驅(qū)動(dòng)單元、用于提供動(dòng)力的方法以及驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)用的制作方法
【專利摘要】一種驅(qū)動(dòng)單元（2），包括：燃燒室（26），用于燃燒燃料/空氣混合物；以及燃料電池裝置（4），其中，所述燃料電池裝置（4）包括至少一個(gè)燃料電池（30）并且被設(shè)置在所述燃燒室（26）的上游，所述至少一個(gè)燃料電池（30）在每種情況下均包括：能夠耦接至燃料管線（38）的陽(yáng)極（32）、能夠耦接至空氣源的陰極（34）以及流體出口（31）。所述燃燒室（26）還包括用于供應(yīng)燃料/空氣混合物的燃燒室入口（27）以及用于排出廢氣的燃燒室出口（29），并且所述燃燒室入口（27）連接至所述燃料電池裝置（4）的所述流體出口（31）。以此方式，可以提供除產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力之外還以高效率產(chǎn)生電力的混合驅(qū)動(dòng)單元。
【專利說(shuō)明】驅(qū)動(dòng)單元、用于提供動(dòng)力的方法以及驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)用
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)要求享有2011年4月21日提交的德國(guó)專利申請(qǐng)N0.102011018448以及2011年4月21日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/477，703的申請(qǐng)日，這兩個(gè)申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及一種驅(qū)動(dòng)單元、用于提供動(dòng)力的方法以及驅(qū)動(dòng)單元在交通工具中的運(yùn)用。
【背景技術(shù)】
[0004]在設(shè)計(jì)用于各種用途的驅(qū)動(dòng)單元時(shí)，如今最重要的嘗試之一涉及使燃料消耗最小化，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)單元的最有效及環(huán)境友好的操作。根據(jù)相應(yīng)的用途，例如在交通工具中的驅(qū)動(dòng)單元的情況下，減輕重量也可能是最重要的。目前，出于優(yōu)化飛行器中的燃料消耗的目的，已知使用燃料電池系統(tǒng)來(lái)提供電力并且以此方式來(lái)部分地減少要由主發(fā)動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械動(dòng)力，其中一些機(jī)械動(dòng)力用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。為了針對(duì)一方面是發(fā)動(dòng)機(jī)而另一方面是燃料電池的同時(shí)操作簡(jiǎn)化燃料的供應(yīng)，頻繁地使用用于從碳烴燃料提供適合的燃料電池燃料的催化重整裝置，使得在相關(guān)交通工具中僅需要提供單一類型的燃料。
[0005]可以進(jìn)一步改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料電池的并行操作，以開(kāi)發(fā)出最大可能的效率，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料電池的并行操作主要提供機(jī)械動(dòng)力，在該并行操作中，發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料電池或者在空間和功能方面完全分離或者僅通過(guò)呈燃料和空氣形式的工作介質(zhì)和/或從熱的角度通過(guò)熱交換器發(fā)生耦接。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此，本發(fā)明的目的在于提出一種驅(qū)動(dòng)單元以及用于操作驅(qū)動(dòng)單元的方法，在該單元和方法中，內(nèi)燃機(jī)和燃料電池以集成的方式彼此耦接，其中，驅(qū)動(dòng)單元的燃料消耗盡可能低，而總效率要盡可能地高。
[0007]通過(guò)具有獨(dú)立權(quán)利要求1的特征的驅(qū)動(dòng)單元來(lái)滿足與驅(qū)動(dòng)單元有關(guān)的目的。從屬權(quán)利要求公開(kāi)了有利的改進(jìn)。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元包括:燃燒室，用于燃燒燃料/空氣混合物；至少一個(gè)燃料電池裝置，其中，所述燃燒室包括:用于供應(yīng)燃料/空氣混合物的燃燒室入口以及用于排出廢氣的燃燒室出口，所述至少一個(gè)燃料電池裝置包括至少一個(gè)燃料電池，所述至少一個(gè)燃料電池具有能夠耦接至用于陽(yáng)極燃料的供應(yīng)管線的陽(yáng)極以及能夠耦接至空氣源的陰極，其中，燃料電池包括連接至燃燒室入口的流體出口。因此，在由工作介質(zhì)的流動(dòng)決定的流動(dòng)方向上，燃燒室被設(shè)置在所述至少一個(gè)燃料電池的下游，使得源自所述至少一個(gè)燃料電池的陰極/陽(yáng)極氣體混合物能夠流經(jīng)所述燃燒室。
[0009]因此，根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元的核心由特別有利的直接且高度緊湊的集成以及內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃料電池裝置在/與燃燒室的直接耦接組成，其中，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的功能而言必需的氣流從與陰極流體連接的空氣源流到燃料電池裝置中并且流過(guò)所述燃料電池裝置。相對(duì)于燃料電池處理，該氣流因此在下文中也被稱為“陰極氣流”，這導(dǎo)致了通過(guò)在陽(yáng)極處供應(yīng)的燃料而產(chǎn)生電力。
[0010]存在如下特殊特征:在從陰極氣流部分地去除氧之后并且在部分地氧化陽(yáng)極處的用于操作燃料電池的燃料之后，剩余的陰極氣流和剩余的燃料質(zhì)量流通過(guò)燃料電池出口離開(kāi)燃料電池裝置并且直接到達(dá)燃燒室的燃燒室入口。在該位置處，剩余(氣態(tài))燃料優(yōu)選地完全燃燒并且以廢氣的形式從燃燒室出口傳送到外部。
[0011]因此，電力生成期間燃料電池裝置內(nèi)已產(chǎn)生的熱量以及作為氧化的結(jié)果而升高的壓力在無(wú)熱交換器或管線橋接空間距離的情況下被直接饋送至燃燒室。作為燃燒室中的燃燒的結(jié)果，未耗盡的燃料成分導(dǎo)致所述燃燒室中的壓力以及額外的熱量的進(jìn)一步增加。燃燒室內(nèi)獲得的總壓力接下來(lái)準(zhǔn)備提供機(jī)械動(dòng)力，這或者以轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械動(dòng)力的形式或者以推力的形式存在于常用的驅(qū)動(dòng)單元中。應(yīng)理解，為了獲得特別有效的運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)總體為化學(xué)計(jì)量的燃燒，這可以通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)所述至少一個(gè)燃料電池的燃料供應(yīng)而實(shí)現(xiàn)。
[0012]所使用的燃料電池的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)以獲得最低可能的流動(dòng)阻力為目的而進(jìn)行，使得在燃料電池上獲得的壓差盡可能低。在有利的實(shí)施方式中，出于增加燃料質(zhì)量流的目的，可以設(shè)置繞過(guò)燃料電池的旁路。
[0013]針對(duì)液態(tài)燃料的常規(guī)使用，在有利的實(shí)施方式中，驅(qū)動(dòng)單元包括至少一個(gè)燃料轉(zhuǎn)化器，所述至少一個(gè)燃料轉(zhuǎn)化器被布置在燃料管線與燃料電池裝置之間并被設(shè)計(jì)成將液態(tài)燃料轉(zhuǎn)化成氣態(tài)燃料，并且從氣態(tài)燃料生成用于操作燃料電池的氫。在這點(diǎn)上，液態(tài)燃料和氣態(tài)燃料的設(shè)計(jì)均不受限制。液態(tài)燃料例如可以以碳烴化合物(例如BTL (“生物質(zhì)到液體”)或GTL (“氣體到液體”)燃料))的形式或以醇(例如甲醇)的形式來(lái)實(shí)施。燃料轉(zhuǎn)化器包括也稱為“重整器”的汽化器裝置(例如，加熱器)和反應(yīng)器。在反應(yīng)器中，從氣態(tài)燃料生成氫，換句話說(shuō)，生成包含氫的氣體，該氣體除了氫之外還包括未燃燒的燃料以及所謂的殘余燃料。殘余燃料源自氫產(chǎn)生期間的燃料；殘余燃料例如作為脫水的燃料或部分氧化的燃料出現(xiàn)，換句話說(shuō)，僅利用氧已經(jīng)不完全轉(zhuǎn)化的燃料。
[0014]為了通過(guò)重整而在反應(yīng)器中生成含氫氣體，可以使用各種方法。例如，反應(yīng)器可以被設(shè)計(jì)成執(zhí)行催化部分氧化或催化部分脫水。通常，在反應(yīng)器中生成的氫在可以被供應(yīng)至燃料電池之前需要與未轉(zhuǎn)換的燃料及與殘余燃料分離。氫的分離可以例如通過(guò)優(yōu)選地位于反應(yīng)器內(nèi)部中的氫滲透膜進(jìn)行。
[0015]一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)注意，在正常環(huán)境溫度下為液體的燃料的取決于根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元的應(yīng)用的使用簡(jiǎn)化了所述燃料的存儲(chǔ)。這尤其在根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元在交通工具中的運(yùn)用中更加明顯。
[0016]此外，在上下文中，術(shù)語(yǔ)“交通工具”指任何能夠想象到的類型的交通工具，包括陸地交通工具、飛行器、船只和宇宙飛船。然而，根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元特別適合用于飛行器和直升機(jī)。
[0017]在本發(fā)明的有利實(shí)施方式中，燃料電池裝置包括環(huán)形設(shè)計(jì)，該環(huán)形設(shè)計(jì)特別有利于燃料電池裝置在以環(huán)形方式設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱驅(qū)動(dòng)單元中的管狀燃料電池或燃料電池中的使用。[0018]在本發(fā)明的有利實(shí)施方式中，驅(qū)動(dòng)單元包括:至少一個(gè)壓縮機(jī)單元，其被設(shè)置在燃料電池裝置的上游；以及渦輪機(jī)單元，其被設(shè)置在燃燒室的下游。壓縮機(jī)單元包括至少一個(gè)壓縮機(jī)葉輪，而渦輪機(jī)單元包括至少一個(gè)渦輪機(jī)葉輪。所述至少一個(gè)壓縮機(jī)葉輪和所述至少一個(gè)渦輪機(jī)葉輪通過(guò)至少一個(gè)軸互相連接。因此，根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元(其表示包括燃料電池和內(nèi)燃機(jī)的組合)專門被設(shè)計(jì)為燃?xì)鉁u輪機(jī)，該燃?xì)鉁u輪機(jī)實(shí)質(zhì)上在壓縮機(jī)單元與渦輪機(jī)單元之間包括燃料電池裝置，空氣和燃料通過(guò)該燃料電池裝置到達(dá)燃燒室并且在流通過(guò)期間用來(lái)生成電力。在該布置中，燃料電池裝置所需的和燃燒室所需的空氣源已經(jīng)通過(guò)設(shè)置在上游的壓縮機(jī)單元(通常是多級(jí)壓縮機(jī)單元)來(lái)實(shí)施，這導(dǎo)致存在足夠的壓力，以允許燃料電池裝置的運(yùn)行并且允許將足夠高分?jǐn)?shù)的陰極氣流傳送到燃燒室。
[0019]在有利的實(shí)施方式中，燃料電池裝置用作并聯(lián)地和/或一個(gè)接一個(gè)順序地設(shè)置的多個(gè)燃料電池，所述多個(gè)燃料電池被設(shè)計(jì)為在兩側(cè)開(kāi)放的管狀燃料電池。在對(duì)這些管狀燃料電池的內(nèi)徑和外徑定尺寸時(shí)，可能會(huì)影響用于燃料電池處理可用表面的設(shè)計(jì)空間的比例，其中，管狀形狀同時(shí)確保獲得陰極氣流和燃料的足夠通流。
[0020]這種燃料電池優(yōu)選地被設(shè)計(jì)為固體氧化物燃料電池(S0FC)，固體氧化物燃料電池(SOFC)通常擔(dān)當(dāng)具有超過(guò)600°C的溫度的高溫燃料電池。這種管狀燃料電池的電解質(zhì)優(yōu)選地包括傳導(dǎo)氧離子同時(shí)對(duì)電子具有絕緣效果的陶瓷材料。摻雜的二氧化鋯(例如，摻雜有釔)可能是合適的材料。在借助于鍶等進(jìn)行這種摻雜的情況下，這種燃料電池的陰極還優(yōu)選地由傳導(dǎo)離子和電子的陶瓷材料(例如，摻雜的錳酸鑭)制成。該燃料電池的陽(yáng)極可以由可包括金屬成分(例如，包括摻鎳和摻釔的氧化鋯的化合物)的陶瓷材料制成，以傳導(dǎo)離子和電子。借助于管狀燃料電池，多個(gè)獨(dú)立的燃料電池可以以環(huán)形方式圍繞渦輪機(jī)單元與壓縮機(jī)單元之間的連接軸設(shè)置，使得可以利用盡可能緊湊的集成提供特別高的電力，并且同時(shí)簡(jiǎn)化了燃燒氣體和陰極空氣到燃燒室的通流。
[0021]管狀燃料電池的設(shè)計(jì)可以包括圓形、橢圓形、矩形、多邊形或其它規(guī)則形狀或不規(guī)則形狀的橫截面，本發(fā)明的主題對(duì)管狀燃料電池的橫截面的形狀沒(méi)有限制。這也涉及橫截面沿著管狀燃料電池的長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)，該變化趨勢(shì)或者是恒定的，從而例如產(chǎn)生呈圓柱形的陶瓷管，或者是不恒定的，從而產(chǎn)生圓錐形狀。此外，管狀燃料電池還可以被設(shè)計(jì)為在一側(cè)上存在或不存在套環(huán)，該套環(huán)指向上游，管狀燃料電池可以通過(guò)該套環(huán)以特別簡(jiǎn)單的方式保持在接納開(kāi)口中。
[0022]在本發(fā)明的有利實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)管狀燃料電池包括由內(nèi)表面構(gòu)成的陽(yáng)極以及由外表面構(gòu)成的陰極。因此，管狀燃料電池的設(shè)計(jì)特別簡(jiǎn)單和具有魯棒性，并且可以通過(guò)管狀燃料電池所涉及的機(jī)械支架實(shí)施所提供的電力的傳導(dǎo)。
[0023]作為對(duì)此的替代方案，每個(gè)管狀燃料電池均包括:單獨(dú)的第一電極，其連接至燃料電池的外部；以及單獨(dú)的第二電極，其連接至燃料電池的內(nèi)部。以這種方式，執(zhí)行電力到電氣分配器單兀的傳導(dǎo)。
[0024]在本發(fā)明的有利實(shí)施方式中，若干個(gè)管狀燃料電池以環(huán)形方式圍繞渦輪裝置與壓縮機(jī)裝置之間的至少一個(gè)軸分布。以這種方式，燃料電池裝置僅使用相當(dāng)緊湊的設(shè)計(jì)空間，源自燃料電池裝置的氣體包括適于確保用于進(jìn)入到通常設(shè)計(jì)成環(huán)形的燃燒室中的無(wú)縫轉(zhuǎn)換的流動(dòng)特性。
[0025]如果使用管狀燃料電池，則特別有利的是陽(yáng)極燃料(即，燃燒氣體)被饋送通過(guò)燃料電池的內(nèi)部，其中，陰極氣流通過(guò)管狀燃料電池的外部來(lái)供應(yīng)。如果根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元被設(shè)計(jì)為燃?xì)鉁u輪機(jī)，則源自壓縮機(jī)單元的氣流可以簡(jiǎn)單地圍繞管狀燃料電池的陰極流動(dòng)，使得因此不需要用于陰極氣體的單獨(dú)的供應(yīng)管線。
[0026]在本發(fā)明的有利實(shí)施方式中，燃料電池裝置包括若干個(gè)管狀燃料電池，所述若干個(gè)管狀燃料電池相對(duì)于所述至少一個(gè)軸分布在若干個(gè)同心設(shè)置的環(huán)上和/或分布在一個(gè)接一個(gè)地設(shè)置的環(huán)上。這可以進(jìn)一步增加能夠提供的電力。
[0027]在本發(fā)明的有利實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)燃料轉(zhuǎn)化器也是環(huán)形的并且因此可以簡(jiǎn)單地包括與環(huán)形燃料電池裝置的形狀對(duì)應(yīng)的形狀。此外，用于將燃料從燃料轉(zhuǎn)化器供應(yīng)至燃料電池裝置的相應(yīng)陽(yáng)極的偏轉(zhuǎn)裝置或其它管道是不必要的。為了增加容量，可以根據(jù)設(shè)置在下游的燃料電池裝置的設(shè)計(jì)同心地和/或一個(gè)接一個(gè)地設(shè)置若干個(gè)燃料轉(zhuǎn)化器。
[0028]通過(guò)使燃料轉(zhuǎn)化器經(jīng)受來(lái)自上游壓縮機(jī)單元的熱壓縮空氣，假設(shè)達(dá)到正常的壓力t匕(如在用于交通工具的標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)鉁u輪機(jī)以及平穩(wěn)運(yùn)行的情況)，則可以繼續(xù)獲得燃料的有效汽化和/或催化轉(zhuǎn)化，這使得沒(méi)有必要提供外部熱源。在這種布置中，用于源自壓縮機(jī)裝置的壓縮空氣的環(huán)形沖擊區(qū)域?qū)τ糜谄虼呋D(zhuǎn)化的熱量的引入效率具有特別有利的效果。
[0029]在本發(fā)明的有利實(shí)施方式中，燃料轉(zhuǎn)化器包括環(huán)形設(shè)計(jì)并建立了與外部的表面接觸，并且因此與以環(huán)形方式設(shè)置的管狀燃料電池的陰極表面接觸以建立電連接，從而形成
第一電極。
[0030]如果管狀燃料電池包括位于上游指向端的周向套環(huán)，則所述燃料電池可以插入支承孔中并且可以通過(guò)設(shè)置在上游的燃料轉(zhuǎn)化器保持。作為燃料轉(zhuǎn)化器和第一電極的組合的結(jié)果，對(duì)于每個(gè)燃料電池可以節(jié)省被設(shè)計(jì)為第一電極的單獨(dú)部件，這是因?yàn)榭紤]到在壓縮機(jī)單元的運(yùn)行期間遭遇的溫度，燃料轉(zhuǎn)化器本身優(yōu)選地由金屬材料制成，并且因此可以容易地執(zhí)行該任務(wù)，并且對(duì)于傳導(dǎo)而言可以連接至用于電力的分配器單元。
[0031 ] 在本發(fā)明的有利實(shí)施方式中，每個(gè)單獨(dú)的燃料電池的第二電極被設(shè)計(jì)為位于相應(yīng)的燃料電池內(nèi)、包括金屬材料的支架，該支架可以連接至用于電力的分配器單元，因此避免了需要使用單獨(dú)的部件來(lái)保持并電連接至陽(yáng)極。
[0032]在本發(fā)明的有利實(shí)施方式中，第二電極被設(shè)計(jì)為支架，該支架以絕緣的方式保持在環(huán)形燃料轉(zhuǎn)化器內(nèi)。以這種方式，可以獲得根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元的更緊湊的設(shè)計(jì)，并且
因此進(jìn)一步節(jié)省了重量。
[0033]在本發(fā)明的另一有利實(shí)施方式中，第二電極被設(shè)計(jì)為包括金屬材料的支架，該支架被設(shè)置成與燃料轉(zhuǎn)化器相對(duì)。這避免了需要在燃料轉(zhuǎn)化器上提供電絕緣，使得提高了可靠性，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。
[0034]在本發(fā)明的同樣有利的實(shí)施方式中，提供了 一種燃料調(diào)節(jié)單元，該燃料調(diào)節(jié)單元減少了流到燃料電池裝置的燃料，并且同時(shí)增加了對(duì)用于二次燃燒的燃燒室的燃料供應(yīng)。以這種方式，根據(jù)需要，在不需要這種能量的情況下或在飛行器暫時(shí)需要增加的推力的情況下(例如在飛行器的起飛階段)，可以減少電能的供應(yīng)。
[0035]為了進(jìn)一步優(yōu)化燃料消耗，在本發(fā)明的有利實(shí)施方式中，驅(qū)動(dòng)單元包括電連接至燃料電池裝置的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)單元。以這種方式，可以通過(guò)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)單元將過(guò)剩的機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)換為電力，并且過(guò)剩的電力可以用于支持驅(qū)動(dòng)單元的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，例如壓縮機(jī)單元或渦輪機(jī)單元。
[0036]為此，在本發(fā)明的特別有利的實(shí)施方式中，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)單元包括位于根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元的渦輪機(jī)單元與壓縮機(jī)單元之間的至少一個(gè)軸。
[0037]通過(guò)包括根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的交通工具進(jìn)一步達(dá)到了該目的。
[0038]與該方法相關(guān)的目的通過(guò)用于運(yùn)行具有另一獨(dú)立權(quán)利要求的特征的驅(qū)動(dòng)單元的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的方法特別優(yōu)選地包括下列步驟:提供空氣；利用空氣以及燃料電池裝置中的燃料執(zhí)行燃料電池處理；將廢氣從燃料電池裝置饋送到燃燒室的燃燒室入口 ；以及在燃燒室內(nèi)燃燒包含燃料的廢氣。在液態(tài)燃料的情況下，根據(jù)本發(fā)明的方法還可以包括將燃料從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)相，其中，這種轉(zhuǎn)化能夠通過(guò)汽化或催化轉(zhuǎn)化實(shí)施。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0039]在對(duì)附圖中的示例性實(shí)施方式的以下描述中公開(kāi)了本發(fā)明的其它特征、優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用選項(xiàng)。即使不考慮所有描述和/或示出的特征在各權(quán)利要求中的組成或它們之間的相互關(guān)系，這些特征自身以及以它們的任何組合構(gòu)成本發(fā)明的主題。此外，附圖中相同或相似的部件具有相同的附圖標(biāo)記。
[0040]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元的示意性側(cè)視圖。
[0041]圖2a至圖2c示出了燃料電池的三維視圖。
[0042]圖3示出了燃料轉(zhuǎn)化器的實(shí)施方式的三維視圖。
[0043]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的框圖。
[0044]圖5示出了包括若干驅(qū)動(dòng)單元的飛行器。
【具體實(shí)施方式】
[0045]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元2，驅(qū)動(dòng)單元2例如主要被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生推力的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)并且通過(guò)用于產(chǎn)生電力的集成燃料電池裝置4擴(kuò)展。
[0046]為了提供用于產(chǎn)生推力的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的功能，根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元2包括壓縮機(jī)單元6，壓縮機(jī)單元6具有旁路風(fēng)扇8、第一壓縮機(jī)葉輪10和第二壓縮機(jī)葉輪12，其中，旁路風(fēng)扇8、第一壓縮機(jī)葉輪10和第二壓縮機(jī)葉輪12沿著中心軸線14同心地串聯(lián)對(duì)齊并且對(duì)流入壓縮機(jī)單元6的空氣執(zhí)行兩級(jí)壓縮并提供旁路。當(dāng)然，使用旁路風(fēng)扇8僅是一種選擇，在主要要提供轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械動(dòng)力的情況下，在交通工具中或固定裝置中使用根據(jù)本發(fā)明的單元2時(shí)不需要旁路風(fēng)扇8。
[0047]相對(duì)于由箭頭表示的流動(dòng)方向，在根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元2的下游端上設(shè)置有渦輪機(jī)單元16，渦輪機(jī)單元16包括第一渦輪機(jī)葉輪18以及設(shè)置在下游的第二渦輪機(jī)葉輪
20。在圖示中，根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元2的一部分(該部分構(gòu)成燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī))被設(shè)計(jì)為兩軸發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，第一渦輪機(jī)葉輪18通過(guò)中空軸22連接至第二壓縮機(jī)葉輪12，并且第二渦輪機(jī)葉輪20通過(guò)在中空軸22內(nèi)延伸的軸24連接至第一壓縮機(jī)葉輪10。以這種方式，較大的壓縮機(jī)葉輪和渦輪機(jī)葉輪的操作特性可以彼此協(xié)調(diào)，它們的轉(zhuǎn)動(dòng)速度也取決于相應(yīng)的直徑。然而，兩軸設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)僅被看作示例性實(shí)施方式，其并不意在以任何方式限制本發(fā)明的主題。下面描述的關(guān)鍵方面能夠應(yīng)用于單軸發(fā)動(dòng)機(jī)和三軸發(fā)動(dòng)機(jī)等的各種情況。
[0048]在流動(dòng)方向上，在第一渦輪機(jī)葉輪18的上游設(shè)置具有燃燒室入口 27和燃燒室出口 29的燃燒室26，燃燒室26被設(shè)計(jì)成燃燒燃料/空氣混合物。因此，在燃燒室26內(nèi)發(fā)生壓力的增加，這種壓力的增加在混合物離開(kāi)燃燒室出口 29之后通過(guò)渦輪機(jī)單元16轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械動(dòng)力。
[0049]在流動(dòng)方向上，在燃燒室26的上游設(shè)置燃料電池裝置4，燃料電池裝置4例如被設(shè)計(jì)為環(huán)形的方式并且同心地設(shè)置在中心軸線14、中空軸22和軸24上。燃料電池裝置4包括以環(huán)形的方式設(shè)置在一起并且包括在整個(gè)長(zhǎng)度上保持恒定的直徑的多個(gè)管狀燃料電池30。這種燃料電池30還可以包括例如沿流動(dòng)方向減小的可變直徑，其中，燃料電池30的面向上游的端部可以包括允許燃料電池30在支承裝置28中的簡(jiǎn)單支承的梯部或一些其它突變面(discontinuity)。
[0050]管狀燃料電池30包括陽(yáng)極32，陽(yáng)極32在示出的圖中被設(shè)計(jì)為相應(yīng)的燃料電池30的內(nèi)表面，而陰極34由相應(yīng)的外表面構(gòu)成。陽(yáng)極32通常被供應(yīng)有通過(guò)設(shè)置在上游的燃料轉(zhuǎn)化器36提供的氣態(tài)陽(yáng)極燃料，燃料轉(zhuǎn)化器36例如被設(shè)計(jì)為環(huán)形燃料汽化器并且通過(guò)燃料管線38被供應(yīng)有燃料。由于燃料轉(zhuǎn)化器36的位置，來(lái)自第二壓縮機(jī)級(jí)12的壓縮空氣與燃料轉(zhuǎn)化器36直接接觸，使得在此位置中，以液態(tài)形式存在的燃料汽化并以氣態(tài)形式饋送給管狀燃料電池30。
[0051]在依賴于可用燃料的替代性和同樣的有利變型中，燃料轉(zhuǎn)化器36被設(shè)計(jì)成通過(guò)來(lái)自第二壓縮機(jī)級(jí)12的氣流所傳遞的熱量執(zhí)行燃料的催化轉(zhuǎn)化，以分解碳烴燃料，并且因而將濃縮的氫燃料氣體供應(yīng)給管狀燃料電池30。
[0052]在所示出的燃料電池30的環(huán)形分布中，燃料轉(zhuǎn)化器36特別優(yōu)選地同樣具有環(huán)形設(shè)計(jì)并且包括燃料通孔(未圖示)，該燃料通孔與管狀燃料電池30的位于相應(yīng)的縱向延伸的中心軸線對(duì)應(yīng)。以這種方式，可以實(shí)現(xiàn)燃料氣體到管狀燃料電池30的內(nèi)表面的目標(biāo)通道，從而能夠提高驅(qū)動(dòng)單元2的效率。
[0053]對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元2在交通工具中的運(yùn)用，基于要實(shí)現(xiàn)的機(jī)械動(dòng)力，可以假設(shè)存在高的空氣體積流，該空氣體積流源自第二壓縮機(jī)級(jí)12并且顯著地超過(guò)通常使用的空間分離的燃料電池系統(tǒng)對(duì)空氣的需求。特別地，在根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元2作為旁路發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)思中，可以假設(shè)不需要采取特殊措施，以便能夠提供用于操作管狀燃料電池30的足夠體積的空氣。然而，必須確保從燃料電池裝置4的流體出口 31流經(jīng)管狀燃料電池30的空氣體積流以及相關(guān)聯(lián)的燃料質(zhì)量流量足以確保驅(qū)動(dòng)單元2的燃?xì)鉁u輪機(jī)裝置的正常運(yùn)行。因此，源自燃料電池裝置4的流體出口 31的廢氣一方面包括相當(dāng)高的溫度(這一方面是由于壓縮機(jī)單元6中已發(fā)生的壓縮導(dǎo)致的，另一方面是由于所執(zhí)行的燃料電池處理導(dǎo)致的)，并且另一方面包括相當(dāng)高的剩余氧濃度以及用于饋送到燃燒室入口 27并用于燃燒室26中的接下來(lái)的燃燒的足夠燃料。
[0054]如同常規(guī)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的情況一樣，根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元2因而能夠提供轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械動(dòng)力形式或完全推力形式的機(jī)械動(dòng)力，其中，在根據(jù)本發(fā)明的布置中，同時(shí)產(chǎn)生電能，該電能不是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械動(dòng)力的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的。該電力可以被饋送至能夠?qū)㈦娏︷佀徒o不同消費(fèi)者的分配器單元40。
[0055]已產(chǎn)生的電力不僅可以被饋送至電網(wǎng)，而且例如還可以被饋送至補(bǔ)充電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)單元42，該補(bǔ)充電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)單元42僅作為示例，可以機(jī)械地連接至第二渦輪機(jī)葉輪20與第一壓縮機(jī)葉輪8之間的耦接軸。使用所產(chǎn)生的電力，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)單元42因而可以支持旁路風(fēng)扇8或第一壓縮機(jī)葉輪10的驅(qū)動(dòng)，使得需要來(lái)自第二渦輪機(jī)葉輪20的較低的機(jī)械動(dòng)力需求。這導(dǎo)致燃料的更低的總能量攝取。相反地，第二渦輪機(jī)葉輪20也可以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)單元42，以使得電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)單元42在燃料電池裝置4發(fā)生故障的情況下用作緊急發(fā)電器，這顯著地增加了產(chǎn)生并提供電能的冗余度。以這種方式，驅(qū)動(dòng)單元2可以執(zhí)行具有高效率的混合操作。
[0056]作為替代方案或者除此之外，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)單元42還可以操作可連接至轉(zhuǎn)動(dòng)裝置(未圖示)的輔助驅(qū)動(dòng)裝置44。例如，根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元2可以在直升機(jī)中使用，其中，輔助驅(qū)動(dòng)裝置44操作尾部旋翼，而驅(qū)動(dòng)單元2主要用于提供主旋翼的機(jī)械動(dòng)力。
[0057]圖2a、圖2b和圖2c示出了不同成形的管狀燃料電池30、46和48，其中，相應(yīng)的流動(dòng)方向由箭頭表示。為了引出電力，作為示例，圖2a示出了陽(yáng)極接線50和陰極接線52，其中，陽(yáng)極接線50連接至作為陽(yáng)極32的管狀燃料電池30的內(nèi)表面，而陰極接線52連接至作為陰極34的燃料電池30的外表面。圖2a的管狀燃料電池30包括具有圓形橫截面的純管狀形狀。與此相反，圖2b示出了具有梯部54的管狀燃料電池46，其中，梯部54使得可以將燃料電池46插入支架(未圖示)中并且例如通過(guò)燃料轉(zhuǎn)化器36防止燃料電池46從與流動(dòng)方向相反的方向滑出，而梯部54防止燃料電池46沿著流動(dòng)方向滑動(dòng)。圖2c示出了管狀燃料電池48，管狀燃料電池48沿流動(dòng)方向成圓錐形地逐漸變細(xì)，并且由于通流而可以牢固地壓在支座上，其中，該支座例如可以包括陰極接線56。
[0058]作為示例，圖3示出了環(huán)形燃料轉(zhuǎn)化器36，環(huán)形燃料轉(zhuǎn)化器36連接至燃料管線38并且在其周向處包括多個(gè)通孔58，所述多個(gè)通孔58使得氣態(tài)燃料可以流過(guò)它們并進(jìn)入到后繼的管狀燃料電池中。由于燃料轉(zhuǎn)化器36的環(huán)形設(shè)計(jì)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)管狀燃料電池60的牽制功能，該管狀燃料電池60例如設(shè)置在燃料電池裝置62中的插入件64中、并通過(guò)套環(huán)66防止滑動(dòng)通過(guò)，且由燃料轉(zhuǎn)化器保持在插入件64中。虛線表示可選的、額外的、具有相同尺寸的燃料轉(zhuǎn)化器36，其中，兩個(gè)燃料轉(zhuǎn)化器36可以一個(gè)接一個(gè)地設(shè)置。如果使用了燃料電池60的若干個(gè)同心環(huán)形布置，則能夠想象同心設(shè)置的另外的燃料轉(zhuǎn)化器37，該燃料轉(zhuǎn)化器37包括比燃料轉(zhuǎn)化器36的直徑更小的直徑。
[0059]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的框圖。該方法的實(shí)質(zhì)內(nèi)容涉及:提供空氣68 ;利用所提供的空氣及燃料電池裝置中的燃料執(zhí)行燃料電池處理70 ;將燃料電池裝置的廢氣饋送到燃燒室的燃燒室入口 72 ;以及在燃燒室內(nèi)燃燒包含燃料的廢氣74。在使用液態(tài)燃料操作驅(qū)動(dòng)單元的情況下，根據(jù)本發(fā)明的方法還可以包括將燃料從液態(tài)轉(zhuǎn)化到氣態(tài)相76，其中，該轉(zhuǎn)化可以通過(guò)汽化或催化轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0060]盡管在圖4中，該方法被示出為一系列離散的與方法相關(guān)的步驟，但對(duì)于這些步驟而言，并不強(qiáng)制一個(gè)步驟接一個(gè)步驟地逐步執(zhí)行這些步驟，而是優(yōu)選地以連續(xù)的流動(dòng)過(guò)程執(zhí)行，其中，在每種情況下，隨后的處理步驟受前面的處理步驟的事件的影響。在該意義上，示出了與方法有關(guān)的步驟的塊也可以被認(rèn)為示出了連續(xù)動(dòng)力供應(yīng)處理的處理特性。
[0061]最后，圖5示出了包括根據(jù)本發(fā)明的若干驅(qū)動(dòng)單元2并且可以以特別有效的方式提供推力和電力的飛行器78。
[0062]另外，應(yīng)當(dāng)指出的是，“包括”并不排除其它元件或步驟，并且“一種”或“一個(gè)”不排除復(fù)數(shù)。此外，應(yīng)當(dāng)指出的是，已經(jīng)參照以上示例性實(shí)施方式之一描述的特征或步驟還能夠與上述其它示例性實(shí)施方式的其它特征或步驟接合使用。權(quán)利要求書中的附圖標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制。
[0063]附圖標(biāo)記列表
[0064]2驅(qū)動(dòng)單元
[0065]4燃料電池裝置
[0066]6壓縮機(jī)單元
[0067]8旁路風(fēng)扇
[0068]10第一壓縮機(jī)葉輪
[0069]12第二壓縮機(jī)葉輪
[0070]14中心軸線
[0071]16渦輪機(jī)單元
[0072]18第一渦輪機(jī)葉輪
[0073]20第二渦輪機(jī)葉輪
[0074]22中空軸
[0075]24軸
[0076]26燃燒室
[0077]27燃燒室入口
[0078]28支承裝置
[0079]29燃燒室出口
[0080]30管狀燃料電池
[0081]31流體出口
[0082]32陽(yáng)極
[0083]34陰極
[0084]36燃料轉(zhuǎn)化器
[0085]37燃料轉(zhuǎn)化器
[0086]38燃料管線
[0087]40分配器單元
[0088]42電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)單元
[0089]44輔助驅(qū)動(dòng)裝置
[0090]46管狀燃料電池
[0091]48管狀燃料電池
[0092]50陽(yáng)極接線
[0093]52陰極接線
[0094]54梯部/套環(huán)
[0095]56陰極接線
[0096]58通孔
[0097]60管狀燃料電池
[0098]62燃料電池裝置
[0099]64插入件
[0100]66套環(huán)[0101]68提供空氣
[0102]70執(zhí)行燃料電池處理
[0103]72饋送廢氣
[0104]74燃燒
[0105]76轉(zhuǎn)化燃料
[0106]78飛行 器
【權(quán)利要求】
1.一種驅(qū)動(dòng)單元(2),包括: -燃燒室(26)，用于燃燒燃料/空氣混合物，以及 -燃料電池裝置(4)， 其中，所述燃料電池裝置(4)包括至少一個(gè)燃料電池(30、46、48、60)并且被設(shè)置在所述燃燒室(26)的上游，所述至少一個(gè)燃料電池(30、46、48、60)在每種情況下均包括:能夠耦接至燃料管線(38)的陽(yáng)極(32)、能夠耦接至空氣源的陰極(34)，以及流體出口(31)，并且 其中，所述燃燒室(26)包括用于供應(yīng)所述燃料/空氣混合物的燃燒室入口(27)以及用于排出廢氣的燃燒室出口( 29 )，并且所述燃燒室入口( 27 )連接至所述燃料電池裝置(4 )的所述流體出口(31)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)單元(2)，還包括至少一個(gè)設(shè)置于所述燃料管線(38)與所述燃料電池裝置(4 )之間的燃料轉(zhuǎn)化器(36、37 )，所述燃料轉(zhuǎn)化器(36、37 )適于從液態(tài)燃料提供氣態(tài)燃料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的驅(qū)動(dòng)單元， 其中，所述燃料電池裝置(4 )包括環(huán)形設(shè)計(jì)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)單元(2)，還包括: -壓縮機(jī)單元(6)，其被設(shè)置在所述燃料電池裝置(4)的上游，以及 -渦輪機(jī)單元(16 )，其被設(shè)置在所述燃燒室(26 )的下游， 其中，所述壓縮機(jī)單元(6)包括至少一個(gè)壓縮機(jī)葉輪(10、12)，并且所述渦輪機(jī)單元(16)包括至少一個(gè)渦輪機(jī)葉輪(18、20)，并且所述至少一個(gè)壓縮機(jī)葉輪(10、12)和所述至少一個(gè)渦輪機(jī)葉輪(18、20)通過(guò)至少一個(gè)軸(22、24)互相連接。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)單元， 其中，所述燃料電池裝置(4)的所述至少一個(gè)燃料電池(30、46、48、60)被設(shè)計(jì)為在兩側(cè)開(kāi)放的管狀燃料電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的驅(qū)動(dòng)單元， 其中，所述至少一個(gè)管狀燃料電池(30、46、48、60)包括由內(nèi)表面構(gòu)成的陽(yáng)極(32)，以及由外表面構(gòu)成的陰極(34 )。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的驅(qū)動(dòng)單元， 其中，所述燃料電池裝置(4)包括若干個(gè)管狀燃料電池(30、46、48、60)，所述若干個(gè)管狀燃料電池(30、46、48、60)相對(duì)于所述至少一個(gè)軸(22、24)分布在同心地設(shè)置的環(huán)上和/或分布在一個(gè)接一個(gè)地設(shè)置的環(huán)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的驅(qū)動(dòng)單元， 其中，所述燃料電池裝置(4)包括若干個(gè)管狀燃料電池(30、46、48、60)，所述若干個(gè)管狀燃料電池(30、46、48、60)圍繞所述至少一個(gè)軸(22、24)以環(huán)形的方式分布。
9.根據(jù)權(quán)利要求2及根據(jù)權(quán)利要求3至8中的任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)單元， 其中，所述燃料轉(zhuǎn)化器(36、37)包括環(huán)形設(shè)計(jì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的驅(qū)動(dòng)單元， 其中，所述燃料轉(zhuǎn)化器(36、37)包括金屬材料，并且所述燃料轉(zhuǎn)化器(36、37)與所述燃料電池(30、46、48、60 )的陰極表面接觸以建立電連接。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)單元(2)，還包括電連接至所述燃料電池裝置(4)的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)單元(42)。
12.根據(jù)權(quán)利要求4和11所述的驅(qū)動(dòng)單元(2)， 其中，所述電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)單元(42 )機(jī)械地連接至所述至少一個(gè)軸(22、24 )，以支持所述壓縮機(jī)單元(6)的操作。
13.一種用于操作驅(qū)動(dòng)單元(2)的方法，所述方法包括下列步驟:提供空氣(68);利用所提供的空氣和燃料電池裝置(4)中的燃料執(zhí)行燃料電池處理(70);將廢氣從所述燃料電池裝置(4)饋送到燃燒室(26)的燃燒室入口(72);以及在所述燃燒室(26)內(nèi)燃燒包含燃料的所述廢氣(74)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括將燃料從液態(tài)轉(zhuǎn)化(76)為氣態(tài)相的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，轉(zhuǎn)化(76)被實(shí)施為催化轉(zhuǎn)化。
16.一種飛行器(78)，包括至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1至12中的任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)單元(2)。
【文檔編號(hào)】H01M8/06GK103597643SQ201280019542
【公開(kāi)日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月21日
【發(fā)明者】于爾根·施泰因萬(wàn)德?tīng)? 克里斯蒂安·沃爾夫, 克勞斯·霍夫亞 申請(qǐng)人:空中客車德國(guó)運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司