氢燃料电池无人机在应急救援中的应用

耿荣妹，纪任鑫，李 虹，陈 钦

（1.中国消防救援学院，北京 102202；2.深圳市科比特航空科技有限公司，广东 深圳 518108）

近些年来，世界各地灾害频发。灾害具有突发性特点，应急救援的关键是灾害发生后的快速反应。提高灾害应急救援的关键因素是迅速准确获取灾害发生后的灾情信息，制定高效可行的救援方案。无人机具有实时性强、机动快速和经济便捷等特点，能够在灾害复杂环境下作业。随着无人机的快速发展，无人机技术日趋成熟，在预防与应对灾害方面有着明显优势，对提高救援效率和质量起着至关重要的作用。以无人机作为飞行平台，搭载不同任务载荷，可以快速完成灾区指定区域的监测、救援和保障等任务。参与应急救援行动时，通常会持续数小时，甚至数天之久。但是，目前中小型无人机大部分以聚锂电池作为主要的动力，续航时间一般在1 h 之内，难以满足应急救援的时长需求。

氢燃料电池是一种高效、清洁的发电装置，能量转化效率高、噪音小，近些年来开始以一种新能源动力形式应用于无人机。2020 年6 月，国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会发布了GB/T 38954—2020《无人机用氢燃料电池发电系统》，这是全球首个国家级无人机用氢燃料电池标准，对氢燃料电池在无人机上的应用具有指导意义。但对氢燃料电池无人机应用于应急救援还研究甚少，本文在对氢燃料电池无人机进行应用测试的基础上，对氢燃料电池无人机在应急救援上的应用可行性进行研究探讨。

1 氢燃料电池概述

1.1 氢燃料电池工作原理

氢燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能连续地转化为电能的装置，以氢气和氧气（空气）为反应气体，利用质子交换膜技术实现氢气的氧化和氧气的还原，从而产生电压，反应生成水，工作原理如图1 所示。电池含阴阳2 个电极，分别充满电解液，2 个电极间由具有渗透性的质子交换膜构成。氢气由燃料电池的阳极进入，氧气（空气）则由阴极进入燃料电池。氢气在阳极催化剂的作用下，分解成氢质子和电子，其中氢质子穿过质子交换膜到达阴极，电子则经由外电路负载到达阴极，这样就产生了电能。在阴极催化剂作用下，氢质子、电子及氧气发生反应产生水。根据上述工作原理，只要不断地补充燃料，电子就会在外电路连续运动形成电流，燃料电池就能不间断地运行，提供电能。

图1 氢燃料电池工作原理

1.2 氢燃料电池应用现状

20 世纪60 年代，氢燃料电池就因其体积小、容量大的特点成功地应用于航天领域，往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了氢燃料电池。进入70 年代以后，随着人们不断地掌握更多先进的制氢技术，氢燃料电池被用于发电和汽车。如今伴随各类电子智能设备的崛起以及新能源汽车的风靡，氢燃料电池主要应用于固定领域、运输领域和便携式领域3 大领域。燃料电池因其稳定性和无污染的特质，既适宜用于集中发电，建造大、中型电站和区域性分散电站，也可用作各种规格的分散电源，同时也可作为手机、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源[1]。

美国是最早试图在无人机上应用燃料电池的国家[2]。2004 年，美国空军提出用燃料电池代替现有小型电动无人机电源的动力方案，并计划在长航时无人机上应用燃料电池技术[3]。加利福尼亚大学对燃料电池无人机进行了初步的设计、选型和模拟工作，对燃料电池无人机系统进行集成，并取得了试飞成功[4]。国外第一架完全由液氢燃料电池驱动的无人机“全球观测者”缩比验证机是美国在总结“太阳神”系列无人机经验教训的基础上发展起来的[5]。国内燃料电池技术虽多应用于电动汽车，但近年来对燃料电池无人机也有很多研究。中国首架氢燃料电池无人机“飞跃一号”亮相于2015 年4 月的第三届中国（上海）国际技术进出口交易会。“飞跃一号”由同济大学航空航天与力学学院、上海奥科赛飞机公司共同研制，其翼展6m，起飞重量20 余kg，有效载荷1kg，可连续飞行6 h。2020 年3 月，北京新研创能科技有限公司与中国航空公司联合研发出一款六旋翼氢燃料电池无人机，搭载2 kW 的金属板燃料电池气冷堆和系统，成功不间断飞行331 min。氢燃料电池无人机不仅绿色环保，而且工作温度低、噪音小、性能优良、功率密度高和易于维护。

1.3 无人机氢燃料电源系统组成

氢燃料电池无人机的氢燃料电源系统一般由燃料电池电堆、控制系统、锂电池和氢气瓶4 大主要部分组成。同时，系统配备自检模块作为引导动力系统启动设备。

1.3.1 燃料电池电堆

电堆是发生电化学反应的场所，也是燃料电池动力系统核心部分，由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。将双极板与膜电极交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。电堆工作时，氢气通入燃料电池电堆后在前述原理反应下产生电压。

1.3.2 控制系统

控制系统与燃料电池电堆、风扇和电磁阀等统称为燃料电池模块。控制系统主要控制风扇电源模块、锂电池输入、燃料电池输入、系统输出、自检模块及充电模块等。

1.3.3 锂电池

一般以燃料电池作为主输出，锂电池作为辅助输出，为无人机提供电能。

1.3.4 氢气瓶

氢气瓶用于储存燃料电池需要的氢气，包含减压阀和高压传感器。如条件允许，可配备微型加氢站，智能化实现制氢、储氢、加注的一体化制氢加压。

2 氢燃料电池无人机悬停航时及任务场景应用测试

为了研究氢燃料无人机的飞行续航性能和任务场景应用情况，在学院无人机训练基地对DJL 和RYL 两款氢燃料无人机进行悬停航时测试和任务场景应用测试。

2.1 测试设备

测试设备为DJL 四旋翼氢燃料无人机和RYL 六旋翼氢燃料无人机。DJL 轴距1 060 mm，机架重量3.6 kg（不含电堆、气瓶、挂载），空载重量6.6 kg，最大载重1 kg，动力为800 W 燃料电池金属电堆+2 000 mAh锂电池，气瓶3.5 L，如图2（a）所示。RYL 轴距1 550 mm，机架重量6.5 kg（不含气瓶），最大载重5 kg，动力为1800 W 燃料电池金属电堆+5 000 mAh 锂电池，气瓶20 L，如图2（b）所示。RYL 为带载悬停航时测试，载荷为40 倍变焦相机，重量约1 kg。

图2 DJL 和RYL 氢燃料无人机

2.2 测试内容与结果

2.2.1 悬停航时测试

悬停航时测试主要检测DJL 和RYL 氢燃料无人机飞行稳定性、测试悬停航时性能，飞行过程中每隔一段时间测试氢燃料功率、电压和氢气容量（测试温度28 ℃，风速1.1~1.8 m/s）。本次测试中，两款氢燃料无人机飞行稳定，DJL 四旋翼氢燃料无人机搭载3.5 L 气瓶，空载悬停飞行122 min，氢燃料功率变化范围为596~608 W，电压变化范围为23.8~24.4 V；RYL 六旋翼氢燃料无人机搭载20 L 气瓶，带载悬停飞行261 min，氢燃料功率变化范围为1 602~1 613 W，电压变化范围为44.3~44.6 V。氢燃料无人机航时很大程度上取决于搭载氢气瓶中氢气量，整个飞行过程中氢燃料功率及电压变化很小，相对于目前电动无人机普遍低于1 h 的续航现状，氢燃料电池显示出了明显的续航优势。

2.2.2 任务场景应用测试

采用氢燃料无人机作为飞行平台，以学院训练基地为场景依托，搭载不同载荷进行功能测试，探究氢燃料无人机应急救援应用场景。

无人机载荷功能测试共搭载3 类不同载荷：搭载正射相机和倾斜相机，获取测试区域正射影像与三维模型；搭载激光雷达系统扫描测试区域，建立点云数据模型，实现航测功能；搭载变焦云台，进行空中巡检；搭载热成像云台，进行红外高温预警，实现监测预警功能；搭载喊话器、探照灯，进行高空喊话和应急照明；搭载破窗灭火弹发射器进行发射功能测试，用于高层建筑灭火。具体测试内容和结果见表1。

表1 氢燃料无人机任务场景应用测试

通过进行任务场景应用测试，氢燃料无人机可完成测绘、监测预警以及部分救援作业，得到测试区域正射影像、点云数据模型和三维模型，如图3 所示。

图3 氢燃料无人机测绘成果

3 应用讨论

3.1 氢燃料无人机具备航时长、环保等优势

测试的氢燃料无人机采用金属双极板氢燃料电池作为主要动力来源，DJL 搭载3.5 L 气瓶，悬停飞行122 min；RYL 搭载20L 气瓶，带载悬停飞行261 min。氢气充气或更换气瓶一般只需要几分钟，大大短于锂电池充电时间。相对于电动无人机低于1 h 续航的现状，氢燃料无人机显示出了明显的续航优势。氢燃料无人机的动力系统的核心部件是燃料电池，燃料电池是氢气和空气中的氧气通过电化学反应生成水，水是燃料电池唯一的排放物，零污染。虽然氢气易燃易爆，但氢气密度低、爆炸浓度要求高，不易发生爆炸。综上，氢燃料动力无人机具备航时长、环保等特点，兼具燃油动力的长续航优点和电池动力的无震动、噪音的优点。

3.2 氢燃料无人机适用于侦察、测绘、应急通信和照明等长航时作业场景

氢燃料动力无人机凭借其航时长的优势，可搭载变焦相机、红外、倾斜相机、雷达、LED 灯、喊话器和通信中继模块等一系列载荷，长时间滞空，在复杂环境下完成监测预警、灾情侦察、区域测绘，以及应急通信、照明、喊话等任务。在森林火灾等非视距场景下，受高山等影响会造成控制端和无人机作业端通信中断，可利用氢燃料无人机搭载自组网模块高空悬停，构建控制端与无人机作业端通信链路，实现超视距作业和多功能协同作战。

3.3 氢燃料无人机适用场景及功能有待验证

氢燃料无人机的燃料电池产生能量的过程需要氢气和空气中的氧气发生电化学反应，在平原地区非恶劣环境下可正常使用。而在空气稀薄、氧气含量低的高原地区，氢燃料是否能正常运行工作，还需借助高原地区适应性测试进行验证。此外，在应急救援中通常现场环境恶劣，例如在森林火灾中存在火场小气候，气流不稳定而且温度高，对无人机的飞行性能有很大影响。氢燃料无人机在高温、大风等恶劣环境下作业的安全性、稳定性、可靠性等都需要进行测试研究与验证。

3.4 氢燃料无人机应用的便捷性有待提升

氢燃料动力虽具备航时较长、环保等优点，但存在氢气燃料制备、运输等困难，不宜长途保障。用于无人机上的氢燃料形态主要有气态氢、液态氢和化学氢化物3 种，不同形态要求不同的储氢装置。目前，最简单且应用最广泛的储氢方式为高压气瓶储氢。氢气也可以通过现场制备的方式获取，既可采用水电解制氢，也可从天然气、甲醇等再生能源中获取。制氢机主要为氢燃料无人机电解水产氢，有的制氢机重达550 kg，体积略大，在执行任务中不方便搬运与携带。因此，需提高制氢机的便携性，减轻制氢机重量，与任务车集成设计，同时要重视氢燃料制备、运输、保管过程的安全。总体上，氢气制备成本较高，氢气运输体系尚不完善，储氢技术有待突破，氢气使用的便捷性还有待提高。

4 结束语

氢燃料动力无人机具备航时长、环保和安全的优势，在应急救援中可应用于侦察、测绘、应急通信、照明和喊话等长航时作业场景，具有广阔的应用前景。目前，世界各国都在加大氢燃料电池的研发与应用力度，仍存在应用成本高、基础设施配套不完善及政策引导不够等问题，应用内在动力不足，制约了其技术商业化推广应用[6-7]。相信随着成本下降与氢能技术的全面发展，燃料电池商业化进程中存在的问题会逐步得到解决。要充分发挥氢燃料电池能量密度高的优势，研制适用于应急救援场景的氢燃料电池无人机，让氢燃料无人机在应急救援中绽放异彩。