译者导读：上篇文章我们提到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。
此篇我们将重点介绍另一种存储方法: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、 什么是网状材料？
网状材料由奥马尔·M·亚吉教授 (Omar M. Yaghi) 率先提出，是通过强共价键或配位键连接分子构建单元而形成的晶体状、高度有序的框架结构。著名的例子包括金属有机框架 (MOFs)、共价有机框架 (COFs)和沸石咪唑酯框架 (ZIFs)。
这些材料的特点是具有特殊的有序性和孔隙率。它们的框架具有高度的可定制性，通过选择不同的金属节点、有机连接体和键合类型，可以精确调节其物理、化学和机械性能。网状材料还具有极高的内表面积——有时每克相当于一个足球场大小——这增强了它们的吸附、分离和储能能力。此外，由于将其结构维系在一起的化学键很强，它们可以被设计成具有出色的稳定性和坚固性，使其能够承受极端温度和恶劣的化学环境。
（1）紧凑、高效且安全的存储
基于网状材料的固态储氢的主要优点是它能够在低压和接近环境温度的条件下安全地储存氢气。与需要高压或极低温度的压缩或低温储氢不同，这些材料通过物理吸附来储存氢气——氢分子附着在多孔材料的表面，无需极端条件。这消除了与高压系统相关的高压安全问题以及低温储存的后勤和成本挑战。
此外，这些材料的紧凑特性确保了 H2MOF 的储氢系统在不牺牲能量密度的情况下可以更小、更轻。这些材料的高比表面积和定制的孔隙结构使其具有高储氢能力，这使其成为空间和重量极为宝贵的无人机的理想选择。
（2）轻量且高重量效率
无人机面临的关键挑战之一是尽量减轻储氢系统的重量，以最大限度地提高有效载荷能力和飞行性能。H2MOF 基于纳米工程网状材料的固态储氢技术通过实现高重量效率，为这一挑战提供了一个解决方案，即系统重量的更大比例用于储存可用氢气，而不是储存介质本身。
氢金属有机框架材料 (H2MOF) 的固态存储解决方案的重量效率超过 5.5 wt.%，体积效率超过 40 g/L，与传统的 700 巴氢气罐相比，重量效率可提高 30%。此外，这些材料的体积效率几乎是传统高压罐容量的两倍。这使得储氢系统的重量和尺寸显著减小，使无人机能够携带更多氢燃料，而不会影响性能或有效载荷能力。
（3）避免与高压存储相关的安全风险
与存在严重安全风险的高压储氢系统不同，基于网状材料的 H2MOF 固态存储解决方案在接近环境温度和低压下运行。这对无人机安全而言是一个改变游戏规则的因素，因为它消除了在极高压力下储存氢气所带来的危险以及复杂安全措施所带来的高成本。配备这些固态存储系统的无人机能够放心飞行，因为与枪击、撞击或火灾相关的灾难性故障风险几乎被消除。
（4）可扩展且高效的供能
固态储氢的另一个显著优势是其可扩展性和简化的供能过程。传统的储氢系统，尤其是低温和高压罐，需要专门的加油基础设施，这可能成本高昂且难以在偏远或移动环境中部署。相比之下，H2MOF 的低压固态存储系统可以使用便携式氢气盒或集成加油系统轻松高效地加油，使其在无人机操作中更加实用。H2MOF 的固态存储介质还设计用于快速的氢吸附和释放，实现按需加氢。这确保无人机能够以最佳续航能力和性能运行，快速高效地获得氢燃料，而无需像其他存储方法那样长时间等待或面临基础设施复杂的问题。
（5）符合空气动力学和空间利用的贴合式设计
基于网状材料的 H2MOF 固态储氢的一个关键特性是能够设计出可无缝集成到无人机平台的贴合式存储系统。这允许更好地利用空间并改善空气动力学性能，提高无人机的整体性能和效率。从便携式气体盒到无人机机身内的完全集成存储系统，H2MOF 固态存储设计的多功能性确保无人机能够在不牺牲燃料容量、重量或空气动力学性能的情况下实现最佳性能。
2、从电池到氢气: 提升无人机飞行航程和有效载荷
典型的锂离子和锂聚合物电池每千克可存储约 150 - 250 瓦时，而氢气的能量密度在 33 kWh/kg 方面则要高得多。这意味着氢燃料电池无人机在携带相同有效载荷时能够实现比电池供电无人机更长的飞行时间，或者它们可以利用续航优势在相同飞行时间内携带更重的有效载荷。
（1）更长的飞行时间
通过用燃料电池取代电池，对于相同的总重量，无人机可以飞行长达 10倍的距离。
飞行航程的延长减少停机时间并带来更高效的操作——例如，能够在一次飞行中检查更长的管道段或测绘更大的地形——这对于使用无人机提供服务的公司可能具有潜在的重大财务影响。
“例如在包裹递送和物流应用中，9倍 的覆盖范围增加将转化为覆盖给定区域所需配送中心数量减少 9倍。实际上，一家使用电池供电无人机的递送公司需要 6 - 8 个配备起飞 & 降落基础设施以及电池充电能力的配送中心来服务相同的区域，而使用一个配送中心和一架氢动力无人机就能覆盖该区域。
因此，选择氢气而非电池将使陆地基础设施效率提高 89%，运营成本大幅节省——根据仓库的位置和规模，每个中心每年可达数百万美元。”
氢燃料电池与电池: 更长的飞行时间
图：燃料电池卓越的能量密度能使无人机单次充电飞行距离延长 3 至 4 倍，覆盖更大区域。
（2）更大的 payload(有效载荷)
与电池相比，燃料电池卓越的能量密度能使无人机携带更重的 payload，而不牺牲飞行时间或航程。
事实上，氢提供的更高的能量质量比使无人机重量中更大比例可用于 payload(货物、传感器等)，而非能量存储系统 (电池)。
例如，假设飞行续航相同，我们可以估算使用氢燃料电池系统而非电池时，重型无人机可多携带多少payload。我们假设机身和航空电子设备的最大起飞重量为 90 kg, 40 kg ，满载 payload 飞行 30 分钟所需能量为 6.5kWh 。在这些条件下，我们需要超过 36 kg 的锂离子电池来维持飞行，剩余约 14 千克可用 payload。另一方面，由 350 巴压缩氢提供动力的燃料电池系统重量约为 30 kg ，可额外腾出 6 千克 payload。
在此示例中，用氢燃料电池系统取代电池，我们能够减轻能量存储系统的重量 (-18%)，从而增加可用payload(+44%)。
氢燃料电池与电池: 更大的 payload
与电池相比，燃料电池卓越的能量密度能使无人机携带更重的 payload，而不牺牲飞行时间或航程。
注：在此模拟中我们假设: 比能量密度为 180 瓦时/千克的锂离子电池；效率为 55%、比功率密度为 0.6 千瓦/千克的燃料电池堆，由 350 bar氢罐提供燃料。
（3）用H2MOF 技术突破极限
在上述两个示例中，假设无人机由使用压缩氢的燃料电池提供动力。虽然这些模拟已展示出燃料电池将如何显著提升无人机性能，但H2MOF 的固态储氢技术将进一步拓展氢动力无人机的优势。事实上，与高压气瓶相比，H2MOF 的固态存储解决方案可使重量效率提高30%，从而得到更紧凑、整体更轻的燃料电池动力系统，并实现更长飞行时间和更重payload。
与此同时，H2MOF 的固态技术使氢罐设计更灵活，将存储部件集成到燃料电池系统更简便、更安全。
H2MOF 用于无人机的固态储氢技术
考虑与之前相同的重型无人机，采用 H2MOF 固态存储的燃料电池系统可使能量存储系统重量进一步降至约 25 千克。这意味着能量系统重量减轻 30%，与锂离子电池相比，可用 payload 增加 80%。
3、助力氢动力
UAVS 随着无人机行业的成熟，其发展越来越受到对更大航程、更高 payload capacity(有效载荷能力)、卓越 运营效率和环境可持续性的需求的影响。传统的电池供电系统虽然在早期采用阶段足够，但已达到其实 际极限，特别是在物流、基础设施检查、智能农业和应急响应等高需求领域。
氢燃料电池技术提供了一种可行且有吸引力的替代方案。它通过更高的能量密度、更快的加氢速度和 更长的飞行时间带来显著的性能提升，同时减少对环境的影响。然而，氢动力无人机的全部潜力长期以来 一直受到氢存储这一持续挑战的阻碍，传统上氢存储体积庞大、能源密集、成本高昂且存在安全限制。
H2MOF 固态氢存储技术的引入标志着一种范式转变。通过利用能够在低压和近环境温度下存储氢的 纳米工程网状材料，这项技术解决了重量、安全和体积效率方面的关键痛点。结果是一个为无人机应用量 身定制的氢存储系统: 轻量级、紧凑、可扩展且安全。
展望未来，燃料电池与先进氢存储技术的融合将重新定义无人机的能力和经济性。随着部署规模和支持生态系统的成熟，从电池受限的无人机向氢动力飞行的转变不是一个是否的问题，而是何时的问题。以 H2MOF 的固态氢存储为核心，无人机正在进入一个新时代——一个由更长任务、更清洁天空和无限可能性定义的时代。
（全文完）
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1、《H2MOF——用氢气变革无人机操作》
