提供电能、贫氧空气和水的方法和供应系统以及飞行器的制造方法
【专利说明】提供电能、贫氧空气和水的方法和供应系统以及飞行器
[0001]相关申请的引用
[0002]本申请要求于2014年7月29日提交的欧洲专利申请N0.14 178 937.0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
[0003]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】
[0004]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”(TEF0)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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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】
[0008]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。
[0009]通过包括权利要求1中限定的特征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从属权利要求和下列描述中获得。
[0010]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。
[0011 ] 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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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TEF0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。
[0025]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。
[0026]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