DE102010052839A1

DE102010052839A1 - Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von Energie und Wasser

Info

Publication number: DE102010052839A1
Application number: DE102010052839A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Otto
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2012-05-31
Also published as: WO2012072451A1; US20130252118A1; US20140113207A9; US10202699B2

Abstract

Brennstoffzellensysteme an Bord von Transportmitteln können zur Energieerzeugung und zur Wassererzeugung eingesetzt werden. Um das Gesamtgewicht des Systems zu verringern, wird die Brennstoffzelle in Abhängigkeit von einem aktuellen Füllstand oder einem Grenzstand des Wassertanks sowie eines prognostizierten, zukünftigen Wasserverbrauchs gesteuert oder geregelt. Auf diese Weise ist es möglich, die im Wassertank zu speichernde Wassermenge zu minimieren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wasser zum Einsatz an Bord eines Transportmittels, ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wasser durch ein Brennstoffzellensystem an Bord eines Transportmittels, ein Transportmittel mit einem Brennstoffzellensystem, sowie die Verwendung eines Brennstoffzellensystems zur Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern und zur Gewinnung von Frischwasser an Bord eines Transportmittels.
Technischer Hintergrund der Erfindung
Brennstoffzellensysteme an Bord von Luftfahrzeugen können neben elektrischer Energie auch Wasser erzeugen, indem das heiße und feuchte Brennstoffzellen-Abgas in einem Kondensator abgekühlt wird und dann das auskondensierte Wasser in einem Wasserabscheider von Abgas getrennt wird.
DE 10 2006 034 814 B4 und US 2008179050 A1 beschreiben bekannte Brennstoffzellensysteme an Bord von Luftfahrzeugen.
Die Regelung des Brennstoffzellensystems kann anhand des angeforderten elektrischen Leistungsbedarfs erfolgen.
Das von der Brennstoffzelle erzeugte Wasser kann darüber hinaus in einem Tank zwischengespeichert werden und im Bedarfsfall den Wasserverbrauchern an Bord des Luftfahrzeugs zugeführt werden.
Damit stets ausreichend Wasser bereitsteht, ist eine entsprechende Dimensionierung des Wassertanks erforderlich.
Zusammenfassung der Erfindung
Es kann als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches sich durch ein verringertes Gesamtgewicht auszeichnet.
Es sind ein Brennstoffzellensystem, ein Transportmittel, eine Verwendung und ein Verfahren gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche angegeben. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wasser zum Einsatz an Bord eines Transportmittels angegeben, welches eine Brennstoffzelle, einen Wassertank und eine Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung aufweist. Der Wassertank dient der Speicherung von von der Brennstoffzelle abgegebenem Wasser. Beispielsweise gibt die Brennstoffzelle ein heißes und feuchtes Brennstoffzellen-Abgas ab, welches dann abgekühlt wird. Das so auskondensierte Wasser kann dann in dem Wassertank gesammelt werden.
Die Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung dient der Steuerung oder Regelung der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von einem aktuellen Füllstand des Wassertanks oder in Abhängigkeit von einem aktuellen Grenzstand des Wassertanks und/oder eines prognostizierten, zukünftigen Wasserverbrauchs.
Somit ist die Menge an erzeugtem Wasser nicht oder zumindest nicht ausschließlich abhängig vom Leistungsbedarf der elektrischen Verbraucher an Bord des Transportmittels. Insbesondere ist es möglich, die Wassererzeugungsrate unabhängig von dem Leistungsbedarf der elektrischen Verbraucher zu steuern oder zu regeln.
Die Steuerung bzw. Regelung des Brennstoffzellensystems zur Versorgung des Wassersystems ermöglicht es, dass der Betrieb des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von dem Wasserbedarf angepasst wird, so dass die im Tank zu speichernde Wassermenge minimiert werden kann. Dies führt zu einer Verringerung des Gesamtgewichts des Brennstoffzellensystems und damit des Transportmittels. Durch die somit ermöglichte Verkleinerung des Wassertanks ist auch eine Verringerung des notwendigen Einbauraumes für das Brennstoffzellensystem möglich.
Bei der Steuerung bzw. Regelung des Brennstoffzellensystems können der momentane Wassertankfüllstand, der bisherige Wasserverbrauch und der voraussichtliche, prognostizierte Wasserbedarf berücksichtigt werden, so dass die Brennstoffzelle ggf. sogar während der gesamten Reisedauer oder zumindest in einem wesentlichen Zeitraum der Reisedauer in ihrem optimalen Betriebspunkt, also beispielsweise bei ca. 30 bis 50% der Maximallast, betrieben werden kann. Dadurch wird die elektrische Energie bei größtmöglichem elektrischen Wirkungsgrad erzeugt und gleichzeitig eine hohe Lebensdauer der Brennstoffzelle erreicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung eine Füllstandsteuerungs- oder Regelungsvorrichtung mit einem Füllstandsensor oder einem Grenzstandsensor zur Bestimmung eines Füllstands bzw. eines Grenzstands im Wassertank auf.
Durch die Messung des aktuellen Füllstands oder des Grenzstands ist es möglich zu bestimmen, ob und mit welcher Rate der Wassertank befüllt werden muss.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung zur Steuerung oder Regelung der Brennstoffzelle unter Berücksichtigung einer aktuellen Flugphase ausgeführt.
Durch die Berücksichtigung der aktuellen Flugphase kann es möglich sein, zu entscheiden, ob der Wasserverbrauch in näherer Zukunft ansteigen oder fallen wird. Auch ist es möglich, zu entscheiden, ob eine weitere Befüllung des Wassertanks überhaupt erforderlich ist, da beispielsweise die im Wassertank enthaltenen Wasserreserven für die verbleibende Flugzeit ausreichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Brennstoffzellensystem weiterhin eine Kondensationsvorrichtung, ggf. mit einem nachgeschalteten Wasserabscheider, zur Kondensation (und Wasserabscheidung) des von der Brennstoffzelle abgegebenen Wassers auf, bevor dieses dann dem Tank zugeführt wird. Die Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung ist hierbei zur Steuerung oder Regelung der Brennstoffzelle unter Berücksichtigung einer aktuellen Effizienz der Kondensationsvorrichtung (bzw. der Kombination aus Kondensationsvorrichtung und Wasserabscheidungsvorrichtung) ausgeführt.
So kann es beispielsweise erforderlich sein, die Wassererzeugungsrate der Brennstoffzelle hoch zu regeln, da die Effizienz der Kondensationsvorrichtung sinkt (und umgekehrt).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung eine Leistungsanforderungssignalsteuerung auf, welche zur Bestimmung eines Sollwerts für die Wassererzeugungsleistung der Brennstoffzelle unter Berücksichtigung der aktuellen Effizienz der Kondensationsvorrichtung ausgeführt ist.
Neben der aktuellen Effizienz der Kondensationsvorrichtungen können noch weitere Messgrößen in die Bestimmung des Sollwerts einfließen. Hierbei handelt es sich beispielsweise um verschiedene physikalische Parameter, wie z. B. die Kühltemperatur des Kondensators, den Umgebungsdruck des Kondensators und die Luftanströmgeschwindigkeit des Kondensators. Um diese verschiedenen physikalischen Parameter zu bestimmen, sind entsprechende Sensoren vorgesehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung derart ausgeführt, dass eine kontinuierliche Abnahme der Effizienz der Kondensationsvorrichtung zu einer kontinuierlichen Zunahme des Sollwerts für die Wassererzeugungsleistung der Brennstoffzelle führt (und umgekehrt).
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass eine kontinuierliche Abnahme der Effizienz nach Unterschreitung eines gewissen Schwellwerts zu einer sprunghaften Zunahme des Sollwerts führt und dass eine kontinuierliche Zunahme der Effizienz der Kondensationsvorrichtung nach Überschreitung eines bestimmten Schwellwerts zu einer sprunghaften Abnahme des Sollwerts führt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung eine Leistungsanforderungssignalbegrenzung auf, welche zur Begrenzung eines Sollwerts für die Leistung der Brennstoffzelle unter Berücksichtigung eines aktuellen Leistungsverbrauchs der elektrischen Verbraucher an Bord des Transportmittels oder/und unter Berücksichtigung eines Brennstoffvorrats für die Brennstoffzelle ausgeführt ist.
Auf diese Weise ist es möglich, die Leistung der Brennstoffzelle zu begrenzen, selbst wenn die vorgeschaltete Leistungsanforderungssignalsteuerung einen höheren Sollwert bestimmt hat.
Auch kann diese Begrenzung in Abhängigkeit der Flugphase erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Transportmittel mit einem oben und im Folgenden beschriebenen Brennstoffzellensystem angegeben.
Wenn hier und im Folgenden von einem Transportmittel die Rede ist, so kann darunter ein Luftfahrzeug, beispielsweise ein Flugzeug, ein Helikopter, ein Luftschiff oder ein Raumfahrzeug, aber auch ein Landfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug verstanden werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Verwendung eines oben und im Folgenden beschriebenen Brennstoffzellensystems zur Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern und zur Gewinnung von Frischwasser an Bord eines Transportmittels angegeben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wasser durch ein oben und im Folgenden beschriebenes Brennstoffzellensystem an Bord eines Transportmittels angegeben, bei dem einer Brennstoffzelle Brennstoff zugeführt, elektrische Energie durch die Brennstoffzelle erzeugt wird und Wasser aus einem Abgas der Brennstoffzelle gewonnen wird. Das so gewonnene Wasser wird zum Befüllen eines Wassertanks verwendet. Weiterhin erfolgt ein Steuern oder Regeln der Brennstoffzellen in Abhängigkeit von einem aktuellen Füllstand oder Grenzstand des Wassertanks und eines prognostizierten, zukünftigen Wasserverbrauchs von Verbrauchern an Bord des Transportmittels.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Steuern oder Regeln der Brennstoffzelle unter Berücksichtigung eines bisherigen Wasserverbrauchs an Bord des Transportmittels, einer aktuellen Flugphase bzw. Reisephase des Transportmittels und/oder einer aktuellen Effizienz einer Kondensationsvorrichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt ein Begrenzen des Sollwerts für die Leistung der Brennstoffzelle unter Berücksichtigung eines aktuellen Leistungsverbrauchs der elektrischen Verbraucher an Bord des Transportmittels oder eines Brennstoffvorrats für die Brennstoffzelle.
Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem mit einer Wasserversorgung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt ein Brennstoffzellensystem mit einer Stromversorgung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Regelungs- oder Steuerungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 zeigt die Abhängigkeit des maximal zulässigen Wassertankfüllstands, des oberen Grenzwerts des Wassertankfüllstands und des unteren Grenzwerts des Wassertankfüllstands von der Zeit.
5 zeigt die Abhängigkeit der Kondensationseffizienz von der Temperatur des Kondensators.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Wassertankfüllstandregelung.
7 zeigt zwei Tabellen zur Verdeutlichung des Verhaltens der Füllstandsteuerung oder -regelung.
8A zeigt vier Tabellen zur Verdeutlichung des Verhaltens der Leistungsanforderungssignalsteuerung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
8B zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung des Verhaltens der Leistungsanforderungssignalsteuerung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
8C zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung des Verhaltens der Leistungsanforderungssignalsteuerung gemäß dem Ausführungsbeispiel der 8B.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Leistungsanforderungssignalbegrenzung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
10 zeigt ein Luftfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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 Brennstoffzellensystem 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Stromversorgungssystem, welches die von der Brennstoffzelle 101 erzeugte elektrische Energie an die bordinternen Verbraucher verteilt, ist nicht dargestellt (siehe hierzu 2).
Der Brennstoffzelle 101 nachgeschaltet ist ein Wassergenerierungssystem 102, welches beispielsweise einen oder mehrere Kondensatoren und einen Wasserabscheider aufweist. Das so aus dem Abgas der Brennstoffzelle 101 gewonnene Wasser wird dann einem Wassertank 103 zugeführt und dort gespeichert.
An den Wassertank 103 sind über ein entsprechendes Leitungssystem die Wasserverbraucher 104 angeschlossen. Auch ist ein Ablassventil 105 am Wassertank 103 vorgesehen, um eine Überfüllung des Wassertanks 103 zu vermeiden. Das überschüssige Wasser kann beispielsweise an die Umgebung des Transportmittels abgegeben werden.
Es sind mehrere Sensoren 106 bis 111 vorgesehen, welche beispielsweise den Füllstand oder Grenzstand des Wassertanks 103 (Sensor 110), die Effizienz des Wassergenerierungssystems 102 (Sensor 108) und/oder bestimmte Kenngrößen der Brennstoffzelle 101 messen (Sensor 106). Auch kann über den Sensor 107 beispielsweise die Abgasrate der Brennstoffzelle 101 gemessen werden. Der Sensor 109 misst die tatsächliche Wassererzeugungsrate, beispielsweise indem der Durchfluss der Wasserleitung zwischen dem Wassergenerierungssystem 102 und dem Tank 103 gemessen wird.
Es können weitere Sensoren 111 vorgesehen sein, welche den Wasserbedarf und/oder den Energiebedarf der bordinternen Verbraucher 104 messen.
Die Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung 115 wird von den Sensoren 106 bis 111 über den Datenbus 112 mit den Sensordaten versorgt und regelt die Brennstoffzelle 101 auf Basis einer oder mehrerer dieser Sensordaten. Hierfür ist die Regelungsleitung 113 vorgesehen, über welche die Steuerung oder Regelung 115 mit der Brennstoffzelle 101 verbunden ist. Auch kann die Steuerung oder Regelung 115 über die Regelungsleitung 114 das Ablassventil 105 steuern.
Es ist zu beachten, dass auch eine geringere Anzahl an Sensoren oder mehr Sensoren vorgesehen sein können. In einem einfachen Fall ist lediglich ein Grenzstandsensor vorgesehen, um den Grenzstand des Wassertanks 103 zu erfassen.
Die Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung 115 kann den Betriebspunkt der Brennstoffzelle 101 einstellen. Das Brennstoffzellensystem liefert zusammen mit anderen Energieerzeugern elektrische Energie an das Bordnetz (siehe 2), während das Wassererzeugungssystem Wasser in den Tank 103 fördert, aus dem wiederum die Wasserverbraucher 104 an Bord des Transportmittels versorgt werden.
An dieser Stelle ist zu beachten, dass auch eine Vielzahl an Brennstoffzellen 101 vorgesehen sein kann.
Wie in 2 zu erkennen ist, können zusätzliche Energieerzeuger 202 zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen sein, welche, wie auch die Brennstoffzelle 101, an das elektrische Netzwerk 203 des Transportmittels angeschlossen sind. Über dieses elektrische Netzwerk 203 werden dann die elektrischen Verbraucher 204 mit elektrischer Energie versorgt.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Regelungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Regelungs- der Steuerungsvorrichtung 115 weist eine Tankfüllstandsteuerungs- oder Regelungsvorrichtung 301, eine nachgeschaltete Leistungsanforderungssignalsteuerung 302, eine dieser nachgeschaltete Leistungsanforderungssignalbegrenzung 303 und eine dieser nachgeschaltete Brennstoffzellenleistungsregelung 304 auf.
Die Tankfüllstandsteuerungs- oder Regelungsvorrichtung 301 besteht beispielsweise aus einem Zweipunktregler, der Füllstandgrenzstände erfasst. Bei Unterschreiten des unteren Grenzwerts des Wassertankfüllstands V_Tu gibt die Vorrichtung 301 ein Anforderungssignal zur Erzeugung von Wasser an die Leistungsanforderungssignalsteuerung 302. Wenn der Wasserstand im Tank steigt und der obere Grenzwert V_To überschritten wird, wird das Anforderungssignal wieder zurückgesetzt (siehe 4). Bei Überschreiten eines maximal zulässigen Füllstands V_Tmax öffnet ein Ablassventil 105 und leitet das überschüssige Wasser nach außen an die Umgebung des Transportmittels (also beispielsweise des Flugzeugs).
Um eine genauere Steuerung oder Regelung des Füllstands im Tank V_T zu erreichen und die Brennstoffzelle so lange wie möglich im optimalen Betriebspunkt, d. h. im Teillastbereich, betreiben zu können, kann die Steuerung oder Regelung erweitert werden. Dabei wird die im letzten Zeitintervall verbrauchte Wassermenge V_V und die aktuelle Flugphase berücksichtigt. Es wird geprüft, ob die verbrauchte Wassermenge V_V einen kritischen Grenzwert V_Vkrit überschreitet und ob in nächster Zeit das Catering für die Passagiere mit zu erwartendem höheren Wasserverbrauch (z. B. für die Zubereitung von Kaffee oder Tee) bevorsteht. In Abhängigkeit der drei Einflussgrößen Tankfüllstand V_T, Wasserverbrauch V_V und Flugphase wird mit Hilfe eines geeigneten Berechnungsverfahrens ein Anforderungssignal für die im nächsten Zeitintervall zu erzeugende Wassermenge V ._Gsoll ausgegeben. Das Signal V ._Gsoll kann dabei die drei Zustände „keine Wassererzeugung”, „Wassererzeugung bei optimalem Betriebspunkt” oder „maximale Wassererzeugung” annehmen. Ein mögliches Verfahren ist beispielhaft in den 6 und 7 dargestellt.
Die verbrauchte Wassermenge kann z. B. durch einen Durchflusssensor in der Versorgungsleitung am Wassertankausgang gemessen werden. Eine andere Möglichkeit ist die Berechnung des Wasserverbrauchs aus den Öffnungszeiten der einzelnen Verbraucher (z. B. Wasserhähne und Spülventile in den Toiletten) und dem Wasserdruck im System.
Die Flugphase bzw. die vergangene und die verbleibende Flugzeit ist aus dem Bordcomputer bekannt, der ebenfalls an die Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung 115 angeschlossen ist. Die Terminierung der Cateringphasen kann entweder voreingestellt sein oder während des Fluges durch das Kabinenpersonal eingegeben werden.
Wie aus der 3 ersichtlich ist, werden der Tankfüllstandsteuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung 301 Sensormessdaten hinsichtlich dem Wassertankfüllstand V_T und der aktuellen Wasserverbrauchsrate V ._V sowie Informationen über die Flugphase zugeführt.
Hieraus berechnet die Vorrichtung 301 die Wassergenerierungsrate V ._Gsoll, bei der es sich um einen Sollwert handelt.
Der Leistungsanforderungssignalsteuerung 302 können beispielsweise Informationen über die Kühltemperatur des Kondensators T_K, den Umgebungsdruck P_U und die Luftanströmgeschwindigkeit v_L zugeführt werden.
Die Leistungsanforderungssignalsteuerung 302 übersetzt das Ausgangssignal der Tankfüllstandregelung 301 V ._Gsoll in ein für die Wassererzeugung notwendiges Leistungsanforderungssignal P_Wsoll für die Brennstoffzelle, beispielsweise unter Berücksichtigung der Effizienz der Kondensation K des Kondensators. V ._Gsoll kann beispielsweise drei Werte annehmen, welche für keine, mittlere bzw. maximale Wassererzeugung stehen.
Die Kondensationseffizienz K beschreibt den Anteil des im Wassererzeugungssystem tatsächlich erzeugten Wassers im Verhältnis zur absoluten Wassermenge im Brennstoffzellenabgas. Systembedingt ist nicht die gesamte im Abgas enthaltene Wassermenge für das Wassersystem nutzbar. Die den Wasserabscheider verlassende Abluft enthält eine Restmenge an Wasser. Den größten betriebsbedingten Einfluss auf die Kondensationseffizienz kann die Kühltemperatur des Kondensators T_K ausüben (siehe 5). In Reiseflughöhe, bei niedrigen Außentemperaturen, wird eine sehr hohe Kondensationseffizienz erreicht, während sie im Bodenbetrieb bei hohen Außentemperaturen deutlich geringer ist. In der Leistungsanforderungssignalsteuerung 302 ist ein mathematisches Modell der Kondensationseffizienz K als Funktion verschiedener physikalischer Parameter, wie z. B. der Kühltemperatur T_K, des Umgebungsdrucks P_U und der Luftanströmgeschwindigkeit v_L hinterlegt, anhand deren die momentane Kondensationseffizienz berechnet wird.
Im Folgenden sind zwei Möglichkeiten für die Berechnung der Leistungsanforderung für die Wassergenerierung (Sollwert) P_Wsoll angegeben:

1. Es wird ermittelt, ob die momentane Kondensationseffizienz K einen Grenzwert K_krit unterschritten hat. In Abhängigkeit dieses Ergebnisses und zusammen mit dem Ausgangssignals der Tankfüllstandregelung V ._Gsoll wird das für die Wassererzeugung notwendige Leistungsanforderungssignal P_Wsoll in den Abstufungen „keine Leistungsanforderung”, „Leistungsanforderung bei optimalem Betriebspunkt P_BZopt” und „maximale Leistungsanforderung P_BZmax” erzeugt (siehe 8A).
2. Alternativ kann für den Fall, dass die Tankfüllstandregelung 301 für das Signal V ._Gsoll den Wert „Wassererzeugung bei optimalem Betriebspunkt” ausgibt, das Ausgangssignal der Leistungsanforderungssignalsteuerung P_Wsoll variabel zwischen der Brennstoffzellenleistung bei optimalem Betriebspunkt P_BZopt und dem Wert „maximale Leistungsanforderung P_BZmax” eingestellt werden gemäß der folgenden Gleichung (siehe auch 8B):

Der Vorteil ist, dass mit kleiner werdender Kondensationseffizienz das Leistungsanforderungssignal nicht sprungartig, sondern kontinuierlich erhöht und der Maximalwert seltener erreicht wird.
Die Leistungsanforderungssignalbegrenzung 303 begrenzt das für die Wassererzeugung notwendige Leistungsanforderungssignal P_Wsoll auf eine tatsächliche Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle P_BZsoll. Das Ausgangssignal der Leistungsanforderungssignalsteuerung P_Wsoll orientiert sich ausschließlich am Wasserbedarf und ist nach oben nur durch die bauartbedingte Maximalleistung des Brennstoffzellensystems P_BZmax begrenzt. Der Leistungsanforderungssignalbegrenzung 303 können Messwerte zugeführt werden, die den Füllstand der Versorgungstanks für die Brennstoffzelle betreffen. Hierbei handelt es sich beispielsweise um den Füllstand des Wasserstofftanks m_H2. Auch können Daten hinsichtlich des aktuellen Leistungsbedarfs der Verbraucher P_V und Daten hinsichtlich der aktuellen Flugphase und der noch verbleibenden Flugzeit zugeführt werden.
Die mit der geforderten Wassererzeugung verbundene elektrische Leistung der Brennstoffzelle wird ins Bordnetz des Luftfahrzeugs eingespeist. Um zu verhindern, dass mehr Leistung zur Verfügung gestellt wird, als momentan verbraucht wird, kann das Leistungsanforderungssignal P_Wsoll mit dem momentanen Leistungsverbrauch P_V verglichen werden. Bei Überschreitung wird das Leistungsanforderungssignal an die Brennstoffzelle P_BZsoll auf den tatsächlichen Leistungsbedarf der Verbraucher P_V begrenzt (siehe auch 9).
Zusätzlich kann das Anforderungssignal auf Null gesetzt oder zumindest reduziert werden, wenn ein Mindestvorrat an Brennstoff für die Brennstoffzelle z. B. unter Berücksichtigung der noch verbleibenden Flugzeit unterschritten wird. Dadurch ist die Verfügbarkeit des Brennstoffzellensystems als Energielieferant (z. B. als Notstromaggregat) bis zum Ende der Flugmission gewährleistet (siehe beispielsweise 9).
Da auch andere Energieerzeuger elektrische Leistung in das Bordnetz einspeisen, kann das Leistungsanforderungssignal an die Brennstoffzelle P_BZsoll dazu genutzt werden, die von den anderen Energieerzeugern zu liefernde Leistung auf den Differenzbetrag zwischen dem momentanen Leistungsverbrauch P_V und der Leistungsanforderung P_BZsoll zu begrenzen.
Die so berechnete und ggf. begrenzte Brennstoffzellenleistung wird in Form eines Sollwerts P_BZsoll an die Brennstoffzellenleistungsregelung 304 weitergegeben.
4 zeigt ein Beispiel für den maximal zulässigen Tankfüllstand 403, den oberen Grenzwert für den Tankfüllstand 404 (der darunter liegt) und für den unteren Grenzwert des Tankfüllstands 405 (welcher wiederum tiefer liegt) über die Zeit. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 4 ändern sich diese drei Füllstandgrenzwerte zeitlich nicht. Es ist aber möglich, dass beispielsweise der untere Grenzwert im zeitlichen Verlauf absinkt, da die verbleibende Reisezeit immer geringer wird.
5 zeigt die Abhängigkeit der Kondensationseffizienz K 502 von der Kühltemperatur des Kondensators T_K 501. Wie anhand der Kurve 504 zu erkennen ist, sinkt die Kondensationseffizienz nicht-linear mit steigender Temperatur und weist oberhalb einer Grenztemperatur einen Wert auf, der geringer ist als der Grenzwert der Kondensationseffizienz K_krit 503.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Tankfüllstandsteuerung oder -regelung. In Schritt 601 wird der Tankfüllstand gemessen und in Schritt 602 wird bestimmt, ob der gemessene Tankfüllstand größer ist als der obere Grenzwert für diesen Füllstand. Ist dies der Fall, erfolgt keine Wassergenerierung (Schritt 603). Ist dies nicht der Fall, erfolgt in Schritt 604 die Bestimmung, ob der gemessene Tankfüllstand kleiner ist als der untere Grenzwert des Tankfüllstands.
Ist dies der Fall, wird in Schritt 605 bestimmt, ob der Wasserverbrauch (bzw. die Wasserverbrauchsrate) im Betrachtungsintervall größer ist als ein Grenzwert für den Wasserverbrauch. Ist dies der Fall, wird der Befehl ausgegeben, die Wassergenerierung zu maximieren (Schritt 606).
Ist dies nicht der Fall, wird in Schritt 607 bestimmt, ob ein Catering der Passagiere unmittelbar bevorsteht.
Ist dies der Fall, wird der Befehl ausgegeben, die Wassergenerierung auf einen maximalen Wert hochzusetzen (Schritt 608).
Ist dies nicht der Fall, wird die Wassergenerierung auf einen mittleren Wert eingestellt (Schritt 609).
Wird in Schritt 604 bestimmt, dass der Tankfüllstand nicht unterhalb des unteren Grenzwerts liegt, folgt Schritt 610, in welchem bestimmt wird, ob der Wasserverbrauch im Betrachtungsintervall größer ist als ein Grenzwert des Wasserverbrauchs.
Ist dies der Fall, wird in Schritt 611 festgestellt, ob ein Catering unmittelbar bevorsteht. Ist dies der Fall, wird in Schritt 612 die Wassergenerierung auf einen maximalen Wert hochgesetzt. Ist dies nicht der Fall, wird in Schritt 613 die Wassergenerierung auf einen mittleren Wert festgesetzt.
Wird in Schritt 610 jedoch festgestellt, dass der Wasserverbrauch im Betrachtungsintervall nicht oberhalb des Grenzwerts des Wasserverbrauchs liegt, folgt der Schritt 614, in welchem festgestellt wird, ob eine Cateringphase unmittelbar bevorsteht. Ist dies der Fall, wird der Wert für die Wassergenerierung auf einen mittleren Wert festgesetzt (siehe Schritt 613). Ist dies nicht der Fall, wird in Schritt 615 bestimmt, dass keine Wassergenerierung erfolgen soll.
7 zeigt zwei Tabellen zur Verdeutlichung des Verhaltens für die Tankfüllstandsteuerung. Ist der aktuelle Tankfüllstand oberhalb des oberen Grenzwerts des Tankfüllstands (Wert 0), wird der Befehl ausgegeben, dass kein Wasser erzeugt werden soll.
Befindet sich der aktuelle Tankfüllstand zwischen dem unteren Grenzwert und dem oberen Grenzwert (Wert 1) und ist der Wasserverbrauch im Betrachtungsintervall unterhalb des entsprechenden Grenzwerts (Wert 0) und ist kein Catering in der nächsten Zeit geplant (Wert 0), wird der Befehl ausgegeben, dass kein Wasser erzeugt werden soll (siehe zweite Zeile der ersten Tabelle).
Entsprechend erfolgt auch die Bestimmung, ob der Befehl zur Wassererzeugung mit mittlerer Erzeugungsrate oder maximaler Erzeugungsrate ausgegeben werden soll, wie bereits unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
8A zeigt mehrere Tabellen, welche veranschaulichen, wie die Leistungsanforderungssignalsteuerung gemäß dem oben unter Punkt 1 genannten Ausführungsbeispiel betrieben werden kann. Die Bestimmung des für die Wassererzeugung notwendigen Leistungsanforderungssignals P_Wsoll erfolgt hierbei sprunghaft. In der oberen Tabelle, Spalte 1, bezeichnet der Wert 0, dass der Sollwert für die Wassererzeugung 0 ist. Der Wert 1 bezeichnet, dass der Sollwert für die Wassererzeugung einen mittleren Wert annimmt und der Wert 2 bezeichnet, dass der Sollwert für die Wassererzeugung einen maximalen Wert annimmt. In der zweiten Spalte bezeichnet der Wert 0, dass die Kondensationseffizienz unterhalb einem Grenzwert liegt und der Wert 1 bezeichnet, dass die Kondensationseffizienz oberhalb dieses Grenzwerts liegt.
In der dritten Spalte bezeichnet der Wert 0, dass das für die Wassererzeugung notwendige Leistungsanforderungssignal P_Wsoll 0 ist, der Wert 1 bezeichnet, dass das Leistungsanforderungssignal einen mittleren Wert aufweist (bei dem die Brennstoffzelle im optimalen Betriebspunkt läuft) und der Wert 2 bezeichnet, dass das Leistungsanforderungssignal einen maximalen Wert aufweist, bei dem die Brennstoffzelle maximale Leistung abgibt.
Ist also beispielsweise der Sollwert für die Wassererzeugung auf den mittleren Wert gesetzt (V ._Gsoll = 1) und ist die Kondensationseffizienz unterhalb des kritischen Werts (K = 0), dann wird das Leistungsanforderungssignal auf maximal gesetzt (P_Wsoll = 2).
8B zeigt die Abhängigkeit des Leistungsanforderungssignals 802 von der Kühltemperatur des Kondensators 801. Die sprunghafte Kurve 804 entspricht hierbei dem 1. Ausführungsbeispiel und die Kurve 805 entspricht dem 2. Ausführungsbeispiel, bei dem P_Wsoll kontinuierlich eingestellt wird.
Die Kurve 803 zeigt die Abhängigkeit der Kondensationseffizienz von der Kühltemperatur des Kondensators.
8C zeigt die Abhängigkeit des Leistungsanforderungssignals 811 von der Kondensationseffizienz 810. Kurve 812 zeigt die sprunghafte Abhängigkeit gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 und die Kurve 813 zeigt die kontinuierliche Abhängigkeit gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 (siehe oben).
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Leistungsanforderungssignalbegrenzung. In Schritt 901 wird das für die Wassererzeugung notwendige Leistungsanforderungssignal P_Wsoll ausgegeben und in Schritt 902 wird dieses Signal mit dem momentanen Leistungsverbrauch der elektrischen Verbraucher verglichen. Ist P_Wsoll größer als der momentane Leistungsverbrauch P_V, wird in Schritt 903 die tatsächliche Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle auf den momentanen Leistungsverbrauch gesetzt. Ist dies nicht der Fall, wird in Schritt 904 die tatsächliche Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle auf P_Wsoll gesetzt.
Weiterhin kann in Schritt 905 festgestellt werden, ob ein kritischer Wasserstoffvorrat erreicht ist. Ist dies der Fall, wird in Schritt 906 P_BZsoll (also die tatsächliche Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle) auf 0 gesetzt werden. Ist dies nicht der Fall, wird in Schritt 907 P_Wsoll mit dem momentanen Leistungsverbrauch P_V verglichen. Ist P_Wsoll größer als P_V, wird in Schritt 908 die tatsächliche Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle auf den momentanen Leistungsverbrauch P_V gesetzt. Ist dies nicht der Fall, wird in Schritt 909 die tatsächliche Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle auf P_Wsoll gesetzt.
10 zeigt ein Luftfahrzeug 1000 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Luftfahrzeug 1000 weist einen Rumpf 1001 auf, in dem ein Brennstoffzellensystem 100 eingebaut ist.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend” und „aufweisend” 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006034814 B4 [0003]
US 2008179050 A1 [0003]

Claims

Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wasser zum Einsatz an Bord eines Transportmittels, das Brennstoffzellensystem (100) aufweisend: eine Brennstoffzelle (101); einen Wassertank (103) zur Speicherung von von der Brennstoffzelle (101) abgegebenem Wasser; eine Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung (115) zur Steuerung oder Regelung der Brennstoffzelle (101) in Abhängigkeit von einem aktuellen Füllstand oder Grenzstand des Wassertanks (103) und von einem prognostizierten, zukünftigen Wasserverbrauch.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung (115) darüber hinaus zur Steuerung oder Regelung der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von einem bisherigen Wasserverbrauch ausgeführt ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung (115) eine Füllstandssteuerungs- oder Regelungsvorrichtung (301) mit einem Füllstandsensor (106) oder einen Grenzstandsensor zur Bestimmung eines Füllstands oder eines Grenzstands im Wassertank (103) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung (115) zur Steuerung oder Regelung der Brennstoffzelle (101) unter Berücksichtigung einer aktuellen Flugphase ausgeführt ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin aufweisend: eine Kondensationsvorrichtung (102) zur Kondensation des von der Brennstoffzelle abgegebenen Wassers, bevor es dem Tank zugeführt wird; wobei die Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung (115) zur Steuerung oder Regelung der Brennstoffzelle (101) unter Berücksichtigung einer aktuellen Effizienz der Kondensationsvorrichtung (102) ausgeführt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung (115) eine Leistungsanforderungssignalsteuerung (302) aufweist, welche zur Bestimmung eines Sollwerts für die Wassererzeugungsleistung der Brennstoffzelle (101) unter Berücksichtigung der aktuellen Effizienz der Kondensationsvorrichtung (102) ausgeführt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei eine kontinuierliche Abnahme der Effizienz der Kondensationsvorrichtung (102) zu einer kontinuierlichen Zunahme des Sollwerts führt.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung (115) eine Leistungsanforderungssignalbegrenzung (303) aufweist, welche zur Begrenzung eines Sollwerts für die Leistung der Brennstoffzelle (101) unter Berücksichtigung eines aktuellen Leistungsverbrauchs der elektrischen Verbraucher an Bord des Transportmittels oder eines Brennstoffvorrates für die Brennstoffzelle (101) ausgeführt ist.
Transportmittel mit einem Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Transportmittel nach Anspruch 9, ausgeführt als Luftfahrzeug (1000).
Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern und zur Gewinnung von Frischwasser an Bord eines Transportmittels.
Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wasser durch ein Brennstoffzellensystem (101) an Bord eines Transportmittels, das Verfahren aufweisend die Schritte: Zuführen von Brennstoff zu einer Brennstoffzelle (101); Erzeugen von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle (101); Gewinnen von Wasser aus einem Abgas der Brennstoffzelle (101); Befüllen eines Wassertanks (103) mit dem gewonnenen Wasser; Steuern oder Regeln der Brennstoffzelle (101) in Abhängigkeit eines aktuellen Füllstands oder Grenzstands des Wassertanks (103) und von einem prognostizierten, zukünftigen Wasserverbrauch.
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin aufweisend den Schritt: Steuern oder Regeln der Brennstoffzelle (101) unter Berücksichtigung eines bisherigen Wasserverbrauchs.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, weiterhin aufweisend den Schritt: Steuern oder Regeln der Brennstoffzelle (101) unter Berücksichtigung einer aktuellen Flugphase oder einer aktuellen Effizienz einer Kondensationsvorrichtung (102).
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, weiterhin aufweisend den Schritt: Begrenzen eines Sollwerts für die Leistung der Brennstoffzelle (101) unter Berücksichtigung eines aktuellen Leistungsverbrauchs der elektrischen Verbraucher an Bord des Transportmittels oder eines Brennstoffvorrates für die Brennstoffzelle (101).