氢动力飞机载客起飞指日可待

美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的飞机高效电气技术中心设计的概念飞机，展示了一种翼身融合的设计，其独特的构造增加了氢燃料装载容量，且分布式推进系统与燃料电池兼容

随着各国为实现“净零碳经济”而努力，商业航空将成为最难脱碳的行业之一。持该论点的人士认为，化石燃料的能源密度优势实在难以战胜，与其硬碰硬，不如继续在客机中使用石油，并利用某些负碳排放技术来抵消其排放，可能更有意义。

尽管如此，关于低碳飞机推进力的研究仍在进行中。例如，一些较早采用低碳飞机推进力的航空公司通常将生物燃料混入其航空燃料中。2018年，波音公司的一架商业客机首次100%使用生物燃料飞行。但是，生物燃料有其自身的弊端：农作物的生长、收割以及转化为液体燃料需要消耗大量碳，并且生物燃料的应用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，必须使用可再生能源或配备了碳捕获和存储功能的天然气来生产氢气。全球主要的两家客机制造商不约而同都将最轻的元素作为减少客户碳足迹的一种选择。

空客公司美洲研究与技术副总裁阿曼达·辛普森（Amanda Simpson）表示，空客公司将在2025年之前决定市场是否能够支持氢燃料客机。假设市场能支持，空客公司预计其首批氢燃料客机将于2035年投入使用。

波音公司在2008年制造并运营了首架仅靠氢动力飞行的飞机，在起飞和上升过程中，用锂离子电池对单人飞机上的氢燃料电池进行了能量补充。4年后，波音公司推出了“幻影眼”，这是一款液氢动力无人机（UAV），设计目的是在20 000米的高空执行最多长达4天的侦察任务。波音公司最终没能将这款无人机出售给军方，现在它已成为博物馆的陈列品。

波音公司首席可持续发展官克里斯·雷蒙德（Chris Raymond）表示，波音公司正在研究商业航空用的氢燃料，但他指出，重点还在可持续航空燃料（SAF）。“现实是我们现在必须做点什么，但我们的观点是把多种解决方案结合在一起。”氢动力更有可能填补航空业的短途飞行和规模较小的业务。

波音公司商用飞机部产品研发副总裁迈克·辛内特（Mike Sinnett）表示，尽管波音公司已经证明氢可以用作航空燃料，但仍需要付出更多的努力来确定飞机的结构和燃料箱是否可以建造得像今天的客机一样安全地运行。他估计，要在波音飞机中引入氢动力还需要20年甚至更长的时间。他说，现在正在设计为10年后的飞机提供动力的发动机。

ZeroAvia是一家位于美国加利福尼亚州的小型初创公司，目标是到2023年制造出10～20座的氢燃料电池驱动的飞机。据其创始人兼首席执行官瓦尔·米夫塔霍夫（Val Miftakhov）透露，ZeroAvia已从英国政府的3个项目中获得了500万美元资助，并吸引了英国、美国和欧盟的12家地区航空公司的关注。

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，无论燃料是气体形式还是液体形式。对于液态氢，挑战将是制造轻巧的真空隔热燃料箱，将燃料温度保持在20K的沸点以下。气体的重量惩罚更大，因为装载气体的燃料箱须承受25到35 兆帕的高压。

以每千克兆焦耳来衡量，液态氢的能量密度是航空燃料的2.8倍。但就燃料和燃料箱的总重量而言，美国阿贡国家实验室（ANL）的氢和燃料电池研究人员拉杰什·阿卢瓦利亚（Rajesh Ahluwalia）估算，航空燃料更有优势，氢燃料和燃料箱的总重量是航空燃料和燃料箱的1.6倍。因为航空燃料约占燃料箱和燃料总重量的78%，而液态氢仅占当前存储设计总量的18%。阿卢瓦利亚指出，要与化石燃料竞争，氢燃料重量占总重量的比重必须达到28%以上。

与碳氢化合物相比，液态氢的单位体积能量要低得多。但是，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）受美国宇航局（NASA）资助的飞机高效电气技术中心主任菲利普·安塞尔（Phillip Ansell）表示，可以通过精心定制飞机的其他部件来最大程度减少因容纳更大的氢燃料箱所需增加的外部表面积，以及由此增加的空气阻力。一种潜在的解决方案是翼身融合的设计。

ZeroAvia将在其计划飞行约900公里或更短途的燃料电池飞机上使用压缩至35兆帕的氢气。阿卢瓦利亚认为，气态氢作为无人机的燃料也可以找到一席之地。但是，对于载客150人乃至更多人的长途航班的大型客机而言，“气态氢是行不通的。”安塞尔断言。因为加压存储系统需要更为坚固的储罐，并且所占据的空间大约是液态氢储罐的两倍。

到2030年，ZeroAvia预计将首次推出液态氢动力的50到100座的燃料电池飞机。氢储罐将由已有的复合材料和树脂组合制成。米夫塔霍夫指出，不需要研发新材料。ZeroAvia目前的气态氢燃料与储罐的重量比为11%～12%，他说，该公司目前正在测试燃料与储罐的重量比大于50%的液态氢储罐。

燃料电池还是燃烧？

亚音速喷气客机（例如波音737）由涡轮风扇提供动力，涡轮风扇利用燃气轮机产生的机械能通过涵道风扇式螺旋桨向后加速空气。目前的燃气轮机只需进行很少的改动就可以燃烧氢气。安塞尔描述说：“几乎可以径直将氢气注入当今的发动机中。”辛普森打了个形象的比喻，这个转换过程就像把一个烧丙烷的烤架改装成烧天然气。尽管氢不会产生二氧化碳或煤烟，但会产生污染物氮氧化物（由于空气中存在氮）和水蒸气。水蒸气是一种温室气体，高海拔的水蒸气在大气中停留的时间比低海拔的地方长，会凝结成雨。

2020年9月，ZeroAvia在英国克兰菲尔德进行了6座的燃料电池飞机首飞，并声称这是世界上最大的氢动力飞机

如果氢来自无碳源，则氢燃料质子交换膜（PEM）燃料电池是无碳排放的，并且其废水可以在排放前进行冷凝。但是，安塞尔说，PEM仅提供燃烧传统燃料的现代燃气轮机每单位重量3.7千瓦/千克功率的一半，不包括燃料或燃料箱的重量。不过，与15年前的0.3千瓦/千克相比，还是提高了一个数量级，并且很可能还会继续改进。

阿卢瓦利亚说，为4～6座的飞机提供动力，当今的PEM燃料电池应该可与活塞式航空发动机竞争。但是，它们的能量重量比远远低于涡轮螺旋桨和涡轮机。

涡轮风扇发动机的风扇提供了发动机总推力的80%，其余部分则通过燃烧传递。有望研发能够用电力为涡轮风扇提供全部推力的燃料电池系统；或者，在飞机起飞和上升期间，可以用蓄电池电源为燃料电池补充能量。

美国能源部下属的能源高级研究计划署的电动飞行系统项目经理戴夫·图（Dave Tew）认为：“我们很可能永远无法与燃气轮机的特定功率竞争。“但是，燃料电池和电力驱动系统的效率有望提高到足以匹敌甚至超过涡轮机和燃料综合起来的能量重量比。

空客公司推出了三款氢燃料客机的概念设计，可最多容纳200名乘客，航程达3 700公里或更长。每款概念飞机都推荐由燃气轮机和燃料电池驱动的电动机的混合动力系统提供动力。在涡轮电动构造中，由氢燃料的燃气轮机驱动发电机，再由电动机驱动风扇。

辛普森说：“我们认为航程在1 600～3 200公里范围内将需要涡轮机，不过还需要进行更深入细致的探究。欧洲一些国家宣称，将要求其境内的飞机必须零碳排放。这些要求是否足以飞行像我们所说的那样更大的飞机，还有待从我们客户的利益出发进行考量。”

空客公司的三款概念性氢燃料客机都使用混合动力推进系统，既燃烧氢作为燃气轮机的燃料，又使用氢燃料电池产生电能。涡轮螺旋桨飞机最多可搭载100名乘客，航程为1 850公里。其他两款氢燃料概念飞机则最多可搭载200名乘客，航程为3 700公里

空客公司设想使用可再生能源而不是氢制成的合成燃料，为其未来的300～400座远程客机提供动力。辛普森认为，尽管空客公司已经熟悉氢在航空航天领域的应用，但要使氢燃料适应于每天要多次耗尽和填充燃料的飞机，将是全新的挑战。

加强研发

PEM燃料电池依靠液体电解质使质子在电极之间穿梭，而固体氧化物燃料电池（SOFC）则使用氧化物材料（通常是氧化钇稳定氧化锆）作为电解质，通过燃料的氧化作用发电。燃料电池可由液态碳氢化合物或氨作为燃料。SOFC的效率要高于PEM，但是它们的重量要大得多，而且较重的碳氢化合物燃料（例如汽油或煤油）必须首先与蒸汽或空气反应形成更简单的分子（例如氢和甲烷）。安塞尔认为，对于非常长距离的飞行，SOFC效率更高的优点可以弥补其重量更大的缺点。

2020年8月，ARPA-E向6家公司提供了1 310万美元的资助，用于研发不同的航空SOFC技术。戴夫指出，减轻重量是研发主攻的方向。美国能源部的其他项目支持PEM研究，因此ARPA-E的项目专门排除了PEM。

对于任何类型的燃料电池，高空热管理都是一个问题，因为较低的空气密度会削弱散热能力，安塞尔指出，“问题就在于排热效率，而SOFC实际上在这方面非常出色”。SOFC的工作温度很高，大约为800℃，而PEM只有100℃，由于燃料电池与环境温度之间的差异更大，实际上改善了散热。而且，他说，可以用类似于汽车涡轮增压器的方式，引导SOFC产生的废热来驱动燃气轮机。

为了获得氧气，燃料电池需要足够的气流，这在高巡航高度下可能无法实现。通过压缩空气可以克服这个问题，纵然是以牺牲推进力可用的能量为代价。

氢燃料飞机需要达到与使用煤油燃料的飞机相同的安全性和完整性。“如何用氢来惰化燃料箱？”波音公司的辛内特问道，他使用了“惰化”这个行业术语来指降低燃料箱的易燃性风险，“如何为飞机加油？在加油过程中如何避免静电？如何确保燃料箱的结构完整性？如果可以找到这些问题的解决方案，那么下一步就是确定氢燃料飞机是否有效。”他说，“从工程和技术的角度来看，几乎任何事情都是可以实现的，但是必须要问结果是否切实可行。”最后，飞机必须按照特定的安全和规范标准进行制造，而针对氢燃料飞机的这些规范标准尚未建立。

基础设施

没有相应的基础设施是不可能采用氢燃料的。但是，相对而言，航空公司应该没有机动车主面临的挑战那么令人生畏。如果需求得到保证，可以在现场生产氢燃料，从而消除分销成本。ZeroAvia计划利用附近的可再生能源为电解槽供电来做到这一点。米夫塔霍夫说，ZeroAvia的计划是，一个机场枢纽可以为飞机的多条往返航线提供加油服务，只要单程飞行距离不超过460公里即可，这适用于伦敦和巴黎之间或纽约和波士顿之间的航班。

米夫塔霍夫预测，燃料电池和电解槽的成本应遵循与光伏电池类似的轨迹——过去10年来，光伏电池的成本下降了80%以上。“3年之内，部分通过扩大消费规模，我们将实现氢燃料成本降低到现在的一半。”他说。即使是小型机场也能每天生产和分配好几吨氢燃料；相比之下，汽车加油站一般每天售出200千克的氢燃料。居高不下的航空运输量将使加油站的氢燃料价格从没有竞争力的每千克12～15美元的水平降下来，电解槽的效率也会持续显著提高。

辛普森表示，如果空客公司决定继续发展氢燃料，已经有数个感兴趣的相关方与空客公司接洽为机场提供燃料。国际能源署（IEA）预计，到2030年，欧洲的绿色氢能容量将达到40吉瓦，发展绿色能源是大势所趋，我们预料世界其他地区也将不得不迎头赶上。

资料来源 Physics Today