氫能航空的關鍵技術與挑戰

■ 張揚軍 彭杰 錢煜平 / 清華大學 索建秦 / 西北工業大學 明平文 / 同濟大學溫泉 王愛峰 姚軒宇 / 中國航發研究院

航空業的快速增長使其成為未來交通運輸領域溫室氣體排放的主要來源之一，對氣候和環境的影響越來越顯著。與此同時，氫能航空被認為是航空業未來實現污染物零排放和可持續發展的關鍵。雖然氫能具有綠色環保、能量密度高等優點，但發展氫能航空還需要突破氫燃燒、氫燃料加注和儲存等一系列關鍵技術瓶頸。

根據國際民航組織（ICAO）的預測，基于現有傳統航空技術的進步，航空業可持續發展以及2050年碳排放量減少至2005年50%的目標將無法實現[1]（如圖1所示）。因此，發展可持續航空技術，開發包括太陽能、生物燃料和氫燃料等石化燃料以外的替代能源，將成為航空業實現碳減排目標的重要任務之一。

相關研究顯示，氫燃料的能量密度約為120MJ/kg，是標準航空燃料的3倍。航空業使用氫能源不但可以實現二氧化碳零排放，同時還能有效減少其他污染物的排放量，具有非常明顯的優勢。因此，發展氫能航空技術是航空運輸業實現碳中和的主要途徑，將成為航空技術的重要發展趨勢。

近年來，美國、日本和歐洲等發達國家和地區紛紛加大氫能研發的投入，重點支持乘用車、加氫站、公共汽車、電解水制氫裝置、中重型運輸（包括中型到大型乘用車、商用車、重載卡車、火車、海運、航空）等領域。未來氫能在航空業要完全替代傳統石化燃料還須面臨動力推進系統、機載氫燃料儲存、機場基礎設施建設以及氫燃料生產等一系列關鍵技術的挑戰和突破。

圖1 航空業碳排放及減排趨勢[1]

氫能推進技術

目前，氫渦輪和氫燃料電池是氫能飛機推進系統最受關注的兩個方向[2]（如圖2所示）。

氫渦輪一般包含氫渦輪風扇發動機和氫渦輪電動風扇發動機兩種形式。前者的結構與現役航空渦輪發動機基本相同，氫燃料在燃燒室內燃燒，然后推動渦輪并帶動風扇產生推力，后者則是通過渦輪帶動發電機發電，電驅動電機帶動風扇產生推力。使用氫燃料代替石化燃料，不會產生一氧化碳、二氧化碳、硫化物等溫室氣體和煙塵等污染物，僅有水蒸氣和部分氮氧化物。研究顯示，盡管水蒸氣凝結形成的尾跡云也會對氣候造成影響，但采用氫燃料仍可以將飛行過程對氣候的影響降低50%～75%。

氫燃料與傳統石化燃料具有完全不同的物理化學屬性。在傳統航空發動機中使用氫燃料時，其效果往往不如常規石化燃料。這主要是因為傳統航空發動機的燃燒室幾何形狀、結構和尺寸不利于氫燃料和空氣進行有效混合，從而導致氫燃料燃燒不充分或在燃燒過程中出現局部高溫并產生氮氧化物。因此，為了提高氫燃料發動機的效率，需要對傳統航空發動機的燃燒室、燃料噴射與混合裝置、熱循環和管理系統進行改進或重新設計，以滿足氫燃料的使用要求。與此同時，為進一步降低污染物的排放量，還應開發針對氫燃料發動機的低氮氧化合物排放技術，如貧油直噴（lean direct injection，LDI）和微混合燃燒室（micro mix combustor，MMC）等技術。

氫燃料電池推進系統是一種能夠實現零污染物排放的動力裝置。氫在燃料電池中通過電化學反應直接產生電并排出水，電動機帶動風扇產生推力。與氫渦輪風扇發動機相比，氫燃料電池內部氫與氧電化學反應環境純凈，極少產生水蒸氣凝結核，因此能夠大大削弱尾跡云的形成，使飛行過程對氣候的影響降低75%～90%（詳見表1）。

近年來，由于在材料和制造領域取得不斷發展，氫燃料電池的能量密度相比于21世紀之初已獲得了大幅提升，但氫燃料電池仍面臨能量密度低（僅達航空渦扇發動機能量密度3.7kW/kg的一半左右）、使用壽命短和單體輸出功率低等問題。未來需要通過采用新型電極材料、電池一體化結構設計，高效水、熱管理和運行控制等方法，進一步提高電池功率密度、延長壽命（超過25000h）。同時，還需要通過提高電池工作溫度和模塊化設計，進一步擴大系統輸出功率，滿足中、大型客機動力需求。

圖2 氫渦輪和氫燃料電池在航空上的應用[2]

飛機氫燃料儲存技術

當前航空業已掌握的儲存技術中，高壓氣體或低溫液體儲罐技術可以用于氫能飛機機載氫燃料的存貯。若以壓縮氣體形式儲氫，將對飛機質量和體積要求提出巨大挑戰。相比之下，液態氫儲存具有較高的質量能量儲存密度，成為了最有前途的技術途徑之一。液態氫燃料需要以極低溫度（低于-253℃）儲存，同時為了減少液氫沸騰導致的損失，需要在儲罐中維持1.429atm的恒定壓強，這將導致液氫儲罐結構和配套冷卻系統異常復雜，進而大大降低整體系統的質量能量密度和安全性。相關研究顯示，液氫儲罐應采用球形或柱狀，而傳統機翼油箱不適宜儲存液氫燃料。因此，對于中、短程客機而言，需要對現有機體結構進行調整或重新設計，以增加液氫儲罐[3]（如圖3所示）。儲罐大小因機身形狀、尺寸以及飛行任務和航程長短而定。增加液氫儲罐后，會導致機體尺寸增加或客艙空間減小，進而增加飛行阻力或飛行成本。對于載客量超過250人，飛行距離超過10000km的遠程客機，由于機載液態氫儲罐的附加質量已使傳統客機結構無法滿足設計要求，因此需要引入全新的、革命性的機體設計思路，如翼身融合設計、箱式機翼結構等，以達到提高飛機內部空間結構利用率的目的。

表1 氫渦輪風扇發動機和氫燃料電池動力系統對比

機場氫能基礎設施技術

機場的氫能基礎設施主要包含液氫燃料的運輸、儲存和液氫加注等設備。氫燃料與傳統石化燃料有很大的不同，如何低成本實現氫燃料的運輸和儲存，將會直接影響到氫能飛機能否真正投入商業運營。相關研究表明，可通過現有天然氣網絡管路向機場輸送氫氣并在到達機場后進行液化處理，然而這需要對現有管路安全性進行全面評估，還需要考慮到氫氣產地和機場之間長距離輸運帶來的附加成本和安全性問題。當然，也可以采用現場制氫的方式，通過使用機場附近的可再生能源為電解池供電來進行水解制氫，從而消除氫燃料長距離輸運帶來的成本和安全性問題。但這種方式由于產能有限，僅適用于為短程航班提供“綠色”氫燃料。

與傳統石化燃料相比，液氫燃料具有溫度低、易蒸發、易燃等特點，其加注過程復雜、耗時長且安全風險較高，大大增加了飛機在機場停靠加注燃料的時間，提高了飛機運營的成本。因此，應針對液氫燃料開發高效的加注技術和加注系統，如采用具有自動閉合功能的管路快速接頭，確保氫燃料加注系統與液氫儲罐之間實現安全、可靠的連接，在保證系統可操作性的同時增大液氫加注流量，提高機場和飛機的使用效率。

圖3 中、短程氫能飛機上氫燃料布置方案[3]

氫燃料生產和氫能飛機經濟性

當前，全球每年生產7000萬t氫，其中96%是通過有二氧化碳排放的“灰色”氫工藝，從石化燃料中提取獲得，排放約8.3億t的二氧化碳，其余4%的氫則通過電解獲得，其中有100萬t氫是使用可再生能源電解工藝獲得的“綠色”氫。未來若要采用氫能完全替代傳統石化燃料，則需要大幅增加“綠色”氫或是基于碳捕獲與封存（carbon capture and storage，CCS）的“藍色”氫的生產，這對于氫能生產技術和規模都是一個巨大挑戰。比較樂觀的是，2014—2019年期間，全球風能發電量增長了1倍，太陽能發電量增長3倍。國際能源機構（IEA）預測，在未來10年，可再生能源（尤其是太陽能和風能）產量將成倍快速增長，進而促進“綠色”氫電解槽的發展。預計到2030年，歐盟國家電解槽容量將達到40GW，這將帶動世界其他航空業發達的主要國家和地區增加投入，提高“綠色”氫產量。伴隨產量的增加，氫燃料的成本將會逐漸降低。盡管如此，到2040年，氫能飛機的短程飛行成本仍較傳統航空石化燃料飛機要高約25%[1]（如圖4所示），其中9%來自燃料成本，其余13%來自飛機維護成本，3%來自液氫加注時間延長導致飛機使用效率下降帶來的成本。預計到2050年，“綠色”氫使用成本將基本上與傳統石化燃料持平，這將為氫能航空業降低成本和增強可持續發展能力奠定基礎。

圖4 2040年短程2000km、165座氫能客機飛行成本（每位乘客每千米飛行成本）[1]

氫安全

自20世紀中葉開始，隨著氫燃料在航天領域的廣泛應用，人們對其安全性進行了深入研究，結果表明，相比于汽油、航空煤油等石化燃料，氫燃料的危險性并未明顯增加（見表2）。相反，由于氫氣密度低，開放空間中泄漏的氫氣會迅速上升，從而使得泄漏引起的危險區域較小。此外，氫的燃燒速度快，產生的輻射熱非常低，同時燃燒產物基本無毒。因此，在諸如熱輻射、毒性等方面，氫燃料的安全性甚至要高于現役的航空煤油等石化燃料。盡管如此，現役石化燃料飛機在設計、制造和飛行操作的各個環節，已經形成了廣泛且完整的安全標準和保障措施，從而能夠保證飛行的安全性。氫能飛機由于機體結構、動力系統以及燃料儲存方式均與現役石化燃料飛機存在顯著差異，未來氫能飛機只有在達到同等或甚至更高的適航安全標準之后，才能夠真正投入實際運營。

表2 氫燃料與航空煤油安全性對比（●代表該安全性評價指標更好）

結束語

《2019 年國務院政府工作報告》中首次寫入了氫能源，自此氫能源被納入了我國能源體系。預計到2050年，氫能在我國能源體系中的占比約為10%，氫能產業鏈中制氫、儲運、加氫站、氫燃料電池應用等各個環節將會獲得大幅發展，并能夠滿足商業化需求。當前，在國家自上而下政策的大力扶持下，氫能產業鏈已初具雛形。為了促進我國氫能航空技術的快速發展，一方面需要建立多學科、多領域交叉的戰略研究平臺，依托我國目前較好的氫能汽車技術基礎，形成跨界融合發展模式，提出長遠規劃戰略和超前概念；另一方面，結合我國科研體制，推進以氫能源為代表的研究機構與航空為代表的工業部門及高校之間的產學研合作，以產生協同效應，促進技氫能航空技術不斷創新和發展。