燃料電池是否能將航空運(yùn)輸帶入“環(huán)保時(shí)代”呢？
來(lái)源：未知
2019-04-06 20:57
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日前，俄羅斯巴拉諾夫中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所總裁戈?duì)柦鸨硎荆砹_斯將在2020年開(kāi)展混合動(dòng)力飛機(jī)飛行測(cè)試，并首先完成混合動(dòng)力引擎的研制，而最終目標(biāo)是研制出功率為500千瓦的混合動(dòng)力飛機(jī)。
無(wú)獨(dú)有偶，在相近的時(shí)間點(diǎn)上，中國(guó)商飛于鄭州成功試飛了一款燃料電池混合動(dòng)力飛機(jī)“靈雀-H2”，旨在驗(yàn)證以氫燃料電池為主、鋰電池為輔的混合動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用在飛機(jī)上的可行性。
眾所周知，化石燃料燃燒是大氣污染的主要來(lái)源。功率強(qiáng)勁的飛機(jī)更是“油老虎”，最近頻發(fā)安全事故的波音737，一次起飛就能耗油5噸。
歐盟委員會(huì)規(guī)定，航空業(yè)到2050年應(yīng)實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排60%、氮氧化物減排90%、噪音減少75%，僅靠現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法達(dá)標(biāo)，而電動(dòng)化則是一種選擇。
電動(dòng)化已經(jīng)給汽車帶來(lái)了環(huán)保希望，那么它能否將航空運(yùn)輸也帶入“環(huán)保時(shí)代”？由于現(xiàn)有電池的重量太大，純電動(dòng)飛機(jī)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的挑戰(zhàn)太大了，因此需要逐步推進(jìn)，而另一種電動(dòng)化技術(shù)——燃料電池技術(shù)是否能夠完成這一艱巨的任務(wù)？沈陽(yáng)航空航天大學(xué)遼寧通用航空研究院副教授康桂文對(duì)此發(fā)表了自己的看法：電電混動(dòng)可能在目前階段更適合航天應(yīng)用。
這正好與我國(guó)燃料電池汽車的技術(shù)方向一致。
技術(shù)方案，花開(kāi)兩朵，油-電混合和電-電混合有所不同
“現(xiàn)在國(guó)際上關(guān)于混合動(dòng)力飛機(jī)的技術(shù)方案是比較類似的，主要有油-電混合和電-電混合兩種。”康桂文介紹，在具體的工作方式上，則需結(jié)合不同動(dòng)力裝置的特性和飛機(jī)的飛行特點(diǎn)加以設(shè)計(jì)。
所謂油-電混合是指由傳統(tǒng)的航空燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和鋰電池組成混合推進(jìn)系統(tǒng)。在2017年，空客、勞斯萊斯和西門子宣布共同開(kāi)發(fā)一款50-100人座的單通道混合動(dòng)力式客機(jī)，這款飛機(jī)名為“E-FanX”，以英航BAE146型四引擎支線飛機(jī)為原型，計(jì)劃將四臺(tái)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的其中一臺(tái)，換成2兆瓦功率的電動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。計(jì)劃在2020年完成地面測(cè)試后首飛，到2030年量產(chǎn)上市。這款飛機(jī)正是油電混合動(dòng)力。
康桂文說(shuō)道，油-電混合動(dòng)力飛機(jī)起飛階段中鋰電池和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)一起工作，通過(guò)鋰電池分擔(dān)部分功率，減少燃油消耗。而在起飛結(jié)束后的巡航階段，此時(shí)可以只開(kāi)啟燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，既提供飛行的動(dòng)力，又能同時(shí)為鋰電池充電。最后降落階段的功率需求更小，理論上只使用鋰電池就能滿足需求。
而電-電混合則是由氫燃料電池和鋰電池提供混合動(dòng)力。也就是俄羅斯和中國(guó)商飛提到的產(chǎn)品。
“電-電混合動(dòng)力飛機(jī)則有所不同。”康桂文表示，氫燃料電池放電速率較慢，難以快速達(dá)到起飛功率，起飛階段需要鋰電池加以輔助。因此，電-電混合動(dòng)力飛機(jī)的工作模式是在起飛階段同時(shí)使用氫燃料電池和鋰電池提供動(dòng)力，巡航階段只開(kāi)啟氫燃料電池，降落階段既可以單獨(dú)使用氫燃料電池也可只啟動(dòng)鋰電池。
相比傳統(tǒng)的燃油動(dòng)力飛機(jī)，混合動(dòng)力飛機(jī)除了具備環(huán)保優(yōu)勢(shì)，還能夠大幅度降低運(yùn)營(yíng)成本并提高乘坐舒適性。美國(guó)混合動(dòng)力飛機(jī)初創(chuàng)公司ZunumAero評(píng)估認(rèn)為，由于電動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行振動(dòng)更小，飛行過(guò)程中的噪音也可減少75%。
“此外，混合動(dòng)力飛機(jī)相當(dāng)于有兩個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，可以互為備份，一旦飛行過(guò)程中有一個(gè)出現(xiàn)問(wèn)題，另一個(gè)能夠保證安全滑翔降落。”康桂文說(shuō)。
目前主要集中在搭載數(shù)人的小型飛機(jī)上
“當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)混合動(dòng)力飛機(jī)的研發(fā)還處在開(kāi)發(fā)階段，沒(méi)有達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的程度。”康桂文說(shuō)道，由于現(xiàn)階段電池和電動(dòng)機(jī)技術(shù)的限制，大飛機(jī)上的航空發(fā)動(dòng)機(jī)是無(wú)法用電動(dòng)機(jī)替代的。由于飛機(jī)滑跑階段發(fā)動(dòng)機(jī)為部分功率運(yùn)轉(zhuǎn)，燃油燃燒效率低，因此國(guó)際上正在研究使用電動(dòng)系統(tǒng)助力大型飛機(jī)滑跑。波音、空客等公司正在進(jìn)行載客100人左右的混合動(dòng)力支線飛機(jī)的論證，但目前尚未公布詳細(xì)的技術(shù)方案。
“因此，現(xiàn)在關(guān)于混合動(dòng)力飛機(jī)的研究主要集中在小型飛機(jī)上，特別是用于通用航空領(lǐng)域，如‘專業(yè)作業(yè)’的森林尋險(xiǎn)、緊急救援以及‘消費(fèi)作業(yè)’的私人飛行執(zhí)照培訓(xùn)、娛樂(lè)飛行等?；旌蟿?dòng)力小型飛機(jī)也處于飛行驗(yàn)證階段，沒(méi)有進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。”康桂文談道。
國(guó)內(nèi)方面，2016年底，由沈陽(yáng)航空航天大學(xué)遼寧通用航空研究院和大連化學(xué)物理研究所合作研制的首架有人駕駛氫燃料電池試驗(yàn)機(jī)在沈陽(yáng)試飛成功。我國(guó)成為繼美、德之后第三個(gè)擁有該技術(shù)的國(guó)家。
該飛機(jī)在RX1E電動(dòng)飛機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，采用大連化物所研制的20千瓦氫燃料電池為動(dòng)力電源，配合小容量輔助鋰電池組，儲(chǔ)氫方式為機(jī)載35MPa氫儲(chǔ)罐。飛機(jī)在起飛和大速率爬升時(shí)由燃料電池和鋰電池組共同提供動(dòng)力電能，在巡航階段完全由燃料電池提供電能，并為鋰電池組充電。飛機(jī)飛行高度320米，全程零污染排放。
國(guó)際方面，早在2008年，波音公司成功試飛氫燃料電池為動(dòng)力源的一架小型飛機(jī)，這是世界航空史上首次試飛燃料電池飛機(jī)。同年，空中客車公司在一架由德國(guó)宇航中心（ＤＬＲ）擁有的空中客車Ａ３２０試驗(yàn)飛機(jī)上采用無(wú)排放燃料電池系統(tǒng)為飛機(jī)的備用液壓和電力系統(tǒng)提供動(dòng)力，這是燃料電池系統(tǒng)第一次成功應(yīng)用于民用飛機(jī)進(jìn)行飛行測(cè)試。
美國(guó)、加拿大、歐盟等也都在進(jìn)行相關(guān)研制，并已有多次試飛。但已經(jīng)試飛過(guò)的幾乎都是只能搭載2到4人、功率不超過(guò)200千瓦的小型飛機(jī)，前文提及的俄羅斯500千瓦混合動(dòng)力飛機(jī)能夠搭載8人左右，相當(dāng)于小公務(wù)機(jī)型，現(xiàn)在還在計(jì)劃當(dāng)中。
而最著名的燃料電池飛機(jī)，則是2016年9月29日在德國(guó)成功試飛的電-電混合動(dòng)力的HY4。HY4采用雙艙設(shè)計(jì)，巡航速度每小時(shí)165公里，航程可達(dá)1500公里。該項(xiàng)目由斯洛文尼亞蝙蝠飛機(jī)公司（Pipistrel）牽頭實(shí)施，歐盟出資900萬(wàn)歐元支持，德國(guó)航空航天中心、烏爾姆大學(xué)、意大利米蘭理工大學(xué)等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)參與。HY4預(yù)計(jì)在2020年投入市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)。
動(dòng)力系統(tǒng)是發(fā)展難點(diǎn)
“混合動(dòng)力飛機(jī)的發(fā)展難點(diǎn)主要是飛機(jī)的心臟——動(dòng)力系統(tǒng)，包括鋰電池和燃料電池都面臨一些技術(shù)瓶頸。”康桂文指出，飛機(jī)既要求足夠的動(dòng)力，還需有很輕的重量。當(dāng)前鋰電池的問(wèn)題就在于能量密度不夠高，導(dǎo)致飛機(jī)超重或者動(dòng)力不足。
“氫燃料電池一方面能量密度不足，同時(shí)還面臨氫儲(chǔ)存難題。”康桂文表示，氫氣的密度很低，現(xiàn)在飛機(jī)上用的儲(chǔ)氫方案主要是高壓氣罐和液體儲(chǔ)存兩種。高壓氣罐的壓力需要達(dá)到35或者70兆帕，氫氣液化則要保持零下250攝氏度的低溫，這些技術(shù)用于飛機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)飛行都有難度。此外，由于電池功率限制，電—電混合動(dòng)力飛機(jī)的飛行速度不高，還滿足不了航空運(yùn)營(yíng)要求。
“就像電動(dòng)車的發(fā)展要兼顧經(jīng)濟(jì)性和里程一樣，現(xiàn)階段的油-電混合是綜合考慮環(huán)保、航程、航時(shí)、經(jīng)濟(jì)的一個(gè)折中型方案。”康桂文認(rèn)為。如果鋰電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破性的發(fā)展，比如能量密度在現(xiàn)有基礎(chǔ)上能夠提高2到3倍，或燃料電池功率提高2-3倍，油—電混合這種折中、過(guò)渡的方案就不需要了，純電動(dòng)或燃料電池飛機(jī)就能夠滿足航空運(yùn)輸。而目前階段電電混合完全無(wú)污染，環(huán)境更友好，也能夠滿足航程要求，正是十分合適的解決方案——這也正好是我國(guó)燃料電池汽車的主要技術(shù)路線。
無(wú)獨(dú)有偶，在相近的時(shí)間點(diǎn)上，中國(guó)商飛于鄭州成功試飛了一款燃料電池混合動(dòng)力飛機(jī)“靈雀-H2”，旨在驗(yàn)證以氫燃料電池為主、鋰電池為輔的混合動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用在飛機(jī)上的可行性。
眾所周知，化石燃料燃燒是大氣污染的主要來(lái)源。功率強(qiáng)勁的飛機(jī)更是“油老虎”，最近頻發(fā)安全事故的波音737，一次起飛就能耗油5噸。
歐盟委員會(huì)規(guī)定，航空業(yè)到2050年應(yīng)實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排60%、氮氧化物減排90%、噪音減少75%，僅靠現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法達(dá)標(biāo)，而電動(dòng)化則是一種選擇。
電動(dòng)化已經(jīng)給汽車帶來(lái)了環(huán)保希望，那么它能否將航空運(yùn)輸也帶入“環(huán)保時(shí)代”？由于現(xiàn)有電池的重量太大，純電動(dòng)飛機(jī)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的挑戰(zhàn)太大了，因此需要逐步推進(jìn)，而另一種電動(dòng)化技術(shù)——燃料電池技術(shù)是否能夠完成這一艱巨的任務(wù)？沈陽(yáng)航空航天大學(xué)遼寧通用航空研究院副教授康桂文對(duì)此發(fā)表了自己的看法：電電混動(dòng)可能在目前階段更適合航天應(yīng)用。
這正好與我國(guó)燃料電池汽車的技術(shù)方向一致。
技術(shù)方案，花開(kāi)兩朵，油-電混合和電-電混合有所不同
“現(xiàn)在國(guó)際上關(guān)于混合動(dòng)力飛機(jī)的技術(shù)方案是比較類似的，主要有油-電混合和電-電混合兩種。”康桂文介紹，在具體的工作方式上，則需結(jié)合不同動(dòng)力裝置的特性和飛機(jī)的飛行特點(diǎn)加以設(shè)計(jì)。
所謂油-電混合是指由傳統(tǒng)的航空燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和鋰電池組成混合推進(jìn)系統(tǒng)。在2017年，空客、勞斯萊斯和西門子宣布共同開(kāi)發(fā)一款50-100人座的單通道混合動(dòng)力式客機(jī)，這款飛機(jī)名為“E-FanX”，以英航BAE146型四引擎支線飛機(jī)為原型，計(jì)劃將四臺(tái)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的其中一臺(tái)，換成2兆瓦功率的電動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。計(jì)劃在2020年完成地面測(cè)試后首飛，到2030年量產(chǎn)上市。這款飛機(jī)正是油電混合動(dòng)力。
康桂文說(shuō)道，油-電混合動(dòng)力飛機(jī)起飛階段中鋰電池和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)一起工作，通過(guò)鋰電池分擔(dān)部分功率，減少燃油消耗。而在起飛結(jié)束后的巡航階段，此時(shí)可以只開(kāi)啟燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，既提供飛行的動(dòng)力，又能同時(shí)為鋰電池充電。最后降落階段的功率需求更小，理論上只使用鋰電池就能滿足需求。
而電-電混合則是由氫燃料電池和鋰電池提供混合動(dòng)力。也就是俄羅斯和中國(guó)商飛提到的產(chǎn)品。
“電-電混合動(dòng)力飛機(jī)則有所不同。”康桂文表示，氫燃料電池放電速率較慢，難以快速達(dá)到起飛功率，起飛階段需要鋰電池加以輔助。因此，電-電混合動(dòng)力飛機(jī)的工作模式是在起飛階段同時(shí)使用氫燃料電池和鋰電池提供動(dòng)力，巡航階段只開(kāi)啟氫燃料電池，降落階段既可以單獨(dú)使用氫燃料電池也可只啟動(dòng)鋰電池。
相比傳統(tǒng)的燃油動(dòng)力飛機(jī)，混合動(dòng)力飛機(jī)除了具備環(huán)保優(yōu)勢(shì)，還能夠大幅度降低運(yùn)營(yíng)成本并提高乘坐舒適性。美國(guó)混合動(dòng)力飛機(jī)初創(chuàng)公司ZunumAero評(píng)估認(rèn)為，由于電動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行振動(dòng)更小，飛行過(guò)程中的噪音也可減少75%。
“此外，混合動(dòng)力飛機(jī)相當(dāng)于有兩個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，可以互為備份，一旦飛行過(guò)程中有一個(gè)出現(xiàn)問(wèn)題，另一個(gè)能夠保證安全滑翔降落。”康桂文說(shuō)。
目前主要集中在搭載數(shù)人的小型飛機(jī)上
“當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)混合動(dòng)力飛機(jī)的研發(fā)還處在開(kāi)發(fā)階段，沒(méi)有達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的程度。”康桂文說(shuō)道，由于現(xiàn)階段電池和電動(dòng)機(jī)技術(shù)的限制，大飛機(jī)上的航空發(fā)動(dòng)機(jī)是無(wú)法用電動(dòng)機(jī)替代的。由于飛機(jī)滑跑階段發(fā)動(dòng)機(jī)為部分功率運(yùn)轉(zhuǎn)，燃油燃燒效率低，因此國(guó)際上正在研究使用電動(dòng)系統(tǒng)助力大型飛機(jī)滑跑。波音、空客等公司正在進(jìn)行載客100人左右的混合動(dòng)力支線飛機(jī)的論證，但目前尚未公布詳細(xì)的技術(shù)方案。
“因此，現(xiàn)在關(guān)于混合動(dòng)力飛機(jī)的研究主要集中在小型飛機(jī)上，特別是用于通用航空領(lǐng)域，如‘專業(yè)作業(yè)’的森林尋險(xiǎn)、緊急救援以及‘消費(fèi)作業(yè)’的私人飛行執(zhí)照培訓(xùn)、娛樂(lè)飛行等?；旌蟿?dòng)力小型飛機(jī)也處于飛行驗(yàn)證階段，沒(méi)有進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。”康桂文談道。
國(guó)內(nèi)方面，2016年底，由沈陽(yáng)航空航天大學(xué)遼寧通用航空研究院和大連化學(xué)物理研究所合作研制的首架有人駕駛氫燃料電池試驗(yàn)機(jī)在沈陽(yáng)試飛成功。我國(guó)成為繼美、德之后第三個(gè)擁有該技術(shù)的國(guó)家。
該飛機(jī)在RX1E電動(dòng)飛機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，采用大連化物所研制的20千瓦氫燃料電池為動(dòng)力電源，配合小容量輔助鋰電池組，儲(chǔ)氫方式為機(jī)載35MPa氫儲(chǔ)罐。飛機(jī)在起飛和大速率爬升時(shí)由燃料電池和鋰電池組共同提供動(dòng)力電能，在巡航階段完全由燃料電池提供電能，并為鋰電池組充電。飛機(jī)飛行高度320米，全程零污染排放。
國(guó)際方面，早在2008年，波音公司成功試飛氫燃料電池為動(dòng)力源的一架小型飛機(jī)，這是世界航空史上首次試飛燃料電池飛機(jī)。同年，空中客車公司在一架由德國(guó)宇航中心（ＤＬＲ）擁有的空中客車Ａ３２０試驗(yàn)飛機(jī)上采用無(wú)排放燃料電池系統(tǒng)為飛機(jī)的備用液壓和電力系統(tǒng)提供動(dòng)力，這是燃料電池系統(tǒng)第一次成功應(yīng)用于民用飛機(jī)進(jìn)行飛行測(cè)試。
美國(guó)、加拿大、歐盟等也都在進(jìn)行相關(guān)研制，并已有多次試飛。但已經(jīng)試飛過(guò)的幾乎都是只能搭載2到4人、功率不超過(guò)200千瓦的小型飛機(jī)，前文提及的俄羅斯500千瓦混合動(dòng)力飛機(jī)能夠搭載8人左右，相當(dāng)于小公務(wù)機(jī)型，現(xiàn)在還在計(jì)劃當(dāng)中。
而最著名的燃料電池飛機(jī)，則是2016年9月29日在德國(guó)成功試飛的電-電混合動(dòng)力的HY4。HY4采用雙艙設(shè)計(jì)，巡航速度每小時(shí)165公里，航程可達(dá)1500公里。該項(xiàng)目由斯洛文尼亞蝙蝠飛機(jī)公司（Pipistrel）牽頭實(shí)施，歐盟出資900萬(wàn)歐元支持，德國(guó)航空航天中心、烏爾姆大學(xué)、意大利米蘭理工大學(xué)等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)參與。HY4預(yù)計(jì)在2020年投入市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)。
動(dòng)力系統(tǒng)是發(fā)展難點(diǎn)
“混合動(dòng)力飛機(jī)的發(fā)展難點(diǎn)主要是飛機(jī)的心臟——動(dòng)力系統(tǒng)，包括鋰電池和燃料電池都面臨一些技術(shù)瓶頸。”康桂文指出，飛機(jī)既要求足夠的動(dòng)力，還需有很輕的重量。當(dāng)前鋰電池的問(wèn)題就在于能量密度不夠高，導(dǎo)致飛機(jī)超重或者動(dòng)力不足。
“氫燃料電池一方面能量密度不足，同時(shí)還面臨氫儲(chǔ)存難題。”康桂文表示，氫氣的密度很低，現(xiàn)在飛機(jī)上用的儲(chǔ)氫方案主要是高壓氣罐和液體儲(chǔ)存兩種。高壓氣罐的壓力需要達(dá)到35或者70兆帕，氫氣液化則要保持零下250攝氏度的低溫，這些技術(shù)用于飛機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)飛行都有難度。此外，由于電池功率限制，電—電混合動(dòng)力飛機(jī)的飛行速度不高，還滿足不了航空運(yùn)營(yíng)要求。
“就像電動(dòng)車的發(fā)展要兼顧經(jīng)濟(jì)性和里程一樣，現(xiàn)階段的油-電混合是綜合考慮環(huán)保、航程、航時(shí)、經(jīng)濟(jì)的一個(gè)折中型方案。”康桂文認(rèn)為。如果鋰電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破性的發(fā)展，比如能量密度在現(xiàn)有基礎(chǔ)上能夠提高2到3倍，或燃料電池功率提高2-3倍，油—電混合這種折中、過(guò)渡的方案就不需要了，純電動(dòng)或燃料電池飛機(jī)就能夠滿足航空運(yùn)輸。而目前階段電電混合完全無(wú)污染，環(huán)境更友好，也能夠滿足航程要求，正是十分合適的解決方案——這也正好是我國(guó)燃料電池汽車的主要技術(shù)路線。
