CN103456976A - 用于提供电功率的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于提供电功率的系统和方法。一种电功率单元向飞行器(100)上的电气构件(12)提供电功率。电功率单元(10)包括构造成定位在飞行器上的氢气发生系统(16)。氢气发生系统还构造成使用水与金属之间的反应来生成氢气。电功率单元还包括构造成定位在飞行器上的燃料电池(14)。燃料电池操作地连接至氢气发生系统，使得燃料电池从氢气发生系统接收氢气。燃料电池还构造成从自氢气发生系统接收的氢气产生电功率且电连接至电气构件电连接以用于给该构件供应电功率。

Description

用于提供电功率的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于提供电功率的系统和方法。
背景技术
一些已知的飞行器包括应急功率单元(EPU)。EPU在飞行器的主功率单元(PPU)和/或辅助功率单元(APU)失效时向飞行器的电气构件供应电功率。例如，在PPU和/或APU失效时，一些已知飞行器的EPU向对飞行器的安全操作关键和/或至关重要的电气构件供应电功率，例如飞行控制装置、相连的液压装置、仪表、航空电子装置和飞行管理系统，等等。
一些已知飞行器的EPU包括配备在飞行器外部的冲压空气(ram air)涡轮。冲压空气涡轮是从飞行器在飞行期间所移动通过的空气生成电功率的风力涡轮。但是，冲压空气涡轮可能相对大且重，这可增加EPU的成本。而且，冲压空气涡轮不能在飞行器载有乘客的情况下测试。因此，必须进行无乘客的额外飞行以测试冲压空气涡轮。由于额外飞行的相关联的燃料和其它成本，飞行员通常不测试冲压空气涡轮，直到在紧急状况下需要EPU。EPU的可靠性和性能因此是未知的，使得EPU在紧急状况期间可能不操作以供应任何或足量的电功率。
发明内容
在一个实施例中，一种电功率单元向飞行器上的电气构件提供电功率。该电功率单元包括构造成定位在飞行器上的氢气发生系统。氢气发生系统还构造成使用水与金属之间的反应来生成氢气。电功率单元还包括构造成定位在飞行器上的燃料电池。燃料电池操作地连接至氢气发生系统，使得燃料电池从氢气发生系统接收氢气。燃料电池还构造成从自氢气发生系统接收的氢气生成电功率且电连接至电气构件以用于给该构件供应电功率。
在另一实施例中，提供了一种用于在飞行器上提供电功率的方法。该方法包括使用水与金属之间的反应在飞行器上生成氢气、向飞行器上的燃料电池供应所生成的氢气、以及使用所生成的氢气在燃料电池生成电功率。
在另一实施例中，一种飞行器包括机身、机身上的电气构件和机身上的氢气发生系统。氢气发生系统构造成使用水与金属之间的反应来生成氢气。飞行器还包括机身上的燃料电池。燃料电池操作地连接至氢气发生系统，使得燃料电池从氢气发生系统接收氢气。燃料电池构造成使用从氢气发生系统接收的氢气来生成电功率。燃料电池电连接至电气构件以用于给该构件供应电功率。
根据一方面，提供了一种用于向飞行器上的电气构件提供电功率的电功率单元，该电功率单元包括：氢气发生系统，其构造成定位在飞行器上，氢气发生系统还构造成使用水与金属之间的反应来生成氢气；以及燃料电池，其构造成定位在飞行器上，燃料电池操作地连接至氢气发生系统，使得燃料电池从氢气发生系统接收氢气，燃料电池还构造成从自氢气发生系统接收的氢气生成电功率且电连接至电气构件以用于给构件供应电功率。
优选地，氢气发生系统包括反应器、水箱和泵，泵操作地与反应器和水箱连接，以用于将水从水箱泵送到反应器中。
优选地，电功率单元是飞行器的应急功率单元或辅助功率单元中的一个。
优选地，燃料电池产生水作为使用自氢气发生系统接收的氢气的电功率生成的副产品，氢气发生系统流体连接至燃料电池，使得氢气发生系统构造成从燃料电池接收水。
优选地，氢气发生系统包括反应器，其具有包括底部的反应室，反应室构造成在反应室的底部接收水，使得水与金属之间的反应在反应室的底部开始。
优选地，氢气发生系统包括反应器，其具有顶端和相对的底端，反应器构造成通过延伸穿过顶端的入口在底端接收水。
优选地，电功率单元还包括操作地连接至氢气发生系统或燃料电池中的至少一个的控制器，控制器构造成控制氢气发生系统或燃料电池中的至少一个的操作。
根据另一方面，提供了一种用于在飞行器上提供电功率的方法，该方法包括：使用水与金属之间的反应在飞行器上生成氢气；向飞行器上的燃料电池供应所生成的氢气；以及使用所生成的氢气在燃料电池生成电功率。
优选地，该方法还包括将从燃料电池生成的电功率供应至飞行器上的电气构件。
优选地，使用水与金属之间的反应在飞行器上生成氢气包括将水与金属和催化剂结合，以形成具有在约15℃与约280℃之间的温度范围的放热反应。
优选地，使用水与金属之间的反应在飞行器上生成氢气包括将金属作为粉末、液体、颗粒、球丸或薄片中的至少一个供应至反应器。
优选地，该方法还包括向对飞行器的安全操作关键或至关重要中的至少一者的、飞行器上的电气构件供应从燃料电池生成的电功率。
优选地，使用水与金属之间的反应在飞行器上生成氢气包括将金属预先装载到反应器中且随后向反应器供应水。
优选地，使用水与金属之间的反应在飞行器上生成氢气包括向反应室的底部供应水，使得在水与金属之间的反应在反应室的底部开始。
优选地，使用所生成的氢气在燃料电池生成电功率包括产生水作为副产品，并且使用水与金属之间的反应在飞行器上生成氢气包括向反应器供应副产品水以及使用副产品水来生成氢气。
附图说明
图1是用于飞行器的电功率单元的实施例的示意图。
图2是图1中所示的电功率单元的反应器的实施例的示意图。
图3是飞行器的实施例的示意图。
图4是示出用于在机身上生成电功率的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
当结合附图阅读时，将更好地理解下文对某些实施例的详细描述。应当理解，各种实施例不限于图中所示的布置和手段。
如文中所用，以单数叙述并前接用词“一”或“一个”的元件或步骤应当理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确陈述了这种排除。此外，对“一个实施例”的提及不应解释为排除也结合了所叙述特征的另外实施例的存在。此外，除非明确陈述为相反，否则“包括”或“具有”具有特定性质的一个元件或多个元件的实施例可包括不具有该性质的另外的此类元件。
文中描述和/或示出的系统和方法的各种实施例例如在飞行器上提供电功率。各种实施例的至少一个技术效果是在飞行器上带有实时即期氢气(H)发生的电功率单元。各种实施例的至少一个技术效果是不配备在飞行器外部的电功率单元。各种实施例的至少一个技术效果是具有较小尺寸、具有较轻重量、具有较高功率密度的电功率单元，其较不复杂，和/或其比至少一些已知的电功率单元(例如包括燃料电池和/或冲压空气涡轮的电功率单元)更加廉价。各种实施例的至少一个技术效果是具有比至少一些已知的电功率单元更好的可靠性和/或性能的电功率单元，和/或减小由飞行器燃烧的燃料量和/或飞行器的排放量的电功率单元。
文中关于固定翼飞机描述和示出了系统和方法的各种实施例。但是，本文描述和/或示出的系统和方法的各种实施例不限于飞机或固定翼飞行器。而是，系统和方法的各种实施例可在具有任何其它设计、结构、构型、布置等的其它类型的飞行器内实施，例如但不限于航空器、功率提升飞行器和/或旋翼飞行器，等等。
图1是用于飞行器(例如，图3所示的飞行器100)的电功率单元10的实施例的示意图。如下文将描述的，电功率单元10可用来向位于飞行器上的一个或多个电气构件12提供电功率。例如，电功率单元10可以是飞行器的应急功率单元(EPU)和/或辅助功率单元(APU)。
电功率单元10可用来向任何数量的电气构件12提供电功率。为了清楚，将参照图1把电功率单元10描述和示出为向单个电气构件12提供电功率。各电气构件12可以是任何类型和量的电气构件，例如但不限于飞行控制装置、航空电子装置、相连的液压装置、显示器、仪表、传感器、厨房烤箱、加热器、制冷单元、照明装置、风扇、除冰和防冰系统、发动机管理系统、飞行管理系统、功率分配构件、起动机、起动机-发电机、环境控制装置、加压系统、娱乐系统、微波炉、武器系统、照相机、信号处理器、功率分配构件、电容器和/或处理、传输和/或延迟数据的电气构件等等。
电功率单元10包括燃料电池14和氢气发生系统(HGS)16。如下文将描述的，HGS 16使用水(H2O)与金属之间的反应来生成氢气，并且燃料电池14使用由HGS 16生成并从其接收的氢气来生成电功率。燃料电池14电连接至电气构件12，使得燃料电池14构造成给电气构件12供应电功率。在示出的实施例中，燃料电池14被示出为电连接至单个电气构件12。但是，燃料电池14可电连接至任何数量的电气构件12。一个或多个电气装置(未示出)可电连接在燃料电池14与电气构件12之间，以用于修改从燃料电池14供应至电气构件12的电功率。可电连接在燃料电池14与电气构件12之间的此类电气装置的示例包括但不限于直流(DC)至DC转换器、交流(AC)至DC转换器、DC至AC转换器、变压器、放大器、换相器等。
燃料电池14使用氢气与氧气(O2)之间的反应以已知方式生成电功率。燃料电池14包括氢气入口18和氧气入口20。燃料电池14可以是使用氢气与氧气之间的反应来生成电功率的任何类型的燃料电池。例如，在一些实施例中，氢气经氢气入口18供给至燃料电池14的阳极22，而氧气经氧气入口20供给至燃料电池14的阴极24。氢气和氧气行进通过燃料电池14并彼此电化学反应以生成电功率。
燃料电池14可从氢气与氧气之间的电化学反应产生一种或多种副产品，例如但不限于水、未用氧气等。如下文将描述的，在一些实施例中，水作为燃料电池14的副产品产生并且副产品水被供给至HGS 16以用于生成氢气。在示出的实施例中，电功率单元10包括副产品箱26，其流体连接至燃料电池14的副产品出口28，例如以用于将副产品储存在其中。在燃料电池14内氢气与氧气之间的电化学反应的副产品可储存在副产品箱26中达任何时间量。在一些实施例中，不同副产品在副产品箱26内分离(例如，使用多出口连接等)和/或分开储存在副产品箱26内。在一些备选实施例中，电功率单元10不包括副产品箱26。例如，在一些备选实施例中，使用多出口连接器(未示出)代替副产品箱26来分离不同副产品。使用多出口连接器代替副产品箱26的一个示例包括使用多出口连接器，其包括向氧气入口20供给未用氧气的氧气出口和向另一构件(例如，向HGS 16)供应副产品水的水出口。
在一些实施例中，供应至燃料电池14的一些氢气在电功率的生成期间未消耗。换言之，供应至燃料电池14的其中一些氢气可行进通过燃料电池14而不与氧气反应。例如使用将氢气出口30和氢气入口18流体互连的流体管道32，可使未用氢气从燃料电池14的氢气出口30再循环回到氢气入口18。未用氢气由此被再引入燃料电池14中以用于生成更多电功率。在示出的实施例中，电功率单元10包括氢气供应箱34，其在氢气入口18与氢气出口30之间流体互连，例如以用于在其再循环期间储存未用氢气和/或用于储存由HGS 16生成的氢气以稍后供应至燃料电池14。当氢气供应箱34保持未用氢气和由HGS 16生成的氢气两者时，未用氢气和由HGS 16生成的氢气在氢气供应箱34内混合。未用氢气可储存在氢气供应箱34中达任何时间量。在一些备选实施例中，电功率单元10不包括保持未用氢气的箱。例如，在一些备选实施例中，使用任何合适的混合装置(未示出)代替氢气供应箱34，例如但不限于多入口连接器(例如，t形连接器等)等，将未用氢气与由HGS 16生成的氢气混合以供应至燃料电池14的氢气入口18。混合装置可包括有利于未用氢气与由HGS 16生成的氢气的混合的一个或多个特征，例如但不限于文丘里管等。应当理解，在其中电功率单元10包括氢气供应箱34的实施例中，单元10可包括将未用氢气与由HGS 16生成的氢气混合的混合装置(无论是在箱34内还是在箱34外部)。
由燃料电池14用来生成电功率的氢气由HGS 16供应至燃料电池14。由燃料电池14用来生成电功率的氧气可以是纯氧气或者可以是包括氧气的复合物(例如，空气)。由燃料电池14用来生成电功率的氧气可从其任何合适的供应源供应。例如，电功率单元10可包括保持氧气供应(无论是纯的还是在复合物内)的氧气供应箱36。由燃料电池14用来生成电功率的氧气的另一示例包括使用飞行器周围的空气、使用来自飞行器的机舱内的空气等。
供应至燃料电池14的一些氧气在电功率生成期间可能不消耗。具体而言，供应至燃料电池14的其中一些氧气可行进通过燃料电池14而不与氢气反应。未用氧气可再循环回到氧气入口20。未用氧气由此被再引入燃料电池14中以用于生成更多电功率。在示出的实施例中，未用氧气经副产品出口28离开燃料电池14并且经将副产品出口28流体连接至氧气入口20的流体管道35供给回到氧气入口20。备选地，燃料电池14包括未用氧气经其离开燃料电池14的专用氧气出口(未示出)。
在示出的实施例中，副产品箱26构造成保持已离开燃料电池14的未用氧气。未用氧气在再循环到氧气入口20之前与容纳于副产品箱26内的其它副产品、其它元素和/或其它复合物分离。在一些备选实施例中，电功率单元10包括用于在未用氧气的再循环期间保持未用氧气的专用的未用氧气箱(未示出)。而且，在一些备选实施例中，电功率单元10不包括在未用氧气的再循环期间保持未用氧气的箱。未用氧气在未用氧气的再循环期间可储存在副产品箱26和/或专用的未用氧气箱中达任何时间量。不论电功率单元10是否包括副产品箱26或专用的未用氧气箱，再循环到氧气入口20的未用氧气都可储存在氧气供应箱36内。当氧气供应箱36保持未用氧气和氧气供应两者时，未用氧气和氧气供应在氧气供应箱36内混合。未用氧气可储存在氧气供应箱36中达任何时间量。在一些备选实施例中，未用氧气未储存在氧气供应箱36内，而是使用任何合适的混合装置(未示出)，例如但不限于多入口连接器(例如，t形连接器等)等，与来自箱36和/或另一来源的氧气供应混合。混合装置可包括有利于未用氧气与来自供应箱36和/或另一来源(例如但不限于文丘里管等)的氧气混合的一个或多个特征。应当理解，在其中氧气供应箱36保持氧气供应和未用氧气两者的实施例中，单元10可包括将未用氧气与来自供应箱36和/或另一来源的氧气供应混合的混合装置(不论是在箱36内还是在箱36外部)。
如上所述，HGS 16使用水与金属之间的反应来生成氢气。HGS 16包括具有反应室40的反应器38，水和金属在反应室40中反应以由此生成氢气。HGS 16可包括水箱42。在示出的实施例中，反应器38的反应室40流体连接至水箱42，使得反应室40构造成从水管42接收水。而且，在一些实施例中，水箱42构造成从燃料电池14接收副产品水。例如，在示出的实施例中，水箱42流体连接至副产品箱26以用于从燃料电池14接收副产品水。副产品水在被供给至HGS 16之前与容纳于副产品箱26内的其它副产品、元素和/或复合物分离。在一些备选实施例中，水箱42不从燃料电池14接收副产品水，而是，水箱42保持水供应以由反应器38使用。而且，在一些备选实施例中，来自燃料电池14的副产品水被供给至反应器38而未被供给通过水箱42。例如，在一些备选实施例中，水箱42未流体连接在燃料电池14与反应器38之间，而是流体连接至反应器38，以用于给反应器38供应初始量的水，以起动金属和水反应。
在其中来自燃料电池14的副产品水被供给至反应器38以用于生成氢气的实施例中，电功率单元10可包括操作地与燃料电池14的副产品出口28流体连通地连接的止回阀44。止回阀44防止副产品水回流到燃料电池14中。虽然示出了仅仅一个止回阀44，但电功率单元10可包括任何数量的止回阀。
各流量阀44可具有使流量阀44能够调节副产品水离开燃料电池14的流率的任何位置。在示出的实施例中，流量阀44操作地在水箱42与副产品箱26之间流体连通地连接。流量阀44的其它示例性位置包括但不限于水箱42内的位置、副产品箱26内的位置、未在水箱42与副产品箱26之间流体连通的位置、在副产品出口28与副产品箱26之间流体连通的位置、在水箱42与反应器38之间流体连通的位置等。各流量阀44可以是使流量阀44能够调节副产品水离开燃料电池14的流率的任何类型的阀。
HGS 16可包括泵46，其操作地与反应器38的反应室40流体连通地连接，以用于向反应室40供应水。泵46构造成调节水进入反应室40中的流率。由于由燃料电池14生成的电功率的量和/或速率与供应至燃料电池14的氢气的流率相关，因而泵46可调节水进入反应室40中的流率，以由此提供与由燃料电池14生成的电功率的期望量和/或速率相对应的氢气的流率。除泵46之外或备选地，电功率单元10可包括用于调节水到反应室40的流率的一个或多个阀(未示出)和/或一个或多个其它构件(未示出)。在示出的实施例中，泵46操作地在水箱42与反应室40之间流体连通地连接，使得泵46的操作使水从水箱42移动到反应室38。虽然示出仅仅单个泵46，但电功率单元10可包括任何数量的泵46。各泵46可具有使泵46能够使水移动到反应器38的反应室40的任何位置。如上所述，在示出的实施例中，泵46操作地在水箱42与反应器38之间流体连通地连接。泵46的其它示例性位置包括但不限于水箱42内的位置、反应器38内的位置、未在水箱42与反应器38之间流体连通的位置等。各泵46可以是使泵46能够将水移动到反应室40的任何类型的泵，例如但不限于容积式泵、冲击式泵、水锤泵、速度泵、离心泵、喷射器-喷射泵、重力泵、无阀泵等。
电功率单元10可包括用于控制电功率单元10的操作的一个或多个控制器48和/或其它子系统。例如，控制器48可控制燃料电池14、HGS 16、泵46、燃料电池14和/或HGS 16的一个或多个构件、和/或电功率单元10的一个或多个其它构件的操作的启动和停止。而且，并且例如，控制器48可控制燃料电池14、HGS 16、泵46、氧气供应箱36和/或电功率单元10的一个或多个其它构件的操作。控制器48可控制燃料电池14、泵46、氧气供应箱36和/或HGS 16的各种操作，例如但不限于由HGS 16生成的氢气的量、HGS 16生成氢气的速率、由燃料电池14生成的电功率的量、燃料电池14生成电功率的速率等。控制器48控制燃料电池14、泵46、氧气供应箱36和/或HGS 16的操作的其它示例包括但不限于控制供应至燃料电池14的氧气的量和/或流率、控制供应至燃料电池14的氢气的量和/或流率、控制供应至反应室40的水的量和/或流率、控制供应至反应室40的金属的量和/或类型、控制供应至反应室40的催化剂的量和/或类型等。
控制器48的其它示例性操作包括但不限于监测确定电功率生成的量和/或速率的一个或多个传感器(未示出)、监测确定氢气发生的量和/或速率的一个或多个传感器(未示出)、控制用以控制电功率从燃料电池到不同电气构件12的流动的开关等。其它传感器可集成在单元10中，以监测电功率单元10内的氢气压力、氢气温度、氢气流率、水压力、水温度、水流率、氧气压力、氧气流率、氧气温度等。
现在将描述电功率单元10用以提供电功率的操作。HGS 16生成氢气以由燃料电池14用来生成电功率。HGS 16可使用水与金属之间的任何反应来生成氢气。HGS 16可使用任何金属(包括任何金属复合物)来生成氢气，例如但不限于铝等。可使用催化剂来促进水与金属之间的反应。可使用任何合适的催化剂。用来生成氢气的水与金属之间的反应是放热的。水与金属之间的合适反应的示例包括但不限于：2Al + 6H2O + 催化剂 = 2Al(OH) + 3H2 + 催化剂 + 热量(在约15℃与约280℃之间)；2Al + 4H2O + 催化剂 = 2AlO(OH) + 3H2 + 催化剂 + 热量(在约280℃与约480℃之间)；2Al + 3H2O + 催化剂 = Al2O3 + 3H2 + 催化剂 + 热量 (在约480℃以上)；等等。
为了发生反应，向反应器38的反应室40供应金属、催化剂和水。通过与反应室40流体连通的反应器38的入口50将水供应至反应室40。可以以任何次序将金属、催化剂和水供应至反应室40。在一些实施例中，在将水供应至反应室之前将金属预先装载到反应室40中。在其中先于水将金属供应至反应室40的此类实施例中，可在将水供应至反应室40之前使催化剂与金属混合，可在将水供应至反应室40之前使催化剂与水混合，或者可在已将水供应至反应室40之后将催化剂供应至反应室40。可以以任何形式将金属和催化剂中的每一个供应至反应室40，例如但不限于液体、粉末、颗粒、球丸、薄片等。可使用任何量的金属、水和催化剂。
如上所述，在一些实施例中，将来自燃料电池14的副产品水供应至HGS 16以用于生成氢气。在此类实施例中，水箱42保持可供应至反应器38以起动反应的初始水供应。该初始水供应可以完全是来自燃料电池14用以生成电功率的较早操作的副产品水，可以是在HGS 16的操作起动之前从另一来源添加至水箱的水，可以是它们的组合，等等。在一些实施例中，由燃料电池14产生的副产品水的量和/或速率可足以使得电功率单元10是提供电功率的“自持”过程。备选地，水箱42保持水供应，其补充副产品水，使得反应器38被供应足量的水以生成燃料电池14所需的氢气量。在其中来自燃料电池14的副产品水未供应至HGS 16的实施例中，水箱42可保持足量的水以生成预定量的氢气，或者可在反应器38的操作期间被供应水以生成氢气。
HGS 16可用来以任何速率生成任何量的氢气，这可取决于燃料电池14的当前或将来氢气需求、由燃料电池14生成的电功率的当前或将来量、燃料电池14生成电功率的当前或将来速率等。HGS 16的各种参数可被选择成生成预定量和/或速率的氢气。此类各种参数的示例包括但不限于所使用金属的量和/或类型、所使用催化剂的量和/或类型、供应至反应室40的水的量和/或流率等。
反应器38的出口52操作地与燃料电池14的氢气入口18流体连通地连接，以用于向燃料电池14供应由HGS 16生成的氢气。在示出的实施例中，从燃料电池14接收未用氢气的氢气供应箱34构造成保持由HGS 16生成的氢气。在一些备选实施例中，代替由氢气供应箱34保持，电功率单元10包括用于保持由HGS 16生成的氢气的专用氢气箱。在其它备选实施例中，电功率单元10不包括保持由HGS 16生成的氢气的箱。由HGS 16生成的氢气可储存在氢气供应箱34或专用氢气箱中达任何时间量。例如，氢气可在正由HGS 16生成氢气时被供应至燃料电池14，或者由HGS 16生成的氢气可被储存以在将来由燃料电池14使用。
如上所述，燃料电池14使用由HGS 16生成的氢气来生成电功率。燃料电池14使用氢气与氧气之间的任何反应来生成电功率。可使用催化剂来促进氢气与氧气之间的反应。可使用任何合适的催化剂。氢气与金属之间用以生成电功率的反应是放热的。氧气与氢气之间的合适反应的示例包括但不限于：6H2 + 3O2 + 催化剂 = 6H2O + 催化剂 + 热量，等等。为了发生反应，以任何次序将氢气、氧气和催化剂供应至燃料电池14。可使用任何量的氢气、氧气和催化剂。
燃料电池14可用来以任何速率生成任何量的电功率。燃料电池14的各种参数可被选择成生成预定量和/或速率的电功率。此类各种参数的示例包括但不限于氢气的量、类型和/或流率、催化剂的量、类型和/或流率、氧气的量、类型和/或流率，等等。
图2是HGS 16的反应器38的实施例的示意图。反应器38包括从顶端56延伸到相对的底端58的本体54。顶端56包括顶壁60。底端58包括底壁62。本体54包括从顶壁60延伸到底壁62的一个或多个侧壁64。顶端56包括顶壁60和侧壁64的与顶壁60相交的部分66。底端58包括底壁62和侧壁64的与底壁62相交的部分68。反应器38包括入口50和出口52，它们中的每一个延伸穿过本体54而与反应室40流体连通，如在图2中可见。反应室40包括顶部43和底部45。底部45包括底壁62的内表面47和侧壁64的内表面51的与内表面47相交的部分49。入口50和/或出口52可包括各种流控制特征(未示出)，例如但不限于阀、节流器、喷出器、人工切断装置、自动切断装置等。
反应室40构造成在其底部45接收水，使得水与金属之间的反应在反应室40的底部45开始。在示出的实施例中，反应室40构造成在本体54的底端58接收水。具体而言，入口50延伸穿过本体54的底端58，使得反应室40构造成经底端58接收水。换言之，水经反应器38的底端58供应至反应器38。经底端58供应至反应器38的水在反应室40的底部45与金属反应。在示出的实施例中，入口50延伸穿过底壁62，使得反应室40构造成经底壁62接收水。备选地，入口50延伸穿过侧壁64的作为底端58的一部分被包括的部分68，使得反应室40构造成经底端58的侧壁部分68接收水。而且，在一些备选实施例中，入口50延伸穿过顶端56且包括管道(未示出)，其朝底部45延伸穿过反应室40，使得水在底部45被引入反应室40中。在其它备选实施例中，入口延伸穿过顶端56并将水引导到侧壁64的内表面51上，使得水沿内表面51向下流到反应室40的底部45。
可在水被供应至反应室40之前将金属预先装载到反应器38的反应室40中。此后经入口50将水供应至反应室40的底部45。如果使用催化剂，则催化剂可随金属预先装载或者可在将水供应至反应室40之前或之时与水混合。由于金属被预先装载且水被供应至反应室40的底部45，使得水与金属之间的反应在底部45开始，因而金属与水之间的反应是“自密封的”。该反应的自密封性质可简化和/或降低反应器38的设计和制造的成本。而且，该反应的自密封性质可实现氢气发生的相对可控、相对稳定和/或相对恒定的速率。
图3是包括以与电功率单元10(图1)基本类似的方式提供电功率的电功率单元110的飞行器100的实施例的示意图。在示出的实施例中，飞行器100是固定翼客机。飞行器100包括多个电气构件112、机身170、主功率单元172、辅助功率单元(APU)174、一个或多个发动机176和电功率单元110。电气构件112、功率单元172和174、发动机系统176和电功率单元110均位于机身170上。具体而言，电气构件112、功率单元172和174、发动机系统176和电功率单元110定位在机身170上和/或内的各个位置，使得电气构件112、功率单元172和174、发动机系统176和电功率单元110在飞行器100的飞行期间由机身170承载。
在示出的实施例中，电功率单元110是飞行器100的EPU，例如，其在主电源172和辅助电源174两者已完全或部分失效时使用。备选地，电功率单元110是飞行器100的APU，其在主功率单元172完全或部分失效时使用。应当理解，不论电功率单元110为EPU或APU，电功率单元110都可构造成在非紧急状况下向一个或多个电气构件112提供电功率。
主功率单元172可以是任何类型的电功率源，例如生成装置或储存装置。在示出的实施例中，主功率单元172是与飞行器100的发动机176相关联的涡轮发电机。作为生成装置的主功率单元172的其它示例包括但不限于发电机和/或太阳能电池，等等。作为储存装置的主功率单元172的示例包括但不限于燃料电池、蓄电池、飞轮和/或电容器，等等。虽然被示出为位于飞行器100的发动机176处，但主功率单元172可位于沿机身170的任何其它位置。而且，飞行器100可包括任何数量的主功率单元172。
APU 174可以是任何类型的电功率源，例如生成装置或储存装置。在示出的实施例中，APU 174是储存装置。作为储存装置的APU 174的示例包括但不限于燃料电池、蓄电池、飞轮和/或电容器，等等。作为生成装置的APU 174的示例包括但不限于涡轮发电机、发电机和/或太阳能电池，等等。APU 174可位于沿机身170的任何位置。飞行器100可包括任何数量的APU 174。
电气构件112的子集(sub-set)178在图3中被示为处于沿机身170的各个位置。各子集178可包括任何数量的电气构件112。在一些实施例中，一个或多个子集178仅包括单个电气构件112。当子集178包括两个或更多电气构件112时，子集178的所有电气构件112可属于相同类型，或者子集178可包括两种或更多类型的电气构件112。飞行器100可包括任何数量的子集178。
图3中所示的子集178沿机身170的位置和样式仅用于举例。各子集178可具有沿机身170的任何其它位置，并且子集178可相对于彼此以任何其它样式布置。而且，同一子集178的电气构件112在图3中仅出于说明性目的而被示出为在沿机身170的相同位置组合在一起。同一子集178的电气构件112不必位于沿机身170的相同位置。而是，各电气构件112可具有沿机身170的任何位置，不论这种位置是否与同一子集178的一个或多个其它电气构件112的位置相同或相邻。在一些实施例中，电气构件基于电气构件112的群组(即，子集178)所共用的对应功率分配模块(未示出)在子集122中组合在一起。
各子集178的各电气构件112可以是任何类型的电气构件。电气构件112的示例包括但不限于飞行控制装置、相连的液压装置、航空电子装置、显示器、仪表、传感器、厨房烤箱、加热器、制冷单元、照明装置、风扇、除冰和防冰系统、发动机管理系统、飞行管理系统、功率分配构件、起动机、起动机-发电机、环境控制装置、加压系统、娱乐系统、微波炉、武器系统、照相机、信号处理器、功率分配构件、电容器和/或处理、传输和/或延迟数据的电气构件，等等。
子集178电连接至主功率单元172、APU 174和电功率单元110，使得各电气构件112构造成从主功率单元172、APU 174和/或电功率单元110接收电功率。在示出的实施例中，各子集178的各电气构件112电连接至单元172、174和110中的每一个。换言之，各单元172、174和110构造成向所有电气构件112供应电功率。备选地，电气构件112中的一个或多个可不电连接至主功率单元172、APU 174或电功率单元110。换言之，在一些备选实施例中，主功率单元172、APU 174和/或电功率单元110仅向电气构件112中的一些供应电功率。例如，APU 174和/或电功率单元110可仅仅电连接至在紧急状况期间需要的电气构件112(例如，对飞行器100的安全操作关键和/或至关重要的电气构件112，例如但不限于飞行控制装置、仪表、相连的液压装置、航空电子装置、显示器、传感器、照明装置、除冰和防冰系统、发动机管理系统、飞行管理系统、环境控制装置、加压系统和/或武器系统，等等)。
现在提及电功率单元110，该电功率单元110包括燃料电池114和氢气发生系统(HGS)16。HGS 16构造成以与上文关于HGS 16(图1)所述基本类似的方式使用水与金属之间的反应来生成氢气。燃料电池114构造成以与上文关于燃料电池14(图1)所述基本类似的方式使用氢气来生成电功率。HGS 116流体连接至燃料电池114，使得HGS 116构造成向燃料电池114供应由HGS 116生成的氢气。
现在将描述电功率单元110用以向电气构件112提供电功率的操作。HGS 116使用金属与水之间的反应来生成氢气。由HGS 116生成的氢气被供应至燃料电池114。燃料电池114使用在氧气与由HGS 116生成的氢气之间的反应来生成电功率。由燃料电池114生成的电功率可立即输送到电连接至电功率单元110的电气构件112，或者可被储存以稍后输送至电气构件112。在一些实施例中，来自燃料电池114的副产品水被供应至HGS 116以用于生成氢气。
在一些实施例中，电功率单元110电连接至主功率单元172和/或APU 174。电功率单元110到主功率单元172和/或APU 174的电连接可使电功率单元110能够在非紧急状况期间补充主功率单元172和/或APU 174。例如，不论主功率单元172和/或APU 174是否已失效，电功率单元110都可在非紧急状况期间向被供应来自主功率单元172和/或APU 174的电功率的一个或多个电气构件112提供电功率。而且，并且例如，电功率单元110可向正被供应来自主功率单元172和/或APU 174的电功率的一个或多个电气构件112提供另外的电功率。除了电连接至主功率单元172和/或APU 174之外或备选地，在非紧急状况期间，电功率单元10可通过分开地电连接至被供应来自主功率单元172和/或APU的电功率的一个或多个电气构件112而补充主功率单元172和/或APU 174。
图4是示出用于在飞行器(例如，图3中所示的飞行器100)上提供电功率的方法200的实施例的流程图。例如，方法200可使用电功率单元10(图1)或电功率单元110(图3)来执行。方法200包括在202使用水与金属之间的反应在飞行器上生成氢气。在一些实施例中，在202生成包括在202a将金属预先装载到反应器(例如，图1和2中所示的反应器38)中且随后向反应器的反应室的底部供应水(例如，经反应器的底端)。而且，在202生成可包括在202b使用来自燃料电池(例如，图1所示的燃料电池14或图3所示的燃料电池114)的副产品水来生成氢气。在一些实施例中，在202生成包括结合水、金属和催化剂以形成具有在约15℃与约280℃之间的温度范围的放热反应。
在204，方法200包括向飞行器上的燃料电池供应所生成的氢气。在206，方法200包括使用在所生成的氢气与氧气之间的反应在燃料电池生成电功率。在一些实施例中，在206生成电功率包括在206a产生水作为副产品以及在206b向反应器供应副产品水以用于生成更多氢气。在一些实施例中，在206生成包括使未用氢气和未用氧气中的至少一者再循环到燃料电池。在208，方法200包括将从燃料电池生成的电功率供应至飞行器上的一个或多个电气构件(例如，图1所示的电气构件12或图3所示的电气构件112)。
系统和方法的各种实施例供以提供电功率。各种实施例的至少一个技术效果是在使用期间提供受控的额定输出功率的电功率单元。各种实施例的至少一个技术效果是提供更接近使用由电功率单元供应的电功率的实际负载的更灵活配备的电功率单元。各种实施例的至少一个技术效果是使用传统商品金属和水作为用于生成氢气的原料的电功率单元，其可相对容易操作，可被广泛地采用，和/或可为成本经济的。各种实施例的至少一个技术效果是促进多供应商的电功率单元，这可降低电功率单元的成本。
应当注意，各种实施例可在硬件、软件或它们的组合中实施。各种实施例和/或构件，例如，模块或构件和其中的控制器，还可实施为一个或多个计算机或处理器的一部分。计算机或处理器可包括计算装置、输入装置、显示单元和例如用于访问因特网的接口。计算机或处理器可包括微处理器。微处理器可连接至通信总线。计算机或处理器还可包括存储器。存储器可包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。计算机或处理器还可包括存储装置，其可为硬盘驱动器或可移除存储驱动器，例如固态驱动器、光盘驱动器等。存储装置也可以是用于将计算机程序或其它指令加载到计算机或处理器中的其它类似装置。
如文中所用，术语“计算机”或“模块”可包括任何基于处理器或基于微处理器的系统，其包括使用微控制器、精简指令集计算机(RISC)、ASIC、逻辑电路和能够执行文中所述功能的任何其它电路或处理器的系统。以上示例仅为示例性的，且因此并不意图以任何方式限制用语“计算机”的定义和/或含义。
计算机或处理器执行存储在一个或多个存储元件中的一组指令，以便处理输入数据。存储元件还可按要求或需要存储数据或其它信息。存储元件可呈处理机内的信息源或物理存储元件的形式。
该组指令可包括指示作为处理机的计算机或处理器执行具体操作(例如本发明的各种实施例的方法和过程)的各种命令。该组指令可呈软件程序的形式。该软件可呈各种形式，例如系统软件或应用软件，且其可体现为有形和非暂时计算机可读介质。此外，该软件可呈单独的程序或模块的集合、较大程序内的程序模块或程序模块的一部分的形式。软件还可包括呈面向对象编程形式的模块化编程。由处理机对输入数据的处理可响应于操作员命令，或响应于前次处理的结果，或响应于另一处理机所做出的请求。
如文中所用，术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储在存储器中以由计算机执行的任何计算机程序，存储器包括RAM存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器和非易失性RAM(NVRAM)存储器。上述存储器类型仅为示例性的，且因此并不限制用于存储计算机程序的存储器的类型。
应当理解，以上说明意图为说明性的而非限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可彼此结合使用。另外，可做出许多修改以使特定状况或材料适应本发明的教导而不脱离本发明的范围。文中所述的各种构件的尺寸、材料类型、定向以及各种构件的数量和位置意在限定某些实施例的参数，且决非限制性的，而是仅为示例性实施例。在回顾以上说明后，在权利要求的精神和范围内的许多其它实施例和修改对于本领域技术人员而言将显而易见。因此，本发明的范围应当参考所附权利要求连同对这种权利要求赋予的等同方案的完整范围来确定。在所附权利要求中，术语“包括”和“其中”用作相应术语“包含”和“在其中”的通俗英语等同物。而且，在所述权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，而并不意图对它们的对象强加数值要求。此外，所附权利要求的限制不以装置加功能的格式书写，且并不意图基于美国专利法第112条第六段来解释，除非且直到这种权利要求限制明确地使用短语“用于…的装置”，后接没有进一步结构的功能陈述。

Claims (10)

1.一种用于向飞行器(100)上的电气构件(12)提供电功率的电功率单元(10)，所述电功率单元包括：
氢气发生系统(16)，其构造成定位在所述飞行器上，所述氢气发生系统还构造成使用水与金属之间的反应来生成氢气；以及
燃料电池(14)，其构造成定位在所述飞行器上，所述燃料电池操作地连接至所述氢气发生系统，使得所述燃料电池从所述氢气发生系统接收氢气，所述燃料电池还构造成从自所述氢气发生系统接收的所述氢气生成电功率且电连接至所述电气构件以用于给所述构件供应电功率。
2.根据权利要求1所述的电功率单元(10)，其特征在于，所述氢气发生系统(16)包括反应器(38)、水箱(42)和泵(46)，所述泵操作地与所述反应器和所述水箱连接，以用于将水从所述水箱泵送到所述反应器中。
3.根据权利要求1所述的电功率单元(10)，其特征在于，所述电功率单元是所述飞行器的应急功率单元(EPU)或辅助功率单元(APU)中的一个。
4.根据权利要求1所述的电功率单元(10)，其特征在于，所述燃料电池(14)产生水作为使用自所述氢气发生系统(16)接收的所述氢气的电功率生成的副产品，所述氢气发生系统流体连接至所述燃料电池，使得所述氢气发生系统构造成从所述燃料电池接收水。
5.根据权利要求1所述的电功率单元(10)，其特征在于，所述氢气发生系统(16)包括反应器(38)，其具有包括底部(45)的反应室(40)，所述反应室构造成在所述反应室的底部接收水，使得所述水与所述金属之间的反应在所述反应室的底部开始。
6.根据权利要求1所述的电功率单元(10)，其特征在于，所述氢气发生系统(16)包括反应器(38)，其具有顶端(56)和相对的底端(58)，所述反应器构造成通过延伸穿过所述顶端的入口(50)在所述底端接收水。
7.根据权利要求1所述的电功率单元(10)，其特征在于，还包括操作地连接至所述氢气发生系统或所述燃料电池(14)中的至少一个的控制器(48)，所述控制器构造成控制所述氢气发生系统或所述燃料电池中的至少一个的操作。
8.一种用于在飞行器上提供电功率的方法(200)，所述方法包括：
使用水与金属之间的反应在所述飞行器上生成(202)氢气；
向所述飞行器上的燃料电池供应(204)所生成的氢气；以及
使用所生成的氢气在所述燃料电池生成(206)电功率。
9.根据权利要求8所述的方法(200)，其特征在于，还包括将从所述燃料电池生成的电功率供应(208)至所述飞行器上的电气构件。
10.根据权利要求8所述的方法(200)，其特征在于，使用水与金属之间的反应在所述飞行器上生成(202)氢气包括将所述水与所述金属和催化剂结合，以形成具有在约15℃与约280℃之间的温度范围的放热反应。
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