涡轮燃料电池有望为eVTOL飞机提升续航里程和动力

时间：2020-06-01 16:12:31 来源：作者：网络

　　据外媒New Atlas报道，一家俄美合资公司表示，其新型“涡轮风冷”燃料电池设计可提供三倍于普通燃料电池的功率和四倍于普通燃料电池的寿命，为高速、远距离、氢动力电动VTOL飞机打开了大门。在航空业中，重量是一切，而谈及像即将到来的电动垂直起飞和降落(eVTOL)竞争者们所希望的那样的能量密集型垂直起降时，重量就更加重要。几乎所有的公司都在使用锂电池来制造原型机，但事实很简单，锂电池的能量密度还有很大的提升空间。

　　商用航空出租车需要全天飞行，而不是长时间连接充电站，所以每一家围绕着锂电池进行规划的公司都在祈祷，希望能从测试实验室中出现一种神奇的新化学成分，使其容量是目前最好的电池的两倍或三倍。这很可能会发生，但氢气已经开始成为一种很好的替代品。在地面运输方面，氢气是个麻烦，但在电动航空领域，它可能是个完美的选择。它提供了更高的能量密度，有望实现卓越的飞行耐力，而且它可以让你在几分钟内加满燃料，就像给汽车的油箱加满油一样。

　　事实上，一些企业已经开始对它下注了。美国东海岸的eVTOL初创公司Skai正在争先恐后地推出一款六旋翼五座飞机，该公司，在你需要给氢气罐加氢之前，它可以在空中飞行4小时或400英里（644公里）。但一家俄美合资初创公司表示，完美的eVTOL动力系统还缺少一块拼图：轻量化、高功率的燃料电池设计。

　　这家总部位于加州的初创公司名为HyPoint。从2018年开始，HyPoint公司开始着手为工业级无人机系统制造低温质子交换膜（LTPEM）燃料电池系统。但自从搬到硅谷并被Alchemist加速器项目录取后，该公司开始关注更大的目标。

　　“当我们来到美国时，我们看到了城市空气移动领域的巨大潜力市场，”该公司首席执行官Alex Ivanenenko博士说。“这个市场的主要驱动力是机动性、紧凑性和能量密度。现在，主要的动力系统是建立在锂电池上的，而锂电池有一个基本的技术壁垒。现有的锂电池能量密度较低，而现有的燃料电池比功率较低。航空运输市场需要高比功率和高能量密度。目前还没有一种电源可以同时满足这两个要求。锂电不行，燃料电池也不行。”

　　据预测，合适的锂电池技术可能还有15年的时间，HyPoint团队开始将工作重点放在专门针对eVTOL的燃料电池设计上。Ivanenenko说，为了保持轻量化，必须采用风冷式设计；液冷式燃料电池在汽车领域工作得很好，但相关的冷却液箱和泵会增加寄生质量，在航空领域根本无法飞行。

　　他表示，但目前可用的风冷燃料电池的功率容量和寿命有限，而且只能在-5至30°C的温度下工作。因此，HyPoint团队着手开发出了更快、更耐用的产品，并提出了他们所谓的 “涡轮风冷燃料电池”。

　　“我们通过将燃料电池堆放置在空气管道内，通过风扇将加压、加湿和热稳定的空气进行循环，来提升燃料电池堆的功率。”Ivanenenko表示。“通过压缩系统将空气的压缩量维持在3巴左右的内部，含氧量降低的空气通过控制阀进行充注，再换上含氧量正常的新鲜压缩空气。”

　　燃料电池堆的阴极侧的额外氧气与HyPoint公司开发的新型高温质子交换膜（HTPEM）技术相结合，使可以通过燃料电池的氢气量是传统设计的三倍，在不增加任何可能使VTOL飞机重量下降的寄生冷却质量的情况下，将其特定功率输出增加三倍。

　　考虑到整个系统，HyPoint系统每公斤（2.2磅）的质量可提供2000瓦的功率。最好的液冷式燃料电池的功率在150-800瓦/千克之间，其他风冷式燃料电池的功率大约在800瓦/千克。根据HyPoint公司自己的数据，整个系统的能量密度约为960 Wh/kg，而锂电池的能量密度通常为这一数字的三分之一，而其他空气和液冷燃料电池系统的能量密度略高于一半。

　　Ivanenenko说，该系统还有其他一些巨大的好处；它可以接受纯度只有99%的 "脏的 "氢气，这与LPTEM系统所需的99.999%的纯化氢气相比，成本低得多。"这对于一个商业化的eVTOL操作来说，是一个重要的操作参数的巨大下降，"他补充道。

　　它或多或少可以在任何现实世界的温度下工作，从-50到+50°C（-58到122°F）以及更高的温度。虽然现阶段还在实验室中，但该团队预计这些燃料电池可以在不进行维护的情况下持续运行约20000小时，而LTPEM系统通常可以持续运行约5000小时--这对于商业运营商来说是另一个非常重要的因素。

　　HyPoint已经与美国、欧洲和澳大利亚的新兴eVTOL市场的一些主要参与者进行了接触，Ivanenenko说，但他暂时还不能提及这些公司的名字，ZeroAvia和Bartini除外。“我们看到很多公司都有很大的兴趣，”他说。“我们相信我们已经为他们找到了一个解决方案。他们中的许多人要求我们用原型验证我们的技术，因为到目前为止，我们只在实验室里验证过。我们也同意这个观点。所以我们今年的发展计划是做一个15到20千瓦的样机，来验证这个技术。然后在2022年形成完整的规模，比如150-200千瓦的系统。”

　　他说，从锂动力原型机转向氢动力系统，应该不需要对大多数eVTOL机身进行全面的重新设计，因此，如果竞争者愿意在飞机设计内部移动一些东西，那么或多或少任何一个竞争者都有机会实现快速加油的远程飞行。

　　那么安全性如何呢？氢动力eVTOL会不会有爆炸风险？

　　“这是消费者普遍提出的问题，”Ivanenenko说。“那也没关系，因为我认为大多数消费者的技术无论如何都会很难换成氢气技术。这也是我们专注于与关心效率的大公司进行B2B的原因之一。”

　　"不过是的，‘这是氢弹！’记得兴登堡号吗！那是在1938年。差不多一百年前的事了。人们需要了解的是，氢气、氧气、丙烷和天然气都属于同一类危险易燃气体。你用在烧烤炉上的丙烷瓶有同样的警告证书，它和氢气是同一类的。氢气没有特殊危险等级。而且，氢气是宇宙中最轻的气体，不可能在现场浓缩到那种危险的浓度，可能会引起大爆炸。当然，你要遵守特殊的安全规则，但也不要怕氢气。氧气要危险得多。"

　　他接着指出，他驾驶的是一辆丰田Mirai氢动力汽车。“它已经经过了彻底的安全碰撞测试。任何一个氢动力系统的制造商都明白，在特定的应用中需要采取什么步骤才能获得相应的安全证书，我们也不会例外。”

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