涡扇发动机与固体氧化物燃料电池集成的民机低碳推进系统在大质量与体积约束下的多学科优化

《Aerospace》：Multidisciplinary Optimization of a Turbofan Engine Integrated with Solid Oxide Fuel Cells Under Mass and Volume Constraints for Civil Low-Carbon Aircraft

　　

民航业快速扩张使其成为全球CO2排放的重要人为来源，国际航空业提出2050年净零碳排放目标。可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuel，SAF）受产能限制，电池能量密度低，液氢（LH2）虽质量能量密度高但体积能量密度低，氢燃料电池（Fuel Cell，FC）凭借电化学高效转电具备长期零排放潜力。研究人员指出，固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）与燃气轮机（Gas Turbine，GT）结合的SOFC-GT系统效率可达59%以上，但燃料电池集成会带来显著质量与体积惩罚，制约其在民用飞机上的制造与集成。 针对该问题，研究人员提出一种SOFC与涡扇发动机集成的新型混合发动机方案：SOFC产生电能驱动涵道风扇（ducted fan），喷气核心机与电驱风扇形成多动力源并联推进构型。研究人员建立考虑质量、体积与热力学性能的多维模型，其中SOFC模型包含化学反应、质量-能量-动量守恒及活化极化、浓差极化、欧姆极化等电化学模型；喷气发动机模型涵盖风扇、压气机、燃烧室、涡轮与喷管；质量与尺寸模型将混合动力系统（Hybrid Power Plant，HPP）质量表示为原发动机、燃料电池、电机与热交换器质量之和，体积表示为发动机本体与燃料电池堆体积之和。 研究人员发现，当量比（equivalence ratio）、分流比（split ratio）对体积比与质量比的影响强于电流密度（current density）；二者决定燃料电池与燃气轮机功率比，功率比升高会使质量比和体积比同步上升，但总体效率无法持续提高，无质量体积约束时最大总体效率约63%。多学科优化显示：总体效率低于50%时，混合发动机质量、体积与总体效率近似线性；超过50%后，因燃料电池反应面积非线性变化，质量与体积呈指数增长。在燃料电池质量分数不超过总发动机质量0.4、电堆体积小于燃气轮机发动机体积0.2的约束下以最大总体效率为目标优化后，相比CFM56 3C1，新方案热效率提升21%，推进效率提升42%。 该研究意义在于把质量与体积指标系统纳入系统级优化，弥补既有研究偏单目标热力学性能的不足，为支线和窄体飞机下一代推进系统提供理论指导，论文发表于《Aerospace》。

研究背景方面，民航运输快速增长使民用航空成为重要人为CO₂排放源，行业已设2050净零目标，欧盟逐步提高SAF掺混比，但2023年SAF仅占航空燃油消费0.2%，全球供应仍存在缺口。电池推进能量密度通常低于500 Wh/kg，难支撑中远程客机；液氢质量能量密度达120 MJ/kg，约为常规航煤3倍，但体积能量密度低、航空燃料电池功率密度有限。SAF只是过渡，绿氢-燃料电池是长期零排放路径，而SOFC-GT兼具SOFC高效率与GT高功率密度，文献报道效率60%至80%，但堆栈及部件质量体积制约航空应用，因此需要在质量与体积约束下开展系统级多学科优化。

作者为开展研究所用主要关键技术方法包括：建立零维SOFC模型，含氢氧电化学反应、质量-能量-动量守恒及活化/浓差/欧姆极化电化学模型；建立涡扇部件模型，含风扇、压气机、燃烧室、高压与低压涡轮、核心/外涵/涵道风扇喷管；建立质量与尺寸模型，发动机质量按Torenbeek方法、SOFC比质量2.056 kg/m²、电机功率密度11.56 kW/kg估算，体积按圆柱发动机本体加流场歧管与电堆计算；用NSGA-II改进控制精英遗传算法做双目标优化；模型用Zhao和Virkar、Rokni实验极化曲线及已发表涡扇数据验证。

结果与讨论部分保留小标题如下。

1. 1.
   Introduction
   研究人员综述民航低碳推进、SOFC-GT混合发动机架构、稳态热力性能、动态工况与SOFC轻量化进展，指出既有研究多关注单目标效率，少有把质量与体积同时纳入系统级优化；由此提出新型涡扇-SOFC混合发动机、统一质量体积约束设计方法、多学科优化框架与耦合机制洞察四点原创贡献。
2. 2.
   System Architecture of the Turbine Fuel Cell Hybrid Power System
   研究人员给出气动结构与热力学循环：进气经风扇，大部分走外涵，剩余进核心机压缩并与涡轮排气换热后入SOFC阴极，燃料预热后入阳极，电化学反应发电驱涵道风扇，尾气和补燃燃料进燃烧室，高压涡轮驱压气机、低压涡轮驱风扇，核心喷管、外涵喷管与涵道风扇喷管共同产生推力。相比传统高涵道比涡扇，该架构用氢作燃料、电驱涵道风扇提高涵道比，减少电机发电机质量惩罚。
3. 3.
   Mathematical Models
   研究人员建立SOFC模型、喷气发动机模型与质量尺寸模型。SOFC采用理想气体、零维轴向流假设，电压为开路电压减三类极化；喷气模型用压比、等熵效率、燃烧效率、涡轮相似参数与收敛喷管公式；质量模型把HPP质量写为原发动机、燃料电池、电机、热交换器之和，体积写为发动机与电池体积之和，并用轴数、燃烧室数、是否带风扇的分步经验公式算长度与直径。
4. 4.
   Results and Discussions
   4.1 Effects of the Thermodynamic Parameters on the Performance and Size of the Combined Engine
   4.1.1 Effects of the Equivalent Ratio on the Combined Engine
   研究人员在11 km、Ma 0.78条件下扫描当量比，得出推力近似线性增、TSFC抛物线降、SOFC温度与电压升；当量比超0.4总体效率近极大，但质量比超0.5、体积比也超0.5，高当量比下效率增益小于尺寸惩罚，需权衡。

4.1.2 Effects of Flow Split Ratio on the Combined Engine

研究人员固定当量比0.5扫描分流比，得出分流比增大使更多空气燃料直喷燃烧室，热效率近线性降、涵道风扇推力降、TSFC升；分流比低于0.25时体积至少增50%，低分流比虽质量增但效率增可补偿，体积比更需关注。

4.1.3 Effects of Current Density on the Combined Engine

研究人员扫描电流密度，得出高压下极化损失小，电流密度升使电压线性降、效率线性降，但推力与TSFC变化小于5%；电流密度5000至10000 A/m²时面积功率密度升、面积与质量体积比降，8000至10000 A/m²较合适，当量比与分流比影响强于电流密度。

4.2 Optimization of the Combined Engine

4.2.1 Research on the Coupling Optimization of Overall Efficiency and Power Density

研究人员用NSGA-II类算法最大化总体效率、最小化体积比，得出总体效率升则巡航推重比降，最大总体效率0.49时推重比约1.05；给定电流密度与燃料利用率时，压比约49、当量比约0.82、热比略大于1，主要靠分流比调节效率与推重比。

4.2.2 Research on the Coupling Optimization of Overall Efficiency and Volume Ratio

研究人员得出效率低于50%时总体效率与体积比近似线性，R²=0.9872；高于50%呈指数，指数拟合R²=0.9978；效率维持低于51%时体积比不超0.3，降低电流密度会显著增大电堆面积，体积约束变关键。

4.2.3 Research on the Coupling Optimization of Overall Efficiency and Mass Ratio

研究人员得出效率超0.5时质量比与效率指数相关，质量比和体积比趋势相似，主因是SOFC活性面积变化；电流密度高于12000 A/m²时效率与质量比均不敏感，低于8000 A/m²时效率不敏感而质量比敏感，故提高功率密度比单纯提效率更重要。

4.2.4 Research on the Coupling Optimization of Overall Efficiency and Thrust

研究人员得出总体效率与推力负相关，效率0.4至0.5区间推力可调；效率低于0.48时燃料利用率0.65至0.85、空气分流比0.62至0.67且不敏感，超0.48后燃料利用率升至约0.9、空气分流比下降以控温。

4.3 System-Level Overall Performance Comparison

研究人员在燃料电池质量分数≤0.4总重、电堆体积＜0.2发动机体积约束下寻优，得到内部气流11.97 kg/s、总涵道比17.8、压比40、燃烧室出口1160 K、高压压气机引气37%、SOFC面积598 m²、约60000片单电池多堆模块化架构；相比CFM56 3C1热效率增21%、推进效率增42%，但同时指出数万片电池串并联带来累积失效风险，需冗余与健康管理，本文聚焦系统级热力可行性而非详细可靠性优化。

讨论与结论部分，研究人员总结：SOFC-涡扇混合发动机可同时提高热效率与推进效率，但质量体积惩罚随效率进入高位而急剧上升；当量比与分流比通过决定SOFC/GT功率比主导尺寸，电流密度主要影响活性面积需求。无约束最大总体效率约63%，工程上宜把总体效率控制在50%以下以换得可接受质量体积。统一质量-体积约束的多学科优化方法能定量揭示效率、比功率与紧凑度权衡，为支线及窄体飞机低零碳推进提供设计依据。论文结论表明，该新型涡轮燃料电池混合动力系统相比传统涡扇在热效率与推进效率上优势明确，但航空应用仍依赖高功率密度SOFC、轻量壳体、歧管/电流收集/热管理集成及故障隔离等关键技术突破。