王翔宇 | 氫燃料電池支線飛機“油改電”面臨的挑戰

本文主要內容已在國際航空第6期發表

交通運輸是人類現代化生產生活的關鍵，其中民用航空運輸是目前運行速度最快，且成功實現規模化、常態化的交通方式，僅去年一年我國民航運送旅客量就達6.2億人次，其中干支線飛機產生的運量占據主體。在減少碳排放的全球共識下，發展新能源干支線飛機是航空業的重要探索方向。

可嘗試用于干支線飛機的新能源形式主要包括可持續航空燃料（SAF）、氫能、電能等。SAF能夠使飛機在不改變能源動力系統架構的前提下快速改裝應用，是短期內實現航空業減碳排的首選，但當前面臨燃料成本高、產能不足等問題。此外，考慮航空技術“換道超車”等更多戰略意義，氫能、電能等對飛機設計產生重要變革的選項同樣值得關注。

當前，動力電池已是輕小型無人機、2-5座級垂直起降飛行器等平臺的主要選擇，但受限于能量密度，距滿足干支線飛機需求仍然較遠。氫能航空動力系統包括氫渦輪和氫燃料電池兩大路徑，其中氫燃料電池技術相對成熟，現階段國內外的進展前沿是成功研制出20至50座級的氫燃料電池支線飛機，開始進入適航審定。

出于技術風險和成本考慮，直接改造已有飛機，在保持氣動外形和結構不變的前提下，替換部分或全部原有發動機為氫燃料電池動力系統是當前主要方案。美國環球氫能公司（Universal Hydrogen）將50座級“沖”8-300型飛機的單側發動機替換為1.0兆瓦氫燃料電池系統，于2023年2月取得FAA特殊適航認證，3月首飛成功，當前已在加州莫哈韋航空航天港開啟為期兩年的飛行試驗；英美合資公司零航（ZeroAvia）將19座級Dornier 228型飛機單側發動機替換為600千瓦氫燃料電池-蓄電池混合動力系統，于2023年1月首飛，當前正與英國民航管理局（CAA）共同推進相關適航標準制定。

環球氫能和零航公司基于已有型號改裝的氫燃料電池飛機首飛情景

也有企業選擇優先開展技術驗證。歐洲空中客車公司（Airbus）在ZEROe項目中研制出1.2兆瓦氫動力系統，于2023年6月首次地面試車成功后，開啟了預計持續1年的系列地面試驗，未來計劃首先添置在A380客機機身上進行空中試驗，再考慮應用于實際飛機型號的研發。美國喬比（Joby）子公司氫飛（H2FLY）研制了HY4型輕型運動類固定翼飛機，采用新穎的雙機身構型，左側機身容納儲氫罐。上述改裝A380和HY4飛機由于動力布局的非對稱性或總體構型的高度新穎性，幾乎不會成為相關企業研發干支線飛機并爭取取證的平臺產品，但可作為技術驗證平臺，加快技術探索。

空客公司和氫飛公司當前的技術驗證平臺和未來氫燃料電池飛機構想

盡管避免了改變氣動外形和結構設計、降低了適航審查難度，但支線飛機油改氫還是注定面臨許多技術挑戰，主要包括總體、進氣與散熱、濕度管理、電池管理設計等方面。

氫（H2）每千克質量所含化學能（質量能量密度，約120兆焦）是航空煤油（約40兆焦）的3倍左右，但其密度通常極低。工業上常用的氫燃料狀態有三種：增壓至350巴或700巴的高壓氫氣（分別約為345和690個標準大氣壓），以及幾乎不增壓但降溫至20開爾文（約零下250攝氏度）的液氫，折算為體積能量密度，以上三種氫燃料分別為2.9、4.8、8.5兆焦/升，又比航空煤油（約35兆焦/升）低約4至10倍。此外，儲氫罐需保持內部高壓或低溫，還需具備完善的防泄露以及精準的流量監測與控制等功能，自身結構需占用較大質量和體積；高溫或低壓又要求儲氫罐內外形應盡可能接近球體以降低表面積與體積比，不適合如傳統飛機那樣裝入機翼內。

以上因素綜合作用的結果是，當前難以給出一個通用的方法，判斷飛機油改氫后，燃料質量能量密度提升帶來的優勢與體積能量密度降低帶來的劣勢哪個起到主導作用。環球氫能改裝“沖”8-300后客艙座位數從50減為40，載客量下降20%；而零航公司改裝Dornier 228油改氫后稱座位數保持19不變；有研究認為在合理選擇氫燃料狀態前提下，大型長航程飛機油改氫后起飛重量將普遍下降約25%，也有研究反駁認為目前尚無法給出明確結論，只能針對具體飛機型號具體計算研究。

盡管當前環球氫能公司的改裝“沖”8-300采用的是氣態氫，但已研發出模塊化氣氫和液氫儲罐產品并申請專利。2024年初，該公司完成1.0兆瓦氫動力系統與液氫罐的適配并在地面運行測試，同時還在推進2.4兆瓦氫動力系統研發，未來該公司將同時采用多個功率級別的氫動力系統、氣氫/液氫儲氫罐，對“沖”8、ATR 72等多型已有支線飛機進行改裝。

環球氫能公司的模塊化氫氣罐（上）和液氫儲氫罐（下），公司突出其運輸和安裝的便捷性、靈活性

此外，改裝飛機在總體設計上還面臨許多其他挑戰。例如，由于氫能質量能量密度顯著高于航空煤油，在飛機氣動特性基本不變前提下，飛機爬升相同的高度，消耗氫燃料的質量顯著小于航空煤油質量，導致飛機此時的質量更大、后續對能量需求更高，這將削弱氫能飛機優勢。降低氫能飛機的設計巡航高度可以改善此問題，但會改變飛機任務剖面和應用場景，甚至改變其在空域管理、空中交通管理中的定位。

電池的最小單元通常由陰極、陽極、電解質構成，電解質位于兩極之間并通常需要隔膜分隔。當前支線飛機采用的氫燃料電池主要是質子交換膜類型（PEMFC），在其內部，氫離子穿過電解質、依賴鉑等催化劑與氧反應，適合運行在較低溫度（約30至100℃）。運行中需要持續通入氫氣和氧氣并嚴格控制流量及比例，而后者主要通過進氣道吸入的空氣提供，這使得氫燃料電池與飛機兩者的運行狀態緊密聯系。

質子交換膜類型的氫燃料電池基本原理示意圖

傳統能源的航空發動機在燃燒室后方設有渦輪、前方設有壓氣機，燃燒噴出的氣體驅動渦輪，渦輪分出部分功率帶動壓氣機，進而持續提升進氣壓力。進氣道的截面形狀、長度、進氣流量，以及壓氣機功率需求、增壓比等參數都已根據燃油燃燒、發動機特性和飛機典型任務剖面等條件精確優化。飛機油改氫后，上述條件均發生變化，進氣系統需要重新優化設計，同時影響散熱系統設計。

增加進氣流量、提升進氣增壓比，能夠提升燃料電池在單位時間內獲得的氧氣，從而增大功率、提高效率。然而，更高的增壓比意味著燃料電池需要分給壓氣機更多電能，當其占總輸出電能比例超過一定水平后，動力系統整體經濟性將快速下降。此外，若飛機進氣流量不能與燃料電池及其散熱需求匹配，還會造成飛機氣動阻力增大、電池熱失控風險上升。遺憾的是，如何以最小的代價改造燃油飛機的進氣和散熱系統，使其裝配燃料電池動力系統后性能最優，尚沒有形成一套成熟、完善的方法論。

環球氫能公司在改裝“沖”8-300時，與美國布隆菲爾公司（Bloomfieldd）合作改進渦輪壓氣機，將進氣增壓比從原來的3：1提升至5：1，使得飛機在改氫后能夠基本保持升限為海拔7620米不變；若不作提升，升限將降至3048米，顯著影響飛機的任務剖面和使用方式。同時，由于散熱需求提升，改裝的氫動力裝置兩側增加了斜向安裝的巨大散熱器。以上兩個改動使得原位于發動機下方的進氣道截面積需要增大，但受到同樣位于發動機下方的起落架收放機構限制，不得已將進氣改為兩側。于是，改裝后的氫動力裝置在兩側各突起一個大尺寸進氣道，而為此又需要更多飛行試驗來確認其對機翼氣動特性的影響，可謂是牽一發而動全身。

環球氫能改裝“沖”8-300飛機的

進氣和散熱系統設計方案

環球氫能改裝“沖”8-300飛機的

氫動力系統內部結構

在PEMFC氫燃料電池中，質子交換膜需要保持濕潤狀態以確保氫離子能夠順利在其內移動，而電極的多孔狀結構卻要求其盡可能避免水的浸泡，兩者存在矛盾。氫燃料電池內的化學反應會產生水，水的積累有利于質子交換膜卻不利于電極。因此，氫燃料電池需要控制和管理其內的濕度。被動管理策略評估燃料電池內部當前濕度、飛機進氣濕度等，控制進氣量和燃料電池工作狀態，必要時將電池排出的氣體與飛機進氣混合，其濕度控制能力較弱、精度較低，但結構較為簡單；主動管理策略需額外引入水泵、水管路、噴霧裝置、排水裝置等，當濕度不足時主動噴出水霧、當濕度過高時引導水分排出。

在此方面，環球氫能改裝“沖”8-300首飛時仍采用被動濕度管理策略，當前正在做出改變，嘗試在動力裝置下方的起落架收納室內利用多余空間安裝主動加濕系統，并在后續試驗中進行測試。

環球氫能改裝“沖”8-300飛機新增的電池濕度管理系統，圖中一排黑盒為加濕器，藍色管路為供水管

氫燃料電池的極化特性決定了其能量轉化效率、電壓和電流大小之間存在復雜的耦合關系。在給定電極面積下，隨著電流的增大，輸出電壓、化學能-電能轉換效率會持續下降，而總輸出功率通常先上升后下降。電池管理系統根據飛機需要調節電池工作狀態，但調節范圍非常有限，還需要同步調節氫氣和空氣進氣量，存在時延性。對此，一種策略是采用小型蓄電池輔助配合氫燃料電池的功率特性管理，但兩種電池的組合設計、管理策略的優化又成為新的挑戰；另一種策略是采用較大蓄電池，不僅幫助氫燃料電池管理，其自身也是飛機動力的重要來源，形成“電電耦合”的混合動力策略。

環球氫能早期稱其改裝“沖”8飛機的氫動力系統采用鋰電池進行輔助電管理，而近期又稱其氫燃料電池可直接驅動電機，特意強調無需蓄電池輔助并因此顯著減重。兩種說法存在矛盾，推測因飛機在典型任務下功率需求變化較小，對鋰電池需求較小，故直接整合進了氫燃料電池系統內。但零航公司的改裝Dornier 228則不同，氫燃料電池和鋰電池幾乎各貢獻一半功率，屬于電電耦合方案。

此外，部分媒體將環球氫能改裝的“沖”8飛機稱為“混合動力”，其本意是指該飛機“有兩套完全獨立的動力推進裝置，一套燃燒航空煤油、另一套消耗氫燃料”，但這非常容易造成歧義。通常“混合動力”是指在同一套動力推進裝置內同時使用多種能源-動力轉換路徑，環球氫能“沖”8改裝飛機是氫燃料電池動力飛機，只是現階段出于風險和成本考慮，保留了一臺原燃油發動機進行整機測試驗證。

使用化石燃料的航空發動機因其復雜和精妙程度被譽為人類工業皇冠上的明珠，不僅研發技術門檻高、維護成本高，還與飛機設計技術深刻綁定融合，形成了當前干支線飛機較為固定的氣動外形和結構。以鋰電池為核心的電動飛機打破了這一局面，電推進系統結構簡單，運行中無質量損失，除散熱外不依賴飛機進氣，與飛機主體的機械傳動、液壓和潤滑回路耦合大幅減少甚至消除，使得電動飛機與電推進系統的設計幾乎可以分開進行、模塊化組裝，只是由于能量密度和運行經驗積累不足，暫限于輕小型飛機應用。SAF飛機盡管保留了傳統能源飛機的復雜性，但延續了成熟的飛機和發動機技術體系，能夠快速改換應用，障礙主要在于燃料的成本與產能。

縱觀各種能源方案，氫燃料電池飛機無疑是獨特的。一方面，氫燃料在運行中損失質量，其化學反應依賴飛機進氣，儲氫罐通常額外占用飛機內載荷空間，這決定了氫燃料電池動力系統必然與飛機本身在總體設計、運行狀態上緊密聯系，飛機又回到了飛發一體的設計思路；另一方面，氫燃料電池以電能為主要輸出，又如電動飛機那樣降低了“飛”和“發”在機械傳動、液壓和潤滑等方面的耦合，降低了飛機復雜程度。兩方因素矛盾，使得當前很難判斷最終氫燃料電池飛機相比于傳統燃料飛機更具優勢還是恰恰相反。

但無論怎樣，氫相比于化石燃料更綠色、質量能量密度更高，對氫航空動力技術的探索具有重要意義。當前氫燃料電池飛機已在20至50座級的支線飛機改裝上取得突破，值得引起關注。未來還可能出現更多的氫燃料電池飛機方案，可能是傳統氣動外形+分布式動力的干支線飛機，可能是顛覆性構型的翼身融合（BWB）飛機，還可能是利用液氫低冷特性實現“燃料預熱-動力系統散熱結合”的超聲速飛機等等。總之，氫燃料電池飛機會形成一套獨特的改裝或設計技術體系，牽引航空業開辟新的分支領域，推動航空業的能源轉型。

中國航空工業發展研究中心 王翔宇

主編：王元元

執行主編：鐘怡菲

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