12 L 液氢罐支撑 45 h 供能：小型无人机液氢推进系统的实证突破_燃料电池_航空_海洋_UM_AVL

12 L 液氢罐支撑 45 h 供能：小型无人机液氢推进系统的实证突破

本文参考：Experimental Study on a Liquid Hydrogen Tank for Unmanned Aerial Vehicle Applications

液氢（LH₂）在航空推进领域的价值已得到越来越多的共识，但其在25 kg 级小型无人机（UAV）上的工程化落地，仍长期受到储能密度、隔热结构、稳态蒸发控制、热管理以及管路集成等多重限制。

近期，来自 ISAE-SUPAERO（法国）与 Hylium Industries（韩国）的联合团队开展了一项系统性的实验研究，完成了一个 12 L 液氢低温储罐 + 配套输氢与供能系统的全链路验证，结果表明：

该液氢罐平均蒸发率 19.5 g/h，可连续提供约 300 W 电堆功率，持续 45 小时以上。

对于小型无人机而言，这一性能指标堪称阶段性突破。本文对研究中的设计逻辑、实验流程与航空适应性分析进行系统梳理。

背景：液氢为何成为小型无人机的候选能源？

对于 5–25 kg 级固定翼 UAV，目前主流能源路线存在明显瓶颈：

能源形式	储能密度	工程难点
锂电池	~170 Wh/kg	能量密度瓶颈、续航受限
300–700 bar 压缩氢气	20–40 g/L	高压储罐重量大、系统占比重
液氢（-253°C）	70 g/L	需要真空隔热、蒸发率控制

论文的对比结果显示：

液氢储能密度是 LiPo 的约 10 倍

比同体积压缩氢高出 3–4 倍

这使其成为长航时无人机（数十小时级别）的关键技术选项。

核心成果：12 L、2.8 kg 钛合金液氢罐设计

研究团队的目标是在机体总重 <25 kg 的 UAV 上集成液氢系统。因此，储罐设计必须兼具：

极限轻量化
低蒸发率
高结构可靠性
小尺寸、可机载集成

最终设计如下：

（1）结构设计

双层钛合金壳体：在低温强度、质量与加工性之间取得良好平衡。
真空腔体（10^-4 hPa）+ MLI（15–18 层）：实现辐射、对流与导热三路热泄漏抑制。
G10-CR 支撑结构：通过点接触与悬吊方式降低固体导热。

（2）关键性能

空罐重量：2.8 kg
容积：12 L（约 0.85 kg LH₂）
重质比（GI）：约 25%→ 在 UAV 场景中为极高水平。

团队还利用有限元方法进行了 buckling 校核，确认在 3 bar 内压条件下的结构安全裕度。

实验验证：不同环境温度下的蒸发率（Boil-off）

实验流程包括：

罐体抽真空至 3×10⁻⁴ hPa
使用 200 L 储槽向 12 L 机载罐转移液氢
实时监测质量变化与排放流量
控制环境温度（自然环境 + 25/35/45°C 控温毯）

（1）25°C 环境：稳定蒸发率 ~19.3–19.5 g/h

蒸发趋势在加注后 5 h 稳定
蒸发率所对应的可持续输出功率 ≈ 300 W（基于燃料电池效率 50%）

（2）45°C 环境：蒸发率增加 ~10%

蒸发率升至 21.9 g/h
高温导致热泄漏提升，符合 MLI 真实工况模型预测

（3）MLI 层数影响明确

第二组罐体（15 层 MLI）蒸发率比 18 层版本高出 16–18%。

这在工程上意味着：“每一层 MLI 都对航程有直接影响”。

输氢系统验证：低温氢气升温与燃料电池耦合

液氢蒸发后温度约为 -250°C，需在进入燃料电池前升至 0°C 以上。团队构建了一条带多点传感器的仪表化输氢管路：

金属管换热器（100 cm）
电磁阀
柔性管段
氢气质量流量计
压力调节器

负载实验：

分别在 210 W / 475 W / 760 W 工况下验证流量与温度行为。

关键结果：

在自然对流条件下
60 g/h 的氢流量是换热器的极限（出口温度 ~1–4°C）
在燃料电池排风强制吹风条件下
氢气出口温度维持在 20–22°C
管路结冰显著减少
满足整个功率范围的供氢需求（最高 760 W）

这说明：“将换热器布置在燃料电池热排出口，是重量最优且效率最高的工程路径。”

整机性能分析：45 小时续航 → 可支持 3000–4000 km 航程

基于实测蒸发率、燃料电池效率与 UAV 气动模型（AVL + Xfoil），研究得出：

（1）原型 UAV（L/D ≈ 20）

定速巡航 20–23 m/s
对应氢气消耗 ~15–17 g/h
结合自然蒸发率：需提升巡航速度以匹配 19.5 g/h 的供氢
最终航程可达：3500 km（约 45 h 飞行时间）

（2）气动性能提升 10% 的假设 UAV（L/D ≈ 22.5）

速度区间右移至 25 m/s
航程提升至：4000 km（提升 15%）

温度因素与航程

25°C 与 45°C 蒸发率差异导致：

高温：飞机飞得更快、时间更短
常温：时间更长、速度更低
但最终航程差异不大（仅数百分点）。

总结：工程可行、性能领先的小型液氢推进方案

本研究的综合结论包括：

✔ 成功实现：12 L、2.8 kg 机载液氢罐 + 300 W 级燃料电池的系统集成
✔ 实测蒸发率低至 19.3 g/h，对应 45 h 连续供能
✔ 满足 3000–4000 km 等级的超长航程 UAV 需求
✔ 热管理、换热、管路集成方案成熟，可工程化推广
✔ 为未来民用/科研级液氢无人机提供了可复制的技术路径

意义：推动液氢在轻型航空中的实际落地

尽管液氢 UAV 仍面临低温材料、储存安全、长周期真空保持、操作流程与地面设备的挑战，但本研究证明：

“小型无人机完全具备使用液氢开展长航时任务的工程基础。”

这将进一步加速液氢在以下领域的应用：

海洋巡航与气象观测
边境巡逻与 ISR
超长航程物流
高空平台（HAPS）
民用科研数据采集

未来几年，小型液氢 UAV 很可能成为超长航时平台的关键技术路线。

来源：气瓶设计的小工程师

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