白東洋：氫動(dòng)力無(wú)人機，開(kāi)拓無(wú)人機綠色未來(lái)
上海濟美動(dòng)力科技有限公司技術(shù)總監白東洋作主題演講
8月25日，由中國電池工業(yè)協(xié)會(huì )、電池中國網(wǎng)聯(lián)合主辦的“2023氫能與燃料電池技術(shù)及應用國際峰會(huì )”在中國上海隆重舉行。
上海濟美動(dòng)力科技有限公司技術(shù)總監白東洋作題為《氫動(dòng)力無(wú)人機，開(kāi)拓無(wú)人機綠色未來(lái)》的主題演講。
以下是發(fā)言?xún)热輰?shí)錄，未經(jīng)嘉賓審閱：
演講的主要內容分為以下幾個(gè)方面：
一、氫燃料電池飛行器的發(fā)展背景。
我們現在正在經(jīng)歷汽車(chē)的電動(dòng)化，也在經(jīng)歷船舶的電動(dòng)化，航空飛行器的電動(dòng)化，在全球能源向綠色發(fā)展這樣一個(gè)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(gè)目標，國際民航組織和國際航空協(xié)會(huì )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(dòng)化是一個(gè)必然的趨勢，氫能作為一個(gè)能量密度特別高的能源，用在航空中對于實(shí)現《巴黎協(xié)定》和幫助限制全球變暖將會(huì )有很大的幫助，對傳統的航空器做一個(gè)動(dòng)力系統的比較，傳統的燃油發(fā)動(dòng)機，它受限于傳統機械能的限制，它的系統效率一般不會(huì )超過(guò)50%，另外它的排放也是比較大的，噪聲和振動(dòng)對人員的傷害也是比較大的。
鋰電池來(lái)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(shí)間長(cháng)等等，特別是在低溫性能方面，它的能量密度和性能也會(huì )大打折扣，另外會(huì )存在一些充電的安全隱患，我們也會(huì )經(jīng)常聽(tīng)到關(guān)于鋰電池汽車(chē)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)境的適應性方面，比鋰電池表現的更好。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(diǎn)是氫燃料電池可以符合雙碳的趨勢，滿(mǎn)足我們應用的需求。
從國家政策層面來(lái)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(cháng)期規劃(2021-2035》，規劃中也提出了要積極探索燃料電池在船舶、航空器等領(lǐng)域的應用，推動(dòng)大型氫能航空器的研發(fā)，地方政策來(lái)講我們也看到深圳市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃中，也提到了氫能無(wú)人機的規劃。
接下來(lái)介紹一下航空氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的現狀，這一頁(yè)列舉了一些車(chē)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(lái)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(diǎn)，對于無(wú)人機來(lái)講它的質(zhì)量也是我們非常關(guān)注的一個(gè)點(diǎn)，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。從系統能量的角度來(lái)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(chē)用包括無(wú)人機上用，主要是用高壓氣態(tài)的形式來(lái)儲存。
我們也看到目前部分商用車(chē)的車(chē)載儲氫瓶，它的質(zhì)量?jì)涿芏瓤梢赃_到6.8%，對于系統來(lái)講可以達到6.1%，我們目前在用的一款四型瓶它的質(zhì)量?jì)涿芏瓤梢赃_到每公斤發(fā)7.3度電這樣的水平，對系統來(lái)講每公斤可以發(fā)3.6度電。
進(jìn)一步提高氫氣的能量密度，我們就要用到液氫技術(shù)，通過(guò)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(jìn)一步的提升，儲氫瓶的質(zhì)量密度可以達到10%以上，系統的質(zhì)量密度可以達到8%以上。
這一頁(yè)列舉了目前全球范圍內的一些燃料電池的低溫啟動(dòng)，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(dòng)。
這是一些無(wú)人機燃料電池低溫啟動(dòng)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(dòng)，浙江金杭科技公司也報道了零下20度低溫穩定運行的水平。我們公司目前已經(jīng)實(shí)現了零下26度的低溫啟動(dòng)。
安全性也是我們非常關(guān)注的一個(gè)點(diǎn)，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(lái)說(shuō)，我們是要在一個(gè)規范的流程下去使用它，同時(shí)我們也可以有許多技術(shù)的手段保障來(lái)應對，下面的三張圖是美國的一家企業(yè)做了一個(gè)關(guān)于氫燃料電池汽車(chē)和燃油車(chē)的點(diǎn)火對比。從這三張圖，我們也可以看到氫燃料電池汽車(chē)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(gè)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(gè)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，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，這架飛機也是計劃在2024年實(shí)現商業(yè)化應用。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，這是英國的一家公司H2FLY在基于當年328機型改制的一個(gè)燃料電池的飛機，他們也將采用1.5兆瓦的燃料電池系統。
下面是他們之前上一代飛機的一些參數。
這是德國的APUS公司做的一個(gè)樣機。
另外燃料電池也可以應用在飛艇上，應用在飛艇上也是比較有意思，飛艇載貨量大、速度快，續航里程高，對于起降場(chǎng)地要求比較低，這樣一些優(yōu)勢，如果把燃料電池應用在飛艇上的話(huà)，它可以擺脫化石燃料的依賴(lài)，形成一個(gè)綠色清潔的這樣一個(gè)概念。
從應用層面來(lái)講在2008年上海交大已經(jīng)設計了一個(gè)飛艇叫“致遠1號”飛過(guò)的LTARE公司“探路者1”號飛艇也是進(jìn)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(gè)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(lái)介紹一下在旋翼無(wú)人機方面的一些應用。
這一頁(yè)列舉了國內的一些企業(yè)在無(wú)人機應用的一些案例，我們可以看到最早在2012年已經(jīng)有國內很多企業(yè)在做氫能無(wú)人機的一些探索，這一頁(yè)主要列舉了幾家比較典型的做氫能無(wú)人機的企業(yè)，對于無(wú)人機來(lái)講長(cháng)航時(shí)的無(wú)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(dòng)力聚焦于大載重的質(zhì)?；蛘哓涍\無(wú)人機的燃料電池系統開(kāi)發(fā)。這是國內的一些無(wú)人機企業(yè)做的一些應用，這是電投旗下的一家氫能子公司，是做的一個(gè)復合翼和固定翼無(wú)人機的樣機，也參加了本次冬奧會(huì )的展示。
國外方面的話(huà)最早的有Intelligent Energy他們是最早將風(fēng)能燃料電池應用在無(wú)人機上面的一家企業(yè)，另外我們也關(guān)注到在無(wú)人機技術(shù)方面，在無(wú)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(gè)3D打印輕質(zhì)金屬技術(shù)也在往無(wú)人機方面應用。
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。
接現在對 我們 公司做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，濟美動(dòng)力是一家專(zhuān)注于高性能模塊化燃料電池產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的企業(yè)，我們有標準的模塊化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程，同時(shí)在質(zhì)量和安全方面也有嚴格的把控，在應用場(chǎng)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均有全鏈條的設計開(kāi)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(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)設備，右邊是我們的系統。
進(jìn)一步講在燃料電池動(dòng)力系統方面我們有自主研發(fā)的關(guān)鍵零部件可以適應多場(chǎng)景的客戶(hù)需求，快速響應多電力混合系統的架構設計，方案匹配方面我們遵循國際先進(jìn)的開(kāi)發(fā)流程，可以基于多個(gè)領(lǐng)域計算平臺進(jìn)行方案的匹配。
總體設計方面我們可以綜合考慮特定的場(chǎng)景，從多領(lǐng)域協(xié)同設計以滿(mǎn)足航空產(chǎn)品的設計。同時(shí)我們公司也擁有多維的物理仿真平臺可以結合人工智能，實(shí)現從零部件到整機系統的大數據，仿真開(kāi)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(yè)是我們比較典型的兩款一個(gè)是兩千瓦的燃料電池模塊，一個(gè)是三千瓦的燃料電池模塊右邊是我們產(chǎn)品的一些實(shí)力和實(shí)際應用的一些視頻，我們下一代的產(chǎn)品性能也正在設置和測試階段，性能會(huì )比現在所展示的更加好。
這是我簡(jiǎn)單的報告，非常感謝大家的聆聽(tīng)，謝謝大家!
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