CN104852067B - 基于燃料电池的飞机发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种基于燃料电池的飞机发电系统。该飞机发电系统包括：燃料电池供电系统、主发动机发电系统和空气冲压涡轮发电系统及蓄电池。通过将燃料电池供电系统作为飞机的主要电源，全时段工作，为连接在直流汇流条上的全部负载供电，提高了发电的效率，避免了从主发动机发电系统提取功率，可以提高飞机的燃油经济性；将主发动机发电系统和空气冲压涡轮发电系统及蓄电池用作燃料电池供电系统的备份电源，主发动机发电系统对全部负载中的第一设定负载形成备份，空气冲压涡轮发电系统及蓄电池对关键设备形成备份，通过冗余备份保证了供电的可靠性。

Description

基于燃料电池的飞机发电系统

技术领域

本发明实施例涉及飞机电源系统设计技术领域，尤其涉及一种基于燃料电池的飞机发电系统。

背景技术

要维持飞机的正常飞行，除了需要提供源源不断的前向推力外，还需要电力等能源来驱动功率需求不断提高的各种负载，如起落架、飞控、环控、防除冰等系统。这些形式的能量都来自于燃油燃烧产生的热能，因此也称为二次能源。目前技术条件下，飞机二次能源主要由飞机发电系统提供。

现有的飞机发电系统(请参阅图1)，通常包括：主发动机发电系统、辅助动力发电系统、空气冲压涡轮发电系统和蓄电池。其中，主发动机发电系统包括：主发动机和由所述主发动机驱动的发电机，所述主发动机发电系统与交流汇流条连接；辅助动力发电系统包括：辅助动力装置(Auxiliary Power Unit，APU)和由所述APU驱动的发电机，所述辅助动力发电系统通过第一控制开关连接至所述交流汇流条；所述空气冲压涡轮发电系统包括：空气冲压涡轮和由所述空气冲压涡轮发驱动的发电机，所述空气冲压涡轮发电系统通过交流/直流转换装置(AC/DC)和第二控制开关连接关键设备汇流条；所述蓄电池通过第三控制开关连接所述关键设备汇流条。所述交流汇流条可直接连接交流负载，所述交流汇流条还可通过交流/直流转换装置可连接直流负载，所述交流汇流条也可通过交流/直流转换装置连接所述关键设备汇流条，其中，所述关键设备汇流条上连接有关键设备，通常，所述关键设备为低压直流负载。

在飞行过程中，辅助动力装置和空气冲压涡轮关闭，蓄电池与关键设备汇流条之间的第三控制开关断开，此时，通过主发动机引气及轴功率提取的方式为全部负载(包括交流负载、直流负载以及关键设备)提供电力；在地面待机时，为降低油耗和噪音，关闭主发动机，使用辅助动力装置为所述全部负载中的部分负载提供电力；在所述主发动机发电系统和辅助动力发电系统均关闭或均出现故障时，或者在所述主发动机发电系统出现故障、且辅助动力发电系统未启动时，由空气冲压涡轮带动发电机向所述全部负载中的关键设备供电。在所述主发动机发电系统、辅助动力发电系统以及空气冲压涡轮发电系统均无法供电时，通过蓄电池向所述全部负载中的关键设备供电。

上述飞机发电系统中，主发动机与辅助动力装置、空气冲压涡轮和蓄电池形成4余度的非相似余度备份，通过冗余备份保证了供电的可靠性。但是，上述飞机发电系统中，辅助动力装置和空气冲压涡轮因为效率较低、噪音过高仅在主发动机关闭或出现故障时才使用，而主发动机的工作方式为功率提取式，从飞机主发动机提取功率的方式会影响主发动机的工作状态，研究表明从主发动机提取1％的功率，可使耗油率增加3％，因此，从主发动机提取功率是一种较为不经济的做法，尤其是当功率提取量较大时，会造成可观的油耗增加。

发明内容

本发明实施例提供一种基于燃料电池的飞机发电系统和飞机，以在飞机负载的功率需求不断提高的背景下，在保证供电可靠性的同时，优化为负载供电的方式，提高燃油经济性。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于燃料电池的飞机发电系统，包括：

燃料电池供电系统，与直流汇流条连接，用于为连接在所述直流汇流条上的全部负载供电，其中，连接在所述直流汇流条上的全部负载包括：连接在所述直流汇流条上的普通设备和通过降压装置和关键设备汇流条连接在所述直流汇流条上的关键设备；

主发动机发电系统，通过第一控制开关和交流/直流转换装置连接直流汇流条，所述第一控制开关用于在所述燃料电池供电系统出现故障时，切换地控制所述主发动机发电系统与所述直流汇流条连接，且切换地控制所述直流汇流条与第一设定负载保持连接；

空气冲压涡轮发电系统，通过第二控制开关和交流/直流转换装置连接关键设备汇流条，所述第二控制开关用于在所述燃料电池供电系统与所述主发动机发电系统均出现故障时，或者所述燃料电池供电系统出现故障、且所述主发动机发电系统无法启动时，切换地控制所述空气冲压涡轮发电系统与所述关键设备汇流条连接，为连接在所述关键设备汇流条上的关键设备供电；

蓄电池，通过第三控制开关连接关键设备汇流条，所述第三控制开关用于在所述燃料电池供电系统、所述主发动机发电系统以及所述空气冲压涡轮发电系统均出现故障时，或者所述燃料电池供电系统出现故障、且所述主发动机发电系统与所述空气冲压涡轮发电系统均无法启动时，切换地控制所述蓄电池与所述关键设备汇流条连接，为连接在所述关键设备汇流条上的关键设备供电；

其中，所述第一设定负载的范围小于所述全部负载所覆盖的范围，且所述关键设备的峰值功率<所述第一设定负载的峰值功率<所述全部负载的峰值功率。

第二方面，本发明实施例提供了一种飞机，包括本发明任意实施例提供的基于燃料电池的飞机发电系统。

本发明实施例提供的基于燃料电池的飞机发电系统，一方面，通过将燃料电池供电系统作为飞机的主要电源，全时段工作，为连接在直流汇流条上的全部负载供电，燃料电池供电系统中的燃料电池的发电效率高达60％以上，提高了发电的效率，避免了从主发动机发电系统提取功率，可以提高飞机的燃油经济性；而且，由于燃料电池供电系统可直接提供直流输出，飞机发电系统设计成直接输出直流功力，可以满足逐渐增多的直流负载的功率需求；另一方面，将主发动机发电系统用作燃料电池供电系统的备份电源，正常情况下与直流汇流条断开，仅在燃料电池供电系统出现故障时才启动，从而为所述全部负载中的第一设定负载供电，由于无需从主发动机发电系统提取功率，因此主发动机发电系统仅需安装主发动机和启动发电机，而无需安装引气、液压及附件机匣等功率提取装置，简化了主发动机发电系统的结构，并可减轻飞机发电系统的重量，还可改善主发动机发电系统中主发动机的工作状态，提高主发动机的效率；再一方面，空气冲压涡轮发电系统也用作燃料电池供电系统的备份电源，正常情况下与关键设备汇流条断开，在燃料电池供电系统与主发动机发电系统均出现故障时，或者燃料电池供电系统出现故障、且主发动机发电系统无法启动时才启动，从而为连接在所述关键设备汇流条上的关键设备供电；又一方面，蓄电池也用作燃料电池供电系统的备份电源，正常情况下与关键设备汇流条断开，在所述燃料电池供电系统、所述主发动机发电系统以及所述空气冲压涡轮发电系统均出现故障时，或者所述燃料电池供电系统出现故障、且所述主发动机发电系统与所述空气冲压涡轮发电系统均无法启动时才启动，从而为连接在所述关键设备汇流条上的关键设备供电；也即，燃料电池供电系统、主发动机发电系统、空气冲压涡轮发电系统和蓄电池形成了4余度的非相似余度备份，通过冗余备份保证了供电的可靠性；再一方面，相对于现有的飞机发电系统，该飞机发电系统中可节省辅助动力装置，进一步减轻了飞机发电系统的重量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明，下面将对本发明中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的飞机发电系统的结构示意图；

图2a为本发明实施例一提供的一种飞机发电系统的结构示意图；

图2b为本发明实施例一提供的飞机发电系统中燃料电池分布式放置的示意图；

图3为本发明实施例二提供的飞机发电系统中一种燃料电池供电系统的结构示意图；

图4为本发明实施例三提供的飞机发电系统中一种燃料电池供电系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案作进一步详细描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

请参阅图2a，为本发明实施例一提供的一种飞机发电系统的结构示意图。该飞机发电系统包括：燃料电池供电系统21、主发动机发电系统22、空气冲压涡轮发电系统23和蓄电池24。

其中，燃料电池供电系统21与直流汇流条连接，用于为连接在所述直流汇流条上的全部负载供电。连接在所述直流汇流条上的全部负载包括：连接在所述直流汇流条上的普通设备和通过降压装置(如图中DC/DC所示)和关键设备汇流条连接在所述直流汇流条上的关键设备，所述关键设备通常为低压直流负载。其中，所述普通设备既可以包括连接在所述直流汇流条上的直流设备，也可以包括通过直流/交流转换装置连接在所述直流汇流条上的交流设备，本实施例对此不进行限制。

需要说明的是，所述燃料电池供电系统21作为飞机的主要电源，并全时段工作。

主发动机发电系统22通过第一控制开关和交流/直流转换装置(如图中AC/DC所示)连接直流汇流条，所述第一控制开关用于在所述燃料电池供电系统21出现故障时，切换地控制所述主发动机发电系统22与所述直流汇流条连接，且切换地控制所述直流汇流条与第一设定负载保持连接。

需要说明的是，所述第一设定负载的范围小于所述全部负载所覆盖的范围。其中，与所述全部负载类似，所述第一设定负载也可以有多种实现形式，例如，只包括连接在所述直流汇流条上的普通设备，又如，包括连接在所述直流汇流条上的部分普通设备，以及通过降压装置和关键设备汇流条连接在所述直流汇流条上的全部和/或部分关键设备，本实施例对此不进行限制，只要满足所述关键设备的峰值功率<所述第一设定负载的峰值功率<所述全部负载的峰值功率即可。

具体地，所述主发动机发电系统22可包括：主发动机221和启动发电机222，所述主发动机221与所述启动发电机222、第一控制开关和交流/直流转换装置顺序连接，并连接至所述直流汇流条，所述启动发电机222用于启动所述主发动机221，所述主发动机221用于在启动后驱动所述启动发电机222输出交流电压。

空气冲压涡轮发电系统23通过第二控制开关和交流/直流转换装置连接关键设备汇流条，所述第二控制开关用于在所述燃料电池供电系统21与所述主发动机发电系统22均出现故障时，或者所述燃料电池供电系统21出现故障、且所述主发动机发电系统22无法启动时，切换地控制所述空气冲压涡轮发电系统23与所述关键设备汇流条连接，为连接在所述关键设备汇流条上的关键设备供电。

具体地，所述空气冲压涡轮发电系统23可包括：空气冲压涡轮231和由所述空气冲压涡轮驱动的发电机232，其中，所述空气冲压涡轮231与所述由所述空气冲压涡轮驱动的发电机232、第二控制开关和交流/直流转换装置顺序连接，并连接至所述关键设备汇流条。

蓄电池24通过第三控制开关连接关键设备汇流条，所述第三控制开关用于在所述燃料电池供电系统21、所述主发动机发电系统22以及所述空气冲压涡轮发电系统23均出现故障时，或者所述燃料电池供电系统21出现故障、且所述主发动机发电系统22与所述空气冲压涡轮发电系统23均无法启动时，切换地控制所述蓄电池24与所述关键设备汇流条连接，为连接在所述关键设备汇流条上的关键设备供电。

本实施例的技术方案，一方面，通过将燃料电池供电系统作为飞机的主要电源，全时段工作，为连接在直流汇流条上的全部负载供电，燃料电池供电系统中的燃料电池的发电效率高达60％以上，提高了发电的效率，避免了从主发动机发电系统提取功率，可以提高飞机的燃油经济性；而且，由于燃料电池供电系统可直接提供直流输出，飞机发电系统设计成直接输出直流功力，可以满足逐渐增多的直流负载的功率需求；另一方面，将主发动机发电系统用作燃料电池供电系统的备份电源，正常情况下与直流汇流条断开，仅在燃料电池供电系统出现故障时才启动，从而为所述全部负载中的第一设定负载供电，由于无需从主发动机发电系统提取功率，因此主发动机发电系统仅需安装主发动机和启动发电机，而无需安装引气、液压及附件机匣等功率提取装置，简化了主发动机发电系统的结构，并可减轻飞机发电系统的重量，还可改善主发动机发电系统中主发动机的工作状态，提高主发动机的效率；再一方面，空气冲压涡轮发电系统也用作燃料电池供电系统的备份电源，正常情况下与关键设备汇流条断开，在燃料电池供电系统与主发动机发电系统均出现故障时，或者燃料电池供电系统出现故障、且主发动机发电系统无法启动时才启动，从而为连接在所述关键设备汇流条上的关键设备供电；又一方面，蓄电池也用作燃料电池供电系统的备份电源，正常情况下与关键设备汇流条断开，在所述燃料电池供电系统、所述主发动机发电系统以及所述空气冲压涡轮发电系统均出现故障时，或者所述燃料电池供电系统出现故障、且所述主发动机发电系统与所述空气冲压涡轮发电系统均无法启动时才启动，从而为连接在所述关键设备汇流条上的关键设备供电；也即，燃料电池供电系统、主发动机发电系统、空气冲压涡轮发电系统和蓄电池形成了4余度的非相似余度备份，通过冗余备份保证了供电的可靠性；再一方面，相对于现有的飞机发电系统，该飞机发电系统中可节省辅助动力装置，进一步减轻了飞机发电系统的重量。

优选是，燃料电池供电系统的数量为多组，多组燃料电池供电系统采用并联设计，从而形成多余度的相似余度备份，在一组燃料电池供电系统出现故障时，其余燃料电池供电系统仍能维持供电，进一步提高了供电的可靠性。相应的，主发动机发电系统正常情况下与直流汇流条断开，仅在多组燃料电池供电系统均出现故障时才启动，从而通过第一控制开关为第一设定负载供电；空气冲压涡轮发电系统正常情况下与关键设备汇流条断开，在多组燃料电池供电系统与主发动机发电系统均出现故障时，或者多组燃料电池供电系统均出现故障、且主发动机发电系统无法启动时才启动，从而通过第二控制开关为连接在关键设备汇流条上的关键设备供电；蓄电池正常情况下与关键设备汇流条断开，在多组燃料电池供电系统、所述主发动机发电系统以及所述空气冲压涡轮发电系统均出现故障时，或者多组燃料电池供电系统均出现故障、且所述主发动机发电系统与所述空气冲压涡轮发电系统均无法启动时才启动，为连接在关键设备汇流条上的关键设备供电。

类似地，也可以采用多组主发动机发电系统，从而形成多余度的相似余度备份，进一步提高飞机供电系统的可靠性。空气冲压涡轮发电系统和/或蓄电池的数量也可以为多组，不再赘述。

在本实施例中，所述燃料电池供电系统21可优选包括：电力转换器、燃料处理装置、气体处理装置和燃料电池。

其中，燃料处理装置用于获取并处理燃料电池所需燃料；气体处理装置用于对从外界吸入的客舱尾气或冲压空气进行处理；燃料电池与所述燃料处理装置和气体处理装置分别连接，并与电力转换器连接，用于对所述燃料和处理后的气体进行反应，在所述燃料电池的阳极和阴极产生电力，并通过所述电力转换器转换为所需要的电压输出。

其中，燃料处理装置、气体处理装置和燃料电池可以有多种实现方式，通过下面的实施例进行具体说明。

优选是，所述燃料电池的数量为多组，多组燃料电池根据飞机的至少两个区域中各自的负载的功率需求，进行分布式放置。

请参阅图2b，示出了四组燃料电池，四组燃料电池之间通过并联的方式连接到直流汇流条上，具有并联均流能力。四组燃料电池分别为：第一燃料电池2b1，分布式设置在飞机的机头区域，用于为机头区域中的负载供电；第二燃料电池2b2和第三燃料电池2b3，分布式设置在飞机的机身区域，相对于飞机的机头区域以及机尾区域，通常飞机的机身区域的直流负载的功率需求最高，因此在飞机的机身区域设置第二燃料电池2b2和第三燃料电池2b3这两组燃料电池，用于为机身区域中的负载供电；第四燃料电池2b4，分布式设置在飞机的机尾区域，用于为机尾区域中的负载供电。

根据飞机的至少两个区域中各自的负载的功率需求，将燃料电池进行分布式放置，使得燃料电池更加靠近负载，有利于减少输电电缆的使用量，并减少功率损失。

实施例二

本实施例在上述实施例的基础上，提供了燃料电池供电系统的一种优选的实施方式。请参阅图3，该燃料电池供电系统包括：电力转换器31、燃油处理装置32、气体处理装置33和固态氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)34。

其中，所述燃油处理装置32用作燃料处理装置(可参见上述实施例)，用于获取并处理SOFC 34所需燃料，所述燃油处理装置32具体包括：燃油泵321、第一换热器322和燃油预重整器323。

其中，燃油泵321用于获取航空煤油；第一换热器322与所述燃油泵321连接，用于对通过所述燃油泵321获取的航空煤油进行加热处理；燃油预重整器323连接在所述第一换热器322和所述SOFC 34的阳极之间，用于对经过所述第一换热器322加热处理后的航空煤油进行预重整处理，得到氢气和一氧化碳，并输送至所述SOFC 34，也即将航空煤油进行处理得到氢气和一氧化碳，作为所述SOFC 34所需的燃料。

气体处理装置33用于对从外界吸入的客舱尾气或冲压空气进行处理，具体包括：压缩机331和第二换热器332。

其中，压缩机331用于对从外界吸入的客舱尾气或冲压空气进行压缩处理；第二换热器332连接在所述压缩机332与所述SOFC 34的阴极之间，用于对经所述压缩机331处理后的压缩气体进行升温处理，并将处理后的气体输送至所述SOFC 34。

所述SOFC 34与电力转换器31连接，用于对所述燃料(即通过燃油处理装置32得到的氢气和一氧化碳)和所述气体处理装置33处理后的气体进行反应，在所述SOFC 34的阳极和阴极产生电力，并通过所述电力转换器31转换为所需要的电压输出。

本实施例的技术方案，固态氧化物燃料电池直接使用航空煤油作为燃料，并对航空煤油进行处理得到的氢气和一氧化碳和气体处理装置处理后的气体进行反应，在所述固态氧化物燃料电池的阳极和阴极产生电力，并通过与所述固态氧化物燃料电池连接的电力转换器转换为所需要的电压输出，使得飞机无需额外携带氢燃料。

进一步地，所述燃料电池供电系统还可优选包括：燃烧室35、燃气涡轮36和发电机37。

其中，燃烧室35与所述SOFC 34连接，用于燃烧所述SOFC 34中未完全反应的氢气和一氧化碳；燃气涡轮36与所述燃烧室35连接，用于对所述燃烧室35输出的气体进行膨胀做功；发电机36与所述燃气涡轮35和所述电力转换器31分别连接，用于在所述燃气涡轮35的带动下产生电力，通过所述电力转换器31转换为所需要的电压输出。

本方式提供的固态氧化物燃料电池与燃气涡轮组成的混合发电系统，充分利用固态氧化物燃料电池反应后的高温气体的余热，利用燃气涡轮带动发电机产生电力输出，进一步提高了燃料电池发电系统的发电效率，可达70％。

进一步地，所述燃气涡轮35还可与所述第二换热器332连接，所述燃气涡轮35排出的气体还用于对所述第二换热器332内的压缩气体进行预热。

燃气涡轮排出的高温燃气流经第二换热器时，把部分热量传递给由压缩机输送的低温客舱尾气或冲压空气，使得固态氧化物燃料电池产生电力输出所需的低温客舱尾气或冲压空气快速升温，缩短了起动时间。较高温度的气体随后还可输出到机翼防除冰换热器，回收余热。

经分析，使用该固态氧化物燃料电池与燃气涡轮组成的混合发电系统供电，按60％的发电效率，功率密度1.0kw/kg，总用电功率为1000kW，对于250座飞机(如波音787飞机)，巡航油耗可节省2.3％。

本实施例还提供了燃料电池供电系统的另一种优选的实施方式。与上述优选实施方式的区别在于：所述燃气涡轮35还与所述压缩机331连接，用于驱动所述压缩机331。本实施方式，通过用燃气涡轮驱动压缩机，即可利用反应尾气的余热，又不用额外增加压缩机驱动电机，可减轻燃料电池供电系统的重量。

实施例三

本实施例在实施例一的基础上，提供了燃料电池供电系统的另一种优选的实施方式。请参阅图4，该燃料电池供电系统包括：电力转换器41、燃料处理装置42、气体处理装置33和质子交换膜型燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)44。

其中，所述燃料处理装置42用于获取并处理PEMFC 44所需燃料，所述燃料处理装置42包括：储氢罐421和减压阀422。储氢罐421用于存储氢燃料，所述氢燃料可包括液态氢或者压缩气态氢气；减压阀422连接在所述储氢罐421与所述PEMFC 44的阳极之间，用于对所述储氢罐421中的氢气进行减压处理，并输送至所述PEMFC 44，也即将减压后的氢气作为所述PEMFC 44所需的燃料。

气体处理装置43用于对从外界吸入的客舱尾气或冲压空气进行处理，具体包括：压缩机431、换热器432和增湿器433。

其中，压缩机431用于对从外界吸入的客舱尾气或冲压空气进行压缩处理；换热器432与所述压缩机431连接，用于对经所述压缩机431处理后的压缩气体进行升温处理；增湿器433连接在所述换热器432与所述PEMFC 44的阴极之间，用于对经过所述换热器432处理后的气体进行增湿处理，并输送至所述PEMFC 44。

所述PEMFC 44与电力转换器41连接，用于对所述燃料(即氢气)和所述气体处理装置43处理后的气体进行反应，在所述PEMFC 44的阳极和阴极产生电力，并通过所述电力转换器41转换为所需要的电压输出。

本实施例的技术方案，通过气体处理装置对客舱尾气或冲压空气进行处理，并将处理后的高压高温高湿的气体送入质子交换膜型燃料电池的阴极，燃料氢气由储氢罐经减压阀送入质子交换膜型燃料电池的阳极，在催化剂的作用下形成氢离子，并被所述质子交换膜型燃料电池中的质子交换膜输送到阴极，与高压高温高湿的气体中的氧气反应生成水，从而产生电力和热量输出，并通过电力转换器转换为所需要的电压输出。

优选地，所述增湿器433还用于分离所述PEMFC 44得到的水，以对所述换热器432输送的升温后的气体进行增湿；实现了对质子交换膜型燃料电池反应得到的水的有效利用，提高了气体处理效率。

所述燃料电池供电系统还可优选包括：燃气涡轮45和发电机46。

其中，燃气涡轮45与所述增湿器433连接，用于对所述PEMFC 44输出的未完全反应的气体进行膨胀做功；发电机46与所述燃气涡轮45和所述电力转换器41分别连接，用于在所述燃气涡轮45的带动下产生电力，通过所述电力转换器41转换为所需要的电压输出。

本方式中，反应后的高压高温高湿气体首先经过增湿器，分离出水分用以为所述增湿器入口处的高温高压气体(即经过压缩机和换热器后的高压高温气体)增湿，然后送到涡轮膨胀做功，带动发电机发电，不仅实现了对质子交换膜型燃料电池反应得到的水的有效利用，提高了气体处理效率，而且进一步提高了燃料电池供电系统的发电效率。燃气涡轮排出的低压空气可作为尾气排出。

进一步地，所述燃料电池供电系统还可包括：水箱47、以及与所述水箱47连接的电池冷却管路48，用于对所述PEMFC 44散热；所述电池冷却管路48还与所述换热器432连接，用于利用对所述PEMFC 44散热后得到的水预热所述换热器432中的气体；所述水箱47还与所述换热器432连接，用于利用预热所述换热器432中的气体后得到的水对所述PEMFC 44循环散热。

换言之，为了给PEMFC散热，使用独立的水箱，冷却水先送到PEMFC的电池冷却管路中，以对电池冷却管路降温。排出的冷却水温度升高，随后通入换热器，用以预热入口的气体(即经过压缩机后的高压气体)，水温则自然降低。降温后的冷却水可对PEMFC进行进一步散热，如此循环往复。

本方式提供的燃料电池供电系统，采用水冷、增压、自增湿的工作方式，能满足大功率燃料电池的散热需求而且系统紧凑，采用燃气涡轮带动发电机可以充分利用质子交换膜型燃料电池反应产生的高温尾气能量，有助于提高综合能量利用效率。

本发明实施例还提供了一种飞机，包括本发明任意实施例提供的飞机发电系统，不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；实施例中优选的实施方式，并非对其进行限制，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于燃料电池的飞机发电系统，其特征在于，包括：

燃料电池供电系统，与直流汇流条连接，用于为连接在所述直流汇流条上的全部负载供电，其中，连接在所述直流汇流条上的全部负载包括：连接在所述直流汇流条上的普通设备和通过降压装置和关键设备汇流条连接在所述直流汇流条上的关键设备；所述燃料电池供电系统作为飞机的主要电源，并全时段工作；

主发动机发电系统，通过第一控制开关和交流/直流转换装置连接直流汇流条，所述第一控制开关用于在所述燃料电池供电系统出现故障时，切换地控制所述主发动机发电系统与所述直流汇流条连接，且切换地控制所述直流汇流条与第一设定负载保持连接；

空气冲压涡轮发电系统，通过第二控制开关和交流/直流转换装置连接关键设备汇流条，所述第二控制开关用于在所述燃料电池供电系统与所述主发动机发电系统均出现故障时，或者所述燃料电池供电系统出现故障、且所述主发动机发电系统无法启动时，切换地控制所述空气冲压涡轮发电系统与所述关键设备汇流条连接，为连接在所述关键设备汇流条上的关键设备供电；

蓄电池，通过第三控制开关连接关键设备汇流条，所述第三控制开关用于在所述燃料电池供电系统、所述主发动机发电系统以及所述空气冲压涡轮发电系统均出现故障时，或者所述燃料电池供电系统出现故障、且所述主发动机发电系统与所述空气冲压涡轮发电系统均无法启动时，切换地控制所述蓄电池与所述关键设备汇流条连接，为连接在所述关键设备汇流条上的关键设备供电；

其中，所述第一设定负载的范围小于所述全部负载所覆盖的范围，且所述关键设备的峰值功率<所述第一设定负载的峰值功率<所述全部负载的峰值功率。

2.根据权利要求1所述的飞机发电系统，其特征在于，所述燃料电池供电系统包括：

电力转换器；

燃料处理装置，用于获取并处理燃料电池所需燃料；

气体处理装置，用于对从外界吸入的客舱尾气或冲压空气进行处理；

燃料电池，与所述燃料处理装置和气体处理装置分别连接，并与电力转换器连接，用于对所述燃料和处理后的气体进行反应，在所述燃料电池的阳极和阴极产生电力，并通过所述电力转换器转换为所需要的电压输出。

3.根据权利要求2所述的飞机发电系统，其特征在于：

所述燃料电池的数量为多组，多组燃料电池根据飞机的至少两个区域中各自的负载的功率需求，进行分布式放置。

4.根据权利要求2或3所述的飞机发电系统，其特征在于：

所述燃料电池为固态氧化物燃料电池SOFC；

则所述燃料处理装置为燃油处理装置，包括：

燃油泵，用于获取航空煤油；

第一换热器，与所述燃油泵连接，用于对通过所述燃油泵获取的航空煤油进行加热处理；

燃油预重整器，连接在所述第一换热器和所述SOFC的阳极之间，用于对经过所述第一换热器加热处理后的航空煤油进行预重整处理，得到氢气和一氧化碳，并输送至所述SOFC；

所述气体处理装置包括：

压缩机，用于对从外界吸入的客舱尾气或冲压空气进行压缩处理；

第二换热器，连接在所述压缩机与所述SOFC的阴极之间，用于对经所述压缩机处理后的压缩气体进行升温处理，并将处理后的气体输送至所述SOFC。

5.根据权利要求4所述的飞机发电系统，其特征在于，所述燃料电池供电系统还包括：

燃烧室，与所述SOFC连接，用于燃烧所述SOFC中未完全反应的氢气和一氧化碳；

燃气涡轮，与所述燃烧室连接，用于对所述燃烧室输出的气体进行膨胀做功；

发电机，与所述燃气涡轮和所述电力转换器分别连接，用于在所述燃气涡轮的带动下产生电力，通过所述电力转换器转换为所需要的电压输出。

6.根据权利要求5所述的飞机发电系统，其特征在于，所述燃气涡轮，还与所述第二换热器连接，所述燃气涡轮排出的气体用于对所述第二换热器内的压缩气体进行预热。

7.根据权利要求5所述的飞机发电系统，其特征在于：所述燃气涡轮还与所述压缩机连接，用于驱动所述压缩机。

8.根据权利要求2或3所述的飞机发电系统，其特征在于：

所述燃料电池为质子交换膜型燃料电池PEMFC；

则所述燃料处理装置包括：

储氢罐，用于存储氢燃料；

减压阀，连接在所述储氢罐与所述PEMFC的阳极之间，用于对所述储氢罐中的氢气进行减压处理，并输送至所述PEMFC；

所述气体处理装置包括：

压缩机，用于对从外界吸入的客舱尾气或冲压空气进行压缩处理；

换热器，与所述压缩机连接，用于对经所述压缩机处理后的压缩气体进行升温处理；

增湿器，连接在所述换热器与所述PEMFC的阴极之间，用于对经过所述换热器处理后的气体进行增湿处理，并输送至所述PEMFC。

9.根据权利要求8所述的飞机发电系统，其特征在于，所述增湿器，还用于分离所述PEMFC得到的水，以对所述换热器输送的升温后的气体进行增湿；

所述燃料电池供电系统还包括：

燃气涡轮，与所述增湿器连接，用于对所述PEMFC输出的未完全反应的气体进行膨胀做功；

发电机，与所述燃气涡轮和所述电力转换器分别连接，用于在所述燃气涡轮的带动下产生电力，通过所述电力转换器转换为所需要的电压输出。

10.根据权利要求9所述的飞机发电系统，其特征在于，所述燃料电池供电系统还包括：

水箱、以及与所述水箱连接的电池冷却管路，用于对所述PEMFC散热；

所述电池冷却管路，还与所述换热器连接，用于利用对所述PEMFC散热后得到的水预热所述换热器中的气体；

所述水箱，还与所述换热器连接，用于利用预热所述换热器中的气体后得到的水对所述PEMFC循环散热。