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不间断飞行331分钟 中国氢能无人机打破世界纪录

来源:科技日报    时间:2020-02-03    

  氢燃料电池,汽车业的未来之星;它上了天,前途同样光明。科技日报记者最近了解到,位于北京亦庄的北京新研创能科技有限公司(以下简称新研创能),研发了一款六旋翼氢燃料电池无人机,不间断飞行331分钟,打破世界纪录。这一成就也显示:中国的氢燃料电池在一些关键指标上跻身世界前列。

  打破纪录

  在位于北京亦庄的一个展厅里,科技日报记者看到,这款六旋翼无人机的核心是一块氢燃料电池,搭载一个高压储氢瓶为氢燃料电池提供发电所需的氢气。一个月前,新研创能联合首航国翼开发的这款无人机,实现长达331分钟的不间断室外飞行,打破了由中航技进出口有限责任公司和深圳市科比特航空科技有限公司联合推出的多旋翼无人机HYDrone-1800于2016年创造的270分钟的原世界纪录。

  新研创能于2018年获得中关村首批高精尖培育项目“氢燃料电池多旋翼无人机产业化”,经过一年努力,开发出功率密度高、重量轻、体积小、性能优的2千瓦级金属板燃料电池空冷电堆及系统,并成功集成在无人机上。2019年12月8日在武汉,携带2千瓦金属板空冷电堆及19升/35兆帕轻质高压储氢瓶的无人机于上午9:23起飞,下午14:54降落,实现331分钟连续室外飞行,大幅超过项目要求的240分钟指标。不仅如此,在四川甘孜州的高原环境,无人机长续航飞行实验也获得成功,证明在大风、低温、低氧条件下,新研创能的氢燃料电池一样稳定。

  一般来说,在大范围、全天候的巡逻场景中,锂电池无人机续航时间不到一小时。而油动无人机震动大,高精度拍摄时需减震器件,加大了载荷。相比锂电池动力,氢燃料电池无人机先天具备续航优势,而且无震动无污染。搭载了氢燃料电池的无人机,可以拓展应用的想象空间。比如集群运作时,长续航的通信中继无人机,可确保机群飞得更远,执行一些迄今尚无能为力的复杂任务。

  精雕细琢

  双极板是氢燃料电池堆的核心部件之一,目前主流路线分石墨极板和金属极板。成立于2017年的新研创能主攻金属极板。金属极板便于大规模生产,而且金属极板燃料电池堆具有重量轻、体积小、抗振能力强、可低温无助启动、功率密度高等优点。

  新研创能制造的金属极板燃料电池堆,乍看并不复杂,像一页页金属片装订成的大书。仔细看,金属片凹凸,有复杂的折线流道。流道将注入的氢气和空气均匀引流到整张极板。流道很细,做到气流均匀稳定的分配并不容易,需要经过大量的仿真计算。空气中的氧气和氢气在膜电极的催化作用下发生电化学反应,生成水并放热放电。因此金属片上还有通道,用空气或冷却液来冷却电堆。

  一片片复杂的金属片不仅要完美吻合,还得在恶劣环境下“面不改色”,这对设计和制作工艺提出巨大挑战。新研创能攻克了0.1毫米金属板材超深流道的加工制备工艺和技术用于电堆,电堆性能媲美国际一流水准。用在无人机上,可兼顾高效与稳定。

  除了无人机用的空冷电堆,新研创能还量产汽车用的水冷40千瓦电堆,峰值体积功率密度达2.9千瓦/升,位居世界前列。他们还在开发80千瓦的电堆。

  新研创能董事长洪鑫告诉科技日报记者,每设计一个板型,都得反复模拟计算。修正模具、焊接、密封等各环节都需要摸索。金属极板燃料电池堆的难度不光在研发和工艺编制上。因为按同样的工艺流程,不同团队加工出的电堆,寿命和可靠性也有明显差距。工匠精神至关重要,要花费时间金钱,耐心打造精英团队,去精雕细琢。

  深耕源头

  新研氢能源科技有限公司(以下简称新研氢能)成立于2017年,旗下有三家子公司:新研创能专注金属极板设计及电堆研发,大连擎研科技有限公司(以下简称大连擎研)侧重于燃料电池系统控制集成和测试台,大同新研氢能源科技有限公司(以下简称大同新研)则为产业基地和运营突破口。目前新研创能和大连擎研具备小批量生产能力,而大同新研则规划产能1万套,目前已达到年产1000台40千瓦级电堆产能;他们还在大同建成了一个加氢能力为500千克/天的撬装式加氢站,用于示范运行车辆加氢。新研氢能已与中通客车联合开发了厢式物流车,并与厦门金旅联合开发了公交车。

  新研氢能的首席技术官齐志刚博士是燃料电池领域的专家,在燃料电池领域耕耘20余年,是国内外数十个燃料电池标准的主要起草人。新研氢能目前掌握金属极板设计、冲压、清洗、焊接、防腐镀层等技术和工艺;金属板电堆、测试台和电压巡检板研发制造能力处于国际先进水平。在新研创能的实验室里,洪鑫告诉记者,不同型号的燃料电池电堆测试平台都是他们自己开发的,并且可以对外出售。

  洪鑫说,他们将把精力集中于电堆与系统的研发,不着急,不赶风口,不转移注意力,踏实攻关核心技术。

  燃料电池的研发于1960年代开始于美国。氢燃料电池驱动的乘用车被寄予厚望,目前最耀眼的成就之一是2014年量产上市的丰田的MIRAI。跟纯电动车相比,其优势是近600公里的续航里程,加氢只需4分钟,媲美燃油车,又有无污染、非石油依赖的优势。放眼世界范围,氢燃料电池的进步和普及是一个长期过程。目前,中国企业在氢燃料电池堆及系统国产化上进展迅速。

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