專利名稱：用于供應飲用水和氧氣的燃料電池系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于g空器或重航空器供應飲用水和氧氣的燃料電池系統、 包括用于供應飲用水和氧氣的燃料電池系統的航空器、以;M目應的用于供 應飲用水和氧氣的燃料電池系統在航空器中的應用。
背景技術：
在常規民用航空器中，供應給乘客的飲用水存儲在航空器上的存儲 罐中并且在飛行過程中從這些存儲罐分配給乘客。這意味著，所需的全 部體積的水必須在起飛之前裝入所述罐中并通過發動機的能量提升到飛行高度。另外，在飛行高度乘客需要用于呼吸的足量空氣，所述空氣通過航 空器的空調系統供給。空調系統從發動機的壓縮機段吸取壓縮空氣，因 此需要用來自發動機的能量獲取壓縮空氣。為了使乘客能夠在機艙中自由移動，航空器設置有所謂的加壓機 艙，加壓機搶使空氣壓力維持在人體器官能夠忍受的水平。通常，這種 加壓機搶在大約750hPa的壓力水平下運行。該壓力水平大致對應于海 拔2450米處的空氣壓力。在海拔10000米處平均的外部壓力大約為 260hPa,這意味著外部壓力與機艙內維持的壓力之間存在大約490hPa 的壓差。機搶必須在結構上適應或吸收該壓差。對于現代民用航空器來說，所追求的平均飛行高度是大約12000米。 在該高度，平均的外部空氣壓力是大約190hPa。由此，在常規設計方案中，機艙壓力與外部空氣壓力之間將會產生大約560hPa的壓差。該 壓差需要附加措施以加強機艙結構，這又意味著附加的重量以及由此而 增加的整體燃料消耗。發明內容本發明的目的是提供一種用于向飛行器供應飲用水和氧氣的高效 系統。該需要可通過根據獨立權利要求的特征的用于給飛行器或重航空器 供應飲用水和氧氣的燃料電池系統、包括用于供應飲用水和氧氣的燃料電 池系統的飛行器以及相應的供應飲用水和氧氣的燃料電池系統在飛行器 中的應用來滿足。根據本發明的實施方式，上述需要可通過一種用于給航空器供應飲 用水和氧氣的燃料電池系統來滿足，所述燃料電池系統包括燃料電池和電 解槽。電解槽進一步包括空氣陰極并聯接到燃料電池。燃料電池和電解槽 設計為使得燃料電池輸出的能量保障電解槽的能量需求。本發明的示例性實施方式的基本理念是燃料電池和包括空氣陰極 的電解槽一一即形成具有空氣陰極的電解槽一一連接在一起而形成燃 料電池系統，從而燃料電池可用作電解槽的能量供應源。優選地，燃料 電池與電解槽的關系設計為使得燃料電池保障電解槽的全部能量需求。根據本發明示例性實施方式的燃料電池系統可以形成一種將航空器 機搶的不同供給需求集成起來的系統。 一方面，這種高集成度系統可用于 產生純氧。氧氣通過電解槽產生，并且該氧氣可用于增加諸如航空器的 飛行器中的乘客和機組人員的呼吸空氣中的氧氣分壓，即改變氧氣和氮 氣中氧氣所占的百分比。以此方式，可以減小機艙壓力，機艙壓力的減 小又可以抵消在飛行高度增加的情況下描述的傾向，因為在機搶上作用 了較小的機械應力，因此可以減小結構部件的重量。例如，通過增加機 艙空氣壓力的氧氣分壓，可以獲得大約600hPa的值，這意味著在大約 4卯hPa的上述常規壓差下可以實現大約15500米的飛行高度，而不用 進行額外的結構加強以及增加相關的重量。而且，在保持目前的常規飛 行高度的情況下，可以相應地制作更輕的機艙結構。兩種情況都有助于 大幅度地節省燃料。可替代地，在將機搶壓力保持為常規的750hPa的同時還可以增加乘客的舒適度，因為氧氣分壓增加的同時二氧化碳分壓減小(C02分壓 減小)。醫學上認為呼吸空氣中的C02值增加是頭痛、身體不適以及乘 客中發生攻擊行為的可能性略微增加的可能原因之一。為了節省重量，也可以不將飲用水存儲在存儲罐中并帶到飛行高 度，而是在燃料電池中通過氫氣和氧氣來合成，并且所制成的水可供乘 客享用，即僅需存儲氫氣。因此，本發明的一個優點是燃料電池系統可 以生產淡水，用于供給當今的飛行器-尤其是航空器上的用水單元。這些 用水單元是例如洗漱區域、廁所以及機載廚房。然而，才艮據本發明的燃料 電池系統也可以為諸如淋浴器、空氣加濕系統以及自動飲料售貨機等未來 可能的用水單元提供淡水。該燃料電池系統可以特別是減小航空器起飛以 及爬升過程中的水負載。這可以大大節省重量，因此可以減小特別是除其它飛行階段之外的 爬升階段的能量需求，因此可以大幅度地減小燃料需求。還可以持續提 供既定質量的水。能夠從其它獨立權利要求和從屬權利要求中得出本發明的其它目 的、實施方式以及優點。下文將更詳細地描述燃料電池系統的實施例。在示例性實施方式中，燃料電池包括陽極側和陰極側，并且電解槽 包括陽極側和陰極側。而且，電解槽的陰極側聯接到燃料電池的陰極側。在如此聯接的情況下，濕氣可以作為離析氣體直接從電解槽的陰極 側傳輸到燃料電池的陰極側或者混合入陰極反應所需的空氣流。來自電 解槽的陰極廢氣可以被冷凝，并且陰極反應形成的水可以傳輸到燃料電 池的陰極空氣流。在電解槽的陰極側，在這種情況下，優選地根據下列反應方程發生 反應1/202(空氣)+ 2/T(膜)+ 2e-- > //20(液體) 同時在電解槽的陽極側，優選地根據下列反應方程發生反應//20(液體)—> 1 / 2C>2 (超純)+ 2/T (膜)+ 。在燃料電池系統的可替代示例性實施方式中，燃料電池包括陽極側和 陰極側，并且電解槽包括陽極側和陰極側。而且，電解槽的陰極側聯接 到燃料電池的陽極側。通過電解槽與燃料電池的這種連接，可以減小電解槽的外部氫氣需 求，因為穿過電解槽的膜到達陰極側的氫氣可以傳輸到燃料電池的陽極 側。在另一示例性實施方式中，燃料電池設置為使得氫氣或重整氣能夠 傳輸到陽極側。利用這種設置，包括氫氣和二氧化碳的氫氣或重整氣可以作為燃燒 氣體傳輸到陽極側。在燃料電池系統的另一示例性實施方式中，電解槽設置為使得來自飛 行器機艙的空氣能夠傳輸到陰極側。利用這種設置，來自電解過程并穿過電解槽的膜到達陰極側的氫與 機艙空氣中的氧結合并因此加濕機艙空氣，該機艙空氣可以作為離析氣 體傳輸到燃料電池。在另一示例性實施方式中，燃料電池系統還包括熱交換器。該熱交換 器設置為使得其冷卻從燃料電池的陰極側輸出的空氣。這使得可以冷卻燃料電池的陰極側廢氣，因此可以冷凝燃料電池中 產生的水。該水可以存儲在水罐中并且隨后可以用作供應給航空器中的 用水單元的淡水。在另一示例性實施方式中，燃料電池系統還包括附加的熱交換器，其 中，該附加的熱交換器設置為使得其冷卻從電解槽的陽極側輸出的空氣。因而，可以對電解槽的陽極側輸出的空氣進行第一次氧氣/水分離，即對該輸出或排出空氣進行第一次干燥。在該過程中收集的水可以回傳 到電解槽的陽極側。在另一示例性實施方式中，燃料電池系統還包括冷卻回路，該冷卻回 路聯接到燃料電池以冷卻燃料電池。這種冷卻回路可以以例如外界或環境空氣作為冷卻介質在航空器中操 作和應用，以便對燃料電池進行任何可能需要的冷卻。在燃料電池系統的另一示例性實施方式中，燃料電池是低溫燃料電池，優選的是質子交換膜燃料電池(PEMFC)。根據本發明，燃料電池 還能夠替代性地設計成任何其它公知類型的燃料電池。這種低溫燃料電 池可以設計為使得其能夠在例如601C到8on之間的溫度范圍內運行。在燃料電池系統的另 一示例性實施方式中，燃料電池是高溫PEM燃 料電池的燃料電池。根據本發明，作為替代性方式，該燃料電池還能夠 設計成任何其它公知類型的燃料電池。這種高溫PEM燃料電池可以設 計為使得其能夠在例如1201C到300X:之間的溫度范圍內運行。在燃料電池系統的另一示例性實施方式中，電解槽設計成具有催化 劑的聚合體膜電解槽。作為替代性方式，該電解槽能夠設計成適應于下游燃料電池的溫度水平的另 一類型的電解槽。在另一示例性實施方式中，燃料電池系統還包括多個燃料電池和多個 電解槽。由于設置有多個燃料電池和多個電解槽，因此可以提供任何期 望性能的能量或氧氣。在燃料電池系統的另一示例性實施方式中，燃料電池和電解槽連接 而形成堆疊組件，并且電解槽由直接來自燃料電池的能量供能。在這種情況下，電解槽和燃料電池可以變成單個堆疊組件，即電解 槽和燃料電池結合成一+機械相連的獨立部件，這能夠節省線纜材料。在燃料電池系統的另 一示例性實施方式中，燃料電池與電解槽之間 的能量比選擇為使得燃料電池的能量輸出精確地對應于電解槽的能量 需求。換句話說，燃料電池輸出的能量選擇為使得燃料電池僅能供給電 解槽，而不會產生任何多余的能量，即，燃料電池的電力輸出與電解槽 的電能需求精確匹配并且產生純氧和水產物。在這種情況下優選地僅通 過引入的介質，即水、氫氣以及機槍空氣束實現系統控制，因此可以省卻用于調節從燃料電池輸出給機載電網的能量的電力調整器和變壓器。 如果這種燃料電池系統被整合或集成而形成單個堆疊組件，則以這種方式省卻了所有外部連接，可以節省線纜材料。根據燃料電池系統的另一示例性實施方式，燃料電池與電解槽之間 的能量輸出比選擇為使得燃料電池的能量輸出精確地對應于電解槽以 及燃料電池系統的所有必需的輔助設備的能量需求。換句話說，與電解 槽的能耗相比燃料電池產生了多余能量，該多余能量的大小足以使燃料 電池系統的諸如泵或壓縮機的所有外部能耗單元運行，即燃料電池系統能 夠保障自身的能量需求。其還可以為其重整裝置供應水以便產生用于燃料 電池的燃燒氣體。這種設計還使得可以省卻用于調節從燃料電池輸出給 機載電網的能量的電力調整器和變壓器。根據燃料電池系統的另一示例性實施方式，燃料電池與電解槽之間 的能量比選擇為使得燃料電池的能量輸出高于電解槽以及燃料電池系統 的所有必需的輔助設備的能量需求。優選地，燃料電池系統包括功率逆變 器和電壓轉換器或變壓器，從而逆變器和變壓器設計為使得來自燃料電池 的能量能夠饋送到飛行器的機載電網內。這使得能量可以傳輸到飛行器的機載電網。關于這一點，限制參數 可以是燃料電池的濕度需求，該濕度需求可以由電解槽來滿足。從下列事實能夠看到本發明的第一個示例性方面本發明提供一種用于為航空 器的機載需求產生氧氣和淡水的裝置，該裝置由電解槽和燃料電池組成 或包括電解槽和燃料電池，并且電解槽與燃料電池的能量比選擇為使得 電解槽的電能需求由燃料電池提供的電能保障，另外，所有必需的輔助 設備的能量需求都被完全保障，并且不向航空器的機載電網饋入任何電 能。在這種情況下，電解槽通過在陽極處將水電解分離成氫氣和氧氣來 產生氧氣并通過將氫氣與從航空器機艙引入陰極側的空氣中包含的氧 氣重新結合而產生水來加濕下游的燃料電池。優選地，燃料電池是 PEMFC型低溫燃料電池并且/或者電解槽是基于具有催化劑的聚合體 膜的電解槽。電解槽還包括空氣陰極，即電解槽設計成具有空氣陰極的 電解槽。在第一方面的示例性實施方式中，電解槽與燃料電池能夠結合而形成 堆疊組件，其中電解槽由來自燃料電池的能量直接供能，并且來自電解槽 的離析氣體"濕氣"直接供給燃料電池的陰極側，并且傳輸到燃料電池的 陽極側的燃燒氣體包括氳氣或由氫氣和二氧化碳形成的重整氣。從下列事實能夠看到本發明的第二個示例性方面本發明提供一種 用于為航空器的機載需求產生氧氣和淡水的裝置，其中，該裝置由電解槽和燃料電池組成或包括電解槽和燃料電池，并且電解槽與燃料電池的 能量比選擇為使得電解槽的電能需求由燃料電池的電能保障，另外，多 余能量饋送到航空器的機載電網內。在這種情況下，電解槽通過在陽極 處將水電解分離成氫氣和氧氣來產生氧氣并通過將氫氣與從航空器機 艙引入到陰極側的空氣中包含的氧氣重新結合而形成水來加濕下游的燃料電池。優選地，燃料電池是PEMFC型低溫燃料電池并且/或者電 解槽是基于具有催化劑的聚合體膜的電解槽。電解槽還包括空氣陰極， 即電解槽設計成具有空氣陰極的電解槽。在該第二方面的示例性實施方式中，電解槽與燃料電池能夠結合在 一個堆疊組件中，其中電解槽由直接來自燃料電池的能量供能，并且來 自電解槽的離析氣體"濕氣"直接供給燃料電池的陰極側，并且傳輸到燃料電池的陽極側的燃燒氣體包括氫氣或由氬氣和二氧化碳形成的重 整氣。在該第二方面的另一示例性實施方式中，可設置用于將能量饋送到 機載電網內的逆變器和變壓器，所述逆變器和變壓器連接在燃料電池和 饋入點之間并用于調節從燃料電池輸入機載電網的電能的電壓、電流和 頻率。從下列事實能夠看到本發明的又一個示例性方面本發明提供一種 由具有不同效應模式的兩個部分組成的燃料電池系統。在這種情況下， 第一部分是以空氣和氫氣運行的燃料電池，優選的是諸如質子交換膜燃料 電池(PEM燃料電池)的低溫燃料電池，而第二部分是電解槽，優選 的是諸如質子交換膜電解槽的低溫電解槽。從原理上來說燃料電池和電 解槽是相似的。主要差別僅在于催化劑的類型。在這種情況下電解槽與 燃料電池之間的尺寸比或者換句話說其能量輸出比取決于預期應用的 類型，即燃料電池是僅用于給電解槽供應電能還是也給燃料電池系統的 附加輔助設M應電能，或者是否燃料電池還額外用于給機載電網饋送 電能。電解槽還包括空氣陰極，即電解槽設計成具有空氣陰極的電解槽。從下列事實能夠看到本發明的又一個示例性方面本發明提供一種 用于為航空器的機載需求產生氧氣和淡水的裝置，其中，該裝置由電解 槽和燃料電池組成或包括電解槽和燃料電池，并且電解槽與燃料電池的 能量比選擇為使得電解槽以及額外的所有必需的輔助設備的電能需求 完全由燃料電池保障，并且不向航空器的機載電網內饋入任何能量。在這一點上，電解槽可用于通過在陽極處將水電解分離成氫氣和氧氣來產 生氧氣，其中所產生的氫氣傳輸到下游燃料電池的陽極側。優選地，該燃料電池是在大約60x:到80c之間的溫度范圍內運行的pemfc型低溫燃料電池，或者是在大約120x:到300n之間的溫度范圍內運行的 pemfc型高溫燃料電池。此外，電解槽能夠是基于具有催化劑的聚合 體膜的電解槽。在該方面的示例性實施方式中，電解槽和燃料電池能夠結合而形成 堆疊組件，其中電解槽由直接來自燃料電池的能量供能，并且在陽極側 傳輸到燃料電池的燃燒氣體包括氫氣或由氫氣與二氧化碳形成的重整 氣。從下列事實能夠看到本發明附加的示例性方面本發明提供一種用 于為航空器的機載需求產生氧氣和淡水的裝置，其中該裝置由電解槽和 燃料電池組成或包括電解槽和燃料電池，并且電解槽與燃料電池的能量 比選擇為使得電解槽的電能需求由燃料電池提供的電能保障，另外，富 余能量饋送到航空器的機載電網內。還可以分成兩種不同的系統 一種 系統通過將所產生的氫氣與來自機艙的空氣中的氧氣重新結合而對燃 料電池進行空氣加濕，另 一種系統通過濕熱交換器對燃料電池進行空氣 加濕，但是對于該系統來說所產生的氫氣傳輸到燃料電池的陽極。這些 情況能夠單獨考慮。作為替代形式，燃料電池可以是除pemfc之外的 另一類型的燃料電池，其中，該其它類型的燃料電池能夠以燃料氫氣或 重整氣在陽極側運行。此外，電解槽能夠是基于具有催化劑的聚合體膜 的電解槽，或者是適應于下游燃料電池的溫度水平的另一類型的電解 槽。在該附加方面的示例性實施方式中，電解槽和燃料電池能夠結合而 形成堆疊組件，其中電解槽由直接來自燃料電池的能量供能，并且在陽 極側傳輸到燃料電池的燃燒氣體包括氫氣或由氫氣與二氧化碳形成的 重整氣。此外，優選地設置有逆變器或變壓器，用于將能量饋送到機載 電網內，這些逆變器或變壓器連接在燃料電池和饋入點之間并用于調節 從燃料電池輸入機載電網的電能的電壓、電流以及頻率。應當清楚，已參照上述示例性實施方式之一或上述示例性方面之一 描述的特征或步驟也能夠與上述其它示例性實施方式或示例性方面的 其它特征或步驟結合使用。
下文將基于實施例并參照附圖更詳細地描述本發明。圖1示出根據本發明的一種示例性實施方式的燃料電池系統的示意圖。圖2示出根據本發明的另 一種示例性實施方式的燃料電池系統的概略圖。
具體實施方式
在下面對附圖的描述中，相同或相似的參考標號用于相同或相似的 元件。圖1示出根據本發明的一種示例性實施方式的用于給航空器供應飲 用水和氧氣的燃料電池系統的概略圖。如從圖1中能夠觀察到的，燃料系 統100包括具有陽極側102和陰極側103的燃料電池101。燃料電池101 設計成質子交換膜燃料電池(PEMFC )。膜104示意性地示出在陽極側102 和陰極側103之間。燃料電池101的陽極側102示出具有閥106的饋送管 線105和具有閥108的排放管線107。燃料電池101的陰極側103包括饋 送管線109和具有閥111的排放管線110。優選地，饋送管線109另外還 聯接到圖1中未示出的附加空氣輸送管線。排放管線110聯接到燃料電池 系統100的第一熱交換器112。第一熱交換器112還聯接到冷凝物排放裝 置113，冷凝物排放裝置113 —方面連接到用于存儲在第一熱交換器112 中冷凝的水的存儲罐U4。存儲罐114設置有排放管線115，當存儲罐U4 中的水過多時排放管線115通過閥116用作流出口。另外，冷凝物排放裝 置113經由過濾器117連接到出口 118,外逸的空氣能夠經由出口 118離 開航空器-即航空器的加壓枳i搶。此外，燃料電池系統100還包括具有陽極側120和陰極側121的電解 槽119。電解槽119的陰極側121設計成所謂的空氣陰極并包括饋送管線 122，饋送管線122經由閥123和過濾器124聯接到入口 125，空氣能夠通 it^口 125從加壓機艙引入電解槽119的陰極側121。電解槽119的陰極 側121的排放管線126聯接到燃料電池101的陰極側103的饋送管線109。 電解槽119的陽極側120的排放管線127聯接到第二熱交換器128，第二 熱交換器128包括經由第三熱交換器130和泵131聯接到出口的氣體排放管線129，氧氣能夠通過所述出口引入加壓機艙。第二熱交換器128用于 將電解槽119的陽極側120的水/氧氣混合物分離成氧^l/水。第二熱交換器 128的^#放管線132經由循環泵133和閥134聯接到電解槽119 P日極側 120的入口。此外，第二熱交換器128包括水入口 135，水入口 135經由閥 136、泵137以及另 一閥138聯接到存儲罐114的出口 。存儲罐114的出口 另外還經由閥139和泵140聯接到航空器的飲用水系統。此外，燃料電池系統100還包括連接到航空器外部的空氣的冷卻回路 141。冷卻回路141用于冷卻第一熱交換器112、第二熱交換器128、第三 熱交換器130以及燃料電池101。下文將更詳細地描述圖1中示出的燃料電池系統的功能。水從用作水存儲容器的存儲罐114傳輸到電解槽119并且/或者通過泵 133經由第二熱交換器128從水回路傳輸到電解槽119。通過給電解槽119 施加電壓，員分解為2H和O，即氫和氧。以此方式獲得的氧原子形成 氧分子02并經由第二熱交換器128運送以及經由航空器的空調系統的通 風裝置傳輸，然后所述氧氣為積i搶和乘^l供氧氣比例增高的呼吸空氣。電解槽119在陰極側被供給來自機艙的排放空氣。由于整個系統中在 機搶與外部空氣之間存在壓差，所以機搶空氣得以傳送。在電解槽119的 陰極121處，來自電解過程的已經穿過電解槽119的膜從陽極120到達陰 極121的氫與機艙空氣中包含的氧結合而形成水，所述水導致流過電解槽 的機搶空氣被加濕。來自電解槽119的主要包含N2、 02和1120的濕空氣 現在被傳輸到燃料電池IOI的陰極103。另外，如果附加進氣管線聯接到 管線109，附加的空氣便能夠傳輸到燃料電池101的陰極側。在陽極102 處施加氫氣，同時施加例如由電解槽提供的電力負載-即電能消耗單元， 形成了附加的水。隨后來自燃料電池排放空氣的所有7jC分在第一熱交換器 112中冷凝出來。冷凝出來的部分水經由罐114和泵137傳輸到電解槽的 陽極側，以^f更再次補充該位置缺失的水，水的缺失是根據下列反應方程式 發生的//20(液體)-〉1 / 202 (超純)+ 2/T (膜)+ 陽極的7jC缺失量等于陰極的水生產量。為了冷卻所述系統，采用了冷卻回路，該冷卻回路使用外部空氣作為初級冷卻介質，并將作為次級冷卻介質的冷卻液經由圖1中示出的管道系 統泵送到相應的熱交換器。原則上需要的所述熱交換器一方面是冷卻器、第三熱交換器130、第二熱交換器128和第一熱交換器U2，冷卻器將來自 冷卻回路的廢熱排放到外部空氣中，第三熱交換器130負責將氧氣干燥到 空調系統可能需要的殘余含水量，第二熱交換器128的作用是冷卻陽極水 回路，第一熱交換器112的作用是冷凝燃料電池101的陰極排放空氣中存 在的水氣。第一熱交換器112處產生的冷凝物經由冷凝物排放管線113傳 輸出去并傳輸到存儲罐114，存儲罐114用作中間存儲罐的緩沖罐，冷凝 物M儲罐114傳輸出來作為^享用的飲用水或者用作電解槽119的水 源。除此之外，冷卻回路還能夠設置有附加的熱交換器，所述附加的熱交 換器具有對航空器中的各種系統部件進行加熱的功能，例如保護水罐不會 結水。作為上述流體冷卻介質的替代物，也可以采用氣態冷卻介質、流體與 氣態冷卻介質的組合或者總體狀態在加熱時從液體變為氣態在冷卻時從 氣態變為液體的冷卻介質。在釆用改變其總體狀態的冷卻^h質的情況下， 冷凝溫度和沸點溫度選擇為使得它們介于熱交換器的高溫側溫度和低溫 側溫度之間，即冷卻介質的總體狀態在熱交換器中變化。圖2示出根據本發明另一種示例性實施方式的用于給航空器供應飲 用水和氧氣的燃料電池的概略圖。然而，與圖1中的示例性實施方式不同 的是，在圖2中的示例性實施方式中，電解槽的陰極側聯接到燃料電池的 陽極側。如從圖2中能夠觀察到的，燃料電池系統200包括具有陽極側202 和陰極側203的燃料電池201。燃料電池201設計成質子交換膜燃料電池 (PEMFC )。膜204以示意性方式示出在陽極側202和陰極側203之間。 燃料電池201的陽極側202包括具有閥206的第一輸送管線205和具有閥 208的第二輸送管線207。燃料電池201的陰極側203包括輸送管線209和排放管線210，輸送 管線209和排放管線210都聯接到濕熱交換器250, 4吏得濕氣和/或熱量交 換在陰極側203的空氣入口與陰極側203上的空氣排放口之間進行。為此， 陰極側的輸送管線209聯接到濕熱交換器250的第一側251,同時輸送管 線209代表濕熱交換器250的第一排放管線。濕熱交換器250第一側上的 濕熱交換器250的第一輸送管線252經由閥253聯接到客艙，使機搶空氣能夠傳輸到濕熱交換器250。此外，為了實現陰極側203的^空氣與陰 極側203的排放空氣之間的濕氣和/或熱量交換，陰極側203的排放管線 210聯接到濕熱交換器250的第二側253。濕熱交換器250第二側254的第 二排放管線255聯接到燃料電池系統200的第一熱交換器212。第一熱交換器212聯接到冷凝物排放管線213，冷凝物排放管線213 一方面連接到用于存儲在第一熱交換器212中冷凝出的水的存儲罐214。 存儲罐214設置有排放管線215,當存儲罐214中的水過多時排放管線215 通過閥216用作流出口。此外，冷凝物排放管線213經由過濾器217連接 到出口 218，外逸空氣能夠經由出口 218離開航空器-即航空器的加壓機 艙。此外，燃料電池系統200包括具有陽極側220和陰極側221的電解槽 219。電解槽219的陰極側221設計成所謂的空氣陰極并包括第一排放管線 222，如果需要第一排放管線222能夠通過閥223用作氫氣排放裝置。電解 槽219的陰極側221的第二排放管線聯接到燃料電池201陽極側202的第 二輸送管線207，并且還用于將電解槽219中產生的氳氣作為燃料傳輸到 燃料電池201。電解槽219陽極側220的排放管線227聯接到第二熱交換 器228，第二熱交換器228包括經由第三熱交換器230和泵231聯接到出 口的氣體排放管線229，氧氣能夠經由所述出口傳輸到加壓機搶。第二熱 交換器228用于將電解槽219陽極側220的水/氧氣混合物分離成氧^/水。 第二熱交換器228的7jc排放管線232經由循環泵233和閥234聯接到電解 槽219陽極側220的入口。此外，第二熱交換器228包括7JC入口 235，水 入口 235經由閥236、泵237以及另一閥238聯接到存儲罐214的出口 。 存儲罐214的出口另外還經由閥239和泵240^t接到航空器的飲用水系統。此外，燃料電池系統200還包括具有冷卻器242的冷卻回路241，冷 卻器242與航空器外部的空氣相連通。冷卻回路241用于冷卻第一熱交換 器212、第二熱交換器228、第三熱交換器230以及燃料電池201。圖2中以箭頭示意性地示出用于燃料電池系統200的多條輸送和排放 管線。排放管線260代表排水口并且輸送管線261代表用于燃料電池陰極 側的機搶空氣入口 ，而輸送管線262是用于燃料電池陽極側的氫氣饋入口 . 此外，排放管線263示意性地代表氫氣排放口 ，如果需要氫氣能夠通過排 放管線263從電解槽的陰極側輸出。排放管線264代表飲用水出口，水能 夠通過排放管線264從緩沖罐214傳輸到航空器的飲用水系統。排放管線265示意性地代表電解槽中產生的氧氣能夠通過其傳輸到航空器的空調系 統的出口 。排放管線266代表排放空氣在需要時能夠通過其從燃料電池的 陰極側傳輸到航空器外的排放管線。最后，輸送管線267示意性地代表環 境空氣能夠通過其傳輸到冷卻回路241的輸送管線。圖2中的燃料電池系統的功能與圖1中的燃料電池系統的功能相似。 因此，此處僅考慮燃料電池系統200中的不同之處。圖2中的燃料電池系統200與圖1中的燃料電池系統100的一個實質 性差別在于電解槽的陰極側聯接到燃料電池的陽極側。因而，電解槽中產 生的氫氣能夠傳輸到用于產生能量的燃料電池，因此能夠減小燃料電池的 外部氫氣需求。為了能夠確保燃料電池的陰極側有濕度足夠的空氣，圖2 中的燃料電池系統200包括附加的濕熱交換器250，燃料電池中產生的部 分水通過濕熱交換器250再次傳輸到燃料電池陰極側的進入空氣中。剩余 部分的水如圖1的實施例一樣被冷凝出來。此外，在圖2的實施例中，機 艙空氣沒有像圖1的實施例的情況那樣提供給電解槽的陰極側，而是經由 濕熱交換器傳輸到燃料電池的陰極側。然而，圖2的實施例中的電解槽的 陰極側除了兩條排放管線不包括任何輸送管線，其中一條排放管線用于將 氫氣傳輸到燃料電池的陽極側，相反第二條排放管線在需要時用于輸出任 何多余的氫氣。作為補充，應當清楚，"包括"不排除任何其它元件或步驟，并且"一" 或"一種"不排除復數的情形。還應當清楚，已參照上述示例性實施方式 之一描述的特征或步驟也能夠與上述其它示例性實施方式的其它特征或 步驟結合使用。權利要求中的參考標號不具有限制性。
權利要求
1.一種用于給飛行器供應飲用水和氧氣的燃料電池系統(100、200)，所述燃料電池系統(100、200)包括燃料電池(101、201)；以及電解槽(119、219)，其中，所述電解槽(119、219)包括空氣陰極并聯接到所述燃料電池(101、201)，并且所述燃料電池(101、201)和所述電解槽(119、219)設計為使得所述燃料電池(101、201)輸出的能量保障所述電解槽(119、219)的能量需求。
2. 根據權利要求l所述的燃料電池系統(100),其中，所述燃料電池(101)包括陽極側(102)和陰極側(103)， 所述電解槽(119)包括陽極側(120)和陰極側(121),并且 所述電解槽(119)的陰極側(121)聯接到所述燃料電池(101)的陰 極側(103 )。
3. 根據權利要求2所述的燃料電池系統(100)，其中，所述電解槽(119)設計為使得來自所述飛行器的機艙的空氣能 夠傳輸到其陰極側。
4. 根據權利要求1所述的燃料電池系統(200 )，其中，所述燃料電池(201)包括陽極側(202)和陰極側(203), 所述電解槽(219)包括陽極側(220)和陰極側(221)，并且 所述電解槽(219)的陰極側(221)聯接到所述燃料電池(201)的陽 極側(202 )。
5. 根據權利要求4所述的燃料電池系統(200)，其中，所述燃料電池(201)設計為使得來自所述飛行器的機搶的空氣 能夠傳輸到其陰極側。
6. 根據權利要求2至5中任一項所述的燃料電池系統(100、 200)， 其中，所述燃料電池(101、 201)設計為使得氫氣或重整氣能夠傳輸到其陽極側。
7. 根據權利要求2至6中任一項所述的燃料電池系統(100、 200)， 進一步包括熱交換器(113、 213)，其中，所述熱交換器(113、 213)設計為使得其冷卻從所述燃料電池 (101、 201)的陰極側(103、 203)排出的空氣。
8. 根據權利要求2至7中任一項所述的燃料電池系統(100、 200), 進一步包括附加的熱交換器(128、 228)，其中，所述附加的熱交換器(128、 228)設計為使得其冷卻從所述電 解槽(119、 219)的陽極側(120、 220)排出的7jC/氧氣混合物。
9. 根據權利要求1至8中任一項所述的燃料電池系統(100、 200 )， 進一步包括冷卻回路(141、 241)，其中，所述冷卻回路(141、 241)聯接到所述燃料電池(101、 201) 以冷卻所述燃料電池(101、 201)。
10. 根據權利要求1至9中任一項所述的燃料電池系統(100、 200 )， 其中，所述燃料電池(101、 201)是低溫燃料電池。
11. 根據權利要求10所述的燃料電池系統(100、 200)， 其中，所述低溫燃料電池(101、 201)是質子交皿燃料電池。
12. 根據權利要求1至9中任一項所述的燃料電池系統(100、 200 )， 其中，所述燃料電池(IOI、 201)是高溫PEM燃料電池。
13. 根據權利要求12所述的燃料電池系統(100、 200)，其中，所述高溫PEM燃料電池(101、 201)是質子交換膜燃料電池。
14. 根據權利要求1至13中任一項所述的燃料電池系統(100、 200 )， 其中，所述電解槽(119、 219)是具有催化劑的聚合體膜電解槽。
15. 根據權利要求1至13中任一項所述的燃料電池系統(100、 200 )， 其中，所述電解槽(119、 219)不是具有催化劑的聚合體膜電解槽，并且所述電解槽(119、 219) i殳置為4吏得其適應于所述燃料電池的溫度范圍。
16. 根據權利要求1至15中任一項所述的燃料電池系統(100、 200 )， 進一步包括多個燃料電池和多個電解槽。
17. 根據權利要求1至16中任一項所述的燃料電池系統(100、 200 )， 其中，所述燃料電池(101、 201)和所述電解槽(119、 219)連接而形成堆疊組件，并且所述電解槽(119、 219)由直接來自所述燃料電池(101、 201)的能 量供能。
18. 根據權利要求1至17中任一項所述的燃料電池系統(100、 200 )， 其中，所述燃料電池(101、 201)與所述電解槽(119、 219)之間的能量比選擇為使得所述燃料電池(101、 201)的能量輸出精確地對應于所 述電解槽(119、 219)的能量需求。
19. 根據權利要求1至17中任一項所述的燃料電池系統(100、 200 )， 其中，所述燃料電池(101、 201)與所述電解槽(119、 219)之間的能量比選擇為使得所述燃料電池(101、 201)的能量輸出精確地對應于所 述電解槽(119、 219)以及所述燃料電池系統(100、 200)的所有必需的 輔助設備的能量需求。
20. 根據權利要求1至17中任一項所述的燃料電池系統(100、 200 ), 其中，所述燃料電池(101、 201)與所述電解槽(119、 219)之間的能量比選擇為使得所述燃料電池(101、 201)的能量輸出高于所述電解槽 (119、 219)以及所述燃料電池系統(100、 200)的所有必需的輔助設備 的能量需求。
21. 根據權利要求20所述的燃料電池系統(100、 200)，進一步包括 逆變器，以及變壓器，其中，所述逆變器和電壓轉換器設計為使得來自所述燃料電池(101、 201)的能量能夠饋送到所述飛行器的機栽電網內。
22. —種飛行器，其具有根據權利要求1至21中任一項所述的燃料電 池系統(100、 200)。
23. 根據權利要求1至21所述的燃料系統(100、 200 )在飛行器中的 應用。
全文摘要
本發明提供一種用于給飛行器供應飲用水和氧氣的燃料電池系統，所述燃料電池系統包括燃料電池和具有空氣陰極的電解槽。另外，電解槽聯接到燃料電池，并且燃料電池和電解槽設計為燃料電池的能量輸出完全保障電解槽的能量需求。
文檔編號H01M8/06GK101258634SQ200680032812
公開日2008年9月3日 申請日期2006年9月7日 優先權日2005年9月8日
發明者克勞斯·霍夫亞, 漢斯格奧格·舒爾德齊希 申請人:空中客車德國有限公司