统提供电力，未来飞机发动机上可仅保留一套启动/发电机，发动机在通常情况下不为机载系统提供电力供应，仅为燃料电池提供备份。

　　（2）有望取代APU。目前APU工作的主要场所是机场候机楼附近，其平均噪声水平高达90dB，干线飞机每小时APU燃油消耗达155~200kg。欧美地区及国家的部分机场数据统计结果显示，APU燃油消耗约占总油耗的5%，占机场污染物总排放量的20%。如果使用固态氧化物型燃料电池替代传统APU，则可有望将燃油消耗降低75%，噪声降低至60dB。但以目前固态氧化物型燃料电池的技术水平而言，其自重约为传统APU的2倍，一定程度上会降低总体经济性水平。

　　（3）供水及供热。燃料电池在工作过程中将产生大量水蒸气、热量等副产品，可被飞机的其他系统循环利用。其中，余热可用于为飞机客舱加热与防止积冰，进而减少飞机发动机引气用量和电加热器功率。燃料电池产生的水均为冷凝水，可直接用于调节客舱空气湿度与客舱用水。如作为饮用水，需进行二次净化与pH值调节。

　　（4）供应惰性气体。目前，大型民用飞机中都设有空气分离装置，用以向燃油箱内注入高浓度氮气，以防止燃油系统起火爆炸。燃料电池在反应过程中要消耗大量氧气，其排放的气体中氮气浓度较高，可将这些气体按照不同流量模式注入燃料箱中，替代现行的空分系统。

　　（5）为地面电动滑行提供动力。空中客车已进行过类似地面试验，但因提供地面动力的电驱动前轮在起飞后成为无用的配件，其应用的经济型水平还需进一步评价。

　　6结束语

　　在民用飞机领域，安全是压倒一切的标准，所有新技术应用都必须经过充分的验证，并需要长时间验证与各机载系统间的协同运行效果。近期而言，我国目前在燃料电池领域的技术积累相对薄弱，需进一步发挥军民融合优势，将传统用于航空航天等尖端领域的高新技术产业化，并与石油化工行业的氢燃料、超低硫化石燃料的潜在供应方加强协同配合，用好现有生产装置与集输设施。远期而言，要持续加强质子交换膜、高温陶瓷、高能量密度电解质等领域的基础性研究，进一步提高系统效率、减轻质量。同时，还可以借鉴船舶综合电力系统的理念，从优化飞机总体能力利用的角度做好不同电源之间的统筹平衡，提高二次能源系统效率。

　　综上所述，经过多年的持续研究与发展，燃料电池现已基本达到了在民用飞机上使用的技术要求。但燃料电池也存在着使用成本相对较高、不能使用航煤作为电解质燃料等缺点，这在一定程度上制约了其发展与使用。