氢燃料电池单通道支线客机系统配置：性能优化与成本竞争力分析

为解决航空业碳排放难题，美国能源部支持团队开展氢燃料电池(PEMFC)支线客机系统研究，通过耦合电堆(95oC运行)、多级涡轮压缩机(压缩比>10)、双通道热管理设计，实现5000km航程、135座级飞机性能，提出延长FCS寿命、降低LH2成本是实现成本平价的关键。

　　

航空业正面临严峻的碳减排挑战——2018年全球航空CO₂排放超10亿吨，预计205年将增长两倍。其中单通道支线客机虽仅载客130人以下，却贡献了21%的国内客运周转量，成为氢能转型的理想突破口。然而现有燃料电池系统存在比功率不足、热管理困难等瓶颈，美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的Rajesh Ahluwalia团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，通过创新系统集成方案，证明氢燃料电池客机可与传统涡扇飞机竞争。

研究采用多学科耦合设计方法：建立飞机重量分布模型，量化LH₂存储对机身加长20%的影响；开发分级涡轮压缩机系统满足11,300米巡航高度需求；通过核心/旁路双通道设计整合热交换器与可变面积喷管；采用模块化电源系统确保单发失效安全性。

Aircraft performance framework
通过迭代优化发现：为满足寿命末期(EOL)推力需求，电堆需超配设计；巡航阶段将温度控制在75^oC以下可显著延长PEMFC寿命；采用倾斜式热交换器布局使短舱尺寸减少18.5%。

Results and discussion
关键突破在于：多级压缩系统使电堆功率密度提升40%；双通道推进设计实现核心流与旁路流独立控制；20%机身延长可存储4.2吨LH₂满足5,000km航程；模块化架构使系统比功率达1.2kW/kg。

Summary and conclusions
研究证实：当燃料电池系统寿命提升至30,000小时、LH₂价格降至3美元/kg时，氢电飞机可实现总拥有成本(TCO)平价。该工作为航空脱碳提供了可工程化的技术路径，其系统集成策略对重型燃料电池车辆开发同样具有借鉴价值。