面向航空推进的直接氨燃料固体氧化物燃料电池SOFC系统架构研究

在全球航空业迈向“2050年净零排放”目标的背景下，发展高效、零碳的绿色航空动力已成为产业共识。固体氧化物燃料电池（SOFC）以其高能量转换效率和燃料灵活性，被视为颠覆性的航空动力解决方案之一。特别是以氨为直接燃料的SOFC，结合锂离子电池构建混合动力系统，能够有效兼顾高能量密度与快速动态响应，满足飞机全飞行剖面下的多变负载需求。本文系统阐述了绿色航空动力发展的国际趋势与政策框架，深入剖析了直接氨SOFC-锂电池混合动力系统的架构原理、核心优势与系统集成技术。基于MATLAB/Simulink仿真平台，构建了包含飞行任务需求、外部环境变化、关键部件特性的系统级模型，并对模型进行了实验验证。研究提出了一种基于规则的自适应能量管理策略，实现了SOFC主能源与锂电池辅助能源之间的高效功率分配。以BAe.146短程运输机典型飞行包线为应用场景，分析了系统的净效率与功重比动态特性，并提出了面向固定飞行任务的系统优化设计方法，旨在为下一代绿色航空动力系统的研发与应用提供理论依据和技术支撑。

一、绿色航空动力发展趋势与市场分析

1.1 全球政策驱动与脱碳目标

应对气候变化的紧迫性正以前所未有的力度重塑全球航空业的格局。国际民用航空组织（ICAO）设定了“2050年实现净零碳排放”的长期全球理想目标（LTAG），这已成为引领行业转型的纲领。为实现这一雄心勃勃的目标，各国政府、监管机构和行业联盟正构建一个多层次的政策工具箱。欧盟的“ReFuelEU Aviation”指令是一个典型范例，它通过强制性的可持续航空燃料（SAF）混合比例要求，为SAF创造了一个有保障的市场，有效降低了上游生产设施的投资风险，为其他地区提供了可借鉴的模板。除了强制性指令，碳定价机制和高质量碳信用也扮演着关键角色。国际能源署（IEA）指出，在缺乏强制碳定价的司法管辖区，高质量碳信用是吸引私人资本投资于低碳氢能、SAF和直接空气碳捕集与封存等创新技术的重要工具。这些政策的核心目标在于弥合新兴绿色技术高昂的初期成本（即“死亡谷”阶段）与传统化石能源之间的“绿色溢价”，通过降低投资不确定性和创造长期收益预期，激励大规模资本进入。

1.2 多元化技术路径竞争与融合

当前，航空业脱碳主要聚焦于三条并行且可能互补的技术路径：可持续航空燃料、电推进和氢能源。SAF因其与现有航空基础设施和发动机的高度兼容性，被视为中短期内的关键过渡方案。然而，其大规模应用面临严峻挑战：生产成本是传统航油的2至5倍，且受限于生物质原料供应，预计到2040年其产量仅能满足全球需求量的20%左右，难以独立支撑整个行业的脱碳目标。纯电推进则受限于当前锂离子电池的能量密度（约0.2-0.8 kWh/L），其航程和商载能力目前仅适用于小型飞机或城市空中交通场景。

相比之下，氢能以其零碳排放和高能量密度的特性脱颖而出。氢在航空领域的应用主要有两种形式：一是在改进的燃气涡轮发动机中直接燃烧液氢；二是通过氢燃料电池发电驱动电机。空客公司在其“ZEROe”概念飞机中，已经前瞻性地提出了氢燃料电池与氢燃料燃气涡轮发动机协同工作的混合动力架构，旨在结合两者优势，在不同飞行阶段实现性能最优。在这一框架下，固体氧化物燃料电池因其独特的高温运行特性和燃料灵活性，成为极具潜力的技术选项。

1.3 市场前景与产业链挑战

绿色航空不仅是环境命题，更是深刻的经济与产业命题。市场研究报告显示，全球氢能飞机市场预计将在2030年左右达到约70.9亿美元的规模，年复合增长率高达47%。中国商飞与国电投联合研制的“灵雀H”氢燃料电池验证机等成功试飞案例，也表明中国在该领域正进行积极布局。然而，繁荣前景背后是严峻的结构性挑战：脆弱的全球供应链、关键原材料（如钛）的获取压力、开发新机型与新技术伴随的极高财务与监管风险，以及最关键的——熟练劳动力的严重短缺。据分析，近30%的航空航天技术人员年龄在55岁以上，未来二十年仅美国商业领域就需要新增约12.3万名技术人员，人才缺口可能成为制约行业创新与生产交付的最大瓶颈。因此，未来的可持续发展必须同步实现环境目标与产业的结构性韧性，通过数字化工具（如AI和数字孪生）提升现有人才生产率，并大力投资于新一代 workforce的培养。

二、氨燃料SOFC-锂电池动力系统架构

2.1 系统架构与工作原理

氨燃料SOFC-锂电池混合动力系统是一种高度集成的多能量流系统，旨在为飞机提供高效、可靠且动态响应迅速的电推进动力。其核心架构通常包含以下几个关键子系统：

燃料供应与预处理系统：液态氨从低温储罐泵出，经换热器气化并预热至所需温度，部分燃料可通过旁通阀直接进入后置燃烧室。与氢燃料需在-253°C下储存相比，氨在仅-33°C、约1 MPa压力下即可液化储存，其基础设施已较为完善，大大降低了机上储存的工程难度和成本。

SOFC发电系统：预热后的氨气与经空压机加压、换热器加热的空气分别进入电堆的阳极和阴极。在阳极，氨气在Ni基催化剂上发生催化分解反应（2NH₃ ↔ N₂ + 3H₂），生成的氢气随即在电化学反应中被氧化（H₂ + O²⁻ → H₂O + 2e⁻）。与此同时，氧气在阴极被还原（O₂ + 4e⁻ → 2O²⁻）。氧离子通过高温陶瓷电解质（如氧化钇稳定氧化锆YSZ或掺钆氧化铈GDC）迁移至阳极，完成整个发电过程。系统排出的高温尾气（通常含有未反应的氢气和氨分解产物）进入燃烧室，与旁通燃料混合后充分燃烧，产生的高温气体流经换热器，为进口气体预热，从而实现能量的梯级利用。

锂电池储能系统：与SOFC系统电气并联，作为辅助能源和功率缓冲单元。它采用二阶容阻等效电路模型进行动态表征，其状态由荷电状态和健康状态两个关键参数描述。

能量管理系统：作为系统的“大脑”，根据飞行阶段、外部负载需求和内部能量源状态，实时执行基于规则或优化算法的能量分配策略，动态调节SOFC的燃料流量、电流输出以及锂电池的充放电功率。

2.2 与传统混合动力系统的核心优势对比

相比于以氢气或碳氢燃料为能源的传统燃料电池混合系统，直接氨SOFC-锂电池系统在航空应用场景下展现出多维度优势：

尤其值得强调的是热集成优势。氨的分解是吸热反应（ΔH = +92.2 kJ/mol），而SOFC的电化学反应是放热过程。在直接氨SOFC中，这两个过程可以在电堆内部实现自热耦合，即电化学反应释放的热量直接供给氨的分解，无需外部热源，从而提升了系统的整体热力学效率。这种内禀的热集成特性，加上系统排出的高温尾气可用于预热进料和驱动其他机载系统，使其在能源综合利用效率方面具有显著潜力。研究表明，将SOFC与混合系统集成用于热电联产，其效率可超过70%。

三、混合动力系统仿真与部件特性分析

3.1 飞行任务需求与外部环境建模

飞机功率需求是系统设计与优化的根本输入。典型飞行包线可分解为滑行、起飞、爬升、巡航、下降和着陆等多个阶段，每个阶段的功率需求迥异。例如，对于BAe.146这类支线飞机，其最大功率需求出现在爬升阶段，可达约223 kW，而滑行阶段的需求可低至29 kW。建模时需将飞行力学方程与发动机/电机效率模型结合，生成全任务剖面的时变负载功率曲线。

环境建模，特别是海拔高度的影响，对高空工作的航空SOFC系统至关重要。大气压力、温度和空气密度随海拔升高而指数下降，这直接影响SOFC的性能：阴极侧氧气分压降低，导致浓差极化增大，电池输出电压和功率下降；同时，空气密度降低使得空压机需要消耗更多的功来压缩等质量的空气，降低了系统净输出。因此，系统模型必须耦合一个标准或真实大气模型，动态计算不同飞行高度下的环境参数，并将其作为SOFC电化学模型和辅机功耗模型的边界条件。

3.2 直接氨SOFC模型构建与验证

SOFC模型的准确性是系统仿真可信度的基石。针对直接氨SOFC，其建模需特别考虑氨分解动力学与电化学反应的耦合。

反应机理：在阳极，氨的催化分解通常采用基于Ni催化剂表面的多步基元反应动力学模型。例如，有研究采用了一个包含12步基元反应的热力学一致的详细动力学机理来描述氨的分解过程。生成的氢气随即参与电化学反应。

电解质选择与性能：电解质材料是决定电池工作温度和性能的关键。传统的YSZ电解质需要在800°C以上才能获得足够的氧离子电导率。为了降低工作温度以减轻材料热应力并提高启动速度，掺钆氧化铈成为研究热点。GDC在500-700°C的中温区间具有比YSZ高一个数量级的离子电导率，允许使用更薄的电解质层以降低欧姆损耗。然而，GDC在低氧分压下会部分还原，产生电子电导，导致内短路或“泄漏电流”，造成法拉第效率损失。先进的建模需要采用分布式电荷传输模型来量化这种混合导电行为对开路电压和实际输出性能的影响。

模型验证：将仿真得到的极化曲线（电压-电流密度曲线）与实验数据进行对比是验证模型有效性的标准方法。在给定温度（如1073 K）、压力和燃料利用率下，良好的模型应能实现与实验数据的高度吻合，误差通常要求控制在2-3%以内。此外，模型还需能准确预测电池内部关键参数的空间分布，如温度场、电流密度场和物种浓度场，这对于评估电池的热机械应力和优化流场设计至关重要。

3.3 锂电池及其他部件建模

锂电池模型：为平衡仿真精度与计算速度，常采用二阶等效电路模型。该模型用电压源、电阻、电容等电路元件来模拟电池的开路电压、欧姆内阻、极化内阻和扩散过程等动态特性。通过恒流放电和脉冲放电工况下的电压响应曲线与实验数据对比，可以验证模型的准确性。高级模型还会集成热效应和SOH衰减模型。

辅机模型：空压机是系统中主要的寄生功耗部件，其模型通常基于压比、效率图和空气流量之间的关系建立。换热器采用效能-传热单元数法或对数平均温差法进行建模。燃烧室则视为一个理想的混合与反应器，用于计算尾气燃烧后的温度和成分。

3.4 系统集成与整体质量估算

系统总质量是决定飞机航程和商载的关键指标功重比（kW/kg）的分母。系统质量主要包括：

SOFC电堆质量：与功率密度密切相关。美国ARPA-E的REEACH计划对单通道客机应用提出了起飞时≥2.0 kW/kg，巡航时≥0.7 kW/kg的系统比功率目标。高功率密度要求使用超薄电解质和轻量化电池结构。

燃料储存系统质量：包括储氨罐、管路和隔热层的质量。液氨的体积能量密度（3.23 kWh/L）约为液氢的1.4倍，储存条件更温和，因此其储存系统通常比同等能量的液氢系统更轻。

锂电池组质量：由所需的最大辅助功率和总能量容量决定。

平衡系统质量：包括空压机、换热器、燃烧室、管道、控制系统等。

初步分析表明，一个针对BAe.146飞机优化后的直接氨SOFC-锂电池混合系统，其净发电效率可达53.32%，系统功重比可达0.4913 kW/kg。这表明该系统在能量转换效率和功率密度方面已具备应用于支线航空的潜力，但仍需进一步优化以达到更广泛的商用目标。

四、能量管理策略设计与分析

能量管理策略是混合动力系统的控制核心，其目标是在满足时变负载需求的前提下，实现系统效率最优、部件寿命延长和燃料消耗最小。

4.1 基于规则的自适应策略

这是一种经典且稳健的策略，易于实现且计算负担小。其核心是预定义一组IF-THEN逻辑规则，根据当前系统状态（负载功率、SOFC输出功率、锂电池SOC）来决定各能量源的功率分配。本文所采用的策略主要基于以下原则：

SOFC主供：正常情况下，SOFC作为主电源提供基准功率。

锂电池调峰填谷：

五、系统场景应用与优化设计六、总结与展望

• 若SOFC功率大于负载，多余功率为锂电池充电（前提是SOC低于上限，如0.8）。
• 若SOFC功率小于负载，锂电池放电以补足缺口。

SOC保护：设定锂电池SOC的工作窗口（如0.4-0.8），超过上限则停止充电，低于下限则停止放电，以保护电池健康。

SOFC功率平缓调节：考虑到SOFC对快速功率变化的响应滞后，策略会避免其功率指令的剧烈波动，而是由锂电池承担绝大部分的瞬时功率变化。

这种策略在BAe.146的仿真中表现出色，能够使SOFC功率平稳运行在100-210 kW区间，而锂电池则在-130至20 kW范围内快速响应，填补功率缺口，并使飞行结束时电池SOC呈现略微上升的趋势。

4.2 基于优化的智能策略

基于规则的策略虽然可靠，但通常不是全局最优。更高级的策略采用优化理论，如动态规划、模型预测控制，以及新兴的强化学习。

强化学习：Agent通过与仿真环境交互，学习在不同系统状态下应采取的最佳动作（如调整SOFC燃料流量）。其核心是设计一个合理的奖励函数，该函数需同时鼓励低能耗、维持电池SOC在健康范围，并减缓SOFC和电池的退化。研究表明，基于软演员-评论家等先进RL算法的策略，相较于基于规则的策略，可进一步降低约12.9% 的能耗。RL策略的潜力在于其能适应复杂多变的环境和负载，通过在线学习逼近全局最优解。

五、系统场景应用与优化设计

5.1 典型飞行包线下的系统性能分析

将构建的混合动力系统模型与BAe.146的全飞行任务剖面（时长约4000秒）结合进行仿真，可以揭示系统在实际运行中的动态行为：

功率跟踪：在整个飞行过程中，SOFC提供了大部分稳态功率，而锂电池则像一位“敏捷的助手”，在爬升等大负载阶段快速放电补足功率，在巡航等轻负载阶段吸收多余功率充电。

效率与功重比动态：系统净效率与负载需求呈反向变化趋势。在高功率爬升阶段，由于空压机等辅机功耗剧增，系统净效率降至最低点（如0.35左右）；而在巡航阶段，效率达到较高水平（如0.65）。系统功重比则与总输出功率趋势相似，在爬升阶段达到峰值。

燃料与热管理：氨燃料流量随功率需求平缓变化，且燃料转换效率极高（可达99%以上）。SOFC排出的高温尾气为燃烧室和换热器提供了充足的高品位热源。值得注意的是，氢能混合动力飞机因引入大量多电设备，会面临 “热沉错配” 问题（即爬升时散热不足，巡航时散热过剩）。北航的研究表明，通过增大中间储液箱容量并结合启停控制策略，可以优化分布式热管理系统，降低其最大功率需求和飞行剖面总能耗，这为SOFC混合系统的热管理设计提供了重要借鉴。

5.2 面向固定飞行任务的系统优化设计

初始设计往往基于最大负载需求，可能导致系统在大部分时间处于“大马拉小车”的状态，功重比低下。针对特定航线的固定飞行任务（如BAe.146的固定航线），可以进行任务导向的系统参数优化，以减轻重量、提升功重比。

优化流程通常为：

需求分析：精确分析飞行包线各阶段的功率需求及其持续时间。

功率匹配：重新匹配SOFC的额定功率和锂电池的最大充放电功率，使其略高于而非远高于最大负载需求。

能量平衡设计：确保在充电阶段（如持续爬升）SOFC能为锂电池充入足够的能量，以应对后续高功率阶段（如巡航中可能的机动）的放电需求。这涉及到对SOFC功率设定点和锂电池能量容量的联合优化。

迭代与验证：通过仿真迭代，在满足全任务能量需求的前提下，寻找使系统总质量最小化（即功重比最大化）的部件参数组合。

通过这种优化，可以显著削减系统冗余，将功重比从初始设计的0.4913 kW/kg进一步提升，从而提高飞机的经济性和性能。

六、总结与展望

本文系统的对面向航空应用的直接氨SOFC-锂电池混合动力系统进行一个全面的分析介绍，从政策背景、技术原理、建模方法、控制策略到场景应用与优化，进行了全面的学术性探讨。研究表明，该系统融合了氨燃料的高能量密度与储运便利性、SOFC的高效与燃料灵活性以及锂电池的快速功率响应能力，是应对航空业深度脱碳挑战的一条极具前景的技术路径。

未来发展的核心突破方向：

SOFC电堆高性能与长寿命：继续研发中温高性能电解质（如抗还原的GDC复合材料或新型质子导体），在500-700°C下实现更高的功率密度（>1.5 kW/kg）和超过4万小时的耐久性。同时，发展抗氮化的廉价金属连接体材料和密封技术。

系统级热管理与能量综合优化：将SOFC的高温余热与飞机的环境控制系统、防除冰系统等进行深度集成设计。借鉴北航在氢能混动飞机热管理方面的研究成果，构建“能-热综合”管理系统，最大化全飞行剖面的能源利用率。

智能化与自适应能量管理：探索将强化学习、数字孪生等先进人工智能技术应用于能量管理策略中，使系统能够在线学习和适应不可预测的飞行条件与负载变化，实现真正意义上的全局实时优化。

全生命周期评估与绿色氨供应链：开展从“绿氨”生产（基于可再生能源的合成）、运输、加注到系统报废回收的全生命周期碳足迹与环境影响评估。推动建立基于高质量碳信用机制的绿色氨价值链，解决初期成本问题。

航空业的绿色革命是一场深刻的技术与产业变革。直接氨SOFC-锂电池混合动力系统作为一项融合了电化学、热力学、材料科学与控制理论的复杂系统工程，其成熟与商用化之路仍面临诸多挑战。然而，随着全球脱碳共识的加强、政策支持的深化、跨学科研究的持续推进以及产业链的协同创新，这项技术有望在未来10-20年内，率先在支线航空、通用航空等领域实现突破，并逐步向干线航空拓展，为人类翱翔蓝天提供可持续的绿色动力，最终助力全球航空业平稳抵达 “2050净零排放” 的宏伟彼岸。

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