项目描述

HYLENA将研究、开发和优化一种创新、高效的中短程氢动力电动飞机推进概念。它将通过完全实现碳中和的并大幅提高整体效率来显著减少气候影响。

充分协同使用（信息图1）：

01.电动机（作为推进的主要驱动器），

02.流线型氢燃料SOFC（针对机舱集成进行了几何

优化），

03.燃气轮机（用于热力学集成SOFC），

将成为氢航空的推动者，并将实现高效紧凑的发动机概念。这种颠覆性的推进系统将被称为HYLENA概念。

HYLENA旨在评估和证明一种“改变游戏规则”的发动机类型的可行性，该发动机将固体氧化物燃料电池（SOFC-Solid Oxide Fuel Cells）集成到涡轮机中，以便在电能的基础上利用燃料电池产生的热量。与最先进的涡扇发动机相比，电动马达、涡轮机和以氢气为燃料的异形SOFC的组合将提供更高的整体效率和性能。事实上，HYLENA绩效指标包括二氧化碳排放量；可忽略的氮氧化物和无与伦比的整体效率——最先进的涡扇发动机，这对应于出色的性能提升。它还将能够延长相同油箱尺寸的飞行范围。

HYLENA项目将交付（信息图2）：

1.在固体氧化物燃料电池（SOFC）电池层面：对SOFC电池技术进行实验研究，并确定最有前景的航空应用技术；

2.在固体氧化物燃料电池堆层面：研究和测试以确定最紧凑/轻便/可制造的堆集成方式；

3.在热力学层面：对提出的新型HYLENA概念架构进行循环模拟，并选择性能最好的架构；

4.在发动机设计层面：通过弹性计算和模拟，探索最佳的发动机设计、尺寸和整体部件集成；

5.关于整体发动机效率水平：证明HYLENA概念车可以在有限的重量和复杂性下达到非常高的效率水平；

在演示层面：潜在地面测试演示者的决策档案，以证明HYLENA概念在该项目连续性的第二阶段在实践中是可行的。

当前发动机整体效率的挑战

航空交通的增长不可避免地导致航空燃烧排放的增加，从而加剧了航空在当地和全球的环境和社会影响。从数量上讲，民用航空约占有效辐射强迫评估的人为温室效应总量的3.5%。

在过去的70年里，目前的商用航空发动机一直依赖煤油燃烧涡轮机（涡扇发动机和涡轮螺旋桨发动机）技术，总效率最高可达40%。煤油的碳足迹对气候有重大影响。相反，氢基电动航空有可能彻底改变航空业，并为传统化石燃料提供脱碳能源替代品。该项目旨在为这一社会和科学挑战提供突破性的解决方案。

以不同的方式使用下一代燃料电池

当我们谈论氢基电动航空时，我们通常谈论的是氢燃料电池为电动发动机提供动力。

在最先进的低温燃料电池中，质子交换膜燃料电池（PEM-FC）以约60%的效率产生电力，这意味着以氢气和空气形式供应的化学能的40%以热量的形式释放。

通过HYLENA，我们提出了一种新的架构，该架构结合了高温固体氧化物燃料电池（SOFC）和燃气轮机（GT-gas turbine）的优点，以同时利用电能和热能。

固体氧化物燃料电池的电力用于为驱动螺旋桨或风扇的电动机供电，由于布雷顿循环，产生的热量被稳定到涡轮机中。

因此，这种架构有很多优点：

• 不需要大型热管理系统，涡轮机是自冷的。
• 低压涡轮机中提取的热量转化为机械动力，与燃料电池驱动的电动马达的动力相加。
• 几何灵活性使现在能够考虑将固体氧化物燃料电池和谐地完全集成到新一代发动机吊舱中。

最后，HYLENA发动机概念将在未来提供比低温燃料电池电动发动机更轻、更高效的发动机。

HYLENA可能带来的潜在根本性改善

HYLENA项目将是第一个在飞机应用中解决氢动力组合电动汽车-SOFC-GT发动机概念的项目。

我们对这一新概念的预期收益如下：

• 高整体效率发动机：预期整体效率（>65%）与现有涡扇发动机（~38%）相比
• 燃料灵活性：固体氧化物燃料电池的SAF、天然气、氢气或氨气
• 固体氧化物燃料电池堆设计的几何灵活性：先进的几何结构可集成到更紧凑的移动应用中（如城市空中交通）
• 结构简单，重量轻的燃料电池发动机：结构和控制更简单，没有笨重的电线

堆层上的的重量功率密度：>3-5kW/kg

完

原文，《HYLENA-hydrogen electrical novel architecture》

杨超凡 2025.1.10