一、簡介

氫氣是飛機發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零排放目標的兩大主要競爭者之一。但氫氣和傳統燃料的能源潛力遠遠超過電池。2020 年，與鋰離子電池相比，氫氣的相關成本更低。預計在未來幾年，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勢。氫氣可實現二氧化碳零排放。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生，在電化學電池過程和燃燒過程中只產生水。考慮到綠色氫氣的優點以及它的高熱值（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展設計歷程，這些設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展

氫的性質如表1所示：

表1：氫和航空煤油的性質

二、氫動力發動機的工作原理

氫動力渦輪發動機的工作原理與傳統航空燃料驅動的發動機基本相似。不過，兩者也有一些不同之處。首先，前面已經提到，氫氣燃燒不會造成溫室氣體排放。但仍會產生氮氧化物和水蒸氣。燃燒氫氣的發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，通過改變發動機設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生量。氫氣還具有更易燃的優點，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，這可能導致火焰噴出和燃燒室運行不穩定。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，通過電化學反應產生能量（電能和熱能）。該系統具備最佳功率重量比技術路線就是質子交換膜(PEM)型燃料電池。在PEM電池中，水在陰極上產生，并且由于放熱反應而釋放熱量。它們的缺點是制造材料的成本，如碳復合材料、鉑和合成聚合物等。結構示意圖如下圖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——燃料電池規模還不能產生所需的大量能量。對于通用航空來說，發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：存儲問題。氫，由于其輕而且是氣態的性質，在儲存和運輸方面帶來了獨特的困難。與傳統燃料不同，傳統的儲存和運輸方法，如儲罐或管道，對氫氣不起作用。相反，氫需要創新的解決方案，考慮到它的特殊性質，使它成為一種可行的能源。

對于材料和化學工程來說，儲氫是一個巨大的挑戰。研究人員正在尋找高強度的材料，同時不與氫發生反應，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：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。下表2總結了儲氫方法，以及它們的初步比較信息。具有特征參數的儲氫方法綜述如下表：

表2：總結了儲氫方法，以及它們的初步比較信息

四、存在問題與發展方向

就像前面提到關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)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濟的。也可以使用復合材料，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，當以液態儲存氫時，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，可減少和環境的換熱，效果非常好。由于氫的沸點較低，在儲罐內似乎也需要有熱交換器，以防止氫的蒸發，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

該固態儲氫方法仍在研究發展階段，以便在最適用的條件下(溫度和接近環境壓力下)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。它們的應用很可能僅限于大規模的地面儲存和運輸。由于其大的表面積和熱穩定性，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，這是它們的一大優勢。

目前，機場沒有為氫氣分配運輸設計的基礎設施，因此這將涉及到升級。這是一項極其昂貴的挑戰，因為它不僅需要基礎設施的財政支出，還需要人員培訓、法律保障或與滿足安全標準有關的事項的財政支出。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，因此有必要重新設計發動機。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。氫還會導致金屬材料脆性的增加，從而對燃料箱和燃料系統部件造成損壞。

五、經濟方面

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。當傳統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%環保的解決方案，因為在燃燒過程中會產生冷凝羽流，導致氣候大量變暖。然而，它是為飛機引擎提供動力的最環保的選擇之一。航空燃料產生的二氧化碳量的比較如下圖8所示。

圖8：不同航空燃料產生的二氧化碳量的比較

可以看出，在呈現的燃料類型中，煤油和藍氫所產生的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%可再生能源生產的合成燃料或綠色氫來實現。上圖8所示的預測代表了二氧化碳生產的最佳情況，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、由氫驅動的內燃機

在評估氫氣作為未來燃料的價值時，值得關注的是該行業。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了這項技術。除了氫燃料電池之外，公司還在氫動力活塞發動機上（內燃機）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室的優勢。

圖9：發動機BSFC在不同轉速范圍內的不同氫含量的混合物

七、結論

有關氫推進航空發展方向，它需要克服經濟和生態方面的困難，但也要解決高速飛行(例如X43 A)的需求。根據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中使用氫的可能性進行了研究。分析得出的結論如下：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設施限制和不利的化學性質的努力。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，必須開發出能夠將重量減輕至少一半的儲罐，以及安全問題。

以固態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氫。然而，從化合物結構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模運輸中的應用。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，氫氣在航空領域是有前途的，它屬于液態氫。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，執行任務所需的氫的質量將僅是航空煤油質量的三分之一。