[发明专利]用于燃料电池应用的氧/空气供应

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年4月5日提交的美国临时申请序列号61/620,517的权益，所述临时申请题为“用于燃料电池应用的氧/空气供应(Oxygen/Air Supply For Fuel Cell Applications)”，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明的实施方式总体涉及用于在客运载具，例如飞机或其他航天载具、地面载具、或氧和/或空气必须供应到燃料电池系统的固定应用上的燃料电池系统应用的氧/空气供应系统和方法。

发明背景

目前燃料电池系统通常用纯氧(100％O₂)或空气(～21％O₂)供应。该燃料电池系统效率取决于膜电极组件(极化曲线)和阴极供应流体(氧或空气)。燃料电池堆叠装置通过用氧化剂(氧)的电化学反应将来自燃料的化学能转化为电。通常使用空气中含有的氧(～21％)或其它氧源。作为燃料，氢被用于大部分常见燃料电池系统中。

燃料电池与电池的不同之处在于它们需要供应燃料和氧化剂来运行，但只要供应这些进料，它们就可以连续发电。燃料电池发电的能量效率通常在50-70％之间。另外，氧的浓度越高(氧>21％)，燃料电池效率越高。燃料电池系统不总是在存储重量/体积比和％O₂/FCS(燃料电池系统)效率比之间进行优化。因此取决于所述燃料电池及其应用领域，必须在这些比率之间进行折衷。

在航天领域中，目前的发电选项(地面动力装置、辅助动力装置、和发动机)产生噪音和CO₂排放作为它们的副产物，并且需要化石燃料来运行。与此相反，燃料电池系统产生水和氮(贫氧空气)作为它们的副产物。

在飞机上的一些组件需要电力来激活它们。这些组件中的许多与实际需要来运转飞机的电力组件(即，导航系统、燃料量表、飞行控制、和液压系统)是分离的。例如，飞机还具有餐饮设备、加热/冷却系统、厕所、电动座椅、热水器，和其它也需要电力的组件。可能需要外部电力的具体组件包括但不限于垃圾压实机(在厨房和/或厕所)，烤箱和加温舱(例如，蒸汽烤箱，对流式烤箱，面包加温器)，任选的洗碗机，冷冻箱，冷藏箱，咖啡和浓缩咖啡机，热水器(用于茶)，空气冷却器和冷冻舱，厨房垃圾处理，加热或冷却的小推车/手推车，表面清洁，区域加热器，客舱通风，独立通风，区域或聚光灯(例如，客舱灯和/或乘客座位的阅读灯)，供水，水管加热以防止冻结，乘客电子产品的充电站，电器插座，真空发生器，真空厕所组件，灰水接口阀，电动座椅(例如，特别是对商务舱或头等舱座位)，乘客娱乐装置，应急照明，及其组合。这些组件对于乘客舒适度和满意度是重要的，并且许多组件是绝对的必需品。

然而，这些组件的一个顾虑是它们的能耗。如前所述，用于加热和冷却的厨房系统是同时需要电力的若干其它机载系统中的一种。通常，这样的系统需要更多可以来自飞机发动机的机动发电机的动力，需要另外的动力源，例如煤油燃烧辅助动力装置(APU)(或通过地面动力装置，如果飞机尚未在飞行中)。该电力消耗可相当大，特别对于具有数百名乘客的长途飞行而言。另外，飞机电力的使用产生噪音和CO₂排放，这两者都期望被降低。因此，期望通过提供创新性方法以驱动这些组件，来确定多种改善燃料效率和动力管理的方法。正在开发新的多种方法以运行随行组件，以及利用该发电的有益副产物于在客运载具，例如飞机上的其它用途。

燃料电池的较新技术提供了有前途的、更干净和更安静的手段来补充已机载的能源。燃料电池除电力之外还具有若干产出，并且利用这些产出也是有益的。燃料电池系统结合了压缩氢的燃料源和空气中的氧以产生电力和热力作为主要产物。水和贫氧空气(ODA)作为副产物生产，其有害性远远低于来自目前飞机发电过程的CO₂排放。

发明概述

本文描述的本发明的实施方式因此提供自主的燃料电池系统，由于它具有创新性阴极供应系统以生成空气、富氧空气、或纯氧(O₂),所述燃料电池系统具有优化效率的重量与体积比。

附图描述

图1示出用于利用随行氧生成系统的燃料电池系统的氧/空气供应的一个实施方式的示意图。

图2示出图1的氧/空气供应的进一步实施方式的示意图。