一、簡介

氫氣是飛機發(fā)動機最有前景的能源之一。與電力（池）推進一起，氫氣作為動力燃料也是實現(xiàn)零排放目標的兩大主要競爭者之一。但氫氣和傳統(tǒng)燃料的能源潛力遠遠超過電池。2020 年，與鋰離子電池相比，氫氣的相關(guān)成本更低。預(yù)計在未來幾年，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。氫氣可實現(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首，是造成煙霧的主要原因，且對植物和其他生物體有破壞性影響。綠色氫氣只通過可再生能源產(chǎn)生，在電化學(xué)電池過程和燃燒過程中只產(chǎn)生水?？紤]到綠色氫氣的優(yōu)點以及它的高熱值（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)動機的最理想燃料。

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

圖1：多年來氫作為航空推進動力的發(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、氫動力發(fā)動機的工作原理

氫動力渦輪發(fā)動機的工作原理與傳統(tǒng)航空燃料驅(qū)動的發(fā)動機基本相似。不過，兩者也有一些不同之處。首先，前面已經(jīng)提到，氫氣燃燒不會造成溫室氣體排放。但仍會產(chǎn)生氮氧化物和水蒸氣。燃燒氫氣的發(fā)動機可以使用較稀薄的混合氣（空氣燃料比）進行飛行操作，這有助于降低氮氧化物，但也會導(dǎo)致輸出功率降低。與目前使用的標準航空燃料相比，通過改變發(fā)動機設(shè)計和將巡航高度降低約 2 至 3 千米，可進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，因此與航空煤油相比，氫氣的點火能量更低。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，因為在過往航空事故中，導(dǎo)致死亡主要是由于火焰和有害煙霧造成的，而氫氣不會形成蒸汽云。

燃料電池也可以用來消耗飛機引擎中的氫，通過電化學(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。因為有了燃料電池堆，會有大量的熱量積累，這對大型飛機來說可能是一個障礙。

在目前提出的將氫用于飛機推進的方法中進行選擇時，必須考慮幾個因素。對于長途飛機來說，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。對于通用航空來說，發(fā)動機不需要那么多的動力，燃料電池會更受推崇。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、氫渦輪機和氫燃料電池對氣候影響的比較。

圖3：新燃料對氣候影響的比較

三、分配和儲存

在這個看似完美的能量載體的表面下隱藏著一個巨大的挑戰(zhàn)：存儲問題。氫，由于其輕而且是氣態(tài)的性質(zhì)，在儲存和運輸方面帶來了獨特的困難。與傳統(tǒng)燃料不同，傳統(tǒng)的儲存和運輸方法，如儲罐或管道，對氫氣不起作用。相反，氫需要創(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。

對于材料和化學(xué)工程來說，儲氫是一個巨大的挑戰(zhàn)。研究人員正在尋找高強度的材料，同時不與氫發(fā)生反應(yīng)，或者相反，強吸附劑可以在其表面密集地積聚大量的氫。重點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。目標是將氫元素集中在盡可能小的體積中，以達到最高的體積能量密度。這可以通過以下方式實現(xiàn)：壓縮氫，降低其溫度并使其液化，或通過與其他材料(金屬)形成相互作用來降低分子間排斥力下圖6以圖形方式描述了最流行的儲氫概念。

圖4：儲存氫的方法

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

表2：總結(jié)了儲氫方法，以及它們的初步比較信息

四、存在問題與發(fā)展方向

就像前面提到關(guān)于氫的更困難的問題之一是如何儲存。這種氣體可以以壓縮或液體形式儲存，也可以儲存在低溫(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罐，比如鋼制儲罐，這對航空來說是非常不經(jīng)濟的。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)儲存氫時，保持低溫的低溫罐是必要的。多層儲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。由于氫的沸點較低，在儲罐內(nèi)似乎也需要有熱交換器，以防止氫的蒸發(fā)，從而防止儲罐壓力的不受控地增加。另一種儲存氫的方法是將其儲存在金屬的晶格中，并與金屬元素形成離子或共價鍵，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標記；FCC -面心立方、HCP -六邊形密排、BCC -體心立方

該固態(tài)儲氫方法仍在研究發(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)模的地面儲存和運輸。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單金屬氫化物兩倍。因此，氫在整個化合物中的重量百分比相對較高，這是它們的一大優(yōu)勢。

目前，機場沒有為氫氣分配運輸設(shè)計的基礎(chǔ)設(shè)施，因此這將涉及到升級。這是一項極其昂貴的挑戰(zhàn)，因為它不僅需要基礎(chǔ)設(shè)施的財政支出，還需要人員培訓(xùn)、法律保障或與滿足安全標準有關(guān)的事項的財政支出。然而，目前還不可能說氫是100%的綠色解決方案。

生產(chǎn)和儲存的過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題，因此有必要重新設(shè)計發(fā)動機。此外，飛機上的油箱需要比典型的Jet a-1油箱更大的體積。由于飛機的平衡問題，建議將油箱設(shè)在客艙后面。然而，飛機的重心會隨之改變。因此，第二個解決方案可能是放置兩個油箱-一個在客艙前面，另一個在客艙后面，或者利用客艙上方的空間來實現(xiàn)這一目的。下圖6給出了液氫罐放置的示例。

圖6：飛機油箱的概念布局

比儲存氫氣更大的問題是泄漏。因為它是一種非常輕的氣體，可以通過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。氫還會導(dǎo)致金屬材料脆性的增加，從而對燃料箱和燃料系統(tǒng)部件造成損壞。

五、經(jīng)濟方面

乘坐氫動力飛機的成本將取決于燃料的成本。一張機票的價格包括生產(chǎn)燃料的成本，還包括排放污染物的費用。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用增加時，氫燃料將為航空公司帶來利潤。下圖7顯示了歐盟和美國多年來依賴于“碳補償”的燃料成本。

圖7：航空燃油成本比較

航空煤油和“藍色”氫的成本預(yù)計將在未來幾年增加。相比之下，合成燃料(e -煤油)和“綠色”氫的成本將會下降。這些預(yù)測表明了對低排放的重視。氫肯定是未來的燃料之一，因為它可以提供比標準航空煤油更多的能量，這將使高速飛行成為可能，同時不會增加碳排放。然而，氫氣并不是一種100%環(huán)保的解決方案，因為在燃燒過程中會產(chǎn)生冷凝羽流，導(dǎo)致氣候大量變暖。然而，它是為飛機引擎提供動力的最環(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)的燃料類型中，煤油和藍氫所產(chǎn)生的CO2量最大，航空煤油和藍氫所占的CO2量最大。低碳足跡可以通過使用100%可再生能源生產(chǎn)的合成燃料或綠色氫來實現(xiàn)。上圖8所示的預(yù)測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，足以認識到在航空運輸中使用氫氣的有效性。

六、由氫驅(qū)動的內(nèi)燃機

在評估氫氣作為未來燃料的價值時，值得關(guān)注的是該行業(yè)。在對一家汽車公司進行了近十年的研究中，可以找到這個行業(yè)的一個例子。這家日本制造商早在2014年就看到了氫燃料的潛力，并在接下來的幾年里開發(fā)了這項技術(shù)。除了氫燃料電池之外，公司還在氫動力活塞發(fā)動機上（內(nèi)燃機）投入了大量的精力，我們今天可以通過跟蹤一輛汽車來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，因為它會導(dǎo)致制動比耗油量（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燃氫氣所需的能量更低，從而容易發(fā)生爆震燃燒。一份研究概述了這一問題，指出了壓縮比和混合氣當(dāng)量比對爆震燃燒的影響，并討論了作為燃燒控制特征的一種方法實施預(yù)室的優(yōu)勢。

圖9：發(fā)動機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)氫推進航空發(fā)展方向，它需要克服經(jīng)濟和生態(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)研究人員對飛機推進裝置廢氣的有害性和在這種推進系統(tǒng)中使用氫的可能性進行了研究。分析得出的結(jié)論如下：氫不會完全消除氮氧化物的排放，但會消除碳氧化物的排放。它也是電池作為移動清潔能源載體的主要競爭對手。氫的真正未來取決于克服基礎(chǔ)設(shè)施限制和不利的化學(xué)性質(zhì)的努力。在這一點上，氫利用研究中最重要的問題是重量問題——與目前提出的解決方案相比，必須開發(fā)出能夠?qū)⒅亓繙p輕至少一半的儲罐，以及安全問題。

以固態(tài)儲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氫或大規(guī)模運輸中的應(yīng)用。基于物理吸附的金屬表面儲氫是一個例外，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。