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CN103270634B - 用于运行燃料电池的通过氢化聚硅烷的氢生成 - Google Patents

用于运行燃料电池的通过氢化聚硅烷的氢生成 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于运行航空器中的燃料电池的氢的生成，其中氢是通过氢化聚硅烷(HPS)与水在反应腔中反应而生成的。所述反应腔包括进料装置和排出装置。氢化聚硅烷是能够安全地处理并特别适于用做航空器中的氢载体的高级硅烷。此外，HPS可用于产生非常纯的氢，其中所述氢可通过所述排出装置不经中间步骤而直接导入燃料电池中，如直接导入聚合物电解质膜燃料电池中。为加速所述反应腔中的水解，所述反应可以在碱介质和/或在催化剂的存在下进行。

Description

用于运行燃料电池的通过氢化聚硅烷的氢生成
相关申请
本申请要求2010年7月23日递交的德国专利申请102010032075.7的优先权，该德国专利申请的内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及航空器中的氢产生。本发明具体涉及用于对在航空器中的燃料电池产生氢的燃料电池供给装置、燃料电池供给装置在航空器中的应用、具有燃料电池供给装置的航空器以及为航空器中的燃料电池生产氢的方法。
背景技术
已知燃料电池是用来发电流的高效技术。燃料电池中采用气体能量载体，例如氢或蒸发的液体燃料，通过电化学方法能直接将化学能转化为电能。如果采用氢-氧燃料电池，其可用于产生水以及发电。
氢本身是无毒的并能迅速蒸发。需要极度冷却(-235℃)以在低温储罐中以液体形式贮存氢。由于氢不作为天然原料出现，因而主要由含氢化合物，如烃，通过化学方法来生产氢。然而，某些燃料电池，例如聚合物电解质(PEM：质子交换膜)燃料电池或碱性燃料电池，需要非常高纯的氢。即使氢中的非常小量的其他气体或其他杂质也会损害燃料电池的效率。通常用于例如烃或者醇的重整方法无法获得必要纯度等级的过程氢气。因此，在例如天然气的重整方法中，对于重整需要显著的技术花费，所以这种PEM燃料电池的供给技术在实践中仅适合于固定装置。
为了在交通工具上如在车辆或航空器上使用，如DE 10 2005 051 583中所描述的，已知燃料电池包括氢气电极并为了运行需要氢气进料。在机动车上的氢供给可例如采用比如压力容器或低温储罐的常规的贮存装置。然而，特别是对于航空来说，比如低温储罐或压力容器的常规的贮存装置的使用，由于安全以及容量二者的原因而在航空器中受到限制。此外，化学转换器有可能被使用，例如蒸汽重整、部分氧化和自热重整。但是上述化学转换器需要辅助材料，如水或氧，或二者都需要。更具体地说，尤其是，PEM型燃料电池需要高纯度的过程氢气，并因此除重整之外还需要其他的气体纯化工艺，例如以除去一氧化碳(CO)。
此外，DE10059625中描述了一种用于生产增长的长链并最终是高级硅烷的方法，所述高级硅烷能作为不自燃的燃料。根据WO2008/000241，通过不需氧或空气的热解，硅烷可用作既可用于纯化硅又可用于提供用于燃料电池的运行的氢的能量载体。
发明内容
本发明要解决的问题是提供用于航空器中的燃料电池的简单并且安全的氢供给。
该问题由独立权利要求的主题解决，其中进一步的实施方案描述于其从属权利要求中。以下描述的实施方案涉及燃料电池供给装置、该供给装置在航空器中的应用、该氢供给装置作为应急系统的应用、具有该供给装置的航空器以及用于燃料电池的氢供给方法。
根据本发明实施方案的一个实例，提供一种用于为航空器中的燃料电池生成氢的燃料电池供给装置。该燃料电池供给装置具有反应腔，所述反应腔被设计为用于使氢化聚硅烷或其混合物与水反应。进一步地，提供用于将至少一种反应物进料到所述反应腔中的进料装置，以及用于将在所述反应中形成的氢从所述反应腔排出并将该氢进料到燃料电池中的排出装置。
以这种方式，结合在氢化聚硅烷中的氢可分裂出来用于燃料电池的运行。氢化聚硅烷是一种无毒的物质，主要由硅和氢组成。当氢以相应的纯度等级由氢化聚硅烷生产出来时，无须进一步的纯化，使得其例如可以直接用于PEM燃料电池。本发明的全文中，术语“聚硅烷”通常指具有实验式SinH2n或SinH2n+2的化合物，其中n大于6(n＞6)。“氢化聚硅烷”，以下也以缩写HPS表示，理解为在标准条件下以固体形式存在的聚硅烷。在本发明的意义上，聚硅烷指定为固体形式，它是作为单独的化合物的固体，或者是作为几种聚硅烷的混合物的固体。在本发明上下文中所说的标准条件是一个物理大气压的压力(p＝1大气压)和20摄氏度的温度(T＝20℃)。这些氢化聚硅烷或HPS及其混合物可例如根据DE2006043929A1来生产，其中Si链或Si骨架具有在分子中n＞10或n＞12的Si原子数。具有至少11个硅原子的Si链长的HPS，换句话说由十一硅烷开始的HPS，不再是可自燃的，并例如可为微黄白色的固体粉末形式。
采用固体形式的HPS，能够简单并且安全地处理该储氢材料。HPS可很好地储存，并且根据材料的不同形式(粉末、丸状、颗粒状、珠状、立方体)可获得不同的堆积密度。这样，HPS可以以固体形式储存，并仅在输送到反应腔时分散在液体中或可以与溶剂一起移动。进一步地，也可以将HPS直接用相应的固体进料器进料到反应腔中。
HPS储存装置可作为永久氢载体被基本上安全地运送到各种位置，和/或可储存在那里，并在输送到反应腔后可以产生所需的氢。由HPS与水反应生成的氢可随后由高效的燃料电池系统转化为电能。并且，不仅固体HPS的处置和储存简单安全，而且在加入碱性反应物，优选碱反应物后，进行所述反应仅需一个反应步骤以产生氢。如果反应容器本身的碱(base)含量可以充分地催化反应，则碱的加入可以省略。在碱的存在下HPS与水反应期间，可能形成也是无害的可溶硅酸Si(OH)4或胶体聚硅酸。
因此，HPS是一种有效的氢载体，它可被无损失地运输并可被相对安全地储存。与元素硅相比，HPS更适合作为氢载体，因为相对于析出物质可以释放更多的氢。相对于所用的HPS具有大约20wt％的氢释放，氢化聚硅烷适合于作为用于固定使用和移动使用的氢供体。由于借助于HPS和水生成的高纯度氢，这种储氢方式特别适于与低温和/或高温PEM燃料电池相结合。
根据本发明另一实施实例，提供一种供给装置，其中所述氢化聚硅烷以固体结构形式存在，所述固体结构选自粉末、颗粒、丸状、珠状、立方体和多孔件。
因而HPS可安全并且简便地储存，并可随后通过进料装置引入到反应腔中。可密闭的开口可用于添加更多的诸如粉状的HPS。如果HPS与例如碱水溶液接触，HPS将与水反应，氢作为产物生成。这样，氢可在单一的反应步骤中产生。HPS与碱性水溶液的反应时，产生热量，这些热量反过来可以通过在热交换器中传递废热而被利用。
如果HPS例如作为粉末分散在碱水溶液中，并且如果诸如搅拌器或循环泵的混合装置在反应腔中进行均匀混合，则所述反应可以在反应腔中均匀分布地进行。或者可提供活底，在其上收集有HPS的较大的丸状颗粒或多孔件。至少用于进料水的进料装置布置在与所述活底等高或更高的位置上，利用喷嘴装置，以确保HPS与水相接触。在反应腔中产生的氢气可以通过优选布置在反应腔顶部的用于气体的排出装置直接引导至燃料电池或燃料电池组。
根据本发明的另一实施实例，提供一种供给装置，其中设计所述反应腔以提供碱性介质，特别是碱介质。
这样，氢的产生可进行并可被加速。与HPS反应的水的碱性设定为在7-14的pH范围内，并可通过例如加入氢氧化钠溶液NaOH或氢氧化钾溶液KOH来调节。所述碱或碱性物质能对HPS的水解起催化作用。当采用高于化学计量的碱的量时，可确保反应快速并完全地进行并且不会暂时地形成挥发性可自燃的硅烷。如以下根据实验条件简化的例如对于实验式SinH2n的聚硅烷在碱介质(pH＞7，碱的量高于化学计量)中的反应方程式，在所述反应腔中、在pH值大于7的水溶液中，聚硅烷分解形成氢H2和硅酸盐化合物，比如水玻璃：
SiH2+2NaOH+H2O→Na2SiO3+3H2。
一方面，所述碱性水溶液或碱水溶液可以是已经在反应腔外通过向进料水中加入碱性物质或碱而制备好的，其随后通过所述进料装置供给到反应腔中。另一方面，也可以例如通过另一个进料装置和连接的用于碱性物质、碱和碱液的储罐，仅仅将碱性物质、碱或碱液提供到反应腔中，然后在反应腔中产生碱水溶液和理想的反应条件。这样，不仅HPS的反应活性增加了，而且在反应中形成的硅酸产物的溶解性也得到提高。例如，可形成能与HPS分离并从反应腔中移除的溶解的硅酸或液体硅胶。
为了将固体或液体反应产物排出，反应腔的底部可以例如构造为具有可密闭的排出口的漏斗状。进一步地，可提供具有孔的活底，所述孔的直径小于所用珠状或丸状的HPS的直径，以将HPS留在反应腔中，同时水以及可能溶于其中的物质可以被移除。这样，诸如硅酸等硅酸产物可简单地用水溶液，可选地用碱溶液冲洗出反应腔，或者作为固体沉淀的反应产物可用机械方式移除。
根据本发明的另一实施实例，反应腔具有金属催化剂。
代替碱性物质或碱、或除了加入的碱性物质或碱外，也可使用催化剂以加速反应。例如，可考虑过渡金属氧化物的金属催化剂。它们可单独使用，或可与其他过渡金属一起以混合氧化物形式使用。有效活性组分为，例如铁、铜或铬的氧化物。根据需要，所述催化剂可以作为固定结构布置在反应腔中，或者可以从外部提供。
根据所述供给装置的另一实施方案，所述供给装置具有利用反应期间释放的热的废热换热器。
HPS的放热水解期间反应腔中释放的废热可以例如通过热交换器或其他热回收装置利用。所述反应腔可以是具有夹套的。
根据所述供给装置的另一实施方案，所述供给装置具有用于将水提供给所述进料装置的储水罐。
利用如泵的输送装置，可将水从储水罐输送到反应腔中。此外，可在进料装置上提供到反应腔的入口阀。这样，反应所必需的水可以根据需要来提供。在该储水罐中，通过适当加入例如氢氧化钠溶液，碱水溶液可以在进料到反应腔之前被制备。
根据本发明的另一实施方案，进料装置被设计为用于冷凝并将水进料到反应腔或储水罐，其中所述水(或蒸汽，其随后冷凝)是在燃料电池中作为反应水形成。
基于氢和氧的燃料电池在H+离子传导燃料电池中采用氧作为氧化剂。在氢-氧燃料电池中发生的整个反应是由氢和氧合成水：
2H2+O2→2H2O。
这样可获得电能和水二者，其中水可通过所述进料装置导出。在该进料装置中，所述水可以冷凝下来并可以作为反应物以液体形式直接供给到反应腔。这样，在燃料电池中形成的水可作为气体和作为液体返回到反应腔并被重新利用。
特别是对于在航空器中的应用，这是有利的，因为需要储存更少的水，并且可减轻重量。
根据本发明的实施方案的一个实施例，所述排出装置具有用于所生成氢的中间贮存的压力容器，所述压力容器具有入口阀和出口阀。
这样，在反应腔中的反应期间产生的氢可被收集并暂时贮存。通过出口阀，根据需要可以将氢引入燃料电池中，并立即产生电流。所用的压力容器可为标准容器，其具有用于控制氢气进出的保护阀装置。所述阀可以由控制装置在中心进行控制，如果发生停电或中断，它们能自动处于关闭位置。如此，能够防止失控地向燃料电池进一步提供氢气或可能的氢损失。
根据本发明实施方案的另一实例，所述排出装置具有氢检测装置，该氢检测装置被设计为用于测定所产生的氢的质量和/或量，特别是流动或压力。
以这种方式可以检验所产生的氢的纯度等级、纯度以及量和/或压力。所述氢检测装置可直接布置在排出装置中或氢分支管线中。如果检测装置布置在旁路管线中，则可以连续检测或随机取样检测氢的量和质量。检测所需的量的氢可返回排出装置中或者也可以引出到外部。合适的检测装置例如为气相色谱，能非常精确地测定氢的纯度并可以定量氢的量。
如果用气相色谱用作检测装置，提供载气并将其输送到合适的分离柱上。这样，被测量气体可被分离，其中在柱末端具有检测器，当物质离开分离系统时检测器会产生电信号。该电信号随后被合适的仪器记录为所谓的峰并被分析，气体成分可以被非常精确地在品质和量上被测定。检测信号被传送到具有适当评价软件的计算机系统。当载气，如氮气，被用于气相色谱时，在这种检测布置下，设想检测气体不再返回到通向燃料电池的排出装置。
进一步地，可采用其他氢检测装置，例如测量传感器或选择电极，与气相色谱相反，这些装置能连续检测氢含量或其他与监测相关的痕量气体。
反应腔中的反应可根据氢检测装置的检测结果进行控制。如果检测到氢的纯度品质出现显著降低，可控制氢中间储器的出口阀以停止向燃料电池的氢气进料。在恢复优化的反应条件使得氢的纯度等级足以运行燃料电池之后，可通过更换压力容器从系统中移除污染的氢气，而纯的氢气可再次储存在空的压力容器中。
根据本发明的另一个实施实例，排出装置具有用于氢气中残余的蒸汽和/或气溶胶的分离装置。
由于放热水解期间产生热，会无意地形成蒸汽和/或气溶胶。为确保氢气的纯度，通过分离装置或通过干燥可以从氢气中分离任何残余蒸汽。干燥，例如也可利用放热反应产生的热而结合在反应腔中。此外，夹带的气溶胶，如可能给燃料电池带来问题的小碱滴，可被分离。为了分离，可以例如使用基于诸如二氧化硅(硅胶)、氧化铝或硅酸铝的无机氧化物的颗粒吸附剂或干燥剂。
根据本发明的另一实施实例，所述供给装置具有控制装置，所述控制装置通过控制加水的量来控制所产生的氢的量。
通过控制从外部添加的水的量，可以控制所产生的氢的量。反应中产生的热可通过控制水的加入来控制。如果HPS被放入反应腔中，反应参数如反应速率可通过限定量的水溶液的剂量或也可通过调节不同步骤中的pH值来控制。反应产物，例如硅酸，随后可以通过加入另外的碱溶液而被洗掉，并可通过合适的用于液体的排出装置导出。液面传感器，举例来说，能确保反应腔中的液体量不超过所需的特定值。
或者，反应腔可被设计为使得碱性水溶液、特别是碱水溶液已经存在，而到氢的反应通过加入固体HPS而被控制。用于运输固体物质的输送装置，例如勺轮，适合于这种设计。此外，反应器本身也可以是可移动的用于搅拌，并且可以是例如被构造为倾斜的反应器以确保所述水溶液与HPS的彻底混合。用于HPS反应的所述水溶液可以由纯水组成，或者也可以由含有添加剂的水组成，所述添加剂例如为碱性物质或碱或适宜的催化剂。此外，所释放的反应热可通过所述添加剂的控制性加入而被调节。
因为燃料电池运行期间所产生的废水也可用于HPS的水解，所以如果意图循环燃料电池中产生的水，则通常可以降低暂时储存的水的量。所储存的碱性水溶液或碱水溶液的量可以已经通过控制装置在储水罐中得以控制。所述控制装置也能设计为使得在测定储水罐中的pH值后将其调节为所需的特定pH(如pH＝10)，并且只有在达到该设定值时，碱性溶液才通过泵控制导入反应腔中。
此外，传感器也可布置在反应腔中以测定pH测量值、阀位置、液面高度或所产生的热。基于所测定的参数，可以监测并控制待加入的水量，或者如果所述水溶液已经存在则监测并控制要加入的HPS的量或添加剂的量。
根据本发明的另一实施实例，所述燃料电池供给装置用于航空器中的燃料电池的氢供给。
由硅-氢化合物组成并具有多于10个硅原子的平均链长度的HPS不再是可自燃，并因此能特别用于移动应用，例如航空。这些氢化聚硅烷能被简单地处理并储存。与燃料电池的结合以及这种氢能载体是有利的，这是因为燃料电池中形成的水可在反应腔中再利用。这样，在航空器中可实现重量和费用的节省。
根据本发明的另一实施实例，用于燃料电池的氢供给的所述燃料电池供给装置在航空器上用作应急系统。
在该应用中，所述燃料电池供给装置设计为应急系统。这样即使航空器上发生停电，它能确保氢的产生和燃料电池的运行。为此，阀被设计为在停电的情况下它们处于使所述燃料电池供给装置保持运行的位置。此外，所述HPS燃料电池供给装置可以被设计为仅在紧急情况下启动。这样，特别是在标准供电系统停电时，可以确保HPS供电，例如用于航空器的重要系统。
根据本发明的另一实施实例，提供一种具有燃料电池供给装置的航空器。
在HPS反应中随着氢形成的硅酸是对环境无害的，并可容易地贮存和处置。
形成的纯氢可特别在航空中用于PEM燃料电池。以这种方式，用单一反应步骤和与燃料电池的连接，能非常迅速地获得电能。此外，从反应器成比例地释放的热，例如通过将其引入热交换器，可被有利地使用。这样，所述热可被回收和/或被重复使用。如果所述燃料电池也配备有废热换热器，则两个废热换热器能够连接在一起。
根据本发明的另一实施方案，提供一种用于在航空器中为燃料电池生产氢的方法，该方法包括以下方法步骤；将第一或第二反应物中的至少一种进料到反应腔中，其中所述第一反应物包括氢化聚硅烷或其混合物，第二反应物为水；使第一反应物与第二反应物在反应腔中进行反应；和将在所述反应中形成的氢引导至所述航空器的燃料电池。
这样，由容易处理的氢能载体可简单地在反应腔中用水生产氢。所得到的纯气体可引导到燃料电池，其中其可以保证燃料电池的运行。
在反应腔中，氢通过水解从氢化聚硅烷分裂出来。具有至少11个到13个硅原子链长的氢化聚硅烷(SinH2n+2和/或SinH2n；n分别大于10和12)，如由DEI0 2006043 929A1所知的，在标准条件下为固体，并可容易地贮存。固体HPS可放入反应腔中，水溶液可被提供。
从安全的角度，HPS作为起始原料使用是有利的，这是因为这种固体可容易地贮存并进料到反应腔中。长链能量载体的高体积比容能量密度是特别对于航天应用中的移动领域是特别有利的。高能量密度意味着可保持小的罐体积并由此可以保持小的罐重量，并因此能够节省费用。这样，在航空器中可以运送更多有用的负载，特别是更多的货物或乘客。
因为链长大于6的聚硅烷可在标准温度无空气的条件下放置非常长的时间而没有变化，所以它们非常适合于作为能量载体用于航空中。HPS也可为氢化聚硅烷的混合物或/或它们的结构异构体的混合物的形式，例如十一硅烷Si11H23和更高级的硅烷如十五硅烷Si15H32。因为其是固体，HPS能容易地在暂时贮存中得到保存，或者能放入反应腔中。HPS在反应腔中与含水碱溶液反应之后，可释放氢并形成硅酸产物。固体或液体反应产物可被连续地或不连续地从反应腔中分离出来。为分离固体，合适形状如漏斗形的反应容器可用于收集和分离所形成的固体。已形成的氢气能直接引入燃料电池或通过中间储罐间接引入燃料电池。
根据另一实施方案，所述方法还具有以下步骤：将过程水调节至碱性pH值；使所述氢化聚硅烷在金属催化剂存在下反应；将所生成的氢在压力容器中进行中间储存；通过氢检测装置监测所生成的氢的纯度和/或量；和通过加水量控制所生成的氢的量。
反应腔中的所述水溶液被调节为pH大于7，以加速随后的水解。可以通过加入例如氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液在反应腔自身中或在储水罐中将过程水调节为碱性pH。可设定pH为约10，以充分加快所述反应。
除了在碱性条件下、或者代替在碱性条件下进行所述水解，所述反应可通过加入进一步的催化剂、或加入不同的催化剂而被加速。所述催化剂可为过渡金属氧化物。因为所述水解反应放热，所以也可能形成蒸汽，蒸汽可以在把氢引入燃料电池之前例如通过用合适的分离器或干燥剂进行干燥而除去。分离器也可用于分离夹带的碱的气溶胶。这样可将非常纯的氢提供给燃料电池。所产生的氢可暂时储存在合适的具有可控的入口阀和出口阀的压力容器中。
进一步地，所产生的氢的品质和/或量可通过插入氢检测装置而进行控制。适宜的用于检测氢的检测装置为例如气相色谱。氢气可被导向至该气相色谱中，然后通过加入载气，可通过分离柱进行检测。随后利用合适的评价装置，例如计算机，来进行评价，所述评价装置通过测量信号，特别是峰下面积来确定被测氢气的量。这种检测装置，一方面检验纯度，并且如果有杂质，则停止向燃料电池的氢气供给；另一方面它也能将定量氢检测与反应腔的控制系统连接，例如为了能够向燃料电池提供所需量的氢。
所生成的氢量可以例如用加水的量来控制。该量的水可以从外部加入，用泵根据需要将水供给到反应腔中。进一步地，可以直接从燃料电池将水引入反应腔。以这种方式，水可被重复利用。此外，所产生的氢的量也可利用设定pH或通过加入碱性溶液优选碱溶液来控制。碱性溶液的加入可在在反应腔自身中和储水罐中进行。在该反应工艺中，在反应腔中仅使用纯的HPS和水或碱性水溶液，因此形成特别适于PEM燃料电池的本质上纯的氢气
此外，应指出的是，以上特征和方法步骤也可结合。即使没有详细地明确阐述，以上方法步骤或特征的结合可导致相互影响和作用，这些影响和作用超出了相应特征单独的效果。
以下参考附图描述本发明实施方案的实例。
附图简要说明
图1示出了用于生成氢的燃料电池供给装置的示意图。
图2示出了所述燃料电池供给装置的另一实施实例，其具有废热交换器和用于从燃料电池回收水的进料装置。
图3示出了具有两个本发明的实施实例的航空器的二维示意图。
图4示出了根据本发明的实施实例的燃料电池供给方法的示意图。
附图的详细说明
附图是示意性的，而不是按比例画的。
此外，以下对附图的描述中，相同的附图标记指代相同或相似的部件。
图1显示的是具有储水罐110、反应腔120和燃料电池150的燃料电池供给装置100。此外，图1出了用于供给反应水的进料装置112，所述反应水可暂时储存在储水罐110中。
此外，所述反应腔具有排出装置122-124，其用于将在反应中形成的氢引导到燃料电池150中。该排出装置还包括阀123和从阀123到中间储罐140的进料管线，在中间储罐140中氢气可被暂时储存、并可通过出口阀143经由管线145输送到燃料电池。用于氢的中间储罐可被构造为具有入口阀123和出口阀143的压力容器140，其被保护以免关闭。此外，干燥装置或分离器122可被安装在排出装置122、123、124中，例如用于干燥或分离可能在放热反应(箭头121)中形成的残余蒸汽。如果不需要水解反应中释放的热，或热量太少，作为选择，可对反应腔进行隔热。
此外，图1显示具有氢分支管线125的排出装置122-124。该氢分支管线可作为旁路连接，以便利用适宜的检测装置130测定氢的量、压力和/或纯度等级。
图2显示的是本发明200的另一实施方案，其具有水储罐110、反应腔120、用于所获得的氢的压力容器140和燃料电池150。在这种情况下，有利的是，在转化为氢的过程中释放的热(示意性地用箭头121表示)用合适的装置如反应腔夹套128储存起来。所获得的热量可通过例如热交换器129而被再利用。废热换热器129也可与其他热回收装置连接，例如其可布置在燃料电池150附近，或布置在平行连接的反应腔上(未示出)。
此外，图2示意性示出向反应腔进料珠状氢化聚硅烷126。HPS126过开口127如需地进料到反应腔中。所述开口是可再密闭的，并且用于HPS126的储罐170可单独容纳在另一个室中。将HPS126进料到反应腔120后，HPS126例如可被收集在如由格栅构造的收集容器中(图1中用椭圆表示)，其优选由催化活性的金属氧化物组成，在此其可与在水一起。如果没有提供收集容器或活底，初始不溶的HPS可利用循环泵(未示出)分散在整个水溶液中。
与氢一起，进一步的反应气(氧气或空气)，其在燃料电池中发生的反应过程中在发电后反应以形成水，通过管线152被引入燃料电池150中。燃料电池150为例如PEM型，其中氧气或含氧空气作为氧化剂通过管线152提供，而还原剂被膜在空间上分隔开。这种质子交换膜仅允许H+离子透过。所获得的能量或所产生的电(由箭头153指示)可立即被利用。在燃料电池中形成的反应产物水可通过出口阀151以冷凝形式或以蒸汽形式进入管线154中，随后被运送到储水罐110。作为这种布置的可替代的选择，在燃料电池中获得的水也可直接引入反应腔120中(未示出)。
在排出装置中，所述排出装置布置在反应腔120和压力容器140之间用于暂时储存氢，仍然是由部件122-124组成的排出装置。在本实施方案中，在分支管线125中采用气相色谱130，该气相色谱用加入的载气对要检测的氢进行定量，并在适宜的分离柱中分离气体混合物的成分。在柱的末端，检测存在的氢的量或混合物的其他成分，并通过合适的计算机系统131进行评价。检测峰可在例如显示器132上显示，其中峰高和峰下面积用于确定被测氢的量。通过评价器131，可以对氢进行质量上和数量上非常确切的测定。评价器131一方面与气相色谱130连接，另一方面与计算机系统160的控制单元连接(图1中未示出连接引线)，例如通过线路163将检测结果传送到具有处理器(CPU)的中央计算单元160。此外，计算机160具有存储单元，所述存储单元例如能存储诸如流动速度、压力或阀位置等的检测数据，以便能够检查所述燃料电池供给装置是否发生故障。
进一步地，如果检测到差的氢气质量，通过计算单元160，可关闭阀123或阀143。进一步，根据水的需要量，水的加入可通过计算单元160控制，或者可以根据水的需要调节进料泵111，以便通过进料装置112从储存罐110输送水或可选地也可以是碱性溶液。
此外，可布置另外的检测装置，其将检测数据传送到控制单元(例如通过箭头163)。例如，在反应腔或储水罐中，pH可被检测或者其水平可被传送到控制单元。通过线路161和162，计算单元160可控制各个阀、泵或其他装置。与可能的传感器或接口的连接未在图1中示出。
图3示出了航空器的示意图，其中使用了燃料电池供给系统100或200。
图4示出了用于燃料电池供给方法的示意图，该方法具有如下方法步骤：所述方法从步骤401开始。在该步骤中，提供反应腔，在其中有可能准备好了反应物如氢化聚硅烷。作为下一方法步骤402，至少一种反应物被进料到反应腔中。如果第二反应物还没存在于反应腔中，该反应物也被提供到反应腔中。在方法步骤403中，第一反应物HPS与第二反应物水进行反应。
在反应期间，有气体氢形成。该氢在步骤404中被检测装置(氢检测装置)例如气相色谱检测。这样，可以检验氢气的纯度。根据检测结果，反应腔中的一定的控制参数可被控制。在方法步骤405中，例如生成氢的量的控制可由加水的量的控制代表。其他控制操作例如改变pH或加入催化剂都是可行的。
在方法步骤406中，生成的氢暂时储存在压力容器中。该压力容器的入口阀和出口阀也可根据在方法步骤404中检测的工艺气体的纯度等级而被控制。如果氢气被污染，向燃料电池的进料应停止。最后，在方法步骤407中，反应中生成的以及暂时储存在压力容器中的氢被输送到燃料电池，如PEM型燃料电池。
应指出的是，所用术语“包括”或“包含”不排除另外的要素/元件或方法步骤，正如无数量词限定的名词并不排除多个要素/元件或多个步骤一样。所用的附图标记仅用于帮助理解而绝非认为是限制，并且，本发明的保护范围由权利要求限定。

Claims (18)

1.一种航空器(300)，其具有用于为航空器(300)中的燃料电池生成氢的燃料电池供给装置(100)，所述燃料电池供给装置(100)具有：
储氢材料，其包含固体形式的具有通式SinH2n或SinH2n+2的氢化聚硅烷，其中n>6；
反应腔(120)，其设计为用于使氢化聚硅烷(126)或其混合物与水反应(121)；
进料装置(112)，其用于向所述反应腔(120)中进料至少一种反应物；和
排出装置(122、123、124)，其用于将在所述反应中形成的氢导向至燃料电池(150)。
2.根据权利要求1所述的航空器，其中所述氢化聚硅烷(126)或其混合物以固体结构存在，所述固体结构选自粉末、颗粒、珠状、立方体、丸状和多孔件。
3.根据权利要求1或2所述的航空器，其中所述反应腔被设计为用于提供碱性介质。
4.根据权利要求3所述的航空器，其中所述碱性介质为碱介质。
5.根据权利要求1或2所述的航空器，其中所述反应腔(120)具有金属催化剂。
6.根据权利要求1或2所述的航空器，其中所述供给装置(100)具有废热换热器(129)，所述废热换热器(129)利用在所述反应(121)中释放的热。
7.根据权利要求1或2所述的航空器，还包括：
储水罐(110)，其用于向所述进料装置(112)供给水。
8.根据权利要求7所述的航空器，其中所述进料装置(112)被设计为用于将在所述燃料电池(150)中作为反应水形成的水冷凝并进料到所述储水罐(110)中。
9.根据权利要求1或2所述的航空器，其中所述排出装置(122、123、124)具有用于所生成氢的中间储存的压力容器(140)，所述压力容器(140)具有 入口阀(123)和出口阀(143)。
10.根据权利要求1或2所述的航空器，其中所述排出装置(122、123、124)具有氢检测装置(130)，所述氢检测装置(130)被设计为用于检测所生成的氢的品质和/或量。
11.根据权利要求1或2所述的航空器，其中所生成的氢的所述排出装置(122、123、124)具有用于残余蒸汽和/或气溶胶的分离装置(122)。
12.根据权利要求1或2所述的航空器，还包括：
控制装置(160)；
其中所述控制装置(160)通过加水的量控制所生成的氢的量。
13.根据权利要求1或2所述的航空器，其中所述氢化聚硅烷包括具有Si原子数n>10或n>12的Si链的骨架。
14.根据权利要求1或2所述的航空器，其中所述反应腔(120)包括用于所述反应腔中的均匀混合的混合装置。
15.包括以下的燃料电池供给装置(100)用于向航空器(300)中的燃料电池(150)供给氢的用途：
储氢材料，其包含固体形式的具有通式SinH2n或SinH2n+2的氢化聚硅烷，其中n>6；
反应腔(120)，其设计为用于使氢化聚硅烷(126)或其混合物与水反应；
进料装置(112)，其用于向所述反应腔(120)中进料至少一种反应物；和
排出装置(122、123、124)，其用于将在所述反应中形成的氢导向至燃料电池(150)。
16.包括以下的燃料电池供给装置(100)作为用于航空器的应急系统的用途：
储氢材料，其包含固体形式的具有通式SinH2n或SinH2n+2的氢化聚硅烷，其中n>6；
反应腔(120)，其设计为用于使氢化聚硅烷(126)或其混合物与水反应；
进料装置(112)，其用于向所述反应腔(120)中进料至少一种反应物；和
排出装置(122、123、124)，其用于将在所述反应中形成的氢导向至燃料电池(150)，
其中，在标准供电系统停电时，确保氢化聚硅烷供电用于航空器的重要系统。
17.根据权利要求16所述的用途，其中所述燃料电池供给装置的阀被配置为在停电的情况下，它们处于使所述燃料电池供给装置保持运行的位置。
18.一种由储氢材料为航空器(300)中的燃料电池(150)生产氢的方法，所述储氢材料包含固体形式的具有通式SinH2n或SinH2n+2的氢化聚硅烷，其中n>6，所述方法具有以下方法步骤；
将第一反应物和第二反应物中的至少一种进料到反应腔(120)中，
其中所述第一反应物具有氢化聚硅烷(126)或其混合物，所述第二反应物为水；
使所述第一反应物与所述第二反应物在所述反应腔(120)中反应；和
将在所述反应中形成的氢导向至所述航空器的燃料电池(150)。
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