氢燃料电池混合动力客机关键参数敏感性研究

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31066

氢能飞行器技术专栏

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氢燃料电池混合动力客机关键参数敏感性研究

范周伟, 孔垂欢, 刘明, 谭兆光()

中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海 201210

收稿日期:2024-08-16 修回日期:2024-09-29 接受日期:2024-10-09 出版日期:2024-10-24 发布日期:2024-10-23
通讯作者: 谭兆光 E-mail:tanzhaoguang@comac.cc
基金资助:
上海市“超级博士后”激励计划

Sensitivity analysis on key parameters of hybrid hydrogen fuel cell commercial aircraft

Zhouwei FAN, Chuihuan KONG, Ming LIU, Zhaoguang TAN()

Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Commercial Aircraft Corporation of China Ltd. ，Shanghai 201210，China

Received:2024-08-16 Revised:2024-09-29 Accepted:2024-10-09 Online:2024-10-24 Published:2024-10-23
Contact: Zhaoguang TAN E-mail:tanzhaoguang@comac.cc
Supported by:
Shanghai Post-Doctoral Excellence Program

摘要/Abstract

摘要：

氢燃料电池混合动力客机是未来降低航空业碳排放的可行技术路线之一。然而目前针对不同氢燃料电池混合动力技术对飞机整体特性影响的机理分析和定量趋势研究较少。针对该问题，建立了氢燃料电池混合动力客机关键参数敏感性分析方法，定量研究了关键技术参数变化对飞机整体特性的影响和作用趋势。同时，根据当前至未来10年内各阶段氢能技术发展所能达到的不同技术水平，给出匹配不同阶段的最佳动力分配策略。以窄体干线客机为研究对象，开展关键参数敏感性分析。结果表明，氢燃料电池功率密度对飞机的最大起飞质量和使用空重影响最大，而巡航时的氢动力配比对飞机的碳排放量以及燃料和碳税成本影响最大。在不同技术水平下，提高巡航时的氢燃料电池提供的推力占比整体而言可以降低飞机的最大起飞质量以及燃料和碳税成本，但起飞时氢动力占比不能过大。在未来混合动力技术预期发展过程中，当巡航时氢燃料电池提供的推力占比取0.4、起飞时氢燃料电池提供的推力占比取0.15时，飞机可获得最轻的最大起飞质量和最低的燃料和碳税成本。相比于传统飞机，氢燃料电池混合动力客机在未来10年将降低燃料和碳税成本达15%~26%。

关键词: 客机, 总体设计, 敏感性分析, 氢燃料电池, 混合动力

Abstract:

Hybrid hydrogen fuel cell aircraft is one of the feasible technological routes to reduce carbon emissions in the aviation industry. However， there is a lack of mechanism analysis and quantitative trend research on the impact of different hybrid hydrogen fuel cell technologies on the overall characteristics of aircraft. A sensitivity analysis method for key parameters of hybrid hydrogen fuel cell commercial aircraft is established to study the mechanism and impact trend of key technical parameters on the overall characteristics of the aircraft. Optimal power allocation strategies matching different technological development stages from current to future 10-year are proposed based on projected hydrogen energy developments. Focusing on narrow-body commercial aircraft， sensitivity analysis on key parameters are conducted. The results show that the power density of the hydrogen fuel cell has the greatest impact on the maximum takeoff weight and operating empty weight of the aircraft， while the thrust proportion by hydrogen fuel cell during cruising has the greatest impact on the carbon emissions of the aircraft， as well as the fuel and carbon tax costs. At different technical levels， improving the thrust proportion by hydrogen fuel cell during cruising can generally reduce the maximum takeoff weight and fuel and carbon tax costs of the aircraft， though excessive hydrogen power allocation during takeoff should be avoided. Under anticipated hybrid technology development trajectories， the aircraft can obtain the lightest maximum takeoff weight and the lowest fuel and carbon tax costs when the thrust proportion by hydrogen fuel cell during cruising is 0.4 and the thrust proportion by hydrogen fuel cell during takeoff is 0.15. Compared with the traditional aircraft， the hybrid hydrogen fuel cell commercial aircraft can reduce fuel and carbon tax costs by 15%–26% in the next decade.

Key words: commercial aircraft, conceptual design, sensitivity analysis, hydrogen fuel cell, hybrid power

中图分类号:

V221

范周伟, 孔垂欢, 刘明, 谭兆光. 氢燃料电池混合动力客机关键参数敏感性研究[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 631066.

Zhouwei FAN, Chuihuan KONG, Ming LIU, Zhaoguang TAN. Sensitivity analysis on key parameters of hybrid hydrogen fuel cell commercial aircraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(9): 631066.

图/表 16

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参考文献 37

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场景	约束参数
正常起飞	起飞场长
起飞单发失效	爬升梯度
巡航	巡航高度、巡航马赫数、巡航可用爬升率
进近	进近速度
正常着陆	着陆场长
着陆复飞	复飞爬升梯度

成本类型	未来预测值
航空燃油价格^［29］/（元·kg^-1）	9.3
液氢价格^［30］/（元·kg^-1）	14.3
碳税^［30］/（元·kg^-1）	1.6

参数	当前值	预测值
燃料电池系统功率密度^［33］/（kW·kg^-1）	1.5	3.5
电机功率密度^［23］/（kW·kg^-1）	5	10
燃料电池系统效率^［33］	0.60	0.75
电机效率^［23］	0.90	0.95
储氢罐储氢比^［20］	0.6	0.8

场景	约束参数	约束范围
正常起飞	起飞场长/m	≤2 200
起飞单发失效	爬升梯度^［26］/%	≥2.7
巡航	巡航高度/m	11 000
	巡航马赫数Ma	0.785
	巡航可用爬升率/（m·s^-1）	≥0.5
进近	进近速度/（m·s^-1）	≤72
正常着陆	着陆场长/m	≤1 800
着陆复飞	复飞爬升梯度^［26］/%	≥2.4

参数	最小值	默认值	最大值
氢燃料电池功率密度/（kW·kg^-1）	1.2	3.5	4.2
电机功率密度/（kW·kg^-1）	4	10	12
储氢罐储氢比	0.48	0.80	0.96
起飞时氢燃料电池提供的推力占比	0.05	0.10	0.15
巡航时氢燃料电池提供的推力占比	0.1	0.2	0.4

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