氢燃料电池支线飞机概念设计与性能分析

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30613

氢能飞行器技术专栏

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氢燃料电池支线飞机概念设计与性能分析

纪宇晗(), 曾凡苍, 王翔宇, 王元元

中国航空工业发展研究中心，北京 100029

收稿日期:2024-04-26 修回日期:2024-05-31 接受日期:2024-06-13 出版日期:2024-06-21 发布日期:2024-06-20
通讯作者: 纪宇晗 E-mail:jiyh015@avic.com

Concept design and performance analysis of hydrogen fuel cell regional aircraft

Yuhan JI(), Fancang ZENG, Xiangyu WANG, Yuanyuan WANG

Aviation Industry Development Research Center of China，Beijing 100029，China

Received:2024-04-26 Revised:2024-05-31 Accepted:2024-06-13 Online:2024-06-21 Published:2024-06-20
Contact: Yuhan JI E-mail:jiyh015@avic.com

摘要/Abstract

摘要：

氢能源飞机是航空业实现绿色能源转型的重要途径，全球多个国家正在积极进行氢能源商用飞机的研究与试验。氢燃料电池支线飞机是当下最热门的发展方向之一，以道尼尔228和冲8-Q300为平台的氢能改装飞机已率先完成首飞，有望在2027年前投入商用。针对支线及以上级别氢能源飞机的整体方案设计和可行性论证较少，难以有效支撑氢能航空发展的情况，提出了一种基于现有涡桨支线飞机平台的氢燃料电池动力改装设计方案，并通过仿真方法分析了改装后的飞机性能水平，估算了氢能源飞机的使用成本和碳排放强度。与传统燃油动力飞机相比，氢能源飞机的主要劣势是最大航程和舱位容积更低，氢燃料的使用成本也更高。氢能源飞机的有效载荷与燃油动力飞机基本持平，飞行效率略高于燃油动力飞机，全生命周期的碳排放极低。随着氢能技术进步，氢能源飞机的性能表现有望追上甚至超越燃油动力飞机。

关键词: 氢, 燃料电池, 飞机, 储氢, 碳排放, 运营成本, 民用航空

Abstract:

Hydrogen aircraft is an important development direction of the aviation industry to achieve green energy transformation. Airbus， Universal Hydrogen and other institutions are conducting research on hydrogen aircraft. Hydrogen fuel cell regional aircraft is one of the hottest development directions at the moment. Hydrogen-powered DHC-8-300 and Dornier 228 have completed their first flight and are expected to be put into commercial use by 2027. But now， the research on hydrogen regional aircraft in China mostly stays in technical exploration， and there are few studies on the overall design scheme of full-size regional aircraft platform. In this paper， a retrofit design of hydrogen fuel cell power based on the turboprop regional aircraft platform is proposed， and the performance of the hydrogen fuel cell aircraft is analyzed by simulation method. The regional aircraft with modified hydrogen fuel cell uses a hybrid energy system of liquid hydrogen fuel and lithium battery， powered by electric motors. The main disadvantages of hydrogen aircraft compared to jet aircraft are lower maximum range， seating capacity and higher operating costs. The payload of the hydrogen aircraft is equal to that of the jet aircraft. The flight efficiency of hydrogen aircraft is higher， and the carbon emissions are extremely low. With technological advances， hydrogen aircraft is expected to match or even surpass the performance of jet aircraft.

Key words: hydrogen, fuel cell, aircraft, hydrogen storage, carbon emission, operating cost, civil aviation

中图分类号:

V272

纪宇晗, 曾凡苍, 王翔宇, 王元元. 氢燃料电池支线飞机概念设计与性能分析[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 630613.

Yuhan JI, Fancang ZENG, Xiangyu WANG, Yuanyuan WANG. Concept design and performance analysis of hydrogen fuel cell regional aircraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(9): 630613.

图/表 22

表 1

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参考文献 51

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	改装前	改装后	变化量/%
最大起飞质量/kg	21 800	21 800
翼展/m	29.2	29.2
机身长度/m	24.71	24.71
客舱高度/m	1.907	1.907
客舱宽度/m	2.686	2.686
客舱长度/m	10.79	10.79
设计载客量/人	60	44^，52^*	-26.7，-13.3

性能参数	预测值
燃料电池功率质量密度/（kW·kg^-1）	2
燃料电池功率体积密度/（kW·L^-1）	1.5
氢电转化效率/%	60
设计寿命/h	1.5×10⁴
成本/（元·kW^-1）	400
碳排放（以CO₂计）/（kg·kW^-1）	50

性能参数	预测值
最大供电功率/MW	4.2
燃料电池最大功率/MW	2.63
燃料电池功率密度/（kW·kg^-1）	2
燃料电池质量/kg	1 315
锂电池总能量/（kW·h）	458
锂电池能量质量密度/（W·h·kg^-1）	600
锂电池能量体积密度/（W·h·L^-1）	1 200
锂电池功率密度/（kW·kg^-1）	5
锂电池质量/kg	763
锂电池体积/m³	0.382
锂电池循环寿命/次	1 500
锂电池碳排放（以CO₂计）/（kg·kW·h^-1）	80

性能参数	预测值
系统级功率质量密度/（kW·kg^-1）	4
系统级功率体积密度/（kW·L^-1）	4
单机功率/MW	2

组件	航空煤油	氢燃料电池	氢锂混合系统
涡桨发动机/m³	0.87
电动机/m³		0.5	0.5
氢燃料电池/m³		1.4	0.88
发动机短舱/（m×m）	3.4×1.25	4.15×1.69	3.81×1.44

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参数	3号航空煤油	氢气， 70 MPa	液氢， -253 ℃
热值/（MJ·kg^-1）	43	120	120
密度/（kg·m^-3）	800	42	71
能量体积密度/ （GJ·m^-3）	34.4	5	8.5
液化/压缩能/ （kW·h·kg^-1）		2.9~3.2	10.0~13.0

参数	数值
高度/m	1.73
宽度/m	2.01
长度/m	1.7
壁厚/cm	4.6
液氢体积/m³	5.01
液氢质量/kg	355.7
储氢系统质量比	0.3
总质量/kg	1 185.7
碳排放/kg	6.4

参数	大型储氢罐	小型存储罐
高度/m	1.70	0.47
宽度/m	1.98	0.47
长度/m	2.3	1.35
液氢体积/m³	5.89	0.22
液氢质量/kg	418.19	15.62
储氢系统质量比	0.5	0.5
单个储氢罐质量/kg	836.38	31.24
储氢罐数量	1	28
液氢总质量/kg	855.55
系统总质量/kg	1 711.1

动力系统	航空煤油/kg	燃料电池/kg	氢电混合/kg
油箱系统	4 030
主动、被动式储氢系统		2 371，1 711	2 371，1 711
发动机、电动机	960	1 005	1 005
氢燃料电池		2 116	1 315
锂电池			763
电气系统	250	285	265
商载	5 500	4 963^，5 623^*	5 023^，5 683^*
其他系统	11 060	11 060	11 060
最大起飞质量	21 800	21 800	21 802

参数	航空煤油	燃料电池	氢电混合（主动储氢）	氢电混合（被动储氢）
商载/kg	5 500	4 963	5 023	5 683
商载变化/%		-9.7	-8.7	3.3
最大航程/km	1 526.2	864.8	864.7	1 039.9
航程变化/%		-43.3	-43.3	-31.9
能量度/ （kW·h·PPK^-1）	0.578	0.557	0.550	0.486
效率提升/%		3.8	5.1	15.9

成本	航空煤油	燃料电池	氢电混合
运营成本增加/%		48.1	46.9
燃料成本/（元·（kW·h）^-1）	0.613	0.911	0.911
燃料成本/（元·PPK^-1）	0.354	0.507	0.501
总运营成本/（元·PPK^-1）	0.360	0.533	0.529

碳排放强度/（g·PPK^-1）	航空煤油	燃料电池	氢电混合
碳排放减少/%		87.6	87.6
储氢系统生产碳排放	0	0.07	0.07
氢燃料电池生产碳排放	0	0.49	0.30
锂电池生产碳排放	0	0	0.56
燃料生命周期碳排放	183.75	22.11	21.85
总体碳排放	183.75	22.67	22.78

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