专利名称：航空器燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种被提供以在航空器上，尤其是在飞机上使用的燃料电池系统。本 发明还涉及一种运行这种航空器燃料电池系统的方法。
背景技术：
燃料电池系统能产生低辐射、高效率的电力。由于这个原因，目前在飞机建设中仍 致力于使用燃料电池系统以产生飞机上需要的电能。例如，能够想到用燃料电池系统部分 地代替目前被用于供给机上动力、由主发动机或辅助涡轮驱动的发电机。此外，燃料电池系 统还能用于飞机的紧急动力供给，并代替至今仍用作紧急动力单元的冲压空气涡轮(RAT)。燃料电池通常包括阴极区域和通过电解液与阴极区域隔离的阳极区域。当燃料电 池运行时，燃料(例如氢)被供给到燃料电池的阳极侧，含氧的氧化剂(例如空气)被供给 到燃料电池的阴极侧。在聚合物电解质薄膜燃料电池的情况下，氢分子在阳极区域的阳极 催化剂处反应，例如根据方程H2 — 2 · H++2 · e_，并且在这样反应中形成带正电的氢离子并 向电极发出电子。在阳极区域中形成的H+离子然后通过电解液扩散到阴极，它们在所述阴极区域 中的阴极催化剂处，根据方程0. 5 · 02+2 · H++2 · e — H2O,与被供给到阴极的氧和经由外部 电路供给到阴极的电子反应以形成水。为使燃料电池系统内部的压力损失达到最小，为确保气体均勻分布到燃料电池的 电极，并为保持通过燃料电池的流动体积尽可能小，向燃料电池的阴极供给压缩空气(即 压力高于大气压力的空气)是有利的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能以高能效的方式将压缩空气供给到燃料电池的航 空器燃料电池系统。进一步，本发明的目的在于提供一种运行这种航空器燃料电池系统的 方法。为解决这个问题，根据本发明的航空器燃料电池系统包括具有氧化剂入口的燃料 电池，该氧化剂入口用于将含氧介质供给到所述燃料电池。优选地，将作为氧化剂的空气供 给到所述燃料电池。如果所述电池是例如聚合物电解质薄膜燃料电池，则所述氧化剂入口 被连接到所述燃料电池的阴极区域。所述燃料电池的阳极区域优选地具有燃料入口，燃料 (优选为氢)可通过该燃料入口被供给到所述燃料电池的阳极区域。根据本发明的航空器 燃料电池系统进一步优选地包括氧化剂供给管线。氧化剂供给管线的第一端被连接到所述 燃料电池的所述氧化剂入口。所述氧化剂供给管线的第二端能连接到所述航空器的机舱的 用过空气出口。这使得能够通过所述氧化剂供给管线将用过空气从所述航空器的所述机舱 供应到所述燃料电池的所述氧化剂入口。在所述燃料电池中，来自所述机舱的所述用过空 气中的氧例如通过上述的阴极反应而被转换。本发明利用了在航空器飞行时，借助空调单元将航空器(例如飞机)的机舱内的压力保持处于比大气压力高的压力的事实。例如，即使在飞机处于巡航高度且大气压力仅 为大约0. 25bar时，客机的机舱压力仍为大约0. 8bar。通常，来自所述机舱的一些用过空 气作为再循环空气返回所述空调单元的混合室，但还有一些供应到外部而未被利用。本发 明现在使得能够利用来自所述机舱的一些用过空气(优选从在先前系统中被供应到外部 而未被利用的用过空气流中移除)来运行提供在航空器上的燃料电池。因为在航空器飞行 时，来自所述机舱的用过空气相比环境空气已经处于明显较高的压力水平，所以当利用来 自所述机舱的用过空气作为燃料电池中的氧化剂时，待供给到所述燃料电池中的空气的压 力的增加(对于确保所述燃料电池的正常功能是必要的)可能明显小于利用环境空气时。 因此本发明能够使在运行期间待供应到燃料电池的氧化剂流的能量消耗达到最小。根据本 发明的航空器燃料电池系统的另一个优点在于，不需要在航空器上提供额外的冲压空气进 口以将空气供给到所述燃料电池系统。这意味着避免所述航空器空气阻力的不利的增加。根据本发明的航空器燃料电池系统优选实施例，所述氧化剂供给管线中布置有压 缩机。当安装有根据本发明的航空器燃料电池系统的航空器在地面运行和在飞行中运行 时，所述压缩机用于将待供给到所述燃料电池的来自所述机舱的用过空气压缩到确保所述 燃料电池系统的正常功能的压力水平。优选地，所述压缩机适合于将待供给到所述燃料电 池的来自所述机舱的用过空气流压缩到大约1. 3-1. 4bar的压力水平。此外，待供给到所述 燃料电池的来自所述机舱的用过空气流的温度通过压缩而升高。优选地，在压缩后，待供给 到所述燃料电池的所述空气流的温度大约相当于所述燃料电池的运行温度。当根据本发明的航空器燃料电池系统利用在相对低水平运行温度下运行的诸如 低温聚合物电解质薄膜燃料电池的燃料电池时，一旦待供给到所述燃料电池的来自所述机 舱的用过空气已经被布置在所述氧化剂供给管线中的所述压缩机压缩，在一些情况下它即 已经处于需要的温度。然而，安装有在相对较高水平的运行温度下运行的燃料电池(诸如 高温聚合物电解质薄膜燃料电池)的航空器燃料电池系统优选地进一步包括布置在所述 氧化剂供给管线中的热交换器。所述热交换器用于将热量从传热介质传送到待供给到所述 燃料电池的来自所述机舱的用过空气。如果所述热交换器被布置在所述氧化剂供给管线中 的所述压缩机的上游，则由于相对较大的温差，待供给到所述燃料电池的来自所述机舱的 用过空气的高能效的热传递是可能的。具体地，由于相对较大的温差，采用这种布置，所述 传递装置的传热表面以及由此其尺寸和重量可被保持相对较小。在根据本发明的航空器燃料电池系统的具体优选实施例中，所述热交换器适合于 将流过所述氧化剂供给管线的介质和流过航空器空调单元的管线的介质热耦合。例如，待 冷却的空调处理空气流过所述热交换器，所述待冷却的空调处理空气由所述航空器的空调 组提供，并且被提供为例如使所述航空器的所述机舱通风。如果所述空调处理空气在已经 被机舱空气压缩机(CAC)压缩之后供给到所述热交换器，则由于在这种情况下所述空调处 理空气处于相当高的温度水平，而可使所述待冷却的空调处理空气与待加热的所述燃料电 池的输入空气之间的热传递能效特别地高。具体地，由于相对较大的温差，采用这种布置， 所述传递装置的传热表面以及由此其尺寸和重量可保持相对较小。由于这个原因，所述热 交换器优选地布置在航空器空调单元的空调处理空气管线中的机舱空气压缩机的下游。根据本发明的航空器燃料电池系统与航空器空调单元的联接使得用于准备待供 给到所述燃料电池的来自所述机舱的用过空气的能量消耗达到最小。同时，由于在所述热
5交换器中所述空调处理空气的热量被带走，则对航空器空调单元的电空调系统的性能要求 较低。这导致对所述机舱空气压缩机或所述航空器空调单元的一级和二级传热装置的性能 要求较低，诸如对用于所述空调处理的冲压空气的需要。对冲压空气的较低要求具有有利 降低所述航空器的空气阻力的直接效果。另外，根据本发明的航空器燃料电池系统优选地包括用于为所述热交换器设置旁 路的旁路管线。流向所述航空器机舱的用过空气出口的用过空气然后可任意地或部分地被 引导穿过所述热交换器以提高温度或被供应通过所述热交换器。为了控制通过所述热交换 器或旁路管线的流动，可提供一个或多个阀。借助所述阀，控制流过所述氧化剂供给管线的 介质的温度是可能的。根据本发明的航空器燃料电池系统的所述氧化剂供给管线可通过环境空气管线 能连接到所述航空器的冲压空气管。优选地，所述环境空气管线从所述压缩机上游的所述 氧化剂供给管线分叉。用于控制通过所述环境空气管线的环境空气的供给的阀可布置在所 述环境空气管线中。即使经由所述航空器机舱的用过空气出口被供给到所述燃料电池的来 自所述机舱的用过空气不足以确保所述燃料电池的正常运行，可经由所述环境空气管线向 所述燃料电池提供足够的空气。因此所述环境空气管线实现了备用和安全功能，如果根据 本发明的航空器燃料电池系统被提供用于向航空器上的安全相关装置提供电能，则实现上 述备用和安全功能是特别重要的。在根据本发明的航空器燃料电池系统的许多运行条件中，从所述燃料电池形成的 燃料电池废气的压力高于大气压力。应该意识到，所述燃料电池废气的压力取决于环境条 件、航空器飞行高度以及燃料电池的电荷情况，但该压力可达到三倍大气压力。为了使存储 在所述燃料电池废气中的压力能能够被重新利用，所述燃料电池的废气出口优选地被连接 到膨胀装置。所述膨胀装置可例如为涡轮的形式，并用于使所述处于高压力的所述燃料电 池废气膨胀到大气压力。例如为涡轮形式的所述膨胀装置可被联接到将所述涡轮的机械能转换为电能的 发电机。从所述发电机获得的电能可例如被供应到所述航空器的机上供给系统。然而，作 为选择，所述膨胀装置还可被联接到一个或更多个压缩机。所述压缩机可与所述膨胀装置 布置在共同的轴上。由所述膨胀装置驱动的所述压缩机可为布置在所述氧化剂供给管线中 的、用于压缩待供给到所述燃料电池的来自所述机舱的用过空气的压缩机。然而，作为选 择，由所述膨胀装置驱动的所述压缩机还可与所述航空器空调单元相关联。因为存储在所 述出口空气中的一些能量由压缩工作形式的空调单元贡献，可以预期的是，可从所述燃料 电池废气的膨胀中获得两倍于布置在所述氧化剂供给管线中的所述压缩机在运行中为压 缩待供给到所述燃料电池的来自所述机舱的用过空气所需要的能量。根据本发明的具有备用结构并因此特别可靠地运行的航空器燃料电池系统包括 多个燃料电池和多个用于压缩被供给到所述燃料电池的来自所述机舱的用过空气的压缩 机。所述压缩机可布置在氧化剂供给管线的相应支路中，所述氧化剂供给管线支路将所述 燃料电池的相应氧化剂入口连接到所述航空器机舱的用过空气出口。优选地，压缩机与每 个燃料电池相关联。原则上，每个压缩机可由电动机驱动。然而，作为选择，能想到在共同的轴上布置 两个或更多个压缩机并且仅提供一个电动机来驱动这些压缩机。最后，能想到用所述航空器空调单元的空调组的空气循环机来驱动压缩机或布置在共同的轴上的多个压缩机。在根据本发明的用于运行航空器燃料电池系统的方法的情况中，提供具有氧化剂 入口的燃料电池，该氧化剂入口用于将含氧介质供给到所述燃料电池，所述燃料电池的所 述氧化剂入口被连接到氧化剂供给管线的第一端。来自所述航空器的机舱的用过空气出口 的用过空气经由所述氧化剂供给管线被供给到所述燃料电池的所述氧化剂入口。流过所述氧化剂供给管线的所述介质可在被供给到所述燃料电池之前被压缩。优选地，流过所述氧化剂供给管线的所述介质在热交换器中被与流过航空器空调 单元的管线的介质热耦合，例如空调处理空气。流过所述氧化剂供给管线的所述介质的温度可借助用于为所述热交换器设置旁 路的旁路管线和用于控制来自机舱的用过空气通过所述热交换器或所述旁路管线的流动 的阀而被控制。当能获得的来自所述机舱的用过空气不充足时，为了确保所述燃料电池的正常运 行，来自所述航空器的冲压空气管的冲压空气可经由环境空气管线被供给到所述氧化剂供 给管线。从所述燃料电池的废气出口形成的燃料电池废气被供给到膨胀装置。在该膨胀装 置中，具有高压力的所述燃料电池废气被膨胀到大气压力水平。在此期间被重新利用的能 量可用于驱动发电机或诸如压缩器的机械消耗者。
下面参照所附的示意图对根据本发明的航空器燃料电池系统的优选实施例进行 更详细的描述，其中图1显示航空器燃料电池系统的总体图，图2a至图2c显示关于压缩机布置的不同变体，以及图3a至图3b显示关于通过涡轮重新利用的能量的用途的不同变体。
具体实施例方式图1显示被提供在飞机上使用并包括多个燃料电池12a，12b，12c, 12d的燃料电池 系统10。每个燃料电池12a，12b，12c, 12d为聚合物电解质薄膜燃料电池的形式，并具有阴 极和通过聚合物电解质薄膜与阴极隔离的阳极。每个燃料电池12a，12b，12c, 12d的阴极被 连接到氧化剂入口 14a，14b，14c，14d，含氧介质可经由氧化剂入口 14a，14b，14c，14d被供 给到阴极。每个氧化剂入口 14a，14b，14c, 14d被连接到氧化剂供给管线16的相应支路16a， 16b，16c, 16d的第一端。氧化剂供给管线16的第二端被连接到航空器的机舱20的用过空 气出口 18。当飞机处于飞行中时，借助空调单元保持机舱20处于比大气压力高的压力。当 飞机处于巡航高度时，机舱压力大约为0. Sbar。因此，当所述飞机处于飞行中，特别是当所 述飞机处于巡航高度时，相对环境空气处于显著较高的压力水平的来自所述机舱的用过空 气可经由氧化剂供给管线16被供给到每个燃料电池12a、12b、12c、12d的氧化剂入口 14a， 14b,14c,14d。相应的压缩机22a，22b，22c，22d被布置在氧化剂供给管线16的各支路16a，16b，
716c，16d中。压缩机22a，22b，22c，22d用于将被供给到燃料电池12a，12b，12c，12d的来自 机舱的用过空气压缩到大约1. 3-1. 4bar的需要的压力水平。此外，被供给到燃料电池12a， 12b，12c，12d的来自机舱的用过空气的温度通过压缩处理而被提高。为了备用的目的，将分 立构造的压缩机22a，22b，22c，22d与各自的燃料电池12a，12b，12c，12d相关联。如图1和图2b所示，在每种情况中，两个压缩机22a，22b和22c，22d可被布置到共 同的轴上并由电动机24a，24b驱动。所述电动机由对应的变流器26a，26b供给电能。供选 择的压缩机布置如图2a和图2c所示。根据图2a，布置在共同的轴上的两个压缩机22a’， 22b’还可由飞机空调单元的空调组的空气循环机28驱动。最后，如图2c所示，还可借助分 立的电动机24a”，24b”来驱动每个压缩机22a”，22b”。如上所述，被供给到燃料电池12a，12b，12c, 12d的来自机舱的用过空气还通过压 缩处理被加热。为了确保即使在燃料电池12a，12b，12c，12d处于高运行温度时供给到燃 料电池12a，12b，12c, 12d的来自所述机舱的用过空气也能被正常预热，两个热交换器30a， 30b被进一步布置在氧化剂供给管线16中。为了使热交换器30a，30b能够高能效地运行， 热交换器30a，30b被定位在氧化剂供给管线16中的压缩机22a，22b，22c, 22d的上游。具 体地，由于相对较大的温差，采用这种布置，热交换器30a，30b的传热表面以及由此其尺寸 和重量可以保持得相对较小。热交换器30a，30b引起流过氧化剂供给管线16的来自机舱的用过空气和被冷却 并流过飞机空调单元的管线32a，32b的空调处理空气的热耦合。来自空调处理空气的热 量在热交换器30a，30b中被传递到来自机舱的用过空气，导致空调处理空气被冷却到较低 的温度，而来自机舱的用过空气经过加热。管线32a向热交换器30a供给已经被飞机空调 单元的第一空调组的机舱空气压缩机压缩并因此处于高温的空调处理空气。类似地，管线 32b向热交换器30b供给已经被飞机空调单元的第二空调组的机舱空气压缩机压缩的待冷 却的空调处理空气。为了确保即使在可获得的来自所述机舱的用过空气不充足时燃料电池12a，12b， 12c, 12d也能具有正常的功能，氧化剂供给管线16经由两个环境空气管线34a，34b被连接 到航空器的冲压空气管。因此，如果需要的话，可通过环境空气管线34a，34b向燃料电池 12a, 12b，12c, 12d供给压力相比大气压力处于更高压力的冲压空气。在许多运行条件中，燃料电池12a，12b，12c，12d经由相应的废气出口 36a，36b， 36c，36d发出相比大气压力处于更高压力水平的燃料电池废气。根据环境条件、飞机的飞行 高度以及燃料电池12a，12b，12c, 12d的电荷情况，燃料电池废气的压力可以达到三倍大气 压力。为了重新利用存储在燃料电池废气中的压力能，燃料电池12a，12b，12c，12d的废气 出口 36a，36b，36c，36d由此被连接到涡轮形式的膨胀装置38。燃料电池废气在膨胀装置 38中被膨胀到大气压力水平。根据图1和图3a，在膨胀装置38中获得的机械能通过被联接到膨胀装置38的发 电机40转换为电能。由发电机40产生的电能被供应到飞机的机上供电系统，例如可将电 能供给到电动机24a，24b以驱动压缩机22a，22b，22c, 22d。然而，如图3b所示，还能够通过 共同的轴将膨胀装置38直接联接到压缩机22a’ ”。例如，压缩机22a’ ”可为用于压缩被供 给到燃料电池12a，12b，12c，12d的来自机舱的用过空气的压缩机。然而，作为这种方案的 备选，压缩机22a’ ”还可以与飞机空调单元相关联。
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权利要求
一种航空器燃料电池系统(10)，具有具有氧化剂入口(14a，14b，14c，14d)的燃料电池(12a，12b，12c，12d)，该氧化剂入口(14a，14b，14c，14d)用于将含氧介质供给到所述燃料电池(12a，12b，12c，12d)；氧化剂供给管线(16)，该氧化剂供给管线(16)的第一端被连接到所述燃料电池(12a，12b，12c，12d)的所述氧化剂入口(14a，14b，14c，14d)，并且该氧化剂供给管线(16)的第二端能连接到所述航空器的机舱(20)的用过空气出口(18)；和布置在所述氧化剂供给管线(16)中的热交换器(30a，30b)；其特征在于，所述热交换器(30a，30b)适合于将流过所述氧化剂供给管线(16)的所述介质与流过航空器空调单元的管线(32a，32b)的介质热耦合。
2.根据权利要求1所述的航空器燃料电池系统，其特征在于布置在所述氧化剂供给管线(16)中的压缩机(22a，22b，22c，22d)。
3.根据权利要求1或2所述的航空器燃料电池系统，其特征在于用于为所述热交换器(30a，30b)设置旁路的旁路管线和用于控制流过所 述氧化剂供给管线(16)的所述介质的温度的阀。
4.根据权利要求1-3之一所述的航空器燃料电池系统，其特征在于，所述氧化剂供给管线(16)经由环境空气管线(34a，34b)能连接到所述航 空器的冲压空气管。
5.根据权利要求1-4之一所述的航空器燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池(12a, 12b, 12c, 12d)的废气出口 (36a, 36b, 36c, 36d)被连 接到一膨胀装置(38)。
6.根据权利要求1-5中之一所述的航空器燃料电池系统，其特征在于多个燃料电池(12a，12b，12c，12d)和多个压缩机(22a，22b，22c，22d)，每 个燃料电池(12a，12b，12c，12d)与一个压缩机(22a，22b，22c，22d)相关联。
7.一种用于运行航空器燃料电池系统(10)的方法，具有步骤提供具有氧化剂入口 (14a, 14b, 14c, 14d)的燃料电池(12a，12b，12c，12d)，该氧化剂 入口 (14a, 14b, 14c, 14d)用于将含氧介质供给到所述燃料电池(12a，12b，12c，12d)，所述 燃料电池(12a，12b，12c, 12d)的所述氧化剂入口(14a，14b，14c, 14d)被连接到氧化剂供给 管线(16)的第一端；以及将来自所述航空器的机舱(20)的用过空气出口(18)的用过空气经由所述氧化剂供 给管线(16)供给到所述燃料电池(12a，12b，12c，12d)的所述氧化剂入口(14a，14b，14c， 14d)；其特征在于，借助热交换器(30a，30b)，流过所述氧化剂供给管线(16)的所述介质与 流过航空器空调单元的管线(32a，32b)的介质被热耦合。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，借助阀和用于为所述热交换器(30a，30b)设置旁路的旁路管线，流过所 述氧化剂供给管线(16)的所述介质的温度被控制。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，来自所述航空器的冲压空气管的冲压空气经由环境空气管线(34a，34b) 被供给到所述氧化剂供给管线(16)。
10.根据权利要求7-9中之一所述的方法，其特征在于，从所述燃料电池(12a，12b，12c，12d)的废气出口 (36a，36b，36c，36d)排 出的燃料电池废气被供给到一膨胀装置(38)，并借助所述膨胀装置(38)被膨胀到大气压 力水平。
全文摘要
公开了一种航空器燃料电池系统(10)，包括具有氧化剂入口(14a，14b，14c，14d)的燃料电池(12a，12b，12c，12d)，该氧化剂入口(14a，14b，14c，14d)用于将含氧介质供给到所述燃料电池(12a，12b，12c，12d)。氧化剂供给管线(16)具有被连接到所述燃料电池(12a，12b，12c，12d)的所述氧化剂入口(14a，14b，14c，14d)的第一端。氧化剂供给管线(16)的第二端能连接到航空器的机舱(20)的用过空气出口(18)。热交换器与所述氧化剂供给管线成整体，以便将流过所述氧化剂供给管线的所述介质与流过航空器空调系统的管线的介质热耦合。
文档编号H01M8/04GK101933187SQ200980103608
公开日2010年12月29日 申请日期2009年1月28日 优先权日2008年1月30日
发明者安德力斯·韦斯滕贝格尔, 拉尔斯·弗拉姆, 蒂勒·马夸尔特, 马丁·阿伦特 申请人:空中客车作业有限公司