燃料串/并联的航空SOFC-GT混合系统性能对比分析

固体氧化物燃料电池-涡轮(SOFC-GT)混合系统作为电推进飞机的动力源时,会面临低温低压的大气环境以及对重量有严苛的要求,因此通过优化系统构型使得该混合系统满足航空应用是一种有效的解决方式。为此本文提出了燃料并联和串联的两种SOFC-GT混合系统构型,并从热力循环理论、系统热力学性能以及系统功重比等方面依次对其进行了对比分析。结果表明,并联系统的热力学性能要优于串联系统,对于系统发电效率、比功和功重比分别提高3.32%,113.14%和34.04%,CO_(2)排放率降低3.22%。随压比的提升串联系统的效率存在最优点,随燃烧室温度的提升并联系统的效率持续下降。在空燃比为4~6的变化范围内,串联系统的输出功率变化幅度更大,相对并联系统为116.29%~87.11%。除此之外,虽然SOFC-GT混合系统的功重比相对较低,但基于其优异的效率,在系统能量密度方面整体要优于锂电池,这有利于提升电推进飞机的性能。

航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述

随着世界范围内碳减排需求的日益增长及长航时飞机的发展需要,高效率的燃料电池航空电推进系统逐渐受到重视,氢能航空的理念被人们所熟知,可使用碳氢燃料的高温燃料电池还可与燃气涡轮组成混合动力系统,发电效率进一步提高至70%。本文回顾了燃料电池及燃料电池涡轮混合系统在航空能源、动力系统方向应用概况;概述了几种突破现有涡轮发动机技术瓶颈的新概念混合电推进系统,如发电与推进一体化燃料电池涡轮混合动力系统和无涡轮燃料电池混合推进系统;基于此,分析了限制燃料电池混合系统实际应用的关键技术难题,主要体现在混合动力系统功重比较低、大分子碳氢燃料重整技术未突破两方面。

基于吸附强化重整制氢的燃料电池–涡轮混合发电系统性能研究

为避免高含碳量的碳氢燃料使得带有阳极尾气再循环的燃料电池-涡轮混合发电系统中重整器内CO_(2)浓度过高的问题,将氧化钙作为吸附剂的吸附强化重整制氢被应用于该系统。系统的燃料为十二烷,通过吉布斯自由能最小化的方法完成重整过程的热力学计算。结果表明:采用吸附强化重整制氢的发电系统在系统发电效率及功率输出上分别提升了3.93%和19.17%,并降低了CO_(2)排放量66.46%。且在燃料电池温度为1023~1063 K、钙碳比为0.4~0.8的范围内,系统的性能随参数增大而明显提升。但该参数的增大又会影响燃料电池及系统的安全运行,因此参数的选择需要综合考虑。

燃料电池燃气涡轮航空混合推进系统总体性能及匹配分析

为大幅减小发动机耗油率,降低碳排放,提升飞机续航能力,提出了基于碳氢燃料的燃料电池燃气涡轮航空混合推进系统,通过预重整和高温燃料电池实现碳氢燃料的电化学利用并避免传统氢燃料电池飞机储氢困难、体积能量密度小的问题,另一方面,利用燃气涡轮增加燃料电池功率密度,减小其体积和质量。以MQ-1无人机为匹配对象,通过建立推进系统质量和热力学性能模型,对混合系统进行了部件参数匹配分析。随着燃料利用率减小,燃料电池极化减小,换热器平均换热温差增加,因而混合推进系统质量急剧下降,耗油率大幅上升,该航空混合系统质量与总效率的优化方向相反。随压比增加,燃料电池功率和质量增加幅度较大,导致飞机载油量降低,但在燃料电池电流密度为常数时,对燃料电池和混合系统效率影响较小。设计条件下,混合系统中燃料电池和换热器占据混合系统质量的主要部分,超过70%。相比原型内燃机动力,混合推进系统质量约增加40%,但热效率可提高约111%。此外,混合推进系统可满足飞机在爬升阶段和巡航阶段的功率需求,装备该动力的无人机续航时间可提高97%。