摘 要：隨著以氫燃料電池為代表的新型電池技術的發(fā)展，其在大尺寸長航程電動飛行器中的應用逐漸成為研究熱點。介紹5種主要的燃料電池的工作原理和技術發(fā)展現狀，并以兩個概念方案為例，重點對質子交換膜燃料電池的適用性進行分析和評估。研究發(fā)現，5種燃料電池特點明顯，從電池成本和電池效率方面考慮，堿性燃料電池非常適合在航空器上使用，尤其是在民航運輸等對經濟性要求較高的飛機；而質子交換膜燃料電池效率高，對負載響應速度快，輸出功率穩(wěn)定，相對于其他種類燃料電池優(yōu)勢明顯；磷酸燃料電池對雜質的容忍度更高，不需要二氧化碳處理設備，且技術相對成熟；熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池由于存在技術上的問題現階段不適合在飛行器上應用。

關鍵詞：氫；燃料電池；電動飛行器

中圖分類號：V19" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1007 - 9734 （2024） 05 - 0065 - 07

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

0 引 言

在航空器中使用氫氣可以追溯到18世紀晚期，當時主要是利用它密度小的特點，將其作為氫氣球和飛艇的填充氣體，如齊柏林飛艇[1]。隨后，許多國家啟動了不同的項目來評估和開發(fā)氫動力飛機，使用氫作為推進劑[2]，如Suntan（美國‐1956），Tupolev Tu‐155（蘇聯‐1988），CRYOPLANE（歐洲‐2000），HyShot（澳大利亞‐2001），NASA X‐43（美國‐2004），幻影眼（美國‐2013）[3-5]，等等。除了在航空領域使用外，氫氣還因為其具有高比能而成為火箭的主要燃料?；鸺娜加拖渫ǔＱb滿了液氫（LH2）和液氧（LOX），其反應產生很大的動力來推動火箭升空[6]。

使用氫燃料替代化石燃料在技術和商業(yè)領域面臨眾多挑戰(zhàn)，但它的優(yōu)點多于缺點。與任何其他以化學方式獲得的能量相比，氫具有最高的單位質量能量，其能量密度是煤油的2.5倍。如果在全世界范圍內使用氫氣替代煤油等航空燃料，那么現階段化石燃料的主要污染物排放都將得到解決[7]。氫在燃燒過程中的主要副產品是水蒸氣（H2O）和氮氧化物（NOx）[8]。氮氧化物的排放與煙霧、酸雨和顆粒物的形成有關。此外，NOx排放導致了氣候變暖和臭氧（O3）的產生，并對對流層O3和平流層O3產生負影響[9]。然而，與燃燒煤油相比，燃燒氫氣釋放的NOx排放量極低[10]，這是由于燃燒氫氣產生的水蒸氣吸收了燃燒過程中釋放的大部分能量，從而降低了燃燒的峰值溫度，阻止了NOx的形成[11]。當氫氣代替石油燃料時，水蒸氣的比例就會增加。盡管燃燒氫氣會產生更多的水蒸氣（被認為是溫室氣體），但與煤油相比，它仍然能顯著減少噴氣燃料的凈溫室氣體排放[12-13]。此外，采用氫作為飛機燃料，能夠保持長期穩(wěn)定的燃料價格水平，提高了燃料供應的可靠性。因為氫可以從多種來源中獲得，從而減少了化石燃料對于產油地區(qū)的過度依賴[9][14]。因此，氫氣是一種適合于航空領域使用的燃料。

氫燃料電池是可以將化學能轉化為電能的電池，其與普通電池的差別較大。氫燃料電池利用催化劑使燃料進行氧化還原反應，即水電解逆反應，將氧離子和氫離子各自供給陰極和陽極，氫離子在陽極和電解質發(fā)生氧化反應后放出電子，電子經過陽極通過負載到達陰極，就形成原電池，產生源源不斷的電流，從而獲得電能。氫燃料電池作為能量轉換裝置，其本身不儲存能量。燃料和催化劑儲存在燃料罐中，通過管道注入燃料電池。在這個過程中，燃料電池的兩極并不會變化，兩極只是發(fā)生反應的場所。氫燃料電池在發(fā)電過程中，兩極并不會被消耗，也不存在隨著使用時間的增加輸出電壓有較大下降的情況。從能量的轉換角度來說，它與內燃機類似，都是將燃料的化學能釋放出來，在消耗燃料的同時產生排放產物。不同的是，內燃機的排放物中有較多的污染物質和大量的二氧化碳，而氫燃料電池所排放的基本上都是純凈的水。

氫燃料電池的特點主要包括以下幾點：

（1）效率高。該電池理論效率在75 %～100 %，實際效率在40 %～60 %，而火電的效率在30 %～40 %[11]。（2）污染低。氫燃料電池只排放水。利用化石燃料生產氫氣后再燃燒，比直接燃燒化石燃料排放的二氧化碳少40 %以上[3]。在未來還可以利用太陽能、地熱能、海洋能、風能、水能、核能等制氫，實現無污染發(fā)電。（3）噪音低?；鹆?、水力、核能等使用渦輪機發(fā)電，其高速旋轉產生很大噪音，內燃機運行時也有很大噪音。磷酸燃料電池發(fā)電時噪音在60 dB左右，4.5 MW、11 MW等大功率氫燃料電池發(fā)電時噪音≤55 dB[6]。（4）使用范圍廣，機動靈活，可根據不同需求，組裝不同規(guī)格的氫燃料電池。

目前氫燃料電池有1W到兆瓦級不同類型，未來的氫燃料電池將會是極具發(fā)展前景的動力電源，也將會在各個領域得到廣泛應用，如應急、家庭以及飛機、汽車、軍艦使用的電源[15]。與日常使用的化學電池不同的是，氫燃料電池添加的是氫氣，排出的則是水[16]。燃料電池中不存在回轉部件，運行時相對平穩(wěn)，無噪音，應用于航空領域，具有非常明顯的優(yōu)勢。特別是各種客機，使用氫燃料電池代替原有的發(fā)電設備，會使客機更具重量輕、功重比大、效率高、噪音低、可靠性及安全性高、運營成本低、無污染等優(yōu)點[17]，從而為航空運輸業(yè)的綠色發(fā)展提供了重要支持。

1 世界各國氫燃料電池的研究現狀

1839年，英國發(fā)明家、物理學家William Grove 把一個浸泡著鋅電極的硫酸鋅和一個浸泡著鉑電極的硝酸進行了組合，在大約1.8V的電壓中產生了12A左右的電流，這是第一次被公認的燃料電池演示。1889年，蒙德（Mond）及其助手萊格首先提出了燃料電池的概念[18]。1959年，培根成功研制出了“氫氧燃料電池”[19]。

美國在氫燃料的生產、儲藏、運輸和利用等方面走在了世界的前列，在電解純水制氫、液氫儲藏和運輸、氫燃料電池應用等技術領域擁有核心技術。

日本在這一技術領域也很有建樹。它不僅是世界上氫能相關技術推廣力度最大的國家，還是氫燃料汽車、氫燃料發(fā)電商業(yè)化最成功的國家[20]。截至2018年1月，日本約有2000輛氫燃料電池乘用車。另外，氫燃料電池公交車的數量也在迅速增加[21]。

韓國在氫和燃料電池的研究和推廣方面擁有明確的發(fā)展規(guī)劃，其技術與歐洲、美國和日本相比也相當出色。2019年，韓國政府發(fā)布了一份“氫燃料經濟發(fā)展路線圖”，旨在推動氫工業(yè)的發(fā)展，推動全球電力和燃料電池市場的發(fā)展。根據路線圖，韓國政府計劃到2040年將電動汽車產量從2000輛增至620萬輛。

2 氫氧燃料電池在電動飛機上的應用及發(fā)展

最早在飛機上使用燃料電池的是NASA和航空環(huán)境公司[22]，他們提出了可再生燃料電池系統(tǒng)計劃。之后NASA和航空環(huán)境公司在“太陽神”無人機上安裝了燃料電池?！疤柹瘛睙o人機白天利用太陽能發(fā)電作為動力，并產生氫氣，夜間則使用燃料電池為動力。依靠這樣的動力系統(tǒng)使得“太陽神”無人機的飛行時間達到了7天～14天 [23]。2006年，歐洲委員會開啟了一項名為燃料電池推進的環(huán)境友好飛機（ENFICA-FC）項目，該項目主要是為了推進以燃料電池為動力系統(tǒng)的多點或者全電飛機的發(fā)展。項目的試驗飛機由一個40千瓦的全電推進器推動，其中20千瓦由氫燃料電池提供，另外20千瓦由鋰電池提供，鋰電池可以作為飛機起飛爬升、降落過程中的輔助動力。2010年5月26日，該飛機在意大利Reggio Emilia機場首次飛行 [14]。

Uber Elevate計劃來自美國的傳統(tǒng)交通運營企業(yè)優(yōu)步公司（Uber）。該公司于2016年提出了Uber Elevate計劃及白皮書，隨后于2017～2019年組織召開了三屆峰會。優(yōu)步希望與政府、企業(yè)和學術界合作，并在2023年推出了適用于城市空運的共享電動垂直起降飛行器交通服務Uber Air[17]項目。

從上文我們可以看到，世界上很多國家都開始了自己的氫能源計劃。我國也有燃料電池方面的發(fā)展計劃，雖然計劃多數是概念性的，但其在航空領域的推廣應用只是時間問題。

3 幾種典型的氫燃料電池簡析

3.1 堿性燃料電池

堿性燃料電池是最早開發(fā)的燃料電池技術。它的電解質為水和氫氧化鉀溶液，其工作原理如圖1所示。氫氣在催化劑的作用下與陽極接觸釋放電子并與捕獲電子后的氧結合生成水，這些電子用來為外部電路提供能量[24]。lt;E：＼2023田田＼10--＼鄭州航空工業(yè)管理學院學報202405＼Image＼圖1.pnggt;

堿性燃料電池相對于酸性燃料電池，反應更容易進行，可以不使用鉑等貴金屬，而采用鎳、銀等金屬作為催化劑，使得電池的造價更低。在工作電壓方面，堿性燃料電池在工作時產生的電壓更高，一般在0.8V～0.93V。在不考慮熱電聯供的情況下，堿性燃料電池是幾種燃料電池中效率最高的。但是堿性燃料電池的電力密度較低，在飛行器中使用顯得相當笨拙。

航空器的運行需要大功率電池供電，同時需要降低成本。從電池成本和電池效率方面考慮，堿性燃料電池非常適合在航空方面使用，尤其是在民航等對經濟性有要求的飛機。但其也具有很明顯的缺點，就是堿性燃料電池必須采用純氫純氧，其電解液中含有氫氧根離子，在發(fā)電時會與CO2發(fā)生反應生成不可溶解的物質碳酸鹽。碳酸鹽因難溶于電解液，會堵塞電極的空隙和通道，從而影響電池的使用壽命。

3.2 質子交換膜燃料電池

從原理上講，質子交換膜燃料電池相當于電解水的逆向反應工具，如圖2所示，它主要由正、負極和質子交換膜組成。質子交換膜電池需要氣態(tài)氫作為燃料。氫氣進入電池后到達陽極催化劑表面，在催化劑的作用下發(fā)生氫氧化反應，生成H+和電子，因為質子交換膜只能傳導質子，所以氫質子（H+）通過交換膜進入另一側到達陰極。在陰極催化劑的作用下與氧氣、電子發(fā)生氧化還原反應生成水。電子通過導線傳導穿過負載后到達陰極產生電流。

質子交換膜燃料電池出現的時間較短，但是由于它可以在較低的溫度下穩(wěn)定運行，因而在電動汽車等領域得到了廣泛應用。航空動力電要求電源輸出功率大、效率高，對負載響應快，輸出功率穩(wěn)定。相對于其他種類燃料電池，質子交換膜燃料電池具有非常明顯的優(yōu)勢?，F階段質子交換膜燃料電池最大的問題在于成本。其對貴金屬催化劑的需求量較大，增加了整個燃料電池的生產成本。

3.3 磷酸燃料電池

磷酸燃料電池是一種使用磷酸溶液作為電解質的燃料電池。氫燃料被添加到陽極，在催化劑的作用下被氧化成質子，釋放出兩個自由電子。氫質子和磷酸結合形成磷酸質子，向正極移動。電子向正極運動，氫質子通過磷酸電解質向陰極移動。因此，在正極上，電子、氫質子和氧氣在催化劑的作用下生成水分子[25]。

磷酸燃料電池的電解液是100 %的磷酸，穩(wěn)定性比較好，相比較其他電解液腐蝕性小，并且在室溫下以固態(tài)形式存在。其生產成本低，技術成熟，但電極上需要白金作為催化劑加速反應，運行成本高。它對雜質的容忍度極高，可以使用含有極低量的CO燃料，且構造簡單、穩(wěn)定。除氫氣外，工作室燃料中的二氧化碳不會對電池本身造成影響。從以上幾點看，磷酸燃料電池在航空方面的應用有很好的前景。而且磷酸燃料電池技術成熟，可直接改造，不需要額外設計。然而磷酸燃料電池還有很多問題有待解決。首先是電池功率密度較低需多個電池組并聯，并且電池使用壽命較短，因此增加了重量和成本。同時磷酸燃料電池工作溫度在200 ℃左右，需要增加散熱部件，這也會增加飛機重量。

3.4 熔融碳酸鹽燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，簡稱MCFC）的電解質一般為Li、K、Na和Cs等的混合物，隔膜材料為LiAiO2。熔融碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)可以使用多種不同燃料，包括煤氣?沼氣或天然氣，工作原理如圖4所示。

MCFC的優(yōu)點在于工作溫度較高，較高的工作溫度使氫氣的氧化反應和氧氣的還原反應活性高，不需要使用貴金屬Pt作為催化劑[26]。對燃料的純度要求相對較低，可以只用甲烷和一氧化碳作為燃料。不足之處在于，高溫條件下液體電解質的管理較困難，在長期使用過程中腐蝕和滲漏現象嚴重，降低了電池的壽命。

熔融碳酸鹽燃料電池造價低，對材料要求低，制造工藝和結構相對簡單，可靠性、穩(wěn)定性高，對燃料和氧化劑要求較低。但其工作室溫度高，從而產生大量余熱，而飛機上不適合再添加燃氣輪機實現聯合發(fā)電，這樣會浪費很多能量；而且反映生成的二氧化碳必須脫水后按照規(guī)定比例與空氣混合輸運到陰極，導致電池結構較為復雜，該過程還消耗了為飛機提供的電能。最重要的是其使用壽命和能量轉化效率低于固體氧化物燃料電池。就現階段而言，熔融碳酸鹽燃料電池如果能夠解決余熱問題，提高能量綜合轉化效率，同時解決二氧化碳循環(huán)問題，相信它在航空領域的應用還是很有前景的。

3.5 固體氧化物氫燃料電池

固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC）是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能，高效、環(huán)境友好地轉化成電能的全固態(tài)化學發(fā)電裝置。在固體氧化物燃料電池的陽極一側持續(xù)通入燃料氣體，例如氫氣（H2）、甲烷（CH4）、煤氣等，具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體，并通過陽極的多孔結構擴散到陽極與電解質的界面。在陰極一側持續(xù)通入氧氣或空氣，具有多孔結構的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學勢的作用下，O2-進入起電解質作用的固體氧離子導體，由于濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應，失去的電子通過外電路回到陰極，其工作原理如圖5所示。

與其他燃料電池相比，固體氧化物燃料電池對燃料的適應性強，能在多種燃料包括碳基燃料的情況下運行，所以可以根據具體情況為飛機添加燃料[27]。如利用現有的燃氣管道延伸，降低了裝備成本；不需要使用貴金屬催化劑；使用全固態(tài)組件，不存在漏液、腐蝕的管理問題，降低了安裝成本，減輕了后期維護壓力；積木性強，規(guī)模和安裝地點靈活等。這些優(yōu)點對飛機的生產加工和維護都非常有利。固體氧化物燃料電池可以滿足飛機起飛時需要的大功率能源供給。

但是其目前還存在一些無法解決的問題。最主要的問題是電極燒結，電極與電解質之間的界面擴散，對電池的使用有很大影響，會降低電池的可靠性和穩(wěn)定性。另外，固體氧化物燃料電池啟動時間長，啟動時間在65 min～200 min。啟動過程消耗能量較多。雖然飛機在地面可以由外部供電啟動，但若空中發(fā)生故障，電源一旦無法快速啟動對飛機將是毀滅性的打擊。就目前綜合情況來看，固體氧化物燃料電池不適合應用在航空領域。

4 概念方案分析與評估

從幾種氫燃料電池的分析來看，質子交換膜燃料電池是最適合在飛行器上使用的燃料電池，這里針對質子交換膜燃料電池的適用性做出理論分析。

4.1 滑翔機

以美國一家輕型飛機制造廠的A型號滑翔機電動版部分參數為例，依次計算其使用燃料電池時的匹配度，該型號滑翔機的主要基礎參數如表1所示。[表1 A型號電動滑翔機參數 項目 參數 項目 參數 座位數 2座 座位設計 并列式 機身材料 復合材料 機翼設計 中單翼 起落架 后三點，可收斂 螺旋槳 兩葉，可調槳距 機身長度 6.5米 飛機高度 1.45米 翼展長度（普通） 10.4米 翼展長度（加長） 15米 翼展面積 10.08平方米 電機功率 -45千瓦～

60千瓦 最大起飛

重量 600公斤 空載重量 280公斤 失速速度 56公里/小時 滑翔比 1[∶]35 最小下沉率 0.8米/秒 續(xù)航時間 2.5小時 ]

將原有電池組更換為氫燃料電池，使用純氫作為燃料供給。該電動飛機總功率為-45kW～60kW。電池的參數參考Ballard能源系統(tǒng)公司提供的FCvelocity-9SSL燃料電池，能量效率達到52%。其參數如表2所示。

根據表2，選用FCvelocity-9SSL Ⅵ 3塊電池組成電池組，其總質量為17 kg [?] 3 = 51 kg，總功率為63 kW。

在氫氣消耗量計算方面，我們使用Ballard公司針對其產品總結的公式：

D = 0.0000104 NI （1）

根據所選電池型號，燃料電池單元數110個，電流300A時，計算得D = 0.345 g/s。采用3塊該型號燃料電池，總氫氣質量流量為1.035 g/s。

在得到氫氣質量流量后，我們可以得到氫氣儲藏罐的體積和燃料質量。

計算式為：

m = D·t （2）

V = m/ρ （3）

該型號飛機的續(xù)航時間為2.5小時，需消耗氫氣9315 g。為保險起見，使用9.5 kg氫氣作燃料。氫氣儲氣罐中（700 bar情況下）氫氣的密度ρ為39.223 kg/m3，則氫氣的體積為0.243 m3，也就是243 L。

150 kW時的鋰電池以蔚來汽車最新發(fā)布的固態(tài)電池組為例。其能量密度為360 wh/kg，需要電池的重量為416 kg。同等容量燃料電池系統(tǒng)，其燃料電池重量為17 kg * 3 = 51 kg，氫氣的質量為9.5 kg，總質量約為60 kg；一個50 L的氫氣儲存罐質量約為50 kg，需要5個，總質量是250 kg，則整個燃料電池的總重量為310 kg。飛機氫氣容量大于額定的220 L，因此其續(xù)航里程會高于A型飛機的設計續(xù)航里程。當然，從安全性考慮，飛機還需要攜帶4塊SAFT鋰離子電池，3塊電池總輸出電壓可達48 kW，以最高功率輸出電流，可以供電10分鐘，主要是為了在起飛階段能夠提供更大的輸出功率。在巡航階段，燃料電池可以為鋰電池充電，保證鋰電池電量充足。同時在燃料電池發(fā)生故障不能正常供電時作為備用電源，保證滑翔機可以飛到安全的地點進行著陸，甚至可以飛回機場進行降落，提高飛機飛行的安全性。

4.2 空客伐訶那驗證機

伐訶那（Vahana）是空客位于美國硅谷的A3分部開發(fā)的一款單座、自動駕駛eVTOL驗證機，該機寬6.2米、長5.7米、高2.8米，重量為745千克。[15]

伐訶那驗證機有8個45kW的電動機，分別帶動8個三葉螺旋槳來提供動力，關鍵參數如表3所示。

將原有電池組更換為氫燃料電池，使用純氫作為燃料供給。該電動飛機總功率為360kW，電池的參數參考Ballard能源系統(tǒng)公司提供的FCvelocity-9SSL燃料電池。在飛機巡航階段，電機需要的功率約為最大功率的一半，即360 kW的一半180 kW。根據表3，選用FCvelocity-9SSL Ⅵ 9塊電池組成電池組，其總質量為150 kg，總功率為189 kW。

同樣地，可以計算氫氣消耗量。采用9塊FCvelocity-9SSL Ⅵ型號燃料電池，總氫氣消耗質量流量為3.105 g/s。

該型號飛機的續(xù)航時間為20分鐘，需要氫氣3726g。為保險起見，使用4 kg氫氣作為燃料。原來飛機上電池的重量為272 kg，同等容量的燃料電池系統(tǒng)，其燃料電池重量為17 kg [?] 9 = 153 kg，氫氣的質量為4 kg，總質量為157 kg；一個50 L的氫氣儲存罐質量約為50 kg，需要2個，總質量為100 kg，則整個燃料電池的總重量約為257 kg。

因此其續(xù)航里程會高于飛機的設計續(xù)航里程，且氫氣充氣速度快。

5 總 結

本文對氫燃料電池技術的發(fā)展進行了回顧，并簡要分析了現階段5種典型的燃料電池，得到以下結論：

（1）5種典型燃料電池特點鮮明，從電池成本和電池效率方面考慮，堿性燃料電池非常適合作為動力在航空器上使用，尤其是在民航運輸等對經濟性要求較高的飛機。

（2）質子交換膜燃料電池效率高，對負載響應快，輸出功率穩(wěn)定，運行溫度要求不高，相對于其他種類燃料電池具有非常明顯的優(yōu)勢，是現階段航空系統(tǒng)燃料電池的首選。

（3）通過對兩個電動飛行器概念方案的分析和評估，可以認為氫燃料質子交換膜燃料電池能夠在很大程度上滿足特定飛行器對動力的需求。這種清潔動力系統(tǒng)在航空領域具有廣闊的發(fā)展空間。

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責任編校：田 旭，劉" " 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

作者簡介：浮 強，男，河南新鄉(xiāng)人，博士，講師，主要研究方向為超音速飛行器動力系統(tǒng)、羅茨真空泵等。