突破性低溫氫能儲存系統 引領零碳航空新時代

美國FAMU-FSU工程學院研究團隊成功開發出一套革命性的液態氫儲存與輸送系統，這項創新技術將為零排放航空運輸開創嶄新可能。這套整合式系統不僅能將氫氣作為清潔燃料使用，更能同時為電動飛機上的關鍵動力系統提供冷卻功能，一舉解決多項工程難題。

這項發表於《Applied Energy》期刊的研究，特別針對搭載100名乘客的混合動力電動飛機進行設計。該飛機採用氫燃料電池與氫氣渦輪驅動的超導發電機雙重供電系統。研究詳細說明瞭如何高效儲存液態氫、安全傳輸，並利用其低溫特性冷卻機上關鍵系統，同時滿足起飛、巡航和降落等不同飛行階段的動力需求。

「我們的目標是打造一個能同時處理燃料儲存、冷卻與輸送控制的整合系統，」機械工程系教授兼研究通訊作者Wei Guo表示，「這項設計為實際應用的氫能航空系統奠定了重要基礎。」

氫氣被視為極具潛力的航空清潔燃料，因其單位重量能量密度高於航空燃油，且完全不排放二氧化碳。然而氫氣密度極低，除非以攝氏零下253度的超低溫液態形式儲存，否則將佔用大量空間。

為克服此挑戰，研究團隊進行了全面的系統層級最佳化設計。他們創新性地提出「重量效率指標」——即燃料質量與完整燃料系統質量的比值。該指標不僅考量氫燃料本身，還包含儲存槽結構、隔熱層、熱交換器、迴圈裝置和工作流體等所有相關元件。

透過反覆調整關鍵設計引數，如排氣壓力和熱交換器尺寸，團隊最終實現了0.62的重量效率指標，意味著系統總重量的62%是可用的氫燃料，相較傳統設計有顯著提升。

這套系統的另一項關鍵功能是熱管理。設計團隊巧妙地將超低溫氫氣匯入一系列熱交換器，直接冷卻超導發電機、馬達、電纜和電力電子等機載元件。氫氣在吸收熱量的過程中逐漸升溫，這正好符合燃料進入電池和渦輪前需要預熱的要求。

為避免傳統機械泵在低溫環境下可能產生的問題，團隊開發出無泵輸送系統，利用儲存槽壓力控制氫氣流動。這套系統透過兩種方式調節壓力：從高壓鋼瓶注入氫氣增加壓力，或排放氫氣蒸氣降低壓力。壓力感測器與飛機動力需求形成反饋迴路，能即時調整儲存槽壓力以確保各飛行階段都能獲得適當的氫氣流量。

熱交換器採用階梯式排列設計，讓液態氫能依序冷卻不同溫度的系統元件，最後在進入燃料電池前達到最佳工作溫度。這種階梯式熱整合設計使液態氫能同時發揮冷卻劑和燃料的雙重功能，在最大化系統效率的同時，大幅簡化了硬體結構。

「過去人們對於如何在飛機上有效輸送液態氫，以及能否用它來冷卻動力系統存有疑慮，」Guo教授強調，「我們不僅證明瞭其可行性，更展示了這類設計必須進行系統層級最佳化的重要性。」

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