專利名稱：燃料電池系統和用于干燥燃料電池系統的廢氣的方法
技術領域：
本發明涉及一種具有用于干燥燃料電池系統的廢氣的設備的燃料電池系統、一種用于干燥燃料電池系統的廢氣的方法和一種具有至少一個這樣的燃料電池系統的飛機。
背景技術：
對于現代客機，有時設計或者已經使用燃料電池系統來完成多種多樣的任務。除了產生電力，也能夠完成其它任務，例如通過引入燃料電池系統的廢氣來惰化燃料箱。由于燃料電池的工作方式，廢氣在通常情況下具有水蒸氣成分。一般來說，在使用濕的氣體來惰化燃料箱時產生下述問題動力燃料、特別是煤油是吸濕的。此外，存在還能夠在油箱中形成菌群的風險，用于檢測油箱的液位的傳感器可能受到影響，使得檢測不精確。此外，在燃料箱或燃料本身內能夠形成冰晶，當飛機在巡航時或者在地面上溫度低于冰點時，所述冰晶能夠導致推進器噴油嘴和燃油濾清器的損壞。相應地存在將干燥的氣體導入燃料箱中以便能夠實現燃料箱的惰化的需求。DE102005054885A1和US2007/0111060A1示出一種用于降低燃料箱的爆炸危險的
安全系統，其中，保護氣體產生裝置包括具有燃料電池的燃料電池系統，并且提供在燃料電池系統工作時由燃料電池產生的保護氣體。在現有技術中，已知用于干燥氣體、特別是空氣的不同的方法和系統。因此，例如可能的是，通過吸濕介質，例如硅膠，來執行吸收。但是，吸濕介質的吸水能力是有限的，從而使得在使用后必須替換或再生。特別是在飛機中，替換導致明顯的重量問題，并且持續不斷地排空和再填充導致提高的維護耗費。此外，通過相應的熱量輸入，例如通過加熱的空氣可實現再生。但是，這提出燃料電池系統的效率的問題，因為需要顯著的能量耗費用于熱再生。如果不應執行再生，那么由于已提及的飽和，廢氣干燥僅在限定的時長中是可能的。一般來說，在這樣的方法中達到露點，也就是產生冷凝的和蒸發的水的平衡狀態的溫度，所述溫度直至達到兩位的負數范圍中。用于干燥空氣的另一方法通過借助于可選的薄膜在利用分壓差的情況下傳輸水來實現。為此，使用將待干燥的氣體與已干燥的氣體分開的薄膜，其中，由于分壓差導致水穿過薄膜。代替已干燥的氣體，也能夠提高在待干燥的氣體所在的薄膜側上的靜壓力。所述方法通過可實現的分壓差限定其干燥性能。薄膜式壓縮空氣干燥器的特別低的露點僅在使用很高的工作壓力和因此必要的高壓縮性能的情況下達到。從現有技術中已知的用于干燥氣體的另一第三方法通過將氣體冷卻至低于露點而實現，為此，基本上僅需要換熱器和熱沉或冷卻介質。緊接在冷卻之后，并且用于液態的水和氣態的剩余氣體的最后分離，能夠使用水滴收集器或類似物。但是，所述原理要求很高的冷卻性能，因為存在液態的產物水，并且必須排出在相變時釋放的能量。用于冷卻所述氣體的冷能夠部分在隨后的再生的換熱器中回收。在這種情況下，可達到的露點基本上通過冰點限定，因為在目前常用的結構方式中，在換熱器內出現的結冰能夠導致氣體管道的阻塞。
發明內容
相應地，可視為本發明的目的是，提出一種用于冷卻燃料電池系統的廢氣的系統，所述系統減少或完全消除前面列舉的缺點。特別地，可視為本發明的目的是，提出一種用于干燥燃料電池系統的廢氣的系統，所述系統能夠以盡可能低的能量實現廢氣的盡可能有效的干燥，而在最小化附加的重量的同時不明顯提高燃料電池系統的復雜度或增加燃料電池系統的外圍設備。
所述目的能夠通過根據獨立權利要求I所述的具有用于干燥燃料電池系統的廢氣的設備的燃料電池系統來實現。在從屬權利要求中可獲得有利的改進方案。根據本發明的第一方面，用于干燥廢氣的設備具有帶有至少一個第一面的至少一個冷卻體以及至少一個去除裝置。冷卻體設計成用于與熱沉熱連接，并且與掃過第一面的氣體實現接觸。這具體意味著，任意成型的冷卻體能夠以任意形式與熱沉連接來進行冷卻。在此，與熱沉的連接能夠以完全不同的形式實現。因此例如能夠設有冷卻循環，所述冷卻循環引導作為熱沉的冷卻介質通過冷卻體，從而使得熱量由冷卻體傳遞給冷卻介質。同時，冷卻體也能夠設計成用于與作為熱沉的帕爾貼(Peltier)元件或類似物進行機械連接，從而能夠通過與帕爾貼元件的冷側接觸來實現從冷卻體到帕爾貼元件的熱輸出，并且因此能夠實現冷卻。此外，也可能的是，來自任意的源的作為熱沉的冷流體以任意形式與冷卻體進行連接，從而通過流體的低溫實現冷卻體的冷卻。在這種情況下，例如能夠考慮在巡航階段中來自飛機的周圍環境的特別冷的外界空氣，所述外界空氣能夠直接使用或通過呈蒙皮散熱器形式的換熱器來使用。同樣地，作為熱沉考慮使用來自低溫罐的液態氫，所述液態氫用作燃料電池的燃料。為了驅動燃料電池總歸需要的是，將氫從其液態形式轉化成氣態形式，從而使得熱輸入能夠是有利的。這樣的冷卻體的優點在于，掃過冷卻體的第一面的氣體的水的部分或水蒸氣的部分被凍結，并且積聚在第一面上。在冷卻體低于冰點的足夠冷的溫度并且第一面用待干燥的氣體充分加載的情況下，氣體的充分干燥是可能的。已提及的去除裝置可相對于冷卻體的第一面移動地支承，并且設計成用于再次去除凍結在第一面上的水。從而使得冰不會過度積聚。本發明的這個方面不局限于特定類型的去除裝置，而是在此也考慮每種可設想的去除裝置。這能夠實現機械的去除元件，所述去除元件借助刮元件、刮棱邊或類似物與第一面接合，并且將冰從第一面機械地去除。在現有技術中已知的設備的特有的缺點能夠通過包括在根據本發明的燃料電池系統中的用于干燥的設備來克服。應用機械去除裝置的特別的優點在于，不發生飽和效應。此外，不將允許去除冰或允許干燥氣體的特殊物質輸送給設備。此外，基于緊湊的結構形式。
在一個有利的改進方案中，去除裝置具有棱邊，所述棱邊設計成用于將冰從冷卻體的第一面刮掉。因此，所述棱邊優選可構成為，使得所述棱邊的形狀與第一面的形狀相符。如果第一面例如是平坦的、直的平面，那么能夠使用平坦的和筆直的棱邊將冰從第一面刮掉。因此，在第一面上積累的冰量總是有限的。因此，用于使氣體的水蒸氣結冰的持續的充分散熱是可能的。根據一個同樣有利的改進方案，冷卻體是空心體，其中，第一面是冷卻體的內面。因此，特別是簡化了氣體的輸入和通過，因為冷卻體實際上能夠通過其空心形狀形成空氣管道。通過冷卻體與熱沉的熱連接，冰在冷卻體的內面上積聚，并且能夠持續地、逐漸地或者交替地被刮掉。同樣有利的是，冷卻體具體實現為至少局部為空心圓柱形的體，因為，所述變形方案能夠特別容易地制成，并且因此能夠將用于制造設備的費用降低到低水平。在使用空心體時，特別是在至少局部為空心圓柱形的構造時，在一個有利的改進 方案中提出，使用螺旋形去除裝置，其外螺旋棱邊與冷卻體的內面接觸。螺旋形去除裝置優選可轉動地支承在軸線上，所述軸線相應于冷卻體的延伸軸線。通過所述同中心的、對稱的構造允許在整個內面上進行均勻的刮除。通過持續地轉動例如能夠具有螺旋形刮棱邊的所述螺旋形去除裝置，在冷卻體的內面上持續地刮掉冰，從而在冰積聚在冷卻體的內面上之后，根據去除裝置的螺旋線的螺距和數量將冰直接去除。特別有利的是，冷卻體由另一冷卻體包圍，所述另一冷卻體在其內側上形成與冷卻體的間隙。用于引起冷卻體冷卻的冷卻介質能夠通過這樣的間隙進入。流入的冷卻介質或類似物質的溫度應具有比(TC低很多的溫度。在這種情況下，本發明不局限于確定類型的冷卻介質，而是可使用一系列不同的冷卻介質。既可考慮液態的冷卻介質，也可考慮氣態的冷卻介質，其中，在使用在飛機中的情況下，來自沖壓空氣入口的外界空氣等作為冷卻介質至少也可適用在巡航中。根據一個同樣有利的改進方案，空心型冷卻體在至少一端上構造有擴寬的形狀，從而使待干燥的氣體的導入和/或已去除的冰的導出變得容易。擴寬的形狀例如能夠構成為漏斗形或喇叭形，并且能夠用作用于冰或融水的儲存器。在冷卻體的擴寬的區域中能夠設置有開口，已去除的冰或由在結冰階段中由于外部的熱作用獲得的融水能夠通過所述開口排出。在此，熱作用通過流入的氣體實現。在此優選的是，冷卻體定位為，使得能夠避免流出的氣體與排出的水混合，所述設備例如能夠通過水平支承來防止所述情況，因為積聚的冰或積聚的融水能夠垂直于氣體的流動方向掉落或滴落。在使用螺旋形去除裝置時，能夠使用驅動裝置，所述驅動裝置盡可能設置在冷卻體和去除裝置的延伸軸線外，從而使得冷卻體的第一面的入流不被干擾。作為適宜的驅動器例如能夠選擇具有可選的適宜的傳動機構的電動馬達，但是其中，本發明不局限于使用電動馬達。更確切地說，正是在飛機環境中可考慮氣動的或液壓的驅動裝置。在使用平坦的第一面時，能夠考慮去除裝置的線性引導，所述線性引導需要在驅動裝置上的相應的線性引導傳動設備。同時推薦的是，將相應的傳動設備設置在馬達上，以便降低轉速和提高螺旋形去除裝置的扭矩。此外，所述目的也通過一種用于干燥氣體的方法來實現，所述方法基本上具有下述步驟。首先，待干燥的氣流指向冷卻體的第一面，通過與熱沉的熱連接來冷卻所述冷卻體，以便在此使處于氣體中的水蒸氣或水的部分結冰，從而使得所述水蒸氣或水的部分積聚在第一面上。同時、隨后或交替地，去除裝置在第一面上運動，從而去除積聚在第一面上的冰。去除的冰可選地收集在儲存器中，并且此外可選地由于外部的熱作用再次被融化。在那里積聚的冰能夠從儲存器中掉落或排出，可選地同樣可導出由于熱作用而融化的冰。
從附圖和實施例的下述說明中獲得本發明的其它特征、優點和應用可能性。在此，所有已說明的和/或圖示出的特征本身和以任意的組合還與其在各個權利要求或者其引用中的組成或其相互關系無關地形成本發明的主題。此外，在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的對象。圖I示出用于干燥廢氣的設備的第一實施例的示意圖；
圖2示出用于干燥廢氣的設備的第二實施例的示意圖；圖3a和3b示出用于干燥廢氣的設備的兩種冷卻可能性的示意圖；圖4示出根據本發明的方法的示意圖；圖5示出具有至少一個燃料電池和至少一個用于干燥燃料電池的廢氣的設備的飛機。
具體實施例方式在圖I中極其示意地示出用于干燥燃料電池系統的廢氣的設備的基本原理。在此，由于簡單性僅部分示出的具有任意形狀的冷卻體2通過與不可見的熱沉的連接來冷卻。冷卻體2的溫度小于0°C，從而能夠實現在待干燥的氣體4中的水蒸氣的凍結或升華。冷卻體2具有第一面6，待干燥的氣體4沿著所述第一面掃過。所述氣體4包含要排出的一定份額的水或水蒸氣。由于氣體4沿著冷卻體2的第一面6掃過，水被凍結或升華，并且在第一面6上積聚為冰層。冰的積聚不能夠無限地進行，因此使用去除裝置8，所述去除裝置相對于冷卻體2可移動地支承。去除裝置8示例地具有刮棱邊10，所述刮棱邊與第一面6接觸。通過將刮棱邊10沿著第一面6掃過，將冰刮除。通過去除裝置8沿著第一面6的持續掃過，所述第一面能夠總是保持無冰，從而總是能夠在氣體4的水分上產生理想的冷卻效果，從而能夠對氣體4實現持續的理想的除濕。在圖2中示出設備11的一個具體的實施例。在此，冷卻體12構成為由待干燥的氣體4通流的圓柱體。在此，構成為冷卻體的內面的第一面14在足夠冷卻的情況下被冰覆蓋，并且所述氣體4在通流冷卻體12時被干燥。為了去除在第一面14上的冰層而使用去除裝置16，所述去除裝置在軸線18處可轉動地支承，其中，所述軸線18相應于冷卻體12的延伸軸線，并且相應地與冷卻體同中心地設置。去除裝置16的驅動器通過示意地示出的驅動裝置31實現，所述驅動裝置在軸33上與去除裝置16連接，其中，所述軸33在比冷卻體12更高的高度上延伸,從而允許待干燥的氣體4的流入。在此，去除裝置16具有螺旋形延伸的或盤旋延伸的棱邊20，所述棱邊在去除裝置16轉動時沿著冷卻體12的第一面14持續地刮。由此實現將冰從第一面14持續地去除。優選的是，去除裝置16裝備有這樣粗的螺旋轉動件，使得氣體4能夠容易地通流過所述設備，但是同時總是能夠確保冰的去除。在已示出的實施例中，空心圓柱形成型的冷卻體12由另一圓柱形成型的、限定了與冷卻體12的間隙24的體22包圍。冷卻劑能夠流動穿過所述間隙，所述冷卻劑通過沿著冷卻體12的第二面26掃過而引起冷卻，由于所述冷卻，氣體4的水分在第一面14上凍結。冷卻體12的下部區域28具有向外伸展的造型，所述造型例如作為儲存器為積聚的和從第一面14去除的冰提供足夠的空間。可選地，能夠設有相應的開口 30，冰或由于外部的熱作用而融化的、呈融水形式的冰通過所述開口被排出。冷卻體12的向外成型的區域28能夠裝備有蓋32，所述蓋在軸線18的延長部上具有缺口 34，所述缺口允許氣體4不受阻礙地流出。在圖3a中不意地不出設備11，所述設備與以液態的氫氣填充的低溫的氫氣罐35連接。液態的氫氣進入間隙24中，冷卻所述冷卻體12，并且被再次導入所述罐35中或者被 輸送用于在燃料電池或類似物中使用。在圖3b中示意地示出換熱器37，所述換熱器借助外界空氣39來冷卻。單獨的冷卻循環41連接換熱器37和所述設備，從而能夠避免外界空氣的直接導入。在換熱器37中使用后，外界空氣39能夠再次被導出。替代于此，在設備中的間隙24也直接由外界空氣通流。此外，圖4示出根據本發明的方法的主要步驟。首先，將冷卻體的第一面用待干燥的氣流加載36，通過與熱沉的熱連接將冷卻體冷卻38，以便在此使處于氣體中的水蒸氣或水的部分結冰，從而使得所述冰積聚在第一面上。同時、隨后或交替地，使去除裝置在第一面上運動40，從而去除積聚在所述第一面上的冰。去除的冰可選地被收集在儲存器中，并且此外可選地通過外部的熱作用再次融化42。積聚在那里的冰能夠從儲存器中掉落或排出44，可選地由于熱作用而融化的冰同樣可以被導出。最后，在圖5中示出飛機46，所述飛機裝備有至少一個燃料電池系統48，所述燃料電池系統將包含水蒸氣的廢氣通過設備50在已干燥的狀態下導入所述燃料箱中，以用于惰化燃料箱52。此外要指出的是，“具有”不排除其它元件或步驟，并且“一個”不排除多個。此外要指出的是，參考上述實施例之一說明的特征或步驟也能夠與其它上述實施例的其它特征或步驟相結合地應用。在權利要求中的附圖標記不視為限制。附圖標記列表2 冷卻體4 氣體6 第一面8 去除裝置10 刮棱邊11 設備12 冷卻體14 第一面16 去除裝置18 軸線
20棱邊22體24間隙26第二面28向外成型的區域30開口31驅動裝置
32蓋33軸34缺口35 低溫的氫氣罐36 用氣流加載37 換熱器38 將冷卻體冷卻39 外界空氣40 第一面41 單獨的冷卻循環42 融化44 排出46 飛機48 燃料電池系統50 設備52 燃料箱
權利要求
1.燃料電池系統，具有用于干燥所述燃料電池系統的廢氣的設備(11、50)，所述設備具有 -帶有至少ー個第一面(6、14)的至少ー個冷卻體(2、12);和 -至少ー個去除裝置(8、16)， 其中，所述冷卻體(2、12)設計成用于與熱沉熱連接，并且與待干燥的掃過的氣體形成接觸， 其中，所述去除裝置(8、16)相對于所述第一面(6、14)能移動地支承，并且所述去除裝置設計成用于去除在所述第一面(6、14)上凍結的水。
2.如權利要求I所述的燃料電池系統，其中，所述去除裝置(8、16)具有用于刮掉所述第一面(6、14)的冰的棱邊(10、20)。
3.如權利要求I或2所述的燃料電池系統，還具有與所述去除裝置(8、16)耦聯的驅動裝置(31)。
4.如上述權利要求之一所述的燃料電池系統，其中，所述冷卻體(2、12)是空心體，其中，所述第一面(6、14)是所述冷卻體(2、12)的內面。
5.如權利要求I至3之一所述的燃料電池系統，其中，所述冷卻體(2、12)至少部分地構成為空心圓柱體,其中,所述第一面(6、14)是所述冷卻體(2、12)的內部的側面。
6.如權利要求4或5所述的燃料電池系統，其中，所述去除裝置(8、16)具有螺旋形狀，并且所述去除裝置在其外部的螺旋棱邊(20)中的ー個上與所述冷卻體(14)的內面接觸，并且在相對于所述冷卻體(14)固定的軸線(18)處能轉動地支承。
7.如權利要求4至6之一所述的燃料電池系統，還具有包圍所述冷卻體(2、14)的空心體，以便形成用于流體通流的間隙(24)。
8.如權利要求4至7之一所述的燃料電池系統，其中，所述冷卻體(12)在至少一端上具有擴寬的區域(28)。
9.如權利要求I至8之一所述的燃料電池系統，其中，使用來自低溫的氫氣罐(35)的氫氣作為熱沉。
10.用于干燥燃料電池系統的廢氣的方法，具有步驟 -將冷卻體(2、12)的第一面(6、14)用所述燃料電池系統的廢氣加載(36)； -冷卻(38)所述冷卻體(2、12)； -使去除裝置(8、16 )在所述第一面(6、14 )上運動。
11.如權利要求10所述的方法，還具有步驟 -排出(44)已去除的冰。
12.如權利要求10或11所述的方法，還具有步驟 -將所述冰融化(42)，并且導出融水。
13.飛機(46)，具有至少ー個燃料電池系統(48)，所述燃料電池系統與至少ー個燃料箱(52)連接，使得所述燃料電池系統(48)的廢氣惰化所述燃料箱(52);以及至少ー個用于干燥所述燃料電池系統(48)的所述廢氣的設備(11、50)，所述設備具有 -帶有至少ー個第一面(40)的至少ー個冷卻體(2、12);和 -至少ー個去除裝置(8、16)， 其中，所述冷卻體(2、12)設計成用于與熱沉熱連接，并且與所述燃料電池系統的掃過的待干燥的廢氣形成接觸， -其中，所述去除裝置(8、16)相對于所述第一面(6、14)能移動地支承，并且所述去除裝置設計成用于去除在所述第一面(6、14)上凍結的水。
14.如權利要求13所述的飛機(46)，還具有低溫的氫氣罐(35)，其中，提供呈低溫氫氣形式的所述熱沉。
全文摘要
一種燃料電池系統，具有用于干燥氣體的設備，所述設備具有帶有至少一個第一面的至少一個冷卻體和至少一個去除裝置。所述冷卻體設計成用于與熱沉熱連接，并且與掃過的氣體形成接觸。所述去除裝置相對于所述第一面可移動地支承，并且設計成用于去除在所述第一面上凍結的水。由此實現氣體的干燥，其中，在較長的時間段能夠在恒定的干燥效果的同時實現持續的干燥。
文檔編號B01D53/26GK102687326SQ201080057677
公開日2012年9月19日 申請日期2010年10月25日 優先權日2009年10月29日
發明者塞巴斯蒂安·默克, 拉爾夫-亨寧·施托爾特, 約翰內斯·勞克納 申請人:空中客車德國運營有限責任公司