航空器燃料電池系統(tǒng)、航空器和合成燃料的用途
【專利摘要】本發(fā)明涉及航空器燃料電池系統(tǒng)（1），其包括燃料箱（2）、用于從燃料生成氫氣的反應(yīng)器（3）、加熱裝置（4）和燃料電池（5），其中所述反應(yīng)器可處理由生物質(zhì)產(chǎn)生的合成燃料。此外，本發(fā)明涉及由生物質(zhì)產(chǎn)生的合成燃料在航空器中用于生成包含氫的氣體的用途。
【專利說(shuō)明】航空器燃料電池系統(tǒng)、航空器和合成燃料的用途
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2011年4月I日提交的德國(guó)專利申請(qǐng)N0.102011015824.3和2011年5月18日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/487，685的申請(qǐng)日的權(quán)益，所述申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。
[0003]本發(fā)明涉及g在在航空器上(尤其是飛機(jī)上)使用的燃料電池系統(tǒng)，其中用于運(yùn)行燃料電池的氫產(chǎn)生自由生物質(zhì)產(chǎn)生的合成燃料。此外,本發(fā)明涉及由生物質(zhì)產(chǎn)生的合成燃料用于在航空器中產(chǎn)生氫的用途，以及涉及含根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的飛機(jī)。
[0004]燃料電池系統(tǒng)使得能夠以低排放方式和高效率產(chǎn)生電能。因此，目前在飛機(jī)工程學(xué)中也進(jìn)行了努力以利用燃料電池系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生在飛機(jī)上所需的電能。例如，可以設(shè)想將目前用于在飛機(jī)上發(fā)電的發(fā)電機(jī)至少部分替換成燃料電池系統(tǒng)，所述發(fā)電機(jī)通過(guò)主發(fā)動(dòng)機(jī)或通過(guò)輔助動(dòng)カ單元驅(qū)動(dòng)。此外，燃料電池系統(tǒng)還可用來(lái)確保飛機(jī)的應(yīng)急電源。
[0005]燃料電池通常包括陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)，其中后者通過(guò)電解質(zhì)從陰極區(qū)分離。在運(yùn)行期間，在包含質(zhì)子交換膜(也稱為聚合物電解質(zhì)膜，PEM)的燃料電池的情況下，將還原劑(通常為氫)供給至燃料電池的陽(yáng)極，并且將氧化劑(例如空氣)供給至燃料電池的陰極。在陽(yáng)極，氫被催化氧化成氫離子，同時(shí)產(chǎn)生電子。氫離子經(jīng)由電解質(zhì)到達(dá)陰極區(qū)，其中在陰極區(qū)氫離子與供給至陰極的氧氣和與經(jīng)由外電流回路輸送至陰極的電子反應(yīng)，以形成水。聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池的工作溫度為最高100°C。在固體氧化物燃料電池(SOFC)中，使用包括固體陶瓷材料的電解質(zhì)，所述電解質(zhì)能夠?qū)ж?fù)電的氧離子從陰極傳導(dǎo)至陽(yáng)扱，同時(shí)對(duì)電子具有絕緣作用。從而在陽(yáng)極側(cè)發(fā)生用氫或ー氧化碳對(duì)氧離子的電化學(xué)氧化。固體氧化物燃料電池的工作溫度范圍為500°C至1000°C。
[0006]為了盡量降低燃料電池中的壓カ損失，確保燃料電池電極上的均勻氣體分布，并且使通過(guò)燃料電池的體積流量盡可能的低，向陰極供給壓縮空氣(即，壓カ高于環(huán)境壓カ的空氣)是有利的。DE102008006742描述了ー種燃料電池系統(tǒng)，為了運(yùn)行燃料電池，其使用在航空器的飛行運(yùn)行中借助空調(diào)系統(tǒng)帶來(lái)的高于環(huán)境壓カ的艙壓的空氣。
[0007]用于在航空器上運(yùn)行燃料電池的氫直接得自于箱或間接地由反應(yīng)器(也稱為重整器)中的燃料催化產(chǎn)生。煤油是用于在航空器上在重整過(guò)程中產(chǎn)生氫的燃料。煤油是多種規(guī)格的航空燃料并且主要用作航空渦輪機(jī)燃料。煤油得自于原油精餾的中間餾分的最高塔板。煤油的主要組分是:每分子約8至13個(gè)碳原子的烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴。在民用航空中，幾乎僅僅使用規(guī)格為JetA-1的煤油作為航空渦輪機(jī)燃料。雖然煤油是原油精煉的輕質(zhì)中間餾分的窄級(jí)分部分，但是它仍是包含多種烴的混合物，其中混合物中所含化合物的數(shù)目由于功能添加劑的添加而進(jìn)ー步增加，所述功能添加劑的添加是為了獲得相應(yīng)的規(guī)格。
[0008]在由煤油催化產(chǎn)生氫的期間，由于不完全的化學(xué)轉(zhuǎn)化，在重整器的催化劑表面上可形成焦炭。在該過(guò)程(也稱為碳化或催化劑中毒)期間，重整器催化劑的活性表面減少，導(dǎo)致重整器的使用壽命縮短。
[0009]本發(fā)明的目的是提供其中重整器的使用壽命延長(zhǎng)的航空器燃料電池系統(tǒng)。該目的通過(guò)如權(quán)利要求書(shū)中所限定的航空器燃料電池系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求中闡明了有利的改進(jìn)。
[0010]圖1示出了用于航空器的根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)(I)。
[0011]圖2示出了包括根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的航空器。
[0012]出乎意料地，發(fā)現(xiàn)通過(guò)使用由生物質(zhì)制成的合成燃料來(lái)產(chǎn)生氫，重整器的使用壽命可大大延長(zhǎng)。因此，本發(fā)明涉及航空器燃料電池系統(tǒng)(1)，其包括
[0013]-用于以液相存在的燃料的燃料箱(2)
[0014]-使來(lái)自燃料箱的燃料重整為包含氫的氣體的反應(yīng)器(3)
[0015]-用于加熱供給至反應(yīng)器的燃料的加熱裝置(4)
[0016]-燃料電池(5)
[0017]-用于將燃料由燃料箱供給至反應(yīng)器的燃料供給線(6)
[0018]-用于將包含氫的氣體由反應(yīng)器供給至燃料電池的輸出線(7)，
[0019]其中所述反應(yīng)器被設(shè)計(jì)成用于處理作為燃料的由生物質(zhì)制成的合成燃料。
[0020]在本發(fā)明中，優(yōu)選地，使用液態(tài)烴混合物作為燃料，所述烴混合物通過(guò)費(fèi)托合成(Fischer-Tropsch synthesis)得到并且通過(guò)蒸懼或精懼處理。費(fèi)托合成是用于將ー氧化碳/氫混合物(合成氣)轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴的大規(guī)模エ藝。用于費(fèi)托合成的合成氣通過(guò)生物質(zhì)熱解生成，其中，在約200°C至超過(guò)1000°C的溫度下使生物質(zhì)(例如，秸桿、藻類、廢木料或特別為燃料制造栽種的農(nóng)作物)轉(zhuǎn)化為液態(tài)和氣態(tài)烴并且最終轉(zhuǎn)化為合成氣。
[0021]用于生產(chǎn)燃料的另ー個(gè)選擇包括通過(guò)生物質(zhì)的油提取得到生物油(例如，藻油)。生物油隨后通過(guò)例如催化加氫裂化、氫化或酯交換的過(guò)程進(jìn)行進(jìn)ー步處理，其中得到了混合物(通常是液態(tài)烴的混合物)，然后進(jìn)行處理(例如，通過(guò)蒸餾和/或精餾)以得到燃料。
[0022]因此，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)通過(guò)由生物質(zhì)產(chǎn)生的合成燃料，優(yōu)選地通過(guò)生物質(zhì)液化方法(biomass-to-liquid method)進(jìn)行操作,所述方法包括以下方法步驟:
[0023]a)熱解生物質(zhì)以得到一氧化碳/氫混合物(合成氣)，
[0024]b)使合成氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴的混合物，以及
[0025]c)處理混合物以得到燃料。
[0026]作為替代方法，通常通過(guò)采用包括以下方法步驟的生產(chǎn)方法由生物油得到合成燃料:
[0027]a)從含油生物質(zhì)中提取油，
[0028]b)通過(guò)催化加氫裂化、水合或酯交換處理油以得到烴的混合物，以及
[0029]c)處理混合物以得到燃料。
[0030]生物燃料可使用多種不同方法由生物質(zhì)或生物油生產(chǎn)，其中這些方法中的大多數(shù)包括加工和處理生物材料以得到期望的燃料。這些方法的一種涉及生物質(zhì)液化(BtL)エ藝，其中通過(guò)采用費(fèi)托エ藝、閃熱裂或催化解聚由生物質(zhì)得到合成燃料。另ー種方法涉及氣體液化(GtL)エ藝，其中使生物得到的氣體(例如，來(lái)自生物廢料的細(xì)菌分解的甲烷)轉(zhuǎn)化為期望燃料。此外，上述生物質(zhì)液化(BtL)エ藝的生物油也可用作源材料。通過(guò)所有的這些生產(chǎn)エ藝得到了燃料，所述燃料由于其合成生產(chǎn)而基本上不含硫并且包含較少數(shù)目的不同烴，即，當(dāng)與普遍使用的煤油相比時(shí)所述燃料是較不復(fù)雜的混合物。通過(guò)使用這樣的合成燃料，在重整器催化器上的焦炭形成減少，延長(zhǎng)了催化劑的使用壽命。
[0031]因?yàn)樵诟鶕?jù)本發(fā)明的航空器燃料電池系統(tǒng)中使用了除煤油的外的燃料，所以用于運(yùn)行燃料電池系統(tǒng)的所述燃料不能來(lái)源于含用于圖2所示航空器(12)的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料的燃料箱。因此，根據(jù)本發(fā)明的航空器燃料電池系統(tǒng)與煤油操作系統(tǒng)的不同之處不僅在于用于重整燃料的反應(yīng)器必須設(shè)計(jì)成處理BtL燃料，而且還在于根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)包括不包含用于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料的燃料箱(2 )。
[0032]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)包括布置在反應(yīng)器(3)與燃料電池(5 )之間的清潔單元(8 )。清潔單元用于分離反應(yīng)器中所生成氣體中所含的雜質(zhì)，所述氣體包含氫(特別是剩余燃料)產(chǎn)物，例如由于烴的不完全氧化而形成的醇、或通過(guò)裂化產(chǎn)生的較短鏈長(zhǎng)度的烴(甲烷、こ烷等)。在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的ー個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，這些雜質(zhì)可供給至發(fā)動(dòng)機(jī)(11)并可因此確保燃料的清潔燃燒，即，可幫助減少煙灰和氮氧化物的形成。
[0033]因?yàn)樵诜磻?yīng)器(3)中進(jìn)行的含氫氣體的生成在相對(duì)高的溫度下進(jìn)行，所以供給至反應(yīng)器的燃料需要通過(guò)加熱裝置(4)加熱至反應(yīng)溫度。
[0034]優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)包括燃燒器(9)，其與加熱裝置(4)熱耦接(圖1中以虛線表示)，并且通過(guò)來(lái)自燃料箱的合成燃料和/或通過(guò)在清潔單元(8)(圖1中未示出)分離的雜質(zhì)來(lái)運(yùn)行。作為替代方案或附加方案，加熱裝置也可通過(guò)另ー些方式供應(yīng)，例如通過(guò)使用電能。當(dāng)用在具有噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的航空器中時(shí)，反應(yīng)器可有利地通過(guò)以任意方式可用的排出空氣(bleed air)進(jìn)行加熱。作為替代方案，也可使用來(lái)自噴射發(fā)動(dòng)機(jī)和/或來(lái)自現(xiàn)有燃料電池的廢熱。因此，在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的ー個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，燃料電池與加熱裝置熱耦接(圖1中以虛線表示)以利用燃料電池運(yùn)行期間所生成的熱，目的是加熱供給至反應(yīng)器的燃料。
[0035]可使用多種方法來(lái)在反應(yīng)器中通過(guò)重整產(chǎn)生包含氫的氣體。在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，反應(yīng)器被設(shè)計(jì)成進(jìn)行蒸汽重整、自熱蒸汽重整或催化部分氧化。這些重整方法優(yōu)選在范圍為500°C至1，000°C，更優(yōu)選600°C至700°C的反應(yīng)溫度下和范圍為10巴至25巴的反應(yīng)壓カ下進(jìn)行。
[0036]在上述方法中，合成氣(S卩，一氧化碳/氫混合物)產(chǎn)生自合成燃料。在蒸汽重組中燃料與水蒸氣反應(yīng)，而在自熱蒸汽重整中，除燃料和水蒸氣的外，反應(yīng)混合物中還存在氧。用于該方法的水來(lái)源于以下的任何ー種:來(lái)自水箱、來(lái)自飛機(jī)艙室排放的空氣、來(lái)自排出空氣、和/或是來(lái)自燃料電池的電極反應(yīng)產(chǎn)物。DE102008006953描述了ー種燃料電池系統(tǒng):其中源自燃料電池的水蒸氣被注入到航空器發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中以降低燃燒溫度并從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中氮氧化物的含量。在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，在燃料電池運(yùn)行期間產(chǎn)生的水然后供給至反應(yīng)器。進(jìn)行催化部分氧化或自熱蒸汽重整所需的氧得自于艙室空氣(如DE102008006742所述)、得自于排出空氣和/或得自于燃料電池，其中所述氧作為過(guò)量氧產(chǎn)生。
[0037]在用于重整合成燃料的上述方法中，通過(guò)供應(yīng)合適的氧化劑(例如空氣或水)產(chǎn)生氫。如例如DE102005044926所述的通過(guò)部分脫水產(chǎn)生氫是該方法的一種替代方法。在部分脫水期間，由于在反應(yīng)混合物中不存在氧化劑，所以沒(méi)有產(chǎn)生合成氣。相反在燃料重整期間產(chǎn)生了脫水的剰余燃料，這可有利地與冷凝裝置(10)中所生成的包含氫的氣體分離，所述冷凝裝置(10)布置在反應(yīng)器(3)與清潔單元(8)之間。然后經(jīng)脫水的剰余燃料可作為燃料供給至發(fā)動(dòng)機(jī)(11)和/或供給至燃燒器(9 )。[0038]在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，如W02009/074218所述，在燃料的超臨界相下進(jìn)行脫水。在超臨界相下，燃料既不作為液體也不作為氣體存在；相反這些相變得不能區(qū)分。如果溫度和壓カ均超過(guò)了物質(zhì)固有的“臨界溫度”或“臨界壓力”，則會(huì)獲得這種狀態(tài)。脫水期間的反應(yīng)溫度高于臨界溫度。關(guān)于用于本發(fā)明的合成燃料，已示出如果反應(yīng)溫度超過(guò)300°C，例如范圍為350°C至500°C，或特別優(yōu)選范圍為400°C至450°C，則是有利的。反應(yīng)壓力的范圍通常為8巴至25巴，優(yōu)選10巴至20巴，并且特別優(yōu)選范圍為12巴至15巴。
[0039]當(dāng)在相當(dāng)高的溫度和相當(dāng)高的壓カ下在反應(yīng)器中進(jìn)行脫水時(shí)，首先產(chǎn)生了所生成的氫和脫水的剩余燃料的混合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，提供這種混合物以首先流經(jīng)熱交換器井隨后僅發(fā)生分離為氫流和剰余燃料流。在一個(gè)替代實(shí)施方案中，燃料的脫水和所產(chǎn)生氫與剩余燃料的分離在ー個(gè)階段中發(fā)生，換言之，仍在反應(yīng)器的區(qū)域中發(fā)生。為此目的，例如，可有利地使用所謂的膜反應(yīng)器，其中在反應(yīng)器內(nèi)部存在所產(chǎn)生的氫可透過(guò)的膜。另外，通過(guò)這個(gè)實(shí)施方案，優(yōu)選這樣的改迸:其中利用所生成氫氣的相對(duì)高的溫度，從而使得氫氣在使用之前流經(jīng)熱交換器，例如以有助于預(yù)熱供給至反應(yīng)器的燃料。
[0040]在使用氧化劑進(jìn)行重整期間產(chǎn)生了合成氣的同時(shí)，在脫水期間形成了氫和脫水剩余燃料的混合物。在將脫水的剰余燃料和雜質(zhì)分離后，將合成氣或氫氣供給至燃料電池。因此，由于使用合成氣，不使用聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEMFC)，原因是氣體中存在的ー氧化碳可使催化劑重中毒。只有當(dāng)通過(guò)燃料的部分脫水得到包含氫的氣體(所述氣體停留在反應(yīng)器中)，才可使用聚合物電解質(zhì)燃料電池。由于聚合物電解質(zhì)燃料電池對(duì)催化劑毒物(例如一氧化碳)的敏感性，所以優(yōu)選在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中使用固體氧化物燃料電池(SOFC)。
【權(quán)利要求】
1.ー種航空器燃料電池系統(tǒng)(I)，包括: -用于以液相存在的燃料的燃料箱(2 )， -用于將來(lái)自所述燃料箱的燃料重整為含氫氣體的反應(yīng)器(3)， -用于加熱供給至所述反應(yīng)器的所述燃料的加熱裝置(4)， -燃料電池(5)， -用于將燃料由所述燃料箱供給至所述反應(yīng)器的燃料供給線(6)，和 -用于將所述含氫氣體由所述反應(yīng)器供給至所述燃料電池的輸出線(7 )， 其中所述反應(yīng)器被設(shè)計(jì)為用于處理作為燃料的由生物質(zhì)制成的合成燃料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航空器燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料通過(guò)生物質(zhì)液化法產(chǎn)生，所述方法包括以下方法步驟: a)熱解所述生物質(zhì)以得到一氧化碳/氫混合物(合成氣)， b)使所述合成氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴的混合物，以及 c)處理所述混合物以得到所述燃料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航空器燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料由生物油通過(guò)包括以下方法步驟的方法產(chǎn)生: a)從含油生物質(zhì)中提取油， b)通過(guò)催化加氫裂化、水合或酯交換處理所述油以得到烴的混合物，以及 c)處理所述混合物以得到所述燃料。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的航空器燃料電池系統(tǒng)，其包括清潔單元(8)，所述清潔単元(8)布置在所述反應(yīng)器與所述燃料電池之間以分離在所生成的含氫氣體中所含的雜質(zhì)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的航空器燃料電池系統(tǒng)，其中所述加熱裝置包括燃燒器(9)，所述燃燒器(9)用所述合成燃料和/或用通過(guò)所述清潔單元從所生成的含氫氣體中分離的雜質(zhì)供應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的航空器燃料電池系統(tǒng)，其中所述反應(yīng)器被設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行蒸汽重整、自熱蒸汽重整或催化部分氧化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的航空器燃料電池系統(tǒng)，其中重整在500°C至1000°C，優(yōu)選600°C至700°C的反應(yīng)溫度范圍下和10巴至25巴的反應(yīng)壓カ范圍下進(jìn)行。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的航空器燃料電池系統(tǒng)，其中所述反應(yīng)器被設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行部分脫水。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的航空器燃料電池系統(tǒng)，其中重整在300°C至500°C，優(yōu)選400°C至450°C的反應(yīng)溫度范圍下和10巴至25巴的反應(yīng)壓カ范圍下進(jìn)行。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的航空器燃料電池系統(tǒng)，其包括冷凝裝置(10)，所述冷凝裝置(10)布置在所述反應(yīng)器與所述清潔単元之間以使所述經(jīng)脫水的剰余燃料與所生成的含氫氣體分離。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的航空器燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃燒器用所述經(jīng)脫水的剩余燃料供應(yīng)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的航空器燃料電池系統(tǒng)，其中所述清潔単元和/或所述冷凝裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)(11)連接以向所述發(fā)動(dòng)機(jī)供給在所述清潔単元中分離的所述雜質(zhì)和/或所述經(jīng)脫水的剰余燃料。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的航空器燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池與所述加熱裝置熱耦接以將在所 述燃料電池運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱用于加熱供應(yīng)至所述反應(yīng)器的所述燃料。
14.ー種航空器，其包括根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的航空器燃料電池系統(tǒng)。
15.由生物質(zhì)制得的合成燃料的用途，其用作根據(jù)權(quán)利要求1至13中任ー項(xiàng)所述的航空器燃料電池系統(tǒng)中的燃料。
16.由生物質(zhì)制得的合成燃料在航空器中的用途，其用于生成含氫氣體。
【文檔編號(hào)】B64D41/00GK103563149SQ201280016441
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月1日
【發(fā)明者】卡恩-埃爾恩·劉, 邁克爾·恩青格, 于爾根·施泰因萬(wàn)德?tīng)? 申請(qǐng)人:空中客車德國(guó)運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司