HyPoint的“涡轮燃料电池”有望为eVTOL飞机提升续航里程和动力

发表于 3年以前  | 总阅读数:1011 次

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商用航空出租车需要全天飞行,而不是长时间连接充电站,所以每一家围绕着锂电池进行规划的公司都在祈祷,希望能从测试实验室中出现一种神奇的新化学成分,使其容量是目前最好的电池的两倍或三倍。这很可能会发生,但氢气已经开始成为一种很好的替代品。在地面运输方面,氢气是个麻烦,但在电动航空领域,它可能是个完美的选择。它提供了更高的能量密度,有望实现卓越的飞行耐力,而且它可以让你在几分钟内加满燃料,就像给汽车的油箱加满油一样。

事实上,一些企业已经开始对它下注了。美国东海岸的eVTOL初创公司Skai正在争先恐后地推出一款六旋翼五座飞机,该公司,在你需要给氢气罐加氢之前,它可以在空中飞行4小时或400英里(644公里)。但一家俄美合资初创公司表示,完美的eVTOL动力系统还缺少一块拼图:轻量化、高功率的燃料电池设计。

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这家总部位于加州的初创公司名为HyPoint。从2018年开始,HyPoint公司开始着手为工业级无人机系统制造低温质子交换膜(LTPEM)燃料电池系统。但自从搬到硅谷并被Alchemist加速器项目录取后,该公司开始关注更大的目标。

“当我们来到美国时,我们看到了城市空气移动领域的巨大潜力市场,”该公司首席执行官Alex Ivanenenko博士说。“这个市场的主要驱动力是机动性、紧凑性和能量密度。现在,主要的动力系统是建立在锂电池上的,而锂电池有一个基本的技术壁垒。现有的锂电池能量密度较低,而现有的燃料电池比功率较低。航空运输市场需要高比功率和高能量密度。目前还没有一种电源可以同时满足这两个要求。锂电不行,燃料电池也不行。”

据预测,合适的锂电池技术可能还有15年的时间,HyPoint团队开始将工作重点放在专门针对eVTOL的燃料电池设计上。Ivanenenko说,为了保持轻量化,必须采用风冷式设计;液冷式燃料电池在汽车领域工作得很好,但相关的冷却液箱和泵会增加寄生质量,在航空领域根本无法飞行。

他表示,但目前可用的风冷燃料电池的功率容量和寿命有限,而且只能在-5至30°C的温度下工作。因此,HyPoint团队着手开发出了更快、更耐用的产品,并提出了他们所谓的 “涡轮风冷燃料电池”。

“我们通过将燃料电池堆放置在空气管道内,通过风扇将加压、加湿和热稳定的空气进行循环,来提升燃料电池堆的功率。”Ivanenenko表示。“通过压缩系统将空气的压缩量维持在3巴左右的内部,含氧量降低的空气通过控制阀进行充注,再换上含氧量正常的新鲜压缩空气。”

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燃料电池堆的阴极侧的额外氧气与HyPoint公司开发的新型高温质子交换膜(HTPEM)技术相结合,使可以通过燃料电池的氢气量是传统设计的三倍,在不增加任何可能使VTOL飞机重量下降的寄生冷却质量的情况下,将其特定功率输出增加三倍。

考虑到整个系统,HyPoint系统每公斤(2.2磅)的质量可提供2000瓦的功率。最好的液冷式燃料电池的功率在150-800瓦/千克之间,其他风冷式燃料电池的功率大约在800瓦/千克。根据HyPoint公司自己的数据,整个系统的能量密度约为960 Wh/kg,而锂电池的能量密度通常为这一数字的三分之一,而其他空气和液冷燃料电池系统的能量密度略高于一半。

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Ivanenenko说,该系统还有其他一些巨大的好处;它可以接受纯度只有99%的 "脏的 "氢气,这与LPTEM系统所需的99.999%的纯化氢气相比,成本低得多。"这对于一个商业化的eVTOL操作来说,是一个重要的操作参数的巨大下降,"他补充道。

它或多或少可以在任何现实世界的温度下工作,从-50到+50°C(-58到122°F)以及更高的温度。虽然现阶段还在实验室中,但该团队预计这些燃料电池可以在不进行维护的情况下持续运行约20000小时,而LTPEM系统通常可以持续运行约5000小时--这对于商业运营商来说是另一个非常重要的因素。

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HyPoint已经与美国、欧洲和澳大利亚的新兴eVTOL市场的一些主要参与者进行了接触,Ivanenenko说,但他暂时还不能提及这些公司的名字,ZeroAvia和Bartini除外。“我们看到很多公司都有很大的兴趣,”他说。“我们相信我们已经为他们找到了一个解决方案。他们中的许多人要求我们用原型验证我们的技术,因为到目前为止,我们只在实验室里验证过。我们也同意这个观点。所以我们今年的发展计划是做一个15到20千瓦的样机,来验证这个技术。然后在2022年形成完整的规模,比如150-200千瓦的系统。”

他说,从锂动力原型机转向氢动力系统,应该不需要对大多数eVTOL机身进行全面的重新设计,因此,如果竞争者愿意在飞机设计内部移动一些东西,那么或多或少任何一个竞争者都有机会实现快速加油的远程飞行。

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那么安全性如何呢?氢动力eVTOL会不会有爆炸风险?

“这是消费者普遍提出的问题,”Ivanenenko说。“那也没关系,因为我认为大多数消费者的技术无论如何都会很难换成氢气技术。这也是我们专注于与关心效率的大公司进行B2B的原因之一。”

"不过是的,‘这是氢弹!’记得兴登堡号吗!那是在1938年。差不多一百年前的事了。人们需要了解的是,氢气、氧气、丙烷和天然气都属于同一类危险易燃气体。你用在烧烤炉上的丙烷瓶有同样的警告证书,它和氢气是同一类的。氢气没有特殊危险等级。而且,氢气是宇宙中最轻的气体,不可能在现场浓缩到那种危险的浓度,可能会引起大爆炸。当然,你要遵守特殊的安全规则,但也不要怕氢气。氧气要危险得多。"

他接着指出,他驾驶的是一辆丰田Mirai氢动力汽车。“它已经经过了彻底的安全碰撞测试。任何一个氢动力系统的制造商都明白,在特定的应用中需要采取什么步骤才能获得相应的安全证书,我们也不会例外。”

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