富氧空位与局域表面等离子体共振效应协同增强的W18O49/ZnTiO3 Z型异质结光催化产氢性能研究

为解决航空业碳排放问题，研究人员开展氢燃料电池（PEMFC）驱动区域飞机的系统集成研究，通过耦合电堆、热管理、推进系统与机身设计，实现95°C起飞工况与75°C巡航工况优化，压缩比>10的多级涡轮增压器提升高空功率密度，模块化设计保障单发失效安全性。结果表明该设计可替代传统涡扇发动机，需进一步提升系统比功率与液氢（LH2）经济性以实现成本平价。

　　

航空业占全球CO₂排放的3%，且预计2050年温室气体（GHG）排放量将翻三倍。单通道区域飞机（如空客A220-100）占国内航班51%，其5000公里以下航程特性使其成为氢燃料电池（PEMFC）电动化的理想目标。然而，现有燃料电池系统存在比功率低、热管理复杂、高空性能衰减等挑战。美国能源部氢能与燃料电池技术办公室（HFTO）支持的Argonne National Laboratory团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，通过多学科耦合设计实现技术突破。

研究采用系统级迭代优化方法，整合电堆寿命模型（EOL性能衰减）、多物理场仿真（11,300米巡航高度工况）及飞机性能框架（含起飞重量估算、推进系统配置）。样本数据源自135座级区域飞机设计参数，关键验证包括：可变面积喷管控制双通道气流、20%机身延长液氢存储方案、倾斜式换热器降低短舱尺寸等。

Aircraft performance framework
通过建立包含电堆、热管理、推进系统的重量分配模型，发现模块化设计可使燃料电池系统（FCS）在单发失效时仍满足推力需求，但需牺牲15%巡航效率以换取可靠性。

Results and discussion
电堆在95°C起飞时实现最大热排放，75°C巡航延长寿命30%。多级涡轮增压器（压缩比>10）使11,300米高空功率密度提升至3.2 kW/kg，但空气管理系统功耗占输出功率的18%。

Summary and conclusions
该研究证明氢燃料电池飞机可通过耦合设计实现与涡扇技术竞争：优化后的电堆寿命达30,000小时，液氢存储使航程达5,000公里，但系统比功率需从1.5 kW/kg提升至2.0 kW/kg才能满足经济性要求。研究为航空脱碳提供了可工程化的技术路径，其模块化架构对混合动力系统开发具有普适指导意义。