氫燃料電池支線飛機關鍵技術與發展展望

紀宇晗，吳佳茜，曾凡蒼

中國航空工業發展研究中心，北京 100029

氫能航空是貫徹綠色航空發展理念的重要選擇，也是解決國產民機發動機“卡脖子”問題、實現航空產業發展“換道超車”的重要趨勢。當前，全球范圍內掀起了氫能航空發展浪潮，歐美國家已率先完成兩款氫燃料電池混動渦槳支線飛機的試飛驗證，我國雖然在氫燃料電池、氫渦輪發動機、儲氫系統等方面開展了一定的研究，但整機型號發展較為緩慢，與世界先進水平的差距逐漸增大。

本文分析了氫燃料電池支線飛機的發展現狀和關鍵技術，討論了目前面臨的主要問題，并提出了2025—2035 年的技術發展預測和產品技術方案圖譜，以期為我國氫燃料電池支線飛機的研制提供參考和借鑒。

1 背景介紹

自第一架飛機誕生的120 年以來，全球航空業的快速發展在給人類社會帶來便利的同時也造成了越來越多的環境污染。為了減少航空運輸業對環境造成的負面影響，國際民航組織（ICAO）提出了“國際航空業碳抵消與削減機制”（CORSIA）計劃[1]，目標是2050 年將二氧化碳排放量降至2005 年同期的一半水平。2021 年，中國民用航空局（CAAC）發布《“十四五”民用航空發展規劃》，建設將“綠色航空”作為中國航空運輸業發展的主要目標之一[2]。

全球航空業正在通過多種技術途徑實現這一目標，其中第一種途徑是持續推動航空技術的進步，空客、波音、美國國家航空航天局（NASA）等企業和機構持續優化飛機設計和采用新型復合材料，降低飛機油耗，從而提高飛行效率[3-4]。另一種途徑是使用電推進技術，但鋰電池能量密度限制了飛機的有效載荷和航程，一般用于20 座以下的飛機[5]。此外，還可以選擇使用可持續航空燃料（SAF），波音、空客、德事隆等航空企業已經開展了SAF的探索應用，但現階段SAF 的生產成本遠高于傳統航空煤油，而且產能受限嚴重[6]。

與上述三種技術途徑相比，氫動力飛機是航空運輸業實現低碳目標的另一選擇。相比于使用鋰電池或者SAF，使用氫能作為飛機的動力來源有諸多優勢：首先，采用綠電制綠氫的氫動力航空器可以實現全生命周期零排放，氫燃料燃燒只產生水，有效杜絕了使用航空煤油和部分SAF 時產生的二氧化碳[7-8]。其次，不同于SAF 的高成本、低供給能力，中國綠電綠氫資源豐富，在產量和生產成本方面具有一定的優勢[9]。最后，氫燃料的大規模使用可以擺脫航空運輸業對化石燃料的依賴。

氫動力飛機有兩種動力方案：一是通過氫燃料電池給電動機供電產生動力，二是氫直接在氫渦輪發動機中燃燒產生動力。前者實現的難度相對較低，現階段發展速度較快，預計投入商用時間更短，是100座以下支線飛機的主要選擇。但受限于氫燃料電池和電動機的功率密度，100座以上的飛機更可能選擇氫渦輪發動機作為動力。

2 氫燃料電池支線飛機發展現狀

2.1 國外發展情況

當前，全球范圍內掀起氫能航空發展熱潮，零航空（ZeroAvia）和環球氫能（Universal Hydrogen）兩家公司率先實現了兩款氫燃料電池混合動力渦槳支線飛機的首飛。

ZeroAvia 公司正在開發以多尼爾228 為平臺的氫燃料電池混合動力渦槳支線飛機，如圖1 所示。該項目將多尼爾228 機翼一側的TPE331 渦輪螺旋槳發動機更換為電動機，使用氫燃料電池和鋰電池組合供電，氫燃料采用氣態存儲。2023 年1 月19 日，改裝后的多尼爾228 飛機在英國成功首飛[10]。本次試飛中氫氣存儲罐、燃料電池和鋰電池組被安置在機身內部。ZeroAvia正在開發兩套氫燃料電池動力系統總成，分別是面向9～19 座飛機的ZA600 動力總成，預計2025 年投入使用，以及面向40～80 座飛機（如ATR-72系列）的ZA2000動力總成，預計2027年投入使用。

圖1 ZeroAvia基于多尼爾228改裝的氫燃料電池——鋰電池混合動力渦槳飛機Fig.1 Dornier 228 hydrogen hybrid turboprop aircraft from ZeroAvia

環球氫能公司正在研發氫動力商業飛機和模塊化的氫燃料運輸網絡。2023 年3 月3 日，環球氫能的沖-8 混合動力渦槳支線飛機成功首飛[11]，如圖2 所示。該架飛機一側的渦槳發動機被替換成一個兆瓦級氫燃料電池動力系統，電機部分采用Magni650，液氫存儲罐被安置在機身內部后方。本次試飛的飛行高度為3500m，飛行時間為15min，巡航過程中常規發動機幾乎停轉，由電動機提供大部分動力。環球氫能另一個改裝對象是ATR-72，計劃在2025 年前使ATR-72成為首架投入使用的氫能支線飛機，采用完全氫動力的ATR-72 載客量從68 人減少到56 人，航程降低到800km。環球氫能將會提供全套改裝方案，幫助飛機運營商將現有的ATR-72 改裝成氫動力。截至試飛前，環球氫能已經收到來自全球16個客戶的247架飛機改裝訂單。

圖2 Universal Hydrogen基于Dash-8改裝的氫燃料電池混合動力渦槳飛機Fig.2 Dash-8 hydrogen hybrid turboprop aircraft from Universal Hydrogen

以空客、賽峰、巴航工業為代表的歐美航空企業正在推進各種氫能航空發展計劃，并取得了階段性進展。2020年，空客的ZEROe 項目提出在2035 年之前推出第一架完全使用氫動力的商用飛機[12]；2021年，ZeroAvia和環球氫能公司宣布要在2025年將氫動力飛機投入商用。據統計[13]，與氫動力支線飛機有關的項目在2020年的全球投資額（不包括中國）超過了之前10年的總和，2021年和2022年快速增加。2020—2022 年立項的新能源航空器項目有1/3 是氫動力飛機[14]，后者已經占到所有在研新能源航空器項目的7%、20座以上機型的33%。上述結果僅統計完全使用氫動力的機型，如果將混合動力機型包含在內，20座以上機型中的占比將超過70%。歐美國家的氫能航空發展整體上呈加速趨勢，相關配套產業和核心技術將很快滿足飛機投入商用的條件，尤其是氫燃料電池支線飛機。新能源航空器在研項目數量和類型分別如圖3和圖4所示。

圖3 新能源航空器在研項目數量Fig.3 Statistics on new energy aircraft projects

2.2 國內發展情況

在以城市空運和通航為主要應用場景的電動航空器領域，我國整體發展水平與歐美國家基本持平，典型型號有億航EH216、峰飛“盛世龍”、銳翔RX4E等。但在氫動力飛機領域，我國正逐漸被歐美國家拉開差距。我國現有的氫動力飛機項目大多屬于通航飛機，航程和商載較小，支線及以上型號的氫動力飛機項目涉及較少。航空工業、航發、商飛、北航、西工大等企業和高校在支線及以上氫動力飛機領域開展了部分研究工作，航發動研所開展了80kW 串聯混合電推進驗證機研制和兆瓦級分布式混合電推進系統研制[15]，如圖5 所示。但受限于行業整體發展水平和投入力度的不足，相關研究主要停留在概念設計、技術預研、仿真驗證等階段，尚未有支線級別的整機研發項目出現。

3 氫燃料電池支線飛機關鍵技術

100 座以下、航程1500km 以下的氫動力支線飛機宜采用“液氫罐+氫燃料電池+電動機”的動力系統方案，即可完全滿足飛機的性能需求。然而，對于載荷和航程更大的氫動力干線飛機，氫燃料電池和電動機的功率密度“瓶頸”已無法滿足其需求，需要使用氫渦輪發動機作為動力來源。本節主要關注氫燃料電池支線飛機的6 個核心技術，分別是：（1）液氫儲罐；（2）儲氫配套系統；（3）氫燃料電池；（4）電動機；（5）氫燃料生產；（6）氫燃料儲運加注。其中，前4 個技術屬于整機層面，后兩個技術屬于基礎設施配套層面。在整機層面，液氫儲罐和儲氫配套系統是氫燃料電池飛機與氫渦輪飛機的共用技術，后文也會介紹相關技術中涉及氫渦輪飛機的部分內容。

3.1 液氫儲罐設計與布局

盡管氫的低熱值（120MJ/kg）是常用航空煤油（Jet A-1型，38MJ/kg）的3 倍，但由于氫的密度極低，液氫的能量體積密度僅是航空煤油的1/3[16]。飛機所攜帶的氫燃料體積大幅增加，并且要以液氫的形式存儲，必須重新設計儲氫罐和其配套系統。

根據液氫的物理特性，液氫存儲罐宜采用球形或柱形設計，不宜儲存在傳統的機翼油箱中。放置液氫存儲罐會導致機體尺寸增大和艙室空間減小，進而增加空氣阻力和飛行成本。未來可能的氫燃料存儲罐布局方案如圖6～圖8所示，分為機內集成式和外掛式兩種[17]。圖6所示的[18-20]集成式設計方案可以直接在現有機型的基礎上進行改裝，但缺點是占用了機內空間并導致有效載荷降低。圖7的集成式方案在翼身融合布局的基礎上設計，最大化利用了機內空間[21-22]。圖8屬于外掛式方案，優點是不占用機內空間，但可能對飛機的氣動布局造成影響[23]。

圖7 翼身融合集成式儲氫方案Fig.7 Blended wing body integrated hydrogen storage configuration

圖8 外掛式儲氫方案Fig.8 External hydrogen storage configuration

用于航空的氫燃料存儲罐一般分為整體燃料罐和非整體燃料罐，前者與機身主體結構直接接觸并形成一個整體，后者與機身主體結構相互獨立[15]。整體燃料罐可以利用機身結構存儲氫燃料，這種方案在飛機設計層面是有利的，因為布局合理的燃料罐可以更好地利用機身空間。但整體燃料罐作為機身結構的一部分必須承受機身應力和載荷，包括氫燃料自身產生的載荷。整體燃料罐相比非整體燃料罐需要更復雜的應力設計，而后者只需要應對燃料載荷。但與之相對，整體燃料罐可以減輕總重量，因為燃料罐本身可以承擔部分機身應力。此外，整體燃料罐相比非整體燃料罐具有更多的氣動外形優化空間，后者可能需要大幅改變機身結構。

3.2 儲氫配套系統

儲氫配套系統包括熱管理系統、氫燃料輸送系統和氫燃料計量系統。一種典型的氫燃料電池飛機儲氫系統架構如圖9 所示。該系統為每個燃料電池電堆配備一個液氫罐，總共有兩個液氫罐，使用基于氦氣的氫燃料加壓系統，液氫泵下一端安裝有一個換熱器，能使氫燃料以-20～120℃的溫度范圍輸送到燃料電池電堆。

圖9 一種典型的飛機儲氫系統架構設計[24]Fig.9 A typical hydrogen storage system architecture[24]

（1） 熱管理系統

熱管理系統是氫燃料存儲系統的重要組成部分。液氫存儲的壓力需要維持在0.1～0.35MPa之間，溫度維持在20～30K 之間，盡量減少液氫氣化導致的滲透泄漏問題[25]。環境溫度的維持主要通過對燃料罐進行隔熱來實現。隔熱可以是內部的，即隔熱材料與氫燃料直接接觸（氫—熱材料—罐體），也可以是外部的，即隔熱材料包裹燃料罐外壁（氫—罐體—隔熱材料）。

熱管理系統的另一個重要功能是將發動機燃燒室或燃料電池電堆中的氫加熱到合適的工作溫度。氫燃料電池熱管理系統的實現難度要低于氫渦輪發動機。首先，氫燃料電池對加熱液氫的溫度要求更低。液氫的溫度在30K 以下，而氫的自燃溫度約為770K[23]，氫和空氣混合物進入發動機燃燒室的最佳溫度為400～500K[26]。與之相比，質子交換膜燃料電池電堆中氫的工作溫度為60～80℃[27]（330～350K）。其次，由于氫渦輪飛機需要更頻繁的熱交換和狀態控制，其熱管理系統復雜度也高于氫燃料電池飛機。常見的氫燃料電池熱管理系統一般包括多個換熱器，用于實現氫燃料、液壓油和空氣之間的熱交換。

（2） 氫燃料輸送系統

氫燃料輸送系統最核心的功能是將氫燃料供應到發動機燃燒室或燃料電池電堆。氫燃料輸送系統必須考慮處理低溫液氫時可能出現的各種問題，通常選擇多級壓縮泵作為動力，還會使用低溫截止閥或低溫球閥來控制氫燃料的流通和切斷[23]。

氫燃料輸送系統的另一個功能是多余氫燃料的循環利用。發動機燃燒室和燃料電池電堆中沒有完全反應的氫可以通過引射器的被動循環回路或者循環泵的主動循環回路重新進入輸送系統[28]。還有一部分研究建議將多余的氫循環收集到液氫罐中，或者在獨立的燃料箱中以氣態形式存儲[29]。

（3） 氫燃料計量系統

計量閥是氫燃料系統中至關重要的組件，它們能夠為發動機或燃料電池電推提供快速響應的精確燃料調節和計量。飛機上的計量閥必須重量低、尺寸小，一般采用兩級伺服閥[30]。計量閥可以安裝在液氫汽化裝置之前或之后，前一種情況下液氫在前端換熱器中汽化后再通過計量閥，后一種情況下液氫通過計量閥后再汽化。

氫燃料計量閥的材料問題同樣值得關注，主要指的是“氫脆”現象，即由于氫滲入金屬而導致裂紋產生的有害現象?！皻浯唷蓖瑯哟嬖谟陲w機上所有可能與氫接觸的系統中。對于不銹鋼材料，隨著溫度的升高，“氫脆”會導致氫燃料的逸散。氫燃料計量閥材料的選擇必須能夠實現全密封。

3.3 氫燃料電池

制約氫燃料電池發展的主要技術短板是功率密度，近年來隨著材料和制造技術的進步，氫燃料電池的功率密度已經大幅度提升，在系統層面已經接近1kW/kg，但與傳統航空煤油渦扇發動機的功率密度（3.7kW/kg）相比仍有一定差距[31]。滿足40～80座渦槳支線飛機動力需求的氫燃料電池功率密度至少要有1～1.5kW/kg，大部分項目選擇使用氫質子交換膜燃料電池（PEMFC），ZeroAvia 和環球氫能公司均采用該方案。此外，還可以選擇固體氧化物（SOFC）燃料電池。ZeroAvia宣稱其正在研發的質子交換膜燃料電池已經實現2kW/kg以上的能量密度，但這一結果是在實驗室環境下實現的，并且可能不包括電池單元以外的配套系統，距離實際應用仍有一段距離。

飛機上的氫燃料電池面臨的另一個問題是熱管理。前文已提到，氫質子交換膜燃料電池的理想工作溫度是60～80℃[25]，過高的溫度會導致能量轉換效率下降甚至是系統故障。使用燃料電池的地面車輛一般選擇強制對流換熱器，這種被動換熱器的外置散熱片面積較大，安裝在飛機上會對空氣動力性能造成負面影響。一些研究提出了航空用的主動換熱器技術，也可以選擇與儲氫系統共用一套熱管理系統[32]。

3.4 電動機

電動機的功重比直接決定了使用氫燃料電池的渦槳支線飛機的動力、效率等關鍵性能指標。目前的高功重比電動機主要有永磁同步電機（PMSM）和超導電機兩種。永磁同步電機是現階段大部分飛機的選擇，環球氫能的Dash-8和ATR-72 采用了MagniX 公司開發的Magni650 系列永磁同步電機。

超導電機將電機中的普通導電材料替換為超導材料，具有效率高、體積小、重量輕、同步電抗小等特點，功率密度和能量轉換效率遠超傳統電動機（傳統電動機效率為92%～95%，超導電機效率可以達到98%以上）[33-34]。一些團隊開展了航空超導電機的研究，如俄羅斯超級奧克斯（SuperOx）公司研制的高溫超導電機（工作溫度69K），已經安裝在雅克-40飛機上實現首飛，如圖10所示。

圖10 雅克-40飛機上使用的高溫超導電機Fig.10 High temperature superconducting motor used in the Yak-40 aircraft

得益于電機的相對尺度近似無關性[35]，總功率相同時單個大功率電機和多個小功率電機系統的功率密度和效率基本一致，采用多個小功率電機驅動較小直徑風扇的分布式電驅動系統可以在保證總功率不變的前提下有效增大涵道比、提高動力裝置的控制和容錯性能。同時，小體積的電驅動系統能夠更方便地融入機身，提高飛機氣動效率。面向城市空運市場的電動垂直起降（eVTOL）航空器已經廣泛采用分布式布局設計，未來使用氫燃料電池的支線飛機也可能采用4～6個甚至更多電機的分布式布局。

3.5 氫燃料生產

氫燃料的生產環節按照碳排放量的不同可分為“綠氫”和“灰氫”，前者的主要生產途徑是水電解，電力來源是太陽能、風能、水能等可持續能源，不產生額外的污染；后者的主要生產途徑是蒸氣甲烷重整和煤氣化，生產過程中釋放大量二氧化碳。在我國2020 年總計7000×104t 的氫氣生產總量中，綠氫只有100×104t，占1.4%，其余98.6%都是灰氫。

按照提供1kWh能量所需的成本計算，2023年2月，中石油航空煤油出廠價為7465元/t，折合0.6元/kWh，而灰氫的生產成本約為0.3 元/kWh，綠氫的生產成本約為0.9 元/kWh。綠氫的生產成本低于SAF，高于航空煤油。如何進一步降低綠氫的生產成本是我國航空運輸業和能源行業必須思考的問題。

3.6 氫燃料存儲、運輸與加注

與傳統的化石燃料相比，氫燃料的物理和化學特性更加不穩定，實現高效、快速、低成本的氫燃料存儲、運輸與加注是氫動力飛機投入大規模商業運營的關鍵。尤其是加注環節的時間將極大影響氫動力飛機的運營效率。

氫氣的儲運加注環節需要對基礎設施進行改造。輸送氫氣的一個選擇是通過現有的天然氣輸送網絡，但對天然氣管道的改造不僅需要投入大量的資金并進行全面的安全性評估，而且需要考慮氫氣的生產地（產能過剩的可再生能源工廠和氫氣生產基地）與使用地（機場）之間長距離運輸帶來的成本和安全性問題，因此應盡可能在機場附近制氫。

氫燃料加注過程中的安全性問題同樣極其重要，必須對可能發生的氫燃料泄漏、燃燒和爆炸等情況進行預防和檢測，包括預留安全距離、設置防護墻、車載氫罐溫度監測、氫氣預冷、分段加注等方式[36]。

以環球氫能公司為代表的端到端氫燃料運輸網絡是另一種解決方案，在氫生產基地將氫燃料加注并封裝在氫燃料膠囊存儲罐中，通過公路或鐵路交通運輸到機場，然后直接把膠囊存儲罐安裝到飛機上，用完的膠囊存儲罐被送回氫生產基地實現閉環，如圖11所示。這種氫燃料運輸網絡與新能源汽車企業蔚來的“換電”方案類似，飛機“換氫”方案的優點是極大簡化了氫燃料的儲運加注過程，降低了運輸管道、機場儲氫和加注設施的建設成本，加快了飛機補氫速度。但缺點也和汽車“換電”方案類似，可拆卸的膠囊儲氫罐占用了機上空間并增大了重量，環球氫能ATR-72 改裝方案的載客量減少18%，航程減少50%。另外，“換氫”方案的邊際成本較高，在氫燃料需求量達到一定規模后的效率和經濟性落后于管道運輸方案，運輸網絡承載力上限也低于后者。因此，飛機“換氫”方案主要適用于氫燃料需求量較少并且基礎設施建設不完善的前期發展階段。

圖11 環球氫能模塊化氫燃料運輸網絡Fig.11 Modular hydrogen fuel transport network

4 氫燃料電池支線飛機發展展望

本文對氫燃料電池支線飛機未來可能達到的技術水平進行預測。首先給出影響飛機有效載荷和航程的核心技術參數，即氫燃料質量比。氫燃料質量比定義為液氫燃料質量與裝滿燃料的存儲系統質量的比值。目前，航空液氫燃料存儲罐的氫燃料質量比為15%～20%，存儲量小于1t。根據英國劍橋大學的預測[37]，優化現有儲氫技術可以將質量比提高到60%，而開發新技術可以將質量比提高到75%甚至更高，這意味著同等能量的液氫和存儲系統總質量可以降低到航空煤油和油箱的一半。

2022年4月，美國氫燃料電池制造商HyPoint和儲氫罐制造商Gloyer-Taylor Laboratories（GTL）聯合推出了他們的解決方案[38]，使用GTL生產的石墨纖維復合材料低溫液氫存儲罐（長2.4m、直徑為1.2m、重量為67kg）存儲150kg的液氫燃料，復合材料的使用可以減輕儲氫系統的一部分重量，但仍需要對低溫冷卻裝置、泵等配套組件進行持續減重才能有效提高儲氫系統的質量比。另外，機上氫燃料存儲還要考慮儲氫罐體積，同等能量的液氫體積大約是航空煤油的3 倍，儲氫罐的設計必然會對飛機的有效載荷和氣動布局造成影響。因此，主機廠商考慮到上述問題以及安全性、經濟性、技術成熟度等因素，在將液氫存儲系統集成到飛機上時會采用相對保守的方案，通過犧牲一部分航程以保證有效載荷不會降低過多。

在不考慮整體轉換效率的情況下，30%質量比的液氫燃料系統產生的能量已經接近同重量航空煤油燃料系統，50%質量比的液氫燃料系統產生的能量可以達到同重量航空煤油燃料系統的1.5倍以上。若考慮氫燃料電池、電動機和螺旋槳的效率，假設燃料電池氫電轉換效率能達到60%，電動機能量轉換效率按照當前技術水平取90%，螺旋槳效率取90%[39]，總轉換效率約為48.6%，而目前的大型航空渦槳發動機的總效率在40%左右[40]。隨著技術的發展，氫燃料電池動力系統的總效率在未來將不會低于航空渦輪發動機動力系統。

綜合考慮技術成熟度、產業現狀、市場供需、政策支持等多種因素，本文對包括氫燃料質量比、氫燃料電池功率密度、電動機系統功率密度在內的多項核心技術指標進行預測，預測區間為2025—2035年，預測結果見表1。

表1 2025—2035年氫燃料電池飛機技術指標預測Table 1 Prediction of technical index of hydrogen fuel cell aircraft in 2025—2035

2025 年性能指標下，總重量6t（氫燃料1.5t）的儲氫系統所提供的能量約為總重量5t 的航空煤油燃料系統的90%，基本可以滿足新舟700（油箱可攜帶5t航空煤油）同級別支線飛機的性能需求；2035年性能指標下，總重量18t（氫燃料6.3t）的儲氫系統所提供的能量約為總重量20t的航空煤油燃料系統的90%，各項指標基本滿足C919（油箱可攜帶20t航空煤油）同級別窄體干線飛機的性能需求。本文從技術成熟度、性能需求和市場競爭力三個角度進行綜合評估[41]，對不同技術方案的新能源航空器型號定位進行劃分，如圖12所示。

圖12 新能源航空器技術方案圖譜Fig.12 Scheme of new energy aircraft products

新能源航空器按照動力方案可分為鋰電池、氫燃料電池、氫渦輪和可持續航空燃料4 種。圖12 展示了不同動力方案新能源航空器的最佳適用區間，并標注了現有典型型號所處的位置。鋰電池受限于能量密度，主要適用于20座以下的城市空運和通航機型。氫燃料電池主要應用在100座以下的支線飛機，而100 座以上的干線飛機更適合氫渦輪發動機方案或者使用可持續航空燃料。

5 結束語

本文討論了未來氫動力飛機的發展，主要聚焦使用氫燃料電池的渦槳支線飛機，影響其發展的關鍵技術包括液氫儲罐、儲氫配套系統、氫燃料電池、電動機及氫燃料生產、存儲、運輸和加注等，詳細討論了這些技術相關的問題和解決方案。根據技術預測以及相關產業發展趨勢，我國將在2025—2035年逐步具備發展支線到窄體干線氫能飛機的技術條件。我國的航空企業可以利用成熟的國產飛機平臺進行氫動力改裝，攻克關鍵技術并開展試點應用。