氢，航空燃料的未来

一、简介

氢气是飞机发动机最有前景的能源之一。与电力（池）推进一起，氢气作为动力燃料也是实现零排放目标的两大主要竞争者之一。但氢气和传统燃料的能源潜力远远超过电池。2020 年，与锂离子电池相比，氢气的相关成本更低。预计在未来几年，氢气的成本下降速度将比电池快得多， 从而使氢能具有更大的优势。氢气可实现二氧化碳零排放。此外，还可以燃烧更稀薄的空气混合物，大大减少氮氧化物的排放，而氮氧化物是破坏臭氧层的罪魁祸首，是造成烟雾的主要原因，且对植物和其他生物体有破坏性影响。绿色氢气只通过可再生能源产生，在电化学电池过程和燃烧过程中只产生水。考虑到绿色氢气的优点以及它的高热值（重量能量密度是航空煤油的 2.5 倍），它极有可能成为涡轮发动机的最理想燃料。

然而，使用氢气作为航空燃料并不是一个新想法。早在1943年，美国就在太空计划工作中使用过氢气，1956 年还使用氢气为 B-57 轰炸机提供动力。除此之外，俄罗斯人还设计了以氢气为动力的图-154 飞机（改装后命名为图-155）。此外，小型项目的工作也一直在进行。下图 1 显示了一些最重要的氢推进发展设计历程，这些设计证实了氢在各个方面仍然是一种有吸引力的燃料。

图1：多年来氢作为航空推进动力的发展

氢的性质如表1所示：

表1：氢和航空煤油的性质

二、氢动力发动机的工作原理

氢动力涡轮发动机的工作原理与传统航空燃料驱动的发动机基本相似。不过，两者也有一些不同之处。首先，前面已经提到，氢气燃烧不会造成温室气体排放。但仍会产生氮氧化物和水蒸气。燃烧氢气的发动机可以使用较稀薄的混合气（空气燃料比）进行飞行操作，这有助于降低氮氧化物，但也会导致输出功率降低。与目前使用的标准航空燃料相比，通过改变发动机设计和将巡航高度降低约 2 至 3 千米，可进一步减少氮氧化物的产生量。氢气还具有更易燃的优点，因此与航空煤油相比，氢气的点火能量更低。另一方面，氢气的火焰速度较高，这可能导致火焰喷出和燃烧室运行不稳定。由于密度低，氢气在燃烧室中形成的混合物也更均匀。此外，氢气也是一种比煤油更安全的燃料，因为在过往航空事故中，导致死亡主要是由于火焰和有害烟雾造成的，而氢气不会形成蒸汽云。

燃料电池也可以用来消耗飞机引擎中的氢，通过电化学反应产生能量（电能和热能）。该系统具备最佳功率重量比技术路线就是质子交换膜(PEM)型燃料电池。在PEM电池中，水在阴极上产生，并且由于放热反应而释放热量。它们的缺点是制造材料的成本，如碳复合材料、铂和合成聚合物等。结构示意图如下图2所示：

图2：PEM燃料电池

就燃料电池而言，热管理也很重要。因为有了燃料电池堆，会有大量的热量积累，这对大型飞机来说可能是一个障碍。

在目前提出的将氢用于飞机推进的方法中进行选择时，必须考虑几个因素。对于长途飞机来说，氢燃烧更有可行性——燃料电池规模还不能产生所需的大量能量。对于通用航空来说，发动机不需要那么多的动力，燃料电池会更受推崇。研究还表明，使用氢燃烧可以减少50-75%的二氧化碳排放，而使用燃料电池则低至75-90%。

下图3显示了合成燃料、氢涡轮机和氢燃料电池对气候影响的比较。

图3：新燃料对气候影响的比较

三、分配和储存

在这个看似完美的能量载体的表面下隐藏着一个巨大的挑战：存储问题。氢，由于其轻而且是气态的性质，在储存和运输方面带来了独特的困难。与传统燃料不同，传统的储存和运输方法，如储罐或管道，对氢气不起作用。相反，氢需要创新的解决方案，考虑到它的特殊性质，使它成为一种可行的能源。

对于材料和化学工程来说，储氢是一个巨大的挑战。研究人员正在寻找高强度的材料，同时不与氢发生反应，或者相反，强吸附剂可以在其表面密集地积聚大量的氢。重点也在与氢形成化合物的元素上，以金属氢化物或复合氢化物的形式。目标是将氢元素集中在尽可能小的体积中，以达到最高的体积能量密度。这可以通过以下方式实现：压缩氢，降低其温度并使其液化，或通过与其他材料(金属)形成相互作用来降低分子间排斥力下图6以图形方式描述了最流行的储氢概念。

图4：储存氢的方法

能量需求是前面提到的氢密度增加的所有形式的特征。这是评价和选择最佳储氢方法的重要参数。下表2总结了储氢方法，以及它们的初步比较信息。具有特征参数的储氢方法综述如下表：

表2：总结了储氢方法，以及它们的初步比较信息

四、存在问题与发展方向

就像前面提到关于氢的更困难的问题之一是如何储存。这种气体可以以压缩或液体形式储存，也可以储存在低温(氢冷却到-252°C，为液态)或压力罐中。压力罐的压力范围为35~70Mpa。这就需要使用厚重的厚壁储罐，比如钢制储罐，这对航空来说是非常不经济的。也可以使用复合材料，这将大大减轻燃料箱的重量，不幸的是，压缩氢的体积能量密度仅是航空煤油的七分之一。然而，当以液态储存氢时，保持低温的低温罐是必要的。多层储罐在层与层之间留有真空空间，可减少和环境的换热，效果非常好。由于氢的沸点较低，在储罐内似乎也需要有热交换器，以防止氢的蒸发，从而防止储罐压力的不受控地增加。另一种储存氢的方法是将其储存在金属的晶格中，并与金属元素形成离子或共价键，形成氢化物(如下图5)。

图5：氢占据间隙氢化物的八面体或四面体位置。间隙部位用棕色圆点标记；FCC -面心立方、HCP -六边形密排、BCC -体心立方

该固态储氢方法仍在研究发展阶段，以便在最适用的条件下(温度和接近环境压力下)进行金属的加氢和脱氢。然而，就目前而言，由于它们的重量较大，它们并不是航空的最佳解决方案。它们的应用很可能仅限于大规模的地面储存和运输。由于其大的表面积和热稳定性，碳纳米管也被考虑用于储氢。基于范德华力，纳米管的大表面积使其与多孔材料一起成为表面储氢的理想吸附剂。然而，由于这些结合键的键合力是非常小，以至于温度要降到200K以下。由于它们的质量和更大的储氢潜力（包括快速加氢的潜力），它们是航空航天领域一种很有前途的储氢方法。值得注意的是锂、锰、铍和铝等金属的复杂金属氢化物，与简单的金属氢化物相比，它们的氢原子与金属原子的比例通常是简单金属氢化物两倍。因此，氢在整个化合物中的重量百分比相对较高，这是它们的一大优势。

目前，机场没有为氢气分配运输设计的基础设施，因此这将涉及到升级。这是一项极其昂贵的挑战，因为它不仅需要基础设施的财政支出，还需要人员培训、法律保障或与满足安全标准有关的事项的财政支出。然而，目前还不可能说氢是100%的绿色解决方案。

生产和储存的过程将消耗大量的能源。研究还指出，燃油泵和热交换器也存在问题，因此有必要重新设计发动机。此外，飞机上的油箱需要比典型的Jet a-1油箱更大的体积。由于飞机的平衡问题，建议将油箱设在客舱后面。然而，飞机的重心会随之改变。因此，第二个解决方案可能是放置两个油箱-一个在客舱前面，另一个在客舱后面，或者利用客舱上方的空间来实现这一目的。下图6给出了液氢罐放置的示例。

图6：飞机油箱的概念布局

比储存氢气更大的问题是泄漏。因为它是一种非常轻的气体，可以通过与空气形成混合物而爆炸燃烧。因此，它需要额外的保障措施。氢还会导致金属材料脆性的增加，从而对燃料箱和燃料系统部件造成损坏。

五、经济方面

乘坐氢动力飞机的成本将取决于燃料的成本。一张机票的价格包括生产燃料的成本，还包括排放污染物的费用。目前，Jet-A燃料比“绿色解决方案”便宜得多。当传统航空燃料的碳排放费用增加时，氢燃料将为航空公司带来利润。下图7显示了欧盟和美国多年来依赖于“碳补偿”的燃料成本。

图7：航空燃油成本比较

航空煤油和“蓝色”氢的成本预计将在未来几年增加。相比之下，合成燃料(e -煤油)和“绿色”氢的成本将会下降。这些预测表明了对低排放的重视。氢肯定是未来的燃料之一，因为它可以提供比标准航空煤油更多的能量，这将使高速飞行成为可能，同时不会增加碳排放。然而，氢气并不是一种100%环保的解决方案，因为在燃烧过程中会产生冷凝羽流，导致气候大量变暖。然而，它是为飞机引擎提供动力的最环保的选择之一。航空燃料产生的二氧化碳量的比较如下图8所示。

图8：不同航空燃料产生的二氧化碳量的比较

可以看出，在呈现的燃料类型中，煤油和蓝氢所产生的CO2量最大，航空煤油和蓝氢所占的CO2量最大。低碳足迹可以通过使用100%可再生能源生产的合成燃料或绿色氢来实现。上图8所示的预测代表了二氧化碳生产的最佳情况，这取决于所选择的燃料，但煤油和氢气之间的差异足够大，足以认识到在航空运输中使用氢气的有效性。

六、由氢驱动的内燃机

在评估氢气作为未来燃料的价值时，值得关注的是该行业。在对一家汽车公司进行了近十年的研究中，可以找到这个行业的一个例子。这家日本制造商早在2014年就看到了氢燃料的潜力，并在接下来的几年里开发了这项技术。除了氢燃料电池之外，公司还在氢动力活塞发动机上（内燃机）投入了大量的精力，我们今天可以通过跟踪一辆汽车来观察氢燃料电池的使用情况。最初，氢燃烧用于氢-汽油混合物。正如所证明的那样，这并不是最有效的方法，因为它会导致制动比耗油量（BSFC）的增加（下图 9）。这是由多种因素造成的，包括：更高的火焰速率、混合物等效比的差异以及点燃氢气所需的能量更低，从而容易发生爆震燃烧。一份研究概述了这一问题，指出了压缩比和混合气当量比对爆震燃烧的影响，并讨论了作为燃烧控制特征的一种方法实施预室的优势。

图9：发动机BSFC在不同转速范围内的不同氢含量的混合物

七、结论

有关氢推进航空发展方向，它需要克服经济和生态方面的困难，但也要解决高速飞行(例如X43 A)的需求。根据研究人员对飞机推进装置废气的有害性和在这种推进系统中使用氢的可能性进行了研究。分析得出的结论如下：氢不会完全消除氮氧化物的排放，但会消除碳氧化物的排放。它也是电池作为移动清洁能源载体的主要竞争对手。氢的真正未来取决于克服基础设施限制和不利的化学性质的努力。在这一点上，氢利用研究中最重要的问题是重量问题——与目前提出的解决方案相比，必须开发出能够将重量减轻至少一半的储罐，以及安全问题。

以固态储存氢气是非常有前景的，它能提供较高的氢气体积密度，高于压缩氢气和液态氢。然而，从化合物结构中回收氢气所需的能量（可在 360-500 K 左右的温度下获得）限制了这种方法在地面储氢或大规模运输中的应用。基于物理吸附的金属表面储氢是一个例外，但这种方法的效率似乎不如液态氢。世界上最大的公司正在进行的工作和做出的决定让我们相信，氢气在航空领域是有前途的，它属于液态氢。有利于氢的是这种燃料的热值，尽管由于其密度低，燃料箱必须更大，但在保持燃烧效率的情况下，执行任务所需的氢的质量将仅是航空煤油质量的三分之一。