DE102005054888A1

DE102005054888A1 - Sauerstoffanreicherungsvorrichtung in Kombination mit einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102005054888A1
Application number: DE102005054888A
Authority: DE
Inventors: Harald Gründel; Ralf-Henning Stolte
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2025-11-18
Also published as: US20080213634A1; US8313868B2; DE102005054888B4

Abstract

Ein System kombiniert eine Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (OBOGS) zur Erzeugung von mit Sauerstoff angereicherter Luft und ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle zur Verwendung der mit Sauerstoff angereicherten Luft als Reaktionsgas innerhalb der Brennstoffzelle, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle bei gleichbleibender Größe und Gewicht gesteigert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kombination einer Sauerstoffanreicherungsvorrichtung mit einer Brennstoffzelle, insbesondere die Kombination eines OBOGS (On Board Oxygen Generation System) mit einem Brennstoffzellensystem innerhalb der Flugzeugtechnik.
Mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen haben sowohl im Voll- als auch im Teillastbetrieb einen relativ hohen Wirkungsgrad.
Ein Nachteil von Brennstoffzellensystemen ist jedoch, dass sie mit zunehmender Anforderung an die Leistung des Systems größer und schwerer werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Möglichkeit die Leistung eines Brennstoffzellensystems bei gleichbleibender Größe und gleichbleibendem Gewicht zu steigern.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dem Patentanspruch 1 zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das System gemäß der Erfindung kombiniert eine Sauerstoffanreicherungsvorrichtung zur Erzeugung von mit Sauerstoff angereicherter Luft mit einem Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzelle aufweist, die die mit Sauerstoff angereicherte Luft von der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung als Reaktionsgas innerhalb der Brennstoffzelle verwendet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Systems gemäß der Erfindung ist die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung ein OBOGS (On Board Oxygen Generation System), welches durch eine Luftversorgungsquelle mit Luft versorgt wird, und welches durch Erhöhung des Partikeldrucks des Sauerstoffs in der Luft den Sauerstoffgehalt in der Luft erhöht und die mit Sauerstoff angereicherte Luft an das Brennstoffzellensystem ausgibt.

Das OBOGS ist ein Sauerstoffanreicherungssystem, das beispielsweise verwendet werden kann, um das Cockpit eines Flugzeugs mit sauerstoffangereicherter Luft zu versorgen, wobei das System auf mechanischer Basis basiert, im Gegensatz zu den oben genannten bekannten Sauerstoffanreicherungssystemen. Dadurch begrenzt sich die Sauerstoffversorgung nicht nur auf einen Zeitraum, in dem die chemische Reaktion abläuft, wie bei bekannten Sauerstoffanreicherungssystemen, wodurch ein ganzzeitiger Betrieb des Systems möglich wird.

Die Sauerstoffpartikeldrücke des OBOGS sind einstellbar und liegen zwischen 60–94 %.

Das OBOGS kann unterschiedlich versorgt werden, beispielsweise durch die Zapfluft (Bleed Air) von einem Triebwerk eines Flugzeugs, durch eine Klimaanlage, durch Abluft aus der Kabine und/oder durch einen elektrischen Verdichter, der Außenluft verdichtet.

Wenn das OBOGS durch Zapfluft der Triebwerke versorgt wird, ist ein zusätzlicher Kühler (Pre-Cooler) dem gesamten System vorgeschaltet, da die Zapfluft das Triebwerk mit einer Temperatur von ca. 220°C verlässt, was irreversible Schäden in dem OBOGS verursachen würde. Die direkte Kopplung der Zapfluft mit der OBOGS/Brennstoffzellenkombination bedarf nicht den Einsatz eines elektrischen Verdichters mit hoher parasitärer Leistung.

Wenn die Versorgung des OBOGSs durch eine Klimaanlage erfolgt, kann die Luft, die das OBOGS versorgt, genau konditioniert werden. Die direkte Kopplung des OBOGS mit der Klimaanlage ermöglicht die Versorgung des Systems bei einem Kabinendruckabfall. Die OBOGS/Brennstoffzellenkombination kann bei diesem Fehlerfall weiterhin volle elektrische Leistung liefern.

Die Versorgung des OBOGSs mit Außenluft, die durch einem elektrischen Verdichter verdichtet worden ist, ist system- und regelungsspezifisch die einfachste Lösung.

Wenn zur Versorgung des OBOGSs die Kabinenluft verwendet wird, ist keine zusätzliche Konditionierung (Kühler oder dergleichen) erforderlich, und die Kabinenluft kann direkt dem OBOGS zugeführt werden. Bei der Nutzung der Kabinenluft für das OBOGS/Brennstoffzellensystem kann ein Pre-Cooler sowie Kompressoren, die einen hohen elektrischen Verbrauch haben, eingespart werden.

Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung enthält das OBOGS mindestens zwei Molekularsiebe zum Binden von Stickstoff und zum Durchlassen von Sauerstoff, die in der von der Luftversorgungsquelle gelieferten Luft enthalten sind. Diese Siebe besitzen die Funktion, den in der Luft enthaltenen Stickstoff durch Adhäsion zu binden und den Sauerstoff durchzulassen, so dass eine Erhöhung des Sauerstoffpartikeldrucks am Systemauslass entsteht.

Während das eine Molekularsieb den Stickstoff bindet und den Sauerstoff durchlässt, um die mit Sauerstoff angereicherte Luft zu erzeugen, verwendet das andere Molekularsieb vorzugsweise diese mit Sauerstoff angereicherte Luft von dem einen Molekularsieb zu seiner Regeneration und liefert dadurch an einem weiteren Ausgang des OBOGSs eine mit Stickstoff angereicherte Luft. Ein mit Stickstoff verunreinigtes Molekularsieb kann somit einfach gereinigt werden und wieder für seinen normalen Filterbetrieb zur Verfügung stehen.

Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung enthält das System einen Sensor, der den Sauerstoff in der von einem der Molekularsiebe ausgegebenen mit Sauerstoff angereicherten Luft erfasst und bei Unterschreiten eines vorbestimmten Schwellenwerts den Betrieb des die mit Sauerstoff angereicherte Luft liefernden Molekularsiebs in den Regenerationsbetrieb schaltet, während gleichzeitig der Regenerationsbetrieb des anderen Molekularsiebs in den Betrieb zum Binden von Stickstoff und Durchlassen von Sauerstoff geschaltet wird.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Molekularsiebe Zeolithe.

Die von dem OBOGS gelieferte mit Stickstoff angereicherte Luft wird gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung als ein Inertgas innerhalb eines Tanksystems und/oder zur Stickstoffinertisierung des Brennstoffzellensystems verwendet. Der Stickstoff wird somit als Inertgas innerhalb des Tanksystems verwendet, um die Entstehung eines explosionsfähigen Gemisches innerhalb des Treibstofftanks zu verhindern. Gemäß einer anderen Möglichkeit wird der Bereich, in dem die Wasserstofftanks des Brennstoffzellensystemsintegriert sind oder das gesamte Brennstoffzellensystemcompartment mit Stickstoff inertisiert, um eine Explosionsgefahr zu reduzieren.

Die Stickstoffinertisierung kann auch für die Kerosintanks des Flugzeugs vorgenommen werden.

Durch das Vorschalten des OBOGS vor das Brennstoffzellensystem kann eine Kontaminierung der Brennstoffzellen verhindert werden, da die Zeolithe sämtliche Verunreinigungen der Luft herausfiltern. Dadurch ist ein Leistungsabfall der Brennstoffzellen durch Vergiftungserscheinungen nicht zu erwarten.

Gemäß der Erfindung wird die mit Sauerstoff angereicherte Luft vorzugsweise in einen Kathodeneingang des Brennstoffzellensystems als Eduktgas eingespeist, wodurch die Brennstoffzellen mit mehr Sauerstoff betrieben werden, was eine erhöhte Zellspannung bei gleichen Betriebsparametern und somit eine höhere Leistung zur Folge hat. Diese Leistungssteigerung des Systems wirkt sich reduzierend auf Auslegungsgröße und Gewicht aus.

Durch die Erhöhung des Sauerstoffpartialdrucks und somit durch die Anreicherung der Luft, die in die Brennstoffzelle eingespeist wird, mit Sauerstoff, verschiebt sich die U/i-Kennlinie der Brennstoffzelle nach oben, wobei die Leistungssteigerung des Systems bei einer Stromdichte von beispielsweise i = 0,6 A/cm² und mit Sauerstoff (95 %) angereicherter Luft ca. 2,8 % bezogen auf den Wirkungsgrad beträgt.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems beschrieben. Es zeigen:
1A eine schematische Ansicht eines Sauerstoffanreicherungssystems gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem ersten Betriebszustand;
1B das Sauerstoffanreicherungssystem gemäß 1A in einem zweiten Betriebszustand; und
2 das Sauerstoffanreicherungssystem gemäß 1 in Kombination mit einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung.
Im Folgenden werden für gleiche oder entsprechende Komponenten in den Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet.
1A zeigt ein Sauerstoffanreicherungssystem, welches gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein OBOGS ist, wie es in Flugzeugen verwendet werden kann.
Wie durch den Pfeil A angedeutet, wird Luft in das OBOGS 1 eingespeist. Die Luftversorgung des OBOGS 1 ist vorzugsweise Zapfluft (Bleed Air) von Triebwerken eines Flugzeugs. Das OBOGS 1 enthält beispielsweise zwei Molekularsiebe 2, 3. 1A zeigt einen Betriebszustand, bei dem die Sauerstoffproduktion (Anreicherung) durch das Molekularsieb 2 erfolgt. Gleichzeitig reinigt die mit Sauerstoff angereicherte Luft von dem Molekularsieb 2 ein mit Stickstoff verunreinigtes Molekularsieb 3 im Gegenstrom.
Die Molekularsiebe 2, 3 sind beispielsweise Zeolithbetten, die der Luft Stickstoff entziehen und somit den Sauerstoffpartikeldruck erhöhen.
In 1A ist ein dem Molekularsieb 2 nachgeschaltetes Ventil 4 offen, so dass die durch das Molekularsieb 2 mit Sauerstoff angereicherte Luft über das Ventil 4 aus dem OBOGS 1 ausgegeben werden kann, wie durch den Pfeil B angedeutet.
Wie in 1A gezeigt, wird die mit Sauerstoff angereicherte Luft von dem Molekularsieb 2 auch in das verunreinigte Molekularsieb 3 eingespeist, wodurch das Zeolith gereinigt wird. Dabei erzeugt das Molekularsieb 3 eine mit Stickstoff angereicherte Luft, wie durch den Pfeil C angedeutet.
In dem in 1A gezeigten Betriebszustand des OBOGSs absorbiert das Molekularsieb 2 Stickstoff, während das Molekularsieb 3 sich in einem Reinigungsprozess befindet.
Wie in 1A gezeigt, enthält das OBOGS 1 ferner Steuerventile 6a, b und 7a, b, die auf der Seite der Luftzuführung von der Luftversorgungsquelle angeordnet sind.
In dem in 1A gezeigten Betriebszustand lässt das Steuerventil 6b die von der Versorgungsquelle kommende Luft A in das Molekularsieb 2 strömen, während das Steuerventil 7b ein Hineinströmen der Luft in das Molekularsieb 3 verhindert.
Ferner ist das Steuerventil 6a derart geschaltet, dass es die Luft A nicht durchlässt. Das Steuerventil 7a ist derart geschaltet, dass die mit Stickstoff angereicherte Luft von dem Molekularsieb 3 ausgelassen wird.
Wie in 1A gezeigt, ist ferner ein parallel zu dem Ventil 4 geschaltetes Ventil 8 angeordnet, das in diesem Betriebszustand des OBOGS vorzugsweise geschlossen ist.
Wie in 1A gezeigt, enthält das OBOGS einen Sensor 5, der den Sauerstoffgehalt der mit Sauerstoff angereicherten Luft misst und bei Unterschreiten eines vorbestimmten Schwellenwert, ein Umschalten der Ventile 4, 8 und der Steuerventile 6, 7 derart einleitet, dass der in 1B gezeigte Zustand eingenommen wird.
Wie in 1B gezeigt, befindet sich jetzt das Molekularsieb 2 in einem Reinigungsprozess, und das Molekularsieb 3 absorbiert Stickstoff.
In 1B ist das Steuerventil 7b derart geschaltet, dass es Luft in das Molekularsieb 3 hineinlässt, während das Steuerventil 6b derart geschaltet ist, dass es eine Luftzufuhr A in das Molekularsieb 2 verhindert. Das Steuerventil 7a ist derart geschaltet, dass eine Ausgabe von Luft verhindert wird.
Wie in 1B gezeigt, wird die mit Sauerstoff angereicherte Luft von dem Molekularsieb 3 in das Molekularsieb 2 zurückgespeist, um das im Betrieb gemäß 1A verunreinigte Molekularsieb 2 zu reinigen. Die von dem Molekularsieb 2 ausgegebene Luft D ist mit Stickstoff angereichert, der in dem Betriebszustand 1, wie in Verbindung mit 1A erklärt, absorbiert wurde.
Im Betriebszustand gemäß 1B ist das Steuerventil 6a derart geschaltet, dass die mit Stickstoff angereicherte Luft D von dem Molekularsieb 2 aus dem OBOGS 1 ausgegeben werden kann. Das Ventil 8 ist vorzugsweise offen und das Ventil 4 geschlossen.
Das Molekularsieb 3 erfüllt somit im Betriebszustand gemäß 1B die gleiche Funktion wie das Molekularsieb 2 im Betriebszustand gemäß 1A, und das Molekularsieb 2 im Betriebszustand gemäß 1B erfüllt die gleiche Funktion wie das Molekularsieb 3 im Betriebszustand gemäß 1A.
2 zeigt das OBOGS 1 gemäß den 1A und 1B in Kombination mit einem Brennstoffzellensystem 9 gemäß der Erfindung.
Wie in 2 gezeigt, kann das oben beschriebene OBOGS 1 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel von verschiedenen Luftversorgungsquellen 10, 11, 12, 13 versorgt werden, von denen vier beispielhaft gezeigt sind. Die Versorgungsquelle 10 ist beispielsweise Zapfluft von einem Triebwerk eines Flugzeugs. Die Luftversorgungsquelle 11 ist beispielsweise Luft von einer Klimaanlage. Die Luftversorgungsquelle 12 liefert beispielsweise Außenluft, die durch einen nachgeschalteten elektrischen Verdichter 14 verdichtet wird. Die Luftversorgungsquelle 13 liefert beispielsweise normale Kabinenabluft. Die Luftversorgungsquellen 10 bis 13 können separat oder in Kombination miteinander betrieben werden.
Wie in 2 gezeigt, wird die mit Sauerstoff angereicherte Luft, die von dem OBOGS 1 erzeugt wird, wie oben beschrieben, an einen Lufteinlass 15 des Brennstoffzellensystems 9 geliefert. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält das Brennstoffzellensystem 9 eine Brennstoffzelle 16 mit einer Kathodenseite 16a und einer Anodenseite 16b. Über einen Einlass 17 wird Wasserstoff in die Brennstoffzelle 16 eingelassen und über ein Ventil 18 sowie ein Wasserstoffpurgeventil 19 wieder ausgelassen.
Wie in 2 gezeigt, enthält das Brennstoffzellensystem 9 einen der Brennstoffzelle 16 nachgeschalteten Kondensator 20, der über einen Wasserauslass 21 Wasser auslässt und über einen Luftverdichter 22 und eine Luftrezirkulationsleitung Luft zurück an den Lufteinlass 15 des Brennstoffzellensystems 9 liefert.
Wie in 2 gezeigt, enthält das Brennstoffzellensystem 9 ferner einen Kondensatabscheider 24, der mit seinem Eingang an den Wasserstoffeinlass 17 und mit seinem Ausgang zwischen das Ventil 18 und das Wasserstoffpurgeventil 19 geschaltet ist. Das Brennstoffzellensystem 9 arbeitet in herkömmlicher Art und Weise.
Gemäß der Erfindung wird Stickstoff C, D entweder von dem Molekularsieb 2 oder von dem Molekularsieb 3 zur Inertisierung des Kompartments in das Brennstoffzellensystem 9 eingebracht.
Obwohl die Erfindung im Vorangegangenen unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
Beispielsweise ist es möglich, mehrere Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellensystem zu verwenden. Ferner kann das OBOGS mehr als zwei Molekularsiebe aufweisen oder alle Molekularsiebe können die Luft mit Sauerstoff gleichzeitig anreichern, wobei in diesem Fall die Molekularsiebe auf andere Weise gereinigt werden, beispielsweise durch Erhitzung.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf den Einsatz in einem Flugzeug beschrieben wurde, kann dieses System auch anderswo eingesetzt werden, um die Leistung einer Brennstoffzelle bei gleichbleibender Größe und Schwere zu steigern.

1: OBOGS
2: Molekularsieb
3: Molekularsieb
4: Ventil
5: Sauerstoffsensor
6a, b: Steuerventil
7a, b: Steuerventil
8: Ventil
9: Brennstoffzellensystem
10: Zapfluft
11: Klimaanlage
12: Außenluft
13: Kabinenluft
14: Verdichter
15: Lufteinlass
16: Brennstoffzelle
16a: Kathode
16b: Anode
17: Einlass
18: Ventil
19: Wasserstoffpurgeventil
20: Kondensator
21: Wasserauslass
22: Luftverdichter
23: Luftrezirkulation
24: Kondensatabscheider

Claims

System enthaltend eine Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (1) zur Erzeugung von mit Sauerstoff angereicherter Luft; und ein Brennstoffzellensystem (9) mit einer Brennstoffzelle (16) zur Verwendung der mit Sauerstoff angereicherten Luft als Reaktionsgas innerhalb der Brennstoffzelle (16).
System nach Anspruch 1, wobei die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (1) ein OBOGS (On Board Oxygen Generation System) ist, welches durch eine Luftversorgungsquelle (10, 11, 12, 13) mit Luft versorgt wird, und durch Erhöhung des Partikeldrucks des Sauerstoffs der Luft die mit Sauerstoff angereicherte Luft an das Brennstoffzellensystem (9) ausgibt.
System nach Anspruch 2, wobei die Luftversorgungsquelle (10) abgekühlte Zapfluft von einem Triebwerk eines Flugzeugs an das OBOGS (1) liefert.
System nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Luftversorgungsquelle (11) eine Klimaanlage ist, die konditionierte Luft an das OBOGS 1 liefert.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Luftversorgungsquelle (13) die Abluft aus einer Kabine an das OBOGS (1) liefert.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Luftversorgungsquelle (12) durch einen elektrischen Verdichter (14) verdichtete Außenluft an das OBOGS (1) liefert.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das OBOGS (1) mindestens zwei Molekularsiebe (2, 3) enthält zum Binden von Stickstoff und zum Durchlassen von Sauerstoff, die in der von der Luftversorgungsquelle (10, 11, 12, 13) gelieferten Luft enthalten sind, so dass an einem ersten Ausgang (B) des OBOGSs (1) die mit Sauerstoff angereicherte Luft ausgegeben wird.
System nach Anspruch 7, wobei abwechselnd das eine Molekularsieb (2) den Stickstoff bindet und den Sauerstoff durchlässt, um die mit Sauerstoff angereicherte Luft zu erzeugen, während das andere Molekularsieb (3) diese mit Sauerstoff angereicherte Luft zu seiner Regeneration verwendet und an einem zweiten Ausgang (C) des OBOGSs (1) eine mit Stickstoff angereicherte Luft ausgibt.
System nach Anspruch 7 oder 8, enthaltend einen Sensor (5), der den Sauerstoff in der mit Sauerstoff angereicherten Luft erfasst und bei einem Abfallen unter einen vorbestimmten Schwellenwert den Betrieb der Molekularsiebe (2, 3) vertauscht.
System nach Anspruch 9, wobei die mit Stickstoff angereicherte Luft als ein Inertgas innerhalb eines Tanksystems und/oder zur Stickstoffinertisierung des Kompartments in. dem Brennstoffzellensystem (9) verwendet wird.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die von der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (1) erzeugte mit Sauerstoff angereicherte Luft in einen Kathodeneingang (16a) der Brennstoffzelle (16) als Eduktgas eingespeist wird.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Molekularsieb (2, 3) ein Zeolith ist.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei das OBOGS (1) Verunreinigungen in der von der Luftversorgungsquelle (10, 11, 12, 13) gelieferten Luft herausfiltert, um eine Kontaminierung der Brennstoffzelle (16) zu verhindern.
Verwendung des Systems nach einem der vorangegangenen Ansprüche in einem Flugzeug.