用于燃料电池无人机的液氢与压缩氢储存：任务驱动的设计图

《International Journal of Hydrogen Energy》：Liquid versus compressed hydrogen storage for fuel cell UAVs: a mission-driven design map

　　物理基础框架比较了燃料电池无人机在350bar、700bar和液氢储存三种方案下的性能。液氢在最大起飞重量约6kg以上时优于压缩储存。液氢的续航时间约为压缩气体的2.5倍（在30kg最大起飞重量下，26小时对11小时）。蒸发损耗和多日停放会削弱液氢在小型、长时停放无人机上的优势。最大起飞重量-停放时间设计图谱给出了基于任务需求的储存方案选择规则。**引言**小型电动无人机的续航能力从根本上受到电池比能量低的限制，而氢燃料电池推进已成为实现更长飞行时间的主要途径[1],[2]。由于氢以化学能而非电化学质量的形式储存能量，燃料电池系统的有效比能量远高于电池，小型无人机的对比研究一致报告燃料电池路线可实现数倍的续航提升[3],[4]。这一优势，加上质子交换膜技术在航空领域的成熟[5],[6],[7]，使得燃料电池推进成为小型无人机类别中的一个可信选项。然而，对于氢燃料电池无人机而言，最关键的子系统往往不是燃料电池本身，而是储氢系统。储存系统承载全部能量供应，其质量和体积主导着飞行器的能量预算。对飞机而言，有三种可行方案：350bar或700bar的IV型复合材料高压气瓶，以及低温液氢[8],[9]。压缩储存简单、坚固且性能表征充分，对于汽车级气瓶，系统质量效率约为5-6wt%[10],[11]；更高压力提高了体积密度，但代价是更厚的容器壁[12],[13]。对于小型无人机，可达到的质量分数类似或略低[14]。液氢具有高得多的固有密度，但其机载系统需要真空绝缘低温容器，并承受持续的蒸发损耗；实验性无人机液氢储罐报告的系统质量分数随储罐尺寸显著上升，从最小尺度下的百分之几到较大储罐的约15%[15],[16],[17],[18]，而蒸发损耗及其管理是核心设计问题[19],[20]。金属氢化物作为第四种方案，对于飞行而言仍然过重，在此不再进一步考虑[21],[22]。尽管这一选择至关重要，但在燃料电池无人机设计中，储存方案通常由惯例确定——几乎总是350bar压缩——而非通过整个平台范围的定量比较来选择。专门的尺寸设计和能量管理研究[23],[24],[25],[26],[27],[28]通常假设单一储存技术，而更重、更复杂的液氢系统在无人机中何时才能真正体现价值，以及这如何取决于平台规模和任务剖面，尚未被清晰地映射。由于储存方案在早期选定且更改成本高昂，在概念设计阶段提供清晰、可复现的选择规则将非常有价值。本文提供了这样一个规则。一个基于物理的框架比较了5-100kg最大起飞重量级别燃料电池无人机的350bar、700bar和液氢储存方案，使用共同的气动和动力总成模型以及锚定于公开部件数据的储存专用质量模型。除了质量之外，该框架还包括最能区分液氢实际使用表现的两个效应——其固定隔热/辅助系统质量和飞行前停放期间的蒸发损耗——并将它们组合成最大起飞重量-停放时间平面上的储存选择设计图谱。核心结果是，液氢在该级别的大部分范围内具有优势，但并非全部，边界由平台规模和所需加注保持时间决定，而非仅由质量决定。本工作补充了针对同一级别动力总成混合化的配套研究[29]。**章节片段****平台与动力总成**三种储存方案在共同平台上进行比较，以便任何性能差异完全归因于储存系统本身。对于稳态水平巡航，所需的巡航电功率由阻力功率确定，P_elec = M g V c / ((L/D) η_p η_m η_e)其中M为最大起飞重量，V_c为巡航速度，L/D为巡航升阻比，η_p、η_m、η_e分别为螺旋桨、电机和电子调速器效率。给定峰值功率与巡航功率之比μ_pk和固定的混合度HD（燃料电池在功率中的占比）……**续航时间与质量交叉点**图1显示了三种储存方案的巡航续航时间与最大起飞重量的关系。压缩储存给出缓慢上升的续航时间，从5kg时的约8.7小时到100kg时350bar的13.8小时，700bar由于更重的容器壁而始终低于此值。液氢的行为则截然不同：在最小尺度下，其固定低温容器质量使其处于劣势——在约6kg以下低于压缩储存——但在此交叉点之上急剧上升并随后占据主导地位，在30kg时达到26小时……**基于任务驱动的选择规则**结果为零概念设计师提供了一个紧凑的规则。对于5-100kg燃料电池无人机级别，液氢在设计空间的大部分区域是续航最优的储存方案，应作为中大型平台短周转任务的首选，其约2.5倍的续航优势具有决定性。压缩350bar气体在两种可识别情况下仍然更优：非常小的平台，固定低温容器质量无法摊销；以及……**结论**开发了一个透明的、基于物理的框架，用于比较5-100kg最大起飞重量级别燃料电池无人机的350bar、700bar和低温液氢储存方案，所有常数均锚定于公开部件数据。在质量和续航基础上，液氢在约6kg的临界最大起飞重量以上超越压缩储存，此后提供约2.5倍的巡航续航时间，其系统质量效率从5kg时的约4%上升到……**数据可用性**实现储存比较模型并生成所有结果和图表的Python代码可应作者合理要求提供。**生成式人工智能及AI辅助技术在写作过程中的声明**在撰写本工作期间，作者使用了生成式AI助手（Anthropic Claude）来支持手稿的起草和语言编辑，并帮助实现和调试用于建模和图表生成的Python代码。所有科学内容均由作者独立验证：控制方程(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)已手工重新推导；数值模型已重新运行并与独立手工计算交叉验证……**资助**本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的具体资助。**利益冲突声明**作者声明，她不存在已知的可能影响本论文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。Sevgi Aslan