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

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。

说明书

技术领域

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

在车辆中使用燃料电池以用于执行多个不同的任务——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。

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。

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

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。

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。

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。

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℃的操 作温度使得能够以液体形式提供作为反应产物的水。

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)。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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高的效率。

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。

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。

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。

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。

附图说明

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。

图1以示意性视图示出了燃料电池系统。

图2示出了替代性空气分离器。

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 的操作的控制单元。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。