氢燃料电池发展现状及其在电动飞行器中的应用分析

摘 要：随着以氢燃料电池为代表的新型电池技术的发展，其在大尺寸长航程电动飞行器中的应用逐渐成为研究热点。介绍5种主要的燃料电池的工作原理和技术发展现状，并以两个概念方案为例，重点对质子交换膜燃料电池的适用性进行分析和评估。研究发现，5种燃料电池特点明显，从电池成本和电池效率方面考虑，碱性燃料电池非常适合在航空器上使用，尤其是在民航运输等对经济性要求较高的飞机；而质子交换膜燃料电池效率高，对负载响应速度快，输出功率稳定，相对于其他种类燃料电池优势明显；磷酸燃料电池对杂质的容忍度更高，不需要二氧化碳处理设备，且技术相对成熟；熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池由于存在技术上的问题现阶段不适合在飞行器上应用。

关键词：氢；燃料电池；电动飞行器

中图分类号：V19" " 文献标识码：A" " 文章编号：1007 - 9734 （2024） 05 - 0065 - 07

DOI：10.19327/j.cnki.zuaxb.1007-9734.2024.05.009

0 引 言

在航空器中使用氢气可以追溯到18世纪晚期，当时主要是利用它密度小的特点，将其作为氢气球和飞艇的填充气体，如齐柏林飞艇[1]。随后，许多国家启动了不同的项目来评估和开发氢动力飞机，使用氢作为推进剂[2]，如Suntan（美国‐1956），Tupolev Tu‐155（苏联‐1988），CRYOPLANE（欧洲‐2000），HyShot（澳大利亚‐2001），NASA X‐43（美国‐2004），幻影眼（美国‐2013）[3-5]，等等。除了在航空领域使用外，氢气还因为其具有高比能而成为火箭的主要燃料。火箭的燃油箱通常装满了液氢（LH2）和液氧（LOX），其反应产生很大的动力来推动火箭升空[6]。

使用氢燃料替代化石燃料在技术和商业领域面临众多挑战，但它的优点多于缺点。与任何其他以化学方式获得的能量相比，氢具有最高的单位质量能量，其能量密度是煤油的2.5倍。如果在全世界范围内使用氢气替代煤油等航空燃料，那么现阶段化石燃料的主要污染物排放都将得到解决[7]。氢在燃烧过程中的主要副产品是水蒸气（H2O）和氮氧化物（NOx）[8]。氮氧化物的排放与烟雾、酸雨和颗粒物的形成有关。此外，NOx排放导致了气候变暖和臭氧（O3）的产生，并对对流层O3和平流层O3产生负影响[9]。然而，与燃烧煤油相比，燃烧氢气释放的NOx排放量极低[10]，这是由于燃烧氢气产生的水蒸气吸收了燃烧过程中释放的大部分能量，从而降低了燃烧的峰值温度，阻止了NOx的形成[11]。当氢气代替石油燃料时，水蒸气的比例就会增加。尽管燃烧氢气会产生更多的水蒸气（被认为是温室气体），但与煤油相比，它仍然能显著减少喷气燃料的净温室气体排放[12-13]。此外，采用氢作为飞机燃料，能够保持长期稳定的燃料价格水平，提高了燃料供应的可靠性。因为氢可以从多种来源中获得，从而减少了化石燃料对于产油地区的过度依赖[9][14]。因此，氢气是一种适合于航空领域使用的燃料。

氢燃料电池是可以将化学能转化为电能的电池，其与普通电池的差别较大。氢燃料电池利用催化剂使燃料进行氧化还原反应，即水电解逆反应，将氧离子和氢离子各自供给阴极和阳极，氢离子在阳极和电解质发生氧化反应后放出电子，电子经过阳极通过负载到达阴极，就形成原电池，产生源源不断的电流，从而获得电能。氢燃料电池作为能量转换装置，其本身不储存能量。燃料和催化剂储存在燃料罐中，通过管道注入燃料电池。在这个过程中，燃料电池的两极并不会变化，两极只是发生反应的场所。氢燃料电池在发电过程中，两极并不会被消耗，也不存在随着使用时间的增加输出电压有较大下降的情况。从能量的转换角度来说，它与内燃机类似，都是将燃料的化学能释放出来，在消耗燃料的同时产生排放产物。不同的是，内燃机的排放物中有较多的污染物质和大量的二氧化碳，而氢燃料电池所排放的基本上都是纯净的水。

氢燃料电池的特点主要包括以下几点：

（1）效率高。该电池理论效率在75 %～100 %，实际效率在40 %～60 %，而火电的效率在30 %～40 %[11]。（2）污染低。氢燃料电池只排放水。利用化石燃料生产氢气后再燃烧，比直接燃烧化石燃料排放的二氧化碳少40 %以上[3]。在未来还可以利用太阳能、地热能、海洋能、风能、水能、核能等制氢，实现无污染发电。（3）噪音低。火力、水力、核能等使用涡轮机发电，其高速旋转产生很大噪音，内燃机运行时也有很大噪音。磷酸燃料电池发电时噪音在60 dB左右，4.5 MW、11 MW等大功率氢燃料电池发电时噪音≤55 dB[6]。（4）使用范围广，机动灵活，可根据不同需求，组装不同规格的氢燃料电池。

目前氢燃料电池有1W到兆瓦级不同类型，未来的氢燃料电池将会是极具发展前景的动力电源，也将会在各个领域得到广泛应用，如应急、家庭以及飞机、汽车、军舰使用的电源[15]。与日常使用的化学电池不同的是，氢燃料电池添加的是氢气，排出的则是水[16]。燃料电池中不存在回转部件，运行时相对平稳，无噪音，应用于航空领域，具有非常明显的优势。特别是各种客机，使用氢燃料电池代替原有的发电设备，会使客机更具重量轻、功重比大、效率高、噪音低、可靠性及安全性高、运营成本低、无污染等优点[17]，从而为航空运输业的绿色发展提供了重要支持。

1 世界各国氢燃料电池的研究现状

1839年，英国发明家、物理学家William Grove 把一个浸泡着锌电极的硫酸锌和一个浸泡着铂电极的硝酸进行了组合，在大约1.8V的电压中产生了12A左右的电流，这是第一次被公认的燃料电池演示。1889年，蒙德（Mond）及其助手莱格首先提出了燃料电池的概念[18]。1959年，培根成功研制出了“氢氧燃料电池”[19]。

美国在氢燃料的生产、储藏、运输和利用等方面走在了世界的前列，在电解纯水制氢、液氢储藏和运输、氢燃料电池应用等技术领域拥有核心技术。

日本在这一技术领域也很有建树。它不仅是世界上氢能相关技术推广力度最大的国家，还是氢燃料汽车、氢燃料发电商业化最成功的国家[20]。截至2018年1月，日本约有2000辆氢燃料电池乘用车。另外，氢燃料电池公交车的数量也在迅速增加[21]。

韩国在氢和燃料电池的研究和推广方面拥有明确的发展规划，其技术与欧洲、美国和日本相比也相当出色。2019年，韩国政府发布了一份“氢燃料经济发展路线图”，旨在推动氢工业的发展，推动全球电力和燃料电池市场的发展。根据路线图，韩国政府计划到2040年将电动汽车产量从2000辆增至620万辆。

2 氢氧燃料电池在电动飞机上的应用及发展

最早在飞机上使用燃料电池的是NASA和航空环境公司[22]，他们提出了可再生燃料电池系统计划。之后NASA和航空环境公司在“太阳神”无人机上安装了燃料电池。“太阳神”无人机白天利用太阳能发电作为动力，并产生氢气，夜间则使用燃料电池为动力。依靠这样的动力系统使得“太阳神”无人机的飞行时间达到了7天～14天 [23]。2006年，欧洲委员会开启了一项名为燃料电池推进的环境友好飞机（ENFICA-FC）项目，该项目主要是为了推进以燃料电池为动力系统的多点或者全电飞机的发展。项目的试验飞机由一个40千瓦的全电推进器推动，其中20千瓦由氢燃料电池提供，另外20千瓦由锂电池提供，锂电池可以作为飞机起飞爬升、降落过程中的辅助动力。2010年5月26日，该飞机在意大利Reggio Emilia机场首次飞行 [14]。

Uber Elevate计划来自美国的传统交通运营企业优步公司（Uber）。该公司于2016年提出了Uber Elevate计划及白皮书，随后于2017～2019年组织召开了三届峰会。优步希望与政府、企业和学术界合作，并在2023年推出了适用于城市空运的共享电动垂直起降飞行器交通服务Uber Air[17]项目。

从上文我们可以看到，世界上很多国家都开始了自己的氢能源计划。我国也有燃料电池方面的发展计划，虽然计划多数是概念性的，但其在航空领域的推广应用只是时间问题。

3 几种典型的氢燃料电池简析

3.1 碱性燃料电池

碱性燃料电池是最早开发的燃料电池技术。它的电解质为水和氢氧化钾溶液，其工作原理如图1所示。氢气在催化剂的作用下与阳极接触释放电子并与捕获电子后的氧结合生成水，这些电子用来为外部电路提供能量[24]。lt;E：＼2023田田＼10--＼郑州航空工业管理学院学报202405＼Image＼图1.pnggt;

碱性燃料电池相对于酸性燃料电池，反应更容易进行，可以不使用铂等贵金属，而采用镍、银等金属作为催化剂，使得电池的造价更低。在工作电压方面，碱性燃料电池在工作时产生的电压更高，一般在0.8V～0.93V。在不考虑热电联供的情况下，碱性燃料电池是几种燃料电池中效率最高的。但是碱性燃料电池的电力密度较低，在飞行器中使用显得相当笨拙。

航空器的运行需要大功率电池供电，同时需要降低成本。从电池成本和电池效率方面考虑，碱性燃料电池非常适合在航空方面使用，尤其是在民航等对经济性有要求的飞机。但其也具有很明显的缺点，就是碱性燃料电池必须采用纯氢纯氧，其电解液中含有氢氧根离子，在发电时会与CO2发生反应生成不可溶解的物质碳酸盐。碳酸盐因难溶于电解液，会堵塞电极的空隙和通道，从而影响电池的使用寿命。

3.2 质子交换膜燃料电池

从原理上讲，质子交换膜燃料电池相当于电解水的逆向反应工具，如图2所示，它主要由正、负极和质子交换膜组成。质子交换膜电池需要气态氢作为燃料。氢气进入电池后到达阳极催化剂表面，在催化剂的作用下发生氢氧化反应，生成H+和电子，因为质子交换膜只能传导质子，所以氢质子（H+）通过交换膜进入另一侧到达阴极。在阴极催化剂的作用下与氧气、电子发生氧化还原反应生成水。电子通过导线传导穿过负载后到达阴极产生电流。

质子交换膜燃料电池出现的时间较短，但是由于它可以在较低的温度下稳定运行，因而在电动汽车等领域得到了广泛应用。航空动力电要求电源输出功率大、效率高，对负载响应快，输出功率稳定。相对于其他种类燃料电池，质子交换膜燃料电池具有非常明显的优势。现阶段质子交换膜燃料电池最大的问题在于成本。其对贵金属催化剂的需求量较大，增加了整个燃料电池的生产成本。

3.3 磷酸燃料电池

磷酸燃料电池是一种使用磷酸溶液作为电解质的燃料电池。氢燃料被添加到阳极，在催化剂的作用下被氧化成质子，释放出两个自由电子。氢质子和磷酸结合形成磷酸质子，向正极移动。电子向正极运动，氢质子通过磷酸电解质向阴极移动。因此，在正极上，电子、氢质子和氧气在催化剂的作用下生成水分子[25]。

磷酸燃料电池的电解液是100 %的磷酸，稳定性比较好，相比较其他电解液腐蚀性小，并且在室温下以固态形式存在。其生产成本低，技术成熟，但电极上需要白金作为催化剂加速反应，运行成本高。它对杂质的容忍度极高，可以使用含有极低量的CO燃料，且构造简单、稳定。除氢气外，工作室燃料中的二氧化碳不会对电池本身造成影响。从以上几点看，磷酸燃料电池在航空方面的应用有很好的前景。而且磷酸燃料电池技术成熟，可直接改造，不需要额外设计。然而磷酸燃料电池还有很多问题有待解决。首先是电池功率密度较低需多个电池组并联，并且电池使用寿命较短，因此增加了重量和成本。同时磷酸燃料电池工作温度在200 ℃左右，需要增加散热部件，这也会增加飞机重量。

3.4 熔融碳酸盐燃料电池

熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，简称MCFC）的电解质一般为Li、K、Na和Cs等的混合物，隔膜材料为LiAiO2。熔融碳酸盐燃料电池系统可以使用多种不同燃料，包括煤气､沼气或天然气，工作原理如图4所示。

MCFC的优点在于工作温度较高，较高的工作温度使氢气的氧化反应和氧气的还原反应活性高，不需要使用贵金属Pt作为催化剂[26]。对燃料的纯度要求相对较低，可以只用甲烷和一氧化碳作为燃料。不足之处在于，高温条件下液体电解质的管理较困难，在长期使用过程中腐蚀和渗漏现象严重，降低了电池的寿命。

熔融碳酸盐燃料电池造价低，对材料要求低，制造工艺和结构相对简单，可靠性、稳定性高，对燃料和氧化剂要求较低。但其工作室温度高，从而产生大量余热，而飞机上不适合再添加燃气轮机实现联合发电，这样会浪费很多能量；而且反映生成的二氧化碳必须脱水后按照规定比例与空气混合输运到阴极，导致电池结构较为复杂，该过程还消耗了为飞机提供的电能。最重要的是其使用寿命和能量转化效率低于固体氧化物燃料电池。就现阶段而言，熔融碳酸盐燃料电池如果能够解决余热问题，提高能量综合转化效率，同时解决二氧化碳循环问题，相信它在航空领域的应用还是很有前景的。

3.5 固体氧化物氢燃料电池

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能，高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气体，例如氢气（H2）、甲烷（CH4）、煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极，其工作原理如图5所示。

与其他燃料电池相比，固体氧化物燃料电池对燃料的适应性强，能在多种燃料包括碳基燃料的情况下运行，所以可以根据具体情况为飞机添加燃料[27]。如利用现有的燃气管道延伸，降低了装备成本；不需要使用贵金属催化剂；使用全固态组件，不存在漏液、腐蚀的管理问题，降低了安装成本，减轻了后期维护压力；积木性强，规模和安装地点灵活等。这些优点对飞机的生产加工和维护都非常有利。固体氧化物燃料电池可以满足飞机起飞时需要的大功率能源供给。

但是其目前还存在一些无法解决的问题。最主要的问题是电极烧结，电极与电解质之间的界面扩散，对电池的使用有很大影响，会降低电池的可靠性和稳定性。另外，固体氧化物燃料电池启动时间长，启动时间在65 min～200 min。启动过程消耗能量较多。虽然飞机在地面可以由外部供电启动，但若空中发生故障，电源一旦无法快速启动对飞机将是毁灭性的打击。就目前综合情况来看，固体氧化物燃料电池不适合应用在航空领域。

4 概念方案分析与评估

从几种氢燃料电池的分析来看，质子交换膜燃料电池是最适合在飞行器上使用的燃料电池，这里针对质子交换膜燃料电池的适用性做出理论分析。

4.1 滑翔机

以美国一家轻型飞机制造厂的A型号滑翔机电动版部分参数为例，依次计算其使用燃料电池时的匹配度，该型号滑翔机的主要基础参数如表1所示。[表1 A型号电动滑翔机参数 项目 参数 项目 参数 座位数 2座 座位设计 并列式 机身材料 复合材料 机翼设计 中单翼 起落架 后三点，可收敛 螺旋桨 两叶，可调桨距 机身长度 6.5米 飞机高度 1.45米 翼展长度（普通） 10.4米 翼展长度（加长） 15米 翼展面积 10.08平方米 电机功率 -45千瓦～

60千瓦 最大起飞

重量 600公斤 空载重量 280公斤 失速速度 56公里/小时 滑翔比 1[∶]35 最小下沉率 0.8米/秒 续航时间 2.5小时 ]

将原有电池组更换为氢燃料电池，使用纯氢作为燃料供给。该电动飞机总功率为-45kW～60kW。电池的参数参考Ballard能源系统公司提供的FCvelocity-9SSL燃料电池，能量效率达到52%。其参数如表2所示。

根据表2，选用FCvelocity-9SSL Ⅵ 3块电池组成电池组，其总质量为17 kg [∗] 3 = 51 kg，总功率为63 kW。

在氢气消耗量计算方面，我们使用Ballard公司针对其产品总结的公式：

D = 0.0000104 NI （1）

根据所选电池型号，燃料电池单元数110个，电流300A时，计算得D = 0.345 g/s。采用3块该型号燃料电池，总氢气质量流量为1.035 g/s。

在得到氢气质量流量后，我们可以得到氢气储藏罐的体积和燃料质量。

计算式为：

m = D·t （2）

V = m/ρ （3）

该型号飞机的续航时间为2.5小时，需消耗氢气9315 g。为保险起见，使用9.5 kg氢气作燃料。氢气储气罐中（700 bar情况下）氢气的密度ρ为39.223 kg/m3，则氢气的体积为0.243 m3，也就是243 L。

150 kW时的锂电池以蔚来汽车最新发布的固态电池组为例。其能量密度为360 wh/kg，需要电池的重量为416 kg。同等容量燃料电池系统，其燃料电池重量为17 kg * 3 = 51 kg，氢气的质量为9.5 kg，总质量约为60 kg；一个50 L的氢气储存罐质量约为50 kg，需要5个，总质量是250 kg，则整个燃料电池的总重量为310 kg。飞机氢气容量大于额定的220 L，因此其续航里程会高于A型飞机的设计续航里程。当然，从安全性考虑，飞机还需要携带4块SAFT锂离子电池，3块电池总输出电压可达48 kW，以最高功率输出电流，可以供电10分钟，主要是为了在起飞阶段能够提供更大的输出功率。在巡航阶段，燃料电池可以为锂电池充电，保证锂电池电量充足。同时在燃料电池发生故障不能正常供电时作为备用电源，保证滑翔机可以飞到安全的地点进行着陆，甚至可以飞回机场进行降落，提高飞机飞行的安全性。

4.2 空客伐诃那验证机

伐诃那（Vahana）是空客位于美国硅谷的A3分部开发的一款单座、自动驾驶eVTOL验证机，该机宽6.2米、长5.7米、高2.8米，重量为745千克。[15]

伐诃那验证机有8个45kW的电动机，分别带动8个三叶螺旋桨来提供动力，关键参数如表3所示。

将原有电池组更换为氢燃料电池，使用纯氢作为燃料供给。该电动飞机总功率为360kW，电池的参数参考Ballard能源系统公司提供的FCvelocity-9SSL燃料电池。在飞机巡航阶段，电机需要的功率约为最大功率的一半，即360 kW的一半180 kW。根据表3，选用FCvelocity-9SSL Ⅵ 9块电池组成电池组，其总质量为150 kg，总功率为189 kW。

同样地，可以计算氢气消耗量。采用9块FCvelocity-9SSL Ⅵ型号燃料电池，总氢气消耗质量流量为3.105 g/s。

该型号飞机的续航时间为20分钟，需要氢气3726g。为保险起见，使用4 kg氢气作为燃料。原来飞机上电池的重量为272 kg，同等容量的燃料电池系统，其燃料电池重量为17 kg [∗] 9 = 153 kg，氢气的质量为4 kg，总质量为157 kg；一个50 L的氢气储存罐质量约为50 kg，需要2个，总质量为100 kg，则整个燃料电池的总重量约为257 kg。

因此其续航里程会高于飞机的设计续航里程，且氢气充气速度快。

5 总 结

本文对氢燃料电池技术的发展进行了回顾，并简要分析了现阶段5种典型的燃料电池，得到以下结论：

（1）5种典型燃料电池特点鲜明，从电池成本和电池效率方面考虑，碱性燃料电池非常适合作为动力在航空器上使用，尤其是在民航运输等对经济性要求较高的飞机。

（2）质子交换膜燃料电池效率高，对负载响应快，输出功率稳定，运行温度要求不高，相对于其他种类燃料电池具有非常明显的优势，是现阶段航空系统燃料电池的首选。

（3）通过对两个电动飞行器概念方案的分析和评估，可以认为氢燃料质子交换膜燃料电池能够在很大程度上满足特定飞行器对动力的需求。这种清洁动力系统在航空领域具有广阔的发展空间。

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责任编校：田 旭，刘" " 燕

Development Status and Application Analysis of Hydrogen Fuel Cells

in Electric Aircraft

FU Qiang

（Xi’an Aeronautical Institute， Xi’an 710077， China）

Abstract：With the continuous development of new battery technologies represented by hydrogen fuel cells，large-sized and long-range electric vehicles have gradually become a research hotspot. This article introduces five main fuel cell principles and technological development status. It takes two conceptual schemes as examples to analyze and evaluate the matching applicability of proton exchange membrane fuel cells. Research has found that five types of fuel cells have obvious characteristics.Considering battery cost and efficiency，alkaline fuel cells are very suitable for use as power in aviation，especially in aircraft with high economic requirements such as civil aviation transportation;Proton exchange membrane fuel cells have high efficiency，fast load response， and stable output power， which have significant advantages compared to other types of fuel cells;Phosphoric acid fuel cells have a higher tolerance for impurities and do not require carbon dioxide treatment equipment， and the technology is relatively mature;Both molten carbonate fuel cells and solid oxide fuel cells have technical problems that are not suitable for application on aircraft at this stage.

Keywords： hydrogen；fuel cell；electric vehicle

收稿日期：2023-11-14

作者简介：浮 强，男，河南新乡人，博士，讲师，主要研究方向为超音速飞行器动力系统、罗茨真空泵等。