■ 曾澤智 錢煜平 張揚(yáng)軍 / 清華大學(xué)

固體氧化物燃料電池渦輪動力系統(tǒng)兼具燃料電池效率高和燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)功率密度高的綜合優(yōu)勢，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。

航空動力目前以燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)為主，通過熱力循環(huán)將燃料燃燒釋放的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。在燃燒過程中，由于燃料化學(xué)?損大，且動力系統(tǒng)效率受到卡諾效率限制，現(xiàn)有燃?xì)鉁u輪動力系統(tǒng)發(fā)電效率較低（40%左右），通過提升循環(huán)參數(shù)（如提高總壓比和渦輪前溫度等）來提升發(fā)動機(jī)熱效率的潛力越來越小，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，理論上可達(dá)70%，且效率與發(fā)電功率等級無關(guān)。固體氧化物燃料電池渦輪動力系統(tǒng)采用燃料電池替換燃燒室的方案，通過中低溫化學(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，可有效提升航空動力系統(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，動力系統(tǒng)發(fā)電效率可達(dá)60%以上。在動力系統(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，形成高溫氣體推動渦輪做功，燃燒室釋放的熱量經(jīng)過換熱器和壓氣機(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力系統(tǒng)構(gòu)型

美國國家航空航天局（NASA）格倫研究中心針對X-57電動飛機(jī)設(shè)計(jì)了100kW級固體氧化物燃料電池動力系統(tǒng)，并初步規(guī)劃了在飛機(jī)中的集成，如圖2所示，針對動力系統(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電動飛機(jī)的固體氧化物燃料電池動力系統(tǒng)

馬里蘭大學(xué)的卡杜（Cadou）課題組針對不同構(gòu)型的固體氧化物燃料電池渦輪動力系統(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)動機(jī)、大涵道比分排渦扇發(fā)動機(jī)、小涵道比混排渦扇發(fā)動機(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)對動力系統(tǒng)效率的影響。研究表明：在高空長航時飛機(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力系統(tǒng)時，應(yīng)盡量避免迎風(fēng)面積增加而帶來的空氣阻力增大的問題。

除傳統(tǒng)固體氧化物燃料電池渦輪混合動力構(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)動壓氣機(jī)的新循環(huán)構(gòu)型，并針對新循環(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，動力系統(tǒng)比推力與燃料種類關(guān)聯(lián)性不高，當(dāng)壓比增加時，動力系統(tǒng)效率隨之增加，以碳?xì)淙剂虾蜌錃庾魅剂系膭恿ο到y(tǒng)性能差異也隨之增大。在固體氧化物燃料電池渦輪動力系統(tǒng)中，一般來說，燃料電池輸出功率在動力系統(tǒng)中占比越高，動力系統(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力系統(tǒng)的整體性能。雖然動力系統(tǒng)層面的熱力學(xué)仿真具備快速預(yù)測的能力，但無法考慮運(yùn)行過程中電堆內(nèi)反應(yīng)物濃度分布不均和燃料電池溫度分布不均帶來的影響。

哈里（Hari）和郝（Hao）等基于動力系統(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，應(yīng)進(jìn)一步考慮進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、反應(yīng)物流量對電堆內(nèi)溫度分布及電流密度分布的影響，確保沒有局部熱點(diǎn)的出現(xiàn)。局部熱點(diǎn)的出現(xiàn)會顯著降低燃料電池壽命，而反應(yīng)物分布不均則會影響電堆的功率密度，在未來針對固體氧化物燃料電池渦輪動力系統(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，可能會導(dǎo)致電堆出口附近出現(xiàn)高溫區(qū)而引起損壞，針對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

從上述針對固體氧化物燃料電池渦輪動力系統(tǒng)的研究可看出：固體氧化物燃料電堆是整個動力系統(tǒng)的核心，其工作性能直接影響動力系統(tǒng)的效率與功率密度。NASA曾提出了針對航空動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；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)動力系統(tǒng)的過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、起動速度慢、循環(huán)壽命短等關(guān)鍵瓶頸，無法直接應(yīng)用于航空動力。研制大功率、高功率密度、長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與質(zhì)量功率密度統(tǒng)計(jì)

針對地面固定式發(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與壽命，其中美國Bloom Energy公司、潮州三環(huán)公司等企業(yè)已具備生產(chǎn)高效率百千瓦級固體氧化物燃料電堆的能力，此類電堆發(fā)電效率可超過60%，并可穩(wěn)定運(yùn)行上萬小時，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)用于航空動力。

除地面固定式發(fā)電外，業(yè)界近年來也探索了將固體氧化物燃料電池應(yīng)用于交通工具動力源的可行性。在航空動力方面，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，有潛力同時滿足未來動力對高功率密度和抗熱循環(huán)能力的需求。此外，美國洛克希德-馬丁（洛馬）公司聯(lián)合AMI研發(fā)的千瓦級微管式固體氧化物燃料電池也可用于無人機(jī)增程器。

但從圖4可看出，目前應(yīng)用于動力的固體氧化物燃料電池在功率密度與功率等級上仍有待突破，需要注意的是，電堆功率等級的提升也會導(dǎo)致功率密度的下降。NASA的研究表明：將當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室級的瓦級小型紐扣電池功率提升至數(shù)百千瓦級的電堆時的功率密度會下降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力系統(tǒng)，功率等級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，會進(jìn)一步降低固體氧化物燃料電池渦輪動力的功率密度。當(dāng)固體氧化物燃料電池功率等級提升時，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時間為小時級，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)。在起動過程中，燃料電池需經(jīng)歷從室溫加熱到工作溫度的溫度變化過程，由于起動過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℃，通過在不銹鋼基板上沉積電極和電解質(zhì)，并在單元集成時采用焊接方式密封，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)的電堆在起動時間與循環(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，且經(jīng)歷了2500次熱循環(huán)后仍無明顯的性能衰減，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，也有潛力滿足航空動力快速起動與多次熱循環(huán)的需求，近年來亦受到重視。英國伯明翰大學(xué)肯德爾課題組曾嘗試以大于100℃/min的加熱速率對燃料電池進(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。未來有必要研究保證電堆均溫性的加熱方式，并探索不同起動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

固體氧化物燃料電池渦輪動力系統(tǒng)具備燃料電池效率高和燃機(jī)功率密度高的優(yōu)勢，其中燃料電堆的功率密度、起動速度與循環(huán)壽命是決定動力系統(tǒng)能否應(yīng)用于航空動力的關(guān)鍵，下一步研究建議聚焦電堆功率密度、起動速度與循環(huán)壽命提升方法，開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力系統(tǒng)模型，為航空固體氧化物燃料電池渦輪動力系統(tǒng)研發(fā)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。