CN102687326B - 燃料电池系统和用于干燥燃料电池系统的废气的方法 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统，具有用于干燥气体的设备，所述设备具有：带有至少一个第一面的至少一个冷却体和至少一个去除装置。所述冷却体设计成用于与热沉热连接，并且与扫过的气体形成接触。所述去除装置相对于所述第一面可移动地支承，并且设计成用于去除在所述第一面上冻结的水。由此实现气体的干燥，其中，在较长的时间段能够在恒定的干燥效果的同时实现持续的干燥。

Description

燃料电池系统和用于干燥燃料电池系统的废气的方法

相关申请

本发明要求于2009年10月29日提交的德国专利申请No.10 2009051 212.8和于2009年10月29日提交的美国临时专利申请No.61/256,015的优先权，其内容通过参引并入本文。

技术领域

本发明涉及一种具有用于干燥燃料电池系统的废气的设备的燃料电池系统、一种用于干燥燃料电池系统的废气的方法和一种具有至少一个这样的燃料电池系统的飞机。

背景技术

对于现代客机，有时设计或者已经使用燃料电池系统来完成多种多样的任务。除了产生电力，也能够完成其它任务，例如通过引入燃料电池系统的废气来惰化燃料箱。由于燃料电池的工作方式，废气在通常情况下具有水蒸气成分。一般来说，在使用湿的气体来惰化燃料箱时产生下述问题：动力燃料、特别是煤油是吸湿的。此外，存在还能够在油箱中形成菌群的风险，用于检测油箱的液位的传感器可能受到影响，使得检测不精确。此外，在燃料箱或燃料本身内能够形成冰晶，当飞机在巡航时或者在地面上温度低于冰点时，所述冰晶能够导致推进器喷油嘴和燃油滤清器的损坏。相应地存在将干燥的气体导入燃料箱中以便能够实现燃料箱的惰化的需求。

DE 10 2005 054 885 A1和US 2007/0111060 A1示出一种用于降低燃料箱的爆炸危险的安全系统，其中，保护气体产生装置包括具有燃料电池的燃料电池系统，并且提供在燃料电池系统工作时由燃料电池产生的保护气体。

在现有技术中，已知用于干燥气体、特别是空气的不同的方法和系统。因此，例如可能的是，通过吸湿介质，例如硅胶，来执行吸收。但是，吸湿介质的吸水能力是有限的，从而使得在使用后必须替换或再生。特别是在飞机中，替换导致明显的重量问题，并且持续不断地排空和再填充导致提高的维护耗费。此外，通过相应的热量输入，例如通过加热的空气可实现再生。但是，这提出燃料电池系统的效率的问题，因为需要显著的能量耗费用于热再生。如果不应执行再生，那么由于已提及的饱和，废气干燥仅在限定的时长中是可能的。一般来说，在这样的方法中达到露点，也就是产生冷凝的和蒸发的水的平衡状态的温度，所述温度直至达到两位的负数范围中。

用于干燥空气的另一方法通过借助于可选的薄膜在利用分压差的情况下传输水来实现。为此，使用将待干燥的气体与已干燥的气体分开的薄膜，其中，由于分压差导致水穿过薄膜。代替已干燥的气体，也能够提高在待干燥的气体所在的薄膜侧上的静压力。所述方法通过可实现的分压差限定其干燥性能。薄膜式压缩空气干燥器的特别低的露点仅在使用很高的工作压力和因此必要的高压缩性能的情况下达到。

从现有技术中已知的用于干燥气体的另一第三方法通过将气体冷却至低于露点而实现，为此，基本上仅需要换热器和热沉或冷却介质。紧接在冷却之后，并且用于液态的水和气态的剩余气体的最后分离，能够使用水滴收集器或类似物。但是，所述原理要求很高的冷却性能，因为存在液态的产物水，并且必须排出在相变时释放的能量。用于冷却所述气体的冷能够部分在随后的再生的换热器中回收。在这种情况下，可达到的露点基本上通过冰点限定，因为在目前常用的结构方式中，在换热器内出现的结冰能够导致气体管道的阻塞。

发明内容

相应地，可视为本发明的目的是，提出一种用于冷却燃料电池系统的废气的系统，所述系统减少或完全消除前面列举的缺点。

特别地，可视为本发明的目的是，提出一种用于干燥燃料电池系统的废气的系统，所述系统能够以尽可能低的能量实现废气的尽可能有效的干燥，而在最小化附加的重量的同时不明显提高燃料电池系统的复杂度或增加燃料电池系统的外围设备。

所述目的能够通过根据本发明的具有用于干燥燃料电池系统的废气的设备的燃料电池系统来实现，所述设备具有：带有至少一个第一面的至少一个冷却体；和至少一个去除装置，其中，所述冷却体设计成用于与热沉热连接，并且与待干燥的扫过的气体形成接触，其中，所述去除装置相对于所述第一面能移动地支承，并且所述去除装置设计成用于去除在所述第一面上冻结的水。在下文中可获得有利的改进方案。

根据本发明的第一方面，用于干燥废气的设备具有带有至少一个第一面的至少一个冷却体以及至少一个去除装置。

冷却体设计成用于与热沉热连接，并且与扫过第一面的气体实现接触。这具体意味着，任意成型的冷却体能够以任意形式与热沉连接来进行冷却。在此，与热沉的连接能够以完全不同的形式实现。因此例如能够设有冷却循环，所述冷却循环引导作为热沉的冷却介质通过冷却体，从而使得热量由冷却体传递给冷却介质。同时，冷却体也能够设计成用于与作为热沉的帕尔贴(Peltier)元件或类似物进行机械连接，从而能够通过与帕尔贴元件的冷侧接触来实现从冷却体到帕尔贴元件的热输出，并且因此能够实现冷却。此外，也可能的是，来自任意的源的作为热沉的冷流体以任意形式与冷却体进行连接，从而通过流体的低温实现冷却体的冷却。在这种情况下，例如能够考虑在巡航阶段中来自飞机的周围环境的特别冷的外界空气，所述外界空气能够直接使用或通过呈蒙皮散热器形式的换热器来使用。同样地，作为热沉考虑使用来自低温罐的液态氢，所述液态氢用作燃料电池的燃料。为了驱动燃料电池总归需要的是，将氢从其液态形式转化成气态形式，从而使得热输入能够是有利的。

这样的冷却体的优点在于，扫过冷却体的第一面的气体的水的部分或水蒸气的部分被冻结，并且积聚在第一面上。在冷却体低于冰点的足够冷的温度并且第一面用待干燥的气体充分加载的情况下，气体的充分干燥是可能的。

已提及的去除装置可相对于冷却体的第一面移动地支承，并且设计成用于再次去除冻结在第一面上的水。从而使得冰不会过度积聚。本发明的这个方面不局限于特定类型的去除装置，而是在此也考虑每种可设想的去除装置。这能够实现机械的去除元件，所述去除元件借助刮元件、刮棱边或类似物与第一面接合，并且将冰从第一面机械地去除。

在现有技术中已知的设备的特有的缺点能够通过包括在根据本发明的燃料电池系统中的用于干燥的设备来克服。应用机械去除装置的特别的优点在于，不发生饱和效应。此外，不将允许去除冰或允许干燥气体的特殊物质输送给设备。此外，基于紧凑的结构形式。

在一个有利的改进方案中，去除装置具有棱边，所述棱边设计成用于将冰从冷却体的第一面刮掉。因此，所述棱边优选可构成为，使得所述棱边的形状与第一面的形状相符。如果第一面例如是平坦的、直的平面，那么能够使用平坦的和笔直的棱边将冰从第一面刮掉。因此，在第一面上积累的冰量总是有限的。因此，用于使气体的水蒸气结冰的持续的充分散热是可能的。

根据一个同样有利的改进方案，冷却体是空心体，其中，第一面是冷却体的内面。因此，特别是简化了气体的输入和通过，因为冷却体实际上能够通过其空心形状形成空气管道。通过冷却体与热沉的热连接，冰在冷却体的内面上积聚，并且能够持续地、逐渐地或者交替地被刮掉。

同样有利的是，冷却体具体实现为至少局部为空心圆柱形的体，因为，所述变形方案能够特别容易地制成，并且因此能够将用于制造设备的费用降低到低水平。

在使用空心体时，特别是在至少局部为空心圆柱形的构造时，在一个有利的改进方案中提出，使用螺旋形去除装置，其外螺旋棱边与冷却体的内面接触。螺旋形去除装置优选可转动地支承在轴线上，所述轴线相应于冷却体的延伸轴线。通过所述同中心的、对称的构造允许在整个内面上进行均匀的刮除。通过持续地转动例如能够具有螺旋形刮棱边的所述螺旋形去除装置，在冷却体的内面上持续地刮掉冰，从而在冰积聚在冷却体的内面上之后，根据去除装置的螺旋线的螺距和数量将冰直接去除。

特别有利的是，冷却体由另一冷却体包围，所述另一冷却体在其内侧上形成与冷却体的间隙。用于引起冷却体冷却的冷却介质能够通过这样的间隙进入。流入的冷却介质或类似物质的温度应具有比0℃低很多的温度。在这种情况下，本发明不局限于确定类型的冷却介质，而是可使用一系列不同的冷却介质。既可考虑液态的冷却介质，也可考虑气态的冷却介质，其中，在使用在飞机中的情况下，来自冲压空气入口的外界空气等作为冷却介质至少也可适用在巡航中。

根据一个同样有利的改进方案，空心型冷却体在至少一端上构造有扩宽的形状，从而使待干燥的气体的导入和/或已去除的冰的导出变得容易。扩宽的形状例如能够构成为漏斗形或喇叭形，并且能够用作用于冰或融水的储存器。

在冷却体的扩宽的区域中能够设置有开口，已去除的冰或由在结冰阶段中由于外部的热作用获得的融水能够通过所述开口排出。在此，热作用通过流入的气体实现。在此优选的是，冷却体定位为，使得能够避免流出的气体与排出的水混合，所述设备例如能够通过水平支承来防止所述情况，因为积聚的冰或积聚的融水能够垂直于气体的流动方向掉落或滴落。

在使用螺旋形去除装置时，能够使用驱动装置，所述驱动装置尽可能设置在冷却体和去除装置的延伸轴线外，从而使得冷却体的第一面的入流不被干扰。作为适宜的驱动器例如能够选择具有可选的适宜的传动机构的电动马达，但是其中，本发明不局限于使用电动马达。更确切地说，正是在飞机环境中可考虑气动的或液压的驱动装置。在使用平坦的第一面时，能够考虑去除装置的线性引导，所述线性引导需要在驱动装置上的相应的线性引导传动设备。同时推荐的是，将相应的传动设备设置在马达上，以便降低转速和提高螺旋形去除装置的扭矩。

此外，所述目的也通过一种用于干燥气体的方法来实现，所述方法基本上具有下述步骤。首先，待干燥的气流指向冷却体的第一面，通过与热沉的热连接来冷却所述冷却体，以便在此使处于气体中的水蒸气或水的部分结冰，从而使得所述水蒸气或水的部分积聚在第一面上。同时、随后或交替地，去除装置在第一面上运动，从而去除积聚在第一面上的冰。去除的冰可选地收集在储存器中，并且此外可选地由于外部的热作用再次被融化。在那里积聚的冰能够从储存器中掉落或排出，可选地同样可导出由于热作用而融化的冰。

附图说明

从附图和实施例的下述说明中获得本发明的其它特征、优点和应用可能性。在此，所有已说明的和/或图示出的特征本身和以任意的组合还与其在各个权利要求或者其引用中的组成或其相互关系无关地形成本发明的主题。此外，在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的对象。

图1示出用于干燥废气的设备的第一实施例的示意图；

图2示出用于干燥废气的设备的第二实施例的示意图；

图3a和3b示出用于干燥废气的设备的两种冷却可能性的示意图；

图4示出根据本发明的方法的示意图；

图5示出具有至少一个燃料电池和至少一个用于干燥燃料电池的废气的设备的飞机。

具体实施方式

在图1中极其示意地示出用于干燥燃料电池系统的废气的设备的基本原理。在此，由于简单性仅部分示出的具有任意形状的冷却体2通过与不可见的热沉的连接来冷却。冷却体2的温度小于0℃，从而能够实现在待干燥的气体4中的水蒸气的冻结或升华。

冷却体2具有第一面6，待干燥的气体4沿着所述第一面扫过。所述气体4包含要排出的一定份额的水或水蒸气。由于气体4沿着冷却体2的第一面6扫过，水被冻结或升华，并且在第一面6上积聚为冰层。冰的积聚不能够无限地进行，因此使用去除装置8，所述去除装置相对于冷却体2可移动地支承。去除装置8示例地具有刮棱边10，所述刮棱边与第一面6接触。通过将刮棱边10沿着第一面6扫过，将冰刮除。通过去除装置8沿着第一面6的持续扫过，所述第一面能够总是保持无冰，从而总是能够在气体4的水分上产生理想的冷却效果，从而能够对气体4实现持续的理想的除湿。

在图2中示出设备11的一个具体的实施例。在此，冷却体12构成为由待干燥的气体4通流的圆柱体。在此，构成为冷却体的内面的第一面14在足够冷却的情况下被冰覆盖，并且所述气体4在通流冷却体12时被干燥。为了去除在第一面14上的冰层而使用去除装置16，所述去除装置在轴线18处可转动地支承，其中，所述轴线18相应于冷却体12的延伸轴线，并且相应地与冷却体同中心地设置。去除装置16的驱动器通过示意地示出的驱动装置31实现，所述驱动装置在轴33上与去除装置16连接，其中，所述轴33在比冷却体12更高的高度上延伸，从而允许待干燥的气体4的流入。

在此，去除装置16具有螺旋形延伸的或盘旋延伸的棱边20，所述棱边在去除装置16转动时沿着冷却体12的第一面14持续地刮。由此实现将冰从第一面14持续地去除。

优选的是，去除装置16装备有这样粗的螺旋转动件，使得气体4能够容易地通流过所述设备，但是同时总是能够确保冰的去除。

在已示出的实施例中，空心圆柱形成型的冷却体12由另一圆柱形成型的、限定了与冷却体12的间隙24的体22包围。冷却剂能够流动穿过所述间隙，所述冷却剂通过沿着冷却体12的第二面26扫过而引起冷却，由于所述冷却，气体4的水分在第一面14上冻结。

冷却体12的下部区域28具有向外伸展的造型，所述造型例如作为储存器为积聚的和从第一面14去除的冰提供足够的空间。可选地，能够设有相应的开口30，冰或由于外部的热作用而融化的、呈融水形式的冰通过所述开口被排出。冷却体12的向外成型的区域28能够装备有盖32，所述盖在轴线18的延长部上具有缺口34，所述缺口允许气体4不受阻碍地流出。

在图3a中示意地示出设备11，所述设备与以液态的氢气填充的低温的氢气罐35连接。液态的氢气进入间隙24中，冷却所述冷却体12，并且被再次导入所述罐35中或者被输送用于在燃料电池或类似物中使用。

在图3b中示意地示出换热器37，所述换热器借助外界空气39来冷却。单独的冷却循环41连接换热器37和所述设备，从而能够避免外界空气的直接导入。在换热器37中使用后，外界空气39能够再次被导出。替代于此，在设备中的间隙24也直接由外界空气通流。

此外，图4示出根据本发明的方法的主要步骤。首先，将冷却体的第一面用待干燥的气流加载36，通过与热沉的热连接将冷却体冷却38，以便在此使处于气体中的水蒸气或水的部分结冰，从而使得所述冰积聚在第一面上。同时、随后或交替地，使去除装置在第一面上运动40，从而去除积聚在所述第一面上的冰。去除的冰可选地被收集在储存器中，并且此外可选地通过外部的热作用再次融化42。积聚在那里的冰能够从储存器中掉落或排出44，可选地由于热作用而融化的冰同样可以被导出。

最后，在图5中示出飞机46，所述飞机装备有至少一个燃料电池系统48，所述燃料电池系统将包含水蒸气的废气通过设备50在已干燥的状态下导入所述燃料箱中，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骤，并且“一个”不排除多个。此外要指出的是，参考上述实施例之一说明的特征或步骤也能够与其它上述实施例的其它特征或步骤相结合地应用。在权利要求中的附图标记不视为限制。

附图标记列表

2  冷却体

4  气体

6  第一面

8  去除装置

10 刮棱边

11 设备

12 冷却体

14 第一面

16 去除装置

18 轴线

20 棱边

22 体

24 间隙

26 第二面

28 向外成型的区域

30 开口

31 驱动装置

32 盖

33 轴

34 缺口

35 低温的氢气罐

36 用气流加载

37 换热器

38 将冷却体冷却

39 外界空气

40 第一面

41 单独的冷却循环

42 融化

44 排出

46 飞机

48 燃料电池系统

50 设备

52 燃料箱

Claims (14)

1.燃料电池系统，具有用于干燥所述燃料电池系统的废气的设备(11、50)，所述设备具有：

-带有至少一个第一面(6、14)的至少一个冷却体(2、12)；和

-至少一个去除装置(8、16)，

其中，所述冷却体(2、12)设计成用于与热沉热连接，并且与待干燥的扫过的气体形成接触，

其中，所述去除装置(8、16)相对于所述第一面(6、14)能移动地支承，并且所述去除装置设计成用于去除在所述第一面(6、14)上冻结的水。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述去除装置(8、16)具有用于刮掉所述第一面(6、14)的冰的棱边(10、20)。

3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，还具有与所述去除装置(8、16)耦联的驱动装置(31)。

4.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述冷却体(2、12)是空心体，其中，所述第一面(6、14)是所述冷却体(2、12)的内面。

5.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述冷却体(2、12)至少部分地构成为空心圆柱体，其中，所述第一面(6、14)是所述冷却体(2、12)的内部的侧面。

6.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述去除装置(8、16)具有螺旋形状，并且所述去除装置在其外部的螺旋棱边(20)中的一个上与所述冷却体(14)的内面接触，并且在相对于所述冷却体(14)固定的轴线(18)处能转动地支承。

7.如权利要求4所述的燃料电池系统，还具有包围所述冷却体(2、12)的空心体，以便形成用于流体通流的间隙(24)。

8.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述冷却体(12)在至少一端上具有扩宽的区域(28)。

9.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，使用来自低温的氢气罐(35)的液态氢作为热沉。

10.用于干燥燃料电池系统的废气的方法，具有步骤：

-通过将冷却体(2、12)的第一面(6、14)用所述燃料电池系统的废气加载(36)，冷却(38)所述冷却体(2、12)，而由所述废气的湿气在冷却体(2、12)的第一面(6、14)上积聚成冰；

-通过使去除装置(8、16)在所述第一面(6、14)上运动而将所述冰从所述第一面(6、14)上去除。

11.如权利要求10所述的方法，还具有步骤：

-排出(44)已去除的冰。

12.如权利要求10或11所述的方法，还具有步骤：

-将所述冰融化(42)，并且导出融水。

13.飞机(46)，具有：至少一个燃料电池系统(48)，所述燃料电池系统与至少一个燃料箱(52)连接，使得所述燃料电池系统(48)的废气惰化所述燃料箱(52)；以及至少一个用于干燥所述燃料电池系统(48)的所述废气的设备(11、50)，所述设备具有：

-带有至少一个第一面(40)的至少一个冷却体(2、12)；和

-至少一个去除装置(8、16)，

其中，所述冷却体(2、12)设计成用于与热沉热连接，并且与所述燃料电池系统的扫过的待干燥的废气形成接触，

-其中，所述去除装置(8、16)相对于所述第一面(6、14)能移动地支承，并且所述去除装置设计成用于去除在所述第一面(6、14)上冻结的水。

14.如权利要求13所述的飞机(46)，还具有低温的氢气罐(35)，其中，提供呈低温液态氢形式的所述热沉。