歐盟清潔氫能聯(lián)合行動(dòng)推進(jìn)氫能航空技術(shù)創(chuàng)新

■ 韓玉琪/中國(guó)航發(fā)研究院

歐盟清潔氫能聯(lián)合行動(dòng)（CHJU）將加快歐洲安全和可持續(xù)清潔氫技術(shù)價(jià)值鏈的開(kāi)發(fā)和部署，加快創(chuàng)新的、具有競(jìng)爭(zhēng)性的清潔解決方案進(jìn)入市場(chǎng)，最終為可持續(xù)、脫碳和完全一體化的歐盟能源系統(tǒng)以及歐盟的氫能戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn)。CHJU將和歐盟的清潔航空聯(lián)合行動(dòng)（CAJU）加強(qiáng)戰(zhàn)略合作，開(kāi)展氫動(dòng)力航空技術(shù)研究和創(chuàng)新。

歐盟的清潔氫能聯(lián)合行動(dòng)于2021年11月啟動(dòng)，是歐盟燃料電池與氫能（Fuel Cells and Hydrogen）計(jì)劃（2007—2013年）、燃料電池與氫能2（Fuel Cells and Hydrogen 2）計(jì)劃（2014—2021年）的后續(xù)，主要目標(biāo)是通過(guò)優(yōu)化研發(fā)活動(dòng)的資金配置，為歐盟綠色協(xié)議和氫能戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn)。CHJU的研究和創(chuàng)新活動(dòng)在很大程度上受到歐盟氫能戰(zhàn)略以及在此背景下的政策發(fā)展的指導(dǎo)，研發(fā)重點(diǎn)是可再生氫能的生產(chǎn)、運(yùn)輸、配送和儲(chǔ)存，以及運(yùn)輸、建筑和工業(yè)中選定的燃料電池最終使用技術(shù)，通過(guò)氫能應(yīng)用的開(kāi)發(fā)和擴(kuò)大，產(chǎn)生顯著的、可量化的成果，在實(shí)施氣候中和路線圖中發(fā)揮重要作用。歐盟在CHJU及前續(xù)計(jì)劃中的氫能航空相關(guān)的項(xiàng)目主要涉及機(jī)載輕質(zhì)液氫儲(chǔ)罐、航空用氫燃料電池、應(yīng)急動(dòng)力裝置及輔助動(dòng)力裝置等技術(shù)，見(jiàn)表1。

表1 CHJU及前續(xù)計(jì)劃中的氫能航空相關(guān)項(xiàng)目

COCOLIH2T項(xiàng)目

機(jī)載液氫的安全高效儲(chǔ)存是氫能技術(shù)的重要推動(dòng)因素，也是最復(fù)雜的航空工程挑戰(zhàn)之一。每千克液氫所含能量大約是傳統(tǒng)航空燃料的3倍，但其密度較低，相同能量情況下液氫體積幾乎是傳統(tǒng)航空燃料的4倍。對(duì)現(xiàn)有最先進(jìn)解決方案的改進(jìn)包括更好地利用可用的燃料儲(chǔ)存空間、充分的隔熱技術(shù)，以最大程度地減少熱泄漏、持續(xù)的安全操作，以及通過(guò)輕質(zhì)材料（如熱固性或熱塑性復(fù)合材料）減輕質(zhì)量，同時(shí)解決這些材料在滲透、微裂紋和熱疲勞等方面的固有挑戰(zhàn)。

柯林斯宇航公司領(lǐng)導(dǎo)的復(fù)合材料保形液氫儲(chǔ)罐（COCOLIH2T）項(xiàng)目，為液氫儲(chǔ)罐研發(fā)新的熱塑性材料，用于未來(lái)的氫動(dòng)力飛機(jī)，重點(diǎn)是減輕儲(chǔ)罐質(zhì)量和體積對(duì)飛機(jī)的影響，同時(shí)確保系統(tǒng)安全。COCOLIH2T項(xiàng)目不僅將為航空業(yè)開(kāi)發(fā)一種安全的復(fù)合材料和真空隔熱液氫儲(chǔ)罐，而且還將通過(guò)新的制造技術(shù)設(shè)計(jì)和制造保形儲(chǔ)罐，使生產(chǎn)能耗減少60%以上，生產(chǎn)時(shí)間減少50%以上，從而顯著降低制造成本。此外，COCOLIH2T項(xiàng)目所提出的儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)旨在使整體系統(tǒng)質(zhì)量比傳統(tǒng)儲(chǔ)罐配置減輕。COCOLIH2T項(xiàng)目將解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，生成一種可行且價(jià)格合理的保形儲(chǔ)罐，同時(shí)盡可能減少蒸發(fā)泄漏。COCOLIH2T項(xiàng)目的整體系統(tǒng)將于2025年達(dá)到技術(shù)成熟度（TRL）4。

NIMPHEA項(xiàng)目

基于氫燃料的燃料電池（FC）用于飛機(jī)，可在不排放污染物、減少噪聲排放和提高能效的情況下提供能源和動(dòng)力。汽車行業(yè)的低溫質(zhì)子交換膜（LT-PEM）技術(shù)引起了航空業(yè)的極大興趣，但該技術(shù)的熱管理問(wèn)題仍有待解決。在100℃以下運(yùn)行時(shí)，LTPEM技術(shù)所包含的膜電極組件（MEA）具有較高的功率密度，但由于散熱不良，與飛機(jī)環(huán)境不兼容。此外，目前在160℃左右運(yùn)行的高溫燃料電池盡管有較好的散熱，但并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的航空性能水平。開(kāi)發(fā)在高于120℃的溫度下工作、且性能與當(dāng)前MEA相當(dāng)?shù)男乱淮鶰EA，是開(kāi)啟氫燃料電池在航空領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。

熱塑性材料液氫儲(chǔ)罐

下一代改進(jìn)型航空高溫膜電極組件（NIMPHEA）項(xiàng)目的目標(biāo)是在開(kāi)發(fā)和優(yōu)化組件（催化層、膜和氣體擴(kuò)散層）的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)一種與飛行環(huán)境和要求兼容的新一代MEA，能在1.5MW的系統(tǒng)規(guī)模下，實(shí)現(xiàn)更高水平的燃料電池目標(biāo)，即在160～200℃的標(biāo)稱工作溫度下，功率密度達(dá)1.25W/cm2。MEA的高端合成和組裝工藝將通過(guò)確定工藝參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室級(jí)MEA測(cè)試的迭代過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，這種MEA技術(shù)將最終在一個(gè)典型的單電池原型（165～180cm2）中得到驗(yàn)證，并進(jìn)行生態(tài)效率評(píng)估、全生命周期成本和內(nèi)在危害分析，以驗(yàn)證MEA的開(kāi)發(fā)，在2026年年底達(dá)到TRL4。

BRAVA項(xiàng)目

汽車用燃料電池系統(tǒng)功率通常在100kW左右，但飛機(jī)需要更大的兆瓦級(jí)功率，并且必須在不同的溫度和壓力下運(yùn)行，同時(shí)保持系統(tǒng)的安全性和可靠性水平符合航空標(biāo)準(zhǔn)。

突破性航空用氫燃料電池技術(shù)（BRAVA）項(xiàng)目將為基于燃料電池的航空用發(fā)電系統(tǒng)（PGS）開(kāi)發(fā)突破性技術(shù)，目標(biāo)功率達(dá)到2.4MW。預(yù)計(jì)未來(lái)的兆瓦級(jí)系統(tǒng)將是一種基于多電堆的飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，空客公司估計(jì)，幾臺(tái)基于燃料電池的兆瓦級(jí)PGS可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)一架搭載100名乘客的飛機(jī)達(dá)到1852km的航程。

燃料電池電堆和生態(tài)平衡元件、熱管理系統(tǒng)、換熱器設(shè)計(jì)技術(shù)以及空氣供應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)型，將成為這種基于兆瓦級(jí)燃料電池的PGS的構(gòu)建模塊。項(xiàng)目的關(guān)鍵成果包括：新型催化劑和膜具有更高的性能、耐用性和更高的運(yùn)行溫度能力，能夠集成到新型MEA中，以實(shí)現(xiàn)高效率、輕質(zhì)量、小體積和長(zhǎng)壽命；基于兩相冷卻的熱管理系統(tǒng)（包括一個(gè)新設(shè)計(jì)的燃料電池電堆），具有緊湊性和輕質(zhì)量，從而優(yōu)化燃料消耗；增材制造的換熱器可增加散熱能力，且緊湊、輕質(zhì)、低阻；一種新的空氣供應(yīng)結(jié)構(gòu)和組件經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，可提供低寄生功率并減輕質(zhì)量，從而降低燃料消耗和設(shè)備成本。這些燃料電池子系統(tǒng)的每一項(xiàng)技術(shù)都將研發(fā)至TRL5。

HEAVEN項(xiàng)目

商用載人飛行器用高功率密度液氫燃料電池系統(tǒng)（HEAVEN）項(xiàng)目的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)基于高功率密度燃料電池和低溫技術(shù)的動(dòng)力總成，并將其集成到現(xiàn)有的4座HY4飛機(jī)中用于飛行測(cè)試，展示飛機(jī)利用低溫液氫的可行性。該項(xiàng)目將設(shè)計(jì)一種具有模塊化系統(tǒng)的架構(gòu)，可以擴(kuò)展到其他尺寸的飛機(jī)和無(wú)人機(jī)中應(yīng)用，在設(shè)計(jì)過(guò)程中輔以安全和法規(guī)分析。兩個(gè)基于金屬雙極板的45kW的PEM燃料電池系統(tǒng)將適用于飛機(jī)，并與生態(tài)平衡元件優(yōu)化相集成，以獲得增強(qiáng)的燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在沒(méi)有鋰電池支持的情況下推動(dòng)飛機(jī)運(yùn)行。儲(chǔ)氫方面將基于在太空中成功應(yīng)用的低溫技術(shù)，以便在10～25kg的氫有效載荷下達(dá)到約15%的質(zhì)量效率（燃料質(zhì)量/（燃料質(zhì)量+燃料箱質(zhì)量）），支撐演示驗(yàn)證飛機(jī)飛行8h。在項(xiàng)目執(zhí)行期間，研究團(tuán)隊(duì)將通過(guò)經(jīng)濟(jì)和商業(yè)評(píng)估輔助技術(shù)開(kāi)發(fā)，對(duì)該技術(shù)的生命周期成本進(jìn)行評(píng)估，并制訂在不同航空市場(chǎng)中部署該技術(shù)的商業(yè)計(jì)劃。HEAVEN項(xiàng)目利用現(xiàn)有的傳動(dòng)部件和飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)，在項(xiàng)目結(jié)束時(shí)達(dá)到TRL6。

FLHYSAFE項(xiàng)目

為了減少燃料消耗、溫室氣體排放以及運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本，同時(shí)優(yōu)化飛機(jī)性能，燃料電池系統(tǒng)被認(rèn)為是多電飛機(jī)背景下高效發(fā)電系統(tǒng)的最佳選擇之一。

用于飛機(jī)應(yīng)急操作的氫燃料電池系統(tǒng)（FLHYSAFE）項(xiàng)目旨在證明具有成本效益的模塊化燃料電池系統(tǒng)可以取代最關(guān)鍵的安全系統(tǒng)，并用作商用飛機(jī)上的應(yīng)急動(dòng)力裝置（EPU），用于飛行控制、連接液壓系統(tǒng)和飛行關(guān)鍵儀表，以備緊急情況下使用，提供增強(qiáng)的安全功能。此外，該項(xiàng)目將證明在考慮安裝體積和維護(hù)約束的情況下將燃料電池系統(tǒng)集成到當(dāng)前的飛機(jī)設(shè)計(jì)中的可行性。為了從演示驗(yàn)證級(jí)別轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)備認(rèn)證的產(chǎn)品級(jí)別，有必要優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)的不同組件，以減輕質(zhì)量、延長(zhǎng)壽命、確?？煽啃砸约罢J(rèn)證安全性，并使其成本符合市場(chǎng)要求。在FLHYSAFE項(xiàng)目中，由兩個(gè)主要航空一級(jí)原始設(shè)備制造商（OEM）帶領(lǐng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)將提出使用PEM燃料電池電堆、集成度更高的功率轉(zhuǎn)換器和采用空氣軸承的空壓機(jī)的燃料電池技術(shù)。基于研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員在之前項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行必要的測(cè)試，以證明與典型環(huán)境和安全要求的兼容性，項(xiàng)目在2023年已達(dá)到TRL5～6。

HYCARUS項(xiàng)目

為了應(yīng)對(duì)日益增加的減少燃料消耗和溫室氣體排放的壓力，航空公司正在尋找飛機(jī)上非推進(jìn)系統(tǒng)的替代能源，大力研究在下一代飛機(jī)上使用非化石燃料發(fā)電為非必要應(yīng)用（NEA）供能，氫燃料電池作為提供這種電力的潛在手段正在被積極探索。

航空用氫燃料電池（HYCARUS）項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了通用燃料電池系統(tǒng)（GFCS），為NEA提供能源，如商用飛機(jī)的廚房或公務(wù)機(jī)上的二次電源。通過(guò)在達(dá)索“獵鷹”飛機(jī)上的飛行測(cè)試，GFCS將實(shí)現(xiàn)在有代表性的客艙環(huán)境中的性能驗(yàn)證。此外，項(xiàng)目還調(diào)查了解如何捕獲和再利用副產(chǎn)品（熱、水和缺氧空氣），以提高其整體效率。HYCARUS項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的基于航空燃料電池的輔助動(dòng)力裝置（APU）系統(tǒng)包含一個(gè)高壓氫罐，可用于飛機(jī)座艙增壓。HYCARUS項(xiàng)目擴(kuò)展了汽車行業(yè)已經(jīng)完成的工作，特別是安全規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，并將其開(kāi)發(fā)用于機(jī)載安裝和應(yīng)用，在高空和低環(huán)境溫度的飛行條件下，檢查效率、可靠性、性能、質(zhì)量/體積比、安全性、成本和壽命方面的改進(jìn)。HYCARUS項(xiàng)目還促進(jìn)該行業(yè)所有廠商之間更好、更強(qiáng)的合作，包括航空設(shè)備和系統(tǒng)制造商、飛機(jī)制造商、系統(tǒng)集成商和燃料電池技術(shù)供應(yīng)商等，項(xiàng)目在2019年已達(dá)到TRL6。

清潔氫能與清潔航空的戰(zhàn)略合作

清潔航空聯(lián)合行動(dòng)和清潔氫能聯(lián)合行動(dòng)于2023年3月23日在清潔航空年度論壇上簽署了一份諒解備忘錄，開(kāi)展氫動(dòng)力航空技術(shù)研究和創(chuàng)新戰(zhàn)略合作。該備忘錄的目標(biāo)是最大限度地發(fā)揮兩個(gè)聯(lián)合項(xiàng)目的協(xié)同作用，加強(qiáng)相互合作，保持業(yè)務(wù)活動(dòng)步調(diào)一致。這一合作的基礎(chǔ)是交流雙方以下幾方面的信息：航空氫技術(shù)領(lǐng)域資助資金、工作方案規(guī)劃和協(xié)同，以及項(xiàng)目征集。這并不是雙方的第一次合作，2020年雙方曾啟動(dòng)短程氫動(dòng)力飛機(jī)技術(shù)聯(lián)合研究，預(yù)計(jì)可能在2035年投入使用。研究結(jié)果證明，協(xié)同兩個(gè)聯(lián)合行動(dòng)，組織各自的項(xiàng)目計(jì)劃和相應(yīng)的征集課題對(duì)于氫動(dòng)力航空發(fā)展至關(guān)重要。

2023年4月25—26日，清潔航空聯(lián)合行動(dòng)和清潔氫能聯(lián)合行動(dòng)共同組織了研討會(huì)，歐洲航空和氫能行業(yè)討論了氫動(dòng)力航空路線圖的現(xiàn)狀以及未來(lái)的研究和創(chuàng)新需求。研討會(huì)包括一次全體會(huì)議（介紹了氫動(dòng)力航空路線圖的現(xiàn)狀），以及6次技術(shù)會(huì)議。這些技術(shù)會(huì)議深入探討了包括氫能飛機(jī)架構(gòu)、機(jī)載液氫儲(chǔ)存、氫渦輪動(dòng)力系統(tǒng)、氫燃料電池集成動(dòng)力系統(tǒng)、氫加注流程、機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和地面運(yùn)營(yíng)，以及安全和認(rèn)證等各個(gè)方面。與會(huì)者確定了路線圖中的潛在差距和障礙，并產(chǎn)生了一系列重要建議。

結(jié)束語(yǔ)

航空業(yè)作為碳減排的困難領(lǐng)域，面對(duì)2050年凈零碳排放的艱巨目標(biāo)，氫能的航空應(yīng)用是一條重要的技術(shù)途經(jīng)。歐盟匯聚航空產(chǎn)業(yè)鏈上的各個(gè)利益相關(guān)方，在多個(gè)預(yù)研計(jì)劃下開(kāi)展了包含氫燃料電池動(dòng)力、氫渦輪動(dòng)力、機(jī)載液氫儲(chǔ)存的相關(guān)技術(shù)研究，以促進(jìn)技術(shù)成熟度提升并支撐氫能航空的生態(tài)構(gòu)建。