深度解析：氢燃料电池的科技前景和发展潜力

2023-07-23 理论教育版权反馈

【摘要】：氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。由于氢燃料电池不储能，确切地讲应该称为氢发电装置。氢燃料电池在无人机领域起步较晚，声势不算浩大，却一直在稳步的发展中。当然单靠无人机行业可能无法将产量做到足够大，但是随着氢燃料电池在汽车等其他领域的普及，其成本会大幅下降，甚至低于锂电池目前的成本水平。

一直以来，无人机虽已在各个民用领域得到了应用，却也因为续航时间短饱受诟病。锂电池是最常见的动力源，不过由于能量密度的限制，很难有较大的突破，所以很多企业和科研人员都在尝试寻找突破口。

2016年3月，我国某无人机企业发布了一款多旋翼无人机新品，搭载武汉众宇动力系统科技有限公司专为无人机研发的氢燃料电池动力系统，续航时间可达273分钟。该产品的发布引发了业界的积极讨论，在民用无人机领域，这种超长续航能力可谓惊艳，也证明了氢燃料电池有可能成为无人机行业痛点的解决方案。

那么，氢燃料电池到底是什么呢？

氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢在阳极变成氢离子（质子）通过电解质转移到阴极，同时放出电子通过外部的负载到达阴极，与氧气发生反应生成水。由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水（蒸汽）带走，就可以不断地提供电能。由于氢燃料电池不储能，确切地讲应该称为氢发电装置。

氢燃料电池技术早在半个世纪以前就已经登场，当时是应用于航天领域，往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。不过很长时间以来，氢燃料电池技术因为成本和制取等难题，一直处于一种高高在上的姿态，难以大规模产业化，难以惠及民用。

后来，汽车业发现了这一技术的潜力，越来越多的投身于此，氢燃料电池在业界的推动下，终于接了点“地气儿”。2008年奥运会期间，上海大众公司提供了20辆帕萨特领驭氢燃料电池汽车，作为奥运之行的“绿色车队”。2014年，丰田公司发布氢燃料电池汽车Mirai并率先在日本上市，同时还宣布放弃约5680项燃料电池汽车专利技术，意在推动氢动力汽车的产业化。此外，本田、雷克萨斯、奔驰等一众国际汽车品牌也纷纷展出了自己的氢燃料电池车。

当然，车展样车和实用性技术还有一定的差距，不过氢能依然被认为是连接化石能源向可再生能源过渡的重要桥梁，是实现能源可持续供给和循环的重要能源载体之一。

氢燃料电池在无人机领域起步较晚，声势不算浩大，却一直在稳步的发展中。最早是军工院所和学院派起主导作用，后来企业加入其中，开始了将氢燃料电池无人机产业化的尝试。

2012年，由辽宁通用航空研究院自主研制的“雷鸟”氢燃料电池无人机，由同济大学航空航天与力学学院和上海奥科赛飞机公司共同研制的氢燃料电池无人机“飞跃一号”，相继完成试飞。

2013年，美国海军研究实验室研发的“离子虎（Ion Tiger）”无人机搭载液氢燃料，连续飞行48小时1分钟，打破其在2009年创造的26小时的飞行记录。

2016年2月，苏格兰海洋科学协会（SAMS）在苏格兰机场成功进行了第一架使用固态氢动力系统无人机的飞行测试，起飞10分钟运行60米，并平稳着陆。它采用的是Cella公司的氢动力气体发生器和Arcola集成的燃料电池，运行原理为：气体发生器使用专有的固态物质，将该物质加热到100℃以上时可将释放出大量的氢气。

由于之前的研究主要还是科研机构的成果，业内都还没有将它们与民用扯上太多联系，所以关注度一直不是很高。但是随着最近两年来，企业开始发布氢燃料电池无人机产品，氢燃料电池无人机作能否在民用领域真正落地的问题，引发了越来越多的讨论。

那么，氢燃料电池到底有什么魅力，能被包括无人机在内的诸多科技领域所青睐呢？

大量实践表明，相比于传统动力来源，氢燃料电池有着以下一些明显的优势：

高续航能力。目前市面上的多旋翼无人机主要采用锂聚合物电池作为主要动力，续航能力一般在20～30分钟之间，因技术方面的不同有所差别，但大部分续航时间都在45分钟以内。2016年5月，众宇动力在新疆胜利达坂地区，对氢燃料电池系统在高原应用中功效进行了一系列测试。搭载其HyLite动力系统的六旋翼无人机动力系统的六旋翼无人机，在海拔3500米，平均风速16米/秒，阵风18～19米/秒，负重1千克的环境下进行实飞，保持了2小时的续航。

HyLite动力模块

环保。燃料电池排出的是水蒸气，对环境的影响可以忽略不计。随着全球工业化进程不断加快，化石燃料消耗量日益增长，环境污染问题也越来越受到关注，氢气有望成为化石燃料的替代品。

安全。氢气是最轻的、逃逸性最强的燃料，很难聚集，少量的氢气泄漏，可以在空气中很快被稀释成安全的混合气体；燃料电池工作的整个过程温度在80摄氏度以下，没有燃烧过程；海拔3000米以下，对燃料电池性能影响微乎其微。

不过，很多突破性成果出现，都不可避免地要遭受质疑。氢燃料电池无人机所受的争议大多围绕着氢燃料的来源、存储、成本及安全问题。那么实际情况到底是什么样呢，下面笔者就来对这些问题进行一些剖析：

氢气的制取。实际上，氢气制取的方法非常多，最常见的包括水电解和天然气或甲醇等化石燃料的重整。2016年数据显示，全球90%以上的氢气都是通过后者的方法制取出来的，技术非常成熟，工厂车间成本大约为2.5元/立方米，而在HYDrone-1800上实现4.5小时续航大约只消耗了3.5立方米氢气。但是现在氢气还是属于一种工业品，算上分装、压缩、运输、分销等成本，高纯氢的零售价格一般在15元/立方米左右。现在许多工业国家正努力在未来实现氢经济社会，将氢气变成一种消费品，其潜在的成本非常低廉。我们国家正在大力推广煤制氢，目前氢气成本为0.8～1元/立方米。

燃料电池的高昂价格。在氢燃料电池发电的过程中会用到金属铂作为催化剂。而金属铂，就是我们常说的白金，属于稀缺金属，被很多人认为是造成燃料电池成本高的一个原因。但是事实上目前燃料电池中铂的使用量非常少，其材料成本根本不高，每千瓦功率燃料电池所含有的铂的价值一般为100～200元，而且目前用量还在不断降低。真正造成成本高的原因是产业不够成熟，产量太小。当然单靠无人机行业可能无法将产量做到足够大，但是随着氢燃料电池在汽车等其他领域的普及，其成本会大幅下降，甚至低于锂电池目前的成本水平。当然还有很多公司和研究机构在研究非贵金属催化剂，有一些已经取得了不错的效果。

氢气的储存。一般常见的储存方法有常压吸附储氢、高压储氢、液氢储氢、化合物储氢等。氢气的各种存储方法都有各自的缺陷，目前一般都是根据终端产品的应用领域和使用方法来选择更合适的储氢方法。在汽车上被各大车厂广泛采用的是高压储氢方法，但是需要匹配合适的加氢设备。工程师们正在不断的努力设计出使用更方便更安全的加氢设备，做到像汽车加油一样方便、快捷。

值得一提的是，2016年在南方防汛抗洪期间，武汉市公安局视频侦查支队启用了氢燃料电池无人机，将其投入到抗洪抢险救灾工作中。常规的无人机航时偏短，扣除掉起降和返场，真正能执行任务的时间并不长。而武汉市区湖泊众多，长江和汉江穿城而过，在很多场景使用时并不具备返航更换锂电池的条件，而且有效覆盖半径小的话，干警在执行任务时往往仍然需要先驱车至任务地点，再放飞无人机，因此对一些突发事件的响应也不是很及时。有了氢燃料电池无人机这一“新兵”的加入，其具有的航时长、操作便捷、安全系数高等优势，可为抗洪救灾工作的开展提供更好的支撑，甚至可以实现直接在指挥中心起飞，执行任务后返回，使得突发任务的响应时间更短，有效覆盖面积更大，从而实战中发挥更大作用。此事件标志着氢燃料电池无人机在警用市场上的实际应用得到了用户认可。

氢燃料电池是被看好的21世纪新能源之一，在无人机、汽车、工厂、住宅供电等方面都有着极大的需求和应用前景，甚至在未来有望取代现有石油经济体系的“氢经济”时代，成为人类生活必不可少的能源。世界各国都对氢燃料电池表现出极大的热情并投入巨大的资金。我国国家顶层设计也在加快燃料电池的市场化步伐，积极培育以储氢罐、加氢站、输氢管道等为标志的氢经济或氢产业。

氢燃料电池能否在无人机行业规模化、商业化应用，争的是当下，一件工业产品的成熟是个漫长过程，无人机行业的发展，不止眼前的苟且，还有更广阔的未来值得探索。

深度解析：氢燃料电池的科技前景和发展潜力

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