英國零碳飛行氫燃料電池技術分析

氫燃料電池可應用于多種航空平臺，包括新型和改裝的小型飛機、支線飛機、干線飛機、電動垂直起降（eVTOL）飛行器、遠程無人機以及氫動力飛機的輔助動力裝置（APU），英國航空航天技術研究所（ATI）的零碳飛行（FlyZero）項目將氫燃料電池技術作為重點研究方向之一。氫燃料電池通過電化學反應將氫燃料中的化學能直接轉變?yōu)殡娔?，具有能量轉換效率高、零排放、無噪聲等優(yōu)點。與常見的鋰電池不同，氫燃料電池系統(tǒng)更為復雜，主要由電堆和輔助系統(tǒng)（包括空氣壓縮機、增濕器、氫循環(huán)泵、儲氫罐等）組成。電堆是整個電池系統(tǒng)的核心，包括膜電極（MEA）、雙極板（BPP）構成的各電池單元，以及集流板、端板、密封圈等。MEA的關鍵材料是質子交換膜（PEM）、催化劑、氣體擴散層，這些部件及材料的耐久性與其他性能決定了電堆的使用壽命和工況適應性。相比其他燃料電池類型，PEM電堆具有更高的效率（50%～60%）和功率質量比（4kW/kg）。近年航空燃料電池最具可行性的方案為低溫質子交換膜（LT-PEM）燃料電池，但是其80℃及以下的工作溫度給熱管理提出了挑戰(zhàn)，為解決這一問題，業(yè)界研發(fā)了高溫質子交換膜（HT-PEM）燃料電池，其至少160℃的工作溫度更容易保持。為保持在可持續(xù)技術領域的競爭力，研發(fā)和商業(yè)化下一代航空先進燃料電池系統(tǒng)，ATI的零碳飛行項目發(fā)布了氫燃料電池技術發(fā)展路線圖，旨在提供戰(zhàn)略目標和航空燃料電池系統(tǒng)的潛在實現(xiàn)方法，該路線圖評估了相關技術指標、關鍵部件和系統(tǒng)，以及預測了技術發(fā)展階段和趨勢等。技術指標氫燃料電池主要技術指標有電堆功率質量比、電堆及輔助系統(tǒng)功率質量比、電堆最高效率、耐久性目標、工作溫度和電堆成本及系統(tǒng)成本等，見表1。其中，功率質量比和效率數(shù)據(jù)由工業(yè)合作伙伴和內部評估提供；耐久性目標由重型汽車用燃料電池相關文獻數(shù)據(jù)外推得出。表1

LT-PEM及HT-PEM燃料電池技術指標預測電堆功率質量比航空業(yè)要求燃料電池電堆盡可能輕且功率高。LT-PEM電堆功率質量比實現(xiàn)了重大發(fā)展，已達到4kW/kg，根據(jù)電堆未來的質量和每平方厘米有效面積功率發(fā)展歷史數(shù)據(jù)，預測電堆功率質量比將如表1所示，并且到2026年LT-PEM燃料電池的技術成熟度（TRL）將達6（在相關環(huán)境中進行子系統(tǒng)模型和原型機驗證）；HT-PEM電堆不容易受雜質影響，并能使用較低純度的燃料，但目前工業(yè)化的HT-PEM電堆技術成熟度還較低，因此可實現(xiàn)能力存在較大的不確定性，隨著相關材料技術的研發(fā)，預測功率質量比達標應為2030年之后。電堆及輔助系統(tǒng)功率質量比燃料電池包括電堆和輔助系統(tǒng)，電堆是核心，而輔助系統(tǒng)則是維持電堆持續(xù)穩(wěn)定安全運行的關鍵。輔助系統(tǒng)主要由散熱、供氣、燃料調節(jié)和水管理系統(tǒng)組成。路線圖利用內部工具評估了各個子系統(tǒng)發(fā)展的交互作用，預測了電堆和輔助系統(tǒng)的功率質量比范圍。如果到2050年HT-PEM電堆的功率質量比和LT-PEM電堆達到相同水平，考慮到前者散熱系統(tǒng)的簡化，相比于后者，未來采用HT-PEM能獲得明顯更高的電堆及輔助系統(tǒng)功率質量比。電堆最高效率電堆最高效率受燃料電池設計影響。由于燃料電池和燃氣渦輪之間存在差異，因此基于燃料電池效率曲線來優(yōu)化系統(tǒng)顯得格外重要。巡航效率須接近最高效率，以符合載荷百分比需求。耐久性目標提高燃料電池功率質量比的同時提高耐久性并降低成本，被公認為極具挑戰(zhàn)。但如果將燃料電池作為燃氣渦輪的替代，則耐久性的提高是非常必要的。路線圖認為可以通過可替代方法來增強燃料電池的耐久性，例如，采用中期翻新的方法及密封的單次使用裝置等。路線圖基于重型汽車用燃料電池預測了耐久性目標的實現(xiàn)情況。工作溫度提高燃料電池的工作溫度對于航空燃料電池的長期成功應用是必不可少的。更高的工作溫度提高了電化學過程動能和效率，提高了MEA的耐雜質性，并降低了輔助系統(tǒng)的復雜性。此外，較高工作溫度降低了散熱難度，并減少了輔助系統(tǒng)的質量和成本。電堆成本路線圖預測使用高強度、輕質量材料能大幅優(yōu)化航空電堆的高功率質量比。目前燃料電堆為手工組裝，是勞動密集型產品，根據(jù)目前文獻，預估航空用燃料電池成本為重型汽車用燃料電池的8倍，將來的電堆研發(fā)需要制造和組裝過程的自動化，以減少成本、提升質量。隨著使用燃料電池的窄體飛機、APU、eVTOL飛行器的增多和燃料電池制造自動化的規(guī)?；姸殉杀緦S之減少。系統(tǒng)成本燃料電池系統(tǒng)包括電堆和輔助系統(tǒng)，當電堆技術成熟時，輔助系統(tǒng)將成為最大的成本因素。另外，減小尺寸和去除加濕需求會降低HT-PEM燃料電池系統(tǒng)的復雜度，從而降低成本。部件技術發(fā)展路線圖燃料電池部件技術發(fā)展路線如圖1所示，包括端板、雙極板、膜電極組件、HT-PEM燃料電池和電堆優(yōu)化等，其中端板、雙極板和電堆優(yōu)化的研發(fā)適用于LT-PEM及HT-PEM燃料電池。圖1

燃料電池部件發(fā)展路線圖端板端板是無源元件，將壓力施加在電堆，占電堆質量的15%～45%。目前端板由不銹鋼制成，為了滿足功率質量比目標，將來可用輕質量材料（如復合材料）制造。未來新型電堆的集成將進一步提高電堆的功率質量比，包括將多個電堆放置到單個輕質量保護罩中，或將輔助系統(tǒng)部件整合到電堆外部，以提供壓力載荷。雙極板雙極板是多功能部件，占電堆質量的60%～80%，可以通過改進材料和流場減少質量和優(yōu)化性能。復合材料可替代目前的石墨或金屬雙極板，應用前必須達到燃氣滲透性、熱傳導性和耐久性目標，也可以增材制造雙極板。燃料電池中反應物最初的接觸點是雙極板流場，優(yōu)化流場設計可以改進反應物分布和排水，三維網(wǎng)格和開孔泡沫流場設計可以提高反應物分布和排水，直接提高電堆性能。另外，加入組件（如單元級帶傳感器的電路板）使其具有全面診斷能力。膜電極組件膜電極組件的性能影響因素包括膜、催化劑、氣體擴散層（GDL）和其極化曲線。高性能燃料電池所需的質子交換膜具有高質子傳導率、較低透氣性，能提高耐久性；使用有機或無機填料的復合膜可以實現(xiàn)較高的質子傳導率、低電子傳導率和良好的保水性；減小膜厚度能提高性能，但是須同時關注耐久性問題；非增濕膜能儲水，可大大降低系統(tǒng)的復雜性，減少質量和成本。在催化劑和氣體擴散層方面，使用較高濃度的鉑族金屬能提高膜電極組件性能；促進陰極排水的氣體擴散層能顯著改善大電流特性；催化劑和氣體擴散層在高于80℃的工作溫度下才具有抗腐蝕性；將來采用高性能的非鉑族金屬基催化劑能降低電極成本并提升可制造性。在極化曲線方面，為了提高LT-PEM燃料電池的功率密度和效率，應提高開路電壓，以及在任意給定載荷下的電壓和電流。較高的電壓也使得有效面積產生的電流增加（行業(yè)目標為0.8V下3～4A/cm2），這樣能增加燃料電池效率，減少電堆產生的熱以及伴隨的散熱問題。HT-PEM燃料電池HT-PEM燃料電池工作溫度超過160℃，由于燃料電池工作溫度和環(huán)境溫度差的增加，HT-PEM燃料電池需要較輕質量的熱管理系統(tǒng)，以獲得具有競爭力的功率質量比。較高的工作溫度增加了電化學動力，減少了對雜質的易感性，有利于簡化輔助系統(tǒng)并提高效率，由于減輕了輔助系統(tǒng)質量，從而增加了系統(tǒng)級功率質量比。目前LT-PEM的部件（如MEA和雙極板等）不適用于高溫工作，因此需要重新開發(fā)部件防止腐蝕，同時有必要提高部件的熱循環(huán)水平來增加電堆壽命和效率。一旦建立了高溫膜和電極，極化曲線也需要提高。由于各個部件需要再研發(fā)以適應高溫工作，TRL6的HT-PEM電堆預計會在2030年后出現(xiàn)。電堆優(yōu)化燃料電池具有模塊化設計、高效率和低工作溫度特點，可以探索更多獨特設計，如吊艙和外表面設計等。為了設計燃料電池動力飛機，須評估輔助系統(tǒng)的新型結構集成。研發(fā)過程須考慮如何設計飛機和分配適用于燃料電池技術的任務剖面。通過考慮耐久性、幾何和電池結構來重新設計和優(yōu)化航空燃料電池電堆。系統(tǒng)發(fā)展路線圖燃料電池系統(tǒng)發(fā)展路線圖如圖2所示，分為輔助系統(tǒng)系統(tǒng)和電池系統(tǒng)，其中輔助系統(tǒng)系統(tǒng)包括電堆散熱、供氣、燃料調節(jié)和水管理系統(tǒng)，而電池系統(tǒng)的發(fā)展則包括電池、監(jiān)控和可持續(xù)性要求。圖2

燃料電池系統(tǒng)發(fā)展路線圖電堆散熱系統(tǒng)電堆散熱系統(tǒng)確保電堆在特定溫度范圍工作，并管理散熱方法。結合標準大氣條件要求、熱負荷和LT-PEM燃料電池技術，研發(fā)蒸汽壓縮冷卻技術來管理燃料電堆散熱需求。對于HT-PEM而言，較高的工作溫度允許簡化熱管理系統(tǒng)，加壓的液體冷卻和較小的設備對于HT-PEM而言足夠了，特別是較輕和較低阻力的空氣散熱器。電堆散熱子系統(tǒng)需要多種換熱技術在不同流體之間進行熱交換，包括空氣、制冷劑和潛在冷卻劑。LT-PEM燃料電池需要空氣制冷冷凝器、制冷壓縮機和膨脹閥。對于HT-PEM燃料電池而言，技術關注點則是空氣—液體冷卻劑換熱技術。電堆供氣系統(tǒng)電堆供氣系統(tǒng)確保有足夠的空氣傳送到電堆，讓氫氣在催化劑部位發(fā)生反應，典型組件包括空氣預冷器、壓縮機、氣濾和加濕器。新的空氣系統(tǒng)要在不同功率條件和高度下給燃料電池傳送一定壓力的空氣。由于工作溫度不同，LT-PEM燃料電池需要空氣預冷技術，而HT-PEM燃料電池可以在沒有空氣預冷技術的情況下工作，從而簡化其空氣系統(tǒng)。供氣子系統(tǒng)需要新的壓縮機技術和渦輪技術，有利于恢復損耗功率。LT-PEM燃料電池特別的冷卻技術須將液氫當作吸熱介質來預冷卻空氣至合適溫度，還需要過濾技術來最小化質量和寄生功率損失，以及探索氧氣濃度控制技術。電堆燃料調節(jié)系統(tǒng)電堆燃料調節(jié)系統(tǒng)將低溫氫燃料加熱到環(huán)境溫度，以進入燃料電堆，需要優(yōu)化的技術包括過濾、加壓和溫度預調節(jié)。使用液氫部分減少了過濾風險，但仍需必要的氫過濾技術確保燃料電池污染最小化；將氫燃料加壓到超臨界狀態(tài)，更容易管理熱傳遞過程；預調節(jié)氫燃料溫度，在足夠溫度下將氫燃料送到燃料電堆以避免水凝結等問題。燃料調節(jié)子系統(tǒng)部件會與氫燃料在不同壓力和溫度下相互作用。因此，必須考慮氫脆和外表面溫度管理，涉及去除內部污染的氫氣過濾器、與工作條件范圍兼容的液氫泵技術，以及預調節(jié)氫氣溫度的換熱器技術。水管理系統(tǒng)水管理系統(tǒng)包括排水調節(jié)和凝結尾跡管理系統(tǒng)。雖然廢水對于技術指標而言不重要，但對評估環(huán)境影響很重要。氫燃料電池飛機在低溫下混合液體和蒸汽會產生大量的水，由燃料電堆產生的水很容易被捕獲，這比燃氣渦輪發(fā)動機控制廢水排出靈活性大很多。在排到大氣之前預調節(jié)水，對防止凝結尾跡方面具有很重要的作用。航空燃料電池系統(tǒng)考慮燃料電池和燃氣渦輪發(fā)動機之間效率曲線的不同，可以調整任務剖面和控制策略來優(yōu)化燃料電池性能，如最高起飛功率、爬升功率、起飛巡航功率比和巡航時間等。路線圖提出，2035年后技術更新，須再評估技術性能。監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控和診斷系統(tǒng)都與飛機健康檢查和故障報告相關。監(jiān)控電堆的極化曲線、溫度和濕度必須集成到飛機現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)中。路線圖建議集成監(jiān)控功能，關注飛機監(jiān)控系統(tǒng)中對燃料電池的監(jiān)控，并將燃料電池故障報告給機載維護系統(tǒng)?？沙掷m(xù)性評估凝結尾跡的產生和氫燃料對環(huán)境的影響，有助于了解氫動力飛機對環(huán)境的準確和長期影響；低溫水排放給水處理系統(tǒng)提供了更多的靈活性；可持續(xù)的制造和最大化未來燃料電堆的再循環(huán)能力十分重要，可以在制造時使用可持續(xù)能源、最小化材料損耗、在部件壽命結束時優(yōu)先再循環(huán)和再使用，以及在復合材料中使用可替代自然纖維。技術發(fā)展趨勢及階段

路線圖預測了2025—2050年期間，系統(tǒng)各部分對航空氫燃料電池整體功率質量比影響的變化趨勢，如圖3所示。2025—2035年，對LT-PEM燃料電池影響最大的因素為電堆和散熱系統(tǒng)；2030年，HT-PEM燃料電堆的技術成熟度預計達到6級，其散熱和供氣系統(tǒng)的質量影響會大大降低；2035年后，LT-PEM燃料電池系統(tǒng)功率質量比提升空間小，為了提高效率、減少熱挑戰(zhàn)，會導致其尺寸過大；提高供氣和散熱系統(tǒng)的功率質量比，需要較高的工作溫度，所以HT-PEM技術成熟后，燃料電池系統(tǒng)功率質量比會急劇增加，使得在2035—2050年間，燃料電池會由LT-PEM過渡到HT-PEM。圖3

燃料電堆和輔助系統(tǒng)功率質量比技術指標和質量分解根據(jù)對燃料電池系統(tǒng)功率密度發(fā)展的預測，ATI制訂了技術發(fā)展階段計劃，包括重要研發(fā)階段、時間，以及對燃料電池系統(tǒng)功率密度的影響，如圖4所示。特別注意的是，需結合新型機體設計（如翼身融合或翼式吊艙等）來考慮這些功率密度數(shù)值。2050年的目標是采用HT-PEM燃料電池技術，然而這些技術的研發(fā)時