Des chercheurs du College of Engineering de la Florida A&M University-Florida State University ont conçu un système de stockage et de distribution d’hydrogène cryogénique pour les avions de nouvelle génération, offrant un soutien puissant à l’objectif d’aviation zéro émission. Cette recherche présente un système intégré scalable, résolvant simultanément plusieurs défis d’ingénierie, permettant à l’hydrogène de servir à la fois de carburant propre et de milieu de refroidissement intégré pour les systèmes de puissance clés des avions électriques.

L’équipe de recherche a publié un article détaillant un schéma de conception personnalisé pour un avion hybride de 100 places. Cet avion utilise des piles à combustible à hydrogène et un générateur supraconducteur entraîné par une turbine à hydrogène pour produire de l’électricité. La recherche met l’accent sur le stockage efficace et la distribution sûre de l’hydrogène liquide, utilisant l’hydrogène liquide pour refroidir les systèmes embarqués clés, répondant aux besoins en électricité lors des phases de décollage, de croisière et d’atterrissage.

L’hydrogène, en tant que carburant propre pour l’aviation, a une densité énergétique élevée et n’émet pas de dioxyde de carbone, mais doit être stocké à l’état liquide à -253 °C. Grâce à une optimisation au niveau du système, l’équipe a conçu un réservoir cryogénique et ses sous-systèmes associés, définissant un nouveau indicateur : le ratio de la masse de carburant à la masse totale du système de carburant. En ajustant des paramètres clés comme la pression d’évacuation et la taille des échangeurs de chaleur, la configuration maximisant la proportion de masse de carburant a été déterminée, atteignant un ratio de poids de 0,62, améliorant significativement l’efficacité du carburant.

Un autre point fort du système est sa fonction de gestion thermique. Il utilise l’hydrogène ultra-froid comme milieu de refroidissement, évacuant la chaleur résiduelle des composants embarqués via une série d’échangeurs de chaleur. L’hydrogène absorbe la chaleur et sa température augmente progressivement, étant préchauffé avant d’entrer dans la pile à combustible et la turbine. Pour éviter l’augmentation de poids et de complexité due aux pompes mécaniques, l’équipe a développé un système sans pompe, contrôlant le débit de carburant hydrogène via la pression du réservoir. En injectant de l’hydrogène gazeux haute pression pour augmenter la pression, en évacuant la vapeur d’hydrogène pour la diminuer, et en combinant des capteurs de pression avec un feedback en boucle fermée des besoins en puissance, un contrôle en temps réel du débit d’hydrogène est réalisé. Les résultats de simulation montrent que le système peut distribuer de l’hydrogène à un taux de 0,25 kg par seconde, répondant à une demande de puissance de 16,2 MW lors du décollage ou d’une remise des gaz d’urgence.