中國首架有人駕駛氫燃料電池飛機試飛成功

 

一、前言

    據科技日報報道，中國自主研制的首架有人駕駛氫燃料電池飛機日前在瀋陽試飛成功，飛機飛行高度320米，全程零污染排放，使中國成為繼美、德之後第三個擁有此技術的國家。這架氫燃料電池試驗機是由中國中科院大連化物所與遼寧通用航空研究院聯合研製的，它是在遼寧通用航空研究院研制的RX1E電動飛機上進行改裝，採用大連化物所研制的20千瓦氫燃料電池為動力電源，配合小容量輔助鋰電池組，儲氫方式為機載35MPa氫儲罐。飛機在起飛和大速率爬升時由燃料電池和鋰電池組共同提供動力電能，在巡航階段完全由燃料電池提供電能，並為鋰電池組充電。據介紹，此項研究突破了氫燃料電池輕量化、高效水熱管理、高可靠機載動力系統集成等多項關鍵技術。試飛中，燃料電池系統輸出性能、安全性、可靠性和環境適應性等全部達到了技術要求，在-20℃低溫環境下表現出優良的存放、啓動和運行性能。

    大連化物所是中國燃料電池主要研究單位之一，其質子交換膜燃料電池研究團隊早在2001年就聯合國內相關單位研製出國內首台氫燃料電池電動車。近年來，團隊又先後研制出了多種型號的航空用質子交換膜燃料電池電源系統，填補了中國在這一技術領域的空白。其中，Ⅰ型系統2009年11月應用於我國首艘燃料電池動力飛艇“致遠一號”，Ⅱ型系統2012年7月應用於中國首架燃料電池無人機“雷鳥號”，燃料電池是一種高效、環境友好的發電裝置。以燃料電池為動力電源的航空器因低噪聲、零污染和長時間續航等顯著優勢，成為近年來國際上新能源飛行器的研發熱點。

 

二、燃料電池與氫能的發展

(一)燃料電池的歷史

    1839年英國的Grove發明了燃料電池，並用以鉑黑為催化劑的氫氧燃料電池點亮了倫敦演講廳的照明燈。60年代，燃料電池成功地應用於阿波羅登月太空船，從60年代開始，氫氧燃料電池廣泛用於太空領域，同時磷酸燃料電池也研製成功。從80年代開始，各種小功率電池在軍事及交通等各領域中均得到應用。依據電解質的不同，燃料電池分為鹼性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質子交换膜燃料電池（PEMFC）等。

 (二)氫燃料電池是什麼？

    氫燃料電池技術可驅動汽車，船隻和飛機，實際上氫經濟比石油經濟的影響還要廣大和深遠。  2002 年12 月日本豐田公司與本田公司已出產世界第一批燃料電池汽車。由於燃料電池能將燃料的化學能直接轉化為能，因此没有像火力發電須通過鍋爐、汽輪機、發電機的能量轉換，可以避免能量轉換損失，燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同，其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極，正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池内部，因此限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供给，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料電池就能連續發電。    

    燃料電池不受卡諾循環限制，能量轉換效率高，潔淨、無污染、噪音低，模組結構、比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。燃料電池被稱為是繼水力、火力、核能之後第四代發電裝置和替代内燃機的動力裝置。國際能源界預測，燃料電池是21世紀最有吸引力的發電方法之一。

 

三、世界首列氫能源有軌電車出現中國

    2016年3月19日，世界首列氫能源有軌電車在位于青島的中國南車四方股份公司竣工下線，車輛加滿一次氫只需3分鐘，可持續行駛100公里，最高運行時速可達70公里。這輛車是繼永磁現代有軌電車和混合儲能式有軌電車后，南車四方在有軌電車領域的又一重大創新成果，填補了氫能源在全球有軌電車領域用的空白，也使中國成為世界上第一個掌握能源有軌電庫技術的國家。氫燃料作為一新型清潔能源，是當前全球新能源開發利用的主流方向之一。氫燃料電池技術已在汽車業得到商業化運用，而在軌道交通領域尚處於早期階段，未有成熟的應用，尤其在有軌電車領域尚屬空白。南車四方公司從2013年開始聯合業内權威科研院所，歷時近兩年的攻關，突破了將氫燃料電池應用于有軌電車的一系列關鍵技術，率先開發出氫能源有軌電車。

    南車四方公司總工程師梁建英告訴記者，下線的氫能源有軌電車採用氫燃料電池作為動力源，其功能相當于一個“發電機組”，即在車載氫燃料電池堆里，通過氫氣和氧氣結合的化學反應產生電流，源源不斷輸送電能，驅動有軌電車。同時，氫能源有軌電車全線無接觸網營運，不影響城市景觀，也無需沿途設置充電站，節約了整体投資成本。氫能源有軌電車不僅解決了常規有軌電車需架設接觸網、普通儲能式有軌電車續航里程短的“瓶頸”問題，而且，車載氫燃料電池的整個反應過程最高温度不超過100℃，不會產生氮氧化合物，唯一產物是水，因而做到了真正意義上的“零”排放，綠色環保。據梁建英介紹，新製的氫能源有軌電車還應用了同步永磁電機直驅、絞接轉向架兩項世界領先技術，具有傳動效率高、啟動加速度快、營運可靠、維護費用低、轉彎靈活、曲線通過能力強等技術優勢。車輛設計採用模塊化，可2至5節靈活編組，新下線的氫能源有軌電車採用3節編組，設座位60多個，總載客量超過380人。車輛還採用世界最先進的100%低地板技術，地板距軌面高度僅37.8厘米，無需站台，乘客抬脚即可搭乘。繼接觸網式有軌電車和儲能式有軌電車之后，氫能源有軌電車的問世，開啟了以新能源應用為標誌的現代有軌電車“3.0時代”。3月19日，世界首列氫能源有軌電車在中國南車四方公司竣工下線，它的問世，填補了氫能源在全球有軌電車領域應用的空白，也使中國大陸成為世界上第一個掌握氫能源有軌電車技術的國家。