用于飛行器的輔助能量系統(tǒng)和具有這種輔助能量系統(tǒng)的飛行器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于飛行器的輔助能量系統(tǒng)和具有這種輔助能量系統(tǒng)的飛行器。
【背景技術(shù)】
[0002]通常，客運(yùn)飛行器裝配有輔助推進(jìn)器，所述輔助推進(jìn)器尤其在停留在地面時(shí)用于機(jī)載系統(tǒng)的供電并且用于推進(jìn)器的啟動(dòng)。輔助推進(jìn)器通常構(gòu)成為與發(fā)電機(jī)耦聯(lián)的燃?xì)廨啓C(jī)，所述燃?xì)廨啓C(jī)在要求小的結(jié)構(gòu)空間的情況下提供高的電功率并且以與空氣泄放接口連接的方式提供高的氣動(dòng)功率。由此能夠保證給地面上的飛行器的電部件供電以及通過(guò)輸送泄放空氣來(lái)運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)。然而由于作為燃?xì)廨啓C(jī)的構(gòu)成方案，需將顯著地產(chǎn)生噪聲考慮在內(nèi)，此外，燃?xì)廨啓C(jī)消耗大量所輸送的燃料。根據(jù)所使用的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，需將在飛行器的周圍中未燃燒的烴類、氮氧化物和其它有害物質(zhì)的排出考慮在內(nèi)。
[0003]運(yùn)行輔助推進(jìn)器尤其在城市區(qū)域中在許多機(jī)場(chǎng)上明顯受到限制。
[0004]EP I 928 745 BI和EP 2 222 562 BI示出燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)集成到飛行器中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]尤其作為本發(fā)明的目的理解的是，提出一種輔助能量系統(tǒng)，所述輔助能量系統(tǒng)能夠可靠且有效地提供電功率和氣動(dòng)功率，然而同時(shí)具有低的燃料消耗并且僅具有低的噪聲排放。
[0006]所述目的通過(guò)具有一種輔助能量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其用于飛行器，所述輔助能量系統(tǒng)具有:至少一個(gè)燃料電池單元，所述燃料電池單元分別具有至少一個(gè)燃料電池、電壓輸出端、燃料輸入端和用于反應(yīng)產(chǎn)物的排出口 ；能夠與所述燃料電池單元的所述燃料輸入端耦聯(lián)的燃料罐;至少一個(gè)壓縮機(jī)單元，所述壓縮機(jī)單元具有空氣輸入端和空氣輸出端；和電動(dòng)馬達(dá)，所述電動(dòng)馬達(dá)能夠與至少一個(gè)所述燃料電池單元的電壓輸出端耦聯(lián)并且能夠經(jīng)由軸與至少一個(gè)所述壓縮機(jī)單元耦聯(lián)，其中至少所述燃料電池單元、所述壓縮機(jī)單元和所述電動(dòng)馬達(dá)連接為連續(xù)的單元，所述連續(xù)的單元持續(xù)地提供電功率和加壓的空氣。有利的實(shí)施方式和改進(jìn)方案從本文和下述描述中得出。
[0007]提出一種用于飛行器的輔助能量系統(tǒng)，所述輔助能量系統(tǒng)具有:至少一個(gè)燃料電池單元，所述燃料電池單元分別具有至少一個(gè)燃料電池、電壓輸出端、燃料輸入端和反應(yīng)產(chǎn)物的排出口；可與燃料電池單元的燃料輸入端耦聯(lián)的燃料罐;至少一個(gè)壓縮機(jī)單元，所述壓縮機(jī)單元具有空氣輸入端和空氣輸出端；以及電動(dòng)馬達(dá)，所述電動(dòng)馬達(dá)可與至少一個(gè)燃料電池單元的電壓輸出端耦聯(lián)并且可經(jīng)由軸與至少一個(gè)壓縮機(jī)單元耦聯(lián)。至少一個(gè)燃料電池單元、壓縮機(jī)單元和電動(dòng)馬達(dá)至少連接為一個(gè)連續(xù)的單元，所述單元持續(xù)地提供電功率和加壓的空氣。
[0008]至少一個(gè)燃料電池能夠以任意的類型實(shí)現(xiàn)，除了聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEM燃料電池)外，也能夠使用磷酸燃料電池或者其它中溫燃料電池，其中這兩種類型的燃料電池的溫度等級(jí)能夠相應(yīng)地進(jìn)行選擇。對(duì)于PEM燃料電池，能夠選擇中間的和較高的、為60°C至90°C的溫度，而中溫燃料電池可通過(guò)明顯更高的、例如為120°C或更高的溫度來(lái)運(yùn)行。替選地，也可以考慮與固體氧化物燃料電池的組合，其溫度范圍大于500 °C。
[0009]能夠?qū)⒈硎觥爸辽僖粋€(gè)燃料電池”理解為:不僅可使用一個(gè)唯一的燃料電池而且可使用多個(gè)串聯(lián)連接的或者并聯(lián)連接的或呈復(fù)合件或者堆形式的燃料電池。特別地，在多個(gè)燃料電池構(gòu)成為燃料電池堆的情況下，輸送管道和進(jìn)入口或?qū)С龉艿篮团懦隹谀軌蛞岳硐氲姆绞奖舜私M合。
[0010]燃料罐是如下單元，所述單元能夠按需要將燃料引導(dǎo)給燃料電池單元，其中根據(jù)所使用的燃料可使用不同的技術(shù)。尤其在使用之前必須轉(zhuǎn)化為含氫的氣體的液體燃料在對(duì)于飛行器而言常見(jiàn)的溫度中以液態(tài)存在并且僅可存儲(chǔ)在不絕緣的罐中，而氣態(tài)燃料例如氫，需要與其匹配的罐。例如提供低溫罐，其中氫被持續(xù)地保持或者冷卻到低于氫的沸點(diǎn)的溫度上，替選地，在更短的使用持續(xù)時(shí)間期間內(nèi)，蓄壓器或者金屬氫化物儲(chǔ)存器也能夠是適合的。
[0011]特別地，為了提供加壓的空氣，需要壓縮機(jī)單元，所述壓縮機(jī)單元具有空氣輸入端和空氣輸出端?？諝廨斎攵四軌蚺c飛行器的機(jī)身中的空氣輸送口流體連接，只要輔助能量系統(tǒng)僅用于地面運(yùn)行，那么對(duì)于所述空氣輸送口不提出特別的要求。如果輔助能量系統(tǒng)也應(yīng)在飛行階段中運(yùn)行，那么提供NACA進(jìn)入口或者沖壓空氣進(jìn)入口，所述NACA進(jìn)入口或者沖壓空氣進(jìn)入口不僅在單獨(dú)地運(yùn)輸空氣時(shí)而且在飛行時(shí)需尤其匹配于盡可能最小的附加的流動(dòng)阻力和盡可能小的噪音形成?？諝廨敵龆四軌蚺c泄放空氣管道連接，所述泄放空氣管道消耗輔助能量系統(tǒng)所要求的加壓的空氣。由此不排除:其它的裝置也與空氣輸出端連接。
[0012]不僅能夠使用軸流式壓縮機(jī)也能夠使用徑流式壓縮機(jī)作為壓縮機(jī)單元，其中徑流式壓縮機(jī)由于缺少燃燒室和缺少渦輪機(jī)是更優(yōu)選的，因?yàn)槠湓谑芟薜慕Y(jié)構(gòu)空間上尤其沿著徑向方向產(chǎn)生非常好的氣動(dòng)性能。
[0013]因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的輔助能量系統(tǒng)旨在替換傳統(tǒng)的輔助推進(jìn)器，所以提供:其至少將燃料電池單元、燃料罐、壓縮機(jī)單元和電動(dòng)馬達(dá)連接為連續(xù)的單元。這種整裝的、獨(dú)立的單元能夠極其容易地與現(xiàn)有的APU交換。在連續(xù)的單元中應(yīng)注意的是，位置和所有接口處的可期望的物理參數(shù)對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)的輔助推進(jìn)器的位置和所有接口處的可期望的物理參數(shù)。
[0014]因此，通過(guò)應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的特征能夠提供一種輔助能量系統(tǒng)，所述輔助能量系統(tǒng)非常有效且噪音小地運(yùn)行，具有高的效率并且由于小的噪音和小的有害物質(zhì)排放非常適合于地面使用。
[0015]至少一個(gè)燃料電池單元首先產(chǎn)生給電動(dòng)馬達(dá)供電的主要電功率。為了向外輸出電功率，至少一個(gè)燃料電池單元能夠設(shè)計(jì)用于在給電動(dòng)馬達(dá)供電之后提供功率過(guò)剩。另一方面，電功率的輸出也能夠通過(guò)其它機(jī)構(gòu)產(chǎn)生或者輔助，例如通過(guò)其它的至少一個(gè)燃料電池或者通過(guò)在下文中提及的與電動(dòng)馬達(dá)耦聯(lián)的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生或者輔助。
[0016]在一個(gè)尤其有利的實(shí)施方式中，壓縮機(jī)單元構(gòu)建用于:提供具有如下體積流和壓強(qiáng)的加壓的空氣，所述積流和壓強(qiáng)使得加壓的空氣至少在飛行器停留在地面和啟動(dòng)時(shí)足以運(yùn)行飛行器的空調(diào)系統(tǒng)，所述空調(diào)系統(tǒng)具有至少一個(gè)基于空氣循環(huán)過(guò)程的空調(diào)設(shè)備。輔助能量系統(tǒng)由此不僅能夠替代傳統(tǒng)的輔助推進(jìn)器的功能，而且能夠同時(shí)至少在飛行器啟動(dòng)時(shí)使主推進(jìn)器減壓，所述主推進(jìn)器在啟動(dòng)階段中必須提供高的機(jī)械功率進(jìn)而至少不必再提供泄放空氣。由此能夠改進(jìn)推進(jìn)器的效率，甚至可以考慮，根據(jù)本發(fā)明的輔助能量系統(tǒng)在整個(gè)飛行期間提供電功率和加壓的空氣。
[0017]在一個(gè)有利的實(shí)施方式中，燃料電池被空氣冷卻。特別地，通過(guò)使用輔助能量系統(tǒng)中的壓縮機(jī)單元，產(chǎn)生持續(xù)的空氣流，所述空氣流可用于至少一個(gè)燃料電池的貫穿沖洗或環(huán)繞沖洗。由此，能夠節(jié)省例如使用液態(tài)的制冷劑的單獨(dú)的冷卻循環(huán)，使得輔助能量系統(tǒng)的重量不因獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)而提高。
[0018]此外有利的是，至少一個(gè)燃料電池具有開放的陰極并且構(gòu)建用于，以空氣作為氧化劑來(lái)運(yùn)行。由此不僅一起輸送氧變得多余而且集成從氧罐至陰極的輸送管道也變得多余。這也減少了輔助能量系統(tǒng)的總重量。
[0019]尤其有利的是，至少一個(gè)燃料電池構(gòu)成為聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池。所需要的溫度等級(jí)是相對(duì)低的，此外，結(jié)構(gòu)類型在技術(shù)方面是成熟的并且具有高的功率密度。
[0020]輔助能量系統(tǒng)還能夠具