1748851031
2025-06-02 07:40:00
米国フロリダ州のFAMU-FSU工学大学の研究者は、電力航空機の複数の課題に対処することでゼロ排出航空を可能にする液体水素貯蔵および送達システムを設計しました。彼らの作品は、クリティカルパワーシステムのために、きれいな燃料と冷却媒体の両方として水素を使用するスケーラブルで統合されたシステムの概要を示しています。
ジャーナルに掲載された研究 適用されたエネルギー、水素燃料電池と水素タービン駆動型の超伝導ジェネレーターの両方から電力を供給する100人乗りのハイブリッド電気航空機に合わせた設計を導入します。このシステムは、離陸、クルージング、着陸中の電力需要をサポートしながら、液体の水素を効率的に保存し、安全に移動し、オンボードシステムを冷却するために使用する方法を示しています。
「私たちの目標は、燃料貯蔵、冷却、配信制御という複数の重要なタスクを処理する単一のシステムを作成することでした」と、機械工学部の教授であり、FAMU-FSUの研究の著者であるWei Guo氏は述べています。 「この設計は、現実世界の水素航空システムの基礎となっています。」
航空燃料としての水素には、ジェット燃料よりもキログラムあたりのエネルギーが多く、二酸化炭素が発生しないという利点があります。ただし、従来の燃料と比較して密度が低いため、-253°C（-423°F）の超冷物液体として貯蔵が必要であるという不利な点があります。
FAMU-FSUのチームは、フロリダA＆M大学（FAMU）とフロリダ州立大学（FSU） +の共同工学大学であり、システムレベルの最適化を実施して、極低温タンクと関連サブシステムを設計しました。タンク設計のみに焦点を当てる代わりに、水素燃料、タンク構造、断熱材、熱交換器、循環器装置、作業液など、燃料質量と総燃料システム質量の比率を表す新しい重量測定指数を定義しました。
大学院生のパルミットシンヴィルディとウェイグー教授は、国立高磁場実験室（Scott Holstein/FAMU-FSU Engineering College of Engineering）の極低温作動液の熱伝達係数を測定するために使用されるカスタムビルドテスト施設に取り組んでいます。
通気圧や熱交換器の寸法などの主要な設計パラメーターを調整することにより、総システム質量と比較して最大燃料質量を生成する構成を特定しました。最適な構成は0.62の重量測定指数を実現します。つまり、システムの総重量の62％は使用可能な水素燃料です。
システムの熱管理関数は、超伝導ジェネレーター、モーター、ケーブル、パワーエレクトロニクスなどのオンボードコンポーネントから廃熱を除去する熱交換器を介して、超炭水化物水素をルーティングします。水素が熱を吸収すると、その温度が上昇します。これは、燃料電池やタービンに入る前に水素を予熱する必要があるため必要です。
極低温条件下での機械ポンプの複雑さと重量を避けるために、チームは水素の流れを制御するためにタンク圧力を使用してポンプのないシステムを開発しました。圧力は、高圧シリンダーから水素ガスを注入して圧力を増加させ、水素蒸気を減らすことにより調節されます。
フィードバックループは、圧力センサーを航空機の電源需要プロファイルにリンクし、タンク圧力のリアルタイム調整を可能にして、飛行段階での正しい水素流量を確保します。シミュレーションでは、システムが1秒あたり最大0.25キログラムの速度で水素を供給できることを示しており、離陸または緊急時の発掘中に16.2メガワットの電気需要を満たすのに十分です。
100人乗りのハイブリッド電気航空機の液体水素貯蔵および送達システムの設計を示す図（画像：FAMU-FSU工学大学）
熱交換器は段階的なシーケンスで動作し、高温の超伝導ジェネレーターやケーブルなど、極低温温度で動作する水素最初の冷却高効率成分が動作します。次に、燃料電池の吸気条件のために予熱される前に、電動モーターやパワーエレクトロニクスなどの高温成分からの熱を吸収します。
「以前は、航空機で液体水素を効果的に動かす方法と、電源システムコンポーネントを冷却するためにそれを使用できるかどうかについて、人々は確信が持てませんでした」とGuo氏は言いました。 「それが実現可能であることを示しただけでなく、このタイプのデザインに対してシステムレベルの最適化を行う必要があることも実証しました。」
次の段階では、GUOのチームがFSUのAdvanced Power Systemsセンターでテストするためのプロトタイプシステムを構築することを計画しているため、実験的検証が含まれます。このプロジェクトは、NASAの統合されたゼロ排出航空プログラムの一部であり、ジョージア工科大学、イリノイ工科大学、テネシー大学、バッファロー大学など、米国中に機関を集めています。
#電気航空機の液体水素システムをテストする米国の研究者