隨著氣候變化和全球變暖的日益加劇，全球各國愈加重視控制溫室氣體的排放。而隨著世界經(jīng)貿(mào)和航空技術(shù)的發(fā)展，航空運(yùn)輸業(yè)的市場(chǎng)在不斷擴(kuò)大，碳排放也在逐年增加。當(dāng)前，航空領(lǐng)域的碳排放已經(jīng)占全球碳排放總量的2.5%。如果不進(jìn)行相應(yīng)的限制，到2050年，航空業(yè)的碳排放量將達(dá)到全球碳排放總量的15%。因此，美國、歐盟以及中國均提出了未來航空碳減排的目標(biāo)。

一、零碳燃料的氨燃料趨勢(shì)

為了應(yīng)對(duì)航空領(lǐng)域逐年增加的碳排放，航空動(dòng)力系統(tǒng)有必要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。使用低碳、無碳替代燃料的方法目前受到了研究者的關(guān)注。在諸多替代燃料中，氨作為一種零碳燃料近年來受到了研究者的重視。氨作為航空燃料在上個(gè)世紀(jì)60年代曾得到研究。美國加州大學(xué)伯克利分校對(duì)使用氨作為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行了性能評(píng)估。研究結(jié)果表明，在相同的空燃比條件下，使用氨燃料會(huì)使渦輪進(jìn)口溫度下降，耗油率為使用煤油的燃?xì)廨啓C(jī)的2.5-3倍。而使用氨的燃?xì)廨啓C(jī)熱效率比使用煤油高10%。

隨著航空碳減排需求的日益迫切，作為零碳燃料的氨燃料再次受到重視。然而，氨在降低碳排放方面作用明顯，但是由于氨的能量密度低于傳統(tǒng)的航空燃料，直接使用氨進(jìn)行替換將會(huì)影響飛機(jī)的性能。因此，為了使氨能夠具備更好的實(shí)用性，有必要改變傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)方式，提升動(dòng)力系統(tǒng)的效率，并充分利用氨燃料熱力學(xué)特性的優(yōu)勢(shì)。

燃料電池作為一種新興的高效能量轉(zhuǎn)化裝置目前受到了航空領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。相比于傳統(tǒng)熱機(jī)，燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其能量轉(zhuǎn)換效率不受卡諾循環(huán)的限制，可以達(dá)到60%以上。此外，燃料電池還具備噪音小、污染物排放少等優(yōu)勢(shì)。在多種燃料電池中，固體氧化物燃料電池被認(rèn)為是最適合在航空領(lǐng)域應(yīng)用的燃料電池之一。SOFC的工作溫度高，燃料適應(yīng)性好，可以使用現(xiàn)有的航空燃料，并易于與現(xiàn)有的航空動(dòng)力系統(tǒng)相結(jié)合。因此，將SOFC與傳統(tǒng)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合，組成的燃料電池-渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)混合系統(tǒng)是一種應(yīng)用性更高且有助于實(shí)現(xiàn)航空碳減排的航空動(dòng)力系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了燃料電池的高溫尾氣，效率可以達(dá)到70%以上，在不同的能量轉(zhuǎn)換裝置中，具有突出的能量轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢(shì)。

面向航空領(lǐng)域的應(yīng)用需求，將氨燃料電池與傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合，并利用發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱為氨分解供熱，這將是一種高效綠色的航空動(dòng)力系統(tǒng)方案。將氨燃料應(yīng)用在燃料電池-渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)混合系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)氨燃料的高效應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)降低碳排放的同時(shí)，減小對(duì)飛機(jī)性能的影響?；诖耍疚奶岢鲆环N液氨-航空煤油回?zé)崛剂想姵?渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了一種針對(duì)航空應(yīng)用的燃料電池-渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)混合系統(tǒng)，利用燃料電池帶動(dòng)壓氣機(jī)，實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)與渦輪的解耦，提升系統(tǒng)的做功能力。此外，該系統(tǒng)通過化學(xué)回?zé)岬姆绞绞挂喊比剂舷嘧兒蠓纸鉃槿剂想姵乜梢允褂玫臍錃馀c氮?dú)獾幕旌衔铮瑢?shí)現(xiàn)能量品質(zhì)的提高，進(jìn)一步提升動(dòng)力系統(tǒng)的效率。

二、系統(tǒng)核心構(gòu)造與工作原理

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

液氨-航空煤油回?zé)崛剂想姵?渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)是一種創(chuàng)新性架構(gòu)，它有機(jī)地融合了固體氧化物燃料電池與渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兼顧了液氨與航空煤油兩種燃料的特性。系統(tǒng)主要由四大子系統(tǒng)構(gòu)成：氨分解與化學(xué)回?zé)嶙酉到y(tǒng)、固體氧化物燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)、渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)子系統(tǒng)以及燃料供應(yīng)與控制子系統(tǒng)。

在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，液氨儲(chǔ)存于專用儲(chǔ)罐中，通過泵送系統(tǒng)注入化學(xué)回?zé)崞鳌；瘜W(xué)回?zé)崞骼脺u軸發(fā)動(dòng)機(jī)排放的高溫尾氣余熱，使液氨發(fā)生相變并分解為氫氣和氮?dú)獾幕旌衔?。這一過程不僅實(shí)現(xiàn)了能量品位提升，還顯著降低了系統(tǒng)碳排放。分解產(chǎn)生的富氫氣體與部分航空煤油一同進(jìn)入SOFC陽極，而經(jīng)過壓氣機(jī)加壓的空氣則分為兩路：一路進(jìn)入SOFC陰極參與電化學(xué)反應(yīng)，另一路進(jìn)入渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。

SOFC通過電化學(xué)過程將燃料化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓氣機(jī)工作，從而實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)-渦輪解耦，突破了傳統(tǒng)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)中壓氣機(jī)與渦輪的機(jī)械連接限制。SOFC排出的高溫尾氣富含未完全反應(yīng)的氧氣和燃料，被引入渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)行二次燃燒，進(jìn)一步釋放能量，推動(dòng)渦輪做功，產(chǎn)生推進(jìn)動(dòng)力。

2.2 核心組件設(shè)計(jì)

氨分解器是系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一，其性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的效率和碳排放水平。分解器內(nèi)壁涂覆有Ru基催化劑，能夠有效降低氨分解活化能，提高分解效率。研究表明，當(dāng)氨分解器入口溫度高于1050K時(shí)，氨分解轉(zhuǎn)化率接近100%；而當(dāng)溫度進(jìn)一步提升至1129K時(shí)，系統(tǒng)整體性能可得到顯著改善。分解器的設(shè)計(jì)需兼顧換熱效率與流動(dòng)阻力，通常采用管殼式結(jié)構(gòu)，氨燃料流經(jīng)管內(nèi)，高溫尾氣在殼側(cè)流動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)高效熱交換。

固體氧化物燃料電池堆采用平面型設(shè)計(jì)，以兼顧功率密度與耐久性。為適應(yīng)航空環(huán)境，電堆在材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了優(yōu)化。研究表明，當(dāng)操作溫度從800°C降低到700°C時(shí)，電解質(zhì)層進(jìn)出口處的最大熱應(yīng)力分別降低了12.62%和14.37%，但電池性能也會(huì)相應(yīng)下降。為緩解這一矛盾，系統(tǒng)采用減薄電解質(zhì)厚度和使用摻釓氧化鈰作為電解質(zhì)材料的方法，這兩種方法可分別使SOFCs的輸出性能提高65.61%和77.25%。

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了適應(yīng)性改造，燃燒室能夠同時(shí)處理氨分解氣、SOFC尾氣和航空煤油。通過燃料分級(jí)供給策略，實(shí)現(xiàn)了氨氫混合氣與煤油的協(xié)同燃燒，既保證了燃燒穩(wěn)定性，又有效控制了NOx等污染物的生成。

2.3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的工作流程始于液氨的供給與處理。液氨從儲(chǔ)罐流出，經(jīng)過調(diào)壓后進(jìn)入化學(xué)回?zé)崞?。在回?zé)崞鲀?nèi)，液氨吸收渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱，發(fā)生相變并吸熱分解為氫氣和氮?dú)?，分解反?yīng)方程式為：2NH? → 3H? + N? - Q（吸熱反應(yīng)）。此過程不僅制備了SOFC所需的富氫燃料，還通過化學(xué)回?zé)嵊行Щ厥樟讼到y(tǒng)余熱，提升了整體能源利用效率。

分解產(chǎn)生的富氫氣體與部分航空煤油混合后，進(jìn)入SOFC的陽極側(cè)，而經(jīng)過壓氣機(jī)加壓的空氣則進(jìn)入SOFC的陰極側(cè)。在SOFC內(nèi)部，氫氣和一氧化碳等燃料組分在陽極發(fā)生電化學(xué)氧化，氧氣在陰極獲得電子形成氧離子，氧離子通過電解質(zhì)遷移至陽極，完成電化學(xué)反應(yīng)回路，產(chǎn)生直流電能。

SOFC產(chǎn)生的電能直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)壓氣機(jī)工作，這一設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了渦輪-壓氣機(jī)解耦，使兩者能夠運(yùn)行在各自最佳工況點(diǎn)，從而提升系統(tǒng)整體性能。同時(shí)，SOFC排出的高溫尾氣（富含未完全反應(yīng)的燃料和氧氣）被引入渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，與剩余的航空煤油和氨分解氣一同燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)猓苿?dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)做功，通過推進(jìn)器產(chǎn)生飛行所需動(dòng)力。

三、混合動(dòng)力系統(tǒng)的創(chuàng)新性與航空應(yīng)用適配性

3.1 系統(tǒng)構(gòu)型創(chuàng)新

與傳統(tǒng)混合動(dòng)力系統(tǒng)相比，液氨-航空煤油回?zé)崛剂想姵?渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)在構(gòu)型上實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)創(chuàng)新。其中最核心的是通過SOFC驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了渦輪-壓氣機(jī)解耦。在傳統(tǒng)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)中，壓氣機(jī)與渦輪通過機(jī)械軸剛性連接，導(dǎo)致運(yùn)行工況相互制約，限制了發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能提升。而在本系統(tǒng)中，SOFC提供的電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)獨(dú)立帶動(dòng)壓氣機(jī)，使壓氣機(jī)和渦輪能夠分別運(yùn)行在各自最優(yōu)轉(zhuǎn)速和壓比下，大幅提升了系統(tǒng)運(yùn)行靈活性和工作效率。

另一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新是化學(xué)回?zé)崤c氨分解的有機(jī)結(jié)合。傳統(tǒng)回?zé)嵫h(huán)通常以空氣為換熱工質(zhì)，存在管路復(fù)雜、壓力損失大等問題。本系統(tǒng)以液氨為回?zé)峁べ|(zhì)，不僅簡(jiǎn)化了管路設(shè)計(jì)，降低了壓力損失，還通過氨的分解反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了能量品位的提升。氨分解吸熱特性使其成為理想的熱管理介質(zhì)，同時(shí)分解產(chǎn)生的氫氣具有更高的燃燒活性和能量密度，有效彌補(bǔ)了氨燃料燃燒性能的不足。

3.2 碳減排與性能優(yōu)勢(shì)

面向航空領(lǐng)域碳減排的迫切需求，該系統(tǒng)展現(xiàn)出顯著的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)果表明，在相同輸出功率條件下，系統(tǒng)以提高44.96%油耗為代價(jià)，降低了87.46%的碳排放；而在相同渦輪前溫度條件下，以提高16.49%油耗為代價(jià)，降低了43.99%的碳排放。這種以較小性能代價(jià)換取大幅度碳減排的特性，使系統(tǒng)在環(huán)保要求日益嚴(yán)格的航空領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

系統(tǒng)還突破了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能極限。在等功率條件下，系統(tǒng)渦輪進(jìn)口溫度降低超300K；在等渦輪進(jìn)口溫度條件下，功率輸出能力提升近50%。系統(tǒng)功率隨壓比持續(xù)增長，峰值功率較傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)高50%以上，低空輸出功率提升約70%，這一特性特別適合對(duì)低速低空性能有要求的航空器，如無人機(jī)、eVTOL等飛行器。

3.3 航空應(yīng)用適配性

該混合動(dòng)力系統(tǒng)在航空應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，其低速（<0.3馬赫）和低空（<3000米）條件下的最佳綜合效率特性，使其特別適合新興航空器的應(yīng)用需求。對(duì)于現(xiàn)代eVTOL、無人機(jī)等飛行器，往往需要在低空低速條件下維持高效運(yùn)行，傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)在此工況下效率顯著下降，而本系統(tǒng)通過SOFC與渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)同工作，能夠在寬泛的飛行條件下保持高效率。

系統(tǒng)的功率密度優(yōu)勢(shì)也是其適合航空應(yīng)用的重要因素。通過SOFC與渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的集成，系統(tǒng)在相同重量和體積下能夠提供更多動(dòng)力，這對(duì)于對(duì)重量和尺寸極為敏感的航空應(yīng)用至關(guān)重要。研究表明，通過優(yōu)化電池材料和連接體結(jié)構(gòu)，SOFC的功重比可得到顯著提升，使其更適應(yīng)航空混動(dòng)系統(tǒng)的需求。

此外，系統(tǒng)的燃料靈活性也為航空應(yīng)用提供了便利。系統(tǒng)既可以使用純氨燃料，也可以使用氨-煤油混合燃料，這種靈活性使得系統(tǒng)在不同階段和不同地區(qū)的應(yīng)用成為可能。在氨燃料基礎(chǔ)設(shè)施不完善的初期階段或地區(qū)，可以適當(dāng)增加煤油比例；而在基礎(chǔ)設(shè)施完善后，則可提高氨燃料比例，實(shí)現(xiàn)近零碳排放。

四、熱力學(xué)模型構(gòu)建與驗(yàn)證

4.1 SOFC電化學(xué)模型

固體氧化物燃料電池的電化學(xué)模型是混合動(dòng)力系統(tǒng)建模的核心部分。模型主要描述SOFC內(nèi)部發(fā)生的電化學(xué)過程及其能量轉(zhuǎn)換效率。SOFC的輸出電壓可由以下公式表示：V = E? - ηact - ηohm - ηconc。其中，E?為開路電壓，ηact為活化過電位，ηohm為歐姆過電位，ηconc為濃度差過電位。

開路電壓E?由能斯特方程決定，與操作溫度、反應(yīng)物和生成物的濃度相關(guān)?；罨^電位主要由電化學(xué)反應(yīng)速率決定，與催化劑活性、操作溫度密切相關(guān)。歐姆過電位源于離子在電解質(zhì)中的遷移和電子在電極中的傳輸阻力，與電解質(zhì)厚度、材料導(dǎo)電性相關(guān)。研究表明，減小電解質(zhì)厚度或使用GDC等高性能電解質(zhì)材料，可顯著降低歐姆損失，使SOFC輸出性能提升65.61%-77.25%。濃度差過電位則由反應(yīng)物和生成物在多孔電極內(nèi)的質(zhì)量傳輸限制引起。

為驗(yàn)證SOFC電化學(xué)模型的準(zhǔn)確性，研究人員通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行了模型驗(yàn)證。大連海事大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過多物理場(chǎng)模擬方法，對(duì)氨燃料平面SOFCs進(jìn)行了全面評(píng)估，結(jié)果表明模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同操作條件（溫度、壓力、燃料成分）下的電池性能。上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了SOFC模型在氨-煤油雙燃料條件下的適應(yīng)性，結(jié)果顯示模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在5%以內(nèi)。

4.2 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)模型

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)模型基于熱力學(xué)守恒定律建立，包括質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒方程。對(duì)于混合動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)模型需要特別考慮與SOFC的耦合效應(yīng)以及多燃料燃燒特性。

壓氣機(jī)模型采用等熵效率定義，通過壓比和效率映射圖描述其特性。在傳統(tǒng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，壓氣機(jī)與渦輪通過機(jī)械連接，而在本混合系統(tǒng)中，SOFC驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)為壓氣機(jī)提供動(dòng)力，因此壓氣機(jī)模型需考慮電動(dòng)機(jī)特性和SOFC的電能輸出。

燃燒室模型基于化學(xué)平衡原理，同時(shí)考慮氨、氫氣和航空煤油的混合燃燒過程。由于氨的燃燒速度較慢，燃燒室模型需要準(zhǔn)確反映氨-氫-煤油混合氣的特殊燃燒特性，包括點(diǎn)火延遲、火焰穩(wěn)定性和污染物生成等。

渦輪模型同樣基于等熵效率概念，通過膨脹比和效率描述其能量轉(zhuǎn)換特性。渦輪不僅需要驅(qū)動(dòng)自身軸系，還要為系統(tǒng)提供推進(jìn)動(dòng)力，因此渦輪模型需綜合考慮多種功率輸出路徑。

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)模型的驗(yàn)證主要通過與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比進(jìn)行。研究表明，在考慮SOFC耦合效應(yīng)后，模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)系統(tǒng)在變工況條件下的性能變化，特別是在低速低空條件下的特性。

4.3 氨分解制氫模型

氨分解制氫過程的建模對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)至關(guān)重要。氨分解反應(yīng)為：2NH? ? 3H? + N?，反應(yīng)焓變?yōu)?span style="color:rgb(229,51,51);">+66.5 kJ/mol。該反應(yīng)為可逆吸熱反應(yīng)，反應(yīng)速率受溫度、壓力和催化劑活性影響。

氨分解率是描述分解過程的關(guān)鍵參數(shù)，定義為已分解的氨占初始氨的摩爾分?jǐn)?shù)。研究表明，氨分解率與溫度密切相關(guān)，當(dāng)溫度高于1050K時(shí)，分解率接近100%。此外，氨流量也對(duì)分解率有顯著影響，在相同溫度下，氨流量增加會(huì)導(dǎo)致分解率下降，但這種影響在高溫條件下逐漸減弱。

氨分解器模型通過能量平衡方程、質(zhì)量平衡方程和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程共同描述。能量平衡考慮了氨分解的吸熱量與尾氣廢熱的供給關(guān)系；質(zhì)量平衡跟蹤氨、氫氣和氮物的變化；反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程則描述了氨分解速率與操作條件的關(guān)系，通常采用Arrhenius方程形式。

氨分解制氫模型的驗(yàn)證主要通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)量與模擬預(yù)測(cè)的分解率進(jìn)行。上海交通大學(xué)的研究表明，在1050-1129K的溫度范圍內(nèi)，模型預(yù)測(cè)的分解率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度一致，最大相對(duì)誤差不超過3%。

4.4 熱交換器模型

熱交換器模型主要描述系統(tǒng)內(nèi)各種熱量交換過程，特別是化學(xué)回?zé)崞髦械臒崃炕厥铡ＤＰ突?span style="color:rgb(229,51,51);">效能-傳熱單元數(shù)法建立，通過對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算傳熱速率。

化學(xué)回?zé)崞鞯哪Ｐ拖鄬?duì)復(fù)雜，需要同時(shí)考慮傳熱傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的耦合效應(yīng)?；?zé)崞髦械膫鳠徇^程包括對(duì)流換熱和導(dǎo)熱，而氨分解反應(yīng)則與溫度分布密切相關(guān)。為準(zhǔn)確描述這一過程，模型采用分布參數(shù)法，將回?zé)崞鲃澐譃槎鄠€(gè)微元，對(duì)每個(gè)微元建立平衡方程。

熱交換器模型的驗(yàn)證主要通過對(duì)比實(shí)際換熱器性能數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果。研究表明，模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同流量和溫度條件下化學(xué)回?zé)崞鞯男阅?，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。

五、系統(tǒng)性能影響因素分析

5.1 SOFC過量空氣系數(shù)的影響

過量空氣系數(shù)（λ）是影響SOFC性能乃至整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)效率的關(guān)鍵參數(shù)之一。過量空氣系數(shù)定義為實(shí)際供給空氣量與理論上燃料完全燃燒所需空氣量的比值。

研究表明，增加過量空氣系數(shù)可以改善SOFC的電池性能，原因是充足的空氣供應(yīng)促進(jìn)了陰極側(cè)的氧還原反應(yīng)，提高了反應(yīng)速率，同時(shí)有助于維持電池堆的溫度均勻性，避免局部過熱。然而，過高的過量空氣系數(shù)也會(huì)帶來不利影響，主要是增大了壓氣機(jī)的功耗，降低了系統(tǒng)凈輸出功率。因此，存在一個(gè)最優(yōu)過量空氣系數(shù)范圍，使系統(tǒng)總體效率達(dá)到最高。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)過量空氣系數(shù)從2.0增加到3.5時(shí)，SOFC的發(fā)電效率提高了約8%，但由于壓氣機(jī)功耗增加，系統(tǒng)凈效率僅提高約3%。當(dāng)過量空氣系數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，系統(tǒng)凈效率反而開始下降。因此，在實(shí)際操作中，需要根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)動(dòng)態(tài)優(yōu)化過量空氣系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

5.2 燃料利用率的影響

燃料利用率（Uf）是另一個(gè)影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，定義為SOFC中實(shí)際參與電化學(xué)反應(yīng)的燃料量與供給燃料總量的比值。燃料利用率直接影響系統(tǒng)的燃料經(jīng)濟(jì)性和碳排放水平。

研究表明，當(dāng)燃料利用率提升時(shí)，雙燃料系統(tǒng)比油耗顯著降低，原因是更多的燃料通過高效的電化學(xué)過程轉(zhuǎn)化為電能，而非通過燃燒過程。然而，過高的燃料利用率會(huì)導(dǎo)致SOFC效率下降，主要是因?yàn)槿剂喜蛔銋^(qū)域的極化損失增加。

燃料利用率還需與氨分解率協(xié)同優(yōu)化，當(dāng)燃料利用率與氨分解率匹配時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的碳減排效果。研究發(fā)現(xiàn)，在中等燃料利用率（0.7-0.75）條件下，系統(tǒng)能夠在保持較高效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)顯著的碳減排。因此，在實(shí)際操作中，燃料利用率的選擇需要平衡油耗與碳減排的雙重需求，根據(jù)系統(tǒng)工作模式和飛行階段動(dòng)態(tài)調(diào)整。

5.3 氨分解溫度的影響

氨分解溫度對(duì)系統(tǒng)性能有著極為顯著的影響。氨分解是一個(gè)強(qiáng)吸熱反應(yīng)，需要足夠高的溫度才能實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)化率。研究表明，當(dāng)分解溫度從800°C提升至850°C時(shí)，氨分解率可提高約12%，系統(tǒng)碳排放減少12.7%。

高溫有利于氨分解反應(yīng)的進(jìn)行，但同時(shí)也對(duì)材料耐溫性能提出了更高要求。當(dāng)分解溫度超過800°C時(shí)，系統(tǒng)性能得到明顯提升，但需要考慮材料長期耐受性的限制。因此，在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要在性能提升與材料成本及可靠性之間尋求平衡。

氨分解溫度還影響分解氣的組成和能量品位。較高的分解溫度產(chǎn)生更多氫氣，提高了燃料的燃燒活性，這對(duì)于改善氨燃料的燃燒特性尤為有利。研究表明，當(dāng)氨分解溫度從800°C升高到850°C時(shí)，分解氣中氫氣濃度提高約15%，使得燃燒室燃燒效率提升約8%。

六、性能評(píng)估結(jié)果與分析

6.1 相同輸出功率下的性能評(píng)估

在相同輸出功率條件下，液氨-航空煤油回?zé)崛剂想姵?渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)展現(xiàn)出顯著的碳減排效果。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)相比，混合動(dòng)力系統(tǒng)以提高44.96%油耗為代價(jià)，降低了87.46%的碳排放。這一特性表明，系統(tǒng)以相對(duì)較小的油耗增加換取了大幅度的碳減排，對(duì)于注重環(huán)保性能的航空應(yīng)用場(chǎng)景具有重要價(jià)值。

在等功率條件下，系統(tǒng)的渦輪進(jìn)口溫度（TIT）比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)降低超過300K。這一特性帶來了兩方面好處：一方面，較低的渦輪進(jìn)口溫度減輕了渦輪冷卻系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和使用壽命；另一方面，為提升系統(tǒng)功率輸出潛力提供了空間，在需要更大推力的工況下，可以通過提高渦輪進(jìn)口溫度來增加功率輸出。

系統(tǒng)在等功率條件下的另一優(yōu)勢(shì)是突破傳統(tǒng)壓比限制。傳統(tǒng)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的壓比受渦輪-壓氣機(jī)機(jī)械連接的限制，而本系統(tǒng)中，由于SOFC驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)了解耦，系統(tǒng)功率可以隨壓比持續(xù)增長，不受傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)壓比限制的制約。這一特性使得系統(tǒng)在低空條件下輸出功率提升約70%，特別適合對(duì)低空性能有特殊要求的航空器，如無人機(jī)、救援直升機(jī)等。

6.2 相同渦輪前溫度的性能評(píng)估

在相同渦輪前溫度條件下，液氨-航空煤油回?zé)崛剂想姵?渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)表現(xiàn)出卓越的性能提升。研究顯示，與傳統(tǒng)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)相比，混合動(dòng)力系統(tǒng)僅需提高16.49%的油耗代價(jià)，即可實(shí)現(xiàn)43.99%的碳減排。同時(shí)，系統(tǒng)的功率輸出能力提升近50%。

這一結(jié)果表明，在渦輪前溫度相同的條件下，混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠以相對(duì)較小的油耗增加實(shí)現(xiàn)大幅功率提升和顯著碳減排。這對(duì)于注重動(dòng)力性能的航空應(yīng)用場(chǎng)景尤為重要，如需要快速起飛、高速飛行或高機(jī)動(dòng)性的航空器。

系統(tǒng)在等渦輪前溫度條件下的高效率還得益于化學(xué)回?zé)嵝?yīng)和燃料品位提升。氨分解過程吸收了系統(tǒng)余熱，產(chǎn)生的氫氣具有更高的能量密度和燃燒速率，從而提高了燃燒效率。同時(shí)，SOFC的高效發(fā)電能力使系統(tǒng)能夠更充分地利用燃料化學(xué)能，實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用。

6.3 綜合性能對(duì)比與分析

綜合來看，液氨-航空煤油回?zé)崛剂想姵?渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)在熱效率、推進(jìn)效率和總效率方面均具有突出優(yōu)勢(shì)。研究表明，系統(tǒng)的總效率相比常規(guī)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)提升40%以上。這種效率提升主要來源于兩個(gè)方面：一是SOFC直接發(fā)電的高效性，其能量轉(zhuǎn)換效率不受卡諾循環(huán)限制；二是系統(tǒng)集成的協(xié)同效應(yīng)，特別是化學(xué)回?zé)岷桶狈纸庵茪鋷淼哪芰科肺惶嵘?/strong>

系統(tǒng)的碳減排潛力也是其重要優(yōu)勢(shì)之一。通過使用氨作為低碳燃料，并結(jié)合SOFC的高效發(fā)電，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大幅碳減排。等功率條件下88.32%的碳減排和等渦輪進(jìn)口溫度條件下52.84%的碳減排，使系統(tǒng)能夠滿足未來嚴(yán)格的航空碳排放標(biāo)準(zhǔn)。

系統(tǒng)的工況適應(yīng)性也值得關(guān)注。在低速（<0.3馬赫）和低空（<3000米）條件下，系統(tǒng)展現(xiàn)最佳綜合效率，燃料消耗懲罰較小。這一特性使系統(tǒng)特別適合新興航空應(yīng)用，如城市空中交通（UAM）中的eVTOL、無人機(jī)物流等，這些應(yīng)用通常需要在低空低速條件下維持高效運(yùn)行。

七、結(jié)論與展望

本文提出的液氨-航空煤油回?zé)崛剂想姵?渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)，通過系統(tǒng)架構(gòu)創(chuàng)新和多能源融合，成功解決了航空領(lǐng)域面臨的碳減排與性能保持的雙重挑戰(zhàn)。系統(tǒng)通過SOFC與渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了能量梯級(jí)利用和品位提升，同時(shí)兼顧了高效率、低排放和高功率密度的多重優(yōu)勢(shì)。

研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)在相同輸出功率條件下，能夠以44.96%的油耗增加換取87.46%的碳減排；在相同渦輪前溫度條件下，以16.49%的油耗增加實(shí)現(xiàn)43.99%的碳減排，同時(shí)功率輸出能力提升近50%。這種以較小性能代價(jià)換取大幅度碳減排的特性，使系統(tǒng)在航空碳減排領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)和廣泛應(yīng)用前景。

未來，隨著氨燃料生產(chǎn)綠色化程度的提高和SOFC技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，液氨-航空煤油回?zé)崛剂想姵?渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)有望在航空動(dòng)力領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用。特別是在城市空中交通、區(qū)域短途運(yùn)輸和無人航空器等新興領(lǐng)域，該系統(tǒng)可為實(shí)現(xiàn)綠色航空提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

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湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來持續(xù)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，成長為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟(jì)等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測(cè)試設(shè)備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競(jìng)爭(zhēng)力提供堅(jiān)實(shí)支撐。

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