近日，佛罗里达新墨西哥州立大学工程学院的研究人员设计出一种液氢储存和输送系统，有望为实现零排放航空提供助力。该研究工作概述了一个可扩展的集成系统，通过将氢气用作清洁燃料以及电动飞机关键动力系统的内置冷却介质，可同时解决多项工程挑战。

这项研究成果发表在《应用能源》杂志上。研究团队介绍了一种专为100名乘客的混合动力飞机量身定制的设计，该飞机由氢燃料电池和氢涡轮驱动的超导发电机供电。此设计展示了如何高效储存、安全运输液氢，并将其用于冷却关键机载系统，同时满足起飞、巡航和着陆等各个飞行阶段的电力需求。

“我们的目标是创建一个能够处理多项关键任务的单一系统：燃料储存、冷却和输送控制。”机械工程系教授、该研究的通讯作者郭伟表示，“这项设计为现实世界的氢动力航空系统奠定了基础。”

氢气被视为一种很有前景的航空清洁燃料，因其每公斤能量比航空燃料更高，且不排放二氧化碳。但氢气密度低得多，这意味着除非以-253°C的超冷液体形式储存，否则会占用更多空间。

为应对这一挑战，该团队对低温储罐及其相关子系统的设计进行了全面的系统级优化。他们不再局限于关注储罐本身，而是定义了一个新的重量指数——燃料质量与整个燃料系统的质量之比，该指数涵盖氢燃料、储罐结构、隔热层、热交换器、循环装置和工作流体的质量。

通过反复调整排气压力和热交换器尺寸等关键设计参数，团队找到了能够实现燃料质量与系统总质量之比最大化的配置。最终优化的配置实现了0.62的重量指数，即系统总重量的62%为可用的氢燃料，与传统设计相比，这是显著改进。

该系统的另一个关键功能是热管理。设计并非安装单独的冷却系统，而是将超冷氢气输送到一系列热交换器中，这些热交换器可带走超导发电机、电动机、电缆和电力电子设备等车载组件产生的废热。随着氢气吸收热量，温度逐渐升高，而氢气在进入燃料电池和涡轮机之前必须预热，这一过程是必要的。

在飞机内部输送液态氢存在挑战。机械泵会增加重量和复杂性，可能引入不必要的热量，或在低温条件下存在故障风险。为避免这些问题，团队开发了一种无泵系统，利用罐内压力控制氢燃料的流动。

压力调节采用两种方法：从标准高压气瓶注入氢气以增加压力，排出氢气蒸汽以降低压力。反馈回路将压力传感器与飞机的电力需求曲线连接起来，实时调整气罐压力，确保在所有飞行阶段保持正确的氢气流量。模拟结果表明，该系统能以高达每秒0.25公斤的速率输送氢气，足以满足起飞或紧急复飞期间16.2兆瓦的电力需求。

热交换器按分级顺序排列。氢气流经系统时，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;然后吸收来自高温组件的热量，包括电动机、电机驱动器和电力电子设备;最后，在到达燃料电池之前，氢气被预热以达到最佳的燃料电池入口条件。

这种分阶段的热集成使液态氢可同时用作冷却剂和燃料，从而最大限度地提高系统效率，同时降低硬件复杂性。

“以前，人们不确定如何在飞机内有效地输送液氢，以及是否可以用它来冷却动力系统组件。”郭教授说，“我们不仅证明了它的可行性，还表明需要对此类设计进行系统级优化。”

更多信息：Parmit S. Virdi等人，《液氢储存、热管理和传输控制系统(IZEA)》，应用能源(2025)。