項目描述

HYLENA將研究、開發和優化一種創新、高效的中短程氫動力電動飛機推進概念。它將通過完全實現碳中和的并大幅提高整體效率來顯著減少氣候影響。

充分協同使用（信息圖1）：

01.電動機（作為推進的主要驅動器），

02.流線型氫燃料SOFC（針對機艙集成進行了幾何

優化），

03.燃氣輪機（用于熱力學集成SOFC），

將成為氫航空的推動者，并將實現高效緊湊的發動機概念。這種顛覆性的推進系統將被稱為HYLENA概念。

HYLENA旨在評估和證明一種“改變游戲規則”的發動機類型的可行性，該發動機將固體氧化物燃料電池（SOFC-Solid Oxide Fuel Cells）集成到渦輪機中，以便在電能的基礎上利用燃料電池產生的熱量。與最先進的渦扇發動機相比，電動馬達、渦輪機和以氫氣為燃料的異形SOFC的組合將提供更高的整體效率和性能。事實上，HYLENA績效指標包括二氧化碳排放量；可忽略的氮氧化物和無與倫比的整體效率——最先進的渦扇發動機，這對應于出色的性能提升。它還將能夠延長相同油箱尺寸的飛行范圍。

HYLENA項目將交付（信息圖2）：

1.在固體氧化物燃料電池（SOFC）電池層面：對SOFC電池技術進行實驗研究，并確定最有前景的航空應用技術；

2.在固體氧化物燃料電池堆層面：研究和測試以確定最緊湊/輕便/可制造的堆集成方式；

3.在熱力學層面：對提出的新型HYLENA概念架構進行循環模擬，并選擇性能最好的架構；

4.在發動機設計層面：通過彈性計算和模擬，探索最佳的發動機設計、尺寸和整體部件集成；

5.關于整體發動機效率水平：證明HYLENA概念車可以在有限的重量和復雜性下達到非常高的效率水平；

在演示層面：潛在地面測試演示者的決策檔案，以證明HYLENA概念在該項目連續性的第二階段在實踐中是可行的。

當前發動機整體效率的挑戰

航空交通的增長不可避免地導致航空燃燒排放的增加，從而加劇了航空在當地和全球的環境和社會影響。從數量上講，民用航空約占有效輻射強迫評估的人為溫室效應總量的3.5%。

在過去的70年里，目前的商用航空發動機一直依賴煤油燃燒渦輪機（渦扇發動機和渦輪螺旋槳發動機）技術，總效率最高可達40%。煤油的碳足跡對氣候有重大影響。相反，氫基電動航空有可能徹底改變航空業，并為傳統化石燃料提供脫碳能源替代品。該項目旨在為這一社會和科學挑戰提供突破性的解決方案。

以不同的方式使用下一代燃料電池

當我們談論氫基電動航空時，我們通常談論的是氫燃料電池為電動發動機提供動力。

在最先進的低溫燃料電池中，質子交換膜燃料電池（PEM-FC）以約60%的效率產生電力，這意味著以氫氣和空氣形式供應的化學能的40%以熱量的形式釋放。

通過HYLENA，我們提出了一種新的架構，該架構結合了高溫固體氧化物燃料電池（SOFC）和燃氣輪機（GT-gas turbine）的優點，以同時利用電能和熱能。

固體氧化物燃料電池的電力用于為驅動螺旋槳或風扇的電動機供電，由于布雷頓循環，產生的熱量被穩定到渦輪機中。

因此，這種架構有很多優點：

• 不需要大型熱管理系統，渦輪機是自冷的。
• 低壓渦輪機中提取的熱量轉化為機械動力，與燃料電池驅動的電動馬達的動力相加。
• 幾何靈活性使現在能夠考慮將固體氧化物燃料電池和諧地完全集成到新一代發動機吊艙中。

最后，HYLENA發動機概念將在未來提供比低溫燃料電池電動發動機更輕、更高效的發動機。

HYLENA可能帶來的潛在根本性改善

HYLENA項目將是第一個在飛機應用中解決氫動力組合電動汽車-SOFC-GT發動機概念的項目。

我們對這一新概念的預期收益如下：

• 高整體效率發動機：預期整體效率（>65%）與現有渦扇發動機（~38%）相比
• 燃料靈活性：固體氧化物燃料電池的SAF、天然氣、氫氣或氨氣
• 固體氧化物燃料電池堆設計的幾何靈活性：先進的幾何結構可集成到更緊湊的移動應用中（如城市空中交通）
• 結構簡單，重量輕的燃料電池發動機：結構和控制更簡單，沒有笨重的電線

堆層上的的重量功率密度：>3-5kW/kg

完

原文，《HYLENA-hydrogen electrical novel architecture》

楊超凡 2025.1.10