自主飞行器燃料电池系统的制作方法

本公开的实施例大体涉及用于提供改进的飞行器燃料电池系统的系统和方法。在一个实施例中，系统提供分离的区，使各种设备部件维持在分离的受控氢浓度区中。在一个实施例中，所提供的燃料电池系统可以更简单使得其在没有功率转换器的情况下起作用，并且是自主的使得其在不需要来自任何飞行器供给的功率的情况下起作用。

背景技术：

每天有大量的人借助飞行器、火车、公共汽车和其他交通工具旅行。这样的交通工具往往设置有对于乘客舒适度和满意度重要的部件。例如，乘客飞行器(商用和私人飞行器两者)可以具有餐饮设备、加热/冷却系统、盥洗室、热水器、电动座椅或床、乘客娱乐单元、照明系统和要求电功率用于其激活和正常操作的其他部件。这些部件一般被称为“非必需”设备。这是因为部件与包括运行飞行器所要求的电气部件的“必需”设备(即，导航系统、燃料表、飞行控制器和液压系统)分离。

这些部件的一个持续的问题是它们的能量消耗。随着非必需设备系统变得越来越多，它们要求越来越多的功率。另外，因为更多的设备部件被转换成以电为动力的设备(而不是以液压或机械为动力的设备)，所以功率可用性可能变成飞行器上的关注点。这些系统典型地由从飞行器引擎驱动发电机汲取的功率供电(尽管它们可以从飞行器辅助功率单元或当飞行器在地面时的地面功率单元得到功率)。然而，飞行器功率的使用产生噪音和co2排放，这两者都被期望降低。总能量消耗也可能相当大，特别是对于机上有上数百名乘客的长途飞行。

燃料电池系统的技术提供了一种有前途、更清洁且更安静的方式来补充已经在商业飞行器上的能源。燃料电池系统通过将液体、气体或固体氢的燃料源与诸如空气中的氧、压缩氧或化学氧生成的氧的源组合而产生电能作为主产物。燃料电池系统消耗氢(h2)和氧(o2)以产生电功率。h2和o2气体可以借助一般包括用于存储气体的高压气罐的气体分配系统来提供。

燃料电池系统一般设计有在两个气体分配系统(h2和o2)上的两个在线压力调节器，以便使气体从高压存储气罐到低压入口膨胀(用于h2和o2气体的适当的燃料电池入口压力)。燃料电池系统的阳极和阴极压力应该连结起来以便限制两个燃料电池入口压力(阳极和阴极)之间的压力差异，以避免燃料电池膜的损坏。

氢或其他潜在爆炸性气体在使用中无论何时，都有需满足的规定。例如，atex指令由概述了对于在具有潜在爆炸性气氛的环境中允许什么设备和工作环境的要求的两个欧洲指令构成。(atex从94/9/ec指令的法文标题：appareilsdestinésàêtreutilisésenatmosphèresexplosibles得到其名称。)燃料电池系统典型地需要使用atex执行器和传感器，和以别的方式符合atex。本公开涉及用于燃料电池系统的允许它们符合atex的改进，同时减少了所要求的符合的部件的总数量和限制了燃料电池系统的要求符合的部件的部分。本公开还涉及用于燃料电池系统的允许燃料电池系统自主地操作的改进。燃料电池系统可以在不要求来自飞行器的功率的情况下操作。燃料电池系统还可以设计成在不要求功率转换器的情况下操作。

技术实现要素：

本公开的实施例大体涉及用于提供改进的飞行器燃料电池系统的系统和方法。在一个实施例中，系统提供了分离的区，使各种设备部件维持在分离的受控氢浓度区中。在一个实施例中，所描述的燃料电池系统可以被设计成在没有任何飞行器功率供给的情况下起作用，并因此被认为是自主的。在一个实施例中，所提供的燃料电池系统可以比传统燃料电池系统更简单使得其在没有功率转换器的情况下起作用。

在一个示例中，提供有一种飞行器燃料电池系统，包括高压氢浓度区；低压氢浓度区；高压氢浓度区和低压氢浓度区中的每一个包括氢浓度传感器；和送风机系统，其被配置成基于由氢浓度传感器检测到的含氢气体浓度向高压氢浓度区和低压氢浓度区中的一个或两者提供稀释空气。高压氢浓度区可以容纳一个或多个含氢源。低压氢浓度区可以容纳燃料电池。送风机系统可以包括与和燃料电池系统相关联的热交换器相关联的一个或多个风扇。系统还可以包括混合调节器，其提供燃料电池中的压力的单级调节。

还提供有一种用于稀释含氢气体气氛的方法，包括：基于其中所包含的设备的有差异的操作压力来提供至少两个分离的区；各区包括氢浓度传感器；检测区中的至少一个区内的氢浓度；如果氢浓度高于预定水平，则激活用于稀释含氢气体或从区中去除含氢气体的送风机系统。

进一步的示例提供了一种飞行器燃料电池系统，包括：燃料电池；用于燃料电池起作用的相关辅助设备；电池；电池充电器；预加载电阻器；和配置成控制由燃料电池生成的电力的流的一系列接触器。一系列接触器可以包括电阻器接触器、燃料电池接触器、电池接触器和母线接触器。在一个示例中，根据飞行器负载的功率请求，电池接触器被闭合并且母线接触器被闭合并且开启燃料电池启动过程。系统可以自主地且在没有连结至飞行器功率供给的情况下操作。系统也可以在没有使用功率转换器的情况下将功率输送至飞行器负载。

还提供有一种用于向飞行器负载供电的方法，包括：提供如所公开的飞行器燃料电池系统；从飞行器负载中的一个或多个接收对于功率的请求；将初始功率供给从电池输送至负载；和将进一步的功率供给从燃料电池输送至负载。

附图说明

图1示出了示出提供高压氢浓度区和低压氢浓度区的系统流体架构的示意图。

图2是图示出系统功率架构的一个实施例的示意图。

图3是图示出图2的系统的各种状态水平的示意图。其图示出根据目标功能的系统操作，为了使系统在没有使用飞行器功率供给的情况下自主地操作。

具体实施方式

在以下描述中，将描述本发明的各种实施例。为了说明的目的，陈述了具体配置和细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说本发明可以在没有具体细节的情况下实践也是显而易见的。此外，众所周知的特征可以省略或简化以免使所描述的实施例模糊不清。

虽然本文描述的实施例发现了在乘客飞行器上的特定使用并且一般关于此进行描述，但应该理解的是，系统可以在其他交通工具上使用，例如公共汽车、火车、航天器、水船或配备有一个或多个燃料电池系统的任何其他适当的运输交通工具。因此，虽然本文讨论的燃料电池技术是关于在飞行器上的使用，但是绝不意在如此地受限。依照本公开使用的燃料电池系统中的任一个燃料电池系统也可以是低温燃料电池、高温燃料电池或任何其他类型的燃料电池。

燃料电池系统可以在飞行器(或其他交通工具)上使用，用于生成电功率。功率可以被沿规定路线传至任何适当的设备或飞行器负载以便利用所生成的功率。燃料电池系统10是通过涉及氢h2或其他燃料源和富氧气体(例如，空气)的电化学反应将化学能转化成电能的装置。燃料电池系统10将含氢气体的输入与氧和/或空气的输入组合以生成电能(功率)。

在一个示例中，本公开提供一种用于通过提供“高压氢浓度区”12(hp区)和“低压氢浓度区”14(lp区)来管理含氢气体泄漏的系统100。图1提供了示出该特征的系统流体架构的示例。如图示的，可以提供有与低压氢浓度(lp)区14分离的高压氢浓度(hp)区12。hp区12容纳了一般具有高操作压力的设备。lp区14容纳了在设备内具有较低操作压力的设备。这些不同的区12、14可以被提供以便帮助管理任何潜在的含氢气体泄漏。在一个实施例中，各区被提供为分离的体积，该分离的体积具有描绘区的范围的物理边界。

各区还设置有氢浓度传感器16。氢浓度传感器16被提供以便测量各特定区内的含氢气体浓度。所使用的这些传感器可以在各区中是不同类型/技术的。

hp区12可以集成在受控体积中并设置有氢浓度传感器16。如下面所概述的，hp区12中的氢(或含氢气体)的连续稀释可以或者通过在受控体积内的自然空气对流或者通过使用空气送风机系统20在受控体积内吹送空气来保证。

类似地，lp区14可以集成到包括分离的氢浓度传感器16的分离的受控体积中。lp区中的氢(或含氢气体)的连续稀释也可以通过在受控体积内的自然空气对流或者通过使用空气送风机系统20’在受控体积内吹送空气来保证。

所描述的稀释系统100配置帮助完全地至始至终地防止使用atex规定的设备。通过使hp区12和lp区14与气氛和系统的其余部分分离，可以与系统设计的其余部分一起使用普通(非atex)传感器和致动器。

如示出的，hp区12包含一个或多个含氢源18和诸如高压氢从中流过的管道部的任何其他部件。在一个示例中，一个或多个含氢源包括氢气罐。lp区14容纳了燃料电池装置10的至少一部分和含氢气体可以从中流过用于发电的任何其他设备。如由图1图示出的，lp区14可以容纳燃料电池。提供分离的区的益处之一在于，如果特定区域中有含氢气体泄漏的潜在性，则该区域中的所有设备都需要是防爆的。通过基于不同设备操作压力提供不同且分离的区，可以使这些区中的每一个区内所包含的设备保持与气氛的其余部分分离，使得仅hp区12和lp区14中的设备需要定级为特定atex水平。hp区12或者lp区14中的任一个外侧的任何设备都不需要是防爆的，或以别的方式atex定级。

各区的壁可以是防爆的，但这不是要求的。也可以提供围绕hp区12和lp区14中的每一个的更大的周界，但这不是要求的。

在使用中，如果特定区12、14中测得的氢浓度处于或高于预定可接受限值(下面进一步讨论的示例性参数)，则系统被配置成使适当的空气流量流动到该区的体积中。在一个示例中，该适当的空气流量可以借助送风机20、20’来输送。

在一个示例中，送风机系统20可以被提供以便限制最初的含氢气体浓度。在另一示例中，送风机系统20可以被配置成使得如果由在不同区12、14的受控体积内侧的氢传感器16测得的含氢气体浓度达到太高的水平，则送风机系统被激活以便将含氢气体浓度降低至安全水平。预定的可接受限值可以被设定为解决这些示例中的任一个。

含氢气体浓度的预定的可接受限值可以被设定为在不同区12、14的每一个区中处于不同水平。空气流量因此也可以被设定为不同。换言之，可以有两个不同的检测水平设定。另外，可以有用于单独区的不同水平的流量设定。所准许的“安全”氢浓度(基于适用的规定和规则)很可能在hp区和lp区两者中相同，但是导致这些浓度的h2泄漏率将在hp和lp区中有差异。这主要因为hp区12包含氢存储18。导致受控体积中的导致给定h2浓度的h2泄漏率将与lp区中相比在hp区中更高。结果，为使h2浓度维持在可接受范围内，在hp区中的体积内吹送所要求的空气流量将比在lp区中高。

在一个具体示例中，特定规则或规定可以限定可在特定区域中准许的可接受的含氢气体浓度。这些限值往往基于气体的可燃下限(lfl)，可燃下限是用来限定气体的行为及其生成可燃气氛的倾向的物理参数。例如，对于含氢气体气氛，可能是hp区12或lp区14的受控体积内所包含的空气中的含氢气体浓度应该小于4％的情况。大于这个的任何量都可能创建可燃气氛。于是，所公开的系统架构可以被设定为使得特定区中的空气中的含氢气体浓度的低于lfl的25％的任何量都被认为是正常且安全的情况(在该示例中是1％)。在该配置中，送风机系统输送标准的、低水平的空气流量。如果特定区中的空气中的氢浓度的量达到lfl的25％至50％之间的量(在该示例中，达到2％)，那么系统以将氢浓度降低至低于lfl的25％的目标而增加空气流动。如果特定区中的空气中的氢浓度的量达到高于lfl的50％的量(在该示例中，高于2％)，则可以关闭氢供给并且可以切断系统。这样的含氢气体浓度可能表示非受控的氢泄漏。在另一示例中，如果特定区中的空气中的含氢气体浓度的量达到高于lfl的50％的量，则系统可以增加空气流动持续某一时间量，重新检查区中的氢浓度，并且如果没有降低至可接受的水平，那么可以切断系统。lfl的这些百分比(25％和50％)是目前行业中使用的百分比。然而，应该理解的是，所公开的系统可以在具有不同气体的其他潜在爆炸性气氛中使用，并且百分比和数量可以改变。以上示例仅用于说明的目的。如有必要，系统可以取决于任何特定国家的任何特定规则或规定或者基于爆炸性气体的任何特定lfl来修改。以上策略可以在高压区12和低压区14中的每一个中相同，但是控制系统可以对于各区是单独的。

因为本文描述的稀释系统100被定位在飞行器或其他封闭系统上，所以发现送风机系统20一般是必要的。归因于燃料电池系统在飞行器上的位置，交通工具的速度一般预计不会提供吹送空气的合适的源。然而归因于高度的压力差异可以用来提供用于系统100的吹送/稀释空气中的一些空气。在该示例中，可以利用飞行器内侧与飞行器外侧之间的压力差。飞行器内侧的压力较高，所以如果使用装适当的阀门的开口(例如流出阀)，将会提供从飞行器外侧到稀释系统100内的自然空气流动。

在一个实施例中，可以提供有用于hp区12的第一送风机系统和用于lp区14的第二送风机系统。在可选实施例中，高压区12和低压区14可以共享单个送风机系统20。例如，送风机系统可以使空气分裂成将各被引导至hp区12或lp区14中的一个区的两个不同的流。

在一个示例中，空气送风机系统20、20’可以是与热交换器/散热器44相关联的送风机/风扇48。这可以是热交换器风扇48的有用的重新使用，因为热交换器44一般与燃料电池相连地设置，以便管理由燃料电池起作用生成的热。如背景技术中那样，在燃料电池系统中，由燃料电池生成的热必须从系统中排出来以使其操作温度维持在适当水平(对于pem燃料电池系统，一般在60℃与80℃之间)。一般地，该热通过热交换器/散热器44来处理。散热器44具有液体/空气热交换器46和安装到一起的一个或若干风扇48。风扇48的功能是生成吹送通过热交换器的适当且合适的空气流，以收集从燃料电池系统冷却回路中出来的热量。在所提出的实施例中，可以利用相对于燃料电池系统已经在适当位置的热交换器风扇48的存在，以便生成可以适合于hp和/或lp区中的冷却需要和氢稀释需要两者的空气流。

使用热交换器/散热器44和送风机48可以防止对于为所描述的稀释系统100提供用于维持各区中的含氢气体的可接受的水平的分离且专用的送风机系统的需要。然而，在另一示例中，可以提供分离的专用送风机系统20、20’。hp区和lp区可以共享送风机系统。可选地，hp区和lp区可以具有分离的送风机系统20、20’。一个或多个的超压装置(例如，压力释放阀、爆炸隔板(burstdisk)、热释放阀等等)62也可以被连接至向机外吹送的通风线。这可以从系统和飞行器上去除含氢气体。

吹送空气可以被全部输送至单个区，或者空气可以被转向使得它可用于两个区(一齐地，如果需要的话)。例如，可能有必要适当地引导空气，以便控制流量和为了使lfl降低至期望范围所要求的量。可以提供有一个或多个管道60，其起作用以捕获离开热交换器/散热器风扇48的空气并将空气重新引导至稀释系统100。如果对于稀释需要空气，则阀62可以保持打开从而将空气引导至稀释系统100。如果空气不需要稀释，则阀62可以将来自送风机48的空气排放到机外。如果含氢空气水平达到某一预定水平，则与氢浓度传感器16相关联的控制系统可以输送指示需要稀释空气的信号。

一旦送风机系统20已被激活以便使空气移动通过特定区12、14用于稀释，离开区12、14的含氢空气流就可以被引导至周围空气/周边环境或者被引导至催化燃烧器系统，燃烧器系统可以使流动中所包含的氢燃烧并将其转化成水。(这由题为“具有催化燃烧器系统的飞行器燃料电池系统”的共同未决的申请wo2014/136098进行了描述)。

实施例还提供了用于稀释含氢气体气氛的方法，包括：基于其中所包含的设备的有差异的操作压力提供至少两个分离的区；各区包括氢浓度传感器；检测区中的至少一个区内的氢浓度；如果氢浓度高于预定水平，则激活送风机系统以用于稀释含氢气体或从区中去除含氢气体。

应该理解的是，所描述的系统可以与其他架构相连地使用，并且不限于与使用压缩氧和氢的燃料电池一起使用。例如，系统可以以使用压缩空气、固体或基于材料的氢存储的任何环境或者任何其他潜在爆炸性环境使用。

本发明的实施例还涉及可以提供直接从高压的一步减压的混合调节器54。如背景技术中那样，燃料电池系统10典型地具有阴极和阳极。电解液允许带正电荷的氢离子在燃料电池的两侧之间移动。氢离子被吸引通过电解液并且电子被从阳极通过外部电路吸引到阴极，产生了功率。在阴极，氢离子、电子和氧起反应以形成水。可能期望阳极和阴极在类似的压力下提供。这可以借助膜/减压器来完成。例如，可以在氧侧设置有使用由氢线给出的参考压力通过氢流体来控制的气动减压器。可选地，可以在氢侧有基于由氧线给出的参考压力控制的减压器。这样的减压器一般是膜减压器。在这些布置中，在膜的一侧有氧，并且在膜的另一侧有氢。可以在氢线上有减压器，并且在氧线上有分离的减压器。

使用该方法测量和管理压力典型地要求两个步骤，并且使用级联的两个压力调节器。该压力管理方法可能造成的一个问题是泄漏(膜的破裂)的潜在性，这可能会导致安全风险。该方法的另一缺陷是压力调节的低精度调节和低动态响应。

一些系统使用机械减压器与电子受控阀的组合，其中在氧和氢线中的每一个上具有专用压力传感器。这可能造成的一个问题在于它是更复杂的压力调节布置，要求可能对于开发是昂贵的软件和特有的控制规章，并且潜在地要求更频繁的修理。

在一个实施例中，本公开提供了一步/单步压力调节/减压器系统。系统不要求另一线中的流体的测量以便控制压力。而是，可以有设置在减压器内侧的螺线管(solenoid)，其可以直接使用由系统控制器供给的信息并且不需要来自另一线的压力指示。氢和氧可以从气罐压力(从氢气罐18和氧气罐52)直接膨胀为燃料电池操作压力。这可以使用组合了膜技术和能够适于预加载的线性致动器的混合调节器54来完成。这可以帮助确保获得目标出口压力，而不考虑入口压力。由混合调节器提供的可控性允许去除燃料电池的阳极与阴极侧之间的物理压力连结。可以提供混合调节器54的这样的精确调节的示例性系统被示出并描述在题为“具有以电为动力的主系统的气体减压器”的wo2015/128690中。

现在参见图2，现在将描述系统电气架构的一个实施例。在示例中，燃料电池装置10可以用于将电能供给至各种待供电的飞行器负载/设备。(它也可以为操作燃料电池自身所要求的辅助设备26供电，例如送风机、阀、传感器、压缩机、冷却泵等等。)燃料电池电压典型不同于由待供电的设备所要求的电压、并且随着实际供给至该设备的功率而变化。然而，对于一些应用和设备，期望提供大约28vdc的恒定系统输出目标电压以便输送恒定功率和恒定负载。在其他应用中，可能期望在大约270vdc的电压下操作。应该理解的是，本公开可以针对所期望的任何适当电压进行修改。为了实施该特征，燃料电池系统典型地使用功率转换器以确保由燃料电池生成的功率随后被输送至在恰当且适当的电压下被供电的负载。然而，在系统中使用功率转换器使系统效率劣化，这进而转化成增加的氢消耗和因此增加的整个系统的重量。功率转换器也需要由系统控制器来控制，这使得控制逻辑和软件更加复杂和开发成本高。

还期望提供可以在不需要任何来自交通工具功率供给或外部功率供给的情况下操作、但仍然具有最高可能的效率的自主燃料电池系统。为了提供这些特征和在燃料电池与待供电的设备之间没有使用功率转换器的情况下起作用，开发了由图2图示出的架构。系统30一般包括燃料电池10、电池28和电池充电器29。系统30还包括允许在没有功率转换器的情况下的操作和自主操作的特有的特征和设备。系统提供了在系统架构中被适当地定位和控制的一系列接触器，包括电阻器、电流传感器、电功率二极管和系统控制器(图2中未示出)。电阻器可以是预加载电阻器。系统30可以减轻对于功率转换器的需要，同时仍然能够自主地且瞬时地将在限定且恒定的电压下的电功率供给至飞行器负载。

能够在没有功率转换器的情况下操作确保了更高的系统效率和更低的氢消耗、更简单的控制逻辑和提高了的系统的可靠性。这些特征还允许飞行器燃料电池系统根据请求，自主地操作且瞬时地为飞行器负载供给要求量的电功率。例如，电池28可以在燃料系统启动时向飞行器负载输送即时功率。一旦燃料系统被启动了，它就可以输送所要求的功率。电池因此起到(a)以电池电压向飞行器负载提供初始量的功率和(b)为燃料电池提供功率的作用。

在使用中，电池28将系统30所供给的电压施加至负载。在一些操作情形中，燃料电池10电压可以低于或高于电池28电压。为了监测和调整供给至飞行器负载的电压和功率，可以实施本公开的系统。

如由图2图示出的，可以提供有四个接触器：电阻器接触器32、燃料电池接触器36、主母线接触器38和电池接触器40。电阻器接触器32可以被定位在电阻器34与燃料电池接触器36之间。燃料电池接触器36可以被定位在燃料电池传感器42与主母线接触器38之间，主母线接触器38可以是允许向飞行器负载输送功率的接触器。电池接触器40可以在待供电的负载之前被定位在电池28与主母线接触器38之间。

在系统启动时，系统控制器可以使用由电池28提供的功率来供电。主母线接触器38断开、电池接触器40断开、燃料电池接触器36断开并且电阻器接触器32断开。系统控制器可以执行自动状态检查序列。一旦该序列成功完成并且根据飞行器负载的功率请求，使电池接触器40闭合并且使主母线接触器38闭合。这允许电池28瞬时地以电池电压向飞行器负载提供所请求的功率量。并行地，根据飞行器负载的功率的请求，开启燃料电池启动过程。随着燃料电池10被给送氢和氧，燃料电池电压从0上升至开路电压(ocv)。该ocv典型地高于所请求和目标飞行器负载电压。接着使电阻器接触器32闭合，作为结果这使燃料电池电压一般处于或接近电池电压的预定电压水平。只要燃料电池电压高于预定电压水平，过多的能量就通过电阻器接触器32被消散。电阻器接触器32因此有助于提供电压限制功能。

当电阻器接触器32闭合时，这典型地使电压处于接近电池电压的预定电压水平。(电池电压通常是28vdc，但可以是270vdc，或视情况而定的任何其他电压。)可以接着使燃料电池接触器36闭合以便使用由燃料电池10生成的功率(而不是由电池生成的功率)向辅助设备26供电，以及开始给到电池充电器29的电池再充电。接着断开预加载电阻器接触器32。当电池28被再充电时，使母线接触器40断开并且使用由燃料电池系统单独生成的功率向飞行器负载输送功率。可以被供电的飞行器系统包括但不限于座椅、飞行中娱乐单元、厨房或盥洗室设备、医疗设备、床、机组人员休息区域设备、监视设备或任何其他飞行器功率负载。电池28已被再充电并且现在准备好了用于新的序列。图3图示出发电过程中的不同点处的系统流程的一个示例。

实施例还提供了用于向飞行器负载供电的方法，包括：提供如所公开的飞行器燃料电池系统；从飞行器负载中的一个或多个飞行器负载接收对于功率的请求；将初始功率供给从电池输送至负载；和将进一步的功率供给从燃料电池输送至负载。

通过提供该电气架构，系统30被允许完全自主的，并且不需要飞行器功率而起作用。事实上，该系统实际起作用以向其他飞行器负载提供功率。

应该理解的是，本公开涉及任何类型的燃料电池。在具体实施例中，燃料电池是质子交换膜燃料电池(pem燃料电池)。然而，应该理解的是，本公开也可以与任何其他类型的燃料电池相连地使用。

可以在不脱离本公开或所附权利要求的范围或精神的情况下对上面叙述和附图中所示的结构和方法进行改变和修改、添加和删除。