氫燃料電池無人機在應急救援中的應用

耿榮妹，紀任鑫，李 虹，陳 欽

（1.中國消防救援學院，北京 102202；2.深圳市科比特航空科技有限公司，廣東 深圳 518108）

近些年來，世界各地災害頻發。災害具有突發性特點，應急救援的關鍵是災害發生后的快速反應。提高災害應急救援的關鍵因素是迅速準確獲取災害發生后的災情信息，制定高效可行的救援方案。無人機具有實時性強、機動快速和經濟便捷等特點，能夠在災害復雜環境下作業。隨著無人機的快速發展，無人機技術日趨成熟，在預防與應對災害方面有著明顯優勢，對提高救援效率和質量起著至關重要的作用。以無人機作為飛行平臺，搭載不同任務載荷，可以快速完成災區指定區域的監測、救援和保障等任務。參與應急救援行動時，通常會持續數小時，甚至數天之久。但是，目前中小型無人機大部分以聚鋰電池作為主要的動力，續航時間一般在1 h 之內，難以滿足應急救援的時長需求。

氫燃料電池是一種高效、清潔的發電裝置，能量轉化效率高、噪音小，近些年來開始以一種新能源動力形式應用于無人機。2020 年6 月，國家市場監督管理總局國家標準化管理委員會發布了GB/T 38954—2020《無人機用氫燃料電池發電系統》，這是全球首個國家級無人機用氫燃料電池標準，對氫燃料電池在無人機上的應用具有指導意義。但對氫燃料電池無人機應用于應急救援還研究甚少，本文在對氫燃料電池無人機進行應用測試的基礎上，對氫燃料電池無人機在應急救援上的應用可行性進行研究探討。

1 氫燃料電池概述

1.1 氫燃料電池工作原理

氫燃料電池是一種將燃料和氧化劑的化學能連續地轉化為電能的裝置，以氫氣和氧氣（空氣）為反應氣體，利用質子交換膜技術實現氫氣的氧化和氧氣的還原，從而產生電壓，反應生成水，工作原理如圖1 所示。電池含陰陽2 個電極，分別充滿電解液，2 個電極間由具有滲透性的質子交換膜構成。氫氣由燃料電池的陽極進入，氧氣（空氣）則由陰極進入燃料電池。氫氣在陽極催化劑的作用下，分解成氫質子和電子，其中氫質子穿過質子交換膜到達陰極，電子則經由外電路負載到達陰極，這樣就產生了電能。在陰極催化劑作用下，氫質子、電子及氧氣發生反應產生水。根據上述工作原理，只要不斷地補充燃料，電子就會在外電路連續運動形成電流，燃料電池就能不間斷地運行，提供電能。

圖1 氫燃料電池工作原理

1.2 氫燃料電池應用現狀

20 世紀60 年代，氫燃料電池就因其體積小、容量大的特點成功地應用于航天領域，往返于太空和地球之間的“阿波羅”飛船就安裝了氫燃料電池。進入70 年代以后，隨著人們不斷地掌握更多先進的制氫技術，氫燃料電池被用于發電和汽車。如今伴隨各類電子智能設備的崛起以及新能源汽車的風靡，氫燃料電池主要應用于固定領域、運輸領域和便攜式領域3 大領域。燃料電池因其穩定性和無污染的特質，既適宜用于集中發電，建造大、中型電站和區域性分散電站，也可用作各種規格的分散電源，同時也可作為手機、筆記本電腦等供電的優選小型便攜式電源[1]。

美國是最早試圖在無人機上應用燃料電池的國家[2]。2004 年，美國空軍提出用燃料電池代替現有小型電動無人機電源的動力方案，并計劃在長航時無人機上應用燃料電池技術[3]。加利福尼亞大學對燃料電池無人機進行了初步的設計、選型和模擬工作，對燃料電池無人機系統進行集成，并取得了試飛成功[4]。國外第一架完全由液氫燃料電池驅動的無人機“全球觀測者”縮比驗證機是美國在總結“太陽神”系列無人機經驗教訓的基礎上發展起來的[5]。國內燃料電池技術雖多應用于電動汽車，但近年來對燃料電池無人機也有很多研究。中國首架氫燃料電池無人機“飛躍一號”亮相于2015 年4 月的第三屆中國（上海）國際技術進出口交易會。“飛躍一號”由同濟大學航空航天與力學學院、上海奧科賽飛機公司共同研制，其翼展6m，起飛重量20 余kg，有效載荷1kg，可連續飛行6 h。2020 年3 月，北京新研創能科技有限公司與中國航空公司聯合研發出一款六旋翼氫燃料電池無人機，搭載2 kW 的金屬板燃料電池氣冷堆和系統，成功不間斷飛行331 min。氫燃料電池無人機不僅綠色環保，而且工作溫度低、噪音小、性能優良、功率密度高和易于維護。

1.3 無人機氫燃料電源系統組成

氫燃料電池無人機的氫燃料電源系統一般由燃料電池電堆、控制系統、鋰電池和氫氣瓶4 大主要部分組成。同時，系統配備自檢模塊作為引導動力系統啟動設備。

1.3.1 燃料電池電堆

電堆是發生電化學反應的場所，也是燃料電池動力系統核心部分，由多個單體電池以串聯方式層疊組合構成。將雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經前后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構成燃料電池電堆。電堆工作時，氫氣通入燃料電池電堆后在前述原理反應下產生電壓。

1.3.2 控制系統

控制系統與燃料電池電堆、風扇和電磁閥等統稱為燃料電池模塊。控制系統主要控制風扇電源模塊、鋰電池輸入、燃料電池輸入、系統輸出、自檢模塊及充電模塊等。

1.3.3 鋰電池

一般以燃料電池作為主輸出，鋰電池作為輔助輸出，為無人機提供電能。

1.3.4 氫氣瓶

氫氣瓶用于儲存燃料電池需要的氫氣，包含減壓閥和高壓傳感器。如條件允許，可配備微型加氫站，智能化實現制氫、儲氫、加注的一體化制氫加壓。

2 氫燃料電池無人機懸停航時及任務場景應用測試

為了研究氫燃料無人機的飛行續航性能和任務場景應用情況，在學院無人機訓練基地對DJL 和RYL 兩款氫燃料無人機進行懸停航時測試和任務場景應用測試。

2.1 測試設備

測試設備為DJL 四旋翼氫燃料無人機和RYL 六旋翼氫燃料無人機。DJL 軸距1 060 mm，機架重量3.6 kg（不含電堆、氣瓶、掛載），空載重量6.6 kg，最大載重1 kg，動力為800 W 燃料電池金屬電堆+2 000 mAh鋰電池，氣瓶3.5 L，如圖2（a）所示。RYL 軸距1 550 mm，機架重量6.5 kg（不含氣瓶），最大載重5 kg，動力為1800 W 燃料電池金屬電堆+5 000 mAh 鋰電池，氣瓶20 L，如圖2（b）所示。RYL 為帶載懸停航時測試，載荷為40 倍變焦相機，重量約1 kg。

圖2 DJL 和RYL 氫燃料無人機

2.2 測試內容與結果

2.2.1 懸停航時測試

懸停航時測試主要檢測DJL 和RYL 氫燃料無人機飛行穩定性、測試懸停航時性能，飛行過程中每隔一段時間測試氫燃料功率、電壓和氫氣容量（測試溫度28 ℃，風速1.1~1.8 m/s）。本次測試中，兩款氫燃料無人機飛行穩定，DJL 四旋翼氫燃料無人機搭載3.5 L 氣瓶，空載懸停飛行122 min，氫燃料功率變化范圍為596~608 W，電壓變化范圍為23.8~24.4 V；RYL 六旋翼氫燃料無人機搭載20 L 氣瓶，帶載懸停飛行261 min，氫燃料功率變化范圍為1 602~1 613 W，電壓變化范圍為44.3~44.6 V。氫燃料無人機航時很大程度上取決于搭載氫氣瓶中氫氣量，整個飛行過程中氫燃料功率及電壓變化很小，相對于目前電動無人機普遍低于1 h 的續航現狀，氫燃料電池顯示出了明顯的續航優勢。

2.2.2 任務場景應用測試

采用氫燃料無人機作為飛行平臺，以學院訓練基地為場景依托，搭載不同載荷進行功能測試，探究氫燃料無人機應急救援應用場景。

無人機載荷功能測試共搭載3 類不同載荷：搭載正射相機和傾斜相機，獲取測試區域正射影像與三維模型；搭載激光雷達系統掃描測試區域，建立點云數據模型，實現航測功能；搭載變焦云臺，進行空中巡檢；搭載熱成像云臺，進行紅外高溫預警，實現監測預警功能；搭載喊話器、探照燈，進行高空喊話和應急照明；搭載破窗滅火彈發射器進行發射功能測試，用于高層建筑滅火。具體測試內容和結果見表1。

表1 氫燃料無人機任務場景應用測試

通過進行任務場景應用測試，氫燃料無人機可完成測繪、監測預警以及部分救援作業，得到測試區域正射影像、點云數據模型和三維模型，如圖3 所示。

圖3 氫燃料無人機測繪成果

3 應用討論

3.1 氫燃料無人機具備航時長、環保等優勢

測試的氫燃料無人機采用金屬雙極板氫燃料電池作為主要動力來源，DJL 搭載3.5 L 氣瓶，懸停飛行122 min；RYL 搭載20L 氣瓶，帶載懸停飛行261 min。氫氣充氣或更換氣瓶一般只需要幾分鐘，大大短于鋰電池充電時間。相對于電動無人機低于1 h 續航的現狀，氫燃料無人機顯示出了明顯的續航優勢。氫燃料無人機的動力系統的核心部件是燃料電池，燃料電池是氫氣和空氣中的氧氣通過電化學反應生成水，水是燃料電池唯一的排放物，零污染。雖然氫氣易燃易爆，但氫氣密度低、爆炸濃度要求高，不易發生爆炸。綜上，氫燃料動力無人機具備航時長、環保等特點，兼具燃油動力的長續航優點和電池動力的無震動、噪音的優點。

3.2 氫燃料無人機適用于偵察、測繪、應急通信和照明等長航時作業場景

氫燃料動力無人機憑借其航時長的優勢，可搭載變焦相機、紅外、傾斜相機、雷達、LED 燈、喊話器和通信中繼模塊等一系列載荷，長時間滯空，在復雜環境下完成監測預警、災情偵察、區域測繪，以及應急通信、照明、喊話等任務。在森林火災等非視距場景下，受高山等影響會造成控制端和無人機作業端通信中斷，可利用氫燃料無人機搭載自組網模塊高空懸停，構建控制端與無人機作業端通信鏈路，實現超視距作業和多功能協同作戰。

3.3 氫燃料無人機適用場景及功能有待驗證

氫燃料無人機的燃料電池產生能量的過程需要氫氣和空氣中的氧氣發生電化學反應，在平原地區非惡劣環境下可正常使用。而在空氣稀薄、氧氣含量低的高原地區，氫燃料是否能正常運行工作，還需借助高原地區適應性測試進行驗證。此外，在應急救援中通常現場環境惡劣，例如在森林火災中存在火場小氣候，氣流不穩定而且溫度高，對無人機的飛行性能有很大影響。氫燃料無人機在高溫、大風等惡劣環境下作業的安全性、穩定性、可靠性等都需要進行測試研究與驗證。

3.4 氫燃料無人機應用的便捷性有待提升

氫燃料動力雖具備航時較長、環保等優點，但存在氫氣燃料制備、運輸等困難，不宜長途保障。用于無人機上的氫燃料形態主要有氣態氫、液態氫和化學氫化物3 種，不同形態要求不同的儲氫裝置。目前，最簡單且應用最廣泛的儲氫方式為高壓氣瓶儲氫。氫氣也可以通過現場制備的方式獲取，既可采用水電解制氫，也可從天然氣、甲醇等再生能源中獲取。制氫機主要為氫燃料無人機電解水產氫，有的制氫機重達550 kg，體積略大，在執行任務中不方便搬運與攜帶。因此，需提高制氫機的便攜性，減輕制氫機重量，與任務車集成設計，同時要重視氫燃料制備、運輸、保管過程的安全。總體上，氫氣制備成本較高，氫氣運輸體系尚不完善，儲氫技術有待突破，氫氣使用的便捷性還有待提高。

4 結束語

氫燃料動力無人機具備航時長、環保和安全的優勢，在應急救援中可應用于偵察、測繪、應急通信、照明和喊話等長航時作業場景，具有廣闊的應用前景。目前，世界各國都在加大氫燃料電池的研發與應用力度，仍存在應用成本高、基礎設施配套不完善及政策引導不夠等問題，應用內在動力不足，制約了其技術商業化推廣應用[6-7]。相信隨著成本下降與氫能技術的全面發展，燃料電池商業化進程中存在的問題會逐步得到解決。要充分發揮氫燃料電池能量密度高的優勢，研制適用于應急救援場景的氫燃料電池無人機，讓氫燃料無人機在應急救援中綻放異彩。