译者导读：随着无人机应用拓展至关键领域，对更持久、高效动力解决方案的需求变得紧迫。氢燃料电池技术成为传统电池最具潜力的替代方案，在能量密度、快速加油、延长飞行续航以及减少环境影响方面具有显著优势。然而，氢动力无人机的广泛应用受到氢存储挑战的阻碍，包括压缩气体和液态氢等传统存储方法的低效率、安全风险以及监管和后勤负担。
本白皮书介绍了一种变革性方法:H2MOF 的固态氢存储技术。利用金属有机框架(MOF) 等纳米工程网状材料，这项创新技术能够实现紧凑、低压、近常温的氢存储，具有卓越的重量和体积效率。
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1、 电池供电无人机的技术挑战
尽管无人机被迅速采用且技术不断进步，但它们仍面临重大的操作限制。这些限制影响飞行续航能力、操作效率和整体任务效能。
本章探讨与当前无人机动力系统相关的关键技术挑战及其对实地操作的影响。
（1）飞行时间有限
电池供电无人机最紧迫的挑战之一是其受限的飞行时间。大多数无人机每次充电的续航时间不到45 分钟，而当搭载高分辨率相机、激光雷达系统或其他传感器等有效载荷时，这个时长会大幅缩短。然而，对于重型无人机——比如用于农业或货物运输的那些——有效载荷可达数千克，飞行时间甚至会进一步降至10 分钟左右或更短。这种限制制约了它们在长时间任务中的效用，需要频繁返回基地充电或更换电池，从而降低了操作效率。
（2）充电周期
给锂离子或锂聚合物电池充电很耗时，通常每个充电周期需要60 到90 分钟。在需要持续空中覆盖的关键任务操作中，这种停机时间可能会造成极大干扰。虽然存在电池更换解决方案，但它们带来了后勤复杂性，比如需要额外设备、训练有素的人员以及备用电池的安全存储。
（3）电池退化
锂基电池会随着时间逐渐退化，降低其容量和效率。无人机操作员必须频繁更换电池，导致维护成本增加和操作规划面临挑战。这些电池有限的充电周期导致投资回报率下降，因为其性能会随着每次使用而恶化，这使得长期可持续性成为一个问题。
（4）重量限制
电池在无人机总重量中占比很大，直接影响其性能、机动性和有效载荷能力。在为延长飞行时间而增加电池尺寸与为关键任务设备保持足够的有效载荷能力之间存在权衡。这种限制迫使无人机设计师在续航能力和功能之间进行优化，往往以牺牲操作灵活性为代价。
对替代电源的需求：锂离子电池和锂聚合物电池的局限性给无人机带来了重大的技术和操作挑战。解决这些问题需要在替代电源、提高能源效率和创新电池管理解决方案方面取得进展。最有前途的替代方案是氢燃料电池技术，它提供更长的飞行时间、更快的加油速度，并减少对环境的影响。随着无人机行业的不断发展，集成氢动力解决方案可能是克服这些挑战并扩大无人机系统实际应用的关键一步。
2、最有前途的替代方案: 氢动力无人机
随着无人机技术的进步，氢燃料电池已成为传统锂离子电池和锂聚合物电池最有前途的替代品。特别是在需要重载荷或长飞行时间的关键应用中，氢动力无人机在能量密度、运行效率和环境可持续性方面具有显著优势。然而，要广泛采用，必须解决与氢存储相关的挑战。
燃料电池如何工作？
燃料电池按需发电，与电池不同，它们不需要充电，也不会随着时间的推移而耗尽。只要供应燃料，它们就会继续发电并产生热量。
典型的燃料电池系统包括两个主要部件: 一个燃料存储单元(通常存储压缩氢气) 和燃料电池堆本身。每个单独的燃料电池由两个电极组成，一个阳极(负极) 和一个阴极(正极)，由电解质隔开。氢气被送入阳极，在那里催化剂将氢分子分解成质子和电子。电子通过外部电路流动，产生电流，而质子则通过电解质向阴极移动。在阴极，质子、电子和空气中的氧气结合形成水并释放热量。只要有氢气和氧气，这个过程就能使燃料电池产生持续的电力。
在无人机应用中，燃料电池可以直接替代电池，提供更长的续航时间，并且无需耗时充电，这对于要求苛刻或对时间敏感的操作特别有利。
采用燃料电池很简单——无需对无人机进行重大重新设计或修改。在大多数情况下，就像将电池换成兼容的燃料电池动力包一样简单，能够无缝过渡到更高效、更持久的能源。
（1）高能量密度
氢和燃料电池最引人注目的优势之一是与传统电池系统相比，它们具有更高的能量密度。氢动力无人机的飞行持续时间可以比电池动力的无人机长两到四倍。这种更长的续航能力使它们特别适合诸如航空测量、环境监测和物流应用等远程任务。飞行时间更长，所需的起降循环次数更少，提高了整体任务效率，减少了飞机的磨损。此外，更长的飞行时间减少了停机时间，无需频繁降落充电就能提高运营能力。这一优势在需要持续空中存在的应用中尤为关键，如边境监视、基础设施检查和农业监测。
（2）快速补能
与需要长时间充电的锂离子电池不同，氢燃料使无人机能够快速补能。氢气供能可以在几分钟内完成，与燃烧动力飞机的传统供能过程相当。这一优势显著减少了任务之间的停机充电时间，使氢动力无人机在诸如搜索和救援任务以及军事侦察等连续和对时间敏感的操作中更具可行性。
（3）增加有效载荷能力
凭借氢燃料卓越的能量密度，无人机无需配备过大过重的电池组就能实现更长的飞行时长。这使得无人机的有效载荷能力得以提升，能够搭载更重的设备，如先进的传感器阵列、高分辨率成像系统，甚至是用于物流作业的货物。这一优势使氢动力无人机成为包括包裹递送、货物运输和应急医疗物资配送等在内的需要高有效载荷能力的行业的变革者。
（4）适用于特定应用的更长飞行时间
更长的飞行时长与更大的有效载荷能力相结合，使氢动力无人机成为重型和载人无人机应用的理想解决方案。在建筑、基础设施维护和航空运输等行业，氢燃料电池可为设计用于吊运重物的无人机提供动力，显著扩展其作业能力。此外，用于测绘、监视和灾难响应的长航时无人机也将受益于氢燃料带来的更远航程。
（5）绿色能源，环境影响低
氢是一种丰富的清洁能源，在燃料电池中使用时仅产生水作为副产品。与依赖资源密集型制造工艺的传统电池不同，氢可以通过低影响的方法生产，如由太阳能或风能等可再生能源驱动的电解。以这种方式获取的绿色氢能提供了一条高度可持续的能源路径，对环境的影响最小。采用氢动力无人机通过减少碳排放并在航空作业中实现更清洁、更负责任的能源使用，支持了全球可持续发展目标。
（6）拥有总成本(TCO) 的改善
除了性能和环境优势外，氢动力无人机在拥有总成本方面也具有显著优势。虽然氢燃料电池技术的初始投资可能高于传统电池系统，但长期运营节省的成本往往超过前期成本。燃料电池的使用寿命通常比锂电池更长，减少了更换的频率和成本。此外，快速加氢可将停机时间降至最低，使每天能够执行更多任务并最大限度地提高资产利用率。这在商业运营中尤为重要，因为时间效率直接影响盈利能力。更低的维护要求和更少的电池管理问题进一步有助于降低无人机使用寿命期间的运营成本。对于运营大型机队或依赖持续无人机部署的组织而言，这些节省可转化为成本效率和投资回报率的显著提高。
3、电池供电无人机与氢动力无人机比较表
氢存储的挑战：尽管氢能有诸多优点，但要推动无人机的广泛应用，氢能面临着一些关键挑战必须加以解决。其中最显著的障碍之一就是氢存储。传统的存储方法，如高压罐和低温氢存储，带来了效率和安全方面的问题，可能会影响无人机的设计和性能。要释放氢能在无人机行业的潜力，就需要解决这些挑战。
4、利用固态氢存储释放氢能在无人机领域的全部潜力——传统氢存储方法面临的挑战
尽管氢燃料电池有显著优势，但氢动力无人机的广泛应用受到了一个重大挑战的严重阻碍: 氢存储。长期以来，安全高效地存储氢气一直具有挑战性。
当前的氢存储技术——包括压缩氢、液态氢以及化学或金属氢化物
（1）压缩氢: 成熟但低效
压缩氢存储是最广泛使用的氢存储方法之一，尤其用于运输和固定式应用。在这种方法中，氢气被压缩至高达700 bar的高压，并存储在金属或复合压力容器中。虽然该技术成熟且为人熟知，但它存在一些缺点，限制了其在无人机中的实际应用。
压缩氢的一个关键挑战是其体积效率相对较低，即使在高压下也是如此。在700 巴时，与其他燃料相比，氢的存储密度仍然较低，这意味着无人机必须携带大型且沉重的存储罐来存储足够量的氢。在无人机中，重量是影响有效载荷能力和飞行时长的关键因素，这一限制尤其成问题。
此外，将氢气压缩至如此高的压力需要耗能的多级压缩过程，消耗大约15% 存储在氢气中的能量。这种能量成本不仅降低了系统的整体效率，还由于支持氢压缩所需的复杂基础设施而增加了资本支出(CAPEX)和运营支出(OPEX)。此外，氢压缩系统要符合严格的安全和监管标准，包括对气体压缩存储的势能相关潜在风险的担忧。这些监管挑战给无人机广泛采用压缩氢存储增加了进一步的复杂性和成本。
（2）液态氢: 高效率但成本高昂
与压缩氢相比，液态氢存储具有更高的体积效率，这使其成为需要紧凑燃料存储系统的无人机的一个有吸引力的选择。在这种方法中，氢气在低温温度(约-253) 下被冷却并液化，以显著减小其体积。这使得液态氢成为在小空间内需要高能量密度应用的理想选择。
然而，液化氢气的过程耗能巨大，在液化过程本身就消耗了近40%的存储能量。这使得液态氢存储与其他存储方法相比整体效率相对较低。此外，在低温下液化和存储氢气所需的基础设施成本高昂且复杂，只有在大规模应用(如工业或大规模运输应用) 中才合理。对于无人机而言，成本效益和运营效率至关重要，这些缺点带来了重大挑战。
液态氢的另一个主要问题是蒸发——由于热量渗入，氢气随着时间从液态缓慢蒸发的现象。这导致在存储和运输过程中宝贵燃料的损失，进一步降低了系统的整体效率。此外，在燃料转移过程中，由于低温流体处理可能会发生大量氢气损失，这进一步使物流复杂化并增加运营成本。这些因素使得液态氢存储对于无人机来说不是一个切实可行的解决方案，因为加油速度、效率和安全性至关重要。
（3）化学氢化物和金属氢化物: 重量与效率问题
化学氢化物和金属氢化物是另一种潜在的储氢解决方案，具有体积效率高的优点。在这些体系中，氢与金属或其他化合物发生化学键合，它们可以通过化学反应吸收和释放氢。这些材料能够以紧凑的形式储存氢，其能量密度通常高于压缩氢或液态氢。
然而，这些存储系统也存在重大局限性。主要问题之一是氢气释放速率缓慢，这可能会严重限制无人机的运行性能。无人机需要快速按需释放氢气，以满足飞行过程中的动力需求，而化学和金属氢化物中氢气释放的缓慢动力学并不适合无人机运行的快节奏需求。此外，这些存储系统释放氢气通常需要施加大量热量，在某些情况下高达300◦C ，以打破化学键并释放储存的氢气。这个加热过程能源密集，进一步降低了存储系统的整体效率。在能源效率至关重要的无人机应用中，释放氢气所需的大量额外能源成本是一个主要缺点。
化学氢化物和金属氢化物的另一个重要问题是它们的重量过大。这些存储系统中使用的材料往往很重，这对无人机来说是一个挑战，因为有效载荷能力是一个关键限制因素。增加的重量降低了无人机的整体飞行效率和续航能力，限制了其操作可行性。
5、用网状材料解决氢存储挑战
使用纳米工程网状材料进行固态储氢提供了一种变革性的替代方案。这些材料包括金属有机框架(MOF)、共价有机框架(COF) 和其他先进的多孔材料，能够使氢气在低压和近环境温度下被吸附在高度多孔的结构化基质中。这些材料是在纳米尺度上设计的，具有高表面积和可调节的特性，能够实现高效的氢吸附和释放。通过使用这些材料，H2MOF 的储氢系统在重量效率和体积效率方面都能取得显著提升，同时解决了重量和安全方面的关键问题。
注：MOF 是 Metal-Organic Framework（金属有机框架） 的缩写，是一类由 金属离子 / 金属簇（如锌、铜、铁等）与 有机配体（如羧酸类、咪唑类分子）通过配位键连接，形成的具有规则多孔结构的晶体材料。其最大特点是 极高的比表面积（远超传统多孔材料如活性炭）和 可设计的孔结构，因此在气体存储、分离、催化、传感器等领域有广泛应用。
（未完……待续）
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1、《H2MOF——用氢气变革无人机操作》
