DE102022101757A1

DE102022101757A1 - Brennstoffzellenvorrichtung, Verdichtereinrichtung, Steuereinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Steuereinrichtung

Info

Publication number: DE102022101757A1
Application number: DE102022101757.5A
Authority: DE
Inventors: Jan Hägert; Daniel Möller
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2022-01-26
Filing date: 2022-01-26
Publication date: 2023-07-27
Also published as: WO2023143665A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) für ein Hauptantriebssystem eines Luftfahrzeugs, umfassend zumindest eine Brennstoffzelleneinrichtung (2), eine Luftversorgungseinrichtung (3), die dazu eingerichtet ist, der zumindest einen Brennstoffzelleneinrichtung (2) ein Fluid (4) zuzuführen, wobei die Luftversorgungseinrichtung (3) eine Verdichtereinrichtung (6) aufweist, die dazu eingerichtet ist, das Fluid (4) auf einen vorbestimmten Massenstrom und/oder Druck zu verdichten. Es ist vorgesehen, dass die Verdichtereinrichtung (6) eine Leiteinrichtung (8) umfasst, wobei die Leiteinrichtung (8) zumindest ein verstellbares Leitelement (9) aufweist, das dazu eingerichtet ist, einen jeweiligen aerodynamischen engsten Querschnitt (10) eines Hauptsrömungspfades (11) durch die Verdichtereinrichtung (6) bereitzustellen. Die Luftversorgungseinrichtung (3) weist eine Steuereinrichtung (12) auf, die dazu eingerichtet ist, die Leiteinrichtung (8) zur Einstellung des zumindest einen engsten Querschnitts (10) anzusteuern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung für ein Hauptantriebssystem eines Luftfahrzeugs gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung umfasst zudem eine Verdichtereinrichtung für eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 14, eine Steuereinrichtung für eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 15 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Steuereinrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 16.
Zum Antreiben von Luftfahrzeugen ist es vorgesehen, Brennstoffzellenvorrichtung in zu verwenden, welche eine Brennstoffzellen Einrichtung aufweisen, welche elektrische Energie zum Betreiben eines elektrischen Antriebs des Luftfahrzeugs bereitstellen sollen. Zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung ist es erforderlich, dass diese mit Wasserstoff und Sauerstoff versorgt wird. Hierbei muss eine der Brennstoffzelleneinrichtung zugeführte Luft einen bestimmten Massestrom und/oder einen bestimmten Druck aufweisen. Zur Versorgung mit Sauerstoff wird Luft aus einer Umgebung eines Luftfahrzeugs angesogen und durch eine Verdichtereinrichtung verdichtet, sodass die Luft mit einem vorbestimmten Massestrom und einem vorbestimmten Druck der Brennstoffzelleneinrichtung bereitgestellt werden kann. Eine besondere Problematik bei einem Betreiben von Brennstoffzellen in Luftfahrzeugen ist, dass die angesogene Luft unterschiedliche Druckniveaus aufweist, welche von einer Flughöhe des Luftfahrzeugs abhängen. Dadurch muss die Verdichtereinrichtung für die unterschiedlichen Massenströme und Druckniveaus der eingesogenen Luft ausgelegt sein. Die Verdichtereinrichtung ist daher derart zu gestalten, dass die in sämtlichen Bereichen stabil und effizient arbeitet.
In der CN108172867A ist ein elektrisch unterstütztes, einstufiges Aufladesystem für Brennstoffzellen offenbart. Das Aufladesystem umfasst einen Verdichter für die Zufuhr von Druckluft zu der Brennstoffzelle, eine Turbine für eine Energierückgewinnung und einen Antriebsmotor, wobei der Verdichter, die Turbine und der Antriebsmotor koaxial miteinander verbunden sind. Der Verdichter ist als Diagonalverdichter ausgebildet.
Die US 7,771,883 B2 offenbart eine Messung der Betriebsparameter eines virtuellen Verdichters und eine Erkennung von Druckstößen in einem Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem weist einen Verdichter auf, der dazu eingerichtet ist, einen Luftstrom bereitzustellen, der zu einem Kathodeneingang eines Brennstoffzellenmoduls geleitet wird. Der Verdichter kann als Zentrifugal-, Radial-, Axial- oder Mischstromkompressor ausgestaltet sein.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Betriebsbereich einer Verdichtereinrichtung zu verkleinern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Verdichtereinrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14, eine Steuereinrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15, sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Maskierungsvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14 sowie eine Maskierungsstruktur gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung für ein Hauptantriebssystem eines Luftfahrzeugs. Mit anderen Worten betrifft die Erfindung die Brennstoffzellenvorrichtung welche dazu geeignet ist, ein Hauptantriebssystem eines Luftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst zumindest eine Brennstoffzelleneinrichtung. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung die zumindest eine Brennstoffzelleneinrichtung aufweist, wobei es sich um eine Brennstoffzelle handeln kann, welche dazu eingerichtet ist, eine chemische Energie, die bei einer Umwandlung eines der Brennstoffzelleneinrichtung zugeleiteten Oxidationsmittels und eines der Brennstoffzelleneinrichtung zugeleiteten Brennstoffs in elektrische Energie umzuwandeln. Die Brennstoffzelleneinrichtung kann insbesondere als Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle ausgeführt sein. Zur Bereitstellung des Sauerstoffs kann der Brennstoffzelleneinrichtung Luft zugeleitet werden. Die Brennstoffzellenvorrichtung weist eine Luftversorgungseinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist der zumindest einen Brennstoffzelleneinrichtung ein Fluid zuzuführen. Mit anderen Worten ist die Luftversorgungseinrichtung dazu eingerichtet, ein Fluid, wobei es sich insbesondere um Luft aus einer Umgebung eines Luftfahrzeugs handeln kann, der zumindest einen Brennstoffzelleneinrichtung bereitzustellen. Die Luftversorgungseinrichtung umfasst eine Verdichtereinrichtung, die dazu eingerichtet, ist das Fluid auf einen vorbestimmten Massenstrom und/oder Druck zu verdichten. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Luftversorgungseinrichtung die Verdichtereinrichtung aufweist. Die Verdichtereinrichtung ist dazu eingerichtet, einen Massestrom und/oder Druck des Fluids zu verändern, und das Fluid mit dem vorbestimmten Massenstrom und/oder dem vorbestimmten Druck für die Brennstoffzelleneinrichtung auszugeben. Das Fluid kann einen Massenstrom und/oder Druck aufweisen, welche von einer Umgebung des Luftfahrzeugs abhängen können. In Abhängigkeit von dem Massenstrom und/oder Druck kann die Verdichtereinrichtung derart betrieben werden, dass das Fluid bei einem Verlassen der Verdichtereinrichtung den vorbestimmten Massenstrom und/oder den vorbestimmten Druck aufweist.
Es ist vorgesehen, dass die Verdichtereinrichtung eine Leiteinrichtung umfasst, wobei die Leiteinrichtung zumindest ein verstellbares Leitelement aufweist, das dazu eingerichtet ist einen jeweiligen aerodynamischen engsten Querschnitt eines Hauptsrömungspfads durch die Verdichtereinrichtung bereitzustellen. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Verdichtereinrichtung die Leiteinrichtung aufweist. Die Leiteinrichtung kann weist das zumindest eine verstellbare Leitelement oder mehrere der verstellbaren Leitelemente auf. Bei den verstellbaren Leitelementen kann es sich beispielsweise um Leiträder handeln. Das zumindest eine verstellbare Leitelement ist derart in der Verdichtereinrichtung angeordnet, sodass der Hauptströmungspfads des Fluids, welcher durch die Verdichtereinrichtung verläuft, durch das jeweilige verstellbare Leitelement geführt ist. Das verstellbare Leitelement weist dabei einen jeweiligen aerodynamischen engsten Querschnitt auf, durch welchen der Hauptströmungspfad des Fluids geführt ist. Das jeweilige verstellbare Leitelement ist dazu eingerichtet, den jeweiligen aerodynamischen engsten Querschnitt, welcher durch das jeweilige verstellbare Leitelement bereitgestellt wird, einzustellen. Die Einstellung kann beispielsweise durch ein Bewegen von Schaufeln oder Wänden des verstellbaren Leitelements in eine jeweilige Position erfolgen, sodass der jeweilige aerodynamisch engste Querschnitt bei einer Öffnung des j eweiligen Leitelements vergrößert wird und bei einem Schließen des jeweiligen Leitelements verkleinert wird.
Die Luftversorgungseinrichtung weist eine Steuereinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, die Leiteinrichtung zur Einstellung des zumindest einen engsten Querschnitts anzusteuern. Mit anderen Worten ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Leiteinrichtung anzusteuern, sodass der jeweilige aerodynamisch engste Querschnitt des zumindest einen verstellbaren Leitelements durch die Leiteinrichtung eingestellt wird. Mit anderen Worten ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, den einzustellenden aerodynamisch engsten Querschnitt des zumindest einen verstellbaren Leitelements vorzugeben. Die Leiteinrichtung kann eine Aktuatorik aufweisen, durch welche das zumindest eine verstellbaren Leitelement betätigt wird, sodass dieses den jeweiligen einzustellenden aerodynamisch engsten Querschnitt bereitstellt
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Leiteinrichtung an den Massestrom oder den Druck angepasst werden kann, mit welchen Fluid in die Verdichtereinrichtung geleitete wird. Dadurch kann das Betriebsverhalten der Verdichtereinrichtung durch eine Änderung des Massestroms des Fluids beeinflusst werden. Somit wird erreicht, dass der Verdichter über einen breiten Bereich vom Betrieb am Boden bis zum Betrieb in großen Flughöhen stabil und effizient arbeiten kann. Die Leiteinrichtung kann durch die Steuereinheit auf einen Betrieb innerhalb eines geringeren Wertebereichs eingestellt werden, als es ohne die Leiteinrichtung der Fall wäre.
Die Erfindung umfasst Weiterbildungen, durch die sich weitere Vorteile ergeben.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den jeweiligen aerodynamischen engsten Querschnitt des zumindest einen verstellbaren Leitelements in Abhängigkeit einer Flughöhe zu ermitteln und die Leiteinrichtung zur Einstellung des aerodynamischen engsten Querschnitts durch die Leiteinrichtung anzusteuern. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise dazu vorgesehen sein, eine Flughöhe, welche durch einen Sensor eines Luftfahrzeugs erfasst, und in einem Signal der Steuereinrichtung zugeleitet werden kann, zu empfangen. Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit der Flughöhe den jeweiligen aerodynamischen engsten Querschnitt zu ermitteln und die Leiteinrichtung zur Einstellung des jeweiligen aerodynamischen engsten Querschnitts anzusteuern. Der einzustellende, jeweilige aerodynamische engste Querschnitt kann beispielsweise in eine Wertetabelle in der Steuereinrichtung gespeichert sein. Die Steuereinrichtung kann auch dazu eingerichtet sein, den jeweiligen aerodynamisch engsten Querschnitt aus einem Kennfeld zu ermitteln.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Verdichtereinrichtung als einstufiger Radialverdichter oder einstufiger Diagonalverdichter eingerichtet ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Verdichtereinrichtung in einer Variante als Radialverdichter ausgebildet ist, der eine einzige Radialverdichterstufe aufweist. In einer weiteren Variante kann die Verdichtereinrichtung als Diagonalverdichter ausgebildet sein, der eine einzige Diagonalverdichterstufe aufweist. Diagonalverdichter werden auch als Mixed-Flow-Verdichter bezeichnet.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Verdichtereinrichtung als mehrstufiger Radialverdichter ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen dass es sich bei der Verdichtereinrichtung um einen mehrstufigen Radialverdichter handelt, welcher mehrere Radialverdichterstufen aufweist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Verdichtereinrichtung als mehrstufiger Axialverdichter ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Verdichtereinrichtung mehrere Axialverdichterstufen umfasst. Die Axialverdichterstufen können entlang einer Axialrichtung der Verdichtereinrichtung hintereinander angeordnet sein.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor dass die Verdichtereinrichtung als mehrstufiger Axial-Radialverdichter ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Verdichtereinrichtung ein mehrstufiger Axial-Radialverdichter ist, wobei die Verdichtereinrichtung mehrere Axialverdichterstufen und zumindest eine Radialverdichterstufe aufweist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das zumindest eine verstellbare Leitelement der Leiteinrichtung als verstellbares Eintrittsleitrad der Verdichtereinrichtung ausgeführt ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Verdichtereinrichtung zumindest ein Eintrittsleitrad aufweist. Das Eintrittsleitrad kann beispielsweise an einem Eintrittspunkt des Strömungspfades des Fluids in die Verdichtereinrichtung angeordnet sein. Das Eintrittsleitrad kann Leitschaufeln aufweisen, deren Ausrichtung verstellbar sein kann. In Abhängigkeit der Ausrichtung der Leitschaufeln kann durch das Eintrittsleitrad der bereitzustellende aerodynamisch engste Querschnitt bereitgestellt werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das zumindest eine verstellbare Leitelement der Leiteinrichtung als verstellbares Austrittsleitrad der Verdichtereinrichtung ausgeführt ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Verdichtereinrichtung zumindest das eine verstellbare Austrittsleitrad aufweist. Das Austrittsleitrad kann beispielsweise an einem Austrittspunkt des Strömungspfades des Fluids angeordnet sein, an welchem das Fluid aus der Verdichtereinrichtung austritt. Das Austrittsleitrad kann Leitschaufeln aufweisen, deren Ausrichtung verstellbar sein kann. In Abhängigkeit der Ausrichtung der Leitschaufeln kann der durch das Austrittsleitrad bereitzustellende aerodynamisch engste Querschnitt bereitgestellt werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das zumindest eine verstellbare Leitelement der Leiteinrichtung als verstellbares Radialverdichterstufeneintrittsleitrad einer jeweiligen Radialverdichterstufe der Verdichtereinrichtung ausgeführt ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass zumindest eine der Radialverdichterstufen ein jeweiliges Eintrittsleitrad aufweist, welches in einem Eintrittsbereich der jeweiligen Radialverdichterstufe angeordnet sein kann, an welchem das Fluid in die Radialverdichterstufen eintritt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das zumindest eine verstellbare Leitelement der Leiteinrichtung als verstellbares Radialverdichterstufenaustrittsleitrad einer jeweiligen Radialverdichterstufe der Verdichtereinrichtung ausgeführt ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass zumindest eine der Radialverdichterstufen ein jeweiliges Austrittsleitrad aufweist, welches in einem Austrittsbereich der jeweiligen radial Verdichterstufe angeordnet sein kann, an welchem das Fluid aus der Radialverdichterstufe austritt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das zumindest eine verstellbare Leitelement der Leiteinrichtung als verstellbares Rückführleitrad ausgeführt ist, wobei das verstellbare Rückführleitrad zwischen zwei direkt benachbarten Axialverdichterstufen der Verdichtereinrichtung angeordnet ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Leiteinrichtung zumindest das verstellbare Rückführleitrad als Leitelement aufweist. Des Rückführleitrad kann ein Leitrad einer Rückführungsstufe sein, welche zwischen zwei aufeinanderfolgenden Axialverdichterstufen angeordnet sein kann. Die Rückführungsstufe kann dazu eingerichtet sein, das Fluid von einem Austrittspunkt einer der Axialverdichterstufe zu einem Eintrittspunkt einer nachfolgenden Axialverdichterstufe zu führen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das zumindest eine verstellbare Leitelement der Leiteinrichtung als verstellbares Axialleitrad ausgeführt ist, wobei das verstellbare Axialleitrad zwischen zwei direkt benachbarten Axialverdichterstufen der Verdichtereinrichtung angeordnet ist. Mit anderen Worten umfasst die Leiteinrichtung das verstellbare Axialleitrad. Das verstellbare Axialleitrad kann ein Leitrad sein, welches zwischen zwei der Axialverdichterstufen angeordnet ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor dass das zumindest eine verstellbare Leitelement der Leiteinrichtung als verstellbares Axial-Radialleitrad ausgeführt ist. Das verstellbare Axial-Radialleitrad ist zwischen der Axialverdichterstufe der Verdichtereinrichtung und der Radialverdichterstufe der Verdichtereinrichtung angeordnet. Mit anderen Worten umfasst die Leiteinrichtung das verstellbare Axial-Radialleitrad, welches zwischen einer Axialverdichterstufe und einer nachfolgenden Radialverdichterstufe der Verdichtereinrichtung angeordnet ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verdichtereinrichtung für eine Brennstoffzellenvorrichtung. Die Verdichtereinrichtung ist dazu eingerichtet, ein Fluid auf einen vorbestimmten Massenstrom und/oder Druck zu verdichten. Es ist vorgesehen, dass die Verdichtereinrichtung eine Leiteinrichtung umfasst, wobei die Leiteinrichtung zumindest ein verstellbares Leitelement aufweist, das dazu eingerichtet ist, einen jeweiligen aerodynamischen engsten Querschnitt eines Hauptsrömungspfades durch die Verdichtereinrichtung bereitzustellen.
Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für eine Brennstoffzellenvorrichtung, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, einen jeweiligen aerodynamischen engsten Querschnitt zumindest eines verstellbaren Leitelements in Abhängigkeit einer Flughöhe zu ermitteln und die Leiteinrichtung zur Einstellung des aerodynamischen engsten Querschnitts durch die Leiteinrichtung anzusteuern.
Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen.
Ein vierter Aspekt Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Steuereinrichtung für eine Brennstoffzellenvorrichtung. In einem ersten Schritt des Verfahrens kann durch die Steuereinrichtung ein Signal empfangen werden, welches eine aktuelle Flughöhe eines Luftfahrzeugs umfassen kann. In einem zweiten Schritt kann durch die Steuereinrichtung für zumindest ein verstellbares Leitelement einer Leiteinrichtung einer Verdichtereinrichtung ein jeweiliger aerodynamisch engster Querschnitt ermittelt werden, welcher durch die jeweilige Leiteinheit bereitzustellen ist. Die Ermittlung kann beispielsweise mittels einer Wertetabelle erfolgen, welche jeweiligen Flughöhen den jeweiligen aerodynamisch engster Querschnitt für das jeweilige Leitelement zuweisen kann. In einem dritten Schritt kann die Steuereinheit die Leiteinrichtung ansteuern, um den jeweiligen aerodynamisch engsten Querschnitt für das jeweilige Leitelement einzustellen.
Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung für ein Hauptantriebssystem eines Luftfahrzeugs;
2 eine schematische Darstellung einer Radialverdichterstufe der Verdichtereinrichtung;
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Diagonalverdichterstufe der Verdichtereinrichtung;
4 eine schematische Darstellung eines mehrstufigen Axialverdichters;
5 eine schematische Darstellung eines mehrstufigen Axial-Radialverdichters;
6 eine schematische Darstellung eines Verdichterkennfelds; und
7 eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines Verfahrens zum Betreiben einer Steuereinrichtung.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 für ein Hauptantriebssystem eines Luftfahrzeugs. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 kann beispielsweise eine Brennstoffzelleneinrichtung 2 aufweisen, wobei es sich um eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle handeln kann. Es kann vorgesehen sein, dass der Brennstoffzelleneinrichtung 2 ein Fluid 4 zuzuführen ist, wobei es sich bei dem Fluid 4 um Luft handeln kann. Durch die Luft kann der Brennstoffzelleneinrichtung Sauerstoff zur Verfügung gestellt werden. Um die Zuleitung des Fluid 4 zu ermöglichen, kann die Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine Luftversorgungseinrichtung 3 aufweisen, welche dazu vorgesehen sein kann, dass Fluid 4 der Brennstoffzelleneinrichtung zuzuleiten. Die Luftversorgungseinrichtung 3 kann einen Filter 5 aufweisen, der dazu eingerichtet sein kann, dass angesogene Fluid 4 von Verunreinigungen zu reinigen. Das Fluid 4 kann in Abhängigkeit einer Flughöhe 13 einen bestimmten Massenstrom und/oder Druck aufweisen. Es kann erforderlich sein, dass das Fluid 4 der Brennstoffzelleneinrichtung 2 mit einem vorbestimmten Massenstrom und/oder einem vorbestimmten Druck bereitzustellen ist, um einen Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung 2 zu ermöglichen. Die Luftversorgungseinrichtung 3 kann hierfür eine Verdichtereinrichtung 6 aufweisen, die dazu eingerichtet sein kann, dass Fluid 4 auf den vorbestimmten Massenstrom und/oder den vorbestimmten Druck zu verdichten. Zum Betreiben der Verdichtereinrichtung 6 kann die Brennstoffzellenvorrichtung 1 einen Motor 7 aufweisen, der Rotorstufen der Verdichtereinrichtung 6 antreiben kann. Dadurch, dass der Massenstrom und/oder der Druck des eingesogenen Fluids 4 in Abhängigkeit der Flughöhe 13 variieren kann, ergibt sich ein relativ großer Betriebsbereich die Verdichtereinrichtung 6. Der bereitzustellende Betriebsbereich kann durch eine Leiteinrichtung 8 verkleinert werden. Die Leiteinrichtung 8 kann zumindest ein verstellbares Leitelement 9 oder mehrere verstellbare Leitelemente 9 aufweisen, die dazu eingerichtet sind, einen jeweiligen aerodynamisch engsten Querschnitt 10 eines Hauptströmungspfades 11 bereitzustellen. Mit anderen Worten kann die Verdichtereinrichtung 6 derart eingerichtet sein, dass das Fluid 4 entlang des Hauptströmungspfades 11 geführt wird. In dem Hauptströmungspfad 11 können verstellbare Leitelemente 9 angeordnet sein, welche einen jeweiligen einstellbaren aerodynamischen engsten Querschnitt 10 aufweisen. Die Leitelemente 9 sind verstellbar eingerichtet, sodass der jeweilige aerodynamisch engste Querschnitt 10 des jeweiligen Leitelements 9 eingestellt werden kann. Die Leiteinrichtung 8 kann beispielsweise ein Eintrittsleitrad 16 und ein Austrittsleitrad 17 als Leitelemente 9 aufweisen, welche jeweils verstellbar gelagerte Leitschaufeln 18 umfassen können. Durch eine Änderung der jeweiligen Winkel der Leitschaufeln 18 der Leiträder 16, 17 kann der jeweilige aerodynamisch engste Querschnitt 10 des jeweiligen Leitelements 9 eingestellt werden. Das Eintrittsleitrad 16 kann an einem Eintrittspunkt der Verdichtereinrichtung 6 angeordnet sein, an welchem das Fluid 4 in die Verdichtereinrichtung 6 geführt werden kann. Das Eintrittsleitrad 16 kann ein erstes Leitrad von mehreren Leiträdern sein, durch welche das Fluid 4 entlang des Hauptstrompfades 1 durch den Verdichter 6 geführt werden kann. Das Austrittsleitrad 17 kann an einem Austrittspunkt der Verdichtereinrichtung 6 angeordnet sein, an welchem das Fluid 4 aus der Verdichtereinrichtung 6 geführt werden kann. Das Austrittsleitrad 17 kann das letzte Leitrad von mehreren sein, durch welche das Fluid 4 entlang des Hauptstrompfades 11 durch den Verdichter 6 geführt werden kann.
Das Fluid 4 kann aus der Verdichtereinrichtung 6 geleitet werden, wobei das Fluid 4 bei einem verlassen der Verdichtereinrichtung 6 den vorbestimmten Massenstrom und/oder den vorbestimmten Druck aufweisen kann, welche zum Betreiben der Brennstoffzelleneinrichtung 2 erforderlich sein können.
Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, ein Sensorsignal 14 zu empfangen, welches eine aktuelle Flughöhe 13 des Luftfahrzeugs umfassen kann. Die Sensoreinrichtung kann in Abhängigkeit von der aktuellen Flughöhe 13 den jeweiligen aerodynamisch engsten Querschnitt 10 des zumindest einen Leitelements 9 ermitteln, welches das j eweilige zumindest eine Leitelement 9 bereitstellen soll. Die Steuereinheit kann ein Steuersignal 15, welches den jeweiligen aerodynamisch engsten Querschnitt 10 umfassen kann, an die Leiteinrichtung 8 übertragen. Die Leiteinrichtung kann das Leitelement 9 gemäß dem Steuersignal 15 auf den jeweiligen aerodynamisch engsten Querschnitt 10, beispielsweise durch ein verstellen von Leitschaufeln 18 des Leitelements 9 einstellen.
Die Luftversorgung der Brennstoffzelle erfolgt mit einem definierten Realmassenstrom und einem definierten Absolutdruck. In der Luftfahrtanwendung führt dies dazu, dass die für die Verdichtereinrichtung 6 maßgeblichen Parameter korrigierter Massenstrom und Druckverhältnis für verschiedene Flughöhen 13 stark variieren. Grund dafür sind in unterschiedlichen Höhen variierende Umgebungsbedingungen eines Luftdrucks, einer Lufttemperatur und einer Luftdichte. Für Flughöhen 13 oberhalb 3048 m, FL100 sind somit sehr hohe korrigierte Massenströme und Druckverhältnisse durch die Verdichtereinrichtung 6 zu bewältigen. Am Boden sind hingegen nur sehr geringe korrigierte Massenströme und Druckverhältnisse erforderlich. Zusammengenommen stellt dies hohe Anforderungen an die Verdichtereinrichtung 6 eines Brennstoffzellen-Hauptantriebssystems in der Luftfahrt, welche über einen breiten Bereich stabil und effizient arbeiten muss.
Brennstoffzellen-Hauptantriebssysteme für Luftfahrtanwendungen werden durch elektrisch angetriebene Radialverdichter mit Luftsauerstoff versorgt. Die Lagerung der Antriebswelle dieser Verdichter erfolgt axial und radial mittels aerodynamischer Lager, um eine Kontamination der Luft mit Schmierstoffen zu vermeiden. Zur Luftversorgung für Brennstoffzellen-Hauptantriebssysteme in der Luftfahrt werden zweistufige Radialverdichter-Systeme verwendet. Alternativ werden einstufige Radialverdichter oder Diagonalverdichter verwendet.Diagonalverdichter werden auch Mixed-Flow-Verdichter genannt. Die Verdichtereinrichtung 6 kann als mehrstufiger Axialverdichter oder Axial-Radialverdichter ausgebildet sein, um eine Anzahl der erforderlichen Bauelemente, sowie der Leistungsverluste, zu vermeiden.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Radialverdichterstufe 20 der Verdichtereinrichtung 6. Die Radialverdichterstufe 20 kann in einem Eintrittsbereich der Radialverdichterstufe 20 ein verstellbares Radialverdichterstufeneintrittsleitrad 21 aufweisen, an welchem das Fluid 4 in die Radialverdichterstufe 20 eingeleitet werden kann. An einem Austrittsbereich der Radialverdichterstufe 20 kann die Radialverdichterstufe 20 ein verstellbares Radialverdichterstufenaustrittsleitrad 23 aufweisen. Das verstellbare Radialverdichterstufeneintrittsleitrad 21 und das verstellbare Radialverdichterstufenaustrittsleitrad 23 können Leitschaufeln 18 aufweisen, deren Ausrichtung durch die Leiteinrichtung 8 eingestellt werden kann. Dadurch können der aerodynamisch engste Querschnitt 10 des Radialverdichterstufeneintrittsleitrads 21 und der aerodynamisch engste Querschnitt 10 des Radialverdichterstufenaustrittsleitrads 23 eingestellt werden. Die Verdichtereinrichtung 6 kann ein verstellbares Rückführleitrad 24aufweisen welches hinter dem Austrittspunkt der Radialverdichterstufe 20 angeordnet sein kann. Das Rückführleitrad 24 kann dazu vorgesehen sein, den Hauptströmungspfad 11 des Fluids 4 in einen Eintrittsbereich einer weiteren Radialverdichterstufe 20 zu leiten. Das Rückführleitrad 24 kann ebenfalls verstellbare Leitschaufeln 18 aufweisen, um den aerodynamisch engsten Querschnitt 10 einstellen zu können.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Diagonalverdichterstufe 25 der Verdichtereinrichtung 6. Der Hauptströmungspfad 11 des Fluids 4 kann in einem Diagonalverdichterstufenlaufrad 27 diagonal zu einer Verdichterachse 19 ausgerichtet sein. Mit anderen Worten weist der Hauptströmungspfad 11 des beschleunigten Fluids in einem Bereich des Diagonalverdichterstufenlaufrads 27 sowohl einen radialen, als auch einen axialen Anteil auf. Die Diagonalverdichterstufe 25 kann in einem Eintrittsbereich der Diagonalverdichterstufe 25 ein verstellbares Diagonalverdichterstufeneintrittsleitrad 26 aufweisen, an welchem das Fluid 4 in die Diagonalverdichterstufe 25 eingeleitet werden kann. An einem Austrittsbereich der Diagonalverdichterstufe 25 kann die Diagonalverdichterstufe 25 ein verstellbares Diagonalverdichterstufenaustrittsleitrad 28 aufweisen. Das verstellbare Diagonalverdichterstufeneintrittsleitrad 26 und das verstellbare Diagonalverdichterstufenaustrittsleitrad 28 können Leitschaufeln 18 aufweisen, deren Ausrichtung durch die Leiteinrichtung 8 eingestellt werden kann, um , um den aerodynamisch engsten Querschnitt 10 einstellen zu können.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines mehrstufigen Axialverdichters. Die Verdichtungseinrichtung 6 kann das verstellbare Eintrittsleitrad 16 der Verdichtereinrichtung 6 aufweisen, welches an einem Eintrittspunkt der Verdichtereinrichtung 6 angeordnet sein kann. Die Verdichtereinrichtung 6 kann mehrere Axialverdichterstufen 33 aufweisen, welche ein jeweiliges Axialverdichterstufenlaufrad 29 aufweisen können. Zwischen denen jeweiligen Axialverdichterstufen 33 können verstellbare Axialleiträder 30 angeordnet sein. An dem Austrittspunkt der Verdichtungseinrichtung kann das verstellbare Austrittsleitrad 17 der Verdichtereinrichtung 6 angeordnet sein.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines mehrstufigen Axial-Radialverdichters. Der mehrstufige Axial-Radialverdichter kann mehrere Axialverdichterstufen 33 aufweisen, sodass ein vorderer Bereich der Verdichtereinrichtung 6 als mehrstufiger Axialverdichter ausgebildet sein kann. Zwischen den Axialverdichterstufen 33 können die jeweiligen verstellbaren Axialleiträder 30 angeordnet sein. Hinter einem Austrittspunkt des mehrstufigen Axialverdichters kann ein Eintrittspunkt einer Radialverdichterstufe 20 angeordnet sein. Zwischen einer letzten der Axialverdichterstufen 33 und der Radialverdichterstufe 20 kann ein verstellbares Axial-Radialleitrad 32 angeordnet sein. Die Axial-Radialverdichterstufe 20 kann an dem Austrittspunkt der Radialverdichterstufe 20 das verstellbare Radialverdichterstufenaustrittsleitrad 23 aufweisen.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Verdichterkennfelds. Das Verdichterkennfeld 34 zeigt einen korrigierten Massestrom M und ein Druckverhältniss P. Gezeigt sind die Stabilitätsgrenzen 35 und die Drehzahllinien 37 für eine Verdichtereinrichtung 6, welche die Leiteinrichtung 8 aufweist. Zum Vergleich sind die Stabilitätsgrenzen 36 und die Drehzahllinien 38 für eine Verdichtereinrichtung 6, welche die Leiteinrichtung 8 nicht aufweist gezeigt. Gezeigt ist auch ein Verlauf einer Lage der jeweiligen Betriebspunkte 39 der Verdichtereinrichtung 6 für bestimmte Flughöhen.
Durch die verstellbaren Leiträder kann das Betriebsverhalten des Verdichters beeinflusst werden indem der aerodynamische Engstquerschnitt im Verdichter durch Öffnen vergrößert wird, um einen höheren korrigierten Massenstrom realisieren zu können oder durch Schließen der stabile Betrieb des Verdichters bei einem kleinem korrigierten Massenstrom ermöglicht wird. Die Verstellung der Leiträder erfolgt variabel im Betrieb entsprechend der Flughöhe. Somit wird erreicht, dass der Verdichter über einen breiten Bereich vom Betrieb am Boden bis zum Betrieb in großen Flughöhen stabil und effizient arbeiten kann.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines Verfahrens zum Betreiben einer Steuereinrichtung 12.
In einem ersten Schritt des Verfahrens kann durch die Steuereinrichtung 12 ein Sensorsignal 14empfangen werden, welches eine aktuelle Flughöhe 13 eines Luftfahrzeugs umfassen kann.
In einem zweiten Schritt kann durch die Steuereinrichtung 12 für zumindest ein verstellbares Leitelement 9 einer Leiteinrichtung 8 einer Verdichtereinrichtung 6 ein jeweiliger aerodynamisch engster Querschnitt 10 ermittelt werden, welcher durch das jeweilige Leitelement 9bereitzustellen ist. Die Ermittlung kann beispielsweise mittels einer Wertetabelle erfolgen, welche jeweiligen Flughöhen 13 den einzustellenden jeweiligen aerodynamisch engsten Querschnitt 10 für das jeweilige Leitelement 9 zuweisen kann.
In einem dritten Schritt kann die durch die Steuereinrichtung 12 die Leiteinrichtung 8 angesteuert werden, um den jeweiligen aerodynamisch engsten Querschnitt 10 für das jeweilige Leitelement 9 einzustellen.
Die Steuereinrichtung 12 ist dazu eingerichtet ein Verfahren durchzuführen. Es ergeben sich die oben aufgeführten Vorteile. Die Steuereinrichtung 12 kann zum Beispiel als Steuerchip, Steuergerät oder Anwenderprogramm „App“ ausgestaltet sein. Die Steuereinrichtung 12 kann vorzugsweise eine Prozessoreinrichtung aufweisen und/oder einen Datenspeicher. Unter einer Prozessoreinrichtung wird ein Gerät oder eine Gerätekomponente zur elektronischen Datenverarbeitung verstanden. Die Prozessoreinrichtung kann zum Beispiel mindestens einen Mikrocontroller und/oder mindestens einen Mikroprozessor aufweisen. Auf dem optionalen Datenspeicher kann vorzugsweise ein Programmcode zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens abgelegt sein. Der Programmcode kann dann dazu ausgelegt sein, bei Ausführung durch die Prozessoreinrichtung die Steuereinrichtung 12 dazu zu veranlassen, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenvorrichtung
2: Brennstoffzelleneinrichtung
3: Luftversorgungseinrichtung
4: Fluid
5: Filter
6: Verdichtereinrichtung
7: Motor
8: Leiteinrichtung
9: Leitelement
10: Querschnitt
11: Hauptströmungspfad
12: Steuereinrichtung
13: Flughöhe
14: Sensorsignal
15: Steuersignal
16: Eintrittsleitrad der Verdichtereinrichtung
17: Austrittsleitrad der Verdichtereinrichtung
18: Leitschaufel
19: Verdichterachse
20: Radialverdichterstufe
21: Radialverdichterstufeneintrittsleitrad
22: Radialverdichterstufenlaufrad
23: Radialverdichterstufenaustrittsleitrad
24: Rückführleitrad
25: Diagonalverdichterstufe
26: Diagonalverdichterstufeneintrittsleitrad
27: Diagonalverdichterstufenlaufrad
28: Diagonalverdichterstufenaustrittsleitrad
29: Axialverdichterstufenlaufrad
30: Axialleitrad
33: Axialverdichterstufe
34: Verdichterkennfeld
35: Stabilitätsgrenze
36: Drehzahllinie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 108172867 A [0003]
US 7771883 B2 [0004]

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung (1) für ein Hauptantriebssystem eines Luftfahrzeugs, umfassend zumindest eine Brennstoffzelleneinrichtung (2), eine Luftversorgungseinrichtung (3), die dazu eingerichtet ist, der zumindest einen Brennstoffzelleneinrichtung (2) ein Fluid (4) zuzuführen, wobei die Luftversorgungseinrichtung (3) eine Verdichtereinrichtung (6) aufweist, die dazu eingerichtet ist, das Fluid (4) auf einen vorbestimmten Massenstrom und/oder Druck zu verdichten, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinrichtung (6) eine Leiteinrichtung (8) umfasst, wobei die Leiteinrichtung (8) zumindest ein verstellbares Leitelement (9) aufweist, das dazu eingerichtet ist, einen jeweiligen aerodynamischen engsten Querschnitt (10) eines Hauptsrömungspfades durch die Verdichtereinrichtung (6) bereitzustellen, die Luftversorgungseinrichtung (3) eine Steuereinrichtung (12) aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Leiteinrichtung (8) zur Einstellung des zumindest einen engsten Querschnitts (10) anzusteuern.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (12) dazu eingerichtet ist, den jeweiligen aerodynamischen engsten Querschnitt (10) des zumindest einen verstellbaren Leitelement (9) in Abhängigkeit einer Flughöhe (13) zu ermitteln.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinrichtung (6) als einstufiger Radialverdichter oder als einstufiger Diagonalverdichter ausgebildet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinrichtung (6) als mehrstufiger Radialverdichter eingerichtet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinrichtung (6) als mehrstufiger Axialverdichter eingerichtet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinrichtung (6) als mehrstufiger Axial-Radialverdichter eingerichtet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine verstellbare Leitelement (9) der Leiteinrichtung (8) als verstellbares Eintrittsleitrad (16) der Verdichtereinrichtung (6) ausgeführt ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine verstellbare Leitelement (9) der Leiteinrichtung (8) als verstellbares Austrittsleitrad (17) der Verdichtereinrichtung (6) ausgeführt ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine verstellbare Leitelement (9) der Leiteinrichtung (8) als verstellbares Radialverdichterstufeneintrittsleitrad (21) einer jeweiligen Radialverdichterstufe (20) der Verdichtereinrichtung (6) ausgeführt ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine verstellbare Leitelement (9) der Leiteinrichtung (8) als verstellbares Radialverdichterstufenaustrittsleitrad (23) einer jeweiligen Radialverdichterstufe (20) der Verdichtereinrichtung (6) ausgeführt ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine verstellbare Leitelement (9) der Leiteinrichtung (8) als verstellbares Axialleitrad (30) ausgeführt ist, wobei das verstellbare Axialleitrad (30) zwischen zwei direkt benachbarten Axialverdichterstufen (33) der Verdichtereinrichtung (6) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine verstellbare Leitelement (9) der Leiteinrichtung (8) als verstellbares Axial-Radialleitrad ausgeführt ist, wobei das verstellbare Axial-Radialleitrad zwischen einer Axialverdichterstufe (33) der Verdichtereinrichtung (6) und einer Radialverdichterstufe (20) der Verdichtereinrichtung (6) angeordnet ist.
Verdichtereinrichtung (6) einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinrichtung (6) eine Leiteinrichtung (8) umfasst, wobei die Leiteinrichtung (8) zumindest ein verstellbares Leitelement (9) aufweist, das dazu eingerichtet ist, einen jeweiligen aerodynamischen engsten Querschnitt (10) eines Hauptsrömungspfades (11) durch die Verdichtereinrichtung (6) bereitzustellen.
Steuereinrichtung (12) einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftversorgungseinrichtung (3) eine Steuereinrichtung (12) aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Leiteinrichtung (8) zur Einstellung des zumindest einen engsten Querschnitts (10) anzusteuern.
Verfahren zum Betreiben einer Steuereinrichtung (12) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinrichtung (12) - ein Sensorsignal (14) empfangen werden, welches eine aktuelle Flughöhe (13) eines Luftfahrzeugs umfasst, - für zumindest ein verstellbares Leitelement (9) einer Leiteinrichtung (8) einer Verdichtereinrichtung (6) ein jeweiliger aerodynamisch engster Querschnitt (10) ermittelt wird, welcher durch das jeweilige Leitelement (9) bereitzustellen ist, und - die Leiteinrichtung (8) angesteuert wird, um den jeweiligen aerodynamisch engsten Querschnitt (10) für das jeweilige Leitelement (9) einzustellen.