无人机即将迎来氢能源时代
无人机即将迎来氢能源时代
氢燃料电池相比于目前广泛采用的锂电池，续航优势明显，生命周期内性能衰减小；氢气加注时间短。锂电池多轴无人机普遍续航在30~60分钟左右，要花不少时间充电，电池性能随使用时间增长会有所下降。而氢燃料电池加注氢气时间短，生命周期内性能衰减小，续航时间也超过4个小时。
相比于油动无人机，除了续航优势外，氢燃料电池对环境影响小的多，只排放纯净水，从生产、使用到回收都不会产生任何污染，噪音也小的多。
氢燃料电池应用到无人机上，优点很多，技术难点也不少。比如，燃料电池电堆运行对于气体纯度要求高，低温启动及散热也是难以攻克的问题。车用水冷电堆在地面运行，有外围精良的装备加持，解决这些问题尚且不易；而无人机以克计成本，机身要求轻便，燃料电池系统必须简洁，所采用的风冷电堆的工作模式是敞口吸入空气运行，进入无人的空中环境可控难度很大，所以更加不易。
一、不断被打破的续航时间，还有更苛刻的使用条件
2016年4月10日，科比特推出了全球首款产品化的氢燃料多旋翼无人机——HYDrone-1800（据悉，早期燃料电池堆由众宇动力提供），填补了氢燃料在无人机应用市场的空白，同时该款无人机拥有273分钟的续航也打破了一直困扰多旋翼无人机多年的续航时间短的问题。
HYDrone-1800氢燃料多旋翼无人机
2019年9月17日至19日在德国斯图加特举行的INTERGEO是由德国测绘、地理信息和土地管理协会主办，是德国规模最大、覆盖最全的测绘展会之一。作为参展商，科比特航空科技公司正式推出一款名为Griflion H的新能源无人机，并宣布该款无人机已取得首飞成功。这是一款采用一体化设计的氢燃料垂起固定翼电池无人机平台，搭载高效率的金属双极板氢燃料电池，最大储气量为27L，经过飞行测试，无人机空载续航时间可达15个小时，即便是携带3Kg的负载，也能够达到10个小时的续航，极大提升工业级垂起固定翼无人机的续航能力。
Griflion H氢燃料电池固定翼无人机
同济大学-莱茵金属氢能燃料电池联合实验室主任宋珂博士创办的上海济美动力公司致力于为航空业各类型飞机提供安全、清洁、经济、高效、长续航的氢燃料电池动力系统综合解决方案，首架氢燃料无人机已于2021年12月26日起飞，并获得资本市场的青睐，首轮融资超千万元。济美动力自主开发的新一代高性能模块化燃料电池系统与整机合作伙伴共同成功研制出了最大有效载荷25kg，最长续航时间3小时的百公斤级多旋翼氢能燃料电池工业无人机，达到了国内外行业领先的运载作业能力。
2022年11月，青鸥30作为国内第二架首飞成功的氢能、垂直起降、长航时固定翼无人机，哈工大重庆研究院氢研院主任助理刘海东说，“量产在即，时间很赶。正在应用户需求，个别参数做最后的修改校正。”
2022年12月，氢航科技和中海油合作的为期一年的氢动力无人机渤海湾终端海管巡检合作项目圆满收官。该项目需往返航程50余公里，氢航科技的HydroCopter-04氢动力无人机采用的电机与螺旋桨组合力效高达14.5g/w，在带载状态下仅用1小时左右时间，就可单架次完成飞行任务，减少运维成本，提升巡检效率。
2023年2月下旬，山西电网巡检首次启用氢能无人机，纵横大鹏CW-25H氢动力垂直起降固定翼无人机，在低温0℃的条件下，80分钟完成晋城东南片区5座变电站及8条220KV输电线路的巡检任务。
二、看上去很美，氢能无人机正在“崭露头角”
由于燃料电池的技术特点与无人机的某些应用需求高度匹配，无人机市场开始逐渐成为燃料电池着力探索的应用场景。氢能无人机正在多个领域“崭露头角”，如冬奥会期间电力巡检、国家电网线路巡检、中海油海上油气设施巡检等。目前已经有以新研氢能、氢航科技、氢蓝时代、云创氢电、众宇动力、上海攀业、暗流科技、济美动力、新创氢翼等为代表的数十家燃料电池企业提供无人机用燃料电池产品，极大地扩展了无人机的应用领域和使用范围。
资本方面也嗅到了氢动力无人机巨大的发展潜力，仅2022年就先后有氢航科技、济美动力、新创氢翼三家主攻氢能无人机的燃料电池企业获得千万级别融资，用于后续产线建设、研发及运营、意向订单交付及多场景示范应用。
浙江氢航科技有限公司成立于2017年，从航空动力应用入手，设计和开发小型氢动力无人机产品，其研发的氢动力多旋翼产品通过了专业机构的检测，并已开始在国网、南网、国能、海油、管网、海事等领域的应用合作，氢动力无人机成熟度在行业里处于领先地位。氢航科技还向更大型的航空器提供氢动力系统，公司为某客户开发的应用于百公斤以上飞行器的40kw氢锂混动系统已经通过首次试飞实验。此外，公司与602所联合开发的AR-20氢动力变距多旋翼无人机，已经完成了3小时以上的带载全航时实验。
2021年12月，氢航科技的长航时氢动力无人机氢旋4号（Hydro Copter-04），顺利通过公安部第三研究所检测中心19个项目的测试，获得中国合格评定国家认可委员会（CNAS）实验室认证。氢旋4号业内第一家获得CNAS实验室认证，标志着氢动力航空产品已不再只是实验阶段的先进技术，而是正式成为了一个成熟的产品，可以拓展广阔的应用市场，服务于广大客户。值得注意的是，本次认证中对于氢旋4号特有的几个关键指标：2小时的带载长航时、每小时120毫米降雨下淋雨实验、-20℃~55℃的高低温环境适应性指标也第一次进行了严格的权威的检验。其中高低温指标远超国际同类飞机的水平。
需要指出的是，在国内大多企业将目光瞄向政策扶持的车用燃料电池市场时，浙江氢航科技有限公司却摒弃补贴思维模式，立足于氢能技术特点与未来趋势，独立研判有价值的应用场景，选择了无补贴的氢动力无人机市场作为突破口，摸爬滚打多年杀出一条血路，为氢动力无人机的发展照亮了方向。氢航科技总经理刘海力透露：“公司成立之初瞄向的是氢能应用，氢航科技的‘航’不仅指航空，更有氢能远航之意。我们秉持价值引导科学创新的经验理念，判断无人机能够发挥氢能优势，所以选择了无人机作为第一根据地。”氢航科技的这种差异化打法，与刘海力的学习及工作经历有关系。刘海力毕业于北京航空航天大学，熟悉飞机设计与制造。2008年，他在美国一家能源公司看到锂电无人机巡检实验，效果并不怎么好。以他的专业知识分析判断，锂电池能量密度偏低，即便在机身上做再多工作，最终也得不到很大的提升，唯有改变动力形式。恰巧那时候，刘海力也认识到了氢能的未来价值及应用潜力，于是将氢能应用到无人机的想法就此萌生。而后全球氢能势头愈发向好，氢能应用探索加快步伐，刘海力及其合作伙伴便共同策划发起并在两位天使投资人投资下创立了氢航科技。氢航科技作为一家致力于挖掘氢能应用前景的公司，首选无人机市场，并非仅源于刘海力团队欲提供无人机更多动力选择的想法，更是在价值引导的科学创新下的一种客观判断。
氢航科技燃料电池系统和电堆
氢航科技在整个摸索过程中，主要面临3大难题：一是展开艰难的技术攻关，解决氢动力无人机环境适应性等问题；二是遍寻国内外对氢动力无人机有真正刚需的市场，并以技术驱动这些市场的开启；三是公司在一步步成长过程中，需要更多的人才及大量资金支持，同时运营模式也要随之改变。氢航科技明确自身方向：要找到刚需市场，而且是“非氢不可”的市场，找到氢动力无人机作为使用工具的真正价值所在。刘海力说：“我们展开了大量深入的市场调查工作，跟一线客户进行了大量的充分接触，看有没有地方能够用到氢动力无人机的真正本事。”氢航科技团队在新疆待的时间很长，该地区拥有大量的长输管线，电网铺设范围很广，边境线也很漫长，都需要无人机进行巡检，是长航时无人机值得探索的区域。功夫不负有心人，目前已经取得了显著成效，公司已开始与国家电网、国家能源、中海油、国家管网等企业展开合作。
2019年12月18日在松山湖人才大厦正式注册成立，广东云创氢电科技有限公司凭着仅10人的创业团队，完成系列无人机用燃料电池产品的定型生产和销售，并获得了世界电池博览会金奖、国际工业设计大赛银奖等荣誉，以及投资人与客户青睐。短短10个月后，公司推出的一款续航超过6小时的工业级旋翼无人机搭载自主研发的无人机用氢动力系统闪亮登场，令业界瞩目。“首发产品计划2021年6月左右开始量产及客户个性化定制，预计企业年营业额将突破2000万元。”云创氢电创始人徐伟强表示，公司立志成为国际领先的无人机用氢燃料电池动力系统的领跑者。
值得一提的是，云创氢电在无人机用氢动力系统的研发过程中充分发挥了其在氢能源及飞行器设计领域的学科交叉优势。包括徐伟强在内的研发人员大都具有航空专业背景，在产品设计环节就融入了飞机总体设计思想和机载需求分析。同时，他们自主掌握从燃料电池核心部件生产、装堆、系统集成到应用推广的专利工艺与技术，在燃料电池产品开发环节中融合了北航的飞行器轻量化设计技术和西安交大院士团队的燃料电池高效水热平衡管理技术。基于强大的技术基础和研发实力，团队打造出的无人机用氢动力系统结构紧凑、重量轻，性能远超国内外同类产品，达到国际领先水平。
云创氢电创始人徐伟强为北京航空航天大学飞机系前副主任，现国家燃料电池标委会观察员委员（作为主要起草人参与制定国标“无人机用氢燃料电池发电系统”）、东莞市特色人才，同时兼任多个部委下属研究院所特聘专家。云创氢电联合创始人/总经理公昆颖也是出身北航飞行器设计专业的科班高材生，曾参与多个型号氢无人机设计、中国民航局培训教材编写和空客公司A350飞机部件设计。区别于业内更多通过简单移植国外技术或采购核心部件做简单组装的技术途径，云创氢电团队坚持从前期设计和核心部件研发入手，注重自主知识产权和工艺技术的积累。
三、还处在发展初期，如何攻克挑战？
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虽然氢动力无人机领域迎来了诸多好消息，但目前整个行业还是面临很多挑战。这主要源于燃料电池行业还处于发展初期，前期还要投入相当多的开发和实验验证工作，上游成本和运营费用太高，并且整个氢产业链条的储氢和加氢方式还没有一个清晰的解决方案。所幸，这个领域仍然有一些企业勇于拓新，包括浙江的氢航科技和广东的暗流科技、云创氢电等。他们的高层都有北航的背景，一直专注于燃料电池无人机领域，并对未来有自己的看法——“我们想让它飞得更久一点”。
氢航科技的刘海力认为“要找到刚需市场，而且是‘非氢不可’的市场，找到氢动力无人机作为使用工具的真正价值所在。”氢航科技在开拓国内市场的同时，也将积极开拓海外市场，探索加拿大通讯塔巡检、澳洲海岸救生巡逻等场景机会，拿下潜在订单。
暗流科技刘宇鑫认为，氢能无人机一定是往小型化发展的。大功率带来的弊端很明显，一是重量大，二是耗气速度快，需要带更多的气瓶，三是整个电堆的一次性成本也会增加。“我们想用1kW的电堆去完成过去需要3kW才能完成的事情。暗流科技正在尝试加入锂电来做耦合放电，优化氢燃料电池和锂电池的发电配比以及整体的功率输出，以最终达到轻量化。”
云创氢电的徐伟强认为，即便验证周期极长，但零部件的国产化替代将是不可逆转的趋势。“为了解决公司产品核心控制系统中进口功率元器件供应链问题对研制进度的影响，把主动权掌握在自己手里，我们正在咬牙进行基于国产元器件的重新设计、开发和测试工作。”
放眼全球，无人机技术的发展需要世界各国、各个企业的共同努力，合作开发成为加快无人机技术突破的有效途径。斗山创新在2022年参加美国最大的无人机系统展AUVSI XPONENTIAL时，展会集中展示了三款与中国厂商合作开发的氢动力无人机，包括与纵横股份合作开发的实用型氢动力VTOL DJ25(量产型)；与深圳科卫泰合作开发的一体内置型氢动力多旋翼无人机DT30N(量产型)；与珠海紫燕合作开发的氢动力直升机DZ15(原型机)。
目前来看，氢动力无人机发展的方向是对的、势头是向好的，产业化进程正在不断加速。下一步氢动力无人机要想真正实现商用，需要的是上下游多方协力攻坚克难，实现氢动力无人机的“御风远航”。未来可期！