氫可能成為飛機的下一種燃料？
2021-05-13
作者
Bill Schweber，資深技術編輯
如果由氫和燃料電池為載客飛機提供動力真的成為現實，那麼需要哪些技術的進步？技術又需要進步到何種程度？它會是很多大大小小的技術進步累積起來呢？或者會有現在還未知的更大技術突破？
如同許多交通運輸相關領域一樣，航空產業也在追求「綠色環保」，以及減少使用傳統的碳氫化合物燃料。無論人們對這一目標抱持何種態度，也不管其根本原因是什麼，要實現這一目標都會面臨真正的挑戰，因為「功率/重量比」對於飛機和火箭來說至關重要，特別是相對於地面或水上運輸而言也更重要得多。因此，我們看到了許多有關電動飛機的消息，從個人通勤飛機、多人座小飛機甚至更大型的飛機等。
從工程角度來看，這存在兩個基本問題。首先，假設使用電動馬達，在飛機上如何儲存和攜帶電能？大多數人首先可能會提議電池，但電池的數量是一項挑戰。第二個問題是，為電池充電的能量要從哪裡來？這個問題留待以後討論。
從圖1到圖3可以看出，第一個值得關注的是從重量和容量的角度來考慮燃料的能量密度。這裡有表格、圖表等，但是由於範圍和度量單位不同，很難對其進行比較。儘管如此，還是可以透過這些圖表對先進的電池化學、碳氫化合物和氫有一個整體的瞭解。值得注意的是，氫的密度遠超過其他燃料。
圖1：主要的能源燃料比較。
(來源：The Geography of Transport Systems)
圖2：比較幾種電池的體積與重量能量密度。
(來源：Epec LLC)
圖3：不同運輸燃料的能量密度比較。
(來源：U.S. Energy Information Administration)
你可能聽說過韓國斗山創新(Doosan Mobility Innovation；DMI)公司的氫動力無人機，使用了小型客製燃料罐和專有燃料電池，以及Vicor的標準直流(DC/DC)轉換器(圖4)。相較於尺寸和重量相當的電池供電無人機，這種商用無人機的飛行時間據稱更高出數倍。
圖4：DMI無人機的氫燃料電池電源子系統，其飛行距離和飛行時間遠遠超過以電池供電的同類裝置。
(來源：Doosan Mobility Innovation)
工程師和製程專家都知道，設計小型原型機或模型是一回事，等到要將其製成可商用的尺寸則是另一回事。例如，在電池化學領域中，很多看起來具有發展前景的產品設計，從未成功地從試驗廠進入全面生產，就是因為出現了很多棘手的問題無法解決，成本也呈指數級增加。
將氫視為燃料也可能是這種情況。比起目前最好的鋰電池，氫燃料電池看起來似乎是更佳選擇，事實上答案並不肯定，因為僅靠燃料能量密度資訊，並不足以證明能源選擇的可行性，尤其是在更大規模的應用中。燃料的儲存、原始能源到可用能源的轉換、然後為飛機提供能源(可以是電能，但並非必須)，這些程序都還存在問題。
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