白東洋：氫動力無人機，開拓無人機綠色未來
上海濟美動力科技有限公司技術(shù)總監(jiān)白東洋作主題演講
8月25日，由中國電池工業(yè)協(xié)會、電池中國網(wǎng)聯(lián)合主辦的“2023氫能與燃料電池技術(shù)及應(yīng)用國際峰會”在中國上海隆重舉行。
上海濟美動力科技有限公司技術(shù)總監(jiān)白東洋作題為《氫動力無人機，開拓無人機綠色未來》的主題演講。
以下是發(fā)言內(nèi)容實錄，未經(jīng)嘉賓審閱：
演講的主要內(nèi)容分為以下幾個方面：
一、氫燃料電池飛行器的發(fā)展背景。
我們現(xiàn)在正在經(jīng)歷汽車的電動化，也在經(jīng)歷船舶的電動化，航空飛行器的電動化，在全球能源向綠色發(fā)展這樣一個背景下，我國也明確提出2030年前碳達峰和2060年前碳中和這樣一個目標，國際民航組織和國際航空協(xié)會也提出了全國航空碳減排的抵消機制。
我們也知道飛機的電動化是一個必然的趨勢，氫能作為一個能量密度特別高的能源，用在航空中對于實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》和幫助限制全球變暖將會有很大的幫助，對傳統(tǒng)的航空器做一個動力系統(tǒng)的比較，傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機，它受限于傳統(tǒng)機械能的限制，它的系統(tǒng)效率一般不會超過50%，另外它的排放也是比較大的，噪聲和振動對人員的傷害也是比較大的。
鋰電池來講，雖然可以作為一種綠色的能源，但是它也有諸多的弊端，一是容量和重量的限制，充電時間長等等，特別是在低溫性能方面，它的能量密度和性能也會大打折扣，另外會存在一些充電的安全隱患，我們也會經(jīng)常聽到關(guān)于鋰電池汽車充電事故的一些報道。
氫氣它的能量密度特別高，大概是鋰電池的180倍，汽油的3倍，在安全性、耐久性特別是低溫環(huán)境的適應(yīng)性方面，比鋰電池表現(xiàn)的更好。燃料電池的基本工作原理我想在座的各位嘉賓都已經(jīng)比較熟悉了，它的優(yōu)勢右圖所示，正是這些優(yōu)點是氫燃料電池可以符合雙碳的趨勢，滿足我們應(yīng)用的需求。
從國家政策層面來講，國家發(fā)改委在去年的3月份也發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035》，規(guī)劃中也提出了要積極探索燃料電池在船舶、航空器等領(lǐng)域的應(yīng)用，推動大型氫能航空器的研發(fā)，地方政策來講我們也看到深圳市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中，也提到了氫能無人機的規(guī)劃。
接下來介紹一下航空氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀，這一頁列舉了一些車用燃料電池功率密度的技術(shù)指標，可以看到下面這張圖左邊是國內(nèi)的一些燃料電池企業(yè)的技術(shù)指標，中間和右邊是歐洲和北美的一些燃料電池企業(yè)的技術(shù)指標，從體積功率密度來講，目前我們國家的企業(yè)已經(jīng)基本上處于全球領(lǐng)先的水平。
另外一點，對于無人機來講它的質(zhì)量也是我們非常關(guān)注的一個點，質(zhì)量功率密度我們目前所能達到的水平在700到900瓦每公斤的水平。從系統(tǒng)能量的角度來講，氫氣它的能量密度特別高，我們要看它是怎樣的一種形式去儲存，目前車用包括無人機上用，主要是用高壓氣態(tài)的形式來儲存。
我們也看到目前部分商用車的車載儲氫瓶，它的質(zhì)量儲氫密度可以達到6.8%，對于系統(tǒng)來講可以達到6.1%，我們目前在用的一款四型瓶它的質(zhì)量儲氫密度可以達到每公斤發(fā)7.3度電這樣的水平，對系統(tǒng)來講每公斤可以發(fā)3.6度電。
進一步提高氫氣的能量密度，我們就要用到液氫技術(shù)，通過低溫將氫氣液態(tài)的形式儲存，我們的能量密度就可以得到進一步的提升，儲氫瓶的質(zhì)量密度可以達到10%以上，系統(tǒng)的質(zhì)量密度可以達到8%以上。
這一頁列舉了目前全球范圍內(nèi)的一些燃料電池的低溫啟動，我們之前也講到燃料電池它在低溫性能方面是優(yōu)于鋰電池的，我們可以看到這張表，目前全球大部分企業(yè)燃料電池可以做到零下30度的低溫啟動。
這是一些無人機燃料電池低溫啟動的報道，對于石墨雙極板因為它受制于本身材料比熱容的限制，基本上普遍做到零下5度的低溫啟動，浙江金杭科技公司也報道了零下20度低溫穩(wěn)定運行的水平。我們公司目前已經(jīng)實現(xiàn)了零下26度的低溫啟動。
安全性也是我們非常關(guān)注的一個點，我們經(jīng)常講安全，對于氫氣作為一種易燃、易爆的燃料氣體來說，我們是要在一個規(guī)范的流程下去使用它，同時我們也可以有許多技術(shù)的手段保障來應(yīng)對，下面的三張圖是美國的一家企業(yè)做了一個關(guān)于氫燃料電池汽車和燃油車的點火對比。從這三張圖，我們也可以看到氫燃料電池汽車相對還是比較安全的。
下面介紹一下氫燃料電池航空器在固定翼、飛艇方面的應(yīng)用，固定翼國外有很多企業(yè)在積極的做研發(fā)和探索，這是一家美國的公司，Universal Hydrogen，這家公司在Dash 8機型上做了一個燃料電池飛機的改裝，這架飛機也計劃在2025年后投入客運服務(wù)和貨運服務(wù)，這是英國的一家公司做的燃料電池飛機的一個樣機，這是他們的兩代飛機，一代和二代。
其中一代搭載了250千瓦的燃料電池系統(tǒng)，已經(jīng)完成了測試，第二代飛機搭載兩臺600千瓦的燃料電池系統(tǒng)，這架飛機也是計劃在2024年實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。我們也關(guān)注到航空氫用燃料電池也在逐漸從低溫質(zhì)子交換膜向高溫質(zhì)子交換膜轉(zhuǎn)變。
這是HTPEM公司也發(fā)布他們高溫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，這是英國的一家公司H2FLY在基于當年328機型改制的一個燃料電池的飛機，他們也將采用1.5兆瓦的燃料電池系統(tǒng)。
下面是他們之前上一代飛機的一些參數(shù)。
這是德國的APUS公司做的一個樣機。
另外燃料電池也可以應(yīng)用在飛艇上，應(yīng)用在飛艇上也是比較有意思，飛艇載貨量大、速度快，續(xù)航里程高，對于起降場地要求比較低，這樣一些優(yōu)勢，如果把燃料電池應(yīng)用在飛艇上的話，它可以擺脫化石燃料的依賴，形成一個綠色清潔的這樣一個概念。
從應(yīng)用層面來講在2008年上海交大已經(jīng)設(shè)計了一個飛艇叫“致遠1號”飛過的LTARE公司“探路者1”號飛艇也是進入研發(fā)階段，下一段計劃拓展1.5兆瓦的飛艇。
H2Clipper公司也是在做氫能飛艇的一個研發(fā)，他們下一階段也計劃將氫能飛艇作為氫氣的運輸載具。
接下來介紹一下在旋翼無人機方面的一些應(yīng)用。
這一頁列舉了國內(nèi)的一些企業(yè)在無人機應(yīng)用的一些案例，我們可以看到最早在2012年已經(jīng)有國內(nèi)很多企業(yè)在做氫能無人機的一些探索，這一頁主要列舉了幾家比較典型的做氫能無人機的企業(yè)，對于無人機來講長航時的無人機它的功率比較小，對燃料電池的功率需求比較小，但是它的載重能力是十分有限。
右下角我們公司濟美動力聚焦于大載重的質(zhì)?；蛘哓涍\無人機的燃料電池系統(tǒng)開發(fā)。這是國內(nèi)的一些無人機企業(yè)做的一些應(yīng)用，這是電投旗下的一家氫能子公司，是做的一個復(fù)合翼和固定翼無人機的樣機，也參加了本次冬奧會的展示。
國外方面的話最早的有Intelligent Energy他們是最早將風能燃料電池應(yīng)用在無人機上面的一家企業(yè)，另外我們也關(guān)注到在無人機技術(shù)方面，在無人機技術(shù)方面也在做很深入的探索，我們關(guān)注到有一個3D打印輕質(zhì)金屬技術(shù)也在往無人機方面應(yīng)用。
那么3D打印輕質(zhì)金屬技術(shù)它的好處是可以提升我們飛機整體的輕量化技術(shù)，可以使飛機有更好的商業(yè)載荷。
接現(xiàn)在對 我們 公司做一個簡單的介紹，濟美動力是一家專注于高性能模塊化燃料電池產(chǎn)品開發(fā)的企業(yè)，我們有標準的模塊化產(chǎn)品開發(fā)流程，同時在質(zhì)量和安全方面也有嚴格的把控，在應(yīng)用場景方面我們在航空器地面水面，包括分布式電源等領(lǐng)域，也可以做到很快的拓展。
那么我們公司從核心零部件到電堆到系統(tǒng)均有全鏈條的設(shè)計開發(fā)能力，我們可以看到左邊是我們的雙極板膜電極包括控制器中間的電堆和自動化產(chǎn)線設(shè)備，右邊是我們的系統(tǒng)。
進一步講在燃料電池動力系統(tǒng)方面我們有自主研發(fā)的關(guān)鍵零部件可以適應(yīng)多場景的客戶需求，快速響應(yīng)多電力混合系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，方案匹配方面我們遵循國際先進的開發(fā)流程，可以基于多個領(lǐng)域計算平臺進行方案的匹配。
總體設(shè)計方面我們可以綜合考慮特定的場景，從多領(lǐng)域協(xié)同設(shè)計以滿足航空產(chǎn)品的設(shè)計。同時我們公司也擁有多維的物理仿真平臺可以結(jié)合人工智能，實現(xiàn)從零部件到整機系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)，仿真開發(fā)與驗證，那么我們公司也有自己的測試平臺和技術(shù)，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。
售后方面我們也一直是堅信服務(wù)在哪，產(chǎn)品在哪服務(wù)就在里是我們的理念。這一頁是我們比較典型的兩款一個是兩千瓦的燃料電池模塊，一個是三千瓦的燃料電池模塊右邊是我們產(chǎn)品的一些實力和實際應(yīng)用的一些視頻，我們下一代的產(chǎn)品性能也正在設(shè)置和測試階段，性能會比現(xiàn)在所展示的更加好。
這是我簡單的報告，非常感謝大家的聆聽，謝謝大家!
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