ВОЗДУШНОЕ СУДНО, СНАБЖЕННОЕ УЗЛОМ ПОДАЧИ ТОПЛИВА ДЛЯ СИСТЕМЫ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2012 года по МПК H01M8/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к узлу подачи топлива для системы топливных элементов, который, в частности, пригоден для использования на воздушном судне, и к системе топливных элементов, снабженной узлом подачи топлива такого рода, а также к способу управления узлом подачи топлива такого рода.

Уровень техники

Системы топливных элементов позволяют получать электрический ток с низким уровнем выбросов и высокой эффективностью. Поэтому в настоящее время в области самолетостроения делаются попытки использовать системы топливных элементов для выработки электроэнергии, которая нужна на борту воздушного судна. Например, систему топливных элементов можно использовать вместо генераторов, которые в настоящее время применяют для снабжения воздушного судна электроэнергией и которые приводятся в действие главными силовыми установками или вспомогательной турбиной. Систему топливных элементов можно также использовать в качестве аварийного источника электропитания воздушного судна, вместо турбины с приводом от набегающего потока воздуха (RAT), которую в настоящее время используют в качестве установки аварийного электропитания.

Топливные элементы обычно включают в себя катодную область и анодную область, которая отделена от катодной области электролитом. В процессе работы топливного элемента на его анодную сторону подают топливо, например водород, а на катодную сторону топливного элемента подают кислородосодержащий окисляющий компонент, например воздух. В случае топливного элемента с мембраной из полимерного электролита молекулы водорода вступают в реакцию в присутствии анодного катализатора, предусмотренного в анодной области, например, в соответствии с уравнением

H->2·H⁺+2·e^-

и в ходе этого процесса отдают электроны электроду, образуя при этом положительно заряженные ионы водорода.

Ионы H⁺, образовавшиеся в анодной области, затем распространяются в электролите, двигаясь в сторону катода, где они, в присутствии катодного катализатора, предусмотренного в катодной области, вступают в реакцию с кислородом, подаваемым на катод, и с электронами, которые двигаются в сторону катода по внешней цепи, в соответствии с уравнением:

0,5·O₂+2·H⁺+2·e^-->H₂O;

с образованием воды.

Водород, который требуется для снабжения топливного элемента, можно хранить, например, в баке для жидкого водорода или в баке высокого давления, пригодном для хранения газообразного водорода под давлением на борту воздушного судна. Вообще говоря, водородный бак можно разместить вне обогреваемой и герметизированной части воздушного судна. В негерметизированной части воздушного судна легче обеспечить эффективную вентиляцию бака, для того, чтобы протечка в системе бака с меньшей вероятностью привела к накапливанию критического количества водорода.

Тем не менее, размещение водородного бака в негерметизированной части воздушного судна имеет недостаток, который заключается в том, что система бака подвергается значительным изменениям температуры и давления, что может повлечь за собой повреждение компонентов системы и отрицательно сказаться на эксплуатационной готовности системы. Однако ограничение эксплуатационной готовности системы особенно недопустимо в том случае, если система топливных элементов, которую снабжают топливом из водородного бака, выполняет функции, связанные с обеспечением безопасности. Это относится к ситуации, когда, например, систему топливных элементов используют вместо RAT в качестве аварийного источника электропитания.

Поэтому, для того чтобы гарантировать высокую эксплуатационную готовность системы топливных элементов, снабжаемых топливом из водородного бака, которая необходима ситуациях, связанных с обеспечением безопасности на борту воздушного судна, необходимо разместить водородный бак в герметизированной части воздушного судна. Однако по причине менее эффективной вентиляции герметизированной части воздушного судна, по сравнению с его негерметизированной частью, необходимы особые меры предосторожности, которые позволили бы предотвратить угрозу безопасности, связанную с утечкой водорода из системы водородного бака. Согласно положениям норм техники безопасности и правил строительства в авиации, единичный отказ не должен вести к потере воздушного судна (как, например, в случае неконтролируемой утечки в системе водородного бака). Более того, вероятность одновременного возникновения не связанных друг с другом отказов, которые ведут к потере воздушного судна, не должна превышать 10Е-9 на один час полета.

Для того чтобы достичь требуемых критериев безопасности, необходимо, в первую очередь, исключить вероятность неконтролируемой утечки водорода из-за разрушения бака. Это можно гарантировать с помощью соответствующих квалификационных требований. Можно принять меры, исключающие самопроизвольное открывание или выход из строя запорного клапана бака, предусмотрев дополнительный датчик концентрации водорода для обнаружения утечки водорода. Можно также предусмотреть на баке несколько, то есть, по меньшей мере, два последовательных запорных клапана. Однако, обеспечение дополнительного датчика концентрации водорода, и/или, по меньшей мере, двух последовательных запорных клапанов на баке неизбежно ведет к повышению сложности системы, и, следовательно, к возможному нежелательному ограничению эксплуатационной готовности системы.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является обеспечение узла подачи топлива для системы топливных элементов, который, в частности, пригоден для использования на воздушном судне и который позволяет безопасно разместить систему топливного бака в герметизированной части воздушного судна без отрицательного влияния на эксплуатационную готовность системы. Дальнейшей задачей изобретения является обеспечение системы топливных элементов, снабженной узлом подачи топлива такого рода, и способа управления узлом подачи топлива такого рода.

Согласно изобретению, эта задача решается за счет использования узла подачи топлива, обладающего признаками пункта 1 формулы изобретения, системы топливных элементов, обладающей признаками пункта 14 формулы изобретения, и способа управления узлом подачи топлива, обладающего признаками пункта 15 формулы изобретения.

Согласно изобретению, узел подачи топлива для системы топливных элементов, который, в частности, предназначен для использования на воздушном судне, включает в себя топливный бак, например, бак высокого давления для хранения газообразного водорода при повышенном давлении, и предназначенный для размещения в герметизированной части воздушного судна. Питающая магистраль соединяет топливный бак с впускным отверстием топливного элемента. Питающая магистраль может соединять топливный бак, например, с отверстием подачи топлива анодной области топливного элемента. В питающей магистрали расположен запорный клапан бака, который служит для установления или прерывания соединения по потоку между топливным баком и впускным отверстием топливного элемента. Согласно изобретению, отводная магистраль узла подачи топлива соединяет выпускное отверстие топливного элемента с окружающей атмосферой. Отводную магистраль можно присоединить, например, к отверстию для выпуска отходящего анодного газа топливного элемента. Наконец, согласно изобретению, узел подачи топлива включает в себя датчик регистрации напряжения в топливном элементе.

В случае, если в узле подачи топлива согласно изобретению произошел сбой, вызванный самопроизвольным открыванием или выходом из строя запорного клапана бака, топливо, например, водород, выходит из топливного бака по питающей магистрали и попадает в топливный элемент, то есть, например, в анодную область топливного элемента. В топливном элементе происходит химическое преобразование топлива, в результате чего повышается напряжение в топливном элементе. Например, водород, который поступает в анодную область топливного элемента, вступает в реакцию с атмосферным кислородом, присутствующим в катодной области топливного элемента в состоянии покоя (бездействия) топливного элемента. Вырабатываемую в результате этой реакции электроэнергию можно зарегистрировать с помощью датчика напряжения. Выходные сигналы датчика поступают в электронный блок управления. Анализируя сигналы датчика, электронный блок управления обнаруживает сбой, вызванный самопроизвольным открыванием или выходом из строя запорного клапана бака, когда при нахождении системы топливных элементов в состоянии бездействия, то есть, когда топливный элемент фактически не должен функционировать, он вырабатывает электроэнергию. Благодаря этому, датчик напряжения и электронный блок управления позволяют без труда обнаружить утечку водорода, вызванную самопроизвольным открыванием или выходом из строя запорного клапана бака. По этой причине, для обнаружения утечки водорода такого рода в узле подачи топлива согласно изобретению, можно обойтись без дополнительного датчика концентрации водорода.

Водород, который не был преобразован в топливном элементе, удаляют из топливного элемента по отводной магистрали в хорошо вентилируемую негерметизированную часть воздушного судна или непосредственно в окружающую атмосферу. Поэтому неконтролируемая утечка водорода, вызванная самопроизвольным открыванием или выходом из строя запорного клапана бака, может быть надежно предотвращена. Вследствие этого, нет необходимости предусматривать второй запорный клапан бака и, в результате, можно значительно повысить эксплуатационную готовность системы.

В узле подачи топлива согласно изобретению топливный бак можно безопасно разместить в герметизированной части воздушного судна. Это позволяет защитить систему бака от значительных изменений температуры и давления, которым она подвергается в негерметизированной части воздушного судна, что положительно сказывается на надежности и сроке службы компонентов системы. В то же самое время, с помощью узла подачи топлива согласно изобретению, можно достичь требуемых критериев безопасности без повышения сложности системы и, как следствие, без отрицательного воздействия на эксплуатационную готовность системы. Поэтому узел подачи топлива согласно изобретению особенно подходит для подачи топлива в систему топливных элементов, которая выполняет функции, связанные с обеспечением безопасности, и предназначена для использования, например, вместо обычной RAT в качестве установки аварийного электропитания.

Первый клапан сброса давления предпочтительно расположен в отводной магистрали узла подачи топлива согласно изобретению. Первый клапан сброса давления может, например, представлять собой разрывную мембрану и может быть рассчитан на то, чтобы открывать отводную магистраль в том случае, когда давление в ней превышает предопределенное критическое пороговое значение. Благодаря этому топливо, которое поступает в топливный элемент из-за самопроизвольного открывания или выхода из строя запорного клапана бака, можно через отводную магистраль удалить в окружающую атмосферу, прежде чем давление топлива в отводной магистрали достигнет значения, критичного с точки зрения безопасности.

Выпускное отверстие топливного элемента можно посредством циркуляционной магистрали соединить с впускным отверстием топливного элемента. Например, рециркуляционная магистраль может соединить отверстие для выпуска отходящего анодного газа топливного элемента с отверстием для впуска топлива анодной области топливного элемента.

В рециркуляционной магистрали можно разместить водоотделитель и/или рециркуляционный насос. Водоотделитель служит для удаления воды из газа, выходящего из выпускного отверстия топливного элемента, прежде чем газ вернется во впускное отверстие топливного элемента. Полученную при этом воду можно удалить из водоотделителя или, например, использовать для увлажнения электролитной мембраны топливного элемента. Рециркуляционный насос обеспечивает достаточную подачу топлива во время работы топливного элемента.

Водоотделитель можно соединить с отводной магистралью выше по потоку относительно первого клапана сброса давления при помощи первой соединительной магистрали. В первой соединительной магистрали предпочтительно расположен продувочный клапан. В такой конфигурации узла подачи топлива согласно изобретению воду, которая была отделена от отходящего газа топливного элемента с помощью водоотделителя, можно удалить из рециркуляционной магистрали посредством первой соединительной магистрали и отводной магистрали при открытом продувочном клапане. Однако, за исключением циклов продувки, продувочный клапан остается закрытым, гарантируя тем самым, что топливо, которое поступает в топливный элемент по питающей магистрали из-за самопроизвольного открывания или выхода из строя запорного клапана бака, можно безопасно удалить через отводную магистраль в хорошо вентилируемую негерметизированную часть воздушного судна и непосредственно в окружающую атмосферу.

Отводная магистраль предпочтительно отходит от рециркуляционной магистрали выше по потоку относительно водоотделителя. Поэтому, для присоединения топливного элемента к отводной магистрали можно обойтись без дополнительного соединения с выпускным отверстием топливного элемента.

В одном предпочтительном варианте осуществления узла подачи топлива согласно изобретению предохранительная магистраль соединяет топливный бак, предназначенный для размещения в герметизированной части воздушного судна, с негерметизированным участком воздушного судна и/или окружающей атмосферой. В предохранительной магистрали можно поместить второй клапан сброса давления. Второй клапан сброса давления, который, например, также представляет собой разрывную мембрану, служит для того, чтобы соединить топливный бак с хорошо вентилируемой негерметизированной частью воздушного судна, или непосредственно с окружающей атмосферой, в случае, когда давление топлива в предохранительной магистрали превышает предопределенное критическое пороговое значение. Предохранительную магистраль можно, например, соединить с отверстием для сброса давления, предусмотренным в наружной обшивке воздушного судна. Отверстие для сброса давления можно снабдить индикатором закрывания, чтобы сделать процесс выпуска топлива из топливного бака визуально контролируемым.

Отводная магистраль узла подачи топлива согласно изобретению может вести в предохранительную магистраль. Поэтому можно обойтись без отдельного отверстия для сброса давления, выполненного в наружной обшивке воздушного судна, например, для отводной магистрали.

В предохранительной магистрали предпочтительно расположен фильтрующий элемент. Фильтрующий элемент, который предпочтительно расположен, например, вблизи отверстия для сброса давления, выполненного в наружной обшивке воздушного судна, и ниже по потоку относительно ответвления отводной магистрали, предотвращает попадание грязи в предохранительную магистраль и отводную магистраль.

В одном предпочтительном варианте осуществления узла подачи топлива согласно изобретению, питающая магистраль посредством второй соединительной магистрали соединена с предохранительной магистралью ниже по потоку относительно запорного клапана бака, расположенного в питающей магистрали. Во второй соединительной магистрали можно поместить третий клапан сброса давления, который, например, также представляет собой разрывную мембрану.

Площадь поперечного сечения питающей магистрали и размеры третьего клапана сброса давления, расположенного во второй соединительной магистрали, предпочтительно выбраны таким образом, чтобы третий клапан сброса давления открывался в случае, когда давление в питающей магистрали превышает предопределенное критическое давление. Поэтому в такой конфигурации узла подачи топлива согласно изобретению, в случае превышения критического давления, вызывающего открывание третьего клапана сброса давления, топливо, которое выходит из топливного бака по питающей магистрали, можно сразу удалить из герметизированной части воздушного судна при помощи предохранительной магистрали, без необходимости предварительно направлять топливо через топливный элемент. Критическое давление, которое вызывает открывание третьего клапана сброса давления, может, например, быть выше критического давления, которое вызывает открывание первого клапана сброса давления. Тогда, при возникновении небольших утечек топлива, его можно удалить из герметизированной части воздушного судна через топливный элемент и отводную магистраль, тогда как при возникновении больших утечек топлива топливо можно сразу же удалить при помощи второй соединительной магистрали и предохранительной магистрали.

В питающей магистрали предпочтительно расположен, по меньшей мере, один редукционный клапан. Первый редукционный клапан, который понижает давление топлива в питающей магистрали, например, от 350 бар до 9 бар, можно предусмотреть, например, в питающей магистрали ниже по потоку относительно запорного клапана бака. Если блок клапанов, включающий в себя запорный клапан бака и первый редукционный клапан, выполнен в виде встроенного компонента системы топливного бака, тогда первый редукционный клапан действует как разделительный клапан, который отделяет зону высокого давления системы со стороны топливного бака, от зоны низкого давления системы. Например, запорный клапан бака и первый редукционный клапан могут быть установлены внутри контейнера с топливным баком. В результате становится возможным создать границу раздела между топливным баком и компонентами системы, расположенными вне топливного бака, в виде границы раздела низкого давления.

Второй редукционный клапан, который понижает давление в питающей магистрали, например, от 9 бар до 3 бар, можно разместить в питающей магистрали ниже по потоку относительно первого редукционного клапана. При помощи второго редукционного клапана можно обеспечить подачу топлива под нужным давлением в анодную область топливного элемента. Второй редукционный клапан можно аналогичным образом выполнить в виде встроенного компонента системы топливного бака и установить его, например, внутри контейнера с топливным баком.

В узле подачи топлива согласно изобретению, топливо, например водород, которое хранят в топливном баке, подвергают одоризации. Дополнительная одоризация топлива повышает безопасность системы, так как, благодаря тому, что одоризованное топливо имеет запах, можно проще и быстрее выявить утечку топлива. Топливо, которое хранят в топливном баке, предпочтительно одоризируют, что позволяет по запаху обнаружить утечку топлива, которая составляет всего 20% от нижнего предела воспламеняемости (LFL).

Система топливных элементов согласно изобретению включает в себя узел подачи топлива, описанный выше.

Способ управления описанным выше узлом подачи топлива согласно изобретению, включает в себя следующие этапы: регистрацию электрического напряжения в топливном элементе при помощи датчика, подачу выходных сигналов датчика в электронный блок управления и анализ сигналов датчика электронным блоком управления для выявления сбоя, вызванного самопроизвольным открыванием или выходом из строя запорного клапана бака, когда при нахождении системы топливных элементов в состоянии бездействия, топливный элемент вырабатывает электроэнергию.

Краткое описание чертежей

Далее в тексте будет представлено подробное объяснение предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопроводительный схематический чертеж, который показывает узел подачи топлива для системы топливных элементов, предназначенный для использования на борту воздушного судна.

Осуществление изобретения

На фигуре узел 10 подачи топлива, который расположен в герметизированной части 11 воздушного судна, включает в себя топливный бак 12, который пригоден для хранения газообразного водорода при повышенном давлении. Топливный бак 12 посредством питающей магистрали 14 соединен с отверстием 16 для подачи топлива топливного элемента 18.

Топливный элемент 18, который используют вместо традиционной RAT в качестве установки аварийного электропитания, выполнен в виде топливного элемента с мембраной из полимерного электролита и включает в себя анодную область, которая соединена с отверстием 16 для подачи топлива и отделена от катодной области с помощью мембраны из полимерного электролита. Отверстие 20 для выпуска отходящего анодного газа топливного элемента 18 соединено с рециркуляционной магистралью 22, посредством которой отходящий анодный газ, который выходит из отверстия 20 для выпуска отходящего анодного газа, можно вернуть в отверстие 16 для подачи топлива топливного элемента 18.

Водоотделитель 24 расположен в рециркуляционной магистрали 22. Водоотделитель 24 служит для удаления воды из отходящего анодного газа, который выходит через отверстие 20 для выпуска отходящего анодного газа во время работы топливного элемента 18. В рециркуляционной магистрали 22, ниже по потоку относительно водоотделителя 24, расположен рециркуляционный насос 26. Во время работы топливного элемента 18 рециркуляционный насос 26 обеспечивает достаточную подачу топлива в анодную область топливного элемента 18.

Запорный клапан 28 бака расположен в питающей магистрали 14, которая соединяет топливный бак 12 с отверстием 16 для подачи топлива топливного элемента 18. Выше по потоку относительно запорного клапана 28 бака питающая магистраль 14 соединена с температурным датчиком 30 и датчиком 32 давления, которые определяют температуру и давление в питающей магистрали 14.

Первый редукционный клапан 34, который расположен в питающей магистрали 14 ниже по потоку относительно запорного клапана 28 бака, понижает давление топлива в питающей магистрали 14 приблизительно от 350 бар до 9 бар. Поэтому первый редукционный клапан 34 действует как разделительный клапан, который отделяет зону 38 высокого давления узла 10, который включает в себя топливный бак 12 и блок 36 клапанов, встроенный в топливный бак 12, от зоны 40 низкого давления узла 10.

Второй редукционный клапан 42, который расположен в питающей магистрали 14 ниже по потоку относительно первого редукционного клапана 34, понижает давление в питающей магистрали 14 приблизительно от 9 бар до 3 бар. Поэтому во время работы топливного элемента 18 второй редукционный клапан 42 обеспечивает подачу водорода под нужным давлением в отверстие 16 для подачи топлива топливного элемента 18.

Узел 10 подачи топлива, кроме того, включает в себя датчик 44 напряжения, который регистрирует электрическое напряжение в топливном элементе 18. Сигналы, вырабатываемые датчиком 44 напряжения, поступают в электронный блок 45 управления, где подвергаются анализу электронным блоком 45 управления. Кроме того, в электронный блок 45 управления поступают сигналы, свидетельствующие о рабочем состоянии системы топливных элементов.

Отводная магистраль 46 отходит от рециркуляционной магистрали 22 выше по потоку относительно водоотделителя 24 и рециркуляционного насоса 26. Отводная магистраль 46 соединяет отверстие 20 для выпуска отходящего анодного газа топливного элемента 18 с предохранительной магистралью 48. Первый конец предохранительной магистрали 48 присоединен к топливному баку 12. С другой стороны, второй конец предохранительной магистрали 48 ведет в окружающую атмосферу через отверстие для сброса давления, выполненное в наружной обшивке 50 воздушного судна. В районе отверстия для сброса давления предусмотрена форсунка 52, которая служит для того, чтобы сделать видимым процесс выпуска водорода из топливного бака 12 через предохранительную магистраль 48. Фильтрующий элемент 54 расположен в предохранительной магистрали 48 выше по потоку относительно форсунки 52. Фильтрующий элемент 54 предотвращает попадание грязи в предохранительную магистраль 48 и отводную магистраль 46.

Первый клапан 56 сброса давления в виде разрывной мембраны расположен в отводной магистрали 46. Первый клапан 56 сброса давления предназначен для того, чтобы соединять выпускное отверстие 20 анода топливного элемента 18 с окружающей атмосферой посредством отводной магистрали 46 и предохранительной магистрали 48 в том случае, когда давление в отводной магистрали 46 превышает предопределенное критическое пороговое значение.

Водоотделитель 24, который расположен в рециркуляционной магистрали 22, соединен с отводной магистралью 46 при помощи первой соединительной магистрали 58. В первой соединительной магистрали 58 расположен продувочный клапан 60. Поэтому во время работы топливного элемента 18 воду, которая была отделена от отходящего анодного газа топливного элемента 18, можно удалить в окружающую атмосферу посредством первой соединительной магистрали 58, отводной магистрали 46, и предохранительной магистрали 48, при открытом продувочном клапане 60. Однако, за исключением этих циклов продувки, продувочный клапан 60 остается закрытым.

Второй клапан 62 сброса давления, который также представляет собой разрывную мембрану, расположен в предохранительной магистрали 48, соединяющей топливный бак 12 с окружающей атмосферой. Второй клапан 62 сброса давления открывает предохранительную магистраль 48 и, следовательно, устанавливает соединение между топливным баком 12 и окружающей атмосферой в случае, когда давление в предохранительной магистрали 48 превышает предопределенное критическое пороговое значение.

Вторая соединительная магистраль 64 отходит от питающей магистрали 14 ниже по потоку относительно первого редукционного клапана 34 и ведет в предохранительную магистраль 48 ниже по потоку относительно второго клапана 62 сброса давления. Третий клапан 66 сброса давления расположен во второй соединительной магистрали 64. Площадь поперечного сечения питающей магистрали 14 и размеры третьего клапана 66 сброса давления, который также представляет собой разрывную мембрану, выбраны таким образом, что третий клапан 66 сброса давления открывает вторую соединительную магистраль 64 и, следовательно, устанавливает соединение между питающей магистралью 14 и предохранительной магистралью 48 в случае, когда давление в питающей магистрали 14 превышает предопределенное критическое давление.

Запорный клапан 28 бака и продувочный клапан 60 узла 10 подачи топлива выполнены в виде электромагнитных клапанов, и ими можно управлять, например, при помощи электронного блока управления, который не показан на фигуре.

Далее в тексте помещено описание принципа действия узла 10 подачи топлива. Во время работы топливного элемента 18, который служит в качестве установки аварийного электропитания, в отверстие 16 для подачи топлива топливного элемента 18, при открытом запорном клапане 28 бака, по питающей магистрали 14 подают водород. Давление водорода, подаваемого в топливный элемент 18, регулируют при помощи редукционных клапанов 34, 42.

В топливном элементе 18 водород вступает в химическую реакцию с атмосферным кислородом, который поступает в анодную область топливного элемента 18 в процессе выработки электроэнергии.

Отходящий анодный газ, выходящий из отверстия 20 для выпуска отходящего анодного газа топливного элемента 18, возвращают в отверстие 16 для подачи топлива топливного элемента 18 по рециркуляционной магистрали 22 при помощи рециркуляционного насоса 26. Воду, которая содержится в отходящем анодном газе, удаляют из отходящего анодного газа при помощи водоотделителя 24, расположенного в рециркуляционной магистрали 22. Для того чтобы удалить воду из водоотделителя 24, открывают продувочный клапан 60, чтобы вода по первой соединительной магистрали 58, отводной магистрали 46 и предохранительной магистрали 48 могла выйти из водоотделителя 24 в окружающую атмосферу.

Поскольку топливный элемент 18 служит в качестве установки аварийного электропитания, его не используют во время обычного наземного обслуживания и полета воздушного судна. Однако во время этих периодов бездействия необходимо гарантировать, чтобы неконтролируемое открывание или выход из строя запорного клапана 28 бака не вело к возникновению угрозы безопасности и не стало причиной потери воздушного судна. Более того, необходимо выявлять неконтролируемое открывание или выход из строя запорного клапана бака, чтобы иметь возможность повысить эксплуатационную готовность системы путем проведения специального технического обслуживания. В случае сбоя, вызванного самопроизвольным открыванием или выходом из строя запорного клапана 28 бака, водород выходит из топливного бака 12 и по питающей магистрали 14 попадает в отверстие 16 для подачи топлива, которое имеется на топливном элементе 18. В топливном элементе 18 этот водород вступает в реакцию с атмосферным кислородом, который присутствует в катодной области топливного элемента. Обычно во время работы топливного элемента 18 результатом этой химической реакции является повышение электрического напряжения в топливном элементе 18, которое можно регистрировать при помощи датчика 44 напряжения. Сигналы датчика 44 напряжения поступают в электронный блок 45 управления. Когда после анализа сигналов, характеризующих рабочее состояние системы топливных элементов, электронный блок 45 управления выявляет, что система топливных элементов находится в состоянии бездействия, в котором топливный элемент 18 не должен вырабатывать электроэнергию, зарегистрированную датчиком 44 напряжения выработку электроэнергии топливным элементом 18 относят к сбою, вызванному самопроизвольным открыванием или выходом из строя запорного клапана 28 бака. Тогда электронный блок 45 управления может подать соответствующий предупредительный сигнал и/или принять соответствующие меры по обеспечению безопасности.

Водород, который не был преобразован в топливном элементе 18, выходит из топливного элемента 18 через отверстие 20 для выпуска отходящего анодного газа и через рециркуляционную магистраль 22 попадает в отводную магистраль 46. В случае, когда давление водорода в отводной магистрали 46 превышает предопределенное критическое пороговое значение, первый клапан 56 сброса давления открывает отводную магистраль 46. Поскольку продувочный клапан 60 закрыт, то водород, который выходит через отверстие 20 для выпуска отходящего анодного газа топливного элемента 18, можно безопасно удалить в окружающую атмосферу через отводную магистраль 46 и предохранительную магистраль 48. Поэтому такая конфигурация узла 10 подачи топлива позволяет обойтись без дополнительного датчика концентрации водорода и второго запорного клапана бака.

В случае крупной протечки запорного клапана 28 бака, когда давление водорода в питающей магистрали 14 растет выше порогового значения, требуемого для срабатывания третьего клапана 66 сброса давления, открывание третьего клапана 66 сброса давления гарантирует, что водород, который выходит из топливного бака 12, можно безопасно удалить в окружающую атмосферу через вторую соединительную магистраль 46 и предохранительную магистраль 48. Вследствие этого безопасность узла 10 подачи топлива можно дополнительно повысить при помощи второй соединительной магистрали 64 и третьего клапана 66 сброса давления, расположенного во второй соединительной магистрали 64.

Изобретение относится к узлу подачи топлива для системы топливных элементов, который, в частности, пригоден для использования на воздушном судне. Согласно изобретению, узел (10) подачи топлива для системы топливных элементов включает в себя топливный бак (12) и питающую магистраль (14), которая соединяет топливный бак (12) с впускным отверстием (16) топливного элемента (18). В питающей магистрали (14) расположен запорный клапан (28) бака. Отводная магистраль (46) соединяет выпускное отверстие (20) топливного элемента (18) с негерметизированной частью воздушного судна и/или с окружающей атмосферой. Узел (10) подачи топлива, кроме того, включает в себя датчик (44) для регистрации электрического напряжения в топливном элементе (18) и электронный блок (45) управления, который выполнен с возможностью приема сигналов, вырабатываемых датчиком (44), и выявления, путем анализа сигналов датчика, сбоя, вызванного самопроизвольным открыванием или выходом из строя запорного клапана (28) бака, когда при нахождении системы топливных элементов в состоянии покоя топливный элемент (18) вырабатывает электроэнергию. Техническим результатом является безопасность узла подачи топлива. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Воздушное судно, включающее в себя узел (10) подачи топлива для системы топливных элементов, причем узел (10) подачи топлива содержит:
- топливный бак (12), расположенный в герметизированной части воздушного судна;
- питающую магистраль (14), соединяющую топливный бак (12) с впускным отверстием (16) топливного элемента (18);
- запорный клапан (28) бака, установленный в питающей магистрали (14);
- отводную магистраль (46), соединяющую выпускное отверстие (20) топливного элемента (18) с негерметизированной частью воздушного судна и/или с окружающей атмосферой;
- датчик (44) для регистрации электрического напряжения в топливном элементе (18);
- электронный блок (45) управления, выполненный с возможностью приема выходных сигналов датчика (44), и обнаружения, на основе указанных сигналов датчика, сбоя, вызванного непреднамеренным открыванием или выходом из строя запорного клапана (28) бака, когда при нахождении системы топливных элементов в состоянии покоя топливный элемент (18) вырабатывает электроэнергию; и
- предохранительную магистраль (48), соединяющую топливный бак (12) с негерметизированной частью воздушного судна и/или с окружающей атмосферой.

2. Воздушное судно по п.1, отличающееся тем, что в отводной магистрали (46) установлен первый клапан (56) сброса давления.

3. Воздушное судно по п.1, отличающееся тем, что предусмотрена рециркуляционная магистраль (22), соединяющая выпускное отверстие (20) топливного элемента (18) с впускным отверстием (16) топливного элемента (18).

4. Воздушное судно по п.3, отличающееся тем, что в рециркуляционной магистрали (22) расположен водоотделитель (24) и/или рециркуляционный насос (26).

5. Воздушное судно по п.4, отличающееся тем, что водоотделитель (24) соединен при помощи первой соединительной магистрали (58) с отводной магистралью (46) ниже по потоку относительно первого клапана (56) сброса давления, причем в первой соединительной магистрали (58) установлен продувочный клапан (60).

6. Воздушное судно по п.4, отличающееся тем, что отводная магистраль (46) отходит от рециркуляционной магистрали (22) выше по потоку относительно водоотделителя (24).

7. Воздушное судно по п.1, отличающееся тем, что в предохранительной магистрали (48) установлен второй клапан (62) сброса давления.

8. Воздушное судно по п.7, отличающееся тем, что отводная магистраль (46) открывается в предохранительную магистраль (48).

9. Воздушное судно по п.1, отличающееся тем, что в предохранительной магистрали (48) установлен фильтрующий элемент (54).

10. Воздушное судно по п.1, отличающееся тем, что питающая магистраль (14) соединена посредством второй соединительной магистрали (64) с предохранительной магистралью (48), причем во второй соединительной магистрали (64) установлен третий клапан (66) сброса давления.

11. Воздушное судно по п.10, отличающееся тем, что площадь поперечного сечения питающей магистрали (14) и размеры третьего клапана (66) сброса давления, который установлен во второй соединительной магистрали (64), выбраны таким образом, чтобы третий клапан (66) сброса давления открывался в случае, когда давление в питающей магистрали (14) превышает предопределенное критическое давление.

12. Воздушное судно по п.1, отличающееся тем, что в питающей магистрали (14) установлен, по меньшей мере, один редукционный клапан (34, 42).

13. Воздушное судно по п.1, отличающееся тем, что топливо, содержащееся в топливном баке (12), является одоризованным топливом.