氮氣富集的空氣產(chǎn)生和燃料箱惰化系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及惰化或火災(zāi)撲滅系統(tǒng)和方法，例如用于惰化航行器燃料箱的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料箱的氣相空間(在液體燃料上方的空間)通常含有燃料蒸汽和空氣的混合物。降低燃料箱中燃燒危險的一種方法是保持氧氣濃度低于規(guī)定最大濃度。在2008年出臺的FAA條例中要求在一些客機的一些燃料箱中氧氣濃度為12%以下。對于軍用航行器，最大氧氣濃度通常較低，例如9 %。
[0003]惰化系統(tǒng)通過利用惰性氣體(通常氮氣)替代一些氧氣來降低在燃料箱中燃燒的可能性。在航行器中使用的一種惰化系統(tǒng)被稱作機載惰性氣體產(chǎn)生系統(tǒng)(OBIGGS)。這種系統(tǒng)使用來自航行器引擎壓縮機的壓力通過中空纖維膜組件來驅(qū)動空氣。該膜是氮氣選擇性的，并且產(chǎn)生氧氣富集的空氣(OEA)和氮氣富集的空氣(ΝΕΑ)。在引擎運行的同時，該系統(tǒng)連續(xù)地運行。NEA流入氣相空間并且替代從氣相空間排出到大氣的空氣和蒸汽?；谧儔何?PSA)的NEA發(fā)生器也已經(jīng)被提出。
[0004]US專利8，256，524描述了一種防火系統(tǒng)，其具有用于產(chǎn)生氮氣富集的陰極廢氣的燃料電池。廢氣被供給到待保護的腔室。調(diào)節(jié)或控制單元控制燃料電池陰極的空氣供給、燃料電池陽極的燃料供給和氮氣富集的陰極廢氣到腔室的供給中的至少一種。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]下面段落的目的是向讀者介紹詳細的說明，并且沒有限制或限定任何要求保護的發(fā)明。
[0006]本說明書描述了一種用于產(chǎn)生氮氣富集的空氣(NEA)的可選系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可以用于例如惰化燃料箱，特別是航行器上的燃料箱。在一些情況下，所述系統(tǒng)可以獨立于航行器引擎操作。任選地，NEA可以用于抑制航行器其他部位的火災(zāi)，例如貨艙。
[0007]NEA產(chǎn)生系統(tǒng)使用燃料電池功率模塊(FCPM)，例如基于聚合物電解質(zhì)膜(PEM)的FCPM ο FCPM也產(chǎn)生可以用來向航行器上的任何電氣負載供電的電力。如上所述，F(xiàn)CPM也產(chǎn)生可以用于惰化燃料箱或撲滅火災(zāi)的ΝΕΑ。
[0008]在一個系統(tǒng)中，F(xiàn)CPM廢氣的一部分再循環(huán)到其空氣入口處。這會導(dǎo)致FCPM排放氧氣濃度較低的空氣。然而，通過FCPM的空氣側(cè)的所需流量得以維持?？梢钥刂瓶諝馀欧诺娇諝馊肟诘脑傺h(huán)率，以在各種操作條件下提供低于所選最大值的氧氣濃度的廢氣。所述最大值可以根據(jù)惰化的需要改變。
【附圖說明】
[0009]圖1是燃料電池功率模塊的示意圖。
[0010]圖2是具有燃料電池功率模塊的航行器的示意圖。
【具體實施方式】
[0011]目前，大多數(shù)班機在飛行期間從其主引擎以及在地面期間從輔助動力單元(APU)提供電力和壓縮空氣用于非推進系統(tǒng)。在飛行期間，從主引擎的壓縮階段排出壓縮空氣并且通過機艙分布。機艙壓力通過溢流閥調(diào)節(jié)。電能通過由主引擎供給動力的發(fā)生器產(chǎn)生。APU通常是也產(chǎn)生電力和壓縮空氣的小型氣體渦輪引擎。APU主要是在地面上操作，但是在緊急情況下在飛行中也可以使用。
[0012]APU通常在將燃料轉(zhuǎn)化到電力和引擎中時只有15%左右的效率，并且通過使用主引擎來產(chǎn)生壓縮空氣和電力使得航行器設(shè)計很復(fù)雜。為了提高效率或提供更簡單的系統(tǒng)，已經(jīng)有許多的提議將非推進負載從主引擎中除去并利用更高效的技術(shù)代替APU。在一個例子中，波音787使用在活塞式引擎航行器中用到的電動壓縮機來提供壓縮空氣用于機艙增壓。對于“多電飛機”或“全電飛機”的許多提議建議將航行器上的一些或全部電力負載從主引擎轉(zhuǎn)移到APU。在另一個例子中，德國航空航天中心在Airbus A320中安裝氫燃料電池，從而在地面上提供輔助電力，以減少放在常規(guī)APU上的電力負載。
[0013]至少兩種小型航行器已經(jīng)使用由氫供電的PEM燃料電池飛行。在這些情況下，氫作為在至少一種情況下是液化形式的氫被載于航行器上。然而，氫也可以從煤油中產(chǎn)生。歐洲委員會已經(jīng)資助了被稱為綠色空氣(GreenAir)的項目，以研發(fā)用于在航行器上從基于煤油的噴氣燃料連續(xù)產(chǎn)生氫的系統(tǒng)。至少已經(jīng)提出，也可以在航行器中操作固體氧化物燃料電池(S0FC) ο SOFC可以被構(gòu)造成使得噴氣燃料直接地運行。
[0014]被供給作為氧源的空氣的燃料電池通過消耗氧氣自然地產(chǎn)生氮氣富集的空氣(ΝΕΑ)。然而，廢氣中的氧氣濃度很可能太高而不能將NEA作為惰性氣體使用。這是因為相對于空氣量，過量的空氣將會攜帶化學(xué)計量量的氧氣而與氫氣反應(yīng)，并流過燃料電池堆。過量的空氣用于將水分從燃料電池堆除去并且有助于確保燃料電池堆的流場內(nèi)的局部區(qū)域不缺氧。在燃料電池堆的流場的任何部分中的局部水浸或氧氣缺失將會損壞燃料電池堆。為了避免損壞而在PEM燃料電池功率模塊中通常規(guī)定的過量的空氣量為將會攜帶化學(xué)計量量的氧氣的空氣量的1.5?3倍。為了簡便起見，這種過量的空氣量被描述為“N倍的化學(xué)計量里ο
[0015]采用上述最小空氣量，S卩，1.5倍的化學(xué)計量量，廢氣具有約8%的氧氣濃度。這低于在航行器燃料箱的氣相空間中允許的最大氧氣濃度。然而，這種操作模式僅能在一些常規(guī)的PEM燃料電池功率模塊(FCPM)中維持，并且即使在那些設(shè)備中，當在接近滿功率下操作時，一些燃料電池模塊也不能在小于例如2倍的化學(xué)計量量下操作。此外，可以在1.5倍的化學(xué)計量量下滿功率操作的燃料電池很可能需要在功率降低下操作時的接近2或3倍化學(xué)計量量的空氣。在這些情況下，廢氣將會具有接近或高于在航行器燃料箱的氣相空間中允許的最大氧氣濃度的約12-15%的氧氣。鑒于當航行器下降時航行器燃料箱處于環(huán)境空氣中并且這種環(huán)境空氣必須迅速地稀釋以使氣相空間保持在低于最大氧氣濃度，對于民用航行器而言，用于惰化航行器燃料箱的NEA優(yōu)選具有約10%以下的氧氣。軍用航行器需要甚至更低氧含量的ΝΕΑ。因此，雖然燃料電池總是產(chǎn)生作為廢氣的ΝΕΑ，但是廢氣對于燃料箱惰化不總是有用的。此外，由于有可能損壞燃料電池堆，所以僅僅限制空氣到FCPM的流動不是可接受的解決方案。
[0016]在下面更加詳細描述的FCPM中，從燃料電池堆的陰極(空氣)側(cè)出口到燃料電池堆的陰極(空氣)側(cè)入口之間存在旁路管線。至少一個可控設(shè)備被構(gòu)造成允許改變通過旁路管線的流量。控制器被設(shè)置用來控制可控設(shè)備。其方法涉及到改變空氣出口到空氣入口的再循環(huán)率，從而在廢氣中提供所需的氧氣濃度。廢氣可以用作燃料箱惰化介質(zhì)或滅火劑，例如在航行器中。
[0017]圖1示出了燃料電池功率模塊(FCPM)1。系統(tǒng)1包括燃料電池堆12、吹風(fēng)機14、空氣入口 16、吹風(fēng)機入口管線18、空氣出口管線20、再循環(huán)管線22、排氣閥24、再循環(huán)閥26、氧氣濃度傳感器28和控制器30。任選地，在再循環(huán)管線22中可以有除濕器或冷凝器34，F(xiàn)CPM10也包括若干其他的常規(guī)元件，例如為了強調(diào)FCPM 10的更多材料元件而未在圖1中示出的氫氣(或含氫燃料)供給。系統(tǒng)10中的元件構(gòu)成可以被改變。例如，可以僅存在排氣閥24和再循環(huán)閥26之一。在另一個例子中，類似的系統(tǒng)可以配置有連接到空氣出口管線20的吹風(fēng)機14。任選地，空氣入口 16可以從航行器的機艙或直接地從主引擎或APU接收預(yù)壓縮空氣，并且在某些構(gòu)成中，吹風(fēng)機14不需要壓縮進入的空氣。
[0018]在所示的FCPM 10中，可以準許空氣通過打開再循環(huán)閥26流過再循環(huán)管線22。利用至少部分打開的再循環(huán)閥26，空氣出口管線20和吹風(fēng)機14的吸入側(cè)之間的壓力差造成在再循環(huán)管線22中的流動。通過打開再循環(huán)閥26可以增加或者通過關(guān)閉再循環(huán)閥26可以減少再循環(huán)管線22中的流動。當再循環(huán)閥26至少部分