[发明专利]燃料电池系统、飞行器及用于操作燃料电池系统的方法

说明书

相关申请的引用

本申请要求于2012年6月15日提交的欧洲专利申请No.12172241.7以及于2012年6月15日提交的美国临时专利申请No.61/660,276的优先权，上述申请的公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及燃料电池系统以及用于操作燃料电池系统的方法。

背景技术

具有空气(作为氧化剂和适当的燃料气体)供给的燃料电池系统的操作需要将空气流持续适应为燃料电池的相应功率需求。一般地或通常地，通过空气入口处的压缩设备或可替代地通过提取设备将空气供给至燃料电池，该提取设备吸取来自排气出口的空气。

DE102011004318 A1提出结合通过空气入口处的压缩设备和连接至排气出口的提取设备进行的主动式气体供给。这提高了进行功率需求的快速改变(原因是可以快速调整空气流)而不用通过增加流动阻力或通过不同的压力下降来阻塞空气的能力。

此外，已知的是使用燃料电池排气形式的氧耗尽空气来用于惰化交通工具中的空间(如飞行器的燃料箱)。为了防止将水供给至相应的已惰化空间，必需从排气大幅地除去水蒸气。为了实现这一点，已知有不同的方法。例如，可以通过能透过气体但基本上不能透过水蒸气的膜进行气体分离，其中对于需要压缩装置(用于待干燥排气)的成功干燥处理而言一定的分压是必需的。此外，已知的是使用基于吸附装置的干燥处理，吸附装置例如是可旋转的吸附轮，其含有从排气吸收水蒸气的吸湿材料。

发明内容

在通过同时使用空气压缩单元和提取装置进行的主动式空气供给时，为了更好的性能，可以将基于膜的干燥处理或基于吸附装置的干燥处理的使用进行优化。此外，为了使用或生产，应当防止使基于吸附的干燥装置再生所必需的副产物。

因此，可以认为本发明的目的为提出一种燃料电池系统，其具有改进快速的功率需求改变的能力，并且同时明显地具有改进的对来自排气出口的排气进行干燥的能力。

本发明的目的通过如下燃料电池系统来满足。

在本发明的以下描述中，干燥单元也被称为第一干燥单元、第二干燥单元和第三干燥单元，或者干燥单元中的第一干燥单元、干燥单元中的第二干燥单元和干燥单元中的第三干燥单元。干燥单元的编号阐明水提取设备的干燥单元之间的时间或空间关系。显然，水提取设备可以包括另外的干燥单元，如第四干燥单元、第五干燥单元等。

根据本发明的燃料电池系统包括：至少一个燃料电池，其具有空气入口和排气出口；能够连接至空气入口的空气供给设备；以及能够连接至排气出口的空气提取装置。此外，燃料电池系统包括水提取设备，该水提取设备具有至少两个干燥单元，其中，该水提取设备适于选择性地提供如下流体连接：通过至少两个干燥单元中的第一干燥单元而从空气供给设备至燃料电池的空气入口的流体连接；以及通过至少两个干燥单元中的第二干燥单元而从空气提取装置至排气出口的流体连接。

燃料电池系统从而可以使用一个或两个独立空气输送装置——即，用于在空气供给或空气入口的区域中(示例性地，在燃料电池的阴极区域中)提供过压的装置，以及在排气提取或排气出口的区域中(示例性地，在燃料电池的阳极区域中)的欠压装置——的组合。空气供给设备从而可以在空气入口的方向上产生空气流。因此，空气供给设备可以是空气压缩设备。可替代地，空气供给装置此外可以为允许将空气吸到空气供给管线中的开口。提取设备在燃料电池的排气出口处产生吸力。该组合可以提高通过整个燃料电池系统和附接至燃料电池系统的所有外围部件(可能包括所有的空气管道、过滤器、空气进口、排气管等)的空气供给。空气供给从而基本上独立于任何环境压力，使得特别是在飞行器的使用中，实际飞行状态并不影响燃料电池的操作，即使燃料电池被安装在飞行器机身的非承压部分中也如此。由此，明显改进了功率需求的快速改变，如在DE 10 2011004318 A1中所陈述的。

根据本发明，出于改进被意图用作惰性气体的排气的特性的目的，在燃料电池系统中包括改进的水提取设备。如上所述，水提取设备可以包括至少两个干燥单元。为了允许某些优点，优选地将干燥单元设计为可再生干燥单元。所述干燥单元由此可以包括吸湿材料，该吸湿材料适于吸收或结合排气中的水蒸气含量并且此外适于在后来当再次供给热量时释放所吸收的水蒸气。