WO2024041702A1 - Flugzeug-brennstoffzellen-antrieb - Google Patents

Flugzeug-brennstoffzellen-antrieb Download PDF

Info

Publication number
WO2024041702A1
WO2024041702A1 PCT/DE2023/100613 DE2023100613W WO2024041702A1 WO 2024041702 A1 WO2024041702 A1 WO 2024041702A1 DE 2023100613 W DE2023100613 W DE 2023100613W WO 2024041702 A1 WO2024041702 A1 WO 2024041702A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
water
ram air
cell system
heat exchanger
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2023/100613
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan LELLEK
Barnaby Law
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines AG filed Critical MTU Aero Engines AG
Priority to US19/104,996 priority Critical patent/US20260106186A1/en
Priority to EP23762363.2A priority patent/EP4578055A1/de
Publication of WO2024041702A1 publication Critical patent/WO2024041702A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/70—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/30—Aircraft characterised by electric power plants
    • B64D27/35—Arrangements for on-board electric energy production, distribution, recovery or storage
    • B64D27/355—Arrangements for on-board electric energy production, distribution, recovery or storage using fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D33/00—Arrangement in aircraft of power plant parts or auxiliaries not otherwise provided for
    • B64D33/08—Arrangement in aircraft of power plant parts or auxiliaries not otherwise provided for of power plant cooling systems
    • B64D33/10—Radiator arrangement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04768—Pressure; Flow of the coolant
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/10—Air crafts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an aircraft fuel cell drive with a fuel cell system which has at least one anode and at least one cathode as well as a process gas device for supplying the anode and the cathode with fuel and ambient air and for discharging used process gases.
  • the invention also relates to a method for operating such an aircraft fuel cell drive.
  • a central component for dissipating heat from this liquid cooling system to the environment is a large (main) heat exchanger. This is typically arranged in or on a ram air duct of an engine in the free flow or behind a propeller. In order to achieve a sufficient cooling effect, such a main heat exchanger must have large dimensions, can therefore only be integrated unsatisfactorily into the aircraft and can create large additional aerodynamic resistance (drag) on the aircraft.
  • an aircraft fuel cell drive with a fuel cell system having at least one anode and at least one cathode as well as a process gas device for supplying the Anode and cathode with fuel and ambient air as well as for the removal of used process gases.
  • the aircraft fuel cell drive has a ram air duct through which ram compressed air flows and a heat exchanger arranged in the ram air duct, which is set up to release heat generated by the at least one fuel cell to the environment, with a supply device being arranged upstream of the heat exchanger, which is set up for this purpose is to introduce water into the ram air flow.
  • the water is at least partially provided from the process gas of the fuel cell system by means of a recovery device.
  • the chemical reaction of hydrogen and oxygen in the fuel cell system during operation creates highly pure, deionized water.
  • a particularly liquid water component can be separated from the process gas and fed into a water reservoir of the recovery device and/or fed to the ram air flow.
  • the operation of the fuel cell system can thus be used to enable the provision of highly pure water, which in particular meets specific operating requirements.
  • contamination and/or deposit formation on or in the heat exchanger can be reduced or even avoided. This can reduce the risk of damage and/or maintenance costs for the heat exchanger.
  • the integration of a water supply for improved heat transfer in or on the heat exchanger which is made possible by the proposed aircraft fuel cell drive, means that there is no need for external provision of water, which can result in cost savings.
  • a fuel cell system has at least one fuel cell, in particular a plurality of fuel cells, which are arranged, for example, in the form of fuel cell stacks.
  • a fuel cell arrangement which accordingly has at least one fuel cell, is also referred to simply as “a fuel cell” in the context of the description of the invention.
  • the plurality of fuel cells usually also have a plurality of anodes, which are supplied with a fuel, such as hydrogen, in order to generate electrical energy, and a plurality of cathodes, which, in cooperation with the anodes, are supplied with ambient air to generate electrical energy in order to supply the atmospheric oxygen contained therein to the fuel cell as an oxidizing agent.
  • a process gas device is set up to carry process gas and supplies the fuel cell or the fuel cell system with reactants necessary for the generation of electrical energy via the process gas and removes used process gas or reaction gas from the fuel cell.
  • the process gas device is set up to supply the anode with fuel and to supply the cathode with oxidizing agent and to remove or circulate, in particular, at least partially used process gases.
  • the process gas device can thus form an open gas circuit.
  • a reducing agent such as hydrogen is supplied to the anode and an oxidizing agent such as ambient air is supplied to the cathode.
  • an oxidizing agent such as ambient air
  • the hydrogen is catalytically oxidized to hydrogen ions by releasing electrons.
  • These pass through the electrolyte, which is usually in the form of a membrane, into the cathode area, where they react with the oxygen supplied to the cathode and the electrons conducted to the cathode via an external circuit to form water.
  • it can be cooled using a cooling system or a coolant circuit.
  • This coolant circuit can be connected to the (main) heat exchanger, wherein the heat exchanger is set up to absorb heat generated by the at least one fuel cell and in particular transported to the heat exchanger by means of the coolant circuit and/or to release it to the environment.
  • the heat exchanger can have at least one cooling surface connected to the coolant circuit, over which a fan and/or ram air flow flows during operation.
  • the cooling surface of the heat exchanger absorbs heat from the coolant circuit and, in particular, removes it convectively from the heat exchanger.
  • the heat exchanger can also have several heat exchanger devices arranged spatially next to one another and/or distributed, which in particular can have (each) several cooling surfaces.
  • any (surface) arranged on the heat exchanger is referred to as a cooling surface, which is heated by the heat energy to be dissipated and from which heat can be dissipated with a ram air flow passing over it.
  • liquid water or water in a liquid state is introduced into the ram air flow by means of the feed device.
  • the feed device is in particular designed to deliver the water into the ram air flow or the ram air duct, in particular to inject, inject and/or atomize it, whereby the water has an increased volume-to-surface ratio and/or with a cross-section of the ram air flow can be introduced into the flow in a uniform distribution.
  • cooling of the ram air flow can be achieved and/or heat transfer between the ram air flow and the cooling surfaces of the heat exchanger can be improved, in particular by a water-based change in the thermal conductivity of the ram air flow.
  • a thermal efficiency or the power density of the (main) heat exchanger can be increased and thus in particular the size of the heat exchanger can be reduced.
  • the recovery device has at least one water separator.
  • the recovery device is in particular with the Process gas device connected to an output side of the fuel cell system, in particular fluid-carrying, in order to be able to separate water present in the reaction gas.
  • a particularly liquid water component can be separated from the process gas or reaction gas of the fuel cell system and can, for example, be guided into a water reservoir of the recovery device, collected there and/or fed to the ram air flow or the heat exchanger.
  • the water recovered by means of the water separator can be provided to the feed device so that it can be introduced into the ram air flow in order to increase potential heat transfer between the ram air flow and the heat exchanger. Because the water recovered in this way is deionized, contamination and the associated susceptibility to defects in the heat exchanger can be reduced.
  • the process gas is an anode-side reaction gas and/or a cathode-side reaction gas.
  • the water separator can be in fluid connection with an exhaust gas line and/or a gas recirculation of the process gas device, or a gas connection of the water separator can be fluidly connected to a cathode outlet or an anode outlet of the fuel cell system in order to be able to separate liquid water from the respective reaction gas.
  • a capacitor is provided upstream or downstream of a respective water separator in order to improve the separation of water from the reaction gas.
  • a water storage tank for the recovered water can be made smaller than in a system without a condenser, which means that the system weight in the aircraft can be reduced.
  • the recovery device can only be provided on the anode side, in further embodiments the recovery device can only be provided on the cathode side and in yet further embodiments the recovery device can be provided on both the anode side and the cathode side in order to enable water recovery.
  • the recovery of Water can enable continuous operation of the water supply to the ram air flow, which makes it possible to increase the performance of the heat exchanger even in cruise flight.
  • the feed device is set up to introduce the atomized water into the ram air flow.
  • the supply device can be set up to inject, inject and/or atomize the water into the exhaust gas flow and for this purpose in particular have an injection, nozzle and/or atomization device arranged at a supply point of the water into the ram air flow.
  • a degree of atomization or a droplet size of the water to be supplied can be adjustable using the feed device.
  • a high degree of atomization of the water or a small droplet size of the water can promote heat transfer between the ram air flow and the heat exchanger, since the number of water drops and thus their surface area available for heat exchange can be increased.
  • the atomized water can be distributed evenly in the ram air flow in order to enable an improvement in effectiveness over the entire cross section of the ram air flow.
  • the feed device has a pulse valve.
  • the pulse valve can be arranged between a pump of the supply device and a supply point of the water in the ram air flow.
  • the feed device is in particular fluidly connected to the water reservoir of the recovery device and is set up to transport water to an injection, nozzle and/or atomization device at the feed point.
  • the pulse valve By means of the pulse valve, control of a water throughput at an injection, nozzle and/or atomization device arranged at the supply point can be made possible, or the water can be introduced into the ram air flow by means of the pulse valve.
  • the pulse valve is designed, for example, as a pilot-controlled 2/2-way valve and/or set up to enable water transport at predetermined time intervals and/or quantities, which enables improved atomization of the water over a wide operating range.
  • the pulse valve can be set up to pulse the water or to generate a pulsating water flow and/or to set an amplitude and/or a frequency of the pulsating water flow.
  • the water can be supplied to the ram air flow, for example in batches and/or at a predetermined pressure, in order to influence the distribution of the water in the ram air flow.
  • the pulse valve can be set up to set or vary a pulse duration, a temperature (heating and/or cooling) of the water and/or a predetermined operating pressure for the water, for example in order to adapt the properties of the water to be supplied to the operating parameters of the ram air flow or the To be able to adapt aircraft fuel cell propulsion.
  • a method for operating an aircraft fuel cell drive with at least one fuel cell system is proposed.
  • the aircraft fuel cell drive is designed in particular in accordance with the previous description.
  • the ram air duct is flowed through with ram compressed air, the fuel cell system is operated and water is supplied to the ram air flow, in particular before or when it enters the heat exchanger, by means of the feed device.
  • the aircraft fuel cell drive can have a control device that is set up to control the supply device, the recovery device, the pulse valve and/or the heat exchanger.
  • a degree of heat dissipation or a heat transfer on or by means of the (main) heat exchanger (s) can be adjusted by regulating a coolant throughput of the heat exchanger and/or a water supply to the ram air flow.
  • a heat exchange performance of the heat exchanger can therefore be changed by means of the control device.
  • the control device can specify a respective operating state or a heat exchange performance for the heat exchanger, for example depending on an ambient temperature, a ram air humidity, a ram air flow speed and/or taking into account other operating parameters, such as the fuel cell system.
  • the water is at least partially obtained from a process gas of the fuel cell system.
  • the process gas is a reaction gas on the anode side and/or a cathode-side reaction gas. Since during the reaction of hydrogen and oxygen in the fuel cell system, highly pure, deionized water-containing reaction gases are formed, which are removed from the fuel cell and/or at least partially recirculated to the anode and/or cathode, this water can, in particular by means of Recovery device from which the anode-side and/or cathode-side reaction gas is separated and fed to the ram air flow. Due to the purity of the water obtained in this way, contamination and/or deposit formation on or in the heat exchanger can be reduced or even avoided in order to reduce the probability of damage and/or a reduction in efficiency.
  • a volume flow of the water to be supplied can be specified depending on parameters of the aircraft fuel cell drive, in particular by controlling the pulse valve.
  • an injection, nozzle and/or atomization device arranged at a supply point of the water into the ram air flow can be set up to adjust the volume flow.
  • Parameters of the aircraft fuel cell drive may include, for example, a current temperature, a speed, a pressure, a composition and/or a specific gravity of the ram air flow.
  • operating parameters of the aircraft engine or an environment can also be taken into account when determining the volume flow to be supplied. As a result, heat transfer performance of the heat exchanger and in particular water recovery from the process gas of the fuel cell system can be operated efficiently under varying conditions.
  • a degree of atomization of the water to be introduced can be varied, in particular by controlling the pulse valve, depending on parameters of the aircraft fuel cell drive and in particular on operating parameters of the aircraft engine and/or an environment.
  • the pulse valve When water is supplied with a high degree of atomization, the smallest possible water drops are supplied to the ram air flow, whereby the evaporation in the heat exchanger can be influenced by the number of water drops with the same supply quantity. In this way, for example, a heat transfer performance of the heat exchanger can be increased or, if necessary, kept constant.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary aircraft fuel cell drive according to the invention with a fuel cell system
  • FIG. 2 is a schematic representation of a flow chart of a method according to the invention for operating an aircraft fuel cell drive with a fuel cell system.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an exemplary aircraft fuel cell drive 10 according to the invention, having a fuel cell system 12 and a heat exchanger 20.
  • a fluid cooling device 40 is provided, which can transport heat generated by the fuel cell system 12 by means of a cooling fluid to the heat exchanger 20, where the heat is released to the environment by means of the heat exchanger 20.
  • the cooling fluid can be guided to the fuel cell system 12 via a cooling fluid supply 41, absorb heat there and be removed from there via a cooling fluid discharge 42.
  • cooling fluid In order to cool the cooling fluid, it is fed to a cooling fluid supply 43 of the heat exchanger 20 by means of the fluid cooling device 40, where heat is removed from it.
  • the cooling fluid can then be removed from there via a cooling fluid discharge 44.
  • the cooling fluid supply lines 41, 43 or Cooling fluid discharges 42, 44 can form a coolant circuit (not shown).
  • the fuel cell system 12 has a fuel cell 13 with an anode 14 and a cathode 15.
  • the anode 14 is supplied with fuel, in the exemplary embodiment with hydrogen, from a fuel storage 16 via a process gas device 17 and the fuel is largely consumed in the fuel cell 13.
  • the used process gas or the anode-side reaction gas is removed from the fuel cell 13.
  • Fuel that is not completely consumed or excess hydrogen can be fed back into the anode 14 of the fuel cell 13 via the process gas using a gas recirculation 27 or, in particular, released into the environment.
  • the cathode 15 is supplied with ambient air taken from the environment 18 via the process gas device 17 and reacts as a process gas in the fuel cell 13.
  • the used ambient air or the cathode-side reaction gas can be removed from the fuel cell 13 by means of the process gas device 17 and in particular released into the environment 19 become.
  • the heat exchanger 20 is arranged in or on a ram air duct 21 through which ram compressed air 22 flows and is designed to release heat generated by the fuel cell system 12 to the environment 23.
  • a feed device 50 is arranged upstream of the heat exchanger 20 and is designed to introduce water into the ram air flow 22.
  • the feed device 50 has a nozzle device 51 arranged at or before the entry of the ram air flow 22 into the heat exchanger 20, which is designed to introduce the water into the ram air flow 22 in atomized form.
  • the water is at least partially provided from the process gas of the fuel cell system 12 by means of a recovery device 30.
  • the recovery device 30 has a first water separator 31, which is fluidly connected to an anode-side section of the process gas device 17 downstream of the fuel cell system 12 and is set up to separate water from an anode-side reaction gas.
  • a first condenser 34 can be provided upstream of the first water separator 31, which can have a cooling circuit with a coolant supply 341 and a coolant discharge 342.
  • the recovery device 30 has a second water separator 32, which is fluidly connected to a cathode-side section of the process gas device 17 downstream of the fuel cell system 13 and is set up to separate water from a cathode-side reaction gas.
  • a second condenser 35 can be provided upstream of the second water separator 32, which can have a cooling circuit with a coolant supply 351 and a coolant discharge 352.
  • the coolant circuits of the capacitors 34, 35 can be connected to the fluid cooling device 40 of the fuel cell system 12 or its coolant circuit (not shown).
  • the separated water from both the water separators 31, 32 and the capacitors 34, 35 can be collected in a water reservoir 33 of the recovery device 30. From there, the water can be fed to the ram air flow 22 by means of the feed device 50.
  • the feed device 50 has a pump 52 to pump the water. With the help of a pulse valve 53 downstream of the pump 52, a water throughput at the nozzle device 51 can be regulated or controlled.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a flowchart of an exemplary method 100 for operating an aircraft fuel cell drive 10 described herein with a fuel cell system 12.
  • the steps of the method 100 can in particular be carried out or take place simultaneously or in a modified order and therefore deviate from the sequence shown.
  • a step a the ram air channel 21 is flowed through with ram compressed air 22.
  • the fuel cell system 12 is operated to provide energy for an aircraft engine, and in a step c, water can be obtained from a reaction gas of the fuel cell system 12, in particular by means of the recovery device 30.
  • the ram air flow 22 is supplied with water by means of the feed device 50 before entering the heat exchanger 20.
  • a volume flow and/or a degree of atomization of the water to be introduced can be controlled and/or regulated depending on the parameters of the aircraft fuel cell drive 10 in order to increase the heat exchange performance of the

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb (10) mit einem Brennstoffzellen-System (12), welches wenigstens eine Anode (14) und wenigstens eine Kathode (15) sowie eine Prozessgaseinrichtung (17) zum Versorgen der Anode (14) und der Kathode (15) mit Brennstoff und Umgebungsluft sowie zum Abführen verbrauchter Prozessgase aufweist, einem mit Staudruckluft (22) durchströmten Stauluftkanal (21) und einem in dem Stauluftkanal (21) angeordneten Wärmetauscher (20), der eingerichtet ist, von dem Brennstoffzellen-System (12) erzeugte Wärme an die Umgebung abzugeben.

Description

Flugzeug-Brennstoffzellen- Antrieb
Die Erfindung betrifft einen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb mit einem Brennstoffzellen- System, welches wenigstens eine Anode und wenigstens eine Kathode sowie eine Prozessgaseinrichtung zum Versorgen der Anode und der Kathode mit Brennstoff und Umgebungsluft sowie zum Abführen verbrauchter Prozessgase aufweist. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs.
Um Flugzeuge umweltfreundlicher gestalten zu können, werden Anstrengungen betrieben, Brennstoffzellen als Energiewandler für Flugantriebe nutzen zu können. Bei Antriebssystemen mit Brennstoffzellen werden im Betrieb typischerweise große Mengen an Abwärme auf niedrigem Temperatumiveau erzeugt, weshalb ein Flüssigkeitskühlsystem für die Brennstoffzellen benötigt wird, welches die Abwärme an die Umgebung abführen kann, um einen sicheren, stabilen Betrieb der Brennstoffzellen zu ermöglichen. Eine zentrale Komponente zur Wärmeabfuhr aus diesem Flüssigkeitskühlsystem an die Umgebung ist ein großer (Haupt-) Wärmetauscher. Dieser ist typischerweise in bzw. an einem Stauluftkanal eines Triebwerks in der freien Anströmung bzw. hinter einem Propeller angeordnet. Um eine ausreichende Kühlwirkung erzielen zu können, muss ein solcher Hauptwärmetauscher große Dimensionen aufweisen, lässt sich daher nur unzufriedenstellend in das Flugzeug integrieren und kann große aerodynamische Zusatzwiderstände (Drag) am Flugzeug schaffen.
Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb vorzuschlagen, mit welchem insbesondere aerodynamische Eigenschaften des Antriebs verbessert werden können und/ oder ein Wartungsaufwand reduziert werden kann. Ferner soll ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Flugzeug-Brennstoffzell en- Antriebs zur Verfügung gestellt werden. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Flugzeug-Brennstoffzellen- Antrieb mit einem Brennstoffzellen-System vorgeschlagen, wobei das Brennstoffzellen-System wenigstens eine Anode und wenigstens eine Kathode sowie eine Prozessgaseinrichtung zum Versorgen der Anode und der Kathode mit Brennstoff und Umgebungsluft sowie zum Ab führen verbrauchter Prozessgase aufweist. Zudem weist der Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb einen mit Staudruckluft durchströmten Stauluftkanal und einen in dem Stauluftkanal angeordneten Wärmetauscher auf, der eingerichtet ist, von der wenigstens einen Brennstoffzelle erzeugte Wärme an die Umgebung abzugeben, wobei stromaufwärts des Wärmetauschers eine Zuführeinrichtung angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, Wasser in die Stauluftströmung einzubringen. Dabei wird das Wasser wenigstens teilweise mittels einer Rückgewinnungseinrichtung aus dem Prozessgas des Brennstoffzellen-Systems bereitgestellt.
Durch die chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in dem Brennstoffzellen-System im Betrieb entsteht hochreines, deionisiertes Wasser. Mittels der Rückgewinnungseinrichtung kann ein insbesondere flüssiger Wasseranteil von dem Prozessgas getrennt werden und in einen Wasserspeicher der Rückgewinnungseinrichtung geführt und/oder der Stauluftströmung zugeführt werden. Somit kann der Betrieb des Brennstoffzellen-Systems genutzt werden, um eine Bereitstellung von hochreinem Wasser, welches insbesondere spezifische Betriebsanforderungen erfüllt, zu ermöglichen. Bei Verwendung des so erzeugten bzw. rückgewonnenen, deionisierten Wassers, kann eine Verschmutzung und/ oder eine Belagbildung auf bzw. in dem Wärmetauscher verringert oder sogar vermieden werden. Hierdurch kann ein Beschädigungsrisiko und/ oder ein Wartungsaufwand für den Wärmetauscher reduziert werden. Durch die mittels des vorgeschlagenen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs ermöglichte Integration einer Wasserversorgung für einen verbesserten Wärmeübergang im bzw. am Wärmetauscher, kann auf eine externe Bereitstellung von Wasser verzichtet werden, wodurch sich Kosteneinsparungen ergeben können.
Durch die Zuführung bzw. Injektion von flüssigem, deionisiertem Wasser in den Stauluftkanal am Eintritt des Wärmetauschers kann ein Wärmeübergang am bzw. im Hauptwärmetauscher erhöht werden. Experimentelle Untersuchungen zeigen ein Potential von bis zu 50% Leistungssteigerung in Bezug auf eine übertragene Abwärmemenge pro Fläche. Da die insgesamt abzuführende Wärmemenge am Flugzeug bzw. Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb unverändert bleibt, ergibt sich dadurch ein Potential zur Reduktion einer Baugröße des Hauptwärmetauschers, wodurch sich beispielsweise eine Verringerung einer Anströmfläche, eines Volumens und eines Gewichts des (Haupt-) Wärmetauschers ergeben kann. Hierdurch kann dieser verbessert in den Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb integrierbar sein, wodurch ein Drag bzw. Strömungsverluste am Flugzeug reduziert werden können. Insgesamt kann sich hierdurch eine Verbesserung der Gesamteffizienz des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs bzw. des Flugzeugs ergeben.
Ein Brennstoffzellen-System weist wenigstens eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Vielzahl von Brennstoffzellen, auf, welche beispielsweise in Form von Brennstoffzellenstapeln angeordnet sind. Eine solche Brennstoffzellenanordnung, welche entsprechend wenigstens eine Brennstoffzelle aufweist, wird im Rahmen der Beschreibung der Erfindung vereinfacht auch als „eine Brennstoffzelle“ bezeichnet. Entsprechend weist die Vielzahl von Brennstoffzellen üblicherweise auch eine Vielzahl von Anoden auf, die zum Erzeugen von elektrischer Energie mit einem Brennstoff, wie insbesondere Wasserstoff versorgt werden, und eine Vielzahl von Kathoden, welche zusammenwirkend mit den Anoden zum Erzeugen von elektrischer Energie mit Umgebungsluft versorgt werden, um den darin enthaltenen Luftsauerstoff der Brennstoffzelle als Oxidationsmittel zuzuführen.
Eine Prozessgaseinrichtung ist zum Führen von Prozessgas eingerichtet und versorgt die Brennstoffzelle bzw. das Brennstoffzellen-System mit für die Erzeugung von elektrischer Energie notwendigen Reaktanten über das Prozessgas und führt verbrauchtes Prozessgas bzw. Reaktionsgas von der Brennstoffzelle ab. Hierzu ist die Prozessgaseinrichtung zum Versorgen der Anode mit Brennstoff und zum Versorgen der Kathode mit Oxidationsmittel sowie zum Abführen bzw. Zirkulieren insbesondere wenigstens teilweise verbrauchter Prozessgase eingerichtet. Die Prozessgaseinrichtung kann so einen offenen Gaskreislauf ausbilden.
Beim Betrieb einer Brennstoffzelle wird der Anode ein Reduktionsmittel wie beispielsweise Wasserstoff und der Kathode ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Umgebungsluft zugeführt. An der Anode wird der Wasserstoff katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Wasserstoffionen oxidiert. Diese gelangen durch den üblicherweise in Form einer Membran vorliegenden Elektrolyten in den Kathodenbereich, wo sie mit dem der Kathode zugeführten Sauerstoff sowie den über einen äußeren Stromkreis zur Kathode geleiteten Elektronen zu Wasser reagieren. Um einen stabilen Betrieb des Brennstoffzellen-Systems zu ermöglichen, kann dieses mittels eines Kühlsystems bzw. eines Kühlmittelkreislaufs gekühlt werden. Dieser Kühlmittelkreislauf kann mit dem (Haupt-) Wärmetauscher verbunden sein, wobei der Wärmetauscher eingerichtet ist, von der wenigstens einen Brennstoffzelle erzeugte, und insbesondere mittels des Kühlmittelkreislauf zu dem Wärmetauscher transportierte, Wärme, aufzunehmen und/ oder an die Umgebung abzugeben. Hierzu kann der Wärmetauscher wenigstens eine mit dem Kühlmittelkreislauf verbundene Kühlfläche aufweisen, welche im Betrieb von einer Fan- und/ oder der Stauluftströmung überströmt wird. Dabei nimmt die Kühlfläche des Wärmetauschers Wärme von dem Kühlmittelkreislauf auf und führt sie insbesondere konvektiv vom Wärmetauscher ab. Der Wärmetauscher kann im Rahmen der Erfindung auch mehrere räumlich nebeneinander und/ oder verteilt angeordnete Wärmetauschereinrichtungen aufweisen, welche insbesondere (jeweils) mehrere Kühlflächen aufweisen können. Als Kühlfläche wird in diesem Zusammenhang jede am Wärmetauscher angeordnete (Ober-)Fläche bezeichnet, welche sich durch die abzuführende Wärmeenergie erwärmt und von welcher mit einer diese üb er str eichenden Stauluftströmung Wärme abgeführt werden kann.
Um den Wärmeübergang in dem Wärmetauscher bzw. an den Kühlflächen zu verbessern, wird mittels der Zuführ einrichtung insbesondere flüssiges Wasser bzw. Wasser in flüssigem Aggregatszustand in die Stauluftströmung eingebracht. Dabei ist die Zuführ einrichtung insbesondere ausgebildet, das Wasser in die Stauluftströmung bzw. den Stauluftkanal abzugeben, insbesondere einzuspritzen, einzudüsen und/ oder zu zerstäuben, wodurch das Wasser mit einem vergrößerten Volumen-Oberflächen-Verhältnis und/ oder mit einer über den Querschnitt der Stauluftströmung gleichmäßigen Verteilung in die Strömung eingebracht werden kann. Durch die Zuführung von Wasser kann eine Abkühlung der Stauluftströmung erzielt werden und/ oder ein Wärmeübergang zwischen der Stauluftströmung und den Kühlflächen des Wärmetauschers, insbesondere durch eine auf dem Wasser basierende Veränderung der Wärmeleitfähigkeit der Stauluftströmung, verbessert werden. Hierdurch kann ein thermischer Wirkungsgrad bzw. die Leistungsdichte des (Haupt-) Wärmetauschers erhöht werden und somit insbesondere eine Baugröße des Wärmetauschers verringert werden.
Bei einer Ausführungsform weist die Rückgewinnungseinrichtung wenigstens einen Wasserabscheider auf. Dabei ist die Rückgewinnungseinrichtung insbesondere mit der Prozessgaseinrichtung an einer Ausgangsseite des Brennstoffzellen-Systems, insbesondere fluidführend, verbunden, um in dem Reaktionsgas vorliegendes Wasser abscheiden zu können. Mittels dem Wasserabscheider kann ein insbesondere flüssiger Wasseranteil von dem Prozessgas bzw. Reaktionsgas des Brennstoffzellen-Systems getrennt werden und kann beispielsweise in einen Wasserspeicher der Rückgewinnungseinrichtung geführt, dort gesammelt und/oder der Stauluftströmung bzw. dem Wärmetauscher zugeführt werden. Das mittels dem Wasserabscheider rückgewonnene Wasser kann der Zuführeinrichtung bereitgestellt werden, sodass es in die Stauluftströmung eingebracht werden kann, um dort einen potentiellen Wärmeübergang zwischen Stauluftströmung und Wärmetauscher zu erhöhen. Dadurch, dass das auf diese Weise rückgewonnene Wasser deionisiert ist, können Verunreinigungen und eine damit verbundene Defektanfälligkeit im Wärmetauscher reduziert werden.
Bei einer Ausführungsform ist das Prozessgas ein anodenseitiges Reaktionsgas und/oder ein kathodenseitiges Reaktionsgas. Dabei kann beispielsweise der Wasserabscheider mit einer Abgasleitung und/ oder einer Gasrezirkulation der Prozessgaseinrichtung in Fluidverbindung stehen oder ein Gasanschluss des Wasserabscheiders kann mit einem Kathodenauslass oder einem Anodenauslass des Brennstoffzellen-Systems fluidführend verbunden sein, um flüssiges Wasser aus dem jeweiligen Reaktionsgas abscheiden zu können.
Da sowohl in dem anodenseitigen Reaktionsgas als auch in dem kathodenseitigen Reaktionsgas Wasser insbesondere im gasförmigen Zustand vorliegen kann, ist in manchen Ausführungsformen ein einem jeweiligen Wasserabscheider vor- oder nachgelagerter Kondensator vorgesehen, um ein Abscheiden von Wasser aus dem Reaktionsgas zu verbessern. Hierdurch kann ein Wasserspeicher für das rückgewonnene Wasser kleiner dimensioniert werden als bei einem System ohne Kondensator, wodurch ein Systemgewicht im Flugzeug verringerbar ist.
In manchen Ausführungsformen kann die Rückgewinnungseinrichtung nur anodenseitig vorgesehen sein, in weiteren Ausführungsformen kann die Rückgewinnungseinrichtung nur kathodenseitig vorgesehen sein und in wieder weiteren Ausführungsformen kann die Rückgewinnungseinrichtung sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig vorgesehen sein, um eine Wasserrückgewinnung zu ermöglichen. Durch die so ermöglichte Rückgewinnung von Wasser kann ein kontinuierlicher Betrieb der Wasserzuführung zu der Stauluftströmung ermöglicht werden, wodurch die Leistungssteigerung des Wärmetauschers auch im Cruise-Flug möglich ist.
Bei einer Ausführungsform ist die Zuführ einrichtung eingerichtet, das Wasser zerstäubt in die Stauluftströmung einzubringen. Hierbei kann die Zuführeinrichtung eingerichtet sein das Wasser in die Abgasströmung einzuspritzen, einzudüsen und/ oder zu zerstäuben und hierfür insbesondere eine an einer Zuführstelle des Wassers in die Stauluftströmung angeordnete Einspritz-, Düsen- und/ oder Zerstäubungseinrichtung aufweisen. Dabei kann ein Zerstäubungsgrad bzw. eine Tröpfchengröße des zuzuführenden Wassers mittels der Zuführeinrichtung einstellbar sein. Ein hoher Zerstäubungsgrad des Wassers bzw. eine kleine Tröpfchengröße des Wassers kann einen Wärmeübergang zwischen der Stauluftströmung und dem Wärmetauscher fördern, da eine Anzahl an Wassertropfen und somit deren zum Wärmetausch zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert sein kann. Ferner kann sich das zerstäubte Wasser gleichmäßig in der Stauluftströmung verteilen, um eine Wirkungsverbesserung über den gesamten Querschnitt der Stauluftströmung zu ermöglichen.
Bei einer Ausführungsform weist die Zuführeinrichtung ein Pulsventil auf. Das Pulsventil kann zwischen einer Pumpe der Zuführeinrichtung und einer Zuführstelle des Wassers in der Stauluftströmung angeordnet sein. Die Zuführeinrichtung ist insbesondere fluidführend mit dem Wasserspeicher der Rückgewinnungseinrichtung verbunden und eingerichtet, Wasser zu einer Einspritz-, Düsen- und/ oder Zerstäubungseinrichtung an der Zuführstelle zu transportieren.
Mittels des Pulsventils kann eine Regelung eines Wasserdurchsatzes an einer an der Zuführstelle angeordneten Einspritz-, Düsen- und/ oder Zerstäubungseinrichtung ermöglicht werden oder das Wasser kann mittels des Pulsventils in die Stauluftströmung eingebracht werden. Hierzu ist das Pulsventil beispielsweise als vorgesteuertes 2/2 Wegeventil ausgebildet und/ oder eingerichtet, einen Wassertransport in vorbestimmten zeitlichen Abständen und/ oder Mengen zu ermöglichen, wodurch eine verbesserte Zerstäubung des Wassers über einen weiten Betriebsbereich ermöglicht werden kann. Das Pulsventil kann eingerichtet sein, das Wasser zu pulsen bzw. einen pulsierenden Wasserstrom zu erzeugen und/ oder eine Amplitude und/ oder eine Frequenz des pulsierenden Wasserstroms einzustellen. Hierdurch kann das Wasser der Stauluftströmung beispielsweise schubweise und/ oder mit einem vorbestimmten Druck zugeführt werden, um eine Verteilung des Wassers in der Stauluftströmung zu beeinflussen. Zudem kann das Pulsventil eingerichtet sein, eine Pulsdauer, eine Temperatur (Heizen und/ oder Kühlen) des Wassers und/ oder einen vorbestimmten Betriebsdruck für das Wasser einzustellen bzw. zu variieren, um beispielsweise die Eigenschaften des zuzuführenden Wassers an Betriebsparameter der Stauluftströmung bzw. des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs anpassen zu können.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Flugzeug- Brennstoffzellen- Antriebs mit wenigstens einem Brennstoffzellen-System vorgeschlagen. Der Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb ist dabei insbesondere entsprechend der vorausgehenden Beschreibung ausgebildet. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird der Stauluftkanal mit Staudruckluft durchströmt, das Brennstoffzellen-System betrieben und der Stauluftströmung insbesondere vor oder bei einem Eintreten in den Wärmetauscher mittels der Zuführeinrichtung Wasser zugeführt.
Hierbei kann der Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb eine Steuereinrichtung aufweisen, die eingerichtet ist, die Zuführeinrichtung, die Rückgewinnungseinrichtung, das Pulsventil und/ oder den Wärmetauscher zu steuern. Insbesondere kann ein Wärmeabfuhrgrad bzw. ein Wärmeübergang am bzw. mittels des (Haupt-) Wärmetauscher(s) durch ein Regeln eines Kühlmitteldurchsatzes des Wärmetauschers und/ oder einer Wasserzufuhr zur Stauluftströmung eingestellt werden. Somit kann eine Wärmetauschleistung des Wärmetauschers mittels der Steuereinrichtung veränderbar sein. Dabei kann die Steuereinrichtung einen jeweiligen Betriebszustand bzw. eine Wärmetauschleistung für den Wärmetauscher beispielsweise in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur, einer Stauluftfeuchtigkeit, einer Stauluftströmungsgeschwindigkeit und/oder unter Berücksichtigung weiterer Betriebsparameter, wie beispielsweise des Brennstoffzellen-Systems, vorgeben.
Bei einer Ausführungsform wird das Wasser wenigstens teilweise aus einem Prozessgas des Brennstoffzellen-Systems gewonnen. Das Prozessgas ist dabei ein anodenseitiges Reaktionsgas und/ oder ein kathodenseitiges Reaktionsgas. Da bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in dem Brennstoffzellen-System hochreines, deionisiertes Wasser aufweisende Reaktionsgase gebildet werden, welche von der Brennstoffzelle abgeführt und/ oder wenigstens teilweise jeweils zu der Anode und/ oder Kathode rezirkuliert werden, kann dieses Wasser, insbesondere mittels der Rückgewinnungseinrichtung, aus dem anodenseitigen und/ oder kathodenseitigen Reaktionsgas abgeschieden und der Stauluftströmung zugeführt werden. Durch die Reinheit des so gewonnenen Wassers kann eine Verschmutzung und/ oder eine Belagbildung auf bzw. in dem Wärmetauscher verringert oder sogar vermieden werden, um eine Beschädigungswahrscheinlichkeit und/ oder eine Wirkungsgradreduktion zu verringern.
Bei einer Ausführungsform ist ein Volumenstrom des zuzuführenden Wassers abhängig von Parametern des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs, insbesondere durch Ansteuern des Pulsventils, vorgebbar. Hierbei kann eine an einer Zuführstelle des Wassers in die Stauluftströmung angeordnete Einspritz-, Düsen- und/ oder Zerstäubungseinrichtung eingerichtet sein, den Volumenstrom einzustellen. Parameter des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs können beispielsweise eine aktuelle Temperatur, eine Geschwindigkeit, einen Druck, eine Zusammensetzung und/ oder ein spezifisches Gewicht der Stauluftströmung umfassen. Zudem können auch Betriebsparameter des Flugtriebwerks oder einer Umgebung bei einem Bestimmen des zuzuführenden Volumenstroms berücksichtigt werden. Hierdurch kann eine Wärmeübergangsleistung des Wärmetauschers und insbesondere eine Wasserrückgewinnung aus dem Prozessgas des Brennstoffzellen-Systems unter variierenden Bedingungen effizient betrieben werden.
Bei einer Ausführungsform ist ein Zerstäubungsgrad des einzubringenden Wassers, insbesondere durch ein Ansteuem des Pulsventils, abhängig von Parametern des Flugzeug-Brennstoffzellen- Antriebs und insbesondere von Betriebsparametern des Flugtriebwerks und/ oder einer Umgebung variierbar. Bei einem Zuführen von Wasser mit einem hohen Zerstäubungsgrad werden möglichst kleine Wassertropfen der Stauluftströmung zugeführt, wodurch bei gleicher Zuführmenge durch die Anzahl von Wassertropfen die Verdampfung im Wärmetauscher beeinflusst werden kann. Hierdurch kann beispielsweise eine Wärmeübergangsleistung des Wärmetauschers erhöht oder bei Bedarf konstant gehalten werden. Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Im Allgemeinen gilt, dass Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen beispielhaften Aspekte und/oder Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern dies im Zusammenhang mit der Offenbarung nicht eindeutig ausgeschlossen ist.
Im folgenden Teil der Beschreibung wird auf die Figuren Bezug genommen, die zur Veranschaulichung spezifischer Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt sind. Es versteht sich, dass andere Aspekte verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen der illustrierten Ausführungsformen möglich sind, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die folgende Beschreibung der Figuren ist daher nicht einschränkend zu verstehen. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Flugzeug- Brennstoffzellen- Antriebs mit einem Brennstoffzellen-System;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit einem Brennstoffzellen- System .
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Flugzeug- Brennstoffzellen- Antriebs 10 aufweisend ein Brennstoffzellen-System 12 und einen Wärmetauscher 20. Um das Brennstoffzellen-System 12 zuverlässig betreiben zu können, ist es notwendig, dieses zu kühlen. Hierzu ist eine Fluidkühleinrichtung 40 vorgesehen, welche von dem Brennstoffzellen-System 12 erzeugte Wärme mittels eines Kühlfluids zu dem Wärmetauscher 20 transportieren kann, wo die Wärme mittels des Wärmetauschers 20 an die Umgebung abgegeben wird. Hierzu kann das Kühlfluid über eine Kühlfluidzuführung 41 zu dem Brennstoffzellen-System 12 geführt werden, dort Wärme aufnehmen und über eine Kühlfluidabführung 42 von dort abgeführt werden. Um das Kühlfluid abzukühlen wird dieses mittels der Fluidkühleinrichtung 40 einer Kühlfluidzuführung 43 des Wärmetauschers 20 zugeführt, wo ihm Wärme entzogen wird. Anschließend kann das Kühlfluid über eine Kühlfluidabführung 44 von dort abgeführt werden. Die Kühlfluidzuführungen 41, 43 bzw. Kühlfluidabführungen 42, 44 können dabei einen (nicht dargestellten) Kühlmittelkreislauf ausbilden.
Das Brennstoffzellen-System 12 weist eine Brennstoffzelle 13 mit einer Anode 14 und einer Kathode 15 auf. Die Anode 14 wird von einem Brennstoffspeicher 16 über eine Prozessgaseinrichtung 17 mit Brennstoff, in dem beispielhaften Ausführungsbeispiel mit Wasserstoff, versorgt und der Brennstoff wird in der Brennstoffzelle 13 großteils verbraucht. Das verbrauchte Prozessgas bzw. das anodenseitige Reaktionsgas wird von der Brennstoffzelle 13 abgeführt. Nicht vollständig verbrauchter Brennstoff bzw. überschüssiger Wasserstoff, kann mithilfe einer Gasrezirkulation 27 über das Prozessgas der Anode 14 der Brennstoffzelle 13 erneut zugeführt werden oder insbesondere an die Umgebung abgegeben werden. Die Kathode 15 wird über die Prozessgaseinrichtung 17 mit aus der Umgebung 18 entnommener Umgebungsluft versorgt und reagiert als Prozessgas in der Brennstoffzelle 13. Die verbrauchte Umgebungsluft bzw. das kathodenseitige Reaktionsgas kann mittels der Prozessgaseinrichtung 17 von der Brennstoffzelle 13 abgeführt und insbesondere an die Umgebung 19 abgegeben werden.
Der Wärmetauscher 20 ist in bzw. an einem mit Staudruckluft 22 durchströmten Stauluftkanal 21 angeordnet und dazu eingerichtet, von dem Brennstoffzellen-System 12 erzeugte Wärme an die Umgebung 23 abzugeben. Stromaufwärts des Wärmetauschers 20 ist eine Zuführeinrichtung 50 angeordnet, die dazu eingerichtet ist, Wasser in die Stauluftströmung 22 einzubringen. Hierzu weist die Zuführeinrichtung 50 eine am oder vor dem Eintritt der Stauluftströmung 22 in den Wärmetauscher 20 angeordnete Düseneinrichtung 51 auf, die dazu eingerichtet ist, das Wasser zerstäubt in die Stauluftströmung 22 einzubringen. Mittels des zugeführten Wassers kann eine Kühlwirkung des Wärmetauschers 20 bzw. ein Wärmeübergang am und/ oder im Wärmetauscher 20 erhöht werden.
Das Wasser wird wenigstens teilweise mittels einer Rückgewinnungseinrichtung 30 aus dem Prozessgas des Brennstoffzellen-Systems 12 bereitgestellt. Die Rückgewinnungseinrichtung 30 weist einen ersten Wasserabscheider 31 auf, der mit einem dem Brennstoffzellen-System 12 nachgelagerten anodenseitigen Abschnitt der Prozessgaseinrichtung 17 fluidverbunden und eingerichtet ist, aus einem anodenseitigen Reaktionsgas Wasser abzuscheiden. Um zusätzlich Wasser aus dem anodenseitigen Reaktionsgas zu gewinnen, kann dem ersten Wasserabscheider 31 vorgelagert ein erster Kondensator 34 vorgesehen sein, welcher einen Kühlkreislauf mit einer Kühlmittelzuführung 341 und einer Kühlmittelabführung 342 aufweisen kann.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Rückgewinnungseinrichtung 30 einen zweiten Wasserabscheider 32 auf, der mit einem dem Brennstoffzellen-System 13 nachgelagerten kathodenseitigen Abschnitt der Prozessgaseinrichtung 17 fluidverbunden und eingerichtet ist, aus einem kathodenseitigen Reaktionsgas Wasser abzuscheiden. Um zusätzlich Wasser aus dem kathodenseitigen Reaktionsgas zu gewinnen, kann dem zweiten Wasserabscheider 32 vorgelagert ein zweiter Kondensator 35 vorgesehen sein, welcher einen Kühlkreislauf mit einer Kühlmittelzuführung 351 und einer Kühlmittelabführung 352 aufweisen kann. Die Kühlmittelkreisläufe der Kondensatoren 34, 35 können dabei mit der Fluidkühleinrichtung 40 des Brennstoffzellen-Systems 12 bzw. deren (nicht dargestellten) Kühlmittelkreislauf verbunden sein.
Das abgeschiedene Wasser sowohl aus den Wasserabscheidern 31, 32 als auch aus den Kondensatoren 34, 35 kann in einem Wasserspeicher 33 der Rückgewinnungseinrichtung 30 gesammelt werden. Von dort kann das Wasser mittels der Zuführeinrichtung 50 der Stauluftströmung 22 zugeführt werden. Hierzu weist die Zuführeinrichtung 50 eine Pumpe 52 auf, um das Wasser zu fördern. Mithilfe eines der Pumpe 52 nachgelagerten Pulsventils 53 kann ein Wasserdurchsatz an der Düseneinrichtung 51 geregelt oder gesteuert werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines beispielhaften Verfahrens 100 zum Betreiben eines hierin beschriebenen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs 10 mit einem Brennstoffzellen-System 12. Die Schritte des Verfahrens 100 können dabei insbesondere gleichzeitig oder in einer abgeänderten Reihenfolge durchgeführt werden oder erfolgen und damit von der dargestellten Abfolge abweichen.
In einem Schritt a wird der Stauluftkanal 21 mit Staudruckluft 22 durchströmt. In einem Schritt b wird das Brennstoffzellen-System 12 betrieben, um Energie für ein Flugtriebwerk zur Verfügung zu stellen, und in einem Schritt c kann Wasser aus einem Reaktionsgas des Brennstoffzellen- Systems 12, insbesondere mittels der Rückgewinnungseinrichtung 30, gewonnen werden. In einem Schritt d wird der Stauluftströmung 22 vor einem Eintreten in den Wärmetauscher 20 mittels der Zuführ einrichtung 50 Wasser zugeführt. Hierbei kann ein Volumenstrom und/ oder ein Zerstäubungsgrad des einzubringenden Wassers abhängig von Parametern des Flugzeug - Brennstoffzellen- Antriebs 10 steuer- und/oder regelbar sein, um die Wärmetauschleistung des
Wärmetauschers an Betriebsbedingungen, beispielsweise des Flugzeug-Brennstoffzellen- Antriebs, anpassen zu können.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Flugzeug-Brennstoffzellen -Antrieb
12 Brennstoffzellen-System
13 Brennstoffzelle
14 Anode
15 Kathode
16 Brennstoffspeicher
17 Prozessgaseinrichtung
18 Umgebung
19 Umgebung
20 Wärmetauscher
21 Stauluftkanal
22 Staudruckluft/ Stauluftströmung
23 Umgebung
27 Gasrezirkulation
30 Rückgewinnungseinrichtung
31, 32 Wasserabscheider
33 Wasserspeicher
34, 35 Kondensator
40 Fluidkühleinrichtung
41, 43 Kühlfluidzuführung
42, 44 Kühlfluidabführung
50 Zuführeinrichtung
51 Düseneinrichtung
52 Pumpe
53 Pulsventil
341 Kondensatorkühlmittelzuführung
342 Kondensatorkühlmittelabführung
351 Kondensatorkühlmittelzuführung
352 Kondensatorkühlmittelabführung

Claims

ANSPRÜCHE
1. Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb (10) mit einem Brennstoffzellen-System (12), welches wenigstens eine Anode (14) und wenigstens eine Kathode (15) sowie eine Prozessgaseinrichtung (17) zum Versorgen der Anode (14) und der Kathode (15) mit Brennstoff und Umgebungsluft sowie zum Abführen verbrauchter Prozessgase aufweist, einem mit Staudruckluft (22) durchströmten Stauluftkanal (21) und einem in dem Stauluftkanal (21) angeordneten Wärmetauscher (20), der eingerichtet ist, von dem Brennstoffzellen-System (12) erzeugte Wärme an die Umgebung (23) abzugeben, wobei stromaufwärts des Wärmetauschers (20) eine Zuführeinrichtung (50) angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, Wasser in die Stauluftströmung (22) einzubringen, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser wenigstens teilweise mittels einer Rückgewinnungseinrichtung (30) aus dem Prozessgas des Brennstoffzellen-Systems (12) bereitgestellt wird.
2. Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb (10) nach Anspruch 1, wobei die Rückgewinnungseinrichtung (30) wenigstens einen Wasserabscheider (31, 32) aufweist.
3. Flugzeug-Brennstoffzellen -Antrieb (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Prozessgas ein anodenseitiges Reaktionsgas und/oder ein kathodenseitiges Reaktionsgas ist.
4. Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zuführeinrichtung (50) eingerichtet ist, das Wasser zerstäubt in die Stauluftströmung (22) einzubringen.
5. Flugzeug-Brennstoffzellen -Antrieb (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zuführeinrichtung (50) ein Pulsventil (53) aufweist. Verfahren (100) zum Betreiben eines Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs (10) mit einem Brennstoffzellen-System (12) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei a) der Stauluftkanal (21) mit Staudruckluft (22) durchströmt wird; b) das Brennstoffzellen-System (12) betrieben wird; c) Wasser wenigstens teilweise aus einem Prozessgas des Brennstoffzellen-Systems (12) gewonnen wird; und d) der Stauluftströmung (22) Wasser mittels der Zuführeinrichtung (50) zugeführt wird. Verfahren (100) nach Anspruch 6, wobei das Prozessgas ein anodenseitiges Reaktionsgas und/ oder ein kathodenseitiges Reaktionsgas ist. Verfahren (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei ein Volumenstrom des zuzuführenden Wassers abhängig von Parametern des Flugzeug- Brennstoffzellen-Antriebs (10), insbesondere durch Ansteuern des Puls-Ventils (53), vorgebbar ist. Verfahren (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei ein Zerstäubungsgrad des einzubringenden Wassers abhängig von Parametern des Flugzeug- Brennstoffzellen-Antriebs (10) variierbar ist.
PCT/DE2023/100613 2022-08-23 2023-08-21 Flugzeug-brennstoffzellen-antrieb Ceased WO2024041702A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US19/104,996 US20260106186A1 (en) 2022-08-23 2023-08-21 Aircraft fuel cell propulsion unit
EP23762363.2A EP4578055A1 (de) 2022-08-23 2023-08-21 Flugzeug-brennstoffzellen-antrieb

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022121215.7A DE102022121215A1 (de) 2022-08-23 2022-08-23 Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb
DE102022121215.7 2022-08-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024041702A1 true WO2024041702A1 (de) 2024-02-29

Family

ID=87886685

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2023/100613 Ceased WO2024041702A1 (de) 2022-08-23 2023-08-21 Flugzeug-brennstoffzellen-antrieb

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20260106186A1 (de)
EP (1) EP4578055A1 (de)
DE (1) DE102022121215A1 (de)
WO (1) WO2024041702A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230039588A1 (en) * 2020-02-07 2023-02-09 HyPoint Inc. Electric power generation system based on pressurized fuel cell power system with air cooling and recirculation and method for electric power generation by the system

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060029849A1 (en) * 2004-07-19 2006-02-09 Dirk Metzler System for water reclamation from an exhaust gas flow of a fuel cell of an aircraft
WO2021250213A1 (fr) * 2020-06-11 2021-12-16 Liebherr-Aerospace Toulouse Sas Système de refroidissement d'une pile à combustible et pile à combustible équipée d'un tel système
US20220009379A1 (en) * 2020-06-15 2022-01-13 Joby Aero, Inc. High Efficiency Hydrogen Fueled High Altitude Thermodynamic Fuel Cell System And Aircraft Using Same

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3950505A1 (de) * 2020-08-03 2022-02-09 Airbus Operations GmbH Sprühen von wasser in stauluft für brennstoffzellen-energiesysteme in flugzeugen
EP3950509A1 (de) * 2020-08-03 2022-02-09 Airbus Operations (S.A.S.) Brennstoffzellentemperaturverwaltung für flugzeuge

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060029849A1 (en) * 2004-07-19 2006-02-09 Dirk Metzler System for water reclamation from an exhaust gas flow of a fuel cell of an aircraft
WO2021250213A1 (fr) * 2020-06-11 2021-12-16 Liebherr-Aerospace Toulouse Sas Système de refroidissement d'une pile à combustible et pile à combustible équipée d'un tel système
US20230187662A1 (en) * 2020-06-11 2023-06-15 Liebherr-Aerospace Toulouse Sas System for cooling a fuel cell and fuel cell equipped with such a system
US20220009379A1 (en) * 2020-06-15 2022-01-13 Joby Aero, Inc. High Efficiency Hydrogen Fueled High Altitude Thermodynamic Fuel Cell System And Aircraft Using Same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230039588A1 (en) * 2020-02-07 2023-02-09 HyPoint Inc. Electric power generation system based on pressurized fuel cell power system with air cooling and recirculation and method for electric power generation by the system
US12512486B2 (en) * 2020-02-07 2025-12-30 ZeroAvia, Inc. Electric power generation system based on pressurized fuel cell power system with air cooling and recirculation and method for electric power generation by the system

Also Published As

Publication number Publication date
US20260106186A1 (en) 2026-04-16
EP4578055A1 (de) 2025-07-02
DE102022121215A1 (de) 2024-04-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2865045B1 (de) Kraftwerksanordnung mit hochtemperatur-speichereinheit
DE102014223906B4 (de) Brennstoffzellensystem mit einem befeuchteten Oxidationsmittelstrom, Verfahren zum Betrieb einesBrennstoffzellensystems und Wärmetauscher für ein Brennstoffzellensystem
DE102007026330A1 (de) Abgasemissionssteuerung von Wasserstoff während des gesamten Brennstoffzellenstapelbetriebs
EP3489394A1 (de) Elektrolyseanlage zur niederdruck-pem-elektrolyse
DE102013210991B4 (de) Pulsierendes Betriebsverfahren und System für ein Brennstoffzellensystem
AT526369B1 (de) Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Energie
DE102009009673A1 (de) Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle
DE102014220534A1 (de) Brennstoffzellen-kühlvorrichtung und brennstoffzellen-kühlverfahren unter verwendung derselben
EP4578055A1 (de) Flugzeug-brennstoffzellen-antrieb
DE102014103724A1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung
DE102018121371A1 (de) Verfahren zur Steigerung der Kaltstartfähigkeit sowie des Lastaufschalt- und Leistungsvermögens von Brennstoffzellen bei gleichzeitiger Sauerstoffabreicherung des Systemabgases
EP3572557A1 (de) Elektrolysevorrichtung und verfahren zum betreiben der elektrolysevorrichtung
DE102014118826A1 (de) Einrichtung mit einer Brennstoffzelle und Verwendung von Produktwasser einer Brennstoffzelle
WO2021009150A1 (de) Kühlsystem für einen brennstoffzellen-stack
WO2023198547A1 (de) Enteisen eines flugzeugs mit hilfe eines reformers zur wasserstoff-erzeugung
DE102008009130B4 (de) Verfahren zum Reduzieren flüssiger Wassertröpfchen in einem Anodeneinlass zu einem Brennstoffzellenstapel und entsprechend ausgebildetes Brennstoffzellensystem
DE102021202540A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungseinrichtung
DE102019219824A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle
AT521903A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Rezirkulation von Abgas in einem Brennstoffzellensystem
EP2645461A1 (de) Kühlkreislauf zum Kühlen einer elektrochemischen Zelle sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Kühlkreislaufs
WO2023061710A1 (de) Verdunstungskühlung eines kühlers mithilfe von produktwasser aus mindestens einem brennstoffzellensystem
WO2022161723A1 (de) Verfahren zum verhindern einer kondensierung und/oder gefrierung von wasser in einem anodengas-zuführstrom und brennstoffzellensystem
DE102013100924B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zu dessen Betrieb
WO2025168177A1 (de) Wärmetauscher-tank-anordnung für ein flugzeug
DE102007029430B4 (de) Brennstoffzellensysteme mit Regelmethodik für Heizer von Stapelendzellen sowie ein Verfahren zum Regeln der Temperatur von Endzellen in einem Brennstoffzellenstapel

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23762363

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2023762363

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2023762363

Country of ref document: EP

Effective date: 20250324

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2023762363

Country of ref document: EP