CN105314115B - 提供电能、贫氧空气和水的方法和供应系统以及飞行器 - Google Patents

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Abstract

一种用于在交通工具中提供至少贫氧空气和水的供应系统(2)，该系统(2)包括催化转化器(4)、至少一个氢供应装置(6)、至少一个空气供应装置(12、14)、用于贫氧空气的至少一个出口、以及与催化转化器(4)耦接的控制单元(46)。催化转化器能够与氢供应装置耦接并且适于在消耗氧和来自至少一个氢供应装置的氢的过程中产生水。催化转化器还能够与至少一个空气供应装置耦接以用于额外地产生贫氧空气。此外，控制单元适于基于水和贫氧空气的需求来选择性地操作催化转化器。

Description

提供电能、贫氧空气和水的方法和供应系统以及飞行器
相关申请的引用
本申请要求于2014年7月29日提交的欧洲专利申请No.14178937.0的优先权，该申请的全部公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明涉及用于提供电能、贫氧空气和水的方法和供应系统，并且涉及具有这种供应系统的飞行器。
背景技术
如今的飞行器通常装备有针对紧急电力供应和货物火抑制的独立系统。对于所谓的“总发动机熄火”(TEFO)情况或主电力供应的损失而言，指定用于提供紧急电力的冲压空气涡轮。冲压空气涡轮能够在撞击冲压空气的速度足够时提供充足的电力。然而，这可能在飞行器的着陆阶段期间的接近触地的阶段中是关键的。
对于飞行器的货舱中的火的扑灭或抑制，通常使用卤代烷灭火器。由于卤代烷对臭氧层和作为卤代烷的不良影响将被当局限制，因而卤代烷的替代物是必要的。
在民用航空中，饮用水系统是众所周知的，其利用用于在飞行中提供由乘客和机组人员以及厕所和厨房所用的水量的机上储水箱。已知在氢和氧的消耗过程中通过燃料电池来产生飞机上的饮用水。然而，这种水生成与电力的产生直接关联。因此，水将仅在存在电力需求的情况下产生。
在空气用作氧化剂的情况下，燃料电池在产生水时消耗空气中的氧含量。如果阴极空气中的剩余氧含量减少到约12％，则该贫氧空气能够在飞机上发生火灾事件的情况下用于火抑制或者在燃料系统中用于燃料箱惰化或增加安全性。氧的消耗与电力的需求以及燃料电池中的化学计量直接关联。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于提供至少贫氧空气和水的供应系统，该供应系统能够独立地产生贫氧空气并且可选地产生水。
通过根据本发明的实施方式的供应系统来满足该目的。有利的实施方式和其他改进可以从下列描述中获得。
提出了一种用于提供至少贫氧空气和水的供应系统，该系统包括催化转化器、至少一个氢供应装置、至少一个空气供应装置、用于贫氧空气的至少一个出口、以及与催化转化器耦接的控制单元。催化转化器能够与氢供应装置耦接，催化转化器适于在消耗氧和来自至少一个氢供应装置的氢的过程中产生水，催化转化器能够与至少一个空气供应装置耦接以用于额外地产生贫氧空气，并且控制单元适于基于水和贫氧空气的需求来选择性地操作催化转化器。
催化转化器适于在被供给来自至少一个空气供应装置的空气以及来自至少一个氢供应装置的氢时提供呈气态或液态形式的水以及贫氧空气。转化器包括催化剂，即，提高预期化学反应的速率而不被消耗的化学物质。特别地，催化转化器的催化剂允许降低处理温度，从而减少对冷却能力的需求。例如，催化剂可以在转化器壳体内实现为铂粉涂层。
氢供应装置可以是氢供应系统中的氢端口、氢管道的区间、储罐或能够将氢或含氢气体供应至燃料电池的任何其他装置。就这一点而言，氢并不一定必须是纯氢。相反，氢还可以通过燃料处理器产生，这将普通的飞行器燃料改良成用于燃料电池的富含氢的气体。
类似地，空气供应装置可以是用于提供空气的任何合适的装置，例如冲压空气进口、涡轮喷气发动机的放气口、集成到飞行器中的环境控制系统的再循环管道中的或与飞行器中的环境控制系统的再循环管道耦接的端口、货舱抽气阀、或任何其他装置。
该系统还可以包括用于贫氧空气的专用出口，该专用出口可以与若干有源部件耦接，或者该系统可以包括位于不同有源部件处的用于贫氧空气的一个或更多个出口。
催化转化器适于在被供给来自至少一个进气口的空气以及来自至少一个氢供应装置的氢时提供呈气态或液态形式的水以及贫氧空气。根据执行氧化剂和来自至少一个氢供应装置的氢之间的化学反应所需的温度，所产生的水可以具有一定的温度，并且因此具有一定的聚合状态。
因此，电力需求、针对贫氧空气以及燃料电池堆中的化学计量的需求与燃料电池系统中的水产生之间的直接关系可以通过使用能够提供水和在需要时提供贫氧空气的催化转化器来消除。
在有利的实施方式中，供应系统还包括燃料电池，燃料电池能够与氢供应装置耦接。燃料电池适于在消耗氧和来自至少一个氢供应装置的氢的过程中通过进行燃料电池处理来产生水和电能。此外，控制单元另外适于基于水、贫氧空气和电能的需求来选择性地操作燃料电池。
燃料电池可以通过单个燃料电池、具有多个相互连接的燃料电池的燃料电池堆、或者串联连接或并联连接的燃料电池或燃料电池堆的布置来实现。燃料电池能够与至少一个氢供应装置耦接，使得氢能够在需要时供应至燃料电池。所需的氧化剂可以以氧、空气或任何其他含氧气体的形式提供，这允许将足够的氧流供应至燃料电池。
燃料电池本身可以具有任何合适的类型，可以包括产生电和热以及在燃料电池的阴极侧产生的水的高温燃料电池类型、中温燃料电池类型或低温燃料电池类型。对于交通工具中的用途，燃料电池可以优选地包括也被称为聚合物电解质膜燃料电池的质子交换膜燃料电池。
因此，燃料电池可以在同时需要水和电力时操作。催化转化器就其本身而言可以产生水而不必输送电力。另外，在燃料电池被供给空气和氢时可以同时提供贫氧空气、水和电力。燃料电池和催化转化器可以同时产生水或者在不同的时间分别产生水。特别地，燃料电池仅在对电力的需求必须被满足时操作。
另一有利实施方式包括用于将大致纯氧提供至至少一个燃料电池的氧供应装置。这意味着燃料电池可以被供给纯氧，使得燃料电池中仅产生水而不产生贫氧空气。然而，优选的是将仅纯氧提供至安装的有源部件中的一个有源部件，即，燃料电池，使得对贫氧空气的需求可以通过至少另一有源部件来满足。
在燃料电池被供给纯氧的情况下，根据本发明的系统可以用作紧急电源单元，只要氧供应和氢供应被保持，该紧急电源单元就完全独立于交通工具中的任何其他部件。
更进一步，控制单元适于同时操作催化转化器和燃料电池以用于产生至少水和电能。这可以减小根据本发明的系统的总重量，就满足交通工具中出现的水需求而言，可以使用两个有源部件，这不需要调节两个有源部件中的一个有源部件或两个有源部件的尺寸来满足各自的需求。
在有利的实施方式中，燃料电池能够与至少一个空气供应装置耦接以用于额外地产生贫氧空气。对于贫氧空气的快速供应，例如，在需要火抑制的情况下，燃料电池还能够与至少一个空气供应装置耦接，允许增大贫氧空气的总流量。根据所得的流量，还可以提供火扑灭功能。然而，在燃料电池处理期间产生的电力能够提供至电负载时，燃料电池可以仅提供贫氧空气。优选的是，位于燃料电池处的用于贫氧空气的出口与催化转化器被分开。如果需要紧急发电以及产生贫氧空气的组合，则燃料电池可以在消耗纯氧的过程中被操作，这例如在TEFO情况下可能是必须的。燃料电池的相应出口与催化转化器的分开防止了在以上情况下纯氧到达催化转化器，否则这将会妨碍贫氧空气的产生，可能导致催化转化器中的过热或氧被引入到需要惰化的空间中，即，导致火加速。
优选的是，该系统包括水分离器和冷凝器中的至少一者，从而能够在系统的操作期间实现液体水的可靠分离或水蒸气的冷凝。在水以气态形式出现时可能需要冷凝器，例如根据冷凝器的操作温度，在催化转化器的下游，或在以升高的温度操作的燃料电池的下游。
对于可以是飞行器的交通工具的正常操作期间的火抑制，空气供应装置包括来自涡轮喷气发动机的放气管线。不言而喻，从放气管线供应的放出空气应当被预先冷却以用于防止对燃料电池或催化转化器的损坏。放出空气的供应是可靠的并且还包括稳定的且可调的压力水平。
在又一实施方式中，催化转化器包括壳体，该壳体设置在空气管道中，并且其中，催化转化器适于使在催化转化器中产生的水在该壳体处冷凝。冷凝所需的电力明显减少。示例性地，特别地在交通工具为飞行器时，催化转化器可以设置在冲压空气管道中，使得具有低温的冲压空气撞击催化转化器的壳体并且能够补偿潜在的蒸发热量。
将催化转化器设置到其中出现恒定空气流的空气管道中允许冷却催化转化器而无需复杂的冷却系统。另外，作为冲压空气管道的空气管道，即用于引导隔舱的排放空气或来自另一设备的冷却空气的管道，允许热交换器集成到空气管道中，该热交换器可以与用于燃料电池的冷却系统耦接，如果在根据本发明的系统中使用，则这明显地简化了用于系统中的有源部件的整个冷却系统。
不言而喻，催化转化器、燃料电池以及用于转化来自燃料电池的电流和电压的功率电子装置可以包括任何种类的冷却系统，该冷却系统为基于空气或冷却液的冷却系统，如开冷却环或闭冷却环，该冷却系统可以组合或实现为单独的冷却系统。
为了明显地提升催化转化的处理，催化转化器可以包括涡轮机，该涡轮机具有压缩机和涡轮。催化转化器于是可以适于在压缩机与涡轮之间的位置提供催化转化，使得被压缩的空气馈送到催化转化器中，之后催化转化器中产生的产物流过涡轮。例如，在燃料电池系统用在飞行器中的情况下，可能出现飞行器以门关闭状态在地面上并且发动机不运转的情形，使得没有排放空气能够用于火扑灭功能。然而，可以借助于小的优选地电动的涡轮机来产生替代物，这还由于通过涡轮建立的机械动力而利用催化转化的温度升高来降低压缩机所需的动力，从而导致在该操作情况下的催化转化器的高效率。此外，由于涡轮中的膨胀，因此贫氧空气流被预冷却。
在另一有利实施方式中，催化转化器的进气口与交通工具中的隔舱的排气出口耦接，并且用于贫氧空气的至少一个出口与隔舱的进气口耦接。在该隔舱中的火抑制通过从隔舱到催化转化器的进气口中的再循环空气明显地改善，这通过催化转化减少了氧含量并且使贫氧空气流回到相应的隔舱中。使用这种再循环提高了相应的隔舱中的氧耗尽的速度，并且在催化转化器的能力足够的情况下可以用于火扑灭。然而，如果相应的隔舱中的氧含量在特定水平以下，则催化转化器需要用于维持催化转化处理的额外空气源。
该系统还可以适于基于对水、贫氧空气和电力的需求、通过适当地切换相应的供应阀在对燃料电池的空气供应和对燃料电池的氧供应之间选择性地切换。
本发明还涉及一种用于在飞行器中提供至少贫氧空气和水的方法，该方法包括：操作催化转化器以用于在消耗来自至少一个氢供应装置的氢的过程中产生水，所述至少一个氢供应装置能够与催化转化器的氢供应装置耦接；以及将至少一个空气供应装置与催化转化器耦接，并且操作催化转化器以用于基于水和贫氧空气的需求在催化转化器中额外地产生贫氧空气。
此外，该方法可以包括使来自交通工具中的隔舱的排气再循环至催化转化器的进气口。
本发明还涉及一种具有这种供应系统的飞行器。
附图说明
在附图中的示例性实施方式的以下描述中公开了本发明的其他特征、优点和应用选项。所有描述的和/或示出的特征本身或以及任何组合形成本发明的主题，甚至不考虑它们在独立权利要求中的构成或它们的相互关系。此外，图中的相同或相似部件具有相同的附图标记。
图1示出了具有对燃料电池的纯氧供应以及对催化转化器的空气供应的第一示例性实施方式中的用于提供贫氧空气、水和电能的系统。
图2示出了包括具有集成涡轮机的催化转化器的另一实施方式。
图3示出了具有对燃料电池的空气供应的另一实施方式。
图4示出了具有对催化转化器的货物空气供应的又一实施方式。
图5示出了具有催化转化器和对转化器的货物空气供应的另一实施方式，该催化转化器具有集成的涡轮机。
图6示出了具有仅催化转化器的另一简化实施方式。
具体实施方式
图1示出了用于提供贫氧空气和水的供应系统2的第一示例性实施方式，该系统2包括催化转化器4、具有氢储存器8和多个阀10的氢供应装置6、实现为冲压空气通道的第一空气供应装置12、实现为放气管线的第二空气供应装置14、以及包括氧储存器18和一系列阀20的氧供应装置16。
此外，存在实现为燃料电池堆的燃料电池22，该燃料电池22能够与氧供应装置16和氢供应装置6耦接。通过进行燃料电池处理，燃料电池22产生电能和水。来自氢供应装置6的氢流入到阳极入口24中并且残余氢离开阳极出口26，残余氢可以从阳极出口26输送至阳极入口24或输送至氢供应管线28，这将在下面进一步描述。氢离子到达阴极侧并且与通过阴极入口28流入到燃料电池22中的氧起反应以形成流出阴极出口30的水。
示例性地，水分离器32与阴极出口30耦接并且适于使水与从阴极出口30流出的残余气体分离。聚积在水分离器32中的水可以反馈至阴极入口28上游的喷射装置34以提供流入到阴极入口28中的氧的湿度，从而用于改进燃料电池22的操作。
催化转化器4与氢供应装置6通过第一氢供应管线34耦接并且还能够与如上所述的氢供应管线28耦接。氢供应管线28和氢供应管线34将氢提供至催化转化器4，催化转化器4被供给来自第一空气供应装置12或者来自第二空气供应装置14的空气。不言而喻，空气供应装置12和空气供应装置14也可以同时使用，然而应当防止来自空气供应装置中的一个空气供应装置的空气进入通过压力差驱动的另一个空气供应装置。催化转化器4进行来自空气的氧与氢之间的反应以在贫氧空气出口36处提供贫氧空气(“ODA”)。由化学反应产生的水蒸气可以由周围的气流带走。
因此，系统2能够基本上独立于任何其他设备来提供贫氧空气、水和电能并且几乎不需要用于进行燃料电池处理的氧和氢以及用于进行催化反应的空气和氢的源。
存在用于冷却燃料电池22的冷却回路38，冷却回路38从安装在第一空气供应装置12中的冷却器40延伸至燃料电池22并返回。存在用于输送流入该冷却回路38内的冷却流体的泵42以及缓冲罐44。
系统2还包括控制单元46，控制单元46与燃料电池22和催化转化器4耦接以用于控制它们的操作。不言而喻，多个阀10或20也能够通过控制单元46加以控制，控制单元46负责选择性地操作燃料电池22和催化转化器4中的一者或两者以用于基于相应的需求提供贫氧空气、水和电能。
在图2中，示出了系统48，系统48与图1的系统2略有不同。主要不同之处在于转化器50，转化器50是具有催化转化器的联合涡轮机，催化转化器能够提供适于火扑灭(knockdown)处理的贫氧空气的大质量流。压缩机52从而压缩来自空气供应装置12的冲压空气并且扩大涡轮54中的流。在压缩机52与涡轮54之间以及涡轮54的下游，可以设置多个催化转化器56。在提供扑灭功能后，涡轮机的操作可以被中断，使得可以开始启用用于火抑制的低质量流。
在图3中，示出了系统58，系统58与图1和图2的系统2和系统48相比而被简化。例如，燃料电池22被提供来自氢供应装置6的氢，而氧供应通过与阴极入口28耦接的第三空气供应装置60实现。因此，不仅水出现在阴极出口30处而且贫氧空气也出现在阴极出口30处，贫氧空气可以通过再循环管道62再循环至阴极入口28或者可以馈送至作为第四空气供应装置64的催化转化器4。因此，来自第四空气供应装置64的贫氧空气在其氧含量方面更为减少，而第一空气供应装置12可以被缩减成仅供应冷却空气。
催化转化器66包括呈冷凝器的形式的额外的功能，冷凝器能够在水出口68处提供冷凝水，冷凝水可以通过浮动排水阀70馈送至专用水供应出口72。
图4示出了用于提供贫氧空气、水和电能的系统74，该系统74基于图1中示出的系统2。此处，催化转化器4被供给来自第一空气供应装置12的空气，并且同时被供给来自第五空气供应装置76的空气，第五空气供应装置76借助于输送装置78排出使用的货物空气，输送装置78通过安全的催化剂80将货物空气提供到催化转化器4中。离开贫氧空气出口36的贫氧空气可以馈送至货舱，货舱提供针对第五空气供应装置76使用的货物空气。通过该处理，氧含量在货舱内可以减少得更多，这使得明显改进了火抑制。
在图5中，示出了用于提供贫氧空气、水和电能的系统82，该系统82基于图2的系统48。此处，第一空气供应装置12被稍微修改并且命名为第六空气供应装置84，第六空气供应装置84设置有替代冲击空气的货物空气，但仍被实现为用于容纳催化转化器50以及针对燃料电池22的冷却器40的通道或管道。通过将在贫氧空气出口36处产生的贫氧空气馈送到提供货物空气的货舱中，可以实现更进一步提高的氧耗尽。
在这一点上，不言而喻，如图6所示，用于提供贫氧空气和水而不使用燃料电池22的系统86是可能的。由于用于提供惰性气体或水的替代解决方案包括明显更重的重量，因此通过使用催化转化器的火抑制或火扑灭在重量和燃料消耗方面可以明显地提高飞行器的效率。
另外，应当指出的是，“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除复数个。此外，应当指出的是，已经参照以上示例性实施方式中的一个示例性实施方式描述的特征或步骤还可以结合上述其他示例性实施方式的其他特征或步骤使用。权利要求中的附图标记不被解释为限制。

Claims (13)

1.一种用于在交通工具中提供至少贫氧空气和水的供应系统(2、48、58、74、82、86)，所述系统包括：
-燃料电池(22)
-独立的催化转化器(4、50、56、66)，
-至少一个氢供应装置(6)，
-至少一个空气供应装置(12、14、60、64、76、84)，
-用于贫氧空气的至少一个出口，以及
-控制单元(46)，所述控制单元(46)与所述燃料电池(22)和所述催化转化器(4、50、56、66)耦接，
其中，所述燃料电池(22)和所述催化转化器(4、50、56、66)能够与所述氢供应装置(6)耦接，
其中，所述燃料电池(22)适于在消耗氧和来自所述至少一个氢供应装置(6)的氢的过程中通过进行燃料电池处理来产生水和电能，
其中，所述催化转化器(4、50、56、66)适于在消耗氧和来自所述至少一个氢供应装置(6)的氢的过程中产生水，
其中，所述催化转化器(4、50、56、66)能够与所述至少一个空气供应装置(12、14、60、64、76、84)耦接以用于额外地产生贫氧空气，并且
其中，所述控制单元(46)适于基于水、贫氧空气和电能的需求来选择性地操作所述燃料电池(22)和所述催化转化器(4、50、56、66)。
2.根据权利要求1所述的供应系统(2、48、58、74、82、86)，
还包括氧供应装置(16)，所述氧供应装置(16)用于在不存在空气供应的情况下将大致纯氧提供至所述燃料电池(22)。
3.根据权利要求1所述的供应系统(2、48、58、74、82、86)，
其中，所述控制单元(46)适于同时操作所述催化转化器(4、50、56、66)和所述燃料电池(22)以用于产生至少水和电能。
4.根据权利要求1所述的供应系统(2、48、58、74、82、86)，
其中，所述燃料电池(22)能够与所述至少一个空气供应装置(12、14、60、64、76、84)耦接以用于额外地产生贫氧空气。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的供应系统(2、48、58、74、82、86)，
还包括水分离器(32)和冷凝器中的至少一者。
6.根据权利要求1所述的供应系统(2、48、58、74、82、86)，
其中，所述至少一个空气供应装置(12、14、60、64、76、84)包括来自涡轮喷气发动机的放气管线(14)。
7.根据权利要求1所述的供应系统(2、48、58、74、82、86)，
其中，所述催化转化器(4、50、56、66)包括壳体，所述壳体设置在空气通道(12、84)中，并且
其中，所述催化转化器(4、50、56、66)适于使在所述催化转化器(4、50、56、66)中产生的水在所述壳体处冷凝。
8.根据权利要求1所述的供应系统(2、48、58、74、82、86)，
其中，所述催化转化器(4、50、56、66)包括涡轮机，所述涡轮机具有压缩机(52)和涡轮(54)。
9.根据权利要求1所述的供应系统(2、48、58、74、82、86)，
其中，所述催化转化器(4、50、56、66)的进气口与所述交通工具中的隔舱的排气出口耦接，并且
其中，所述用于贫氧空气的至少一个出口与所述隔舱的进气口耦接。
10.一种用于在飞行器中提供至少贫氧空气和水的方法，所述方法包括：
-选择性地操作催化转化器(4、50、56、66)以用于在消耗来自至少一个氢供应装置的氢的过程中产生水，所述至少一个氢供应装置能够与所述催化转化器(4、50、56、66)的氢供应装置(6)耦接，
-选择性地操作燃料电池(22)以用于在消耗氧和来自所述至少一个氢供应装置(6)的氢的过程中产生水和电力，所述至少一个氢供应装置(6)能够与所述燃料电池(22)的氢供应装置(6)耦接，以及
-将至少一个空气供应装置(12、14、60、64、76、84)与所述催化转化器(4、50、56、66)耦接，并且操作所述催化转化器(4、50、56、66)以用于基于水和贫氧空气的需求在所述催化转化器(4、50、56、66)中额外地产生贫氧空气。
11.根据权利要求10所述的方法，
还包括使来自交通工具中的隔舱的排气再循环至所述催化转化器(4、50、56、66)的进气口。
12.根据权利要求10或11所述的方法，
其中，所述催化转化器(4、50、56、66)包括涡轮机，其中，所述方法还包括操作所述涡轮机。
13.一种飞行器，所述飞行器具有根据权利要求1至9中的一项所述的供应系统(2、48、58、74、82、86)。
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