全球氢能航空动力前景与发展现状：氢燃料发动机和氢燃料电池推进系统等

能源舆情、全球氢能、新浪网 2023-11-08

氢能作为清洁环保能源，已成为航空低碳发展的重要方向，有望在航空动力领域发挥更大作用。众多航空企业已经开始布局研究氢能飞机和氢能航空动力。目前，主要有两条技术路线：一是氢气在改进的燃烧室中点燃，直接产生动力；二是发展氢燃料电池，连接电动机为飞行器提供动力。研究表明，直接使用氢燃料，可以将飞机排放气体对气候的影响降低50%-75%；使用氢燃料电池，对气候影响的效益能提高75%-90%。

导语

近年来，我国氢能产业发展迅速，制氢、氢能交通工具开发、氢能基础设施建设已经颇具规模。国家发改委国家能源局在《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》中对氢能产业发展作出了明确规划，强调推广氢能等清洁能源交通工具，探索纯氢管道输送、液氢运输等高效方式，探索完善氢能产供销体系等。

我国氢能航空动力近年来不断取得新的进展。2021年末，中国航发动研所与清华大学航空发动机研究院氢燃料发动机联合研究中心创建启动会在京召开。该中心将贯彻落实国家“双碳”目标，探索航空发动机绿色低碳技术，加快突破氢燃料发动机相关领域发展的基础性、关键性瓶颈，推进产学研用深度融合。该中心将在燃烧、控制和电驱动三个技术方向深入开展基础和前沿技术联合研究，推动我国氢燃料发动机领域的自主创新。

目前氢燃料发动机和氢燃料电池推进系统是氢能航空最受关注的两个方向。

氢涡轮和氢燃料电池在航空上的应用

氢涡轮技术的发展

氢燃气涡轮一般包括氢燃料涡扇发动机和氢燃料电动风扇发动机两种形式。前者结构与现役航空发动机基本相同，氢燃料在燃烧室内燃烧，推动涡轮并带动风扇产生推力；后者则是通过涡轮带动发电机发电，由电动机带动风扇产生推力。相比较使用化石燃料，燃氢仅产生水蒸气和部分氮氧化物，不会产生一氧化碳、二氧化碳、硫化物等温室气体和烟尘等污染物，飞行过程对气候的影响可降低50%～75%。为适应氢能使用特性，需对传统航空发动机燃烧室、燃料喷射与混合装置、热循环和管理系统等进行改进或重新设计，并开发针对氢燃料的低氮氧化物排放技术。

国外氢能航空进展

空客公司早在2016年就启动了氢动力相关试验设备研究，2020年9月发布名为ZEROe的三种氢能飞机方案，分别采用涡桨氢混合动力、涡扇氢混合动力和翼身融合混合动力；同年12月，公布了以6个推进吊舱为主要特征的全新氢动力飞机构型，并表示将于2024—2025年完成氢动力相关技术方案的选择。2022年2月22日，空客与CFM国际公司签署合作协议，将于2025年左右共同启动氢示范项目，旨在对氢燃料发动机进行地面和飞行测试，为2035年前将一款零排放飞机投入使用做好准备。

英国航空航天技术研究院（ATI）于2021年12月发布了FlyZero液氢动力远程中型飞机概念，提供了详细的方案预览，如无燃料箱机翼、储氢罐、低温燃料系统和氢燃料发动机等，并在2022年年初公布了方案细节。FlyZero飞机采用两台氢燃料涡扇发动机，航程9723km。燃料将储存在后机身的一对低温液氢罐和机身前部两侧的两个较小的液氢罐中，飞行时通过液氢消耗量来调整飞机的平衡，并减少对整机气动结构的设计需求。

俄罗斯目前正计划对VK2500发动机进行改造，将采用氢燃料、低温储罐、恒温调节系统和液氢供给系统，飞行试验将在雅克-40LL飞行试验平台上开展，计划5年内研制成功。

GKN航空正在努力为H2中程民用飞机推进系统提供技术解决方案。其中，H2JET项目希望通过氢燃料直接燃烧产生动力，H2GEA项目希望使用氢燃料电池产生电力。欧洲相关企业希望利用该研究成果开发单通道客机氢燃料涡桨发动机和涡扇发动机，在2035年左右投入航线使用。

普惠公司于2022年2月获美国能源部支持，开发新型高效氢燃料推进技术，启动了氢-蒸汽喷射、间冷涡轮发动机（HySIITE）项目，将使用液氢燃料和水蒸气回收来实现飞行中的零碳排放，并可将下一代单通道飞机的氮氧化物排放量减少高达80%，燃料消耗减少高达35%。同时，HySIITE项目的半封闭式系统架构将实现比燃料电池更高的热效率，并降低总运营成本。

巴航工业2021年推出了两种氢动力概念飞机。其中，E19-H2FC是一种19座飞机，计划配备氢能发动机，预计2035年投放市场；E50-H2GT是一种35-40座飞机，计划利用氢能源或可持续燃料推进系统提供动力，预计2040年上市。

延伸阅读

世界最大的氢燃料电池飞机成功首飞

上周，美国通用氢能源公司（Universal Hydrogen）的氢燃料电池验证机成功在美国华盛顿州莫斯湖完成首飞。这次试飞持续了15分钟，飞行高度达到3500英尺。据悉，这次的测试平台基于Dash8-300改装而来，这也是目前世界上最大的氢燃料电池飞机。

3月2日上午8点45分，这架绰号为闪电麦克莱恩（Lightning McClean）的飞机从格兰特县国际机场（KMWH）起飞，15分钟后到达3500 英尺的巡航高度。该次飞行依据为美国联邦航空局特殊适航证书，是为期两年的首次飞行测试，预计将在2025年达到高潮。该飞机由ATR 72支线飞机改造而成，仅保留了一个原始化石燃料涡轮发动机保障安全，其余均使用纯氢动力发动机。

Universal Hydrogen的目标是在2025年实现完全由氢燃料电池驱动的支线航班运营。这次的测试中，一台引擎以清洁氢燃料电池为动力，排放物也只有水，并不会对大气造成污染。因为还是初步测试阶段，另外一台引擎仍然使用传统燃料。所以仔细看左右两侧引擎有着很大区别，甚至桨叶的直径和叶片数量都不一样。按照Universal Hydrogren公司的说法，氢燃料电池驱动的飞机，更加安全、运营成本更低，并且几乎不会对环境造成影响。他们的氢燃料电池通过模块化封装，可以通过机场现有的货运设施装卸，因此机场无需改造就可以满足氢动力飞机的补能需求。理论上，更大的喷气式飞机也可以这样补能，预计到2030年代中期，就会有氢燃料电池驱动的涡扇发动机投入使用。

实际上，Universal Hydrogen的联合创始人兼CEO Paul Eremenko认为，到了2030年中期，喷气式客机必须用上清洁的氢能源，否则，民航业就只能通过削减航班量来实现全行业减排的强制目标。那样的后果将是机票价格大幅上涨，旅客出行一票难求。所以，推动新能源飞机研发刻不容缓。而这次的首飞，也给行业带来了一些希望。

本次任务由经验丰富的前美国空军试飞员兼该公司首席试飞员亚历克斯·克罗尔（Alex Kroll）完成。他表示，在第二轮巡回测试中，他能够完全利用氢燃料电池发电机飞行，无需依赖原始化石燃料发动机。克罗尔表示：“改造后的飞机操控性能极好，氢燃料电池动力系统产生的噪音和振动明显低于传统涡轮发动机。”

Universal Hydrogen签订了数十架氢动力支线飞机的客运订单，其中包括美国公司Connect Airlines。该公司首席执行官约翰·托马斯(John Thomas)称，闪电麦克莱恩的飞行是“全球航空业脱碳的起点”。

为什么航空业碳减排发展可以选择氢动力飞机？

当前，气候变化让航空运输在未来几十年内面临着生存危机。

总部位于华盛顿的非营利研究机构世界资源研究所(World Resources Institute)的数据显示，航空业的二氧化碳排放量仅为汽车和卡车的六分之一。然而，飞机的日均乘客数却远低于汽车和卡车。

四大航空公司（美国航空公司、联合航空公司、达美航空公司和西南航空公司）航空燃料使用量在2014年至2019年间增长了15%。然而，尽管更高效、低碳的飞机已经投产，2019年后乘客量均呈下降趋势。

航空公司致力于在本世纪中叶实现碳中和，某些航空公司还投资了可持续燃料，从而让航空业在气候变化中发挥积极作用。

可持续燃料（SAF）是由食用油、动物脂肪、城市垃圾或其他原料制成的生物燃料。该燃料能够与传统燃料混合，为喷气发动机提供动力，且该燃料已在试飞阶段甚至是定期客运航班上投入使用。然而，可持续燃料成本高昂，约为传统航空燃料的三倍。随着越来越多的航空公司购买和使用可持续燃料，价格将进一步上涨。支持者们正在积极推动减税等激励措施，从而促进生产。

相关人士认为，可持续燃料是一种能够实现碳减排的过渡性燃料，直到电动或氢动力飞机等更重大的突破实现。事实上，或许这些技术在二三十年内都无法广泛应用于航空飞机。

有公司正尝试设计并制造电动飞机，但大多都是如直升机般垂直起降的小型飞机，只能容纳少数乘客。

若要生产出能够搭载200名乘客的大型电动飞机（相当于中型标准航班），需要更大的电池，保证更长的飞行时间。按此标准，电池重量需要达到航空燃料的约40倍，才能保证充足电量。但若不改革电池技术，电动飞机将无法实现。

氢能源是实现低碳排放的有效工具，在全球能源转型中扮演了不可替代的重要角色。相比其他可再生能源，氢能的显著优势在于可以大规模跨季节存储。其中，绿氢是诸多行业深度脱碳的唯一手段，包括以石化、钢铁、化工为代表的工业领域以及以航空为代表的交通行业等。据国际氢能委员会预测，到2050年氢能源市场规模可达2.5万亿美元。

“氢本身是一种非常轻的燃料”，环保组织国际清洁运输委员会(International Council on Clean Transportation)汽车飞机脱碳研究学者丹·卢瑟福(Dan Rutherford)向美联社表示。“但储存氢需要大体积容器，油箱本身就很重。”

此外，氢燃料的实施也有缺陷和阻碍。例如，需要在机场新建大规模且昂贵的基础设施，来储存冷却成液态的氢气。

尽管如此，卢瑟福仍然对氢燃料持审慎乐观态度。他的团队认为，到2035年，氢动力飞机将能够飞行约2100英里。

本文内容来源于：能源舆情、全球氢能、新浪网，责任编辑：胡静，审核人：李峥

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