氢动力飞机可能会得到提升

本文来源：Physics Today，详细信息文章左下角访问原文

随着各国努力实现净零碳经济，商业航空将成为最难脱碳的行业之一。该论点认为，化石燃料的能量密度优势难以被击败，与其试图面对这一点，不如继续在客机上使用石油，并使用一些负碳排放技术来抵消其排放。

尽管如此，关于低碳飞机推进的大量研究正在进行中。例如，一些早期采用的航空公司通常会将生物燃料混合到其航空燃料中，2018 年，波音首次让一架商用客机使用 100% 生物燃料。但生物燃料也有其自身的缺点：农作物的种植、采集和转化为液体燃料是碳密集型的。生物燃料的潜力受到农业和其他竞争性土地用途的限制。

另一种选择是氢动力飞行。为了实现碳中和，氢气必须使用可再生能源或配备碳捕获和储存的天然气生产。世界上两家主要的客机制造商都在将最轻的元件视为减少客户碳足迹的一种选择。空中客车美洲公司负责研究和技术的副总裁阿曼达·辛普森 （Amanda Simpson） 表示，空中客车公司将在 2025 年之前决定市场是否可以支持氢燃料客机。假设可以，该公司预计其第一架氢能客机将于 2035 年投入使用。

2008 年，波音公司制造并运营了有史以来第一架完全使用氢动力飞行的飞机。单人飞机上的燃料电池在起飞和上升过程中由锂离子电池提供动力补充。四年后，该公司推出了液氢动力无人机 （UAV） Phantom Eye。它旨在在 20 000 米的高度执行长达四天的侦察任务。然而，波音公司无法将无人机出售给军方，它现在是博物馆的展品。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 （University of Illinois at Urbana-Champaign） 飞机高效电气技术中心 （CHEETA） 的飞机概念展示了用于提高携氢能力的混合机翼-机身以及与燃料电池兼容的分布式推进系统。

切塔

波音首席可持续发展官克里斯·雷蒙德 （Chris Raymond） 表示，该公司正在考虑为商业航空提供氢气，但指出更直接的重点是可持续航空燃料。“现实情况是我们现在必须做点什么。但我们的观点是，将有多种解决方案，“氢能更有可能填补该行业的短途、较小的一端。

尽管波音公司已经证明氢气可以用作航空燃料，但还需要付出更多努力来确定飞机的结构和油箱是否可以像今天的客机一样安全运行，波音商用飞机部门产品开发副总裁 Mike Sinnett 说。他估计，在波音飞机上引入氢气还需要二十年或更长时间，他说，今天正在设计为十年后飞机提供动力的发动机。

小公司 ZeroAvia 的目标是到 2023 年制造一架由氢燃料电池提供动力的 10 至 20 人座飞机。据其创始人兼首席执行官 Val Miftakhov 称，这家加利福尼亚初创公司已从三个英国政府项目获得了 500 万美元的赠款，并吸引了英国、美国和欧盟的 12 家区域运营商的兴趣。

重量和能量密度

氢动力飞行的最大障碍是燃料储存所需的额外重量，无论是气态还是液态。对于液态氢，挑战将是制造轻型真空绝缘罐，以将燃料保持在 20 K 沸点以下。气体的重量损失更大，因为储罐必须能够承受 250-350 bar 的高压。

以兆焦耳/千克为单位，液态氢的能量密度是航空燃料的 2.8 倍。但就燃料和油箱的总重量而言，航空燃料比氢气高出 1.6 倍，阿贡国家实验室的氢能和燃料电池研究员 Rajesh Ahluwalia 说。航空燃料约占油箱和燃料总重量的 78%，而液氢在当前存储设计中仅占总重量的 18%。他说，为了与化石燃料竞争，燃料重量分数必须至少达到 28%。

与碳氢化合物相比，液态氢每单位体积的能量要低得多。但是，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）由美国宇航局（NASA）资助的飞机高效电气技术中心（Center for High-Efficiency Electrical Technologies for Aircraft）主任菲利普·安塞尔（Phillip Ansell）表示，通过仔细定制飞机的其他部件，可以最大限度地减少容纳更大氢气罐所需的额外外表面积，以及由此产生的空气动力阻力增加。一种潜在的解决方案是机翼-机身混合设计（见插图，第 27 页）。

ZeroAvia 将在燃料电池动力飞机上使用压缩至 350 bar 的氢气，它计划在 500 海里（约 900 公里）或更短的短途飞行中飞行。Ahluwalia 说，气态氢也可以在无人机中找到一席之地。但对于长途航班载客 150 人或以上的大型客机来说，“气态氢不会满足需求，”Ansell 说。他说，加压存储系统需要一个更坚固的储罐，占用的空间大约是装有液氢的储罐的两倍。

到本世纪末，ZeroAvia 预计将推出 50 至 100 名乘客的液氢燃料电池飞机。这些储罐将由现有复合材料和树脂的组合制成。不需要开发新材料，Miftakhov 说。ZeroAvia 目前的气态氢燃料与油箱重量比为 11-12%。他说，该公司目前正在测试比率大于 50% 的液氢罐。

ZeroAvia 的六座燃料电池动力飞机于 2020 年 9 月在英国克兰菲尔德首飞。该公司声称它是世界上最大的氢动力飞机。

ZEROAVIA 公司

燃料电池还是燃烧？

波音 737 等亚音速喷气式客机由涡轮风扇提供动力，涡轮风扇利用来自燃气轮机的机械能，通过管道风扇加速空气向后移动。今天的燃气轮机只需相对较少的修改就可以燃烧氢气。“你几乎可以将氢气投入今天的发动机中，”Ansell 说。Simpson 将转换过程比作使丙烷烤架使用天然气运行。但是，尽管它不会产生 CO₂ 或烟灰，但氢气会产生污染性氮氧化物（由于空气中存在氮气）和水蒸气。作为一种温室气体，水蒸气在高海拔地区在大气中停留的时间比在低海拔地区长，在低海拔地区以雨的形式沉淀。

如果氢气来自无碳来源，则氢燃料质子交换膜 （PEM） 燃料电池是零排放的，并且其废气可以在释放前冷凝。然而，Ansell 说，PEM 每单位重量的功率仅为燃烧传统燃料的现代燃气轮机 3.7 kW/kg 的一半，这还不包括燃料或油箱的重量。尽管如此，这比 15 年前的 0.3 kW/kg 提高了一个数量级，并且可能会继续进步。

Ahluwalia 说，今天的 PEM 燃料电池在为 4 到 6 人飞机提供动力方面应该与活塞式飞机发动机竞争。但它们的能量重量比远低于涡轮螺旋桨飞机和涡轮机。

涡扇风扇的风扇提供发动机总推力的 80% 左右，其余部分由燃烧提供。人们希望可以开发燃料电池系统，通过电力提供涡轮风扇的全部推力。或者，燃料电池可以在起飞和上升期间补充电池供电。

“我们可能永远无法与燃气轮机的特定功率竞争，”能源部高级研究计划署能源 （ARPA–E） 的电动飞行系统项目经理 Dave Tew 说。但希望燃料电池和电力驱动系统的效率可以提高到足以达到或超过涡轮机和燃料的总和的能量重量比。

空中客车公司为氢燃料客机生产了三种概念，载客量高达 200 名乘客，航程为 2000 海里（3700 公里）或更远。每个项目都由内燃机和燃料电池驱动电机的混合动力系统提供动力。在涡轮电动配置中，氢燃料燃气轮机驱动发电机，风扇由电动机驱动。

“我们认为在 1000 到 2000 英里的范围内，将需要涡轮机，但我们将在磨铅笔时看到，”辛普森说。“我们已经看到一些欧洲国家表示，他们境内的飞机必须实现零 [碳] 排放。[这些要求] 是否足以推出我们正在讨论的更大飞机，还有待我们客户的兴趣，“她说。

空中客车公司的三架概念氢燃料客机都将氢燃料燃气轮机与产生电力的氢燃料电池相结合。涡轮螺旋桨飞机（底部）最多可搭载 100 名乘客，航程为 1000 海里。其他飞机最多可搭载 200 名乘客，航程为 2000 海里。

空客

空中客车公司设想使用由可再生资源而不是氢气生产的合成燃料，为其未来的 300 至 400 座远程客机提供动力。Simpson 说，尽管该公司已经熟悉航空航天应用中的氢气，但使燃料适应每天多次清空和加注的飞机将是一项新的挑战。

需要研发

PEM 燃料电池依靠液体电解质在电极之间穿梭质子，而固体氧化物燃料电池 （SOFC） 则使用氧化物材料（通常是钇稳定的氧化锆）作为电解质，通过氧化燃料来发电。这些电池可以由液态碳氢化合物或氨提供燃料。SOFC 提供比 PEM 更高的效率。但它们的重量要重得多，而且较重的碳氢化合物燃料（如汽油或煤油）必须首先通过蒸汽或空气反应，形成更简单的分子，如氢气和甲烷。Ansell 说，对于超长飞行，SOFC 的更高效率可能会弥补其更大的重量。

8 月，ARPA-E 向 6 家公司提供了 1310 万美元的赠款，用于开发不同的航空 SOFC 技术。Tew说减轻重量是研发的一个主要推动力。其他 DOE 计划支持 PEM 研究，因此 ARPA-E 的计划明确排除了它们。

Ansell 指出，高海拔地区的热管理对于任何类型的燃料电池来说都是一个问题，因为较低的空气密度会降低释放废热的能力。“问题是你如何有效地拒绝热量，而 SOFC 实际上非常擅长这一点。”SOFC 的高工作温度（约为 800 °C，而 PEM 为 100 °C），由于燃料电池和环境温度之间的温差更大，因此实际上改善了散热。此外，他说，SOFC 的余热可能会以类似于汽车涡轮增压器的方式引导燃气轮机。

为了获得氧气，燃料电池需要足够的气流，这在高巡航高度可能无法实现。这个问题可以通过压缩空气来克服，尽管代价是可用的推进功率。

氢燃料飞机需要满足与以煤油为燃料的飞机相同的安全性和完整性水平。波音公司的 Sinnett 说：“如何用氢气使油箱惰性化”，他使用行业语言来降低油箱易燃性的风险。“你怎么给飞机加油？如何避免加注过程中的静电？您如何确保油箱的结构完整性？如果能找到这些问题的解决方案，下一步就是确定那架飞机是否可以高效。“从工程和技术的角度来看，几乎任何事情都可以实现，但你必须问结果是否实用，”他说。最后，飞机必须按照尚不存在的氢特定安全和监管标准制造。

基础设施

如果没有加氢基础设施，就不可能采用氢燃料。但对于航空公司来说，这一挑战应该不如对车主来说那么艰巨。如果需要，可以在现场生产氢气，从而消除分销成本。ZeroAvia 计划做到这一点，利用附近的可再生能源为电解槽供电。Miftakhov 说，在该公司的计划中，只要航班单程航程为 250 海里（约 460 公里）或更短，单个机场枢纽就可以为其飞机的多条往返航线提供服务。这适用于伦敦和巴黎之间或纽约和波士顿之间的航班。

Miftakhov 预测，燃料电池和电解槽的成本应该遵循与光伏类似的轨迹，后者的成本在过去 10 年中下降了 80% 以上。“三年内，我们将把今天的氢消费成本降低到一半，部分原因是通过扩大规模。”他说，即使是小型机场每天也可以生产和分配数吨氢气;相比之下，一个典型的汽车加氢站每天销售 200 公斤。高航空量应该会使加油站的价格从没有竞争力的 12 美元至 15 美元/公斤的水平下降。电解槽的效率也继续显著提高（参见 Physics Today，2020 年 8 月，第 20 页）。

辛普森说，如果该公司决定推进氢能，一些感兴趣的各方已经与空客公司接洽，希望向机场提供燃料。“国际能源署表示，到 2030 年，我们有望在欧洲看到 40 吉瓦的绿色氢能产能，我们预计世界其他地区将不得不加入。”