導語

航空業(yè)碳排放居高不下，隨著其他產業(yè)去碳化加速，航空業(yè)碳排放占比將顯著上升。氫能作為清潔能源，在航空領域具有巨大潛力，是實現(xiàn)航空業(yè)降碳目標的關鍵技術之一。

摘 要

本文綜述了氫能在航空動力領域的應用現(xiàn)狀，包括氫渦輪動力、氫燃料電池動力以及氫燃料航空內燃機等關鍵技術研究進展，分析了航空氫燃料存儲技術（高溫氣態(tài)、低溫液態(tài)、金屬氫化物等）以及機場氫能基礎設施建設等面臨的挑戰(zhàn)和解決方案，對氫氣易燃易爆、易擴散、易造成氫脆等特性帶來的安全隱患進行探究，并介紹了國際上在氫能安全方面的研究成果和經驗。隨著氫能技術的進步和全產業(yè)鏈成本的下降，氫能有望在航空業(yè)得到廣泛應用，推動航空運輸業(yè)實現(xiàn)低碳轉型。

世界經濟論壇資料顯示，航空運輸業(yè)作為溝通世界的橋梁，貢獻了3.5萬億美元的全球GDP，在全球GDP中所占比例為 4.1%。目前，在全球總排放量中，航空運輸業(yè)的二氧化碳排放量占3%，隨著其他產業(yè)去碳化步伐的加快，航空運輸業(yè)二氧化碳排放比重到2050年可能提高到22%。如何降低航空運輸業(yè)的碳排放，實現(xiàn)全球“碳中和”，尋找清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)石油能源和發(fā)展低碳技術已迫在眉睫。

根據國際民航組織（ICAO）的預測，按照當前航空技術的發(fā)展速度，航空運輸業(yè)未來能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。目前，ICAO已經將航空運輸業(yè)碳排放目標定在2050年之前將排放量降低到 2005年的50%。然而，經過評估后發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)這一目標可能面臨挑戰(zhàn)，存在一定的不確定性。各國對航空運輸業(yè)的低碳發(fā)展已進行了相關研究，提出了各自的低碳行動計劃。例如：歐盟委員會提出了“可持續(xù)歐洲投資計劃”，該計劃的核心在于未來一段時間內歐盟將針對氣候行動進行專項撥款，撥款總額占整個歐盟長期預算的25%。同時，美國還制定了一系列航空規(guī)劃，包括研發(fā)更節(jié)能的新型飛機和發(fā)動機技術，引進更高效的新型飛機，優(yōu)化航行軌跡，減少航空燃油消耗和飛機飛行尾跡的影響，促進使用可持續(xù)航空燃油等。

航空業(yè)正通過可持續(xù)航空燃料（SAF）和氫能替代傳統(tǒng)燃料，逐步降低碳排放強度。政策支持和技術進步是推動這一過渡的關鍵因素，目標在2030年實現(xiàn)5%的SAF使用率，2035年推出零排放飛機，并在2050年達到氫燃料飛機的5%采用率（見圖1）。與傳統(tǒng)航空煤油等化石能源相比，氫能在能源輸出過程中幾乎實現(xiàn)零碳排放。氫能作為燃料的一個顯著特點是燃燒后的產物主要是水蒸氣和少量氮氧化物，不含人們熟知的各類污染物。同時，氫能還有原料來源豐富、燃燒性能好等優(yōu)勢，其單位質量的能量密度約為標準航空燃料的3倍，非常適合航空器使用。氫能作為一種零污染的能源載體，在航空運輸業(yè)低碳化發(fā)展的趨勢下得到了高度重視和迅速發(fā)展。

本文對氫能在全球航空領域的應用情況進行梳理，并對關鍵技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行概述和展望。

圖1 航空業(yè)向可持續(xù)航空燃料和氫燃料轉型時間線

1 氫能在航空領域的應用

全球多個國家的頭部企業(yè)都在積極進行氫能源航空技術的研發(fā)。空客公司與多家企業(yè)合作，全面布局氫能航空技術，并計劃在2035年前投入使用氫渦輪動力技術。普惠（Pratt & Whitney）正在開發(fā)氫蒸汽噴射間冷渦輪發(fā)動機，預計將在 2035年后投入使用。這些進展顯示出全球領先企業(yè)在推動氫能航空技術上的積極態(tài)度和長遠愿景，為未來航空領域可持續(xù)發(fā)展貢獻重要的技術創(chuàng)新和實施計劃。

中國政府也高度重視氫能在航空領域的應用。中國工業(yè)和信息化部、科學技術部、財政部、中國民用航空局聯(lián)合印發(fā)《綠色航空制造業(yè)發(fā)展綱要（2023-2035年）》，該綱要反映了政府對氫能航空技術的高度重視。

目前，氫能在航空運輸中的主要應用方向有氫渦輪動力、氫燃料電池動力、氫燃料航空內燃機等。

在氫渦輪動力方面，空客 (AIRBUS)與CFM國際公司、GE 公司和賽峰集團 (SAFRAN GROUP)合作研發(fā)氫渦輪動力技術，計劃于2035年前推出首款氫能客機。同時，空客聯(lián)合多家機場運營商共同開發(fā)修建氫能飛機所需的必要機場設施，聯(lián)合構建氫能飛機與機場之間的生態(tài)系統(tǒng)。賽峰集團與其他合作伙伴共同研制了BeautHyFuel液氫飛機驗證機，該項目核心是 Turbotech TP-R90再生式渦槳發(fā)動機，目前這款發(fā)動機采用的是以氣態(tài)形式存儲的氫燃料。賽峰集團計劃2024年正式開展第二階段實驗，將發(fā)動機與液化空氣集團開發(fā)的低溫液體存儲系統(tǒng)連接，以驗證端到端集成推進系統(tǒng)在整架飛機上的所有功能。

在氫燃料電池動力方面，空客公司進行了氫燃料電池動力的研發(fā)，計劃自行研發(fā)兆瓦級動力。ElringKlinger公司與合作伙伴共同創(chuàng)立了合資企業(yè) Aerostack，旨在致力于研發(fā)氫燃料電池系統(tǒng)，預計該技術將在2035年之后得以廣泛應用。

普惠公司參與了美國能源部的The Hydrogen Steam Injected Intercooled Turbine Engine（HySIITE）計劃。該項目的關鍵技術是將氫渦輪動力與蒸汽注入/回收系統(tǒng)進行集成，預計該技術將在2035年之后投入使用。

“零碳飛行”（FlyZero）是《英國航空零碳排放愿景》的子項目，該項目由英國航空航天技術研究院（ATI）發(fā)起，目前 ATI 在積極推動該項目進展。 “零碳飛行”項目核心在于論證氫動力航空的可行性，根據 ATI 發(fā)布的資料顯示，他們已經論證了氫動力航空的可行性。

在我國，由楊鳳田院士主持研制的小型氫內燃 機 RX4HE 原型機15號已于2023年3月在沈陽市法庫財湖機場成功首飛。

2 航空動力領域氫能關鍵技術

在航空動力領域，氫能源技術主要有以下幾個方面。一是氫燃料航空動力技術。氫能可以直接作為能源，只需在傳統(tǒng)航空發(fā)動機基礎上改進，如氫渦輪動力；也可以作為間接能源，將氫能轉化為電能，為飛機提供動力，如氫燃料電池動力；也可以針對氫能專門開發(fā)動力系統(tǒng)，如氫燃料航空內燃機。二是航空氫燃料存儲技術。因為氫氣獨特的物理特性，需要開發(fā)相關安全儲存技術。三是機場 氫能基礎設施建設相關技術。其包含氫氣生產設 施、液化裝置、儲存系統(tǒng)、氫氣加注基礎設施等。

2.1 氫燃料航空動力技術

目前，氫能飛機的動力推進方式與現(xiàn)有飛機的推進方式并無區(qū)別，都是由引擎提供動力，只是在引擎的能量來源上與現(xiàn)有飛機有較大區(qū)別，即用氫氣替代化石能源對引擎或電池等提供能源，由此衍生出氫渦輪、氫燃料電池、氫燃料航空內燃機等研究方向。

2.1.1 氫渦輪動力

氫渦輪技術可以分為兩種主要形式。第一種是類似目前常見的航空渦輪發(fā)動機的氫渦輪風扇發(fā)動機 (見圖2)。氫渦輪風扇發(fā)動機是在傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機的基礎上進行改進，使其能使用氫燃料替代傳統(tǒng)航空燃料，組成新的動力系統(tǒng)。在這種設計中，動力來源與現(xiàn)有航空渦輪發(fā)動機類似，只是燃燒室中是氫燃料燃燒。第二種是氫渦輪電動風扇發(fā)動機（見圖3），其原理是通過渦輪驅動發(fā)電機發(fā)電，再由電動機帶動風扇產生推力。

圖2 氫渦輪風扇發(fā)動機工作原理

圖3 氫渦輪電動發(fā)動機工作原理

氫渦輪動力推力大，適用于較大的飛機，這也是目前航空巨頭將研究重心放在該種引擎的原因。目前，氫渦輪動力技術由空客公司、賽峰集團、CFM國際公司和GE公司等多家公司聯(lián)合開發(fā)。他們已成功建造出首個機載液氫儲氫罐。此外，空客與CFM國際公司合作改造 GE“通行證”發(fā)動機，并計劃在A380MSN1測試飛機上進行燃氫實驗。羅羅（Rolls-Royce plc）公司參與了兩個重要項目：新型氫燃料發(fā)動機結構設計（HEAVEN）項目和氫動力飛機與發(fā)動機的一體化設計與演示（CAVENDISH）項目，其是歐盟清潔航空聯(lián)合行動（clean aviation joint undertaking, CAJU）下的兩項重要計劃。這些項目旨在推動氫燃料發(fā)動機的創(chuàng)新設計和氫動力飛機的一體化開發(fā)與展示。

2.1.2 氫燃料電池動力

在當前的研究方向中，電動飛機是一大熱門，在此基礎上應用的氫燃料電池推進裝置是可能達成零碳飛行的重要研究方向。因為這套動力系統(tǒng)可以在不產生除水以外污染物的情況下，直接將氫轉化為電能（如圖4所示）。氫燃料電池具有較高的電化學反應熱效率（45%~50%），顯著提高了飛機續(xù)航能力，并且加氫快速，類似于燃油加注。典型集成化PEMFC結構如圖5所示。但是，與航油型發(fā)動機相比，氫燃料電池動力飛機仍然面臨著航程短、載重量低的問題。

圖4 氫燃料電池電動風扇發(fā)動機工作原理

圖5 典型集成化 PEMFC 結構示意圖

在全球范圍內，已有多家公司在進行氫燃料電池技術的研究和開發(fā)。加拿大Ballard PowerSystems公司、美國 Plug Power公司、日本豐田和本田公司在氫燃料電池系統(tǒng)技術領域均有較高的技術水平。中國公司，如億華通、南都電源、東方電氣、濰柴動力等在氫燃料電池領域也取得了顯著發(fā)展。

在航空領域，新加坡的H3動力公司在氫燃料電池動力無人機方面取得了顯著進展。該公司不僅成功完成了該無人機的風洞測試，還成功測試了分布式氫燃料電池動力短艙的運行效果。

2.1.3 氫燃料航空內燃機

氫燃料航空內燃機利用氫氣作為燃料，通過改變燃料供應系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)等進行燃燒，從而產生動力，具有零碳排放的優(yōu)點。

目前，我國遼寧通用航空研究院已成功研制出世界上第一臺四座級氫內燃飛機的樣機——RX4HE。該機型于2024年1月29日在沈陽市法庫財湖機場順利完成首飛任務。該機所使用的氫燃料航空發(fā)動機是在一汽集團研制的型號為15 的“紅旗”2.0 升零排放增壓直噴氫燃料專用發(fā)動機基礎上升級而成。同時，羅爾斯-羅伊斯（Rolls-Royce Holdings plc）公司在2023年成功測試了MTUS4000L64發(fā)動機，該發(fā)動機使用100%氫燃料運行。

目前螺旋槳式和噴氣式為常用的兩種飛行類型，如圖 6 所示，燃料電池動力飛機適用于小載荷且1000km左右航程的飛行，而氫渦扇飛機更適用于高載荷且具有較寬航程的飛行。

圖6 典型集成化 PEMFC 結構示意圖

2.2 航空氫燃料存儲技術

面向氫燃料航空動力系統(tǒng)的需求，如何高效、安全地儲存、運輸及使用氫燃料是一個必須解決的關鍵技術。在有限空間內存儲更多的氫燃料，使得飛行器的結構與常規(guī)狀態(tài)存在差異。氫燃料在航空儲運中面臨顯著挑戰(zhàn)，這主要源于其獨特的物理化學特性，包括低質量、低體積密度、易燃、易擴散、高滲透性以及氫脆等。為了應對這些挑戰(zhàn)，目前應用于航空領域的氫存儲方式主要有高壓氣態(tài)氫存儲、低溫液態(tài)氫存儲以及金屬氫化物等。每種儲氫方式都有其優(yōu)缺點，需根據具體應用場景進行優(yōu)化和改進，以確保氫燃料的安全和高效使用。

目前，對于氫能源飛機的機載氫燃料儲存，已掌握了高壓氣體和低溫液態(tài)儲罐等技術。這些技術能讓飛機安全地儲存和使用氫氣作為飛行過程中的燃料。面對壓縮氣體形式的儲氫技術，飛機的設計面臨著重要的挑戰(zhàn)，特別是在考慮到飛機的質量和體積限制的情況下。這種技術要求在有限的空間內存儲大量氫氣，因此需要尋找創(chuàng)新的解決方案來克服這些挑戰(zhàn)。相比之下，液態(tài)氫儲存技術展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢 ，因其較高的質量能 量儲存密度而備受關注。這種技術不僅能在更小的體積內存儲更多的氫氣，還能提供更長的飛行時間和更高的效能，對于未來氫能飛機的發(fā)展具有重要意義。

歐盟清潔氫能聯(lián)合行動（CHJU）自2021年11月啟動以來，已經成為歐洲氫能技術研究的重要組成部分。該計劃前身包括早期的燃料電池與氫能計劃，旨在推動航空領域的技術創(chuàng)新與發(fā)展。目前，CHJU的研究焦點主要集中在多個關鍵技術領域，如液氫儲罐、航空用氫燃料電池等。

2.3 機場氫能基礎設施建設相關技術

使用氫燃料面臨的挑戰(zhàn)包括其低溫易蒸發(fā)和易燃的特性，與傳統(tǒng)石化燃料存在顯著差異。這些特性使得氫燃料的加注過程變得復雜且具有高安全風險，導致飛機停靠加注燃料的時間和運營成本增加。為了應對這些挑戰(zhàn)，正在積極開發(fā)高效、安全的氫燃料加注技術和系統(tǒng)。

研究發(fā)現(xiàn)，可以通過現(xiàn)有的天然氣管道向機場輸送氫氣。到達機場后，需要對氫氣進行液化處理。在氫氣含量較低的情況下，通過現(xiàn)有的管道與天然氣進行混合后即可輸送，而無須進行重大的技術調整。然而，這也帶來了一些挑戰(zhàn)和需求，包括解決配套裝備的摻氫適應性問題，以充分利用現(xiàn)有天然氣管道。

3 航空氫能的安全性研究

盡管氫能源具備清潔環(huán)保的優(yōu)勢，在氫作為未來航空燃料的研究中，其物理化學特性至關重要。氫氣是目前已知密度僅為空氣 1/14的最輕氣體，這使得氫氣具有極高的擴散性，并能在空氣中迅速浮起，在泄漏后的空氣中擴散速度可達每秒9m。此外，氫氣無色、無味、無毒且不具腐蝕性，這些特性使其在航空應用中相對安全，但也帶來了挑戰(zhàn)。盡管氫氣在開放環(huán)境下不易聚集爆炸，但其高度易燃的特性意味著在適當的條件下仍可能引發(fā)嚴重的安全問題。因此，在將氫氣應用于航空燃料時，必須綜合考慮其特性與安全方面面臨的問題，確保系統(tǒng)的安全性和可操作性。

3.1 爆燃與爆轟

氫氣在燃燒時可能會發(fā)生爆燃，也可能會發(fā)生與空氣預混合氣體爆炸的現(xiàn)象。爆燃是一種燃燒波以亞聲速傳播至未燃混合氣體的劇烈燃燒過程。例如，2020年在韓國蔚山的一處氫氣儲存設施就發(fā)生了一起爆燃事故。爆轟則是指以超聲速傳播的燃燒波劇烈燃燒的現(xiàn)象。1937年的“亨登堡號”飛艇發(fā)生嚴重的安全事故導致36人喪生，原因就是氫氣爆轟。

3.2 氫脆和氫腐蝕

氫氣具有極活潑的化學性質，其滲透力強。當高強度鋼等金屬材料與氫氣接觸時，氫氣會通過吸附、溶解和擴散等滲入到金屬的晶體結構內部。在金屬內部，氫氣可以形成固溶體、氫化物、氫分子、氫原子和氫離子等物質，這些氫相關的物質會改變金屬的微觀結構，使其在應力作用下易產生裂紋等損傷缺陷，導致金屬變脆，即氫脆現(xiàn)象。

目前，在航空業(yè)中尚未出臺具體的氫能安全政策。然而，多國和多個研究機構在氫能安全方面已做出重要努力。例如，澳大利亞的麥考瑞大學可持續(xù)能源研究中心（MQ-SERC）專注于氫燃料電池汽車安全評價技術，并提供氫能應用安全咨詢服務。日本橫濱國立大學與企業(yè)合作研究氫燃料汽車加油機的安全距離計算方法，而日本先進工業(yè)科學技術國家研究所則定量評估了加氫站運轉時的人員生命危險程度。英國的奧斯特大學成立了氫安全工程與研究中心（HySAFER），專注于氫氣安全應用的數值模擬研究，并制定了氫氣安全模擬的最佳實踐指南（BPG）。此外，歐洲氫氣安全委員會（EHSP）從氫事件事故數據庫（HIAD 2.0）中吸取教訓并制定了安全規(guī)劃指南，歐盟還成立了國際氫安全協(xié)會“HySafe”。美國能源部西北太平洋國家實驗室與美國化學工程師協(xié)會 (AICHE) 共同組建了安全指導和教育材料——氫氣安全中心 (CHS)，以確保氫氣作為可持續(xù)能源載體的安全使用。這些舉措推動了全球范圍內對氫能安全性的關注和研究，為氫能在航空及其他領域的安全應用奠定了基礎。

4 結論與展望

氫能作為一種幾乎零碳排放的能源，在航空領域具有巨大的潛力。氫燃料的使用能顯著降低航空運輸業(yè)的碳排放，有助于實現(xiàn)航空運輸業(yè)的可持續(xù)發(fā)展目標。同時，氫能在航空領域的應用不僅限于氫渦輪動力和氫燃料電池動力系統(tǒng)，還包括氫內燃機等。這為航空器提供了多種動力選擇，有助于推動航空技術的創(chuàng)新和多樣化。

目前，氫能的利用還存在很多挑戰(zhàn)：在氫能的儲存、運輸和加注方面，需要建立安全的液氫儲存和運輸基礎設施，以及開發(fā)高效、安全的加注技術和系統(tǒng)；氫氣的易燃、易擴散、易造成氫脆等特性給其在航空領域的應用帶來了安全挑戰(zhàn)，需要研究和制定嚴格的安全標準和操作程序，以確保氫能應用的安全性和可操作性；當前氫能的生產、儲存和運輸成本相對較高，需要通過技術創(chuàng)新和規(guī)模化生產來降低成本，提高氫能作為航空燃料的經濟可行性。

隨著技術的進步和成本的降低，預計氫能將在航空工業(yè)領域得到更廣泛的應用。從短期到中期來看，氫能已開始在區(qū)域性或短途航線上進行試驗和應用。從長期來看，隨著相關技術的成熟和規(guī)模化，氫能有望成為主流的航空燃料，廣泛應用于各種規(guī)模的航線，從而推動航空運輸業(yè)實現(xiàn)全面的低碳轉型。此外，氫能的應用還將促進相關產業(yè)鏈的發(fā)展，包括氫燃料的生產、儲存、運輸和加注等，為航空工業(yè)帶來新的增長點。

來源：《氫能技術》，作者萬雄、王鵬、張海龍、張承志、周太剛、馬存祥、林冰、周人治、唐鋆磊、伏宇

2025年度氫能產業(yè)“金鼎獎”評審通知

GOLDEN TRIPOD AWARDS 

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評選范圍全面覆蓋氫能全產業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)，囊括制氫、電解槽、儲運及核心零部件等領域的優(yōu)質企業(yè)品牌、前沿創(chuàng)新產品、關鍵創(chuàng)新技術與典型應用案例，實現(xiàn)對產業(yè)優(yōu)質資源的精準挖掘與整合。本次評選以“樹立行業(yè)標桿、賦能高質量發(fā)展”為核心宗旨，通過遴選產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的優(yōu)秀典范，發(fā)揮榜樣示范引領作用，凝聚產業(yè)發(fā)展共識，引導行業(yè)資源向創(chuàng)新驅動、綠色低碳方向集聚，助力氫能產業(yè)高質量、規(guī)范化發(fā)展！

獎項設置

01 2025 年度氫能領軍人才年度成就、創(chuàng)新應用、技術專家

02 2025 年度氫能制氫裝備領軍企業(yè)ALK/PEM/AEM/SOEC

03 2025 年度氫能燃料電池領軍企業(yè)電堆及相關核心產品

04 2025 年度氫能儲運加裝備領軍企業(yè)液氫、加氫站、壓縮機等

05 2025 年度氫能測試與裝備領軍企業(yè)綜合裝備、涂布設備、測試平臺、 測量設備、激光設備

06  2025 年度氫能最佳材料部件供應商膜電極、雙極板、壓縮機、傳感 器、氣體擴散層、密封材料、質子交換膜、碳紙、催化劑、DCDC 等

07 2025 年度氫能交通示范領軍品牌重卡、兩輪、低空經濟

08 2025 年度氫能最佳服務機構協(xié)會媒體、服務機構、產業(yè)園等

09 2025 年度氫能優(yōu)秀項目案例綠氫項目、零碳案例

10 2025 年度氫能年度新銳企業(yè)成立三年內新銳企業(yè)評選流程

01 2026 年 1 月 15 日—2 月 28 日征集申報企業(yè)、高校、科研機構、個人按要求 填寫并提交申報表，組委會審查申報材料。

02 2026 年 3 月 1 日—3 月 5 日專家初評 組織專家對申報材料進行初評審核。

03 2026 年 3 月 6 日—3 月 10 日補充材料。

04 2026 年 3 月 11 日—3 月 15 日組織專家就初篩名單進行綜合評審，評選出“氫能金鼎獎”。

05 2026 年 3 月 24 日發(fā)布評選結果，于 CHEC2026 期間舉辦頒獎儀式。

評選報名

張老師 18088655286

劉老師 13756043953

郵箱：qn@21xny.com