王翔宇 | 氢燃料电池支线飞机“油改电”面临的挑战

本文主要内容已在国际航空第6期发表

交通运输是人类现代化生产生活的关键，其中民用航空运输是目前运行速度最快，且成功实现规模化、常态化的交通方式，仅去年一年我国民航运送旅客量就达6.2亿人次，其中干支线飞机产生的运量占据主体。在减少碳排放的全球共识下，发展新能源干支线飞机是航空业的重要探索方向。

可尝试用于干支线飞机的新能源形式主要包括可持续航空燃料（SAF）、氢能、电能等。SAF能够使飞机在不改变能源动力系统架构的前提下快速改装应用，是短期内实现航空业减碳排的首选，但当前面临燃料成本高、产能不足等问题。此外，考虑航空技术“换道超车”等更多战略意义，氢能、电能等对飞机设计产生重要变革的选项同样值得关注。

当前，动力电池已是轻小型无人机、2-5座级垂直起降飞行器等平台的主要选择，但受限于能量密度，距满足干支线飞机需求仍然较远。氢能航空动力系统包括氢涡轮和氢燃料电池两大路径，其中氢燃料电池技术相对成熟，现阶段国内外的进展前沿是成功研制出20至50座级的氢燃料电池支线飞机，开始进入适航审定。

出于技术风险和成本考虑，直接改造已有飞机，在保持气动外形和结构不变的前提下，替换部分或全部原有发动机为氢燃料电池动力系统是当前主要方案。美国环球氢能公司（Universal Hydrogen）将50座级“冲”8-300型飞机的单侧发动机替换为1.0兆瓦氢燃料电池系统，于2023年2月取得FAA特殊适航认证，3月首飞成功，当前已在加州莫哈韦航空航天港开启为期两年的飞行试验；英美合资公司零航（ZeroAvia）将19座级Dornier 228型飞机单侧发动机替换为600千瓦氢燃料电池-蓄电池混合动力系统，于2023年1月首飞，当前正与英国民航管理局（CAA）共同推进相关适航标准制定。

环球氢能和零航公司基于已有型号改装的氢燃料电池飞机首飞情景

也有企业选择优先开展技术验证。欧洲空中客车公司（Airbus）在ZEROe项目中研制出1.2兆瓦氢动力系统，于2023年6月首次地面试车成功后，开启了预计持续1年的系列地面试验，未来计划首先添置在A380客机机身上进行空中试验，再考虑应用于实际飞机型号的研发。美国乔比（Joby）子公司氢飞（H2FLY）研制了HY4型轻型运动类固定翼飞机，采用新颖的双机身构型，左侧机身容纳储氢罐。上述改装A380和HY4飞机由于动力布局的非对称性或总体构型的高度新颖性，几乎不会成为相关企业研发干支线飞机并争取取证的平台产品，但可作为技术验证平台，加快技术探索。

空客公司和氢飞公司当前的技术验证平台和未来氢燃料电池飞机构想

尽管避免了改变气动外形和结构设计、降低了适航审查难度，但支线飞机油改氢还是注定面临许多技术挑战，主要包括总体、进气与散热、湿度管理、电池管理设计等方面。

氢（H2）每千克质量所含化学能（质量能量密度，约120兆焦）是航空煤油（约40兆焦）的3倍左右，但其密度通常极低。工业上常用的氢燃料状态有三种：增压至350巴或700巴的高压氢气（分别约为345和690个标准大气压），以及几乎不增压但降温至20开尔文（约零下250摄氏度）的液氢，折算为体积能量密度，以上三种氢燃料分别为2.9、4.8、8.5兆焦/升，又比航空煤油（约35兆焦/升）低约4至10倍。此外，储氢罐需保持内部高压或低温，还需具备完善的防泄露以及精准的流量监测与控制等功能，自身结构需占用较大质量和体积；高温或低压又要求储氢罐内外形应尽可能接近球体以降低表面积与体积比，不适合如传统飞机那样装入机翼内。

以上因素综合作用的结果是，当前难以给出一个通用的方法，判断飞机油改氢后，燃料质量能量密度提升带来的优势与体积能量密度降低带来的劣势哪个起到主导作用。环球氢能改装“冲”8-300后客舱座位数从50减为40，载客量下降20%；而零航公司改装Dornier 228油改氢后称座位数保持19不变；有研究认为在合理选择氢燃料状态前提下，大型长航程飞机油改氢后起飞重量将普遍下降约25%，也有研究反驳认为目前尚无法给出明确结论，只能针对具体飞机型号具体计算研究。

尽管当前环球氢能公司的改装“冲”8-300采用的是气态氢，但已研发出模块化气氢和液氢储罐产品并申请专利。2024年初，该公司完成1.0兆瓦氢动力系统与液氢罐的适配并在地面运行测试，同时还在推进2.4兆瓦氢动力系统研发，未来该公司将同时采用多个功率级别的氢动力系统、气氢/液氢储氢罐，对“冲”8、ATR 72等多型已有支线飞机进行改装。

环球氢能公司的模块化氢气罐（上）和液氢储氢罐（下），公司突出其运输和安装的便捷性、灵活性

此外，改装飞机在总体设计上还面临许多其他挑战。例如，由于氢能质量能量密度显著高于航空煤油，在飞机气动特性基本不变前提下，飞机爬升相同的高度，消耗氢燃料的质量显著小于航空煤油质量，导致飞机此时的质量更大、后续对能量需求更高，这将削弱氢能飞机优势。降低氢能飞机的设计巡航高度可以改善此问题，但会改变飞机任务剖面和应用场景，甚至改变其在空域管理、空中交通管理中的定位。

电池的最小单元通常由阴极、阳极、电解质构成，电解质位于两极之间并通常需要隔膜分隔。当前支线飞机采用的氢燃料电池主要是质子交换膜类型（PEMFC），在其内部，氢离子穿过电解质、依赖铂等催化剂与氧反应，适合运行在较低温度（约30至100℃）。运行中需要持续通入氢气和氧气并严格控制流量及比例，而后者主要通过进气道吸入的空气提供，这使得氢燃料电池与飞机两者的运行状态紧密联系。

质子交换膜类型的氢燃料电池基本原理示意图

传统能源的航空发动机在燃烧室后方设有涡轮、前方设有压气机，燃烧喷出的气体驱动涡轮，涡轮分出部分功率带动压气机，进而持续提升进气压力。进气道的截面形状、长度、进气流量，以及压气机功率需求、增压比等参数都已根据燃油燃烧、发动机特性和飞机典型任务剖面等条件精确优化。飞机油改氢后，上述条件均发生变化，进气系统需要重新优化设计，同时影响散热系统设计。

增加进气流量、提升进气增压比，能够提升燃料电池在单位时间内获得的氧气，从而增大功率、提高效率。然而，更高的增压比意味着燃料电池需要分给压气机更多电能，当其占总输出电能比例超过一定水平后，动力系统整体经济性将快速下降。此外，若飞机进气流量不能与燃料电池及其散热需求匹配，还会造成飞机气动阻力增大、电池热失控风险上升。遗憾的是，如何以最小的代价改造燃油飞机的进气和散热系统，使其装配燃料电池动力系统后性能最优，尚没有形成一套成熟、完善的方法论。

环球氢能公司在改装“冲”8-300时，与美国布隆菲尔公司（Bloomfieldd）合作改进涡轮压气机，将进气增压比从原来的3：1提升至5：1，使得飞机在改氢后能够基本保持升限为海拔7620米不变；若不作提升，升限将降至3048米，显著影响飞机的任务剖面和使用方式。同时，由于散热需求提升，改装的氢动力装置两侧增加了斜向安装的巨大散热器。以上两个改动使得原位于发动机下方的进气道截面积需要增大，但受到同样位于发动机下方的起落架收放机构限制，不得已将进气改为两侧。于是，改装后的氢动力装置在两侧各突起一个大尺寸进气道，而为此又需要更多飞行试验来确认其对机翼气动特性的影响，可谓是牵一发而动全身。

环球氢能改装“冲”8-300飞机的

进气和散热系统设计方案

环球氢能改装“冲”8-300飞机的

氢动力系统内部结构

在PEMFC氢燃料电池中，质子交换膜需要保持湿润状态以确保氢离子能够顺利在其内移动，而电极的多孔状结构却要求其尽可能避免水的浸泡，两者存在矛盾。氢燃料电池内的化学反应会产生水，水的积累有利于质子交换膜却不利于电极。因此，氢燃料电池需要控制和管理其内的湿度。被动管理策略评估燃料电池内部当前湿度、飞机进气湿度等，控制进气量和燃料电池工作状态，必要时将电池排出的气体与飞机进气混合，其湿度控制能力较弱、精度较低，但结构较为简单；主动管理策略需额外引入水泵、水管路、喷雾装置、排水装置等，当湿度不足时主动喷出水雾、当湿度过高时引导水分排出。

在此方面，环球氢能改装“冲”8-300首飞时仍采用被动湿度管理策略，当前正在做出改变，尝试在动力装置下方的起落架收纳室内利用多余空间安装主动加湿系统，并在后续试验中进行测试。

环球氢能改装“冲”8-300飞机新增的电池湿度管理系统，图中一排黑盒为加湿器，蓝色管路为供水管

氢燃料电池的极化特性决定了其能量转化效率、电压和电流大小之间存在复杂的耦合关系。在给定电极面积下，随着电流的增大，输出电压、化学能-电能转换效率会持续下降，而总输出功率通常先上升后下降。电池管理系统根据飞机需要调节电池工作状态，但调节范围非常有限，还需要同步调节氢气和空气进气量，存在时延性。对此，一种策略是采用小型蓄电池辅助配合氢燃料电池的功率特性管理，但两种电池的组合设计、管理策略的优化又成为新的挑战；另一种策略是采用较大蓄电池，不仅帮助氢燃料电池管理，其自身也是飞机动力的重要来源，形成“电电耦合”的混合动力策略。

环球氢能早期称其改装“冲”8飞机的氢动力系统采用锂电池进行辅助电管理，而近期又称其氢燃料电池可直接驱动电机，特意强调无需蓄电池辅助并因此显著减重。两种说法存在矛盾，推测因飞机在典型任务下功率需求变化较小，对锂电池需求较小，故直接整合进了氢燃料电池系统内。但零航公司的改装Dornier 228则不同，氢燃料电池和锂电池几乎各贡献一半功率，属于电电耦合方案。

此外，部分媒体将环球氢能改装的“冲”8飞机称为“混合动力”，其本意是指该飞机“有两套完全独立的动力推进装置，一套燃烧航空煤油、另一套消耗氢燃料”，但这非常容易造成歧义。通常“混合动力”是指在同一套动力推进装置内同时使用多种能源-动力转换路径，环球氢能“冲”8改装飞机是氢燃料电池动力飞机，只是现阶段出于风险和成本考虑，保留了一台原燃油发动机进行整机测试验证。

使用化石燃料的航空发动机因其复杂和精妙程度被誉为人类工业皇冠上的明珠，不仅研发技术门槛高、维护成本高，还与飞机设计技术深刻绑定融合，形成了当前干支线飞机较为固定的气动外形和结构。以锂电池为核心的电动飞机打破了这一局面，电推进系统结构简单，运行中无质量损失，除散热外不依赖飞机进气，与飞机主体的机械传动、液压和润滑回路耦合大幅减少甚至消除，使得电动飞机与电推进系统的设计几乎可以分开进行、模块化组装，只是由于能量密度和运行经验积累不足，暂限于轻小型飞机应用。SAF飞机尽管保留了传统能源飞机的复杂性，但延续了成熟的飞机和发动机技术体系，能够快速改换应用，障碍主要在于燃料的成本与产能。

纵观各种能源方案，氢燃料电池飞机无疑是独特的。一方面，氢燃料在运行中损失质量，其化学反应依赖飞机进气，储氢罐通常额外占用飞机内载荷空间，这决定了氢燃料电池动力系统必然与飞机本身在总体设计、运行状态上紧密联系，飞机又回到了飞发一体的设计思路；另一方面，氢燃料电池以电能为主要输出，又如电动飞机那样降低了“飞”和“发”在机械传动、液压和润滑等方面的耦合，降低了飞机复杂程度。两方因素矛盾，使得当前很难判断最终氢燃料电池飞机相比于传统燃料飞机更具优势还是恰恰相反。

但无论怎样，氢相比于化石燃料更绿色、质量能量密度更高，对氢航空动力技术的探索具有重要意义。当前氢燃料电池飞机已在20至50座级的支线飞机改装上取得突破，值得引起关注。未来还可能出现更多的氢燃料电池飞机方案，可能是传统气动外形+分布式动力的干支线飞机，可能是颠覆性构型的翼身融合（BWB）飞机，还可能是利用液氢低冷特性实现“燃料预热-动力系统散热结合”的超声速飞机等等。总之，氢燃料电池飞机会形成一套独特的改装或设计技术体系，牵引航空业开辟新的分支领域，推动航空业的能源转型。

中国航空工业发展研究中心 王翔宇

主编：王元元

执行主编：钟怡菲

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