用于飞行器的辅助能量系统和具有这种辅助能量系统的飞行器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于飞行器的辅助能量系统和具有这种辅助能量系统的飞行器。
【背景技术】
[0002]通常，客运飞行器装配有辅助推进器，所述辅助推进器尤其在停留在地面时用于机载系统的供电并且用于推进器的启动。辅助推进器通常构成为与发电机耦联的燃气轮机，所述燃气轮机在要求小的结构空间的情况下提供高的电功率并且以与空气泄放接口连接的方式提供高的气动功率。由此能够保证给地面上的飞行器的电部件供电以及通过输送泄放空气来运行空调系统。然而由于作为燃气轮机的构成方案，需将显著地产生噪声考虑在内，此外，燃气轮机消耗大量所输送的燃料。根据所使用的发动机燃料，需将在飞行器的周围中未燃烧的烃类、氮氧化物和其它有害物质的排出考虑在内。
[0003]运行辅助推进器尤其在城市区域中在许多机场上明显受到限制。
[0004]EP I 928 745 BI和EP 2 222 562 BI示出燃料电池系统，所述燃料电池系统集成到飞行器中。
【发明内容】
[0005]尤其作为本发明的目的理解的是，提出一种辅助能量系统，所述辅助能量系统能够可靠且有效地提供电功率和气动功率，然而同时具有低的燃料消耗并且仅具有低的噪声排放。
[0006]所述目的通过具有一种辅助能量系统实现，其用于飞行器，所述辅助能量系统具有:至少一个燃料电池单元，所述燃料电池单元分别具有至少一个燃料电池、电压输出端、燃料输入端和用于反应产物的排出口 ；能够与所述燃料电池单元的所述燃料输入端耦联的燃料罐;至少一个压缩机单元，所述压缩机单元具有空气输入端和空气输出端；和电动马达，所述电动马达能够与至少一个所述燃料电池单元的电压输出端耦联并且能够经由轴与至少一个所述压缩机单元耦联，其中至少所述燃料电池单元、所述压缩机单元和所述电动马达连接为连续的单元，所述连续的单元持续地提供电功率和加压的空气。有利的实施方式和改进方案从本文和下述描述中得出。
[0007]提出一种用于飞行器的辅助能量系统，所述辅助能量系统具有:至少一个燃料电池单元，所述燃料电池单元分别具有至少一个燃料电池、电压输出端、燃料输入端和反应产物的排出口；可与燃料电池单元的燃料输入端耦联的燃料罐;至少一个压缩机单元，所述压缩机单元具有空气输入端和空气输出端；以及电动马达，所述电动马达可与至少一个燃料电池单元的电压输出端耦联并且可经由轴与至少一个压缩机单元耦联。至少一个燃料电池单元、压缩机单元和电动马达至少连接为一个连续的单元，所述单元持续地提供电功率和加压的空气。
[0008]至少一个燃料电池能够以任意的类型实现，除了聚合物电解质膜燃料电池(PEM燃料电池)外，也能够使用磷酸燃料电池或者其它中温燃料电池，其中这两种类型的燃料电池的温度等级能够相应地进行选择。对于PEM燃料电池，能够选择中间的和较高的、为60°C至90°C的温度，而中温燃料电池可通过明显更高的、例如为120°C或更高的温度来运行。替选地，也可以考虑与固体氧化物燃料电池的组合，其温度范围大于500 °C。
[0009]能够将表述“至少一个燃料电池”理解为:不仅可使用一个唯一的燃料电池而且可使用多个串联连接的或者并联连接的或呈复合件或者堆形式的燃料电池。特别地，在多个燃料电池构成为燃料电池堆的情况下，输送管道和进入口或导出管道和排出口能够以理想的方式彼此组合。
[0010]燃料罐是如下单元，所述单元能够按需要将燃料引导给燃料电池单元，其中根据所使用的燃料可使用不同的技术。尤其在使用之前必须转化为含氢的气体的液体燃料在对于飞行器而言常见的温度中以液态存在并且仅可存储在不绝缘的罐中，而气态燃料例如氢，需要与其匹配的罐。例如提供低温罐，其中氢被持续地保持或者冷却到低于氢的沸点的温度上，替选地，在更短的使用持续时间期间内，蓄压器或者金属氢化物储存器也能够是适合的。
[0011]特别地，为了提供加压的空气，需要压缩机单元，所述压缩机单元具有空气输入端和空气输出端。空气输入端能够与飞行器的机身中的空气输送口流体连接，只要辅助能量系统仅用于地面运行，那么对于所述空气输送口不提出特别的要求。如果辅助能量系统也应在飞行阶段中运行，那么提供NACA进入口或者冲压空气进入口，所述NACA进入口或者冲压空气进入口不仅在单独地运输空气时而且在飞行时需尤其匹配于尽可能最小的附加的流动阻力和尽可能小的噪音形成。空气输出端能够与泄放空气管道连接，所述泄放空气管道消耗辅助能量系统所要求的加压的空气。由此不排除:其它的装置也与空气输出端连接。
[0012]不仅能够使用轴流式压缩机也能够使用径流式压缩机作为压缩机单元，其中径流式压缩机由于缺少燃烧室和缺少涡轮机是更优选的，因为其在受限的结构空间上尤其沿着径向方向产生非常好的气动性能。
[0013]因为根据本发明的辅助能量系统旨在替换传统的辅助推进器，所以提供:其至少将燃料电池单元、燃料罐、压缩机单元和电动马达连接为连续的单元。这种整装的、独立的单元能够极其容易地与现有的APU交换。在连续的单元中应注意的是，位置和所有接口处的可期望的物理参数对应于传统的辅助推进器的位置和所有接口处的可期望的物理参数。
[0014]因此，通过应用根据本发明的特征能够提供一种辅助能量系统，所述辅助能量系统非常有效且噪音小地运行，具有高的效率并且由于小的噪音和小的有害物质排放非常适合于地面使用。
[0015]至少一个燃料电池单元首先产生给电动马达供电的主要电功率。为了向外输出电功率，至少一个燃料电池单元能够设计用于在给电动马达供电之后提供功率过剩。另一方面，电功率的输出也能够通过其它机构产生或者辅助，例如通过其它的至少一个燃料电池或者通过在下文中提及的与电动马达耦联的发电机产生或者辅助。
[0016]在一个尤其有利的实施方式中，压缩机单元构建用于:提供具有如下体积流和压强的加压的空气，所述积流和压强使得加压的空气至少在飞行器停留在地面和启动时足以运行飞行器的空调系统，所述空调系统具有至少一个基于空气循环过程的空调设备。辅助能量系统由此不仅能够替代传统的辅助推进器的功能，而且能够同时至少在飞行器启动时使主推进器减压，所述主推进器在启动阶段中必须提供高的机械功率进而至少不必再提供泄放空气。由此能够改进推进器的效率，甚至可以考虑，根据本发明的辅助能量系统在整个飞行期间提供电功率和加压的空气。
[0017]在一个有利的实施方式中，燃料电池被空气冷却。特别地，通过使用辅助能量系统中的压缩机单元，产生持续的空气流，所述空气流可用于至少一个燃料电池的贯穿冲洗或环绕冲洗。由此，能够节省例如使用液态的制冷剂的单独的冷却循环，使得辅助能量系统的重量不因独立的冷却系统而提高。
[0018]此外有利的是，至少一个燃料电池具有开放的阴极并且构建用于，以空气作为氧化剂来运行。由此不仅一起输送氧变得多余而且集成从氧罐至阴极的输送管道也变得多余。这也减少了辅助能量系统的总重量。
[0019]尤其有利的是，至少一个燃料电池构成为聚合物电解质膜(PEM)燃料电池。所需要的温度等级是相对低的，此外，结构类型在技术方面是成熟的并且具有高的功率密度。
[0020]辅助能量系统还能够具