用于下一代航空器的低温氢存储与输送系统

这项发表在Applied Energy杂志上的研究介绍了一项专为100座混合电动飞机设计的系统，该飞机同时从氢燃料电池和氢涡轮驱动的超导发电机获取动力。研究展示了液氢如何被高效存储、安全输送并用于冷却关键机载系统——同时还能满足起飞、巡航和着陆等各种飞行阶段的电力需求。

“我们的目标是创建一个单一系统来处理多个关键任务：燃料存储、冷却和输送控制，”机械工程系教授兼该研究的通讯作者Wei Guo表示。“这项设计为现实世界的氢航空系统奠定了基础。”

氢被视为航空领域有前途的清洁燃料，因为它的能量密度比喷气燃料更高（每千克能量更多），且不排放二氧化碳。但它也远远更稀薄，这意味着除非以-253°C的超冷液体形式存储，否则会占用更多空间。

为应对这一挑战，团队进行了全面的系统级优化，设计低温储罐及其相关子系统。他们没有只关注储罐本身，而是定义了一个新的重量指数，即燃料质量与整个燃料系统质量的比值。该指数包括氢燃料质量、储罐结构、绝缘层、热交换器、循环装置和工作流体的质量。

通过反复调整关键设计参数，如排气压力和热交换器尺寸，他们确定了能产生最大燃料质量相对于系统总质量的配置。最终的最优配置实现了0.62的重量指数，意味着系统总重量的62%是可用的氢燃料，相比传统设计有显著改进。

该系统的另一个关键功能是热管理。设计没有安装独立的冷却系统，而是将超冷氢引导通过一系列热交换器，这些热交换器从机载组件（如超导发电机、电机、电缆和电力电子设备）中移除废热。随着氢吸收热量，其温度逐渐升高，这是一个必要过程，因为氢在进入燃料电池和涡轮之前必须预热。

在整个飞机中输送液氢也有其自身挑战。机械泵会增加重量和复杂性，并可能在低温条件下引入不需要的热量或故障风险。为避免这些问题，团队开发了一种无泵系统，利用储罐压力来控制氢燃料的流动。

压力通过两种方法调节：从标准高压气瓶注入氢气以增加压力，以及排放氢蒸气以降低压力。一个反馈回路将压力传感器连接到飞机的电力需求曲线，从而实现储罐压力的实时调整，确保在所有飞行阶段都有正确的氢流量。模拟显示，它可以以高达0.25千克/秒的速率输送氢气，足以满足起飞或紧急复飞时的16.2兆瓦电力需求。

热交换器按分阶段序列排列。随着氢流经系统，它首先冷却在低温下运行的高效组件，如高温超导发电机和电缆。然后，它从更高温度的组件中吸收热量，包括电机、电机驱动器和电力电子设备。最后，在到达燃料电池之前，氢被预热以匹配燃料电池的最佳入口条件。

这种分阶段的热集成使液氢既能作为冷却剂又能作为燃料，最大化系统效率，同时最小化硬件复杂性。

“先前，人们不确定如何在飞机中有效移动液氢，也不确定是否还能用它来冷却动力系统组件，”郭说道。“我们不仅证明了这是可行的，还证明了这类设计需要进行系统级优化。”

未来步骤

虽然这项研究侧重于设计优化和系统模拟，但下一阶段将涉及实验验证。郭和他的团队计划建造一个原型系统，并在FSU的高级电力系统中心进行测试。

该项目是NASA综合零排放航空计划的一部分，该计划汇集了美国各地的机构来开发一整套清洁航空技术。合作大学包括Georgia Tech、Illinois Institute of Technology、University of Tennessee和University at Buffalo。FSU在氢存储、热管理和电力系统设计方面领导这项工作。

在FSU，主要贡献者包括研究生Parmit S. Virdi；教授Lance Cooley、Juan Ordóñez、Hui Li、Sastry Pamidi；以及其他在低温学、超导性和电力系统方面的教职专家。

该项目由NASA支持，作为其大学领导倡议的一部分，该倡议为美国大学提供机会获得NASA资金，并带头组建自己的团队，制定自己的研究议程，其目标支持和补充该机构的航空研究任务理事会及其战略实施计划。

郭的研究在FSU总部设的国家高磁场实验室进行，该实验室由美国国家科学基金会和佛罗里达州支持。