DE102006002882B4 - Kombiniertes Brennstoffzellensystem und Verwendung des Brennstoffzellensystems in einem Luftfahrzeug - Google Patents

Kombiniertes Brennstoffzellensystem und Verwendung des Brennstoffzellensystems in einem Luftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Brennstoffzellensystem enthaltend eine Kombination aus einer ersten Brennstoffzelle (2) von einem ersten Typ und eine der ersten Brennstoffzelle (2) nachgeschaltete zweite Brennstoffzelle (9) von einem zweiten Typ, wobei eine Anodenseite (3) der ersten Brennstoffzelle (2) mit einer Kathodenseite der zweiten Brennstoffzelle (9) in Verbindung ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brennstoffzelle (9) eine Kombination aus Brennkammer und katalytischem Brenner ist zur Bereitstellung von thermischer Energie.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Brennstoffzellensystem, insbesondere zur Verwendung in einem Luftfahrzeug, beispielsweise in einem Flugzeug.
  • Brennstoffzellensysteme für Luftfahrzeuge dienen im Allgemeinen zur Stromerzeugung und zur Wassergenerierung.
  • Die DE 102 16 361 B4 offenbart die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
  • Die DE 196 42 939 A1 betrifft eine integrierte Brennstoffzellen-Kraftwerksanlage, speziell eine Kombination aus Zyklen bzw. Kreisläufen, worin ein erster Brennstoffzellenzyklus einem indirekt befeuerten Gasturbinenzyklus vor- bzw. übergeschaltet ist und ein zweiter Brennstoffzellenzyklus dem Gasturbinenzyklus nach- bzw. untergeschaltet ist, derart, dass die Zyklen in einer Tandem-Betriebsanordnung thermisch integriert sind.
  • Die DE 102 49 588 A1 betrifft eine Anordnung zum Erzeugen von Wasser an Bord eines Luftfahrzeugs unter Verwendung von einer oder mehreren Brennstoffzellen.
  • Die DE 198 21 952 C2 betrifft eine Energieversorgungseinheit an Bord eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Passagierflugzeugs.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffzellensystems, welches eine effizientere Stromerzeugung und Wassergenerierung ermöglicht.
  • Die Lösung der Aufgabe ist dem Patentanspruch 1 zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Gemäß der Erfindung enthält ein Brennstoffzellensystem eine Kombination aus PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) oder Hochtemperatur-PEMFC (HT-PEMFC) und aus SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), wobei gemäß der Erfindung ein aus der PEMFC bzw. Hochtemperatur-PEMFC austretendes Purgegas (abzuleitendes Restgas aus der Anodenseite der PEMFC oder HT-PEMFC – to purge [engl.]: abführen, reinigen entschlacken) nicht wie üblich an die Außenluft des Luftfahrzeugs abgeführt wird, sondern über einen Kühlluftstrom der Kathodenseite des SOFC zugeführt wird.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems beschrieben.
  • Das in der Figur schematisch dargestellte Brennstoffzellensystem 1 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält als eine erste Brennstoffzelle 2 eine Brennstoffzelle vom PEMFC-Typ, die vorzugsweise im Temperaturbereich von ca. 60 bis 80°C arbeitet. Die erste Brennstoffzelle 2 kann auch eine Hochtemperatur-PEMFC sein, die in einem Temperaturbereich von ca. 120°C bis ca. 300°C arbeitet. Die erste Brennstoffzelle 2 enthält eine Anode 3 und eine Kathode 4.
  • Ein aus der ersten Brennstoffzelle 2 austretendes Purgegas wird über ein Ventil 5 an eine Ejektorpumpe 6 geleitet. Die Ejektorpumpe 6 fügt das Purgegas von der ersten Brennstoffzelle 2 einem trockenen Luftstrom von einem Kühlkreislauf 7, der später beschrieben wird, hinzu. Der gemischte Gasstrom wird dann an eine Kompressorstufe 8 geliefert, die Kathodenseitig einer zweiten Brennstoffzelle 9, die der ersten Brennstoffzelle 2 nachgeschaltet ist, angeordnet ist.
  • Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die zweite Brennstoffzelle 9 vom SOFC-Typ und speziell eine SOFC/Brennkammer-Kombination 10. Anodenseitig enthält die zweite Brennstoffzelle 9 eine Turbinenstufe 11 einer Gasturbine. Die Turbinenstufe 11 der Gasturbine mit der integrierten SOFC/Brennkammer-Kombination 10 kühlt den Abgasstrom der SOFC/Brennkammer-Kombination so ab, dass dieser einem Vorkühler 12 zugeführt werden kann, wo er zur Vorwärmung eintretender Kabinenluft A verwendet wird.
  • Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Kabinenluft A über den Vorkühler 12 und einem Bypassventil 13 einem Kompressor 14 zugeleitet. Der Kompressor 14 wird gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel von einem Motor/Generator 15 betrieben, der über eine Welle 16 mechanisch mit der Turbinenstufe 11 der zweiten Brennstoffzelle 9 gekoppelt ist. Die Verbindung zwischen dem Kompressor 14 und der Turbinenstufe 11 der zweiten Brennstoffzelle 9 kann über eine Kupplung oder ein Getriebe 17a erfolgen.
  • Die aus dem Kompressor 14 austretende Luft wird der Kathode 4 der ersten Brennstoffzelle 2 zugeführt.
  • Der Motor/Generator 15 dient zu Startzwecken des Systems und verleiht der Turbinenstufe 11 und der Kompressorstufe 8 der zweiten Brennstoffzelle 9 den zum Start des Systems erforderlichen Drehimpuls. Nach Anlaufen des Systems lässt sich der Motor 15 als Generator und damit zur Energiegewinnung verwenden.
  • Wie in der Figur gezeigt, wird die Anodenseite der zweiten Brennstoffzelle 9 über ein Ventil 17 mit Wasserstoff versorgt. Speziell wird der ankommende Wasserstoff aus einem Vorratsbehälter an der Turbinenstufe 11 der SOFC/Brennkammer-Kombination 10 vorgewärmt und dann über das Ventil 17 an die Anode der SOFC/Brennkammer-Kombination 10 sowie über ein Ventil 18 an die Anode 3 der PEMFC-Brennstoffzelle 2 geliefert.
  • Die feuchte Kathodenabluft der ersten Brennstoffzelle 2 wird über einen Wärmepumpenprozess abgekühlt, wobei das im Abluftstrom enthaltene Wasser auskondensiert und zur weiteren Nutzung abgeleitet wird. Speziell wird die feuchte Kathodenabluft über ein Ventil 19 an den Kühlkreislauf 7 geliefert. Der Kühlkreislauf 7 enthält gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zwei Wärmetauscher 20, 21, ein Austauschgefäß 22, eine Venturidüse 23 und einen Kondensator 24. Der Kühlkreislauf 7 kann alternativ aus mehr, weniger oder aus anderen Komponenten bestehen.
  • Das vom Kondensator 24 kondensierte Wasser B wird gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Trinkwasser- oder Brauchwasserversorgungsanlage oder einem Reformer 26 zugeführt. Der Reformer erzeugt ein Reformatgas, indem Wasserstoff aus Kohlenwasserstoff abgespaltet wird. Das Reformatgas kann dann alternativ oder zusätzlich der ersten oder der zweiten Brennstoffzelle anodenseitig zugeführt werden.
  • Wie in der Figur gezeigt, wird der durch den Vorkühler 12 heruntergekühlte Abluftstrom der zweiten Brennstoffzelle vorteilhafterweise zur weiteren Nutzung einem Anti-Eis-System 25 zugeführt, welches beispielsweise derart ausgelegt ist, dass Flügelkanten von Tragflächen eines Luftfahrzeugs vom Abluftstrom derart beheizt werden, dass eine Eisbildung im Flug in beliebiger Flughöhe vermieden wird.
  • Das gesamte System wird durch eine elektronische Sensorik-/Steuerungseinheit 27 geregelt, wobei diese (wie auch der Antrieb für den Kompressor 14 der Kathodenzuluft zu der ersten Brennstoffzelle) aus einem Stromnetz des Luftfahrzeugs oder durch eine Batterie 28 oder sog. Super Caps (Hochleistungskondensatoren) gespeist werden kann.
  • Die in der ersten und zweiten Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie wird gemäß der Erfindung über eine Regelungseinheit (nicht gezeigt) dem Bordnetz des Luftfahrzeugs zur Verfügung gestellt.
  • Wie in der Figur gezeigt (gestrichelte Linien) dient die Sensorik-/Steuerungseinheit 27 zum Ansteuern bzw. Antreiben der Ventile 13, 17, 18, 5, 19 sowie des Motors 15 und der Venturidüse 23 sowie beliebig anderer Komponenten des erfindungsgemäßen Systems 1.
  • Obwohl die Erfindung im Vorangegangenen unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für den Anwendungsbereich in einem Luftfahrzeug beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung auch in anderen Bereichen verwendet werden kann, in denen Brennstoffzellensysteme zur Stromerzeugung und Wassergenerierung zum Einsatz kommen, sofern Brennstoffzellen unterschiedlichen Typs in der oben beschriebenen Art und Weise miteinander kombiniert werden.
    • 1
    System
    2
    Erste Brennstoffzelle
    3
    Anode
    4
    Katode
    5
    Ventil
    6
    Ejektorpumpe
    7
    Kühlkreislauf
    8
    Kompressorstufe
    9
    Zweite Brennstoffzelle
    10
    SOFC/Brennkammer-Kombination
    11
    Turbinenstufe
    12
    Vorkühler
    A
    Kabinenluft
    13
    Bypassventil
    14
    Kompressor
    15
    Motor/Generator
    16
    Welle
    17
    Ventil
    17a
    Getriebe
    18
    Ventil
    19
    Ventil
    20, 21
    Wärmetauscher
    22
    Austauschgefäß
    23
    Venturidüse
    24
    Kondensator
    25
    Anti-Eis-System
    B
    Wasser
    26
    Trinkwasser-Brauchwasseranlage, Reformer
    27
    Sensorik-/Steuereinheit
    28
    Batterie

Claims (33)

  1. Brennstoffzellensystem enthaltend eine Kombination aus einer ersten Brennstoffzelle (2) von einem ersten Typ und eine der ersten Brennstoffzelle (2) nachgeschaltete zweite Brennstoffzelle (9) von einem zweiten Typ, wobei eine Anodenseite (3) der ersten Brennstoffzelle (2) mit einer Kathodenseite der zweiten Brennstoffzelle (9) in Verbindung ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brennstoffzelle (9) eine Kombination aus Brennkammer und katalytischem Brenner ist zur Bereitstellung von thermischer Energie.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die erste Brennstoffzelle (2) eine Niedrigtemperaturbrennstoffzelle vom PEMFC-Typ oder eine Brennstoffzelle vom Typ Hochtemperatur-PEMFC ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Kühlmedium der ersten Brennstoffzelle (2) Luft ist.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei das Kühlmedium aus der Umgebung angesaugt wird.
  5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Brennstoffzelle (9) vom Typ Hochtemperaturbrennstoffzelle ist.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die zweite Brennstoffzelle (9) vom Typ SOFC ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweite Brennstoffzelle (9) eine Kombination (10) aus einer Brennkammer und SOFC ist.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei mehrere Brennkammern abwechselnd mit SOFC-Zellen ringförmig um eine Welle angeordnet sind, die eine Kompressorstufe (8) auf der Kathodenseite der zweiten Brennstoffzelle (9) mit einer Turbinenstufe (11) auf der Anodenseite der zweiten Brennstoffzelle (9) verbindet.
  9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei zum Ansaugen des Kühlmediums der ersten Brennstoffzelle (2) die Saugseite der Kompressorstufe (8) der zweiten Brennstoffzelle (9) verwendet wird.
  10. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste Brennstoffzelle (2) und die zweite Brennstoffzelle (9) anodenseitig mit Wasserstoff versorgt werden.
  11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei die Wasserstoffversorgung der ersten Brennstoffzelle (2) und der zweiten Brennstoffzelle (9) getrennt voneinander unabhängig regelbar ist.
  12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Wasserstoff zur Versorgung der ersten und zweiten Brennstoffzelle (2; 9) durch Abwärme der SOFC/Brennkammer-Kombination (10) vorgewärmt wird.
  13. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Wasserstoff zur Versorgung der ersten und zweiten Brennstoffzelle (2, 9) durch Abwärme der Turbinenstufe (11) der zweiten Brennstoffzelle (9) vorgewärmt wird.
  14. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Wasserstoff zur Versorgung der ersten und zweiten Brennstoffzelle (2, 9) vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand überführt wird.
  15. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Abgas aus der zweiten Brennstoffzelle (9) einer Kühler/Wärmer-Kombination (12) zugeführt wird, die zugeführte Kabinenluft A mit Hilfe eines Teils der Abwärme des Abgases vorwärmt.
  16. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, wobei die vorgewärmte Kabinenluft über einen Kompressor (14) der Kathode (4) der ersten Brennstoffzelle (2) zugeführt wird.
  17. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, wobei der Kompressor (14) mechanisch oder magnetisch mit der Kompressorstufe (8) und der Turbinenstufe (11) der zweiten Brennstoffzelle (9) verbunden ist.
  18. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, wobei die mechanische Verbindung über eine Kupplung oder ein Getriebe (17a) erfolgt.
  19. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17 oder 18, ferner enthaltend einen Motor (15), der über eine Welle (16) mit dem Kompressor (14) verbunden ist zum Erzeugen eines Drehimpulses beim Start des Systems (1).
  20. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19, wobei der Motor (15) mechanisch oder magnetisch mit der Kompressorstufe (8) und der Turbinenstufe (11) der zweiten Brennstoffzelle (9) verbunden ist.
  21. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei Restgas aus der ersten Brennstoffzelle (2) über eine Venturidüse (23) der Ansaugluft der zweiten Brennstoffzelle (9) hinzugefügt wird.
  22. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in der Kathodenabluft der ersten Brennstoffzelle (2) enthaltenes Wasser über einen Kühlkreislauf (7) auskondensiert.
  23. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 22, wobei der Kühlkreislauf (7) einen Kondensator (24) enthält.
  24. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 22 oder 23, wobei das auskondensierte Wasser zur weiteren Nutzung einem Wassersystem oder einem Reformer (26) zugeführt wird, der aus Kohlenwasserstoff Wasserstoff gewinnt.
  25. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 24, wobei das von dem Reformer (26) erzeugte Reformatgas der zweiten Brennstoffzelle (9) zugeführt wird.
  26. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei die getrocknete Kathodenabluft der ersten Brennstoffzelle (2) über eine Venturidüse (23) der Ansaugluft der zweiten Brennstoffzelle (9) hinzugefügt wird.
  27. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 22 bis 26, wobei der Kondensationsprozess mit einem Wärmepumpenprozess erfolgt, und die der Kathodenabluft entzogene Wärme, diesem nach der Kondensation wieder zugeführt wird.
  28. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei der Abgasstrom von der zweiten Brennstoffzelle (9) heruntergekühlt wird und der heruntergekühlte Abgasstrom von der zweiten Brennstoffzelle (9) einem Flügel-Anti-Eis-System (25) zugeführt wird.
  29. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner enthaltend eine elektronische Sensorik-/Steuerungseinheit (27) zur Regelung des Brennstoffzellensystems (1).
  30. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 29, wobei die Sensorik-/Steuerungseinheit (27) aus einem Bordnetz mit Energie versorgt wird.
  31. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 29 oder 30, ferner enthaltend eine mit der Sensorik-/Steuereinheit (27) verbundene unabhängige Energiequelle (28) zum Starten des Brennstoffzellensystems (1).
  32. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 31, wobei die Energiequelle (28) eine Batterie, ein Akku und/oder ein Hochleistungskondensator hoher Kapazität ist.
  33. Verwendung des Brennstoffzellensystems (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1–32 in einem Luftfahrzeug.
DE102006002882A 2006-01-20 2006-01-20 Kombiniertes Brennstoffzellensystem und Verwendung des Brennstoffzellensystems in einem Luftfahrzeug Active DE102006002882B4 (de)

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