燃料电池系统、用于操作燃料电池的方法和具有该燃料电池系统的车辆的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种燃料电池系统(2)，包括：空气入口(26)、氢气入口(14)、惰性气体出口(27)、水出口(38)、电力出口(32)、至少一个低温燃料电池(4)、以及至少一个空气分离器(16)。该空气分离器(16)定位在空气入口(26)与至少一个燃料电池(4)的阴极之间，并且适于使氧气与空气分离，并且将氧气供给至至少一个燃料电池(4)的阴极。由于在低温操作中使用大致上纯净的氧气和氢气，燃料电池(4)能够传输作为副产物的液态水，使得需要冷却能力的提取和冷凝不是必须的。因此，燃料电池系统(2)有效并且紧凑。
【专利说明】燃料电池系统、用于操作燃料电池的方法和具有该燃料电池系统的车辆
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池系统、用于操作燃料电池的方法和具有该燃料电池系统的车辆。
技术背景
[0002]在车辆中使用燃料电池以用于执行多个不同的任务一一比如供应电能、水、富含氮气的空气和热——是用于提高燃料效率和降低噪声发出的已知方法。特别地，在飞行器中使用燃料电池对于明显地降低燃料消耗和替代基于燃气涡轮发动机的辅助电源具有很大的潜力。
[0003]在飞行器中的常规通用燃料电池系统中(这些电池系统不针对在紧急情况下产生电力)，空气和氧气被用作氧化剂和燃料。当氢气被供给至阳极并且空气被供给至阴极时，发生燃料电池处理，在此期间，空气的氧气含量与氢气反应，使得当空气离开阳极时氧气耗尽。作为反应产物，在燃料电池处理期间产生的水作为包含在氧气耗尽的空气中的水蒸气离开燃料电池。根据提高飞行器总效率的构思，水蒸气被冷凝并且从燃料电池排放物中提取以用于进一步在其他飞行器系统(例如，盥洗室、厨房)中使用，或用于喷洒至冲压空气导管或涡轮喷气发动机中。为了补偿汽化焓，水蒸气的冷凝需要随着由燃料电池系统产生的电能而直接地增加的冷却能力,此冷却能力直接地决定了产生的水量。
[0004]在具有越来越多电气操作系统趋势的现代飞行器中，对于在飞行器上产生的电力的需求也增加了。如果大多数电力由燃料电池系统提供，则增加了水蒸气的量以及因此所需的冷却能力。因此，也增加了提供冷却装置的安装空间。
【发明内容】
[0005]增加可提供的电力并且同时减小对于使用在燃料电池系统的燃料电池处理期间产生的水而言所需的冷却能力是有利的。因此，本发明的目的是提供紧凑的燃料电池系统，该紧凑的燃料电池系统能够将电力、氧气耗尽的空气和水提供至飞行器中的各种系统，且同时将对于水的冷凝所需的冷却需求降低至最小，即使在以相当大规模产生电力时亦是如此。
[0006]该目的可通过包括根据权利要求1的特征的燃料电池系统实现。有利的实施方式和改进可从附属权利要求和以下描述中获悉。
[0007]提出了燃料电池系统，其包括空气入口、氢气入口、惰性气体出口、水出口、电力出口、至少一个低温燃料电池和至少一个空气分离器，其中，该空气分离器定位在空气入口与至少一个燃料电池的阴极之间，其中，空气分离器适于使氧气与空气分离并且将氧气供给至至少一个燃料电池的阴极。
[0008]燃料电池系统应理解为具有用于整合至车辆中的许多端口的紧凑装置。至少一个燃料电池可实现为刚好一个燃料电池，或优选地实现为通过并联和/或串联电连接组成组的多个燃料电池。低温燃料电池可优选地包括PEM燃料电池，该PEM燃料电池可具有明显低于100°C的操作温度使得能够以液体形式提供作为反应产物的水。
[0009]至少一个空气分离器可示例性地实现为机载氧气产生系统(OBOGS)或机载惰性气体产生系统(OBIGGS)。
[0010]在OBOGS中，空气分离可由分子筛材料例(如包括沸石(zeolithe)材料)进行，空气经过该空气分子筛材料。沸石材料捕捉氮分子，使得除了一小部分氩气以外，大致上仅氧气从空气分离器离开。不言而喻的是，基于OBOGS的空气分离器可包括至少两个沸石填充床，该至少两个沸石填充床可以以交替的/循环的方式经受空气。其中一个床活跃地(actively)经受空气流，同时不活跃的床可通过使用从活跃床产生的气体的一部分而被净化。与OBIGGS相比，OBOGS的优点是在OBOGS上相当低的必要的压差。
[0011]另一方面，OBIGGS包括至少一个可透过的气体分离隔膜，该至少一个可透过的气体分离隔膜使得氮气穿过并且因此主要产生富含氮气的空气。然而，空气分离隔膜要求最适宜的压力和温度。
[0012]使用OBOGS或OBIGGS还包括使用它们的组合，例如，OBIGGS的用于氧气耗尽的空气的出口与OBOGS的空气入口联接，或者OBOGS的用于氧气耗尽的空气的出口与OBIGGS的空气入口联接。并且，借助OBOGS的空气分离和从此OBOGS出来的氧气耗尽的空气的催化处理的组合可能是有利的。
[0013]更进一步，空气分离器可基于低温空气分离。在该过程中，进入的空气被冷却直至其液化为止。然后，所需成分在其各自的沸腾温度处选择性地从液体空气蒸馏。在相关车辆包括低温氢气罐并且提供足以液化空气的非常低的温度的情况下，该处理可能是可行的。因此，该空气分离器包括用于低温氢气的入口和用于氢气的出口。
[0014]根据本发明的燃料电池系统提供有胜过常规燃料电池系统的许多优点。通过使用空气分离器，燃料电池系统中的至少一个燃料电池可在消耗大致纯净的氧气和氢气的情况下操作。由于至少一个低温燃料电池的使用，由处理燃料电池产生的水以液体形式离开燃料电池系统。纯净氧气的使用防止氧气耗尽的空气与水蒸气的混合，使得不必要从包含排放气体的水蒸气提取和冷凝水。因此，冷凝器和水分离器都不是必要的，使得燃料电池系统的总重量和所需安装空间减小。然而，燃料电池系统仍然能够可靠地提供用于防火的氧气耗尽的空气以及用于在飞行器上的多种机载系统——比如盥洗室、厨房、用于燃气轮机或冲压空气通道或用于任何其他系统的喷水系统——中使用的水。此外，至少一个燃料电池所需的效率和安装空间明显地低于那些被供应空气的燃料电池所需的效率和安装空间。
[0015]由于省略了冷凝器并且需要额外的冷却能力，在固定的使用中提供冷却功率所需的辅助冷却部件不再是必要的。因此，冲压空气通道中的风扇、基于蒸汽循环的辅助冷却系统或用于这种目的的任何其他辅助冷却系统不需要整合在飞行器中，使得可以免除其重量。
[0016]更进一步，燃料电池系统的整体机械复杂性明显的降低，这样也使得可靠性增加并且维修需求降低。维修间隔期可增加并且用于维持燃料电池系统的适当可操作性的成本尽可能低。
[0017]有利的实施方式包括设置在空气入口与空气分离器之间的压缩机，用以增加供应至空气分离器的空气的压力。基于相应的空气分离器的工作原理，空气分离器的入口与出口之间的或多或少不同的压力比是必须的。压缩机的使用大致有助于操作基于OBIGGS的空气分离器。
[0018]压缩机可机械地联接至电动马达，该电动马达又可连接至燃料电池系统的电力出口。因此，燃料电池系统的紧凑性几乎没有降低并且压缩机的外部接线不是强制性的。通过将压缩机连接至电力出口，压缩机操作性地联接至燃料电池系统。由于当燃料电池系统待被操作时空气分离器和至少一个燃料电池仅被供应空气，因此这是保持复杂性尽可能低的可行方法。
[0019]在有利的实施方式中，空气分离器为基于低温的空气分离器，该空气分离器具有氢气入口端口、氢气出口、空气入口端口、氧气出口端口和惰性气体出口端口。空气分离器的氢气出口端口与至少一个燃料电池的氢气入口端口联接。来自低温氢气罐的液体氢气可提供至氢气入口端口。在空气分离器中，液体氢气冷却流入的空气并且将其液化。在该过程期间，氢气可蒸发并且由于其气态状态可被用在至少一个燃料电池中。通过结合空气分离器中的冷却功能和用于氢气的加热功能，可以省略用于氢气的分离加热模块，该分离加热模块对于处理氢气以在燃料电池中使用是必要的。
[0020]燃料电池系统还可包括电缓冲器，该电缓冲器连接至电力出口。这种电缓冲器的使用允许在不需要额外电源的情况下启动和控制燃料电池系统、操作压缩机，供应和排放阀。一旦燃料电池系统以正常操作状态运行，电缓冲器可在再次完全充电之后断开连接。
[0021]由于在飞行器中越来越多地使用直流电的趋势，燃料电池系统的电气集成可仅需要电压转换器，电压转换器被控制成使得传输的输出电压维持处于所需(常规)的电压电平。
[0022]本发明还涉及用于操作车辆中的低温燃料电池的方法。该方法主要包括以下步骤:将空气传输至空气分离器，将空气的气体成分分离成氧气和大致上氮气，将氧气以及氢气供应至至少一个燃料电池，以及收集来自燃料电池的排放出口的水。
[0023]如上所解释的，至少一个燃料电池在其通过纯净的氧气和纯净的氢气操作时仅提供电力、热和纯净的水。该方法还可包括在将空气提供至空气分离器之前将其压缩的步骤。
[0024]同样，该方法可包括下述步骤:在蒸发氢气、液化空气并且将其分离成氧气和大致氮气的情况下，将液体氢气传输至空气分离器；以及将氢气以气态形式传输至至少一个燃料电池。
[0025]另外，本发明涉及飞行器，该飞行器包括至少一个氢气罐、空气源和如上所说明的至少一个燃料电池系统。由于燃料电池系统的低重量和缺少额外的冷凝器等，因此该飞行器可具有明显提闻的效率。
[0026]空气源可以以许多不同的变型实现。例如，空气源可以是空气入口，比如在机身中的指向飞行方向并且经受冲压空气的开口(冲压空气入口)。另外，也可能是指向大致垂直于飞行方向的方向的开口，而通过该入口提供的空气的压力大致上不取决于飞行器的速率，而是取决于高度。为了增加空气的压力，可结合有压缩机。另外，发动机的引气端口或环境控制系统的空气循环机器的空气路径部件的分接点可用作空气源。此外，空气源可通过从舱室通过再循环系统抽取的舱室空气或舱室排放空气来实现。当抽取的空气通常被部分地处理出机外时，来自舱室抽取的空气或舱室空气的待被处理掉的一部分的重新使用增加飞行器的总效率。因此，与使用纯引气相比，引气的量不增加或较少地增加。通过使用发动机的引气端口(即空气循环机器的空气路径部件的分接点)或者舱室排放的空气，压缩机不是必须的。飞行器也可包括根据本发明的用于燃料电池系统的多个不同空气源，该多个不同的空气源可以以并行的形式或根据飞行器所处的相应飞行状态来使用。
[0027]不言而喻的是，飞行器也可包括至少一个水罐，该水罐可联接至燃料电池系统的水出口。该水罐可联接至飞行器内部的多种不同的水消耗系统。
[0028]更进一步，飞行器可包括具有至少一个惰化线路的惰化系统，该至少一个惰化线路连接至燃料电池系统的惰性气体出口并且连接至燃料罐以及(永久地或按需要地)载货空间中的至少一者的惰性气体入口。此外，飞行器也可包括惰性气体切换装置，该惰性气体切换装置将燃料电池系统的惰性气体出口选择性地连接至罐惰化线路或者灭火剂的供应线路。这允许在例如在飞行器飞行期间有火灾危险或火灾发生的情况下，使用燃料电池系统来防火或灭火。为此，阐述了燃料电池系统的废气可用作另外的灭火剂的供给或专门地用于灭火。如果产生的氧气耗尽的空气的体积流量明显地超过相应空间的潜在泄漏，则其可用于惰化或抑制火灾。
[0029]此外，飞行器可包括在紧急情况下用于给乘客提供氧气的氧气系统。燃料电池系统的氧气出口可连接至氧气系统的氧气入口，使得燃料电池系统支持或完全地提供氧气供应并且可能减少或完全地省略储存在飞行器上的氧气的必须量。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]本发明另外的特征、优点和应用选项在对附图中的示意性实施方式的以下描述中公开。全部描述的和/或图示的特征本身以及以任何组合形成本发明的目标，甚至不考虑其在独立权利要求或其相互关系中的组成。此外，附图中相同的或相似的部件具有相同的附图标记。
[0031]图1以示意性视图示出了燃料电池系统。
[0032]图2示出了替代性空气分离器。
[0033]图3示出了具有电缓冲器的另一电池系统和用于控制燃料电池系统的操作的控制单兀。
[0034]图4进一步示出了包括氢气罐和根据本发明的至少一个燃料电池系统的飞行器。
【具体实施方式】
[0035]图1以示意性块区导向图示出根据本发明的燃料电池系统2。核心部件是燃料电池组4，该燃料电池组4包括布置成组并且以串联和/或并联方式相互电连接的许多单个的低温燃料电池，例如PEM燃料电池。燃料电池组4包括氢气入口端口 6、氧气入口端口 8、排放出口端口 10和净化气体出口端口 12。氢气入口端口 6与燃料电池系统2的氢气入口14联接。然而，氢气入口端口 6也可构成氢气入口 14本身。氧气入口端口 8与空气分离器16联接，该空气分离器16包括氧气出口端口 18、惰性气体出口端口 20和空气入口端口22。空气分离器16的空气入口端口 22与压缩机24联接，该压缩机24压缩通过燃料电池系统2的空气入口 26传输的空气。通过凭借OBOGS的基于沸石的空气分离处理或者通过凭借OBIGGS的基于隔膜的空气分离处理，空气分离器16在氧气出口端口 18处提供大致上纯净的氧气并且在惰性气体出口端口 20处提供剩余的、大致上惰性的气体。惰性气体出口端口 20可与燃料电池系统2的惰性气体出口 27联接或可构成惰性气体出口 27本身。传输的惰性气体可被用于对燃料罐或车辆中的其他空间进行惰化。
[0036]燃料电池组4在被供给氢气和大致上纯净的氧气时产生电力28,该电力28被传输至电转换器30，旨在维持所需电压电平并且在电力出口 32处提供该所需电压电平。
[0037]在燃料电池处理期间，在排放出口端口 10处产生液体形式的水34。因此，不需要对包括排放气体的水蒸气进行冷凝或提取。水收集器36收集水34并且当需要时在燃料电池系统2的水出口 38处提供水。在水收集器36满了的情况下，多余的水可被供给至溢流出口端口 40以处理至车辆外。
[0038]更进一步，通过打开净化出口端口 12，在氢气入口端口 6处的全部流体可以以循环的方式被处理出燃料电池组4，从而防止可能降低燃料电池效率的流体积累。离开净化出口端口 12的氢气可通过旁路42绕至氢气入口端口 6。
[0039]由于省略了冷凝器和相关的冷却设备以重新得到在排气出口端口 10处作为蒸汽产生的水，所以燃料电池系统2的设置明显地优于整合在车辆中以及特别地整合在飞行器中的常规燃料电池系统。这样明显地减小了燃料电池系统2的重量和复杂性并且增加了可靠性和可维修性。
[0040]图2示出了空气分离器44的另一实施方式，该空气分离器44包括用于通过空气液化单元50按路线传送液体氢气的氢气入口端口 42和氢气出口端口 48，空气液化单元50后跟有蒸馏单元52，该蒸馏单元52将氧气和惰性气体传输至氧气出口端口 18和惰性气体出口端口 20。该空气分离器44可用作空气分离器16的替代方案或附加至空气分离器16。
[0041]图3示出了基于图1中所示的燃料电池系统2的燃料电池系统54。此外，可整合有电缓冲器56，比如电池组。通过电缓冲器的支持，燃料电池系统54的启动可以在消耗来自电缓冲器56的储存电能的情况下完成。例如，压缩机可包括与缓冲器56的直接电连接。一旦燃料电池组4以正常操作模式运行，则燃料电池组4可将充足的电能传输至压缩机24和在图1中未详细示出的控制单元。
[0042]如更详细地，燃料电池系统54具有可选的氧气出口 41，该可选的氧气出口 41可连接至飞行器内部的氧气系统，用以在紧急情况下为乘客提供氧气。不言而喻的是，氧气出口41也可整合在图1的燃料电池系统2中。
[0043]最后，图4示出了飞行器58，该飞行器58包括低温氢气罐60和根据图1的燃料电池系统2。不言而喻的是，该飞行器也可包括图3中所示的燃料电池系统54。燃料电池系统2的空气入口 26可连接至冲压空气入口 62、示例性地位于飞行器58的底部处的空气入口 63、或者连接至用于从发动机66的压缩级抽取引气的引气端口 64。
[0044]作为替代性的或附加的措施，飞行器58也可包括具有多种增压空气路径部件的基于空气循环的环境控制系统68，该多种增压空气路径部件可例如在分接点70处被分接以为燃料电池系统2提供充足的空气流速。这实际上可使得中间冷却器等对于处理来自发动机66的引气而言不是必须的。
[0045]示例性地，以虚线示出了多种燃料罐中的一个燃料罐72。惰化线路74可连接至燃料电池系统2的惰性气体出口，以连续地将惰性气体提供至燃料罐72中，使得降低了产生空气和燃料的爆炸性混合物的风险。此外，飞行器58可具有以虚线示意性地示出的载货空间76，该虚线指示载货空间76可位于飞行器58的底部区域，该载货空间76也可通过惰化线路74连接至燃料电池系统2的惰性气体出口。此处，可产生降低在载货空间76中着火的风险的惰性气氛。如果根据要求惰性气体可以以大的流速提供，则该布置可被视为灭火系统，该灭火系统对于在已经通过替代性灭火剂扑灭的火灾之后的火灾抑制也是有用的。
[0046]另外，应指出的是“包括”不排除其他部件或步骤，并且“一”或“该”不排除复数。此外，应指出的是已经通过参照上述示例性实施方式中的一个实施方式描述的特征或步骤也可以与如上描述的其他示例性实施方式的其他特征或步骤组合使用。在权利要求中的附图标记不应被解释为是限制性的。
【权利要求】
1.一种燃料电池系统(2、54)，包括: -空气入口(26)， -氢气入P (14)， -惰性气体出口(27)， -水出口(38)， -电力出口(32)， -至少一个低温燃料电池(4)，以及 -至少一个空气分离器(16), 其中，所述空气分离器(16)定位在所述空气入口(26)与所述至少一个燃料电池(4)的阴极之间， 其中，所述空气分离器(16)适于使氧气与来自所述空气入口(26)的空气分离，适于将所述氧气供给至所述至少一个燃料电池(4)的所述阴极，以及适于将氧气耗尽的空气供给至所述惰性气体出口(27)，并且 其中，所述至少一个燃料电池(4)适于在消耗氢气和来自所述空气分离器(16)的氧气的情况下在所述电力出口(32)处提供电力以及在所述水出口(38)处提供水。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统(2、54)，其中，所述至少一个空气分离器(16)包括OBOGS和OBIGGS中的至少一者。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统(2、54)，其中，所述至少一个空气分离器(16)包括能够联接至低温氢气罐的至少一个低温空气分离装置。
4.根据前述权利要求中的一项所述的燃料电池系统(2、54)，还包括压缩机(24)，所述压缩机(24)布置在所述空气入口(26)与所述空气分离器(16)之间以增加供应至所述空气分离器(16)的空气的压力。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统(2、54)，其中，所述压缩机(24)机械地联接至电动马达，所述电动马达连接至所述燃料电池系统(2、54)的所述电力出口(32)。
6.根据前述权利要求中的一项所述的燃料电池系统(2、54)， 其中，所述空气分离器(16)为低温空气分离器，所述低温空气分离器具有氢气入口端口(42)、氢气出口端口(48)、空气入口端口(22)、氧气出口端口(18)和惰性气体出口端口(20)， 其中，所述空气分离器(16)的所述氢气出口端口(48)与所述至少一个燃料电池(4)的所述氢气入口端口(6)联接，并且 其中，所述空气分离器(16)的所述氢气入口端口(42)能够联接至低温氢气罐(60)。
7.根据前述权利要求中的一项所述的燃料电池系统(2、54)，还包括连接至所述电力出口 (32)的电缓冲器(56)。
8.一种用于操作车辆中的低温燃料电池(4)的方法，所述方法包括以下步骤: -将空气从空气入口(26)传输至空气分离器(16)， -通过所述空气分离器(16)使所述空气大致上分离成氧气和氮气， -将所述氧气和氢气供应至所述低温燃料电池(4)， -在消耗氢气和来自所述空气分离器(16)的氧气的情况下操作所述燃料电池(4)，以及 -在所述燃料电池(4)的所述水出口(38)处提供水。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括在将空气提供至所述空气分离器(16)之前将所述空气压缩的步骤。
10.根据权利要求8或9所述的方法，还包括下述步骤:在蒸发氢气、液化所述空气并且将所述空气分离成氧气和氮气的情况下将液体氢气传输至所述空气分离器(16)内并且将所述氢气以气体形式传输至所述至少一个燃料电池(4)。
11.一种飞行器(58)，包括至少一个氢气罐(60)、空气源以及根据权利要求1至7中的一项所述的至少一个燃料电池系统(2、54)。
12.根据权利要求11所述的飞行器， 其中，所述空气源为下列中的至少一者: -冲压空气入口(62)， -空气入口(63)， -引气端口(64)，以及 -所述飞行器中的环境控制系统(68)的空气循环机器的空气路径部件的分接点(70)。
13.根据权利要求11或12所述的飞行器(58)，还包括具有至少一个惰化线路(74)的惰化系统，所述惰化线路(74)连接至所述燃料电池系统(2、54)的所述惰化气体出口并且连接至燃料罐(72)和载货空间(76)中的至少一者的惰性气体入口。
14.根据权利要求11至13中的一项所述的飞行器(58)，还包括具有灭火剂供应线路的防火系统，所述灭火剂供应线路连接至所述燃料电池系统(4)的所述惰性气体出口，其中，所述燃料电池系统(4)将惰性气体提供至所述灭火剂供应线路，并且其中，所述防火系统构造成用于提供火灾抑制功能和灭火功能中的至少一者。
15.根据权利要求11至14中的一项所述的飞行器(58)，还包括用于在紧急情况下为乘客提供氧气的氧气系统，其中，所述氧气系统包括连接至所述燃料电池系统(2、54)的氧气出口(41)的氧气入口。
【文档编号】H01M8/04GK104282926SQ201410328982
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2013年7月11日
【发明者】克劳斯·霍夫亚, 延斯-迪特里克·库雷 申请人:空中客车德国运营有限责任公司