氮气富集的空气产生和燃料箱惰化系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及惰化或火灾扑灭系统和方法，例如用于惰化航行器燃料箱的系统和方法。
【背景技术】
[0002]燃料箱的气相空间(在液体燃料上方的空间)通常含有燃料蒸汽和空气的混合物。降低燃料箱中燃烧危险的一种方法是保持氧气浓度低于规定最大浓度。在2008年出台的FAA条例中要求在一些客机的一些燃料箱中氧气浓度为12%以下。对于军用航行器，最大氧气浓度通常较低，例如9 %。
[0003]惰化系统通过利用惰性气体(通常氮气)替代一些氧气来降低在燃料箱中燃烧的可能性。在航行器中使用的一种惰化系统被称作机载惰性气体产生系统(OBIGGS)。这种系统使用来自航行器引擎压缩机的压力通过中空纤维膜组件来驱动空气。该膜是氮气选择性的，并且产生氧气富集的空气(OEA)和氮气富集的空气(ΝΕΑ)。在引擎运行的同时，该系统连续地运行。NEA流入气相空间并且替代从气相空间排出到大气的空气和蒸汽。基于变压吸附(PSA)的NEA发生器也已经被提出。
[0004]US专利8，256，524描述了一种防火系统，其具有用于产生氮气富集的阴极废气的燃料电池。废气被供给到待保护的腔室。调节或控制单元控制燃料电池阴极的空气供给、燃料电池阳极的燃料供给和氮气富集的阴极废气到腔室的供给中的至少一种。
【发明内容】
[0005]下面段落的目的是向读者介绍详细的说明，并且没有限制或限定任何要求保护的发明。
[0006]本说明书描述了一种用于产生氮气富集的空气(NEA)的可选系统。所述系统可以用于例如惰化燃料箱，特别是航行器上的燃料箱。在一些情况下，所述系统可以独立于航行器引擎操作。任选地，NEA可以用于抑制航行器其他部位的火灾，例如货舱。
[0007]NEA产生系统使用燃料电池功率模块(FCPM)，例如基于聚合物电解质膜(PEM)的FCPM ο FCPM也产生可以用来向航行器上的任何电气负载供电的电力。如上所述，FCPM也产生可以用于惰化燃料箱或扑灭火灾的ΝΕΑ。
[0008]在一个系统中，FCPM废气的一部分再循环到其空气入口处。这会导致FCPM排放氧气浓度较低的空气。然而，通过FCPM的空气侧的所需流量得以维持。可以控制空气排放到空气入口的再循环率，以在各种操作条件下提供低于所选最大值的氧气浓度的废气。所述最大值可以根据惰化的需要改变。
【附图说明】
[0009]图1是燃料电池功率模块的示意图。
[0010]图2是具有燃料电池功率模块的航行器的示意图。
【具体实施方式】
[0011]目前，大多数班机在飞行期间从其主引擎以及在地面期间从辅助动力单元(APU)提供电力和压缩空气用于非推进系统。在飞行期间，从主引擎的压缩阶段排出压缩空气并且通过机舱分布。机舱压力通过溢流阀调节。电能通过由主引擎供给动力的发生器产生。APU通常是也产生电力和压缩空气的小型气体涡轮引擎。APU主要是在地面上操作，但是在紧急情况下在飞行中也可以使用。
[0012]APU通常在将燃料转化到电力和引擎中时只有15%左右的效率，并且通过使用主引擎来产生压缩空气和电力使得航行器设计很复杂。为了提高效率或提供更简单的系统，已经有许多的提议将非推进负载从主引擎中除去并利用更高效的技术代替APU。在一个例子中，波音787使用在活塞式引擎航行器中用到的电动压缩机来提供压缩空气用于机舱增压。对于“多电飞机”或“全电飞机”的许多提议建议将航行器上的一些或全部电力负载从主引擎转移到APU。在另一个例子中，德国航空航天中心在Airbus A320中安装氢燃料电池，从而在地面上提供辅助电力，以减少放在常规APU上的电力负载。
[0013]至少两种小型航行器已经使用由氢供电的PEM燃料电池飞行。在这些情况下，氢作为在至少一种情况下是液化形式的氢被载于航行器上。然而，氢也可以从煤油中产生。欧洲委员会已经资助了被称为绿色空气(GreenAir)的项目，以研发用于在航行器上从基于煤油的喷气燃料连续产生氢的系统。至少已经提出，也可以在航行器中操作固体氧化物燃料电池(S0FC) ο SOFC可以被构造成使得喷气燃料直接地运行。
[0014]被供给作为氧源的空气的燃料电池通过消耗氧气自然地产生氮气富集的空气(ΝΕΑ)。然而，废气中的氧气浓度很可能太高而不能将NEA作为惰性气体使用。这是因为相对于空气量，过量的空气将会携带化学计量量的氧气而与氢气反应，并流过燃料电池堆。过量的空气用于将水分从燃料电池堆除去并且有助于确保燃料电池堆的流场内的局部区域不缺氧。在燃料电池堆的流场的任何部分中的局部水浸或氧气缺失将会损坏燃料电池堆。为了避免损坏而在PEM燃料电池功率模块中通常规定的过量的空气量为将会携带化学计量量的氧气的空气量的1.5?3倍。为了简便起见，这种过量的空气量被描述为“N倍的化学计量里ο
[0015]采用上述最小空气量，S卩，1.5倍的化学计量量，废气具有约8%的氧气浓度。这低于在航行器燃料箱的气相空间中允许的最大氧气浓度。然而，这种操作模式仅能在一些常规的PEM燃料电池功率模块(FCPM)中维持，并且即使在那些设备中，当在接近满功率下操作时，一些燃料电池模块也不能在小于例如2倍的化学计量量下操作。此外，可以在1.5倍的化学计量量下满功率操作的燃料电池很可能需要在功率降低下操作时的接近2或3倍化学计量量的空气。在这些情况下，废气将会具有接近或高于在航行器燃料箱的气相空间中允许的最大氧气浓度的约12-15%的氧气。鉴于当航行器下降时航行器燃料箱处于环境空气中并且这种环境空气必须迅速地稀释以使气相空间保持在低于最大氧气浓度，对于民用航行器而言，用于惰化航行器燃料箱的NEA优选具有约10%以下的氧气。军用航行器需要甚至更低氧含量的ΝΕΑ。因此，虽然燃料电池总是产生作为废气的ΝΕΑ，但是废气对于燃料箱惰化不总是有用的。此外，由于有可能损坏燃料电池堆，所以仅仅限制空气到FCPM的流动不是可接受的解决方案。
[0016]在下面更加详细描述的FCPM中，从燃料电池堆的阴极(空气)侧出口到燃料电池堆的阴极(空气)侧入口之间存在旁路管线。至少一个可控设备被构造成允许改变通过旁路管线的流量。控制器被设置用来控制可控设备。其方法涉及到改变空气出口到空气入口的再循环率，从而在废气中提供所需的氧气浓度。废气可以用作燃料箱惰化介质或灭火剂，例如在航行器中。
[0017]图1示出了燃料电池功率模块(FCPM)1。系统1包括燃料电池堆12、吹风机14、空气入口 16、吹风机入口管线18、空气出口管线20、再循环管线22、排气阀24、再循环阀26、氧气浓度传感器28和控制器30。任选地，在再循环管线22中可以有除湿器或冷凝器34，FCPM10也包括若干其他的常规元件，例如为了强调FCPM 10的更多材料元件而未在图1中示出的氢气(或含氢燃料)供给。系统10中的元件构成可以被改变。例如，可以仅存在排气阀24和再循环阀26之一。在另一个例子中，类似的系统可以配置有连接到空气出口管线20的吹风机14。任选地，空气入口 16可以从航行器的机舱或直接地从主引擎或APU接收预压缩空气，并且在某些构成中，吹风机14不需要压缩进入的空气。
[0018]在所示的FCPM 10中，可以准许空气通过打开再循环阀26流过再循环管线22。利用至少部分打开的再循环阀26，空气出口管线20和吹风机14的吸入侧之间的压力差造成在再循环管线22中的流动。通过打开再循环阀26可以增加或者通过关闭再循环阀26可以减少再循环管线22中的流动。当再循环阀26至少部分