液态储氢和化学储氢在无人机应用汇总
一、无人机为啥要用氢气？
现在的小型无人机（比如固定翼或多旋翼无人机）大多用电动发动机，好处是轻便、好控制，还没什么噪音和热量，但问题是电池太重，飞不了多久。
解决办法：用燃料电池（FC）发电，需要纯氢作为燃料。但氢气怎么安全地装在无人机上呢？文章重点讨论了液态储氢和化学储氢两种实验性技术。
总结：理想很丰满，现实有挑战
优势
：氢气能量密度高，燃料电池效率比传统电池高，未来可能大幅延长无人机续航。 挑战
：液氢需要超低温储存，化学储氢涉及复杂的化学反应和副产物处理，目前都还在实验阶段。 趋势
：混合动力（氢能 + 太阳能 / 电池）可能是过渡方案，长期看储氢技术突破是关键。
液氢储存
美国海军研究实验室（NRL）——“离子虎” 无人机液氢燃料电池版本
韩国 Hylium 工业公司 —— 液氢燃料电池系统
韩国 Hylium 工业公司成立于 2014 年，是一家生产用于液态氦和氢储存的低温设备的制造商 [6]。该公司持续开展研究，以实现韩国在低温技术方面的自主，尤其是在军事领域。Hylium 工业公司目前的提议与小型无人机的推进系统有关，这是一种安装在六螺旋桨多旋翼机上的 LH₂燃料电池系统（图 3），主要用于民用领域。根据该公司的信息，图 4 所示的低温 LH₂容器已被用作该无人机的燃料箱。
韩国朝鲜大学工程学院航空航天工程系 —— 带容积交换燃料箱的 NaBH₄制氢器
2014 年，韩国朝鲜大学工程学院航空航天工程系展示了一种结合燃料电池和硼氢化钠（NaBH₄）制氢器的有趣氢燃料供应系统设计 [10]。含有约 11% 氢的 NaBH₄水溶液是储存在燃料箱中的燃料电池的氢源，水解过程中获取 H₂的反应式为：NaBH₄ + 2H₂O → NaBO₂ + 4H₂。该过程在室温下启动，无需外部加热源。
马尔马拉研究中心能源研究所和国家硼研究中心 —— 带 Co-B 催化剂的制氢系统和燃料电池系统
土耳其马尔马拉研究中心能源研究所和国家硼研究中心开发了类似上述的氢生成系统，用于为小型家用无人机提供动力，该系统使用 20% 的 NaBH₄溶液和 200W 的燃料电池系统。
一个重量轻（0.6kg）的制氢系统，同样使用上述例子中的钴基 Co-B 催化剂，可提供约 5dm³/min 的氢气。一个质量为 1.6kg 的燃料电池系统在约 24V 时可产生超过 200W 的功率。一架配备制氢器和燃料电池堆的实验无人机，翼展 2.5 米，总重 7.5 公斤，由碳纤维和复合材料制成，如图 8 所示。用于供电的燃料电池堆由 50 个电池组成，如图 9 所示。
巴拉德 —— 硼氢化钠一次性 cartridges
小型无人机储氢的一种方法是使用一次性化学氢化物 cartridges，H3 Dynamics 的 AEROPAK-L 案例中已经展示了这种解决方案的理念，该案例使用富氢液态化学 cartridge 与 PEM 燃料电池结合，氢可以根据燃料电池的需要按需释放。
Ballard-Protonex 公司开发了这种系统，该系统依赖负载，可在启动后 3-5 秒内实现全氢输出，并在无需求时立即停止产氢。图 10 所示的氢化物 cartridge 可在飞行前安装，并与燃料电池一起为电动发动机驱动的螺旋桨产生能量，使用过的 cartridge 可以丢弃或返回加注燃料。
韩国科学技术研究院 —— 氨硼烷（NH₃BH₃）
氨硼烷（NH₃BH₃）是一种类似上述的化学储氢方式，在这种情况下，储氢容量可达 19.6%。
2013 年，韩国科学技术研究院燃料电池研究中心将基于该原理的制氢器应用于为小型电动机驱动的无人机供电 [13]。氢的释放过程在 85-145°C 下进行，反应式如下：NH₃ + BH₃ / NH₂BH₂ + H₂。氨硼烷释放氢（加热时的脱氢过程），但不幸的是，副产物为含有硼嗪和氨的气态杂质。根据研究人员的报告，制氢器显示出高达 3.3dm³（H₂）min⁻¹ 的快速氢释放速率，并具有快速的负载跟随能力，这种对负载变化的快速响应对于整个供给系统的正常工作至关重要。
由韩国 Uconsystem 公司制造的翼展 2.7 米、长 1.7 米的实验性 RemoEye-006 无人机，配备了上述系统和 200W PEMFC，展示了相对较长的飞行时间（57 分钟），当前 RemoEye-006 无人机的轮廓如图 11 所示。
Cella Energy 和伦敦大学学院 —— 氨硼烷（NH₃BH₃）
2016 年，Cella Energy 和伦敦大学学院与苏格兰海洋科学协会和 Arcola Energy 合作，展示了氨硼烷（NH₃BH₃）在无人机推进中的非常创新的设计。Cella 使用自己开发和制造的含有 NH₃BH₃和 12% H₂的固体颗粒，这种方式可以在室温下于无压 cartridge 中安全储存氢，如图 13 所示，这种类似塑料的颗粒由一种专有的化合物制成，该化合物包含聚环氧乙烷聚醚。根据 Cella 的信息，一克颗粒在加热到 100-120°C 时，启动后约 3 分钟可释放高达 1dm³ 的 H₂，Cella 颗粒储存在机翼中，无人机机翼中氢颗粒的排列示意图如图 12 所示。
2016 年 1 月，在苏格兰奥本机场对配备氢颗粒的实验性 Raptor E1 电动无人机（图 14）进行了飞行测试 [15][16]。图 14. 配备储存在机翼中的 Cella 氢颗粒的实验性 Raptor E1 飞行
韩国仁荷大学 —— 直接甲醇燃料电池（DMFC）
韩国仁荷大学 Eco-Smart Power Lab 团队 2013 年的工作可作为 DMFC 在无人机推进中应用的实例 [20]。开发的 200W DMFC 系统与锂聚合物辅助电池系统一起安装在一架 11 公斤的无人机上，该无人机翼展 2.64 米，总长 1.65 米。采用了通常的电池辅助起飞阶段，使用 1.62dm³ 的甲醇箱容积实现了成功飞行，仁荷大学开发的 DMFC 测试无人机如图 15 所示。
图 15. 仁荷大学开发并测试的安装在无人机上的 DMFC
Silent Falcon UAS Technologies—— 甲酸（CH₂O₂）质子交换膜燃料电池
甲酸（CH₂O₂）燃料电池的过程与 DMFC 类似，甲酸释放 H₂的反应式为：CH₂O₂ / H₂ + CO₂，甲酸中的氢含量约为 4.4%，其分解（脱氢）在环境温度下进行，这使得整个系统启动后应立即开始该过程。
2014 年，Silent Falcon UAS Technologies 与 Neah Power Systems Inc. 合作宣布应用这种基于甲酸重整器的燃料电池技术 [21]，该解决方案将用于 Silent Falcon 无人机，如图 16 所示，该无人机的基本版本是太阳能光伏无人机。Silent Falcon 无人机的基本规格为：翼展 4.4 米，长 1.9 米，重 14.5 公斤，工作高度 75-6000 米。然而，目前尚无关于这些研究结果的可靠信息。
洛克希德・马丁公司和 DARPA—— 甲烷或丙烷固体氧化物燃料电池（SOFC）
SOFC 的应用使无人机能够使用常规碳氢燃料，这类推进系统的测试已经进行了 10 多年，早期的探索之一是 2011-2013 年对 Stalker XE 无人机（Stalker 超长续航无人机）进行的测试，如图 17 所示。作者在 2015 年 [1] 描述的 Stalker XE 由使用液化石油气或丙烷作为燃料的 SOFC 驱动，这种结构提供了足够的能量，使其飞行时间超过 8 小时，是基本 Stalker 版本的三倍。
美国国家航空航天局（NASA）——Helios HALE 无人机
NASA 与 AeroVironment Inc. 在 1981-2001 年期间开展的项目是太阳能 - 氢能无人机的先驱项目之一，作为先前研究的结果，建造了翼展 75 米的巨大太阳能 - 氢能驱动的高空长航时（HALE）无人机。这架名为 Helios 的无人机使用基于水电解系统的氢 PEM 燃料电池技术，为太阳能电池组件不工作的夜间飞行阶段提供能量供应 [1]，Helios 飞行中的视图如图 18 所示。轻量灵活的光伏电池由该领域知名的 Alta Devices 公司提供，Helios HALE 无人机在 2001 年夏季进行了高空飞行，达到 29500 米，创造了飞行续航时间和高度的世界纪录 [25]，其推进概念至今仍然有效，并应用于一些当前的构造中，但由于所述无人机的尺寸较小，应用起来有困难。
美国海军研究实验室（NRL）——Hybrid Tiger 无人机
美国海军研究实验室（NRL）一直在测试上述 “离子虎” 无人机的新版本原型，称为 Hybrid Tiger，如图 19 所示。这架无人机是上述 “离子虎” 的继任者，但这次使用了氢燃料电池与安装在机翼上表面的太阳能光伏板的组合，控制系统配备了自主能量保存算法，包括利用热气流，以实现超过三天的假定长续航能力，Hybrid Tiger 的首次实验飞行预计在今年（2018 年）进行。
