DE112007001611B4

DE112007001611B4 - Leistungsgeneratorsystem für Luftfahrzeuge unter Verwendung einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112007001611B4
Application number: DE112007001611.6T
Authority: DE
Inventors: Patrick Marconi
Original assignee: Turbomeca SA
Current assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2020-02-27
Anticipated expiration: 2027-06-27
Also published as: CN101479153B; RU2009102513A; RU2431585C2; GB2452217A; JP5269780B2; GB0823393D0; WO2008001006A1; US7986052B2; FR2902759B1; US20090309364A1; CA2656435A1; CA2656435C; DE112007001611T5; FR2902759A1; GB2452217B; JP2009541141A; CN101479153A

Abstract

Leistungsgeneratorsystem für ein Luftfahrzeug, wobei das System umfasst:• einen ersten Kompressor (20);• eine Brennstoffzelle (10), welche einen Kompressionslufteinlass, welcher mit dem ersten Kompressor (20) verbunden ist, und einen Kraftstoffeinlass hat, und welche Gleichstromelektrizität erzeugt;• eine Turbine (30), welche einen Gasfluss unter Druck von der Brennstoffzelle (10) empfängt und welche mechanisch mit dem ersten Kompressor (20) gekoppelt ist, um diesen anzutreiben; und• einen zweiten Kompressor (46) eines Kreises zur Verwendung beim Flug, um die Luftfahrzeugkabine mit Druckluft zu versorgen; wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, dass der zweite Kompressor (46) zum Versorgen der Kabine mit einer Welle der Turbine (30) mechanisch gekoppelt ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungsgeneratorsystem für Luftfahrzeuge, insbesondere für ein Flugzeug, wobei das System eine Brennstoffzelle verwendet.
In einem Flugzeug wird die Elektrizität, welche für den Flugbetrieb verschiedener Teile elektrischer Ausrüstung verwendet wird, allgemein durch einen oder mehrere Generatoren geliefert, welche mit Motoren des Flugzeugs verbunden sind. Bei Gasturbinenmotoren ist es bekannt, Starter/Generatoren (S/Gs) zu diesem Zweck zu verwenden. Sie sind mechanisch mit einer Welle der Turbine über eine Getriebebox verbunden, und sie arbeiten entweder als Elektrizitätsgenerator, wenn es fliegt, oder ansonsten als Elektromotor zum Starten. Eine Hilfsleistungseinheit (APU) liefert Elektrizität, insbesondere auf dem Boden, wenn die Flugzeugmotore nicht laufen. Allgemein umfasst eine APU eine Gasturbine, welche einen Generator antreibt.
Da Elektrizität immer mehr gegenüber hydraulischer Leistung bevorzugt wird, um Ausrüstungen von Flugzeugen und deren Motoren zu betätigen, besteht eine Notwendigkeit, immer ansteigende Mengen an Elektrizität an Bord von Flugzeugen zu erzeugen.
Um diese ansteigende Notwendigkeit zu erfüllen, ohne die Anzahl und die Leistung von Generatoren beispielsweise S/Gs zu steigern, wurden Vorschläge gemacht, in einer APU eine Brennstoffzelle zu verwenden. Bezug genommen werden kann auf das Dokument CA 2 427 448 A1 , welches ein Elektrizitätserzeugungssystem beschreibt, welches eine Festkörper- Oxid-Brennstoffzelle umfasst (SOFC). Die Zelle empfängt einen Kohlenwasserstoff-Kraftstoff und komprimierte Luft, welche von einem Kompressor herkommt, und erzeugt Gleichstrom (DC) - Elektrizität zusammen mit einem Fluss aus heißem Gas unter Druck. Eine Turbine wird mit dem Gasfluss versorgt und treibt den Kompressor an.
Die Baugruppe, welche die SOFC, die Turbine und den Kompressor umfasst, arbeitet in einer Weise ähnlich einer herkömmlichen Verbrennungsgasturbine, wobei die SOFC die Stelle der Verbrennungskammer einnimmt, während außerdem Elektrizität ohne irgendwelche Verunreinigungsemission von Stickstoffoxiden (NOx) erzeugt wird.
WO 02/056 401 A2 offenbart eine Brennstoffzellenanordnung in einem Fahrzeug, mit einem Kompressor, der Luft komprimiert und das Arbeitsmedium als Druckluftquelle einer Kaltluft-Prozessklimaanlage oder Wärmepumpe bildet.
EP 0 957 026 A2 offenbart eine Brennstoffzelle die in einem Flugzeug zum Zwecke der Bordstromversorgung, der Luftversorgung usw. aus Wasserstoff Gleichstrom erzeugt, welcher von einem Wandler in Wechselstrom umgewandelt wird.
Aufgabe und Überblick über die Erfindung
Die Erfindung schlägt ein Leistungsgeneratorsystem für ein Luftfahrzeug vor, welches ermöglicht, die Ressourcen der Brennstoffzelle für mehr als bloße unmittelbare Erzeugung an Elektrizität zu nutzen, wobei dieses System umfasst:

• einen ersten Kompressor;
• eine Brennstoffzelle, welche einen Kompressionslufteinlass, welcher mit dem ersten Kompressor verbunden ist, und einen Kraftstoffeinlass hat, und welche Gleichstromelektrizität erzeugt;
• eine Turbine, welche einen Gasfluss unter Druck von der Brennstoffzelle empfängt und welche mechanisch mit dem ersten Kompressor gekoppelt ist, um diesen anzutreiben; und
• einen zweiten Kompressor eines Kreises zur Verwendung beim Flug, um die Luftfahrzeugkabine mit Druckluft zu versorgen;

Die Verwendung einer APU mit einer herkömmlichen Gasturbine zum Antreiben eines Kompressors, welche bewirkt, dass Luft in einer Luftfahrzeugkabine zirkuliert, ist bekannt, jedoch lediglich, wenn das Flugzeug auf dem Boden ist, wobei die APU nicht ausreichend leistungsfähig ist, die Kabine bei einer Reiseflughöhe unter Druck zu versetzen. Es ist in der Tat möglich, sich Abmessungen einer herkömmlichen APU vorzustellen, welche für diesen Zweck ausreichend ist, wobei diese jedoch zu einem Energiebudget führen würde, welches insgesamt nachteilig ist, welches, da ein Kompressor zum Zuführen der Kabine mit Druckluft im Flug herkömmlicherweise durch einen Elektromotor angetrieben wird, über das Elektrizitätsnetzwerk des Flugzeugs mit Leistung versorgt wird.
Die Verwendung einer Brennstoffzelle vergrößert die Energieeffizienz und ermöglicht es, während im Flug, für den Kompressor des Kreises die Kabine mit Luft zu versorgen, der anzusteuern ist, indem dieser mechanisch mit einer Welle der Turbine des Leistungsgeneratorsystems gekoppelt ist, ohne benachteiligt zu werden, im Vergleich mit der Verwendung eines Elektromotors, welcher über das Elektrizitätsnetzwerk des Flugzeugs mit Leistung versorgt wird. Es ist somit möglich, auf einen eigens dafür bestimmten Elektromotor zusammen mit dessen Leistungsversorgung zu verzichten, um den Kompressor anzutreiben.
Bei einer Ausführungsform werden der erste Kompressor und der zweite Kompressor durch eine gemeinsame Turbinenwelle angetrieben.
Bei einer anderen Ausführungsform hat die Turbine eine erste Turbinenstufe, welche den Gasfluss unter Druck von der Brennstoffzelle empfängt und eine erste Turbinenwelle antreibt, und eine zweite Turbinenstufe, welche einen Gasfluss unter Druck von der ersten Turbinenstufe empfängt und eine zweite Turbinenwelle antreibt, wobei der erste Kompressor durch die erste Turbinenwelle angetrieben wird, während der zweite Kompressor durch die zweite Welle angetrieben wird. Dies erzeugt eine Konfiguration ähnlich der einer herkömmlichen Verbrennungsgasturbine mit einer Hochdruck-Turbinenwelle und einer Niederdruck-Turbinenwelle.
Es ist außerdem möglich, eine elektrische Maschine vorzusehen, welche gemeinsam mit dem zweiten Kompressor auf der gleichen Turbinenwelle montiert ist.
Die Elektromaschine kann einen ersten Betriebsmodus als Elektrizitätsgenerator und einen zweiten Betriebsmodus als Elektromotor haben, und eine Regelschaltung kann vorgesehen sein, um den Betrieb der Elektromaschine zwischen dem ersten Modus und dem zweiten Modus umzuschalten, um das mechanische Drehmoment, welches für die Turbinenwelle verfügbar ist, auf welcher der Elektromotor befestigt ist, auf nicht weniger als einem vorgegebenen Minimalwert zu halten, oder um die Drehgeschwindigkeit der Elektromaschine auf einen vorgegebenen Einstellwert servo-zu-steuern.
Figurenliste
Die Erfindung kann besser beim Lesen der folgenden Beschreibung verstanden werden, die in Bezug auf die beiliegende Zeichnung getätigt wird, in der:

1 eine wichtige Diagrammansicht einer Ausführungsform eines Leistungsgeneratorsystems gemäß der Erfindung ist; und
2 eine wichtige Diagrammansicht einer variierten Ausführungsform des Leistungsgeneratorsystem von 1 ist.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
Das System zum Erzeugen von Leistung in einem Flugzeug umfasst, wie in 1 gezeigt ist, eine Brennstoffzelle 10, beispielsweise eine Festkörper-Oxid-Brennstoffzelle (SOFC), welche aus mehreren Zellen besteht, welche Seite an Seite angeordnet sind und in Serie geschaltet sind. Die Brennstoffzelle 10 wird mit Kohlenwasserstoff-Kraftstoff und mit komprimierter Luft mit Energie versorgt, wobei der Sauerstoff von der komprimierten Luft mit dem Wasserstoff der Zelle reagiert, um Elektrizität zu erzeugen. Die Art, wie eine solche SOFC hergestellt und wie sie betrieben wird, ist bekannt und wird nicht ausführlich beschrieben.
Der Kraftstoff, der von einem Tank (nicht gezeigt) über eine Leitung 12 abgenommen wird, kann Methan (CH₄) sein, Es sollte angemerkt sein, dass es bekannt ist, andere Kohlenwasserstoffe einschließlich Kerosin als Kraftstoff in einer SOFC zu verwenden, so dass die SOFC 10 von einem Tank mit Energie versorgt werden könnte, der Kraftstoff für Flugzeugmotore enthält.
Die komprimierte Luft wird über eine Leitung 14 von einem Kompressor 20 beliefert. Die Luft, welche den Kompressor 20 versorgt, kann Luft sein, welche über eine Flugzeugkabine 40 gelaufen ist und welche zum Kompressor über eine Leitung 42 geliefert wurde.
Die SOFC 10 erzeugt Elektrizität in Form von Gleichstrom, der auf einer Leitung 16 verfügbar ist. Die Leitung 16 ist mit einem Elektrizitätsnetzwerk 44 des Flugzeugs verbunden. Eine Batterie 18 ist ebenfalls mit der Leitung 16 verbunden, um nicht genutzte Elektrizität zu speichern und um jegliche elektrischen Übergangsschwankungen zu glätten, die von einer großen Amplitude sein könnten, beispielsweise aufgrund eines Ausfalls einer Schaltung, Herstellen einer Verbindung oder plötzlichen Startens oder Stoppens eines Teils der elektrischen Ausrüstung. Das Elektrizitätsnetzwerk 44 des Flugzeugs wird ebenfalls in einer herkömmlichen Weise über Generatoren versorgt, beispielsweise S/Gs, welche durch die Motore des Flugzeugs angetrieben werden.
Das komprimierte heiße Gas von der SOFC und welches im wesentlichen Kohlenstoffdioxid CO₂ und Wasserdampf H₂O enthält, wird über eine Leitung 32 zur Turbine 30 gebracht. Die Turbine 30 wird durch das komprimierte heiße Gas drehbar angetrieben und ist mechanisch mit dem Kompressor 20, den Rotoren der Turbine 30 und des Kompressors 20, die auf einer gemeinsamen Welle 34 der Turbine montiert sind, gekoppelt.
Das Gas, welches von der Turbine 30 herkommt, wird über eine Leitung 36 ausgestoßen. Ein Wärmetauscher 38 hat zwei separate Gaskreise, welche seriell in Bezug auf das Rohr 14 und das Rohr 36 geschaltet sind. Der Wärmetauscher 38 nutzt die Restwärmeenergie des Gases von der Turbine, um die komprimierte Luft, welche zur SOFC 10 geführt wird, zu erwärmen.
Die Turbine 30 treibt außerdem einen zweiten Kompressor 46 an, der einen Teil eines Kreises bildet, um die Kabine 40 mit Luft zu versorgen. Der Kompressor 46 wird mit Außenluft versorgt, welche er komprimiert, um diese zur Kabine 40 über eine Leitung 48 über ein System 49 zu führen, welches dazu dient, die Temperatur und den Druck der Luft einzustellen, was als Umgebungssteuersystem (ECS) bekannt ist und selbst an sich bekannt ist.
In der Ausführungsform von 1 ist der Kompressor 46 auf der Welle 34 der Turbine 30 montiert.
Die Turbine 30 ist außerdem mechanisch mit einer elektrischen Maschine 50 gekoppelt, welche einen Rotor hat, der auf der Welle 34 montiert ist. Andere mechanische Lasten könnten optional mit der Turbine 30 gekoppelt sein.
Die elektrische Maschine 50 kann in einem Elektrizitätsgeneratormodus oder einem Elektromotormodus arbeiten. Die Maschine 50 kann als S/G-Maschine ausgebildet sein, welche zunächst einen Synchrongenerator 50a mit einem Hauptrotor aufweist, der einen Primärkreis hat, und einen Hauptstator, der einen Sekundärkreis hat, und zweitens mit einer Erregerquelle 50b, welche einen Stator mit einem Primärkreis hat, und einen Rotor mit einem Sekundärkreis, wobei der Sekundärkreis der Erregerquelle mit dem Primärkreis des Synchrongenerators über einen Gleichrichter verbunden ist, der über eine Drehdiodenbrücke gebildet wird.
Der Betriebsmodus der Elektromaschine 50 wird durch eine Regelschaltung 52 gesteuert, wobei die Elektromaschine als Elektrizitätsgenerator arbeitet, wenn das Drehmoment oder die mechanische Leistung, welche durch die Turbine geliefert wird, die Notwendigkeiten der Kompressoren 20 und 46 zuzüglich irgendwelcher anderer Lasten, welche vorhanden sein könnten, übersteigt, und die Elektromaschine 50 als Elektromotor arbeitet, um die Turbine zu unterstützen, um die minimale mechanische Leistung oder das Drehmoment zu liefern, welche für die Notwendigkeiten der Kompressoren 20 und 46 sowie irgendwelcher anderer Lasten erforderlich sind, welche vorhanden sein könnten.
Im Generatorbetriebsmodus versorgt die Schaltung 52 den Primärkreis der Erregerquelle 50b mit Wechselstrom (AC), der durch das Elektrizitätsnetzwerk 44 geliefert wird, und die Wechselspannung, welche durch den Synchrongenerator 50a geliefert wird, wird in das Elektrizitätsnetzwerk 44 des Flugzeugs über eine Leitung 53 eingespeist.
Im Motorbetriebsmodus beliefert die Schaltung 52 den Primärkreis der Erregerquelle 50b mit DC, während der Sekundärkreis des Generators 50a mit AC über die Leitung 53 vom Netzwerk beliefert wird. Der DC, welcher zum Beliefern des Primärkreises der Erregerquelle benötigt wird, kann vom Netzwerk 44 abgenommen werden, möglicherweise über einen Gleichrichter, oder sie kann von dem Ausgang der SOFC 10 oder von der Batterie 18 abgenommen werden.
Die Regelschaltung 52 steuert den Betriebsmodus der Maschine 50, um somit das Niveau des Drehmoments, welche am Ausgang von der Turbine verfügbar ist, bei nicht weniger als einem vorgegebenen Minimalwert zu halten. Aus diesem Grund empfängt die Regelschaltung 52 ein Signal, welches durch einen Sensor 54 geliefert wird und welches für das Ausgangsdrehmoment von der Turbine bezeichnend ist, beispielsweise ein Signal, welches für die Drehgeschwindigkeit der Welle 34 bezeichnend ist. Die Leistung der Elektromaschine kann durch Servo-Steuern des Werts von deren Drehgeschwindigkeit gesteuert werden, und somit der Drehgeschwindigkeit des Druckkompressors 46 auf einen vorgegebenen Einstellwert.
2 zeigt eine Variante, welche von der von 1 dahingehend verschieden ist, dass die Turbine 30 eine erste Turbinenstufe 30a aufweist, welche die Welle 34 antreibt, und eine zweite Turbinenstufe 30b, welche mit Gasfluss versorgt wird, der von der ersten Stufe 30a herkommt und eine Ansteuerwelle 35 antreibt, wobei der zweite Kompressor 46 und die elektrische Maschine auf der Welle 35 montiert sind. Der Wärmetauscher 38 empfängt den Gasstrom, der von der zweiten Stufe (30b) der Turbine herkommt, bevor dieser ausgestoßen wird. Die Wellen 34 und 35 sind koaxial, wobei die Welle 35 mit einer Drehgeschwindigkeit angetrieben wird, welche niedriger ist als die der Welle 34. Dies ist eine Konfiguration analog zu der, welche durch Hochdruck- und Niedrigdruckwellen einer herkömmlichen Verbrennungsgasmaschine verwendet wird.
Da die Maschine 50 auf der gleichen Welle 35 wie der Kompressor 46 montiert ist, wird es ermöglicht, wo geeignet, sich auf einen Mangel der Antriebsleistung von der Turbinenstufe 30b einzurichten. Der Geschwindigkeitssensor 54 ist mit der Welle 35 verknüpft. Wie oben kann die Leistung der Elektromaschine durch die Regelschaltung 52 durch Servo-Steuern des Werts von deren Drehgeschwindigkeit und somit der Drehgeschwindigkeit des Druckkompressors 46 auf einen vorgegebenen Einstellwert gesteuert werden.

Claims

Leistungsgeneratorsystem für ein Luftfahrzeug, wobei das System umfasst: • einen ersten Kompressor (20); • eine Brennstoffzelle (10), welche einen Kompressionslufteinlass, welcher mit dem ersten Kompressor (20) verbunden ist, und einen Kraftstoffeinlass hat, und welche Gleichstromelektrizität erzeugt; • eine Turbine (30), welche einen Gasfluss unter Druck von der Brennstoffzelle (10) empfängt und welche mechanisch mit dem ersten Kompressor (20) gekoppelt ist, um diesen anzutreiben; und • einen zweiten Kompressor (46) eines Kreises zur Verwendung beim Flug, um die Luftfahrzeugkabine mit Druckluft zu versorgen; wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, dass der zweite Kompressor (46) zum Versorgen der Kabine mit einer Welle der Turbine (30) mechanisch gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kompressor (20) und der zweite Kompressor (46) auf einer gemeinsamen Turbinenwelle (34) montiert sind.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (30) eine erste Turbinenstufe (30a) aufweist, um den Gasfluss unter Druck von der Brennstoffzelle (10) aufzunehmen und um eine erste Turbinenwelle (34) anzutreiben, und eine zweite Turbinenstufe (30b), um einen Gasfluss von der ersten Turbinenstufe (30a) aufzunehmen und eine zweite Turbinenwelle (35) anzutreiben, wobei der erste Kompressor (20) durch die erste Turbinenwelle (34) angetrieben wird, während der zweite Kompressor (46) durch die zweite Welle (35) angetrieben wird.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dies außerdem eine Elektromaschine (50) aufweist, welche mit einer Welle der Turbine (30) mechanisch gekoppelt ist.
System nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (50) und der zweite Kompressor (46) gemeinsam auf der gleichen Turbinenwelle (34) montiert sind.
System nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (50) einen ersten Betriebsmodus als einen Elektrizitätsgenerator und einen zweiten Betriebsmodus als Elektromotor hat, und eine Regelschaltung (52) vorgesehen ist, um den Betrieb der Elektromaschine (50) zwischen den ersten und zweiten Moden umzuschalten, um das mechanische Drehmoment, welches für die Turbinenwelle (30) verfügbar ist, auf welcher die Elektromaschine (50) montiert ist, auf einem Wert zu halten, der nicht kleiner ist als ein vorgegebener Minimalwert.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelsystem zum Servo-Steuern der Drehgeschwindigkeit der Elektromaschine (50) auf einen vorgegebenen Einstellwert vorgesehen ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dies einen Wärmetauscher (38) aufweist, der separat die komprimierte Luft, welche die Brennstoffzelle (10) versorgt, und einen Gasfluss durchlässt, der die Turbine (30) verlässt, um somit die komprimierte Luft, welche durch den Kompressor (20) erzeugt wird, zu erwärmen, bevor diese in die Brennstoffzelle (10) gelassen wird.