■ 曹冠杰 王業(yè)輝/中國航發(fā) 孫小金/中國航發(fā)商發(fā)

氫作為零碳清潔能源，因具備能量密度高（相當于航空煤油的3倍）且燃燒產物為水等低碳、綠色的優(yōu)勢，有望將碳排放量減少50%以上，是航空業(yè)實現(xiàn)“脫碳”的重要手段，受到各國政府、相關機構和航空企業(yè)的高度重視。

隨著世界能源結構加速向低碳化、無碳化方向演變，航空業(yè)面臨全球能源體系深刻變革帶來的新挑戰(zhàn)。在此背景下，近年來被廣泛稱為“21世紀的終極能源”的氫能備受青睞，諸多涉及氫能航空發(fā)展的頂層戰(zhàn)略規(guī)劃相繼出爐。與此同時，傳統(tǒng)航空企業(yè)和初創(chuàng)公司在前期積累的基礎上，紛紛加大了對氫渦輪發(fā)動機和氫燃料電池等相關技術的投入力度，以求在氫能航空的賽道上占得先機。

頂層規(guī)劃推動氫能航空動力發(fā)展

歐盟發(fā)布《氫能航空》研究報告

歐盟于2020年5月發(fā)布了《氫能航空》（Hydrogen-Powered Aviation）研究報告。該報告作為歐盟清潔天空航空減排總體規(guī)劃的一部分，指出氫能驅動在降低航空業(yè)對氣候的影響和實現(xiàn)脫碳目標方面具有重大卻被低估的潛力，必須要采取相關行動，如制定航空路線圖指導行業(yè)過渡，大幅增加長期的研究與創(chuàng)新活動和資金，長期的政策框架為該行業(yè)制定保障措施等。報告基于對氫能技術的可行性分析、關鍵的成本驅動因素、不確定性以及引入壁壘，形成了氫能動力研發(fā)與創(chuàng)新活動的路線圖。路線圖分為核心氫能組件的開發(fā)、氫能飛機系統(tǒng)的開發(fā)（包括新飛機設計）、明確基礎設施壁壘和建立治理框架4個領域。其關鍵研究活動分3個階段開展，分別是：2020—2028年，發(fā)展基礎性技術，促使通勤飛機通過認證，實現(xiàn)支線和短途氫能飛機成功試飛，并制定路線圖和基礎工作體系，從安全和市場激活機制等方面提供保障；2028—2035年，集中擴大核心氫能組件等應用規(guī)模，將其應用于中程飛機，同時也為氫能航空的再次發(fā)展做好準備；2035—2050年，為中遠程開發(fā)概念機和原型機，包括新的革命性飛機設計以及用于大規(guī)模燃料供應和快速加注的新技術。

各國關于推動氫能航空發(fā)展的頂層規(guī)劃

英國發(fā)布《國家氫能戰(zhàn)略》

英國商業(yè)能源與產業(yè)戰(zhàn)略部于2021年8月發(fā)布《國家氫能戰(zhàn)略》 （UK Hydrogen Strategy），提出到2030年要成為氫能的全球領導者，擁有5GW的低碳氫產能。該戰(zhàn)略將氫能經濟路線圖分為4個階段，其中與航空相關的氫能部分分別是：2022—2024年，實現(xiàn)小規(guī)模電解制氫，開展航空試驗；2025—2027年，試點采用碳捕獲、利用與封存（CCUS）技術的氫能項目并不斷擴大電解氫產能，采用小規(guī)模集群管網并擴展卡車運輸和小型存儲，開展航空試驗；2028—2030年，大規(guī)模采用CUUS技術的制氫及大規(guī)模電解制氫，實現(xiàn)大規(guī)模存儲及與天然氣網絡整合，同時在航空方面實現(xiàn)應用；21世紀30年代中期以后，不斷擴大生產規(guī)模與范圍，形成區(qū)域或國家網絡，在航空領域實現(xiàn)更大規(guī)模的應用。

美國發(fā)布《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》

2020年11月，美國能源部發(fā)布《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》（Department of Energy Hydrogen Program Plan）， 該計劃以解決機構和市場壁壘，跨應用領域的廣泛部署，最終實現(xiàn)清潔環(huán)保、成本低廉、安全可靠的氫能廣泛應用于各類場景為目標，提出未來10年及更長時間氫能研究、開發(fā)和示范的總體戰(zhàn)略框架，研究燃料電池和燃氣輪機等氫能轉化技術，明確了氫能發(fā)展技術和經濟指標，主要包括3個方面：一是設定氫能全鏈條中應重點發(fā)展的技術和經濟指標，期望通過技術創(chuàng)新，提高技術穩(wěn)定性和效率，降低成本，加快一批氫能技術或產品的商業(yè)化應用；二是加大對氫能相關的其他技術的攻關，期望進一步為美國氫能經濟提供更多元化的選擇；三是開展氫能標準的研究和制定。美國能源部計劃5年內投資1億美元，支持由美國國家實驗室主導的氫能和燃料電池的關鍵技術研究，將促進航空氫能動力的發(fā)展。

氫能航空動力技術發(fā)展現(xiàn)狀

目前氫燃料發(fā)動機和氫燃料電池推進系統(tǒng)是氫能航空最受關注的兩個方向。

氫燃氣渦輪一般包括氫燃料渦扇發(fā)動機和氫燃料電動風扇發(fā)動機兩種形式。前者結構與現(xiàn)役航空發(fā)動機基本相同，氫燃料在燃燒室內燃燒，推動渦輪并帶動風扇產生推力；后者則是通過渦輪帶動發(fā)電機發(fā)電，由電動機帶動風扇產生推力。相比較使用化石燃料，燃氫僅產生水蒸氣和部分氮氧化物，不會產生一氧化碳、二氧化碳、硫化物等溫室氣體和煙塵等污染物，飛行過程對氣候的影響可降低50%～75%。為適應氫能使用特性，需對傳統(tǒng)航空發(fā)動機燃燒室、燃料噴射與混合裝置、熱循環(huán)和管理系統(tǒng)等進行改進或重新設計，并開發(fā)針對氫燃料的低氮氧化物排放技術。

氫渦輪和氫燃料電池在航空上的應用[1]

空客與CFM國際公司改裝A380飛機作為氫燃料發(fā)動機飛行測試平臺

空客公司早在2016年就啟動了氫動力相關試驗設備研究，2020年9月發(fā)布名為ZEROe的三種氫能飛機方案，分別采用渦槳氫混合動力、渦扇氫混合動力和翼身融合混合動力；同年12月，公布了以6個推進吊艙為主要特征的全新氫動力飛機構型，并表示將于2024—2025年完成氫動力相關技術方案的選擇。2022年2月22日，空客與CFM國際公司簽署合作協(xié)議，將于2025年左右共同啟動氫示范項目，旨在對氫燃料發(fā)動機進行地面和飛行測試，為2035年前將一款零排放飛機投入使用做好準備。

英國航空航天技術研究院（ATI）于2021年12月發(fā)布了FlyZero液氫動力遠程中型飛機概念，提供了詳細的方案預覽，如無燃料箱機翼、儲氫罐、低溫燃料系統(tǒng)和氫燃料發(fā)動機等，并在2022年年初公布了方案細節(jié)。FlyZero飛機采用兩臺氫燃料渦扇發(fā)動機，航程9723km。燃料將儲存在后機身的一對低溫液氫罐和機身前部兩側的兩個較小的液氫罐中，飛行時通過液氫消耗量來調整飛機的平衡，并減少對整機氣動結構的設計需求。

俄羅斯目前正計劃對VK2500發(fā)動機進行改造，將采用氫燃料、低溫儲罐、恒溫調節(jié)系統(tǒng)和液氫供給系統(tǒng)，飛行試驗將在雅克-40LL飛行試驗平臺上開展，計劃5年內研制成功。

普惠公司于2022年2月獲美國能源部支持，開發(fā)新型高效氫燃料推進技術，啟動了氫-蒸汽噴射、間冷渦輪發(fā)動機（HySIITE）項目，將使用液氫燃料和水蒸氣回收來實現(xiàn)飛行中的零碳排放，并可將下一代單通道飛機的氮氧化物排放量減少高達80%，燃料消耗減少高達35%。同時，HySIITE項目的半封閉式系統(tǒng)架構將實現(xiàn)比燃料電池更高的熱效率，并降低總運營成本。

氫燃料電池技術發(fā)展

氫在燃料電池中通過電化學反應直接產生電并排出水，電動機帶動風扇產生推力。與氫燃料發(fā)動機相比，氫燃料電池內部氫與氧電化學反應環(huán)境純凈，極少產生水蒸氣凝結核，使飛行對氣候的影響可降低75%～90%。目前氫燃料電池技術還存在能量密度低、使用壽命短和單體輸出功率低等問題，需要通過采用新型電極材料、電池一體化結構設計，高效的水和熱管理和運行控制等方法，進一步提高電池功率密度、延長壽命（超過25000h）。

FlyZero液氫動力遠程中型飛機概念

HyPoint公司的渦輪空冷燃料電池概念及試驗驗證原型

羅羅公司在600kW氫燃料電池研究的基礎上，開展用于全尺寸支線飛機的2MW氫動力系統(tǒng)的開發(fā)，預計2023年實現(xiàn)動力系統(tǒng)集成到微電網中的示范驗證，2024年將在19座氫燃料電池電動飛機上投入使用，2050年成為一家凈零碳排放公司。

吉凱恩（GKN）公司于2020年12月啟動了氫燃料電池開發(fā)項目H2GEAR，為期5年，目標為開發(fā)首個可應用于支線飛機的氫能電驅動系統(tǒng)，將在2022年進入詳細設計階段，2026年投入使用。H2GEAR項目將開發(fā)整個動力系統(tǒng)，包括儲氫、燃料電池、動力管理系統(tǒng)和電動機，目標是證明“功率密度的階躍變化”，足以使液氫燃料電池為商用飛機提供動力，系統(tǒng)功率輸出至少為1MW，初期目標是用于19座通勤飛機，但最終目標是擴展到為70～90座支線客機提供動力。

美國初創(chuàng)公司HyPoint推出了一型渦輪空冷（TAC）氫燃料電池系統(tǒng)原型機。該燃料電池系統(tǒng)融合了高溫質子交換膜（HTPEM）燃料電池、空氣冷卻及渦輪增壓等3種技術。HTPEM技術與現(xiàn)有液冷低溫質子交換膜（LTPEM）燃料電池相比，單位功率提高3倍，能量密度是現(xiàn)有鋰離子電池的5倍，并能提供更高的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性、簡化的水和熱管理，以及對雜質的高抵抗力。HyPoint公司預計2022年開始交付用于飛行測試全尺寸動力系統(tǒng)，目標平臺包括電垂直起降飛行器（eVTOL）和貨運無人機。HyPoint公司還與德國化工巨頭巴斯夫（BASF）公司合作，開發(fā)下一代TAC HTPEM燃料電池，旨在減輕燃料電池的質量并提高耐用性，計劃于2024年中期向顧客提供。

波音公司計劃2050年前生產不需改變現(xiàn)有航空基礎設施的“過渡”燃料，2050年后氫燃料完全替代傳統(tǒng)航空燃料，目前其氫燃料電池飛機研究項目（theator airplane）和氫動力無人機“鬼眼”（Phantom Eye）都進行了試飛。

德國航空航天中心（DLR）啟動氫燃料電池航空電驅動總成（BALIS）項目，目標是將燃料電池功率提高到1.5MW，為40～60座、航程1000km的支線飛機提供動力。DLR已與德國MTU航空發(fā)動機公司合作開發(fā)500kW的燃料電池動力系統(tǒng)，于2026年開始試飛。同時，DLR開展氫燃料電池推進系統(tǒng)試驗場建設，將對1.5MW的氫燃料電池推進系統(tǒng)進行地面測試。

氫能源動力發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

作為新興產業(yè)，氫能與未來航空產業(yè)發(fā)展關系密切，但以氫能為動力實現(xiàn)航空業(yè)脫碳仍要面對諸多挑戰(zhàn)。

一是氫能產業(yè)規(guī)模和經濟性有待提升。目前，氫能作為建筑和交通運輸業(yè)的燃料仍在試驗階段，未能形成大規(guī)模商業(yè)化應用。在生產成本上，可再生能源制氫也難以和化石能源制氫相匹敵。2018年，天然氣制氫、采用碳捕捉和封存技術的天然氣制氫、煤炭制氫的成本分別為0.9～3.2美元/kg、1.5～2.9美元/kg、1.2～2.2美元/kg，而可再生能源制氫成本的最低值接近化石能源制氫成本的最高值。

二是內部市場環(huán)境條件有待改善。在能源市場運行和監(jiān)管制度方面，各國缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，需要打破各國內部市場障礙和壁壘。2020年8月，歐盟能源監(jiān)管合作署（ACER）發(fā)布報告指出，當前歐盟為氫能另行建造管道并不現(xiàn)實，將氫氣混合在天然氣管道中使用是一種可行選擇，但僅有少數(shù)成員國允許將氫氣注入天然氣管道實行混合運輸。

三是氫燃料難以在飛機上大量且安全儲存。雖然氫燃料能量密度高，但體積能量密度很低，產生相同能量需要5倍于航空煤油的體積。在航空業(yè)已掌握的儲存技術中，只有高壓氣體或低溫液體儲罐技術可以用于氫燃料的存儲。若以高壓氣體形式儲氫，將占飛機較大的機體空間。相比之下，低溫液體形式儲氫具有較高的質量能量儲存密度，但存儲條件很高，即極低溫度（-253℃）和恒定壓強（1.429atm），這將導致液氫罐結構和配套冷卻系統(tǒng)異常復雜，進而大大降低整體系統(tǒng)的質量能量密度。同時，氫在高濃度下，容易被極小的火花或空氣中的多種混合物引發(fā)燃燒，并且因氫燃燒時具有不可見、無熱量釋放（能量通過紫外線輻射釋放）的特點，泄漏時很難被檢測，這些都給飛行安全帶來了嚴重隱患。

四是現(xiàn)有航空動力技術及研發(fā)設備需進一步完善提升?，F(xiàn)有航空發(fā)動機結構不適合燃氫，氫燃料燃燒時與氧發(fā)生化學反應迅速，燃燒溫度更高、火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?，容易產生過量氮氧化物且容易發(fā)生回火現(xiàn)象，導致現(xiàn)有航空發(fā)動機燃燒室結構無法實現(xiàn)氫的穩(wěn)定燃燒。設備設施不完善也是嚴重制約氫能應用的關鍵因素。氫能作為一種未在航空業(yè)正式投入使用的新能源，相關氫能航空動力試驗設備及安全試驗條件建設相當匱乏，如果無法安全進行氫能源航空動力試驗、低成本實現(xiàn)氫燃料的運輸與儲存，將會直接影響到氫能飛機的商業(yè)運營。

對我國氫能航空動力發(fā)展的啟示

2019年，我國首次將氫能源寫入政府工作報告中并正式納入能源體系，氫能在其中的占比將進一步提升，同時氫能產業(yè)鏈中制氫、儲運、加氫站、氫燃料電池應用等各環(huán)節(jié)也將獲大幅發(fā)展，為氫能航空動力的發(fā)展奠定了一定的基礎，可進一步在核心技術、基礎設施、商業(yè)化等方面加大推進力度。

一是建立健全頂層規(guī)劃、法規(guī)與政策體系。可加強頂層牽引，堅持政府引導，制定適應國情的氫能發(fā)展的中長期目標，將氫能放在生態(tài)綠色生產和消費體系中進行立法，積極發(fā)揮國家規(guī)劃引導和政策激勵作用，鼓勵地方政府和企業(yè)結合自身優(yōu)勢，科學制定政策和規(guī)劃，并給予相應政策和資源支持。

二是加大氫能航空動力核心技術研發(fā)支持。研究制定航空氫能動力頂層發(fā)展戰(zhàn)略，明確航空氫能動力發(fā)展目標、重點任務和技術發(fā)展路線圖，為我國航空氫動力發(fā)展提供頂層指導。同時，通過國家相關政策支持、創(chuàng)新管理機制保障，吸引全球優(yōu)秀人才，集中優(yōu)勢力量持續(xù)、深入地開展基礎研究，突破航空氫能動力技術瓶頸。

三是重視氫源供應及儲運的發(fā)展?？煽康土臍湓垂?、儲運及加氫站運維是氫能產業(yè)大規(guī)模發(fā)展的限制環(huán)節(jié)。為實現(xiàn)與氫能下游應用的協(xié)同發(fā)展，應根據各地區(qū)氫源及制氫方式的不同，因地制宜地發(fā)展多元化氫源供應及儲運，健全加氫站建設、規(guī)范審批機制，積極探索盈利模式。

四是整合優(yōu)勢力量。目前，氫能已在汽車和能源行業(yè)得到一定程度的應用，具備了較為實用化的技術基礎，其底層共性技術與航空氫能動力技術可實現(xiàn)互通、互用。我國可利用在新能源汽車等產業(yè)形成的相關技術基礎，扶持一批具有發(fā)展?jié)摿Φ膶I(yè)化企業(yè)，培育創(chuàng)新鏈、產業(yè)鏈，加強對國內優(yōu)勢研發(fā)資源和產業(yè)資源的整合，加快氫能航空動力技術發(fā)展。