具有优化冷却的用于向燃料电池阴极供应加压空气的设备的制作方法

本发明涉及用于向燃料电池的阴极供应加压空气的设备。特别地，本发明涉及用于向优化的冷却燃料电池的阴极供应加压空气的优化的冷却设备，该优化的冷却设备包括机动压缩机或机动涡轮增压器，例如，该优化的冷却设备可以在例如航空、轨道、海上或汽车类型的交通工具中使用。

背景技术：

1、加压空气供应设备在多种场景中使用，特别是在交通工具中使用，例如以便供应空气调节系统或燃料电池。

2、这些加压空气供应设备通常包括机动压缩机，并且优选地包括机动涡轮增压器，其中由电机驱动的压缩机允许生成加压空气。在这些设备中提及的重要问题是机动压缩机或机动涡轮增压器的电机的冷却。

3、一方面，在空气调节系统中，主要问题是确保这种冷却不会过度影响空气调节系统的性能和成本，特别是通过限制外部冷空气去除的使用和/或通过不引起对加压空气的附加需求来确保，这将导致能量消耗的增加。

4、如今，人们对提供配备有燃料电池的运输交通工具，特别是飞行器，有着强烈的热情，因为这些电池形成了清洁、可靠和灵活的能源。

5、构成燃料电池诸如氢电池的原理是基于二氢和二氧之间的氧化还原反应。这两个分子形成化学燃料，据此，能量可以存储在燃料电池应用中。

6、因此，这样的燃料电池是双电极发电机，该双电极发电机例如，经由在一个电极上的还原性燃料诸如氢气的氧化作用，加之在另一个电极上的氧化剂诸如空气中的氧气的还原作用，生产电能。

7、电池的氧化还原反应不仅生成电，还生成副产物，诸如水、热量和去氧空气。

8、特别地，在阳极处的氧化反应分解与催化剂接触的氢分子，以释放电子并释出热量。在阴极处的还原反应通过氧气与由氧化作用释放的电子之间的接触形成氧离子。此外，氢质子与氧离子重新结合以形成水。

9、氧阴极例如经由加压空气供应，该加压空气含有足够的氧气以使反应能够实现。

10、在航空、轨道、船舶或汽车交通工具中，加压空气由压缩机供应，压缩机被供应有收集到的空气，例如该收集到的空气经由外来空气入口从外面收集。

11、压缩机通常由电动机驱动，电动机通过轴与压缩机连接，以使压缩机旋转。

12、这种用于向燃料电池的阴极供应加压空气的设备的挑战之一是压缩机的驱动电机的冷却。

13、特别地，电机的冷却必须足够有效，以允许功率密度在质量和尺寸方面与集成到机载系统，特别是交通工具，例如飞行器，相兼容。

14、此外，必须控制加压空气供应设备的构件以及特别是空气压缩机电机经受的温度水平，以防止任意故障，并且该温度水平必须与在机载系统中所需要的可靠性水平相兼容，特别是与在航空应用中所需要的非常高水平的可靠性相兼容。

15、通过冷却电机消耗的能量必须保持较低，以便不会对嵌入了电机的系统的整体效率产生负面影响。这些对能量和效率的考虑特别是使控制燃料电池的整体效率并避免燃料电池系统过大成为可能。

16、最后，还必须在整体水平上研究效率，特别是在质量和复杂性方面，效率必须保持合理，以免交通工具的整体性能受到影响。

17、在现有技术中提出的解决方案包括通过与用作散热器的液体环路进行热交换来冷却电机。特别地，在某些系统中，特别是在机动车辆领域中，液体环路已经被用于冷却其它构件，并且被引导朝向电机以进行冷却。然而，在缺乏预先存在的液体环路的情况下，实施这种解决方案是复杂的，并且由于待冷却的附加构件，增加了现有液体环路中的复杂性和在性能上的下降。

18、另一种压缩机电机冷却解决方案包括利用收集到的空气进行通风，该收集到的空气从燃料供应回路或外面中的任一者中收集。

19、然而，在从燃料供应回路中收集空气的第一种情况下，空气必须已经被压缩，以从产生通风流速的过压中受益。这种压缩功被消耗在燃料电池中未使用的空气中，并且因此对系统的整体效率产生不利影响。

20、对于从外面收集空气的第二种情况，当交通工具停止时(特别是对于飞行器来说停止在地面上)，通风流速通常为零。风扇用于弥补这种通风不足，这增加了系统的复杂性，并降低了能量性能。更一般地，通风空气的收集导致交通工具的性能下降。

21、发明人寻求提出一种新型的设备，以向燃料电池供应加压空气，从而允许压缩机电机被适当地冷却。

技术实现思路

1、发明目的

2、本发明旨在于提供用于向燃料电池的阴极供应加压空气的设备，该设备使克服现有技术的吸收设备的缺点中的至少一个成为可能。

3、本发明特别旨在于在至少一个实施例中提供节能的供应设备。

4、本发明特别旨在于在至少一个实施例中提供供应设备，无论交通工具的状态和外面条件如何，该供应设备都能够使用。

5、本发明特别旨在于在至少一个实施例中提供小体积、低质量的供应设备。

技术特征：

1.一种用于向至少一个燃料电池(100)的至少一个阴极(110)供应加压空气的供应设备，包括：

2.根据权利要求1所述的供应设备，其特征在于，所述能量回收涡轮机(26)被设置在所述传动轴(19)上。

3.根据权利要求1或2所述的供应设备，其特征在于，所述供应设备包括分叉(30)，所述分叉(30)被设置在所述涡轮机(26)的所述出口和所述冷却通道(32)之间，所述分叉包括被配置为接收所述含水排放空气(28)的入口，并且所述分叉包括至少两个出口，第一出口被配置为将所述含水排放空气流(28)中的一些引导到所述冷却通道(32)，以及第二出口被配置为将所述含水排放空气流(28)中的另一部分引导到所述供应设备的排放出口(34a)。

4.根据权利要求3所述的供应设备，其特征在于，所述分叉(30)被配置为使得在所述含水排放空气(28)中的大部分水被引导到所述冷却通道(32)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的供应设备，其特征在于，所述电机的所述壳体(18)包括冷却翅片。

6.一种用于向燃料电池(100)的阴极(110)供应加压空气的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

7.一种燃料电池系统，包括：燃料电池(100)，所述燃料电池(100)包括阴极(110)和阳极(102)，其特征在于，所述燃料电池系统包括根据权利要求1至6中任一项所述的用于向所述阴极供应加压空气的设备(10)。

8.一种交通工具，包括：燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池(100)，所述燃料电池(100)包括阴极(110)和阳极(102)，其特征在于，所述交通工具包括根据权利要求1至6中任一项所述的用于向所述燃料电池阴极供应加压空气的设备(10)。

技术总结
公开了用于向燃料电池(100)的阴极(110)供应加压空气的设备，包括：压缩机(12)，被连接到空气入口管(14)和阴极的入口(112)，压缩机(12)被配置为接收源自空气入口管(14)的空气，以压缩空气并将空气供应到阴极(110)；电机(16)，被配置为驱动压缩机(12)并被壳体(18)包围；回收涡轮机(26)，被配置为膨胀源自阴极的出口(114)的含水空气(24)，以便经由涡轮机(26)的出口供应该经膨胀的空气(28)。该设备的特征在于，包括冷却通道(32)，冷却通道(32)被配置为接收经膨胀的空气(28)的至少一些，以冷却电机的壳体(18)和电机(16)。

技术研发人员：G·巴特,J·福拉格南
受保护的技术使用者：利勃海尔-航空航天图卢兹有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12