关于电动飞机燃料电池涡轮电动动力技术的研究

《Engineering》：Research on Fuel Cell Turboelectric Power Technology for Electric Aircraft

　　张阳军|里卡多·马丁内斯-博塔斯|曾泽志|安德鲁·贾轩·劳|姜洪胜|彭杰|陈登杰
清华大学车辆与移动性学院，智能绿色车辆与移动性国家重点实验室，北京100084，中国

摘要
电动飞机将开启低空交通的新时代，并标志着第三次个性化交通革命。电动飞机的动力系统必须在起飞和降落期间提供充足的动力，在巡航期间高效运行，并具有高功率密度。目前的动力系统难以满足所有这些要求。我们提出将燃料电池集成到传统燃气轮机的燃烧室中，形成一种新的燃料电池涡轮电力系统，用于未来的电动飞机。通过热力学分析，将其性能与典型电动飞机飞行场景中的其他四种动力系统进行了比较。我们证明，全锂离子电池配置仍适用于短距离应用；相比之下，燃料电池涡轮电力系统在中长距离（超过300公里）巡航时更高效。对于最大500公里的巡航范围，燃料电池涡轮电力系统的总等效氢消耗仅为6.4公斤，大约是使用传统涡轮发电机和电池的动力系统的50%。还进行了初步实验以验证开发燃料电池涡轮电力系统的可行性。结果表明，质子交换膜燃料电池可以在火焰燃烧室或催化燃烧室中稳定运行。燃料电池燃烧室的出口温度可达到1200°C，并且通过调节气体流量可以轻松控制以满足特定要求。制造的带鳍片的管状固体氧化物燃料电池的功率密度也可达到1.2 W·g?1，从而满足未来燃料电池涡轮电力系统的要求。本研究为燃料电池涡轮电力系统的发展提供了技术和系统基础。

1. 引言
新型动力装置或交通工具的发明对能源革命做出了重大贡献。第一次能源革命期间发明了蒸汽火车和蒸汽船，由燃煤蒸汽机驱动[1]；第二次能源革命期间发明了汽车，由汽油或柴油内燃机驱动[2]。预计由电力或氢气驱动的电动飞机将在未来的交通中占据主导地位，可能引发第三次能源革命。这些电动飞机主要包括电动垂直起降（eVTOL）飞机，也称为飞行汽车，它们可能像汽车一样成为广泛使用的空中交通工具[3]，[4]。随着交通领域的电气化进程，对电力的需求预计将大幅增加。提高电动飞机的动力系统的热效率和功率密度可以有效增加其飞行范围。
一般来说，电动飞机的典型飞行过程包括五个不同阶段：起飞、爬升、巡航、下降和降落[5]。每个阶段所需的动力差异很大[6]。垂直起飞时所需的瞬时动力最大，需要产生更多的空气动力来克服空气阻力和电动飞机的重量。巡航阶段的动力需求最低，因为不再需要垂直加速度。飞机的动力系统应能够适应飞行不同阶段的变化动力需求。为此，动力系统必须在起飞和降落期间提供高功率，并在巡航期间高效运行。对于高载荷，还需要高功率密度[7]。
传统的飞机动力源是燃气轮机发动机[8]，[9]，如广泛使用的涡桨发动机、涡轴发动机和涡轮风扇发动机[10]，它们可以将燃烧过程中释放的热能连续转化为轴功或推力。为电动飞机开发移动式发电发动机需要仔细考虑将电动机和燃料电池等电子组件集成到燃气轮机系统中，从而形成具有高热效率和功率密度的涡轮电力系统。动力通过电动机以电能的形式提供，而不是通过涡轮机以机械轴功率的形式提供。涡轮电力系统是传统燃气轮机发动机的电气化版本。
提高电动机的功率密度对于涡轮电力系统或涡轮发电机的发展至关重要[11]。当前电动机的功率密度无法满足美国国家航空航天局（NASA）先进空中运输技术项目的目标[12]。由于难以散发电动机内部产生的热量，导致温度显著升高和潜在的结构故障，因此测量得到的电动机额定功率低于电磁设计值。在先前的研究中，提出了外壳冷却[13]、改进的定子铁芯冷却[14]、改进的绕组冷却[15]和改进的转子冷却[16]等方法来实现电动机的适当热管理并提高功率密度。我们的团队研究了将热管集成到导向叶片中以将热量从电动机传递到叶轮主流中的效果，从而在额定条件下将电动机功率密度提高到4.8 kW·kg?1[17]。因此，系统的功率密度可以显著提高。
提高整个动力系统的热效率也非常重要，可以通过将燃料电池堆集成到燃气轮机发动机中来实现，因为燃料电池可以直接高效地将化学能转化为电能[18]，[19]。燃料电池主要有两种类型：质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。PEMFC通过膜电极组件引发电化学反应，其中使用铂催化剂来降低活化能[18]；相比之下，SOFC在较高工作温度下引发电化学反应[20]。大多数先前的研究集中在研究将SOFC堆集成到燃气轮机系统中的效果，因为SOFC堆的工作温度约为800°C，与燃气轮机发动机的高工作温度更为兼容[21]，[22]。燃料灵活性还使SOFC堆能够使用重整烃类燃料运行。然而，由于当前SOFC堆的发展主要集中在固定式发电上，其功率密度仍需进一步改进，以适应移动式电力系统。
对集成有SOFC堆的燃气轮机发动机进行实验研究也具有挑战性[23]，[24]。因此，在大多数研究中，主要进行了混合SOFC-燃气轮机系统的热力学分析。已经计算和评估了各种混合系统的整体热效率、重量和体积[25]，[26]。在之前的研究中，构建了一个热力学模型来分析集成有SOFC堆和催化部分氧化（CPOx）反应器的涡轮喷气和涡轮风扇发动机的性能。使用JP-5作为燃料，经过重整后生成氢气和一氧化碳。由于集成SOFC堆，混合涡轮风扇系统的热效率提高了8%。另一项相关研究的结果也支持了这一发现[27]。开发了模型来评估包含燃料电池的混合推进和动力系统的性能，重点关注系统效率和重量。关键组件之间的适当匹配对于提高飞行范围至关重要。条件的变化可能导致温度分布迅速变化，从而破坏系统的热平衡。因此，需要精确调节工作条件以实现稳定[28]。在一项研究中，提出了SOFC-燃气轮机系统的控制策略，以确保在广泛的动态热条件下的稳健运行[29]。NASA提出了适用于X-57电动飞行的120千瓦固体氧化物燃料电池和燃气轮机混合动力系统（SOFC-GT）的设计[30]，[31]。他们的第一个设计可实现62%的燃料到电能效率，重量功率密度大于0.3 kW·kg?1。然而，这种紧凑设计要求循环风机在超过900°C的温度下稳定运行，这对系统开发具有挑战性。第二个设计不如第一个紧凑，但仍可实现55%的效率 and 0.281 kW·kg?1的功率密度。NASA强调了实验研究燃料电池与燃烧室集成效果的重要性[31]。他们还报告说，该系统最关键的组件是高功率密度的燃料电池堆[23]，[32]。
与主要关注提高动力系统整体效率的传统SOFC-GT系统不同，适合电动飞机的动力系统必须能够在起飞和降落期间提供高功率密度，并在巡航期间具有高效率。很少有研究考虑适合未来电动飞机的动力系统。此外，大多数研究仅对不同的燃料电池燃气轮机动力系统进行了热力学分析。参数选择和组件集成需要进一步的实验研究和验证。只有实验才能揭示真正的挑战并验证开发此类复杂动力系统用于未来电动飞机的可行性。
在本文中，我们提出了一种新的燃料电池涡轮电力系统，用于未来的电动飞机。传统的SOFC-GT系统主要依靠燃料电池堆高效提供大部分动力，而燃气轮机用于热回收；我们主要是通过将燃料电池堆集成到传统燃气轮机系统中来修改燃烧室。涡轮发电机提供的动力大约是燃料电池的两倍。该系统不同于传统的SOFC-GT系统，后者的主要动力来自通常与燃气轮机系统串联连接的SOFC堆[33]。我们还测试了将PEMFC集成到燃气轮机系统中的性能。这种改进基于原始的高功率密度燃气轮机系统，使其能够满足电动飞机的高效率和高功率密度要求。该系统旨在在起飞和降落期间提供高功率，并在巡航阶段实现高效率。在我们的系统中，燃料电池堆可以串联或并联连接到燃气轮机系统。

第2节介绍了所提出动力系统的概念。评估了电动飞机典型飞行剖面的性能，并与其他传统动力系统进行了比较。还讨论了开发燃料电池涡轮电力系统所面临的挑战。第3节提出了实验，以证明动力系统的可行性。具体来说，实验检验了将PEMFC堆与燃烧室集成以及制造高功率密度管状SOFC的可行性。

2. 燃料电池涡轮电力系统
2.1. 所提出动力系统的示意图
电动飞机对动力系统的要求高于传统汽车和飞机。为了实现具有实际载荷的实用飞行范围，需要在起飞和降落期间提供高功率输出、在巡航期间具有高效率和高功率密度。如图1所示，提出了一种燃料电池涡轮电力系统来满足电动飞机变化的动力需求。它可以被视为对传统燃气轮机系统燃烧室的改进。

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图1. 燃料电池涡轮电力系统的示意图。
燃料电池涡轮电力系统是一种混合系统，包括嵌入式冷却电动机、燃料电池燃烧室和燃气轮机。在起飞/降落阶段，燃气轮机燃烧室完全运行，动力由燃气轮机系统提供；在巡航阶段，燃气轮机燃烧室关闭，燃料电池成为电动飞机的主要动力源。在额定条件下，燃气轮机的功率输出大约是燃料电池的两倍。
设计了嵌入式冷却电动机以提高系统的功率密度[17]。热管集成到电动机导向叶片中，将电动机内部产生的热量直接传递到叶轮主流中。增加散热能力可以使电动机输出更多功率，从而提高其功率密度。在额定条件下，嵌入式冷却电动机的功率密度可超过5 kW·kg?1，这对系统开发非常有益。
还提出了燃料电池燃烧室以提高动力系统的热效率。燃料电池被集成到燃烧室中，如图1所示。燃料电池能够高效地将燃料能量直接转化为电能。相比之下，燃烧室可以用来提高涡轮机的进气温度。燃料电池燃烧室中使用的燃料电池堆可以是PEMFC（质子交换膜燃料电池）或SOFC（固体氧化物燃料电池）堆。将燃料电池与燃烧室结合在一起具有挑战性，部分原因在于它们所需的气流速率和运行温度不匹配，尤其是对于仅在60-80°C下运行的PEMFC堆。通常，燃料电池堆的气流速率和运行温度低于燃气轮机的燃烧室。为了解决这些挑战，我们分两步开发了燃料电池燃烧室。第一步是基于PEMFC堆来创建燃料电池燃烧室，因为PEMFC的研究和开发比SOFC更成熟。首先使用PEMFC堆验证了燃料电池与燃烧室结合的可行性。为了提高燃料电池涡轮发电系统的效率、燃料灵活性和温度适应性，在第二阶段选择了SOFC堆。各种碳氢化合物燃料（如煤油、柴油和汽油）可以被重整为氢气和一氧化碳，用于电化学反应。这种方法可以规避氢储存和运输的问题。然而，目前的SOFC堆的功率密度太低，无法满足电力系统的要求[31]。在将其用于驱动电动飞机之前，提高SOFC堆的功率密度至关重要。必须进行初步的实验测试来验证实现足够功率密度的可行性。

2.2. 不同电力系统的比较
本研究调查了典型电动飞机的电力系统性能，重点关注eVTOL（电动垂直起降飞行器）。图2展示了eVTOL的一个典型飞行过程，可以初步分为三个阶段：起飞、巡航和降落[34]。起飞阶段包括以20公里/小时的速度垂直上升，直到达到1公里的巡航高度（约3280英尺（1英尺=0.3048米）。之后是250公里/小时的水平飞行，最大巡航范围是一个变量。飞行速度、巡航高度和最大巡航范围都是根据早期研究[35]、[36]、[37]精心选择的。最后，降落阶段的垂直下降与起飞阶段类似。该eVTOL的设计载重为600公斤，包括机身、乘客和额外货物。其在巡航时的升阻比为10。

每种飞行阶段的功率需求基于eVTOL的最大起飞重量（MTOW）。此外，MTOW取决于所选的eVTOL动力系统配置和规定的最大巡航范围。范围依赖性尤为重要，因为增加巡航范围的需求意味着eVTOL需要更多的燃料或电池重量。这种增加具有连锁效应：整体MTOW以及巡航过程中的功率和能量需求都会增加，进而进一步增加重量要求。在确定每种动力系统的MTOW时，考虑了这种递归关系，范围从100公里到500公里不等。

图3展示了六种不同的提出的动力系统配置示意图：全锂离子电池、锂离子电池和涡轮发电机动力系统、PEMFC和锂离子电池动力系统、SOFC和锂离子电池动力系统，以及带有PEMFC或SOFC燃烧室的燃料电池涡轮发电系统。为了初步评估所提出的eVTOL动力系统的性能，表1列出了各种动力系统组件的效率和能量/功率密度，以及每个动力系统的总效率[23]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]。值得注意的是，燃料电池涡轮发电系统的涡轮发电机和SOFC的效率和功率密度基于我们早期测试收集的数据。系统效率考虑了eVTOL的电动机和传动系统的损耗，均设为0.92。H2的消耗量由其较低的加热值（LHV）120 MJ·kg?1决定。

表1. eVTOL动力系统组件的性能指标[23]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]
| 组件 | 组件效率 | 系统效率 | 能量/功率密度 |
|------------|------------|-------------|------------|
| 锂离子电池 | 0.95 | 0.80 | 0.25 kW·h·kg?1 |
| 常规涡轮发电机 | 0.20 | 0.17 | 1.5 kW·kg?1 |
| PEMFC | 0.45 | 0.38 | 0.7 kW·kg?1 |
| SOFC | 0.60 | 0.51 | 1.0 kW·kg?1 |

此外，MTOW的一部分用于携带在eVTOL上的燃料/电能。对于电能，这部分取决于电池的能量密度，目前商用电动汽车（EV）的电池组能量密度在0.15到0.25 kW·h·kg?1之间[38]。而对于氢气，需要考虑氢燃料和氢储存系统（如储罐、外壳、阀门、传感器和绝缘材料）的重量。这种依赖性通过重量存储效率来表示，其范围在储存的H2重量的5%到10%之间[44]。在本研究中，分析中使用了锂离子电池的0.25 kW·h·kg?1和氢储存的10 wt% H2的先进值，并讨论了存储重量假设的敏感性影响。

表2列出了每种eVTOL动力系统中在不同飞行阶段运行的功率模块。动力系统配备了根据表1中的指标确定的最低MTOW配置对应的操作模式，从而实现最低的能耗。对于仅由锂离子电池和涡轮发电机组成的动力系统，电池用于巡航操作，而涡轮发电机负责起飞和降落。对于包含燃料电池系统的动力系统，燃料电池用于巡航操作，而锂离子电池或涡轮发电系统负责起飞和降落。能量密度是基于500公里巡航距离和250公里/小时巡航速度下的飞行剖面进行评估的。对于这种飞行任务，燃料电池涡轮发电系统（PEMFC）和燃料电池涡轮发电系统（SOFC）的功率密度分别可以达到0.63和0.86 kW·kg?1，满足电力系统的要求。

图4和图5分别显示了六种提出的eVTOL动力系统的每次飞行阶段的操作模式和总等效H2消耗量。尽管锂离子电池的能量密度较低，但由于其显著更高的组件效率和所有配置中最低的等效H2消耗量，全锂离子电池配置是实现300公里以下最大巡航范围的最佳动力系统。这些发现表明，全电动操作适用于短途应用，例如通过空中出租车进行快速城市空中移动或短距离旅行。另一方面，对于超过300公里的最大范围，全锂离子电池配置的能效较低，因为额外的电池重量超过了其高效率。从成本角度来看，这种配置也不可行，因为超过300公里的距离需要超过100 kW·h的电池容量，而eVTOL的尺寸效率较低。使用常规发电机（用于起飞和降落）与锂离子电池的组合在所有巡航范围内都是能效较低的配置。

表3总结了每种动力系统配置的优点和缺点，从定量车辆性能指标和定性成本比较的角度进行了总结。随着最大巡航范围的增加，六种提出的eVTOL动力系统配置的总等效氢气消耗量变化
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图5. 随着最大巡航范围的增加，六种提出的eVTOL动力系统配置的负载机体与最大起飞重量（MTOW）比率的变化。
采用燃料电池技术的动力系统比纯锂离子电池配置在需要高最大巡航范围的情况下提供了更高效的选项，首先是结合了锂离子电池和固体氧化物燃料电池（SOFC）的动力系统，能够实现超过300公里的续航里程。总等效氢气消耗量与最大巡航范围之间的关系是线性的，且负载机体与最大起飞重量比率始终保持在75%以上。因此，燃料电池动力系统对于长距离eVTOL应用（如城际运输）来说更具能源效率、成本效益和紧凑性。使用SOFC的动力系统优于使用质子交换膜燃料电池（PEMFC）的动力系统，因为它们具有更好的组件效率和能量密度。这些特性在SOFC的高工作温度对eVTOL的安全性可接受的情况下是有益的。最后，与SOFC涡轮电力系统相比，由锂离子电池和SOFC组成的动力系统的总等效氢气消耗量略低。
需要注意的是，所进行的分析依赖于对锂离子电池和氢储存系统的重量假设。使用最低的氢气重量存储效率（5 wt% H2）和锂离子电池的功率密度（0.25 kW·h·kg?1），纯锂离子电池作为最高效动力系统的临界点略微提高到340公里，增加了13%。另一方面，当锂离子电池的功率密度为0.15 kW·h·kg?1（氢气重量存储效率为10 wt%）时，临界点显著降低到仅175公里，减少了41.7%。因此，电池的功率密度对整个动力系统的能源效率最为敏感，从而影响了氢燃料电池技术适用于不同巡航范围的能力。此外，与纯锂离子电池配置相比，将氢燃料电池技术与涡轮电力结合使用可以在所有巡航范围内提供更好的负载机体与最大起飞重量比率。因此，即使在较短的距离内（在临界点之前），燃料电池涡轮电力系统在紧凑性和成本节约方面也可能更具优势。
值得注意的是，这六种提出的eVTOL动力系统配置是通过初步的热力学分析结果进行比较的。未来应进行更详细的实验研究，以考虑系统集成、功率传输和安全因素的影响。在这项研究中，我们首先评估了将燃料电池与燃烧器集成到eVTOL动力系统中的可行性，这是系统开发的关键第一步。

3. PEMFC燃烧器
将PEMFC燃烧器集成到传统燃气轮机发动机中，形成燃料电池涡轮电力系统，可以显著提高整体系统效率。由于PEMFC具有更快的启动能力，它们也可以在起飞/降落阶段使用。在我们的早期测试中，我们证明了我们的PEMFC堆栈可以在-30°C的工作温度下启动。因此，正确设计PEMFC系统的氢燃烧器对其性能和运行稳定性至关重要。应仔细考虑氢燃烧器的流动控制和热管理。我们的设计中采用了两种类型的氢燃烧：火焰燃烧和催化燃烧。火焰燃烧可以快速提高气体温度，从而在需要大量瞬时功率时使用。相比之下，催化燃烧是无火焰的，并且在较低的气体温度下发生；因此，它可以在巡航阶段选择使用。

3.1. 火焰燃烧
火焰燃烧可以迅速提高气体温度，通常会导致较高的出口温度。然而，由于强烈的化学反应，燃烧过程难以控制，特别是温度上升的速度。因此，我们通过微喷嘴将大规模火焰转化为多个微尺度火焰来控制火焰燃烧过程。图6(a)和(b)分别展示了使用超合金GH3625制成的火焰燃烧器的图像和示意图，其总长度为545毫米。氢气通过微喷嘴注入并与主流空气混合进行燃烧。图6(c)和(d)分别展示了微燃烧过程的示意图和微喷嘴的详细剖面图。微喷嘴可以实现更均匀的微尺度贫燃料燃烧，从而降低火焰温度和氮氧化物的生成。在我们的初步测试中，火焰燃烧可以在1分钟内使出口温度达到1200°C。

图7. (a) 开发的火焰燃烧器的图像和(b) 剖面图。(c) 微燃烧过程的示意图以及(d) 燃烧器中微喷嘴的图像。
图7(a) 显示了用于测试本研究中火焰燃烧性能的实验装置示意图。研究了火焰燃烧的效果。两股压缩氢气流被送入PEMFC燃烧器：一股流用于PEMFC堆栈的化学反应，另一股流直接送入燃烧器。使用量程为0–0.2 g·s?1的质量流量计测量氢气流量，并在PEMFC堆栈的入口处放置温度传感器以监测入口温度。空气也被送入系统，其质量流量由量程为0–20 g·s?1的质量流量计测量。电子负载连接到PEMFC堆栈以测量其输出功率。在燃烧器出口处放置了三个温度传感器以测量离开燃烧器的气体温度。

图7(b) 我们研究中使用的开发的PEMFC燃烧器示意图。图中还展示了PEMFC堆栈和火焰燃烧器。在每次实验运行中，氢气和空气都被调整到所需的值，并首先送入PEMFC堆栈以确保其稳定运行。氢气和空气的质量流量分别调整为0.108 g·s?1和12.5 g·s?1，入口温度固定在80°C。在PEMFC堆栈开始发电后进行了测量。图8(a)显示了PEMFC堆栈输出功率的时间变化。堆栈功率在大约3分钟内达到了所需值。当输出功率稳定在1%以内时，另一股氢气流被送入火焰燃烧器以启动燃烧。图8(b)显示了通过三个热电偶测量的离开燃烧器的气体出口温度。气体温度从室温升高到900°C大约需要20秒，然后在大约30秒内升高到1200°C。出口气体温度保持在1200°C，变化幅度为1%，表明通过微喷嘴对燃烧过程的控制是合理的。出口气体温度的波动约为20°C，其对涡轮效率的影响可以忽略不计。PEMFC燃烧器能够稳定运行，从而为涡轮提供高温气体以实现大规模发电。

图8. (a) PEMFC燃烧器输出功率的时间变化；(b) PEMFC燃烧器出口温度。图中绘制了燃烧器出口处三个热电偶（T1–T3）的结果。

3.2. 催化燃烧
催化燃烧是无火焰的且易于控制。氢在催化剂表面与氧气反应，降低了反应的活化能，使其能够在比火焰燃烧低得多的温度下发生。在此过程中，氢和空气被转化为水蒸气，释放热量并提高气体温度。在典型的催化燃烧器中，氢和空气的催化反应不能在大约200°C的温度下发生，这比PEMFC堆栈的出口气体温度高100°C。为了在堆栈出口条件下启动催化燃烧，提出了具有良好低温性能的双金属催化剂，以将气体温度提高到600°C以上[45]，[46]。
图9 显示了催化燃烧器的示意图，它主要由两个子室组成：一个用于气体预混合，另一个用于催化燃烧，其中装有双金属催化剂。在这些子室之间添加了隔热法兰以减轻催化燃烧器释放的热量的不利影响。使用一个小旋流发生器通过混合氢气和空气来产生循环流动。这种设计可以在相对较低的压力损失下实现高效混合。然后将混合气体送入第二个子室进行催化反应。燃烧器的总长度约为294毫米，设计用于将气体温度提高到600°C。通过调整氢气或空气的质量流量可以控制催化燃烧器的出口气体温度。

图10. (a) 用于测试PEMFC燃烧器性能的实验装置示意图；(b) PEMFC燃烧器的图像。
图10(a) 显示了用于测试PEMFC燃烧器性能的实验装置示意图；(b) PEMFC燃烧器的图像。
图11 显示了PEMFC燃烧器输出功率的时间变化。PEMFC堆栈大约需要10分钟才能达到所需的输出功率。当PEMFC堆栈的输出功率稳定在1%以内约10分钟后，另一股氢气流被送入催化室进行化学反应。图11(b)显示了燃烧器出口气体温度的时间变化。在第一次测试中，我们将PEMFC燃烧器的目标出口温度设定为400°C。催化燃烧器中的气体温度上升速率远低于火焰燃烧器。出口气体温度可以在10分钟内从100°C升高到400°C。出口温度在10到20分钟内保持稳定，波动可以忽略不计。

图11. (a) PEMFC燃烧器输出功率的时间变化；(b) PEMFC燃烧器出口温度。图中绘制了燃烧器出口处三个热电偶（T1–T3）的结果。
对于第二种情况，目标出口温度为600°C，我们调整了操作条件，提高了氢气质量流量以研究其对催化燃烧器出口温度的影响。在氢气质量流量为3 g·s?1和空气质量流量为500 g·s?1的情况下，燃烧器的出口温度可以在大约10分钟内达到600°C。与火焰燃烧器不同，催化反应需要几分钟才能提高气体温度。然而，与火焰燃烧器相比，催化燃烧器出口处的温度波动明显较小。PEMFC堆栈在出口温度调整期间运行稳定，表明PEMFC堆栈与催化燃烧器之间具有良好的兼容性。带鳍片的管状固体氧化物燃料电池（SOFCs）
低功率密度阻碍了SOFC堆在电动飞机动力系统中的广泛应用。提高SOFC堆的重量功率密度对于燃料电池涡轮电力系统的发展至关重要，这决定了该技术是否能够得到应用[47]。阳极和阴极之间的反应速率限制不匹配是SOFC堆功率密度低的主要原因。由于反应速率与燃料浓度、电池温度和电极比表面积成正比，因此深入了解SOFC中的热传递和质量传递过程对于提高其重量功率密度至关重要。我们提出了一种带鳍片的管状SOFC，以增强局部热传递和质量传递，从而提高功率密度。该概念如图12所示。鳍片结构被插入流道中，以诱导径向流动，从而增加三相边界处的燃料浓度。在我们之前的研究中，我们证明了由鳍片结构诱导的径向流动可以有效提高20%–60%的功率密度[48][49][50]。

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图12. 带鳍片的管状SOFC示意图。

为了增强鳍片结构诱导的径向流动，需要仔细设计和优化SOFC电极的孔结构。阳极支撑型SOFC中的传递现象和电化学活性在很大程度上取决于阳极的微观结构。在本节中，我们主要关注不同孔结构对管状SOFC重量功率密度的影响。传统的阳极支撑制备方法主要包括挤压、干压和 tape casting。然而，这些方法通常会产生孔隙不足的阳极支撑，如图13(a)所示，导致气体传输阻力显著增加。许多孔形成剂（如石墨和淀粉）在高温烧结后用于在阳极中创建额外的孔隙。尽管添加孔形成材料可以有效增加阳极的孔隙率，但仍然存在较大的迂曲系数，这不足以促进气体扩散。低孔隙率和高迂曲系数可能导致反应分布不均匀。

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图13. (a) 传统孔隙与 (b) 有序孔隙的比较

为了降低气体传输阻力，我们设计了一种具有有序孔隙的阳极，如图13(b)所示，这种孔隙可以增加孔隙率并降低迂曲系数。与传统孔隙相比，有序孔隙可以将气体从流道引导到三相边界，从而显著降低传输阻力。这种类型的孔隙可以促进质量传递，提高多孔阳极内的局部燃料浓度和反应速率，从而提高功率密度。增加孔隙率可以增加直的、有序的孔隙数量，从而降低扩散阻力并减轻重量。这不仅提高了输出功率，还减轻了重量，从而提高了功率密度。

有序孔隙是使用相转化方法制造的，如图14所示。首先制备含有电子相（例如NiO，后来还原为Ni）和离子相（例如8摩尔% Y2O3稳定的ZrO2 (YSZ)）的阳极浆料，并使用液体介质（例如乙醇）进行球磨。浆料干燥后，得到阳极粉末，并加入增塑剂、溶剂和成膜剂进行球磨。然后将混合物置于真空中以去除气泡并进行钝化处理。为了制备管状结构，将一根特定直径（例如6毫米）的干净玻璃棒浸入钝化混合物中，然后拉出，使混合物吸附在其表面。重复此浸渍和拉拔过程，直到达到所需的阳极支撑厚度。将涂覆后的棒浸入装有去离子水的容器中进行相转化。在此过程中形成了有序孔结构。固化的管状基底自然从棒上脱模，然后在大约1100°C的高温下干燥，以烧掉有机成分并烧结阳极成分，从而涂覆电解质（例如YSZ）、缓冲层（例如Gd0.2Ce0.8O3-δ）和阴极（例如Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ），形成单个管状燃料电池。

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图14. 带有序孔隙的管状SOFC的制造过程

图15显示了测试带有序孔隙的管状SOFC重量功率密度的实验装置示意图。该装置主要由管状SOFC、炉子、热电偶、万用表和重量秤组成。直径为6毫米、长度为40毫米的管状SOFC安装在炉子中，炉内温度可调范围为20至850°C。热电偶放置在炉内以监测管状SOFC的工作温度。万用表的电压范围为0–100 V，电流范围为0–7.35 A，用于测量管状SOFC的输出功率。重量秤用于测量管状SOFC的质量。由于实验在高温下进行，因此使用传感器监测周围氢气浓度以确保安全。

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图15. 管状SOFC实验装置的示意图。

每次实验中，以40 mL·min?1的流速向管状SOFC供应压缩氢气。炉子以10 °C·min?1的速率加热，直到温度达到400 °C。然后将氢气流速调整到80 mL·min?1，并将炉子加热速率降低到5 °C·min?1，以防止管状SOFC的结构损坏。当炉内温度达到750 °C且开路电压变化小于0.01 V时进行测量。在测量过程中，我们逐渐增加管状SOFC的电流负载，并测量其工作电压以绘制极化曲线。

图16将带有序孔隙的管状SOFC的极化曲线与传统的随机孔隙管状SOFC进行了比较。两种管状SOFC的开路电压均超过1.0 V，表明所制造的10 μm厚的电解质密度高且可靠，有效防止了阳极侧的氢气与阴极侧的氧气混合。如图16所示，随着电流密度的增加，两种管状SOFC的工作电压逐渐下降。带有序孔隙的管状SOFC的极化曲线下降速率低于传统管状SOFC，表明在相同工作条件下具有更好的电化学性能。高燃料浓度显著提高了带有序孔隙的管状SOFC在三相边界处的功率密度，这得益于低气体扩散阻力。在大约0.4 V的工作电压下，带有序孔隙的管状SOFC的重量功率密度达到了1.2 W·g?1，约为传统管状SOFC的两倍，满足电动飞机的动力需求。

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图16. 带普通孔隙（圆圈）和有序孔隙（三角形）的管状SOFC的电压和功率密度随电流密度的变化关系。

值得注意的是，随着输出功率的增加，管状SOFC的重量功率密度可能会进一步降低。深入理解热传递和质量传递过程可以帮助设计师减少阳极和阴极之间的反应速率限制差异，从而提高SOFC堆的重量功率密度。在本研究中，我们仅证明了制造高功率密度SOFC的可行性。值得注意的是，开发用于燃料电池涡轮电力系统的SOFC堆仍需要进一步的实验研究，以提高其长期运行稳定性和热循环可靠性。

5. 结论
本文提出了一种用于未来电动飞机的燃料电池涡轮电力系统。对六种不同动力系统进行了初步的热力学分析。具体来说，确定了六种动力系统在典型eVTOL飞行剖面（巡航范围为100至500公里）下的总等效H2消耗量和载荷-空重比。研究表明，全锂离子电池配置仍适用于短距离应用。相比之下，燃料电池涡轮电力系统在300公里以上的中长距离巡航要求下更为高效。对于最大巡航范围为500公里的系统，燃料电池涡轮电力系统的总等效氢消耗量仅为6.4公斤，约为带有涡轮发电机和电池的传统动力系统的50%。需要注意的是，初步比较未考虑实际系统集成、安全设计或所有动力系统之间的功率传输。未来的研究将进行更详细的实际任务负载分析。

在本研究中，我们进行了初步实验以评估开发燃料电池涡轮电力系统的可行性。首先，证明了PEMFC燃烧器的可行性。我们表明PEMFC堆可以在火焰燃烧器和催化燃烧器下稳定运行。火焰燃烧器的出口温度可在30秒内达到1200 °C。催化燃烧器的出口温度低于火焰燃烧器，但更容易控制。在几分钟内将催化燃烧器的出口温度从400 °C提高到600 °C也取得了成功。此外，还证明了为所提出的动力系统制造高功率密度SOFC的可行性。制造了带鳍片的管状固体氧化物燃料电池，以提高电化学性能并减轻电池重量。SOFC的功率密度达到了1.2 W·g?1，满足了燃料电池涡轮电力系统的要求。

尽管本研究证明了开发燃料电池涡轮电力系统的基本可行性，但在开发完整的动力系统之前仍需进行进一步实验。例如，应进行实验以评估将燃料电池燃烧器与燃气轮机系统集成的性能。还需要测试监控系统快速动态响应的控制系统。还应研究避免氢气在动力系统内部积聚的结构设计以及促进紧凑设计的措施。关于管状固体氧化物燃料电池，其长期运行和热循环可靠性也需要通过实验进行检验。虽然将SOFC堆与燃烧器集成可能比PEMFC堆更容易，但也需要通过实验进行验证。

本研究旨在提高我们对燃料电池涡轮电力系统在电动飞机中应用的了解，为电动飞机动力系统的系统设计和优化提供了基础。

CRediT作者贡献声明
张阳军：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、正式分析、概念构思。
里卡多·马丁内斯-博塔斯：撰写——审稿与编辑、监督、正式分析、概念构思。
曾泽志：撰写——初稿撰写、验证、调查、正式分析、数据管理。
贾轩安德鲁：撰写——初稿撰写、验证、调查、正式分析、数据管理。
姜洪生：撰写——初稿撰写、验证、调查、正式分析、数据管理。
彭杰：撰写——初稿撰写、验证、调查、正式分析、数据管理。
陈登杰：撰写——初稿撰写、验证、调查、正式分析、数据管理。