CN110828867A - 用于飞行器的燃料电池*** - Google Patents

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Abstract

一种为与压力无关的运行所设置的燃料电池***(2)，其中设有至少一个具有开放式阴极的燃料电池，所述燃料电池***将第一流体室(18)连接到流入截面并且将第二流体室(32)连接到流出截面(14)。在所述流体室(18，32)中能够调节超压，所述超压适配于所述至少一个燃料电池的运行。

Description

用于飞行器的燃料电池***
技术领域
本发明涉及一种用于飞行器的燃料电池***以及一种配备有这种燃料电池***的飞行器。
背景技术
燃料电池在飞行器中的使用是已知的。存在各种将燃料电池集成到飞行器中的方案。PEM燃料电池的使用特别是与以下条件相结合，这些条件尤其涉及遵守一定的边界条件。例如，所供应的反应物应尽可能不超过约40℃至50℃的温度。还应能够实现维持膜湿度。
此外，使用具有经空气冷却的(所谓开放式的)阴极的燃料电池堆是非常有利的。然而，由于结构类型，运行被限制在低于约4000m的高度。如果在飞行器中使用这种燃料电池并且该燃料电池位于机身的非加压区域中，则仅可能在近地面的高度上运行。
DE 10 2005 010 399 A1展示了一种用于为飞行器供应能量的燃料电池***，该燃料电池***具有燃料电池、氢气罐和氧气罐，其中氢气罐和氧气罐被连接到燃料电池以用于供给该燃料电池。尤其，燃料电池***被布置成用于布置在飞行器的压力通风的并且有空调的区域中。
发明内容
本发明的目的是，提出一种燃料电池***，其中可以利用开放式阴极的优点，但仍然能够实现在非加压区域中的集成并且可以在整个飞行高度上运行。
该目的通过具有独立权利要求1所述特征的燃料电池***来实现。有利的实施方式和改进方案可以自从属权利要求和以下说明书中得知。
提出一种用于飞行器的燃料电池***，所述燃料电池***具有：燃料电池单元，所述燃料电池单元具有阳极入口和开放式阴极，所述开放式阴极具有流入截面和流出截面；第一流体室，所述第一流体室具有第一空腔、第一连接开口和至少一个第一流体接口；第二流体室，所述第二流体室具有第二空腔、第二连接开口和至少一个第二流体接口；与所述第一流体接口联接的、用于提供加压空气的装置；与所述第二流体接口联接的空气出口；以及第一压力调节装置，其中所述第一连接开口与所述流入截面连接，从而使得所述流入截面仅与所述第一空腔处于直接连接，其中所述第二连接开口与所述流出截面连接，从而使得所述流出截面仅与所述第二空腔处于直接连接，并且其中所述第一压力调节装置被设计成通过影响来自所述第二流体室的空气的排出流来调节所述第二空腔中的超压，从而使得预先确定的、用于所述燃料电池单元的运行所需的空气流从所述第一流体室经过所述燃料电池单元的开放式阴极流动至所述第二流体室。
优选地，燃料电池单元是封闭式组件，该封闭式组件可以包含一个或多个燃料电池。燃料电池单元例如可能被实施为燃料电池堆的形式，其中布置多个燃料电池并且共同地被供给反应物。燃料电池单元具有例如阳极入口，经过该阳极入口可以从外部源将燃料(优选氢气)供应给燃料电池单元。进一步可能的是，还使用多个燃料电池堆。
根据本发明，燃料电池单元具有开放式阴极，该开放式阴极具有流入截面和流出截面。由此可以通过简单的手段将空气引导至阴极。空气穿过流入截面流入开放式阴极中、穿过开放式阴极在朝向流出截面的方向上流动并且在该流出截面处再次流出。由此一方面将空气中的氧气作为氧化剂供应给阴极。另一方面，阴极中存在的热量被空气流吸收并且至少部分地被引导离开阴极。因此，开放式阴极使氧气供应以及冷却变得容易。额外地，还可以藉由连续的空气流将所产生的水从阴极中排出。
根据本发明的燃料电池***的特别之处在于第一流体室，该第一流体室具有第一空腔、第一连接开口和至少一个第一流体接口。第一流体室应理解为一种类型的容器，该容器的体积由第一空腔限定。空腔藉由第一连接开口向外打开。第一连接开口可以在第一流体室的边界面的大体上的面区域上延伸。这还可以通过所涉及边界面的基本缺失来实现。第一连接开口适配于燃料电池单元的流入截面，从而使得第一连接开口可以齐平地与燃料电池单元的流入截面连接。
优选地，第一流体室以如下方式实施，使得该第一流体室可以齐平地安装到燃料电池单元上，从而使得流入截面与第一连接开口可以彼此对流体密封地连接。通过这种连接，从第一连接开口排出的空气仅可以进入流入截面。第一流体室与燃料电池单元之间的过渡部优选地被密封，以便阻止空气从连接部位处逸出。
借助第一流体接口可以执行第一流体室与用于提供加压空气的装置之间的流体连接。由此，在第一流体室的第一空腔中可以产生超压，该超压导致空气流入到流入截面中、穿过开放式阴极并且流动至第二流体室。
第二流体室与此类似地构造并且因此具有第二空腔、第二连接开口和至少一个第二流体接口。第二连接开口被适配成用于与流出截面连接，从而使得开放式阴极在其流出端部仅与第二空腔处于流体连接。优选地，流出截面与第二流体室之间的过渡部可以被密封，从而使得还可以在此处防止空气逸出。
第一流体室和第二流体室可能分别被实施为独立的壳体。然而还可能的是，使用一个单独的壳体，在该单独的壳体中两个流体室彼此分隔开。该壳体还可以包围燃料电池单元。在每个实施方式中应特别注意的是，流体室相对于各另外的流体室以及相对于燃料电池单元被密封并且仅实现上文提到的空气流。
从第一流体室流动到第二流体室中的空气部分地经由第二流体接口离开第二流体室。该空气例如减少其氧气含量并且经过流动路径被开放式阴极容易地加热。
通过第一压力调节装置来影响来自第二流体室的空气的排出流。因此，通过将加压空气连续地引入第一流体室的第一空腔中，可以通过空气的排出流直接地调节第二流体室和第一流体室中的超压。因此，由此得到的位于燃料电池单元中的压力水平可以适配于确保燃料电池单元的最优运行。由此，燃料电池单元与其直接的周围环境无关地运行并且可能尤其以如下方式运行，使得该燃料电池单元大体上处于如在地面运行时的压力水平。
总之通过上文展示的结构得出如下燃料电池***，该燃料电池***可以与飞行器中改变的周围环境条件无关地运行。这既允许布置在飞行器的非加压区域中，还允许使用具有开放式阴极的燃料电池。由此可以显著简化燃料电池的结构及其运行，并且所得到的燃料电池***的重量是小的。
优选地，所述第一压力调节装置被配置成用于根据所述燃料电池***的周围环境压力来改变所述第二空腔中的超压。超压在此处例如可以被调节到预先确定的水平，该水平能够实现燃料电池单元的正常运行，然而并不一定与地面处的压力相对应。随着周围环境压力的降低，第二流体室中的压力可能降低例如直至达最小值，从而使得由于超压所致的针对燃料电池***的机械负载尽可能小。可设想的是，将第二流体室中的绝对压力调节为至少600mbar。进一步可设想的是，设置超过周围环境压力至少100mbar的压力。
优选地，所述燃料电池***进一步具有第二压力调节装置，其中所述阳极入口与用于提供氢气的装置联接，其中所述第二压力调节装置与所述阳极入口和所述用于提供氢气的装置处于操作性连接，并且其中所述第二压力调节装置被配置成用于根据所述第一流体室中的压力来影响所述阳极入口处的燃料压力。当来自第二流体室中的排出流被影响并且尤其被节流以便提高此处的压力时，第一流体室中的压力升高。为了促进燃料电池***的正常运行，在阳极处应存在适合的燃料压力。如果可能，该燃料压力应大约与第一流体室中的压力相对应。因此，可以使用第二压力调节装置以实现该燃料压力。通过提到的操作性连接，可能直接影响例如压力调节阀、节流阀或用于提高压力的元件。尤其，操作性连接可以通过这样的阀来实现，该阀藉由第一流体室中的压力被控制。在燃料电池单元上(即在阳极侧与阴极侧之间)避免过大的压力差，从而使得尤其是燃料电池的膜不受到过大的负载或这些膜不受到过大的负载。可能优选的是，压力差尽可能被限定在350-400mbar或更小。这取决于至少一个燃料电池的结构类型。
尤其，所述用于提供加压空气的装置可以具有压缩机，所述压缩机与所述第一流体入口联接。优选地，压缩机由与机械无关的装置来操作。这例如可能是电动马达，该电动马达被供应取自飞行器的机载电网或燃料电池单元本身的电压。在后一种情况中，尤其可以设置缓冲储存器，该缓冲储存器在燃料电池单元运行期间确保给电动马达供应电压，然后该燃料电池单元输出足够的电压。可由压缩机提供的(绝对)压力可以例如在0.7bar至1.5bar的范围内。还可能的是多个压缩机并联连接或串联连接。在燃料电池单元中使用多个燃料电池堆的情况下还可能的是，为每个燃料电池堆分别使用至少一个压缩机。
为了防止超过供应空气的可容许的温度，所述燃料电池***可以进一步具有用于冷却加压空气的预冷器，所述预冷器被布置在所述用于提供加压空气的装置与所述第一流体入口之间。预冷器可以具有换热器，该换热器示例性地具有肋片结构或栅格结构。如果换热器具有较低的温度，则换热器被压缩空气流经并且同时可以排放热量。通过与换热器处于热学连接的散热装置，热量可以被排放到周围环境或其他部件。可设想的是，冷却液流经换热器的属于冷却回路的空腔。该预冷器可能配备有呈另一种换热器形式的散热装置，例如用于集成到飞行器的外蒙皮中的蒙皮区域换热器或被外部空气流经的换热器。最大可容许的温度可能例如为40℃-45℃。
在特殊条件下，预冷器还可能用于对压缩空气进行预先加热。因此可以确保最低温度为例如在0℃以上。
在一个有利的实施方式中，所述第一流体室具有第一再循环接口，并且所述第二流体室具有第二再循环接口，其中所述第一再循环接口和所述第二再循环接口通过风机彼此联接，所述风机将空气从所述第二流体室输送到第一流体室中。由此一方面可以实现第二流体室与第一流体室之间的一定的压力平衡。另一方面可以减小流经开放式阴极所需的外部空气流。由此进一步还可能优化湿度维持，原因在于潮湿的排出空气再次被混合到供应空气中。
优选地，在所述风机与所述第一再循环接口之间可能布置有止回阀。该止回阀防止空气直接从第一流体室流到第二流体室中并且在此完全跨接燃料电池单元。由此在任意再循环中确保燃料电池单元的运行。
在一个有利的实施方式中，所述燃料电池***进一步具有第三压力调节装置，所述第三压力调节装置被配置成用于根据所述燃料电池***的周围环境压力来影响从所述第二流体室进入所述第一流体室中的流体体积流量。例如优选的是，随着压力减小或高度升高而在更大程度上调节再循环体积流量。尤其，压力调节装置可以被配置成用于无级地调节体积流量。然而，在每种情况下应防止进行100％的再循环并且完全关闭第一压力调节阀。在这种情况下可能会中断燃料电池单元的运行。
根据本发明的燃料电池***可以进一步具有冲洗阀，所述冲洗阀与阳极出口连接并且被配置成用于选择性地冲洗阳极。这种冲洗阀还已知为“清洗阀(purge valve)”并且可以根据需要或以规则或不规则的间隔排出在阳极上或在阳极中所积聚的水。冲洗可能导致冲洗尽可能小于2％的氢气。此外还应防止，在冲洗前、冲洗期间或冲洗后产生阳极侧的压力峰值，该压力峰值高于阳极与阴极之间的可容许的压力差。该压力差取决于至少一个燃料电池的结构类型并且可能例如为350-400mbar。
所述燃料电池***可以进一步具有燃料压力调节阀，所述燃料压力调节阀与所述阳极入口联接并且被配置成用于影响进入所述阳极入口中的燃料的流量。由此可以执行一种类型的预先调节。特别是在使用消耗纯氢气的燃料电池中，在用于输出氢气的装置处可能存在相对高的压力。燃料压力通过燃料压力调节阀被节流并且显著低于初始压力。在第二压力调节阀(当使用该第二压力调节阀时)上，可以提出显著更低的要求。优选地，燃料压力调节阀是已固定调节的或可固定调节的压力调节阀。
在另一个有利的实施方式中，所述用于提供加压空气的装置和所述第一压力调节装置被配置成用于与所述燃料电池***的周围环境压力无关地调节并且维持针对所述燃料电池单元的运行所预先确定的运行压力差。由此可以确保期望的空气体积流量。
针对压力调节阀考虑多种作用原理，这些作用原理是本领域技术人员熟知的。尤其可以将这些压力调节阀实施为弹簧加载的膜片阀。替代于此，还可能使用电控制的阀，这些阀与控制单元联接。控制单元还可以与传感器联接，这些传感器测量相关压力，并且促使控制单元直接控制这些阀。
本发明另外还涉及一种飞行器，该飞行器具有机身和至少一个具有上述特征的燃料电池***。
所述至少一个燃料电池***可以被布置在所述飞行器机身的非加压区域中。通过上述结构可以使燃料电池单元与飞行器的周围环境压力无关地运行。因此在飞行器的非加压区域中的定位可以是容易的。
附图说明
本发明的其他特征、优点和应用可能性由以下对实施例和附图的说明得出。在此，所有所描述的和/或图示的特征自身和以任意组合构成本发明的主题，而与其在单独权利要求中或其所引用的权利要求中的关系无关。在附图中相同的附图标记代表相同或相似的物体。
图1a示出燃料电池***的示意性图示。
图1b和1c以侧视图示出两个流体室的示意性图示。
图2示出具有安装在其中的燃料电池***的、呈交通飞行器形式的飞行器。
具体实施方式
图1a示出燃料电池***2的示意性图示。该燃料电池***具有燃料电池单元4，该燃料电池单元示例性地具有多个单独的(未单独示出的)燃料电池，这些燃料电池共同构成例如呈燃料电池堆形式的相连单元。为了向耗电器供应电压，燃料电池单元4设有电导体6，当燃料电池***2被安装在飞行器中时，这些电导体例如可以与该飞行器的机载电网连接。为了向燃料电池单元4供应燃料(例如氢气)，设置有阳极入口8和阳极出口10。
此外，燃料电池单元4具有流入截面12和流出截面14，这些截面用于使空气能够流经燃料电池单元4的开放式阴极16。第一流体室18直接连接至流入截面12，该第一流体室具有第一连接开口20，该第一连接开口仅与流入截面12连接。因此，第一流体室18内部中的第一空腔22仅与流入截面12处于流体连接。
此外还设置有用于提供加压空气的装置24。该用于提供加压空气的装置配备有马达26和可由马达26驱动的压缩机28并且提供加压空气。该加压空气可以通过压缩被加热并且在该实施例中被引导经过可选的预冷器30，该预冷器仅示意性地示出。自然，预冷器30被配置成用于冷却压缩空气并且将压缩空气的热量例如藉由适合的介质从预冷器30运输至散热装置(未示出)。
通过将加压空气引导经过第一流体接口23，在第一空腔22中产生超压，空气借助该超压经过流入截面12流入到阴极16中。由于阴极16被实施为开放式阴极，因此空气流经该阴极并且经过流出截面14进入第二流体室32，即进入在此处存在的第二空腔34。第二流体室32具有第二连接开口21，该第二连接开口仅与流出截面14处于连接。空气经过第二流体接口36向外排出。由此，阴极16借助空气被供应氧气并且被进一步冷却。
在第二流体接口36的下游布置有第一压力调节装置38，该第一压力调节装置示例性地根据周围环境压力来影响来自第二空腔34的排出流。由此影响第二空腔34以及第一空腔22中的压力。通过有针对性地影响排出流可以在第二空腔34中实现一定的压力水平并且通过与第一空腔22的流体连接也在该第一空腔中实现一定的压力水平。
为了预先调节燃料压力，燃料管路40配备有燃料压力调节阀42，该燃料压力调节阀可能实施为简单的节流阀。在这里，第二压力调节装置44示例性地布置在燃料压力调节阀42的下游并且可以根据第一空腔22中的压力来调节第二压力调节装置44下游的燃料的压力。为此，第二压力调节装置通过压力接口45与第一流体室18相连接。通过预先调节燃料压力，第二压力调节装置44仅须执行相对小的燃料压力减小。在更下游跟随的是阳极入口8，燃料被引入该阳极入口中。优选地，燃料在阳极入口8处的压力基本上与第一空腔22中的压力相对应。
为了冲洗燃料电池单元4的阳极并且因此尤其去除所积聚的水，存在冲洗阀46。可以选择性地、根据需要地或以一定时间段自动地实现操作。
此外，为了改善第一空腔22和第二空腔34中的压力平衡，可以使用旁路组件48。该旁路组件示例性地具有风机50、第三压力调节装置52和止回阀54。由此，可以经过第二再循环接口53从第二空腔34中排出空气，该第二再循环接口同时可以是多个第二流体接口中的一个第二流体接口。空气可以通过风机50被输送至第一再循环接口55。该第一再循环接口可以是多个第一流体接口中的一个第一流体接口。因此，空气通过风机50主动地从第二空腔34中排出并且被供应给第一空腔22。通过止回阀54实现使得空气不能直接从第一流体室18流动到第二流体室32中。风机50被设计成使得由此可实现的压力差超过第一流体室18与第二流体室32之间的压降。
第三压力调节装置52被配置成用于根据燃料电池***2的周围环境压力来影响从第二流体室32进入第一流体室18中的流体体积流量。尤其，第三压力调节装置52在周围环境压力变低时打开并且在周围环境压力变高时关闭。
仅示例性地将具有周围环境压力以及包含在周围环境中的空气的周围环境展示为框，该框具有附图标记56。来自周围环境56的空气被供应至压缩机28、预冷器30以及第一压力调节装置38并且以压力的形式被供应至第三压力调节装置52。
图1b和1c进一步示意性地示出两个流体室18和32，其中分别标明了连接开口20或21。该连接开口适配于流入截面12或流出截面14。这两个流体室18和32以如下方式设计，使得这两个流体室优选可齐平地安装到燃料电池单元4上。在此，应使连接开口20和21仅与相应的截面12或14连接。在此，燃料电池单元4与流体室18和32的外边界之间的过渡部或分离部位被密封。
图2示出飞行器58，该飞行器具有机身60和安装在该机身中的燃料电池***2。燃料电池***2示例性地被布置在机身60的后部部分并且优选位于非加压区域中。
补充性地可以指出，“具有”并不排除其他的元件或步骤，并且“一个”或“一种”不排除多数。此外还可以指出，可以使用已经参照上述实施例之一描述的特征还有与上文描述的另外实施例的其他特征的组合。权利要求书中的参考数字不应视为限制。

Claims (13)

1.一种用于飞行器的燃料电池***(2)，所述燃料电池***具有：
-燃料电池单元(4)，所述燃料电池单元具有阳极入口(8)和开放式阴极(16)，所述开放式阴极具有流入截面(12)和流出截面(14)，
-第一流体室(18)，所述第一流体室具有第一空腔(22)、第一连接开口(20)和至少一个第一流体接口(23)，
-第二流体室(32)，所述第二流体室具有第二空腔(34)、第二连接开口(21)和至少一个第二流体接口(36)，
-与所述第一流体接口(23)联接的、用于提供加压空气的装置(24)，
-与所述第二流体接口(36)联接的空气出口，以及
-第一压力调节装置(38)，
其中所述第一连接开口(20)与所述流入截面(12)连接，从而使得所述流入截面(12)仅与所述第一空腔(22)处于直接连接，
其中所述第二连接开口(21)与所述流出截面(14)连接，从而使得所述流出截面(14)仅与所述第二空腔(34)处于直接连接，
其中所述第一压力调节装置(38)被设计成通过影响来自所述第二流体室(32)的空气的排出流来调节所述第二空腔(34)中的超压，从而使得预先确定的、用于所述燃料电池单元(4)的运行所需的空气流从所述第一流体室(18)经过所述燃料电池单元(4)的开放式阴极流动至所述第二流体室(32)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池***(2)，
其中所述第一压力调节装置(38)被配置成用于根据所述燃料电池***(2)的周围环境压力来改变所述第二空腔(34)中的超压。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池***(2)，
所述燃料电池***进一步具有第二压力调节装置(44)，
其中所述阳极入口(8)与用于提供氢气的装置联接，
其中所述第二压力调节装置(44)与所述阳极入口(8)和所述用于提供氢气的装置处于操作性连接，并且
其中所述第二压力调节装置(44)被配置成用于根据所述第一流体室(18)中的压力来影响所述阳极入口(8)处的燃料压力。
4.根据以上权利要求之一所述的燃料电池***(2)，
其中所述用于提供加压空气的装置(24)具有压缩机(28)，所述压缩机与所述第一流体入口(23)联接。
5.根据以上权利要求之一所述的燃料电池***(2)，
其中用于冷却加压空气的预冷器(30)被布置在所述用于提供加压空气的装置(24)与所述第一流体入口(23)之间。
6.根据以上权利要求之一所述的燃料电池***(2)，
其中所述第一流体室(18)具有第一再循环接口(55)，并且所述第二流体室(32)具有第二再循环接口(53)，
其中所述第一再循环接口(55)和所述第二再循环接口(53)通过风机(50)彼此联接，所述风机将空气从所述第二流体室(32)输送到所述第一流体室(18)中。
7.根据权利要求6所述的燃料电池***(2)，
所述燃料电池***进一步具有在所述风机(50)与所述第一再循环接口(55)之间的止回阀(54)。
8.根据权利要求6或7所述的燃料电池***(2)，
所述燃料电池***进一步具有第三压力调节装置(52)，所述第三压力调节装置被配置成用于根据所述燃料电池***(4)的周围环境压力来影响从所述第二流体室(32)进入所述第一流体室(18)中的流体体积流量。
9.根据以上权利要求之一所述的燃料电池***(2)，
所述燃料电池***进一步具有冲洗阀(46)，所述冲洗阀与阳极出口(10)连接并且被配置成用于选择性地冲洗所述燃料电池单元(4)的阳极。
10.根据以上权利要求之一所述的燃料电池***(2)，
所述燃料电池***进一步具有燃料压力调节阀(42)，所述燃料压力调节阀与所述阳极入口(8)联接并且被配置成用于影响进入所述阳极入口(8)中的燃料的流量。
11.根据以上权利要求之一所述的燃料电池***(2)，
其中所述用于提供加压空气的装置(24)和所述第一压力调节装置(38)被配置成用于与所述燃料电池***(2)的周围环境压力无关地调节并且维持针对所述燃料电池单元(4)的运行所预先确定的运行压力差。
12.一种飞行器(58)，所述飞行器具有飞行器机身(60)和至少一个根据权利要求1至11之一所述的燃料电池***(2)。
13.根据权利要求12所述的飞行器(58)，
其中所述至少一个燃料电池***(2)被布置在所述飞行器机身(60)的非加压区域中。
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