專(zhuān)利名稱(chēng)：全電飛行器的機(jī)載冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用在小型飛行器上的機(jī)載冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和方法，具體是利 用質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電產(chǎn)生的余熱來(lái)驅(qū)動(dòng)溴化鋰集成膜吸收式余熱空調(diào)進(jìn) 行制冷、供熱從而實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)的機(jī)載冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
全電飛行器是這樣的飛行器，即其中不僅液壓、氣動(dòng)和機(jī)械系統(tǒng)用電力系 統(tǒng)取代而且推進(jìn)系統(tǒng)也是用電能驅(qū)動(dòng)。
全電飛行器是現(xiàn)代飛行器技術(shù)的重要發(fā)展方向，針對(duì)其能源、環(huán)控、熱管 理系統(tǒng)展開(kāi)前沿性的研究探索具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用前景。
全電飛行器的能源、環(huán)控、熱管理系統(tǒng)同時(shí)存在較大的冷熱電負(fù)荷，現(xiàn)有 技術(shù)中一般采用冷熱電分產(chǎn)、分供方案，這種方案有兩方面的缺陷 一方面， 飛行器發(fā)電裝置有大量余熱沒(méi)有得到充分利用，不僅造成飛行器熱管理系統(tǒng)的 負(fù)擔(dān)大幅增加，而且導(dǎo)致能源的大量浪費(fèi)；另一方面，飛行器環(huán)境控制系統(tǒng)使 用電動(dòng)空調(diào)(比如蒸發(fā)式空調(diào)、空氣壓縮式空調(diào)的壓縮機(jī)都是電能驅(qū)動(dòng)的)完 成制冷、供熱任務(wù)，沒(méi)有利用發(fā)電裝置的余熱，所以熱經(jīng)濟(jì)性不高，并且還會(huì) 進(jìn)一步加大飛行器上的用電負(fù)荷。這樣的全電飛行器就客觀存在發(fā)電余熱得不 到充分利用、環(huán)控系統(tǒng)能耗過(guò)高、熱管理系統(tǒng)負(fù)荷加大等嚴(yán)重缺陷。
由于飛行器飛行條件及飛行環(huán)境的特殊性，全電飛行器冷熱電聯(lián)產(chǎn)與地面 上應(yīng)用的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)有本質(zhì)上的不同，其中必須考慮重量、體積、飛行代 償、環(huán)境適應(yīng)性等一系列地面冷熱電聯(lián)產(chǎn)無(wú)需過(guò)多考慮或根本不需要考慮的重 要因素。飛行器的這些特殊因素(特別是重量、體積、飛行器的振動(dòng))成為制 約冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)在飛行器上應(yīng)用的瓶頸。
比如地面上冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的溴化鋰吸收式余熱空調(diào)系統(tǒng)一般是用管殼式 吸收器，它具有體積大、質(zhì)量大并且無(wú)法在有振動(dòng)的場(chǎng)合使用，這些原因限制 了它運(yùn)用在全電飛行器上。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題，本發(fā)明創(chuàng)造性地提供了適用于飛行器的、把低 溫質(zhì)子交換膜燃料電池和溴化鋰集成膜吸收式余熱空調(diào)相結(jié)合的機(jī)載冷熱電聯(lián) 產(chǎn)方案和機(jī)載冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，其中，由質(zhì)子交換膜燃料電池提供全部電能， 包括驅(qū)動(dòng)飛行器的電動(dòng)機(jī)及其它電子設(shè)備、傳動(dòng)設(shè)備所需的電能，由溴化鋰吸
5收式余熱空調(diào)利用燃料電池的余熱進(jìn)行制冷和供熱，從而實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)，有 效地解決了現(xiàn)有技術(shù)的全電飛行器能源環(huán)控系統(tǒng)方案存在的發(fā)電裝置余熱得不 到充分利用、環(huán)控系統(tǒng)電動(dòng)空調(diào)能耗過(guò)高、整個(gè)系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性不高等制約全電 飛行器技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。
該方案可以應(yīng)用在小型飛行器上；"小型飛行器"包括輕型飛機(jī)，戰(zhàn)斗機(jī)， 直升機(jī)，旋翼機(jī)，無(wú)人機(jī)等。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種全電飛行器的機(jī)載冷熱電聯(lián)產(chǎn)方法，
所述全電飛行器包括
一個(gè)低溫質(zhì)子交換膜燃料電池，用于把氫氣氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成
所述飛行器上使用的電能； 其特征在于包括
利用一個(gè)第一工作介質(zhì)循環(huán)把所述低溫質(zhì)子交換膜燃料電池處的熱量傳輸 到一個(gè)發(fā)生器，從而把流經(jīng)所述發(fā)生器的溴化鋰溶液分離成溴化鋰濃溶液和冷
劑水蒸氣；
使所述溴化鋰濃溶液經(jīng)過(guò)一個(gè)溶液熱交換器和一個(gè)第一節(jié)流閥而到達(dá)一個(gè) 集成膜吸收器；
使所述冷劑水蒸氣經(jīng)過(guò)一個(gè)冷凝器、 一個(gè)第二節(jié)流閥和一個(gè)蒸發(fā)器而到達(dá) 所述集成膜吸收器而被到達(dá)所述集成膜吸收器的所述溴化鋰濃溶液所吸收，以 及
使所述流經(jīng)集成膜吸收器的溴化鋰濃溶液吸收所述冷劑水蒸氣之后形成的 溴化鋰稀溶液經(jīng)所述發(fā)生器加熱蒸發(fā)而成為流經(jīng)所述集成膜吸收器的溴化鋰濃 溶液，從而完成所述溴化鋰稀溶液/所述溴化鋰濃溶液/所述冷劑水蒸氣的循環(huán)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的方面，提供了一種全電飛行器的機(jī)載冷熱電聯(lián) 產(chǎn)系統(tǒng)，其特征在于所述機(jī)載冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)包括
一個(gè)低溫質(zhì)子交換膜燃料電池，用于把氫氣氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成
所述飛行器上使用的電能；
一個(gè)發(fā)生器，用于借助從所述低溫質(zhì)子交換膜燃料電池處通過(guò)一個(gè)第一工 作介質(zhì)循環(huán)而被傳輸?shù)剿霭l(fā)生器的熱量，而把從一個(gè)集成膜吸收器流到所述 發(fā)生器的溴化鋰稀溶液分離成溴化鋰濃溶液和冷劑水蒸氣；
一個(gè)第一節(jié)流閥；
所述集成膜吸收器，所述溴化鋰濃溶液經(jīng)過(guò)所述溶液熱交換器和第一節(jié)流 閥而被到達(dá)所述集成膜吸收器；
6一個(gè)冷凝器；
一個(gè)第二節(jié)流閥；和
一個(gè)蒸發(fā)器， 其中
所述冷劑水蒸氣經(jīng)過(guò)所述冷凝器、所述第二節(jié)流閥和所述蒸發(fā)器而到達(dá)所 述集成膜吸收器而被到達(dá)所述集成膜吸收器的所述溴化鋰濃溶液所吸收，且
所述溴化鋰濃溶液吸收所述冷劑水蒸氣之后形成的溴化鋰稀溶液經(jīng)所述發(fā) 生器加熱蒸發(fā)后而成為流經(jīng)所述集成膜吸收器的溴化鋰濃溶液,，從而完成所述 溴化鋰稀溶液/所述溴化鋰濃溶液/所述冷劑水蒸氣的循環(huán)。


圖l是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的機(jī)載冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的總體配置圖。
圖2是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的低溫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的配 置的結(jié)構(gòu)框圖。
圖3示意顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的溴化鋰集成膜吸收式余熱空調(diào) 的配置。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中采用的集成膜吸收器的示意結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的機(jī)載冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)包括低溫質(zhì)子交換膜燃料電池和溴化鋰集成 膜吸收式余熱空調(diào)。
燃料電池可以高效的、環(huán)境友好地將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能等溫和地轉(zhuǎn)化 為電能，氫是燃料電池的最佳燃料。
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是燃料電池的一種，質(zhì)子交換膜燃料電池的 電解質(zhì)有離子導(dǎo)電聚合物構(gòu)成。電解質(zhì)的兩面分別為多孔催化劑構(gòu)成的電極， 此三層結(jié)構(gòu)密合在一起，形成了非常薄的"陰極-電解質(zhì)-陽(yáng)極"結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為膜 電極三合一組件(MEA)。通常是由雙極板將多個(gè)MEA串聯(lián)起來(lái)用于電池堆中。
低溫質(zhì)子交換膜燃料電池的聚合物電解質(zhì)可以在低溫下(大約100 "C )工作， 這使PEMFC具有低溫快速啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。其次，由于MEA很薄，電池可以得到非常 緊湊的結(jié)構(gòu)。另外，由于不使用腐蝕性的液態(tài)電解質(zhì)，電池可以在任何方位、 任何角度運(yùn)行。這些優(yōu)勢(shì)使得PEMFC非常適宜用作汽車(chē)及其他移動(dòng)設(shè)施的電源。 另外質(zhì)子交換膜具有結(jié)構(gòu)緊湊，性能優(yōu)越，非常適用于熱電聯(lián)供系統(tǒng)。
所述低溫質(zhì)子交換膜燃料電池包括氧氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、低溫質(zhì)子交換膜
7燃料電池主體、電壓轉(zhuǎn)換器、控制器、能量存儲(chǔ)系統(tǒng)、電動(dòng)控制系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī);
其工作原理在質(zhì)子交換膜燃料電池的陽(yáng)極，氫離子化，釋放出電子并產(chǎn)
生氫離子(也叫做質(zhì)子)。
2H2 —4H++4e—
在陰極，氧氣結(jié)合電極上的電子和電解質(zhì)中的氫離子形成水，這個(gè)反應(yīng)釋 放出能量。
02+4e— + 4H+ — 2H20
為了使這些反應(yīng)能連續(xù)發(fā)生，在陽(yáng)極產(chǎn)生的電子要通過(guò)外電路到達(dá)陰極， 并且氫離子必須通過(guò)電解質(zhì)。質(zhì)子交換膜中的聚合物電解質(zhì)可存在自由的氫離 子所以能很好的達(dá)到這個(gè)目的；
所述氧氣系統(tǒng)包括沖壓空氣系統(tǒng)、純氧系統(tǒng)、氧氣輸入系統(tǒng)，主要為低溫 質(zhì)子交換膜燃料電池提供氧氣；
所述氫氣系統(tǒng)包括液氫存儲(chǔ)系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)器、加濕器、送風(fēng)機(jī)、氫氣輸
入控制系統(tǒng)，主要為低溫質(zhì)子交換膜燃料電池提供氫氣；
液氫存儲(chǔ)系統(tǒng)采用液氫存儲(chǔ)罐來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要是考慮到飛行器上空間及重量 限制，采用液氫存儲(chǔ)罐相比氫氣重整系統(tǒng)重量輕相比高壓氫氣存儲(chǔ)罐體積小， 另外液氫還可以作為熱沉，帶走PA0的熱量；
電壓轉(zhuǎn)換器是把質(zhì)子交換膜輸出的電能轉(zhuǎn)換為可供各個(gè)系統(tǒng)安全利用的電
倉(cāng)旨；
，控制器是控制不同的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)相互連接、充電、放電和低溫質(zhì)子交換 膜膜燃料電池的電能分配；
能量存儲(chǔ)系統(tǒng)為飛行器提供備用電源，包括主能量存儲(chǔ)系統(tǒng)、額外能量存 儲(chǔ)系統(tǒng)、峰值能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和緊急備用能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)可以直接 由燃料電池進(jìn)行充電，也可以來(lái)自其他獨(dú)立的能源系統(tǒng)；
電動(dòng)控制器能根據(jù)不同的飛行要求控制電動(dòng)機(jī)的輸出以保證飛行器的速度 及推力要求；
電動(dòng)機(jī)是為飛行器飛行提供所需的推力。
所述溴化鋰集成膜吸收式余熱空調(diào)系統(tǒng)由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流 閥、集成膜吸收器、泵和溶液熱交換器等組成。
其工作原理集成膜吸收器出來(lái)的溴化鋰稀溶液由溶液泵升壓后，經(jīng)溶液熱 交換器升溫后進(jìn)入發(fā)生器，在發(fā)生器中溴化鋰稀溶液被熱源加熱溫度升高直至 沸騰,產(chǎn)生冷劑水蒸氣后溴化鋰稀溶液變?yōu)殇寤嚌馊芤?而冷劑水蒸氣進(jìn)入冷 凝器，在冷凝器內(nèi)被冷卻成冷劑水,經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器。由發(fā)生器 出來(lái)的濃溶液經(jīng)溶液熱交換器放熱降溫后經(jīng)節(jié)流閥降壓后進(jìn)入吸收器，與吸收 器中的稀溶液相混合,吸收來(lái)自蒸發(fā)器的低壓冷劑水蒸氣,使蒸發(fā)器中的低壓得 以維持，從而達(dá)到連續(xù)制冷的目的；
上述集成膜吸收器是由微孔高分子中空纖維膜接觸器組成的吸收模塊跟冷 卻模塊集成封裝而成；
8微孔高分子中空纖維膜是一層選擇透過(guò)性膜，此系統(tǒng)所用的膜只允許水蒸 氣透過(guò)，而溴化鋰溶液是不能通過(guò)的；
用集成膜吸收器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管殼式吸收器可以減少體積，減少重量，并且 振動(dòng)對(duì)其效率影響不大。微孔高分子中空纖維膜接觸器單位體積的接觸面積大 并且由于是強(qiáng)迫對(duì)流會(huì)有良好的傳質(zhì)效果，從而可以大大減少吸收器的尺寸。 在吸收模塊中間加入冷卻模塊然后集成封裝，根據(jù)要求確定冷卻模塊跟吸收模 塊的比值關(guān)系可以對(duì)溴化鋰溶液達(dá)到很好的冷卻效果，并且振動(dòng)對(duì)集成膜吸收 器的效率影響不大，德國(guó)斯圖加特大學(xué)已研制了能在汽車(chē)上使用的集成膜吸收 器，并且取得了很好的效果，這說(shuō)明集成膜吸收器在飛行器上應(yīng)用也是可行的。
所述外部換熱器都是以PAO (聚ci-烯烴油)為工作介質(zhì)，PAO屬可生物降解 類(lèi)，是一種合成電介質(zhì)液體冷卻劑，其中摻有某些抗氧化添加劑，性質(zhì)穩(wěn)定，選 擇PAO作為飛行器冷卻介質(zhì)是由于PAO正應(yīng)用于美國(guó)空軍、海軍的各種項(xiàng)目中并 且獲得了很大的成功，并且PAO在飛行器整個(gè)飛行包線內(nèi)，它都能滿足液體冷卻 回路的使用要求。
本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括
1 、創(chuàng)造性地應(yīng)用質(zhì)子交換膜燃料電池和溴化鋰集成膜吸收式余熱空調(diào)的機(jī) 載冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)有效地解決了目前全電飛行器能源環(huán)控系統(tǒng)存在的發(fā)電裝置 余熱得不到充分利用、環(huán)控系統(tǒng)電動(dòng)空調(diào)能耗過(guò)高、整個(gè)系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性不高等 制約全電飛行器技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。
2、 創(chuàng)造性地把集成膜吸收器技術(shù)應(yīng)用在溴化鋰吸收式余熱空調(diào)系統(tǒng)里，解 決了傳統(tǒng)的溴化鋰吸收式余熱空調(diào)由于體積大、質(zhì)量大并且無(wú)法在有振動(dòng)的場(chǎng) 合使用的問(wèn)題，為溴化鋰吸收式余熱空調(diào)制冷技術(shù)在全電飛行器上的應(yīng)用提供
了可倉(cāng)旨o(jì)
3、 選擇結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕的低溫質(zhì)子交換膜燃料電池，它不僅具有低溫快 速啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，非常適合用在飛行器上，而且還可以減輕全電飛行器的體積和 重量，提高飛行器的性能，另外低溫質(zhì)子交換膜也非常適用于冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。
4、 用液氫直接作為氫源，減少了體積，減少了重量，另外液氫還可以作為 熱沉，帶走冷卻介質(zhì)PAO的熱量。
5、 整個(gè)方案運(yùn)用在全電飛行器上會(huì)使飛行器更輕便、更高效、更可靠、更 安全。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步具體描述本發(fā)明的實(shí)施例。
如圖1所示的本發(fā)明的機(jī)載冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)施例包括氫氣系統(tǒng)101、氧 氣系統(tǒng)102、氫氣輸入控制系統(tǒng)103、氧氣輸入控制系統(tǒng)104、低溫質(zhì)子交換膜燃 料電池105、水空氣分離器106和溴化鋰集成膜吸收式余熱空調(diào)107。 氧氣系統(tǒng)102為低溫質(zhì)子交換膜燃料電池105提供反應(yīng)所需的氧氣； 氧氣輸入控制系統(tǒng)104根據(jù)低溫質(zhì)子交換膜燃料電池105的反應(yīng)需要提供符合要求(比如流量、壓力、濕度等方面)的氧氣；
氫氣系統(tǒng)101為低溫質(zhì)子交換膜燃料電池105提供反應(yīng)所需的氫氣； 氫氣輸入控制系統(tǒng)103是根據(jù)低溫質(zhì)子交換膜燃料電池105的反應(yīng)需要提供
符合要求(比如流量、壓力、濕度等方面)的氫氣；
低溫質(zhì)子交換膜燃料電池105用于把氫氣氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電
能供飛行器上的各用電設(shè)備使用；
水空氣分離器106用于將低溫質(zhì)子交換膜燃料電池105反應(yīng)產(chǎn)生的廢氣跟水
分離開(kāi)，分離出的水供飛行器上使用，分離出的廢氣可用來(lái)驅(qū)動(dòng)溴化鋰集成膜 吸收式余熱空調(diào)107。
圖2是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例的低溫質(zhì)子交換膜燃料電池105及其相 關(guān)部分的配置的結(jié)構(gòu)框圖，其中示意顯示了在該配置下液氫存儲(chǔ)器1011、壓力 調(diào)節(jié)器1012、加濕器1013、送風(fēng)機(jī)1014、氫氣輸入控制系統(tǒng)103、引氣管1021、 風(fēng)扇1022、風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)1023、電動(dòng)機(jī)201、壓縮氧氣罐1024、氧氣輸入控制系統(tǒng) 104、低溫質(zhì)子交換膜燃料電池105、電壓轉(zhuǎn)換器205、控制器203、能量存儲(chǔ)系 統(tǒng)204、電動(dòng)控制系統(tǒng)202、電動(dòng)機(jī)201之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系。
液氫存儲(chǔ)器IO 1 l用于存儲(chǔ)低溫質(zhì)子交換膜燃料電池反應(yīng)所需的氫氣； 壓力調(diào)節(jié)器1012用于調(diào)節(jié)氫氣出口的壓強(qiáng)以保證流量滿足要求； 加濕器1013用于給氫氣加濕以滿足反應(yīng)所需的濕度條件； 送風(fēng)機(jī)1014用于提供氫氣輸入系統(tǒng)所需的動(dòng)力；
氫氣輸入控制系統(tǒng)103用于保證氫氣進(jìn)入低溫質(zhì)子交換膜燃料電池反應(yīng)時(shí)
各項(xiàng)條件符合要求；
引氣管1021是沖壓空氣進(jìn)口通道；引氣管1021—般安裝在飛行器的底部；
引氣管1021的進(jìn)氣口一般在飛行器的前端；
引氣管1021有時(shí)不能為燃料電池提供足夠的氧氣；此時(shí)，需要另外設(shè)置了
一個(gè)壓縮氧氣罐1024來(lái)輔助沖壓空氣系統(tǒng)，在引氣管路上要安裝一個(gè)風(fēng)扇1022 和一個(gè)用于為風(fēng)扇1022提供動(dòng)力的風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)1023;
另外設(shè)置了一個(gè)壓縮氧氣罐1024來(lái)輔助沖壓空氣系統(tǒng)，主要是考慮到?jīng)_壓 系統(tǒng)由于故障不能提供足夠的氧氣或者是當(dāng)燃料電池需要額外電能的輸出時(shí) (比如飛行器起飛或爬升時(shí))，這時(shí)可以開(kāi)啟壓縮氧氣罐1024以滿足燃料電池 105對(duì)氧氣的需要。
低溫質(zhì)子交換膜燃料電池105輸出的電能通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換器205、控制器203和 電動(dòng)控制系統(tǒng)202從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)201,電動(dòng)機(jī)201可以是直流電也可以是交流電 驅(qū)動(dòng)，只要它具有最優(yōu)的尺寸及重量，并且能提供足夠的推力。
電動(dòng)控制系統(tǒng)用于根據(jù)不同的飛行要求控制電動(dòng)機(jī)201的輸出保證飛行器 的速度及推力要求；
能量存儲(chǔ)系統(tǒng)204為飛行器提供備用電源，具體可包括主能量存儲(chǔ)系統(tǒng)、額 外能量存儲(chǔ)系統(tǒng)、峰值能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和緊急備用能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中主能量存儲(chǔ)系統(tǒng)在沒(méi)有燃料電池的輔助下能夠獨(dú)立提供飛行器飛行所需的 輔旨；
k外能量存儲(chǔ)系統(tǒng)用于配合主能量存儲(chǔ)系統(tǒng)提供電能給導(dǎo)航、通訊、播音
和空調(diào)系統(tǒng)等次級(jí)設(shè)備；
峰值能量存儲(chǔ)系統(tǒng)用于在飛行器起飛或者爬升時(shí)提供額外的電能； 緊急備用能量存儲(chǔ)系統(tǒng)可以用于當(dāng)飛行器發(fā)生故障或其他能量系統(tǒng)不能提
供足夠的能量維持飛行器正常航行時(shí)代替主能量存儲(chǔ)系統(tǒng)提供飛行器安全降落
所需的電能。
圖3示意顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的溴化鋰集成膜吸收式余熱空調(diào) 107的配置，其中包括集成膜吸收器310、溶液泵308、溶液熱交換器306、發(fā)生 器305、第一節(jié)流閥307、第二節(jié)流閥309、冷凝器303、第一泵304、 PAO環(huán)A、 PAO 環(huán)A1、 PA0環(huán)A2、 PA0環(huán)B、 PA0環(huán)C、液氫環(huán)路、空氣環(huán)路、PA0/空氣熱交換器302、 PAO/液氫熱交換器301。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的溴化鋰集成膜吸收式余熱空調(diào)107的工作過(guò)程 包括集成膜吸收器310出來(lái)的溴化鋰稀溶液由溶液泵308升壓后，經(jīng)溶液熱交換 器306升溫后進(jìn)入發(fā)生器305，在發(fā)生器305中溴化鋰稀溶液被熱源(即冷卻燃料 電池的PAO (圖3中的"PAO環(huán)C")所帶來(lái)的熱量；當(dāng)該熱量不夠時(shí)，可以可選地 利用燃料電池的廢氣中的熱量)加熱升溫直至沸騰,產(chǎn)生冷劑水蒸氣后，溴化鋰 稀溶液變?yōu)殇寤嚌馊芤海鋭┧魵膺M(jìn)入冷凝器303，在冷凝器303內(nèi)被冷卻 成冷劑水，經(jīng)第二節(jié)流閥309節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器3U。由發(fā)生器305出來(lái)的溴 化鋰濃溶液經(jīng)溶液熱交換器306放熱降溫后經(jīng)第一節(jié)流閥307降壓后進(jìn)入吸收器 310，與吸收器310中的溴化鋰稀溶液相混合,從而吸收來(lái)自蒸發(fā)器311的低壓冷 劑水蒸氣，使蒸發(fā)器311中的低壓得以維持,從而達(dá)到連續(xù)制冷的目的；
第二泵313用于提供循環(huán)環(huán)路動(dòng)力；
發(fā)生器305中的PA0循環(huán)發(fā)生器305吸收來(lái)自冷卻燃料電池的PAO (圖3中的 "PAO環(huán)C")的熱量從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)制冷循環(huán)的運(yùn)行。當(dāng)熱量不夠時(shí)，可以利用燃 料電池的廢氣來(lái)提供熱量；
PAO冷環(huán)PAO冷環(huán)(圖3中的"PAO環(huán)B")的PAO流經(jīng)溴化鋰集成膜吸收式制 冷循環(huán)的蒸發(fā)器311時(shí)被冷卻，然后PAO去冷卻各種電子設(shè)備。冷環(huán)的分配系統(tǒng) 主要是一個(gè)并聯(lián)管路網(wǎng)絡(luò)，在各支線上有一個(gè)或多個(gè)液體冷卻的航空電子設(shè)備;
PAO熱環(huán)如圖3所示，PAO熱環(huán)(圖3中的"PAO環(huán)A")的一支"PA0環(huán)A2" 將冷凝器303和許多公共設(shè)備系統(tǒng)的熱載荷帶走，另一支"PA0環(huán)A1"將吸收器 310中溴化鋰溶液吸收水蒸氣放出的熱量帶走，兩個(gè)支環(huán)"PA0環(huán)A1"和"PAO環(huán) A2"匯集成流過(guò)通過(guò)PA0/液氫換熱器301的PA0熱環(huán)"PAO環(huán)A"，從而使它們所吸 收的熱量在PA0/液氫換熱器301中被熱沉液氫帶走；
液氫環(huán)用液氫當(dāng)熱沉，通過(guò)PA0/液氫熱交換器301帶走PA0中的熱量，液
ii氫吸收熱量后回到低溫質(zhì)子交換膜燃料電池的氫氣系統(tǒng)中；
空氣環(huán)路通過(guò)電動(dòng)機(jī)201驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)從機(jī)外引氣，然后對(duì)所引空氣進(jìn)行 降壓、除濕、借助PAO/空氣熱交換器302的降溫等一系列處理， 一部分冷卻部分 航空電子設(shè)備， 一部分保證飛行員的身體需要，經(jīng)過(guò)充分利用后的空氣排出機(jī) 外。
如圖4所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的集成膜吸收器310是用微孔高分子 中空纖維接觸器組成的吸收模塊401和冷卻模塊402集成封裝而成。
微孔高分子中空纖維膜是一層選擇透過(guò)性膜，只允許水蒸氣通過(guò)，而溴化 鋰溶液是不能通過(guò)的；
工作原理從蒸發(fā)器311出來(lái)的水蒸氣充滿微孔高分子中空纖維內(nèi)腔，水蒸 氣在通過(guò)由微孔高分子中空纖維膜組成的吸收模塊時(shí)，將會(huì)被周?chē)匿寤嚾?液吸收，溴化鋰溶液吸收水蒸氣時(shí)放出的熱量會(huì)被集成膜吸收器中的冷卻模塊 吸收帶走，從而保證了吸收過(guò)程有效地進(jìn)行。
應(yīng)當(dāng)理解的是，以上結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所進(jìn)行的描述只是說(shuō)明而 非限定性的，且在不脫離如所附權(quán)利要求書(shū)所限定的本發(fā)明的前提下，可以對(duì) 上述實(shí)施例進(jìn)行各種改變、變形、和/或修正。
1權(quán)利要求
1、全電飛行器的機(jī)載冷熱電聯(lián)產(chǎn)方法，所述全電飛行器包括一個(gè)低溫質(zhì)子交換膜燃料電池(105)，用于把氫氣氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成所述飛行器上使用的電能；其特征在于包括利用一個(gè)第一工作介質(zhì)循環(huán)(C)把所述低溫質(zhì)子交換膜燃料電池(105)處的熱量傳輸?shù)揭粋€(gè)發(fā)生器(305)，從而把流經(jīng)所述發(fā)生器(305)的溴化鋰稀溶液分離成溴化鋰濃溶液和冷劑水蒸氣；使所述溴化鋰濃溶液經(jīng)過(guò)一個(gè)溶液交換器(306)和一個(gè)第一節(jié)流閥(307)而到達(dá)一個(gè)集成膜吸收器(310)；使所述冷劑水蒸氣經(jīng)過(guò)一個(gè)冷凝器(303)、一個(gè)第二節(jié)流閥(309)和一個(gè)蒸發(fā)器(311)而到達(dá)所述集成膜吸收器(310)而被到達(dá)所述集成膜吸收器(310)的所述溴化鋰濃溶液所吸收，以及使所述溴化鋰濃溶液吸收所述冷劑水蒸氣之后形成的溴化鋰稀溶液經(jīng)所述發(fā)生器(305)加熱蒸發(fā)后成為所述流經(jīng)所述集成膜吸收器(310)的溴化鋰濃溶液，從而完成所述溴化鋰稀溶液/所述溴化鋰濃溶液/所述冷劑水蒸氣的循環(huán)。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括 利用一個(gè)第二工作介質(zhì)循環(huán)(Al)把所述集成膜吸收器(310)處的熱量傳輸?shù)揭粋€(gè)PA0/液氫換熱器(301)。
3、 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括 利用一個(gè)第三工作介質(zhì)循環(huán)(A2)把所述冷凝器(303)處的熱量傳輸?shù)剿鯬AO/液氫換熱器(301)，所述熱量在所述PAO/液氫換熱器(301)中被熱沉液 氫帶走，所述熱沉液氫隨后被用于進(jìn)行所述低溫質(zhì)子交換膜燃料電池(105)的 氫氣氧氣反應(yīng)。
4、 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括 使所述流經(jīng)所述發(fā)生器(305)的溴化鋰稀溶液與所述溴化鋰濃溶液進(jìn)行熱交換；以及利用一個(gè)第四工作介質(zhì)循環(huán)(B)把所述飛行器上的電子設(shè)備(312)處的 熱量傳輸?shù)剿稣舭l(fā)器(311)。
5、 如權(quán)利要求3—4中的任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括 使機(jī)外引氣在一個(gè)PA0/空氣熱交換器(302)與所述第三工作介質(zhì)循環(huán)(A2)中的工作介質(zhì)進(jìn)行熱交換，從而對(duì)所述機(jī)外引氣進(jìn)行降溫處理，降溫后的所述 機(jī)外引氣用于冷卻部分航空電子設(shè)備和/或保證飛行器上人員的身體需要；以及 把所述低溫質(zhì)子交換膜燃料電池(105)反應(yīng)產(chǎn)生的廢氣中的熱量傳輸?shù)剿?述發(fā)生器(305)。
6、 全電飛行器的機(jī)載冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，其特征在于所述機(jī)載冷熱電聯(lián)產(chǎn)系 統(tǒng)包括一個(gè)低溫質(zhì)子交換膜燃料電池(105)，用于把氫氣氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能 轉(zhuǎn)化成所述飛行器上使用的電能；一個(gè)發(fā)生器(305),用于借助從所述低溫質(zhì)子交換膜燃料電池(105)處通 過(guò)一個(gè)第一工作介質(zhì)循環(huán)(C)而被傳輸?shù)剿霭l(fā)生器(305)的熱量，而把從 一個(gè)集成膜吸收器(310)流到所述發(fā)生器(305)的溴化鋰稀溶液分離成溴化 鋰濃溶液和冷劑水蒸氣；一個(gè)第一節(jié)流閥(307);一個(gè)溶液熱交換器(306);所述集成膜吸收器(310)，所述溴化鋰濃溶液經(jīng)過(guò)所述溶液熱交換器(306) 和第一節(jié)流閥(307)而到達(dá)所述集成膜吸收器(310); 一個(gè)冷凝器(303); 一個(gè)第二節(jié)流閥(309);和 一個(gè)蒸發(fā)器(311)， 其中所述冷劑水蒸氣經(jīng)過(guò)所述冷凝器(303)、所述第二節(jié)流閥(309)和所述蒸 發(fā)器(311)而到達(dá)所述集成膜吸收器(310)而被到達(dá)所述集成膜吸收器(310) 的所述溴化鋰濃溶液所吸收，且所述流經(jīng)集成膜吸收器(310)的溴化鋰濃溶液吸收所述冷劑水蒸氣之后形 成的溴化鋰稀溶液經(jīng)所述發(fā)生器(305)加熱蒸發(fā)后成為流經(jīng)所述集成膜吸收器 (310)的所述溴化鋰濃溶液，從而完成所述溴化鋰稀溶液/所述溴化鋰濃溶液/ 所述冷劑水蒸氣的循環(huán)。
7、 如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括 一個(gè)PA0/液氫換熱器(301)，用于通過(guò)一個(gè)第二工作介質(zhì)循環(huán)(Al)吸收來(lái)自所述集成膜吸收器(310)放出的熱量。
8、 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于其中利用一個(gè)第三工作介質(zhì)循環(huán)(A2)把所述冷凝器(303)處的熱量傳輸 到所述PA0/液氫換熱器(301)，所述PAO/液氫換熱器(301)處的熱量被熱沉液 氫帶走，所述熱沉液氫隨后被用于進(jìn)行所述低溫質(zhì)子交換膜燃料電池(105)的 氫氣氧氣反應(yīng)。
9、 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括 一個(gè)溴化鋰溶液熱交換器(306)，用于使所述流經(jīng)所述發(fā)生器(305)的溴化鋰稀溶液與所述溴化鋰濃溶液進(jìn)行熱交換，其中利用一個(gè)第四工作介質(zhì)循環(huán)(B)把所述飛行器上的電子設(shè)備(312) 處的熱量傳輸?shù)剿稣舭l(fā)器(311)。
10、 如權(quán)利要求8—9中的任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括 一個(gè)PAO/空氣熱交換器(302),用于使機(jī)外引氣與所述第三工作介質(zhì)循環(huán)(A2)中的工作介質(zhì)進(jìn)行熱交換，從而對(duì)所述機(jī)外引氣進(jìn)行降溫處理，降溫后 的所述機(jī)外引氣用于冷卻部分航空電子設(shè)備和/或保證飛行器上人員的身體需 要，其中把所述低溫質(zhì)子交換膜燃料電池(105)反應(yīng)產(chǎn)生的廢氣中的熱量傳輸 到所述發(fā)生器(305)。
全文摘要
全電飛行器是現(xiàn)代飛行器的重要發(fā)展方向，針對(duì)其能源、環(huán)控、熱管理系統(tǒng)同時(shí)并存較大的冷熱電負(fù)荷，提出了一種適用于全電飛行器的利用質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電產(chǎn)生的余熱來(lái)驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式余熱空調(diào)以實(shí)現(xiàn)制冷、供熱的機(jī)載冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，從而解決了目前國(guó)內(nèi)外冷熱電分產(chǎn)、分供客觀存在的發(fā)電余熱得不到充分利用、環(huán)控系統(tǒng)能耗過(guò)高、熱管理系統(tǒng)負(fù)荷加大等制約全電飛行器技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。另外還詳細(xì)介紹了對(duì)傳統(tǒng)的質(zhì)子交換膜燃料電池和溴化鋰吸收式余熱空調(diào)所進(jìn)行的改進(jìn)，從而使得這兩種裝置能滿足全電飛行器的使用要求。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101576330SQ20091008598
公開(kāi)日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2009年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月10日
發(fā)明者劉東曉, 周湘杰, 李運(yùn)澤, 群 楊, 王玉瑩 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)