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
【技術領域】
[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】
[0002]通常，客運飛行器裝配有輔助推進器，所述輔助推進器尤其在停留在地面時用于機載系統(tǒng)的供電并且用于推進器的啟動。輔助推進器通常構成為與發(fā)電機耦聯(lián)的燃氣輪機，所述燃氣輪機在要求小的結構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輸送泄放空氣來運行空調系統(tǒng)。然而由于作為燃氣輪機的構成方案，需將顯著地產生噪聲考慮在內，此外，燃氣輪機消耗大量所輸送的燃料。根據(jù)所使用的發(fā)動機燃料，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的排出考慮在內。
[0003]運行輔助推進器尤其在城市區(qū)域中在許多機場上明顯受到限制。
[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功率，然而同時具有低的燃料消耗并且僅具有低的噪聲排放。
[0006]所述目的通過具有一種輔助能量系統(tǒng)實現(xiàn)，其用于飛行器，所述輔助能量系統(tǒng)具有:至少一個燃料電池單元，所述燃料電池單元分別具有至少一個燃料電池、電壓輸出端、燃料輸入端和用于反應產物的排出口 ；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;至少一個壓縮機單元，所述壓縮機單元具有空氣輸入端和空氣輸出端；和電動馬達，所述電動馬達能夠與至少一個所述燃料電池單元的電壓輸出端耦聯(lián)并且能夠經由軸與至少一個所述壓縮機單元耦聯(lián)，其中至少所述燃料電池單元、所述壓縮機單元和所述電動馬達連接為連續(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。有利的實施方式和改進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:至少一個燃料電池單元，所述燃料電池單元分別具有至少一個燃料電池、電壓輸出端、燃料輸入端和反應產物的排出口；可與燃料電池單元的燃料輸入端耦聯(lián)的燃料罐;至少一個壓縮機單元，所述壓縮機單元具有空氣輸入端和空氣輸出端；以及電動馬達，所述電動馬達可與至少一個燃料電池單元的電壓輸出端耦聯(lián)并且可經由軸與至少一個壓縮機單元耦聯(lián)。至少一個燃料電池單元、壓縮機單元和電動馬達至少連接為一個連續(xù)的單元，所述單元持續(xù)地提供電功率和加壓的空氣。
[0008]至少一個燃料電池能夠以任意的類型實現(xiàn)，除了聚合物電解質膜燃料電池(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能夠相應地進行選擇。對于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明顯更高的、例如為120°C或更高的溫度來運行。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]能夠將表述“至少一個燃料電池”理解為:不僅可使用一個唯一的燃料電池而且可使用多個串聯(lián)連接的或者并聯(lián)連接的或呈復合件或者堆形式的燃料電池。特別地，在多個燃料電池構成為燃料電池堆的情況下，輸送管道和進入口或導出管道和排出口能夠以理想的方式彼此組合。
[0010]燃料罐是如下單元，所述單元能夠按需要將燃料引導給燃料電池單元，其中根據(jù)所使用的燃料可使用不同的技術。尤其在使用之前必須轉化為含氫的氣體的液體燃料在對于飛行器而言常見的溫度中以液態(tài)存在并且僅可存儲在不絕緣的罐中，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的溫度上，替選地，在更短的使用持續(xù)時間期間內，蓄壓器或者金屬氫化物儲存器也能夠是適合的。
[0011]特別地，為了提供加壓的空氣，需要壓縮機單元，所述壓縮機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)僅用于地面運行，那么對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)也應在飛行階段中運行，那么提供NACA進入口或者沖壓空氣進入口，所述NACA進入口或者沖壓空氣進入口不僅在單獨地運輸空氣時而且在飛行時需尤其匹配于盡可能最小的附加的流動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也能夠使用徑流式壓縮機作為壓縮機單元，其中徑流式壓縮機由于缺少燃燒室和缺少渦輪機是更優(yōu)選的，因為其在受限的結構空間上尤其沿著徑向方向產生非常好的氣動性能。
[0013]因為根據(jù)本發(fā)明的輔助能量系統(tǒng)旨在替換傳統(tǒng)的輔助推進器，所以提供:其至少將燃料電池單元、燃料罐、壓縮機單元和電動馬達連接為連續(xù)的單元。這種整裝的、獨立的單元能夠極其容易地與現(xiàn)有的APU交換。在連續(xù)的單元中應注意的是，位置和所有接口處的可期望的物理參數(shù)對應于傳統(tǒng)的輔助推進器的位置和所有接口處的可期望的物理參數(shù)。
[0014]因此，通過應用根據(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行，具有高的效率并且由于小的噪音和小的有害物質排放非常適合于地面使用。
[0015]至少一個燃料電池單元首先產生給電動馬達供電的主要電功率。為了向外輸出電功率，至少一個燃料電池單元能夠設計用于在給電動馬達供電之后提供功率過剩。另一方面，電功率的輸出也能夠通過其它機構產生或者輔助，例如通過其它的至少一個燃料電池或者通過在下文中提及的與電動馬達耦聯(lián)的發(fā)電機產生或者輔助。
[0016]在一個尤其有利的實施方式中，壓縮機單元構建用于:提供具有如下體積流和壓強的加壓的空氣，所述積流和壓強使得加壓的空氣至少在飛行器停留在地面和啟動時足以運行飛行器的空調系統(tǒng)，所述空調系統(tǒng)具有至少一個基于空氣循環(huán)過程的空調設備。輔助能量系統(tǒng)由此不僅能夠替代傳統(tǒng)的輔助推進器的功能，而且能夠同時至少在飛行器啟動時使主推進器減壓，所述主推進器在啟動階段中必須提供高的機械功率進而至少不必再提供泄放空氣。由此能夠改進推進器的效率，甚至可以考慮，根據(jù)本發(fā)明的輔助能量系統(tǒng)在整個飛行期間提供電功率和加壓的空氣。
[0017]在一個有利的實施方式中，燃料電池被空氣冷卻。特別地，通過使用輔助能量系統(tǒng)中的壓縮機單元，產生持續(xù)的空氣流，所述空氣流可用于至少一個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)的制冷劑的單獨的冷卻循環(huán)，使得輔助能量系統(tǒng)的重量不因獨立的冷卻系統(tǒng)而提高。
[0018]此外有利的是，至少一個燃料電池具有開放的陰極并且構建用于，以空氣作為氧化劑來運行。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，至少一個燃料電池構成為聚合物電解質膜(PEM)燃料電池。所需要的溫度等級是相對低的，此外，結構類型在技術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