CN103380526A - 燃料电池系统、燃料电池系统的用途以及具有燃料电池系统的飞行器 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统（2），包括：燃料电池（6），该燃料电池（6）具有围封燃料电池（6）的壳体（4）；用于燃料电池燃料的供应管线（14）；以及用于燃料电池排气的排气管线（10）。在该布置中，供应管线（14）在排气管线（10）中延伸，并且排气管线（10）围封供应管线（14）并同时形成空间。因此，供应管线（14）中的任何泄漏都导致燃料通过排气管线（10）中流动的排气而被冲洗，使得能够实现更高的系统可靠性以及成本下降。

Description

燃料电池系统、燃料电池系统的用途以及具有燃料电池系统的飞行器

相关申请的引用

本申请要求于2010年12月16日提交的德国专利申请No.102010054756.5以及于2010年12月16日提交的美国临时专利申请No.61/423,703的申请日的权益，以上申请的公开内容在此通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统、燃料电池系统的用途以及包括燃料供应单元和这种燃料电池系统的飞行器。

背景技术

燃料电池系统时常包括壳体，该壳体围封一个或多个燃料电池并且包括用于燃料电池燃料的连接器，其中，燃料电池燃料用于供应燃料电池。通过排气管线，排气通过一个或多个单独的排气连接器被导向外侧。另外，通风经常发生在壳体中，以防止氢的任何积聚并因而防止壳体内发生爆炸的危险，并因此壳体通常还包括用于通风供气和通风排气的连接器，其中，所述通风供气和通风排气用于附加供气管线和排气管线。

用于例如被设计为气态氢的燃料电池燃料的供应管线需要被充分密封和监控，使得特别是在飞行器中使用燃料电池系统的情况下，供应管线延伸所穿过的区域中不发生氢积聚。此外，由此而论，需要提供定期监控，这可确保恒定的高质量。

DE 10 2004 058 430 B4示出了一种具有用于氢、氧或空气和排气的管线的飞行器中的燃料电池系统。

发明内容

假设用于燃料电池燃料的单个供应管线及其用于正确运行的恒定监控能够特别是在复杂的更高级别的系统中——例如在车辆中，并且特别是在飞行器中——提出挑战。这通过管线的从燃料罐到燃料电池系统的安装长度而被进一步加强，该安装长度由于经常地非直接相邻布置而能够在一定的长度上延伸。此外，在燃料管线的整个长度上监控燃料管线是非常复杂的并且需要被设计成能够检测不常见的氢浓度的至少若干个传感器。

因此，本发明的目的是提出一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括围封至少一个燃料电池的壳体，并且该燃料电池包括用于燃料电池燃料的供应管线，该供应管线特别地允许对泄漏进行容易的检测或允许对泄漏进行忍受，然而同时提供远高于现有技术中常见的系统安全性的系统安全性。

该目的通过根据独立权利要求1的特征的燃料电池系统而得到满足。在从属权利要求中陈述了有利的改进。

根据本发明的第一方面，燃料电池系统包括：围封燃料电池的壳体；用于燃料电池燃料的供应管线；以及用于燃料电池排气的排气管线。该供应管线在排气管线中延伸，并且排气管线围封供应管线并同时形成空间。

将用于燃料电池燃料的供应管线与排气管线结合成一个部件能够确保自供应管线散出的燃料电池燃料不能够立即流入到周围环境中，而是撞击周围的排气管线。同时，由于流出排气而使得散出的任何燃料被立即从供应管线与排气管线之间的空间被冲洗掉并且在理想的情况下到达更高级别系统——例如飞行器的非加压区域，该区域与飞行器的周围环境进行空气交换——的周围环境，并且因此不再存在任何风险。

该设计是集成的、简单的，并且提供了非常高的系统安全性。不仅可以节省重量，还可以显著地提高安全性，同时减少涉及沿着供应管线的整个长度监控泄漏的成本。

根据有利实施方式，排气管线连接至燃料电池的阴极。在该位置中，未使用的空气含量例如在所提供的环境空气占迄今为止供应气体的最大份额的情况下被移除。这确保了围绕用于燃料电池燃料的供应管线的安全流动。

同时，通过对所供应的燃烧用空气的相应选择，能够确保排放空气中的相当低的氧含量，使得同时在排气管线与供应管线之间的空间中不产生可燃空气-氢混合物。

此外，在本发明的有利实施方式中，提供了具有第一端部和第二端部的吸入管线，其中，第一端部设置在排气管线中并且包括沿排气流的方向朝向的第一开口，并且其中，第二端部设置在壳体的内侧和排气管线的外侧。以这种方式，出现了自由壳体设计空间与排气管线之间的流体连接，通过在流出排气的情况下的流体连接，吸入作用开始存在于排气管线中，该吸入作用将空气从壳体的自由设计空间吸引到排气管线中。以这种方式，如果相应地确保空气或某些其他气体的稳定流入，则能够确保总是存在围绕壳体内的设计空间的流动从而进行冷却。供应空气来源于更高级别系统的周围环境，例如飞行器舱。

根据有利实施方式，第一端部包括文丘里喷嘴，该文丘里喷嘴设计成借助于移动经过的流出排气从壳体吸入空气。在这种布置中，文丘里喷嘴能够具有在不需要诸如风扇、泵等额外的措施的情况下确保壳体的通风的形状。

根据有利实施方式，燃料电池系统包括清洗阀（也称为“清洗阀”），该清洗阀连接至燃料电池的阳极并且连接至排气管线。这种清洗阀使得可以冲洗掉氢的惰性气体含量以及从燃料电池产生的水含量，或例如在系统关闭的情况下，减小燃料电池的阳极侧的压力。在燃料电池的正常运行中，清洗阀通常关闭以防止在阳极处出现反应气体溢出。然而，特别地在PEM（质子交换膜）燃料电池的情况下，建议定期打开清洗阀一段较短的时间，以通过氢清洗可能已经产生的任何冷凝水，该冷凝水在过量累积的情况下会减少阳极侧的气体交换。

在根据本发明的燃料电池系统中，由于阳极侧的超压，因此凝结水被传输到排气管线。

此外，优选地，清洗阀连接至设计成打开清洗阀一段预定时间的控制装置和/或调节装置。

有利实施方式包括设置在壳体的内侧的氢传感器。以这种方式，可以确定壳体内是否存在危险的氢浓度，从而可以采取应对措施。这能够通过激活或加强清洗体积流量来实现。如果使用了在燃料电池的正常运行期间导致壳体的稳定冲洗的吸入管线，同时检测壳体内增加的氢浓度，则能够通过借助于风扇将额外的活动空气输送到壳体中来实现改进的冲洗。

另外，在本发明的有利实施方式中，在排气管线上存在氢传感器，以检测用于燃料电池燃料的供应管线中的任何泄漏。氢传感器优选地设置在排气管线的一端上，该端部由于处在该位置中而朝向为远离燃料电池，作为冲洗排气管线与供应管线之间的空间的结果，自供应管线散出的所有氢被输送至排气管线的端部。

在优选实施方式中，燃料电池为PEMFC（质子交换膜燃料电池）型的低温燃料电池或高温PEMFC型的燃料电池。这种燃料电池是成熟的并且适于进行常规操作，特别是车辆上的常规操作。优选地，燃料电池能够充当大约60℃至80℃的温度范围内的低温燃料电池。作为对此的替代方案，燃料电池还能够充当大约120℃至大约300℃的温度范围内的高温燃料电池。

在本发明的有利实施方式中，来自周围环境的空气用作氧源并且被输送至燃料电池的阴极。通过利用周围空气中的氧含量，出现了强的贫氧空气，其在出现的工艺水的可能的冷凝出之后被运输至排气管线，使得能够防止可燃氢-空气混合物产生。在从上述的例外中，排气的某些组分能够用来致使车辆的燃料罐、车辆的货舱、或例如飞行器的电子设备舱的更高级别系统的其他区域无效。为了达到这种效果，水的先前冷凝出和随后的干燥是必需的。

另外，在本发明的其他有利实施方式中，风扇设置在壳体中，以加强壳体的冲洗。在飞行器中使用根据本发明的燃料电池系统的情况下，由于作为壳体的内部与飞行器的周围之间不存在压力差的结果，排气管线上不存在吸入作用并因此借助于喷嘴的被动冲洗可能并不足够有效，因而特别是在地面上的时间期间这种风扇是有利的。

此外，本发明的目的通过在飞行器中使用具有上面提到的特征的燃料电池系统来满足。

最后，该目的还通过具有用于燃料电池燃料的供应单元以及具有根据上面提到的特征的燃料电池系统的飞行器来满足。

附图说明

在对示例性实施方式以及附图的以下描述中公开了本发明的另外的特征、优点以及应用选项。所有描述的和/或示出的特征即使不考虑它们在独立权利要求中的组成或它们之间的相互关系，也可自身以及以任何组合形成本发明的主题。此外，附图中相同或相似的对象具有相同的附图标记。

图1示出了根据本发明的燃料电池系统的第一变型的示意图。

图2示出了根据本发明的燃料电池系统的第二变型的示意图。

图3示出了包括根据本发明的燃料电池系统的飞行器。

具体实施方式

图1示出了包括壳体4的燃料电池系统2，该壳体4中设置有燃料电池6。排气管线10连接在阴极侧8上，该排气管线10从阴极侧8朝向外侧延伸穿过壳体内的开口12。

从外侧延伸到壳体4的内部中的供应管线14延伸过排气管线10内的大部分部段。排气管线10包括远大于供应管线14的直径。因此，在供应管线14与排气管线10之间形成空间16，该空间16中出现来自燃料电池6的阴极侧8的排气。

排气管线10包括开口18，供应管线14借助于要被密封的弹性套筒20穿过开口18到达壳体4的内部，该套筒20夹紧供应管线。在这一点上，所述供应管线14能够将燃料电池燃料供应至燃料电池6（未图示）。

在壳体4的内部中，供应管线14能够被设计成弹性软管管线等，通过由塑料或金属材料制成的单件或两件插入式或螺旋式管接头22能够将弹性软管管线等连接至更硬的管24，该管接头22以形状配合锁定的、一体的、或力配合锁定的方式连接至供应管线14，该管24例如直接连接至氢罐或连接至重整装置的输出端，其中，该重整装置从氢基燃料产生以氢为基础的气态燃料电池燃料。氢罐可既包括液态氢又包括气态氢，其中，液态氢在被供应至燃料电池之前通过来自任何期望的合适热源的热量输入而被汽化。供应管线14优选地已经由弹性体制成，并且根据出现的压力和温度，供应管线14包括相应的添加剂和/或增强纤维。为了处理更高的压力和更大的温度波动，特别地，该管能够由金属材料制成。

此外，排气管线10通过管接头26连接至排气管道28，排气管道28从壳体4外侧的一点处进一步朝向外侧延伸。管接头26能够由塑料或金属材料制成并且应当具有足够的耐压性和紧密性，以及应当能够承受例如在飞行器中的示出的燃料电池系统2的使用中出现的振动和位置位移/公差。有意义的是将管接头26设计为插入式或螺旋式快速连接管接头，该快速连接管接头在压力下以及在无载状态下包括互锁元件或夹紧元件以提供足够的连接安全性。

此外，在示出的图中，燃料电池系统2中存在具有第一端部32和第二端部34的吸入管线30，其中，第一端部32设置在排气管线10中或排气管道28中，并且第二端部34设置在壳体4的内部4的内侧以及排气管线10的外侧。此外，作为示例，文丘里喷嘴36可选地设置在第一端部32上，文丘里喷嘴36至少在某些部段是圆锥形的或呈截锥形状，文丘里喷嘴36在排气从排气管10流动时在吸入管线30的第一端部32处产生负压，使得来自壳体4的空气通过第二端部34吸入到排气管线10或排气管道28中。以这种方式，只要继续确保足量的空气能够流到壳体4中就能够实现壳体4的完全被动冲洗。这能够通过壳体开口35实现，供气管线能够可选地连接至壳体开口35，该壳体开口35与环境或空气调节系统流体连通。

此外，被设计为切换阀的清洗阀38设置在排气管线10上，清洗阀38设计成从燃料电池冲洗掉氢气的惰性气体组分以及出现的任何水，或设计成释放燃料电池6的阳极侧（图中未示出）上的超压。为了达到这个效果，清洗阀38以可切换的方式将阳极侧连接至排气管线10并且能够通过调节或控制单元40被控制。

为了监控壳体4内的任何氢浓度，有意义的是，使用至少一个氢传感器42，所述至少一个氢传感器42设置在壳体4上并且测量壳体的自由设计容积中的氢浓度。如果被检测到过大的氢浓度，则将必须冲洗壳体4或加强壳体的冲洗，或只要冲洗壳体4不足以置换氢就关闭燃料电池系统2。

除了这些之外，通过另外的氢传感器44可以检测氢管线14或氢管线24是否泄漏，并且因此氢进入排气管线10或排气管道28。由于作为排气在燃料电池6的运行期间不断地流出的结果，氢总是沿管24的方向运输或被运输到排气管道28的出口（未图示），因此有意义的是，更适合沿排气的远离燃料电池系统2的流动的方向附加额外的氢传感器44。

只要氢传感器42和44中的一者检测到壳体中或排气管线10中的氢浓度不再对应于正常最小值，就能够通过额外的、积极的通风安全地防止在排气管线10与供应管线14之间的空间内或壳体4内产生可燃混合物的情形。

图2示出了根据本发明的燃料电池系统46，除燃料电池系统46包括壳体4中的额外的风扇48之外，该燃料电池系统46基本上对应于图1的根据本发明的燃料电池系统2。所述风扇48可通过马达50驱动并且可包括风扇壳体52，该风扇壳体52在一个端部上包括进气口54，该进气口54选择性地包括流量调节装置56，并且风扇壳体52的另一个端部通过阀57选择性地连接至排气管线16。

图3示出了飞行器58，其中设置有燃料电池系统2，并且燃料电池系统2连接至燃料供应单元60，燃料供应单元60能够例如设计为用于低温形式的氢的燃料容器，或设计为用于从煤油获得氢的重整单元。优选地，燃料电池4设置在飞行器58的加压区域中，该加压区域沿纵向方向设置在耐压舱壁62的前面。燃料供应单元60优选地在飞行器的非加压区域中设置在耐压舱壁的后面。通过将排气管线10从加压区域布置到非加压区域，除由流出反应气体造成的压力之外，另外负压作用在排气管线10上，该负压显著地改善了输送排气穿过排气管线，从而显著提高了冲洗效果。

另外，应当指出的是，“包括”并不排除其他元件或步骤，并且“一种”或“一个”不排除复数。此外，应当指出的是，已经参照以上示例性实施方式中的一个示例性实施方式描述的特征或步骤还能够与上述其他示例性实施方式的其他特征和步骤组合使用。权利要求中的附图标记不应被解释为限制。

附图标记

2   燃料电池系统

4   壳体

6   燃料电池

8   阴极侧

10  排气管线

12  开口

14  供应管线

16  空间

18  开口

20  套筒

22  管接头

24  管道

26  管接头

28  排气管道

30  吸入管线

32  第一端部

34  第二端部

35  壳体开口

36  文丘里喷嘴

38  清洗阀

40  调节或控制单元

42  氢传感器

44  氢传感器

46  燃料电池系统

48  风扇

50  马达

52  风扇壳体

54  进气口

56  流量调节装置

57  阀

58  飞行器

60  燃料供应单元

62  耐压舱壁

Claims (11)

1.一种燃料电池系统（2、46），包括：

-燃料电池（6），所述燃料电池（6）具有围封所述燃料电池（6）的壳体（4）；

-用于燃料电池燃料的供应管线（14）；以及

-用于燃料电池排气的排气管线（10），

其中，所述供应管线（14）在所述排气管线（10）中延伸，并且所述排气管线（10）围封所述供应管线（14）并同时形成空间（16）。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统（2、46），其中，所述排气管线（10）连接至所述燃料电池（6）的阴极。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统（2、46），还包括具有第一端部（32）和第二端部（34）的吸入管线（30），其中，所述第一端部（32）设置在所述排气管线（10）中并且包括沿排气流的方向朝向的开口，并且其中，所述第二端部（34）在所述壳体（4）中设置在所述排气管线（10）外侧。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统（2、46），其中，在所述第一端部（32）上设置有文丘里喷嘴（36），所述文丘里喷嘴（36）设计成借助于移动经过的流出排气从所述壳体（4）吸入空气。

5.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统（2、46），还包括清洗阀（38），所述清洗阀（38）连接至所述燃料电池（6）的阳极并连接至所述排气管线（10）。

6.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统（2、46），还包括氢传感器（42、44），所述氢传感器（42、44）设置在所述壳体（4）的内侧。

7.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统（2、46），其中，所述燃料电池（6）为PEMFC型的低温燃料电池或高温PEMFC型的燃料电池。

8.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统（2、46），还包括供气管线，所述供气管线设计成将空气从周围环境输送至所述燃料电池（6）。

9.根据前述权利要求1至8中任一项所述的燃料电池系统在飞行器中的用途。

10.一种飞行器（58），包括根据前述权利要求1至8中任一项所述的燃料电池系统（2、46）以及用于向所述燃料电池（6）提供燃料的至少一个燃料供应单元（60）。

11.一种飞行器（58），其中，燃料电池系统设置在所述飞行器（58）的加压区域内，并且燃料供应单元（60）设置在所述飞行器（58）的非加压区域中。

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