VTOL整机正在氢推进领域开辟新天地。氢是宇宙中最丰富的元素。它被用作汽车、叉车和其他类型地面车辆的燃料。它还有望结束航空业对有害碳基燃料的依赖。

 

Alaka'i Technologies的首个原型Skai使用氢气飞行

 

航空公司正试图利用地面氢燃料电池技术的进步，在电动垂直起降（eVTOL）市场取得成功。基于质子交换膜（PEM）的氢燃料电池可以为使用电力的整机提供动力，而不会产生燃烧化石燃料产生的有害排放。
氢提供的比能量（单位质量能量）是煤油或汽油的三倍多（142兆焦耳/公斤对46兆焦耳/千克），是当今电池的30-80倍。这使得对希望提供比目前电池供电eVTOL飞机更多航程和飞行续航时间的整机开发商具有吸引力。
尽管氢（气体和液体）的能量密度（单位体积的能量）略好于当今最先进的电池，但它不到汽油或煤油的25%。根据2022年美国能源部（DOE）关于液氢技术的报告，液氢的能量密度远高于压缩氢气：液态为71 kg/m³，而气态为18 kg/m³（250bar）和40 kg/m³。这种增加的密度有助于在给定体积内获得更大的存储容量，允许更长的航程和更大的有效载荷，尽管它需要低温存储，因此可能需要更大的成本。
正在开发Skai氢动力六旋翼机的Alaka'i 科技一开始并没有试图成为一家氢能公司。Alaka'i希望提供空中出租车任务，用一架有效载荷约为450公斤的飞机运送5人，飞行650公里，而不必开发倾转旋翼，因为其认证过程非常昂贵和复杂。

Alaka'i看到了两种满足这些要求的选择：开发一种先进的涡轮动力旋翼飞机，或者开发一种使用氢燃料电池的eVTOL飞机，其显然选择了氢。

 

 

2 PEM方法

皮亚塞茨基飞机（PiAC）之所以被氢燃料电池所吸引，是因为垂直飞行对功率的要求很高。PiAC在评估了40多种最先进的电池化学成分后表示，超高放电和再充电率的垂直飞行动力循环将电池的循环寿命缩短了一个数量级。在正常使用中可以循环4000次的电池，在用于垂直起飞和降落运行时，其寿命缩短了10倍。这增加了电池供电eVTOL飞机的预期运营成本，仅略优于其所执行任务的当前涡轮直升机运营成本。PiAC正在开发一种氢电动慢旋翼复合直升机PA-890，用于紧急医疗服务（EMS）等任务；提供高价值的按需物流；以及按需移动（ODM）人员空运。

 

Piasecki从事VTOL行业超过30年，其经验是至少需要提高20-30%的能力，才能通过转型技术打入一个成熟的市场。丰田、现代和本田等汽车开发商使用的氢燃料电池技术非常好，现代氢燃料电池的效率约为60-65%，汽车开发商正在开发第三代或第四代汽车。此外，美国能源部的百万英里燃料电池卡车计划是一项专注于长途卡车的倡议，其中期目标是到2030年达到68%的峰值效率，到2050年达到72%的重型车辆（如牵引拖车）的最终目标。

 

在质子交换膜中，催化剂将氢原子分离为质子和电子，质子和电子通过不同的路径到达阴极。电子通过一个外部电路，产生电流。质子通过电解质迁移到阴极，在那里与氧气和电子团聚，产生水和热量。

 

Piasecki PA-890设计用于EMS、医疗后送和其他任务的远程无碳飞行

 

虽然PiAC和Alaka'i都在利用氢燃料电池堆进行推进，但两家公司正在使用不同的PEM技术。Piasecki使用高温（HTPEM）系统，而Alaka'i使用传统的低温（LTPEM）。任何一种燃料电池类型都可以使用气态氢或液态氢。
两种方法需要不同的系统来支持氢气和氧气的反应来发电。LTPEM需要大量额外的设备来实现“平衡”——除了燃料电池堆本身之外所有支撑部件和辅助系统——以管理反应室中的水和温度，反应室通常在180°F（82°C）下运行。LTPEM需要液体冷却系统（包括热交换器）和更精确的冷却剂以及氢气和氧气的质量控制。这导致了额外的复杂性和重量，这对垂直起降飞机至关重要。
HTPEM燃料电池的反应室工作温度约为300°F（150°C）。高温PEM的副产品是水蒸气，这比使用LTPEM的稳定液态水流更容易控制。PiAC设计还通过空气冷却控制温度，从而使系统更简单、更轻，更适合垂直升降应用。
PiAC已与ZeroAvia合作开发HTPEM。ZeroAvia最初为固定翼飞机开发LTPEM。但在2022年，ZeroAvia收购了Piasecki的合作伙伴HyPoint，其多年来一直致力于其突破性的HTPEM。现在，Piasecki和ZeroAvia正致力于在2024年底前在PiAC的双座氢同轴电动直升机（HAXEL）概念验证演示机上演示80千瓦的HTPEM。

 

Piasecki的同轴HAXEL演示器，以及HTPEM、电机的其他部件的示例

 

 

3 目前的测试

Alaka'i 科技于2019年5月宣布了其H2VTOL Skai概念，推出了一款“非飞行原型”，并公布了一个雄心勃勃的时间表。五年后，现实重新调整了公司的前景，以解决关键的技术和商业案例挑战。在今年2月初的VFS变革垂直飞行（TVF）会议上展示其令人印象深刻的进展之前，该公司一直非常沉默。在过去的几年里，Alaka'i一直在对其两款全尺寸的液氢和气态氢燃料电池进行飞行测试。

 

Piasecki PA-890氢电动减速旋翼复合直升机的主要设计元素图
Alaka'i选择了一种高成熟度的LTPEM，因为它的广泛使用。低温PEM方法也具有较高的技术准备水平（TRL）和制造准备水平（MRL）。其他（非PEM）燃料电池技术，如碱性，要么TRL低，要么太大。
Alaka'i正在考虑五家不同的供应商来生产氢燃料电池系统：Plug Power、Cummins、Hyzon、PowerCell和Intelligent Energy。Alaka'i正在对三家不同公司的燃料电池进行测试和开发。
除了飞行测试外，Alaka'i还在其燃料电池系统上进行各种测试。正在测试PEM电池组在低功率时的性能。Alaka'i想了解这一点，因为飞机驾驶员在给飞行器通电时，基本上不会从堆栈中拉出任何负载。另一方面，Alaka'i也在测试电池组在拉动大量电力负载时的反应，例如在关键的垂直起飞和降落阶段。Alaka'i正在测试其燃料电池系统的工作温度包线，以评估高温和低温的变化情况，以及整个电池组的温度梯度。
降低液氢的价格对于在VTOL飞机中更广泛使用氢燃料电池至关重要。如果氢比喷气燃料更贵，航空公司和机场的运营商不会改用氢，因为将不得不将价格上涨转嫁给乘客。许多运营商都知道氢对环境更好，但即使今天有经过认证的氢动力飞机，他们也无法以目前的价格更换。

 

第二架Alaka'i Skai在吸取经验教训的基础上有所改进，也进行了广泛的飞行

 

然而，在运营场景中，Alaka'i可以与液氢供应商签订远期合同，并支付约8美元/公斤的费用，这将使Alaka'i盈利，而且运营成本比电池驱动的eVTOL飞机或化石燃料驱动的直升机低。相比之下，Alaka'i在现货市场上以每公斤32美元的价格购买液氢。液氢有三大供应商：Air Liquide, Linde和Plug Power的子公司联合氢能集团。

 

每公斤8美元的长期价格也没有改变政府补贴或技术。美国能源部的氢计划旨在到2031年将生产清洁氢气的成本降低80%，达到每公斤1美元，这将导致市场成本约为3美元/公斤。

 

4 谁还感兴趣

五角大楼也有兴趣利用氢燃料电池飞机执行军事任务。美国空军（USAF）AFWERX将服务合同授予了PiAC和Joby用于机载应用的新型氢动力装置的全尺寸原型和测试。

 

这两家公司的目标是为军队带来零排放航空，以及其他好处，如安静的噪音，以及运营和维护不依赖传统化石燃料的机队所带来的成本节约。AFWERX于9月12日授予PiAC 3700万美元的战略资金增加（STRAFI）合同，其中包括其氢燃料电池技术和ARES货运无机组飞机系统的工作。

 

第一架Alaka'i Skai于2020年8月开始系留飞行测试，并于2022年7月首次自由飞行
Joby和空军拒绝提供细节，Joby的AFWERX合同价值高达1.31亿美元，包括向政府交付多达9架飞机，这些合同价值代表了释放的总金额，其中不仅仅包括用于机载应用的新型氢动力装置测试。Joby Aviation收购了总部位于德国斯图加特的领先氢航空开发商H2FLY，该公司已广泛使用气态和液态氢燃料电池系统进行飞行。在AFWERX的资助下，PiAC将对单个功率模块燃料电池堆进行迭代开发和测试。Piasecki还将在其HAXEL直升机上对这些燃料电池堆进行地面测试，然后自行出资进行飞行演示。Piasecki还将开发两台330千瓦涡轮风冷发电机组（TAPU），称之为整个系统的子元件。将首先对一台TAPU进行地面测试，然后再建造第二台机组，并将两者集成到660千瓦的全套试验台中。
Piasecki的全尺寸660千瓦“铁鸟”试验台的尺寸将适合PA-890在整个试验循环中运行。计划于2026年进行的测试将使HTPEM技术全面成熟，验证性能、安全性和可靠性，并为FAA认证要求制定以及PA-890开发的技术和进度风险提供信息。
United Therapeutics已经开始地面测试一辆改装成液氢燃料电池的Robinson R44。飞行测试预计将在未来几周开始，但其拒绝提供更多细节。

 

5 氢面向未来

并不是所有的eVTOL整机都对氢燃料电池在飞机上的潜力感到兴奋。以色列AIR EV的首席执行官认为，虽然氢气是一种极好的能源，但电池动力和混合电动飞机开发商应该用成熟的技术展示，这也将让公众、保险公司和监管机构放心。AIR EV对较低的技术创新率更满意。AIR EV正在开发其250公斤的有效载荷容量、多电机、电池供电的AIR ONE。

 

虽然氢燃料电池技术不像几年前那样具有未来感，但它仍然不如电池电动飞机成熟。虽然电池供电的eVTOL飞机的续航里程不如氢燃料电池供电的飞机，但相当多的货运和私人使用客户将使用电池供电的飞行器。