世界各国的航空企业以及研发单位均对氢燃料投入研究，其中最主要的两个方向是氢燃料电池和氢燃料发动机。

来源：巅峰氢能

航空运输业碳排放较高，因此计划用氢能源代替传统航空燃油以降低碳排放，以氢燃料电池和氢燃料航空发动机作为飞机的动力源。围绕氢能源本身，对氢燃料电池和氢燃料航空燃气涡轮发动机展开论述，总结氢能源发展的主要技术难题，为氢能源飞机发展提供参考。

1 航空业脱碳新挑战

二氧化碳过度排放导致温室效应加剧，引起了国际社会的高度重视。世界各国均开始为减少碳排放做出努力。我国提出在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和的“双碳”目标。

据相关组织统计，目前全球航空运输业每年的碳排放量超过9亿t，约占全部人类活动碳排放的2%。我国民航运输服务需求快速增长，导致其成为交通部门中能源消费和碳排放增长最快的子部门。航空运输业亟须减碳脱碳。

航空运输业的碳排放来源主要是航空煤油燃烧。与喷气式发动机相比，目前航空发动机的燃油效率大幅提升，在当前燃油效率的基础之上实现飞跃的可能性极低因此需要转变策略，通过使用新能源助力航空运输业的脱碳任务。

2 氢能优势

目前，航空运输业主要有3个新能源利用方向，分别是可持续航空燃料(SAF)、电推进和氢燃料。综合考虑多方面因素后，氢能成为航空新能源的最佳选择。

可持续航空燃料属于航空燃油，可以直接和航空煤油一起混用，无需对发动机或飞机机体进行改装，但SAF面临的最大的问题是生产原料相对有限，导致其具有低产量和高成本的特点。目前，可持续航空燃料产量还不足全球喷气燃料需求的1%。

据估计，截至2040年SAF的产量只能满足全球飞机燃油需求量的20%。因此未来SAF大概率只适用于超长航程的大型宽体机。电推进方面，由于高能量密度电池等技术难题还未解决，电推进目前只能适用于一些小型飞机。使用氢燃料可以消除二氧化碳排放，氮氧化物的排放也较小，且其具有较高的能量密度。相关报告显示未来全球氢能飞机市场将在2030年左右达到70.9亿美元的规模，复合年增长率达到47%。

目前，世界各国的航空企业以及研发单位均对氢燃料投入研究，其中最主要的两个方向是氢燃料电池和氢燃料发动机，前者利用氢的化学能发电产生电能以驱动推进装置，后者直接将现有发动机使用的传统航空燃油替换为氢燃料。

3 氢燃料电池

氢燃料电池属于燃料电池，与传统意义上需要充电才能放电的电池不同，氢燃料电池更像是一个发电装置。氢燃料电池只能通过外部供应的氢和氧发生电化学反应从而产生电能，放电过程不可逆。使用氢燃料电池作为飞机的推进能源，航空出行对气候环境的负面影响可以减少75%~90%。

除了能够大幅减少温室气体的排放以外，氢燃料电池还可以帮助飞机减重。氢燃料电池的工作原理是将氢和氧在一块特殊处理的板上混合并发生电化学反应，从而输出电力。这些板堆叠起来所形成的燃料电池堆可以使飞机在设计制造时减少该处的部件，以此实现飞机减重的目的。

ZeroAvia公司于2020年试飞商用氢燃料飞机，该飞机由一架六座的派珀飞机改装而成，在只依靠氢燃料电池作为动力源的情况下，完整的实现了从滑行、起飞，巡航到降落的全飞行过程，总飞行时长8min，飞行速度达到185km/h，功率约为230kw®。时隔两年，ZeroAvia公司又开发出一套600kw氢燃料电池动力系统，并于2023年初装配在一架多尼尔228飞机上完成首飞。

质子交换膜技术(PEM)是氢燃料电池的核心技术。传统锂离子电池的能量密度有限，氢燃料电池受限于功率密度。2021年初Hypoint公司推出的涡轮空冷(TAC)氢燃料电池系统原型机突破了氢燃料电池的功率密度限制其功率密度是传统氢燃料电池的3倍，能量密度是传统锂离子电池的5倍。

TAC氢燃料电池实现突破的原因是其采用了高温质子交换膜(HTPEM)技术。与使用低温质子交换膜技术的氢燃料电池相比，TAC氢燃料电池不再需要换热器和冷却液，能够在减重的同时提高功率密度和能量密度。Hypoint公司后续又宣布与巴斯夫公司合作开发一种新型质子交换膜，这将使得新一代的氢燃料电池可以适应更高的工作环境温度和压差。

尽管 TAC氢燃料电池初步达到了满足商业飞行的水平，但目前该技术仅用于电垂直起降飞行器(eVTOL)和货运无人机。受到目前电池总体技术水平的限制，氢燃料电池仅被用于支线飞机和短程飞行，不适用于长途飞行。

4 氢燃料发动机

作为氢能源飞机的另一个方案，氢燃料发动机具有较高的功率密度，如果研制成功可以实现较长距离的飞行。与氢燃料电池相比，氢燃料发动机对气候环境的负面影响只能减少50%~75%，但其碳减排效果也远超传统航空发动机。氢燃料燃气涡轮发动机还具有起动性能好燃料消耗低、单位推力大等优势“。

氢燃料燃气涡轮发动机与传统航空发动机在结构和工作原理上并无太大的差异，最主要区别在于发动机利用的燃料从航油变成液氢。液氢先通过换热器转变为氢气后才能进入燃烧室进行燃烧，产生的高温高压气体在涡轮中膨胀做功，继而带动压气机和风扇/螺旋桨产生推力。液态氢燃料发动机原理如图1所示。该方案可以尽可能保留传统航空燃气涡轮发动机的原有优势，以减小对飞机及其发动机的设计改动。

液氢既可以作为燃料，又可以作为换热工质。按照对氢燃料利用方式的不同，氢燃料燃气涡轮发动机的热力循环可以分为常规热力循环和非常规热力循环，对应的发动机类型可以分为传统结构燃氢发动机和非传统结构燃氢发动机。前者只将液氢作为燃料，后者将液氢当作燃料又将其作为换热工质。

通过实验对比发现，采用常规热力循环的氢燃料发动机在热力循环效率方面优于传统发动机，但是转子转速的限制是进一步提高其推力性能的瓶颈。因此，必须先攻克转子和轮盘相关的技术，采用非常规热力循环的发动机，利用液氢换热可以大幅提高发动机的性能并降低运行成本，但氢冷换热器的可靠性还有待探究，且同样受限于转速。

氢燃料燃气涡轮发动机设计的挑战是与燃烧室相关的技术还不够成熟。液氢燃料的燃烧热值接近传统航空煤油的3倍，如何使其在燃烧室内稳定燃烧并减少污染物排放仍然是巨大的难题。

在传统航空发动机中，氨化物的排放量主要与燃烧室温度有关，燃烧室温度超过1800K时，氨氧化物的生成量迅速增加。如果将航空煤油换成氢燃料，其火焰温度比航空煤油燃烧时的温度高150K，会排放远多于传统航空燃气涡轮发动机的氨氧化物。

氢气燃烧时的火焰传播速度是航空煤油燃烧时的数倍，如果不能设计喷射速更高的喷嘴，会造成回火的危险，同样可能导致氮氧化物排放超标。若要减小对环境的影响，必须降低燃烧室的火焰温度，目前主要的方案是采用贫油多点直喷技术吗。

该技术可以有效降低主燃区火焰温度并降低回火风险，但该方案需要将传统燃烧室中的数十个大型喷嘴变成上千个微小喷嘴，设计和制造方面均面临巨大的技术挑战。

除上述直接涉及燃烧室的问题外，还有涉及飞机其他系统的技术难题。氢的可压缩性极强，从储氢罐到燃烧室的传输过程中会经历从液态到气态的相变，会引起氢压力和温度等参数的动态变化，这为精确控制和计量氢燃料带来了很大的难度；传统的航空发动机使用高压燃油作为发动机控制系统的工作介质，将燃料换为氢之后需要重新设计；传统飞机使用的以航空煤油为燃料的APU需要随之改变；航空煤油的灭火系统也需要重新设计，采用针对氢燃料的灭火系统，因为氢容易自燃，还需要加强燃料防泄漏检测。

与氢燃料电池飞机相比，采用氢燃料燃气涡轮发动机的飞机看似对飞机的改变不大，但其中的各项技术难题不易突破，导致其发展和研究滞后于氢燃料电池飞机。氢燃料电池和氢燃料燃气涡轮发动机各具优劣，最好的办法是采用混合动力。

空客公司发布的3款“ZEROe”概念飞机均打算采用由燃气轮机和燃料电池驱动电动机共同组成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”。实现氢燃料电池和氢燃料燃气涡轮发动机的协同工作，可以优化推力，使飞机在不同飞行阶段均能获得最佳的性能，同时降低了燃料消耗和氮氧化物排放。

5 氢能源主要技术难题

与传统航空燃油相比，氢能源最主要的弊端是储存和运输的难度较大，这是由其自身的物理化学性质决定氢燃料以气态形式存储时，同样飞行距离所使用的氢气体积将是航空煤油的5~6倍，尽管此方式可以降低低温隔热系统的设计难度，但其存储所需的700个标准大气压强条件将使得储氢罐的重量极大增加；氢燃料以液态形式存储时，飞行同样距离所需的液态氢燃料体积是传统航空燃油的3~4倍，液态氢的低温(-253℃)存储条件对储氢罐的低温隔热系统提出了较高的要求。

液氢和氢气都不便于存储，但液氢的质量效率是氢气的6倍，因此使用液氢在飞行距离上更具优势。未来氢能源飞机上使用液氢作为燃料的概率远大于使用氢气的概率。FlyZero项目的结果表明，液氢燃料有潜力为绝大部分飞行活动(100%的短途航线和93%的远程航线)提供动力支持。

氢作为自然元素中分子最小的元素，在高压环境下很容易扩散到存储罐或传输管道的金属材料中，造成氢损伤，使材料的性能受到损坏。氢能源的制取方面还存在成本过高的问题，在不考虑存储的情况下，制取氢气的成本是传统航空煤油的3倍。氢燃料在工厂被制取后，如何在无大型输送管网的情况下将其安全高效地送至机场并为飞机加注，这也是氢能源发展过程中不可避免的问题。

6 巅峰氢能

我国已将氢能纳入能源体系，并在氢能飞机的研制上已取得了显著成果。中商飞北研中心和国家电投集团氢能科技发展有限公司共同研制的“灵雀H”氢燃料电池验证机在2019年成功试飞。

2021年末，中国航空发动机研究院与清华大学航空发动机研究院氢燃料发动机联合研究中心创建启动会在北京召开，该中心将着力探索航空发动机绿色低碳技术，加快突破氢燃料发动机相关领域发展的基础性、关键性瓶颈，推进产学研用深度融合。应加大氢能源飞机研制的投入力度，还应该加强基础设施的建设规划以及法规体系的完善，提前为氢能源飞机的商业运行创造良好的外部环境。

来源：氢能储运与应用