氢能无人机汇总

本文信息主要来源于Compressed hydrogen storage in contemporary fuel cell propulsion systems of small drones，更多信息建议查看原文

1、FlightWave Aerospace Systems Inc. - Jupiter - H2 垂直起降无人机（VTOL UAV）

加利福尼亚州的 FlightWave Aerospace Systems Inc. 制造的 Jupiter - H2 无人机是压缩存储氢燃料的实例之一 [2]。Jupiter - H2 是一款巡逻四旋翼无人机，采用窄碳纤维增强复合型材制造，最大限度地减轻了结构重量（图 1）。该无人机的推进系统由八个电机（双系统）驱动涵道风扇叶片。一个容量为三升的压缩氢罐可支持长达两小时的连续飞行。由 Intelligent Energy 公司开发的新型燃料电池模块 AC64 650W（下文将详细介绍）以氢气和环境空气为能源。其 “排放物” 仅为少量清澈的水蒸气，因此无污染。飞行两小时的时长会随有效载荷（最大 1.25 千克）而变化。由于驱动系统可直接由燃料电池供电，无需电池，Jupiter - H2 的整体重量得以减轻。该无人机在安装可选设备（传感器和摄像头）后，尺寸约为 0.8 米 ×0.6 米（高 × 宽），这些设备通过通用安装系统进行安装 [5]。与给电池充电所需的时间相比，压缩氢罐的加注时间非常短。

图1.氢动力Jupiter-H2无人机

2、Sparkle Tech Ltd.（中国香港） - Eagle Plus 垂直起降无人机

Sparkle Tech Ltd. 是一家从事无人机制造的公司，其办公室位于中国香港，生产基地位于中国东莞。Sparkle Tech 设计的小型无人机 Eagle Plus - VTOL（图 2）是垂直起降飞行器新概念的实例之一。这款无人机融合了固定翼结构和多旋翼无人机的特性。通过这种方式，实现了垂直起降能力与固定翼布局高效飞行的结合。该无人机的核心结构采用碳纤维增强复合材料。

图2.由Sparkle Tech制造的Eagle Plus VTOL：左图为一般视图，右图为氢气罐舱[

图3.Eagle Plus [8]的示意图

翼展 3.5 米的 Eagle Plus 由一台 500W 的电动主发动机驱动，该发动机由氢燃料电池供电。包括燃料罐和设备在内的最大有效载荷为 10 千克。与大多数燃料电池无人机一样，它也配备了电池（此处为双系统），以提供最大的安全性和续航能力，在巡航速度 100 千米 / 小时的情况下可持续飞行 5 小时。在最大起飞重量（MTOW）为 16.7 千克、巡航速度 86 千米 / 小时时，功率消耗约为 330 - 600W。根据该公司信息，Eagle Plus VTOL 宽敞的机身设计用于携带液氢罐和电池 [9]。Eagle Plus 无人机的规格如表 1 所示。

3、MMC Micro Multi Copter Aero Technology Co. Ltd.

总部位于中国深圳的 MMC 公司是一家工业无人机制造商，其产品应用于农业、物流配送、电力线路巡检、石油检测、森林消防、测绘和公安监控等领域。以下介绍 MMC 公司目前由氢燃料电池驱动的无人机产品。

3.1 MMC 的 HyDrone 1550

该无人机（图 4）是一款六旋翼氢动力无人机，其轻质碳纤维机身可实现长时间飞行（长达 2.5 小时），最大有效载荷为 5 千克。容量为 9 立方分米的压力瓶中储存的氢燃料为燃料电池堆提供动力（图 5）。快速加注能力、防雨防尘的设计使得这款无人机适用于多种环境，且不受环境温度影响，因为氢气作为燃料不受低温影响。HyDrone 1550 的规格如表 2 所示。

图4.由MMC制造的氢动力HyDrone 1550

图5.Hydrone 1550压缩氢气罐和燃料电池堆

4、MMC 的 HyDrone 1800

MMC 公司的最新产品 HyDrone 1800（图 6）与 HyDrone 1550 一样，采用碳纤维框架。据该公司称，其结构 “几乎坚不可摧”，专为在最恶劣的条件下使用而设计。HyDrone 1800 的推进系统同样采用 MMC 公司自主研发的名为 H1 的氢燃料电池技术。这一解决方案适用于 MMC 公司所有氢动力无人机。根据该公司声明，HyDrone 1800 在携带高达 5 千克有效载荷的情况下，能够在 4500 米的高度持续飞行长达 4 小时。此外，还有系留版本的 HyDrone 1800，其连续飞行时间可达约 50 小时。

图6.由MMC制造的HyDrone 1800无人机

5、MMC Skypatrol 2700 VTOL

Skypatrol 2700 VTOL 的设计在功能上与 Sparkle Tech 的 Eagle Plus 类似，其基于固定翼和多旋翼特性相结合的结构，使其能够在没有跑道的地方起飞和降落。该无人机根据版本不同，配备锂聚合物电池或 H1 氢燃料电池系统。Skypatrol 2700 的整体外观如图 7 所示，基本数据如表 3 所示。

图7.由MMC设计的Skypatrol-2700无人机

6 Intelligent Energy

位于英国拉夫堡的 Intelligent Energy 公司在日本、新加坡、美国和法国等地开展业务，专注于燃料电池的制造。该公司目前的代表性燃料电池产品是 AC64 650W FC，它集成在轻质燃料电池模块中形成电池堆。这种风冷系统以氢气和环境空气为能源，这也是几乎所有应用于小型无人机推进系统的燃料电池的共同特点。Intelligent Energy 公司的无人机燃料电池系统于 2017 年首次亮相 [15]，为一款专门为此设计的无人机（图 8）提供能源。AC64 650W FC 电池堆如图 9 所示，其一般规格如表 4 所示。

图8.智能能源安装在无人机上的燃料电池原型系统

图9.智能能源的AC64 650W燃料电池模块-左，内置在FC模块中的AC64 650W燃料电池堆-右

AC64 650W FC 模块还配备了容量为 1000mAh 的应急电池，以确保无人机飞行安全。其重量和尺寸（0.20 千克 / 140×30×20 毫米）符合尽可能降低无人机整体重量的要求，可提供约 2 分钟的应急飞行时间。

7 NRL 的 Ion Tiger 燃料电池驱动无人机

美国海军研究实验室（NRL）一直在研发其自行设计的质子交换膜（PEM）氢燃料电池堆 [20]（图 10）。与大多数其他公司的产品类似，该燃料电池堆从空气中获取氧气。

图10美国海军研究实验室的550 W氢燃料电池堆

该电池堆由钛双极板制成，采用 3D 金属打印（烧结）技术，并封装了商用催化剂 PEM 膜 [19], [20]。整个结构由黄铜夹具固定，并配备了必要的辅助功率平衡设备。上述燃料电池堆首次应用于 Protonex 公司开发的 550W 氢 PEM 燃料电池模块，并于 2009 年驱动 NRL 的 Ion Tiger 无人机（图 11）。该无人机携带约 2.3 千克有效载荷飞行了 26 小时。驱动 Ion Tiger 无人机的燃料电池模块如图 12 所示。

图11.NRL的Ion Tiger使用Protonex的550 W氢PEM燃料电池

8 Ballard Power Systems

总部位于加拿大温哥华的 Ballard Power Systems 公司于 2017 年开发了一种新型高性能燃料电池系统，用于无人机推进 [24]。该研究得到了位于美国南伯勒的子公司 Protonex Technology Corporation 的协助。Protonex 是一家为军事和商业应用生产先进电源管理产品和便携式燃料电池解决方案的制造商。

配备 Ballard - Protonex FC 动力系统的 Scan Eagle 无人机

Ballard - Protonex 与波音 - Insitu 合作，致力于将氢燃料电池动力系统应用于 Scan Eagle 无人机的驱动。该动力系统通常适用于小型无人固定翼和垂直起降无人机。Scan Eagle 是世界上最 “受欢迎” 且经过大量测试的小型无人机之一，也是氢燃料电池应用的良好技术示范平台。Scan Eagle 的长度为 1.55 米，翼展为 3.11 米，最大起飞重量为 22 千克，最大飞行高度约为 6000 米 [25]。Scan Eagle 作为由 Mark4 发射器（无需跑道的弹射器）和 SkyHook 回收系统组成的系统的一部分运行，因此无需起落架。

图13.由波音公司使用Mark4发射器制造的In situ ScanEagle无人机[

图 14 展示了当代 Ballard-Protonex 用于无人机的氢燃料电池推进系统。图中未显示压缩氢气瓶（或其他氢气供应系统）。

图14.Ballard-Protonex公司为无人机提供的FC推进系统（2017年版）

9 Ballard 的非贵金属催化剂燃料电池

Ballard Power Systems 与日本日信博控股公司合作研发的全新结构是用于质子交换膜燃料电池的非贵金属催化剂（NPMC）。2017 年展示的 30 瓦 FCgen-1040 燃料电池堆原型中使用了高效催化剂层 [28] 。这种风冷式燃料电池堆专为超轻型无人机或其他结构设计。其膜电极是在两个气体扩散层之间使用涂有催化剂的膜构建而成，而非铂金属

图15.Ballard的FCgen-1040微FC堆栈原型，采用非贵金属催化剂

与传统质子交换膜燃料电池相比，该燃料电池堆中铂的使用量减少了 80% 以上，这可能为未来燃料电池的生产节省潜在成本，从而使这项技术得到更广泛的应用。图 15 展示了 FCgen-1040 微型燃料电池堆原型。上述催化剂由碳合金制成，适合未来潜在的低成本工业化生产。用碳合金替代铂催化剂可显著降低燃料电池的成本。

10 H3 Dynamics

总部位于新加坡的 H3 Dynamics 公司由 HES Energy Systems 和 HUS Unmanned Systems 组成。HUS 部门研发了两种不同概念的无人机 —— 固定翼 HYWINGS 无人机（图 16）和长续航多旋翼 HYCOPTER 无人机（图 19）。这两种飞行器均由电动发动机驱动，其动力来源于 HES 公司自主研发的氢燃料电池系统，该系统比锂聚合物电池轻 3 至 5 倍。

图16. H3 Dynamics HYWINGS UAW由燃料电池提供的能量驱动

11 HYWINGS 氢燃料电池无人机

HYWINGS 是一款固定翼无人机，能够实现 “手抛” 起飞，无需弹射器。根据所选型号，该无人机可实现快速更换氢气瓶（G 版）或快速更换氢化学墨盒（L 版）。HYWINGS 无人机的规格如表 7 所示。

HES Energy Systems - 氢燃料电池供电系统

应用于 H3 Dynamics 无人机的氢燃料电池供电系统由 H3 Dynamics 旗下的 HES Energy Systems 部门研发。这些系统的结构取决于所选的定制系统类型。主要差异与氢气存储方式有关，即压缩气体存储或化合物存储。HES 制造名为 AEROPAK - G、AEROPAK - L 和 AEROPAK - S 的氢混合燃料电池集成系统，这些系统通常用于驱动 5 - 50 千克的固定翼无人机。HYWINGS 无人机可选择由 AEROPAK - G 或 AEROPAK - L 两种系统供电。AEROPAK - G 系统集成了 200W 的超轻型质子交换膜燃料电池和高压压缩氢气瓶（30 - 35MPa）（图 17）。

图17.Hes的G系列氢燃料电池供电系统元件：A-200 PEM燃料电池——左，G系列300 bar复合瓶——右

据该公司称，G 系列 AEROPAK 可为 HYWINGS 提供长达 6 小时的飞行时间。所有推进系统都配备小型备用锂聚合物电池，以便在能源需求高峰或燃料电池故障时持续供电。目前，HES 正在设计用于为 HYWINGS 和 HYCOPTER 无人机加注氢气存储瓶的小型现场加注系统。AEROPAK - L 采用富氢液态化学氢存储方式，并结合 A-200 PEM 燃料电池。按需使用的氢化学墨盒为一次性用品，通过更换墨盒可实现快速 “加注”。配备 AEROPAK - L 的 HYWINGS 无人机可飞行长达 10 小时。

图18.Hes的G系列氢FC电源系统元件：A-200 PEM燃料电池-左，H2按需化学盒-右

H3 Dynamics - HYCOPTER 无人机

HUS Unmanned Systems 生产的长续航多旋翼无人机 HYCOPTER1，用于空中检查、监视、侦察以及搜索救援任务。HYCOPTER1 是 HYCOPTER 的下一代产品，其前代产品将氢气存储在作为无人机框架一部分的特殊透明圆柱体中。两代无人机的外观如图 19 所示。

图19.由HUS无人系统设计的Hycopter原型机-左，Hycopter 1-实际版本-右

YCOPTER1 由超轻型燃料电池堆驱动，该电池堆由压缩氢气瓶（30MPa）提供燃料。燃料电池堆和带有轻质减压器的氢气瓶均安装在无人机框架内。HYCOPTER1 的基本规格如表 8 所示。