鉅大LARGE | 點擊量:2362次 | 2020年04月17日
民用飛機燃料動力電池技術應用現狀及未來展望
廈門特種有限公司飛機維修工程部福州維修基地丁金亮
燃料電池的有關理論自1839年被英國科學家威廉bull葛洛夫提出以來,因受制于性能、工藝、成本等方面因素,長時間內未得到廣泛應用。直到19世紀60年代,伴隨著空間技術的迅猛發展,燃料電池先后在美國雙子星載人飛船、阿波羅登月飛船和航天飛機,前蘇聯暴風雪航天飛機、月球軌道飛行器上得到成功應用。燃料電池除作為主電源外,還能夠為宇航員提供飲用水。從此之后,燃料電池開始進入商業化應用階段,現已在新能源汽車等領域實現了商業化應用。在最近幾年航煤價格持續上漲的趨勢下,經濟、舒適、環保這3項指標已成為影響民用飛機競爭力的關鍵要素,民用飛機對機載系統電功率的要求不斷提高,對飛機電源系統也提出了更高的要求。燃料電池作為一種高效率、低排放的新型發電裝置,能有效提高機載系統的能源效率,進而提升飛機的經濟與環保性水平。
1燃料電池的分類
不同于通常意義上的儲能型電池,燃料電池是一種將燃料化學能直接轉變為電能的電化學裝置,由電解質及電解質兩側的陰、陽極組成。根據電解質類型的不同,可將燃料電池分為質子交換膜型燃料電池(PEMFC)、固態氧化物型燃料電池(SOFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)、堿性燃料電池(AFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、磷酸鹽型燃料電池(PAFC)等。
堿性燃料電池(AFC)的電解質易被二氧化碳破壞,故不能使用空氣作為氧化劑;熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)的電解質為高溫熔融態碳酸鹽,其安全性較低;磷酸鹽型燃料電池(PAFC)的工作溫度約為200℃,余熱利用能力較低;固態氧化物型燃料電池(SOFC)運行溫度高,使用陶瓷電解質,在振動環境中的運行穩定性不佳。上述缺點均限制了燃料電池在民用飛機領域的使用。
質子交換膜型燃料電池(PEMFC)具有結構緊湊、功率密度大、啟動快、耐久性好、工作溫度低等特點,經過多年的研發,已在汽車行業成熟應用,是目前最適宜民用飛行器使用的燃料電池。與此同時,該燃料電池技術也存在需要使用貴金屬催化劑、電化學反應中產生的一氧化碳及硫化物等雜質氣體會引起催化劑中毒等難題。此外,為維持燃料電池的特定運行狀態,電解質不僅需保持在一定濕度,還需要對反應環境進行精確控溫。
2民用飛機使用燃料電池的主要優勢
現代民用飛機主要使用特種汽油、煤油作為燃料,其在提供動力的同時,也提供飛機所需的電能。燃料電池與石化燃料相比,具有以下4方面優勢:
(1)能量轉化效率高。傳統內燃機的效率為30%~40%,先進渦輪風扇發動機的效率最高也只能達到50%。目前,燃料電池的效率普遍已超過50%,引入渦輪增壓技術的固態氧化物型燃料電池(SOFC)系統的效率可達到70%,如能將反應中剩余的熱能利用起來,則整體效率可達到80%以上。
(2)能量密度較高。燃料電池的能量密度取決于燃料類型和燃料電池系統的質量。液氫、重整燃料的能量密度可達到數千瓦時/千克。與傳統蓄電池相比,燃料電池的功率密度稍低,但能量密度優勢明顯。在各類燃料電池中,質子交換膜型燃料電池結構緊湊,具有更高的質量功率密度。
(3)環境友好。燃料電池使用的燃料均經過脫硫處理,在反應中氮氧化物和硫化物的排放量較小。即使以天然氣為燃料,氮氧化物排放量僅為0.0045kg/(MWbullh)(化石燃料電廠的平均水平為2.23kg/(MWbullh)),二氧化碳排放量為423kg/(MWbullh)(化石燃料電廠平均水平為913.95kg/(MWbullh))。如果將純氫作為燃料,則反應排放物僅為水,可大大減少溫室氣體、氮氧化物的排放。
(4)噪聲低。燃料電池系統中的轉動部件為散熱、循環、環控等輔助裝置,噪聲水平較低。在當前的技術條件下,燃料電池系統的平均噪聲水平約為60dB,遠低于渦扇發動機、輔助動力裝置(APU)的噪聲水平。
3限制燃料電池應用的主要技術瓶頸
安全和效益是民航技術應用的準則,對照民航技術應用需求,燃料電池的不足之處主要有以下4方面:
(1)系統總體功率密度還需提高。燃料電池作為飛機的輔助動力裝置,應避免額外空中損耗而增加飛機燃油消耗。因此,燃料電池系統的功率密度至少應高于1kW/kg。目前,投入商業使用的固態氧化物型燃料電池的功率密度僅為0.02kW/kg,質子交換膜型燃料電池的功率密度約為0.8~1.6kW/kg。可見,對于可使用航煤等化石燃料的固態氧化物型燃料電池而言,還需通過優化電解質材料、電極材料、生產工藝等方法繼續提高功率密度。
(2)燃料存儲復雜。質子交換膜型燃料電池需使用純氫燃料,燃料的質量可占電池系統總重量的20%。但液態氫的長期存儲(當前最先進的氫儲罐的日泄漏量約為0.5%)及加注仍面臨諸多技術問題。壓縮氫形式則較為簡單,但其儲能密度僅為化石燃料的17%。當燃料需求量增加時,將使電池的體積與質量明顯增加。固態氧化物型燃料電池使用的是極低硫化石燃料(硫含量低于110-6)。目前,航煤硫含量水平為(300~1000)10-6,因此,需要對現有航煤進行進一步脫硫處理或另行設置機載脫硫裝置。
(3)安全性有待提高。質子交換膜型燃料電池系統儲氫裝置在高空低氣壓條件下更易發生氫泄漏,并在密封的機體中進行累積,導致諸多直接與間接的安全問題。固態氧化物型燃料電池的運行溫度通常為600~1000℃,長期在振動、高低溫循環等環境下工作時,安全性水平將明顯降低。
(4)系統壽命還需進一步提高。目前車用質子交換膜型燃料電池的壽命與民用飛機機載系統平均40000h的壽命相比仍有較大差距,一定程度上增加了地面的維護成本與時間,影響出勤率水平。
4燃料電池主要研究進展
小型飛機(含無人機)使用的燃料電池功率一般小于50kW,與蓄電池一同為飛機提供動力。燃料電池技術的應用研究主要集中在高校、研究所、小型飛機公司等。大型飛機使用的燃料電池功率普遍大于50kW,主要用于驅動某個部件或系統。大型飛機燃料電池因涉及系統集成及安全性驗證,此類研究項目主要以美國波音飛機公司、歐洲空中客車公司為主導,其主要研究進展如下。
(1)美國波音公司。波音公司將燃料電池技術視為第三優先考慮的新技術(第一為新型復合材料技術,第二為低能耗機載系統)。2003年,波音公司開展了商用飛機燃料電池APU系統概念研究;同年,鬼怪工廠歐洲分部啟動了迪莫納燃料電池飛機驗證項目;2012年,波音公司與日本石川島播磨重工業公司使用波音737飛機進行了再生型燃料電池系統試飛。
波音公司對燃料電池的研究分為短期、中期、長期這3個層面。短期研究主要集中在質子交換膜型燃料電池,同步開展水管理、飛機接口、燃料儲存等研究;中期研究以高溫質子交換膜型燃料電池為主,在客艙、娛樂系統、峰值電源等非關鍵用電系統使用;遠期研究將開展可直接使用特種煤油燃料的固態氧化物型燃料電池研究,在APU系統、電驅動等關鍵系統使用。
(2)歐洲空中客車公司。2008年,空客公司使用一架德國特種航天中心(DLR)的A320試驗機,進行了質子交換膜型燃料電池應急供電系統測試;2011年,空客公司與德國特種航天中心(DLR)合作,以A320為試驗平臺開展了以燃料電池為動力的電動前起落架地面測試;目前,空客公司重點開展的研究主要集中在多功能燃料電池系統(MFCS),以替代傳統的APU系統。
空客公司對燃料電池的研究路徑與波音公司基本相同,兩者的主要區別在于空客公司預計未來20年燃料電池將作為飛機主發動機的輔助電源,并因此開展了燃料電池與渦輪風扇發動機的混合動力研究(前期已開展了燃料電池與鋰電池混合電動滑翔機安塔芮斯的研發與試飛工作)。近期來看,空客公司更為傾向于技術成熟的質子交換膜型燃料電池,以加快實現歐洲特種研究和創新咨詢委員會2020年愿景。
5燃料電池在民用飛機上的應用展望
燃料電池用于飛機系統供電時,不但有助于減少污染、降低油耗,還可以起到優化飛機二次能源結構的作用。燃料電池由多個燃料電池單元組成,可根據機載系統所需的電壓及功率靈活組合成電源系統,并可將機載燃料電池系統設計為分布式供電模式,對優化機上配電網絡、飛機配平、提高可靠性等均較為有利。結合目前已開展的各項應用研究,本文提出未來10年燃料電池在民用飛機上的應用研究將主要集中在以下領域:
(1)一定程度上替代發動機的發電功能。多電飛機是未來民用飛機發展的方向之一,飛機對電功率的要求將不斷增加,電力將成為飛機二次能源的最主要形式。燃料電池可在飛行的各階段為機載系統提供電力,未來飛機發動機上可僅保留一套啟動/發電機,發動機在通常情況下不為機載系統提供電力供應,僅為燃料電池提供備份。
(2)有望取代APU。目前APU工作的主要場所是機場候機樓附近,其平均噪聲水平高達90dB,干線飛機每小時APU燃油消耗達155~200kg。歐美地區及國家的部分機場數據統計結果顯示,APU燃油消耗約占總油耗的5%,占機場污染物總排放量的20%。如果使用固態氧化物型燃料電池替代傳統APU,則可有望將燃油消耗降低75%,噪聲降低至60dB。但以目前固態氧化物型燃料電池的技術水平而言,其自重約為傳統APU的2倍,一定程度上會降低總體經濟性水平。
(3)供水及供熱。燃料電池在工作過程中將產生大量水蒸氣、熱量等副產品,可被飛機的其他系統循環利用。其中,余熱可用于為飛機客艙加熱與防止積冰,進而減少飛機發動機引氣用量和電加熱器功率。燃料電池產生的水均為冷凝水,可直接用于調節客艙空氣濕度與客艙用水。如作為飲用水,需進行二次凈化與pH值調節。
(4)供應惰性氣體。目前,大型民用飛機中都設有空氣分離裝置,用以向燃油箱內注入高濃度氮氣,以防止燃油系統起火爆炸。燃料電池在反應過程中要消耗大量氧氣,其排放的氣體中氮氣濃度較高,可將這些氣體按照不同流量模式注入燃料箱中,替代現行的空分系統。
(5)為地面電動滑行提供動力。空中客車已進行過類似地面試驗,但因提供地面動力的電驅動前輪在起飛后成為無用的配件,其應用的經濟型水平還需進一步評價。
6結束語
在民用飛機領域,安全是壓倒一切的標準,所有新技術應用都必須經過充分的驗證,并需要長時間驗證與各機載系統間的協同運行效果。近期而言,我國目前在燃料電池領域的技術積累相對薄弱,需進一步發揮軍民融合優勢,將傳統用于特種航天等尖端領域的高新技術產業化,并與石油化工行業的氫燃料、超低硫化石燃料的潛在供應方加強協同配合,用好現有生產裝置與集輸設施。遠期而言,要持續加強質子交換膜、高溫陶瓷、高能量密度電解質等領域的基礎性研究,進一步提高系統效率、減輕質量。同時,還可以借鑒船舶綜合電力系統的理念,從優化飛機總體能力利用的角度做好不同電源之間的統籌平衡,提高二次能源系統效率。
綜上所述,經過多年的持續研究與發展,燃料電池現已基本達到了在民用飛機上使用的技術要求。但燃料電池也存在著使用成本相對較高、不能使用航煤作為電解質燃料等缺點,這在一定程度上制約了其發展與使用。
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