CN112582641A - 用于飞行器的燃料电池的系统和飞行器 - Google Patents
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Abstract
描述了一种用于飞行器的燃料电池的系统和飞行器。该系统包括多个燃料电池、氢回路、空气回路以及被配置成对第一电池子集进行冷却的第一冷却回路，所述第一子集包括至少两个电池。该第一冷却回路包括：‑计算机控制装置(Vin)，该计算机控制装置用于将处于第一温度的第一液体冷却剂和处于比该第一温度的低的第二温度的第二液体冷却剂混合，以获得具有目标温度的液体冷却剂，‑液体冷却剂限流器(R)，该液体冷却剂限流器被配置成在该第一子集的电池之间分配该液体冷却剂；以及‑出口阀(Vout)，该出口阀的开口由该计算机根据该第一子集的电池的冷却需求进行控制。使用冷却回路来冷却多个燃料回路使得可以限制燃料电池系统的体积。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞行器中的燃料电池系统，所述系统包括多个燃料电池。
背景技术
燃料电池系统能够发电而不会排放任何对环境有害的排放物。这种电池系统能够向飞行器上的多个设备供应电功率，例如照明、通风、飞行器推进系统等。
例如，已知的实践是使用包括至少一个燃料电池的推进系统，该至少一个燃料电池用于向电动马达和螺旋桨供电。这种推进系统通常包括多个燃料电池。
还已知的实践是将每个燃料电池与辅助设备的集合(“BOP”，代表“配套设施(Balance of Plant)”)相关联，该集合允许操作所述电池。每个配套设施设备组尤其包括被配置成向燃料电池供应二氧的空气回路、被配置成向燃料电池供应二氢的氢回路、以及冷却回路。
这样的配套设施设备组笨重且不便。
因此，期望的是缓解现有技术中的这些缺点。
发明内容
描述了一种用于飞行器的燃料电池的系统。所述系统包括：
-多个燃料电池，
-氢回路和空气回路，所述氢回路和所述空气回路分别向所述燃料电池输送氢和空气，以及
-第一冷却回路，所述第一冷却回路被配置成对所述多个燃料电池中的燃料电池的第一子集进行冷却。第一子集包括至少两个燃料电池。所述第一冷却回路包括：
-计算机控制装置，所述计算机控制装置用于将处于第一温度的液体冷却剂的第一部分和处于比所述第一温度第的第二温度的所述液体冷却剂的第二部分混合，以获得具有目标温度的液体冷却剂，所述装置的出口连接至所述第一子集的所述燃料电池的入口；
-液体冷却剂限流器，所述液体冷却剂限流器在所述第一子集的所述燃料电池长得每个燃料电池的入口处，并且被配置成在所述第一子集的所述燃料电池之间分配处于目标温度的所述液体冷却剂；以及
-出口阀，所述出口阀连接至所述第一子集的所述燃料电池的出口，所述出口阀的打开由所述计算机根据所述第一子集的所述燃料电池的冷却需求来控制。
根据一个实施例，所述系统还包括热交换器，所述热交换器被配置成对离开所述第一冷却回路的一部分液体冷却剂进行冷却；旁通阀，所述旁通阀被配置成将离开所述第一冷却回路的一部分液体冷却剂和由所述热交换器冷却的所述一部分液体冷却剂混合；以及泵，所述泵连接至所述旁通阀的出口，所述泵由所述计算机控制，以控制在所述第一冷却回路中循环的液体冷却剂的流量，从而调节所述燃料电池的出口处的所述液体冷却剂的温度。
根据一个实施例，所述系统进一步包括呈液态形式的氢的储存罐以及与所述储存罐接触的囊体，离开所述泵的一部分液体冷却剂在所述囊体中循环，所述囊体被配置成通过所述一部分液体冷却剂来使所述液态氢蒸发。
根据一个实施例，所述系统包括第二冷却回路，所述第二冷却回路类似于所述第一冷却回路、并且被配置成对所述多个燃料电池中的至少两个电池的第二子集进行冷却，所述第二子集不同于所述第一子集。
根据一个实施例，所述第一冷却回路和所述第二冷却回路并联地连接至所述热交换器。
根据一个实施例，所述泵被配置成控制在所述第一冷却回路和所述第二冷却回路中循环的液体冷却剂的流量，所述泵由所述第一冷却回路和所述第二冷却回路中的与具有最高冷却需求的燃料电池相关联的冷却回路伺服控制。
根据一个实施例，所述第一冷却回路被配置成对所述多个燃料电池中的所有燃料电池进行冷却。
根据一个实施例，所述系统进一步包括电动马达和控制器，所述电动马达和所述控制器将由所述第一电池子集传递的电流转换为传递至所述电动马达的电流，所述第一冷却回路被配置成另外地对所述马达和控制器进行冷却。
描述了一种飞行器，该飞行器包括根据以上实施例之一所述的燃料电池系统。
附图说明
通过阅读一个示例性实施例的以下描述，本发明的上述特征以及其他特征将变得更加清楚明显，所述描述是参考附图给出的，在附图中：
[图1]是根据一个特定实施例的包括多个燃料电池的系统的示意图；
[图2]是根据一个特定实施例的燃料电池组的示意图；以及
[图3]是根据一个特定实施例的飞行器的透视图。
具体实施方式
图1是包括多个燃料电池的系统20的示意图。图1中展示的系统可以用于向飞行器推进系统供应电力。该系统可以用于推进以外的目的，例如用于客舱的照明和/或通风、用于向飞行警告系统供应电功率等。在图1中，系统20包括燃料电池组，该燃料电池组分布在k个子集CH1、CH2…CHk之间，每个子集有n个电池，k和n是整数。k个子集CH1、CH2…CHk并联放置。对于每个子集，n个电池可以在图1中通过黑色矩形(202a)、灰色矩形(202b)、…以及斜线阴影矩形(202n)标识。系统20包括大于或等于二的数量n个燃料电池。根据一个特定实施例，电池组联接至由电池产生的电力供电的电动马达并且联接至电动马达的控制器，电动马达和控制器均未在图1中描绘。根据变体，每个电池子集CHx(x＝1，2，…，k)经由电动马达的控制器联接至由电池子集CHx的电池所产生的电力供电的电动马达。
燃料电池202a、202b，…，202n是这样的电池，其中通过阳极上还原性燃料(在这种情况下为二氢)的氧化与阴极上氧化剂(在这种情况下为空气中的二氧)的还原相结合而产生电压。两个电极与用作电解质的薄膜接触，从而传输在阳极处产生的离子。具体地，在阳极处的二氢的氧化产生H+离子和电子e-，它们从阳极传递至阴极。到达阳极后，二氢(H2)根据以下反应分裂(氧化)为H+离子和电子：2H2＝4H++4e-。随着电子绕过外部电路，H+离子迁移到薄膜中，从而产生电能。根据以下反应，在阴极处的H+离子、电子e-和二氧(例如来自空气)相遇形成水：4H++4e-+O2＝2H2O。在这个反应期间，释放热量。
在下文中，术语氧和二氧可互换使用。同样，术语氢和二氢可互换使用。
用细黑实线表示的空气回路为燃料电池供应氧。氧例如来自由至少一个压缩机CP加压的环境空气，压缩空气用于供给电池子集CH1、CH2…CHk。根据一个特定实施例，仅使用一个单个压缩机即可为所有电池子集供应氧。环境空气例如来自一个或多个风斗。在化学反应中未被燃料电池使用的氧被排放到飞行器外部。
燃料电池还经由粗黑实线所表示的氢回路被供以氢。氢例如以液体形式存储在罐212中。液态氢藉由与罐212接触的囊体C蒸发。囊体是其中真空占主导的气密密封的腔室，该囊体允许调节氢回路中氢的压力和温度。在化学反应中未被燃料电池使用的氢返回到氢回路。在不脱离本发明范围的情况下，氢也可以气态形式存储在罐中。
燃料电池由冷却回路冷却。具体地，燃料电池中的化学反应会产生热量，为了避免电池过热，需要移除该热量。为此目的，向这些电池供应处于第一温度的液体冷却剂(黑虚线)和处于比第一温度低的第二温度的液体冷却剂(细灰实线)。液体冷却剂例如是水和乙二醇的混合物、例如EGW(乙二醇水)类型。在系统20包括如图1所展示的并联放置的多个电池子集的情况下，各个电池子集的冷却回路的出口被组合起来。这些出口连接至热交换器HE的入口，以便将热量移出到安装件外部。这些出口也连接至旁通阀VBP(阀旁通)的入口。因此，液体冷却剂中的一部分被递送至热交换器HE的入口，而另一部分被直接递送至阀VBP。热交换器HE通过飞行器外部蒙皮上的一个或多个风斗从外部而被供应新鲜空气。风斗可以分布在外部蒙皮的周边上，并且可以例如是NACA类型或与外部蒙皮齐平的类型。借助于穿过热交换器HE的新鲜空气，来自燃料电池并且循环通过热交换器HE的液体冷却剂被冷却，同时新鲜空气被加热。因此，热交换器HE例如经由喷气管将热空气排放到飞行器外部。
根据一个实施例，热交换器HE定位在飞行器的冲压空气管道中。根据一个特定实施例，换热器HE为所有电池子集所共用。
热交换器HE的出口连接至旁通阀VBP的入口，以将由热交换器HE冷却的液体冷却剂递送到冷却回路中。旁通阀VBP用于调节在进口处燃料电池的温度。这个阀VBP有效地使得可以改变来自热交换器HE并被递送到冷却回路中的液体冷却剂的量。因此，阀VBP连接至计算机，该计算机基于对电池子集入口处的液体冷却剂温度的测量来对阀进行操作并且基于目标温度(例如等于略高于80℃的值)指示阀增大或减小来自热交换器HE的液体量。为此目的，使用位于阀VBP下游的温度探头来创建用于操作阀的闭合控制循环。具体地，在高海拔处，外部温度可能非常低。这就是为什么使用热交换器HE冷却部分液体，而将较热的部分直接递送至阀VBP的原因。离开阀VBP的液体冷却剂尤其用于通过进入囊体C来使储存在罐212中的液态氢蒸发。因此，该液体冷却剂不能过于冷。
旁通阀VBP的出口连接至泵P的入口。泵P被配置成使液体冷却剂循环通过多个元件(例如，燃料电池、马达204和控制器208)。泵P用于通过改变递送至燃料电池的入口的液体冷却剂(冷的和热的)的流量来调节燃料电池的出口处的温度。阀VBP与热交换器HE之间的总冷却流量的分配由泵P控制，并且取决于这些构件产生的压降。
在特定的实施例中，操作所有的电池子集以产生相同的功率，然后将这些电池子集的出口阀Vout(图2中表示)打开到最大。泵P由计算机控制，该计算机根据电池的冷却需求向该泵指示将递送至燃料电池的入口的液体冷却剂的流量。液体冷却剂流量的增大使得可以更好地排放电池产生的热量并且降低电池出口处的液体冷却剂的温度。
在另一特定实施例中，电池子集之间的功率需求是不同的，因此它们的冷却需求是不同的。在这个实施例中，泵P由具有最大冷却需求的电池子集CHM(CH1，CH2…CHk中的一个)伺服控制。为此目的，泵P由计算机控制，该计算机根据电池子集CHM的需求(即，冷却需求)向该泵指示将递送至燃料电池的入口的液体冷却剂的流量。电池子集CHM然后将其自己的在出口处的阀Vout打开到最大。然后，将其他电池子集的阀Vout稍微关闭。实际上，其他电池子集几乎不需要冷却。
因此，阀VBP和泵P允许进行全局温度调节，即，所有电池子集所共用的温度调节。更具体地，总体温度调节允许对每个电池子集的入口和出口处的温度进行主要调节。
泵P的出口连接至每个电池子集CH1，CH2…CHk的入口E1。泵的出口还连接至囊体C的入口，该囊体的出口连接至每个电池子集CH1、CH2…CHk的另一个入口E2。因此，离开泵P的液体冷却剂的一部分被直接递送至电池子集的入口E1，并且对应于被称为热的液体。液体冷却剂的另一部分穿过囊体C。穿过囊体C的液体冷却剂用于使储存在罐212中的氢蒸发。因此，离开所述囊体C的液体冷却剂比进入其的液体冷却剂冷。该液体冷却剂被递送至电池子集的第二入口E2，并且对应于被称为冷的液体。
图2是图1的电池子集CHx，x＝1，2…k之一的示意图。在图2中，电池子集CHx包括n个燃料电池。电池子集CHx包括至少两个燃料电池。在图2中，n个燃料电池联接至由电池子集CHx的燃料电池供电的电动马达204并且联接至控制器208。根据一个实施例，控制器208包括电转换器，该电转换器将由燃料电池输送的直流电转换为输送至电动马达204的直流电或交流电。直流电或交流电的转换取决于所用电动马达的类型。在变体中，马达204和控制器208在电池子集CHx的外部。在另一变体中，由燃料电池产生的电力被用于为除马达204以外的元件供电，例如客舱的照明。
在图2中，已经使用与图1相同的线型描绘了空气回路210、氢回路216和冷却回路214。
阀VO2和VH2定位在空气回路210和氢回路216的出口处。这些阀可以分别控制穿过电池的空气流和氢流。这些阀都由计算机控制。具体地，根据电池子集CHx所需的电功率，需要向电池供应一定量(质量流量)的氢和一定量的氧。这些量由计算机确定，要考虑到在阳极处和阴极处发生的化学反应以及参与反应的空气和氢产物的化学计量。一个电池子集与另一个电池子集对电功率的需求可能不同，因此使用阀门VO2和VH2逐个控制电池子集的氢和氧的量是有益的。
燃料电池除了产生电压外，还会产生需要去除的热量。为此目的，电池子集CHx包括用灰色实线表示的冷却回路。冷却回路包括第一入口E1和第二入口E2，在第一入口处液体冷却剂到达第一温度(称为热液体)，在第二入口处液体冷却剂到达第二温度(称为冷液体)，所述第二温度低于第一温度。冷却回路包括装置Vin，该装置被配置成将热液体和冷液体混合以便获得处于目标温度的液体冷却剂。为此，可以测量装置Vin的出口处的温度并将其传输至计算机(未在图2中描绘)。基于测得的温度值与设定点值之间的差异，计算机将操作装置Vin。设定点值例如等于80℃。因此，如果测得的温度高于设定点温度，则计算机指导装置Vin增大混合物中冷液体的量，直到达到设定点温度。另一方面，如果测得的温度低于设定点温度，则计算机指导装置Vin增大混合物中热液体的量。然后将如此获得的液体冷却剂分配到必须供给该液体冷却剂的多个元件之间，例如多个电池，并且在适当的情况下，分配到马达204与控制器208之间。
为此目的，冷却回路在被供应有液体冷却剂的每个元件(即不同的电池，并且合适的话，电动马达204和控制器208)的入口处包括液体冷却剂限流器R，该液体冷却剂限流器是产生真空的元件。同心的膜片例如是这种液体冷却剂限流器R。这个膜片可以插入在两个管线的凸缘之间。在变体中，膜片直接结合在管线内。这些限流器R使得可以在不同元件之间，特别是在不同电池之间分配液体冷却剂的量。根据一个实施例，限流器R被配置成根据电池的相应的冷却需求来在电池之间分配液体冷却剂，这些冷却需求可以是不同的。在电荷均匀地分布在电池上的情况下，限流器R被配置成使得相同量的液体冷却剂到达每个电池的入口。实际上，在这种特定情况下，电池通常向外散发相同量的热量，因此具有相同的冷却需求。限流器R尤其通过考虑每个电池上、在电池上游和下游使用的管线、以及在电池子集中的电池的位置可能不同的散热量来设计。限流器R是根据电池上游和下游管道的几何形状(长度、弯头的数量和性质)设计的。例如，在限流器R是孔板的情况下，上游和下游接合点之间的管线越短且受“阻碍”的负担越小，则建立的孔的内径就越小，以便产生更高的压降，以补偿管道引起的小压降。因此，离开多个元件的液体冷却剂(即，在多个电池的出口处，并且在适当的情况下，在马达204和控制器208的出口处)比在这些元件的入口处更热。为了调节单电池子集CHx的出口处的温度，冷却回路包括出口阀Vout，该出口阀由计算机控制以调节电池子集CHx的出口处的液体冷却剂的温度。当出口处测得的温度升高时，计算机向出口阀Vout发送指令，以使该出口阀增大开口程度，以增大液体冷却剂的流量，由此获得更好的温度调节。
这种冷却回路(包括Vin，R和V out)使得可以精细地调节温度，从而调节不同元件的冷却。特别地，这使得能够调节每个电池子集的温度。温度的这种精细调节可以与参照图1描述的主要调节结合，或者在没有主要调节的情况下使用。参照图1描述的温度的主要调节的使用使得可以改善在每个电池子集处温度的精细调节。
根据一个实施例，图2所展示的冷却回路(包括Vin，R和Vout)由多个燃料电池中的至少两个燃料电池所共用。根据特定实施例，冷却回路由同一电池子集的所有燃料电池所共用。在这种情况下，对于每个燃料电池子集CHx重复冷却回路。根据变体，冷却回路通用于所有燃料电池子集CHx的所有燃料电池。
根据另一变体，如图2所展示的，冷却回路还用于对电动马达204和控制器208进行冷却。在变体中，如先前所呈现的，第一冷却回路确保燃料电池的冷却，并且不同于第一冷却回路的第二冷却回路确保马达204和控制器208的冷却。
具有用于对多个燃料电池进行冷却的单个冷却回路允许节省空间、减轻系统的重量、节省制造成本，因为要购买的设备较少。此外，具有单个冷却回路也可以降低系统的复杂性。因此，简化了客机的维护。控制系统的计算机并不昂贵，因为它们必须管理的输入(传感器)和输出(阀门和泵)的数量减小。
注意的是，电池子集CHx可以包括图2中未描绘的其他元件。作为选择，电池子集CHx可以包括在氢回路的入口处的隔离阀Vis。隔离阀Vis允许将电池子集CHx与电池的其他子集隔离开，尤其是在氢泄漏的情况下。电池子集CHx还可以包括用于测量进气口与氢入口之间的压差的模块(在图2中未描绘)，以便控制并在适当情况下限制跨过薄膜的两种气体之间的压力差。
同一计算机可以用于操作所有阀门和泵。在变体中，使用不同的计算机。
图1和图2中的燃料电池子集有利地与包括电池和/或电容器的电能存储系统联接。
图1和图2中的燃料电池子集有利地由飞行器推进系统使用。
图3是飞行器100的透视图，该飞行器的机身的每一侧均附接有机翼。至少一个推进系统150附接在每个机翼下方。在图3中，推进系统150位于机翼下方，但是在另一实施例中，推进系统可以在机翼的顶部上。飞行器包括至少一个如上所述的系统20，该系统包括多个燃料电池。根据第一实施例，这个系统20用于向飞行器推进系统150供电。根据第二实施例，系统20用于给飞行器的非推进系统(例如：计算机、致动器、电转换器等)供电。
Claims (9)
1.一种用于飞行器(100)的燃料电池的系统，所述系统包括：
-多个燃料电池(202)，
-氢回路(216)和空气回路(210)，所述氢回路和所述空气回路分别向所述燃料电池(202)输送氢和空气，以及
-第一冷却回路(214)，所述第一冷却回路被配置成对所述多个燃料电池中的燃料电池的第一子集进行冷却，所述第一子集包括至少两个燃料电池，所述第一冷却回路包括：
-计算机控制装置(Vin)，所述计算机控制装置用于将处于第一温度的液体冷却剂的第一部分和处于比所述第一温度低的第二温度的所述液体冷却剂的第二部分混合，以获得具有目标温度的液体冷却剂，所述装置的出口连接至所述第一子集的所述燃料电池的入口；
-液体冷却剂限流器(R)，所述液体冷却剂限流器在所述第一子集的所述燃料电池中的每个燃料电池的入口处，并且被配置成在所述第一子集的所述燃料电池之间分配处于目标温度的所述液体冷却剂；以及
-出口阀(Vout)，所述出口阀连接至所述第一子集的所述燃料电池的出口，所述出口阀的打开由所述计算机根据所述第一子集的所述燃料电池的冷却需求来控制。
2.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括：热交换器，所述热交换器被配置成对离开所述第一冷却回路的一部分液体冷却剂进行冷却；旁通阀，所述旁通阀被配置成将离开所述第一冷却回路的一部分液体冷却剂和由所述热交换器冷却的所述一部分液体冷却剂混合；以及泵，所述泵连接至所述旁通阀的出口，所述泵由所述计算机控制，以控制在所述第一冷却回路中循环的液体冷却剂的流量，从而调节所述燃料电池的出口处的所述液体冷却剂的温度。
3.根据权利要求2所述的系统，所述系统进一步包括呈液态形式的氢的储存罐以及与所述储存罐接触的囊体，离开所述泵的一部分液体冷却剂在所述囊体中循环，所述囊体被配置成通过所述一部分液体冷却剂来使所述液态氢蒸发。
4.根据权利要求2和3中任一项所述的系统，包括第二冷却回路，所述第二冷却回路类似于所述第一冷却回路、并且被配置成对所述多个燃料电池中的至少两个电池的第二子集进行冷却，所述第二子集不同于所述第一子集。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一冷却回路和所述第二冷却回路并联地连接至所述热交换器。
6.根据权利要求4和5之一所述的系统，其中，所述泵被配置成控制在所述第一冷却回路和所述第二冷却回路中循环的液体冷却剂的流量，所述泵由所述第一冷却回路和所述第二冷却回路中的与具有最高冷却需求的燃料电池相关联的冷却回路伺服控制。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述第一冷却回路被配置成对所述多个燃料电池中的所有燃料电池进行冷却。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，进一步包括电动马达(204)和控制器(208)，所述电动马达和所述控制器将由所述第一电池子集(202)传递的电流转换为传递至所述电动马达(204)的电流，所述第一冷却回路被配置成另外地对所述马达和控制器进行冷却。
9.一种飞行器，所述飞行器包括根据权利要求1至8中任一项所述的燃料电池的系统。
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