[发明专利]用于燃料电池系统的燃料供应单元、燃料电池系统和用于监控燃料供应单元的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种特别适于使用在飞机中的用于燃料电池系统的燃料供应单元、一种装备有这种燃料供应单元的燃料电池系统、以及一种用于监控这种燃料供应单元的方法。

背景技术

燃料电池系统能够低排放水平和高效率地产生电流。因此，目前正在尝试在飞机结构中也使用燃料电池系统来产生飞机上需要的电能。例如，可以设想到用燃料电池系统代替目前用作飞机电源且由主动力单元或辅助涡轮机驱动的发电机。燃料电池系统还可用作飞机的应急电源，并代替目前用作应急动力单元的冲压空气涡轮机(RAT)。

燃料电池通常包括阴极区域和通过电解质与该阴极区域分隔的阳极区域。在燃料电池操作期间，燃料(例如氢)被供给到燃料电池的阳极侧，含氧氧化剂(例如空气)被供给到燃料电池的阴极侧。在聚合物电解质膜燃料电池的情况下，氢分子在提供在阳极区域中的阳极催化剂处例如根据公式H→2·H⁺+2·e^-进行反应，并在该过程中将电子传递到电极，同时形成正电性氢离子。

形成在阳极区域中的H⁺离子随后通过电解质传送到阴极，在阴极处，这些H⁺离子在提供在阴极区域中的阴极催化剂处，与供给到阴极的氧以及经由外部回路传送到阴极的电子，根据公式0.5·O₂+2·H⁺+2·e^-→H₂O进行反应，从而形成水。

需要供应给燃料电池的氢能够例如被承载在适于在飞机上的高压下存储氢的液氢罐或压力贮罐中。一般而言，氢罐能够被容纳在飞机的加热和加压区域之外。在飞机的非加压区域中更易于对该罐充分通风，以使罐系统中的泄漏较小可能地导致积聚临界数量的氢。

然而，氢罐容纳在飞机的非加压区域中具有如下缺点：罐系统承受相当大的温度和压力变化，这能够致使系统部件损坏，并因而不利地影响系统的可用性。然而，如果从氢罐中供应以燃料的燃料电池系统实现安全相关功能，则对系统可用性的限制是特别无法忍受的。例如，如果燃料电池系统代替RAT而用作应急动力单元，就属于上述情况。

因此，为了保证飞机上安全相关应用所要求的高系统可用性，对于从氢罐中供应以燃料的燃料电池系统，目标在于将氢罐设置在飞机的加压区域中。然而，鉴于飞机的加压区域与非加压区域相比通风较差，于是要求特殊的安全预防以防止因从氢罐系统逃逸的氢而引发的安全风险。航空中的安全和建造规范特别指出单一几率故障不会造成飞机失事(举例而言，例如，发生氢罐系统中的不可控泄漏的情况)。并且，导致飞机失事的独立故障同时发生的可能性不应该超过10^-9每飞行小时。

为了达到要求的安全目标，因罐破裂引起的不可控氢泄漏必须首先被排除。这可通过适当的限制条件来保证。可以通过提供用于检测氢泄漏的另外的氢浓度传感器来预防罐隔离阀的非故意打开或失效的故障。还可以提供多个(即至少两个)串联的罐隔离阀。然而，提供另外的氢浓度传感器和/或至少两个罐隔离阀不可避免地导致系统复杂度的增大，并因此可能导致对系统可用性的不希望的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于燃料电池系统的燃料供应单元，其特别适于使用在飞机中，并能够使燃料罐系统安全地设置在飞机的加压区域中，而不会不利地影响系统可用性。本发明的另一目的在于提供一种装备有这种燃料供应单元的燃料电池系统和一种用于监控这种燃料供应单元的方法。

该目的通过具有由权利要求1限定的特征的燃料供应单元、具有由权利要求14限定的特征的燃料电池系统和具有由权利要求15限定的特征的用于监控燃料供应单元的方法而实现。

特别适于使用在飞机中的根据本发明的用于燃料电池系统的燃料供应单元包括：燃料罐，例如适于在高压下存储氢气的压力贮罐，其意欲被设置在飞机的加压区域中。供给管路将所述燃料罐连接到燃料电池的入口。例如，供给管路能够将所述燃料罐连接到所述燃料电池的阳极区域的燃料入口。罐隔离阀被设置在供给管路中，其用于建立或阻断所述燃料罐与所述燃料电池的入口之间的流体连接。根据本发明的燃料供应单元的移除管路将所述燃料电池的出口连接到外部大气。例如，所述移除管路能够被连接到所述燃料电池的阳极废气接头。最后，根据本发明的燃料供应单元包括用于检测所述燃料电池中的电压的传感器。