氨燃料电池/涡轴发动机混合系统：多物理场建模与全工况性能评估

随着气候变化和全球变暖的日益加剧，全球各国愈加重视控制温室气体的排放。而随着世界经贸和航空技术的发展，航空运输业的市场在不断扩大，碳排放也在逐年增加。当前，航空领域的碳排放已经占全球碳排放总量的2.5%。如果不进行相应的限制，到2050年，航空业的碳排放量将达到全球碳排放总量的15%。因此，美国、欧盟以及中国均提出了未来航空碳减排的目标。

一、零碳燃料的氨燃料趋势

为了应对航空领域逐年增加的碳排放，航空动力系统有必要进行相应的改进。使用低碳、无碳替代燃料的方法目前受到了研究者的关注。在诸多替代燃料中，氨作为一种零碳燃料近年来受到了研究者的重视。氨作为航空燃料在上个世纪60年代曾得到研究。美国加州大学伯克利分校对使用氨作为燃料的燃气轮机进行了性能评估。研究结果表明，在相同的空燃比条件下，使用氨燃料会使涡轮进口温度下降，耗油率为使用煤油的燃气轮机的2.5-3倍。而使用氨的燃气轮机热效率比使用煤油高10%。

随着航空碳减排需求的日益迫切，作为零碳燃料的氨燃料再次受到重视。然而，氨在降低碳排放方面作用明显，但是由于氨的能量密度低于传统的航空燃料，直接使用氨进行替换将会影响飞机的性能。因此，为了使氨能够具备更好的实用性，有必要改变传统航空发动机的热力循环方式，提升动力系统的效率，并充分利用氨燃料热力学特性的优势。

燃料电池作为一种新兴的高效能量转化装置目前受到了航空领域的广泛关注。相比于传统热机，燃料电池通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能，其能量转换效率不受卡诺循环的限制，可以达到60%以上。此外，燃料电池还具备噪音小、污染物排放少等优势。在多种燃料电池中，固体氧化物燃料电池被认为是最适合在航空领域应用的燃料电池之一。SOFC的工作温度高，燃料适应性好，可以使用现有的航空燃料，并易于与现有的航空动力系统相结合。因此，将SOFC与传统的涡轮发动机相结合，组成的燃料电池-涡轮发动机混合系统是一种应用性更高且有助于实现航空碳减排的航空动力系统。该系统充分利用了燃料电池的高温尾气，效率可以达到70%以上，在不同的能量转换装置中，具有突出的能量转换效率优势。

面向航空领域的应用需求，将氨燃料电池与传统航空发动机相结合，并利用发动机的废热为氨分解供热，这将是一种高效绿色的航空动力系统方案。将氨燃料应用在燃料电池-涡轮发动机混合系统中，可以实现氨燃料的高效应用，在实现降低碳排放的同时，减小对飞机性能的影响。基于此，本文提出一种液氨-航空煤油回热燃料电池/涡轴发动机混合动力系统，该系统采用了一种针对航空应用的燃料电池-涡轮发动机混合系统，利用燃料电池带动压气机，实现压气机与涡轮的解耦，提升系统的做功能力。此外，该系统通过化学回热的方式使液氨燃料相变后分解为燃料电池可以使用的氢气与氮气的混合物，实现能量品质的提高，进一步提升动力系统的效率。

二、系统核心构造与工作原理

2.1 系统整体架构

液氨-航空煤油回热燃料电池/涡轴发动机混合动力系统是一种创新性架构，它有机地融合了固体氧化物燃料电池与涡轴发动机的优势，同时兼顾了液氨与航空煤油两种燃料的特性。系统主要由四大子系统构成：氨分解与化学回热子系统、固体氧化物燃料电池发电子系统、涡轴发动机推进子系统以及燃料供应与控制子系统。

在该系统设计中，液氨储存于专用储罐中，通过泵送系统注入化学回热器。化学回热器利用涡轴发动机排放的高温尾气余热，使液氨发生相变并分解为氢气和氮气的混合物。这一过程不仅实现了能量品位提升，还显著降低了系统碳排放。分解产生的富氢气体与部分航空煤油一同进入SOFC阳极，而经过压气机加压的空气则分为两路：一路进入SOFC阴极参与电化学反应，另一路进入涡轴发动机燃烧室。

SOFC通过电化学过程将燃料化学能直接转化为电能，驱动电动机带动压气机工作，从而实现压气机-涡轮解耦，突破了传统涡轴发动机中压气机与涡轮的机械连接限制。SOFC排出的高温尾气富含未完全反应的氧气和燃料，被引入涡轴发动机燃烧室进行二次燃烧，进一步释放能量，推动涡轮做功，产生推进动力。

2.2 核心组件设计

氨分解器是系统的关键组件之一，其性能直接影响到整个系统的效率和碳排放水平。分解器内壁涂覆有Ru基催化剂，能够有效降低氨分解活化能，提高分解效率。研究表明，当氨分解器入口温度高于1050K时，氨分解转化率接近100%；而当温度进一步提升至1129K时，系统整体性能可得到显著改善。分解器的设计需兼顾换热效率与流动阻力，通常采用管壳式结构，氨燃料流经管内，高温尾气在壳侧流动，以实现高效热交换。

固体氧化物燃料电池堆采用平面型设计，以兼顾功率密度与耐久性。为适应航空环境，电堆在材料选择和结构设计上进行了优化。研究表明，当操作温度从800°C降低到700°C时，电解质层进出口处的最大热应力分别降低了12.62%和14.37%，但电池性能也会相应下降。为缓解这一矛盾，系统采用减薄电解质厚度和使用掺钆氧化铈作为电解质材料的方法，这两种方法可分别使SOFCs的输出性能提高65.61%和77.25%。

涡轴发动机在传统结构基础上进行了适应性改造，燃烧室能够同时处理氨分解气、SOFC尾气和航空煤油。通过燃料分级供给策略，实现了氨氢混合气与煤油的协同燃烧，既保证了燃烧稳定性，又有效控制了NOx等污染物的生成。

2.3 系统工作流程

系统的工作流程始于液氨的供给与处理。液氨从储罐流出，经过调压后进入化学回热器。在回热器内，液氨吸收涡轴发动机尾气余热，发生相变并吸热分解为氢气和氮气，分解反应方程式为：2NH₃ → 3H₂ + N₂ - Q（吸热反应）。此过程不仅制备了SOFC所需的富氢燃料，还通过化学回热有效回收了系统余热，提升了整体能源利用效率。

分解产生的富氢气体与部分航空煤油混合后，进入SOFC的阳极侧，而经过压气机加压的空气则进入SOFC的阴极侧。在SOFC内部，氢气和一氧化碳等燃料组分在阳极发生电化学氧化，氧气在阴极获得电子形成氧离子，氧离子通过电解质迁移至阳极，完成电化学反应回路，产生直流电能。

SOFC产生的电能直接驱动电动机，带动压气机工作，这一设计实现了涡轮-压气机解耦，使两者能够运行在各自最佳工况点，从而提升系统整体性能。同时，SOFC排出的高温尾气（富含未完全反应的燃料和氧气）被引入涡轴发动机燃烧室，与剩余的航空煤油和氨分解气一同燃烧，产生高温高压燃气，推动涡轮旋转做功，通过推进器产生飞行所需动力。

三、混合动力系统的创新性与航空应用适配性

3.1 系统构型创新

与传统混合动力系统相比，液氨-航空煤油回热燃料电池/涡轴发动机混合动力系统在构型上实现了多项创新。其中最核心的是通过SOFC驱动压气机，实现了涡轮-压气机解耦。在传统涡轴发动机中，压气机与涡轮通过机械轴刚性连接，导致运行工况相互制约，限制了发动机整体性能提升。而在本系统中，SOFC提供的电能驱动电动机独立带动压气机，使压气机和涡轮能够分别运行在各自最优转速和压比下，大幅提升了系统运行灵活性和工作效率。

另一项重要创新是化学回热与氨分解的有机结合。传统回热循环通常以空气为换热工质，存在管路复杂、压力损失大等问题。本系统以液氨为回热工质，不仅简化了管路设计，降低了压力损失，还通过氨的分解反应实现了能量品位的提升。氨分解吸热特性使其成为理想的热管理介质，同时分解产生的氢气具有更高的燃烧活性和能量密度，有效弥补了氨燃料燃烧性能的不足。

3.2 碳减排与性能优势

面向航空领域碳减排的迫切需求，该系统展现出显著的环保优势。研究结果表明，在相同输出功率条件下，系统以提高44.96%油耗为代价，降低了87.46%的碳排放；而在相同涡轮前温度条件下，以提高16.49%油耗为代价，降低了43.99%的碳排放。这种以较小性能代价换取大幅度碳减排的特性，使系统在环保要求日益严格的航空领域具有广阔应用前景。

系统还突破了传统发动机的性能极限。在等功率条件下，系统涡轮进口温度降低超300K；在等涡轮进口温度条件下，功率输出能力提升近50%。系统功率随压比持续增长，峰值功率较传统发动机高50%以上，低空输出功率提升约70%，这一特性特别适合对低速低空性能有要求的航空器，如无人机、eVTOL等飞行器。

3.3 航空应用适配性

该混合动力系统在航空应用领域展现出显著优势，其低速（<0.3马赫）和低空（<3000米）条件下的最佳综合效率特性，使其特别适合新兴航空器的应用需求。对于现代eVTOL、无人机等飞行器，往往需要在低空低速条件下维持高效运行，传统燃气轮机在此工况下效率显著下降，而本系统通过SOFC与涡轴发动机的协同工作，能够在宽泛的飞行条件下保持高效率。

系统的功率密度优势也是其适合航空应用的重要因素。通过SOFC与涡轴发动机的集成，系统在相同重量和体积下能够提供更多动力，这对于对重量和尺寸极为敏感的航空应用至关重要。研究表明，通过优化电池材料和连接体结构，SOFC的功重比可得到显著提升，使其更适应航空混动系统的需求。

此外，系统的燃料灵活性也为航空应用提供了便利。系统既可以使用纯氨燃料，也可以使用氨-煤油混合燃料，这种灵活性使得系统在不同阶段和不同地区的应用成为可能。在氨燃料基础设施不完善的初期阶段或地区，可以适当增加煤油比例；而在基础设施完善后，则可提高氨燃料比例，实现近零碳排放。

四、热力学模型构建与验证

4.1 SOFC电化学模型

固体氧化物燃料电池的电化学模型是混合动力系统建模的核心部分。模型主要描述SOFC内部发生的电化学过程及其能量转换效率。SOFC的输出电压可由以下公式表示：V = E₀ - ηact - ηohm - ηconc。其中，E₀为开路电压，ηact为活化过电位，ηohm为欧姆过电位，ηconc为浓度差过电位。

开路电压E₀由能斯特方程决定，与操作温度、反应物和生成物的浓度相关。活化过电位主要由电化学反应速率决定，与催化剂活性、操作温度密切相关。欧姆过电位源于离子在电解质中的迁移和电子在电极中的传输阻力，与电解质厚度、材料导电性相关。研究表明，减小电解质厚度或使用GDC等高性能电解质材料，可显著降低欧姆损失，使SOFC输出性能提升65.61%-77.25%。浓度差过电位则由反应物和生成物在多孔电极内的质量传输限制引起。

为验证SOFC电化学模型的准确性，研究人员通过对比实验数据与模拟结果进行了模型验证。大连海事大学的研究团队通过多物理场模拟方法，对氨燃料平面SOFCs进行了全面评估，结果表明模型能够准确预测不同操作条件（温度、压力、燃料成分）下的电池性能。上海交通大学的研究团队通过实验验证了SOFC模型在氨-煤油双燃料条件下的适应性，结果显示模型预测与实验数据的误差在5%以内。

4.2 涡轮发动机模型

涡轮发动机模型基于热力学守恒定律建立，包括质量守恒、能量守恒和动量守恒方程。对于混合动力系统中的应用，涡轮发动机模型需要特别考虑与SOFC的耦合效应以及多燃料燃烧特性。

压气机模型采用等熵效率定义，通过压比和效率映射图描述其特性。在传统涡轮发动机中，压气机与涡轮通过机械连接，而在本混合系统中，SOFC驱动的电动机为压气机提供动力，因此压气机模型需考虑电动机特性和SOFC的电能输出。

燃烧室模型基于化学平衡原理，同时考虑氨、氢气和航空煤油的混合燃烧过程。由于氨的燃烧速度较慢，燃烧室模型需要准确反映氨-氢-煤油混合气的特殊燃烧特性，包括点火延迟、火焰稳定性和污染物生成等。

涡轮模型同样基于等熵效率概念，通过膨胀比和效率描述其能量转换特性。涡轮不仅需要驱动自身轴系，还要为系统提供推进动力，因此涡轮模型需综合考虑多种功率输出路径。

涡轮发动机模型的验证主要通过与传统发动机实验数据的对比进行。研究表明，在考虑SOFC耦合效应后，模型能够准确预测系统在变工况条件下的性能变化，特别是在低速低空条件下的特性。

4.3 氨分解制氢模型

氨分解制氢过程的建模对于整个系统性能预测至关重要。氨分解反应为：2NH₃ ↔ 3H₂ + N₂，反应焓变为+66.5 kJ/mol。该反应为可逆吸热反应，反应速率受温度、压力和催化剂活性影响。

氨分解率是描述分解过程的关键参数，定义为已分解的氨占初始氨的摩尔分数。研究表明，氨分解率与温度密切相关，当温度高于1050K时，分解率接近100%。此外，氨流量也对分解率有显著影响，在相同温度下，氨流量增加会导致分解率下降，但这种影响在高温条件下逐渐减弱。

氨分解器模型通过能量平衡方程、质量平衡方程和反应动力学方程共同描述。能量平衡考虑了氨分解的吸热量与尾气废热的供给关系；质量平衡跟踪氨、氢气和氮物的变化；反应动力学方程则描述了氨分解速率与操作条件的关系，通常采用Arrhenius方程形式。

氨分解制氢模型的验证主要通过对比实验测量与模拟预测的分解率进行。上海交通大学的研究表明，在1050-1129K的温度范围内，模型预测的分解率与实验数据高度一致，最大相对误差不超过3%。

4.4 热交换器模型

热交换器模型主要描述系统内各种热量交换过程，特别是化学回热器中的热量回收。模型基于效能-传热单元数法建立，通过对数平均温差计算传热速率。

化学回热器的模型相对复杂，需要同时考虑传热传质和化学反应的耦合效应。回热器中的传热过程包括对流换热和导热，而氨分解反应则与温度分布密切相关。为准确描述这一过程，模型采用分布参数法，将回热器划分为多个微元，对每个微元建立平衡方程。

热交换器模型的验证主要通过对比实际换热器性能数据与模拟结果。研究表明，模型能够准确预测不同流量和温度条件下化学回热器的性能，为系统优化设计提供了可靠依据。

五、系统性能影响因素分析

5.1 SOFC过量空气系数的影响

过量空气系数（λ）是影响SOFC性能乃至整个混合动力系统效率的关键参数之一。过量空气系数定义为实际供给空气量与理论上燃料完全燃烧所需空气量的比值。

研究表明，增加过量空气系数可以改善SOFC的电池性能，原因是充足的空气供应促进了阴极侧的氧还原反应，提高了反应速率，同时有助于维持电池堆的温度均匀性，避免局部过热。然而，过高的过量空气系数也会带来不利影响，主要是增大了压气机的功耗，降低了系统净输出功率。因此，存在一个最优过量空气系数范围，使系统总体效率达到最高。

实验数据显示，当过量空气系数从2.0增加到3.5时，SOFC的发电效率提高了约8%，但由于压气机功耗增加，系统净效率仅提高约3%。当过量空气系数继续增加时，系统净效率反而开始下降。因此，在实际操作中，需要根据系统工作状态动态优化过量空气系数，以实现最佳性能。

5.2 燃料利用率的影响

燃料利用率（Uf）是另一个影响系统性能的关键因素，定义为SOFC中实际参与电化学反应的燃料量与供给燃料总量的比值。燃料利用率直接影响系统的燃料经济性和碳排放水平。

研究表明，当燃料利用率提升时，双燃料系统比油耗显著降低，原因是更多的燃料通过高效的电化学过程转化为电能，而非通过燃烧过程。然而，过高的燃料利用率会导致SOFC效率下降，主要是因为燃料不足区域的极化损失增加。

燃料利用率还需与氨分解率协同优化，当燃料利用率与氨分解率匹配时，系统能够实现最佳的碳减排效果。研究发现，在中等燃料利用率（0.7-0.75）条件下，系统能够在保持较高效率的同时，实现显著的碳减排。因此，在实际操作中，燃料利用率的选择需要平衡油耗与碳减排的双重需求，根据系统工作模式和飞行阶段动态调整。

5.3 氨分解温度的影响

氨分解温度对系统性能有着极为显著的影响。氨分解是一个强吸热反应，需要足够高的温度才能实现高转化率。研究表明，当分解温度从800°C提升至850°C时，氨分解率可提高约12%，系统碳排放减少12.7%。

高温有利于氨分解反应的进行，但同时也对材料耐温性能提出了更高要求。当分解温度超过800°C时，系统性能得到明显提升，但需要考虑材料长期耐受性的限制。因此，在实际系统设计中，需要在性能提升与材料成本及可靠性之间寻求平衡。

氨分解温度还影响分解气的组成和能量品位。较高的分解温度产生更多氢气，提高了燃料的燃烧活性，这对于改善氨燃料的燃烧特性尤为有利。研究表明，当氨分解温度从800°C升高到850°C时，分解气中氢气浓度提高约15%，使得燃烧室燃烧效率提升约8%。

六、性能评估结果与分析

6.1 相同输出功率下的性能评估

在相同输出功率条件下，液氨-航空煤油回热燃料电池/涡轴发动机混合动力系统展现出显著的碳减排效果。研究结果表明，与传统涡轴发动机相比，混合动力系统以提高44.96%油耗为代价，降低了87.46%的碳排放。这一特性表明，系统以相对较小的油耗增加换取了大幅度的碳减排，对于注重环保性能的航空应用场景具有重要价值。

在等功率条件下，系统的涡轮进口温度（TIT）比传统发动机降低超过300K。这一特性带来了两方面好处：一方面，较低的涡轮进口温度减轻了涡轮冷却系统的负担，提高了发动机的可靠性和使用寿命；另一方面，为提升系统功率输出潜力提供了空间，在需要更大推力的工况下，可以通过提高涡轮进口温度来增加功率输出。

系统在等功率条件下的另一优势是突破传统压比限制。传统涡轴发动机的压比受涡轮-压气机机械连接的限制，而本系统中，由于SOFC驱动压气机实现了解耦，系统功率可以随压比持续增长，不受传统发动机压比限制的制约。这一特性使得系统在低空条件下输出功率提升约70%，特别适合对低空性能有特殊要求的航空器，如无人机、救援直升机等。

6.2 相同涡轮前温度的性能评估

在相同涡轮前温度条件下，液氨-航空煤油回热燃料电池/涡轴发动机混合动力系统表现出卓越的性能提升。研究显示，与传统涡轴发动机相比，混合动力系统仅需提高16.49%的油耗代价，即可实现43.99%的碳减排。同时，系统的功率输出能力提升近50%。

这一结果表明，在涡轮前温度相同的条件下，混合动力系统能够以相对较小的油耗增加实现大幅功率提升和显著碳减排。这对于注重动力性能的航空应用场景尤为重要，如需要快速起飞、高速飞行或高机动性的航空器。

系统在等涡轮前温度条件下的高效率还得益于化学回热效应和燃料品位提升。氨分解过程吸收了系统余热，产生的氢气具有更高的能量密度和燃烧速率，从而提高了燃烧效率。同时，SOFC的高效发电能力使系统能够更充分地利用燃料化学能，实现了能源的梯级利用。

6.3 综合性能对比与分析

综合来看，液氨-航空煤油回热燃料电池/涡轴发动机混合动力系统在热效率、推进效率和总效率方面均具有突出优势。研究表明，系统的总效率相比常规涡轴发动机提升40%以上。这种效率提升主要来源于两个方面：一是SOFC直接发电的高效性，其能量转换效率不受卡诺循环限制；二是系统集成的协同效应，特别是化学回热和氨分解制氢带来的能量品位提升。

系统的碳减排潜力也是其重要优势之一。通过使用氨作为低碳燃料，并结合SOFC的高效发电，系统实现了大幅碳减排。等功率条件下88.32%的碳减排和等涡轮进口温度条件下52.84%的碳减排，使系统能够满足未来严格的航空碳排放标准。

系统的工况适应性也值得关注。在低速（<0.3马赫）和低空（<3000米）条件下，系统展现最佳综合效率，燃料消耗惩罚较小。这一特性使系统特别适合新兴航空应用，如城市空中交通（UAM）中的eVTOL、无人机物流等，这些应用通常需要在低空低速条件下维持高效运行。

七、结论与展望

本文提出的液氨-航空煤油回热燃料电池/涡轴发动机混合动力系统，通过系统架构创新和多能源融合，成功解决了航空领域面临的碳减排与性能保持的双重挑战。系统通过SOFC与涡轴发动机的有机结合，实现了能量梯级利用和品位提升，同时兼顾了高效率、低排放和高功率密度的多重优势。

研究结果表明，该系统在相同输出功率条件下，能够以44.96%的油耗增加换取87.46%的碳减排；在相同涡轮前温度条件下，以16.49%的油耗增加实现43.99%的碳减排，同时功率输出能力提升近50%。这种以较小性能代价换取大幅度碳减排的特性，使系统在航空碳减排领域具有显著优势和广泛应用前景。

未来，随着氨燃料生产绿色化程度的提高和SOFC技术进一步发展，液氨-航空煤油回热燃料电池/涡轴发动机混合动力系统有望在航空动力领域发挥更为重要的作用。特别是在城市空中交通、区域短途运输和无人航空器等新兴领域，该系统可为实现绿色航空提供关键技术支撑。

&注：文章内使用的及部分文字内容来源网络，部分图片来源于《推进技术 氢能航空专刊》，仅供参考使用，如侵权可联系我们删除，如需了解公司产品及商务合作，请与我们联系！！

湖南泰德航空技术有限公司于2012年成立，多年来持续学习与创新，成长为行业内有影响力的高新技术企业。公司聚焦高品质航空航天流体控制元件及系统研发，深度布局航空航天、船舶兵器、低空经济等高科技领域，在航空航天燃/滑油泵、阀元件、流体控制系统及航空测试设备的研发上投入大量精力持续研发，为提升公司整体竞争力提供坚实支撑。

公司总部位于长沙市雨花区同升街道汇金路877号，株洲市天元区动力谷作为现代化生产基地，构建起集研发、生产、检测、测试于一体的全链条产业体系。经过十余年稳步发展，成功实现从贸易和航空非标测试设备研制迈向航空航天发动机、无人机、靶机、eVTOL等飞行器燃油、润滑、冷却系统的创新研发转型，不断提升技术实力。

公司已通过 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015质量管理体系认证，以严苛标准保障产品质量。公司注重知识产权的保护和利用，积极申请发明专利、实用新型专利和软著，目前累计获得的知识产权已经有10多项。泰德航空以客户需求为导向，积极拓展核心业务，与国内顶尖科研单位达成深度战略合作，整合优势资源，攻克多项技术难题，为进一步的发展奠定坚实基础。

湖南泰德航空始终坚持创新，建立健全供应链和销售服务体系、坚持质量管理的目标，不断提高自身核心竞争优势，为客户提供更经济、更高效的飞行器动力、润滑、冷却系统、测试系统等解决方案。