用于供应饮用水和氧气的燃料电池系统的制作方法

专利名称：用于供应饮用水和氧气的燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于g空器或重航空器供应饮用水和氧气的燃料电池系统、 包括用于供应饮用水和氧气的燃料电池系统的航空器、以;M目应的用于供 应饮用水和氧气的燃料电池系统在航空器中的应用。
背景技术：
在常规民用航空器中，供应给乘客的饮用水存储在航空器上的存储 罐中并且在飞行过程中从这些存储罐分配给乘客。这意味着，所需的全 部体积的水必须在起飞之前装入所述罐中并通过发动机的能量提升到飞行高度。另外，在飞行高度乘客需要用于呼吸的足量空气，所述空气通过航 空器的空调系统供给。空调系统从发动机的压缩机段吸取压缩空气，因 此需要用来自发动机的能量获取压缩空气。为了使乘客能够在机舱中自由移动，航空器设置有所谓的加压机 舱，加压机抢使空气压力维持在人体器官能够忍受的水平。通常，这种 加压机抢在大约750hPa的压力水平下运行。该压力水平大致对应于海 拔2450米处的空气压力。在海拔10000米处平均的外部压力大约为 260hPa,这意味着外部压力与机艙内维持的压力之间存在大约490hPa 的压差。机抢必须在结构上适应或吸收该压差。对于现代民用航空器来说，所追求的平均飞行高度是大约12000米。 在该高度，平均的外部空气压力是大约190hPa。由此，在常规设计方案中，机舱压力与外部空气压力之间将会产生大约560hPa的压差。该 压差需要附加措施以加强机艙结构，这又意味着附加的重量以及由此而 增加的整体燃料消耗。发明内容本发明的目的是提供一种用于向飞行器供应饮用水和氧气的高效 系统。该需要可通过根据独立权利要求的特征的用于给飞行器或重航空器 供应饮用水和氧气的燃料电池系统、包括用于供应饮用水和氧气的燃料电 池系统的飞行器以及相应的供应饮用水和氧气的燃料电池系统在飞行器 中的应用来满足。根据本发明的实施方式，上述需要可通过一种用于给航空器供应饮 用水和氧气的燃料电池系统来满足，所述燃料电池系统包括燃料电池和电 解槽。电解槽进一步包括空气阴极并联接到燃料电池。燃料电池和电解槽 设计为使得燃料电池输出的能量保障电解槽的能量需求。本发明的示例性实施方式的基本理念是燃料电池和包括空气阴极 的电解槽一一即形成具有空气阴极的电解槽一一连接在一起而形成燃 料电池系统，从而燃料电池可用作电解槽的能量供应源。优选地，燃料 电池与电解槽的关系设计为使得燃料电池保障电解槽的全部能量需求。根据本发明示例性实施方式的燃料电池系统可以形成一种将航空器 机抢的不同供给需求集成起来的系统。 一方面，这种高集成度系统可用于 产生纯氧。氧气通过电解槽产生，并且该氧气可用于增加诸如航空器的 飞行器中的乘客和机组人员的呼吸空气中的氧气分压，即改变氧气和氮 气中氧气所占的百分比。以此方式，可以减小机艙压力，机艙压力的减 小又可以抵消在飞行高度增加的情况下描述的倾向，因为在机抢上作用 了较小的机械应力，因此可以减小结构部件的重量。例如，通过增加机 舱空气压力的氧气分压，可以获得大约600hPa的值，这意味着在大约 4卯hPa的上述常规压差下可以实现大约15500米的飞行高度，而不用 进行额外的结构加强以及增加相关的重量。而且，在保持目前的常规飞 行高度的情况下，可以相应地制作更轻的机舱结构。两种情况都有助于 大幅度地节省燃料。可替代地，在将机抢压力保持为常规的750hPa的同时还可以增加乘客的舒适度，因为氧气分压增加的同时二氧化碳分压减小(C02分压 减小)。医学上认为呼吸空气中的C02值增加是头痛、身体不适以及乘 客中发生攻击行为的可能性略微增加的可能原因之一。为了节省重量，也可以不将饮用水存储在存储罐中并带到飞行高 度，而是在燃料电池中通过氢气和氧气来合成，并且所制成的水可供乘 客享用，即仅需存储氢气。因此，本发明的一个优点是燃料电池系统可 以生产淡水，用于供给当今的飞行器-尤其是航空器上的用水单元。这些 用水单元是例如洗漱区域、厕所以及机载厨房。然而，才艮据本发明的燃料 电池系统也可以为诸如淋浴器、空气加湿系统以及自动饮料售货机等未来 可能的用水单元提供淡水。该燃料电池系统可以特别是减小航空器起飞以 及爬升过程中的水负载。这可以大大节省重量，因此可以减小特别是除其它飞行阶段之外的 爬升阶段的能量需求，因此可以大幅度地减小燃料需求。还可以持续提 供既定质量的水。能够从其它独立权利要求和从属权利要求中得出本发明的其它目 的、实施方式以及优点。下文将更详细地描述燃料电池系统的实施例。在示例性实施方式中，燃料电池包括阳极侧和阴极侧，并且电解槽 包括阳极侧和阴极侧。而且，电解槽的阴极侧联接到燃料电池的阴极侧。在如此联接的情况下，湿气可以作为离析气体直接从电解槽的阴极 侧传输到燃料电池的阴极侧或者混合入阴极反应所需的空气流。来自电 解槽的阴极废气可以被冷凝，并且阴极反应形成的水可以传输到燃料电 池的阴极空气流。在电解槽的阴极侧，在这种情况下，优选地根据下列反应方程发生 反应1/202(空气)+ 2/T(膜)+ 2e-- > //20(液体) 同时在电解槽的阳极侧，优选地根据下列反应方程发生反应//20(液体)—> 1 / 2C>2 (超纯)+ 2/T (膜)+ 。在燃料电池系统的可替代示例性实施方式中，燃料电池包括阳极侧和 阴极侧，并且电解槽包括阳极侧和阴极侧。而且，电解槽的阴极侧联接 到燃料电池的阳极侧。通过电解槽与燃料电池的这种连接，可以减小电解槽的外部氢气需 求，因为穿过电解槽的膜到达阴极侧的氢气可以传输到燃料电池的阳极 侧。在另一示例性实施方式中，燃料电池设置为使得氢气或重整气能够 传输到阳极侧。利用这种设置，包括氢气和二氧化碳的氢气或重整气可以作为燃烧 气体传输到阳极侧。在燃料电池系统的另一示例性实施方式中，电解槽设置为使得来自飞 行器机舱的空气能够传输到阴极侧。利用这种设置，来自电解过程并穿过电解槽的膜到达阴极侧的氢与 机舱空气中的氧结合并因此加湿机舱空气，该机舱空气可以作为离析气 体传输到燃料电池。在另一示例性实施方式中，燃料电池系统还包括热交换器。该热交换 器设置为使得其冷却从燃料电池的阴极侧输出的空气。这使得可以冷却燃料电池的阴极侧废气，因此可以冷凝燃料电池中 产生的水。该水可以存储在水罐中并且随后可以用作供应给航空器中的 用水单元的淡水。在另一示例性实施方式中，燃料电池系统还包括附加的热交换器，其 中，该附加的热交换器设置为使得其冷却从电解槽的阳极侧输出的空气。因而，可以对电解槽的阳极侧输出的空气进行第一次氧气/水分离，即对该输出或排出空气进行第一次干燥。在该过程中收集的水可以回传 到电解槽的阳极侧。在另一示例性实施方式中，燃料电池系统还包括冷却回路，该冷却回 路联接到燃料电池以冷却燃料电池。这种冷却回路可以以例如外界或环境空气作为冷却介质在航空器中操 作和应用，以便对燃料电池进行任何可能需要的冷却。在燃料电池系统的另一示例性实施方式中，燃料电池是低温燃料电池，优选的是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。根据本发明，燃料电池 还能够替代性地设计成任何其它公知类型的燃料电池。这种低温燃料电 池可以设计为使得其能够在例如601C到8on之间的温度范围内运行。在燃料电池系统的另 一示例性实施方式中，燃料电池是高温PEM燃 料电池的燃料电池。根据本发明，作为替代性方式，该燃料电池还能够 设计成任何其它公知类型的燃料电池。这种高温PEM燃料电池可以设 计为使得其能够在例如1201C到300X:之间的温度范围内运行。在燃料电池系统的另一示例性实施方式中，电解槽设计成具有催化 剂的聚合体膜电解槽。作为替代性方式，该电解槽能够设计成适应于下游燃料电池的温度水平的另 一类型的电解槽。在另一示例性实施方式中，燃料电池系统还包括多个燃料电池和多个 电解槽。由于设置有多个燃料电池和多个电解槽，因此可以提供任何期 望性能的能量或氧气。在燃料电池系统的另一示例性实施方式中，燃料电池和电解槽连接 而形成堆叠组件，并且电解槽由直接来自燃料电池的能量供能。在这种情况下，电解槽和燃料电池可以变成单个堆叠组件，即电解 槽和燃料电池结合成一+机械相连的独立部件，这能够节省线缆材料。在燃料电池系统的另 一示例性实施方式中，燃料电池与电解槽之间 的能量比选择为使得燃料电池的能量输出精确地对应于电解槽的能量 需求。换句话说，燃料电池输出的能量选择为使得燃料电池仅能供给电 解槽，而不会产生任何多余的能量，即，燃料电池的电力输出与电解槽 的电能需求精确匹配并且产生纯氧和水产物。在这种情况下优选地仅通 过引入的介质，即水、氢气以及机枪空气束实现系统控制，因此可以省却用于调节从燃料电池输出给机载电网的能量的电力调整器和变压器。 如果这种燃料电池系统被整合或集成而形成单个堆叠组件，则以这种方式省却了所有外部连接，可以节省线缆材料。根据燃料电池系统的另一示例性实施方式，燃料电池与电解槽之间 的能量输出比选择为使得燃料电池的能量输出精确地对应于电解槽以 及燃料电池系统的所有必需的辅助设备的能量需求。换句话说，与电解 槽的能耗相比燃料电池产生了多余能量，该多余能量的大小足以使燃料 电池系统的诸如泵或压缩机的所有外部能耗单元运行，即燃料电池系统能 够保障自身的能量需求。其还可以为其重整装置供应水以便产生用于燃料 电池的燃烧气体。这种设计还使得可以省却用于调节从燃料电池输出给 机载电网的能量的电力调整器和变压器。根据燃料电池系统的另一示例性实施方式，燃料电池与电解槽之间 的能量比选择为使得燃料电池的能量输出高于电解槽以及燃料电池系统 的所有必需的辅助设备的能量需求。优选地，燃料电池系统包括功率逆变 器和电压转换器或变压器，从而逆变器和变压器设计为使得来自燃料电池 的能量能够馈送到飞行器的机载电网内。这使得能量可以传输到飞行器的机载电网。关于这一点，限制参数 可以是燃料电池的湿度需求，该湿度需求可以由电解槽来满足。从下列事实能够看到本发明的第一个示例性方面本发明提供一种用于为航空 器的机载需求产生氧气和淡水的装置，该装置由电解槽和燃料电池组成 或包括电解槽和燃料电池，并且电解槽与燃料电池的能量比选择为使得 电解槽的电能需求由燃料电池提供的电能保障，另外，所有必需的辅助 设备的能量需求都被完全保障，并且不向航空器的机载电网馈入任何电 能。在这种情况下，电解槽通过在阳极处将水电解分离成氢气和氧气来 产生氧气并通过将氢气与从航空器机舱引入阴极侧的空气中包含的氧 气重新结合而产生水来加湿下游的燃料电池。优选地，燃料电池是 PEMFC型低温燃料电池并且/或者电解槽是基于具有催化剂的聚合体 膜的电解槽。电解槽还包括空气阴极，即电解槽设计成具有空气阴极的 电解槽。在第一方面的示例性实施方式中，电解槽与燃料电池能够结合而形成 堆叠组件，其中电解槽由来自燃料电池的能量直接供能，并且来自电解槽 的离析气体"湿气"直接供给燃料电池的阴极侧，并且传输到燃料电池的 阳极侧的燃烧气体包括氳气或由氢气和二氧化碳形成的重整气。从下列事实能够看到本发明的第二个示例性方面本发明提供一种 用于为航空器的机载需求产生氧气和淡水的装置，其中，该装置由电解槽和燃料电池组成或包括电解槽和燃料电池，并且电解槽与燃料电池的 能量比选择为使得电解槽的电能需求由燃料电池的电能保障，另外，多 余能量馈送到航空器的机载电网内。在这种情况下，电解槽通过在阳极 处将水电解分离成氢气和氧气来产生氧气并通过将氢气与从航空器机 舱引入到阴极侧的空气中包含的氧气重新结合而形成水来加湿下游的燃料电池。优选地，燃料电池是PEMFC型低温燃料电池并且/或者电 解槽是基于具有催化剂的聚合体膜的电解槽。电解槽还包括空气阴极， 即电解槽设计成具有空气阴极的电解槽。在该第二方面的示例性实施方式中，电解槽与燃料电池能够结合在 一个堆叠组件中，其中电解槽由直接来自燃料电池的能量供能，并且来 自电解槽的离析气体"湿气"直接供给燃料电池的阴极侧，并且传输到燃料电池的阳极侧的燃烧气体包括氢气或由氬气和二氧化碳形成的重 整气。在该第二方面的另一示例性实施方式中，可设置用于将能量馈送到 机载电网内的逆变器和变压器，所述逆变器和变压器连接在燃料电池和 馈入点之间并用于调节从燃料电池输入机载电网的电能的电压、电流和 频率。从下列事实能够看到本发明的又一个示例性方面本发明提供一种 由具有不同效应模式的两个部分组成的燃料电池系统。在这种情况下， 第一部分是以空气和氢气运行的燃料电池，优选的是诸如质子交换膜燃料 电池(PEM燃料电池)的低温燃料电池，而第二部分是电解槽，优选 的是诸如质子交换膜电解槽的低温电解槽。从原理上来说燃料电池和电 解槽是相似的。主要差别仅在于催化剂的类型。在这种情况下电解槽与 燃料电池之间的尺寸比或者换句话说其能量输出比取决于预期应用的 类型，即燃料电池是仅用于给电解槽供应电能还是也给燃料电池系统的 附加辅助设M应电能，或者是否燃料电池还额外用于给机载电网馈送 电能。电解槽还包括空气阴极，即电解槽设计成具有空气阴极的电解槽。从下列事实能够看到本发明的又一个示例性方面本发明提供一种 用于为航空器的机载需求产生氧气和淡水的装置，其中，该装置由电解 槽和燃料电池组成或包括电解槽和燃料电池，并且电解槽与燃料电池的 能量比选择为使得电解槽以及额外的所有必需的辅助设备的电能需求 完全由燃料电池保障，并且不向航空器的机载电网内馈入任何能量。在这一点上，电解槽可用于通过在阳极处将水电解分离成氢气和氧气来产 生氧气，其中所产生的氢气传输到下游燃料电池的阳极侧。优选地，该燃料电池是在大约60x:到80c之间的温度范围内运行的pemfc型低温燃料电池，或者是在大约120x:到300n之间的温度范围内运行的 pemfc型高温燃料电池。此外，电解槽能够是基于具有催化剂的聚合 体膜的电解槽。在该方面的示例性实施方式中，电解槽和燃料电池能够结合而形成 堆叠组件，其中电解槽由直接来自燃料电池的能量供能，并且在阳极侧 传输到燃料电池的燃烧气体包括氢气或由氢气与二氧化碳形成的重整 气。从下列事实能够看到本发明附加的示例性方面本发明提供一种用 于为航空器的机载需求产生氧气和淡水的装置，其中该装置由电解槽和 燃料电池组成或包括电解槽和燃料电池，并且电解槽与燃料电池的能量 比选择为使得电解槽的电能需求由燃料电池提供的电能保障，另外，富 余能量馈送到航空器的机载电网内。还可以分成两种不同的系统 一种 系统通过将所产生的氢气与来自机舱的空气中的氧气重新结合而对燃 料电池进行空气加湿，另 一种系统通过湿热交换器对燃料电池进行空气 加湿，但是对于该系统来说所产生的氢气传输到燃料电池的阳极。这些 情况能够单独考虑。作为替代形式，燃料电池可以是除pemfc之外的 另一类型的燃料电池，其中，该其它类型的燃料电池能够以燃料氢气或 重整气在阳极侧运行。此外，电解槽能够是基于具有催化剂的聚合体膜 的电解槽，或者是适应于下游燃料电池的温度水平的另一类型的电解 槽。在该附加方面的示例性实施方式中，电解槽和燃料电池能够结合而 形成堆叠组件，其中电解槽由直接来自燃料电池的能量供能，并且在阳 极侧传输到燃料电池的燃烧气体包括氢气或由氢气与二氧化碳形成的 重整气。此外，优选地设置有逆变器或变压器，用于将能量馈送到机载 电网内，这些逆变器或变压器连接在燃料电池和馈入点之间并用于调节 从燃料电池输入机载电网的电能的电压、电流以及频率。应当清楚，已参照上述示例性实施方式之一或上述示例性方面之一 描述的特征或步骤也能够与上述其它示例性实施方式或示例性方面的 其它特征或步骤结合使用。


下文将基于实施例并参照附图更详细地描述本发明。图1示出根据本发明的一种示例性实施方式的燃料电池系统的示意图。图2示出根据本发明的另 一种示例性实施方式的燃料电池系统的概略图。
具体实施方式
在下面对附图的描述中，相同或相似的参考标号用于相同或相似的 元件。图1示出根据本发明的一种示例性实施方式的用于给航空器供应饮 用水和氧气的燃料电池系统的概略图。如从图1中能够观察到的，燃料系 统100包括具有阳极侧102和阴极侧103的燃料电池101。燃料电池101 设计成质子交换膜燃料电池(PEMFC )。膜104示意性地示出在阳极侧102 和阴极侧103之间。燃料电池101的阳极侧102示出具有阀106的馈送管 线105和具有阀108的排放管线107。燃料电池101的阴极侧103包括馈 送管线109和具有阀111的排放管线110。优选地，馈送管线109另外还 联接到图1中未示出的附加空气输送管线。排放管线110联接到燃料电池 系统100的第一热交换器112。第一热交换器112还联接到冷凝物排放装 置113，冷凝物排放装置113 —方面连接到用于存储在第一热交换器112 中冷凝的水的存储罐U4。存储罐114设置有排放管线115，当存储罐U4 中的水过多时排放管线115通过阀116用作流出口。另外，冷凝物排放装 置113经由过滤器117连接到出口 118,外逸的空气能够经由出口 118离 开航空器-即航空器的加压枳i抢。此外，燃料电池系统100还包括具有阳极侧120和阴极侧121的电解 槽119。电解槽119的阴极侧121设计成所谓的空气阴极并包括馈送管线 122，馈送管线122经由阀123和过滤器124联接到入口 125，空气能够通 it^口 125从加压机艙引入电解槽119的阴极侧121。电解槽119的阴极 侧121的排放管线126联接到燃料电池101的阴极侧103的馈送管线109。 电解槽119的阳极侧120的排放管线127联接到第二热交换器128，第二 热交换器128包括经由第三热交换器130和泵131联接到出口的气体排放管线129，氧气能够通过所述出口引入加压机艙。第二热交换器128用于 将电解槽119的阳极侧120的水/氧气混合物分离成氧^l/水。第二热交换器 128的^#放管线132经由循环泵133和阀134联接到电解槽119 P日极侧 120的入口。此外，第二热交换器128包括水入口 135，水入口 135经由阀 136、泵137以及另 一阀138联接到存储罐114的出口 。存储罐114的出口 另外还经由阀139和泵140联接到航空器的饮用水系统。此外，燃料电池系统100还包括连接到航空器外部的空气的冷却回路 141。冷却回路141用于冷却第一热交换器112、第二热交换器128、第三 热交换器130以及燃料电池101。下文将更详细地描述图1中示出的燃料电池系统的功能。水从用作水存储容器的存储罐114传输到电解槽119并且/或者通过泵 133经由第二热交换器128从水回路传输到电解槽119。通过给电解槽119 施加电压，員分解为2H和O，即氢和氧。以此方式获得的氧原子形成 氧分子02并经由第二热交换器128运送以及经由航空器的空调系统的通 风装置传输，然后所述氧气为积i抢和乘^l供氧气比例增高的呼吸空气。电解槽119在阴极侧被供给来自机艙的排放空气。由于整个系统中在 机抢与外部空气之间存在压差，所以机抢空气得以传送。在电解槽119的 阴极121处，来自电解过程的已经穿过电解槽119的膜从阳极120到达阴 极121的氢与机艙空气中包含的氧结合而形成水，所述水导致流过电解槽 的机抢空气被加湿。来自电解槽119的主要包含N2、 02和1120的湿空气 现在被传输到燃料电池IOI的阴极103。另外，如果附加进气管线联接到 管线109，附加的空气便能够传输到燃料电池101的阴极侧。在阳极102 处施加氢气，同时施加例如由电解槽提供的电力负载-即电能消耗单元， 形成了附加的水。随后来自燃料电池排放空气的所有7jC分在第一热交换器 112中冷凝出来。冷凝出来的部分水经由罐114和泵137传输到电解槽的 阳极侧，以^f更再次补充该位置缺失的水，水的缺失是根据下列反应方程式 发生的//20(液体)-〉1 / 202 (超纯)+ 2/T (膜)+ 阳极的7jC缺失量等于阴极的水生产量。为了冷却所述系统，采用了冷却回路，该冷却回路使用外部空气作为初级冷却介质，并将作为次级冷却介质的冷却液经由图1中示出的管道系 统泵送到相应的热交换器。原则上需要的所述热交换器一方面是冷却器、第三热交换器130、第二热交换器128和第一热交换器U2，冷却器将来自 冷却回路的废热排放到外部空气中，第三热交换器130负责将氧气干燥到 空调系统可能需要的残余含水量，第二热交换器128的作用是冷却阳极水 回路，第一热交换器112的作用是冷凝燃料电池101的阴极排放空气中存 在的水气。第一热交换器112处产生的冷凝物经由冷凝物排放管线113传 输出去并传输到存储罐114，存储罐114用作中间存储罐的緩沖罐，冷凝 物M储罐114传输出来作为^享用的饮用水或者用作电解槽119的水 源。除此之外，冷却回路还能够设置有附加的热交换器，所述附加的热交 换器具有对航空器中的各种系统部件进行加热的功能，例如保护水罐不会 结水。作为上述流体冷却介质的替代物，也可以采用气态冷却介质、流体与 气态冷却介质的组合或者总体状态在加热时从液体变为气态在冷却时从 气态变为液体的冷却介质。在釆用改变其总体状态的冷却^h质的情况下， 冷凝温度和沸点温度选择为使得它们介于热交换器的高温侧温度和低温 侧温度之间，即冷却介质的总体状态在热交换器中变化。图2示出根据本发明另一种示例性实施方式的用于给航空器供应饮 用水和氧气的燃料电池的概略图。然而，与图1中的示例性实施方式不同 的是，在图2中的示例性实施方式中，电解槽的阴极侧联接到燃料电池的 阳极侧。如从图2中能够观察到的，燃料电池系统200包括具有阳极侧202 和阴极侧203的燃料电池201。燃料电池201设计成质子交换膜燃料电池 (PEMFC )。膜204以示意性方式示出在阳极侧202和阴极侧203之间。 燃料电池201的阳极侧202包括具有阀206的第一输送管线205和具有阀 208的第二输送管线207。燃料电池201的阴极侧203包括输送管线209和排放管线210，输送 管线209和排放管线210都联接到湿热交换器250, 4吏得湿气和/或热量交 换在阴极侧203的空气入口与阴极侧203上的空气排放口之间进行。为此， 阴极侧的输送管线209联接到湿热交换器250的第一侧251,同时输送管 线209代表湿热交换器250的第一排放管线。湿热交换器250第一侧上的 湿热交换器250的第一输送管线252经由阀253联接到客艙，使机抢空气能够传输到湿热交换器250。此外，为了实现阴极侧203的^空气与阴 极侧203的排放空气之间的湿气和/或热量交换，阴极侧203的排放管线 210联接到湿热交换器250的第二侧253。湿热交换器250第二侧254的第 二排放管线255联接到燃料电池系统200的第一热交换器212。第一热交换器212联接到冷凝物排放管线213，冷凝物排放管线213 一方面连接到用于存储在第一热交换器212中冷凝出的水的存储罐214。 存储罐214设置有排放管线215,当存储罐214中的水过多时排放管线215 通过阀216用作流出口。此外，冷凝物排放管线213经由过滤器217连接 到出口 218，外逸空气能够经由出口 218离开航空器-即航空器的加压机 舱。此外，燃料电池系统200包括具有阳极侧220和阴极侧221的电解槽 219。电解槽219的阴极侧221设计成所谓的空气阴极并包括第一排放管线 222，如果需要第一排放管线222能够通过阀223用作氢气排放装置。电解 槽219的阴极侧221的第二排放管线联接到燃料电池201阳极侧202的第 二输送管线207，并且还用于将电解槽219中产生的氲气作为燃料传输到 燃料电池201。电解槽219阳极侧220的排放管线227联接到第二热交换 器228，第二热交换器228包括经由第三热交换器230和泵231联接到出 口的气体排放管线229，氧气能够经由所述出口传输到加压机抢。第二热 交换器228用于将电解槽219阳极侧220的水/氧气混合物分离成氧^/水。 第二热交换器228的7jc排放管线232经由循环泵233和阀234联接到电解 槽219阳极侧220的入口。此外，第二热交换器228包括7JC入口 235，水 入口 235经由阀236、泵237以及另一阀238联接到存储罐214的出口 。 存储罐214的出口另外还经由阀239和泵240^t接到航空器的饮用水系统。此外，燃料电池系统200还包括具有冷却器242的冷却回路241，冷 却器242与航空器外部的空气相连通。冷却回路241用于冷却第一热交换 器212、第二热交换器228、第三热交换器230以及燃料电池201。图2中以箭头示意性地示出用于燃料电池系统200的多条输送和排放 管线。排放管线260代表排水口并且输送管线261代表用于燃料电池阴极 侧的机抢空气入口 ，而输送管线262是用于燃料电池阳极侧的氢气馈入口 . 此外，排放管线263示意性地代表氢气排放口 ，如果需要氢气能够通过排 放管线263从电解槽的阴极侧输出。排放管线264代表饮用水出口，水能 够通过排放管线264从緩冲罐214传输到航空器的饮用水系统。排放管线265示意性地代表电解槽中产生的氧气能够通过其传输到航空器的空调系 统的出口 。排放管线266代表排放空气在需要时能够通过其从燃料电池的 阴极侧传输到航空器外的排放管线。最后，输送管线267示意性地代表环 境空气能够通过其传输到冷却回路241的输送管线。图2中的燃料电池系统的功能与图1中的燃料电池系统的功能相似。 因此，此处仅考虑燃料电池系统200中的不同之处。图2中的燃料电池系统200与图1中的燃料电池系统100的一个实质 性差别在于电解槽的阴极侧联接到燃料电池的阳极侧。因而，电解槽中产 生的氢气能够传输到用于产生能量的燃料电池，因此能够减小燃料电池的 外部氢气需求。为了能够确保燃料电池的阴极侧有湿度足够的空气，图2 中的燃料电池系统200包括附加的湿热交换器250，燃料电池中产生的部 分水通过湿热交换器250再次传输到燃料电池阴极侧的进入空气中。剩余 部分的水如图1的实施例一样被冷凝出来。此外，在图2的实施例中，机 舱空气没有像图1的实施例的情况那样提供给电解槽的阴极侧，而是经由 湿热交换器传输到燃料电池的阴极侧。然而，图2的实施例中的电解槽的 阴极侧除了两条排放管线不包括任何输送管线，其中一条排放管线用于将 氢气传输到燃料电池的阳极侧，相反第二条排放管线在需要时用于输出任 何多余的氢气。作为补充，应当清楚，"包括"不排除任何其它元件或步骤，并且"一" 或"一种"不排除复数的情形。还应当清楚，已参照上述示例性实施方式 之一描述的特征或步骤也能够与上述其它示例性实施方式的其它特征或 步骤结合使用。权利要求中的参考标号不具有限制性。
权利要求
1.一种用于给飞行器供应饮用水和氧气的燃料电池系统(100、200)，所述燃料电池系统(100、200)包括燃料电池(101、201)；以及电解槽(119、219)，其中，所述电解槽(119、219)包括空气阴极并联接到所述燃料电池(101、201)，并且所述燃料电池(101、201)和所述电解槽(119、219)设计为使得所述燃料电池(101、201)输出的能量保障所述电解槽(119、219)的能量需求。
2. 根据权利要求l所述的燃料电池系统(100),其中，所述燃料电池(101)包括阳极侧(102)和阴极侧(103)， 所述电解槽(119)包括阳极侧(120)和阴极侧(121),并且 所述电解槽(119)的阴极侧(121)联接到所述燃料电池(101)的阴 极侧(103 )。
3. 根据权利要求2所述的燃料电池系统(100)，其中，所述电解槽(119)设计为使得来自所述飞行器的机艙的空气能 够传输到其阴极侧。
4. 根据权利要求1所述的燃料电池系统(200 )，其中，所述燃料电池(201)包括阳极侧(202)和阴极侧(203), 所述电解槽(219)包括阳极侧(220)和阴极侧(221)，并且 所述电解槽(219)的阴极侧(221)联接到所述燃料电池(201)的阳 极侧(202 )。
5. 根据权利要求4所述的燃料电池系统(200)，其中，所述燃料电池(201)设计为使得来自所述飞行器的机抢的空气 能够传输到其阴极侧。
6. 根据权利要求2至5中任一项所述的燃料电池系统(100、 200)， 其中，所述燃料电池(101、 201)设计为使得氢气或重整气能够传输到其阳极侧。
7. 根据权利要求2至6中任一项所述的燃料电池系统(100、 200)， 进一步包括热交换器(113、 213)，其中，所述热交换器(113、 213)设计为使得其冷却从所述燃料电池 (101、 201)的阴极侧(103、 203)排出的空气。
8. 根据权利要求2至7中任一项所述的燃料电池系统(100、 200), 进一步包括附加的热交换器(128、 228)，其中，所述附加的热交换器(128、 228)设计为使得其冷却从所述电 解槽(119、 219)的阳极侧(120、 220)排出的7jC/氧气混合物。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的燃料电池系统(100、 200 )， 进一步包括冷却回路(141、 241)，其中，所述冷却回路(141、 241)联接到所述燃料电池(101、 201) 以冷却所述燃料电池(101、 201)。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的燃料电池系统(100、 200 )， 其中，所述燃料电池(101、 201)是低温燃料电池。
11. 根据权利要求10所述的燃料电池系统(100、 200)， 其中，所述低温燃料电池(101、 201)是质子交皿燃料电池。
12. 根据权利要求1至9中任一项所述的燃料电池系统(100、 200 )， 其中，所述燃料电池(IOI、 201)是高温PEM燃料电池。
13. 根据权利要求12所述的燃料电池系统(100、 200)，其中，所述高温PEM燃料电池(101、 201)是质子交换膜燃料电池。
14. 根据权利要求1至13中任一项所述的燃料电池系统(100、 200 )， 其中，所述电解槽(119、 219)是具有催化剂的聚合体膜电解槽。
15. 根据权利要求1至13中任一项所述的燃料电池系统(100、 200 )， 其中，所述电解槽(119、 219)不是具有催化剂的聚合体膜电解槽，并且所述电解槽(119、 219) i殳置为4吏得其适应于所述燃料电池的温度范围。
16. 根据权利要求1至15中任一项所述的燃料电池系统(100、 200 )， 进一步包括多个燃料电池和多个电解槽。
17. 根据权利要求1至16中任一项所述的燃料电池系统(100、 200 )， 其中，所述燃料电池(101、 201)和所述电解槽(119、 219)连接而形成堆叠组件，并且所述电解槽(119、 219)由直接来自所述燃料电池(101、 201)的能 量供能。
18. 根据权利要求1至17中任一项所述的燃料电池系统(100、 200 )， 其中，所述燃料电池(101、 201)与所述电解槽(119、 219)之间的能量比选择为使得所述燃料电池(101、 201)的能量输出精确地对应于所 述电解槽(119、 219)的能量需求。
19. 根据权利要求1至17中任一项所述的燃料电池系统(100、 200 )， 其中，所述燃料电池(101、 201)与所述电解槽(119、 219)之间的能量比选择为使得所述燃料电池(101、 201)的能量输出精确地对应于所 述电解槽(119、 219)以及所述燃料电池系统(100、 200)的所有必需的 辅助设备的能量需求。
20. 根据权利要求1至17中任一项所述的燃料电池系统(100、 200 ), 其中，所述燃料电池(101、 201)与所述电解槽(119、 219)之间的能量比选择为使得所述燃料电池(101、 201)的能量输出高于所述电解槽 (119、 219)以及所述燃料电池系统(100、 200)的所有必需的辅助设备 的能量需求。
21. 根据权利要求20所述的燃料电池系统(100、 200)，进一步包括 逆变器，以及变压器，其中，所述逆变器和电压转换器设计为使得来自所述燃料电池(101、 201)的能量能够馈送到所述飞行器的机栽电网内。
22. —种飞行器，其具有根据权利要求1至21中任一项所述的燃料电 池系统(100、 200)。
23. 根据权利要求1至21所述的燃料系统(100、 200 )在飞行器中的 应用。
全文摘要
本发明提供一种用于给飞行器供应饮用水和氧气的燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池和具有空气阴极的电解槽。另外，电解槽联接到燃料电池，并且燃料电池和电解槽设计为燃料电池的能量输出完全保障电解槽的能量需求。
文档编号H01M8/06GK101258634SQ200680032812
公开日2008年9月3日 申请日期2006年9月7日 优先权日2005年9月8日
发明者克劳斯·霍夫亚, 汉斯格奥格·舒尔德齐希 申请人:空中客车德国有限公司