“氢”风已至：氢燃料电池eVTOL的技术路径、储氢挑战与适航审定难题

【摘要】氢燃料电池eVTOL正成为解决续航瓶颈的关键路径。文章深度剖析其主流储氢方案、核心技术挑战，并系统梳理了全新的适航审定难题，为行业发展提供工程化参考。

引言

低空经济浪潮下，电动垂直起降飞行器（eVTOL）正从愿景走向现实。然而，当前主流的纯电eVTOL普遍受制于锂电池的能量密度，其续航能力和运营效率成为商业化落地的核心瓶颈。为突破这一局限，业界将目光投向了能量密度更高的氢燃料电池技术。

2025年，行业迎来一个里程碑时刻。国内外多款氢动力eVTOL原型机相继完成试飞，其中包括国内首架吨级液氢驱动的eVTOL验证机。这些成功实践标志着氢能航空正从概念验证，稳步迈向原型机工程化阶段。氢能以其高能量密度、快速补能和零碳排放的特性，被视为eVTOL动力系统的终极解决方案之一，一个全新的技术赛道已然开启。

✈️ 一、氢能eVTOL的崛起与驱动力

氢能并非一个新概念，但其在eVTOL领域的应用，是技术需求与产业趋势共同作用的结果。它直接回应了当前电动航空最核心的痛点。

1.1 行业拐点，2025年的里程碑

2025年的一系列试飞活动，为氢能eVTOL赛道注入了强心剂。这些飞行不仅验证了氢燃料电池系统在垂直起降阶段提供高功率输出的可行性，也展示了其在巡航阶段稳定供能的潜力。海外市场同样在积极推进氢电eVTOL的长距离演示飞行，不断刷新续航记录。

这些进展的背后，是技术可行性的工程化确认。它向市场证明，将复杂的氢燃料系统（包括储氢、供氢、电堆、热管理）集成到对重量和空间极为敏感的eVTOL上，是完全可以实现的。这为后续的商业化开发和资本投入提供了坚实基础。

1.2 破局续航，氢能的核心优势

氢能之所以被寄予厚望，根源在于其物理化学性质带来的颠覆性优势。相较于锂电池，氢能动力系统在三个关键维度上实现了突破。

1.2.1 极高的能量密度

能量密度是决定飞行器航程和载荷能力的核心指标。氢燃料电池系统的质量能量密度理论上可达600-1000 Wh/kg，远超当前最先进锂电池的250-300 Wh/kg。这意味着，在同等重量下，氢能系统可以携带数倍于锂电池的能量。

这种代际的性能差异，使得eVTOL的应用场景得以极大拓展，从城市内的短途通勤，延伸至跨城市的区域交通网络，这是纯电方案短期内难以企及的。

1.2.2 快速的能源补给

eVTOL作为一种商业交通工具，其运营效率至关重要。纯电eVTOL的充电时间通常在半小时以上，这限制了其高频次运营的能力。而氢能eVTOL的加氢过程与燃油车加油类似，仅需几分钟即可完成，大幅提升了飞行器的出勤率和商业价值。

1.2.3 真正的零碳排放

氢燃料电池的化学反应产物只有水和热，无任何碳排放和污染物。若氢气来源是利用可再生能源（如太阳能、风能）电解水制备的“绿氢”，则可以构建一个从能源生产到终端应用的全生命周期零碳闭环。这在全球碳中和的大背景下，具有重要的战略意义。

1.3 政策与产业链的双轮驱动

氢能eVTOL的快速发展，离不开政策引导和产业链协同。以中国为例，《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》等顶层设计，明确了氢能在交通领域的战略地位，为技术研发和产业化提供了有力支持。

同时，氢能产业链的日趋成熟也为航空应用奠定了基础。从上游的制氢、储运，到中游的燃料电池电堆、储氢瓶、关键零部件，再到下游的整机集成与示范运营，一个跨领域的协同创新生态正在形成。汽车领域积累的氢燃料电池技术和供应链经验，也为航空应用的加速迭代提供了宝贵的借鉴。

✈️ 二、技术路径抉择，机载储氢方案深度剖析

如何将氢安全、高效地储存在飞行器上，是氢能eVTOL设计的核心。目前，机载储氢方案主要围绕高压气态、低温液态两种主流路径展开，固态储氢则作为一种远景技术路径被持续关注。

2.1 高压气态储氢（GH₂），成熟稳健的起步选项

高压气态储氢是将氢气压缩至极高压力（通常为35 MPa或70 MPa），储存在由碳纤维等复合材料制成的轻质高压容器中。这是目前地面交通领域应用最广泛、技术最成熟的储氢方式。

2.1.1 技术特点与优势

• 技术成熟度高：在车载领域已有大规模商业化应用，供应链完善，相关标准和规范相对健全。

• 充放氢速度快：系统结构相对简单，加氢和供氢过程响应迅速，易于控制。

• 常温工作：系统无需复杂的低温绝热和温控设备，降低了集成和维护的复杂性。

2.1.2 核心挑战与权衡

高压气态储氢的主要瓶颈在于其储氢密度。尽管采用了轻质的IV型瓶（塑料内胆+碳纤维全缠绕），储氢系统的重量占比（储氢瓶重量/氢气重量）依然较高，通常在10:1以上。这意味着为了储存1kg的氢气，需要背负超过10kg的储氢罐。

• 体积与质量负担：储氢罐体积庞大，挤占了eVTOL宝贵的内部空间，同时其自身重量也直接影响飞行器的有效载荷和航程。

• 安全设计难度：70 MPa的超高压力对储氢瓶的结构强度、密封性提出了极高要求。必须考虑氢脆（氢原子渗透进金属材料导致其变脆）和微泄漏等问题。同时，高压容器在碰撞、冲击等极端工况下的安全性设计至关重要。

在eVTOL应用中，高压气态储氢方案更适合中短距离、载荷要求不高的早期迭代机型或特定任务平台。其成熟性使其成为当前阶段快速实现工程验证的优选路径。

2.2 低温液态储氢（LH₂），面向长航程的终极方案

低温液态储氢是将氢气冷却至-253℃的沸点以下，使其变为液态进行储存。液氢的密度远高于高压气氢，因此在同等体积下可以储存更多的氢气。

2.2.1 技术特点与优势

• 极高的储氢密度：液氢的体积储氢密度约为70.8 kg/m³，是70 MPa高压气氢的近两倍。这使得液氢系统在体积和重量上都具有显著优势，是实现长航程、重载荷eVTOL的理想选择。

• 常压储存：液氢储罐内部压力较低，避免了高压容器带来的部分安全风险。

2.2.2 核心挑战与技术壁垒

液氢方案的优势突出，但其工程化难度也极高，堪称对材料科学、热力学和系统工程的极限考验。

• 氢液化的高能耗：将氢气从常温冷却至-253℃，需要消耗大量能量，约占氢气自身总能量的30%。这降低了整个能源链路的效率。

• 苛刻的绝热要求：液氢储罐必须具备极致的绝热性能，以防止液氢因吸收外界热量而蒸发，即**“日蒸发损失”（Boil-off）**。这需要采用复杂的多层真空绝热结构，增加了储罐的重量、体积和成本。

• 极低温下的材料与系统可靠性：在-253℃的极低温环境下，许多常规材料会变脆失效。所有与液氢接触的管道、阀门、传感器等部件都必须采用特殊材料，并经过严苛的低温性能验证。系统的密封、支撑和连接设计也面临巨大挑战。

• 安全风险：液氢泄漏后会迅速气化，体积急剧膨胀，并与空气形成爆炸性混合物。同时，极低温液体接触人体或结构件会造成严重冻伤或材料损伤。

尽管挑战重重，但随着航空级低温材料和绝热技术的进步，液氢方案正从样机示范，向商业化应用的关键爬坡期迈进。它被普遍认为是未来城际长航程eVTOL的主流技术方向。

2.3 固态储氢，远景补充与场景化探索

固态储氢是利用金属氢化物、化学氢化物或吸附材料将氢原子或分子储存在固态材料中。

• 优势：储氢密度高（理论体积密度可超过液氢），储存压力低，安全性极佳。部分材料的吸放氢过程可以与燃料电池的余热利用相结合，提升系统综合效率。

• 局限：目前，固态储氢材料的质量储氢比普遍不高，即材料自身很重。同时，其吸放氢动力学性能较差，需要复杂的热管理系统来控制反应温度和速度。这些特性使其短期内难以满足eVTOL对极致轻量化和高功率响应的需求。

固态储氢的定位更偏向于长期技术储备和特定场景的补充应用。例如，在对重量不敏感的地面加氢站、分布式能源站或某些特种无人平台上，其高安全性的优势或可得到发挥。

2.4 方案选型，场景决定路径

不存在普适的“最佳”储氢方案，只有最适合特定应用场景的方案。技术路径的选择，本质上是在航程、载荷、成本、技术成熟度和安全性之间进行系统性的权衡。

我们可以通过一个简化的决策流程图来理解这种选型逻辑。

• 城市内短途通勤/物流：优先考虑高压气态储氢，利用其技术成熟度和快速补能的优势，在航程要求不高的场景下率先实现商业化。

• 城际中长途客运/应急救援：低温液态储氢是必然选择，只有它能提供足够的能量来支撑更远的航程和更大的载荷。

• 未来补充：固态储氢可能在某些对安全要求极高、但对重量不敏感的细分市场找到应用空间。

✈️ 三、核心技术瓶颈，系统集成的三重考验

解决了储氢问题，只是完成了第一步。氢能eVTOL的真正落地，还需攻克燃料电池动力系统本身以及整个系统集成的多重挑战。

3.1 动力心脏，燃料电池电堆的性能鸿沟

燃料电池电堆是将氢气化学能转化为电能的核心部件，其性能直接决定了eVTOL的飞行能力。当前，电堆在应用于航空器时，面临两大核心瓶颈。

3.1.1 功率密度不足

eVTOL在垂直起降和悬停阶段，需要瞬时输出极高的功率。目前，车规级氢燃料电池系统的质量功率密度约为600 W/kg，而eVTOL对动力系统的理想要求在1.5-2.0 kW/kg以上。这个巨大的性能差距，意味着单靠燃料电池无法独立满足飞行全阶段的功率需求。

因此，“燃料电池+锂电池”的混合动力架构成为当前最现实的技术路线。

• 燃料电池：作为“能量源”，主要在巡航阶段以高效、稳定的工况持续输出功率，为飞行器提供基础能量。

• 锂电池：作为“功率源”，负责在起降、悬停等峰值功率需求阶段进行补足，并回收制动能量。同时，它也能提供关键的系统冗余。

这种混动方案虽然解决了功率问题，但也带来了系统复杂性、重量和成本的增加。未来，提升电堆本身的功率密度，是减少对电池依赖、实现系统轻量化的关键。技术突破方向包括开发更高性能的催化剂（如非贵金属催化剂）、优化膜电极结构、改进流场设计等。

3.1.2 动态响应速度慢

燃料电池的功率输出调节速度，远慢于电动机的瞬时需求变化。锂电池的引入，恰好弥补了这一短板。电池可以实现毫秒级的功率响应，为飞控系统提供精准、快速的动力调节，确保了eVTOL的飞行姿态稳定和操控敏捷性。

3.2 轻量化与安全性，储氢系统的“不可能三角”

储氢系统是eVTOL上除动力系统外的第二大“重量负担”。其设计需要在轻量化、结构强度和碰撞安全性这三个相互制约的目标之间寻求最佳平衡，这构成了一个工程上的“不可能三角”。

• 极致轻量化：每一克重量的减少，都意味着航程的增加或载荷的提升。这要求储氢容器（无论是高压瓶还是液氢罐）在材料选择（如更高强度的碳纤维）、结构设计（如拓扑优化）和制造工艺上达到极致。

• 全寿命周期安全性：储氢系统必须在整个服役寿命内保持可靠。这不仅包括正常工作状态下的密封性、耐疲劳性，还要考虑老化、氢脆、日蒸发等长期效应。运维阶段的无损检测和健康监控技术也至关重要。

• 极端工况下的碰撞安全性：这是航空安全的核心要求。储氢系统必须能够在高G值冲击、振动甚至坠毁等极端事故中，保证结构完整性，防止氢气瞬时大量泄漏引发爆炸。这需要通过大量的仿真分析和物理试验（如跌落、火烧、穿刺试验）来进行验证，其标准远高于地面车辆。

车载储氢技术虽然成熟，但将其直接移植到eVTOL上是行不通的。航空应用对轻量化和安全冗余的要求，迫使整个储氢系统必须进行颠覆性的重新设计和验证。

3.3 系统集成，热-质管理的精细化挑战

氢能eVTOL是一个高度耦合的复杂系统，其稳定运行依赖于精密的“热-质管理”。这不仅是简单的散热问题，而是涉及储氢、电堆、水管理、热管理四位一体的系统工程。

• 高效热管理：燃料电池的能量转换效率约为50-60%，剩余的能量以热量形式散发。在高功率输出的起降阶段，发热量巨大。如何设计轻量、高效的散热系统，是保证电堆稳定工作、防止性能衰减的关键。

• 精密水管理：燃料电池内部需要保持质子交换膜的适当湿润，才能维持高电导率。产物水的生成、排出和循环利用，必须得到精确控制。在低温、高空等环境下，防止液态水结冰堵塞流道，是一个严峻的挑战。

• 系统协同：对于液氢方案，还需要考虑利用液氢的低温冷源为电子设备或动力系统进行冷却，实现能量的梯级利用，提升系统综合效率。整个系统的启动、停机、变工况运行，都需要多子系统间的精密协同控制。

✈️ 四、适航审定，飞向蓝天的“准考证”

技术上的可行，不等于商业上的通行。任何一款航空器要投入商业运营，都必须取得适航当局颁发的型号合格证（TC），即“准考证”。对于氢能eVTOL这一全新物种，其适航审定面临着前所未有的新课题。

4.1 全新风险，氢危害的识别与控制

氢气的物理化学特性，使其在航空应用中带来了全新的安全风险。适航审定的核心，就是对这些风险进行系统性的识别、评估和控制。

• 氢泄漏检测与防爆：氢气是宇宙中最小的分子，极易泄漏，且其在空气中的爆炸极限范围极宽（4%-75%）。因此，必须设计高灵敏度、高可靠性、响应快速的分布式氢气传感系统，实现对潜在泄漏点的实时监控。一旦检测到泄漏，系统需立即启动应急预案，如切断氢源、启动舱室通风、定向泄压导排等。

• 系统性防火防爆设计：整个飞行器的设计都必须贯彻防火防爆原则。这包括：

  • 物理隔离：将储氢单元、燃料电池系统与驾驶舱、客舱、关键航电设备进行物理隔离和防火分区。

  • 通风设计：设计独立的通风和排气通道，确保即使发生泄漏，氢气也能被安全地排出机外，不会在机舱内积聚。

  • 防静电与电火花：所有涉氢部件及周边区域，都必须进行严格的静电接地和防电火花设计，消除潜在的点火源。

这些设计需要借鉴“氢危害分析”（Hazard Analysis）等系统安全工程理论，对所有潜在的失效模式进行量化风险评估，确保风险处于可接受水平。

4.2 标准空白，从零构建审定体系

目前，全球各大民航管理机构（如中国的CAAC、美国的FAA、欧洲的EASA）都没有现成的、针对氢动力eVTOL的适航标准。这意味着，审定工作需要在“标准空白”的背景下，摸着石头过河。

当前的推进路径，通常是**“一事一议”的专用条件（Special Condition）**模式。即在现有航空规章（如针对运输类飞机的CCAR-25/FAR-25）的基础上，针对氢动力系统带来的新设计、新特性，由申请人和审定方共同研究制定额外的、专门的适航要求。

中国民航局在eVTOL审定方面走在全球前列，亿航EH216-S的成功取证，为后续机型的审定积累了宝贵经验。在审定过程中，**设计保证系统（DAS）和符合性验证工程师（CVE）**等制度，将发挥关键作用，确保研发过程的规范性和审定结论的可靠性。这是一个漫长且复杂的探索过程，需要企业与监管机构的深度协作。

4.3 符合性验证，从理论到实践的跨越

制定了标准，还需要通过一系列分析、计算、仿真和试验来证明设计满足标准要求，这个过程称为“符合性验证”。氢能eVTOL的符合性验证，面临诸多新挑战。

• 极端工况的系统级试验：需要开展大量前所未有的系统级试验，模拟各种极端工况。例如，储氢系统的坠撞试验、火烧试验、高低温交变环境试验等，以验证其在最恶劣情况下的安全性。

• 新增危险源的特殊符合性方法：高压或低温储氢系统被视为航空器上的“新增危险源”。适航当局会要求申请人提供专门的符合性方法纪要（MOC），详细阐述如何通过设计冗余、隔离、防穿刺、防泄漏等手段，来满足安全目标。

• 运营数据的反哺：在审定后期及投入运营后，实际的飞行数据和运营经验，将成为反哺和完善适航标准的重要依据。无人驾驶平台（如EH216-S）和氢动力平台的早期示范运营，将为标准体系的迭代提供宝贵的数据支撑。

结论

氢燃料电池eVTOL已从早期概念探索，迈入了关键的技术攻坚与工程化验证阶段。“氢”风已至，但前路依然挑战与机遇并存。

短期内，**“高压气氢+锂电池混动”的路线，凭借其技术成熟度，更适合作为城市短途场景的切入点，实现“先飞起来”。而“低温液氢”**方案，尽管技术壁垒高耸，但其无与伦比的能量密度优势，决定了它将是未来城际长航程eVTOL的终极目标。

从工程实践角度看，储氢、电堆、热管理必须作为一个整体进行一体化设计和优化。同时，安全与适航取证必须前置于设计研发的全过程，通过与适航当局的紧密合作，共同探索和建立新的标准体系。

氢能eVTOL的征途，是一场考验技术深度、工程能力和产业耐心的马拉松。随着技术、标准和产业链的持续成熟，这股“氢”风终将驱动城市低空经济的加速腾飞，深刻改变未来的能源与出行生态。

📢💻 【省心锐评】

氢能eVTOL的本质，是用极致的系统工程，去驯服一种能量密度极高但又极不稳定的能源。技术路径的选择是场景权衡，而飞行的最终许可，则源于对安全边界的敬畏与严苛验证。