自4月10日，無(wú)人機(jī)企業(yè)科比特航空發(fā)布HYDrone-1800的多旋翼無(wú)人機(jī)以來(lái)，整個(gè)行業(yè)就沸騰起來(lái)，不斷爭(zhēng)論氫燃料動(dòng)力系統(tǒng)目前是否能應(yīng)用在工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)行業(yè)。筆者圍觀了各個(gè)微信圈的討論，總結(jié)了大家爭(zhēng)論的幾個(gè)核心問(wèn)題：
1.氫燃料電池技術(shù)是否成熟
2.氫氣的來(lái)源問(wèn)題
3.氫氣的存儲(chǔ)及安全問(wèn)題
帶著這些問(wèn)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電池在無(wú)人機(jī)行業(yè)的應(yīng)用情況。
首先，氫燃料電池不是什么新技術(shù)
不管在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，不管是航空還是汽車(chē)，氫燃料電池都不算是新技術(shù)了。
早在20世紀(jì)60年代，氫燃料電池就已經(jīng)成功地應(yīng)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(jìn)入70年代以后，隨著人們不斷地掌握多種先進(jìn)的制氫技術(shù)，氫燃料電池就被運(yùn)用于發(fā)電和汽車(chē)。波音公司于2008年4月3日成功試飛一架以氫燃料電池為動(dòng)力源的小型飛機(jī)。
2008年奧運(yùn)會(huì)期間，上海大眾提供了20輛帕薩特領(lǐng)馭氫燃料電池汽車(chē)，作為奧運(yùn)之行的“綠色車(chē)隊(duì)”。
在今年年初的美國(guó)拉斯維加斯消費(fèi)電子展（CES）上，豐田發(fā)布了量產(chǎn)型的Mirai；2015年?yáng)|京車(chē)展上，本田發(fā)布了氫燃料電池車(chē)Clarity，號(hào)稱續(xù)航700km。除此外，雷克薩斯、奔馳等一眾國(guó)際豪華汽車(chē)品牌紛紛推出了自己的氫燃料電池車(chē)。
雖然車(chē)展樣車(chē)和實(shí)用性技術(shù)還有一定的差距，但氫能被認(rèn)為是連接化石能源向可再生能源過(guò)渡的重要橋梁，實(shí)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
氫燃料電池是使用氫這種化學(xué)元素，制造成儲(chǔ)存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陰極和陽(yáng)極，氫在陽(yáng)極變成氫離子（質(zhì)子）通過(guò)電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到陰極，同時(shí)放出電子通過(guò)外部的負(fù)載到達(dá)陰極，與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成水。
氫燃料電池的基本結(jié)構(gòu)和基本燃料電池的結(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(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，可分成陰極與陽(yáng)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(shí)傳導(dǎo)離子。目前燃料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)子交換膜燃料電池中采用的全氟磺酸樹(shù)脂膜。集電器也稱做雙極板，它只有收集電流、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體及分隔氧化劑與還原劑的作用；雙極板的性能取決于材料特性、流場(chǎng)設(shè)計(jì)與加工技術(shù)。
由于供應(yīng)給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽(yáng)極板供應(yīng)氫，給陰極板供應(yīng)空氣，并及時(shí)把水（蒸氣）帶走，就可以不斷地提供電能。由于氫燃料電池不儲(chǔ)能，確切的講應(yīng)該稱為氫發(fā)電裝置。
在無(wú)人機(jī)行業(yè)已有試水者
多旋翼無(wú)人機(jī)續(xù)航能力有限是民用無(wú)人機(jī)行業(yè)的痛點(diǎn)，目前市面上的民用無(wú)人機(jī)主要采用鋰聚合物電池作為主要?jiǎng)恿Γm(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(shí)間都是在45分鐘以內(nèi)。
其實(shí)早在今年2月份，蘇格蘭海洋科學(xué)協(xié)會(huì)（SAMS）在蘇格蘭機(jī)場(chǎng)成功進(jìn)行了第一架使用固態(tài)氫動(dòng)力系統(tǒng)無(wú)人機(jī)的飛行測(cè)試，起飛10分鐘運(yùn)行200英尺，并平穩(wěn)著陸。它采用的是Cella公司的氫動(dòng)力氣體發(fā)生器和Arcola集成的燃料電池。這個(gè)電池的運(yùn)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(shí)可將釋放出大量的氫氣。
而國(guó)內(nèi)，武漢眾宇動(dòng)力系統(tǒng)科技有限公司于2014年底就開(kāi)始嘗試在無(wú)人機(jī)上應(yīng)用燃料電池技術(shù)，推出兩款名為“天行者”的固定翼無(wú)人機(jī)和“游騎兵”的六旋翼無(wú)人機(jī)，前者在2015年6月2日創(chuàng)下了12小時(shí)連續(xù)不斷飛行的成績(jī)；兩個(gè)月后，后者在新疆創(chuàng)造了3小時(shí)30分鐘的野外飛行記錄。在整個(gè)飛行過(guò)程中，巡航時(shí)由氫燃料電池提供穩(wěn)定動(dòng)力輸出，而在起飛等動(dòng)力需求較大的時(shí)候，鋰電池將會(huì)進(jìn)行補(bǔ)充輸出；待巡航時(shí)，氫燃料電池將對(duì)鋰電池會(huì)將富余的電能回充到鋰電池。
而科比特航空推出HYDrone-1800多旋翼無(wú)人機(jī)這個(gè)事件，成了“氫燃料電池能否在工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)應(yīng)用”爭(zhēng)論的導(dǎo)火索。
在筆者收集的資料中，總結(jié)了幾點(diǎn)多數(shù)專家共同認(rèn)可的因素，來(lái)對(duì)氫燃料電池在應(yīng)用中無(wú)法回避的問(wèn)題進(jìn)行一些剖析：
1、氫氣的制取：氫氣制取的方法非常多，最常見(jiàn)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(guò)后者的方法制取出來(lái)的，技術(shù)非常成熟，目前的工廠車(chē)間成本大約為2.5元/m3，而在HYDrone-1800上實(shí)現(xiàn)4.5小時(shí)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(yùn)輸、分銷等成本，目前高純氫的零售價(jià)格一般在15元/m3左右。目前許多工業(yè)國(guó)家正努力在未來(lái)實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)社會(huì)，將氫氣變成一種消費(fèi)品，其潛在的成本非常低廉。我們國(guó)家正在大力推廣煤制氫，氫氣成本大約為0.8-1元/m3。
2、燃料電池的高昂價(jià)格：在氫燃料電池發(fā)電的過(guò)程中會(huì)用到金屬鉑作為催化劑。而金屬鉑，就是我們常說(shuō)的白金，屬于稀缺金屬，被很多人認(rèn)為是造成燃料電池成本高的主要原因。但是事實(shí)上我們了解到，目前在燃料電池中的鉑使用量非常少，其材料成本根本不高，每kW功率燃料電池所含有的鉑的價(jià)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(dǎo)致生產(chǎn)成本過(guò)高。當(dāng)然單靠無(wú)人機(jī)行業(yè)可能無(wú)法將產(chǎn)量做到足夠大，但是隨著氫燃料電池在汽車(chē)等其他領(lǐng)域的普及，其成本會(huì)大幅下降，甚至低于鋰電池目前的成本水平。當(dāng)然目前還有很多公司和研究機(jī)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(cuò)的效果。
3、氫氣的儲(chǔ)存：一般常見(jiàn)的儲(chǔ)存方法有常壓吸附儲(chǔ)氫、高壓儲(chǔ)氫、液氫儲(chǔ)氫、化合物儲(chǔ)氫等。氫氣的各種存儲(chǔ)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(yīng)用領(lǐng)域和使用方法來(lái)選擇更合適的儲(chǔ)氫方法。在汽車(chē)上被各大車(chē)廠廣泛采用的是高壓儲(chǔ)氫方法，但是需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(jì)出使用更方便更安全的加氫設(shè)備，做到像汽車(chē)加油一樣的便捷。
氫能民用就此“因噎廢食”？
在討論這個(gè)問(wèn)題之前，我們先看幾則新聞，以下新聞均摘自中國(guó)科技部官方網(wǎng)站：
2015年9月，中國(guó)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(guò)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(fù)載在半導(dǎo)體上，可以有效提升半導(dǎo)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(fù)載在硫化鎘半導(dǎo)體上，獲得了高效、穩(wěn)定、廉價(jià)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(jià)格低廉、性能優(yōu)異、制備簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性強(qiáng)，對(duì)于未來(lái)光解水制氫具有重要應(yīng)用價(jià)值。
2015年12月，中國(guó)科大學(xué)熊宇杰教授課題組設(shè)計(jì)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(shí)，大幅度提高光解水制氫性能，為開(kāi)發(fā)低成本、高性能光催化材料提供了新的途徑。
熊宇杰小組別出心裁地設(shè)計(jì)出一種新型鈀-鉑核殼結(jié)構(gòu)助催化劑，無(wú)需使用成本高昂的原子層沉積技術(shù)即可生長(zhǎng)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(wú)助催化劑的半導(dǎo)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(dǎo)體光催化劑體系提高8.2倍。同時(shí)，該設(shè)計(jì)以相對(duì)廉價(jià)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12月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院吳長(zhǎng)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(jiǎn)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提供了新途徑。
一個(gè)又一個(gè)相關(guān)技術(shù)在突破，雖然從研究成果到工業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，但可以預(yù)見(jiàn)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(jì)廉價(jià)、高效的光催化體系提供新途徑。
氫燃料電池是被看好的21世紀(jì)新能源之一，在無(wú)人機(jī)、汽車(chē)、工廠、住宅供電等方面都有著極大的需求和應(yīng)用前景，甚至在未來(lái)有望取代現(xiàn)有石油經(jīng)濟(jì)體系的“氫經(jīng)濟(jì)”時(shí)代，成為人類生活必不可少的能源。世界各國(guó)都對(duì)氫燃料電池表現(xiàn)出極大的熱情并投入巨大的資金。而且我國(guó)國(guó)家頂層設(shè)計(jì)也在加快燃料電池的市場(chǎng)化步伐，積極培育以儲(chǔ)氫罐、加氫站、輸氫管道等為標(biāo)志的氫經(jīng)濟(jì)或氫產(chǎn)業(yè)。
氫燃料電池能否在無(wú)人機(jī)行業(yè)規(guī)模化、商業(yè)化應(yīng)用，爭(zhēng)的是當(dāng)下，一件工業(yè)產(chǎn)品的成熟是個(gè)漫長(zhǎng)過(guò)程，無(wú)人機(jī)行業(yè)的發(fā)展，不止眼前的茍且，還有更廣闊的未來(lái)值得探索。
