CHEC2026 | 航空动力领域氢能关键技术研究现状与趋势

导语

航空业碳排放居高不下，随着其他产业去碳化加速，航空业碳排放占比将显著上升。氢能作为清洁能源，在航空领域具有巨大潜力，是实现航空业降碳目标的关键技术之一。

摘 要

本文综述了氢能在航空动力领域的应用现状，包括氢涡轮动力、氢燃料电池动力以及氢燃料航空内燃机等关键技术研究进展，分析了航空氢燃料存储技术（高温气态、低温液态、金属氢化物等）以及机场氢能基础设施建设等面临的挑战和解决方案，对氢气易燃易爆、易扩散、易造成氢脆等特性带来的安全隐患进行探究，并介绍了国际上在氢能安全方面的研究成果和经验。随着氢能技术的进步和全产业链成本的下降，氢能有望在航空业得到广泛应用，推动航空运输业实现低碳转型。

世界经济论坛资料显示，航空运输业作为沟通世界的桥梁，贡献了3.5万亿美元的全球GDP，在全球GDP中所占比例为 4.1%。目前，在全球总排放量中，航空运输业的二氧化碳排放量占3%，随着其他产业去碳化步伐的加快，航空运输业二氧化碳排放比重到2050年可能提高到22%。如何降低航空运输业的碳排放，实现全球“碳中和”，寻找清洁能源代替传统石油能源和发展低碳技术已迫在眉睫。

根据国际民航组织（ICAO）的预测，按照当前航空技术的发展速度，航空运输业未来能实现可持续发展。目前，ICAO已经将航空运输业碳排放目标定在2050年之前将排放量降低到 2005年的50%。然而，经过评估后发现，实现这一目标可能面临挑战，存在一定的不确定性。各国对航空运输业的低碳发展已进行了相关研究，提出了各自的低碳行动计划。例如：欧盟委员会提出了“可持续欧洲投资计划”，该计划的核心在于未来一段时间内欧盟将针对气候行动进行专项拨款，拨款总额占整个欧盟长期预算的25%。同时，美国还制定了一系列航空规划，包括研发更节能的新型飞机和发动机技术，引进更高效的新型飞机，优化航行轨迹，减少航空燃油消耗和飞机飞行尾迹的影响，促进使用可持续航空燃油等。

航空业正通过可持续航空燃料（SAF）和氢能替代传统燃料，逐步降低碳排放强度。政策支持和技术进步是推动这一过渡的关键因素，目标在2030年实现5%的SAF使用率，2035年推出零排放飞机，并在2050年达到氢燃料飞机的5%采用率（见图1）。与传统航空煤油等化石能源相比，氢能在能源输出过程中几乎实现零碳排放。氢能作为燃料的一个显著特点是燃烧后的产物主要是水蒸气和少量氮氧化物，不含人们熟知的各类污染物。同时，氢能还有原料来源丰富、燃烧性能好等优势，其单位质量的能量密度约为标准航空燃料的3倍，非常适合航空器使用。氢能作为一种零污染的能源载体，在航空运输业低碳化发展的趋势下得到了高度重视和迅速发展。

本文对氢能在全球航空领域的应用情况进行梳理，并对关键技术的研究现状和发展趋势进行概述和展望。

图1 航空业向可持续航空燃料和氢燃料转型时间线

1 氢能在航空领域的应用

全球多个国家的头部企业都在积极进行氢能源航空技术的研发。空客公司与多家企业合作，全面布局氢能航空技术，并计划在2035年前投入使用氢涡轮动力技术。普惠（Pratt & Whitney）正在开发氢蒸汽喷射间冷涡轮发动机，预计将在 2035年后投入使用。这些进展显示出全球领先企业在推动氢能航空技术上的积极态度和长远愿景，为未来航空领域可持续发展贡献重要的技术创新和实施计划。

中国政府也高度重视氢能在航空领域的应用。中国工业和信息化部、科学技术部、财政部、中国民用航空局联合印发《绿色航空制造业发展纲要（2023-2035年）》，该纲要反映了政府对氢能航空技术的高度重视。

目前，氢能在航空运输中的主要应用方向有氢涡轮动力、氢燃料电池动力、氢燃料航空内燃机等。

在氢涡轮动力方面，空客 (AIRBUS)与CFM国际公司、GE 公司和赛峰集团 (SAFRAN GROUP)合作研发氢涡轮动力技术，计划于2035年前推出首款氢能客机。同时，空客联合多家机场运营商共同开发修建氢能飞机所需的必要机场设施，联合构建氢能飞机与机场之间的生态系统。赛峰集团与其他合作伙伴共同研制了BeautHyFuel液氢飞机验证机，该项目核心是 Turbotech TP-R90再生式涡桨发动机，目前这款发动机采用的是以气态形式存储的氢燃料。赛峰集团计划2024年正式开展第二阶段实验，将发动机与液化空气集团开发的低温液体存储系统连接，以验证端到端集成推进系统在整架飞机上的所有功能。

在氢燃料电池动力方面，空客公司进行了氢燃料电池动力的研发，计划自行研发兆瓦级动力。ElringKlinger公司与合作伙伴共同创立了合资企业 Aerostack，旨在致力于研发氢燃料电池系统，预计该技术将在2035年之后得以广泛应用。

普惠公司参与了美国能源部的The Hydrogen Steam Injected Intercooled Turbine Engine（HySIITE）计划。该项目的关键技术是将氢涡轮动力与蒸汽注入/回收系统进行集成，预计该技术将在2035年之后投入使用。

“零碳飞行”（FlyZero）是《英国航空零碳排放愿景》的子项目，该项目由英国航空航天技术研究院（ATI）发起，目前 ATI 在积极推动该项目进展。 “零碳飞行”项目核心在于论证氢动力航空的可行性，根据 ATI 发布的资料显示，他们已经论证了氢动力航空的可行性。

在我国，由杨凤田院士主持研制的小型氢内燃 机 RX4HE 原型机15号已于2023年3月在沈阳市法库财湖机场成功首飞。

2 航空动力领域氢能关键技术

在航空动力领域，氢能源技术主要有以下几个方面。一是氢燃料航空动力技术。氢能可以直接作为能源，只需在传统航空发动机基础上改进，如氢涡轮动力；也可以作为间接能源，将氢能转化为电能，为飞机提供动力，如氢燃料电池动力；也可以针对氢能专门开发动力系统，如氢燃料航空内燃机。二是航空氢燃料存储技术。因为氢气独特的物理特性，需要开发相关安全储存技术。三是机场 氢能基础设施建设相关技术。其包含氢气生产设 施、液化装置、储存系统、氢气加注基础设施等。

2.1 氢燃料航空动力技术

目前，氢能飞机的动力推进方式与现有飞机的推进方式并无区别，都是由引擎提供动力，只是在引擎的能量来源上与现有飞机有较大区别，即用氢气替代化石能源对引擎或电池等提供能源，由此衍生出氢涡轮、氢燃料电池、氢燃料航空内燃机等研究方向。

2.1.1 氢涡轮动力

氢涡轮技术可以分为两种主要形式。第一种是类似目前常见的航空涡轮发动机的氢涡轮风扇发动机 (见图2)。氢涡轮风扇发动机是在传统涡轮发动机的基础上进行改进，使其能使用氢燃料替代传统航空燃料，组成新的动力系统。在这种设计中，动力来源与现有航空涡轮发动机类似，只是燃烧室中是氢燃料燃烧。第二种是氢涡轮电动风扇发动机（见图3），其原理是通过涡轮驱动发电机发电，再由电动机带动风扇产生推力。

图2 氢涡轮风扇发动机工作原理

图3 氢涡轮电动发动机工作原理

氢涡轮动力推力大，适用于较大的飞机，这也是目前航空巨头将研究重心放在该种引擎的原因。目前，氢涡轮动力技术由空客公司、赛峰集团、CFM国际公司和GE公司等多家公司联合开发。他们已成功建造出首个机载液氢储氢罐。此外，空客与CFM国际公司合作改造 GE“通行证”发动机，并计划在A380MSN1测试飞机上进行燃氢实验。罗罗（Rolls-Royce plc）公司参与了两个重要项目：新型氢燃料发动机结构设计（HEAVEN）项目和氢动力飞机与发动机的一体化设计与演示（CAVENDISH）项目，其是欧盟清洁航空联合行动（clean aviation joint undertaking, CAJU）下的两项重要计划。这些项目旨在推动氢燃料发动机的创新设计和氢动力飞机的一体化开发与展示。

2.1.2 氢燃料电池动力

在当前的研究方向中，电动飞机是一大热门，在此基础上应用的氢燃料电池推进装置是可能达成零碳飞行的重要研究方向。因为这套动力系统可以在不产生除水以外污染物的情况下，直接将氢转化为电能（如图4所示）。氢燃料电池具有较高的电化学反应热效率（45%~50%），显著提高了飞机续航能力，并且加氢快速，类似于燃油加注。典型集成化PEMFC结构如图5所示。但是，与航油型发动机相比，氢燃料电池动力飞机仍然面临着航程短、载重量低的问题。

图4 氢燃料电池电动风扇发动机工作原理

图5 典型集成化 PEMFC 结构示意图

在全球范围内，已有多家公司在进行氢燃料电池技术的研究和开发。加拿大Ballard PowerSystems公司、美国 Plug Power公司、日本丰田和本田公司在氢燃料电池系统技术领域均有较高的技术水平。中国公司，如亿华通、南都电源、东方电气、潍柴动力等在氢燃料电池领域也取得了显著发展。

在航空领域，新加坡的H3动力公司在氢燃料电池动力无人机方面取得了显著进展。该公司不仅成功完成了该无人机的风洞测试，还成功测试了分布式氢燃料电池动力短舱的运行效果。

2.1.3 氢燃料航空内燃机

氢燃料航空内燃机利用氢气作为燃料，通过改变燃料供应系统、喷射系统等进行燃烧，从而产生动力，具有零碳排放的优点。

目前，我国辽宁通用航空研究院已成功研制出世界上第一台四座级氢内燃飞机的样机——RX4HE。该机型于2024年1月29日在沈阳市法库财湖机场顺利完成首飞任务。该机所使用的氢燃料航空发动机是在一汽集团研制的型号为15 的“红旗”2.0 升零排放增压直喷氢燃料专用发动机基础上升级而成。同时，罗尔斯-罗伊斯（Rolls-Royce Holdings plc）公司在2023年成功测试了MTUS4000L64发动机，该发动机使用100%氢燃料运行。

目前螺旋桨式和喷气式为常用的两种飞行类型，如图 6 所示，燃料电池动力飞机适用于小载荷且1000km左右航程的飞行，而氢涡扇飞机更适用于高载荷且具有较宽航程的飞行。

图6 典型集成化 PEMFC 结构示意图

2.2 航空氢燃料存储技术

面向氢燃料航空动力系统的需求，如何高效、安全地储存、运输及使用氢燃料是一个必须解决的关键技术。在有限空间内存储更多的氢燃料，使得飞行器的结构与常规状态存在差异。氢燃料在航空储运中面临显著挑战，这主要源于其独特的物理化学特性，包括低质量、低体积密度、易燃、易扩散、高渗透性以及氢脆等。为了应对这些挑战，目前应用于航空领域的氢存储方式主要有高压气态氢存储、低温液态氢存储以及金属氢化物等。每种储氢方式都有其优缺点，需根据具体应用场景进行优化和改进，以确保氢燃料的安全和高效使用。

目前，对于氢能源飞机的机载氢燃料储存，已掌握了高压气体和低温液态储罐等技术。这些技术能让飞机安全地储存和使用氢气作为飞行过程中的燃料。面对压缩气体形式的储氢技术，飞机的设计面临着重要的挑战，特别是在考虑到飞机的质量和体积限制的情况下。这种技术要求在有限的空间内存储大量氢气，因此需要寻找创新的解决方案来克服这些挑战。相比之下，液态氢储存技术展现了显著的优势 ，因其较高的质量能 量储存密度而备受关注。这种技术不仅能在更小的体积内存储更多的氢气，还能提供更长的飞行时间和更高的效能，对于未来氢能飞机的发展具有重要意义。

欧盟清洁氢能联合行动（CHJU）自2021年11月启动以来，已经成为欧洲氢能技术研究的重要组成部分。该计划前身包括早期的燃料电池与氢能计划，旨在推动航空领域的技术创新与发展。目前，CHJU的研究焦点主要集中在多个关键技术领域，如液氢储罐、航空用氢燃料电池等。

2.3 机场氢能基础设施建设相关技术

使用氢燃料面临的挑战包括其低温易蒸发和易燃的特性，与传统石化燃料存在显著差异。这些特性使得氢燃料的加注过程变得复杂且具有高安全风险，导致飞机停靠加注燃料的时间和运营成本增加。为了应对这些挑战，正在积极开发高效、安全的氢燃料加注技术和系统。

研究发现，可以通过现有的天然气管道向机场输送氢气。到达机场后，需要对氢气进行液化处理。在氢气含量较低的情况下，通过现有的管道与天然气进行混合后即可输送，而无须进行重大的技术调整。然而，这也带来了一些挑战和需求，包括解决配套装备的掺氢适应性问题，以充分利用现有天然气管道。

3 航空氢能的安全性研究

尽管氢能源具备清洁环保的优势，在氢作为未来航空燃料的研究中，其物理化学特性至关重要。氢气是目前已知密度仅为空气 1/14的最轻气体，这使得氢气具有极高的扩散性，并能在空气中迅速浮起，在泄漏后的空气中扩散速度可达每秒9m。此外，氢气无色、无味、无毒且不具腐蚀性，这些特性使其在航空应用中相对安全，但也带来了挑战。尽管氢气在开放环境下不易聚集爆炸，但其高度易燃的特性意味着在适当的条件下仍可能引发严重的安全问题。因此，在将氢气应用于航空燃料时，必须综合考虑其特性与安全方面面临的问题，确保系统的安全性和可操作性。

3.1 爆燃与爆轰

氢气在燃烧时可能会发生爆燃，也可能会发生与空气预混合气体爆炸的现象。爆燃是一种燃烧波以亚声速传播至未燃混合气体的剧烈燃烧过程。例如，2020年在韩国蔚山的一处氢气储存设施就发生了一起爆燃事故。爆轰则是指以超声速传播的燃烧波剧烈燃烧的现象。1937年的“亨登堡号”飞艇发生严重的安全事故导致36人丧生，原因就是氢气爆轰。

3.2 氢脆和氢腐蚀

氢气具有极活泼的化学性质，其渗透力强。当高强度钢等金属材料与氢气接触时，氢气会通过吸附、溶解和扩散等渗入到金属的晶体结构内部。在金属内部，氢气可以形成固溶体、氢化物、氢分子、氢原子和氢离子等物质，这些氢相关的物质会改变金属的微观结构，使其在应力作用下易产生裂纹等损伤缺陷，导致金属变脆，即氢脆现象。

目前，在航空业中尚未出台具体的氢能安全政策。然而，多国和多个研究机构在氢能安全方面已做出重要努力。例如，澳大利亚的麦考瑞大学可持续能源研究中心（MQ-SERC）专注于氢燃料电池汽车安全评价技术，并提供氢能应用安全咨询服务。日本横滨国立大学与企业合作研究氢燃料汽车加油机的安全距离计算方法，而日本先进工业科学技术国家研究所则定量评估了加氢站运转时的人员生命危险程度。英国的奥斯特大学成立了氢安全工程与研究中心（HySAFER），专注于氢气安全应用的数值模拟研究，并制定了氢气安全模拟的最佳实践指南（BPG）。此外，欧洲氢气安全委员会（EHSP）从氢事件事故数据库（HIAD 2.0）中吸取教训并制定了安全规划指南，欧盟还成立了国际氢安全协会“HySafe”。美国能源部西北太平洋国家实验室与美国化学工程师协会 (AICHE) 共同组建了安全指导和教育材料——氢气安全中心 (CHS)，以确保氢气作为可持续能源载体的安全使用。这些举措推动了全球范围内对氢能安全性的关注和研究，为氢能在航空及其他领域的安全应用奠定了基础。

4 结论与展望

氢能作为一种几乎零碳排放的能源，在航空领域具有巨大的潜力。氢燃料的使用能显著降低航空运输业的碳排放，有助于实现航空运输业的可持续发展目标。同时，氢能在航空领域的应用不仅限于氢涡轮动力和氢燃料电池动力系统，还包括氢内燃机等。这为航空器提供了多种动力选择，有助于推动航空技术的创新和多样化。

目前，氢能的利用还存在很多挑战：在氢能的储存、运输和加注方面，需要建立安全的液氢储存和运输基础设施，以及开发高效、安全的加注技术和系统；氢气的易燃、易扩散、易造成氢脆等特性给其在航空领域的应用带来了安全挑战，需要研究和制定严格的安全标准和操作程序，以确保氢能应用的安全性和可操作性；当前氢能的生产、储存和运输成本相对较高，需要通过技术创新和规模化生产来降低成本，提高氢能作为航空燃料的经济可行性。

随着技术的进步和成本的降低，预计氢能将在航空工业领域得到更广泛的应用。从短期到中期来看，氢能已开始在区域性或短途航线上进行试验和应用。从长期来看，随着相关技术的成熟和规模化，氢能有望成为主流的航空燃料，广泛应用于各种规模的航线，从而推动航空运输业实现全面的低碳转型。此外，氢能的应用还将促进相关产业链的发展，包括氢燃料的生产、储存、运输和加注等，为航空工业带来新的增长点。

来源：《氢能技术》，作者万雄、王鹏、张海龙、张承志、周太刚、马存祥、林冰、周人治、唐鋆磊、伏宇

2025年度氢能产业“金鼎奖”评审通知

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09 2025 年度氢能优秀项目案例绿氢项目、零碳案例

10 2025 年度氢能年度新锐企业成立三年内新锐企业评选流程

01 2026 年 1 月 15 日—2 月 28 日征集申报企业、高校、科研机构、个人按要求 填写并提交申报表，组委会审查申报材料。

02 2026 年 3 月 1 日—3 月 5 日专家初评 组织专家对申报材料进行初评审核。

03 2026 年 3 月 6 日—3 月 10 日补充材料。

04 2026 年 3 月 11 日—3 月 15 日组织专家就初筛名单进行综合评审，评选出“氢能金鼎奖”。

05 2026 年 3 月 24 日发布评选结果，于 CHEC2026 期间举办颁奖仪式。

评选报名

张老师 18088655286

刘老师 13756043953

邮箱：qn@21xny.com