固体氧化物燃料电池/混合电推进系统：热力学耦合机制与能量梯级利用优化

航空运输业作为全球碳排放的重要贡献者，其二氧化碳排放量约占全球总排放量的2%-3%，且随着航空运输量的增长呈持续上升趋势。国际民航组织（ICAO）预测，到2050年全球航空客运量可能达到2019年的两倍，若不采取有效措施，航空碳排放量将大幅增加。在联合国2030年可持续发展议程和全球"双碳"战略背景下，航空业面临着严峻的脱碳压力，亟需发展新一代低碳乃至零碳航空动力技术。

 

传统燃气轮机等燃烧式引擎经过数十年发展，性能提升已逐渐接近物理极限，难以满足未来深度减排需求。多电/全电飞机概念应运而生，但纯电池方案受限于现有电化学储能技术的质量能量密度（当前商业化锂离子电池仅为200-300Wh/kg，而航空煤油约为12000Wh/kg），严重制约了飞机的航程和商载能力。在此背景下，燃料电池技术凭借其高效率和低排放优势，成为未来航空动力的理想解决方案之一。

燃料电池作为一种将燃料化学能直接转化为电能的装置，具有能量转换效率高（不受卡诺循环限制）、排放低（几乎不产生氮氧化物）和噪音小等特点。特别是质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池，因各自独特的技术特性，在航空领域展现出互补的应用前景。PEMFC工作温度较低，启动快速，功率密度高，但需使用高纯度氢气；SOFC工作温度高，燃料适应性广，不需要贵金属催化剂，但启动较慢，对材料要求高。

 

航空混合电推进系统通过系统集成优化和能量管理策略，将燃料电池与传统动力装置结合，实现了能量利用效率的最大化和环境影响的最小化。例如，SOFC与燃气轮机（GT）组成的混合动力系统，通过热力学耦合和能量梯级利用，理论效率可达70%以上，远高于传统航空发动机的40%左右。美国NASA在FUELEAP项目中，计划将SOFC/GT混合动力系统作为其首款全电飞机X-57"Maxwell"的动力装置，充分展示了该技术的巨大潜力。

本文将系统梳理航空用燃料电池及混合电推进系统的发展现状、技术构型、挑战与未来趋势，特别结合湖南泰德航空技术有限公司在增程式发电系统方面的创新实践，为绿色航空动力技术研究提供全面的学术参考和技术展望。

 

一、燃料电池技术原理与航空应用优势

1.1 燃料电池工作机制与技术分类

燃料电池是一种通过电化学氧化还原反应将燃料化学能直接转化为电能的发电装置，其工作过程不涉及燃烧反应，因此不受卡诺循环效率限制。单体燃料电池主要由阳极、阴极和电解质构成，基本原理是氢燃料在阳极电离产生电子和质子，电子通过外部电路形成电流，质子通过电解质膜到达阴极，与氧结合生成水，在此过程中完成化学能向电能的直接转换。

根据电解质类型的不同，燃料电池主要分为五类：碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池。其中，PEMFC和SOFC被公认为最具航空应用前景的技术路线，它们各自具有鲜明的技术特点和适用场景。

质子交换膜燃料电池以固体聚合物膜为电解质，工作温度在80-200℃之间，具有启动快速、功率密度高（可达1kW/kg以上）和动态响应好的优点。但其只能使用高纯度氢气作为燃料，且对CO敏感，需要昂贵的铂催化剂，燃料储存和基础设施要求高。PEMFC已成功应用于多个小型无人机和载人验证机，如波音公司2008年测试的载人燃料电池飞机。

固体氧化物燃料电池以氧化钇稳定氧化锆等复合氧化物为电解质，工作温度高达600-1000℃，具有燃料适应性广（可直接使用碳氢燃料、醇类燃料、一氧化碳等）、不需要贵金属催化剂（使用镍基陶瓷电极）和全固态结构等优势。此外，SOFC排气温高，便于与底部循环联合使用，实现能量梯级利用。但其高温操作条件对材料热稳定性和密封性提出极高要求，且启动时间较长。

1.2 燃料电池航空应用优势

相较于传统航空动力系统，燃料电池在航空领域具有多重显著优势，这些优势使其成为绿色航空动力转型的关键技术之一：

高效能量转换：燃料电池能量转换效率可达40%-60%，远高于传统航空发动机的25%-40%。以SOFC/GT混合动力系统为例，其理论效率可达70%以上，这意味着相同航程下燃料消耗可降低25%-30%。这种高效率主要源于其不经过热功转换过程，直接将化学能转化为电能，避免了卡诺循环的限制。

低排放与环境友好：燃料电池工作过程不产生氮氧化物、硫氧化物等污染物，使用绿氢作为燃料时可实现全程零碳排放。德国航空航天中心（DLR）研制的燃料电池飞机DLR-H2，飞行过程中仅产生水蒸汽，且比传统飞机安静得多。即使在使用碳氢燃料的情况下，SOFC也因其电化学反应特性而几乎不产生NOx。

低噪音运行：燃料电池没有高速旋转的涡轮机械，仅辅机（如空气压缩机）存在运动部件，系统噪音显著低于传统燃气轮机。实测数据显示，燃料电池动力系统的噪音水平比同级燃气轮机低15-20分贝，特别适合城市空运和近社区机场应用场景。

维护简便与高可靠性：全固态结构的SOFC不存在电解液泄漏与腐蚀问题，且燃料适应性广，对硫的容忍度高于其他类型燃料电池。PEMFC系统虽然结构相对复杂，但其模块化设计便于快速更换和维护。实际应用表明，燃料电池系统的维护成本可比传统动力系统低30%-40%。

设计灵活性与布局优势：燃料电池系统可采用分布式布局，灵活安装在机翼或机身内，降低了总体设计约束。与传统的集中式动力装置相比，这种布局优势为飞机气动优化提供了更大空间，特别是在混合翼身融合布局飞机中表现尤为突出。

 

二、国内外燃料电池航空动力系统发展现状

2.1 国际燃料电池航空动力发展

国际航空强国在燃料电池航空动力领域已进行了近二十年的系统研究，从小型无人机到大型载人飞机，取得了系列重要突破。2003年，AeroVironment公司在NASA资助下研制出世界首架燃料电池无人机"Hornet"，翼展38cm，总重170g，采用PEMFC作为动力，续航0.25小时，证明了燃料电池作为航空动力的可行性。同年，NASA研制的"Helios"无人机翼展达75m，搭载18.5kW燃料电池系统成功飞行，展示了燃料电池在大型高空长航时无人机中的应用潜力。

在载人飞机方面，以波音、空客、DLR为首的研究单位开展了开创性研究。2008年，波音公司成功完成全球首次载人燃料电池飞机飞行测试，采用PEMFC和锂电池混合动力系统，燃料电池最大输出功率24kW，锂离子电池辅助输出50-75kW。该验证机通过电动机驱动螺旋桨，飞行过程中仅产生水蒸汽，且噪音显著降低。2009年，德国宇航中心研制的DLR-H2燃料电池飞机试飞成功，其PEMFC系统输出功率25kW，工作效率达52%，航程达750km，可连续飞行5小时，标志着燃料电池在中程小型公务机领域的应用可行性得到验证。

近年来，氢燃料电池飞机技术不断取得突破。2019年，美国加州的Alaka'i Technologies公司公布了Skai六旋翼五座氢燃料电池电动垂直起降飞机，商载450kg，续航4小时，航程640km。2020年，美国ZeroAvia公司的M500六座飞机在英国成功试飞，采用氢燃料电池供电，最大起飞重量2.3t，最大航程1800km，可满足大部分短途通勤民航的需求。

在兆瓦级大功率燃料电池系统方面，德国航空航天中心（DLR）在BALIS项目中实现了重大突破，成功测试了单机功率超过1兆瓦的燃料电池系统核心组件。该技术采用12个燃料电池模块耦合（单个含400余电芯），配套开发了复杂控制策略，可支持1.5兆瓦级电动推进系统测试，为零排放大型航空器提供了关键技术路径。

 

2.2 中国燃料电池航空动力发展

中国在燃料电池航空领域起步较晚但发展迅速，已形成了从基础研究到工程应用的完整创新链条。2012年，同济大学研制成功中国第一架纯燃料电池无人机"飞跃一号"，使用1kW的PEMFC作为动力，有效载荷1kg，续航2小时，开创了国内燃料电池航空应用的先河。同年，辽宁通用航空研究院与大连化物所合作研制的"雷鸟"氢燃料电池无人试验机首飞成功，采用10kW级航空用PEMFC系统，在起飞阶段使用燃料电池与锂电池共同驱动，巡航和降落阶段由燃料电池单独驱动。

近年来，中国在燃料电池载人飞机领域取得重大突破。2025年7月，辽宁通用航空研究院研发的RX4M四座电电混合动力飞机原型机在沈阳成功首飞。该机采用氢燃料电池与锂电池混合动力系统，在起飞和爬升时由两者共同供电，巡航阶段由燃料电池单独供电并为锂电池充电。飞机最大起飞重量1400kg，有效载荷320kg，最大航程400km，续航时间2小时。此次应用的70千瓦级航空用氢燃料电池系统由大连化物所燃料电池系统科学与工程研究中心邵志刚研究员、谢峰副研究员团队研制，采用了针对航空用途的正向开发设计。

该70千瓦级燃料电池系统的质量比功率达1000W/kg，采用模块化设计理念，突破了高效轻量化空气供给、氢气引射回流、一致性、综合热管理等系列关键技术，且可通过模块串并联实现功率线性扩展。该团队此前已开发了10千瓦级燃料电池系统，应用于燃料电池动力飞艇"致远一号"和燃料电池无人机"雷鸟号"；开发的20千瓦级系统应用于两人座燃料电池飞机。这些成果形成了完整的航空燃料电池功率谱系，为氢能燃料电池技术服务于低空经济发展奠定了实践基础。

在新型混合动力架构研究方面，哈尔滨工业大学开展了航空燃料电池混合推进系统集成优化研究，针对氨燃料SOFC混合推进系统进行探索，发现该系统可降低80.37%的全球变暖潜能值（GWP），为航空低碳动力提供了新思路。上海交通大学则与中国航发商发合作，开展了氨氢融合无涡轮航空混合动力系统设计，创新提出氨在线裂解耦合氨氢融合无涡轮航空发动机策略，探索解决氢储运难题的技术路径。

 

三、航空混合电推进系统构型创新与技术分析

3.1 传统混合动力系统架构与特点

传统航空混合动力系统主要分为串联、并联和串并联三种架构，每种架构具有不同的技术特点和应用场景。串联混合架构使用燃油发动机（内燃机或燃气轮机）驱动发电机发电，结合电池系统共同为电动机提供动力；并联架构允许电动机和燃油发动机同时或单独驱动推进器；串并联架构在汽车领域应用广泛，但因复杂性和重量问题，在航空应用受限。

欧盟MAHEPA项目采用了串联混合动力架构，并配置了两种发电系统：一种使用碳氢化合物燃料内燃机和发电机，另一种使用氢燃料电池。该项目开发的Panthera四座混合动力飞机，最大起飞功率300kW，最大巡航功率150kW，动力总成重量约370kg。这种架构实现了分布式电力推进，提高了系统可靠性和效率，通过智能能量管理策略，根据飞行阶段动态优化功率分配。

串联混合动力的主要优势在于：布局灵活性（发动机与推进器解耦）、操作优化（发动机可在最佳工况点运行）和冗余性（多动力源）。但其主要挑战在于重量惩罚和多级能量转换损失。研究表明，对于航程小于500km的支线飞机，串联混合动力可降低15%-25%的能耗；但对于长航程飞机，重量惩罚可能抵消系统优势。

 

3.2 燃料电池-涡轮混合动力系统

燃料电池-涡轮混合动力系统通过热力学耦合实现了能量梯级利用，大幅提升系统效率。SOFC与燃气轮机组成的混合系统，可将SOFC产生的高温排气引入涡轮，推动涡轮旋转驱动发电机或风扇，同时利用涡轮排气预热进入燃料电池的空气，形成高效的能量循环。

美国NASA在FUELEAP项目中，计划将SOFC/GT混合动力系统作为X-57"Maxwell"全电飞机的动力装置。研究表明，这种混合系统相较于传统涡轮发动机，可减少约24.90%的燃料消耗。系统工作时，SOFC堆产生直流电，同时排出高温富氧废气；该废气进入微型燃气轮机的燃烧室进一步燃烧，驱动涡轮发电；两台发电机输出的电能经电力管理系统整合后，统一驱动推进电机。

SOFC/GT混合系统的关键技术挑战包括：动态匹配（燃料电池与涡轮的流量、压力协调）、热集成（高温部件隔热与热应力控制）和瞬态响应（负载变化的协同控制）。为解决这些问题，NASA采用了模型预测控制（MPC）算法，通过实时优化确保系统在不同飞行阶段的稳定高效运行。

3.3 无涡轮燃料电池混合推进系统

无涡轮燃料电池混合推进系统消除了传统涡轮机械，采用电化学转换直接产生电能驱动电动机，简化了动力转换链，减少了运动部件。上海交通大学的氨氢融合无涡轮航空混合动力系统设计，通过氨裂解制氢、氨氢融合调控的研究思路，耦合无涡轮新型航空混合动力系统，获得氨在线裂解高温环境，实现氨高效裂解和系统提效。

该系统的核心创新在于氨作为氢载体的设计理念。氨的能量密度高于液氢，且易于液化储存，解决了纯氢储运的难题。系统工作时，液氨在机上通过裂解反应器分解为氢气和氮气，氢气供给PEMFC或SOFC发电，氮气作为惰性气体用于系统安全保护。这种架构既利用了氢的高能量密度和燃料电池的高效率，又规避了氢储运的技术瓶颈。

无涡轮系统的优势包括：简化的系统架构、低维护需求和低噪音水平。其挑战主要在于：氨裂解器的动态响应、系统启动时间和整体功率密度。目前，这类系统尚处于实验室研究阶段，但为中长期氢能航空提供了有前景的技术路径。

3.4 分布式推进飞机用混合推进系统

分布式混合电推进系统将多个电动推进器沿机翼或机身分布，通过边界层抽吸和增升效应提高气动效率。燃料电池系统作为主要或辅助动力源，可为分布式推进器提供电力，其模块化特性与分布式推进具有天然的兼容性。

这种构型在欧盟MAHEPA项目的HY4飞机上得到验证，该机采用双机身设计，每个机身可容纳2名乘客，中央舱体布置氢燃料电池系统和储氢罐，动力系统输出功率80kW，最大速度200km/h，巡航速度145km/h。该机型最引人注目的是其零排放特性，如使用可再生能源制氢，则全程可实现零碳排放。

分布式推进系统的关键气动优势在于：推进效率提升（通过边界层吸入减少动量损失）、高升力特性（分布式滑流增加机翼有效弯度）和控制冗余（多推进器提供控制力矩）。与燃料电池结合时，需特别考虑氢燃料分布、热管理和电力分配等挑战。美国NASA的X-57"Maxwell"飞机采用了类似设计理念，但其使用锂电池而非燃料电池，反映了不同能源系统的设计取舍。

 

四、技术挑战与未来发展路径

4.1 燃料电池航空应用关键技术挑战

燃料电池在航空领域应用仍面临多重技术挑战，这些挑战制约着其商业化进程和应用范围：

功率密度与轻量化：航空应用对动力系统功重比有极高要求。当前SOFC系统功率密度约300-500W/kg，远低于传统涡轮发动机的3-5kW/kg。虽然PEMFC系统的质量比功率可达1000W/kg，但包括储氢系统在内的完整动力系统功率密度仍大幅低于传统推进系统。新型轻量化技术如三重周期极小曲面结构，可使燃料电池质量比功率进一步提升，但距航空主流应用仍有差距。

热管理与温度控制：高温燃料电池工作温度达600-1000℃，在航空变工况环境下维持温度稳定极具挑战。湖南泰德航空技术有限公司开发的双模式热管理系统采用板式换热器和半导体温控模块组合设计，板式换热器采用航空铝材制造，流道设计借鉴了飞机翼型的空气动力学原理，使得换热效率提升40%以上。但对于机载环境，仍需进一步优化散热器尺寸和重量，确保在高空低密度环境下有效散热。

氢储运与基础设施：液氢储存需要-253℃的极低温条件，对储罐绝热性能和飞机系统设计提出严峻挑战。目前的液氢储罐蒸发率约为0.3%-0.5%/天，难以满足军民用飞机战备值班和临时停场需求。机场氢燃料基础设施缺乏也制约了燃料电池飞机的商业化进程，需要跨行业的氢能供应链协同发展。

系统集成与控制策略：混合动力系统涉及多种能源转换装置，需要复杂的能量管理策略实时优化功率分配。MAHEPA项目开发的智能能量管理系统，通过实时监测电池SOC、飞行载荷及环境条件，动态调整发电与供电比例。但在实际应用中，仍需解决多变量、非线性的实时优化问题，确保飞行安全与能效平衡。

耐久性与可靠性：航空应用对系统寿命和可靠性有严格要求。商用飞机发动机通常要求数万小时寿命，而目前燃料电池堆的寿命通常在数千小时级别，特别是经历频繁启停和负载循环后，性能衰减加剧。需要通过材料创新（如更稳定的电解质材料）和系统优化（如改进水热管理）提升耐久性。

 

4.2 未来技术发展路径

面向绿色航空动力未来，燃料电池混合电推进系统将沿以下路径发展：

氢燃料增程系统：结合氢燃料电池与传统动力，实现长航程零排放飞行。湖南泰德航空开发的高效增程式发电系统采用"燃油发电+电池储能"混合架构，通过高效微型涡轮发电机，将燃油化学能实时转化为电能，帮助eVTOL航程提升至400-500公里。

氨氢融合能源系统：利用氨作为氢载体，解决纯氢储运难题。氨的储氢效率高（质量储氢密度17.8%），储运成本低，且泄漏易察觉，通过机上裂解系统可实时产氢供燃料电池使用。上海交通大学的研究表明，氨氢融合系统可使飞机航程达到1000km以上，同时降低80%以上的碳排放。

模块化与标准化设计：通过模块化设计降低制造成本与维护难度。Conscious Aerospace公司采用模块化设计理念，其燃料电池系统可通过模块串并联实现功率线性扩展。未来将进一步制定航空燃料电池系统的接口标准、安全规范和测试程序，促进产业生态形成。

新型燃料电池技术：开发中低温SOFC和高温PEMFC，平衡工作温度与启动性能。2025年最新研究报告显示，新型陶瓷基燃料电池已实现每克1瓦以上的比功率输出。此外，可逆燃料电池技术可将制动能量或过剩可再生能源储存为氢能，进一步提高系统整体效率。

 

五、结论与展望

航空用燃料电池及混合电推进系统作为绿色航空的关键技术，正处于从实验验证向商业化应用的重要阶段。通过系统分析，可得出以下结论：

首先，燃料电池混合电推进系统凭借高效率和低排放优势，已成为航空动力技术创新的重要方向。SOFC/GT混合系统理论效率可达70%以上，与传统航空发动机相比，燃料消耗可降低约25%，同时实现污染物近零排放。特别是在低空经济和短途航空市场，燃料电池飞机已展现出明确的商业化前景。

其次，国际航空强国已在燃料电池飞机领域取得实质性进展，从小型无人机到四座载人飞机，多项技术得到飞行验证。中国虽起步较晚，但通过辽宁通用航空研究院、湖南泰德航空等企业的创新努力，已在氢燃料电池飞机和增程式发电系统方面展现出追赶态势。特别是2025年首飞的RX4M四座电电混合动力飞机，标志着中国在氢能航空领域进入了世界先进行列。

第三，混合系统构型多样化满足了不同航空器的动力需求。从传统串联混合动力到燃料电池-涡轮混合系统，再到无涡轮燃料电池系统，各种构型在不同应用场景中展现出独特优势。特别是分布式推进与燃料电池的结合，通过气动-推进一体化设计，为未来航空器创新提供了广阔空间。

第四，燃料电池航空应用仍面临功率密度、热管理、氢储运等挑战，需要通过材料创新、结构优化和系统集成技术予以解决。新型陶瓷燃料电池、氨氢融合系统等创新技术为突破现有瓶颈提供了可能。特别是湖南泰德航空技术有限公司在燃油系统、润滑系统方面的技术创新，为混合动力系统的研发和验证提供了关键支撑。

展望未来，随着材料科学、电化学和航空动力学的多学科融合创新，燃料电池混合电推进系统将在绿色航空领域发挥越来越重要的作用。从城市空运到短程航线，从无人机到载人飞机，这项技术将逐步推动航空业向零碳目标迈进。预计到2035年，燃料电池混合动力系统将在通航和支线航空市场形成规模化应用；到2050年，有望在干線航空实现商业化应用，为全球碳中和愿景提供关键技术支撑。

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