專利名稱：飛行器中能量供應的供應系統(tǒng)、飛行器及向飛行器供應能量的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于飛行器能量供應的供應系統(tǒng)、一種飛行器和向飛行器供應能量的方法。
背景技術：
在民航中應用的傳統(tǒng)飛行器中，用于乘客或機組乘員的供應系統(tǒng)通常是相互分開的。
呼吸用空氣的供應和機艙的加壓是通過包括一個或多個空調機的空調系統(tǒng)來實現的。這種空調系統(tǒng)接收所謂的發(fā)動機排氣形式的壓縮空氣供應。這種排氣是從發(fā)動機主氣流在壓縮階段之后吸入的。
在機艙減壓的情況下所需的緊急氧氣供應通常由壓力箱攜帶或者由化學方法產生。在這兩種情況下，最大供應時間都是有限的，分別取決于壓力箱的填充容量或者化學氯酸鹽蠟燭的燃燒時間。
機載用水供應通常由水箱攜帶并分配到水用戶處，例如廚房衛(wèi)生間或盥洗室。所攜帶的水量取決于飛行長度并且受水箱容量及所產生的重量限制。
EP 0,957,026 B1公開了一種帶有能量供應單元的飛行器，其中發(fā)動機和燃料箱由共用的氫氣箱供應，該氫氣箱用作燃料箱。
需要提供一種飛行器中的故障自動防護能量供應系統(tǒng)。
這種需要可以通過獨立權利要求公開的特征所實現的用于飛行器能量供應的供應系統(tǒng)、飛行器以及向飛行器供應能量的方法來滿足。

發(fā)明內容
根據一個示例實施方式，飛行器中能量供應系統(tǒng)包括用于推進飛行器的發(fā)動機、向飛行器供應電能的燃料電池、向發(fā)動機供應發(fā)動機燃料的第一燃料箱和向燃料電池供應燃料電池燃料的第二燃料箱。根據本發(fā)明，第一燃料箱與第二燃料箱分開布置。
另外，本發(fā)明實現一種飛行器，其具有帶有上述特征的用于飛行器能量供應的供應系統(tǒng)。
根據本發(fā)明的一個示例實施方式，提供一種向飛行器供應能量的方法，其中該飛行器由發(fā)動機推進，通過燃料電池向飛行器供應電能，從第一燃料箱向發(fā)動機供應發(fā)動機燃料，以及從第二燃料箱向燃料電池供應燃料電池燃料。第一燃料箱和第二燃料箱分開布置。
可以看出本發(fā)明的一個創(chuàng)意是飛行器(例如，飛機或飛船)的能量供應是通過機械推進飛行器的發(fā)動機和向飛行器中耗電部件提供電能的燃料電池來實現的(發(fā)動機也可以產生電能)。發(fā)動機和燃料電池各自的燃料箱相互分開布置，即，它們在功能上分離且物理上隔斷，因此可以有效防止一個燃料箱或能量供應系統(tǒng)的失效影響到另一個燃料箱或能量供應系統(tǒng)。還應當確保向飛行器組件的連續(xù)供應電能，特別是在緊急情況下，其中，例如，發(fā)動機故障，或者至少受到損壞并且反之亦然。因此，分別容納用于發(fā)動機的燃料和用于燃料電池的燃料的兩個燃料箱可以通過分開布置的部件來實現，從而，如果兩個燃料箱中一個發(fā)生燃料短缺，另一個燃料箱仍能至少部分地維持重要功能。發(fā)動機可以還包括起動發(fā)電機形式的發(fā)電機，該發(fā)電機可用于向飛行器提供能量。
因此，本發(fā)明提供了一種高級的且防止干擾的供應系統(tǒng)，其易于后臺管理并且能可靠地向飛行器的機械能消耗部件及電能消耗部件提供能量。根據本發(fā)明將燃料電池結合在飛行器上可以通過燃料電池提供電能。根據本發(fā)明，發(fā)動機與普通的發(fā)動機相比可以放棄排氣的使用。這種形式的能量可以由電能替代。
該供應系統(tǒng)優(yōu)選不只用于能量供應，還可以用于機艙和飛行器的普通供應。
本發(fā)明可以分別實現一種高度集成的機艙系統(tǒng)和一種具有高度集成機艙系統(tǒng)的飛行器。本發(fā)明提供了一種用于向飛行器的乘客和機組乘員提供呼吸用空氣、緊急氧氣和水的布置，其中這同時通過一種集成的燃料電池系統(tǒng)來獲得。
術語燃料電池指的是一種電化學電池，其能將連續(xù)供應燃料(例如，氫氣)和氧化劑(例如，氧氣)的反應能量轉化成電能，該電能可以用于耗能組件的能量供應。在氫氧燃料電池中，可以從起始物質氫氣和氧氣中獲得產物水，在放熱反應過程中釋放的能量可以用來向耗能組件供應能量。
本發(fā)明特別可以實現一種集成系統(tǒng)組件的有創(chuàng)造性的結合，其可以實現一種故障自動防護的以及可靠的飛行器能量供應。
這種飛行器上的能量供應系統(tǒng)可以配備有增壓艙、發(fā)動機(根據本發(fā)明其不必輸送排氣)、燃料電池系統(tǒng)、空調系統(tǒng)和向乘客或機組乘員供水的水獲取、水凈化及分配系統(tǒng)。
根據本發(fā)明，特別可以取消用于啟動發(fā)動機的輔助動力裝置或APU，以及單獨設置的壓縮空氣和能量供應系統(tǒng)和至少蓄電池部分。
根據本發(fā)明，發(fā)動機可以配備有起動發(fā)電機，特別地，用于啟動發(fā)動機和向飛行器的用電部件供電。
空調系統(tǒng)可以通過單獨的電操作壓縮機來供給。所需電能可以通過起動發(fā)電機或燃料電池系統(tǒng)來供給。
該燃料電池系統(tǒng)還可以在提供電能以外提供水來實現飛行器上的水供應。水可以在輸送到飛行器用水處之前進行凈化以形成飲用水。
根據本發(fā)明，待提供給燃料電池系統(tǒng)的氧氣可以例如通過單獨的通風口從機艙空氣的氧氣部分獲得或者經過直接連接于空調從輸送給空調的外部空氣中獲得。燃料電池系統(tǒng)的氧氣供應也可以通過從飛行器外部環(huán)境的外部空氣中獲得(單獨壓縮)。
在PEM(聚合物電解質膜燃料電池及相關類型)型的低溫燃料電池中，燃料電池系統(tǒng)使用的燃料優(yōu)選是氫氣或重整油的氫組分，可以為氣態(tài)或液態(tài)形式。在DMFC(直接甲醇燃料電池)中，燃料電池系統(tǒng)所用燃料是甲醇。
發(fā)動機燃料可以是碳氫化合物(例如煤油)或氫氣。發(fā)動機所用燃料與向燃料電池供應的燃料容納在不同的燃料箱中。
根據本發(fā)明，在上述組件之外，例如還可以設置氧氣發(fā)生器。該氧氣發(fā)生器所產生的氧氣可以通過膜分離方法從外部空氣中獲得，并用作在機艙減壓情況下的緊急供應。
這種氧氣發(fā)生器的運轉需要(壓縮)空氣，其通常通過發(fā)動機排氣來獲得，根據本發(fā)明，該空氣也可以從電壓縮機中得到。當供應系統(tǒng)在正常模式下工作時，這些壓縮機可以是給空調系統(tǒng)供應的相同壓縮機。在緊急模式外的工作模式下，氧氣發(fā)生器產生的氧氣可以用來增加燃料電池陰極側的氧氣分壓。在正常工作模式下氧氣發(fā)生器向空調系統(tǒng)提供增加的氧氣分壓也是有利的，從而可以降低機艙壓力。因此，由于可以使用較小的壓縮機，所以可以降低能量需求、空間需求以及重量。
在氧氣發(fā)生器的分子篩的另一側聚積的是貧氧空氣，其主要組分是氮氣。該貧氧空氣可以被認為是一種惰性氣體混合物，根據本發(fā)明，其可以用于吹洗燃料電池系統(tǒng)的外殼，以防止此位置形成易爆混合物。
這種氣體還可以用在含有作為能量載體的液態(tài)碳氫化合物的燃料箱中，以在液體層面上置換氧氣，從而將易爆混合物的濃度降低到爆炸范圍之下。
根據本發(fā)明的供應系統(tǒng)可以可替代地或者附加地用于機翼除冰。在燃料電池系統(tǒng)聚積的陰極廢氣可以用于產生水。因為陰極廢氣主要具有燃料電池的工作溫度，因此需要通過例如熱交換器和疏水器進行冷凝或溫度降低以獲取水。為了盡可能多的進行冷凝，陰極廢氣應當被降低到1攝氏度到10攝氏度的溫度范圍。還應該對燃料電池組進行冷卻，因為燃料電池過程是放熱的。在冷凝器上聚集的熱量和冷卻燃料電池組期間聚集的熱能可以在熱泵系統(tǒng)幫助下返回到陰極廢氣。從而獲得的熱空氣可以通過管線系統(tǒng)輸送給機翼邊緣并用于機翼除冰。上述壓縮機還產生廢熱。該廢熱可以也通過熱泵系統(tǒng)輸送給陰極廢氣。
根據本發(fā)明的一個方面，所創(chuàng)造的布置包括一種運輸乘客和/或貨物的飛行器，并且可以設置有至少一個增壓艙。這樣的飛行器包括至少一個發(fā)動機，其優(yōu)選不輸送排氣，而是配備有用于啟動發(fā)動機和供電的起動發(fā)電機。另外，設置至少一個具有單獨壓縮機的空調系統(tǒng)，來向增壓艙提供新鮮空氣并實現乘客或機組乘員所需的環(huán)境壓力。該布置還包括至少一個模塊化設計的燃料系統(tǒng)，其可以完全或部分取代傳統(tǒng)的水箱裝置。這種燃料電池系統(tǒng)可以包括多個燃料電池組，它們使用了用于空氣、燃料、廢氣和廢煤氣以及電能的中央供應系統(tǒng)和處理系統(tǒng)，并且可以用來向增壓艙和該空調系統(tǒng)的壓縮機供電，以及向飛行器的水系統(tǒng)供水。水可以從燃料電池系統(tǒng)的陰極廢氣中獲取，并隨后被凈化以機載飲用水形式通過分配網絡來分配給飛行器。該發(fā)動機和燃料電池系統(tǒng)可以從完全相互獨立的供應容器來供應燃料，其中燃料電池系統(tǒng)的燃料可以是液態(tài)或氣態(tài)的氫或者甲醇，這取決于所用的燃料電池。發(fā)動機燃料可以是碳氫化合物，例如煤油或者液態(tài)或氣態(tài)的氫。
飛行器可以不需要用于產生啟動發(fā)動機所需的電能和壓縮空氣以及用于飛行器在地面上時的電力供應和/或應急電力供應的輔助動力裝置。
水可以在飛行器的整個飛行過程中連續(xù)產生，并且在以飲用水形式輸送給用戶(例如，廚房、盥洗室和廁所、淋浴和/或空氣加濕系統(tǒng))之前進行凈化。
用過的(廢)水可以通過真空系統(tǒng)獲得，存儲在集水箱中，并在地面處理廢水。
在根據本發(fā)明的布置中，在燃料電池系統(tǒng)的陰極廢氣冷凝之前多余量的水可以通過轉換閥向外排放。
另外，可以提供由壓縮空氣操作并根據分子篩原理分離氣體的氧氣發(fā)生器，以確保在機艙減壓情況下向乘客或機組乘員供應氧氣，并當飛行器在正常模式下運行時增加空氣供應裝置輸送的呼吸用空氣中的氧氣分壓。因此，可以得到提高了的燃料電池效率。
可替代地，根據本發(fā)明的布置也可以包括氧氣發(fā)生器，其由壓縮空氣操作并根據分子篩原理進行氣體分離，其中該氧氣發(fā)生器確保在機艙減壓情況下向乘客或機組乘員供應氧氣，并當飛行器在正常模式下運行時增加空氣供應裝置輸送的呼吸用空氣中的氧氣分壓。這可以降低機艙空氣壓力，進而實現節(jié)能，因為可以使用較小的壓縮機。
在根據本發(fā)明的供應系統(tǒng)中，可以聚集具有燃料電池工作溫度的陰極廢氣。該溫度可以通過熱交換器和疏水器來降低。這可以獲得足夠量的冷凝，以將陰極廢氣降低到1攝氏度到10攝氏度范圍內的溫度水平，并有效冷卻燃料電池組。由于這些措施，在冷凝器上聚集的熱量和冷卻燃料電池組期間聚集的熱能可以在熱泵系統(tǒng)幫助下返回到陰極廢氣，從而獲得的熱空氣可以通過管線系統(tǒng)輸送給機翼邊緣，從而保證除冰功能。空調系統(tǒng)的壓縮機還產生廢熱并且也通能夠過熱泵系統(tǒng)將該廢熱輸送給陰極廢氣。
根據所用燃料電池的類型，對于低溫或高溫聚合物電解質膜燃料電池，供給燃料電池系統(tǒng)的燃料可以是氫氣。甲醇可以用在直接甲醇燃料電池中。該燃料可以從氫氣箱、液氫容器或甲醇箱中獲得，其中這種容器可以位于例如飛行器尾翼后的尾部區(qū)域。這種容器可以剛性安裝在該位置上或者以可拆卸的桶形式實現。
供給燃料電池的燃料可替代地也可以從單獨的氣體處理器獲得，其中該氣體處理器優(yōu)選可以產生適于用于燃料電池的燃料氣體，例如，從諸如煤油的碳氫化合物中獲得的氫氣。
燃料電池系統(tǒng)的廢熱可以用于蒸發(fā)和/或預熱燃料電池系統(tǒng)運轉所需的燃料，特別是從液態(tài)氫容器中獲得的氫氣。
當使用根據分子篩原理的氧氣發(fā)生器時，貧氧空氣聚積在分子篩的非氧氣側。這些空氣主要由氮氣組成，因此可以被看成是一種惰性氣體混合物。這種氣體混合物可以用來吹洗燃料電池系統(tǒng)的外殼，以防止此位置形成易爆混合物，從而改善工作安全性。這種貧氧氣體還可以用于向燃料箱提供惰性氣體，以降低此位置爆炸的可能性。
在供應系統(tǒng)中電能的分配可以由中央控制單元來保證。
本發(fā)明的優(yōu)選實施公開在從屬權利要求中。
下面介紹根據本發(fā)明的用于飛行器中能量供應的供應系統(tǒng)實施方式。這些實施方式也可適用于飛行器和向飛行器供應能量的方法。
根據另一示例實施方式，該供應系統(tǒng)包括機翼除冰裝置，該機翼除冰裝置與燃料電池以如下方式相連，使得機翼可以通過機翼除冰裝置基于燃料電池運轉期間聚集的燃料產物來進行除冰。因此，燃料電池的廢熱可以存在在例如氫氧燃料電池燃料產物形式的熱水蒸汽中，優(yōu)選可以用于具有該供應系統(tǒng)的飛行器的機翼除冰或者作為防止機翼結冰的保護。該能量可以可替代地或者附加的用于供應系統(tǒng)的其它位置，例如，用來蒸發(fā)用作發(fā)動機和/或燃料電池燃料的液氫。該機翼除冰裝置可以從燃料電池廢氣途徑中的水蒸氣獲得能量，并且可以以特別優(yōu)選的方式結合飛行器上的水供應系統(tǒng)一起工作，這可以利用冷卻的以及冷凝的水蒸汽來作為飛行器的水供應。通過這些方式，燃料電池的實際廢產物，即水蒸汽，可以優(yōu)選以幾種方式用在飛行器上，即弄熱或加熱其它組件并且同時作為水源。該水供應可以低成本實現且無需附加水箱。
根據本發(fā)明的另一示例實施方式，該供應系統(tǒng)被設計成在燃料電池工作期間作為燃料產物的聚集起來的水蒸氣在機翼除冰之前進行冷凝以獲得水，其中剩余的燃料產物被熱泵加熱，并且被加熱過的燃料產物被輸送給機翼除冰裝置。因此水蒸氣優(yōu)選在實際機翼除冰之前進行冷凝以獲得水。這種冷凝優(yōu)選在用熱泵給貧氧空氣再加熱并輸送給機翼除冰之前進行。
根據本發(fā)明的另一示例實施方式，該供應系統(tǒng)被設計成剩余的燃料產物與燃料電池的陽極廢氣混合，并在再熱器中和供給的氫氣一起被加熱。這樣，也可以實現與陽極廢氣即所謂的吹掃用的氣體的混合，在再熱器中進一步加熱該混合物和另外提供的氫氣，以達到機翼除冰所需的能量水平。
當具有燃料電池工作溫度的燃料電池陰極廢氣被聚積時，該溫度可以通過熱交換器和疏水器來降低，這可以獲得盡可能多的冷凝。該陰極廢氣可以降低到1攝氏度到10攝氏度范圍內的溫度水平。其可以冷卻燃料電池組，其中在冷凝器上聚集的熱量和冷卻燃料電池組期間聚集的熱能可以在熱泵系統(tǒng)幫助下返回到陰極廢氣，從而獲得的熱空氣可以通過管線系統(tǒng)輸送給機翼邊緣，從而保證除冰功能?？照{系統(tǒng)的壓縮機還產生廢熱，其可以也通過熱泵系統(tǒng)輸送給陰極廢氣。
根據另一示例實施方式，該供應系統(tǒng)還包括與發(fā)動機相連的發(fā)電裝置。該發(fā)電裝置被設計成產生能量以啟動發(fā)動機并向飛行器提供電能。這種發(fā)電這種可以嵌在根據本發(fā)明的供應系統(tǒng)內，可以進一步改善和改進飛行器組件的能量供應。
根據另一示例實施方式，該供應系統(tǒng)還包括中央控制單元，其被設計成用于飛行器中能量供應的中央控制。該控制單元可以以根據本發(fā)明的供應系統(tǒng)的控制中心的形式實現，其調節(jié)發(fā)動機產生的能量和燃料電池產生的能量并將所產生的能量分配給相應的所需耗能裝置。該控制單元特別還可以控制從燃料電池廢氣中獲取的飛行器上水的供應，以及不同氣體消耗處(增壓艙，燃料電池等等)之間的氣體交換。該中央控制單元可以以計算機程序即軟件的形式實現，或者以一個或多個特定電路即硬件的形式實現，或者以任意混合形式，即軟件組件和硬件組件結合。
根據本發(fā)明的再一示例實施方式，該供應系統(tǒng)包括空氣供應裝置來向機艙提供呼吸用空氣，其中該空氣供應系統(tǒng)可以通過燃料電池和/或發(fā)電裝置來供應電能。飛行器機艙通常被供應呼吸用空氣以便為機艙中承載的乘客和機組乘員提供呼吸用空氣。該空氣可以從飛行器外圍環(huán)境中獲得。該空氣供應裝置可以通過發(fā)電裝置和/或燃料電池來供應電能，以便調節(jié)空氣，例如，在空調系統(tǒng)中。
根據本發(fā)明的再一示例實施方式，該供應系統(tǒng)包括向空氣供應裝置提供壓縮空氣的壓縮機。換句話說，空調系統(tǒng)可以配備單獨的壓縮機。
根據本發(fā)明的再一示例實施方式，該供應系統(tǒng)包括DC電機，其被設計成用來驅動壓縮機。因此該壓縮機可以被DC電機或AC電機或三相電機驅動，以便向增壓艙提供新鮮空氣，并實現乘客或機組乘員所需的環(huán)境壓力。
根據本發(fā)明的再一示例實施方式，在供應系統(tǒng)中，氧氣發(fā)生器被設計成用于當飛行器在正常模式下運行時增加空氣供應裝置輸送的呼吸用空氣中的氧氣分壓。所述氧氣發(fā)生器因而可以當飛行器在正常模式下運行時增加通過空調系統(tǒng)輸送的艙內空氣中的氧氣分壓，以便降低機艙壓力能量，并實現減少能量和空間需求以及重量，因為能使用較小的壓縮機。
根據本發(fā)明另一示例實施方式，根據本發(fā)明的供應系統(tǒng)還包括用于優(yōu)選連續(xù)地產生水的供水裝置，其中該供水裝置被設計成從燃料電池運轉期間聚集的燃料產物中獲得水。特別當使用氫氧燃料電池(或氫氣-環(huán)境氧氣燃料電池)時，可以聚積水蒸氣形式的反應產物，其中該水蒸汽被冷凝，在優(yōu)選地凈化之后，可以在飛行器的所用區(qū)域(例如，在廚房、衛(wèi)生間等)用作飲用水/生活用水。這可以減輕飛行器重量，因為無需攜帶單獨的水箱。
根據本發(fā)明的另一示例實施方式，該供應系統(tǒng)包括水凈化裝置，用于凈化所獲得的水從而可以得到飲用水。水可以在飛行器的整個飛行過程中連續(xù)產生，并且在被凈化之后，以飲用水形式輸送給用戶，例如，廚房、盥洗室和廁所、淋浴和/或空氣加濕系統(tǒng)。
根據另一示例實施方式，該供應系統(tǒng)包括廢水處理裝置，其通過真空系統(tǒng)獲得用過的水，將廢水存儲在集水箱中，并在地面處理廢水。以這種方式，用過的水可以通過真空系統(tǒng)獲得，存儲在集水箱中，并在地面處理廢水。
根據另一示例實施方式，該廢水處理裝置包括排放裝置，用來在冷凝之前排出在燃料電池運轉期間聚集的燃料產物的多余水量。多余量的水可以通過轉換閥向外排放，特別地，在燃料電池系統(tǒng)的陰極廢氣冷凝之前。
根據本發(fā)明的供應系統(tǒng)的燃料電池可以按如下方式與機艙相連，使得運轉燃料電池所需的燃料啟動物質可以從機艙供給。燃料電池的運轉或許需要特別是氧氣來作為啟動物質。這種氧氣可以從乘客所在機艙空氣中抽取來獲得，并輸送給燃料電池。
該燃料電池可以按如下方式連接飛行器的外部環(huán)境，使得運轉燃料電池所需的燃料啟動物質可以從飛行器外部環(huán)境中供給。根據該實施方式，燃料電池運轉所需的氧氣可以從飛行器周圍環(huán)境即大氣中獲取，如果需要則隨后被壓縮，然后被輸送給燃料電池以將氫氣或其它燃料中的氫離子轉換成陰極廢氣、水和過量空氣。
該空氣供應裝置以如下方式連接飛行器的外部環(huán)境，使得可以從飛行器外部環(huán)境供應空氣以向機艙輸送呼吸用空氣。根據該實施方式，從大氣中獲得的空氣用于向乘客和機組乘員提供呼吸用空氣，如果需要，在另外的充氧和壓縮之后。
這可以通過特別是氧氣發(fā)生器實現，該氧氣發(fā)生器用于連接空氣供應裝置和飛行器的外圍環(huán)境，以向機艙提供充氧的呼吸用空氣。從而所獲得的空氣使氧氣發(fā)生器獲得足夠的氧氣濃度，以向機艙中的人提供所需量的氧氣。
該氧氣發(fā)生器可以設計成由壓縮空氣操作，并且根據分子篩原理進行氣體分離。因此，可以結合有另外的根據分子篩原理來處理壓縮空氣的氧氣發(fā)生器，其中該氧氣發(fā)生器一方面確保了在機艙減壓情況下向乘客或機組乘員的氧氣供應，另一方面當飛行器在正常模式下運行時增加空氣供應裝置輸送的呼吸用空氣中的氧氣分壓，以提高燃料電池效率。
根據本發(fā)明的另一示例實施方式，該供應系統(tǒng)被設計成在氧氣發(fā)生器運轉期間聚集的貧氧空氣可以用于吹洗燃料電池的外殼。由于氧氣發(fā)生器的工作原理，貧氧空氣聚積在分子篩的非氧側，這些空氣主要由氮氣組成，因此可以被看成是一種惰性氣體混合物。這種惰性氣體混合物可以用來吹洗燃料電池系統(tǒng)的外殼，以便防止在此位置形成易爆混合物。
根據本發(fā)明的另一示例實施方式，該供應系統(tǒng)設計成在氧氣發(fā)生器運轉期間聚集的貧氧空氣可以用于沖擊在第一燃料箱和/或第二燃料箱中容納的氣相碳氫化合物。因此該貧氧惰性空氣也可以用來在氣相時作用含有可燃液態(tài)情況化合物的油箱中，以便取代在此位置的氧氣從而消除可燃性。
根據另一示例實施方式，在供應系統(tǒng)中，燃料電池是包括多個燃料電池組的模塊化設計系統(tǒng)，其使用了中央供應裝置和處理裝置。模塊化設計的燃料電池系統(tǒng)可以包括多個燃料電池組，它們使用用于空氣、燃料、廢氣和廢水以及電能的中央供應和處理裝置。
根據本發(fā)明的另一示例實施方式，在供應系統(tǒng)中，第一燃料箱設計成向發(fā)動機提供液態(tài)或氣態(tài)氫或甲醇形式的發(fā)動機燃料。另外，第二燃料箱設計成向燃料電池供應液態(tài)或氣態(tài)氫或甲醇形式的燃料電池燃料。根據所用燃料電池類型，燃料電池系統(tǒng)的燃料因此可以是液態(tài)或氣態(tài)氫或甲醇的形式，發(fā)動機燃料可以是例如煤油的碳氫化合物或者液態(tài)或氣態(tài)氫。用于燃料電池的氫可以通過氣體處理器從碳氫化合物中獲得。優(yōu)選發(fā)動機用煤油運轉，燃料電池用氫氣運轉。
根據另一示例實施方式，該燃料電池是聚合物電解質膜燃料電池或者是直接甲醇燃料電池。根據所用燃料電池類型，對于低溫或高溫聚合物電解質膜燃料電池，供給燃料電池系統(tǒng)的燃料可以是氫氣，甲醇可以用在直接甲醇燃料電池中，并且可以從氫氣加壓氣箱、液態(tài)氫容器或者甲醇容器中提供。
第二燃料箱和燃料電池以如下方式相連使得燃料電池的廢熱可以用于蒸發(fā)和/或預熱第二燃料箱中的燃料電池燃料。燃料電池系統(tǒng)的廢熱因此可以用于蒸發(fā)和預熱燃料電池運轉所需的且從液態(tài)氫容器中提供的氫氣。
根據另一示例實施方式，該供應系統(tǒng)不需要用于產生啟動發(fā)動機所需的電能和壓縮空氣以及用于飛行器在地面上時的電力供應和/或應急電力供應的輔助動力裝置。該供應系統(tǒng)可以完全取代傳統(tǒng)的用于產生啟動發(fā)動機所需的電能和壓縮空氣以及用于飛行器在地面上時的電力供應和/或應急電力供應的輔助動力裝置。
該氧氣發(fā)生器可以主要用于緊急模式，其中在機艙減壓的情況下經過呼吸面罩提供給乘客的氧氣可以通過該氣體發(fā)生器產生。
下面介紹根據本發(fā)明的飛行器實施方式。這些實施方式也可以應用在飛行器中能量供應的供應系統(tǒng)以及向飛行器提供能量的方法。
第二油箱可以以一個或多個容器的形式實現，這些容器定位在例如飛行器尾翼后的尾部區(qū)域，并且可以剛性安裝在該位置上，或者以一個或多個可拆卸桶的形式實現。第二燃油箱因此可以特別是用于液態(tài)氫的優(yōu)選或者甲醇箱。在這方面，只有用于燃料電池操作的含有氫氣和甲醇的箱位于尾部區(qū)域。該發(fā)動機優(yōu)選可以從定位在其它位置的箱提供。
可以看出本發(fā)明的一方面內容是向飛行器提供不排氣的發(fā)動機，而是配有用于啟動發(fā)動機和供應電能的起動發(fā)電機。根據本發(fā)明，可以提供至少一個模塊化設計的燃料電池系統(tǒng)以完全或部分地取代傳統(tǒng)水箱。發(fā)動機和燃料電池系統(tǒng)可以從完全分開的供應裝置補給燃料。模塊化設計對于冗余度考慮來說特別重要，特別是如果一個供應部分失效時。另外，可以利用用于這些模塊的中央供應和處理路徑或管線。根據本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可以在整個航行期間連續(xù)產生水。然而，不需要的過量的水可以在進行冷凝之前從飛行器上向外排放。陰極廢氣也可以用于機翼除冰，在這種情況下空調系統(tǒng)壓縮機的廢熱也可以被利用。根據本發(fā)明的空調系統(tǒng)可以具有帶電機的壓縮機。該壓縮機可以通過DC電機運行。


附圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，下面將更詳細地進行介紹這些優(yōu)選的實施方式。附圖示出了圖1根據本發(fā)明第一實施方式的用于飛行器能量供應的供應系統(tǒng)；圖2根據本發(fā)明第二實施方式的用于飛行器能量供應的供應系統(tǒng)；以及圖3根據本發(fā)明第三實施方式的用于飛行器能量供應的供應系統(tǒng)。
具體實施例方式
實施方式只是在附圖中示意性地示出，而不是成比例的。
相同或相似的組件在不同附圖中用相同的附圖標記表示。
下面參考圖1介紹根據本發(fā)明第一實施方式的用于飛行器上能量供應的供應系統(tǒng)100。
用于飛行器(未示出)上能量供應的供應系統(tǒng)100包括用于推進飛行器的發(fā)動機101。供應系統(tǒng)100還包括向飛行器供電的燃料電池102。設置煤油箱103以向發(fā)動機101提供發(fā)動機燃料。另外，設置氫氣箱104，其空間上以及功能上都與煤油箱103分開。
供應系統(tǒng)100還包括起動發(fā)電機105，其與發(fā)動機101相連并被設計成可以發(fā)電以啟動發(fā)動機101并向飛行器提供電能。該起動發(fā)電機105特別地與控制單元(調節(jié)單元)106相連，該單元以用于飛行器上能量供應的中央控制的中央控制單元的形式實現。
空氣供應裝置107向增壓艙108(其中可以承載乘客)提供補助空氣，其中空氣供應裝置107(空調系統(tǒng))可以選擇性地由燃料電池102和/或起動發(fā)電機105提供電能。向空調系統(tǒng)107和/或壓縮機110(其接收補助空氣并為空調系統(tǒng)107壓縮該補助空氣)提供電能通過電控單元106控制。
另外，設置供水裝置109來提供水，其中供水裝置109被設計成在燃料電池102運轉期間聚集的水蒸氣中獲取水。在供水裝置109中，冷凝器111連接到燃料電池102的出口，其中燃料電池102向冷凝器輸送水蒸氣。冷凝器111冷凝水蒸氣，從而可以得到水，并將該液體水輸送給飲用水凈化裝置112。飲用水凈化裝置112的一個出口將水輸送給用水處113(例如，盥洗室，廚房，等等)。用水處113所用的水被排放到廢水箱114中。
為了使燃料電池102工作，除了從氫氣箱104供給到燃料電池102的氫燃料以外，還需要氧氣作為氧化劑。含氧的補助空氣從增壓艙108通過通風口115供應給燃料電池102。燃料電池102以如下方式與增壓艙108相連，使得運轉燃料電池102所需的燃料啟動物質(即氧氣)能夠從增壓艙108供給到燃料電池102。
空氣和/或水超出的量可以從燃料電池102排出(參見圖1)。補助空氣也供應給發(fā)動機101，廢氣從發(fā)動機101中排出。
下面參考圖2介紹根據本發(fā)明第二實施方式的供應系統(tǒng)200。
與第一實施方式100對比，在供應系統(tǒng)200中設置有氧氣發(fā)生器201，其中所述氧氣發(fā)生器與壓縮機110的出口相連，從而被壓縮的補助空氣可以供應給氧氣發(fā)生器201。該氧氣發(fā)生器201利用分子篩從補助空氣產生例如富氧氣體，其中該富氧氣體可以輸送給空調系統(tǒng)107，可替代地或者附加地，輸送給燃料電池102和/或緊急氧氣供給裝置202。
下面參考圖3介紹根據本發(fā)明第三實施方式的供應系統(tǒng)300。
在供應系統(tǒng)300中，燃料電池102的含有水煤氣的廢棄產物輸送給熱泵301。冷凝水存儲在中間水箱302中并且可以被附加處理，例如如上文參考圖1和2所介紹過的。另外，冷凝水或水蒸氣可以輸送給機翼除冰裝置305，其用于通過熱交換器304來給飛行器機翼除冰。
本發(fā)明的實施不限于附圖所示的優(yōu)選實施方式。相反，可以想到實現多種變型，這些變型也采用根據本發(fā)明不同的基本實施方式中所述的技術手段和原理。
需要注意“包括”不排除其他組件或步驟，“一”不排除多個的情況。還需注意參考上述實施方式的一個所介紹的特征或步驟也可以與其他所述實施方式的不同特征或步驟相結合。權利要求中的附圖標記不應被理解為是一種限制。
附圖標記100 供應系統(tǒng)101 發(fā)動機102 燃料電池103 煤油箱104 氫氣箱105 起動發(fā)電機106 控制單元107 空氣供應裝置108 增壓艙
109 供水裝置110 壓縮機111 冷凝器112 飲用水凈化裝置113 用水處114 廢水箱115 通風口200 供應系統(tǒng)201 氧氣發(fā)生器202 緊急氧氣供應裝置300 供應系統(tǒng)301 熱泵302 中間水箱303 泵304 熱交換器305 機翼除冰裝置
權利要求
1.一種用于飛行器中能量供應的供應系統(tǒng)，其中該供應系統(tǒng)包括用于推進飛行器的發(fā)動機；用于向飛行器供應電能的燃料電池；用于向發(fā)動機供應發(fā)動機燃料的第一燃料箱；用于向燃料電池供應燃料電池燃料的第二燃料箱；其中第一燃料箱與第二燃料箱在功能上分離并且分開布置。
2.如權利要求1所述的供應系統(tǒng)，包括機翼除冰裝置，該機翼除冰裝置與燃料電池以如下方式相連，使得機翼能夠通過機翼除冰裝置基于燃料電池運轉期間聚集的燃料產物來進行除冰。
3.如權利要求2所述的供應系統(tǒng)，其中該供應系統(tǒng)設計成燃料電池運轉期間作為燃料產物聚集起來的水蒸氣在機翼除冰之前進行冷凝以獲得水，并且其中剩余的燃料產物能被熱泵加熱，并且被加熱的燃料產物能被輸送給機翼除冰裝置。
4.如權利要求3所述的供應系統(tǒng)，其中該供應系統(tǒng)設計成剩余的燃料產物能與燃料電池的陽極廢氣混合，并且能在再熱器中和所供給的氫氣一起被加熱。
5.如權利要求1至3中任一項所述的供應系統(tǒng)，包括發(fā)電裝置，其與發(fā)動機相連并且設計用于產生能量以啟動發(fā)動機并向飛行器供應電能。
6.如權利要求1至5中任一項所述的供應系統(tǒng)，包括中央控制單元，其設計用于飛行器中能量供應的中央控制。
7.如權利要求5所述的供應系統(tǒng)，包括用于向機艙供應呼吸用空氣的空氣供應裝置，其中該空氣供應裝置能夠由燃料電池和/或發(fā)電裝置供應電能。
8.如權利要求6所述的供應系統(tǒng)，包括用于向空氣供應裝置供應壓縮空氣的壓縮機。
9.如權利要求8所述的供應系統(tǒng)，包括DC電機，其設計用于驅動壓縮機。
10.如權利要求1至9中任一項所述的供應系統(tǒng)，包括供水裝置，用于優(yōu)選連續(xù)地產生水，其中該供水裝置設計用于從燃料電池運轉期間聚集的燃料產物中獲得水。
11.如權利要求10所述的供應系統(tǒng)，包括水凈化裝置，用于凈化所獲得的水從而得到飲用水。
12.如權利要求10或11所述的供應系統(tǒng)，包括廢水處理裝置，用于通過真空系統(tǒng)獲得用過的水，以將廢水存儲在集水箱中，并在地面處理廢水。
13.如權利要求10至12中任一項所述的供應系統(tǒng)，包括排放裝置，用來在冷凝之前排出燃料電池運轉期間聚集的燃料產物的多余水量。
14.如權利要求7至13中任一項所述的供應系統(tǒng)，其中燃料電池以如下方式與機艙相連，使得運轉燃料電池所需的燃料電池的燃料啟動物質能夠從機艙補給。
15.如權利要求1至14中任一項所述的供應系統(tǒng)，其中燃料電池以如下方式連接飛行器的外部環(huán)境，使得運轉燃料電池所需的燃料電池的燃料啟動物質能夠從飛行器外部環(huán)境補給。
16.如權利要求7至15中任一項所述的供應系統(tǒng)，其中該空氣供應裝置以如下方式連接飛行器的外部環(huán)境，使得能夠從飛行器外部環(huán)境供應空氣以便向機艙輸送呼吸用空氣。
17.如權利要求16所述的供應系統(tǒng)，包括氧氣發(fā)生器，空氣供應裝置通過該氧氣發(fā)生器與飛行器的外部環(huán)境連接，以便向機艙輸送富氧呼吸用空氣。
18.如權利要求17所述的供應系統(tǒng)，其中該氧氣發(fā)生器能夠由壓縮空氣操作，并且設計用于根據分子篩原理進行氣體分離。
19.如權利要求17或18所述的供應系統(tǒng)，其中該氧氣發(fā)生器設計用于當飛行器在正常模式下運行時增加由空氣供應裝置輸送的呼吸用空氣中的氧氣分壓。
20.如權利要求17至19中任一項所述的供應系統(tǒng)，其中該供應系統(tǒng)設計成在氧氣發(fā)生器運轉期間聚集的貧氧空氣能夠用于吹洗燃料電池的外殼。
21.如權利要求17至20中任一項所述的供應系統(tǒng)，其中該供應系統(tǒng)設計成在氧氣發(fā)生器運轉期間聚集的貧氧空氣能夠用于沖擊容納在第一燃料箱和/或第二燃料箱中的氣相碳氫化合物。
22.如權利要求1至21中任一項所述的供應系統(tǒng)，其中燃料電池是包括多個燃料電池組的模塊化設計系統(tǒng)，這些燃料電池組使用了中央供應裝置和處理裝置。
23.如權利要求1至22中任一項所述的供應系統(tǒng)，其中第一燃料箱設計用于向發(fā)動機供應液態(tài)或氣態(tài)的氫或甲醇形式的發(fā)動機燃料。
24.如權利要求1至23中任一項所述的供應系統(tǒng)，其中第二燃料箱設計用于向燃料電池供應液態(tài)或氣態(tài)的氫或甲醇形式的燃料電池燃料。
25.如權利要求1至24中任一項所述的供應系統(tǒng)，其中該燃料電池是聚合物電解質膜燃料電池或直接甲醇燃料電池。
26.如權利要求1至25中任一項所述的供應系統(tǒng)，其中第二燃料箱和燃料電池以如下方式相連使得燃料電池的廢熱能夠用于蒸發(fā)和/或預熱第二燃料箱中的燃料電池燃料。
27.如權利要求1至26中任一項所述的供應系統(tǒng)，其中該供應系統(tǒng)不含用于產生啟動發(fā)動機所需的電能和壓縮空氣以及用于飛行器在地面上時的電力供應和/或應急電力供應的輔助動力裝置。
28.一種向飛行器供應能量的方法，包括用發(fā)動機推進飛行器；通過燃料電池向飛行器供應電能；從第一燃料箱向發(fā)動機供應發(fā)動機燃料；從第二燃料箱向燃料電池供應燃料電池燃料；將第一燃料箱和第二燃料箱功能上分離并且分開布置。
全文摘要
一種用于飛行器中能量供應的供應系統(tǒng)(100)，包括用于推進飛行器的發(fā)動機(101)，用于向飛行器供應電能的燃料電池(102)，用于向發(fā)動機(101)供應發(fā)動機燃料的第一燃料箱(103)，和用于向燃料電池(102)供應燃料電池燃料的第二燃料箱(104)。第一燃料箱(103)與第二燃料箱(104)分開布置。
文檔編號B64D37/04GK101068716SQ200580040989
公開日2007年11月7日 申請日期2005年12月2日 優(yōu)先權日2004年12月3日
發(fā)明者克勞斯·霍夫亞, 漢斯格奧格·舒爾德齊希, 托爾格·普法費羅特, 拉爾斯·弗拉姆, 拉爾斯·尼克爾 申請人:空中客車德國有限公司