“渦輪空冷”氫燃料電池助推垂直起降革命

　　在新興的城市空中交通行業(yè)，幾乎所有的參與者都集中在使用全電動(dòng)飛機(jī)的想法上，這種飛機(jī)由鋰離子電池提供動(dòng)力，為相對較短的距離提供價(jià)格合理的空中交通選擇。

　　但是一些公司繼續(xù)開發(fā)并提倡在垂直起降飛機(jī)上使用氫燃料電池，堅(jiān)持認(rèn)為氫燃料電池比鋰離子電池具有先天優(yōu)勢——主要是在能量密度與壽命方面——是更好的選擇。

　　加州門洛帕克(Menlo Park)的一家風(fēng)險(xiǎn)投資公司HyPoint展示了一種氣冷氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，它的能量密度為每公斤530瓦時(shí)，每公斤可產(chǎn)生1000瓦的特定功率。據(jù)公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官亞歷克斯•伊萬年科(Alex Ivanenko)稱，這些數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了未來10年同等功率輸出的鋰離子電池的密度，以及豐田Mirai等汽車使用的液冷燃料電池系統(tǒng)的密度。

　　該公司的下一個(gè)版本的產(chǎn)品將達(dá)到2000W/kg的特定功率和960Wh/kg的能量密度。目前處于原型階段，HyPoint預(yù)計(jì)該系統(tǒng)將在2022年初投入測試，并在2023年商業(yè)化，價(jià)格在每公斤100-500美元(如果批量生產(chǎn)的話)。

　　HyPoint研發(fā)主管謝爾蓋•舒本科夫(Sergey Shubenkov)在介紹該公司對城市空中交通的貢獻(xiàn)時(shí)表示：“航空運(yùn)輸對(特定功率和功率密度)都有很高的要求。無論是鋰電池還是現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)都不能滿足這兩個(gè)要求。我們相信，現(xiàn)有液冷燃料電池的改進(jìn)將不會(huì)讓開發(fā)者在短時(shí)間內(nèi)克服這些障礙。液冷動(dòng)力系統(tǒng)有太多的附加重量。”

　　“我們發(fā)現(xiàn)可以通過改變?nèi)剂想姵貏?dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來滿足航空運(yùn)輸?shù)膬蓚€(gè)需求，”舒本科夫繼續(xù)說。這個(gè)想法是通過壓縮系統(tǒng)內(nèi)部的空氣來提高空氣冷卻燃料電池的輸出功率。我們將燃料電池置于風(fēng)道內(nèi)，在風(fēng)道內(nèi)進(jìn)行加壓、加濕和熱穩(wěn)定空氣循環(huán)……我們將這一發(fā)明命名為“渦輪空冷”燃料電池，它將傳統(tǒng)空冷燃料電池的輸出功率提高了2.5倍，而不會(huì)增加重量。

　　根據(jù)其說法，HyPoint在今年第一季度做出了將重點(diǎn)放在航空運(yùn)輸市場的決定，并收到了來自該市場公司的意向書，“確認(rèn)我們提供了真正的價(jià)值，”他說。

　　將氫作為動(dòng)力來源的垂直起降飛機(jī)研發(fā)者并不多?？偛课挥隈R薩諸塞州的Alaka ' i Technology公司或許是最知名的一家，該公司發(fā)布了一款六旋翼“Skai”原型機(jī)，其巡航速度為118英里每小時(shí)，可搭載4名乘客和1名飛行員飛行400英里。網(wǎng)上調(diào)查人員認(rèn)為，加州莫哈韋附近一架身份不明的垂直起降飛機(jī)的照片，實(shí)際上可能是豐田公司的一個(gè)氫動(dòng)力項(xiàng)目。

　　優(yōu)步(Uber)是城市空中交通領(lǐng)域最著名的參與者之一，也是開創(chuàng)性的《提升(Elevate)》白皮書的作者。它對氫燃料、混合動(dòng)力和其他可能性進(jìn)行了廣泛的研究，得出了一個(gè)堅(jiān)定的結(jié)論：電池動(dòng)力是UAM的最佳選擇。優(yōu)步的8個(gè)公開確認(rèn)的車輛合作伙伴中，沒有一個(gè)使用氫作為動(dòng)力源。

　　優(yōu)步(Uber)的航空工程總監(jiān)馬克·摩爾(Mark Moore)告訴航空電子設(shè)備公司(Avionics)：“氫燃料電池比電池提供的能量更高，在需要持續(xù)續(xù)航力或行駛里程超過100英里的車輛上。然而，滿足大都市需求的eVTOL飛機(jī)只需要10-60英里的航程。與鋰電池相比，燃料電池在這些較短的續(xù)航里程下，在重量方面并沒有競爭力。”

　　摩爾補(bǔ)充說，燃料電池的比功率也很低，“無法提供eVTOL飛機(jī)所需的輸出功率。”

　　正如為無人機(jī)系統(tǒng)燃料電池產(chǎn)品提供者Ballard Unmanned Systems業(yè)務(wù)發(fā)展部門的福里斯•哈林頓(Forrest Harrington)所解釋的那樣，大多數(shù)為飛行而制造的燃料電池系統(tǒng)都與在飛行過程中進(jìn)行充電的電池結(jié)合在一起，以達(dá)到起飛和著陸的功率要求。

　　“氫燃料電池本身就像電池一樣有局限性，”哈林頓說。“電池的續(xù)航時(shí)間有限，目前燃料電池的功率密度略低，這意味著載具的有效載荷有限，尤其是在垂直提升的過程中。當(dāng)我們觀察固定翼飛機(jī)時(shí)，它們比多旋翼機(jī)有更高效的空氣動(dòng)力學(xué)，消耗更少的能量，這使它們成為燃料電池更理想的候選者。”

　　如果HyPoint公司的“渦輪空冷”燃料電池能夠達(dá)到該公司所宣傳的特定功率，它們可能會(huì)克服這一缺點(diǎn)，在垂直提升方面起到更大的作用。

　　伊萬年科還向航空電子公司解釋說，燃料電池的壽命更長，充電時(shí)間更快（以分鐘為單位），與優(yōu)步(Uber)的預(yù)期相比，電池驅(qū)動(dòng)的VTOL在兩次行駛50英里（包括快速充電）后需要半小時(shí)才能充電完畢，這將導(dǎo)致燃料電池更高的利用率，大多數(shù)UAM倡導(dǎo)者都認(rèn)為這是提高行業(yè)成功率的關(guān)鍵。

　　但是在UAM中使用氫還有一個(gè)更大的障礙：基礎(chǔ)設(shè)施。在美國，氫燃料并不容易獲得，其供應(yīng)鏈問題甚至比eVTOLs所面臨的電池問題還要多。此外，將氫氣安全運(yùn)輸?shù)匠鞘形蓓斒且豁?xiàng)艱巨的任務(wù)。

　　摩爾說：“氫燃料不容易獲得，需要在機(jī)場現(xiàn)場儲(chǔ)存，這對現(xiàn)有的消防法規(guī)限制是一個(gè)挑戰(zhàn)。優(yōu)步分析了電池、燃料電池和混合動(dòng)力eVTOL飛機(jī)，顯然，電動(dòng)電池以最低的重量和成本獲得了最佳性能。”

　　資本市場似乎同意優(yōu)步的結(jié)論，至少目前是這樣。Nexa Capital Partners的執(zhí)行合伙人邁克爾·戴門特(Michael Dyment)說，電力系統(tǒng)“絕大多數(shù)”的投資重點(diǎn)是電動(dòng)或混合動(dòng)力——這意味著在不得不在飛行中使用化石燃料發(fā)電；而氫燃料電池很有希望，目前仍是“指日可待”的技術(shù)。

　　氫燃料電池未來可能會(huì)在客運(yùn)和貨運(yùn)垂直升降飛機(jī)中得到應(yīng)用，特別是在城市外的長途運(yùn)輸中。燃料電池也不依賴于制造鋰離子電池所需的稀土金屬，在寒冷環(huán)境下的表現(xiàn)也明顯優(yōu)于鋰離子電池。

　　鋰電池和燃料電池可能在航空航天領(lǐng)域擁有各自較為經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用，類似于它們在地面運(yùn)輸各領(lǐng)域中的不斷發(fā)展。但就目前而言，用于城市空中交通的新一代垂直起降(VTOL)飛機(jī)很可能是全電動(dòng)的，由充電電池供電。

　　（原文來自：全球能源 中國新能源網(wǎng)綜合）