航空业的快速增长使其成为未来交通运输领域温室气体排放的主要来源之一，对气候和环境的影响越来越显著。与此同时，氢能航空被认为是航空业未来实现污染物零排放和可持续发展的关键。虽然氢能具有绿环保、能量密度高等优点，但发展氢能航空还需要突破氢燃烧、氢燃料加注和储存等一系列关键技术瓶颈。
氢能汽车
根据国际民航组织（ICAO）的预测，基于现有传统航空技术的进步，航空业可持续发展以及2050年碳排放量减少至2005年50％的目标将无法实现（如图1所示）。因此，发展可持续航空技术，开发包括太阳能、生物燃料和氢燃料等石化燃料以外的替代能源，将成为航空业实现碳减排目标的重要任务之一。
图1  航空业碳排放及减排趋势
相关研究显示，氢燃料的能量密度约为120MJ/kg，是标准航空燃料的3倍。航空业使用氢能源不但可以实现二氧化碳零排放，同时还能有效减少其他污染物的排放量，具有非常明显的优势。因此，发展氢能航空技术是航空运输业实现碳中和的主要途径，将成为航空技术的重要发展趋势。
近年来，美国、日本和欧洲等发达国家和地区纷纷加大氢能研发的投入，重点支持乘用车、加氢站、公共汽车、电解水制氢装置、中重型运输（包括中型到大型乘用车、商用车、重载卡车、火车、海运、航空）等领域。未来氢能在航空业要完全替代传统石化燃料还须面临动力推进系统、机载氢燃料储存、机场基础设施建设以及氢燃料生产等一系列关键技术的挑战和突破。
氢能推进技术
目前，氢涡轮和氢燃料电池是氢能飞机推进系统最受关注的两个方向（如图2所示）。
图2  氢涡轮和氢燃料电池在航空上的应用
氢涡轮一般包含氢涡轮风扇发动机和氢涡轮电动风扇发动机两种形式。前者的结构与现役航空涡轮发动机基本相同，氢燃料在燃烧室内燃烧，然后推动涡轮并带动风扇产生推力，后者则是通过涡轮带动发电机发电，电驱动电机带动风扇产生推力。使用氢燃料代替石化燃料，
不会产生一氧化碳、二氧化碳、硫化物等温室气体和烟尘等污染物，仅有水蒸气和部分氮氧化物。研究显示，尽管水蒸气凝结形成的尾迹云也会对气候造成影响，但采用氢燃料仍可以将飞行过程对气候的影响降低50%~75%。
氢燃料与传统石化燃料具有完全不同的物理化学属性。在传统航空发动机中使用氢燃料时，其效果往往不如常规石化燃料。这主要是因为传统航空发动机的燃烧室几何形状、结构和尺寸不利于氢燃料和空气进行有效混合，从而导致氢燃料燃烧不充分或在燃烧过程中出现局部高温并产生氮氧化物。因此，为了提高氢燃料发动机的效率，需要对传统航空发动机的燃烧室、燃料喷射与混合装置、热循环和管理系统进行改进或重新设计，以满足氢燃料的使用要求。与此同时，为进一步降低污染物的排放量，还应开发针对氢燃料发动机的低氮氧化合物排放技术，如贫油直喷（lean direct injection，LDI）和微混合燃烧室（micro mix combustor，MMC）等技术。
氢燃料电池推进系统是一种能够实现零污染物排放的动力装置。氢在燃料电池中通过电化学反应直接产生电并排出水，电动机带动风扇产生推力。与氢涡轮风扇发动机相比，氢燃料电池内部氢与氧电化学反应环境纯净，极少产生水蒸气凝结核，因此能够大大削弱尾迹云的形成，使飞行过程对气候的影响降低75%~90%（详见表1）。
表1  氢涡轮风扇发动机和氢燃料电池动力系统对比
近年来，由于在材料和制造领域取得不断发展，氢燃料电池的能量密度相比于21世纪之初已获得了大幅提升，但氢燃料电池仍面临能量密度低（仅达航空涡扇发动机能量密度3.7kW/kg的一半左右）、使用寿命短和单体输出功率低等问题。未来需要通过采用新型电极材料、电
池一体化结构设计，高效水、热管理和运行控制等方法，进一步提高电池功率密度、延长寿命（超过25000h）。同时，还需要通过提高电池工作温度和模块化设计，进一步扩大系统输出功率，满足中、大型客机动力需求。
飞机氢燃料储存技术
当前航空业已掌握的储存技术中，高压气体或低温液体储罐技术可以用于氢能飞机机载氢燃料的存贮。若以压缩气体形式储氢，将对飞机质量和体积要求提出巨大挑战。相比之下，液态氢储存具有较高的质量能量储存密度，成为了最有前途的技术途径之一。液态氢燃料需要以极低温度（低于-253℃）储存，同时为了减少液氢沸腾导致的损失，需要在储罐中维持1.429atm的恒定压强，这将导致液氢储罐结构和配套冷却系统异常复杂，进而大大降低整体系统的质量能量密度和安全性。相关研究显示，液氢储罐应采用球形或柱状，而传统机翼油箱不适宜储存液氢燃料。因此，对于中、短程客机而言，需要对现有机体结构进行调整或重新设计，以增加液氢储罐（如图3所示）。储罐大小因机身形状、尺寸以及飞行任务和航程长短而定。增加液氢储罐后，会导致机体尺寸增加或客舱空间减小，进而增加飞行阻力或飞行成本。对于载客量超过250人，飞行距离超过10000km的远程客机，由于机载液态氢储罐
的附加质量已使传统客机结构无法满足设计要求，因此需要引入全新的、革命性的机体设计思路，如翼身融合设计、箱式机翼结构等，以达到提高飞机内部空间结构利用率的目的。