CN117254063A - 用于运载器的燃料电池功率系统 - Google Patents

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王宏刚
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Abstract

本文提供了一种用于具有推进器的运载器的燃料电池功率系统。推进器构造成生成用于运载器的推力和压缩空气流。燃料电池功率系统包括用于提供氢燃料流的燃料输送系统和燃料电池堆，燃料电池堆构造成远离推进器定位并且与推进器气流连通，以接收来自推进器的压缩空气流。燃料输送系统还包括用于储存氢燃料的燃料罐，并且燃料电池堆进一步与燃料输送系统流体连通以接收来自燃料输送系统的氢燃料流。

Description

用于运载器的燃料电池功率系统
技术领域
本主题大体涉及用于运载器的燃料电池功率系统，例如用于航空运载器的燃料电池功率和冷却系统。
背景技术
传统的商用飞行器通常包括机身、一对机翼和提供推力的推进系统。推进系统通常包括一个或多个飞行器发动机，例如涡轮风扇喷气发动机。涡轮风扇喷气发动机通常可以例如在机翼下方的悬挂位置安装到飞行器的机翼中的相应一个、使用挂架安装到机翼。
飞行器包括燃料输送系统，燃料输送系统通常包括燃料罐和在燃料罐与飞行器发动机之间延伸的一个或多个燃料管线。传统的飞行器发动机由航空涡轮燃料提供动力，该燃料通常是具有期望碳数的可燃烃液体燃料，例如煤油型燃料。航空涡轮燃料是相对功率密集的燃料，其相对容易运输并且在飞行器的大多数环境操作条件下保持液相。
附加地，飞行器发动机可以在高温下操作以使发动机推力最大化。这样的高温可能会为飞行器发动机产生极端的操作条件。
有人认为，可以通过使用氢燃料来实现对具有由航空涡轮燃料提供动力的飞行器发动机的传统飞行器的排放的改进。氢燃料在其气态形式下不是相对功率密集燃料，并且限定相对低的沸点和相对低的凝固点。氢燃料进一步提供冷却能力，并且在呈气态形式时往往会渗透材料。
因此，鉴于这些和其他问题，促进在飞行器发动机中使用氢燃料的技术改进将受到欢迎。
附图说明
参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本优选实施例的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其中：
图1是具有根据本公开的示例性实施例的燃料电池功率系统的飞行器的示意图。
图2是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意横截面视图。
图3是根据本公开的示例性实施例的电风扇组件的示意横截面视图。
图4是根据本公开的示例性方面的燃料电池功率系统的示意图。
图5是沿轴向方向示出的示例性涡轮机的示意图。
图6是示例性发动机的简化示意图，其中旁通气流通道和低压压缩机向示例性燃料电池功率系统提供压缩空气。
图7是示例性发动机的简化示意图，其中旁通气流通道向示例性燃料电池功率系统提供压缩空气。
图8是具有冷却剂系统的燃料电池功率系统的实施例。
图9是具有冷却剂系统和包含氢气的附加启动罐的燃料电池功率系统的实施例。
图10是具有功率转换器和至少一个电机的燃料电池功率系统的附加实施例。
图11是具有泵马达、功率转换器和推进马达的燃料电池功率系统的实施例。
图12是具有液态氢燃料泵、泵马达和功率转换器的燃料电池功率系统的另一个实施例。
图13是根据本公开的又一个示例性方面的用于操作具有燃料电池功率系统的飞行器的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标号来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似的标号已用于指代实施例的相似或类似部分。
本文使用词语“示例性”来表示“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为优于或好于其他实施方式。此外，除非另有明确说明，否则本文描述的所有实施例都应视为示例性的。
如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
如可在本文中使用的，术语“前”和“后”是指燃气涡轮发动机或运载器内的相对位置，并且是指燃气涡轮发动机或运载器的正常操作姿态。例如，对于燃气涡轮发动机，前是指更靠近发动机入口的位置，而后是指更靠近发动机喷嘴或排气口的位置。
术语“上游”和“下游”是指相对于路径中的流动的相对方向。例如，对于流体流动，“上游”是指流体从其流动的方向，“下游”是指流体向其流动的方向。然而，本文使用的术语“上游”和“下游”也可以指代电流。
除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数引用。
如在整个说明书和权利要求书中使用的，近似语言被应用于修饰可以允许变化而不会导致与其相关的基本功能发生改变的任何定量表示。因此，由诸如“约”、“大约”和“基本上”的术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可以指在单个值、值范围和/或限定值范围的端点的1％、2％、4％、5％、10％、15％或20％的裕度内。
在此以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，除非上下文或语言另有说明，否则此类范围被识别并包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围都包括端点，并且端点可以相互独立地组合。
在某些示例性方面，提供了用于具有推进器的运载器的燃料电池功率系统。推进器被构造成为运载器生成推力并进一步产生压缩空气αc流。燃料电池功率系统通常包括用于提供氢燃料流的燃料输送系统和构造成远离推进器定位并与推进器气流连通以从推进器接收压缩空气αc流的燃料电池堆(例如，包括质子交换膜燃料电池或聚合物电解质膜燃料电池)。燃料电池堆还与燃料输送系统流体连通，用于从燃料输送系统接收氢燃料流。
如将理解，这样的构造可以通过消除对专用气流压缩机的需要并且替代地利用由推进器生成的压缩空气αc流来允许显著降低燃料电池堆的重量和复杂性。
附加地，在某些示例性方面，应当理解，燃料电池功率系统可以被构造成利用开始液态的氢燃料。例如，包括燃料电池功率系统的飞行器可以被构造成储存液态的氢燃料。这可以允许以更功率密集的方式储存氢燃料。然而，燃料电池堆可以被构造成利用气态的氢燃料。因此，在一个示例性方面，燃料电池功率系统还包括热交换器，该热交换器被构造成将来自推进器的压缩空气αc流与氢燃料流热连接，这可以向压缩空气αc流提供足够量的热能以将氢燃料流从液相转化为气相。
以这种方式，燃料电池功率系统可以被构造成利用压缩空气αc流(来自推进器)中的热量来提供氢燃料的期望相变而不需要专用加热器。
现在参考图1，提供了本公开的运载器的立体图。具体地，对于图1的示例性实施例，运载器被构造为航空运载器或飞行器10。示例性飞行器10具有机身12、附接到机身12的机翼14以及尾翼16。
示例性飞行器10还包括与燃料罐22连接的燃料电池功率系统20。在图1所示的示例性飞行器10中，燃料罐22的至少一部分位于飞行器10的机翼14中。然而，在一些实施例中，燃料罐22可以位于机身12或机翼14中的其他合适位置。
飞行器10还包括推进系统24，推进系统24产生在飞行中、滑行操作期间等推进飞行器10所需的推进推力。尽管推进系统24在图1中示出为附接到机翼14，但在其他实施例中，它可以附加地或替代地包括联接到飞行器10的其他部分(例如尾翼16，机身12，或两者)的一个或多个方面。
对于所描绘的示例性方面，推进系统24包括发动机，并且更具体地，包括一对发动机。更具体地，该对发动机中的每一个发动机都被构造为燃气涡轮发动机26，该燃气涡轮发动机26通过相应挂架28以翼下构造安装到飞行器10的相应机翼14中的一个。每个燃气涡轮发动机26能够选择性地为飞行器10生成推进推力，并且因此通常可称为一个或多个推进器15。推进推力的量可以至少部分地基于经由燃料输送系统(未示出)提供给燃气涡轮发动机26的燃料的量来控制。在本文所述的至少某些示例性实施例中，燃料是在非常低的温度下储存的低温燃料，并且更具体地，是基本上以液相储存的氢燃料。以这种方式，将理解氢燃料以低温储存在燃料罐22中。例如，氢燃料可以在大气压力下以约-253摄氏度或更低，或在其他温度和压力下储存在燃料罐22中，以维持氢燃料基本上处于液相。附加地，燃料罐22可以由已知材料(例如钛、铬镍铁合金、铝或复合材料)制成。
应当理解，燃料电池功率系统20还包括燃料电池堆30。燃料电池堆30定位成远离推进器15(例如，图1中的燃气涡轮发动机26)，并且如将从本文的描述中理解的，与一个或多个推进器15气流连通以从一个或多个推进器接收压缩空气流。如虚线所示，燃料电池功率系统20的燃料电池堆30还与燃料输送系统(和燃料罐22)流体连通以从燃料输送系统接收氢燃料流，和/或与燃料输送系统热连通以通过燃料输送系统与氢燃料流传递热量。
现在参考图2，提供了根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意横截面视图。例如，图2的示例性燃气涡轮发动机可以作为燃气涡轮发动机26中的一个结合到以上参考图1描述的推进系统24中。
对于所描绘的实施例，燃气涡轮发动机被构造成高旁通涡轮风扇发动机100。如图2所示，涡轮风扇发动机100限定轴向方向A(平行于提供参考的纵向中心线101延伸)、径向方向R和周向方向(围绕轴向方向A延伸；图2中未示出)。通常，涡轮风扇发动机100包括风扇区段102和设置在风扇区段102下游的涡轮机104。
所描绘的示例性涡轮机104通常包括基本上管状并且限定环形入口108的外壳106。外壳106以串行流动关系包围：压缩机区段109，其包括增压器或低压(LP)压缩机110和高压(HP)压缩机112；燃烧区段114；涡轮区段119，其包括高压(HP)涡轮116和低压(LP)涡轮118；以及排气区段120。压缩机区段109、燃烧区段114和涡轮区段119一起至少部分地限定从环形入口108延伸到排气区段120的核心空气流动路径121。涡轮风扇发动机还包括一个或多个驱动轴。更具体地，涡轮风扇发动机包括将高压涡轮116驱动地连接到高压压缩机112的高压(HP)轴或线轴122，以及将低压涡轮118驱动地连接到低压压缩机110的低压(LP)轴或线轴124。
对于所描绘的实施例，风扇区段102包括风扇126，风扇126具有以间隔开的方式联接到盘130的多个风扇叶片128。风扇叶片128和盘130可通过LP轴124一起绕纵向轴线101旋转。盘130被可旋转的前毂132覆盖，前毂132在空气动力学上成形为促进气流通过多个风扇叶片128。此外，环形风扇壳体或外机舱134设置成周向围绕风扇126和/或涡轮机104的至少一部分。机舱134由多个周向间隔开的出口导向轮叶136相对于涡轮机104被支撑。机舱134的下游区段138在涡轮机104的外部分上延伸，以便在其间限定旁通气流通道140。
仍然参考图2，涡轮风扇发动机100可与燃料电池功率系统180一起操作，以从燃料电池功率系统180接收燃料流。燃料电池功率系统180可以与图1的燃料电池功率系统20类似地构造。因此，燃料电池功率系统180通常包括燃料罐148和燃料输送系统150。燃料输送系统150将燃料流从燃料罐148提供到涡轮风扇发动机100，并且更具体地，提供到涡轮风扇发动机100的涡轮机104的燃烧区段114的燃料歧管(未标记)。
此外，如示意性地描绘的，示例性涡轮风扇发动机100还包括各种系统以辅助涡轮风扇发动机100和/或包括涡轮风扇发动机100的飞行器的操作。例如，示例性涡轮风扇发动机100可以包括电动机(未示出)，该电动机可以向涡轮风扇发动机100和/或涡轮风扇发动机100的各种其他电子部件和/或包括涡轮风扇发动机100的飞行器10提供电力。
此外，尽管未描绘，但是涡轮风扇发动机100可以在例如涡轮区段119或排气区段120内包括一个或多个热交换器，用于从通过其中的气流中提取废热，使得废热可以用于在操作期间将热量作为废热添加到各种散热器。此外，附加地和/或替代地，一个或多个热交换器可以被构造成帮助加热氢燃料H2，如下文更深入地解释的。
然而，应当理解，图2中描绘的示例性涡轮风扇发动机100仅作为示例提供。在其他示例性实施例中，任何其他合适的发动机可以与本公开的方面一起使用。例如，在其他实施例中，发动机可以是任何其他合适的燃气涡轮发动机，例如涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机等。以这种方式，将进一步理解的是，在其他实施例中，燃气涡轮发动机可以具有任何其他合适的构造，例如任何其他合适数量或布置的轴、压缩机、涡轮、风扇等。此外，尽管图2中描绘的示例性燃气涡轮发动机被示意性地示出为直接驱动固定螺距涡轮风扇发动机100，但在其他实施例中，本公开的燃气涡轮发动机可以是齿轮式燃气涡轮发动机(即，包括风扇126和驱动风扇的轴(例如LP轴124)之间的齿轮箱)，可以是可变螺距燃气涡轮发动机(即，包括具有可围绕它们各自的螺距轴线旋转的多个风扇叶片128的风扇126)等。此外，在替代实施例中，本公开的方面仍可以结合到任何其他类型的发动机(例如往复式发动机)中或以其他方式与任何其他类型的发动机(例如往复式发动机)一起使用。附加地，在其他示例性实施例中，示例性涡轮风扇发动机100可以包括或可操作地连接到任何其他合适的附件系统。
现在参考图3，提供了根据本公开的示例性方面的具有电动推进器组件200的混合电动推进系统250。电动推进器组件200可以结合到飞行器(例如图1的示例性飞行器10)中，例如补充或替代燃气涡轮发动机26中的一个或两个。
电动推进器组件200包括电动机206、推进器205和风扇204。电动推进器组件200限定沿着延伸通过其中以供参考的中心线轴线202延伸的轴向方向A，以及径向方向R。对于所描绘的实施例，风扇204可通过电动机206绕中心线轴线202旋转。
风扇204包括多个风扇叶片208和风扇轴210。多个风扇叶片208附接到风扇轴210/可与风扇轴210一起旋转，并且大致沿电动推进器组件200(未示出)的周向方向间隔开。在某些示例性实施例中，多个风扇叶片208可以以固定方式附接到风扇轴210，或替代地，多个风扇叶片208可以相对于风扇轴210可旋转，例如在所描绘的实施例中。例如，多个风扇叶片208各自限定相应的螺距轴线P2，并且对于所描绘的实施例，多个风扇叶片208附接到风扇轴210，使得多个风扇叶片208中的每一个的螺距可以例如通过螺距改变机构211一致地改变。改变多个风扇叶片208的螺距可以增加电动推进器组件200的效率，和/或可以允许电动推进器组件200实现期望的推力分布。对于这样的示例性实施例，风扇204可以被称为可变螺距风扇。
此外，对于所描绘的实施例，所描绘的电动推进器组件200附加地包括风扇壳体或外机舱212，其通过一个或多个支柱或出口导向轮叶216附接到电动推进器组件200的核心214。对于所描绘的实施例，外机舱212基本上完全围绕风扇204，特别是多个风扇叶片208。因此，对于所描绘的实施例，电动推进器组件200可以被称为管道式电风扇。
仍具体参考图3，风扇轴210机械地联接到核心214内的电动机206，使得电动机206通过风扇轴210驱动风扇204。风扇轴210由一个或多个轴承218(例如一个或多个滚柱轴承、滚珠轴承或任何其他合适的轴承)支撑。附加地，电动机206可以是内跑(inrunner)电动机(即，包括径向定位在定子内侧的转子)，或者替代地可以是外跑(outrunner)电动机(即，包括径向定位在转子内侧的定子)，或者还替代地可以是轴向磁通电动机(即，转子既不在定子外侧也不在定子内侧，而是沿电动机的轴线偏离定子)。
电动推进器组件200可以附加地连接到电能存储单元(未示出)和/或电机(也未示出)。在示例性实施例中，例如，如图3所示，电动推进器组件200可通过电力总线258的一条或多条电线260电连接。例如，电力总线258可以包括可移动以选择性地电连接混合电动推进系统250的各种部件的各种开关或其他电力电子设备。
然而，应当理解，在其他示例性实施例中，电动推进器组件200可以具有任何其他合适的构造，并且进一步可以以任何其他合适的方式集成到飞行器(例如，图1的飞行器10)中。例如，在其他示例性实施例中，电动推进器组件200可以替代地被构造成多个电动推进器组件，和/或可以进一步包括多个内燃机(例如涡轮机104)和/或电动机/发电机。此外，在其他示例性实施例中，电动推进器组件200和/或内燃机和电动机/发电机可以以任何其他合适的方式(包括，例如尾部安装构造)在任何其他合适的位置处安装到飞行器10。此外，仍然在其他示例性实施例中，混合电动推进系统250可以根本不包括电动推进器组件200。
现在参考图4，提供了根据本公开的示例性实施例的用于具有推进器320的运载器的燃料电池功率系统300的示意图。更具体地，对于图4的示例性实施例，运载器可以是航空运载器，例如图1的示例性飞行器10，并且推进器320可以是航空燃气涡轮发动机，例如图1的示例性燃气涡轮发动机26和/或图2的示例性涡轮风扇发动机100。然而，应当理解，在其他实施例中，运载器可以是任何其他合适的陆地或航空运载器，并且发动机可以是以任何合适的方式安装到运载器或在运载器内的任何其他合适的发动机或推进器。此外，燃料电池功率系统300可以与图2的燃料电池功率系统180和/或图1的燃料电池功率系统20类似地构造。
如图4所示，燃料电池功率系统300包括推进器320，推进器320包括用于为运载器生成推力的发动机304，其中推进器320在操作期间生成压缩空气αc流。此外，燃料电池功率系统300还包括燃料输送系统312，用于将氢燃料流从燃料罐310提供到远离推进器320定位的燃料电池堆340。例如，在一些实施例中，推进器320是涡轮机(例如图2的涡轮机104)的一部分，涡轮机104具有围绕涡轮机104的外壳106(见图2)，并且其中燃料电池堆340位于发动机或推进器的壳体外侧(见例如图2中的壳体106)。然而，应当理解，燃料电池堆340可以位于与推进器320分开的任何地方。
附加地，燃料电池功率系统300布置成与推进器320气流连通以接收压缩空气αc流，并且还与燃料输送系统312流体连通以接收氢燃料流。燃料电池功率系统300和推进器320之间的气流连通可以包括一个或多个气流管道313(见313a-313h)。一个或多个气流管道313可以在一个或多个接合点311(见311a-311f)处相遇，并且还可以具有一个或多个阀315(见315a-315b)以控制气流。与燃料输送系统312的流体连通可以包括一个或多个入口/出口管线。
大体上，燃料输送系统312被构造成向燃料电池堆340提供氢燃料流，并且燃料电池功率系统300的压缩气流输送系统318被构造成将压缩空气αc流从推进器320提供到燃料电池堆340。如上所述，燃料电池堆340远离推进器320定位，并且通过压缩气流输送系统318与推进器320气流连通以接收来自推进器320的压缩空气αc流。燃料电池堆340还通过燃料输送系统312与燃料罐310流体连通，用于接收来自燃料输送系统312的氢燃料流。燃料罐310可以被构造成将氢燃料至少部分地保持在液相中，并且可以进一步被构造成基本上完全以液相(例如完全以液相)向燃料电池功率系统300提供氢燃料。例如，燃料罐310可以限定固定体积，使得当燃料罐310向燃料电池功率系统300提供基本上完全液相的氢燃料时，燃料罐310中的液态氢燃料的体积减少，并且体积由例如气态氢补足。
应当理解，如本文所用，用于描述氢燃料的相的术语“基本上完全”是指至少99％(按质量计)的氢燃料的所述部分处于所述相，例如至少97.5％，例如至少95％，例如至少92.5％，例如至少90％，例如至少85％，例如至少75％(按质量计)的氢燃料的所述部分处于所述相。
附加地，燃料电池堆340可以是质子交换膜电池堆。如本文所用，术语“质子交换膜电池堆”是指串联连接以实现有用电压的一组多个燃料电池，并且其中每个燃料电池具有多个层。在一个示例性实施例中，最外层是流动板；接着是两个密封层，它们是阳极或阴极，并且氢和氧颗粒流过其中；在燃料电池中间的质子传导电解质(例如，质子交换膜)的任一侧具有两个气体扩散层。通常，质子交换膜燃料堆以40-90℃的最佳温度操作；然而，应当理解，可以改变燃料电池堆340和/或质子交换膜燃料堆本身以在附加温度下操作。
燃料罐310和燃料电池功率系统300可以包括各种支撑结构，从而便于以这种方式储存和/或运输氢燃料。例如，提供燃料输送系统312用于将氢燃料从燃料罐310输送到燃料电池功率系统300的一个或多个其他部件。尽管图4中未描绘，但燃料输送系统312可以从燃料罐310延伸到发动机304，用于将氢燃料从燃料罐310提供到发动机304。此外，如下文将更详细解释的，示例性燃料电池功率系统300包括与燃料电池堆340热连通并且与燃料输送系统312热连通的电池热交换器360，用于与通过燃料输送系统312的氢燃料流传递热量。
附加地，燃料电池功率系统300包括与燃料输送系统312和压缩气流输送系统318连通的热交换器330，用于将热量从压缩空气αc流传递到氢燃料流。以此方式，压缩空气αc流可以将氢燃料从液相加热至气相、超临界相或两者。在一些实施例中，热交换器330可以是第一热交换器，并且燃料电池功率系统300还可以包括第二热交换器，第二热交换器被构造成将氢冷却剂输出到第一热交换器。应当理解，燃料电池功率系统300可以修改为包括第三热交换器、第四热交换器和/或第五热交换器。
在所描绘的实施例中，燃料电池功率系统300还包括加湿器370，用于将压缩空气αc加湿成加湿压缩空气αh并将加湿压缩空气αh循环至燃料电池堆340。
还如图所示，燃料电池功率系统300还包括在热交换器330上游的位置处与燃料输送系统312流体连通的第一阀315a，用于计量通过燃料输送系统312到热交换器330并且随后到燃料电池堆340的氢燃料流。第一阀315a控制从发动机304和/或从燃料罐310进入热交换器330的氢量。类似地，第二阀315b定位在电池热交换器360上游的位置，用于控制进入电池热交换器360的氢燃料流。
现在具体地转向燃料电池功率系统300的燃料动力过程，燃料输送系统312包括一个或多个气流管道313以促进本文所述的流。在至少某些示例性实施例(例如图4的实施例)中，氢燃料流(例如，主要处于液态)在被燃料电池堆340用于生成电力之前被用作燃料电池功率系统300(和燃气涡轮发动机)的各种部件的冷却剂。例如，如将要描述的，氢燃料流可以在氢燃料被燃料电池堆340用于生成电力之前被用作电池热交换器360、燃料电池堆340、加湿器370和热交换器330的冷却剂。
特别是对于所描绘的实施例，来自燃料罐310的氢燃料流f在第一接合点311a处被分成通过第一管道313a的第一流f1和通过第二管道313b的第二流f2，如图4所示。通过第一管道313a的第一流f1从燃料罐310流到发动机304(注意，为了清楚起见，在图4以及其他图中，发动机304被示意性地描绘在两个位置)内的一个或多个发动机热交换器308，例如第一油热交换器和第二排气热交换器。该氢燃料通过第三管道313c从一个或多个发动机热交换器308返回，并在与第三管道313c的第二接合点311b处与第二流f2重新汇
第二流f2通过第二阀315b提供给电池热交换器360。应当理解，示例性燃料电池功率系统300通常包括构造成从燃料电池堆340接收电力的功率输出组件365。在某些实施例中，功率输出组件365可以包括电池(未示出)或其他类似结构，用于在传输一些或所有这样的电力以用于有用工作之前储存至少一部分生成的电力。电池热交换器360与功率输出组件365热连通并且可以降低功率输出组件365的温度。功率输出组件365的降低的温度可以帮助它以期望和/或更有效的方式操作，并且还可以帮助将氢燃料流从液态加热到气态。
来自电池热交换器360的氢燃料的第二流f2通过第四管道313d提供，其中第二流f2在第三接合点311c处分成另外两个流，例如初级流f3和次级流f4。初级流f3被提供给热交换器330并流过第五管道313e。次级流f4通过第六管道313f提供到燃料电池堆340以冷却燃料电池堆340，在第四接合点311d处与初级流f3重新汇合之前，通过堆入口342并流出堆出口244。
仍然参考图4，重新汇合的初级流f3和次级流f4(统称为来自燃料罐310的第二流f2)然后被提供通过加湿器370以冷却加湿器370，并且通过第七管道313g并在第二接合点311b处与来自燃料罐310的第一流f1重新汇合成重新汇合的流f。重新汇合的流f通过第一阀315a提供给热交换器330，在热交换器330处，燃料例如被通过热交换器330的压缩空气αc加热，下文进一步描述，并且随后提供给燃料电池堆340作为用于燃料电池堆340的氢燃料。
在附加实施例中，例如图4的示例性实施例，燃料电池功率系统300还包括启动加热器380。如所描绘的，启动加热器380定位在热交换器330的下游和燃料电池堆340的上游，用于加热通过第八管道313h提供给燃料电池堆340的氢燃料流f。特别地，当发动机304和/或飞行器10尚未操作时，例如，当发动机304和/或飞行器10处于启动和/或预操作模式时，启动加热器380可以用于在氢燃料被提供给燃料电池堆340之前加温氢燃料。即使在运载器未处于启动和/或预操作模式的实施例中，启动加热器380也可以用于在氢燃料被提供给燃料电池堆340之前将氢燃料加热至期望温度。
附加地，燃料电池功率系统300包括直接位于燃料电池堆340下游的再循环系统314，其中再循环系统314包括分离器272和再循环泵270。再循环系统314还可以包括排气水系统316。分离器272从氢燃料中分离排气水(表示为H2O)，并且通过作为排气水系统316的一部分的排气区段422(也见图5的排气区段422)将其排出。此外，在一些实施例中，分离器272可以是离心分离器。再循环泵270使氢燃料循环回到燃料电池堆340，在第五接合点311e处与重新汇合的流f结合，如图4所示。
特别地，氢燃料在其行进通过燃料电池功率系统300时冷却热交换器330，以及飞行器10的一个或多个燃料冷却的油冷却器中的和/或燃料电池堆340的每个燃料电池内的多个位置处的任何其他热交换器，例如发动机304中的发动机热交换器308。氢燃料可以例如通过被用于冷却来自旁通气流通道140的空气和/或来自低压压缩机110的空气(如图5所示，下文讨论)来附加地被用于冷却电池热交换器360、加湿器370和/或运载器(例如图1的飞行器10)的任何部件的至少一部分。
使用来自燃料罐310的氢燃料冷却燃料电池功率系统300和/或飞行器10增加了燃料电池功率系统300和飞行器10本身的效率。附加地，燃料电池功率系统300可以去除对空气压缩机和/或冷却剂泵的需要。寻找氢燃料的双重用途(例如，为运载器提供燃料和冷却运载器)也消除或减少了对外部冷却剂的需要。氢燃料可以进一步降低燃料电池功率系统300的噪声和振动。
如将理解的，氢燃料限定相对低的沸点，使得如果氢燃料以液相被提供通过燃料输送系统312和/或冷却系统，则氢燃料可以冻结燃料输送系统312中的气体。因此，提供热交换器330以接收液相的氢燃料流，并将氢燃料从液相加热到气相或超临界相，使得加热的氢燃料不会在燃料动力过程中冻结气体。
仍然参考图4，推进器320可以包括发动机304，发动机304具有与燃料电池堆340流体连通的压缩机区段(见例如图2的涡轮风扇发动机100的压缩机区段109)。如上文关于图2所述，涡轮机104通常可包括以串行流动顺序布置的压缩机区段109、燃烧区段114和涡轮区段119。附加地，在一些实施例中，推进器320是涡轮推进器(例如，包括涡轮机，诸如图2的示例性涡轮机104)。在其他实施例中，推进器320可以是电动推进器，例如，根据图3所描绘的电动推进器组件200布置的电动推进器。
大体上，压缩气流过程通过压缩气流输送系统318提供。压缩气流输送系统318从推进器320的发动机304进入燃料电池功率系统300。在一些实施例中，例如，在推进器320包括涡轮机(例如，图2的涡轮机104)的实施例中，低压压缩机110、旁通气流通道140或两者可以是压缩空气αc的来源。压缩气流输送系统318使压缩空气αc在再循环通过加湿器370之前流入热交换器330、加湿器370和燃料电池堆340，在加湿器370中气流的水含量可以被重新捕获。
加湿器向进入的燃料电池的氧化剂或氢燃料流提供热量和湿度，并且可以提高整体系统性能和可靠性。在没有加湿的情况下，燃料电池堆340的燃料电池膜可能变干，这可能减少燃料电池堆340中的质子传输并且可能减少燃料电池堆340内的燃料电池的阴极处的氧还原反应。
现在参考图5，提供了根据本公开的另一个示例性实施例的具有燃料电池功率系统400的推进器420。对于所示实施例，推进器420是类似于图2的示例性涡轮风扇发动机100的涡轮风扇发动机404，并且燃料电池功率系统400以与图4的示例性燃料电池功率系统300类似的方式构造。因此，将理解示例性涡轮风扇发动机404大体上包括限定轴向方向A的涡轮机414。如图5中示意性所示，涡轮风扇发动机404可以以串行气流顺序包括风扇406、压缩机区段409(包括低压压缩机411和高压压缩机412)、燃烧器415、高压涡轮416和低压涡轮418。
示意图示出了空气α进入压缩机区段409并流出排气区段422，排气区段422可以类似于图2的示例性排气区段120。在示例性实施例中，来自低压压缩机411的第一压缩空气流αc-1被提供给燃料电池功率系统400。附加地，旁通气流通道440与机舱434一起限定，机舱434在涡轮机414的外部分上延伸，以便在它们之间限定旁通气流通道440。旁通气流通道440提供第二压缩空气流αc-2，其构成提供给燃料电池功率系统400的压缩空气αc的至少一部分。在一些实施例中，如下所述，来自旁通气流通道440的第二压缩空气流αc-2构成提供给燃料电池功率系统400的所有压缩空气αc。
仍然参考图5，涡轮机414可以具有一个或多个发动机热交换器，例如第一发动机热交换器408a和第二发动机热交换器408b。在示例性实施例中，第一发动机热交换器408a可以是油热交换器，并且第二发动机热交换器408b可以是废热回收热交换器。氢燃料可以从燃料罐410流向第一发动机热交换器408a和第二发动机热交换器408b。氢燃料从第二发动机热交换器408b流过接合点413，至少一部分氢燃料被从接合点413送回到燃料电池功率系统400，并且第二部分氢燃料被引导至燃烧器415。以这种方式，由推进器420(对于所描述的实施例，推进器420是涡轮机414)生成的热量可以用于加热被燃料电池功率系统400(见例如图4)的燃料电池堆用来发电的氢燃料。
现在参考图6和图7，提供了根据本公开的两个附加示例性实施例的推进器和燃料电池功率系统的简化示意图。图6和图7的示例性实施例可以以与上文参考图1至图5描述的示例性推进器中的一个或多个类似的方式构造，并且类似地，图6和图7的示例性燃料电池功率系统500、600分别可以以与相应图4和图5的示例性燃料电池功率系统300、400中的一个或多个类似的方式构造。
特别参考图6，示出了具有发动机504的推进器520。具体地，推进器520是可操作地联接到电动机522的电动推进器。发动机504被简化为仅包括风扇506和低压压缩机510。附加地，旁通气流通道540与机舱534一起限定，机舱534在发动机504的外部分上延伸，以便在它们之间限定旁通气流通道540。在所描绘的实施例中，来自旁通气流通道540的空气α本身可能不足以满足燃料电池功率系统500的需要。因此，低压压缩机510可以向燃料电池功率系统500提供全部或几乎全部压缩空气αc。
现在参考图7，示出了具有发动机604的推进器620。具体地，推进器620是电动推进器并且可操作地联接到电动机622。发动机604被简化为仅包括风扇606和在发动机604的外部分上延伸的机舱634。旁通气流通道640与机舱634一起限定，在机舱634和发动机604的外部分之间。空气α大体上流过旁通气流通道640，在此空气α可以变成压缩空气αc。一些空气α可以流过推进器620和电动机622并离开喷嘴626。在所描绘的实施例中，来自旁通气流通道640的空气α单独提供足够的压力。因此，不需要来自低压压缩机(未示出)的压缩空气αc，并且能够消除低压压缩机。
现在参考图8，提供了根据本公开的另一个示例性方面的燃料电池功率系统700。图8的示例性燃料电池功率系统700可以以与图4的示例性燃料电池功率系统300基本上相同的方式构造，因此，相同或类似的附图标记可以指代相同或类似的部分。
然而，对于图8的实施例，燃料电池功率系统700还包括至少一个氢/冷却剂热交换器706和冷却剂泵719。通过这样的构造，氢燃料被用于冷却冷却剂，而不是对燃料电池功率系统700的部件(例如，燃料电池堆740、热交换器730、加湿器770和电池热交换器760)施加直接冷却。然后冷却剂用于使用热交换器730来冷却来自推进器720的进入压缩空气αc的温度。附加地，氢冷却剂用于冷却燃料电池堆740和电池热交换器760的至少一部分，例如电池(未示出)。
仍然参考图8，燃料电池功率系统700可以具有燃料输送系统712和压缩空气αc输送系统718，其中燃料输送系统712类似于图4的燃料输送系统312，压缩空气αc输送系统718类似于图4的压缩气流输送系统318。氢燃料从燃料罐710提供到第一接合点711a。从第一接合点711a开始，氢燃料被分成两个流：第一流f71和第二流f72。第一流f71通过第一管道713a将氢燃料提供给发动机704的一个或多个发动机热交换器708，并从一个或多个发动机热交换器708返回到第二接合点711b，在第二接合点711b处第一流f71与第二流f72重新汇合。
第二流f72通过第二管道713b将氢燃料提供给第一阀715a，并在第二接合点711b处与第一流f71重新汇合之前进入氢/冷却剂热交换器706。重新汇合的流(例如流f7)，包括第一流f71和第二流f72，然后通过第三管道713c将氢燃料提供给第二阀715b并进入热交换器730，其中加热的氢燃料随后被提供给燃料电池堆740用于电力生成，如上所述。
在通过堆出口744离开燃料电池堆740之后，流f7流过加湿器770。加湿器770加湿冷却剂，并通过作为冷却剂冷却系统722的一部分的第四管道713d将冷却剂循环到冷却剂泵719。然后，冷却剂在流过第三接合点711c之前从冷却剂泵719提供给氢/冷却剂热交换器706，在第三接合点711c处冷却剂流被分成第一冷却剂流f73和第二冷却剂流f74。第一冷却剂流f73通过第五管道713e将冷却剂提供给热交换器730，并在流过加湿器770之前与第二冷却剂流f74重新汇合。第二冷却剂流f74通过第六管道713f将冷却剂提供给启动加热器780，并且然后分别以第一流f75和第二流f76提供给电池热交换器760和燃料电池堆740。然后，第二冷却剂流f74的第一流f75和第二流f76在第四接合点711d处与第一冷却剂流f73重新汇合并进入加湿器770之前，在第四接合点711d上游重新汇合。
附加地，燃料电池功率系统700包括直接位于燃料电池堆740下游的再循环系统714，其中再循环系统714包括分离器772和再循环泵774。再循环系统714还可以包括排气水系统716。分离器772从氢燃料中分离出排气水(表示为H2O)，并通过作为排气水系统716的一部分的排气区段724将其排出。
现在参考图9，提供了根据本公开的又一个示例性方面的燃料电池功率系统800。图9的示例性燃料电池功率系统800可以以与图8的示例性燃料电池功率系统700基本相同的方式构造，因此，相同或类似的附图标记可以指代相同或类似的部分。
然而，对于图9的实施例，启动加热器880定位在氢/冷却剂热交换器806和冷却剂泵820之间的中流。燃料电池功率系统800可以具有多于一个燃料输送系统(例如第一燃料输送系统812a和第二燃料输送系统812b)，其中第一燃料输送系统812a类似于图8的燃料输送系统712。氢燃料从燃料罐810提供到第一接合点811a。从第一接合点811a，氢燃料被分成两个流：第一流f81和第二流f82。第一流f81通过第一管道813a将氢燃料提供给发动机804的一个或多个发动机热交换器808，并且从一个或多个发动机热交换器808返回到第二接合点811b，在第二接合点811b处第一流f81与来自第二燃料输送系统812b的流汇合。
冷却剂冷却系统822将冷却剂从冷却剂泵820提供到启动加热器880。启动加热器880连同通过第二管道813b从第一阀815a提供的氢燃料一起流入氢/冷却剂热交换器806。然后，冷却剂到达第三接合点811c，在第三接合点811c处冷却剂分成两个流：第一冷却剂流f83和第二冷却剂流f84。第一冷却剂流f83在与第二冷却剂流f84重新汇合之前通过第三管道813c将冷却剂提供给热交换器830。第二冷却剂流f84通过第四管道813d将冷却剂提供到电池热交换器860，并通过第五管道813e提供到燃料电池堆840(例如，在燃料电池堆840的堆入口842中并流出燃料电池堆840的堆出口844)。来自电池热交换器860和到燃料电池堆840的冷却剂在第四接合点811d处与第一冷却剂流f83重新汇合之前重新汇合到第二冷却剂流f84中。从第四接合点811d，冷却剂被提供给加湿器870，然后冷却剂从加湿器870再循环到作为冷却剂冷却系统822的一部分的冷却剂泵820。
同样对于图9的实施例，燃料电池功率系统800还包括启动氢罐836，启动氢罐836储存用于第二燃料输送系统812b的氢燃料。启动氢罐836是高压罐，其构造成储存用于启动燃料电池功率系统800的气态氢燃料。
第二燃料输送系统812b通过第二阀815b提供气态氢，以在第二接合点811b处与来自第一燃料输送系统612a的氢燃料相遇。氢燃料的至少一部分经由冷却剂冷却系统822从第二接合点811b提供到冷却剂泵820。氢燃料的剩余部分从第二接合点811b提供到位于热交换器830上游的第三阀815c。然后，氢燃料大体上遵循与如上文所述的参考图4的燃料输送系统312描述的相同的路径。
现在参考图10，提供了根据本公开的又一个示例性方面的燃料电池功率系统900。图10的示例性燃料电池功率系统900可以以与上述任何附图的示例性燃料电池功率系统基本相同的方式构造，因此，相同或类似的附图标记可以指代相同或类似的部分(例如，图10中的燃料电池堆940分别对应于图4、8和9中的燃料电池堆340、740和840)。
燃料电池功率系统900包括功率转换器964和至少一个电机966。类似于图4的示例性燃料电池功率系统300，燃料输送系统912包括一个或多个管道913以促进如本文所述的氢燃料流。来自燃料罐910的氢燃料流f在第一接合点911a处分成通过第一管道913a的第一流f1和通过第二管道913b的第二流f2。通过第一管道913a的第一流f1从燃料罐910流向发动机904(如在其他图中，为了清楚起见，发动机904被示意性地描绘在两个位置)内的一个或多个发动机热交换器908，例如第一油热交换器和第二排气热交换器。该氢燃料通过第三管道913c从一个或多个发动机热交换器908返回，并且在与第三管道913c的第二接合点911b处与第二流f2重新汇合。
氢燃料的第二流f2通过第二管道913b和第二阀915b提供到电池热交换器960。电池热交换器960与功率输出组件965热连通以降低功率输出组件965的温度。电池热交换器960还与功率转换器964流体连通，功率转换器964进而与至少一个电机966电连通。功率转换器964和至少一个电机966或两者与燃料输送系统热连通，以与通过燃料输送系统的氢燃料流传递热量。第二流f2通过第四管道915d到功率转换器964，并且然后被传递到第三接合点911c，在此第二流f2分成初级流f3和次级流f4。以这种方式，氢燃料可以冷却功率转换器964(并且尽管在图10中未示意性地描绘，至少一个电机966)。初级流f3被提供给热交换器930并流过第五管道913e。次级流f4通过第六管道913f提供到燃料电池堆940以冷却燃料电池堆940，在第四接合点911d处与初级流f3重新汇合之前，通过堆入口942，流出堆出口944，第二流f2(例如，初级流f3和次级流f4的组合)从第四接合点911d流向加湿器970。然后，第二流f2流出加湿器970并且在第二接合点911b处与第一流f1相遇。从第二接合点911b，流f(例如，第一流f1和第二流f2的组合)流过热交换器930，到启动加热器980，并且然后到第五接合点911e。从第五接合点911e，流f被馈送到燃料电池堆940和/或发动机904(例如，燃烧器)。流出燃料电池堆940的堆出口944的该部分流f经历再循环周期，在再次通过第五接合点911e之前，经过分离器972和再循环泵973。
因此，应当理解，对于图10的实施例，除了关于其他实施例提到的部件之外，液态氢燃料还用于冷却功率转换器964、至少一个电机966或两者。然后可以将氢燃料引导至燃料电池堆940。
现在参考图11，示出了为泵马达1002提供动力的燃料电池功率系统1000。泵马达1002可操作地联接到液态氢燃料泵1014，液态氢燃料泵1014与燃料罐1010可操作地联接。燃料电池功率系统1000还包括流体和/或热联接到电池热交换器1060和电池热交换器1060的输出功率1065的功率转换器1064。功率转换器1064还与泵马达1002和推进马达1066电连通。附加地，相同或类似的附图标记可以指代较早附图中的相同或类似的部分。
大体上，燃料电池功率系统1000具有类似于上文关于图10的燃料输送系统812描述的燃料输送系统912的燃料输送系统。然而，在图11的实施例中，流f在流到第一接合点1011a之前从燃料罐1010流到可操作地联接到泵马达1002的液态氢燃料泵1014，在第一接合点1011a，流f的第一部分f1进入发动机1004中的一个或多个发动机热交换器1008。流f的第二部分f2流过第二管道1013b和第二阀1015b到电池热交换器1060。氢可以从电池热交换器1060流到功率转换器1064到第三接合点1011c。
在其他实施例(例如图12的实施例)中，燃料电池功率系统1100包括液态氢燃料泵1114，液态氢燃料泵1114流体地联接到燃料罐1110并且可操作地联接到泵马达1102。泵马达1102与功率转换器1164热连通，并且功率转换器1164进一步与电池热交换器1160的输出功率1165热连通。在燃料电池功率系统1100中，第一流f从燃料罐1110流向液态氢燃料泵1114，并且然后流向第一接合点1111a，在第一接合点1111a处流f分成第一部分f1和第二部分f2。第一部分f1进入发动机1104内的一个或多个发动机热交换器1108，并且第二部分f2在流向电池热交换器1160之前进入第二阀1115b。然后，第二部分f2流向功率转换器1164，功率转换器1164将氢燃料转换为功率，该功率为泵马达1102提供动力。
燃料电池功率系统1100的其余部分以与其他图中描述的燃料电池功率系统类似的方式操作；因此，相同或类似的附图标记可以指代较早附图中的相同或类似的部分。
现在参考图13，操作飞行器(例如图1的飞行器10)的示例性方法1200被示出为流程图。在示例性实施例中，飞行器10是氢飞行器。应当理解，方法1200可以分别与本公开的示例性燃料电池功率系统中的一个或多个(例如，图4、5、6、7、8、9、10、11和/或12的示例性燃料电池功率系统300、400、500、600、700、800、900、1000和/或1100中的一个或多个)一起使用。类似地，方法1200可以与上文参考图2、3、5、6、7或其组合描述的一个或多个示例性推进器一起使用。
如图所示，方法1200包括，在(1210)处，操作推进器以产生压缩空气αc流；在(1220)处，将压缩空气αc流提供给燃料电池组件系统；在(1230)处，将氢燃料流从燃料输送系统提供到定位在发动机内的一个或多个发动机热交换器；在(1240)处，将氢燃料流从一个或多个发动机热交换器提供到位于燃料电池堆上游的热交换器；以及在(1250)处，使用位于燃料电池堆上游的热交换器在压缩空气αc流和氢燃料流之间交换热量。应当理解，虽然方法1200在本文中是关于氢飞行器和燃料电池堆(例如，质子交换膜燃料电池堆)进行描述的，但是方法1200可以附加地和/或替代地与用于任何其他合适的运载器和/或发动机的任何其他合适的燃料电池功率系统一起操作。
方法1200包括，在(1210)处，操作推进器(例如图2的示例性推进器320)，以例如在低压压缩机、旁通气流通道或两者中产生压缩空气αc流。如本文所用，“操作”是指能够生成压缩气流的推进器的所有操作条件，包括飞行操作、地面怠速操作、启动操作、滑行操作等。
在(1220)处，方法1200包括将压缩空气αc流提供给燃料电池功率系统。如上所述，压缩空气αc流可以由压缩机区段(例如，低压压缩机)、旁通气流通道或两者产生。
方法1200还包括，在(1230)处，将氢燃料流从燃料输送系统提供到定位在发动机内的一个或多个发动机热交换器。氢燃料被从燃料罐提供给发动机，在发动机中氢燃料由发动机的一个或多个发动机热交换器加热。燃料罐内的氢燃料至少部分地处于液相，并且燃料电池功率系统被构造成从燃料罐提供基本上完全处于液相的氢燃料。此外，对于所描述的方法1200的示例性方面，应当理解，从燃料输送系统提供氢燃料流可以包括用流量计量单元(例如阀)来计量氢燃料流。
此外，如前所述，氢燃料流包括第一氢燃料流和第二氢燃料流。方法1200还可以包括将第二氢燃料流从燃料输送系统直接提供到燃料电池功率系统的燃料电池堆。
如所提到的，在(1240)处，方法1200包括将氢燃料流从一个或多个发动机热交换器提供到位于燃料电池堆上游的热交换器。更具体地，如上文参考图4所述，氢燃料流可以被接收在第三接合点311c内，通过第一阀315a并提供到热交换器330中。
方法1200包括，在(1250)处，利用位于燃料电池堆上游的热交换器在压缩空气流和氢燃料流之间交换热量。由于压缩空气通常离开低压压缩机、旁通气流通道或两者，非常热，因此热交换器在热压缩空气和冷液态氢燃料之间交换热量。然后，冷却的压缩空气在流入燃料电池堆之前，通过加湿器加湿为加湿的压缩空气。
根据本文所述的示例性方法1200操作的燃料电池功率系统可以允许利用氢燃料作为发动机的燃料源，并且更具体地，可以允许储存液相的氢燃料，同时向发动机提供气相的氢燃料用于燃烧。
在附加的实施例中，例如，如上文关于图4中的燃料电池功率系统300提到的，燃料电池功率系统可以包括再循环系统，再循环系统包括分离器和再循环泵，并且方法1200可以包括从氢燃料中分离排气水H2O和/或排出物。方法1200还可以包括通过飞行器的排气区段排出排气水H2O和排出物。
在又一个实施例中，当飞行器处于启动和/或预操作模式时，方法1200可以包括在氢燃料流向燃料电池堆之前使用启动加热器来加温氢燃料。在一些实施例中，启动加热器可以进一步加热至少一部分发动机和/或压缩空气αc。此外，启动加热器可以是强制空气加热器，其中启动加热器向燃料电池堆提供压缩空气。如上所讨论的，启动加热器在飞行器尚未操作时使用。
在又一些实施例中，例如，在燃料电池系统是参考图9描述的燃料电池系统800的情况下，应当理解，方法1200可以附加地包括以串行顺序将第三氢燃料流从启动氢罐836提供到冷却剂泵820、启动加热器880和氢/冷却剂热交换器806。在一些实施例中，提供第三氢燃料流可以发生在将氢燃料流提供给热交换器之前。
此外，在燃料电池系统还包括功率转换器和至少一个电机的实施例中，例如，如图10所示，方法1200还可以包括使至少一部分氢燃料从燃料罐流到功率转换器、至少一个电机或两者。在至少某些示例性方面，方法1200可以包括经由与功率转换器的热连通来冷却至少一个电机。
在一些实施例中，燃料电池系统包括可操作地联接到液态氢燃料泵和功率转换器的泵马达，如图11中所描述的。对于这样的示例性方面，方法1200可以包括在分成至少两个流之前将氢燃料从燃料罐提供到液态氢燃料泵，至少两个流中的一个供给到一个或多个发动机热交换器，并且其余流中的至少一个流向电池热交换器以冷却功率转换器。
在其他实施例中，燃料电池功率系统包括功率转换器和液态氢燃料泵，液态氢燃料泵流体地联接到燃料罐并且可操作地联接到泵马达。该燃料电池功率系统在图12中示出。方法1200可以包括将氢燃料流从燃料罐提供到液态氢燃料泵。来自液态氢燃料泵的一部分流然后可以提供到电池热交换器和功率转换器。方法1200还可以包括经由功率转换器将氢燃料转换成电力，其中电力操作和/或冷却泵马达。
尽管各种实施例的具体特征可以在一些附图中而不是在其他附图中示出，但这只是为了方便。根据本公开的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来引用和/或要求保护附图的任何特征。
该书面描述使用示例来公开优选实施例，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践优选实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及进行任何结合的方法。优选实施例的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。
本公开的进一步方面由以下条项的主题提供：
一种用于具有推进器的运载器的燃料电池功率系统，所述推进器构造成生成用于所述运载器的推力和压缩空气流，所述燃料电池功率系统包括：燃料输送系统，所述燃料输送系统用于提供氢燃料流，所述燃料输送系统包括用于储存氢燃料的燃料罐；以及燃料电池堆，所述燃料电池堆构造成远离所述推进器定位并与所述推进器气流连通，以接收来自所述推进器的所述压缩空气流，所述燃料电池堆进一步与所述燃料输送系统流体连通以接收来自所述燃料输送系统的所述氢燃料流。
根据前述条项所述的燃料电池功率系统，进一步包括：电池热交换器，所述电池热交换器与所述燃料电池堆热连通并且与所述燃料输送系统热连通，以与通过所述燃料输送系统的所述氢燃料流传递热量。
根据前述条项中任一项所述的燃料电池功率系统，其中，所述燃料电池功率系统进一步包括加湿器，用于将加湿的压缩空气循环到所述燃料电池堆。
根据前述条项中任一项所述的燃料电池功率系统，进一步包括：用于接收来自所述推进器的所述压缩空气流的热交换器，其中所述热交换器位于所述燃料电池堆的上游并且与所述燃料输送系统热连通，以与通过所述燃料输送系统的所述氢燃料流传递热量。
根据前述条项中任一项所述的燃料电池功率系统，其中，所述推进器是电动推进器。
根据前述条项中任一项所述的燃料电池功率系统，其中，所述电动推进器进一步包括：提供至少一部分所述压缩空气流的低压压缩机，以及电动机。
根据前述条项中任一项所述的燃料电池功率系统，其中，所述推进器是包括发动机的涡轮机的一部分，其中机舱的下游区段在所述发动机的外部分上延伸，以在它们之间限定旁通气流通道，所述旁通气流通道提供至少一部分所述压缩空气流。
根据前述条项中任一项所述的燃料电池功率系统，其中，来自所述旁通气流通道的空气包括所述压缩空气流中的所有所述压缩空气流。
根据前述条项中任一项所述的燃料电池功率系统，所述燃料电池功率系统进一步包括：冷却剂泵；以及氢/冷却剂热交换器。
根据前述条项中任一项所述的燃料电池功率系统，所述燃料电池功率系统进一步包括：启动氢罐，所述启动氢罐包括构造成储存气态氢燃料的高压罐。
根据前述条项中任一项所述的燃料电池功率系统，所述燃料电池功率系统进一步包括：功率转换器；以及至少一个电机，其中所述功率转换器、所述至少一个电机或两者与所述燃料输送系统热连通，以与通过所述燃料输送系统的所述氢燃料流传递热量。
根据前述条项中任一项所述的燃料电池功率系统，所述燃料电池功率系统进一步包括：泵马达。
根据前述条项中任一项所述的燃料电池功率系统，所述燃料电池功率系统进一步包括：液态氢燃料泵，所述液态氢燃料泵流体地联接到所述燃料罐并且可操作地联接到泵马达；以及功率转换器，所述功率转换器与所述泵马达电连通。
一种为飞行器提供动力的方法，所述飞行器包括具有所述飞行器的发动机的推进器和包括燃料电池堆的燃料电池功率系统，所述方法包括：操作所述推进器以产生压缩空气流；将所述压缩空气流提供到所述燃料电池功率系统；将氢燃料流从燃料输送系统提供到定位在所述发动机内的一个或多个发动机热交换器；将所述氢燃料流从所述一个或多个发动机热交换器提供到位于所述燃料电池堆上游的热交换器；以及利用所述热交换器在所述压缩空气流和所述氢燃料流之间交换热量。
根据前述条项所述的方法，其中，在旁通气流通道、低压压缩机或两者中产生所述压缩空气流。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述氢燃料流是第一氢燃料流，所述方法进一步包括：将第二氢燃料流从所述燃料输送系统直接提供到所述燃料电池功率系统的燃料电池堆。
根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括：在所述氢燃料提供到所述燃料电池堆之前，使用启动加热器加热所述氢燃料。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，燃料电池动力系统进一步包括加湿器，所述方法进一步包括：在将所述压缩空气再循环到所述燃料电池堆之前，加湿所述压缩空气。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述燃料电池功率系统进一步包括分离器和再循环泵，所述方法进一步包括：将排气水与所述氢燃料流分离；以及通过所述飞行器的排气区段排出所述排气水。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，所述燃料电池功率系统进一步包括功率转换器和液态氢燃料泵，所述液态氢燃料泵流体地联接到燃料罐并且可操作地联接到泵马达，并且其中所述方法进一步包括：将第二氢燃料流从所述燃料罐提供到所述液态氢燃料泵；以及经由所述功率转换器将所述氢燃料流转换为电力；并且将至少一部分所述电力提供到所述泵马达。

Claims (10)

1.一种用于具有推进器的运载器的燃料电池功率系统，所述推进器构造成生成用于所述运载器的推力和压缩空气流，其特征在于，所述燃料电池功率系统包括：
燃料输送系统，所述燃料输送系统用于提供氢燃料流，所述燃料输送系统包括用于储存氢燃料的燃料罐；以及
燃料电池堆，所述燃料电池堆构造成远离所述推进器定位并与所述推进器气流连通，以接收来自所述推进器的所述压缩空气流，所述燃料电池堆进一步与所述燃料输送系统流体连通，以接收来自所述燃料输送系统的所述氢燃料流。
2.根据权利要求1所述的燃料电池功率系统，其特征在于，进一步包括：
电池热交换器，所述电池热交换器与所述燃料电池堆热连通并且与所述燃料输送系统热连通。
3.根据权利要求1所述的燃料电池功率系统，其特征在于，进一步包括与所述燃料电池堆气流连通的加湿器。
4.根据权利要求1所述的燃料电池功率系统，其特征在于，进一步包括：
热交换器，所述热交换器与所述推进器气流连通，其中所述热交换器位于所述燃料电池堆的上游并且与所述燃料输送系统热连通。
5.根据权利要求1所述的燃料电池功率系统，其特征在于，其中，所述推进器是电动推进器。
6.根据权利要求5所述的燃料电池功率系统，其特征在于，其中，所述电动推进器进一步包括：
低压压缩机，所述低压压缩机提供至少一部分所述压缩空气流，以及
电动机。
7.根据权利要求1所述的燃料电池功率系统，其特征在于，其中，所述推进器是包括发动机的涡轮机的一部分，其中机舱的下游区段在所述发动机的外部分上延伸，以在它们之间限定旁通气流通道，所述旁通气流通道提供至少一部分所述压缩空气流。
8.根据权利要求7所述的燃料电池功率系统，其特征在于，其中，来自所述旁通气流通道的空气包括所述压缩空气流中的所有所述压缩空气流。
9.根据权利要求1所述的燃料电池功率系统，其特征在于，所述燃料电池功率系统进一步包括：
冷却剂泵；以及
氢/冷却剂热交换器。
10.根据权利要求9所述的燃料电池功率系统，其特征在于，所述燃料电池功率系统进一步包括：
启动氢罐，所述启动氢罐包括构造成储存气态氢燃料的高压罐。
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