DE102006034814A1

DE102006034814A1 - Nutzung von Kabinenluft zur Wassererzeugung mittels Brennstoffzellenabgasen

Info

Publication number: DE102006034814A1
Application number: DE102006034814A
Authority: DE
Inventors: Christian Wolff; Claus Hoffjann; Markus Maibach
Original assignee: Airbus Operations GmbH; EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2026-07-28
Also published as: DE102006034814B4; US20080179050A1; US7935447B2

Abstract

Zur Auskondensation von Wasser aus Brennstoffzellenabluft sind in heutigen Flugzeugen zwei Kühlkreisläufe vorgesehen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Wassererzeugungssystem zum Erzeugen von Wasser an Bord eines Luftfahrzeuges angegeben, welches zur Kühlung des Brennstoffzellenabgases Kabinenluft verwendet, welche durch die Druckdifferenz zwischen Kabinendruck und Umgebungsdruck durch den Kondensator gesaugt wird. Umfangreiche Kühlkreisläufe oder Pumpen sind nicht erforderlich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Wassererzeugung an Bord von Luftfahrzeugen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Wassererzeugungssystem zum Erzeugen von Wasser an Bord eines Luftfahrzeugs, einen Kondensator zum Kondensieren von Wasser aus einem Abgas einer Brennstoffzellenvorrichtung an Bord eines Luftfahrzeugs, die Verwendung eines derartigen Wassererzeugungssystems, ein Luftfahrzeug und ein Verfahren zum Erzeugen von Wasser an Bord eines Luftfahrzeugs.
In Luftfahrzeugen können Brennstoffzellenanordnungen zur Gewinnung von Wasser aus dem Brennstoffzellenabgas eingesetzt werden. Hierbei ist es erforderlich, den im Abgasstrom enthaltenen Wasserdampf mittels eines Kondensators auszukondensieren.
Zur Kondensation des Wasserdampfs kann ein Kühlkreislauf bereitgestellt werden, an welchen zwei Wärmetauscher gekoppelt sind. Hierbei handelt es sich um einen primären Wärmetauscher (PWT) und einem sekundären Wärmetauscher (SWT).
Die Kondensation erfolgt dabei durch indirekte Kühlung mittels Kühlmittel, welches letztendlich durch Außenluft gekühlt wird (siehe 1). Diese indirekte Kühlung ist erforderlich, um eine Vereisung des primären Wärmetauschers durch direkten Kontakt mit Außenluft, deren Temperatur deutlich unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegen kann, zu vermeiden. Allerdings ist dieser Aufbau komplex und mit einer hohen Gesamtsystemmasse verbunden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kühlung der Brennstoffzellenabluft bereitzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Wassererzeugungssystem zum Erzeugen von Wasser an Bord eines Luftfahrzeugs angegeben, welches eine Brennstoffzellenvorrichtung, einen Kondensator zum Kondensieren von Wasser aus einem Abgas der Brennstoffzellenvorrichtung und einen Auslass umfasst, wobei der Kondensator zur Kühlung des Abgases durch Kabinenluft ausgeführt ist und wobei der Auslass zum Abgeben der Kabinenluft an die Umgebung des Flugzeugs ausgeführt ist, nachdem die Kabinenluft den Kondensator durchströmt hat.
Somit ist die Verwendung von zwei Kühlkreisläufen nicht mehr erforderlich. Auch eine Pumpe oder dergleichen ist nicht länger erforderlich. Der Kondensator wird nicht mehr (indirekt) durch Außenluft gekühlt, sondern vielmehr durch die bordinterne Kabinenluft, welche über den Auslass durch den Kondensator durchgesaugt wird. Hierfür ist der Auslass an die Außenumgebung des Luftfahrzeugs angeschlossen, so dass ein Druckgefälle entsteht, wenn sich das Flugzeug in Reiseflughöhe befindet, welches die Kabinenluft durch den Kondensator saugt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Kondensator zumindest ein Separationsvolumen auf, wobei das Separationsvolumen zum Ändern der Strömungsrichtung des Abgases und zum Abscheiden von Wasser ausgeführt ist.
In dem Separationsvolumen kann das abgeschiedene Wasser gesammelt werden. Durch die Änderung der Strömungsrichtung des Abgases im Separationsvolumen wird die Abscheiderate zusätzlich gesteigert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Separationsvolumen an einer Seite des Wassererzeugungssystems angeordnet.
Natürlich können mehrere Separationsvolumina vorgesehen sein, welche jeweils an einer der Seiten des Wassererzeugungssystems angeordnet sind. Beispielsweise wird der Abluftstrom über entsprechende Leitungen von der einen Seite des Kondensators zur anderen Seite geleitet und trifft dann auf ein entsprechendes Separationsvolumen. Hier wird der Strom umgelenkt und fließt dann über entsprechende weitere Leitungen zur anderen Seite des Kondensators in ein weiteres Separationsvolumen. Dieser Vorgang kann mehrmals wiederholt werden, bis genug Wasser auskondensiert oder abgeschieden ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Wassererzeugungssystem ein perforiertes Trennelement, durch welches das im Separationsvolumen angesammelte Wasser in ein benachbartes Separationsvolumen fließen kann.
Beispielsweise sind die beiden benachbarten Separationsvolumina übereinander angeordnet, so dass das Wasser des höheren Volumens über das Trennelement (beispielsweise ein perforiertes Trennblech) aufgrund seiner Gewichtskraft und/oder aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem oberen Bereich des Kondensators und dem unteren Bereich des Kondensators in das darunterliegende Separationsvolumen fließt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Wassererzeugungssystem weiterhin zwei unabhängige Öffnungen zum Entnehmen des abgeschiedenen Wassers.
Beispielsweise sind diese Öffnungen in jeweils einem seitlichen Bereich des Kondensators angeordnet. Durch die erste Öffnung lässt sich beispielsweise Wasser entnehmen, welches an der linken Seite des Kondensators angesammelt wurde und durch die zweite Öffnung lässt sich beispielsweise Wasser entnehmen, welches an der rechten Seite des Kondensators angesammelt wurde. Natürlich können auch weitere Öffnungen zur Wasserentnahme vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Kondensator als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt, der eine Vielzahl an Leitungen zum Transport der Abluft aufweist. Beispielsweise sind die Leitungen in verschiedenen Ebenen angeordnet, welche übereinander liegen, so dass sich eine ganze Batterie an parallel verlaufenden Leitungen ergibt. Diese Leitungen sind beispielsweise rohrartig ausgeführt, können aber auch andere Querschnitte aufweisen, beispielsweise rechteckige oder quadratische Querschnitte.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stimmen die Strömungsrichtungen des Abgases in der ersten Ebene und der zweiten Ebene überein, wobei darunter angeordnete Ebenen eine entgegengesetzte Strömungsrichtung aufweisen.
Beispielsweise strömt das Abgas in drei direkt übereinanderliegenden Rohrebenen in die eine Richtung, wohingegen es in den drei darunter liegenden Rohrebenen in die entgegengesetzte Richtung strömt, usw.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Kondensator als Plattenwärmetauscher ausgeführt.
Auch sind andere Wärmetauscher möglich, die dann mit einem entsprechenden Auslauf versehen sind, welcher die Kabinenluft aus dem Flugzeug heraus an die Umgebung abführt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der Auslass ein Kabinenluft-Auslassventil.
Somit kann die Durchströmrate der Kabinenkühlluft gesteuert werden. Falls keine Durchströmung gewünscht ist, kann das Ventil geschlossen werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Wassererzeugungssystem weiterhin einen Einlass zum Einlassen des Abgases in den Kondensator. Der Einlass ist hierbei zum Anschluss an die Brennstoffzellenvorrichtung ausgeführt. Auch können mehrere Einlässe vorgesehen sein, an welche mehrere Brennstoffzellen angeschlossen werden können. Beispielsweise ist der Einlass großflächig ausgeführt, so dass das Brennstoffzellenabgas sich möglichst gleichmäßig beim Einströmen in den Kondensator verteilt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung strömen Kabinenluft und Abgas im Kondensator gegeneinander.
Beispielsweise wird die Kabinenabluft links oben in den Kondensator eingeleitet und rechts unten aus dem Kondensator herausgeführt. Die Kabinenkühlluft hingegen wird an der Unterseite des Kondensators zugeführt und an der Oberseite des Kondensators abgesaugt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Kondensator zum Kondensieren von Wasser aus einem Abgas einer Brennstoffzellenvorrichtung an Bord eines Luftfahrzeuges angegeben, welcher einen Auslass aufweist, wobei der Kondensator zur Kühlung des Abgases durch Kabinenluft ausgeführt ist und wobei der Auslass zum Abgeben der Kabinenluft an die Umgebung des Flugzeugs ausgeführt ist, nachdem die Kabinenluft den Kondensator durchströmt hat.
Der Kondensator kann somit an eine Brennstoffzellenvorrichtung im Flugzeug angeschlossen werden. Weiterhin wird er an das Kabinenluft-Auslassventil des Flugzeugs angeschlossen, so dass Kabinenluft durch den Kondensator gesaugt werden kann.
Pumpen oder extra Kühlvorrichtungen oder Kühlmittel sind nicht erforderlich.
Weiterhin ist die Verwendung eines oben beschriebenen Wassererzeugungssystems in einem Luftfahrzeug angegeben.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Luftfahrzeug mit einem oben beschriebenen Wassererzeugungssystem angegeben.
Somit kann Wasser an Bord des Luftfahrzeuges erzeugt werden, ohne dass hierfür mehrere Kühlkreisläufe erforderlich sind. Das kondensierte Wasser kann nach entsprechender Aufbereitung während des Fluges als Trinkwasser genutzt werden, wodurch z. B. der Füllstand des Wassertanks beim Start reduziert werden kann.
Weiterhin ist ein Verfahren zum Erzeugen von Wasser an Bord eines Luftfahrzeuges angegeben, bei welchem Abgas aus einer Brennstoffzellenvorrichtung in einen Kondensator eingeleitet wird. Weiterhin wird Kabinenluft in den Kondensator eingeleitet und das Abgas wird durch die Kabinenluft gekühlt, so dass es kondensiert. Nachfolgend wird die Kabinenluft an die Umgebung des Flugzeugs abgegeben.
Weitere Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer indirekten Kühlung mittels Kühlmittel.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Wassererzeugungssystems an Bord eines Luftfahrzeuges gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Kondensators zur Kondensation von Wasserdampf aus Brennstoffzellenabgas mittels direkter Kühlung durch Kabinenluft gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt einen schematischen Aufbau eines Rohrbündelwärmetauschers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine schematische Darstellung der Luftführung durch ein Wassererzeugungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. In der folgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen oder ähnlichen Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
1 zeigt ein Konzept der indirekten Kühlung mittels Kühlmittel. Hierbei ist ein primärer Wärmetauscher 101 vorgesehen, welcher von dem Brennstoffzellenabgas durchlaufen wird. Das Brennstoffzellenabgas tritt durch Leitung 202 in den primären Wärmetauscher 101 ein und verlässt diesen durch Austrittsleitung 203.
Weiterhin ist ein sekundärer Wärmetauscher 303 vorgesehen, welcher eine Eintrittsleitung für Außenluft 301 und eine Austrittsleitung für Außenluft 302 aufweist. Die Außenluft weist in Reiseflughöhe hierbei typischerweise eine effektive Temperatur von etwa –20°C oder weniger auf.
Zwischen dem primären Wärmetauscher 101 und dem sekundären Wärmetauscher 303 ist ein Kühlmittelkreislauf 304, 305 vorgesehen, um eine Wärmeanbindung der beiden Wärmetauscher 101, 303 zu gewährleisten und andererseits eine Vereisung des primären Wärmetauschers 101 zu verhindern. Durch die Kühlung des primären Wärmetauschers 101 entsteht Wasser bzw. Kondensat, welches über Leitung 204 abgeführt werden kann.
Die in zivilen Flugzeugen bereits vorhandene Klimatisierungs- und Lüftungstechnik kann auch für die Kondensation von Wasserdampf aus Brennstoffzellenabgasen genutzt werden, um einfach und effizient eine bordinterne Wassererzeugung aus Brennstoffzellenabgasen zu realisieren. Dazu kann der Wärmetauscher/Kondensator in geeigneter Weise vor das Kabinenluft-Auslassventil 102 (Outflow-Valve) installiert werden, so dass die Luft vor dem Austritt ins Freie durch den Wärmetauscher strömt.
2 zeigt ein Wassererzeugungssystem zur direkten Kühlung von Wasserdampf aus Brennstoffzellenabgas mittels ausströmender Kabinenluft gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Wassererzeugungssystem weist im Wesentlichen einen Kondensator 101, ein Brennstoffzellensystem 108, und zumindest einen Auslass 102 auf.
Die Luft aus der Kabine 105 tritt teilweise in den unteren Bereich 106 des Flugzeugrumpfes ein. Bei dem Bereich 106 handelt es sich beispielsweise um den Laderaum. Das Wassererzeugungssystem kann aber auch ganz oder teilweise in der Kabine angeordnet sein. Der untere Bereich 106 und die Kabine 105 sind durch den Fußboden 107 voneinander getrennt.
Die Temperatur der Kabinenluft beträgt üblicherweise etwa 20°C bei einem absoluten Kabinendruck von etwa 750 Millibar (abs).
Der Luftmassenstrom beträgt üblicherweise ca. 1,4 kg s^-1 pro Kabinenluft-Außenventil 102.
Brennstoffzelle 108 und Wärmetauscher 101 sind über eine Abgasleitung 109 miteinander verbunden. Weiterhin kann ein Wasserspeicher 110 für flüssiges Wasser vorgesehen sein, welcher an den Kondensator angeschlossen ist.
Das Kabinenluft-Auslassventil 102 kann eine Ventilklappe 111 aufweisen, welche elektronisch ansteuerbar ist, so dass die Kabinenluft-Durchflussrate wunschgemäß eingestellt werden kann.
Nach Durchlaufen der Kühlvorrichtung 101 tritt dann die Kabinenluft 104 aus dem Flugzeugrumpf 103 aus.
Wärme kann also von dem wasserdampfhaltigen Brennstoffzellenabgas mittels Wärmetausch an die ausströmende Kabinenluft abgegeben werden, wodurch es im Brennstoffzellenabgas zur Kondensation von Wasserdampf kommt. Das kondensierte Wasser kann nach entsprechender Aufbereitung während des Fluges als Trinkwasser genutzt werden, wodurch z. B. der Füllstand des Wassertanks beim Start reduziert werden kann.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Kondensators zur Kondensation von Wasserdampf aus Brennstoffzellenabgas mittels direkter Kühlung durch Kabinenluft gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die kühlende Kabinenluft 201 tritt in den Kondensator 101 ein und verlässt diesen nach erfolgter Kühlung des Brennstoffzellenabgases durch den Austritt 104 über das Kabinenluft-Auslassventil. Das Brennstoffzellenabgas 202 tritt ebenfalls in den Kondensator 101 ein, wird entsprechend gekühlt und verlässt den Kondensator 101 durch den Austritt 203. Das kondensierte Wasser wird über die Leitung 204 abgegeben.
Anhand eines Abgasmassenstromes einer etwa 100 kW PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel zur Kondensation mittels Kabinenluft beschrieben. Sämtliche Eingangsgrößen sowie Berechnungs- und Auslegungsdaten sind in den nachfolgenden Tabellen und Abbildungen aufgeführt.

Tabelle 1 zeigt eine Definition eines PEMFC Abgases:

Zusammensetzung der dem Kondensator zugeführten Luft	Wert	Einheit	Wert	Einheit	Wert	Einheit
für Lambda 2 (Luftzahl, die den Sauerstoffanteil repräsentiert):
Insgesamt	100	Mol-%	100	Mass-%	0.17276	kg s^-1
trockene Luft	85.0641	Mol-%	90.1192	Mass-%	0.15569	kg s^-1
H₂O	14.9359	Mol-%	9.8808	Mass-%	0.01707	kg s^-1
zusätzliche Parameter für das genaue Layout und Design:
Betriebsdruck des Abgases, das dem Kondensator zugeführt wird (abs.):						1.0 bar
Betriebstemperatur des dem Kondensator zugeführten Abgases:						54.1°C (= Taupunkt +0.1)
gewünschter Kondensationswirkungsgrad:						50 % (des absoluten Wasserbestandteils)

Tabelle 2 zeigt detaillierte Layout- und Designparameter für einen PEMFC Rohrbündelwärmetauscher, gekühlt mit Kabinenluft (50 % Kondensationseffizienz). Die Kondensation findet in den Rohren statt, dort wo das Abgas strömt. Die Rohre werden außen durch Kabinenluft gekühlt:

Beschreibung	Typ/Wert	Dimension
Rohranordnung	gestaffelte Anordnung	–
Strömungsart	Kreuz-Gegenstrom	–
Art der Leitungen	Glatt-Rohre	–
Außendurchmesser der Rohre	12.5	mm
Wandstärke der Rohre	0.5	mm
longitudinale Teilung der Rohre	18.00	mm
transversale Teilung der Rohre	18.00	mm
Länge der Wärmetauscherrohre	450.00	mm
Anzahl der Reihen, die durchströmt werden	3	–
Anzahl der Röhren in Strömungsrichtung	39	–
Anzahl der Röhren pro Ebene (transversal)	23	–
Wandstärke des Kondensatorgehäuses	0.3	mm

Tabelle 2

4 zeigt eine schematisierte Detaildarstellung eines Rohrbündelwärmetauschers 400, wie er beispielsweise für eine PEMFC Brennstoffzellenanordnung verwendet werden kann. Die Kühlung erfolgt durch Kabinenluft bei einem Kondensationswirkungsgrad von z. B. 50 %.
Das Abgas tritt an der oberen linken Seite 403 des Kondensators 400 durch variable gestaltbare Einlässe 402 ein. Die Einlässe 402 können hierbei in Anzahl, Durchmesser, Querschnitt so gestaltet sein, dass sich das Abgas möglichst gleichmäßig beim Einströmen in den Kondensator 400 verteilt. Das Wassererzeugungssystem ist „dreiflutig", d. h. jeweils drei Rohre bzw. Rohrebenen verlaufen in Strömungsrichtung, um eine ausreichend niedrige Strömungsgeschwindigkeit des Abgases zu erzielen. Bei dem Abgas handelt es sich um ein Medium mit geringer Dichte, so dass sich niedrigere Strömungsgeschwindigkeiten positiv auf den Kondensationsprozess auswirken (höhere Verweilzeit).
An jedem Ende einer Rohrreihe tritt das Abgas (inklusive dem Kondensat) in ein Separationsvolumen (z.B. 404, 405, 406), in dem das Abgas seine Strömungsrichtung umkehrt und gleichzeitig Kondensat (Wasser) an den Wänden abgeschieden werden kann. Das abgeschiedene Wasser kann durch die perforierten Trennbleche (z.B. 408, 409) nach unten fließen. Das sich in den Separationsvolumina 404, 405, 406 ansammelnde Wasser dichtet die perforierten Trennbleche 408, 409 nach unten hin ab, so dass die Abgase nicht durch die Trennbleche 408, 409 strömen können, sondern vielmehr die weiterführenden Rohre betreten müssen.
Die Schwerkraft sowie die Druckdifferenz zwischen den Separationsvolumina unterstützen den Wassermassenstrom nach unten.
Nachdem das Abgas den Kabinenluft-Kühlstrom 23-mal gekreuzt hat, verlässt das Abgas den Kondensator 400 am rechten unteren Ende 407 über entsprechende Austrittsöffnungen 410.
Das Wasser kann an zwei unabhängigen Auslassöffnungen 411, 412 am Boden entnommen werden.
Der Kondensator kann auch als Plattenwärmetauscher ausgeführt sein. Niedrigere Kabinenlufttemperaturen erhöhen die Kondensationseffizienz bzw. ermöglichen eine Verkleinerung des Kondensators bei gleichbleibender Kondensationseffizienz.
In jeder Ebene (symbolisiert durch Pfeil 413) sind beispielsweise 23 Rohre angeordnet. Die Anzahl der übereinander angeordneten Rohr-Ebenen (symbolisiert durch Pfeil 414) beträgt beispielsweise 39, was zu 13 Umlenkungen (Separationsvolumina) des Kabinenluft-Kühlstroms führt.
Die Länge 415 eines einzelnen Wärmetauscherrohres beträgt beispielsweise 450 mm.

Tabelle 3 zeigt relevante Betriebsdaten für den PEMFC Rohrbündelwärmetauscher, gekühlt mit Kabinenluft (50 % Kondensationseffizienz):

Parameter	Symbol	Wert	Einheit
Allgemeine Parameter:
Kühlleistung	Q	22.27	kW
insgesamter (durchschnittlicher) Wärmedurchgangskoeffizient	k(eff, mean)	70.54	W m^-2 K^-1
Wärmeübergangskoeffizient außerhalb der Rohre	α(o)	223.58	W m^-2 K^-1
Wärmeübergangskoeffizient innerhalb der Rohre	α(i)	112.33	W m^-2 K^-1
Wärmeleitfähigkeit der Rohrwände	λ	23	W m^-2 K^-1
wärmetauschende Oberfläche	A	15.85	m²
Abgasparameter (= innerhalb der Rohre):
Einlasstemperatur	T(in)	54.1	°C
Einlassdruck (abs)	ρ(in)	1.0	bar
insgesamter Einlass-Gas-Massefluss	m(in)	0.17276	kg s^-1
absoluter Einlass-Wasser-Massefluss	m(in, H₂O)	0.01707	kg s^-1
Einlass-Taupunkt	DP	54.0	°C
Auslass-Temperatur (Gas und Wasser)	T(out)	40.4	°C
Auslass-Massenfluss des Gases	m(out, g)	0.16396	kg s^-1
Auslass-Massenfluss des kondensierten Wassers	m(out, H₂O)	0.0088	kg s^-1
absolute Kondensationseffizienz	E(cond)	51.6	%
Druckabfall	Δp(gas)	58.4	mbar
Mittelwert der Gasgeschwindigkeit	ν(gas)	24.17	m s^-1
Kabinen-Luftparameter (absoluter Kabinendruck: 750 mbar)
Einlass-Temperatur	T(in)	20.0	°C
Auslasstemperatur	T(out)	35.8	°C
Massenfluss	m(air)	1.4	kg s^-1
Druckabfall	Δp(air)	52.1	mbar
Luftgeschwindigkeit	ν(air)	29.37	m s^-1

Tabelle 4 zeigt Massen und Volumina für den PEMFC Rohrbündelwärmetauscher, gekühlt mit Kabinenluft (50 % Kondensationseffizienz):

Allgemeine Daten
insgesamtes Volumen des Kondensators	ca. 176.1 L (= 792 × 530 × 419.5 mm³)
Gesamtzahl der Wärmetauscher-Rohre	897 (= 39 × 23)
Gesamtlänge der Wärmetauscher-Rohre	403.65 m (= 897 × 450 mm)
inneres Gesamtvolumen der Wärmetauscher-Rohre	ca. 41.92 L (403650 × 103.86 mm³)
Gesamtvolumen des Metalls der Wärmetauscher-Rohre	ca. 7.61 L (= 403650 × 18.85 mm³)
Gesamtvolumen des Metalls der vier Platten, die direkt um den Kondensator angeordnet sind	0.37 L (= [450 + 450 + 419.5 + 419.5] × 702 × 0.3 mm³)
Gesamtvolumen des Metalls des zusätzlichen Gehäuses (Außenwände, Wasser-Separator, Gestell)	ca. 0.3 L (= 2 × [792 × 419.5 × 0.3 mm³] + 13 × [419.5 × 40 × 0.3 mm³] + 2 × [90 × 40 + 90 × 40 + 90 × 419.5 + 40 × 419.5] × 0.3 mm³]
Massen	Edelstahl (Dichte: 7850 kg m³	Aluminium (Dichte: 2700 kg m³)
Gesamtmasse des Metalls der Wärmetauscher-Rohre	ca. 59.8 kg	ca. 20.6 kg
Gesamtmasse des Metalls der Metallplatten, welche den Kondensator unmittelbar abgrenzen	ca. 2.9 kg	ca. 1.0 kg
Gesamtmasse des Metalls des Gehäuses	ca. 2.4 kg	ca. 0.8 kg
Gesamtmasse des Kondensators	ca. 65.1 kg	ca. 22.4 kg

Im Falle von Titan (Dichte: 4510 kg m³) wiegt der Kondensator etwa 37,3 kg. Im Falle von Zirkonium (Dichte: 6500 kg m³) wiegt der Kondensator etwa 53,8 kg.
Natürlich können auch größere oder kleinere Kondensatoren angewendet werden.
5 zeigt eine schematische Darstellung der Luftführung durch ein Wassererzeugungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Für eine Integration in das Flugzeug ist es vorteilhaft, wenn ein Gegenstrom zwischen Kabinenluftstrom und Brennstoffzellenabgas erfolgt und dennoch sowohl das Wasser als auch die Kabinenluft effektiv nach „unten" strömen kann. Ein solcher Gegenstrom kann die Effektivität des Wärmetauschers erhöhen. Dies kann durch eine spezielle Luftführung 505 realisiert werden, welche in 5 dargestellt ist. Während das Abgas von „oben" 501 nach „unten" 502 strömt (wie durch Pfeil 509 symbolisiert) und dadurch der Kondensatabfluss 503, 504 gefördert wird, strömt die Kabinenluft 508 durch den Kondensator zunächst nach „oben", wodurch der Gegenstrom im Kondensator ermöglicht wird. Anschließend wird die Kabinenluft durch eine geeignete Vorrichtung 505 wieder nach unten geleitet (siehe Pfeil 507). Dort kann sie durch das Kabinenluft-Auslassventil 102 ins Freie strömen. Zusätzlich dazu kann der Rest des Abgases ebenfalls über das Kabinenluft-Auslassventil 102 ins Freie geleitet werden (siehe Pfeil 502).
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In Schritt 1 wird Abgas aus einer Brennstoffzellenvorrichtung in den Kondensator eingeleitet. Zusätzlich hierzu wird Kabinenluft in den Kondensator eingeleitet. In Schritt 2 wird das Abgas durch die Kabinenluft gekühlt. In Schritt 4 kondensiert Wasser aus dem Abgas aus, welches dem Wasserkreislauf des Flugzeugs zugeführt werden kann. In Schritt 5 wird die Kabinenluft zusammen mit dem Abgas an die Umgebung des Flugzeugs abgegeben, nachdem die Kabinenluft und das Abgas den Kondensator durchströmt haben.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Wassererzeugungssystem zum Erzeugen von Wasser an Bord eines Luftfahrzeugs, das Wassererzeugungssystem umfassend: eine Brennstoffzellenvorrichtung (108); einen Kondensator (101) zum Kondensieren von Wasser aus einem Abgas der Brennstoffzellenvorrichtung (108); einen Auslass (102); wobei der Kondensator (101) zur Kühlung des Abgases durch Kabinenluft ausgeführt ist; und wobei der Auslass (102) zum Abgeben der Kabinenluft an die Umgebung des Flugzeugs ausgeführt ist, nachdem die Kabinenluft den Kondensator (101) durchströmt hat.
Wassererzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei der Kondensator (101) zumindest ein Separationsvolumen (404, 405, 406) aufweist; und wobei das Separationsvolumen (404, 405, 406) zum Ändern der Strömungsrichtung des Abgases und zum Abscheiden von Wasser ausgeführt ist.
Wassererzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Separationsvolumen (404, 405, 406) an einer Seite des Wassererzeugungssystems angeordnet ist.
Wassererzeugungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: ein perforiertes Trennelement (408), durch welches das im Separationsvolumen (404, 405, 406) angesammelte Wasser in ein benachbartes Separationsvolumen fließen kann.
Wassererzeugungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: zwei unabhängige Öffnungen (411, 412) zum Entnehmen des abgeschiedenen Wassers.
Wassererzeugungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei der Kondensator (101) als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt ist, der eine Vielzahl an Leitungen (401) zum Transport der Abluft aufweist.
Wassererzeugungssystem nach Anspruch 6, wobei eine Gruppe erster Leitungen in einer ersten Ebene angeordnet ist; wobei eine Gruppe zweiter Leitungen in einer zweiten Ebene angeordnet ist; und wobei die beiden Ebenen übereinander angeordnet sind.
Wassererzeugungssystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Strömungsrichtung des Abgases in der ersten Ebene und der zweiten Ebene übereinstimmen; und wobei darunter angeordnete Ebenen eine entgegengesetzte Strömungsrichtung aufweisen.
Wassererzeugungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei jeweils drei übereinander angeordnete Ebenen dieselbe Strömungsrichtung des Abgases aufweisen.
Wassererzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kondensator (101) als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist.
Wassererzeugungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei der Auslass (102) ein Kabinenluft-Auslassventil (111) umfasst.
Wassererzeugungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, weiterhin umfassend: einen Einlass (402) zum Einlassen des Abgases in den Kondensator.
Wassererzeugungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei Kabinenluft und Abgas im Kondensator (101) gegeneinander strömen.
Kondensator (101) zum Kondensieren von Wasser aus einem Abgas einer Brennstoffzellenvorrichtung (108) an Bord eines Luftfahrzeugs, der Kondensator (101) umfassend: einen Auslass (102); wobei der Kondensator (101) zur Kühlung des Abgases durch Kabinenluft ausgeführt ist; und wobei der Auslass (102) zum Abgeben der Kabinenluft an die Umgebung des Flugzeugs ausgeführt ist, nachdem die Kabinenluft den Kondensator (101) durchströmt hat.
Kondensator (101) nach Anspruch 14, wobei der Kondensator (101) zumindest ein Separationsvolumen (404, 405, 406) aufweist; und wobei das Separationsvolumen (404, 405, 406) zum Ändern der Strömungsrichtung des Abgases und zum Abscheiden von Wasser ausgeführt ist.
Kondensator (101) nach Anspruch 14 oder 15, weiterhin umfassend: ein perforiertes Trennelement (408), durch welches das im Separationsvolumen (404, 405, 406) angesammelte Wasser in ein benachbartes Separationsvolumen fließen kann.
Verwendung eines Wassererzeugungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem Luftfahrzeug.
Luftfahrzeug, umfassend ein Wassererzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Verfahren zum Erzeugen von Wasser an Bord eines Luftfahrzeugs, das Verfahren umfassend die Schritte: Einleiten von Abgas aus einer Brennstoffzellenvorrichtung (108) in einen Kondensator (101); Einleiten von Kabinenluft in den Kondensator (101); Kühlen des Abgases durch die Kabinenluft; Kondensieren von Wasser aus dem Abgas; Abgeben der Kabinenluft an die Umgebung des Flugzeugs, nachdem die Kabinenluft den Kondensator (101) durchströmt hat.