歐盟清潔氫能聯(lián)合行動推進氫能航空技術創(chuàng)新

歐盟清潔氫能聯(lián)合行動（CHJU）將加快歐洲安全和可持續(xù)清潔氫技術價值鏈的開發(fā)和部署，加快創(chuàng)新的、具有競爭性的清潔解決方案進入市場，最終為可持續(xù)、脫碳和完全一體化的歐盟能源系統(tǒng)以及歐盟的氫能戰(zhàn)略做出貢獻。CHJU將和歐盟的清潔航空聯(lián)合行動（CAJU）加強戰(zhàn)略合作，開展氫動力航空技術研究和創(chuàng)新。歐盟的清潔氫能聯(lián)合行動于2021年11月啟動，是歐盟燃料電池與氫能（FuelCellsandHydrogen）計劃（2007—2013年）、燃料電池與氫能2（FuelCellsandHydrogen2）計劃（2014—2021年）的后續(xù)，主要目標是通過優(yōu)化研發(fā)活動的資金配置，為歐盟綠色協(xié)議和氫能戰(zhàn)略做出貢獻。CHJU的研究和創(chuàng)新活動在很大程度上受到歐盟氫能戰(zhàn)略以及在此背景下的政策發(fā)展的指導，研發(fā)重點是可再生氫能的生產、運輸、配送和儲存，以及運輸、建筑和工業(yè)中選定的燃料電池最終使用技術，通過氫能應用的開發(fā)和擴大，產生顯著的、可量化的成果，在實施氣候中和路線圖中發(fā)揮重要作用。歐盟在CHJU及前續(xù)計劃中的氫能航空相關的項目主要涉及機載輕質液氫儲罐、航空用氫燃料電池、應急動力裝置及輔助動力裝置等技術，見表1。表1

CHJU及前續(xù)計劃中的氫能航空相關項目COCOLIH2T項目機載液氫的安全高效儲存是氫能技術的重要推動因素，也是最復雜的航空工程挑戰(zhàn)之一。每千克液氫所含能量大約是傳統(tǒng)航空燃料的3倍，但其密度較低，相同能量情況下液氫體積幾乎是傳統(tǒng)航空燃料的4倍。對現(xiàn)有最先進解決方案的改進包括更好地利用可用的燃料儲存空間、充分的隔熱技術，以最大程度地減少熱泄漏、持續(xù)的安全操作，以及通過輕質材料（如熱固性或熱塑性復合材料）減輕質量，同時解決這些材料在滲透、微裂紋和熱疲勞等方面的固有挑戰(zhàn)。柯林斯宇航公司領導的復合材料保形液氫儲罐（COCOLIH2T）項目，為液氫儲罐研發(fā)新的熱塑性材料，用于未來的氫動力飛機，重點是減輕儲罐質量和體積對飛機的影響，同時確保系統(tǒng)安全。COCOLIH2T項目不僅將為航空業(yè)開發(fā)一種安全的復合材料和真空隔熱液氫儲罐，而且還將通過新的制造技術設計和制造保形儲罐，使生產能耗減少60%以上，生產時間減少50%以上，從而顯著降低制造成本。此外，COCOLIH2T項目所提出的儲罐結構旨在使整體系統(tǒng)質量比傳統(tǒng)儲罐配置減輕。COCOLIH2T項目將解決的關鍵挑戰(zhàn)是，生成一種可行且價格合理的保形儲罐，同時盡可能減少蒸發(fā)泄漏。COCOLIH2T項目的整體系統(tǒng)將于2025年達到技術成熟度（TRL）4。熱塑性材料液氫儲罐NIMPHEA項目

基于氫燃料的燃料電池（FC）用于飛機，可在不排放污染物、減少噪聲排放和提高能效的情況下提供能源和動力。汽車行業(yè)的低溫質子交換膜（LT-PEM）技術引起了航空業(yè)的極大興趣，但該技術的熱管理問題仍有待解決。在100℃以下運行時，LT-PEM技術所包含的膜電極組件（MEA）具有較高的功率密度，但由于散熱不良，與飛機環(huán)境不兼容。此外，目前在160℃左右運行的高溫燃料電池盡管有較好的散熱，但并沒有達到預期的航空性能水平。開發(fā)在高于120℃的溫度下工作、且性能與當前MEA相當?shù)男乱淮鶰EA，是開啟氫燃料電池在航空領域應用的關鍵。下一代改進型航空高溫膜電極組件（NIMPHEA）項目的目標是在開發(fā)和優(yōu)化組件（催化層、膜和氣體擴散層）的基礎上，開發(fā)一種與飛行環(huán)境和要求兼容的新一代MEA，能在1.5MW的系統(tǒng)規(guī)模下，實現(xiàn)更高水平的燃料電池目標，即在160～200℃的標稱工作溫度下，功率密度達1.25W/cm2。MEA的高端合成和組裝工藝將通過確定工藝參數(shù)進行評估，并通過實驗室級MEA測試的迭代過程進行改進，這種MEA技術將最終在一個典型的單電池原型（165～180cm2）中得到驗證，并進行生態(tài)效率評估、全生命周期成本和內在危害分析，以驗證MEA的開發(fā)，在2026年年底達到TRL4。BRAVA項目

汽車用燃料電池系統(tǒng)功率通常在100kW左右，但飛機需要更大的兆瓦級功率，并且必須在不同的溫度和壓力下運行，同時保持系統(tǒng)的安全性和可靠性水平符合航空標準。突破性航空用氫燃料電池技術（BRAVA）項目將為基于燃料電池的航空用發(fā)電系統(tǒng)（PGS）開發(fā)突破性技術，目標功率達到2.4MW。預計未來的兆瓦級系統(tǒng)將是一種基于多電堆的飛機推進系統(tǒng)，空客公司估計，幾臺基于燃料電池的兆瓦級PGS可以用來驅動一架搭載100名乘客的飛機達到1852km的航程。燃料電池電堆和生態(tài)平衡元件、熱管理系統(tǒng)、換熱器設計技術以及空氣供應系統(tǒng)構型，將成為這種基于兆瓦級燃料電池的PGS的構建模塊。項目的關鍵成果包括：新型催化劑和膜具有更高的性能、耐用性和更高的運行溫度能力，能夠集成到新型MEA中，以實現(xiàn)高效率、輕質量、小體積和長壽命；基于兩相冷卻的熱管理系統(tǒng)（包括一個新設計的燃料電池電堆），具有緊湊性和輕質量，從而優(yōu)化燃料消耗；增材制造的換熱器可增加散熱能力，且緊湊、輕質、低阻；一種新的空氣供應結構和組件經過設計優(yōu)化，可提供低寄生功率并減輕質量，從而降低燃料消耗和設備成本。這些燃料電池子系統(tǒng)的每一項技術都將研發(fā)至TRL5。HEAVEN項目

商用載人飛行器用高功率密度液氫燃料電池系統(tǒng)（HEAVEN）項目的主要目標是設計、開發(fā)基于高功率密度燃料電池和低溫技術的動力總成，并將其集成到現(xiàn)有的4座HY4飛機中用于飛行測試，展示飛機利用低溫液氫的可行性。該項目將設計一種具有模塊化系統(tǒng)的架構，可以擴展到其他尺寸的飛機和無人機中應用，在設計過程中輔以安全和法規(guī)分析。兩個基于金屬雙極板的45kW的PEM燃料電池系統(tǒng)將適用于飛機，并與生態(tài)平衡元件優(yōu)化相集成，以獲得增強的燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在沒有鋰電池支持的情況下推動飛機運行。儲氫方面將基于在太空中成功應用的低溫技術，以便在10～25kg的氫有效載荷下達到約15%的質量效率（燃料質量/（燃料質量+燃料箱質量）），支撐演示驗證飛機飛行8h。在項目執(zhí)行期間，研究團隊將通過經濟和商業(yè)評估輔助技術開發(fā)，對該技術的生命周期成本進行評估，并制訂在不同航空市場中部署該技術的商業(yè)計劃。HEAVEN項目利用現(xiàn)有的傳動部件和飛機驗證機，在項目結束時達到TRL6。氫燃料電池動力HY4飛機FLHYSAFE項目

為了減少燃料消耗、溫室氣體排放以及運營和維護成本，同時優(yōu)化飛機性能，燃料電池系統(tǒng)被認為是多電飛機背景下高效發(fā)電系統(tǒng)的最佳選擇之一。用于飛機應急操作的氫燃料電池系統(tǒng)（FLHYSAFE）項目旨在證明具有成本效益的模塊化燃料電池系統(tǒng)可以取代最關鍵的安全系統(tǒng)，并用作商用飛機上的應急動力裝置（EPU），用于飛行控制、連接液壓系統(tǒng)和飛行關鍵儀表，以備緊急情況下使用，提供增強的安全功能。此外，該項目將證明在考慮安裝體積和維護約束的情況下將燃料電池系統(tǒng)集成到當前的飛機設計中的可行性。為了從演示驗證級別轉變?yōu)闇蕚湔J證的產品級別，有必要優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)的不同組件，以減輕質量、延長壽命、確?？煽啃砸约罢J證安全性，并使其成本符合市場要求。在FLHYSAFE項目中，由兩個主要航空一級原始設備制造商（OEM）帶領的研發(fā)團隊將提出使用PEM燃料電池電堆、集成度更高的功率轉換器和采用空氣軸承的空壓機的燃料電池技術?；谘邪l(fā)團隊成員在之前項目中的經驗，進行必要的測試，以證明與典型環(huán)境和安全要求的兼容性，項目在2023年已達到TRL5~6。HYCARUS項目

為了應對日益增加的減少燃料消耗和溫室氣體排放的壓力，航空公司正在尋找飛機上非推進系統(tǒng)的替代能源，大力研究在下一代飛機上使用非化石燃料發(fā)電為非必要應用（NEA）供能，氫燃料電池作為提供這種電力的潛在手段正在被積極探索。航空用氫燃料電池（HYCARUS）項目開發(fā)了通用燃料電池系統(tǒng)（GFCS），為NEA提供能源，如商用飛機的廚房或公務機上的二次電源。通過在達索“獵鷹”飛機上的飛行測試，GFCS將實現(xiàn)在有代表性的客艙環(huán)境中的性能驗證。此外，項目還調查了解如何捕獲和再利用副產品（熱、水和缺氧空氣），以提高其整體效率。HYCARUS項目開發(fā)的基于航空燃料電池的輔助動力裝置（APU）系統(tǒng)包含一個高壓氫罐，可用于飛機座艙增壓。HYCARUS項目擴展了汽車行業(yè)已經完成的工作，特別是安全規(guī)范和標準，并將其開發(fā)用于機載安裝和應用，在高空和低環(huán)境溫度的飛行條件下，檢查效率、可靠性、性能、質量/體積比、安全性、成本和壽命方面的改進。HYCARUS項目還促進該行業(yè)所有廠商之間更好、更強的合作，包括航空設備和系統(tǒng)制造商、飛機制造商、系統(tǒng)集成商和燃料電池技術供應商等，項目在2019年已達到TRL6。清潔氫能與清潔航空的戰(zhàn)略合作

清潔航空聯(lián)合行動和清潔氫能聯(lián)合行動于2023年3月23日在清潔航空年度論壇上簽署了一份諒解備忘錄，開展氫動力航空技術研究和創(chuàng)新戰(zhàn)略合作。該備忘錄的目標是最大限度地發(fā)揮兩個聯(lián)合項目的協(xié)同作用，加強相互合作，保持業(yè)務活動步調一致。這一合作的基礎是交流雙方以下幾方面的信息：航空氫技術領域資助資金、工作方案規(guī)劃和協(xié)同，以及項目征集。這并不是雙方的第一次合作，2020年雙方曾啟動短程氫動力飛機技術聯(lián)合研究，預計可能在2035年投入使用。研究結果證明，協(xié)同兩個聯(lián)合行動，組織各自的項目計劃和相應的征集課題對于氫動力航空發(fā)展至關重要。2023年4月25—26日，清潔航空聯(lián)合行動和清潔氫能聯(lián)合行動共同組織了研討會，歐洲航空和氫能行業(yè)討論了氫動力航空路線圖的現(xiàn)狀以及未來的研究和創(chuàng)新需求。研討會包括一次全體會議（介紹了氫動力航空路線圖的現(xiàn)狀），以及6次技術會議。這些技術會議深入探討了包括氫能飛機架構、機載液氫儲存、氫渦輪動力系統(tǒng)、氫燃