一、簡(jiǎn)介

氫氣是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)最有前景的能源之一。與電力（池）推進(jìn)一起，氫氣作為動(dòng)力燃料也是實(shí)現(xiàn)零排放目標(biāo)的兩大主要競(jìng)爭(zhēng)者之一。但氫氣和傳統(tǒng)燃料的能源潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電池。2020 年，與鋰離子電池相比，氫氣的相關(guān)成本更低。預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年，氫氣的成本下降速度將比電池快得多， 從而使氫能具有更大的優(yōu)勢(shì)。氫氣可實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放。此外，還可以燃燒更稀薄的空氣混合物，大大減少氮氧化物的排放，而氮氧化物是破壞臭氧層的罪魁禍?zhǔn)祝窃斐蔁熿F的主要原因，且對(duì)植物和其他生物體有破壞性影響。綠色氫氣只通過(guò)可再生能源產(chǎn)生，在電化學(xué)電池過(guò)程和燃燒過(guò)程中只產(chǎn)生水。考慮到綠色氫氣的優(yōu)點(diǎn)以及它的高熱值（重量能量密度是航空煤油的 2.5 倍），它極有可能成為渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的最理想燃料。

然而，使用氫氣作為航空燃料并不是一個(gè)新想法。早在1943年，美國(guó)就在太空計(jì)劃工作中使用過(guò)氫氣，1956 年還使用氫氣為 B-57 轟炸機(jī)提供動(dòng)力。除此之外，俄羅斯人還設(shè)計(jì)了以氫氣為動(dòng)力的圖-154 飛機(jī)（改裝后命名為圖-155）。此外，小型項(xiàng)目的工作也一直在進(jìn)行。下圖 1 顯示了一些最重要的氫推進(jìn)發(fā)展設(shè)計(jì)歷程，這些設(shè)計(jì)證實(shí)了氫在各個(gè)方面仍然是一種有吸引力的燃料。

圖1：多年來(lái)氫作為航空推進(jìn)動(dòng)力的發(fā)展

氫的性質(zhì)如表1所示：

表1：氫和航空煤油的性質(zhì)

二、氫動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

氫動(dòng)力渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理與傳統(tǒng)航空燃料驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)基本相似。不過(guò)，兩者也有一些不同之處。首先，前面已經(jīng)提到，氫氣燃燒不會(huì)造成溫室氣體排放。但仍會(huì)產(chǎn)生氮氧化物和水蒸氣。燃燒氫氣的發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用較稀薄的混合氣（空氣燃料比）進(jìn)行飛行操作，這有助于降低氮氧化物，但也會(huì)導(dǎo)致輸出功率降低。與目前使用的標(biāo)準(zhǔn)航空燃料相比，通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和將巡航高度降低約 2 至 3 千米，可進(jìn)一步減少氮氧化物的產(chǎn)生量。氫氣還具有更易燃的優(yōu)點(diǎn)，因此與航空煤油相比，氫氣的點(diǎn)火能量更低。另一方面，氫氣的火焰速度較高，這可能導(dǎo)致火焰噴出和燃燒室運(yùn)行不穩(wěn)定。由于密度低，氫氣在燃燒室中形成的混合物也更均勻。此外，氫氣也是一種比煤油更安全的燃料，因?yàn)樵谶^(guò)往航空事故中，導(dǎo)致死亡主要是由于火焰和有害煙霧造成的，而氫氣不會(huì)形成蒸汽云。

燃料電池也可以用來(lái)消耗飛機(jī)引擎中的氫，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量（電能和熱能）。該系統(tǒng)具備最佳功率重量比技術(shù)路線就是質(zhì)子交換膜(PEM)型燃料電池。在PEM電池中，水在陰極上產(chǎn)生，并且由于放熱反應(yīng)而釋放熱量。它們的缺點(diǎn)是制造材料的成本，如碳復(fù)合材料、鉑和合成聚合物等。結(jié)構(gòu)示意圖如下圖2所示：

圖2：PEM燃料電池

就燃料電池而言，熱管理也很重要。因?yàn)橛辛巳剂想姵囟眩瑫?huì)有大量的熱量積累，這對(duì)大型飛機(jī)來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)障礙。

在目前提出的將氫用于飛機(jī)推進(jìn)的方法中進(jìn)行選擇時(shí)，必須考慮幾個(gè)因素。對(duì)于長(zhǎng)途飛機(jī)來(lái)說(shuō)，氫燃燒更有可行性——燃料電池規(guī)模還不能產(chǎn)生所需的大量能量。對(duì)于通用航空來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)不需要那么多的動(dòng)力，燃料電池會(huì)更受推崇。研究還表明，使用氫燃燒可以減少50-75%的二氧化碳排放，而使用燃料電池則低至75-90%。

下圖3顯示了合成燃料、氫渦輪機(jī)和氫燃料電池對(duì)氣候影響的比較。

圖3：新燃料對(duì)氣候影響的比較

三、分配和儲(chǔ)存

在這個(gè)看似完美的能量載體的表面下隱藏著一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)：存儲(chǔ)問(wèn)題。氫，由于其輕而且是氣態(tài)的性質(zhì)，在儲(chǔ)存和運(yùn)輸方面帶來(lái)了獨(dú)特的困難。與傳統(tǒng)燃料不同，傳統(tǒng)的儲(chǔ)存和運(yùn)輸方法，如儲(chǔ)罐或管道，對(duì)氫氣不起作用。相反，氫需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案，考慮到它的特殊性質(zhì)，使它成為一種可行的能源。

對(duì)于材料和化學(xué)工程來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)氫是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。研究人員正在尋找高強(qiáng)度的材料，同時(shí)不與氫發(fā)生反應(yīng)，或者相反，強(qiáng)吸附劑可以在其表面密集地積聚大量的氫。重點(diǎn)也在與氫形成化合物的元素上，以金屬氫化物或復(fù)合氫化物的形式。目標(biāo)是將氫元素集中在盡可能小的體積中，以達(dá)到最高的體積能量密度。這可以通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：壓縮氫，降低其溫度并使其液化，或通過(guò)與其他材料(金屬)形成相互作用來(lái)降低分子間排斥力下圖6以圖形方式描述了最流行的儲(chǔ)氫概念。

圖4：儲(chǔ)存氫的方法

能量需求是前面提到的氫密度增加的所有形式的特征。這是評(píng)價(jià)和選擇最佳儲(chǔ)氫方法的重要參數(shù)。下表2總結(jié)了儲(chǔ)氫方法，以及它們的初步比較信息。具有特征參數(shù)的儲(chǔ)氫方法綜述如下表：

表2：總結(jié)了儲(chǔ)氫方法，以及它們的初步比較信息

四、存在問(wèn)題與發(fā)展方向

就像前面提到關(guān)于氫的更困難的問(wèn)題之一是如何儲(chǔ)存。這種氣體可以以壓縮或液體形式儲(chǔ)存，也可以儲(chǔ)存在低溫(氫冷卻到-252°C，為液態(tài))或壓力罐中。壓力罐的壓力范圍為35~70Mpa。這就需要使用厚重的厚壁儲(chǔ)罐，比如鋼制儲(chǔ)罐，這對(duì)航空來(lái)說(shuō)是非常不經(jīng)濟(jì)的。也可以使用復(fù)合材料，這將大大減輕燃料箱的重量，不幸的是，壓縮氫的體積能量密度僅是航空煤油的七分之一。然而，當(dāng)以液態(tài)儲(chǔ)存氫時(shí)，保持低溫的低溫罐是必要的。多層儲(chǔ)罐在層與層之間留有真空空間，可減少和環(huán)境的換熱，效果非常好。由于氫的沸點(diǎn)較低，在儲(chǔ)罐內(nèi)似乎也需要有熱交換器，以防止氫的蒸發(fā)，從而防止儲(chǔ)罐壓力的不受控地增加。另一種儲(chǔ)存氫的方法是將其儲(chǔ)存在金屬的晶格中，并與金屬元素形成離子或共價(jià)鍵，形成氫化物(如下圖5)。

圖5：氫占據(jù)間隙氫化物的八面體或四面體位置。間隙部位用棕色圓點(diǎn)標(biāo)記；FCC -面心立方、HCP -六邊形密排、BCC -體心立方

該固態(tài)儲(chǔ)氫方法仍在研究發(fā)展階段，以便在最適用的條件下(溫度和接近環(huán)境壓力下)進(jìn)行金屬的加氫和脫氫。然而，就目前而言，由于它們的重量較大，它們并不是航空的最佳解決方案。它們的應(yīng)用很可能僅限于大規(guī)模的地面儲(chǔ)存和運(yùn)輸。由于其大的表面積和熱穩(wěn)定性，碳納米管也被考慮用于儲(chǔ)氫。基于范德華力，納米管的大表面積使其與多孔材料一起成為表面儲(chǔ)氫的理想吸附劑。然而，由于這些結(jié)合鍵的鍵合力是非常小，以至于溫度要降到200K以下。由于它們的質(zhì)量和更大的儲(chǔ)氫潛力（包括快速加氫的潛力），它們是航空航天領(lǐng)域一種很有前途的儲(chǔ)氫方法。值得注意的是鋰、錳、鈹和鋁等金屬的復(fù)雜金屬氫化物，與簡(jiǎn)單的金屬氫化物相比，它們的氫原子與金屬原子的比例通常是簡(jiǎn)單金屬氫化物兩倍。因此，氫在整個(gè)化合物中的重量百分比相對(duì)較高，這是它們的一大優(yōu)勢(shì)。

目前，機(jī)場(chǎng)沒(méi)有為氫氣分配運(yùn)輸設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，因此這將涉及到升級(jí)。這是一項(xiàng)極其昂貴的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗粌H需要基礎(chǔ)設(shè)施的財(cái)政支出，還需要人員培訓(xùn)、法律保障或與滿足安全標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)的事項(xiàng)的財(cái)政支出。然而，目前還不可能說(shuō)氫是100%的綠色解決方案。

生產(chǎn)和儲(chǔ)存的過(guò)程將消耗大量的能源。研究還指出，燃油泵和熱交換器也存在問(wèn)題，因此有必要重新設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，飛機(jī)上的油箱需要比典型的Jet a-1油箱更大的體積。由于飛機(jī)的平衡問(wèn)題，建議將油箱設(shè)在客艙后面。然而，飛機(jī)的重心會(huì)隨之改變。因此，第二個(gè)解決方案可能是放置兩個(gè)油箱-一個(gè)在客艙前面，另一個(gè)在客艙后面，或者利用客艙上方的空間來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。下圖6給出了液氫罐放置的示例。

圖6：飛機(jī)油箱的概念布局

比儲(chǔ)存氫氣更大的問(wèn)題是泄漏。因?yàn)樗且环N非常輕的氣體，可以通過(guò)與空氣形成混合物而爆炸燃燒。因此，它需要額外的保障措施。氫還會(huì)導(dǎo)致金屬材料脆性的增加，從而對(duì)燃料箱和燃料系統(tǒng)部件造成損壞。

五、經(jīng)濟(jì)方面

乘坐氫動(dòng)力飛機(jī)的成本將取決于燃料的成本。一張機(jī)票的價(jià)格包括生產(chǎn)燃料的成本，還包括排放污染物的費(fèi)用。目前，Jet-A燃料比“綠色解決方案”便宜得多。當(dāng)傳統(tǒng)航空燃料的碳排放費(fèi)用增加時(shí)，氫燃料將為航空公司帶來(lái)利潤(rùn)。下圖7顯示了歐盟和美國(guó)多年來(lái)依賴于“碳補(bǔ)償”的燃料成本。

圖7：航空燃油成本比較

航空煤油和“藍(lán)色”氫的成本預(yù)計(jì)將在未來(lái)幾年增加。相比之下，合成燃料(e -煤油)和“綠色”氫的成本將會(huì)下降。這些預(yù)測(cè)表明了對(duì)低排放的重視。氫肯定是未來(lái)的燃料之一，因?yàn)樗梢蕴峁┍葮?biāo)準(zhǔn)航空煤油更多的能量，這將使高速飛行成為可能，同時(shí)不會(huì)增加碳排放。然而，氫氣并不是一種100%環(huán)保的解決方案，因?yàn)樵谌紵^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生冷凝羽流，導(dǎo)致氣候大量變暖。然而，它是為飛機(jī)引擎提供動(dòng)力的最環(huán)保的選擇之一。航空燃料產(chǎn)生的二氧化碳量的比較如下圖8所示。

圖8：不同航空燃料產(chǎn)生的二氧化碳量的比較

可以看出，在呈現(xiàn)的燃料類(lèi)型中，煤油和藍(lán)氫所產(chǎn)生的CO2量最大，航空煤油和藍(lán)氫所占的CO2量最大。低碳足跡可以通過(guò)使用100%可再生能源生產(chǎn)的合成燃料或綠色氫來(lái)實(shí)現(xiàn)。上圖8所示的預(yù)測(cè)代表了二氧化碳生產(chǎn)的最佳情況，這取決于所選擇的燃料，但煤油和氫氣之間的差異足夠大，足以認(rèn)識(shí)到在航空運(yùn)輸中使用氫氣的有效性。

六、由氫驅(qū)動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)

在評(píng)估氫氣作為未來(lái)燃料的價(jià)值時(shí)，值得關(guān)注的是該行業(yè)。在對(duì)一家汽車(chē)公司進(jìn)行了近十年的研究中，可以找到這個(gè)行業(yè)的一個(gè)例子。這家日本制造商早在2014年就看到了氫燃料的潛力，并在接下來(lái)的幾年里開(kāi)發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)。除了氫燃料電池之外，公司還在氫動(dòng)力活塞發(fā)動(dòng)機(jī)上（內(nèi)燃機(jī)）投入了大量的精力，我們今天可以通過(guò)跟蹤一輛汽車(chē)來(lái)觀察氫燃料電池的使用情況。最初，氫燃燒用于氫-汽油混合物。正如所證明的那樣，這并不是最有效的方法，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致制動(dòng)比耗油量（BSFC）的增加（下圖 9）。這是由多種因素造成的，包括：更高的火焰速率、混合物等效比的差異以及點(diǎn)燃?xì)錃馑璧哪芰扛停瑥亩菀装l(fā)生爆震燃燒。一份研究概述了這一問(wèn)題，指出了壓縮比和混合氣當(dāng)量比對(duì)爆震燃燒的影響，并討論了作為燃燒控制特征的一種方法實(shí)施預(yù)室的優(yōu)勢(shì)。

圖9：發(fā)動(dòng)機(jī)BSFC在不同轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的不同氫含量的混合物

七、結(jié)論

有關(guān)氫推進(jìn)航空發(fā)展方向，它需要克服經(jīng)濟(jì)和生態(tài)方面的困難，但也要解決高速飛行(例如X43 A)的需求。根據(jù)研究人員對(duì)飛機(jī)推進(jìn)裝置廢氣的有害性和在這種推進(jìn)系統(tǒng)中使用氫的可能性進(jìn)行了研究。分析得出的結(jié)論如下：氫不會(huì)完全消除氮氧化物的排放，但會(huì)消除碳氧化物的排放。它也是電池作為移動(dòng)清潔能源載體的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。氫的真正未來(lái)取決于克服基礎(chǔ)設(shè)施限制和不利的化學(xué)性質(zhì)的努力。在這一點(diǎn)上，氫利用研究中最重要的問(wèn)題是重量問(wèn)題——與目前提出的解決方案相比，必須開(kāi)發(fā)出能夠?qū)⒅亓繙p輕至少一半的儲(chǔ)罐，以及安全問(wèn)題。

以固態(tài)儲(chǔ)存氫氣是非常有前景的，它能提供較高的氫氣體積密度，高于壓縮氫氣和液態(tài)氫。然而，從化合物結(jié)構(gòu)中回收氫氣所需的能量（可在 360-500 K 左右的溫度下獲得）限制了這種方法在地面儲(chǔ)氫或大規(guī)模運(yùn)輸中的應(yīng)用。基于物理吸附的金屬表面儲(chǔ)氫是一個(gè)例外，但這種方法的效率似乎不如液態(tài)氫。世界上最大的公司正在進(jìn)行的工作和做出的決定讓我們相信，氫氣在航空領(lǐng)域是有前途的，它屬于液態(tài)氫。有利于氫的是這種燃料的熱值，盡管由于其密度低，燃料箱必須更大，但在保持燃燒效率的情況下，執(zhí)行任務(wù)所需的氫的質(zhì)量將僅是航空煤油質(zhì)量的三分之一。