EP4275243A1 - Luftversorgungseinrichtung für einen luftfahrzeug-brennstoffzellen-antrieb - Google Patents

Luftversorgungseinrichtung für einen luftfahrzeug-brennstoffzellen-antrieb

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EP4275243A1
EP4275243A1 EP21839326.2A EP21839326A EP4275243A1 EP 4275243 A1 EP4275243 A1 EP 4275243A1 EP 21839326 A EP21839326 A EP 21839326A EP 4275243 A1 EP4275243 A1 EP 4275243A1
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EP
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fuel cell
air
supply device
air supply
compressed air
Prior art date
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Pending
Application number
EP21839326.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Hägert
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to an air supply device for an aircraft fuel cell drive, in particular an aircraft fuel cell drive, with a compressor arrangement for supplying at least one fuel cell with compressed air and a method for supplying at least one fuel cell of an aircraft fuel cell drive with compressed air Air.
  • fuel cells require, in addition to a fuel, an oxidizing agent, which in the case of fuel cells in aircraft drives is usually formed from air that is compressed in order to achieve a high power density. Since the pressure of the ambient air decreases with increasing flight altitude, an increase in the mass flow of the supplied air is necessary at higher flight altitudes in order to be able to supply a fuel cell with sufficiently compressed air largely independently of the flight altitude.
  • fuel cells In addition to electrical energy, fuel cells also generate heat, which must be dissipated to prevent the fuel cells from overheating.
  • propeller downwash (downwash air) and/or ram air (ram air) is used, which is not available or not available to a sufficient extent, particularly on the ground and outside of a flight phase of an aircraft. Accordingly, during operation of the fuel cells outside of a flight phase of the aircraft, additional cooling of the fuel cells is required in order to dissipate sufficient heat from them.
  • Proposed air supply device for an aircraft fuel cell drive, with a compressor arrangement for supplying at least one fuel cell of the aircraft Fuel cell drive with compressed air.
  • the air supply device has at least one bypass device, by means of which part of the compressed air can be diverted at least temporarily to a cooling device of the at least one fuel cell.
  • a fuel cell of an aircraft fuel cell powertrain converts fuel and oxidant into electrical energy and a reaction product.
  • An aircraft fuel cell drive usually has a large number of fuel cells which are arranged, for example, in the form of fuel cell stacks. Such a fuel cell arrangement, which correspondingly has at least one fuel cell, is simply referred to as “at least one fuel cell” within the scope of the description of the invention. Similar to a conventional turbomachine operated with kerosene, an aircraft fuel cell drive requires compressed air as an oxidant in order to achieve a high power density.
  • the air supply device is used to supply the at least one fuel cell with compressed ambient air and, in addition to a compressor arrangement, also has the necessary lines, connections and valves for this purpose.
  • the compressor arrangement has at least one correspondingly dimensioned compression device, by means of which the at least one fuel cell of the aircraft fuel cell drive can be supplied with a sufficient air mass flow for power generation even at high altitudes.
  • Such a compression device for compressing ambient air can be designed, for example, as a radial compressor.
  • a compression device suitable for compressing air as an oxidizing agent for fuel cells is usually mounted in an oil-free manner, in particular with an air bearing or a hydrodynamic bearing.
  • a compression device of the compressor arrangement can also be designed in the form of a screw or turbo compressor.
  • the air supply device has at least one bypass device, by means of which part of the compressed air can be diverted at least temporarily to a cooling device of the fuel cell.
  • part of the air compressed by the compressor arrangement can be guided to a cooling device which is used to discharge the air from the at least one fuel cell generated excess heat is provided in particular to avoid overheating of the at least one fuel cell.
  • the bypass device is, for example, designed such that it can be controlled or regulated, as a result of which the proportion of the compressed air guided through it to the cooling device can be adjusted.
  • the bypass device directs the discharged air in particular directly to the cooling device of the at least one fuel cell. If the at least one fuel cell does not need to be cooled, the entire compressor output can be used to supply the fuel cell with oxidizing agent.
  • the bypass device can have a branching device arranged on the compressor arrangement, which in the form of a control or controllable valve is formed, which is arranged on an air duct for supplying the fuel cell with oxidizing agent.
  • a portion of the air compressed by the compression arrangement can be branched off via the branching device. This is then - unlike the other part of the compressed air - not used as an oxidizing agent to supply the fuel cell, but to cool the fuel cell.
  • part of the compressed air can be discharged to a cooling device of the at least one fuel cell, in particular as required and therefore in particular temporarily.
  • the bypass can also be closed, which means that in particular all of the air compressed by the compression arrangement can be routed to the at least one fuel cell as an oxidizing agent.
  • the air mass flow guided through the bypass device to the cooling device of the at least one fuel cell can be supplied in a time-controlled and/or volume-controlled manner depending on its cooling requirement. For example, it is possible that no or only a small air mass flow is conducted through the bypass device to the cooling device in periods with no or only little cooling requirement, and a comparatively large air mass flow in periods with a high cooling requirement.
  • Such a cooling device can have, for example, at least one operated by the compressed air ejector (jet pump / air multiplexer), which in addition to cooling the Fuel cell can also be used in particular to support the overall cooling system, which is used in particular to cool electric motors and frequency converters.
  • the cooling device can also have air outlet nozzles, which are arranged in the area of a fuel cell and conduct cooling air in particular over the surface of the fuel cell housing.
  • This housing or the cooling device can, in particular, also be equipped with cooling ribs that improve heat dissipation or other suitable elements through which cooling air can flow, such as cooling pipes or cooling ducts, or, for example, also suitable fans, air amplifiers or the like to improve heat dissipation by means of the cooling air from the at least one fuel cell exhibit.
  • the proposed air supply device allows part of the installed compressor capacity to be diverted for cooling, particularly on the ground and at low altitudes. Since there is a higher ambient air pressure near the ground, the corrected air mass flow through the compressor is smaller with the same delivery quantity to the fuel cell. With increasing flight altitude, the ambient air pressure decreases, which means that the required corrected air mass flow through the compressor increases with the same supply to the fuel cell, until finally the entire compressor capacity is required to supply the fuel cell. Since sufficient airflow is available in this flight phase and the fuel cell is operated at lower power, its cooling requirement decreases at the same time.
  • the proposed air supply device for an aircraft fuel cell drive enables an advantageous interaction of a sufficient air mass flow for supplying the at least one fuel cell with sufficient oxidizing agent in the form of compressed air even at high altitudes and the provision of a sufficiently large cooling air flow for cooling the at least a fuel cell on the ground and in flight phases with less heat dissipation by the airborne wind, such as while waiting before the start of take-off.
  • the performance of the fuel cell is high, while at the same time little or no cooling air from relative speed is available.
  • the compressor arrangement has at least two compressor devices.
  • the at least two compressor devices for compressing air can be arranged in parallel or in series, so that the at least two compressor devices form a single or multi-stage compressor arrangement.
  • the compressor devices can be driven, for example, by an electric motor; in particular, at least two compressor devices arranged in parallel can also be driven by a common electric motor.
  • the compressor arrangement is designed in at least two stages.
  • the air is guided from one compressor stage to the next, so that the degree of compression and thus the pressure or density of the compressed air increases with each compressor stage.
  • each compression stage has one or more compression devices arranged in parallel. Comparatively small compressors with a low overall height can advantageously also be used in such a compressor arrangement.
  • the bypass device is arranged after the first or after a second or after a further compressor stage. Due to the increasing compression of the air with each compression stage, the degree of compression of the air which is supplied to the cooling device of the fuel cell can be determined in the design of the air supply device by the arrangement of the bypass device or the air inlet of the bypass device. In this way, the cooling effect of the cooling device can be influenced by the arrangement of the bypass device.
  • the positioning of the bypass device and thus a branch on the compressor arrangement determines the part of the compressed air that is routed to the at least one fuel cell and the part that is routed to the cooling device, and at the same time also influences the degree of compression of the compression arrangement downstream of the bypass device.
  • One embodiment of the air supply device has at least one air cooler for cooling the compressed air.
  • Such an air cooler can be designed as a heat exchanger, for example.
  • the temperature of the air guided through the air supply device increases as a result of the compression process, in particular as a result of the internal gas friction that occurs. Due to the higher temperature of the compressed air, the corrected air mass flow increases especially in a subsequent compressor stage and thus their power requirements.
  • the at least one air cooler can be used to cool the air in the air supply device, in particular after at least one compression stage, as a result of which the at least one fuel cell and/or the cooling device of the at least one fuel cell can be supplied with a higher air mass flow.
  • One embodiment of the air supply device has a water separator arranged after the at least one fuel cell for separating water from the exhaust gas of the at least one fuel cell. At least part of the separated water can be used to humidify the air which is fed to the at least one fuel cell as an oxidizing agent.
  • the water serves to moisten the polymer electrolyte membrane of the fuel cell in order to increase its performance.
  • the humidification of the oxidizing agent also lowers the temperature of the air mass flow fed directly to the fuel cell.
  • This temperature range depends on the type of fuel cell and is, for example, between 55°C and 95°C in the case of low-temperature fuel cells. Additionally separated water can be used for other devices of the aircraft fuel cell drive or the aircraft, such as for cooling devices. Separating water from the exhaust gas of the at least one fuel cell also serves to protect the environment, since this can reduce the formation of condensation strips in the atmosphere.
  • the air supply device has a control device for controlling the devices of the air supply device.
  • a control device for controlling the devices of the air supply device.
  • such a control device naturally also serves to regulate the air supply device with its elements and to integrate the air supply into the control of the aircraft fuel cell drive and the aircraft as a whole.
  • the term “control” is also used for the corresponding “regulation”.
  • the control device of the air supply device serves in particular to coordinate the compression performance Compressor arrangement for supplying the at least one fuel cell with compressed air and thus for a sufficient supply of oxidizing agent regardless of the flight altitude and for providing a sufficient flow of cooling air to cool the at least one fuel cell, in particular on the ground or in flight phases with cooling requirements.
  • a method for supplying at least one fuel cell of an aircraft fuel cell drive with compressed air is proposed to solve the problem, the aircraft fuel cell drive having a
  • An air supply device suitable for the application of the proposed method for an aircraft fuel cell drive with a compressor arrangement can be designed in accordance with or a part of the preceding description and have at least some of the features described here.
  • ambient air is compressed in the compressor arrangement of the air supply device, in particular for supplying the compressed air as an oxidizing agent to the at least one fuel cell.
  • the achieved degree of compression of the compressed air or the generated air mass flow is dependent on the ambient conditions of the aircraft fuel cell drive, in particular on the decreasing ambient pressure with increasing flight altitude.
  • the compressor arrangement can have a plurality of compressor devices and/or compressor stages, as described above, for example, in connection with the air supply device proposed in the first aspect of the invention.
  • at least part of the compressed air is supplied to the at least one fuel cell, where it is used as an oxidizing agent for generating power in the fuel cell.
  • a sufficient air mass flow and therefore also a sufficient degree of compression of the air supplied is required, as has already been described above for the proposed air supply device.
  • part of the compressed air is discharged for cooling the at least one fuel cell.
  • part of the air compressed by the compressor arrangement can be used to cool the at least one fuel cell, in particular to avoid overheating of the fuel cell.
  • the discharge of part of the compressed air for cooling the at least one fuel cell can optionally also be interrupted at least temporarily .
  • a cooling device arranged in particular in the area of the at least one fuel cell, which has one or more features of the cooling device described above in connection with the proposed air supply device.
  • the air supply device can have at least one, in particular controllable, bypass device which is designed according to one or more features of the bypass device described above in connection with the proposed air supply device.
  • the discharged air is thus - unlike the remaining part of the compressed air - not used as an oxidizing agent for supplying the fuel cell, but for cooling the at least one fuel cell.
  • the proposed method for supplying at least one fuel cell of an aircraft fuel cell drive with compressed air thus enables an advantageous interaction of a sufficient air mass flow for supplying the at least one fuel cell even at high altitudes with a sufficient supply of oxidizing agent in the form of compressed air and the provision of a sufficiently large Cooling air flow for cooling the at least one fuel cell in particular on the ground or in flight phases with less heat dissipation by the airborne wind.
  • the compressed air not required for power generation can be used to cool the at least one fuel cell.
  • One embodiment of the method for supplying compressed air to at least one fuel cell of an aircraft fuel cell drive system includes, as a further step, controlling the compression capacity of the compressor arrangement, in particular as a function of the ambient conditions and/or the operating state of the at least one fuel cell.
  • controlling the compression capacity of the compressor arrangement in particular as a function of the ambient conditions and/or the operating state of the at least one fuel cell.
  • the temperature of the at least one fuel cell, from which there is a need for the air mass flow required for cooling the at least one fuel cell can be included in the control of the compression output.
  • An embodiment of the method for supplying at least one fuel cell of an aircraft fuel cell drive with compressed air has a cooling of the compressed air as a further step.
  • the air supply device has at least one air cooler, which can be designed as a heat exchanger, for example.
  • Such an air cooler can be arranged, for example, after at least one compressor stage in order to cool the air that has been heated, in particular by the compression process, and thus to achieve a higher degree of compression.
  • the cooling of the compressed air thus contributes to an increase in the air mass flow made available by the air supply device.
  • One embodiment of the method for supplying compressed air to at least one fuel cell of an aircraft fuel cell drive system has, as a further step, moistening of the compressed air by supplying water.
  • moistening of the compressed air by supplying water.
  • the temperature of the air mass flow fed directly to the fuel cell can be reduced by the water.
  • a lower oxidant temperature improves the efficiency of the at least one fuel cell.
  • water that has been separated from the exhaust gas of the at least one fuel cell can be used for humidifying the compressed air.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a further exemplary air supply device according to the invention for an aircraft fuel cell drive
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of yet another exemplary air supply device according to the invention for an aircraft fuel cell drive
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a flow chart of the method according to the invention for supplying at least one fuel cell of an aircraft fuel cell drive with compressed air.
  • the air supply device 10 has a compressor arrangement 11 for supplying the at least one fuel cell 20 with compressed air.
  • the compressor arrangement 11 has a compressor device 12 which is driven by an electric motor 13 .
  • Ambient air is supplied to the air supply device 10 via an air inlet 2 , which air is then conducted through an air filter 3 to a compressor device 12 of the compressor arrangement 11 .
  • the ambient air is compressed in the compressor device 12 and fed into a supply line 4 of the at least one fuel cell 20 .
  • a bypass device 16 is arranged on the supply line 4 of the air supply device 10 , by means of which part of the compressed air can be diverted at least temporarily to a cooling device 17 of the at least one fuel cell 20 .
  • the bypass device 16 has a branching device 15 which is arranged after the compressor device 12 and thus after the first, since the only, compressor stage 21, by means of which a part of the compressed air can be diverted from the air flow.
  • the compressed air can be routed via the bypass device 16 to the cooling device 17 , which is used there to cool the at least one fuel cell 20 .
  • an air cooler 18 is arranged, which is used to cool the compressed air.
  • the efficiency of the at least one fuel cell 20 can be increased with the help of the air cooler 18 since fuel cells are flown through by more air and thus more oxidizing agent when a cooler air mass flow flows through them, as a result of which a higher output can be generated.
  • An exhaust gas cooler 19 for cooling the exhaust gas flowing out of the fuel cell 20 is also arranged in the exhaust gas flow after the fuel cell 20 .
  • this cooling process serves to recover heat and thus energy (recovery) and also reduces the formation of contrails during flight operations.
  • the exhaust gas stream flowing out of the at least one fuel cell 20 is conducted via a water separator 31 which is arranged in the air stream after the fuel cell 20 and which separates water from the exhaust gas of the at least one fuel cell 20 . At least part of the water separated by the water separator 31 is routed to a humidifying device 32, which thus humidifies the compressed air flow supplied to the fuel cell 20 and in the process also lowers its temperature.
  • the used ambient air is discharged to the environment via the air outlet 6 .
  • the air supply device 10 also has a control device 40 for controlling the devices of the air supply device 10 .
  • the compressor arrangement 21, the branching device 15, the humidifying device 32, the air cooler 18, the at least one fuel cell 20, the exhaust gas cooler 19 and the water separator are exemplary devices of the air supply device 10 controlled by the control device 40 in the embodiment shown in FIG 31 connected to the control device 40 via signal lines 41 shown in dotted lines.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a further exemplary air supply device 10 according to the invention for an aircraft fuel cell drive.
  • the air supply device 10 has a two-stage compressor arrangement 11 for supplying the at least one fuel cell 20 with compressed air.
  • the first compressor stage 21 of the compressor arrangement 11 comprises two compressor devices 12 arranged in parallel, which are driven by an electric motor 13 and the second compressor stage 22 of the compressor arrangement 11 has a compressor device 14 also driven by an electric motor 23 .
  • ambient air is supplied to the air supply device 10 via an air inlet 2 and then passed through an air filter 3 to the first compressor stage 21 of the compressor arrangement 11 .
  • the compressor devices 12 compress the ambient air and discharge it into a supply line 4 in parallel.
  • An air cooler 28 is arranged in the supply line 4 and serves to cool the air compressed in the first compressor stage 21 .
  • the cooled, compressed air is then further compressed by the second compressor stage 22 and guided on to the at least one fuel cell 20 .
  • the branching device 15 of the bypass device 16 is arranged after one of the compressor devices 12 of the first compressor stage 21 .
  • the structure and the function of the bypass device 16 in FIG. 2 corresponds to the structure and the function of the bypass device 16 from FIG. 1.
  • an exhaust gas cooler 19 a water separator 31 and an air outlet 6 are arranged in the exhaust gas flow after the fuel cell 20 of the embodiment of the air supply device 10 shown in FIG.
  • at least part of the separated water is routed to a humidifying device 32 in order to humidify the compressed air flow supplied to the fuel cell 20 .
  • the air supply device 10 described in connection with FIG. 2 also has a control device 40 (not shown in the illustration) for controlling the devices of the air supply device 10 .
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of yet another exemplary air supply device 10 according to the invention for an aircraft fuel cell drive, the structure of which largely corresponds to the structure of the air supply device 10 shown in FIG.
  • the basic structure of the in Figs. 2 and 3 differs essentially in the arrangement of the bypass device 16 and in that the air supply device 10 of FIG. 3 has no air cooler 28 for cooling the air compressed in the first compressor stage 21 . Accordingly, the differences between the two versions are described below.
  • the branching device 15 of the bypass device 16 is arranged after the second compressor stage 22 in the supply line 4, so that in this embodiment more heavily compressed air is routed via the bypass device 16 to the cooling device 17, which serves to cool the at least one fuel cell 20 .
  • the air supply device 10 described in connection with FIG. 3 also has a control device 40 (not shown in the illustration) for controlling the devices of the air supply device 10 .
  • 4 shows a schematic representation of a flow chart of the method according to the invention for supplying at least one fuel cell 20 of an aircraft fuel cell drive with compressed air, the aircraft fuel cell drive having an air supply device 10 with a compressor arrangement 11 .
  • the method according to the invention has the following steps: In a first step a), ambient air is compressed by means of the compressor arrangement 11 and in a second step b) at least part of the compressed air is guided to the at least one fuel cell 20 . In a further step c), part of the compressed air for cooling the at least one fuel cell 20 is discharged as a function of the cooling requirement of the at least one fuel cell 20 .
  • the compression capacity of the compressor arrangement 11 is controlled in a step d), in particular as a function of the ambient conditions and/or the operating state of the at least one fuel cell 20 .
  • the compressed air is cooled in a step e) and in a further optional embodiment of the method the compressed air is humidified in a step f) by supplying water.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftversorgungseinrichtung (10) und ein Verfahren zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle (20) eines Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft, wobei der Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antrieb eine Luftversorgungseinrichtung (10) mit einer Verdichteranordnung (11) aufweist, wobei Umgebungsluft mittels der Verdichteranordnung (11) verdichtet und ein erster Teil der verdichteten Luft zu der wenigstens einen Brennstoffzelle (20) zugeführt wird und ein zweiter Teil der verdichteten Luft mittels einer Bypasseinrichtung zu einer Kühleinrichtung der wenigstens einer Brennstoffzelle ableitbar ist.

Description

Luftversorgungseinrichtung für einen Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antrieb
Die Erfindung betrifft eine Luftversorgungseinrichtung für einen Luftfahrzeug-Brennstoffzell en- Antrieb, insbesondere eine Flugzeugs-Brennstoffzellen-Antrieb, mit einer Verdichteranordnung zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle mit verdichteter Luft sowie ein Verfahren zur Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle eines Luftfahrzeug-Brennstoffzell en-Antriebs mit verdichteter Luft.
Brennstoffzellen benötigen für deren Betrieb neben einem Brennstoff ein Oxidationsmittel, welches im Falle von Brennstoffzellen von Luftfahrzeugantrieben üblicherweise von Luft gebildet wird, die verdichtet wird, um eine hohe Leistungsdichte zu erzielen. Da der Druck der Umgebungsluft mit zunehmender Flughöhe sinkt, ist bei größeren Flughöhen eine Erhöhung des Massenstroms der zugeführten Luft erforderlich, um eine Brennstoffzelle weitgehend unabhängig von der Flughöhe mit ausreichend verdichteter Luft versorgen zu können.
Brennstoffzellen erzeugen neben elektrischer Energie auch Wärme, die zum Vermeiden einer Überhitzung der Brennstoffzellen abgeführt werden muss. Hierfür wird während der Flugphasen beispielsweise Propeller-Abwind (downwash air) und/ oder Staudruckluft (ram air) eingesetzt, welche insbesondere am Boden und außerhalb einer Flugphase eines Luftfahrzeugs nicht oder nicht im ausreichenden Maß zur Verfügung steht. Entsprechend ist während des Betriebs der Brennstoffzellen außerhalb einer Flugphase des Luftfahrzeugs eine zusätzliche Kühlung der Brennstoffzellen erforderlich, um ausreichend Wärme von diesen abzuführen.
Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Luftfahrzeug- Brennstoffzellen-Antrieb mit verbesserter Luftversorgung vorzuschlagen, sowie ein Verfahren zum Versorgen eines Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Lösung der Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der Erfindung eine
Luftversorgungseinrichtung für einen Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antrieb vorgeschlagen, mit einer Verdi chteranordnung zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle des Luftfahrzeug- Brennstoffzellen- Antriebs mit verdichteter Luft. Dabei weist die Luftversorgungseinrichtung wenigstens eine Bypasseinrichtung auf, mittels welcher ein Teil der verdichteten Luft wenigstens zeitweise zu einer Kühleinrichtung der wenigstens einen Brennstoffzelle ableitbar ist.
Eine Brennstoffzelle eines Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antriebs wandelt Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und ein Reaktionsprodukt um. Ein Luftfahrzeug- Brennstoffzellen-Antrieb weist üblicherweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen auf, welche beispielsweise in Form von Brennstoffzellenstapeln angeordnet sind. Eine solche Brennstoffzellenanordnung, welche entsprechend wenigstens eine Brennstoffzelle aufweist, wird im Rahmen der Beschreibung der Erfindung vereinfacht als „wenigstens eine Brennstoffzelle“ bezeichnet. Ähnlich wie eine konventionelle mit Kerosin betriebene Strömungsmaschine benötigt ein Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antrieb verdichtete Luft als Oxidationsmittel, um eine hohe Leistungsdichte zu erzielen. Die Luftversorgungseinrichtung dient zur Versorgung der wenigstens einen Brennstoffzelle mit verdichteter Umgebungsluft und weist hierzu neben einer Verdi chteranordnung auch die erforderlichen Leitungen, Anschlüsse und Ventile auf. Die Verdi chteranordnung weist dabei wenigstens eine entsprechend dimensionierte Verdichtungseinrichtung auf, mittels welcher die wenigstens eine Brennstoffzelle des Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antriebs auch in großen Flughöhen mit einem ausreichenden Luftmassenstrom zur Leistungserzeugung versorgbar ist.
Eine solche Verdichtungseinrichtung zum Verdichten von Umgebungsluft kann beispielsweise als Radialverdichter ausgebildet sein. Eine zum Verdichten von Luft als Oxidationsmittel für Brennstoffzellen geeignete Verdichtungseinrichtung ist üblicherweise ölfrei gelagert, insbesondere mit einer Luftlagerung oder einer hydrodynamischen Lagerung ausgeführt. Beispielsweise kann eine Verdichtungseinrichtung der Verdi chteranordnung auch in Form eines Schrauben- oder Turboverdichters ausgeführt sein.
Die Luftversorgungseinrichtung weist wenigstens eine Bypasseinrichtung auf, mittels welcher ein Teil der verdichteten Luft wenigstens zeitweise zu einer Kühleinrichtung der Brennstoffzelle ableitbar ist. Auf diese Weise kann insbesondere abhängig vom Betriebszustand der Brennstoffzelle und/ oder der Verdichteranordnung ein Teil der von der Verdichteranordnung verdichteten Luft zu einer Kühleinrichtung geführt werden, welche zur Abfuhr der von der wenigstens einen Brennstoffzelle erzeugten, überschüssigen Wärme vorgesehen ist, um insbesondere eine Überhitzung der wenigstens einen Brennstoffzelle zu vermeiden. Die Bypasseinrichtung ist dabei beispielsweise Steuer- bzw. regelbar ausgeführt, wodurch der Anteil der durch diese zur Kühleinrichtung geführten verdichteten Luft einstellbar ist. Die Bypasseinrichtung führt die abgeleitete Luft insbesondere unmittelbar zur Kühleinrichtung der wenigstens einen Brennstoffzelle. Besteht kein Kühlbedarf der wenigstens einen Brennstoffzelle, kann die gesamte Verdichterleistung für die Versorgung der Brennstoffzelle mit Oxidationsmittel eingesetzt werden.
Die Bypasseinrichtung kann dabei eine an der Verdichteranordnung angeordnete Verzweigungseinrichtung aufweisen, welche in Form eines insbesondere steuer-bzw. regelbaren Ventils ausgebildet ist, welches an einer Luftführungsleitung zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Oxidationsmittel angeordnet ist. Über die Verzweigungseinrichtung ist dabei ein Teil der von der Verdichtungsanordnung verdichteten Luft abzweigbar. Diese wird dann - anders als der andere Teil der verdichteten Luft - nicht als Oxidationsmittel zur Versorgung der Brennstoffzelle, sondern zur Kühlung der Brennstoffzelle eingesetzt.
Mittels der vorgeschlagenen Luftversorgungseinrichtung ist insbesondere bedarfsabhängig und daher insbesondere zeitweise ein Teil der verdichteten Luft zu einer Kühleinrichtung der wenigstens einen Brennstoffzelle ableitbar. In Betriebsphasen, in welchen die wenigstens eine Brennstoffzelle keinen Bedarf an Kühlung durch die Kühleinrichtung aufweist, kann der Bypass auch geschlossen sein, womit insbesondere die gesamte von der Verdichtungsanordnung verdichtete Luft zur wenigstens einen Brennstoffzelle als Oxidationsmittel geführt werden kann. Entsprechend kann der durch die Bypasseinrichtung zur Kühleinrichtung der wenigstens einen Brennstoffzelle geführte Luftmassenstrom abhängig von deren Kühlungsbedarf zeit- und/ oder volumengesteuert zugeführt werden. Beispielsweise ist es möglich, dass in Zeiträumen ohne bzw. mit nur geringem Kühlungsbedarf kein oder nur ein geringer Luftmassenstrom durch die Bypasseinrichtung zur Kühleinrichtung geführt wird, und in Zeiträumen mit einem großen Kühlungsbedarf ein vergleichsweise großer Luftmassenstrom.
Eine solche Kühleinrichtung kann beispielsweise wenigstens einen durch die verdichtete Luft betriebenen Ejektor (Strahlpumpe/ Air Multipler) aufweisen, der neben der Kühlung der Brennstoffzelle insbesondere auch zur Unterstützung des Gesamtkühlsystems eingesetzt werden kann, das insbesondere auch zum Kühlen von E-Motoren und Frequenzumrichter dient. Dabei kann die Kühleinrichtung auch Luftaustrittsdüsen aufweisen, die im Bereich einer Brennstoffzelle angeordnet sind und Kühlluft insbesondere über die Oberfläche des Brennstoffzellengehäuses leiten. Dieses Gehäuse bzw. die Kühleinrichtung kann insbesondere auch mit die Wärmeabfuhr verbessernde Kühlrippen oder andere geeignete, von Kühlluft an- oder durchströmbare Elemente wie Kühlrohre oder Kühlkanäle oder beispielsweise auch geeignete Ventilatoren, Luftverstärker oder dergleichen zur Verbesserung der Wärmeabfuhr mittels der Kühlluft von der wenigstens einen Brennstoffzelle aufweisen.
Die vorgeschlagene Luftversorgungseinrichtung ermöglicht ein Abzweigen eines Teils der installierten Verdichterkapazität für die Kühlung insbesondere am Boden und in geringen Flughöhen. Da bodennah ein höherer Umgebungsluftdruck herrscht, ist der korrigierte Luftmassenstrom durch den Verdichter bei gleicher Liefermenge an die Brennstoffzelle kleiner. Mit zunehmender Flughöhe nimmt der Umgebungsluftdruck ab, wodurch bei gleicher Versorgung der Brennstoffzelle der erforderliche korrigierte Luftmassenstrom durch den Verdichter steigt, bis schließlich die gesamte Verdichterkapazität zur Versorgung der Brennstoffzelle erforderlich ist. Da in dieser Flugphase ausreichend Flugwind zur Verfügung steht und die Brennstoffzelle mit geringerer Leistung betrieben wird, sinkt gleichzeitig deren Kühlbedarf. Die vorgeschlagene Luftversorgungseinrichtung für einen Luftfahrzeug- Brennstoffzellen-Antrieb ermöglicht auf diese Weise eine vorteilhafte Wechselwirkung eines ausreichenden Luftmassenstroms für die Versorgung der wenigstens einen Brennstoffzelle mit ausreichend Oxidationsmittel in Form von verdichteter Luft auch in großen Flughöhen und der Bereitstellung eines ausreichend großen Kühlluftstroms zur Kühlung der wenigstens einen Brennstoffzelle am Boden und in Flugphasen mit geringerer Wärmeabfuhr durch den Flugwind, wie beispielsweise während der Wartezeit vor dem Beginn des Take-offs. Dabei ist die Leistung der Brennstoffzelle hoch, während gleichzeitig wenig bis keine Kühlluft aus Relativgeschwindigkeit zur Verfügung steht.
Bei einer Ausführungsform der Luftversorgungseinrichtung weist die Verdichteranordnung wenigstens zwei Verdichtereinrichtungen auf. Die wenigstens zwei Verdi chtereinrichtungen zum Verdichten von Luft können dabei parallel oder in Reihe angeordnet sein, so dass die wenigstens zwei Verdichtereinrichtungen eine ein- oder eine mehrstufige Verdi chteranordnung ausbilden. Der Antrieb der Verdichtereinrichtungen kann beispielsweise durch einen Elektromotor erfolgen, insbesondere können auch wenigstens zwei parallel angeordnete Verdichtereinrichtungen von einem gemeinsamen Elektromotor angetrieben sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Luftversorgungseinrichtung ist die Verdi chteranordnung wenigstens zweistufig ausgebildet. Dabei wird die Luft von jeweils einer Verdichterstufe zur nächsten geführt, so dass mit jeder Verdi chterstufe der Verdichtungsgrad und damit der Druck bzw. die Dichte der verdichteten Luft zu nimmt. Mit einer zunehmenden Anzahl von Verdichter stufen ist so ein steigender Verdichtungsgrad der Luft erreichbar. Auch bei dieser Ausführung weist jede Verdichterstufe eine oder mehrere parallel angeordnete Verdichtungseinrichtungen auf. Vorteilhaft können bei einer derartigen Verdi chteranordnung auch vergleichsweise kleine Verdichter mit geringer Bauhöhe eingesetzt werden.
Bei einer Ausführungsform der Luftversorgungseinrichtung ist die Bypasseinrichtung nach der ersten oder nach einer zweiten oder nach einer weiteren Verdichterstufe angeordnet. Aufgrund der zunehmenden Verdichtung der Luft mit jeder Verdichtungsstufe ist bei der Auslegung der Luftversorgungseinrichtung durch die Anordnung der Bypasseinrichtung bzw. des Lufteingangs der Bypasseinrichtung der Verdichtungsgrad der Luft festlegbar, welche der Kühleinrichtung der Brennstoffzelle zugeführt wird. Auf diese Weise kann durch die Anordnung der Bypasseinrichtung die Kühlwirkung der Kühleinrichtung beeinflusst werden. Insbesondere wird durch die Positionierung der Bypasseinrichtung und damit einer Abzweigung an der Verdi chteranordnung der Teil der verdichteten Luft, welche zur wenigstens einen Brennstoffzelle und der Teil, der zur Kühleinrichtung geführt wird, bestimmt, und gleichzeitig auch der Verdichtungsgrad der Verdichtungsanordnung stromabwärts der Bypasseinrichtung beeinflusst.
Eine Ausführungsform der Luftversorgungseinrichtung weist wenigstens einen Luftkühler zum Kühlen der verdichteten Luft auf. Ein solcher Luftkühler kann beispielsweise als Wärmetauscher ausgebildet sein. Durch den Verdichtungsvorgang, insbesondere durch die dabei auftretende innere Gasreibung steigt die Temperatur der durch die Luftversorgungseinrichtung geführten Luft. Durch die höhere Temperatur der verdichteten Luft steigt der korrigierte Luftmassenstrom insbesondere auch in einer nachfolgenden Verdi chterstufe und somit deren Leistungsbedarf. Mittels des wenigstens einen Luftkühlers kann die Luft in der Luftversorgungseinrichtung insbesondere nach wenigstens einer Verdichtungsstufe gekühlt werden, wodurch der wenigstens einen Brennstoffzelle und/ oder der Kühleinrichtung der wenigstens einen Brennstoffzelle ein höherer Luftmassenstrom zuführbar ist.
Eine Ausführungsform der Luftversorgungseinrichtung weist einen nach der wenigstens einen Brennstoffzelle angeordneten Wasserabscheider zum Abscheiden von Wasser aus dem Abgas der wenigstens einen Brennstoffzelle auf. Wenigstens ein Teil des abgeschiedenen Wassers kann zur Befeuchtung der Luft eingesetzt werden, welche der wenigstens einen Brennstoffzelle als Oxidationsmittel zugeführt wird. Das Wasser dient dabei zum Befeuchten der Polymer- Elektrolyt-Membran der Brennstoffzelle, um deren Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Ebenso senkt das Befeuchten des Oxidationsmittel auch die Temperatur des der Brennstoffzelle unmittelbar zugeführten Luftmassenstroms. Zum Betreiben der wenigstens einen Brennstoffzelle mit einem vorteilhaften Wirkungsgrad ist es vorteilhaft, wenn die Temperatur des Oxidationsmittels, das der wenigstens einen Brennstoffzelle zugeführt wird, in einem günstigen Temperaturbereich liegt. Dieser Temperaturbereich ist von der Art der Brennstoffzelle abhängig und liegt beispielsweise bei Niedertemperaturbrennstoffzellen zwischen 55°C und 95°C. Zusätzlich abgeschiedenes Wasser kann für weitere Einrichtungen des Luftfahrzeug-Brennstoffzellen- Antriebs oder des Luftfahrzeugs eingesetzt werden, wie beispielsweise für Kühleinrichtungen. Das Abscheiden von Wasser aus dem Abgas der wenigstens einen Brennstoffzelle dient zusätzlich auch dem Umweltschutz, da hierdurch die Bildung von Kondensationsstreifen in der Atmosphäre reduziert werden kann.
Bei einer Ausführungsform der Luftversorgungseinrichtung weist diese eine Steuereinrichtung zum Steuern der Einrichtungen der Luftversorgungseinrichtung auf. Eine solche Steuereinrichtung dient neben dem Steuern selbstverständlich auch zum Regeln der Luftversorgungseinrichtung mit ihrem Elementen sowie zur Einbindung der Luftversorgung in die Steuerung des Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antriebs sowie des Luftfahrzeugs insgesamt. Im Rahmen der Erfindung wird die Bezeichnung „Steuern“ auch für entsprechendes „Regeln“ verwendet. Die Steuereinrichtung der Luftversorgungseinrichtung dient im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere der Abstimmung der Verdichtungsleistung der Verdi chteranordnung zur Versorgung der wenigstens einen Brennstoffzelle mit verdichteter Luft und damit zur ausreichenden Versorgung mit Oxidationsmittel unabhängig von der Flughöhe sowie zur Bereitstellung eines ausreichenden Kühlluftstroms zur Kühlung der wenigstens einen Brennstoffzelle insbesondere am Boden oder in Flugphasen mit Kühlungsbedarf.
In einem zweiten Aspekt wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle eines Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft vorgeschlagen, wobei der Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antrieb eine
Luftversorgungseinrichtung mit einer Verdichteranordnung aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte:
Verdichten von Umgebungsluft mittels der Verdichteranordnung;
Zuführen wenigstens eines Teils der verdichteten Luft zur wenigstens einen Brennstoffzelle; und
Ableiten eines Teils der verdichteten Luft zum Kühlen der wenigsten einen Brennstoffzelle abhängig vom Kühlbedarf der wenigstens einen Brennstoffzelle.
Eine für die Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens geeignete Luftversorgungseinrichtung für einen Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antrieb mit einer Verdichteranordnung kann dabei entsprechend der oder einem Teil der vorausgehenden Beschreibung ausgebildet sein und wenigstens einen Teil der hierzu beschriebenen Merkmale aufweisen.
In einem ersten Verfahrensschritt erfolgt ein Verdichten von Umgebungsluft in der Verdi chteranordnung der Luftversorgungseinrichtung, insbesondere zum Zuführen der verdichteten Luft als Oxidationsmittel zur wenigstens einen Brennstoffzelle. Der erzielte Verdichtungsgrad der verdichteten Luft bzw. der generierte Luftmassenstrom ist dabei abhängig von den Umgebungsbedingungen des Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antriebs, insbesondere vom mit zunehmender Flughöhe sinkenden Umgebungsdruck. Um einen ausreichenden Verdichtungsgrad zu erreichen, kann die Verdi chteranordnung mehrere Verdichtereinrichtungen und/ oder Verdichter stufen aufweisen, wie beispielsweise vorausgehend im Zusammenhang mit der im ersten Aspekt der Erfindung vorgeschlagenen Luftversorgungseinrichtung beschrieben ist. In einem zweiten Verfahrensschritt wird wenigstens ein Teil der verdichteten Luft der wenigstens einen Brennstoffzelle zugeführt, wo sie als Oxidationsmittel zur Leistungserzeugung der Brennstoffzelle dient. Um die wenigstens eine Brennstoffzelle mit einem hohen Wirkungsgrad betreiben zu können ist, wie vorausgehend auch bereits zur vorgeschlagenen Luftversorgungseinrichtung beschrieben ist, ein ausreichender Luftmassenstrom und damit auch ein ausreichender Verdichtungsgrad der zugeführten Luft erforderlich.
In einem dritten Verfahrensschritt wird abhängig vom Kühlbedarf der wenigstens einen Brennstoffzelle ein Teil der verdichteten Luft zum Kühlen der wenigstens einen Brennstoffzelle abgeleitet. Auf diese Weise kann abhängig vom Kühlbedarf der wenigstens einen Brennstoffzelle sowie insbesondere auch vom Betriebszustand der Verdi chteranordnung ein Teil der von der Verdi chteranordnung verdichteten Luft zum Kühlen der wenigstens einen Brennstoffzelle eingesetzt werden, um insbesondere eine Überhitzung der Brennstoffzelle zu vermeiden. In Phasen, in welchen die wenigstens eine Brennstoffzelle einen hohen Bedarf an Oxidationsmittel für deren Betrieb aufweist, der Kühlbedarf aber beispielsweise aufgrund eines starken Flugwinds gering ist, kann das Ableiten eines Teils der verdichteten Luft zum Kühlen der wenigstens einen Brennstoffzelle wahlweise zumindest zeitweise auch unterbrochen werden.
Zum Kühlen der wenigstens einen Brennstoffzelle mit einem Teil der verdichteten Luft kann eine insbesondere im Bereich der wenigstens einen Brennstoffzelle angeordnete Kühleinrichtung vorgesehen sein, welche ein oder mehrere Merkmale der vorausgehend im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Luftversorgungseinrichtung beschriebenen Kühlreinrichtung aufweist.
Zum Ableiten der verdichteten Luft zum Kühlen der wenigstens einen Brennstoffzelle kann die Luftversorgungseinrichtung wenigstens eine insbesondere steuerbare Bypasseinrichtung aufweisen, welche entsprechend einem oder mehrerer Merkmale der vorausgehend im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Luftversorgungseinrichtung beschriebenen Bypasseinrichtung ausgebildet ist. Die abgeleitete Luft wird somit - anders als der verbleibemde Teil der verdichteten Luft - nicht als Oxidationsmittel zur Versorgung der Brennstoffzelle, sondern zur Kühlung der wenigstens einen Brennstoffzelle eingesetzt. Das vorgeschlagene Verfahren zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle eines Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft ermöglicht somit eine vorteilhafte Wechselwirkung eines ausreichenden Luftmassenstroms zur Versorgung der wenigstens einen Brennstoffzelle auch in großen Flughöhen mit einer ausreichenden Oxidationsmittelzufuhr in Form von verdichteter Luft und der Bereitstellung eines ausreichend großen Kühlluftstroms zur Kühlung der wenigstens einen Brennstoffzelle insbesondere am Boden oder in Flugphasen mit geringerer Wärmeabfuhr durch den Flugwind. Dabei kann bei geringerem Luftbedarf der wenigstens einen Brennstoffzelle zur Leistungserzeugung beispielsweise in niedrigen Flughöhen bzw. Fluggeschwindigkeiten oder am Boden die zur Leistungserzeugung nicht erforderliche verdichtete Luft zur Kühlung der wenigstens einen Brennstoffzelle eingesetzt werden.
Eine Ausführungsform des Verfahrens zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle eines Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft weist als weiteren Schritt ein Steuern der Verdichtungsleistung der Verdichteranordnung insbesondere abhängig von den Umgebungsbedingungen und/ oder dem Betriebszustand der wenigstens einen Brennstoffzelle auf. Dabei kann beispielsweise die Temperatur der wenigstens einen Brennstoffzelle, aus welcher sich ein Bedarf für den zur Kühlung der wenigstens einen Brennstoffzelle erforderlichen Luftmassenstrom ergibt, in die Steuerung der Verdichtungsleistung einfließen.
Eine Ausführungsform des Verfahrens zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle eines Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft weist als weiteren Schritt ein Kühlen der verdichteten Luft auf. Für diesen Zweck weist die Luftversorgungseinrichtung wenigstens einen Luftkühler auf, welche beispielsweise als Wärmetauscher ausgebildet sein kann. Ein solcher Luftkühler kann beispielsweise nach wenigstens einer Verdichterstufe angeordnet sein, um die insbesondere durch den Verdichtungsvorgang erwärmte Luft abzukühlen und so einen höheren Verdichtungsgrad zu erreichen. Das Kühlen der verdichteten Luft trägt somit zu einer Erhöhung des durch die Luftversorgungseinrichtung zur Verfügung gestellten Luftmassenstrom bei.
Eine Ausführungsform des Verfahrens zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle eines Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft weist als weiteren Schritt ein Anfeuchten der verdichteten Luft durch Zuführen von Wasser auf. Wie bereits vorausgehend beschrieben ist, kann durch das Wasser insbesondere die Temperatur des der Brennstoffzelle unmittelbar zugeführten Luftmassenstroms verringert werden. Eine niedrigere Temperatur des Oxidationsmittels verbessert den Wirkungsgrad der wenigstens einen Brennstoffzelle. Für das Anfeuchten der verdichteten Luft kann insbesondere Wasser verwendet werden, welches vom Abgas der wenigstens einen Brennstoffzelle abgeschieden worden ist.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen
Luftversorgungseinrichtung für einen Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antrieb;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Luftversorgungseinrichtung für einen Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antrieb;
Fig. 3 eine schematische Darstellung noch einer weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Luftversorgungseinrichtung für einen Luftfahrzeug- Brennstoffzellen- Antrieb; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle eines Luftfahrzeug- Brennstoffzellen- Antriebs mit verdichteter Luft.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Luftversorgungseinrichtung 10 für einen Luftfahrzeug -Brennstoffzellen- Antrieb. Die Luftversorgungseinrichtung 10 weist dabei eine Verdichteranordnung 11 zum Versorgen der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 mit verdichteter Luft auf. Dabei weist die Verdi chteranordnung 11 eine Verdichtereinrichtung 12 auf, welche von einem Elektromotor 13 angetrieben ist. Der Luftversorgungseinrichtung 10 wird über einen Lufteinlass 2 Umgebungsluft zugeführt, welche anschließend durch einen Luftfilter 3 zu einer Verdichtereinrichtung 12 der Verdi chteranordnung 11 geleitet wird. In der Verdichtereinrichtung 12 wird die Umgebungsluft verdichtet und in eine Versorgungsleitung 4 der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 geführt.
An der Versorgungsleitung 4 der Luftversorgungseinrichtung 10 ist eine Bypasseinrichtung 16 angeordnet, mittels welcher wenigstens zeitweise ein Teil der verdichteten Luft zu einer Kühleinrichtung 17 der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 ableitbar ist. Die Bypasseinrichtung 16 weist eine nach der Verdichtereinrichtung 12 und damit nach der ersten, da einzigen Verdichterstufe 21 angeordnete Verzweigungseinrichtung 15 auf, mittels welcher ein Teil der verdichteten Luft aus dem Luftstrom abgeleitet werden kann. Über die Bypasseinrichtung 16 kann die verdichtete Luft zur Kühleinrichtung 17 geführt werden, welche dort zur Kühlung der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 dient.
Nach der Verdi chteranordnung 21 der Luftversorgungseinrichtung 10 und vor der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 ist ein Luftkühler 18 angeordnet, welcher zum Kühlen der verdichteten Luft dient. Mithilfe des Luftkühlers 18 kann der Wirkungsgrad der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 erhöht werden, da Brennstoffzellen bei einer Durchströmung mit einem kühleren Luftmassenstrom von mehr Luft und damit mehr Oxidationsmittel durchströmt werden, wodurch eine höhere Leistung erzeugbar ist.
Im Abgasstrom nach der Brennstoffzelle 20 ist ferner ein Abgaskühler 19 zum Kühlen des aus der Brennstoffzelle 20 strömenden Abgases angeordnet. Dieser Kühlvorgang dient zum einen der Wärme- und damit der Energie(rück)gewinnung und verringert darüber hinaus die Bildung von Kondensstreifen im Flugbetrieb. Zusätzlich wird der aus der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 strömende Abgasstrom über einen im Luftstrom nach der Brennstoffzelle 20 angeordneten Wasserabscheider 31 geführt, welcher Wasser aus dem Abgas der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 abscheidet. Wenigstens ein Teil des vom Wasserabscheider 31 abgeschiedenen Wassers wird zu einer Befeuchtungseinrichtung 32 geleitet, welche damit den der Brennstoffzelle 20 zugeführten, verdichteten Luftstrom befeuchtet und dabei zusätzlich auch dessen Temperatur senkt. Schließlich wird die verbrauchte Umgebungsluft über den Luftauslass 6 an die Umgebung abgegeben. Die Luftversorgungseinrichtung 10 weist darüber hinaus eine Steuereinrichtung 40 zum Steuern der Einrichtungen der Luftversorgungseinrichtung 10 auf. Als beispielhafte, mittels der Steuereinrichtung 40 gesteuerte Einrichtungen der Luftversorgungseinrichtung 10 sind bei der beispielhaft in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform die Verdichteranordnung 21, die Verzweigungseinrichtung 15, die Befeuchtungseinrichtung 32, der Luftkühler 18, die wenigstens eine Brennstoffzelle 20, der Abgaskühler 19 und der Wasserabscheider 31 über gepunktet dargestellte Signalleitungen 41 mit der Steuereinrichtung 40 verbunden dargestellt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Luftversorgungseinrichtung 10 für einen Luftfahrzeug -Brennstoffzellen- Antrieb. Die Luftversorgungseinrichtung 10 weist dabei eine zweistufig ausgebildete Verdichteranordnung 11 zum Versorgen der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 mit verdichteter Luft auf. Dabei umfasst die erste Verdi chterstufe 21 der Verdichteranordnung 11 zwei parallel angeordnete Verdichtereinrichtungen 12, welche von einem Elektromotor 13 angetrieben sind und die zweite Verdichterstufe 22 der Verdi chteranordnung 11 weist eine ebenfalls von einem Elektromotor 23 angetriebene Verdichtereinrichtung 14 auf.
Wie bei der Ausführung der Fig. 1 wird der Luftversorgungseinrichtung 10 Umgebungsluft über einen Lufteinlass 2 zugeführt, und anschließend durch einen Luftfilter 3 zur ersten Verdichterstufe 21 der Verdi chteranordnung 11 geführt. Die Verdichtereinrichtungen 12 verdichten die Umgebungsluft und geben diese parallel in eine Versorgungsleitung 4 ab. In der Versorgungsleitung 4 ist ein Luftkühler 28 angeordnet, welcher zum Kühlen der in der ersten Verdichterstufe 21 verdichteten Luft dient. Die gekühlte, verdichtete Luft wird daraufhin von der zweiten Verdichterstufe 22 weiter verdichtet und weiter zur wenigstens einen Brennstoffzelle 20 geführt.
Bei der beispielhaften in Fig. 2 dargestellten Ausführung der Luftversorgungseinrichtung 10 ist die Verzweigungseinrichtung 15 der Bypasseinrichtung 16 nach einer der Verdichtereinrichtungen 12 der ersten Verdi chterstufe 21 angeordnet. Darüber hinaus entspricht der Aufbau und die Funktion der Bypasseinrichtung 16 in Fig. 2 dem Aufbau und die Funktion der Bypasseinrichtung 16 aus Fig. 1. Wie bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung der Luftversorgungseinrichtung 10 sind im Abgasstrom nach der Brennstoffzelle 20 der in Fig. 2 dargestellten Ausführung der Luftversorgungseinrichtung 10 ein Abgaskühler 19, ein Wasserabscheider 31 und ein Luftauslass 6 angeordnet. Dabei wird analog zur Ausführung der Fig. 1 wenigstens ein Teil des abgeschiedenen Wassers zu einer Befeuchtungseinrichtung 32 geleitet, um dem der Brennstoffzelle 20 zugeführten verdichteten Luftstrom zu befeuchten.
Auch die in Verbindung mit Fig. 2 beschriebene Luftversorgungseinrichtung 10 weist eine in der Darstellung nicht gezeigte Steuereinrichtung 40 zum Steuern der Einrichtungen der Luftversorgungseinrichtung 10 auf.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung noch einer weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Luftversorgungseinrichtung 10 für einen Luftfahrzeug-Brennstoffzellen- Antrieb, deren Aufbau weitgehend dem Aufbau der in Fig. 2 dargestellten Luftversorgungseinrichtung 10 entspricht. Der grundsätzliche Aufbau der in den Figs. 2 und 3 dargestellten Luftversorgungseinrichtungen 10 unterscheidet sich im Wesentlichen durch die Anordnung der Bypasseinrichtung 16 und dadurch, dass die Luftversorgungseinrichtung 10 der Fig. 3 keinen Luftkühler 28 zum Kühlen der in der ersten Verdi chterstufe 21 verdichteten Luft aufweist. Entsprechend werden im Folgenden die Unterschiede der beiden Ausführungen beschrieben.
Bei der beispielhaften in Fig. 3 dargestellten Ausführung der Luftversorgungseinrichtung 10 ist die Verzweigungseinrichtung 15 der Bypasseinrichtung 16 nach der zweiten Verdichterstufe 22 in der Versorgungsleitung 4 angeordnet, so dass bei dieser Ausführung stärker verdichtete Luft über die Bypasseinrichtung 16 zum Kühleinrichtung 17 geführt wird, welche dort zur Kühlung der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 dient.
Auch die in Verbindung mit Fig. 3 beschriebene Luftversorgungseinrichtung 10 weist eine in der Darstellung nicht gezeigte Steuereinrichtung 40 zum Steuern der Einrichtungen der Luftversorgungseinrichtung 10 auf. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle 20 eines Luftfahrzeug- Brennstoffzellen- Antriebs mit verdichteter Luft, wobei der Luftfahrzeug-Brennstoffzellen- Antrieb eine Luftversorgungseinrichtung 10 mit einer Verdi chteranordnung 11 aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf: In einem ersten Schritt a) wird Umgebungsluft mittels der Verdi chteranordnung 11 verdichtet und in einem zweiten Schritt b) wenigstens ein Teil der verdichteten Luft zu der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 geführt. In einem weiteren Schritt c) wird ein Teil der verdichteten Luft zum Kühlen der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 abhängig vom Kühlbedarf der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 abgeleitet.
Bei einer optionalen Ausführung des Verfahrens wird in einem Schritt d) die Verdichtungsleistung der Verdi chteranordnung 11 insbesondere abhängig von den Umgebungsbedingungen und/ oder dem Betriebszustand der wenigstens einen Brennstoffzelle 20 gesteuert. Bei einer weiteren optionalen Ausführung des Verfahrens wird in einem Schritt e) die verdichtete Luft gekühlt und bei einer weiteren optionalen Ausführung des Verfahrens wird in einem Schritt f) die verdichtete Luft durch Zuführen von Wasser angefeuchtet.
BEZUGSZEICHENLISTE 2 Lufteinlass
3 Luftfilter
4 Versorgungsleitung
6 Luftauslass
10 Luftversorgungseinrichtung 11 Verdichteranordnung
12 Verdichtereinrichtung
13 Elektromotor
14 Verdichtereinrichtung
15 Verzweigungseinrichtung 16 Bypasseinrichtung
17 Kühleinrichtung
18 Luftkühler
19 Abgaskühler
20 Brennstoffzelle 21 erste Verdichterstufe
22 zweite Verdi chterstufe
23 Elektromotor
28 Luftkühler
31 Wasserabscheider 32 Befeuchtungseinrichtung
40 Steuereinrichtung
41 Signalleitungen

Claims

ANSPRUCHS
1. Luftversorgungseinrichtung (10) für einen Luftfahrzeug-Brennstoffzellen- Antrieb, insbesondere einen Flugzeugs-Brennstoffzellen-Antrieb, mit einer Verdichteranordnung (11) zum Versorgen der wenigstens einen Brennstoffzelle (20) mit verdichteter Luft, gekennzeichnet durch wenigstens eine Bypasseinrichtung (16), mittels welcher ein Teil der verdichteten Luft wenigstens zeitweise zu einer Kühleinrichtung (17) der wenigstens einen Brennstoffzelle (20) ableitbar ist.
2. Luftversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranordnung (11) wenigstens zwei Verdichtereinrichtungen (12, 14) aufweist.
3. Luftversorgungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranordnung (11) wenigstens zweistufig ausgebildet ist.
4. Luftversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypasseinrichtung (16) nach der ersten oder nach einer zweiten oder nach einer weiteren Verdichterstufe (21, 22) angeordnet ist.
5. Luftversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen Luftkühler (18, 28) zum Kühlen der verdichteten Luft.
6. Luftversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen nach der wenigstens einen Brennstoffzelle (20) angeordneten Wasserabscheider (31) zum Abscheiden von Wasser aus dem Abgas der wenigstens einen Brennstoffzelle (20).
7. Luftversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (40) zum Steuern der Einrichtungen der Luftversorgungseinrichtung (10).
8. Verfahren zum Versorgen wenigstens einer Brennstoffzelle (20) eines Luftfahrzeug- Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft, wobei der Luftfahrzeug- Brennstoffzellen -Antrieb eine Luftversorgungseinrichtung (10) mit einer Verdichteranordnung (11) aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte:
Verdichten von Umgebungsluft mittels der Verdichteranordnung (11);
Zuführen wenigstens eines Teils der verdichteten Luft zu der wenigstens einen Brennstoffzelle (20); und
Ableiten eines Teils der verdichteten Luft zum Kühlen der wenigsten einen Brennstoffzelle (20) abhängig vom Kühlbedarf der wenigstens einen
Brennstoffzelle (20).
9. Verfahren zum Versorgen eines Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt:
Steuern der Verdichtungsleistung der Verdichteranordnung (11) insbesondere abhängig von den Umgebungsbedingungen und/ oder dem Betriebszustand der wenigstens einen Brennstoffzelle (20).
10. Verfahren zum Versorgen eines Luftfahrzeug-Brennstoffzellen- Antriebs mit verdichteter Luft gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt:
Kühlen der verdichteten Luft.
11. Verfahren zum Versorgen eines Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antriebs mit verdichteter Luft gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: Anfeuchten der verdichteten Luft durch Zuführen von Wasser.
12 Luftfahrzeug-Brennstoffzellen-Antrieb mit wenigstens einer Brennstoffzelle (20) und einer Luftversorgungseinrichtung (10), die gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
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