鉅大LARGE | 點擊量：837次 | 2021年11月05日
氫燃料動力電池能否在無人機行業(yè)商業(yè)化應用？
自四月十日，無人機公司科比特公布HYDrone-1800的多旋翼無人機以來，整個行業(yè)就沸騰起來，不斷爭論氫燃料動力系統(tǒng)目前是否能應用在工業(yè)級無人機行業(yè)。筆者圍觀了各個微信圈的討論，總結(jié)了大家爭論的幾個核心問題：
1.氫燃料動力鋰電池技術(shù)是否成熟
2.氫氣的來源問題
3.氫氣的存儲及安全問題
帶著這些問題，筆者查閱了一些文章，采訪了多位電力系統(tǒng)的專家，在這里粗淺地談一下氫燃料動力鋰電池在無人機行業(yè)的應用情況。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
首先，氫燃料動力鋰電池不是什么新技術(shù)
不管在國內(nèi)還是國外，不管是還是汽車，氫燃料動力鋰電池都不算是新技術(shù)了。
早在20世紀60年代，氫燃料動力鋰電池就已經(jīng)成功地應用于航天領(lǐng)域。往返于太空和地球之間的“阿波羅”飛船就安裝了這種體積小、容量大的裝置。
進入70年代以后，隨著人們不斷地掌握多種先進的制氫技術(shù)，氫燃料動力鋰電池就被運用于發(fā)電和汽車。波音公司于2008年四月三日成功試飛一架以氫燃料動力鋰電池為動力源的小型飛機。
2008年奧運會期間，上海大眾供應了20輛帕薩特領(lǐng)馭氫燃料動力鋰電池汽車，作為奧運之行的“綠色車隊”。
在今年年初的美國拉斯維加斯消費電子展（CES）上，豐田公布了量產(chǎn)型的Mirai；2015年東京車展上，本田公布了氫燃料動力鋰電池車Clarity，號稱續(xù)航700km。除此外，雷克薩斯、奔馳等一眾國際豪華汽車品牌紛紛推出了自己的氫燃料動力鋰電池車。
雖然車展樣車和實用性技術(shù)還有一定的差距，但氫能被認為是連接化石能源向可再生能源過渡的重要橋梁，實現(xiàn)能源可持續(xù)供給和循環(huán)的重要能源載體之一。
那么，氫能源的工作原理是什么
氫燃料動力鋰電池是使用氫這種化學元素，制造成儲存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫在陽極變成氫離子（質(zhì)子）通過電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到陰極，同時放出電子通過外部的負載到達陰極，與氧氣發(fā)生反應生成水。
氫燃料動力鋰電池的基本結(jié)構(gòu)和基本燃料動力鋰電池的結(jié)構(gòu)相同包括：電極、電解質(zhì)隔膜與集電器等。
電極是燃料氧化和還原的電化學反應發(fā)生的場所，可分成陰極與陽極兩部分。電解質(zhì)隔膜的功能是分隔氧化劑與還原劑并同時傳導離子。目前燃料動力鋰電池所采用的電解質(zhì)隔膜可以分為兩類，一類為以絕緣材料制作多孔隔膜，例如石棉膜、碳化硅膜和鋁酸鋰膜等，再將電解液，例如氫氧化鉀、磷酸和熔融碳酸鹽等，浸入多孔隔膜：另一類電解質(zhì)隔膜為固態(tài)離子交換膜，例如質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池中采用的全氟磺酸樹脂膜。集電器也稱做雙極板，它只有收集電流、疏導反應氣體及分隔氧化劑與還原劑的用途；雙極板的性能取決于材料特性、流場設(shè)計與加工技術(shù)。
由于供應給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽極板供應氫，給陰極板供應空氣，并及時把水（蒸氣）帶走，就可以不斷地供應電能。由于氫燃料動力鋰電池不儲能，確切的講應該稱為氫發(fā)電裝置。
在無人機行業(yè)已有試水者
多旋翼無人機續(xù)航能力有限是民用無人機行業(yè)的痛點，目前市面上的民用無人機重要采用鋰聚合物電池作為重要動力，續(xù)航能力一般在20分鐘至30分鐘之間，因技術(shù)方面不同有所差別，大部分續(xù)航時間都是在45分鐘以內(nèi)。
其實早在今年二月份，蘇格蘭海洋科學協(xié)會（SAMS）在蘇格蘭機場成功進行了第一架使用固態(tài)氫動力系統(tǒng)無人機的飛行測試，起飛10分鐘運行200英尺，并平穩(wěn)著陸。它采用的是Cella公司的氫動力氣體發(fā)生器和Arcola集成的燃料動力鋰電池。這個電池的運行原理為：氣體發(fā)生器使用專有的固態(tài)物質(zhì)，將該物質(zhì)加熱到100℃以上時可將釋放出大量的氫氣。
而國內(nèi)，武漢眾宇動力系統(tǒng)科技有限公司于2014年底就開始嘗試在無人機上應用燃料動力鋰電池技術(shù)，推出兩款名為“天行者”的固定翼無人機和“游騎兵”的六旋翼無人機，前者在2015年六月二日創(chuàng)下了12小時持續(xù)不斷飛行的成績；兩個月后，后者在新疆創(chuàng)造了3小時30分鐘的野外飛行記錄。在整個飛行過程中，巡航時由氫燃料動力鋰電池供應穩(wěn)定動力輸出，而在起飛等動力需求較大的時候，鋰離子電池將會進行補充輸出；待巡航時，氫燃料動力鋰電池將對鋰離子電池會將富余的電能回充到鋰離子電池。
而科比特推出HYDrone-1800多旋翼無人機這個事件，成了“氫燃料動力鋰電池能否在工業(yè)級無人機應用”爭論的導火索。
在筆者收集的資料中，總結(jié)了幾點多數(shù)專家共同認可的因素，來對氫燃料動力鋰電池在應用中無法回避的問題進行一些剖析：
1，氫氣的制取：氫氣制取的方法非常多，最常見的包括水電解和天然氣或甲醇等化石燃料的重整，目前全球90%以上的氫氣都是通過后者的方法制取出來的，技術(shù)非常成熟，目前的廠車間成本大約為2.5元/m3，而在HYDrone-1800上實現(xiàn)4.5小時續(xù)航大約只消耗了3.5m3氫氣。但是目前氫氣還是屬于一種工業(yè)品，算上分裝、壓縮、運輸、分銷等成本，目前高純氫的零售價格一般在15元/m3左右。目前許多工業(yè)國家正努力在未來實現(xiàn)氫經(jīng)濟社會，將氫氣變成一種消費品，其潛在的成本非常低廉。我們國家正在大力推廣煤制氫，氫氣成本大約為0.8-1元/m3。
2，燃料動力鋰電池的高昂價格：在氫燃料動力鋰電池發(fā)電的過程中會用到金屬鉑作為催化劑。而金屬鉑，就是我們常說的白金，屬于稀缺金屬，被很多人認為是造成燃料動力鋰電池成本高的重要原因。但是事實上我們了解到，目前在燃料動力鋰電池中的鉑使用量非常少，其材料成本根本不高，每kW功率燃料動力鋰電池所含有的鉑的價值大約也就100-200元RMB，而且目前用量還在不斷降低。真正造成成本高的原因是產(chǎn)業(yè)不夠成熟，產(chǎn)量太小導致生產(chǎn)成本過高。當然單靠無人機行業(yè)可能無法將產(chǎn)量做到足夠大，但是隨著氫燃料動力鋰電池在汽車等其他領(lǐng)域的普及，其成本會大幅下降，甚至低于鋰離子電池目前的成本水平。當然目前還有很多公司和研究機構(gòu)在研究非貴金屬催化劑，目前有一些已經(jīng)取得了不錯的效果。
3，氫氣的儲存：一般常見的儲存方法有常壓吸附儲氫、高壓儲氫、液氫儲氫、化合物儲氫等。氫氣的各種存儲方法都有各自的缺陷，目前一般都是根據(jù)終端產(chǎn)品的應用領(lǐng)域和使用方法來選擇更合適的儲氫方法。在汽車上被各大車廠廣泛采用的是高壓儲氫方法，但是要匹配合適的加氫設(shè)備。工程師們正在不斷的努力設(shè)計出使用更方便更安全的加氫設(shè)備，做到像汽車加油相同的便捷。
氫能民用就此“因噎廢食”？
在討論這個問題之前，我們先看幾則新聞，以下新聞均摘自我國科技部官方網(wǎng)站：
2015年九月，我國科大杜平武教授課題組研制出一種新型光催化制氫材料，具有高效率、低成本的優(yōu)異特性。該小組研究發(fā)現(xiàn)，過渡金屬“磷化物”作為一種“助催化劑”，有著很好的光催化制氫性質(zhì)，將磷化亞銅、磷化鉬等磷化物負載在半導體上，可以有效提升半導體光催化產(chǎn)氫效率。在此基礎(chǔ)上，該課題組又巧妙地將新型磷化鎳“助催化劑”，負載在硫化鎘半導體上，獲得了高效、穩(wěn)定、廉價的人工光合成催化劑。杜平武表示，這種新型光催化制氫材料價格低廉、性能優(yōu)異、制備簡單、穩(wěn)定性強，有關(guān)未來光解水制氫具有重要應用價值。
2015年十二月，我國科大學熊宇杰教授課題組設(shè)計出一類具有原子精度殼層結(jié)構(gòu)的助催化劑，在降低貴金屬鉑助催化劑用量的同時，大幅度提高光解水制氫性能，為開發(fā)低成本、高性能光催化材料供應了新的途徑。
熊宇杰小組別出心裁地設(shè)計出一種新型鈀-鉑核殼結(jié)構(gòu)助催化劑，無需使用成本高昂的原子層沉積技術(shù)即可生長少數(shù)原子層厚度的金屬殼層。熊宇杰表示，基于該技術(shù)，光解水制氫效率與無助催化劑的半導體光催化劑相比提高了322倍，比傳統(tǒng)純鉑助催化劑的半導體光催化劑體系提高8.2倍。同時，該設(shè)計以相對廉價的鈀內(nèi)核替代了金屬鉑，使材料成本降低了1/3以上。
2015年十二月，我國科學技術(shù)大學化學與材料科學學院吳長征教授研究組與張群教授研究組合作，研制出全新水溶性簡單小分子助催化劑，成功將光催化產(chǎn)氫性能提高了32倍，為擺脫目前廣泛使用的貴金屬助催化劑供應了新途徑。
一個又一個相關(guān)技術(shù)在突破，雖然從研究成果到工業(yè)化應用還有很長的路要走，但可以預見的是，隨著氫氣制取技術(shù)漸趨多樣化，有望擺脫傳統(tǒng)貴金屬助催化劑體系，為設(shè)計廉價、高效的光催化體系供應新途徑。
氫燃料動力鋰電池是被看好的21世紀新能源之一，在無人機、汽車、廠、住宅供電等方面都有著極大的需求和應用前景，甚至在未來有望取代現(xiàn)有石油經(jīng)濟體系的“氫經(jīng)濟”時代，成為人類生活必不可少的能源。世界各國都對氫燃料動力鋰電池表現(xiàn)出極大的熱情并投入巨大的資金。而且我國國家頂層設(shè)計也在加快燃料動力鋰電池的市場化步伐，積極培育以儲氫罐、加氫站、輸氫管道等為標志的氫經(jīng)濟或氫產(chǎn)業(yè)。
氫燃料動力鋰電池能否在無人機行業(yè)規(guī)模化、商業(yè)化應用，爭的是當下，一件工業(yè)產(chǎn)品的成熟是個漫長過程，無人機行業(yè)的發(fā)展，不止眼前的茍且，還有更廣闊的未來值得探索。
