郑贤玲：氢燃料电池在无人机领域的应用分析

发布时间：2022-04-22 14:03:24

氢能产业发展进入地方政府项目落地的密集期，政府补贴的方向固然值得关注，但我们同时也关注氢能在功能和效率上可以提升的应用领域，期待更多的市场化产品。氢动力无人机可能是氢能应用中一个比较独特的领域，同样，这个领域蕴含着巨大的机会也潜藏着较大的风险。

 

本期的无人机是一个来自应用端刚需的观察，燃料电池的高能量密度是否能够弥补无人机航时不足的问题呢？

 

 

01 寻找市场化应用场景：政府补贴成焦点，市场发展看刚需

 

近期，各示范区燃料电池和氢能产业实施细则逐一落地，燃料电池批量化生产和基础建设开始进入实质性发展阶段。但政府规划的“额度”有限，相关产业链上的企业也是几家欢喜几家愁。 

 

目前我们不乏一些优秀的电堆和系统制造商，如国鸿氢能、重塑科技、亿华通、捷氢科技、潍柴动力、国电投等，不过，目前市场的主流是把燃料电池的单堆功率和系统功率做大，大部分的制造商研发的注意力都集中在重型商用车的电堆和系统。

 

此次的氢能发展并没有像锂电发展那样获得更多的国家补助支持，国家层面的支持更多的是集中在相关政策以及对于行业的发展规划上，直接补贴方案更偏向于燃料电池上游零部件，所以，大众关注的燃料电池汽车节奏上不能完全复制十年前的锂离子电池汽车。如果氢能的应用场景局限在重型商用车上，要实现柴油机的平替就只能依靠补贴了。

 

然而，任何一个行业的发展不仅需要有上游的发展支持，更需要下游市场端的落地生根，就这次的氢能中长期发展计划方案来看，下游市场可能更需要依赖市场化的发展方案。

 

补贴之内各燃料电池企业以各种方式争取政府采购的“额度”；补贴之外，也有企业在探寻更加市场化的应用场景。而投资人则在这个代表未来产业的蓝海中努力从个体项目、应用场景的商业逻辑中寻找投资标的。

 

有没有从功能上可以实现产品升级的应用领域呢？也许，氢能动力的无人机就是一个可以实现功能升级的应用场景。我们本次关注的重点，是基于燃料电池电堆技术的特点与无人机应用的匹配度。

 

这个乍听之下并不是非常靠谱的想法，却突然让我眼前一亮，对啊，无人机现在最大的瓶颈之一就是续航，哪怕是强如DJI这样的无人机品牌，其旗下的产品我个人也使用过不下4款，从2014年至今，DJI的产品虽然在云台以及拍摄能力上不断的进步，但是就单续航时间上来看，并没有取得非常明显的进步。所以，我们认为这可能是燃料电池应用的一个刚需市场。
 

02 无人机目前的市场格局：市场份额做到极致，产品升级遭遇瓶颈

 
在这个浩瀚的世界里，我们目之所见总是如此有限，所以我们如此渴望能够登高望远。《中国十大传世名画》中就有六幅长卷描绘宏大的市井场面或自然风光。其中尤以北宋王希孟的一幅《千里江山图》最为震撼：烟波浩渺的江河、层峦起伏的群山构成了一幅美妙的江南山水图。这是画家的想象力和创造力！

 

今天人类借助飞行器可以看见更加广博的世界。如果说我们从飞机的窗口俯视大地只有在起飞和降落的过程中看到局部的话，那么借助无人机的摄像头和遥感系统我们则可以获得更大的视野，并更加真实地感知这个世界的生态和气息。

 

提起无人机，我们首先想到的肯定是深圳大疆（DJI），这个虽然没有上市，却在无人机市场中占有绝对领导地位的企业，是任何人提起无人机都绝对无法回避的主角，那我们就从DJI的无人机市场占有率开始说起吧。

 

DJI在无人机的市场不仅仅是在中国具有绝对的优势，在美国依然是占据着几乎垄断的地位，从Drone Industry Insight发布的2021年美国无人机市场占有量来看，大疆以76%的市场占有率牢牢占据着美国市场，而在全球市场，DJI也是以近乎80%的份额把握着大部分的市场！这个市场份额与世界技术难度最高的航空发动机相比有过之而无不及。

 

然而，即使是占据了庞大的市场份额，并且具有强大的研发团队，但是无人机市场本身的各种技术瓶颈也导致DJI目前的发展似乎也触及到了行业的“天花板”。

 

企业的成长通常有四条路径：第一，利用产品或市场优势不断提升市场份额；第二，拓展应用领域，延伸产品市场空间；第三，产品不断更新换代，通过为用户创造新的价值保持企业持续生命力；第四，从技术能力或市场能力拓展主营周边业务，培育新的增长点。

 

因此，我们观察到，当龙头企业大疆市场份额几乎达到某种极限时，也开始了多元化发展。这几年的无人机市场发展也慢慢从无人机本身，演化到了一些周边技术的开发上，例如云台，摄像头，飞控单元，避障传感器等，或通过“软件”来优化无人机的应用功能。

 

而机身本体的硬件，除了更加轻型和小型化，似乎在锂电这个动力平台上很难再有突破了。言外之意，在锂电池技术没有重大突破的前提下，以锂电池为供电系统的无人机的载重量、续航时间基本上可以说已经是做到了某种意义上的极致。

 

表1 工业无人机的分类

 

图1 2021年美国无人机市场占有率

03  无人机技术的应用：功率密度决定承重能力，能量密度决定续航时间

 
一般，我们谈论到无人机，除了民用消费级的无人机外，可能再能想到的就是军用级的无人机了，其实，除了这两种无人机以外，还有市场规模更大的工业级无人机。

 

不同于消费级无人机主要用于影视拍摄，工业级无人机主要偏向于更加专业化的领域，如农业植保，管线巡查，地质测绘、物流和安防等，对于这些领域往往要求设备的观察不只是一个静态的“扫描”，而是有更长时间来观察一定空间内的动态变量，这就要求无人机的视觉除了覆盖宽度，还能够覆盖“深度”（更准确的表达也许可以用“伸度”）。

 

消费级无人机由于功能主要以拍摄为主，因此核心技术体现在便携性和云台摄像头的技术。而对于工业级无人机来说，因为主要的使用场景更偏向于一些专业领域，且相对于一般消费级无人机来说环境更加恶劣，因此在保证功能性的前提下，无人机的续航时间、稳定性、信号的强度、抗风能力、对温度和湿度的适应能力等相对于消费级无人机有更高的要求。

 

如同标准化和专业化，虽然DJI在消费级的无人机占据了绝对的优势，在工业级的无人机上，因为对下游应用的理解不同，为技术升级留下了一些空间。

 

目前DJI的工业级无人机主要为经纬M30，相对来说比较单一，而且单次充电飞航时长大概在40分钟左右，更适合航程较短的巡线工作。而对飞航里程和时长要求更高的市场，以DJI目前的动力和系统配置则难以企及。

 

就以历史数据来看，工业无人机的市场每年都有一定的增长，而且随着新冠疫情和俄乌战争的影响，来自物流、勘探、应急等方面的需求可能成为趋势，对于工业无人机的需求量也会进一步扩大。

 

由于锂电池目前有一定的能量密度瓶颈，当然这些也和散热方面的需求有关，DJI在近年也开发并推出了快速充电的系统，但是由于单次充电的电量续航限制，即使是能够进行快速充电，依然只能是提升了在相同面积内的工作效率，对于提升整体工作面积范围的意义并不大。

无人机对环境的适应性、续航时间、感知能力、承重能力等将决定无人机的功能，如对电网的巡检和测绘需要更长的续航里程、对物流和农林植保则需要较高的承重能力，对应急和安防监控则需要更好的抗风和平衡能力。

 

无人机的承载能力取决于动力系统的功率密度，即电池能量释放的速度和流量，也就是飞机的爆发力；无人机的耐久性则取决于动力系统的能量密度，即电池储备能量的容量，也就是飞机的续航时间。

 

锂电功率密度高适合大重载、短航时应用场景；但锂电动力系统的能量密度使得无人机很难胜任更多长时间的作业功能，这就使得能量密度高出几倍的燃料电池有了用武之地。
 

 

图2 燃料电池的性能优势

 

图3 不同动力无人机航时比较

 

数据来源：氢航科技，大疆

 

据统计，我国国内目前拥有57万架无人机，其中绝大多数为锂电民用无人机，而国内无人机一年总飞行时长仅为183万小时，也就是说，每架无人机平均飞行时间只有3小时13分钟，这个锂电驱动的“成人玩具”使用效率非常低。

 

04 氢能无人机：航时倍增可取长，基础设施需补短

与锂电比较，燃料电池无人机具有能量密度高、飞行时间长、耐低温、长寿命低维护等多项优势。

 

无人机对我来说是一个新视点，但在燃料电池领域的应用绝对不是一个新话题，早在2014年4月，由同济大学航空航天与力学学院、上海奥科赛飞机公司和上海攀业共同研制的中国首架燃料电池无人机“飞跃一号”在上海亮相，起飞重量10公斤，有效载荷1公斤，可连续飞行6小时。

 

此后武汉众宇、大连化物所、新研氢能、科比特（配套攀业燃料电池）、众创氢能、氢航科技等配套的燃料电池无人机多次试飞，其中固定翼无人机飞行时间最高长达12小时，旋翼无人机飞行时间超过3个半小时。影响力比较大的是2016年4月10日科比特多旋翼无人机连续飞行时间273分钟；2020年3月25日，新研氢能与中国航空公司联合研发出一款六旋翼氢燃料电池无人机不间断飞行331分钟。

 

2020年6月2日，国家市场监督管理总局还发布了《无人机用氢燃料电池发电系统》，这也是全球首个国家级无人机用氢燃料电池标准。

 

表2 部分燃料电池无人机项目  资料来源：根据氢云链资料整理

 

不过，前几年率先在无人机领域探索的众宇动力和攀业氢能近期都转向了其他领域，其中众宇开始开发储能市场，攀业将重点转向地面两轮车市场，还有的企业已经退出市场。

 

既然有续航里程的刚性需求，又有过示范项目的飞行表现，那为什么这些企业都没有在无人机领域继续投入呢？我们从几家早期试点的企业了解到，目前燃料电池用于无人机还有几个难点：
 

1、在无人机领域，如果仅考虑能量密度，因为先天优势，很容易做到比锂电池大很多。但是要做到满足全场景应用要求，还要投入相当多的开发和实验验证工作，相对有一定技术和资金门槛；

2、在无人机这个领域，目前比燃料电池技术本身环境适应性更大的困难是储氢和加氢方式的问题，燃料电池为用户解决了续航时间的老问题，却带来了能源补给的新问题；

3、轻量化的一个优势在于个人有直接的体验，目前的氢能各种产品其实对用户而言没有什么特别的体验，还没有形成刚需；

4、无人机集中度过高，新的企业推出无人机，特别是民用产品无法与大疆抗衡，而专用无人机又需要定制，其中的人力投入很大，因此造价很大，反过来又抑制了一部分的需求；
5、燃料电池没有进入规模化，系统成本和运营太高，普通的工业用途，客户服务的成本较高，用户是否会为更高价格买单取决于该方案增加的成本是否真的能覆盖这个增值部分，这可能会导致市场偏小，目前比较适合的场景是军事领域用途。

 

规模和成本又是一个鸡生蛋蛋生鸡的问题，实际上，氢动力飞行器综合使用成本并不比锂电和燃油贵。以大疆M300为例，配备两块TB60电池，电池价格10000元，电量0.5度多一点，寿命200次充电，相当于载航时70小时；而载氢旋四上，燃料电池系统包括了气瓶等，总成47000元，电量4.3度，航时寿命1500小时。即使算上两款机型的补能，燃料电池解决方案也不到锂电的2/3。

业内专家称，如果计算综合使用成本，氢电单位作业量可能是锂电成本的1/3或更少。这个理论数据显然是需要时间来验证的。

所以，这个领域仍然有创业团队在坚持，包括东莞的众创新能源和浙江的氢航科技，两家公司都成立于2017年，两家公司创始人都有北航的背景，他们一直专注于燃料电池无人机领域，并在产品的应用上取得了阶段性的突破。

 

05 无人机不是小市场：技术突破空间，合作产生规模

 

（1）小动力，大市场
 

无人机绝对不是一个小市场，2021年全球无人机市场规模256亿美元。根据Drone Industry Insights机构发布的数据显示，2019年全球军用无人机市场规模为117.45亿美元，占比约为65.25%，民用无人机市场规模为62.55亿美元，占比约34.75%；据前瞻性研究院统计，2020年全球军用无人机市场规模约占65%，民用无人机市场规模约占35%。图4 全球无人机市场规模（亿美元）

 

数据来源：前瞻性研究院

 

无人机良好的市场预期带动了行业的投资热情，根据Drone Industry Insights的统计，2010-2020年10年间，国际市场无人机投资规模的年均复合增速达到了51.80%，投资额也从2010年的360亿美元提升到了23390亿美元，增幅超过了60倍。

 

图5 2008年-2020年全球无人机行业投资额（亿美元） 数据来源：前瞻性研究院

 

除军用无人机外，在工业用无人机上，来自电网、海上风电、油气、植保、气象等领域都对长航时有需求，仅国网在浙江省就有1800架电网巡检无人机，在全国有几万架。

图6 中国工业无人机市场预测  数据来源：弗若斯特沙利文数据 

 

（2）打破自身瓶颈

打破刚需市场肯定需要降低成本和便利的基础设施，但重要的是要突破技术门槛。质子交换膜燃料电池能量密度高，但其反应过程中水也是参与催化的重要物质，一旦飞行器在空中的温度管理不善就可能导致质子交换膜不均匀，影响发电效率。其中低温启动和散热是燃料电池的两个难点，地面上管理尚且不易，一旦进入无人的空中环境就更加困难了。

根据氢航科技2019年在张家口的科学测试，在-15℃时，不加任何环境管理的氢动力无人机10秒钟就结冰，无法正常工作。为了能够拓展氢动力无人机环境的适应性，氢航团队提出十几种解决方案，最后选择了一种重量轻、效率高的热交换方案。这一方案于2021年1月在海拔1000米-20℃的环境下得到验证。

 

（3）建立合作机制

而对于无人机氢能补给基础设施的问题氢航与金宏气体签订战略合作协议，采用换气瓶的方式来解决，这样既可以提升整体的工作面积，也不会让效率相较锂电的快充系统有所降低，而固定翼的无人机基本上航程和航时都相较传统燃油型更加理想。

 

不过，燃料电池无人机在国际上也没有太多先例，我国还没有太多早期产业研究的经验，我们期待这些突破能够经受市场和时间的考验。推动燃料电池在更多刚需领域中的应用。

 

除了技术和能源补给系统，市场也是一个需要突破的门槛。如今的消费级和工业级无人机市场，我想如果DJI说在某些领域自称第二的话，也很难有人直接跳出来说自己是第一，和DJI在无人机市场的竞争，势必是残酷的。除了DJI以外，我国还有亿航，极飞，臻迪等等优秀的无人机品牌也有各自优势。无人机品牌的发展除了基础的技术能力，其丰富的飞航经验也是成功的必要元素，从终端产品入手是一个方向，但是必然会遇到和前辈直接竞争的情况，而另一个方向便是从B2B去入手，与其去直面竞争，不如去共同合作开发更加优秀的氢能电堆以作为动力单元供货商。

 

目前DJI开始了在氢燃料电池方向的市场开发和推广，DJI最近在愚人节发布了最新款Mavic 3定制版和Air 2定制版就可以让用户自主选择锂电池或是氢燃料电池，而氢燃料电池的续航更是达到了锂电池的1倍以上终于将单次续航时长做到了2小时的水平。

这到底是愚人节的玩笑还是DJI真的有这样的技术储备，我们暂且不做讨论，但是既然DJI愿意放出这样的信息和话题，而且就“2小时的续航时长”也获得了不少用户的憧憬，足以说明这个方向是有市场价值的，而就目前已有的几家氢能无人机的公司产品来看，多旋翼型的工业无人机基本都能达到单次续航突破2小时以上的航时。

 

DJI推出氢燃料电池，一举将消费级无人机续航时长突破了1小时大关

 

（4）以小见大，前景可期

 

氢能无人机的产品相较于传统的锂电和燃油无人机在某些方面目前还有很多环节和技术需要进行完善，但是就搭载在无人机身上的小型氢能电堆的发展，却可能在未来大有所为，毕竟作为一个动力单元，我们的目的是为了去驱动一个物体，那么理论上被驱动的物体质量越轻效率也会越高，而动力单元作为一台车的核心组件，其自身的重量在其中也是一个非常高的占比。

 

从汽车市场来看，一般民用车的发动机从早期的V6直列6缸，慢慢变成了如今的3缸和4缸涡轮增压为主，一方面是为环保服务，而另一方面也是技术的进步带来的效率的提升。我们不妨把氢动力电堆看作一台车的发动机，或者说本身二者就扮演着差不多的角色，我相信随着技术的进步，电堆也可以和内燃机发动机一样，在减小动力单元体积的前提下，提升其能量密度和功率，从而达到更高的经济和使用效率。

 

随着时代的发展V8 V10 V12发动机逐渐已经被市场所抛弃 

 

而就目前而言，由于国家政策偏向于重卡和商业用车，可能并不是太多电堆和系统生产厂商愿意往这个方向去进行开发，而无人机和其他一些较为轻型的使用场景可能恰恰具备这样的研发和生存环境，未来再将相对成熟的各种技术相结合，自然可以衍生出更符合市场需求的产品。