CN104203352A - 用于燃料电池排气的调节系统 - Google Patents
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Abstract
一种调节从燃料电池排放出的贫氧空气的方法，该方法包括如下步骤：从飞行器燃料罐的收集器单元获取燃料，将所述燃料经由第一换热器输送至安装于尾部的发动机，从燃料电池获取排放的贫氧空气，使所述贫氧空气沿与所述燃料相反的方向通过所述第一换热器，使得所述燃料充当所述贫氧空气的冷源以冷却所述贫氧空气，使所述贫氧空气通过干燥器以干燥所述贫氧空气，以及使用经过冷却和干燥的贫氧空气来惰化所述飞行器燃料罐中的燃料。
Description
本发明涉及一种用于燃料电池排气的调节系统，特别是涉及一种对从燃料电池排放出的贫氧空气(ODA)进行冷却的方法。
认证机构要求新设计的飞行器应当将点火还原装置应用于它们的燃料罐中。在该行业中，这被俗称为惰化。惰化通常是通过以贫氧空气(ODA)充填燃料罐来实现的。(对于民用飞行器，要求其贫氧度为氧气的重量百分比<12％)。
已知的惰化方案包括使用空气分离模块，该空气分离模块是分子筛，该分子筛能够将空气中的大部分氧气过滤掉并且舍弃，留下用于惰化的富氮空气(NEA)(ODA和NEA基本上是相同的东西)。
民用飞行器通常包括辅助电源设备，以提供地面和紧急情况下的用电。未来的民用飞行器可能使用氢燃料电池来提供辅助电源。在氢燃料电池中，氧对氢进行催化产生电能和副产品，该副产品为湿热气体形式的水和ODA。
考虑到ODA的湿度，直接用其对燃料罐进行惰化通常是不合适的，因为其有可能会将太多水加入到燃料中。因此，必须对ODA进行干燥。
已知的用于干燥湿热气体的方法包括使用被称作焓轮的干燥器。焓轮大体上由圆筒构成，该圆筒包含轴向排列的干燥剂中空纤维的滚筒。在旋转弧线上，这些纤维的三分之二暴露于湿ODA中，以吸收水蒸气，三分之一暴露于沿另一方向流动的热净化干燥空气中，以去除被吸收的水。通过这种方式，产生干燥的ODA的连续气流，并且舍弃湿的进行过净化的空气。
然而，焓轮的最佳工作温度为大约0至12摄氏度。在超过该温度范围的温度下用焓轮来干燥气体的尝试相对来说是无效的。鉴于来自燃料电池的ODA排气的温度通常是在80至90摄氏度的温度范围内，优选在将ODA传送到焓轮之前对其进行冷却。
用于干燥湿热气体的其他已知方法包括使用带有转换阀的干燥模块，例如双干燥剂干燥模块，其中转换阀引导干燥和再生循环。
双干燥剂干燥模块的工作温度范围扩展到更高的温度，但是要以更大的模块重量为代价。
用于冷却湿热气体的已知方法包括使用箱式冷却器，该箱式冷却器是嵌入飞行器的蒙皮中的换热器。
然而，当飞行器着陆并且停留在较热的地方(在这些地方环境温度能够超过40摄氏度)时，箱式冷却器不足以将湿热的ODA冷却至干燥器的最佳工作温度。
或者，如果飞行器起航或者飞行经过周边环境非常冷的航路，那么在这些条件下产生的惰化ODA中的水蒸气可能凝结到燃料中和/或在燃料罐中形成冰晶。假如这些冰晶因为聚结并限制燃料流动而到达发动机中的燃料过滤器，这将会是危险的情况。
用于调节ODA或NEA的已知方法包括使用主动制冷装置，但是这通常是沉重、庞大而且耗能的。
本发明设法克服这些问题。本发明的目的是提供一种改进的调节贫氧空气的方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种调节从燃料电池排放出的贫氧空气(ODA)的方法，所述方法包括如下步骤:从飞行器燃料罐的收集器单元获取燃料，将所述燃料经由第一换热器输送至安装于尾部的发动机，从燃料电池获取排放的贫氧空气，使所述贫氧空气沿与所述燃料相反的方向通过所述第一换热器，使得所述燃料充当所述贫氧空气的冷源以冷却所述贫氧空气，使所述贫氧空气通过干燥器以干燥所述贫氧空气，以及使用经过冷却和干燥的贫氧空气来惰化所述飞行器燃料罐中的燃料。
因此，该系统使用燃料使湿的ODA冷却和冷凝，作为干燥过程的一部分。通过将ODA传送通过干燥器之前在第一换热器中冷却ODA，可以更有效地干燥ODA。该设置能够节省用于普通的发动机后置式飞行器的调节系统的安装空间。当燃料是冷的时，就能够实现对ODA的非常有效的冷却。
在优选实施方式中，该方法包括如下步骤：当从燃料电池获取排放的ODA之后，在将ODA传送至第一换热器之前，使排放的ODA通过第二换热器以冷却ODA。
这种设置意味着在某些条件允许的情况下，能够实现对ODA的有效预冷却。
根据本发明的第二方面，提供了一种调节从燃料电池排放出的贫氧空气(ODA)的方法，所述方法包括如下步骤：从燃料电池获取排放的贫氧空气，使所述贫氧空气通过第一换热器，所述第一换热器定位在飞行器燃料罐的收集器单元中，其中，所述第一换热器是冷凝器，所述贫氧空气通过所述收集器单元中的燃料以去除所有的水分，以及使用经过冷却和干燥的贫氧空气来惰化所述飞行器燃料罐中的燃料。
发动机安装在机翼下面的飞行器需要不同的方法进行有效的安装。在使ODA冒着泡通过收集器单元中的燃料时，所有水分被转移至燃料中，这些水分或者保持为悬浮液，或者聚结在收集器单元的底部。在这两种情况下，水分都会进入发动机，在燃料下降到罐底的情况下，水分将会被由燃料泵动力流提供动力的喷射泵吸入装置清除。
在第二方面的优选实施方式中，所述方法包括如下步骤：在使所述贫氧空气通过所述第一换热器之前，使所述贫氧空气通过干燥器以干燥所述贫氧空气。
在第二方面的另一优选实施方式中，所述方法包括如下步骤：当从所述燃料电池获取排放的贫氧空气之后，使所述排放的贫氧空气通过第二换热器以冷却所述贫氧空气。
这种设置意味着在某些条件允许的情况下，能够实现对ODA的有效预冷却。通过将第二换热器提供作为在ODA被传送经过干燥器之前冷却ODA的方法，可以使ODA更接近用于在干燥器中进行干燥的最佳温度。在这种情况下，部分湿的ODA在通过干燥器之后将继而被送至嵌入燃料收集器单元中的第一换热器。
根据本发明的第三方面，提供了一种调节系统，用于冷却和干燥从燃料电池排放出的、要用来惰化飞行器燃料罐内的燃料的贫氧空气(ODA)，所述调节系统包括：燃料电池；飞行器燃料罐中的收集器单元；发动机；以及干燥器和第一换热器，所述第一换热器定位在所述发动机与所述飞行器燃料罐中的所述收集器单元之间，燃料管路从所述收集器单元延伸至所述发动机并且通过所述第一换热器的一侧，贫氧空气管路从所述燃料电池延伸至所述燃料罐并且通过所述第一换热器的另一侧，使得从所述收集器单元传送至所述发动机的燃料充当所述贫氧空气的冷源以冷却所述贫氧空气，所述干燥器定位在所述飞行器燃料罐中的所述收集器单元和所述第一换热器之间的所述贫氧空气管路中，以干燥所述贫氧空气。
在第三方面的优选实施方式中，所述调节系统还包括第二换热器，所述第二换热器包括利用大气条件的箱式冷却器。
根据本发明的第四方面，提供了一种调节系统，用于冷却和干燥从燃料电池排放出的、要用来惰化飞行器燃料罐内的燃料的贫氧空气(ODA)，所述调节系统包括：燃料电池；所述飞行器燃料罐中的收集器单元；安装在机翼下方的发动机；第一换热器，所述第一换热器是冷凝器，所述第一换热器定位在所述飞行器燃料罐中的所述收集器单元中，所述第一换热器被供给从所述燃料电池排放出的贫氧空气，所述贫氧空气通过所述收集器单元中的燃料，使得所述飞行器的燃料充当所述贫氧空气的冷源以冷却所述贫氧空气。
在第四方面的优选实施方式中，所述调节系统还包括干燥器。
在第四方面的另一优选实施方式中，所述调节系统还包括第二换热器，所述第二换热器包括利用大气条件的箱式冷却器。
根据本发明的第五方面，提供了一种飞行器，所述飞行器具有：设置成产生贫氧空气(ODA)的燃料电池；具有惰化系统的燃料罐；包括第一换热器和干燥器的调节系统，所述第一换热器利用来自所述燃料罐的燃料来冷却所述贫氧空气，所述干燥器构造成干燥经过冷却的贫氧空气，所述贫氧空气用于惰化所述燃料罐。
在第五方面的优选实施方式中，至少一个飞行器发动机安装在飞行器的尾部。
在第五方面的另一优选实施方式中，至少一个飞行器发动机安装在飞行器的机翼下方。
现在将参照附图仅作为示例对本发明的各方面进行描述，附图中：
图1示出了具有根据本发明的第三方面的ODA调节装置的飞行器的尾部的侧视立面示意图，
图2示出了具有根据本发明的第四方面的ODA调节装置的飞行器的尾部的侧视立面示意图，以及
表1(见下文)描述了飞行器将会遇到的环境条件以及本发明如何发挥作用以实现ODA的干燥从而减少燃料中存在冰的可能性的四种情况。
典型的发动机置于尾部的飞行器10的一部段(见图1)包括机身12及尾锥体16、垂直尾翼平面(VTP)11和机翼13。在机翼13内有主燃料罐60和收集器单元62。发动机70安装在飞行器的尾部，并且位于VTP11、尾锥体16和机身12之间的接合处。
第一换热器40在尾锥体16和机身12之间的接合处。干燥器50定位在机身中，位于机翼13和第一换热器40之间。
氢罐20和氢燃料电池30容置于尾锥体16中。氢燃料电池30定位在氢燃料罐20之前。在氢燃料电池30内具有第二换热器，即箱式冷却器32。
氢燃料电池30通过氢供应管路22连接至氢燃料罐20。氢燃料电池30还经由空气入口34被供应空气。
ODA供应管路14从箱式冷却器32的出口经由第一换热器40、继而经由干燥器50延伸至收集器单元62。
燃料管路15从收集器单元62经由第一换热器40延伸至发动机70。
第一换热器40和干燥器50二者分别以排水管42和排水管52为特征。干燥器还以空气入口54为特征。
在工作中，氢燃料电池30使用来自于罐20的氢和来自于入口34的空气来发电。
从氢燃料电池30排出的排气是湿热的贫氧空气(ODA)。该湿热的ODA被箱式冷却器32部分地冷却。部分冷却的ODA经由ODA供应管路14离开箱式冷却器32然后进入第一换热器40，在第一换热器40中，这些部分冷却的ODA被来自于收集器单元62的燃料进一步冷却。任何冷凝的水都通过排水管42离开第一换热器。完全冷却的ODA经由ODA供应管路14离开换热器40，再进入干燥器50，在干燥器50中这些完全冷却的ODA通过将已加热的机舱空气经由空气入口54供给至干燥器50而进一步被干燥。干燥器50中的排水管52去除多余的水。已冷却且已干燥的ODA经由供应管路14离开干燥器50并且进入收集器单元62。继而ODA冒着泡通过收集器单元62中的燃料，在此，任何ODA中残留的水分凝结在燃料中，或者作为燃料中的悬浮液留存，或者下沉到收集器单元62的底部。该冷却且干燥的ODA用于惰化飞行器燃料罐60中的燃料。
该方法与本发明的第一方面相一致。
典型的发动机置于机翼下方的飞行器110的一部段(见图2)包括机身112及尾锥体116、垂直尾翼平面(VTP)111和机翼113。在机翼113内有主燃料罐160和收集器单元162。收集器单元162内有第一换热器，即冷凝器166。发动机170安装在机翼160的下方。
在尾锥体116中容置有氢罐120和氢燃料电池130。氢燃料电池130定位在氢燃料罐120之前。在氢燃料电池130内具有第二换热器，即箱式冷却器132。
从氢罐120通过供应管路122为氢燃料电池130供应氢。还经由空气入口134为氢燃料电池130供应空气。
在机身112中在机翼113和氢燃料电池130之间布置有干燥器150。
ODA供应管路114从箱式冷却器132经由干燥器150延伸至收集器单元162。
燃料管路115从收集器单元162延伸至发动机170。
燃料电池130如上文关于图1所描述地运行。
从氢燃料电池130排出的排气是湿热的贫氧空气(ODA)。该湿热的ODA被箱式冷却器132部分地冷却。部分冷却的ODA经由ODA供应管路114离开箱式冷却器132然后进入干燥器150，在干燥器150中，通过供给已加热的机舱空气(cabin air)使其经由空气入口154进入干燥器150而将部分冷却的ODA干燥。干燥器150中的排水管152移除多余的水分。已部分冷却且已干燥的ODA经由供应管路114离开干燥器并且进入收集器单元162。继而ODA冒着泡通过收集器单元162中的燃料，在此，任何残留在ODA中的水分凝结在燃料中，或者作为燃料中的悬浮液留存，或者下沉到收集器单元162的底部。该冷却且干燥的ODA用于惰化飞行器燃料罐160中的燃料。
在干燥器150不能够充分地干燥ODA的情况下(即，当下降条件或地面条件为>10℃并且ODA为>12℃时)，则将湿的ODA传送至嵌入收集器单元162中的冷凝器166，在此处如果燃料是冷的，ODA中的水分会凝结出来并且通过排水管164自动地排出。然后，余下的干燥ODA冒着泡通过收集器单元162中的燃料，在此其被用于惰化飞行器燃料罐160中的燃料。
在环境条件较温暖(>12℃)因而湿的ODA到达换热器150并且燃料也温暖(>10℃)的情况下，由于ODA传送经过收集器单元燃料中的燃料，因此一些水分将会积累在燃料中。在这种具有温暖的燃料和温暖的环境的情况下，只要在飞行器燃料温度下降到0℃以下之前将水消耗掉，那么水就不具有危险性。环境和混合燃料越热，则越多的水分会凝结到收集器单元162中，但相反地，结冰的风险会降低。
因为水的比重高于燃料的比重，所以从悬浮液出来的任何水通常都会下降到收集器单元162的底部，在收集器单元162的底部，水将被直接清除至泵的入口。在具有热燃料的热目的地的情况下，结冰不会成为问题，并且水对发动机没有负面影响。收集器单元只保有不足30分钟的燃料，因此所有的那些燃料(和水)将会在燃料温度能够降至0℃以下之前消耗掉。在燃料冰冷的情况下，其才使得有必要对ODA进行冷却和除湿，因此，干燥的ODA被放入燃料罐中。
必须注意不要将ODA过度冷却，因为燃料温度会接近-40摄氏度，因此换热器可能结冰。可能有必要在换热器内提供辅助加热或临时的旁通管以使ODA维持在零摄氏度和12摄氏度之间。
如果飞行器在热着陆之后带着热燃料长时间被搁置并且随后在下一次飞行之前燃料冷却到0℃以下，那么收集器单元中的水分汇集在换热器的底部，在此处水分通过自动的排水功能去除。
飞行器在具有极端温度的各地——从地面温度超过40摄氏度，例如夏天在西班牙的塞维利亚机场，到零下60摄氏度，例如冬天在俄罗斯的阿纳德尔机场——之间运行。还应当理解的是飞行器在不同的环境之间——例如从在外部空气温度通常低于零下50摄氏度的40000英尺航行到在很可能会处于不同的、较高温度的机场着陆——相对较快地移动。鉴于这些温度范围、相对快速的转换、以及机体和用其燃料罐盛装的燃料的不同的热性能，机体和燃料通常会处于不同的温度。表1的列A和列B从相对温度的角度示出了机体和燃料的状态。
例如，在深冬的阿纳德尔机场的地面上长时期停放的飞行器将会变冷，使得机体和燃料二者都是冰冷的，如行1中所示。
夏季的一天从经历类似气候条件的相邻机场完成了的相对较短的航程刚刚降落在塞维利亚机场的飞行器可能具有冰冷的机体但是较热的燃料，如行2中所示。
鉴于液态煤油相对于铝制机体的更高的热容量以及它们各自的几何形状，在同一天完成了四小时的航行略早降落在塞维利亚机场的飞行器可能具有较热的机体但是冰冷的燃料，如行3中所示。
夏季的一天长时期停放在塞维利亚机场的地面上的飞行器将会变热，使得机体和燃料都是热的，如行4中所示。
在这4种情况下，冷却来自于氢燃料电池的ODA的目标将会以略微不同的方式实现。
从氢燃料电池排放出的ODA通常在80至90摄氏度的范围内。可以首先通过增加冲压空气来实现飞行器飞行时的冷却。
对于第一种情况(行1)，对排放的ODA的调节可以首先利用机体内的箱式冷却器(将机体用作冷源)以及其次利用换热器(将燃料用作冷源)。通过这种方式，ODA可以冷却至对于焓干燥装置而言最佳的0至12摄氏度。
对于第二和第三种情况(行2和3)，通过箱式冷却器或换热器来进行冷却，并且随后使用焓干燥装置进行干燥。
对于第四种情况(行4)，箱式冷却器和换热器都不能将ODA冷却至干燥器的最佳工作范围，因此，有可能ODA没有充分干燥。然而，在这种情况下，因为燃料的温度使得结冰不是紧迫问题，所以可以将湿ODA传送至燃料罐。
如果ODA被引导至发动机供料收集器单元并且冒着泡通过该位置的燃料，那么水分将会转移至燃料并且或者作为悬浮液呆着或者聚结在收集器单元的底部。在这两种情况下，水分都会供至发动机，在燃料下降到罐底的情况下，水分将会被通过燃料泵动力流供给动力的喷射泵吸入装置清除。
应当注意的是，从常规干燥器输出的ODA的温度在80至90摄氏度的范围内。鉴于燃料和机体的最大温度通常不会超过60摄氏度，燃料和机体将总是提供至少有限的冷却效果。
虽然本说明书集中于调节民用飞行器上从燃料电池排放出的贫氧空气(ODA)的方法，但是对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以应用于实现广泛作用的飞行器。本发明还可以按比例调整，以像用于宽体或双过道飞行器一样可在单过道飞行器中使用。
表1
Claims (13)
1.一种调节从燃料电池排放出的贫氧空气的方法，所述方法包括如下步骤:
从飞行器燃料罐的收集器单元获取燃料，
将所述燃料经由第一换热器输送至安装于尾部的发动机，
从燃料电池获取排放的贫氧空气，
使所述贫氧空气沿与所述燃料相反的方向通过所述第一换热器，使得所述燃料充当所述贫氧空气的冷源以冷却所述贫氧空气，
使所述贫氧空气通过干燥器以干燥所述贫氧空气，以及
使用经过冷却和干燥的贫氧空气来惰化所述飞行器燃料罐中的燃料。
2.根据权利要求1所述的调节从燃料电池排放出的贫氧空气的方法，所述方法还包括如下步骤:
当从所述燃料电池获取排放的贫氧空气之后，使所述排放的贫氧空气通过第二换热器以冷却所述贫氧空气。
3.一种调节从燃料电池排放出的贫氧空气的方法，所述方法包括如下步骤：
从燃料电池获取排放的贫氧空气，
使所述贫氧空气通过第一换热器，所述第一换热器定位在飞行器燃料罐的收集器单元中，其中，所述第一换热器是冷凝器，所述贫氧空气通过所述收集器单元中的燃料以去除所有的水分，以及
使用经过冷却和干燥的贫氧空气来惰化所述飞行器燃料罐中的燃料。
4.根据权利要求3所述的调节从燃料电池排放出的贫氧空气的方法，所述方法还包括如下步骤:
在使所述贫氧空气通过所述第一换热器之前，使所述贫氧空气通过干燥器以干燥所述贫氧空气。
5.根据权利要求3和4所述的调节从燃料电池排放出的贫氧空气的方法，所述方法还包括如下步骤:
当从所述燃料电池获取排放的贫氧空气之后，使所述排放的贫氧空气通过第二换热器以冷却所述贫氧空气。
6.一种调节系统，用于冷却和干燥从燃料电池排放出的、要用来惰化飞行器燃料罐内的燃料的贫氧空气，所述调节系统包括：
燃料电池，
飞行器燃料罐中的收集器单元，
发动机，
干燥器，以及
第一换热器，
所述第一换热器定位在所述发动机与所述飞行器燃料罐中的所述收集器单元之间，
燃料管路从所述收集器单元延伸至所述发动机并且通过所述第一换热器的一侧，贫氧空气管路从所述燃料电池延伸至所述燃料罐并且通过所述第一换热器的另一侧，使得从所述收集器单元传送至所述发动机的燃料充当所述贫氧空气的冷源以冷却所述贫氧空气，
所述干燥器定位在所述飞行器燃料罐中的所述收集器单元和所述第一换热器之间的所述贫氧空气管路中，以干燥所述贫氧空气。
7.根据权利要求6所述的调节系统，所述调节系统还包括第二换热器，所述第二换热器包括利用大气条件的箱式冷却器。
8.一种调节系统，用于冷却和干燥从燃料电池排放出的、要用来惰化飞行器燃料罐内的燃料的贫氧空气，所述调节系统包括：
燃料电池，
所述飞行器燃料罐中的收集器单元，
安装在机翼下方的发动机，
第一换热器，
所述第一换热器是冷凝器，
所述第一换热器定位在所述飞行器燃料罐中的所述收集器单元中，
所述第一换热器被供给从所述燃料电池排放出的贫氧空气，所述贫氧空气通过所述收集器单元中的燃料，使得所述飞行器的燃料充当所述贫氧空气的冷源以冷却所述贫氧空气。
9.根据权利要求8所述的调节系统，所述调节系统还包括干燥器。
10.根据权利要求8和9所述的调节系统，所述调节系统还包括第二换热器，所述第二换热器包括利用大气条件的箱式冷却器。
11.一种飞行器，所述飞行器具有：设置成产生贫氧空气的燃料电池；具有惰化系统的燃料罐；包括第一换热器和干燥器的调节系统，所述第一换热器利用来自所述燃料罐的燃料来冷却所述贫氧空气，所述干燥器构造成干燥经过冷却的贫氧空气，所述贫氧空气用于惰化所述燃料罐。
12.根据权利要求11所述的飞行器，其中，所述飞行器的发动机中的至少一个发动机安装在所述飞行器的尾部。
13.根据权利要求11所述的飞行器，其中，所述飞行器的发动机中的至少一个发动机安装在所述飞行器的机翼的下方。
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