燃料电池是否能将航空运输带入“环保时代”呢？
来源：未知
2019-04-06 20:57
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日前，俄罗斯巴拉诺夫中央航空发动机研究所总裁戈尔金表示，俄罗斯将在2020年开展混合动力飞机飞行测试，并首先完成混合动力引擎的研制，而最终目标是研制出功率为500千瓦的混合动力飞机。
无独有偶，在相近的时间点上，中国商飞于郑州成功试飞了一款燃料电池混合动力飞机“灵雀-H2”，旨在验证以氢燃料电池为主、锂电池为辅的混合动力技术应用在飞机上的可行性。
众所周知，化石燃料燃烧是大气污染的主要来源。功率强劲的飞机更是“油老虎”，最近频发安全事故的波音737，一次起飞就能耗油5吨。
欧盟委员会规定，航空业到2050年应实现二氧化碳减排60%、氮氧化物减排90%、噪音减少75%，仅靠现有技术无法达标，而电动化则是一种选择。
电动化已经给汽车带来了环保希望，那么它能否将航空运输也带入“环保时代”？由于现有电池的重量太大，纯电动飞机对现有技术的挑战太大了，因此需要逐步推进，而另一种电动化技术——燃料电池技术是否能够完成这一艰巨的任务？沈阳航空航天大学辽宁通用航空研究院副教授康桂文对此发表了自己的看法：电电混动可能在目前阶段更适合航天应用。
这正好与我国燃料电池汽车的技术方向一致。
技术方案，花开两朵，油-电混合和电-电混合有所不同
“现在国际上关于混合动力飞机的技术方案是比较类似的，主要有油-电混合和电-电混合两种。”康桂文介绍，在具体的工作方式上，则需结合不同动力装置的特性和飞机的飞行特点加以设计。
所谓油-电混合是指由传统的航空燃油发动机和锂电池组成混合推进系统。在2017年，空客、劳斯莱斯和西门子宣布共同开发一款50-100人座的单通道混合动力式客机，这款飞机名为“E-FanX”，以英航BAE146型四引擎支线飞机为原型，计划将四台燃油发动机的其中一台，换成2兆瓦功率的电动涡扇发动机。计划在2020年完成地面测试后首飞，到2030年量产上市。这款飞机正是油电混合动力。
康桂文说道，油-电混合动力飞机起飞阶段中锂电池和燃油发动机一起工作，通过锂电池分担部分功率，减少燃油消耗。而在起飞结束后的巡航阶段，此时可以只开启燃油发动机，既提供飞行的动力，又能同时为锂电池充电。最后降落阶段的功率需求更小，理论上只使用锂电池就能满足需求。
而电-电混合则是由氢燃料电池和锂电池提供混合动力。也就是俄罗斯和中国商飞提到的产品。
“电-电混合动力飞机则有所不同。”康桂文表示，氢燃料电池放电速率较慢，难以快速达到起飞功率，起飞阶段需要锂电池加以辅助。因此，电-电混合动力飞机的工作模式是在起飞阶段同时使用氢燃料电池和锂电池提供动力，巡航阶段只开启氢燃料电池，降落阶段既可以单独使用氢燃料电池也可只启动锂电池。
相比传统的燃油动力飞机，混合动力飞机除了具备环保优势，还能够大幅度降低运营成本并提高乘坐舒适性。美国混合动力飞机初创公司ZunumAero评估认为，由于电动系统运行振动更小，飞行过程中的噪音也可减少75%。
“此外，混合动力飞机相当于有两个动力系统，可以互为备份，一旦飞行过程中有一个出现问题，另一个能够保证安全滑翔降落。”康桂文说。
目前主要集中在搭载数人的小型飞机上
“当前国内外对混合动力飞机的研发还处在开发阶段，没有达到实际应用的程度。”康桂文说道，由于现阶段电池和电动机技术的限制，大飞机上的航空发动机是无法用电动机替代的。由于飞机滑跑阶段发动机为部分功率运转，燃油燃烧效率低，因此国际上正在研究使用电动系统助力大型飞机滑跑。波音、空客等公司正在进行载客100人左右的混合动力支线飞机的论证，但目前尚未公布详细的技术方案。
“因此，现在关于混合动力飞机的研究主要集中在小型飞机上，特别是用于通用航空领域，如‘专业作业’的森林寻险、紧急救援以及‘消费作业’的私人飞行执照培训、娱乐飞行等。混合动力小型飞机也处于飞行验证阶段，没有进入商业运营。”康桂文谈道。
国内方面，2016年底，由沈阳航空航天大学辽宁通用航空研究院和大连化学物理研究所合作研制的首架有人驾驶氢燃料电池试验机在沈阳试飞成功。我国成为继美、德之后第三个拥有该技术的国家。
该飞机在RX1E电动飞机基础上进行改装，采用大连化物所研制的20千瓦氢燃料电池为动力电源，配合小容量辅助锂电池组，储氢方式为机载35MPa氢储罐。飞机在起飞和大速率爬升时由燃料电池和锂电池组共同提供动力电能，在巡航阶段完全由燃料电池提供电能，并为锂电池组充电。飞机飞行高度320米，全程零污染排放。
国际方面，早在2008年，波音公司成功试飞氢燃料电池为动力源的一架小型飞机，这是世界航空史上首次试飞燃料电池飞机。同年，空中客车公司在一架由德国宇航中心（ＤＬＲ）拥有的空中客车Ａ３２０试验飞机上采用无排放燃料电池系统为飞机的备用液压和电力系统提供动力，这是燃料电池系统第一次成功应用于民用飞机进行飞行测试。
美国、加拿大、欧盟等也都在进行相关研制，并已有多次试飞。但已经试飞过的几乎都是只能搭载2到4人、功率不超过200千瓦的小型飞机，前文提及的俄罗斯500千瓦混合动力飞机能够搭载8人左右，相当于小公务机型，现在还在计划当中。
而最著名的燃料电池飞机，则是2016年9月29日在德国成功试飞的电-电混合动力的HY4。HY4采用双舱设计，巡航速度每小时165公里，航程可达1500公里。该项目由斯洛文尼亚蝙蝠飞机公司（Pipistrel）牵头实施，欧盟出资900万欧元支持，德国航空航天中心、乌尔姆大学、意大利米兰理工大学等多个研究机构参与。HY4预计在2020年投入市场运营。
动力系统是发展难点
“混合动力飞机的发展难点主要是飞机的心脏——动力系统，包括锂电池和燃料电池都面临一些技术瓶颈。”康桂文指出，飞机既要求足够的动力，还需有很轻的重量。当前锂电池的问题就在于能量密度不够高，导致飞机超重或者动力不足。
“氢燃料电池一方面能量密度不足，同时还面临氢储存难题。”康桂文表示，氢气的密度很低，现在飞机上用的储氢方案主要是高压气罐和液体储存两种。高压气罐的压力需要达到35或者70兆帕，氢气液化则要保持零下250摄氏度的低温，这些技术用于飞机的长时间持续飞行都有难度。此外，由于电池功率限制，电—电混合动力飞机的飞行速度不高，还满足不了航空运营要求。
“就像电动车的发展要兼顾经济性和里程一样，现阶段的油-电混合是综合考虑环保、航程、航时、经济的一个折中型方案。”康桂文认为。如果锂电池技术实现突破性的发展，比如能量密度在现有基础上能够提高2到3倍，或燃料电池功率提高2-3倍，油—电混合这种折中、过渡的方案就不需要了，纯电动或燃料电池飞机就能够满足航空运输。而目前阶段电电混合完全无污染，环境更友好，也能够满足航程要求，正是十分合适的解决方案——这也正好是我国燃料电池汽车的主要技术路线。
无独有偶，在相近的时间点上，中国商飞于郑州成功试飞了一款燃料电池混合动力飞机“灵雀-H2”，旨在验证以氢燃料电池为主、锂电池为辅的混合动力技术应用在飞机上的可行性。
众所周知，化石燃料燃烧是大气污染的主要来源。功率强劲的飞机更是“油老虎”，最近频发安全事故的波音737，一次起飞就能耗油5吨。
欧盟委员会规定，航空业到2050年应实现二氧化碳减排60%、氮氧化物减排90%、噪音减少75%，仅靠现有技术无法达标，而电动化则是一种选择。
电动化已经给汽车带来了环保希望，那么它能否将航空运输也带入“环保时代”？由于现有电池的重量太大，纯电动飞机对现有技术的挑战太大了，因此需要逐步推进，而另一种电动化技术——燃料电池技术是否能够完成这一艰巨的任务？沈阳航空航天大学辽宁通用航空研究院副教授康桂文对此发表了自己的看法：电电混动可能在目前阶段更适合航天应用。
这正好与我国燃料电池汽车的技术方向一致。
技术方案，花开两朵，油-电混合和电-电混合有所不同
“现在国际上关于混合动力飞机的技术方案是比较类似的，主要有油-电混合和电-电混合两种。”康桂文介绍，在具体的工作方式上，则需结合不同动力装置的特性和飞机的飞行特点加以设计。
所谓油-电混合是指由传统的航空燃油发动机和锂电池组成混合推进系统。在2017年，空客、劳斯莱斯和西门子宣布共同开发一款50-100人座的单通道混合动力式客机，这款飞机名为“E-FanX”，以英航BAE146型四引擎支线飞机为原型，计划将四台燃油发动机的其中一台，换成2兆瓦功率的电动涡扇发动机。计划在2020年完成地面测试后首飞，到2030年量产上市。这款飞机正是油电混合动力。
康桂文说道，油-电混合动力飞机起飞阶段中锂电池和燃油发动机一起工作，通过锂电池分担部分功率，减少燃油消耗。而在起飞结束后的巡航阶段，此时可以只开启燃油发动机，既提供飞行的动力，又能同时为锂电池充电。最后降落阶段的功率需求更小，理论上只使用锂电池就能满足需求。
而电-电混合则是由氢燃料电池和锂电池提供混合动力。也就是俄罗斯和中国商飞提到的产品。
“电-电混合动力飞机则有所不同。”康桂文表示，氢燃料电池放电速率较慢，难以快速达到起飞功率，起飞阶段需要锂电池加以辅助。因此，电-电混合动力飞机的工作模式是在起飞阶段同时使用氢燃料电池和锂电池提供动力，巡航阶段只开启氢燃料电池，降落阶段既可以单独使用氢燃料电池也可只启动锂电池。
相比传统的燃油动力飞机，混合动力飞机除了具备环保优势，还能够大幅度降低运营成本并提高乘坐舒适性。美国混合动力飞机初创公司ZunumAero评估认为，由于电动系统运行振动更小，飞行过程中的噪音也可减少75%。
“此外，混合动力飞机相当于有两个动力系统，可以互为备份，一旦飞行过程中有一个出现问题，另一个能够保证安全滑翔降落。”康桂文说。
目前主要集中在搭载数人的小型飞机上
“当前国内外对混合动力飞机的研发还处在开发阶段，没有达到实际应用的程度。”康桂文说道，由于现阶段电池和电动机技术的限制，大飞机上的航空发动机是无法用电动机替代的。由于飞机滑跑阶段发动机为部分功率运转，燃油燃烧效率低，因此国际上正在研究使用电动系统助力大型飞机滑跑。波音、空客等公司正在进行载客100人左右的混合动力支线飞机的论证，但目前尚未公布详细的技术方案。
“因此，现在关于混合动力飞机的研究主要集中在小型飞机上，特别是用于通用航空领域，如‘专业作业’的森林寻险、紧急救援以及‘消费作业’的私人飞行执照培训、娱乐飞行等。混合动力小型飞机也处于飞行验证阶段，没有进入商业运营。”康桂文谈道。
国内方面，2016年底，由沈阳航空航天大学辽宁通用航空研究院和大连化学物理研究所合作研制的首架有人驾驶氢燃料电池试验机在沈阳试飞成功。我国成为继美、德之后第三个拥有该技术的国家。
该飞机在RX1E电动飞机基础上进行改装，采用大连化物所研制的20千瓦氢燃料电池为动力电源，配合小容量辅助锂电池组，储氢方式为机载35MPa氢储罐。飞机在起飞和大速率爬升时由燃料电池和锂电池组共同提供动力电能，在巡航阶段完全由燃料电池提供电能，并为锂电池组充电。飞机飞行高度320米，全程零污染排放。
国际方面，早在2008年，波音公司成功试飞氢燃料电池为动力源的一架小型飞机，这是世界航空史上首次试飞燃料电池飞机。同年，空中客车公司在一架由德国宇航中心（ＤＬＲ）拥有的空中客车Ａ３２０试验飞机上采用无排放燃料电池系统为飞机的备用液压和电力系统提供动力，这是燃料电池系统第一次成功应用于民用飞机进行飞行测试。
美国、加拿大、欧盟等也都在进行相关研制，并已有多次试飞。但已经试飞过的几乎都是只能搭载2到4人、功率不超过200千瓦的小型飞机，前文提及的俄罗斯500千瓦混合动力飞机能够搭载8人左右，相当于小公务机型，现在还在计划当中。
而最著名的燃料电池飞机，则是2016年9月29日在德国成功试飞的电-电混合动力的HY4。HY4采用双舱设计，巡航速度每小时165公里，航程可达1500公里。该项目由斯洛文尼亚蝙蝠飞机公司（Pipistrel）牵头实施，欧盟出资900万欧元支持，德国航空航天中心、乌尔姆大学、意大利米兰理工大学等多个研究机构参与。HY4预计在2020年投入市场运营。
动力系统是发展难点
“混合动力飞机的发展难点主要是飞机的心脏——动力系统，包括锂电池和燃料电池都面临一些技术瓶颈。”康桂文指出，飞机既要求足够的动力，还需有很轻的重量。当前锂电池的问题就在于能量密度不够高，导致飞机超重或者动力不足。
“氢燃料电池一方面能量密度不足，同时还面临氢储存难题。”康桂文表示，氢气的密度很低，现在飞机上用的储氢方案主要是高压气罐和液体储存两种。高压气罐的压力需要达到35或者70兆帕，氢气液化则要保持零下250摄氏度的低温，这些技术用于飞机的长时间持续飞行都有难度。此外，由于电池功率限制，电—电混合动力飞机的飞行速度不高，还满足不了航空运营要求。
“就像电动车的发展要兼顾经济性和里程一样，现阶段的油-电混合是综合考虑环保、航程、航时、经济的一个折中型方案。”康桂文认为。如果锂电池技术实现突破性的发展，比如能量密度在现有基础上能够提高2到3倍，或燃料电池功率提高2-3倍，油—电混合这种折中、过渡的方案就不需要了，纯电动或燃料电池飞机就能够满足航空运输。而目前阶段电电混合完全无污染，环境更友好，也能够满足航程要求，正是十分合适的解决方案——这也正好是我国燃料电池汽车的主要技术路线。
