DE102022128711A1 - Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb (10) mit einem Brennstoffzellen-System (12), aufweisend einen Verdichter (14), der eingerichtet ist in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs (10) Luft (L) zur Versorgung des Brennstoffzellen-Systems (12) im Bereich eines jeweils optimalen Betriebspunkts zu verdichten.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb mit einem Brennstoffzellen-System, aufweisend einen Verdichter, der eingerichtet ist Luft zur Versorgung des Brennstoffzellen-Systems im Bereich eines jeweils optimalen Betriebspunkts in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs zu verdichten, um einen Sollluftmassenstrom zur Versorgung des Brennstoffzellen-Systems bereitzustellen. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs.
  • Um Flugzeuge umweltfreundlicher gestalten zu können, werden Anstrengungen unternommen, Brennstoffzellen als Energielieferant für Flugantriebe nutzen zu können. An Verdichter zur Luftversorgung von Brennstoffzellen-Hauptantriebssystemen in der Luftfahrt werden hohe Anforderungen bezüglich ihrer erforderlichen Kennfeldbreite gestellt. Ferner sind für Flughöhen oberhalb 3048m (FL100) hohe korrigierte Massenströme und Druckverhältnisse zu bewältigen. Gleichzeitig muss der Verdichter am Boden oder bei geringen Flughöhen bei kleinen korrigierten Massenströmen und moderaten Druckverhältnissen stabil betrieben werden können. Hieraus ergeben sich hohe Anforderungen an den Verdichter, um bei stark unterschiedlichen Betriebsbedingungen effizient betrieben werden zu können.
  • Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb vorzuschlagen, wobei insbesondere ein Verdichter des Antriebs in einem breiten Arbeitsbereich stabil betrieben werden kann. Ferner soll ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs zur Verfügung gestellt werden. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb mit einem Brennstoffzellen-System vorgeschlagen, aufweisend einen Verdichter, der eingerichtet ist Luft in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs zu verdichten, um das Brennstoffzellen-System im Bereich eines jeweils optimalen Betriebspunkt zu versorgen. Zudem ist eine Luftentnahmeeinrichtung vorgesehen, die eingerichtet ist, einen Anteil eines verdichteten Luftmassenstroms abzuführen, um einen Sollluftmassenstrom zur Versorgung des Brennstoffzellen-Systems bereitzustellen.
  • Durch die so ermöglichte Entnahme eines Anteils des verdichteten Luftmassenstroms hinter dem Verdichter kann der Verdichter bei einem höheren korrigierten Massenstrom betrieben werden, als für die Versorgung der Brennstoffzelle erforderlich wäre. Somit kann ein stabiler und effizienter Verdichterbetrieb bei stark unterschiedlichen Betriebs- bzw. Umgebungsbedingungen ermöglicht werden. Umgebungsbedingungen des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs sind insbesondere einzelne oder die Gesamtheit der von außen auf den Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb bzw. den Verdichter einwirkenden Bedingungen und können beispielsweise eine Umgebungstemperatur, ein Umgebungsluftdruck, eine Luftfeuchte oder eine Flughöhe sein, wobei diese im Betrieb, insbesondere während eines Flugbetriebs, veränderlich sind. Die Umgebungsbedingungen können beispielsweise mittels geeigneter Einrichtungen bestimmt und/ oder erfasst und zur Weiterverarbeitung bereitgestellt werden.
  • Ein Brennstoffzellen-System weist üblicherweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen auf, welche beispielsweise in Form von Brennstoffzellenstapeln angeordnet sind. Ein solches Brennstoffzellen-System, welche entsprechend wenigstens eine Brennstoffzelle aufweist, wird im Rahmen der Beschreibung der Erfindung vereinfacht auch als „eine Brennstoffzelle“ bezeichnet. Ein solches Brennstoffzellen-System weist wenigstens eine Anode auf, die zum Erzeugen von elektrischer Energie mit einem Brennstoff, wie insbesondere Wasserstoff versorgt wird, und wenigstens eine Kathode, welche zusammenwirkend mit der wenigstens einen Anode zum Erzeugen von elektrischer Energie mit Umgebungsluft versorgt wird, um den darin enthaltenen Luftsauerstoff der Brennstoffzelle als Oxidationsmittel zuzuführen.
  • Um einen stabilen Betrieb des Brennstoffzellen-Systems zu ermöglichen, muss an der Brennstoffzelle ein vorbestimmter Sollluftmassenstrom bereitgestellt werden. Der Sollluftmassenstrom ist dabei insbesondere derjenige Luftmassenstrom, der von dem Brennstoffzellen-System zur Umsetzung bzw. zur Beschickung des Brennstoffzellen-Systems notwendig bzw. vorgesehen ist, um eine vorbestimmte, insbesondere konstante Energiemenge zur Verfügung zu stellen. Insbesondere weist der Solluftmassenstrom dabei einen vorbestimmten Druck auf.
  • Zur Bereitstellung dieses Sollluftmassenstroms wird Umgebungsluft mittels des Verdichters verdichtet. der Brennstoffzelle zugeführt und von dieser zur Energieerzeugung genutzt. Der Verdichter kann dabei als ein Axialverdichter, Axial-Radialverdichter, Radialverdichter oder Diagonal- bzw. Mixed-Flow-Verdichter ausgebildet sein. Damit das Brennstoffzellen-System bestimmungsgemäß arbeiten kann, wird insbesondere über einen Kathodenpfad über den Verdichter Sauerstoff in den Brennstoffzellen-Stack transportiert. Die Luft wird üblicherweise mittels eines Fans und/oder eines Einlaufkanals aus der Umgebung entnommen, insbesondere über einen Filter geleitet, und durch den Verdichter mit dem notwendigen Druck beaufschlagt, um dem Brennstoffzellen-System als Luftmassenstrom zur Stromerzeugung zur Verfügung gestellt zu werden. Dabei sind Verdichter bzw. dessen Verdichterstufen typischerweise für den am häufigsten auftretenden Betriebsfall eines Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs - den Flugbetrieb - optimiert ausgelegt.
  • Ein optimaler Betriebspunkt des Verdichters ist insbesondere ein stabiler Arbeitspunkt im Kennfeld des Verdichters bei dem insbesondere ein hoher Wirkungsgrad erzielbar ist. Ein solches Verdichterkennfeld beschreibt das Betriebsverhalten eines Verdichters und wird meist durch den Zusammenhang zwischen einem vom Verdichter erzeugten Druckverhältnis aus dem Totaldruck an einem Verdichtereintritt und einem Verdichteraustritt und dem umgesetzten Luftmassenstrom bei unterschiedlichen Drehzahlen dargestellt. Um ein Verdichterkennfeld für Betriebszustände bei bzw. mit variierenden Umgebungsbedingungen verwenden zu können, kann eine dimensionslose Darstellung von Kennfeldern genutzt werden, wobei Machzahlähnliche Größen verwendet werden können, welche auch als korrigierte Größen bezeichnet werden. Hierbei unterscheidet sich ein korrigierter Luftmassenstrom Mkorr von einem realen Luftmassenstrom Mreal dadurch, dass der korrigierte Luftmassenstrom mit den Umgebungsbedingungen bzw. Eintrittsbedingungen, insbesondere Druck und Temperatur, vor dem Verdichter normiert ist. Der korrigierte Luftmassenstrom nimmt mit abnehmenden Druck und zunehmender Temperatur sowie mit zunehmender Flughöhe zu, wenn der reale Luftmassenstrom konstant ist.
  • Es gilt der folgende Zusammenhang: M k o r r = T e i n p e i n M r e a l .
    Figure DE102022128711A1_0001
    mit der Verdichtereintrittstemperatur Tein und dem Verdichtereintrittsdruck pein.
  • Die Erfindung basiert nunmehr auf der Überlegung, dass sich, bedingt durch eine im Flugbetrieb variable Flughöhe und den damit veränderlichen Umgebungsbedingungen und somit Eintrittsbedingungen für den Verdichter, die Betriebspunkte im Verdichterkennfeld ändern, bei denen der Verdichter arbeitet. Der korrigierte Luftmassenstrom variiert mit der Flughöhe aufgrund der Anforderung eines zwischen verschiedenen Flughöhen konstanten, realen Sollluftmassenstroms zur Versorgung der Brennstoffzelle. Das Druckverhältnis über dem Verdichter variiert ebenfalls mit der Flughöhe, da bei größeren Flughöhen ein Druck am Verdichtereintritt abnimmt, während der benötigte Druck am Verdichteraustritt, der gleichzeitig ein Druck des Sollluftmassenstroms für die Brennstoffzelle sein kann, insbesondere unveränderlich sein soll.
  • Die Erfindung basiert unter anderem auf der Idee, für eine Entnahme von Luft hinter dem Verdichter eine Luftentnahmeeinrichtung vorzusehen, um den vom Verdichter zur Verfügung gestellten verdichteten Luftmassenstrom auf einen, insbesondere in Abhängigkeit der Brennstoffzellen-Leistung bestimmten, Sollluftmassenstrom für die Brennstoffzelle zu reduzieren. Der Verdichter kann dadurch in einer niedrigen Flughöhe bei einem höheren realen und korrigierten Luftmassenstrom betrieben werden, als für die Versorgung der Brennstoffzelle nötig wäre. Dies führt dazu, dass der Verdichter bei stabileren und effizienteren Betriebspunkten betrieben werden kann. Dabei kann die Luftentnahmeeinrichtung beispielsweise dem Verdichter in Strömungsrichtung nachgelagert bzw. zwischen Verdichter und Brennstoffzellen-System angeordnet sein, oder eingerichtet sein, dort Luft und damit einen Anteil des verdichteten Luftmassenstroms abzuzweigen. Insgesamt kann sich hierdurch eine Verbesserung der Stabilität des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs bzw. eines damit betriebenen Flugzeugs ergeben.
  • Bei einer Ausführungsform ist der Sollluftmassenstrom konstant. Dabei ist insbesondere ein Druck und der reale Luftmassenstrom bzw. der Sollluftmassenstrom, welcher der Brennstoffzelle zugeführt wird, über variierende Umgebungsbedingungen, insbesondere verschiedene Flughöhen konstant bzw. wird mithilfe der Luftentnahmeeinrichtung konstant gehalten. Hierdurch kann eine Leistung der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellen-Systems auch in veränderlichen oder veränderten Umgebungen bzw. Flughöhen konstant gehalten werden, womit das Brennstoffzellen-System unabhängig von den Umgebungsbedingungen betrieben werden kann.
  • Insbesondere ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Änderung weiterer Parameter des Sollluftmassenstroms, wie beispielsweise eine Temperatur oder eine Luftfeuchte des Sollluftmassenstrom für die Brennstoffzelle, mittels der Luftentnahmeeinrichtung nicht vorgesehen. Hierzu können beispielsweise weitere Komponenten in einem Luftversorgungspfad des Brennstoffzellen-Systems vorgesehen sein, welche eingerichtet sind, diese Parameter einzustellen.
  • Bei einer Ausführungsform ist die Luftentnahmeeinrichtung eingerichtet, den abzuführenden Anteil des verdichteten Luftmassenstroms einzustellen und abzuführen. Dabei kann die Luftentnahmeeinrichtung eingerichtet sein, einen vorbestimmten, insbesondere variabel einstellbaren, Massenstrom, Volumenstrom oder Quotient des vom Verdichter verdichteten Luftmassenstroms abzuscheiden und/ oder abzuleiten. Dieser abgeführte Anteil des Luftmassenstroms kann beispielsweise an Subsystemen des Flugzeugs und/ oder des Flugzeugantriebs bereitgestellt und/ oder genutzt werden. Durch die so ermöglichte Verwertung des insbesondere zusätzlich anfallenden Luftstroms, kann beispielsweise eine Frischluftversorgung, Klimatisierung und Bedruckung einer Flugzeugkabine unterstützt werden, um insgesamt einen effizienten Flugbetrieb zu ermöglichen.
  • Bei einer Ausführungsform weist der Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb eine Steuerungseinheit auf, die zum Ansteuern der Luftentnahmeeinrichtung eingerichtet ist. Die Steuerungseinheit kann eingerichtet sein, den Verdichter, dessen Antrieb, die Luftentnahmeeinrichtung und/ oder ein Ventil der Luftentnahmeeinrichtung zu steuern. Insbesondere kann ein vorbestimmter Sollluftmassenstrom durch eine Regelung des zu entnehmenden Anteils des verdichteten Luftmassenstroms eingestellt werden. Somit kann ein optimaler Betriebspunkt des Verdichters mittels der Steuerungseinheit einstellbar sein. Dabei kann die Steuerungseinheit einen jeweiligen Betriebszustand für die Luftentnahmeeinrichtung in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise einer Umgebungstemperatur, einer Flughöhe und/oder unter Berücksichtigung weiterer Betriebsparameter, beispielsweise des Brennstoffzellen-Systems, vorgeben.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Luftentnahmeeinrichtung ein steuerbares Ventil umfassen. Mittels des Ventils wird eine Regelung eines Luftdurchsatzes an der Luftentnahmeeinrichtung ermöglicht. Hierzu ist das Ventil insbesondere eingerichtet, ein Abführen des insbesondere vorbestimmten Anteils des verdichteten Luftmassenstroms kontinuierlich, in vorbestimmten zeitlichen Abständen und/ oder Mengen zu ermöglichen, wodurch eine geeignete Anpassung des verdichteten Luftmassenstroms an den Sollluftmassenstrom über einen weiten Betriebsbereich möglich ist.
  • Bei einer Ausführungsform weist der Verdichter mehrere Stufen auf und die Luftentnahmeeinrichtung ist eingerichtet, den Anteil des verdichteten Luftmassenstroms wenigstens teilweise zwischen zwei oder mehreren Stufen abzuführen. Dabei kann die Luftentnahmeeinrichtung oder wenigstens eine zusätzliche Luftentnahmeeinrichtung zwischen solchen zwei oder mehreren Stufen angeordnet sein. Hierbei wird insbesondere ein vorbestimmter Anteil des dort vorliegenden Luftmassenstroms abgeführt, um wenigstens zur Versorgung des Brennstoffzellen-Systems beizutragen und/ oder den Sollluftmassenstrom für das Brennstoffzellen-System bereitzustellen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit wenigstens einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, umfassend Schritte des Verdichtens von Luft mittels eines Verdichters im Bereich eines jeweils optimalen Betriebspunkts des Verdichters in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs; in Abhängigkeit eines Sollluftmassenstroms zur Versorgung des Brennstoffzellen-Systems, Bestimmen eines abzuführenden Anteils des vom Verdichter verdichteten Luftmassenstroms; des Abführens des bestimmten Anteils des verdichteten Luftmassenstroms; und des Zuführens des hierdurch verbleibenden Sollluftmassenstroms zum Brennstoffzellen-System. Insbesondere ist der hierin beschriebene Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb bzw. dessen Steuerungseinheit eingerichtet, ein solches Verfahren auszuführen.
  • Um die Anforderungen der Brennstoffzelle bezüglich des Drucks und dem realem Luftmassenstrom bzw. dem Solluftmassenstrom zu erfüllen, müsste der Verdichter, beispielsweise bei niedrigen Flughöhen, insbesondere mit einem niedrigem Druckverhältnis und/ oder einem niedrigen korrigierten Massenstrom betrieben werden, wobei es zu Strömungsablösungen in dem Verdichter kommen kann. Durch das verfahrensgemäße Abführen des bestimmten Anteils, welcher insbesondere eine Differenz zwischen einem von dem Verdichter bereitgestellten verdichteten Luftmassenstrom und dem Sollluftmassenstrom der Brennstoffzelle darstellt, kann eine Stabilisierung des Verdichters erzielt und/ oder eine Effizienz des Verdichters verbessert werden, wobei eine stabile, insbesondere gleichbleibende Versorgung des Brennstoffzellen-Systems ermöglicht wird.
  • Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird der abzuführende Anteil des verdichteten Luftmassenstroms in Abhängigkeit wenigstens einer Umgebungsbedingung bestimmt. Beispielsweise kann der Anteil der abzuführenden Luft in Abhängigkeit des Luftdrucks bestimmt bzw. variiert werden. Hierdurch kann der Verdichter beispielsweise für einen höheren Luftdruck bei einem höheren realen und korrigierten Luftmassenstrom betrieben werden als für die Versorgung der Brennstoffzelle nötig wäre. Somit kann der Verdichter bei einem stabilen Betriebspunkt betrieben werden und gleichzeitig eine konstante Versorgung der Brennstoffzelle ermöglicht werden.
  • Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird der abzuführende Anteil des verdichteten Luftmassenstroms in Abhängigkeit einer Flughöhe bestimmt. Wird der Verdichter beispielsweise bei einer niedrigen Flughöhe auf einem stabilen Betriebspunkt betrieben, so kann ein realer Luftmassenstrom bzw. korrigierter Massenstrom umgesetzt bzw. erzeugt werden, der höher ist als der erforderliche Sollluftmassenstrom für das Brennstoffzellen-System. Durch das Abführen eines Anteils der verdichteten Luft, kann der Sollluftmassenstrom an der Brennstoffzelle konstant gehalten werden, sodass der Brennstoffzelle der insbesondere erforderliche Sollluftmassenstrom bereitgestellt werden kann. Daher kann eine Anpassung des abzuführenden Anteils des verdichteten Luftmassenstroms zu einem stabilen Verdichterbetrieb beitragen.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren Schritte des Bestimmens des durch den Verdichter in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs verdichteten Luftmassenstroms; des Vergleichens des bestimmten verdichteten Luftmassenstroms mit dem Sollluftmassenstrom; und des Bestimmens des abzuführenden Anteils des vom Verdichter verdichteten Luftmassenstroms basierend auf dem vorausgehend durchgeführten Vergleich. Hierbei kann das Bestimmen des verdichteten Luftmassenstroms, das Vergleichen und das Bestimmen des abzuführenden Anteils beispielsweise mittels einer Steuerungseinheit des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs erfolgen und auf Messwerten, Lookup-Tabellen und/oder Berechnungen basieren.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Im Allgemeinen gilt, dass Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen beispielhaften Aspekte und/oder Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern dies im Zusammenhang mit der Offenbarung nicht eindeutig ausgeschlossen ist.
  • Im folgenden Teil der Beschreibung wird auf die Figuren Bezug genommen, die zur Veranschaulichung spezifischer Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt sind. Es versteht sich, dass andere Aspekte verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen der illustrierten Ausführungsformen möglich sind, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die folgende Beschreibung der Figuren ist daher nicht einschränkend zu verstehen. Es zeigt
    • 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit einem Brennstoffzellen-System;
    • 2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verdichterkennfelds eines Verdichters eines erfindungsgemäßen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs;
    • 3 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit einem Brennstoffzellen-System.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs 10 aufweisend ein Brennstoffzellen-System 12, einen Verdichter 14 und eine Luftentnahmeeinrichtung 16.
  • Um das Brennstoffzellen-System 12 zuverlässig betreiben zu können, ist es notwendig, einen Sollluftmassenstrom VS an verdichteter Luft zur Versorgung des Brennstoffzellen-Systems 12 mit Sauerstoff an diesem bereitzustellen. Hierzu ist der Verdichter 14 eingerichtet, Luft L, die insbesondere einer Umgebung 20 entnommen und mittels einer Filtereinrichtung 18 gefiltert wird, zu einem verdichteten Luftmassenstrom V zu verdichten. Der Verdichter 14 ist hierbei eingerichtet, dies im Bereich eines jeweils optimalen Betriebspunkts in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs 10 durchzuführen. Der Verdichter 14 wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mittels eines Antriebs 22 betrieben.
  • Die Luftentnahmeeinrichtung 16 ist eingerichtet, einen Anteil A des vom Verdichter 14 verdichteten Luftmassenstroms V abzuführen, um einen insbesondere konstanten Sollluftmassenstrom VS zur Versorgung des Brennstoffzellen-Systems 12 bereitzustellen. Eine Steuerungseinheit 24 ist eingerichtet, den abzuführenden Anteil A in Abhängigkeit wenigstens einer Umgebungsbedingung und/ oder eines Betriebsparameters des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs 10 zu bestimmen und die Luftentnahmeeinrichtung 16 anzusteuern, sodass die Luftentnahmeeinrichtung 16 den abzuführenden Anteil A, insbesondere mittels eines Ventils, einstellt und abführt. Dieser abgeführte Anteil A des verdichteten Luftmassenstroms V kann beispielsweise an die Umgebung 20 abgegeben und/ oder zu einem Verbraucher 26 geführt und dort genutzt werden.
  • Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Luftentnahmeeinrichtung 16 eingerichtet sein, den Anteil A des verdichteten Luftmassenstroms V wenigstens teilweise zwischen zwei Stufen eines zwei- oder mehrstufig ausgebildeten Verdichters 14 abzuführen.
  • Dadurch, dass durch die Entnahme des Anteil A der verdichtete Luftmassenstrom V hinter dem Verdichter 14 auf den Solluftmassenstrom VS reduziert wird, kann der Verdichter 14 bei einem höheren korrigierten Luftmassenstrom betrieben werden, als für die Versorgung des Brennstoffzellen-Systems 12 erforderlich wäre. Somit kann der Verdichter 14 bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen in einem stabilen und effizienten Betriebspunkt betrieben werden und so eine kontinuierliche und insbesondere konstante Versorgung des Brennstoffzellen-Systems 12 ermöglicht werden.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verdichterkennfelds 50 eines Verdichters 14 eines erfindungsgemäßen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs 10.
  • An der Ordinate des Verdichterkennfelds 50 ist ein Druckverhältnis und an der Abszisse ist ein korrigierter (Luft-)Massenstrom des Verdichters 14 angetragen. Dabei werden korrigierte Größen verwendet, um variierende Umgebungsbedingungen, insbesondere in Abhängigkeit variierender Flughöhen, in geeigneter Weise darstellen zu können. Im Verdichterkennfeld 50 sind Drehzahlkennlinien 52 des Verdichters 14 dargestellt, welche mit steigendem Luftmassendurchfluss bzw. Luftmassenstrom abnehmen. Bei abnehmendem Luftmassenstrom sind die Drehzahllinien 52 durch eine Stabilitätsgrenze 51 begrenzt, welche den Übergang von einem stabilen zu einem instabilen Arbeitsbereich des Verdichters 14 kennzeichnen.
  • Da das Druckverhältnis über den Verdichter 14 mit der Flughöhe variiert, weil bei größeren Höhen ein Verdichtereintrittsdruck abnimmt, während ein benötigter Verdichteraustrittsdruck bzw. Sollluftmassenstrom zum Betrieb des Brennstoffzellen-Systems 12 konstant ist, sind beispielshafte Betriebspunkte B1-B4 für verschiedene Flughöhen in dem Kennfeld 50 dargestellt. Beispielsweise wäre bei den oberhalb der Stabilitätsgrenze 51 liegenden Betriebspunkten B1 und B2 neben einer möglichen Stromablösung auch ein reduzierter Wirkungsgrad für den Verdichter 14 zu erwarten.
  • Die vorgeschlagene Entnahme eines Anteils A des vom Verdichter 14 verdichteten Luftmassenstroms V, insbesondere mittels einer Luftentnahmeeinrichtung 16, führt in der Darstellung des Verdichterkennfelds 50 zu einer Verschiebung der instabilen Betriebspunkte B1 und B2 hin zu stabilen Betriebspunkten BS1 und BS2, welche innerhalb eines stabilen Arbeitsbereichs des Verdichterkennfelds 50 liegen.
  • In anderen Worten wird ein überflüssiger Anteil A des vom Verdichter 14 verdichteten Luftmassenstroms V durch die Luftentnahmeeinrichtung 16 abgezweigt, sodass dem Brennstoffzellen-System 12 denjenigen Sollluftmassenstrom VS erhält, der für einen vorbestimmten Leistungsumsatz des Brennstoffzellen-Systems 12 vorgesehen ist. Je größer eine Flughöhe ist, in welcher der Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb 10 betrieben wird, desto kleiner ist der abzuführende Anteil A des verdichteten Luftmassenstroms V, um den Sollluftmassenstrom VS für das Brennstoffzellen-System 12 bereitzustellen und den Verdichter 14 in einem stabilen Betriebspunkt BS1, BS2, B3 und B4 betreiben zu können.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines beispielhaften Verfahrens 100 zum Betreiben eines hierin beschriebenen Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs 10 mit einem Brennstoffzellen-System 12. Die Schritte des Verfahrens 100 können dabei insbesondere gleichzeitig oder in einer abgeänderten Reihenfolge durchgeführt werden bzw. erfolgen und damit von der dargestellten Abfolge abweichen.
  • In einem Schritt a wird Luft L mittels eines Verdichters 14 im Bereich eines jeweils optimalen Betriebspunkts BS1, BS2, B3 und B4 in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs 10 verdichtet. In einem Schritt b wird ein abzuführender Anteil A des vom Verdichter 14 verdichteten Luftmassenstroms V in Abhängigkeit eines Sollluftmassenstroms VS zur Versorgung des Brennstoffzellen-Systems 12 bestimmt.
  • Dies erfolgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass in einem Schritt b1 ein vom Verdichter 14 verdichteter Luftmassenstrom V in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs 10, beispielsweise einer Flughöhe, bestimmt wird. In einem Schritt b2 wird der bestimmte verdichtete Luftmassenstrom V mit dem Sollluftmassenstrom VS verglichen und in einem Schritt b3, basierend auf dem Vergleich, der abzuführende Anteil A des vom Verdichter 14 verdichteten Luftmassenstroms V bestimmt.
  • In einem weiteren Schritt c wird der verbleibende Sollluftmassenstrom VS dem Brennstoffzellen-System 12 zugeführt, so dass das Brennstoffzellen-System 12 insbesondere unabhängig von den Umgebungsbedingungen ein konstante Leistung erzielen kann.
  • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 10
    Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb
    12
    Brennstoffzellen-System
    14
    Verdichter
    16
    Luftentnahmeeinrichtung
    18
    Filtereinrichtung
    20
    Umgebung
    22
    Antrieb
    24
    Steuereinheit
    26
    Verbraucher
    50
    Verdichterkennfeld
    51
    Stabilitätsgrenze
    52
    Drehzahlkennlinie
    100
    Verfahren
    B
    Betriebspunkt
    L
    Luft
    V
    verdichteter Luftmassenstrom
    VS
    Sollluftmassenstrom
    a-c
    Schritte

Claims (10)

  1. Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb (10) mit einem Brennstoffzellen-System (12), aufweisend einen Verdichter (14), der eingerichtet ist Luft (L) in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs (10) zu verdichten, um das Brennstoffzellen-Systems (12) im Bereich eines jeweils optimalen Betriebspunkts (BS1, BS2, B3, B4) zu versorgen und eine Luftentnahmeeinrichtung (16), die eingerichtet ist, einen Anteil (A) eines verdichteten Luftmassenstroms (V) abzuführen, um einen Sollluftmassenstrom (VS) zur Versorgung des Brennstoffzellen-Systems (12) bereitzustellen.
  2. Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb (10) nach Anspruch 1, wobei der Sollluftmassenstrom (VS) konstant ist.
  3. Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Luftentnahmeeinrichtung (16) eingerichtet ist, den abzuführenden Anteil (A) des verdichteten Luftmassenstroms (V) einzustellen.
  4. Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine Steuerungseinheit (24), die zum Ansteuern der Luftentnahmeeinrichtung (16) eingerichtet ist.
  5. Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Luftentnahmeeinrichtung (16) ein steuerbares Ventil umfasst.
  6. Flugzeug-Brennstoffzellen-Antrieb (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verdichter (14) mehrere Stufen aufweist und die Luftentnahmeeinrichtung (16) eingerichtet ist, den Anteil (A) des verdichteten Luftmassenstroms (V) wenigstens teilweise zwischen zwei Stufen abzuführen.
  7. Verfahren (100) zum Betreiben eines Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs (10) mit einem Brennstoffzellen-System (12), aufweisend die folgenden Schritte: a) Verdichten von Luft (L) mittels eines Verdichters (14) im Bereich eines jeweils optimalen Betriebspunkts (BS1, BS2, B3, B4) des Verdichters (14) in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs (10); b) in Abhängigkeit eines Sollluftmassenstroms (VS) zur Versorgung des Brennstoffzellen-Systems (12), Bestimmen eines abzuführenden Anteils (A) des vom Verdichter (12) verdichteten Luftmassenstroms (V); c) Abführen des bestimmten Anteils (A) des verdichteten Luftmassenstroms (V); und d) Zuführen des Sollluftmassenstroms (VS) zum Brennstoffzellen-System (12).
  8. Verfahren (100) nach Anspruch 7, wobei der abzuführende Anteil (A) des verdichteten Luftmassenstroms (V) in Abhängigkeit wenigstens einer Umgebungsbedingung bestimmt wird.
  9. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei der abzuführende Anteil (A) des verdichteten Luftmassenstroms (V) in Abhängigkeit einer Flughöhe bestimmt wird.
  10. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner aufweisend die folgenden Schritte: b1) Bestimmen des durch den Verdichter (14) in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen des Flugzeug-Brennstoffzellen-Antriebs (10) verdichteten Luftmassenstroms (V); b2) Vergleichen des bestimmten verdichteten Luftmassenstroms (V) mit dem Sollluftmassenstrom (VS); b3) basierend auf dem Vergleich in Schritt b2), Bestimmen des abzuführenden Anteils (A) des vom Verdichter (14) verdichteten Luftmassenstroms (V).
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