北京
导读：【据美国航空周刊2025年3月4日报道】在航空领域，氢电推进技术被视为未来可持续航空的关键路径之一。然而，该技术目前面临着一项重大挑战，即如何有效冷却燃料电池。尽管燃料电池的效率高于涡轮发动机（50-60% 对比 30-40%），但在为大型支线客机或单通道客机提供动力时，需要处理兆瓦级电推进系统所产生的废热。传统的涡轮风扇发动机可以将废热排放到发动机排气中，从而增加推力。而燃料电池产生的热量必须通过冷却回路主动排出，并通过散热器释放，这增加了飞机的重量和阻力。而且，燃料电池产生的热量等级低于80°C（180°F），因此难以有效去除。
为了解决这一难题，欧洲的exFAN项目在“地平线”研究计划的资助下，正在开发一种热推进器，利用冲压空气效应将燃料电池系统的余热转化为推力。该项目为期四年，耗资400万欧元（约合410万美元），旨在为兆瓦级齿轮风扇电推进系统设计一种轻型热交换器，开发一种将废热传递给排气流的回收装置，并建立一个强大的热管理系统。
在该项目的氢发动机设计中，燃料电池为电动机提供动力，驱动齿轮风扇。冷却液将燃料电池、电机及其它电子器件的热量通过热推进器传递给排气流，然后再循环回去冷却燃料电池和电机，旨在最大化推进系统的效率。在回收器中将废热传递给风扇排气流，意味着产生相同推力所需的能量更少，从而提高了效率，超越了传统涡轮风扇发动机。
exFAN项目由西班牙CIDETEC研究中心协调，汇集了奥地利ADT、维也纳科技大学、慕尼黑工业大学、希腊IRES、西班牙EGILE、德国航空航天中心、弗劳恩霍夫研究所、Power ID公司以及比利时EASN-技术与创新服务等多家机构。
自2023 年12月启动以来，exFAN项目团队在开发先进的热管理系统、优化燃料电池集成以及探索不同飞行条件下的性能方面取得了进展，包括高空巡航和高温起飞。ADT作为项目的协调人，探索了三种优化热管理的概念：低温质子交换膜（PEM）燃料电池与热泵结合、集成冷却系统将热量等级提升至240°C，以及高温 PEM 燃料电池在高达160°C下运行以减轻热管理系统的重量。维也纳科技大学正在研究如何将热交换器集成到系统中，以优化热量回收并减少压力损失。该团队开发了一种倾斜热交换器配置，通过增加热交换表面积来最大化传热效率，同时减少热推进器的迎风面积。然而，目前的低温 PEM 燃料电池在高温起飞时存在挑战，因为需要大型热交换器来散发余热，这增加了系统重量和压力损失，导致巡航时效率降低。潜在的解决方案包括通过集成电池来混合推进系统，以承担峰值负载。这使得热交换器可以更小，减少了巡航时的压力损失，并提高了推进效率。
总之，exFAN项目代表了航空氢电推进技术发展中的一个关键步骤，通过创新的热管理解决方案，有望提高氢电飞机的效率和可行性，为可持续航空的未来铺平道路。
来源：中国科协航空发动机产学联合体
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