[发明专利]用于调节燃料电池的空气湿度的装置和方法

说明书

相关申请 

本发明申请要求于2010年1月22日提交的美国临时专利申请No.61/297，465和于2010年1月22日提交的德国专利申请No.102010005400.3的优先权，其内容以参引的方式并入本文。 

技术领域

本发明涉及一种用于调节燃料电池的空气湿度的装置；一种燃料电池系统；一种用于调节燃料电池的空气湿度的方法；这类燃料电池系统在飞机中的使用以及一种具有至少一个发动机、至少一个耗电器和至少一个燃料电池系统的飞机。 

背景技术

为了从化学载能体中获得电能，目前越来越多地使用具有电极的燃料电池，所述电极通过薄膜或电解质彼此分开。低温质子交换膜燃料电池（PEMFC）能够具有气密的、传导质子的离子膜，所述离子膜例如由磺化的四氟乙烯聚合物（PTFE）制成。这类薄膜也以名称“ -薄膜”已知。 

对于非常敏感的薄膜，保持足够的含水量并且从而保持反应气体的恒定的湿度是必要的，以至于能够确保在燃料电池的整个工作期间薄膜的完整。在现有技术中，在燃料电池系统或燃料电池垛中的空气湿度通常情况下根据经验值借助于加湿控制单元来控制，所述加湿控制单元依据燃料电池的工作参数，例如所抽取的电流，根据“正向输送”原理来设置燃料电池的进气，并且如有可能也进行燃料电池的除湿。 

因为在常规的加湿控制系统中，没有在参数的设置中考虑关于当前湿度的信息，为了维持足够的湿度必要的是，为了保护敏感的薄膜，不能低于最小湿度。这导致传统的加湿控制系统趋向于引起高的湿气，所述湿气能够导致燃料电池的效率的下降。借助于外部的热力学的过程变量、电压和电流来测量薄膜的就地（在工作期间）电容或湿度是不可能 的。 

发明内容

相应地，本发明的目的在于提供一种用于调节燃料电池的空气湿度的装置，所述装置允许在较长的工作时间内空气湿度的特别准确的调节，使得在工作时，燃料电池不会趋向于变得太潮湿或太干燥，并且不会中断通过燃料电池的电能供应。 

所述目的通过一种具有独立权利要求1所述的特征的用于调节在燃料电池中的空气湿度的装置来实现。在从属权利要求中获得有利的改进方案。 

在本发明的说明中以燃料电池具有加湿控制单元为前提条件，所述加湿控制单元设置成用于设置在燃料电池中的空气湿度。此外假定，所述加湿控制单元能够从外部控制，即通过相应的信号能够实施预先给定的空气湿度。在现有技术中存在大量完全不同的加湿控制单元，所述加湿控制单元例如能够将传导到燃料电池的进气加湿，并且有时也能够实施负极室等的去湿。本发明的主题不涉及加湿控制单元的具体技术实施，而是相反涉及测定用于特别精确地设置湿度所需的参数，并且借助于这些参数来驱动加湿控制单元，使得在燃料电池中存在尽可能精确的湿度。 

根据本发明的第一方面，用于调节在燃料电池中的空气湿度的装置具有至少一个处理器单元和至少一个检测单元，其中处理器单元具有第一信号输入端和第一信号输出端，其中所述第一信号输入端设置成用于与检测单元中的信号连接，所述第一信号输出端设置成用于与燃料电池的加湿控制单元的控制输入端连接。检测单元具有至少一个第一电压输入端，所述第一电压输入端设置成用于与燃料电池连接和用于检测燃料电池的输出电压，其中，处理器单元附加地设置成用于从在燃料电池上的电压分布中测定燃料电池的时间常数，并且依据所测定的时间常数来驱动加湿控制单元。 

在最简单的情况下，检测单元能够构成为A/D转换器，所述检测单元能够在其第一电压输入端上检测模拟电压，并且能够在处理器单元的 第一数据输出端上提供转换为数字数据的电压值。依据所期望的时间常数，A/D转换器的相应的精确度是必要的，所述精确度例如通过采样频率（采样率）和分辨率确定。 

为了详细阐述对于本发明重要的方面，首先要指出的是，燃料电池原则上能够借助于等效电路图表示，即通过将由薄膜的材料和物理边界条件确定的薄膜电阻、电荷传递电阻和双层电容相互连接。在此，电荷传递电阻和双层电容并联地接通，而薄膜电阻与所述并联电路串联连接。等效电路图的总电阻能够称为极化电阻。