用於供給航空器的燃料電池系統的製作方法

2023-05-26 12:57:56 3

專利名稱：用於供給航空器的燃料電池系統的製作方法
技術領域：
本發明提供用於供給航空器系統的燃料電池系統、用於航空器 的供水系統和用於驅動航空器的燃料電池系統特別是也適於供水 的燃料電池系統的方法。
背景技術：
在當前的航空器技術中，用於在使用燃料電池的航空器上產生 水的組件是已知的。使用這些組件，可以在航空器發動機中提供例 如一個或更多個高溫燃料電池的形式的部分或完全集成的水產生 單元，使得航空器發動機的燃燒室完全或部分被高溫燃料電池代 替。
例如在DE 19821952中公開了航空器上的能量供給單元。該航 空器包含燃料電池，其中，對於燃料電池的空氣供給，使用航空器 氣候控制裝置排出或排放的空氣或航空器外部空氣。在這方面，各 燃料電池模塊與空氣供給單元的上遊連接，該空氣供給單元尤其包 括用於壓縮供給到燃料電池的空氣以及用於將來自從燃料電池中 排出的加熱空氣的能量再循環的壓縮器壓縮器/膨脹器單元、空氣過 濾器和消聲器。

發明內容
可能需要提供用於供給航空器的高效燃料電池系統、用於航空 器的供水系統、用於操作航空器中的燃料電池系統的高效方法和具 有燃料電池系統的航空器。
這種需要可通過根據獨立權利要求的特徵的用於航空器的燃 料電池系統、用於航空器的供水系統、用於操作航空器中的燃料電 池系統的方法和通過具有燃料電池系統的航空器來滿足。
在示例性實施方案中，用於具有客搶的航空器的燃料電池系統包括燃料電池。所述燃料電池包括第一入口連接、第一出口連接、 陰極側和陽極側，其中第 一入口連接形成為陰極側的入口連接並且 其中第一出口連接形成為陰極側的出口連接。此外，燃料電池系統
形成為使得在第 一入口連接處可施加壓力對應於客運機器
(passenger machine )或客搶中的空氣壓力的氣體。
在另一示例性實施方案中，提供一種用於操作航空器中的燃料 電池系統的方法，其中所述燃料電池系統包括燃料電池，其中所述 燃料電池包括第一入口連接、第一出口連接、陰極側和陽極側，其 中第一入口連接形成為陰極側的入口連接並且其中第一出口連接 形成為陰極側的出口連接，該方法包括在燃料電池的出口連接處施 加負壓。此外，該方法包括在燃料電池的陰極側通過負壓抽吸氣體。
在另一示例性實施方案中， 一種用於航空器的供水系統包括根 據本發明的一個示例性實施方案的燃料電池系統、燃料箱、轉換器 和熱交換器，其中轉換器配置為DC/DC/AC轉換器，即配置為直流 /直流/交流轉換器，其中熱交換器配置為使得可通過它導走燃料電 池系統所產生的熱，並且其中燃料箱配置為可通過它向燃料電池系 統供給燃料。
可以認為本發明的基本思想是提供一種在沒有用於為燃料電 池系統供給空氣的壓縮器和/或吹風器的情況下操作的用於航空器 的燃料電池系統。可以完全通過在燃料電池的出口連接處施加的負 壓將所需要的穿過燃料電池的氣流吸入燃料電池的陰極側。明顯的 特徵可以是，為了產生陰極側所需的氣流，在燃料電池的出口連接 處也就是燃料電池的排放側施加負壓。
通過本發明的燃料電池系統，可以提供一種可以以特別簡單的 方式構建的用於航空器的燃料電池系統。燃料電池系統的部件還可 適於集成和/或承擔航空器的其它功能和/或航空器的系統的功能。
可以認為本發明的第二基本思想是可以取消壓縮器，這可導致 重量減輕和輔助電功率減少或自身電需求減少，以及通過取消機電 部件而提高燃料電池系統的可靠性。
該燃料電池系統可以提供的另一優點在於，通過施加的負壓來 增加陰極排放空氣的水回收，其中在燃料電池內可以減少水的冷凝。因此，可以在較低溫度下操作燃料電池。對於在該燃料電池系 統的冷凝器上存在恆定溫差的情況，由於在陰極排放空氣中可存儲 更多的水，因此可以將冷凝器設計得更小。因此，該燃料電池系統 還可適用於航空器中的供水系統。
根據本發明的燃料電池系統可滿足對於空中旅行時基於燃料 電池的水產生系統存在的規範中的至少一個。本發明的燃料電池系 統可特別適於滿足將在後面說明的基本規範，並可與用於汽車應用 的水產生系統的現有技術極為不同。例如，這些規範可在於耐久性， 即水產生系統必須在航空器上的環境條件下可靠地工作而不劣化， 和/或在於耐寒性，即水產生系統必須在航空器停泊在寒冷地域的情 況下耐受這些寒冷影響。其它的規範可在於冷啟動能力和/或重量減 輕，所謂冷啟動能力即系統必須能夠在長壽命期內在霜凍條件下短 時間內啟動，也就是系統必須以恆定的功率運行預定的最少小時 數，所謂重量減輕就是將系統重量減小到最小值，該最小值對於達 到功能性是必需的並用於維持強度或穩定性規範。另外，可能存在
如下其它規範例如，維護的需要，即維護費用應保持儘可能地少； 良好的可接近性，即在系統內應可容易地接近用於維護的維護艙口 (入口)或開口；和/或純度，即應選擇介質流和材料，使得從燃料 電池系統獲得的水對應於適當的飲用水規定。
在相關的權利要求和從屬權利要求中提供本發明的其它目的、 實施方案和優點。
以下將更詳細地說明燃料電池系統的示例性實施方案。與燃料 電池系統相關聯說明的示例性實施方案還適用於航空器的供水系 統、用於操作燃料電池系統的方法、具有燃料電池系統的航空器和 燃料電池系統在航空器中的用途。
在燃料電池系統的另一示例性實施方案中，燃料電池系統包括 多個燃料電池。
在燃料電池系統的另一示例性實施方案中，燃料電池形成為聚 合物電解質膜燃料電池、直接甲醇燃料電池、和/或磷酸燃料電池。 特別地，當形成多個燃料電池時，可以採用不同的設計來形成單個 燃料電池。因此，可以在燃料電池系統內出現燃料電池的混合形式 或任意組合。例如， 一些燃料電池可形成為聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC),另一些燃料電池可形成為直接甲醇燃料電池 (DMFC)、和/或形成為磷酸燃料電池(PAFC)。
換言之，這些燃料電池或燃料電池系統可適於產生電能和用於 產生飲用水，作為替代方案，這些燃料電池或燃料電池系統可在一 個或多個電池組中包含PEMFC、 DMFC或PAFC或這些技術的任 意組合作為稱為電池組的基本單元。燃料電池系統的電池組可在陽 極側包含用於供給燃料的管線。根據所使用的燃料電池的類型和/ 或所使用的組合，該燃料可包含氫氣、含氫氣的重整氣和/或曱醇或 由氫氣、含氫氣的重整氣和/或甲醇組成。另外，燃料電池組可配置 在具有分別用於空氣(氧氣)和水的供給管線和排放管線的陰極側。
燃料電池系統可配備有空氣過濾器，該空氣過濾器在燃料電池 系統中安置為使其過濾燃料電池的陰極側的入口空氣。因此，可以 保證燃料電池系統提供純淨水質並保持免受會汙染和/或堵塞燃料 電池元件的灰塵和/或汙粒的影響。優選使用保持顯著的空氣含量的 低差壓空氣過濾器(differential pressure-poor air filter )。
在另一示例性實施方案中，燃料電池系統還包括出口端子 (outlet terminal)，其中，出口端子配置為使得它可與燃料電池的 第一出口連接相連並與航空器的周圍環境相連。
設置可與航空器的周圍環境相連的出口端子可以是實現用於 燃料電池的負壓或真空的特別有效的方式，通過該負壓或真空，諸 如空氣和/或氧氣的氣體可被吸入到燃料電池的陰極側。這一點特別 可適用於航空器飛行時的情況，由此提供艙內壓力和外部壓力之間 的差壓。
在另一示例性實施方案中，燃料電池系統還包括負壓系統，其 中負壓系統或真空系統可與燃料電池的第一出口連接相連。
設置負壓系統或真空系統可以是為燃料電池提供負壓的特別 有效的方式，通過該負壓，諸如空氣和/或氧氣的氣體可被吸入到燃 料電池的陰極側。可以使用所謂的真空系統作為這種類型的負壓系 統，例如，該真空系統還可以在航空器中用於處理來自機艙的廢水。 這種負壓系統對於在航空器位於地面或近地面水平時產生負壓而
言可以是特別有利的。儘管如此，仍可以在航空器的艙壓和真空系統之間產生差壓或壓差。與真正的真空不同，壓差可能僅為約
500hPa。真空系統通常可如前所述在航空器中用於處理來自WC的 排洩物。在近地水平或地面上，可通過真空系統的廢物罐處的所謂 真空發生器產生真空系統和艙壓之間的差壓。
根據另一示例性實施方案，燃料電池系統還包括三通閥，其中 三通閥可連接在燃料電池的第一出口連接、負壓系統和出口端子之 間。
通過在所述部件之間使用三通閥，可以根據航空器是否處於地 面、近地面或處於巡航高度而以簡單的方式進行有效的切換。在地 面上，三通閥可切換為使得燃料電池可通過負壓系統具有差壓，而 在巡航高度上，三通閥可控制為使得可通過外部空氣產生差壓。
在另一示例性實施方案中，多個燃料電池形成為電池組 (stack)。並且，可以形成多個電池組，這些電池組中的每一個包 含一個或更多個燃料電池。
在一個示例性實施方案中，電池組包含多個部分單元，其中各 部分單元包括配置為可單獨控制對部分單元供給氣體的調節閥。例 如，部分單元或子單元可分別由單個燃料電池形成，或者可分別由 多個燃料電池形成。
通過為每個部分單元設置獨立的調節岡，可以控制和/或調節對 單個燃料電池和/或燃料電池群的空氣和/或氧氣供給。
在另一示例性實施方案中，電池組還包含端板和/或在端板中設 置調節岡。
因此，能夠以靈活的方式轉換燃料電池系統的特定功能，例如
電池組的端板中的氣體或介質的供給和排放管線的控制閥。這些控
制閥可由各介質的單獨控制閥構成，這些閥可分別在岡組中組合， 其中各單個閥供給電池組的特定區域，或者作為替代方案可供給電
池糹且的單個電池。
這種組裝的優點可能在於，通過介質的單獨受控供給以及與其 相關的對於燃料轉換的影響，有目的地或選擇性地進行燃料電池組 的熱控制，由此可在電池組中實現均勻的熱分布。該均勻的熱分布 可增加電池組的壽命並防止局部過熱和由此導致的洩漏。通過這種單獨控制，還能夠以有利的方式在電池組的某些區域中配備催化加
熱元件。通過這種^:計，可以在低溫下加熱電池組或將其加熱到工 作溫度，由此可改善冷啟動能力和/或可實現防凍保護。
端板的設計還可被視為本發明的獨立的部分方面，即與上述燃 料電池系統的設計無關的部分方面。亦即，提供一種燃料電池組的 端板，其中該端板包括配置為通過該端板可對燃料電池組中的單個 燃料電池和/或燃料電池群單獨控制或調節空氣和/或氧氣供給的控 制閥和/或調節閥。
在另一示例性實施方案中，端板由密度小於lkg/di^的材料制 成。例如，可使用鋁泡沫作為該材料。
根據本發明的實施方案，通過使用輕質材料，可以替代在常規 燃料電池組中使用的 一般通過軋制、鑄造或鍛制的鋁板製成的端 板，其中通過研磨成肋結構來減小板厚度和板重量。根據本發明的 一個實施方案，可以使用具有最小比重的材料，由此可以減輕重量。
在另一示例性實施方案中，端板配置為使得可通過張緊帶支撐 (拉牢(verspaimbar ))電池組。
可以通過端板的成形提供電池組的支撐能力。在這一點上，可 以發生成形，使得在主負載面上提供端板的最大剛度，由此可以支 撐(拉牢)。通過這種支撐能力，可以提供有效固定燃料電池的可 能性。對於相互疊置的燃料電池以及關於燃料電池組在航空器內的 固定，這是可以的。通過支撐，還可以保護燃料電池組免受在它們 的內部出現的介質(氣體)的壓力的影響，其中，這種支撐還可用 於密封電池組以避免介質的洩漏。在這一點上，可以用張緊鎖或張 拉機在端板上沿縱向在電池組周圍放置一個或更多個張緊帶。這 樣，可以通過張緊帶的張緊來施加用於將電池組保持在一起的壓 力。
在另一示例性實施方案中，電池組包括內引導元件。
在電池組內設置內引導元件可以是防止電池組的電池相對於 彼此和/或電池的單個元件相對於其周圍元件偏移或滑動的有效方 式。
在另一示例性實施方案中，燃料電池系統還包括拉杆或張力杆，其中拉杆配置為使得可通過拉杆支撐電池組。在一個有利的方 式中，拉杆可包含碳纖維增強塑料作為其材料。
設置拉杆可以是對於帶張緊的替代性或追加的設計，以保證支 撐住電池組。
通過使用碳纖維增強的拉杆，可以避免在現有技術中已知的用 沿縱向支撐電池組的單個板和膜的拉杆張緊的實施方案。這些拉杆 在現有技術中體現為具有螺母和板簧或旋鑿螺釘的螺杆。通過使用 碳纖維增強的拉杆，可顯著減輕重量。在這一點上可以使用碳纖維， 使得它們可通過兩個相對的張力元件利用端板上的壓力沿縱向夾 緊電池組。
拉杆的設計也可被視為本發明的獨立的部分方面，即與上述燃 料電池系統的實施方案無關的部分方面。亦即，提供用於燃料電池 組的拉杆，其中該拉杆配置為使得可通過拉杆支撐電池組，其中該 拉杆包含碳纖維增強塑料作為其材料。
在另一示例性實施方案中，燃料電池系統還包括第一排放空氣 閥，其中第一排放空氣閥與第一出口連接相連。
因此，可以對燃料電池的陰極側提供有效的差壓控制。
在另一示例性實施方案中，燃料電池系統還包括第二排放空氣 閥，並且燃料電池包括第二出口連接，該第二出口連接形成為陽極 側的出口連接。並且，第二排放岡與第二出口連接相連。
通過這種設計，也可對燃料電池的陽極側提供有效的差壓控制。
在另一示例性實施方案中，燃料電池系統還包括加熱元件，其 中加熱元件配置為使得可通過加熱元件加熱燃料電池。優選地，電 池組可包含多個加熱元件，其中加熱元件被集成在各燃料電池之 間。特別地，加熱元件可形成為催化加熱元件。
換言之，可單獨控制的催化加熱元件可被集成和分布在單個燃 料電池元件之間。這些加熱元件可使得能夠在通過將氫氣和氧氣轉 換成水的催化反應使氫氣和空氣和/或氧氣撞擊時產生一定的熱量， 該熱量可能是將電池組均勻加熱到工作溫度和/或防止燃料電池系 統由於航空器凍透而被冷凍所需要的。在另一示例性實施方案中，燃料電池包括雙極板，該雙極板包 含導電塑料作為其材料。優選地，雙極板包含第一主側、第二主側 和多個通道，其中所述多個通道的第一部分配置在第一主側上。並 且，所述多個通道的第二部分安置在第二主側上，以使所述多個通 道的第一部分的通道不面對所述多個通道的第二部分的通道。
通道的這種配置可被靈活地描述為通道的交替配置，即當一個 通道或凸面位於雙極板的一側時，沒有通道位於相對的另一側。利 用這種配置，可以使雙極板的材料使用保持最少或將其最小化，由 此能夠減輕重量。
作為雙極板的材料，具有約80%的石墨部分的塑料是合適的。 與由比重為約7.9kg/dm3的鋼製成的雙極板不同，這些塑料雙極板 可具有2.2kg/dm3的比重。這些類型的塑料可用於製造雙極板，其 中雙極板可以採用注射成型工藝由所述塑料製造，因此雙極板可設 計得特別薄且成本有效。可通過配置介質引導通道以使同一雙極板 上的相對通道分別相互位移從而能夠使用最少的材料來實現進一 步的重量減輕。
雙極板的設計也可被視為本發明的獨立的部分方面，即與上述 燃料電池系統的實施方案無關的部分方面。亦即，提供包含雙極板 的燃料電池，該雙極板包含導電塑料作為材料。雙極板包含第一主 側、第二主側和多個通道，其中所述多個通道的第一部分配置在第 一主側上。而且，所述多個通道的第二部分安置在第二主側上，以 使所述多個通道的第一部分的通道不面對所述多個通道的第二部 分的通道。
特別有利的是，根據本發明的燃料電池系統可用於航空器中。
根據本發明的示例性實施方案，選擇燃料電池的操作點，使得 燃料電池系統的發熱最小化，即，例如，為了獲得操作點滿足最小 發熱規範的燃料電池的操作點，對發熱進行優化。
通過這種優化，可以使燃料電池的熱輸出保持儘可能地少，該 燃料電池不僅通過氫氣(2H2)和氧氣(02)轉換成水(2H20)來 釋放電能，而且釋放熱。
在另一示例性實施方案中，參照供水系統的總重量來優化供水
13系統的操作點。
例如可以通過以下公式的可能迭代來實施關於供水系統的操 作點特別是關於由燃料電池釋放的電壓的操作點的可能的優化。
其中，
GS。-非優化組件(供水系統)的電池組重量，
GT。=非優化組件的燃料和箱的重量，
GW。=非優化組件的熱交換器的重量，
GP。=非優化組件的泵的重量，
GK。=非優化組件的轉換器的重量，
u0 ==基本電池組即非優化組件的電池組的電池電壓，
jo =基本電池組即非優化組件的電池組的電流密度，
m-新操作點處的電池組的電池電壓，
h-新操作點處的電池組的電流密度。
通過該公式，可以確定供水系統中重量優化的燃料電池系統的 操作點，其中，適用關於電池組尺寸、電池組數量和性能數據的特 定環境。
在進行這種最優燃料電池參數的選擇時，可以考慮以下的數學 關係。另一方面，根據u(j) = u，-r*j,電池電壓u(j)和電流密度j之 間存在線性關係，其中，r代表電壓-電流密度曲線的增加。從中 可得到恆定電池組功率的以下關係
對於電池組重量，以下爿^式適用
G"Go = (io(uo)*uo)/(j(u!"u0,其中，
u0 =基本電池組即非優化組件的電池組的電池電壓，
jo =基本電池組即非優化組件的電池組的電流密度，ui， h-新操作點處的電池組的電池電壓和電流密度，U戶Uo並 且KuO〈jo(u。)，並且，
d， G。-新電池組和基本電池組的重量。
從中可以看出，當電池組功率保持恆定時，電池組重量隨電壓
增加而增加(G^GJ ，這是因為隨電壓ih增加，電流密度h根據 u-j特性曲線而減小並且為r = AU/Aj<-0.5。換言之，如果電壓增加 AU,則電流密度Aj以大於2x AU的因子減小。從中可以看出，為 了保持恆定的電池組功率，必須增加電池表面，並且總重量隨之增 加。
對於氫氣和氧氣消耗，以下關係適用
當lh大於Uo時，隨著電壓從Uo增加到lh (U^Uo),電效率T1
根據下式增加
TllAlO = WUO，(幣為新電池組，T]Q為基本電池組)
由此，可根據下式得到氫氣消耗量的減少 nn/mo-iVm-uo/m， (n^為新電池組消耗量，夠為基本電池 組消耗量)，並且，大氣氧氣消耗量也隨之減少。 對於發熱量，下式適用
電效率T]的增加可導致較少的發熱量，因此單位時間的發熱量 Q根據下式減少(Q^QJ :
Qi/Q。-[(U，h-iM)"'o(UL)]/[(Uth-uo)^(uo)],其中，Uth是所謂的熱平衡電壓。
關於熱交換器(熱轉移器)和泵，以下適用
通過減少發熱量，可減小熱交換器的表面，從而可減小其重量 (G^GJ ，其關係如下
(VG。 = Q'/Q。 = At/A。， (A。為基本電池組的表面，&為優化的電池 組的表面)。另外，熱容量流以及與其相關的冷卻介質所需要的泵 功率也可以減小相同的量，這可以意味著寄生電消耗和重量的減 小。
關於轉換器，以下適用對於恆定的電池表面，所需要的電池的數量根據下式增加 由於P =常數=u*N*j(u)*A = Us*j(u)*A = US*IS ，其中p為電池組 的電功率，A為電池組的面積，因此，N!/N。-(Mu^ui)/(j。(u^uo), (No 為基本電池組中的電池數量， 為新電池組中的電池數量)。同樣， 隨著電池組電流Is的減小以及電池組電壓Us的增加，DC/DC/AC 轉換器的重量減小並且其效率增加。
因此，通過優化，可以減輕燃料電池系統和供水系統的重量， 這是因為隨著上述操作點的選擇而不可避免的電池組的放大會由 於相同的電力所需要的燃料氣體的減少而導致可實現更小的冷卻 器和更小的熱交換器以及更小的電轉換器的使用。
為了減輕燃料電池系統的重量，可能需要實質性減輕電池組的 重量。根據本發明，可以通過使用導電塑料材料作為雙極板、其特 定的減重規格、通過支撐電池組的方式、以及通過使用例如玻璃纖 維增強的碳或塑料的輕質端板，從而在本組合件中實現這一點。另 外，可以通過在燃料電池組的周邊例如管道、接頭、聯接器和閥中 使用塑料來減輕系統重量。
對於供水系統，優選為導水部件選擇一方面耐例如電導率K為
約20[iS/m的去礦物質水、另一方面還適用於飲用水系統的材料。 這同樣應用於燃料電池的雙極板、端板和陰極側膜的設計。
此外，對於供水系統周邊的管道，優選使用儘可能輕的材料， 例如具有納米塗層或玻璃塗層的塑料管道。這些管道優越的原因可 能在於， 一方面具有小比重，另一方面相對於陽極側的氫氣和陰極 側的去礦物質水具有特定的性能。優選地，在陽極側使用的管道具 有高的不透氫氣性，而在陰極側使用的管道優選具有高的耐去礦物 質水性，另外，優選滿足飲用水輸送管線的國際建議標準。
本發明的一個方面可視為提供一種用於航空器的燃料電池系 統，該燃料電池系統包括一個或更多個燃料電池組或由一個或更多 個燃料電池組構成，其中這些電池組可以是聚合物電解質膜燃料電 池(PEMFC )、直接曱醇燃料電池(DMFC )或磷酸燃料電池(PAFC ) 的類型或可表現為這些類型的燃料電池的混合體。在這一點上，空 氣和/或氧氣接觸一個或多個電池組的陰極側，其中為了流過陰極側，使用處於較高壓力水平的艙側供給和在航空器周圍的大氣中處 於較低壓力水平的排放管線之間的壓力。在所施加的陰極側與排放 管線之間可產生差壓，其原因在於，當在艙壓和排放側的外部壓力 之間具有相同的壓力條件時，為了降低壓力水平而使用真空系統， 其中該真空系統還可用於從航空器的機艙移除廢水。特別地，分別 由多個電池或電池組的單個電池構成的電池組特定區域可具有單 獨的空氣或氧氣供給管線，並且這些供給管線可通過調節閥單獨控 制。優選地，這些調節閥集成在電池組的端板中。
優選地，根據這一方面，將分布在各燃料電池元件之間的單獨 可控催化加熱元件集成為一整體，通過將氫氣和氧氣轉化成水的催 化反應產生用以將電池組均勻加熱到操作溫度或者在出現航空器 凍透時防止燃料電池系統冷凍所必需的熱量。在燃料電池組中使用 的雙極板可包含導電塑料，其中雙極板兩側的介質引導通道的配置 體現出位移，以使材料使用最小化。優選地，端板由密度小於
lkg/dm3的材料例如鋁泡沫製成。另外，可形成端板，使得可用張 緊帶支撐電池組，其中，當用張緊帶支撐電池組時，它優選具有防 止電池相互之間或一個電池的各元件相對於其周圍的元件滑動的 內引導元件。作為替代方案，電池組可配備用於支撐的由碳纖維增 強塑料製成的拉杆。任選地，通過"流出閥"的控制來實現燃料電 池系統的差壓調節(在陰極側和/或在陰極和陽極側)。
應當注意，參照以上實施方案之一或參照以上方面和/或部分方 面描述的特徵或步驟可以獨立地和/或與其它的上述實施方案或方 面和/或部分方面的其它特徵或步驟組合使用。
下面將參照附圖
關於示例性實施方案更詳細地說明本發明。
圖l表示用於供給用電設備並用於航空器供水的燃料電池系統 的示意圖。
圖2表示根據本發明的一個示例性實施方案的用於供給用電設 備並用於航空器供水的燃料電池系統的示意圖。
圖3表示加固的電池組的示意圖。
圖4表示具有閥的端板的示意性截面圖。
圖5表示雙極板的示意性截面圖。圖6表示雙極板的示意性平面圖。
在不同的附圖中，為類似或相同的部件提供類似或相同的附圖 標記。
圖l表示用於供給用電設備並用於航空器供水的燃料電池系統 的示意圖。燃料電池系統100包括用於燃料供給的燃料箱101和燃 料電池組102。燃料電池組102包括供給側端板102和排放側端板 104。燃料電池組102通過第一供給管線105供應供給空氣，第一 供給管線105包括空氣過濾器106、壓縮器107和用於燃料電池組 102的陰極側流量調節的第一閥108。此外，從陽極側的燃料箱101 通過第二供給管線109向燃料電池組102供給燃料。第二供給管線 包括可執行陽極側流量調節的第二閥110。
排放側端板104通過稱為放洩閥的第三閥111與冷凝器112連 接。冷凝器112與冷凝物排除器113連接，通過冷凝物排除器113， 冷凝水可經第一連接114排放到水系統中。另外，冷凝物排除器113 與連通外部壓力水平即與連通航空器外的外部空氣的第二連接115 連接。冷凝器112進一步通過第三岡116和第四岡117與冷卻迴路 118連接。冷卻迴路118包括外部空氣冷卻器119和可將冷卻劑泵 送通過迴路118的二次冷水泵120。另外，冷卻迴路118包括冷卻 吹風器121。
另外，冷卻迴路118與用於冷卻燃料電池組102的熱交換器122 連接。在該連接中，熱交換器122作為其一部分的附加冷卻迴路123 包括一次冷水泵。
此外，燃料電池組102通過導電線125和126與變壓器127連 接，變壓器127進一步與航空器的電網128連接。
圖2表示根據本發明的一個實施方案的用於供給用電設備並用 於航空器供水的燃料電池的示意圖。燃料電池系統200包括用於燃 料供給的燃料電池罐201和燃料電池組202。燃料電池組202包括 供給管線側端板203和排放管線側端板204。通過第一供給管線205 為燃料電池組202提供供給空氣，第一供給管線205包括空氣過濾 器206和用於燃料電池組202的陰極側流量調節的第一閥208。另 外，從陽極側的燃料箱201通過第二供給管線209向燃料電池組202提供燃料。第二供給管線包括可執行陽極側流量調節的第二閥210。
排放管線側端板204通過稱為放洩閥的第三岡211與冷凝器 212連接。冷凝器212與冷凝物排除器213連接，通過冷凝物排除 器213，冷凝水可經由第一連接214引導到水系統。並且，冷凝物 排除器213與三通閥229連接，三通閥229與處於外部壓力水平即 與連通航空器外的外部空氣的第二連接215相連。此外，三通閥229 與連通航空器的真空系統的第三連接230相連。冷凝器212進一步 經由第三閥216和第四閥217與冷卻迴路218連接。冷卻迴路218 與外部空氣冷卻器219和泵送冷卻劑通過冷卻迴路218的二次冷水 泵220連接。
此外，冷卻迴路218與熱交換器222連接，熱交換器222用於 冷卻燃料電池組202。在該連接中，熱交換器222作為其一部分的 附加冷卻迴路223包括一次冷水泵224。
此外，燃料電池組202通過導電線225和226與變壓器227連 接，變電器227進一步與航空器的電網228連接。
根據圖2的實施方案的特徵在於它沒有對陰極側供給空氣施加 高於搶壓的壓力的壓縮器。陰極側供給空氣利用燃料電池組的排放 空氣側所處的負壓而被單獨抽吸通過燃料電池的陰極側。另一方 面，在該連接中，使用在飛行過程中提供負壓的外部空氣，其與巡 航高度的外部壓力相對應。另一方面，在地面上或在較低的高度上， 可以使用相對於艙壓提供壓力降的負壓或真空系統。可以通過三通 閥完成這兩個替代方案之間的切換。
圖3表示加固的電池組300的示意圖。電池組300包括供給管 線側端板301和排放管線側端板301。另外，在圖3中示出包括張 緊鎖304的張緊帶303,通過該張緊帶303可支撐電池組300。在 圖3中，還以垂直線示出燃料電池組300的單個燃料電池305。在 圖3的左側，示出與燃料電池的縱軸垂直的圖，其中示出用於空氣 和/或氧氣的第一排放管線306和用於112放洩的第二排放管線307。
圖4表示具有閥的端板的示意性截面圖。端板400包括用於氫 氣的第一供給管線401和用於空氣和/或氧氣的多個第二管線402。 另外，端板400包括過濾器403，例如旋入式過濾器，該過濾器403可過濾通過第二管線402引導的空氣和/或氧氣。在過濾器403的下 遊，端板400包括可分配空氣和/或氧氣的分配器或岐管404。另外， 端板400包括面板406。端板400可形成為一個部件或與該面板406 一體化，或者，面板406可體現為單獨的部件並可與端板400可連 接，其中在面板406和端板400之間設置密封件405。此外，在圖 4中，還示出連接端板400的燃料電池組408的一部分。通過圖4 中示意性示出的管道409,可向燃料電池組供給氫氣。另外，端板 400包括多個控制閥410,通過該控制閥410可控制和/或調節空氣 和/或氧氣供給。在圖4中示意性地通過箭頭411-417表示用於空氣 /氧氣供給的供給管線，其中，箭頭411表示對電池X Xa的空氣/ 氧氣供給，箭頭412表示對電池Xa+廣Xb的空氣/氧氣供給，箭頭413 表示對電池Xb+1 Xc的空氣/氧氣供給，箭頭414表示對電池Xe+1~Xd
的空氣/氧氣供給，箭頭415表示對電池Xd+廣Xe的空氣/氧氣供給，
箭頭416表示對電池Xe+廣Xf的空氣/氧氣供給，箭頭417表示對電 池Xf+1~Xg的空氣/氧氣供給。
圖5表示雙極板500的示意性截面圖。在上面的圖5a中，示 出雙極板500，其包括第一側的氣體通道501和與第一側相對的第 二側的氣體通道502。在圖5a中，第一側的各氣體通道501面對相 應的氣體通道502。在下面的圖5b中，示出第二雙極板500，其包 括第 一側的氣體通道501和與第 一側相對的第二側的氣體通道502 。 在圖5b中，第一側的各氣體通道501不面對氣體通道502。換言之， 氣體通道501和502沿雙板板交替，它們交替排列。這樣，可以減 小雙板板的厚度，由此可以減輕雙極板的重量。
圖6表示雙極板600的示意性平面圖。雙極板600包括用於導 銷的孔602。並且，在雙極板600中配置氣體供給管線603和供給 側氣體分配器604。在圖6中示出導引供給氣體的所謂流場605和 密封件606。此外，雙極板600包括排放管線側氣體收集裝置607 和氣體排放管線608。
另外，應當注意，"包括"不排除其它的要素或步驟，並且，沒 有數量詞或"一個，，不排除多個。此外，應當注意，參照以上實施方 案之一描述的特徵或步驟還可與其它的上述實施方案的其它特徵或步 驟組合使用。權利要求中的附圖標記不應被視為限制。
權利要求
1.一種用於具有客艙的航空器的燃料電池系統，其中所述燃料電池系統包括燃料電池，其中所述燃料電池包括第一入口連接；第一出口連接；陰極側；和陽極側，其中所述第一入口連接形成為所述陰極側的入口連接；其中所述第一出口連接形成為所述陰極側的出口連接；和其中所述燃料電池系統設計為在所述第一入口連接處可施加具有與所述客艙內空氣壓力相對應的壓力的氣體。
2. 根據權利要求l的燃料電池系統，其中所述燃料電池系統包括 多個燃料電池。
3. 根據權利要求1或2的燃料電池系統，其中所述燃料電池形成 為聚合物電解質膜燃料電池、直接甲醇燃料電池和/或磷酸燃料電池。
4. 根據權利要求1 3中任一項的燃料電池系統，其中所述燃料電 池系統還包括出口端子，其中所述出口端子設計為使其可與所述燃料電池的第一出口 連接相連並可與所述航空器的周圍環境相連。
5. 根據權利要求1~4中任一項的燃料電池系統，其中所述燃料電 池系統還包括負壓系統，其中所述負壓系統可與所述燃料電池的第一出口連接相連。
6. 根據權利要求5的燃料電池系統，其中所述燃料電池系統還包 括三通閥，其中所述三通閥可連接在所述燃料電池的第一出口連接、所述 負壓系統和所述出口端子之間。
7. 根據權利要求2-6中任一項的燃料電池系統，其中所述多個燃 料電池形成為電池組。
8. 根據權利要求7的燃料電池系統， 其中所述電池組包括多個部分單元，其中各部分單元包括調節閥，所述調節閥設計為使得對所述部 分單元的氣體供給是單獨可控的。
9. 根據權利要求8的燃料電池系統， 其中所述電池組還包括端板，並且 所述調節閥配置在所述端板中。
10. 根據權利要求9的燃料電池系統，其中所述端板由密度小於 lkg/dm3的材料製成。
11. 根據權利要求9或10的燃料電池系統，其中所述端板設計為 使得可通過張緊帶來支撐所述電池組。
12. 根據權利要求7~11中任一項的燃料電池系統，其中所述電池 組包括內引導元件。
13. 根據權利要求7~12中任一項的燃料電池系統，其中所述燃料 電池系統還包括拉杆，其中所述拉杆設計為使得可以通過所述拉杆 來支撐所述電池組。
14. 根據權利要求13的燃料電池系統，其中所述拉杆包含碳纖維 增強塑料作為材料。
15. 根據權利要求1 14中任一項的燃料電池系統，其中所述燃料 電池系統還包括第一排放空氣閥，其中所述第一排放空氣閥與所述第一出口連接相連。
16. 根據權利要求1~15中任一項的燃料電池系統，其中所述燃料 電池系統包括第二排放空氣閥，並且 其中所述燃料電池還包括形成為所述陽極側的出口連接的第二出口連接，並且 其中所述第二空氣排放閥與所述第二出口連接相連。
17. 根據權利要求1~16中任一項的燃料電池系統，其中所述燃料 電池系統還包括加熱元件,其中所述加熱元件設計為使得可以通過所述加熱元件來加熱 所述燃料電池。
18. 根據權利要求7 16中任一項的燃料電池系統， 其中所述電池組包括多個加熱元件，並且其中所述加熱元件集成在各燃料電池之間。
19. 根據權利要求17或18的燃料電池系統，其中所述加熱元件形 成為催化加熱元件。
20. 根據權利要求1~19中任一項的燃料電池系統，其中所述燃料 電池包括雙極板，所述雙極板包含導電塑料作為材料。
21. 根據權利要求20的燃料電池系統，其中所述雙極板包括 第一主側；第二主側；和 多個通道，其中所述多個通道的第一部分配置在所述第一主側上，並且 其中所述多個通道的第二部分配置在所述第二主側上，使得所 述多個通道的第一部分的通道不面對所述多個通道的第二部分的通道。
22. —種用於航空器的供水系統，所述供水系統包括 根據權利要求1 21中任一項的燃料電池系統、 燃料箱；轉換器；和 熱交換器；其中所述轉換器設計為DC/DC/AC轉換器；其中所述熱交換器設計為使得可通過其導走所述燃料電池系統產生的熱；並且其中所述燃料箱設計為使得可通過其向所述燃料電池系統供 給燃料。
23. 根據權利要求22的供水系統，其中所述供水系統的操作點參照所述供水系統的總重量進行優化。
24. —種用於操作航空器中的燃料電池系統的方法，其中所述燃料 電池系統包括燃料電池，其中所述燃料電池包括第一入口連接、第 一出口連接、陰極側和陽極側，其中所述第一入口連接形成為所述 陰極側的入口連接並且其中所述第 一 出口連接形成為所述陰極側 的出口連接，其中所述方法包括在所述燃料電池的出口連接處設置負壓；和 通過所述負壓將氣體吸入到所述燃料電池的陰極側。
25. —種航空器，其具有根據權利要求1 21中任一項的燃料電池 系統或根據權利要求22或23的供水系統。
26. 根據權利要求1~21中任一項的燃料電池系統或根據權利要求 22或23的供水系統在航空器中的用途。
全文摘要
一種用於具有客艙的航空器的燃料電池系統包括燃料電池。燃料電池包括第一入口連接、第一出口連接、陰極側和陽極側，其中所述第一入口連接形成為陰極側的入口連接，其中所述第一出口連接形成為陰極側的出口連接。另外，燃料電池系統設計為在第一入口連接處施加具有與客運機器中的空氣壓力相對應的壓力的氣體。
文檔編號H01M8/00GK101297427SQ200680039744
公開日2008年10月29日 申請日期2006年10月25日 優先權日2005年10月27日
發明者克勞斯·霍夫亞, 哈拉爾德·格林德爾, 漢斯-于爾根·海因裡希, 漢斯格奧格·舒爾德齊希 申請人:空中巴士德國有限公司