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氢会是下一种飞机燃料吗?

2021-05-14 Bill Schweber 阅读:
看起来似乎氢燃料电池比目前最好的锂电池都好,事实上答案并不肯定,因为燃料存储、原始能源到可用能源的转换、以及为飞机提供能源,都还存在问题。

与许多其他运输领域一样,航空行业也在追求“绿色环保”,减少对传统碳氢化合物燃料的使用。无论人们对这一目标持何种态度,也不管其根本原因是什么,航空行业要实现绿色环保都面临极大的挑战,因为“功率/重量比”对于飞机和火箭来说特别重要,比相对地面或水上运输而言要重要得多。因此,我们看到了许多有关电动飞机的消息,从个人通勤飞机到小型多乘客飞机甚至更大的飞机。CpTednc

从工程角度来看,存在两个基本问题。首先,假设使用电动机,飞机上如何存储和携带电能?大多数人首先可能会提议电池,但电池的数量是一个很大的挑战。第二个问题是,用来为电池充电的能量从哪来?这个问题留待以后讨论。CpTednc

从图1到图3可以看出,首先值得关注的是从重量和体积角度来考虑燃料的能量密度。这里有一些图表,但是由于范围和度量单位不同,很难对其进行比较。尽管如此,我们还是能够通过这些图表对高级电池化学、碳氢化合物和氢有一个总体的了解。值得注意的是,氢的密度远超其他。CpTednc

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图1:主要能源燃料之比较。(图片来源:The Geography of Transport Systems)CpTednc

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图2:比较几种裸电池的体积能量密度与重量能量密度。(图片来源:Epec LLC)CpTednc

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图3:比较不同运输燃料的能量密度。(图片来源:U.S. Energy Information Administration)CpTednc

你可能听说过韩国斗山创新(DMI)公司的氢动力无人机,它使用小型定制燃料罐和专用燃料电池以及Vicor的标准直流转换器(图4)。据称与尺寸和重量相当的电池供电无人机相比,这种商用无人机的飞行时间要高出数倍。CpTednc

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图4:斗山无人机的氢燃料电池电源子系统,其飞行距离和飞行时间远超电池供电的同类设备。(图片来源:Doosan Mobility Innovation)CpTednc

工程师和工艺专家都知道,设计小型原型机或模型是一回事,制造商用大小的飞机又是另一回事。例如,在电池化学领域中有很多看起来有发展前景的产品设计,却从未成功地从试验工厂进入全面生产,就是因为出现了很多棘手的问题,制造成本也呈指数增长。CpTednc

将氢作为燃料也可能是这种情况。看起来似乎氢燃料电池比目前最好的锂电池都好,事实上答案并不肯定,因为仅靠燃料能量密度信息不足以证明能源选择的可行,尤其是在更大规模的应用中。燃料存储、原始能源到可用能源的转换、以及为飞机提供能源(可以是电能,但并非必须),这些都还存在问题。CpTednc

Physics Today杂志最近发表了一篇题​​为“Hydrogen-powered aircraft may be getting a lift”的文章,讨论了将氢作为“梦寐以求”的高密度燃料所涉及的一系列问题,例如在考虑储罐及其他存储和使用氢相关子系统的重量和尺寸因素之后,其净能量密度的问题。文章还指出,氢能够以两种方式使用:燃烧或用在燃料电池中。CpTednc

像许多商用客机中使用的喷气发动机一样,现在的燃气涡轮喷气发动机只需一些小小的改动就可以燃烧氢。美国国家航空航天局(NASA)资助了伊利诺伊大学厄本那-香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)航空器高效电气技术中心展开相关研究,中心主任Phillip Ansell说:“你甚至可以直接将氢注入当今的发动机中。”CpTednc

另一种方法是在飞机的燃料电池中使用氢,这种方法已经使用了数十年(想想阿波罗登月计划),无论是技术、燃料电池材料还是它们的管理和输出电能的转换,都取得了重大进展。CpTednc

氢起初对大型飞机来说似乎很有吸引力,但是如果不仅仅考虑原始燃料本身,而是综合考虑燃料系统以及它们驱动的引擎和发动机等各种因素,碳氢化合物燃料的功率/重量比问题就很难解决。如果由氢和燃料电池为载客飞机(无论是计程飞机还是大型客运飞机)提供动力真的成为现实(这是一个超级大写的“如果”),那么,人们一定想知道需要哪些技术的进步,以及要进步到何种程度。会不会是很多大大小小的技术进步合起来呢?还是会有现在还未知的更大的技术突破?经验告诉我们,可能是其一,也可能两者皆有。CpTednc

尽管氢作为未来的清洁燃料储量丰富且无处不在,但讽刺的是,提取氢却并非易事。沙特阿拉伯计划建立一座耗资超过50亿美元的制氢厂,白天使用日光、晚上使用风力进行“绿色”生产。建设目前尚未开始,目标是2025年之前制氢厂投入运营,每天生产650吨氢,相比现有最大绿色制氢厂​​(位于魁北克)的9吨/天,高出大约一个半数量级。CpTednc

您如何看待在飞机上使用氢、燃料电池和电力推进系统?地面车辆和小型无人机使用氢的经验是否适用,适用到什么程度?或者,氢对于商用飞机而言只不过是“痴人说梦”?CpTednc

(本文授权编译自EDN美国版,原文参考链接:Is hydrogen the next aircraft fuel?,由Jenny Liao编译。)CpTednc

本文为《电子技术设计》2021年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里CpTednc

责编:Jenny LiaoCpTednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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