氫燃料電池?zé)o人機(jī)在應(yīng)急救援中的應(yīng)用

耿榮妹，紀(jì)任鑫，李 虹，陳 欽

（1.中國(guó)消防救援學(xué)院，北京 102202；2.深圳市科比特航空科技有限公司，廣東 深圳 518108）

近些年來，世界各地災(zāi)害頻發(fā)。災(zāi)害具有突發(fā)性特點(diǎn)，應(yīng)急救援的關(guān)鍵是災(zāi)害發(fā)生后的快速反應(yīng)。提高災(zāi)害應(yīng)急救援的關(guān)鍵因素是迅速準(zhǔn)確獲取災(zāi)害發(fā)生后的災(zāi)情信息，制定高效可行的救援方案。無人機(jī)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)快速和經(jīng)濟(jì)便捷等特點(diǎn)，能夠在災(zāi)害復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)。隨著無人機(jī)的快速發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)日趨成熟，在預(yù)防與應(yīng)對(duì)災(zāi)害方面有著明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)提高救援效率和質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。以無人機(jī)作為飛行平臺(tái)，搭載不同任務(wù)載荷，可以快速完成災(zāi)區(qū)指定區(qū)域的監(jiān)測(cè)、救援和保障等任務(wù)。參與應(yīng)急救援行動(dòng)時(shí)，通常會(huì)持續(xù)數(shù)小時(shí)，甚至數(shù)天之久。但是，目前中小型無人機(jī)大部分以聚鋰電池作為主要的動(dòng)力，續(xù)航時(shí)間一般在1 h 之內(nèi)，難以滿足應(yīng)急救援的時(shí)長(zhǎng)需求。

氫燃料電池是一種高效、清潔的發(fā)電裝置，能量轉(zhuǎn)化效率高、噪音小，近些年來開始以一種新能源動(dòng)力形式應(yīng)用于無人機(jī)。2020 年6 月，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布了GB/T 38954—2020《無人機(jī)用氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)》，這是全球首個(gè)國(guó)家級(jí)無人機(jī)用氫燃料電池標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)氫燃料電池在無人機(jī)上的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。但對(duì)氫燃料電池?zé)o人機(jī)應(yīng)用于應(yīng)急救援還研究甚少，本文在對(duì)氫燃料電池?zé)o人機(jī)進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試的基礎(chǔ)上，對(duì)氫燃料電池?zé)o人機(jī)在應(yīng)急救援上的應(yīng)用可行性進(jìn)行研究探討。

1 氫燃料電池概述

1.1 氫燃料電池工作原理

氫燃料電池是一種將燃料和氧化劑的化學(xué)能連續(xù)地轉(zhuǎn)化為電能的裝置，以氫氣和氧氣（空氣）為反應(yīng)氣體，利用質(zhì)子交換膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)氫氣的氧化和氧氣的還原，從而產(chǎn)生電壓，反應(yīng)生成水，工作原理如圖1 所示。電池含陰陽2 個(gè)電極，分別充滿電解液，2 個(gè)電極間由具有滲透性的質(zhì)子交換膜構(gòu)成。氫氣由燃料電池的陽極進(jìn)入，氧氣（空氣）則由陰極進(jìn)入燃料電池。氫氣在陽極催化劑的作用下，分解成氫質(zhì)子和電子，其中氫質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，電子則經(jīng)由外電路負(fù)載到達(dá)陰極，這樣就產(chǎn)生了電能。在陰極催化劑作用下，氫質(zhì)子、電子及氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生水。根據(jù)上述工作原理，只要不斷地補(bǔ)充燃料，電子就會(huì)在外電路連續(xù)運(yùn)動(dòng)形成電流，燃料電池就能不間斷地運(yùn)行，提供電能。

圖1 氫燃料電池工作原理

1.2 氫燃料電池應(yīng)用現(xiàn)狀

20 世紀(jì)60 年代，氫燃料電池就因其體積小、容量大的特點(diǎn)成功地應(yīng)用于航天領(lǐng)域，往返于太空和地球之間的“阿波羅”飛船就安裝了氫燃料電池。進(jìn)入70 年代以后，隨著人們不斷地掌握更多先進(jìn)的制氫技術(shù)，氫燃料電池被用于發(fā)電和汽車。如今伴隨各類電子智能設(shè)備的崛起以及新能源汽車的風(fēng)靡，氫燃料電池主要應(yīng)用于固定領(lǐng)域、運(yùn)輸領(lǐng)域和便攜式領(lǐng)域3 大領(lǐng)域。燃料電池因其穩(wěn)定性和無污染的特質(zhì)，既適宜用于集中發(fā)電，建造大、中型電站和區(qū)域性分散電站，也可用作各種規(guī)格的分散電源，同時(shí)也可作為手機(jī)、筆記本電腦等供電的優(yōu)選小型便攜式電源[1]。

美國(guó)是最早試圖在無人機(jī)上應(yīng)用燃料電池的國(guó)家[2]。2004 年，美國(guó)空軍提出用燃料電池代替現(xiàn)有小型電動(dòng)無人機(jī)電源的動(dòng)力方案，并計(jì)劃在長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)上應(yīng)用燃料電池技術(shù)[3]。加利福尼亞大學(xué)對(duì)燃料電池?zé)o人機(jī)進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)、選型和模擬工作，對(duì)燃料電池?zé)o人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行集成，并取得了試飛成功[4]。國(guó)外第一架完全由液氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的無人機(jī)“全球觀測(cè)者”縮比驗(yàn)證機(jī)是美國(guó)在總結(jié)“太陽神”系列無人機(jī)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[5]。國(guó)內(nèi)燃料電池技術(shù)雖多應(yīng)用于電動(dòng)汽車，但近年來對(duì)燃料電池?zé)o人機(jī)也有很多研究。中國(guó)首架氫燃料電池?zé)o人機(jī)“飛躍一號(hào)”亮相于2015 年4 月的第三屆中國(guó)（上海）國(guó)際技術(shù)進(jìn)出口交易會(huì)?！帮w躍一號(hào)”由同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院、上海奧科賽飛機(jī)公司共同研制，其翼展6m，起飛重量20 余kg，有效載荷1kg，可連續(xù)飛行6 h。2020 年3 月，北京新研創(chuàng)能科技有限公司與中國(guó)航空公司聯(lián)合研發(fā)出一款六旋翼氫燃料電池?zé)o人機(jī)，搭載2 kW 的金屬板燃料電池氣冷堆和系統(tǒng)，成功不間斷飛行331 min。氫燃料電池?zé)o人機(jī)不僅綠色環(huán)保，而且工作溫度低、噪音小、性能優(yōu)良、功率密度高和易于維護(hù)。

1.3 無人機(jī)氫燃料電源系統(tǒng)組成

氫燃料電池?zé)o人機(jī)的氫燃料電源系統(tǒng)一般由燃料電池電堆、控制系統(tǒng)、鋰電池和氫氣瓶4 大主要部分組成。同時(shí)，系統(tǒng)配備自檢模塊作為引導(dǎo)動(dòng)力系統(tǒng)啟動(dòng)設(shè)備。

1.3.1 燃料電池電堆

電堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，也是燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)核心部分，由多個(gè)單體電池以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成。將雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成燃料電池電堆。電堆工作時(shí)，氫氣通入燃料電池電堆后在前述原理反應(yīng)下產(chǎn)生電壓。

1.3.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)與燃料電池電堆、風(fēng)扇和電磁閥等統(tǒng)稱為燃料電池模塊?？刂葡到y(tǒng)主要控制風(fēng)扇電源模塊、鋰電池輸入、燃料電池輸入、系統(tǒng)輸出、自檢模塊及充電模塊等。

1.3.3 鋰電池

一般以燃料電池作為主輸出，鋰電池作為輔助輸出，為無人機(jī)提供電能。

1.3.4 氫氣瓶

氫氣瓶用于儲(chǔ)存燃料電池需要的氫氣，包含減壓閥和高壓傳感器。如條件允許，可配備微型加氫站，智能化實(shí)現(xiàn)制氫、儲(chǔ)氫、加注的一體化制氫加壓。

2 氫燃料電池?zé)o人機(jī)懸停航時(shí)及任務(wù)場(chǎng)景應(yīng)用測(cè)試

為了研究氫燃料無人機(jī)的飛行續(xù)航性能和任務(wù)場(chǎng)景應(yīng)用情況，在學(xué)院無人機(jī)訓(xùn)練基地對(duì)DJL 和RYL 兩款氫燃料無人機(jī)進(jìn)行懸停航時(shí)測(cè)試和任務(wù)場(chǎng)景應(yīng)用測(cè)試。

2.1 測(cè)試設(shè)備

測(cè)試設(shè)備為DJL 四旋翼氫燃料無人機(jī)和RYL 六旋翼氫燃料無人機(jī)。DJL 軸距1 060 mm，機(jī)架重量3.6 kg（不含電堆、氣瓶、掛載），空載重量6.6 kg，最大載重1 kg，動(dòng)力為800 W 燃料電池金屬電堆+2 000 mAh鋰電池，氣瓶3.5 L，如圖2（a）所示。RYL 軸距1 550 mm，機(jī)架重量6.5 kg（不含氣瓶），最大載重5 kg，動(dòng)力為1800 W 燃料電池金屬電堆+5 000 mAh 鋰電池，氣瓶20 L，如圖2（b）所示。RYL 為帶載懸停航時(shí)測(cè)試，載荷為40 倍變焦相機(jī)，重量約1 kg。

圖2 DJL 和RYL 氫燃料無人機(jī)

2.2 測(cè)試內(nèi)容與結(jié)果

2.2.1 懸停航時(shí)測(cè)試

懸停航時(shí)測(cè)試主要檢測(cè)DJL 和RYL 氫燃料無人機(jī)飛行穩(wěn)定性、測(cè)試懸停航時(shí)性能，飛行過程中每隔一段時(shí)間測(cè)試氫燃料功率、電壓和氫氣容量（測(cè)試溫度28 ℃，風(fēng)速1.1~1.8 m/s）。本次測(cè)試中，兩款氫燃料無人機(jī)飛行穩(wěn)定，DJL 四旋翼氫燃料無人機(jī)搭載3.5 L 氣瓶，空載懸停飛行122 min，氫燃料功率變化范圍為596~608 W，電壓變化范圍為23.8~24.4 V；RYL 六旋翼氫燃料無人機(jī)搭載20 L 氣瓶，帶載懸停飛行261 min，氫燃料功率變化范圍為1 602~1 613 W，電壓變化范圍為44.3~44.6 V。氫燃料無人機(jī)航時(shí)很大程度上取決于搭載氫氣瓶中氫氣量，整個(gè)飛行過程中氫燃料功率及電壓變化很小，相對(duì)于目前電動(dòng)無人機(jī)普遍低于1 h 的續(xù)航現(xiàn)狀，氫燃料電池顯示出了明顯的續(xù)航優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 任務(wù)場(chǎng)景應(yīng)用測(cè)試

采用氫燃料無人機(jī)作為飛行平臺(tái)，以學(xué)院訓(xùn)練基地為場(chǎng)景依托，搭載不同載荷進(jìn)行功能測(cè)試，探究氫燃料無人機(jī)應(yīng)急救援應(yīng)用場(chǎng)景。

無人機(jī)載荷功能測(cè)試共搭載3 類不同載荷：搭載正射相機(jī)和傾斜相機(jī)，獲取測(cè)試區(qū)域正射影像與三維模型；搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)掃描測(cè)試區(qū)域，建立點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)航測(cè)功能；搭載變焦云臺(tái)，進(jìn)行空中巡檢；搭載熱成像云臺(tái)，進(jìn)行紅外高溫預(yù)警，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警功能；搭載喊話器、探照燈，進(jìn)行高空喊話和應(yīng)急照明；搭載破窗滅火彈發(fā)射器進(jìn)行發(fā)射功能測(cè)試，用于高層建筑滅火。具體測(cè)試內(nèi)容和結(jié)果見表1。

表1 氫燃料無人機(jī)任務(wù)場(chǎng)景應(yīng)用測(cè)試

通過進(jìn)行任務(wù)場(chǎng)景應(yīng)用測(cè)試，氫燃料無人機(jī)可完成測(cè)繪、監(jiān)測(cè)預(yù)警以及部分救援作業(yè)，得到測(cè)試區(qū)域正射影像、點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型和三維模型，如圖3 所示。

圖3 氫燃料無人機(jī)測(cè)繪成果

3 應(yīng)用討論

3.1 氫燃料無人機(jī)具備航時(shí)長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)

測(cè)試的氫燃料無人機(jī)采用金屬雙極板氫燃料電池作為主要?jiǎng)恿碓?，DJL 搭載3.5 L 氣瓶，懸停飛行122 min；RYL 搭載20L 氣瓶，帶載懸停飛行261 min。氫氣充氣或更換氣瓶一般只需要幾分鐘，大大短于鋰電池充電時(shí)間。相對(duì)于電動(dòng)無人機(jī)低于1 h 續(xù)航的現(xiàn)狀，氫燃料無人機(jī)顯示出了明顯的續(xù)航優(yōu)勢(shì)。氫燃料無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件是燃料電池，燃料電池是氫氣和空氣中的氧氣通過電化學(xué)反應(yīng)生成水，水是燃料電池唯一的排放物，零污染。雖然氫氣易燃易爆，但氫氣密度低、爆炸濃度要求高，不易發(fā)生爆炸。綜上，氫燃料動(dòng)力無人機(jī)具備航時(shí)長(zhǎng)、環(huán)保等特點(diǎn)，兼具燃油動(dòng)力的長(zhǎng)續(xù)航優(yōu)點(diǎn)和電池動(dòng)力的無震動(dòng)、噪音的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 氫燃料無人機(jī)適用于偵察、測(cè)繪、應(yīng)急通信和照明等長(zhǎng)航時(shí)作業(yè)場(chǎng)景

氫燃料動(dòng)力無人機(jī)憑借其航時(shí)長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，可搭載變焦相機(jī)、紅外、傾斜相機(jī)、雷達(dá)、LED 燈、喊話器和通信中繼模塊等一系列載荷，長(zhǎng)時(shí)間滯空，在復(fù)雜環(huán)境下完成監(jiān)測(cè)預(yù)警、災(zāi)情偵察、區(qū)域測(cè)繪，以及應(yīng)急通信、照明、喊話等任務(wù)。在森林火災(zāi)等非視距場(chǎng)景下，受高山等影響會(huì)造成控制端和無人機(jī)作業(yè)端通信中斷，可利用氫燃料無人機(jī)搭載自組網(wǎng)模塊高空懸停，構(gòu)建控制端與無人機(jī)作業(yè)端通信鏈路，實(shí)現(xiàn)超視距作業(yè)和多功能協(xié)同作戰(zhàn)。

3.3 氫燃料無人機(jī)適用場(chǎng)景及功能有待驗(yàn)證

氫燃料無人機(jī)的燃料電池產(chǎn)生能量的過程需要?dú)錃夂涂諝庵械难鯕獍l(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在平原地區(qū)非惡劣環(huán)境下可正常使用。而在空氣稀薄、氧氣含量低的高原地區(qū)，氫燃料是否能正常運(yùn)行工作，還需借助高原地區(qū)適應(yīng)性測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。此外，在應(yīng)急救援中通常現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，例如在森林火災(zāi)中存在火場(chǎng)小氣候，氣流不穩(wěn)定而且溫度高，對(duì)無人機(jī)的飛行性能有很大影響。氫燃料無人機(jī)在高溫、大風(fēng)等惡劣環(huán)境下作業(yè)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性等都需要進(jìn)行測(cè)試研究與驗(yàn)證。

3.4 氫燃料無人機(jī)應(yīng)用的便捷性有待提升

氫燃料動(dòng)力雖具備航時(shí)較長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但存在氫氣燃料制備、運(yùn)輸?shù)壤щy，不宜長(zhǎng)途保障。用于無人機(jī)上的氫燃料形態(tài)主要有氣態(tài)氫、液態(tài)氫和化學(xué)氫化物3 種，不同形態(tài)要求不同的儲(chǔ)氫裝置。目前，最簡(jiǎn)單且應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)氫方式為高壓氣瓶?jī)?chǔ)氫。氫氣也可以通過現(xiàn)場(chǎng)制備的方式獲取，既可采用水電解制氫，也可從天然氣、甲醇等再生能源中獲取。制氫機(jī)主要為氫燃料無人機(jī)電解水產(chǎn)氫，有的制氫機(jī)重達(dá)550 kg，體積略大，在執(zhí)行任務(wù)中不方便搬運(yùn)與攜帶。因此，需提高制氫機(jī)的便攜性，減輕制氫機(jī)重量，與任務(wù)車集成設(shè)計(jì)，同時(shí)要重視氫燃料制備、運(yùn)輸、保管過程的安全?？傮w上，氫氣制備成本較高，氫氣運(yùn)輸體系尚不完善，儲(chǔ)氫技術(shù)有待突破，氫氣使用的便捷性還有待提高。

4 結(jié)束語

氫燃料動(dòng)力無人機(jī)具備航時(shí)長(zhǎng)、環(huán)保和安全的優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)急救援中可應(yīng)用于偵察、測(cè)繪、應(yīng)急通信、照明和喊話等長(zhǎng)航時(shí)作業(yè)場(chǎng)景，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，世界各國(guó)都在加大氫燃料電池的研發(fā)與應(yīng)用力度，仍存在應(yīng)用成本高、基礎(chǔ)設(shè)施配套不完善及政策引導(dǎo)不夠等問題，應(yīng)用內(nèi)在動(dòng)力不足，制約了其技術(shù)商業(yè)化推廣應(yīng)用[6-7]。相信隨著成本下降與氫能技術(shù)的全面發(fā)展，燃料電池商業(yè)化進(jìn)程中存在的問題會(huì)逐步得到解決。要充分發(fā)揮氫燃料電池能量密度高的優(yōu)勢(shì)，研制適用于應(yīng)急救援場(chǎng)景的氫燃料電池?zé)o人機(jī)，讓氫燃料無人機(jī)在應(yīng)急救援中綻放異彩。