专利名称：用于燃料电池系统的燃料供应单元、燃料电池系统和用于监控燃料供应单元的方法
技术领域：
本发明涉及一种特别适于使用在飞机中的用于燃料电池系统的燃料供 应单元、 一种装备有这种燃料供应单元的燃料电池系统、以及一种用于监控 这种燃料供应单元的方法。
背景技术：
燃料电池系统能够低排放水平和高效率地产生电流。因此，目前正在尝 试在飞机结构中也使用燃料电池系统来产生飞机上需要的电能。例如，可以 设想到用燃料电池系统代替目前用作飞机电源且由主动力单元或辅助涡轮 机驱动的发电机。燃料电池系统还可用作飞机的应急电源，并代替目前用作
应急动力单元的沖压空气涡轮机(RAT)。
燃料电池通常包括阴极区域和通过电解质与该阴极区域分隔的阳极区 域。在燃料电池操作期间，燃料(例如氢)被供给到燃料电池的阳极侧，含 氧氧化剂(例如空气)被供给到燃料电池的阴极侧。在聚合物电解质膜燃料 电池的情况下，氢分子在提供在阳极区域中的阳极催化剂处例如根据公式 H — 2.H++ 2.e-进行反应，并在该过程中将电子传递到电极，同时形成正电 性氢离子。
形成在阳极区域中的H+离子随后通过电解质传送到阴极，在阴极处， 这些H+离子在提供在阴极区域中的阴极催化剂处，与供给到阴极的氧以及 经由外部回路传送到阴极的电子，根据公式0.5.O2 + 2.H+ + 2.e- — H20进行
反应，/人而形成7jC。
需要供应给燃料电池的氢能够例如被承载在适于在飞机上的高压下存 储氢的液氬罐或压力贮罐中。 一般而言，氢罐能够被容纳在飞机的加热和加压区域之外。在飞机的非加压区域中更易于对该罐充分通风，以使罐系统中 的泄漏较小可能地导致积聚临界数量的氬。
然而，氢罐容纳在飞机的非加压区域中具有如下缺点罐系统承受相当 大的温度和压力变化，这能够致使系统部件损坏，并因而不利地影响系统的 可用性。然而，如果从氢罐中供应以燃料的燃料电池系统实现安全相关功能， 则对系统可用性的限制是特别无法忍受的。例如，如果燃料电池系统代替 RAT而用作应急动力单元，就属于上述情况。
因此，为了保证飞机上安全相关应用所要求的高系统可用性，对于从氢 罐中供应以燃料的燃料电池系统，目标在于将氢罐设置在飞机的加压区域 中。然而，鉴于飞机的加压区域与非加压区域相比通风较差，于是要求特殊 的安全预防以防止因从氢罐系统逃逸的氢而引发的安全风险。航空中的安全 和建造规范特别指出单一几率故障不会造成飞机失事(举例而言，例如，发 生氢罐系统中的不可控泄漏的情况)。并且，导致飞机失事的独立故障同时 发生的可能性不应该超过10力每飞行小时。
为了达到要求的安全目标，因罐破裂引起的不可控氢泄漏必须首先被排 除。这可通过适当的限制条件来保证。可以通过提供用于检测氢泄漏的另外 的氢浓度传感器来预防罐隔离阀的非故意打开或失效的故障。还可以提供多 个(即至少两个)串联的罐隔离阀。然而，提供另外的氢浓度传感器和/或 至少两个罐隔离阀不可避免地导致系统复杂度的增大，并因此可能导致对系 统可用性的不希望的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于燃料电池系统的燃料供应单元，其特别 适于使用在飞机中，并能够使燃料罐系统安全地设置在飞机的加压区域中， 而不会不利地影响系统可用性。本发明的另一目的在于提供一种装备有这种 燃料供应单元的燃料电池系统和一种用于监控这种燃料供应单元的方法。
该目的通过具有由权利要求1限定的特征的燃料供应单元、具有由权利
6要求14限定的特征的燃料电池系统和具有由权利要求15限定的特征的用于 监控燃料供应单元的方法而实现。
特别适于使用在飞机中的根据本发明的用于燃料电池系统的燃料供应 单元包括燃料罐，例如适于在高压下存储氢气的压力贮罐，其意欲被设置 在飞机的加压区域中。供给管路将所述燃料罐连接到燃料电池的入口 。例如， 供给管路能够将所述燃料罐连接到所述燃料电池的阳极区域的燃料入口 。罐 隔离阀被设置在供给管路中，其用于建立或阻断所述燃料罐与所述燃料电池 的入口之间的流体连接。根据本发明的燃料供应单元的移除管路将所述燃料 电池的出口连接到外部大气。例如，所述移除管路能够被连接到所述燃料电 池的阳极废气接头。最后，根据本发明的燃料供应单元包括用于检测所述燃 料电池中的电压的传感器。
如果罐隔离阀的非故意打开或失效的故障发生在根据本发明的燃料供
应单元中，则燃料(例如氢)通过供给管路流出燃料罐进入燃料电池中，即， 例如进入燃料电池的阳极区域。燃料在燃料电池中进行化学转变，这导致燃 料电池的电压增大。例如，在燃料电池的静止状态下，供给到燃料电池的阳 极区域的氬与燃料电池的阴极区域中存在的大气氧反应。因该反应而产生的 电能可通过压力传感器检测到。该传感器输出的信号被供应到电子控制单 元。当燃料电池系统处于静止操作状态下(即，当燃料电池实际上不应该处 于操作中)，电能由燃料电池而产生时，基于该传感器信号，电子控制单元 检测到由罐隔离阀的非故意打开或失效造成的故障。因此，电压传感器和电 子控制单元使由罐隔离阀的非故意打开或失效造成的氢泄漏能够被可靠地 检测到。因此，根据本发明，可以免除用于检测燃料供应单元中的这种氢泄 漏的另外的氢浓度传感器。
燃料电池中没有转变的氢通过移除管路从燃料电池移除到飞机的通风 良好的非加压区域，或者直接移除到外部大气中。因此，由于罐隔离阀的非 故意打开或失效造成的不可控氢泄漏能够被可靠地防止。因而不必提供第二 罐隔离阀，且系统可用性能够由此被有利地提高。在根据本发明的燃料供应单元中，燃料罐能够被安全地设置在飞机的加 压区域。这防止罐系统经受飞机非加压区域中的相当大的温度和压力变化， 这为系统部件的可靠性和寿命带来有利的影响。同时，所要求的安全目标可 利用本发明的燃料供应单元而达到，而不会增大系统复杂度并因而不利地影 响系统可用性。因此，根据本发明的燃料供应单元特别适于向实现安全相关
功能且待被用于例如替代传统RAT作为应急动力单元的燃料电池系统供应燃料。
第一安全阀被优选设置在根据本发明的燃料供应单元的移除管路中。该 第 一安全阀能够例如采用防爆盘的形式，且被设计为使得当移除管路中的压 力超过预定临界阈值时，该第一安全阀打开移除管路。这确保了在移除管路 中的燃料压力达到安全临界值之前，因罐隔离阀的非故意打开或失效而供给 到燃料电池中的燃料能够通过移除管路移除到外部大气中。
燃料电池的出口能够通过循环管路与燃料电池的入口相连。例如，再循 环管路能够将燃料电池的阳极废气出口连接到燃料电池的阳极区域的燃料 入口 。
脱水器和/或再循环泵可被设置在再循环管路中。脱水器用于在离开燃 料电池出口的气体返回到燃料电池的入口之前，从离开燃料电池出口的气体 中移除水。在该过程中获得的水能够从脱水器中移除，或者例如用于使燃料 电池的电解质膜润湿。再循环泵保证燃料电池操作期间充足的燃料供应。
脱水器能够通过第一安全阀上游的第一连接管路连接到移除管路。换气 阀被优选设置在第 一连接管路中。在根据本发明的燃料供应单元的这种配置 中，当换气阀打开时，在脱水器中从燃料电池废气中分离出的水能够通过第 一连接管路和移除管路从再循环管路中移除。然而，除了换气周期，换气阀 均被关闭，由此保证因罐隔离阀的非故意打开或失效而通过供给管路供给到 燃料电池中的燃料能够被安全地移除到飞机的通风良好的非加压区域中，并 通过移除管路直接移除到外部大气中。
移除管路优选在脱水器的上游从再循环管路中分支出。因此，可以免除
8用于将燃料电池连接到移除管路的燃料电池的另外的出口连接。
在根据本发明的燃料供应单元的一个优选实施例中，安全管路将意欲被 设置在飞机的加压区域中的燃料罐连接到飞机的非加压区域和/或外部大 气。第二安全阀可被设置在安全管路中。例如同样采用防爆盘形式的第二安 全阀用于当安全管路中的燃料压力超过预定临界阈值时，将燃料罐连接到飞 机的通风良好的非加压区域或直接连接到外部大气。安全管路能够例如被连 接到提供在飞机的外壳中的压力释放开口 。该压力释放开口能够被提供有关 闭指示器，以使燃料从燃料罐中的释放能够被可见地检测到。
根据本发明的燃料供应单元的移除管路能够通至安全管路。因此，可以 免除在飞机的外壳中形成例如用于移除管路的分立的压力释放开口。
过滤元件被优选设置在安全管路中。例如，该过滤元件优选位于形成在 飞机外壳中的压力释放开口的附近，以及移除管路的分支的下游，并防止尘 土进入安全管路和移除管路。
在根据本发明的燃料供应单元的 一个优选实施例中，供给管路通过第二 连接管路连接到设置在供给管路中的罐隔离阀下游的安全管路。例如同样采 用防爆盘形式的第三安全阀可被设置在第二连接管路中。
供给管路的管路横截面优选被选择为且设置在第二连接管路中的第三 安全阀优选在尺寸上使得，当供给管路中的压力超过预定临界压力时，第三 安全阀被打开。在根据本发明的燃料供应单元的这种配置中，当超过导致第 三安全阀打开的临界压力时，经由供给管路离开燃料罐的燃料因此能够通过 安全管路从飞机的加压区域直接移除，而不必先经过燃料电池。例如，用于 打开第三安全阀的临界压力可高于用于打开第一安全阀的临界压力。在很少 燃料泄漏的情况下，燃料于是能够通过燃料电池和移除管路从飞机的加压区 域中移除，而在较多泄漏的情况下，燃料能够通过第二连接管路和安全管路 直接移除。
至少一个减压阀被优选设置在供给管路中。例如，第一减压阀可被提供 在供给管路中罐隔离阀的下游，该第 一减压阀将供给管路中的燃料压力从例如350巴减小到例如9巴。如果包括罐隔离阀和第一减压阀的阀组件被形成 为燃料罐系统的集成系统部件，则第 一减压阀用作将系统的燃料罐侧的高压 区域与系统的低压区域分隔的分界阀。例如，罐隔离阀和第一减压阀能够朝C 构造在燃料罐容器的内部。因而可以有利地在燃料罐与设置在燃料罐之外的 系统部件之间形成分界，作为低压分界。
第二减压阀可被设置在供给管路中第 一减压阀的下游，该第二减压阀将 供给管路中的压力从例如9巴减小到例如3巴。借助于第二减压阀，可以确 保处于希望压力下的燃料被供给到燃料电池的阳极区域。第二减压阀同样能 够形成为燃料罐系统的集成部件，并例如被构造在燃料罐容器的内部。
在根据本发明的燃料供应单元中，存储在燃料罐中的燃料(例如氢)被 添加气味。系统安全性通过燃料的另外的气味添加而提高，这是因为通过闻 到添加气味的燃料，燃料泄漏能够被更容易和更快地识别出。存储在燃料罐 中的燃料优选被添加气味，使得即使在20%的可燃下限(LFL)下，燃料泄 漏也是"可闻到的"。
一种根据本发明的燃料电池系统包括如上所述的燃料供应单元。
一种根据本发明的用于监控上述燃料供应单元的方法包括步骤通过传 感器检测所述燃料电池中的电压，将从所述传感器输出的信号供应到电子控 制单元，以及通过所述电子控制单元评估所述传感器信号，以当所述燃料电 池在所述燃料电池系统的静止操作状态下产生电能时，检测因所述罐隔离阀 的非故意打开或失效造成的故障。
现在基于所附示意性附图，详细例示本发明的优选实施例，所附示意性 附图示出意欲使用在飞机上的一种用于燃料电池系统的燃料供应单元。
具体实施例方式
在附图中，设置在飞机的加压区域11中的燃料供应单元10包括适于在
10高压下存储氢气的燃料罐12。燃料罐12通过供给管路14连接到燃料电池 18的燃料入口 16。
用于代替传统RAT作为应急动力单元的燃料电池18被形成为聚合物电 解质膜燃料电池，并包括阳极区域，该阳极区域被连接到燃料入口 16且通 过聚合物电解质膜与阴极区域分隔。燃料电池18的阳极废气出口 20被连接 到再循环管路22,通过该再循环管路22，在燃料电池18的操作期间离开阳 极废气出口 20的阳极废气可^皮返回到燃料电池18的燃术牛入口 16。
脱水器24被设置在再循环管路22中。脱水器24用于在燃料电池18的 操作期间从离开阳极废气出口 20的阳极废气中移除水。再循环泵26被设置 在再循环管路22中脱水器24的下游。再循环泵26在燃料电池18的操作期 间保证充足的燃料供应到燃料电池18的阳极区域。
罐隔离阀28被设置在将燃料罐12连接到燃料电池18的燃料入口 16的 供给管路14中。在罐隔离阀28的上游，供给管路14被连接到用于检测供 给管路14中的温度和压力的温度传感器30和压力传感器32。
第一减压阀34被设置在供给管路14中罐隔离阀28的下游，该第一减 压阀将供给管路14中的压力从约350巴减小到约9巴。因此，第一减压阀 34形成将单元10的高压区域38与单元10的低压区域40分隔开的分界阀， 其中高压区域38包括燃料罐12和与燃料罐12集成为一体的阀组件36。
第二减压阀42被设置在供给管路14中第一减压阀34的下游，该第二 减压阀将供给管路14中的压力从约9巴减小到约3巴。因此，第二减压阀 42确保在燃料电池18的操作期间处于希望压力下的氢被供给到燃料电池18 的燃料电池入口 16。
燃料供应单元10还包括4企测燃料电池18中的电压的电压传感器44。 由电压传感器44发送的信号被传送到电子控制单元45，并相应地由电子控 制单元45进行评估。电子控制单元45还接收指示燃料电池系统10的操作 状态的信号。移除管路46将燃料电池18的阳极废气出口 20连接到安全管路48。安全管 路48的第一端被连接到燃料罐12。另一方面，安全管3各48的第二端通过 形成在飞机的外壳50中的压力释放开口而通至外部大气中。喷嘴52被提供 在该压力释放开口的区域中，该喷嘴用于使通过安全管路48从燃料罐12释 放的氢可见。过滤元件54被设置在安全管路48中喷嘴52的上游。过滤元 件54防止尘土进入安全管路48和移除管路46.
采用防爆盘形式的第一安全阀56被设置在移除管路46中。第一安全阀 56被设计为使得如果移除管路46中的压力超过预定临界阈值，则该第一安 全阀将燃料电池18的阳极出口 20通过排除管路46和安全管路48连接到外 部大气。
设置在再循环管路22中的脱水器24通过第一连接管路58连接到移除 管路46。换气阀60被设置在第一连接管路58中。因此在燃料电池18的操 作期间，已从燃料电池18的阳极废气中分离的水在换气阀60打开时，通过 第一连接管路58、移除管路46和安全管路48移除到外部大气。然而，除 了这些换气周期，换气阀60均被关闭。
同样采用防爆盘形式的第二安全阀62被设置在将燃料罐12连接到外部 大气的安全管路48中。如果安全管路48中的压力超过预定临界阈值，则第 二安全阀62打开安全管路48，并因而打开燃料罐12与外部大气之间的流 体连接。
第二连接管路64在第一减压阀34的下游从供给管路14中分支出，并 通至第二安全阀62下游的安全管路48。第三安全阀66被设置在第二连接 管路64中。供给管路14的管路横截面被选择为且同样采用防爆盘形式的第 三安全阀66在尺寸上使得，如果供给管路14中的压力超过预定临界阈值， 则第三安全阀66打开第二连接管路64，并因而打开供给管路14与安全管 路48之间的流体连4妄。
燃料供应单元IO的罐隔离阀28和换气阀60都形成为电磁阀，并且能 够例如由未在附图中示出的电子控制单元控制。
12下面描述燃料供应单元IO的操作模式。在用作应急动力单元的燃料电 池18的操作期间，氢通过供给管路14供给到燃料电池18的燃料入口 16， 同时罐隔离阀18打开。供给至燃料电池18的氬的压力由减压阀34、 42控 制。在燃料电池18中，氢与供应到燃料电池18的阴极区域的大气氧发生化 学转变，同时产生电能。
离开燃料电池18的阳极废气出口 20的阳极废气借助于再循环泵26通 过再循环管路22返回到燃料电池18的燃料入口 16。包含在阳极废气中的 水借助于设置在再循环管路22中的脱水器24从阳极废气中分离。换气阀 60被打开以从脱水器24中移除水，使得水能够通过第一连接管路58、移除 管路46和安全管路48从脱水器24移除到外部大气中。
由于燃料电池18用作应急动力单元，因此燃料电池18在飞才几的正常地 面服务和飞行操作期间不操作。然而，有必要确保在这些静止阶段期间，罐 隔离阀28的非故意打开或失效不会引起可导致飞机失事的安全风险。并且， 必须检测罐隔离阀的非故意打开或失效，以能够通过专门的维护提高系统可 用性。如果罐隔离阀28的非故意打开或失效的故障发生，则氢从燃料罐12 出来通过供给管路14供给到燃料电池18的燃料入口 16。在燃料电池18中， 该氢与燃料电池阴极区域中存在的大气氧反应。如在燃料电池18操作期间 的情况，燃料电池18中的该化学反应导致燃料电池18中的电压增大，这可 通过电压传感器44检测到。电压传感器44的信号被供应到电子控制单元 45。当电子控制单元45基于指示燃料电池系统10的操作状态的信号而检测 到燃料电池系统10处于燃料电池18不应该产生电能的静止操作状态 (quiescent operational state )下时，则将电压传感器44 4企测到的燃料电池 18产生的电能归属于罐隔离阀28的非故意打开或失效造成的故障。电子控 制单元45于是能够输出相应的报警信号和/或启动适当的安全措施。
燃料电池18中没有转变的氢通过阳极废气出口 20离开燃料电池18, 并通过再循环管路22传送到移除管路46中。如果移除管路46中的氢压力 超过预定临界阈值，则第一安全阀56打开移除管路46。由于换气阀60被关闭，则离开燃料电池18的阳极废气出口 20的氬因此能够通过移除管路 46和安全管路48安全地移除到外部大气中。因此，燃料电池单元10的配 置使得可以免除另外的氢浓度传感器和第二罐隔离阀。
在罐隔离阀28的较多泄漏导致供给管路14中的氢压力增大超过打开第 三安全阀所需的压力阈值的情况下，第三安全阀66的开口确保离开燃料罐 12的氢能够通过第二连接管路64和安全管路48安全地移除到外部大气中。 因此，通过第二连接管路64和设置在第二连接管路64中的第三安全阀66, 燃料供应单元10的安全性被进一步提高。
权利要求
1、一种特别适于使用在飞机中的用于燃料电池系统的燃料供应单元(10)，包括燃料罐(12)；供给管路(14)，其将所述燃料罐(12)连接到燃料电池(18)的入口(16)；罐隔离阀(28)，其被设置在所述供给管路(14)中；移除管路(46)，其将所述燃料电池(18)的出口(20)连接到所述飞机的非加压区域和/或外部大气；其特征在于，用于检测所述燃料电池(18)中的电压的传感器(44)，以及电子控制单元(45)，当在所述燃料电池系统的静止操作状态下由所述燃料电池(18)产生电能时，该电子控制单元(45)适于接收从所述传感器(44)输出的信号，且适于基于所述传感器信号检测由所述罐隔离阀(28)的非故意打开或失效造成的故障。
2、 如权利要求1所述的燃料供应单元，其特征在于，第一安全阀(56) 被设置在所述移除管路(46)中。
3、 如权利要求1或2所述的燃料供应单元，其特征在于，再循环管路 (22)将所述燃料电池(18)的所述出口 (20)与所述燃料电池(18)的所述入口 ( 16)相连。
4、 如权利要求3所述的燃料供应单元，其特征在于，脱水器(24)和/ 或再循环泵(26)被设置在所述再循环管路(22)中。
5、 如权利要求4所述的燃料供应单元，其特征在于，所述脱水器(24) 通过所述第一安全阀(56)下游的第一连接管路(58)连接到所述移除管路(46),其中换气阀(60)被设置在所述第一连接管路(58)中。
6、 如权利要求4或5所述的燃料供应单元，其特征在于，所述移除管 路(46)在所述脱水器(24)的上游从所述再循环管路(22)中分支出。
7、 如权利要求1至6中任一项所述的燃料供应单元，其特征在于，安 全管路(48)将所述燃料罐(12)连接到所述飞机的所述非加压区域和/或 所述外部大气，其中第二安全阀(62)被设置在所述安全管路(48)中。
8、 如权利要求7所述的燃料供应单元，其特征在于，所述移除管路(46) 通至所述安全管路(48)。
9、 如权利要求7或8所述的燃料供应单元，其特征在于，过滤元件(54 ) 被设置在所述安全管路(48)中。
10、 如权利要求7至9中任一项所述的燃料供应单元，其特征在于，所 述供给管路(14)通过第二连接管路(64)连接到所述安全管路(48),其 中第三安全阀(66)被设置在所述第二连接管路(64)中。
11、 如权利要求10所述的燃料供应单元，其特征在于，所述供给管路 (14)的管路横截面被选择为且设置在所述第二连接管路(64)中的所述第三安全阀(66)在尺寸上使得，如果所述供给管路(14)中的压力超过预定 临界压力，则所述第三安全阀(66)被打开。
12、 如权利要求1至11中任一项所述的燃料供应单元，其特征在于， 至少一个减压阀(34, 42)被设置在所述供给管路(14)中。
13、 如权利要求1至12中任一项所述的燃料供应单元，其特征在于， 存储在所述燃料罐(12)中的燃料被添加气味。
14、 一种具有根据权利要求1至13中任一项所述的燃料供应单元(10) 的燃料电池系统。
15、 一种用于监控特别适于使用在飞机中的用于燃料电池系统的燃料供 应单元(10)的方法，该燃料供应单元(10)具有燃料罐(12 );供给管路(14)，其将所述燃料罐(12)连接到燃料电池(18)的入口 (16);罐隔离阀(28),其被设置在所述供给管路(14)中；和 移除管路(46),其将所述燃料电池(18)的出口 (20)连接到所述飞机的非加压区域和/或外部大气，其中所述监控方法的特征在于步骤 用传感器(44)检测所述燃料电池(18)中的电压， 将从所述传感器(44)输出的信号供应到电子控制单元(45)，以及 用所述电子控制单元(45)评估所述传感器信号，以当在所述燃料电池系统的静止操作状态下由所述燃料电池(18)产生电能时，检测因所述罐隔离阀(28)的非故意打开或失效造成的故障。
全文摘要
一种特别适于使用在飞机中的用于燃料电池系统的燃料供应单元(10)包括燃料罐(12)和将所述燃料罐(12)连接到燃料电池(18)的入口(16)的供给管路(14)。罐隔离阀(28)被设置在该供给管路(14)中。移除管路(46)将所述燃料电池(18)的出口(20)连接到所述飞机的非加压区域和/或外部大气。该燃料供应单元(10)还包括用于检测所述燃料电池(18)中的电压的传感器(44)以及电子控制单元(45)，当在所述燃料电池系统的静止操作状态下由所述燃料电池(18)产生电能时，该电子控制单元适于接收从所述传感器(44)输出的信号，且适于基于所述传感器信号检测所述罐隔离阀(28)的非故意打开或失效造成的故障。
文档编号H01M8/00GK101606259SQ200780049728
公开日2009年12月16日 申请日期2007年12月14日 优先权日2007年1月12日
发明者迈克尔·康尼格, 阿尔夫-亨宁·斯托尔特 申请人:空中客车作业有限公司