СИСТЕМА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ СНАБЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ПИТЬЕВОЙ ВОДОЙ И КИСЛОРОДОМ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ Российский патент 2010 года по МПК H01M8/06 

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию системы топливных элементов для снабжения питьевой водой и кислородом. В частности, настоящее изобретение имеет отношение к созданию системы топливных элементов для снабжения питьевой водой и кислородом для летательного аппарата или аэродина, летательного аппарата, который содержит систему топливных элементов для снабжения питьевой водой и кислородом, и к использованию соответствующей системы топливных элементов для снабжения питьевой водой и кислородом летательного аппарата.

В известном гражданском самолете питьевая вода для пассажиров хранится в накопительных баках на борту и распределяется из этих накопительных баков пассажирам во время полета. Это означает, что полный требующийся запас воды должен поступить в баки до начала полета и поднят на высоту полета при помощи двигателей самолета.

Кроме того, на высоте полета пассажирам необходим соответствующий воздух для дыхания, который подается при помощи системы кондиционирования самолета. В свою очередь, система кондиционирования отбирает сжатый воздух из ступени компрессора двигателей, так что требуется дополнительная мощность двигателей для получения сжатого воздуха.

Для того чтобы пассажиры могли свободно передвигаться в салоне, самолет имеет так называемый герметизированный салон, в котором поддерживается давление воздуха на уровне, допустимом для человеческого организма. Как правило, уровень давления в таком герметизированном салоне составляет около 7-50 гПа. Этот уровень давления ориентировочно соответствует воздушному давлению на высоте 2450 метров над уровнем моря. При среднем внешнем давлении на высоте 10000 метров, составляющем около 260 гПа, возникает разность давлений около 490 гПа между внешним давлением и давлением, поддерживаемым в салоне. Эту разность давлений должна выдерживать конструкция самолета в области его салона.

Для современных гражданских самолетов стараются достичь средней высоты полета около 12000 метров. На этой высоте среднее внешнее давление воздуха составляет около 190 гПа. Поэтому возникает разность давлений около 560 гПа между внешним давлением и давлением, поддерживаемым в салоне. Эта разность давлений требует принятия дополнительных мер для усиления конструкции салона, что в свою очередь приводит к повышению веса самолета и поэтому к увеличению полного потребления топлива.

В связи с изложенным задачей настоящего изобретения является создание эффективной системы для снабжения питьевой водой и кислородом транспортного средства.

В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения указанная потребность может быть удовлетворена при помощи системы топливных элементов для снабжения питьевой водой и кислородом летательного аппарата, причем указанная система топливных элементов содержит топливный элемент и электролизер. Электролиз дополнительно имеет воздушный катод и соединен (спарен) с топливным элементом. Топливный элемент и электролизер выполнены так, что потребность в электроэнергии электролизера покрывается за счет энергоснабжения от топливного элемента.

Основная идея примерного варианта настоящего изобретения заключается в том, что топливный элемент и электролизер, который имеет воздушный катод, то есть образует электролизер с воздушным катодом, соединены вместе для образования системы топливных элементов, в которой топливный элемент может быть использован для энергоснабжения электролизера. Топливный элемент преимущественно полностью покрывает потребность в электроэнергии электролизера.

Система топливных элементов в соответствии с примерным вариантом настоящего изобретения позволяет комплексно удовлетворить различные потребности салона самолета. С одной стороны, такая объединенная система может быть использована для выработки чистого кислорода. Этот кислород вырабатывается при помощи электролизера и может служить для повышения парциального давления кислорода, то есть для изменения отношения кислорода к азоту в сторону повышения содержания кислорода в воздухе для дыхания пассажиров и экипажа транспортного средства, такого как самолет. За счет этого можно понизить давление в салоне, что в свою очередь позволяет противодействовать описанным негативным тенденциям в случае повышения высоты полета, так как меньшие механические напряжения будут приложены к конструкции салона, что позволяет уменьшить вес элементов конструкции. Например, за счет повышения парциального давления кислорода можно достичь воздушного давления в салоне 600 гПа, а это означает, что обычная указанная выше разность давлений около 490 гПа на высоте полета около 15500 метров может быть достигнута без дополнительного упрочнения конструкции и связанного с этим увеличения веса. Более того, при сохранении используемых в настоящее время высот полета конструкция салона может быть сделана легче. То и другое позволяет существенно уменьшить расход топлива.

Альтернативно, можно также повысить комфорт пассажиров при сохранении обычного давления в салоне на уровне 750 гПа, при повышении парциального давления кислорода и одновременно при снижении парциального давления углекислого газа. Следует иметь в виду, что повышенное содержание CO₂ во вдыхаемом воздухе медики считают одной из возможных причин головных болей и недомогания, а также слегка повышенного потенциала для агрессии.

Для снижения полетного веса можно не запасать весь объем необходимой питьевой воды в накопительных баках и поднимать его на высоту полета, а образовывать воду для потребления пассажирами из водорода и кислорода в топливном элементе, то есть хранить только водород. В связи с изложенным одно из преимуществ настоящего изобретения заключается в том, что система топливных элементов позволяет приготавливать пресную воду для потребления пассажирами на борту современных транспортных средств, в частности на борту самолета. Такая вода может быть использована, например, в умывальниках, туалетах и в бортовых кухнях самолета. Кроме того, возможными будущими потребителями воды могут быть души и системы увлажнения воздуха, а также автоматические распределители напитков, которые могут получать пресную воду от системы топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением. Система топливных элементов позволяет, в частности, снизить вес воды в самолете при взлете и наборе высоты.

Это может привести к существенному снижению веса и, следовательно, к снижению потребления электроэнергии, в частности, при наборе высоты, но и на других фазах полета, в результате чего может быть существенно снижено потребление горючего. Это позволяет также приготавливать воду заданного качества.

Далее описаны более подробно примеры вариантов системы топливных элементов.

В соответствии с примерным вариантом топливный элемент имеет сторону анода и сторону катода, причем электролизер также имеет сторону анода и сторону катода. Более того, сторона катода электролизера соединена со стороной катода топливного элемента.

За счет такого соединения можно подавать сырой воздух на сторону катода топливного элемента непосредственно со стороны катода электролизера как отводной газ или замешивать его в воздушный поток, необходимый для катодной реакции. Можно также конденсировать катодный отработанный воздух электролизера и направлять полученную за счет катодной реакции воду в катодный воздушный поток топливного элемента.

На стороне катода электролизера в этой ситуации преимущественно протекает реакция в соответствии с уравнением реакции

1/2O₂(воздух)+2H⁺(мембрана)+2е^-→Н₂О (жидкость)

в то время как на стороне анода электролизера преимущественно протекает реакция в соответствии с уравнением реакции

Н₂О(жидкость)→1/2O₂(сверхчистый)+2H⁺(мембрана+2е^-).

В соответствии с альтернативным примерным вариантом системы топливных элементов топливный элемент имеет сторону анода и сторону катода, причем электролизер также имеет сторону анода и сторону катода. Более того, сторона катода электролизера спарена со стороной анода топливного элемента.

За счет такого соединения электролизера с топливным элементом становится возможным снизить внешнее потребление водорода электролизером, так как водород, проходящий через мембрану электролизера на сторону катода, может быть направлен на сторону анода топливного элемента.

В соответствии с другим примерным вариантом топливный элемент выполнен так, что водород или газ реформинга может быть направлен на сторону анода.

При такой компоновке становится возможным направлять на сторону анода водород или газ реформинга, образованный из водорода и углекислого газа, как горючий газ.

В соответствии с еще одним примерным вариантом системы топливных элементов электролизер выполнен так, что воздух из салона транспортного средства направляют на сторону катода.

При такой компоновке становится возможным объединять водород из процесса электролиза, проникающий через мембрану электролизера на стороне катода, с кислородом, присутствующим в воздухе салона, и за счет этого увлажнять воздух салона, который может быть направлен на топливный элемент как отводной газ.

В соответствии с другим примерным вариантом система топливных элементов также содержит теплообменник. Теплообменник выполнен так, что он охлаждает воздух, поступающий со стороны катода топливного элемента.

Это позволяет охлаждать отработанный воздух на стороне катода топливного элемента, в результате чего может быть сконденсирована вода, выработанная в топливном элементе. Эта вода может храниться в водяном баке и затем может быть использована как пресная вода потребителями воды в летательном аппарате.

В соответствии с еще одним примерным вариантом система топливных элементов дополнительно содержит дополнительный теплообменник, причем дополнительный теплообменник выполнен так, что он охлаждает воздух, поступающий со стороны анода электролизера.

В результате становится возможным производить первое разделение кислорода и воды в воздухе, поступающем со стороны анода электролизера, то есть производить первую сушку этого поступающего или выпускаемого воздуха. Вода, полученная за счет этого процесса, может быть направлена назад на сторону анода электролизера.

В соответствии с другим примерным вариантом система топливных элементов дополнительно содержит контур охлаждения, который соединен с топливным элементом так, что он охлаждает топливный элемент.

Такой контур охлаждения может быть использован на летательном аппарате, например, с использованием внешнего воздуха в качестве охлаждающей среды, чтобы осуществлять любое охлаждение топливного элемента, которое может быть необходимо.

В соответствии с другим примерным вариантом системы топливных элементов топливный элемент представляет собой низкотемпературный топливный элемент, а преимущественно топливный элемент с протонообменной мембраной РЕМ топливный элемент. В соответствии с настоящим изобретением топливный элемент альтернативно может быть выполнен как топливный элемент любого другого известного типа. Такой низкотемпературный топливный элемент может быть выполнен так, что он может работать, например, в диапазоне температур от 60°С до 80°С.

В соответствии с другим примерным вариантом системы топливных элементов топливный элемент представляет собой высокотемпературный РЕМ топливный элемент. В соответствии с настоящим изобретением топливный элемент альтернативно может быть выполнен как топливный элемент любого другого известного типа. Такой высокотемпературный РЕМ топливный элемент может быть выполнен так, что он может работать, например, в диапазоне температур от 120°С до 300°С.

В соответствии с другим примерным вариантом системы топливных элементов электролизер выполнен как электролизер с полимерной мембраной с катализатором. Альтернативно, электролизер может быть выполнен как электролизер другого типа, который приспособлен к уровню температуры расположенного ниже по течению топливного элемента.

В соответствии с другим примерным вариантом система топливных элементов дополнительно содержит множество топливных элементов и множество электролизеров. За счет использования множества топливных элементов и электролизеров становится возможным обеспечить любые желательные характеристики, касающиеся выработки энергии или получения кислорода.

В соответствии с другим примерным вариантом системы топливных элементов топливный элемент и электролизер соединены с образованием батареи, и электролизер получает энергию непосредственно от топливного элемента.

В этой ситуации электролизер (электролизеры) и топливный элемент (топливные элементы) могут быть выполнены как единая батарея, то есть могут быть объединены за счет механической связи индивидуальных компонентов, что позволяет экономить кабельный материал.

В соответствии с другим примерным вариантом системы топливных элементов отношение энергии между топливным элементом и электролизером выбрано так, что электроснабжение от топливного элемента точно соответствует потребности в электроэнергии электролизера. Другими словами, электроснабжение от топливного элемента выбрано так, что топливный элемент удовлетворяет потребность в электроэнергии только электролизера и не вырабатывает никакой избыточной энергии, то есть производимая мощность топливного элемента точно согласована с потребностью в электроэнергии электролизера, при этом вырабатывают чистый кислород и воду. Управление системой в этом случае преимущественно производят только за счет ввода среды, то есть воды, водорода и воздуха салона, в результате чего становится возможным исключить электрические регуляторы и трансформаторы для регулировки энергии, поступающей от топливного элемента в бортовую сеть. Если такую систему топливных элементов объединяют для образования единой батареи, за счет этого можно уменьшить число внешних соединений, что позволяет экономить кабельный материал.

В соответствии с другим примерным вариантом системы топливных элементов отношение энергии между топливным элементом и электролизером выбрано так, что электроснабжение от топливного элемента точно соответствует потребности в электроэнергии электролизера и всех необходимых вспомогательных электрических устройств системы топливных элементов. Другими словами, топливный элемент производит больше энергии, чем это требуется для электроснабжения электролизера, и этой энергии хватает для работы всех внешних потребителей системы топливных элементов, таких как насосы или компрессоры, то есть система топливных элементов может покрывать всю необходимую потребность в электроэнергии. Можно также снабжать ее реформер водой, для того чтобы производить горючий газ для топливных элементов. Такая конструкция также позволяет не использовать электрические регуляторы и трансформаторы для регулировки энергии, поступающей от топливного элемента в бортовую сеть.

В соответствии с другим примерным вариантом системы топливных элементов отношение энергии между топливным элементом и электролизером выбрано так, что электроснабжение от топливного элемента превышает потребность в электроэнергии электролизера и всех необходимых вспомогательных устройств системы топливных элементов. Преимущественно, система топливных элементов содержит силовой инвертор и преобразователь или трансформатор напряжения, причем инвертор и трансформатор выполнены так, что энергия от топливного элемента может поступать в бортовую сеть транспортного средства.

Это позволяет подавать энергию в бортовую сеть транспортного средства. Ограничительным параметром в этом контексте может быть необходимая влажность питания для топливного элемента, которая может быть обеспечена при помощи электролизера. В соответствии с первым примерным аспектом настоящего изобретения образуют систему для выработки кислорода и пресной воды на борту летательного аппарата, причем указанная система содержит электролизер и топливный элемент, при этом отношение энергии между ними выбрано так, что потребность в электроэнергии электролизера покрывается электроснабжением от топливного элемента и, дополнительно, потребность в электроэнергии всех необходимых вспомогательных устройств полностью покрывается, так что никакая другая энергия в бортовую сеть летательного аппарата не поступает. В этой ситуации электролизер служит для выработки кислорода за счет электролитического расщепления воды у анода на водород и кислород и для увлажнения расположенного ниже по течению топливного элемента за счет рекомбинации водорода с кислородом, содержащимся в воздухе, вводимом на сторону катода из салона самолета, чтобы образовать воду. Преимущественно, топливный элемент представляет собой низкотемпературный топливный элемент РЕМ типа и/или электролизер представляет собой электролизер на базе полимерной мембраны с катализатором. Электролизер дополнительно имеет воздушный катод, то есть он выполнен как электролизер с воздушным катодом.

В примерном варианте в соответствии с этим первым аспектом электролизеры и топливные элементы могут быть объединены для образования батареи, в результате чего электролизеры непосредственно получают энергию от топливных элементов, а топливные элементы непосредственно получают отводной газ (”сырой воздух”) на стороне катода от электролизеров, причем горючий газ, поступающий на топливные элементы на стороне анода, содержит водород или газ реформинга, образованный из водорода и углекислого газа.

В соответствии со вторым примерным аспектом настоящего изобретения образуют систему для выработки кислорода и пресной воды на борту летательного аппарата, причем указанная система содержит электролизер и топливный элемент, при этом отношение энергии между ними выбрано так, что потребность в электроэнергии электролизера покрывается электроснабжением от топливного элемента и, дополнительно, избыток энергии поступает в бортовую сеть летательного аппарата. В этой ситуации электролизер служит для выработки кислорода за счет электролитического расщепления воды у анода на водород и кислород и для увлажнения расположенного ниже по течению топливного элемента за счет рекомбинации водорода с кислородом, содержащимся в воздухе, вводимом на сторону катода из салона самолета, чтобы образовать воду. Преимущественно, топливный элемент представляет собой низкотемпературный топливный элемент РЕМ типа и/или электролизер представляет собой электролизер на базе полимерной мембраны с катализатором. Электролизер дополнительно имеет воздушный катод, то есть он выполнен как электролизер с воздушным катодом.

В примерном варианте в соответствии с этим вторым аспектом электролизеры и топливные элементы могут быть объединены для образования батареи, в результате чего электролизеры непосредственно получают энергию от топливных элементов, а топливные элементы непосредственно получают отводной газ (”сырой воздух”) на стороне катода от электролизеров, причем горючий газ, поступающий на топливные элементы на стороне анода, содержит водород или газ реформинга, образованный из водорода и углекислого газа.

В другом примерном варианте в соответствии с этим вторым аспектом инвертор и трансформатор напряжения могут быть предусмотрены для подачи энергии в бортовую сеть, причем они могут быть введены между топливным элементом и точкой ввода питания в бортовую сеть и могут производить регулировку напряжения, тока и частоты электропитания, поступающего от топливного элемента в бортовую сеть.

В соответствии с еще одним примерным аспектом настоящего изобретения образуют систему топливных элементов, которая содержит две части с различными режимами работы. В этой ситуации первая часть представляет собой топливный элемент, работающий с воздухом и водородом, а преимущественно низкотемпературный топливный элемент, такой как топливный элемент с протонообменной мембраной (РЕМ топливный элемент), в то время как вторая часть представляет собой электролизер, а преимущественно подобный низкотемпературный электролизер, такой как электролизер с протонообменной мембраной. В принципе, топливный элемент и электролизер являются аналогичными. Основное различие между ними заключается в типе катализатора. Отношение выходной мощности (другими словами, размерное отношение) между электролизером и топливным элементом определяется в этой ситуации видом предполагаемого применения, например, когда топливный элемент может подавать электропитание только на электролизер или также на дополнительные устройства системы топливных элементов или когда топливный элемент дополнительно предназначен для питания бортовой сети. Электролизер дополнительно содержит воздушный катод, то есть он выполнен как электролизер с воздушным катодом.

В соответствии с еще одним примерным аспектом настоящего изобретения образуют систему для выработки кислорода и пресной воды на борту летательного аппарата, которая содержит электролизер и топливный элемент, причем отношение энергии одного к другому выбрано так, что потребность в электроэнергии электролизера и дополнительно всех вспомогательных электрических устройств полностью покрывается за счет топливного элемента и никакая другая энергия не подается в бортовую сеть летательного аппарата. В этом контексте электролизер может служить для выработки кислорода за счет электролитического расщепления воды у анода на водород и кислород, причем полученный водород направляют на сторону анода, расположенного ниже по течению топливного элемента. Преимущественно, топливный элемент представляет собой низкотемпературный топливный элемент РЕМ типа, который работает в диапазоне температур ориентировочно от 60°С до 80°С, или высокотемпературный топливный элемент РЕМ типа, который работает в диапазоне температур ориентировочно от 120°С до 300°С. Более того, электролизером может быть электролизер на базе полимерной мембраны с катализатором.

В примерном варианте в соответствии с этим аспектом электролизеры и топливные элементы могут быть объединены для образования батареи, причем электролизер получает энергию непосредственно от топливных элементов, при этом горючий газ, поступающий на стороне анода в топливные элементы, содержит водород или газ реформинга, образованный из водорода и углекислого газа.

В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения образуют систему для выработки кислорода и пресной воды на борту летательного аппарата, которая содержит электролизер и топливный элемент, причем отношение энергии одного к другому выбрано так, что потребность в электроэнергии электролизера покрывается электроснабжением от топливного элемента и, дополнительно, избыток энергии поступает в бортовую сеть летательного аппарата. Возможно разделение указанной системы на две различные системы, в одной из которых предусмотрено увлажнение воздуха для топливного элемента за счет рекомбинации выработанного водорода с кислородом воздуха из салона, а в другой имеется влаго- и теплообменник для увлажнения воздуха топливного элемента, но для этого с подачей выработанного водорода на анод топливного элемента. Эти случаи могут быть рассмотрены раздельно. Альтернативно, топливным элементом может быть топливный элемент другого типа, а не РЕМ топливный элемент, причем этот топливный элемент другого типа может работать на стороне анода с водородом топлива или с газом реформинга. Более того, электролизером может быть электролизер на базе полимерной мембраны с катализатором или электролизер другого типа, который отрегулирован по уровню температуры лежащего ниже по течению топливного элемента.

В примерном варианте в соответствии с этим дополнительным аспектом электролизеры и топливные элементы могут быть объединены для образования батареи, причем электролизеры получают энергию непосредственно от топливных элементов, а горючий газ, поступающий на топливные элементы на стороне анода, состоит из водорода или представляет собой газ реформинга, образованный из водорода и углекислого газа. Более того, для подачи энергии в бортовую сеть преимущественно предусмотрены инвертор и трансформатор напряжения, которые включены между топливным элементом и точкой ввода питания в бортовую сеть и производят регулировку напряжения, тока и частоты электропитания, поступающего от топливного элемента в бортовую сеть.

Следует иметь в виду, что признаки или операции, которые были описаны здесь со ссылкой на один из приведенных выше примерных вариантов или примерных аспектов, могут быть использованы также в сочетании с другими признаками или операциями других описанных примерных вариантов или примерных аспектов.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг.1 показана блок-схема системы топливных элементов в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.2 показана блок-схема системы топливных элементов в соответствии с дополнительным примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

На чертежах аналогичные детали имеют одинаковые позиционные обозначения.

На фиг.1 показана блок-схема системы топливных элементов для снабжения питьевой водой и кислородом летательного аппарата, выполненная по первому примерному варианту настоящего изобретения. Как это показано на фиг.1, система 100 топливных элементов содержит топливный элемент 101, имеющий сторону 102 анода и сторону 103 катода. Топливный элемент 101 выполнен как топливный элемент с протонообменной мембраной (РЕМ топливный элемент). Схематично показана мембрана 104, расположенная между стороной 102 анода и стороной 103 катода. Сторона 102 анода топливного элемента 101 содержит питающую линию 105 с вентилем 106 и спускную линию 107 с вентилем 108. Сторона катода 103 топливного элемента 101 содержит питающую линию 109 и спускную линию 110 с вентилем 111. Питающая линия 109 преимущественно может быть дополнительно соединена с дополнительной линией подачи воздуха, не показанной на фиг.1. Спускная линия 110 соединена с первым теплообменником 112 системы 100 топливных элементов. Первый теплообменник 112 также соединен с разгрузчиком 113 конденсата, который, с одной стороны, соединен с накопительным баком 114, предназначенным для хранения воды, которая была конденсирована в первом теплообменнике 112. Накопительный бак 114 снабжен спускной линией 115, которую за счет вентиля 116 используют для сброса воды в случае ее избыточного накопления в накопительном баке 114. Кроме того, разгрузчик 113 конденсата соединен через фильтр 117 с выпуском 118, через который отработанный воздух может покидать летательный аппарат, то есть герметизированный салон летательного аппарата.

Более того, система 100 топливных элементов содержит электролизер 119, имеющий сторону 120 анода и сторону 121 катода. Сторона 121 катода электролизера 119 выполнена в виде так называемого воздушного катода и содержит питающую линию 122, которая соединена через вентиль 123 и фильтр 124 с впуском 125, через который воздух может быть введен из герметизированного салона на сторону 121 катода электролизера 119. Спускная линия 126 со стороны 121 катода электролизера 119 соединена с питающей линией 109 стороны 103 катода топливного элемента 101. Спускная линия 127 со стороны анода 120 электролизера 119 соединена со вторым теплообменником 128, который содержит газовую спускную линию 129, которая соединена через третий теплообменник 130 и насос 131 с выпуском, через который кислород может быть введен в герметизированный салон. Второй теплообменник 128 служит для разделения кислорода и воды водно-кислородной смеси на стороне 120 анода электролизера 119. Водная спускная линия 132 второго теплообменника 128 соединена через циркуляционный насос 133 и вентиль 134 с впуском на стороне 120 анода электролизера 119. Более того, второй теплообменник 128 содержит впуск 135 воды, который соединен через вентиль 136, насос 137 и дополнительный вентиль 138 с выпуском накопительного бака 114. Выпуск накопительного бака 114 дополнительно соединен через вентиль 139 и насос 140 с системой питьевой воды летательного аппарата.

Более того, система 100 топливных элементов содержит контур 141 охлаждения, который соединен с воздухом снаружи летательного аппарата. Контур 141 охлаждения служит для охлаждения первого теплообменника 112, второго теплообменника 128, третьего теплообменника 130 и топливного элемента 101.

Далее описано более подробно функционирование системы топливных элементов, показанной на фиг.1.

Вода поступает в электролизер 119 из накопительного бака 114, который служит для хранения воды и/или из водного контура через второй теплообменник 128 при помощи насоса 133. За счет напряжения, приложенного к электролизеру 119, эта вода расщепляется на 2Н и О, то есть на водород и кислород. Полученные указанным образом атомы кислорода образуют молекулы кислорода O₂, которые выносятся через второй теплообменник 128 и проходят через схему вентиляции системы кондиционирования летательного аппарата, которая затем создает воздух для дыхания с повышенным содержанием кислорода для салона и пассажиров.

На стороне катода электролизер 119 имеет линию выпуска воздуха из салона. Воздух из салона поступает за счет разности давлений в системе между салоном и внешним воздухом. На катоде 121 электролизера 119 водород из процесса электролиза, который прошел через мембрану электролизера 119 от анода 120 к катоду 121, объединяется с кислородом, который содержится в воздухе салона, чтобы образовать воду, которая увлажняет воздух салона, протекающий через электролизер. Сырой воздух от электролизера 119, который главным образом содержит N₂, О₂ и Н₂О, теперь поступает на катод 103 топливного элемента 101. Кроме того, если дополнительная линия впуска воздуха соединена с линией 109, дополнительный воздух может поступать на сторону катода топливного элемента 101. При одновременном поступлении водорода к аноду 102 и приложении электрической нагрузки, то есть при потреблении электрической энергии, которая создается, например, при помощи электролизера, образуется дополнительная вода. После этого вся порция воды отработанного воздуха из топливного элемента конденсируется в первом теплообменнике 112. Часть сконденсированной воды поступает на сторону анода электролизера через бак 114 и насос 137, чтобы восполнить потерю воды, которая происходит в соответствии с уравнением реакции

Н₂О(жидкость)→¹/₂О₂(сверхчистый)+2H⁺(мембрана)+2е^-. Анодная потеря воды равна катодной выработке воды.

Для охлаждения описанной системы используют контур охлаждения, в котором внешний воздух служит в качестве первичной среды охлаждения, а в качестве вторичной среды охлаждения используют охлаждающую жидкость, которую прокачивают через трубопроводную сеть, показанную на фиг.1, в соответствующие теплообменники. Теплообменники главным образом необходимы, с одной стороны, для отвода отходящей теплоты из контура охлаждения в наружный воздух, причем, кроме того, используют третий теплообменник 130, который производит осушение кислорода до уровня остаточной влажности, который может потребоваться для системы кондиционирования воздуха, второй теплообменник 128, который охлаждает анодный водный контур, и первый теплообменник 112, который производит конденсацию влаги в катодном отработанном воздухе топливного элемента 101. Конденсат, возникающий в первом теплообменнике 112, отводится через спускную линию 113 конденсата и поступает в накопительный бак 114, который служит в качестве буферного бака для промежуточных накопительных баков, откуда его используют как питьевую воду для пассажиров или как запас воды для электролизера 119.

В дополнение к этому контур охлаждения также может быть снабжен дополнительными теплообменниками, которые выполняют функцию нагревания различных узлов системы летательного аппарата, таких как водяные баки, не допуская замерзания воды.

В качестве альтернативы описанной выше жидкостной охлаждающей среде могут быть использованы газообразная охлаждающая среда, комбинация жидкостной охлаждающей среды и газообразной охлаждающей среды или охлаждающая среда, которая изменяет свое агрегатное состояние при нагревании от жидкости к газу и при охлаждении от газа к жидкости. В случае использования охлаждающей среды, которая изменяет свое агрегатное состояние, температуру конденсации и температуру кипения выбирают так, что они лежат между температурами высокотемпературной стороны и низкотемпературной стороны теплообменника, то есть агрегатное состояние охлаждающей среды изменяется в теплообменнике.

На фиг.2 показана блок-схема системы топливных элементов, предназначенной для снабжения летательного аппарата питьевой водой и кислородом, выполненной в соответствии с другим примерным вариантом настоящего изобретения. В отличие от примерного варианта, показанного на фиг.1, в примерном варианте, показанном на фиг.2, сторона катода электролизера соединена со стороной анода топливного элемента. Как это показано на фиг.2, система 200 топливных элементов содержит топливный элемент 201 со стороной 202 анода и стороной 203 катода. Топливный элемент 201 выполнен как топливный элемент с протонообменной мембраной (как РЕМ топливный элемент). Между стороной 202 анода и стороной 203 катода установлена мембрана 204, показанная схематично. Сторона 202 анода топливного элемента 201 имеет первую питающую линию 205 с вентилем 206 и вторую питающую линию 207 с вентилем 208.

Сторона 203 катода топливного элемента 201 имеет питающую линию 209 и спускную линию 210, которые обе соединены с влагообменником-теплообменником 250 так, что обмен влаги и/или теплоты имеет место между впуском воздуха на стороне 203 катода и выпуском воздуха на стороне 203 катода. Для этого питающая линия 209 стороны катода соединена с первой стороной 251 влагообменника-теплообменника 250, причем она одновременно является первой спускной линией для влагообменника-теплообменника 250. Первая питающая линия 252 влагообменника-теплообменника 250 на его первой стороне соединена через вентиль 253 с пассажирским салоном, так что воздух из салона может поступать во влагообменник-теплообменник 250. Более того, для обмена влаги и/или теплоты входного воздуха стороны 203 катода и выходного воздуха стороны 203 катода, спускная линия 210 стороны 203 катода соединена со второй стороной 253 влагообменника-теплообменника 250. Вторая спускная линия 255 второй стороны 254 влагообменника-теплообменника 250 соединена с первым теплообменником 212 системы 200 топливных элементов.

Первый теплообменник 212 соединен со спускной линией 213 конденсата, которая, с одной стороны, соединена с накопительным баком 214, предназначенным для хранения воды, сконденсированной в первом теплообменнике 212. Накопительный бак 214 снабжен спускной линией 215, которая при помощи вентиля 216 служит для сброса, если слишком много воды накопилось в накопительном баке 214. Более того, спускная линия 213 конденсата соединена через фильтр 217 с выпуском 218, через который отработанный воздух может покидать летательный аппарат, то есть герметизированный салон летательного аппарата.

Более того, система 200 топливных элементов содержит электролизер 219, имеющий сторону 220 анода и сторону 221 катода. Сторона 221 катода электролизера 219 выполнена в виде так называемого воздушного катода и содержит первую спускную линию 222, которая при необходимости может быть использована для сброса водорода через вентиль 223. Вторая спускная линия стороны 221 катода электролизера 219 соединена со второй питающей линией 207 стороны 202 анода топливного элемента 201 и служит для подачи водорода, выработанного в электролизере 219, на топливный элемент 201 в качестве топлива. Спускная линия 227 стороны 220 анода электролизера 219 соединена со вторым теплообменником 228, который содержит газовую спускную линию 229, которая соединена через третий теплообменник 230 и насос 231 с выпуском, через который кислород может поступать в герметизированный салон. Второй теплообменник 228 служит для разделения кислорода и воды водно-кислородной смеси на стороне 220 анода электролизера 219. Водная спускная линия 232 второго теплообменника 228 соединена через циркуляционный насос 233 и вентиль 234 с впуском на стороне анода 220 электролизера 219. Более того, второй теплообменник 228 имеет впуск 235 воды, который соединен через вентиль 236, насос 237 и дополнительный вентиль 238 с выпуском накопительного бака 214. Выпуск накопительного бака 214 дополнительно соединен через вентиль 239 и насос 240 с системой питьевой воды летательного аппарата.

Более того, система 200 топливных элементов содержит контур 241 охлаждения с охладителем 242, имеющим соединение с воздухом снаружи от летательного аппарата. Контур 241 охлаждения служит для охлаждения первого теплообменника 212, второго теплообменника 228, третьего теплообменника 230 и топливного элемента 201.

На фиг.2 ряд питающих и спускных линий для системы 200 топливных элементов показан схематично в виде стрелок. Спускная линия 260 служит для сброса воды, а питающая линия 261 обеспечивает впуск воздуха в салон со стороны катода топливного элемента, в то время как питающая линия 262 обеспечивает подачу водорода со стороны анода топливного элемента. Более того, спускная линия 263 схематично отображает выпуск водорода, если это необходимо, со стороны катода электролизера. Спускная линия 264 служит для подачи питьевой воды из буферного бака 214 в систему питьевой воды летательного аппарата. Спускная линия 265 схематично отображает выпуск кислорода, выработанного в электролизере, в систему кондиционирования воздуха летательного аппарата. Спускные линии 266 позволяют при необходимости выпускать за борт летательного аппарата отработанный воздух со стороны катода топливного элемента. Наконец, питающие линии 267 позволят подавать окружающий воздух в контур 241 охлаждения.

Система топливных элементов, показанная на фиг.2, функционирует аналогично системе топливных элементов, показанной на фиг.1. Поэтому далее описаны вкратце только отличия системы 200 топливных элементов.

Одним существенным отличием между системой 200 топливных элементов, показанной на фиг.2, и системой 100 топливных элементов, показанной на фиг.1, является то, что сторона катода электролизера соединена со стороной анода электролизера. В результате водород, выработанный в электролизере, может быть подан на топливный элемент для выработки энергии, так что внешняя потребность в водороде для топливного элемента может быть снижена. Для того чтобы имеющий необходимую влажность воздух поступал на сторону катода топливного элемента, система 200 топливных элементов, показанная на фиг.2, содержит дополнительный влагообменник-теплообменник 250, при помощи которого часть воды, полученной в топливном элементе, вновь поступает на впуск воздуха стороны катода топливного элемента. Остальная часть воды конденсируется, как и в примерном варианте, показанном на фиг.1. Более того, в примерном варианте, показанном на фиг.2, воздух салона не поступает на сторону катода электролиза, как в примерном варианте, показанном на фиг.1, а поступает через влагообменник-теплообменник на сторону катода топливного элемента. Сторона катода электролизера в примерном варианте, показанном на фиг.2, не содержит никаких питающих линий, а имеет только две спускные линии, одну из которых используют для подачи водорода на сторону анода топливного элемента, в то время как вторую спускную линию используют при необходимости для отвода избытка водорода.

Изобретение относится к системе топливных элементов для снабжения питьевой водой и кислородом транспортного средства. Согласно изобретению система топливных элементов содержит топливный элемент и электролизер с воздушным катодом. Электролизер спарен с топливным элементом, причем топливный элемент и электролизер выполнены так, что потребность в электроэнергии электролизера полностью покрывается энергоснабжением от топливного элемента. Техническим результатом является эффективность системы для снабжения питьевой водой и кислородом транспортного средства, снижение веса и, следовательно, снижение потребления электроэнергии, повышение комфорта пассажиров. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система (100, 200) топливных элементов для снабжения транспортного средства питьевой водой и кислородом, содержащая:
топливный элемент (101, 201); и
электролизер (119, 219), который содержит воздушный катод и спарен с топливным элементом (101, 201), и
причем топливный элемент (101, 201) и электролизер (119, 219) выполнены так, что потребность в электроэнергии электролизера (119, 219) полностью покрывается энергоснабжением от топливного элемента (101, 201).

2. Система (100) топливных элементов по п.1, в которой топливный элемент (101) имеет сторону (102) анода и сторону (103) катода, а электролизер (119) также имеет сторону (120) анода и сторону (121) катода, и причем сторона (121) катода электролизера (119) спарена со стороной (103) катода топливного элемента (101).

3. Система (100) топливных элементов по п.2, в которой электролизер (119) выполнен так, что воздух из салона летательного аппарата поступает на сторону его катода.

4. Система (200) топливных элементов по п.1, в которой топливный элемент (201) имеет сторону (202) анода и сторону (203) катода, а электролизер (219) также имеет сторону (220) анода и сторону (221) катода, и причем сторона (221) катода электролизера (219) спарена со стороной (203) анода топливного элемента (201).

5. Система (200) топливных элементов по п.4, в которой топливный элемент (201) выполнен так, что воздух из салона летательного аппарата поступает на сторону катода указанного электролизера.

6. Система (100, 200) топливных элементов по одному из пп.2-5, в которой топливный элемент (101, 201) выполнен так, что водород или газ реформинга поступает на сторону его анода.

7. Система (100, 200) топливных элементов по одному из пп.2-5, которая дополнительно содержит:
теплообменник (113, 213), который выполнен так, что он охлаждает воздух, выпускаемый со стороны катода (103, 203) топливного элемента (101, 201).

8. Система (100, 200) топливных элементов по п.7, которая дополнительно содержит:
дополнительный теплообменник (128, 228), который выполнен так, что он охлаждает водно-кислородную смесь, выпускаемую со стороны (120, 220) анода электролизера (119, 219).

9. Система (100, 200) топливных элементов по п.1, которая дополнительно содержит:
контур охлаждения (141, 241), который соединен с топливным элементом (101, 201) так, что он охлаждает топливный элемент (101, 201).

10. Система (100, 200) топливных элементов по п.1, в которой топливный элемент (101, 201) представляет собой низкотемпературный топливный элемент.

11. Система (100, 200) топливных элементов по п.10, в которой низкотемпературный топливный элемент (101, 201) представляет топливный элемент с протонообменной мембраной.

12. Система (100, 200) топливных элементов по п.1, в которой топливный элемент (101, 201) представляет собой высокотемпературный топливный элемент.

13. Система (100, 200) топливных элементов по п.12, в которой высокотемпературный топливный элемент (101, 201) представляет топливный элемент с протонообменной мембраной.

14. Система (100, 200) топливных элементов по п.1, в которой электролизер (119, 219) представляет собой электролизер с полимерной мембраной и катализатором.

15. Система (100, 200) топливных элементов по п.1, в которой электролизер (119, 219) выполнен так, что его температурный диапазон регулируется в соответствии с температурным диапазоном топливного элемента.

16. Система (100, 200) топливных элементов по п.1, которая дополнительно содержит множество топливных элементов и множество электролизеров.

17. Система (100, 200) топливных элементов по п.1, в которой топливный элемент (101, 201) и электролизер (119, 219) соединены с образованием батареи, причем электролизер (119, 219) получает энергию непосредственно от топливного элемента (101, 201).

18. Система (100, 200) топливных элементов по п.1, в которой отношение энергии между топливным элементом (101, 201) и электролизером (119, 219) выбрано так, что энергоснабжение от топливного элемента (101, 201) точно соответствует потребности в электроэнергии электролизера (119, 219).

19. Система (100, 200) топливных элементов по п.1, в которой отношение энергии между топливным элементом (101, 201) и электролизером (119, 219) выбрано так, что энергоснабжение от топливного элемента (101, 201) точно соответствует потребности в электроэнергии электролизера (119, 219) и всех необходимых вспомогательных устройств системы (100, 200) топливных элементов.

20. Система (100, 200) топливных элементов по п.1, в которой отношение энергии между топливным элементом (101, 201) и электролизером (119, 219) выбрано так, что энергоснабжение от топливного элемента (101, 201) выше чем потребность в электроэнергии электролизера (119, 219) и всех необходимых вспомогательных устройств системы (100, 200) топливных элементов.

21. Система (100, 200) топливных элементов по п.20, которая дополнительно содержит:
инвертор и
трансформатор напряжения,
причем инвертор и трансформатор напряжения выполнены так, что энергия от топливного элемента (101, 201) может быть подана в бортовую сеть транспортного средства.

22. Летательный аппарат с системой топливных элементов по одному из пп.1-21.