氢能航空机体机构核心技术与研究现状

电推进飞机 2023-11-08

近年来，美国、日本和欧洲等发达国家和地区纷纷加大氢能研发的投入，重点支持乘用车、加氢站、公共汽车、电解水制氢装置、中重型运输（包括中型到大型乘用车、商用车、重载卡车、火车、海运、航空）等领域。未来氢能在航空业要完全替代传统石化燃料需要面临动力推进系统、机载氢燃料储存、机场基础设施建设以及氢燃料生产等一系列关键技术的挑战和突破。随着全球为限制气候变化和建立可持续经济所作的努力，使用氢作为能源载体替代化石能源将成为另一项重要应用。除了可再生能源和能源效率作为高效能源转型的两个支柱之外，氢能可以摆脱化石燃料的局限，并成为一个重要的能源补充。

氢能航空的发展优势

从经济性的角度看，未来氢能将首先在交通运输系统中应用，替代燃油；其次在钢铁冶金行业和发电/热电联供中应用，替代煤炭和天然气；最后在含氢的化学产品生产领域应用，替代部分煤炭和石油。

氢能航空的重要意义，据美国环保局统计数据，包括航空在内的所有运输系统，占全球人类温室气体排放的25%。氢能源在航空领域的应用意味着航空产业链的重构，相比传统的石化燃料，氢能在其全生命周期内，可减少高达绝大部分的CO2排放。为了解决航空领域污染排放严重、噪声大、能源转换效率低的问题，需要航空业进行持续性和颠覆性的技术革新，攻克低碳发展的关键技术，实现航空业的低碳能源转型。氢能航空是的绿色发展的关键，也是我国2060年实现碳中和目标的核心。

全球氢能航空的研究现状

全球氢能航空的研究现状氢能航空的国际发展变革，一场突如其来的新冠肺炎疫情，令全球航空业遭受了前所未有的重创，各国政府为了稳定航空业的持续发展，都出台了一系列扶持和保障政策。除了从经济政策方面大力支持航空企业渡过难关，还在同航空业一道从危机中寻找新的增长点。其中，氢能源的开发和利用被世界各国视为未来航空领域的新机遇。全球航空业正在围绕氢能源开展一场颠覆性的技术革命。

欧盟Hydrogen-PoweredAviation还确定了相关研究的三个阶段：

①2020~2028年发展基础性技术研究阶段：加快通勤飞机的认证，实现短途氢能飞机的试飞，制定技术路线和基础方案建设，从安全性和经济市场等方面提供保障；

②2028~2035年集中扩大核心氢能组件的应用规模阶段：将氢能源技术应用于中程飞机，同时为氢能航空的突破性技术打好基础；

③2035~2050年为中远程概念机和原型机的发展阶段：新的颠覆性机型设计及大规模燃料供应和快速加注的新技术。

美国能源部计划5年内投资1亿美元，支持由美国国家实验室主导的氢能和氢燃料电池的关键技术研究，以期能够促进氢能航空动力的研究和发展。计划还提出了未来10年氢能研发和示范的战略布局，并在氢燃料电池和燃气轮机的氢能转化技术方面，明确了技术路线。

①确定了氢能全产业链中应重点领域的关键技术和经济指标，期望通过技术创新，提高技术稳定性、经济性和效率，加快一部分氢能技术及产品的商业化应用；

②加大对氢能相关技术的攻关，期望为美国氢能经济产业提供多元化的发展道路；

③开展氢能标准的研究和制定。美国初创公司ZeroAvia基于派珀M350飞机改装的氢燃料电池飞机首飞成功。

UKHydrogenStrategy将与氢能航空相关的氢能经济路线图分为四个阶段，

①2022~2024年实现小规模电解制氢，并开展航空试验；

②2025~2027年试点采用碳捕获、利用与碳封存（CCUS）技术的氢能项目，并持续扩大电解制氢的生产能力，全面应用氢能的小规模集群管网、卡车运输和小型存储技术，并开展航空试验；

③2028~2030年采用大规模CCUS制氢技术及大规模电解制氢，实现大规模存储与天然气网络整合，并在航空领域实现应用；

④2030年以后，不断扩大生产规模及应用范围，形成区域或国家网络，在航空领域实现大规模应用。

关键技术攻关，欧盟Hydrogen-PoweredAviation研究报告基于氢能技术的可行性分析进行了分析，针对不确定性以及技术壁垒、关键驱动因素，形成了氢能动力研发与创新研究的技术路线。技术路线分为核心氢能组件的开发、氢能飞机系统的设计（包括新型飞机的设计）、明确基础设施壁垒和建立治理架构四个领域。空客公司经过研究，认为氢能是实现航空运输零排放的最快途径，将研究重心转向氢动力飞机，并制定了发展路线图，而短期内氢能动力客机难以投入使用，氢能航空的发展还面临着巨大挑战。

英国航空航天技术研究院（ATI）“FlyZero”（零碳飞行）项目的研究内容包括氢燃料涡轮发动机及推进器、电推进系统、氢燃料电池、热管理、低温氢燃料系统和储存、空气动力学结构等6项关键技术，另外还涉及飞机系统、机场/航线/空域、材料、全生命周期评价、加速设计与验证、可持续客舱设计、制造等相关交叉技术。FlyZero研究成果显示，氢能飞机不仅在技术上可行，且与常规煤油航空及可持续航空燃料（SAF）相比，其运营经济性更高，具备全部短途航线和93%远程航线的能力。

氢能的存储及机型设计，《2021年全球及中国氢能飞机产业深度研究报告》显示，随着低温存储技术、飞机推进系统技术、氢燃料提取技术及氢动力飞机的结构设计技术的不断突破，未来全球氢能飞机市场规模将在2030年前后达到约71亿美元的规模，复合年增长率约达到47%。然而在发现巨大市场潜力的同时，也必须意识到，要想真正实现氢能替代传统燃油，不仅需要飞机制造商做大量的工作，更需要行业配套企业推进氢能的运输储存，以配合氢能源在航空领域的推广应用。除了飞行器本身，利用氢能实现绿色转型还需要更多基础设施的保障，另外，氢能源的生产、运输和存储问题也是氢能航空的关键。

对于机场来说，如何实现氢燃料的低成本运输和存储，将直接影响到航空公司未来的经济运营。因传统机翼油箱不适合储存液氢燃料，目前已有液态氢存储技术的相关研究，例如储存罐采用球形或柱形的设计。氢能航空需要引入全新的、颠覆性的机体设计，为了提高飞机内部空间利用率，翼身融合、箱式机翼结构等创新性的研发思路已经颠覆了传统的机型结构。

空客公司作为欧洲业内领先的飞机制造商，于2020年9月公布的3种氢燃料ZEROe型概念机，其中一种型号采用了“翼身融合”的设计，并以液态氢作为主要燃料。此概念机型的设计方案集和了“翼身融合”与分布式推进系统的优势，所设计的超宽机体为氢燃料的储存、配送以及客舱布局提供了更多的选择。分布式设计体现了飞机从单一动力研究到飞机总体、动力、机电等技术集成研究的变化，是航空业革命性的转折，为科技发展提供新的方向。

氢能航空的关键技术

动力系统是氢能航空的关键，目前研究能够实现零排放的推进技术包含全电动、涡轮电推进、氢燃料发动机和燃料电池等方式。全电推进技术是航空业实现零排放动力系统的重要发展方向之一，但由于电池的能量密度低，限制了全电动飞机的尺寸和航程。涡轮电推进系统能够通过内燃机来补偿电池能量密度较低的缺陷，可增加续航里程，因此飞机和推进系统的设计有了设计空间，混合电推进飞机比传统涡轮飞机复杂且质量大，需要采用模块化、多功能和集成化的结构。对于氢能航空而言，氢燃料电池是实现航空零排放的可行动力方式，也是实现氢能在航空领域应用的最有效途径。

氢燃料储存技术，氢气储存技术是氢能航空发展的关键，也是目前限制氢能大规模应用的技术瓶颈。目前研究的氢储存技术主要包括高压气态储氢、液态储氢和储氢材料储氢三种方式。高压气态储氢技术是将氢气压缩到耐高压的储气罐中，储气罐工作压力一般在35~70MPa之间。高压气罐的结构类型是氢能储存的关键因素，一般分为Ⅰ型（全金属结构）、Ⅱ型（金属内胆纤维环向缠绕结构）、Ⅲ型（金属内胆纤维全缠绕结构）、Ⅳ型（非金属内胆纤维全缠绕结构）。目前国外已经实现IV型储氢罐（70MPa压力）的应用，但该氢气储存技术的缺点在于体积比容量低、储氢量少，安全性能差。

高压气态储氢，液态储氢是将氢气低温液化后再封装储存。液态氢的能量可达到10.05mJ/L，是50MPa下气态氢的2倍。因此，相比于气态存储，液态氢气的存储具有能量密度高、储氢密度大、运输方便的优势。但与其它液态气体，氢气液化后的沸点温度低，只有20.37K，且氢气在-252℃以下才能液化，与正常环境的温度差值较大，所以对液氢存储容器有很高的绝热要求，耗能大。同时还存在对容器密封性要求高。目前，国内缺乏液氢的相关技术标准和政策规范。

低温液态储氢，储氢材料储氢技术是利用固体储氢材料如稀土合金、有机液体材料等通过吸附储氢、化学储氢来实现氢的储存与释放，目前国内外产业化均很少，基本处于小规模实验阶段。吸附储氢技术最大的优势是安全性，主要利用包括金属合金、碳质材料、水合物、金属框架物等对氢的吸附来达到储氢的作用。但就目前技术而言，存在化学储氢放氢难、储氢密度低、成本高等问题。

储氢材料储氢，飞机的续航里程、体积、重量等因素与氢能源的储存方法直接相关，在航空业需要要大幅度提高储能设备储存能量密度。其关键技术包括：能量密度储存技术；能量的管理技术；能量的产生技术；电能储存所需要基础设施；快速能量储存和均匀释放技术；高能量密度能量储存的基础材料技术；能量储放的热管理技术等等。氢气储运的成本、效率以及含量等都直接决定着氢能是否得到更好的利用，如何提高氢气存储方式，降低运输成本，是氢能航空领域的研究趋势。

航空动力推进技术，从动力系统方面考虑，实现零排放的推进技术包括全电动、涡轮电推进、氢燃料发动机和燃料电池等。针对飞机的动力推进系统技术，全球正在开展大规模的研究，采用氢能推进技术是一种绿色低碳的推进系统。飞机的动力体系将燃气涡轮发动机、发电系统和电能存储系统结合在一起，共同推进飞机的涡轮风扇或螺旋桨。飞机推进完全依赖于动力推进系统，而该系统的动力是由燃料电池、锂离子电池和超级电容器系统中存储的电能产生的。这种推进系统低碳、安静、环保，是未来航空推进系统的发展方向。目前，氢燃料电池和氢涡轮是氢能航空推进系统最受关注的两个方向。

氢涡轮一般包含氢涡轮风扇发动机和氢涡轮电动风扇发动机两种形式。氢涡轮风扇发动机的结构与现役航空涡轮发动机基本相同，氢燃料在燃烧室内燃烧，推动涡轮并带动风扇产生推力；氢涡轮电动风扇发动机则是通过涡轮带动发电机发电，电驱动电机带动风扇产生推力。现有航空发动机结构不适合燃氢，氢燃料燃烧时燃烧温度高、火焰传播速度快，容易产生过量氮氧化物且容易发生回火现象，导致无法实现氢的稳定燃烧。为了提高氢燃料发动机的工作效率，需要对传统发动机的燃烧室、燃料喷射与混合装置、热循环和管理系统进行改造或重新设计，才能满足氢燃料的使用要求。使用氢燃料代替石化燃料，不会产生CO、CO2、硫化物等温室气体，仅有水蒸气和少量氮氧化物。据研究显示，采用氢燃料可以将飞行过程对气候的影响降低50%~75%。

本文内容来源于：全球氢能，责任编辑：胡静，审核人：李峥

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