EP4381178A1 - Verfahren zum versorgen eines luftlagers eines flugantriebssystems mittels eines brennstoffzellen-systems sowie flugantrieb - Google Patents

Verfahren zum versorgen eines luftlagers eines flugantriebssystems mittels eines brennstoffzellen-systems sowie flugantrieb

Info

Publication number
EP4381178A1
EP4381178A1 EP22753997.0A EP22753997A EP4381178A1 EP 4381178 A1 EP4381178 A1 EP 4381178A1 EP 22753997 A EP22753997 A EP 22753997A EP 4381178 A1 EP4381178 A1 EP 4381178A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
air bearing
fuel cell
bearing
process gas
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22753997.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Barnaby Law
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines AG filed Critical MTU Aero Engines AG
Publication of EP4381178A1 publication Critical patent/EP4381178A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64DEQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/16Arrangement of bearings; Supporting or mounting bearings in casings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/18Lubricating arrangements
    • F01D25/22Lubricating arrangements using working-fluid or other gaseous fluid as lubricant
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/06Arrangements of bearings; Lubricating
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • H01M8/04776Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64DEQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D41/00Power installations for auxiliary purposes
    • B64D2041/005Fuel cells
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00Application
    • F05D2220/40Application in turbochargers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00Components
    • F05D2240/50Bearings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C17/00Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C29/00Bearings for parts moving only linearly
    • F16C29/02Sliding-contact bearings
    • F16C29/025Hydrostatic or aerostatic
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/06Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings
    • F16C32/0603Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a gas cushion, e.g. an air cushion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/10Construction relative to lubrication
    • F16C33/1005Construction relative to lubrication with gas, e.g. air, as lubricant
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the invention relates to a method for supplying an air bearing using a fuel cell system which has at least one anode and at least one cathode and a process gas device for supplying the anode and the cathode with fuel and ambient air and for discharging used process gases.
  • Air bearings utilize a thin film of pressurized gas to provide a low-friction, load-bearing interface between surfaces.
  • the two surfaces do not touch, avoiding the traditional bearing-related problems of friction, wear, particles, and lubricant handling, and provide distinct advantages in precision positioning, such as: B. Backlash and static friction, as well as in high-speed applications.
  • Aerostatic air bearings in particular require a supply of compressed air to build up or ensure the pressure cushion during operation.
  • a compressor is usually provided to supply the air bearing, which compressor feeds compressed air to the air bearing.
  • Air bearings are preferred in and for mounting high-speed machines, i. H. especially at high speed ranges. Air bearings work without contact and therefore almost without abrasion. Thus, the service life of air bearings is very long if they are properly designed and calculated. However, the decisive factor for the error-free function of the air bearing is the continuous supply of the air bearing with a sufficient quantity of compressed gas or gas mixture.
  • a method for supplying an air bearing by means of a fuel cell system is proposed in a first aspect, which at least one Has anode and at least one cathode and a process gas device for supplying the anode and the cathode with fuel and ambient air and for discharging used process gases.
  • a process gas from the process gas device of the fuel cell system is supplied to the air bearing as bearing gas.
  • An air bearing within the meaning of the invention is a bearing in which two bearing partners that are moved relative to one another are separated by a gas mixture in the form of a bearing gas.
  • an air bearing is an aerodynamic bearing or an aerostatic bearing to which a gas mixture, in particular a compressed gas mixture, is fed in order to build up and maintain a gas cushion, gas gap or gas film containing a gas mixture during operation.
  • the air bearing can be designed as a nozzle air bearing, in which the pressurized gas mixture is guided into a bearing gap via inflow nozzles.
  • a fuel cell system preferably 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.
  • the multiplicity of fuel cells usually also has a multiplicity of anodes, which are supplied with a fuel, such as in particular hydrogen, for generating electrical energy, and a multiplicity of cathodes, which are supplied with ambient air in cooperation with the anodes for generating electrical energy , in order to supply the atmospheric oxygen contained therein to the fuel cell as an oxidizing agent.
  • a process gas device is set up to conduct process gas and supplies the fuel cell with reactants required for generating electrical energy via the process gas and discharges used process gas from the fuel cell.
  • the process gas device is set up to supply the anode with fuel and to supply the cathode with oxidizing agent and to discharge or circulate, in particular, at least partially consumed process gases.
  • a reducing agent such as hydrogen is fed to the anode and an oxidizing agent such as ambient air is fed to the cathode.
  • the Hydrogen is catalytically oxidized to hydrogen ions with the loss of electrons.
  • reaction gases can be formed, for example nitrogen, which are present in the process gas, in particular the used one, in the process gas device and are discharged from the fuel cell.
  • the process gas device thus forms an open gas circuit.
  • process gas is removed from the process gas device of the fuel cell system and fed to the air bearing as storage gas.
  • the process gas is already in a compressed state in the fuel cell system, which reduces the additional compression effort, for example to achieve an operating gas pressure of the air bearing.
  • a compressed air supply for the air bearing can be omitted and the complexity of the compressed air supply for the air bearing can thus be reduced.
  • Providing a separate compressor, for example to supply compressed ambient air to the air bearing can be omitted in the method according to the invention.
  • the bearing gas is additionally compressed before being fed to the air bearing.
  • the process gas present in the process gas device has a certain overpressure due to the system.
  • the bearing gas can be compressed to a predetermined pressure, in particular the operating pressure of the air bearing, and fed to the air bearing in order to ensure reliable separation of the bearing partners of the air bearing.
  • the bearing gas comes from an anode side of the fuel cell, in particular the anode output side, and is preferably taken from an anode circulation.
  • the fuel cell On the anode side, the fuel cell is supplied with fuel from a fuel reservoir via the process gas device, and most of the fuel is consumed in the fuel cell.
  • the used process gas is discharged from the fuel cell and with the help of an anode circulation fuel that has not been completely used can be fed back to the anode of the fuel cell via the process gas are or in particular released to the environment.
  • process gas that has already passed through the fuel cell at least once, ie used process gas is routed to the air bearing as bearing gas. The efficiency of the fuel cell system can be increased by further utilizing the consumed process gas or its pressure energy.
  • the air bearing is fed with process gas from the fuel store as the bearing gas.
  • process gas can be taken as fuel directly from the fuel store or the process gas device before being fed to the fuel cell and fed to the air bearing.
  • the process gas is preferably pre-compressed or the bearing gas can be additionally compressed before being fed to the air bearing.
  • Bearing gas can be fed in from the fuel store independently of whether the fuel cell system is being operated or whether it is at rest. This ensures that the air bearing is supplied at all times, regardless of the operating state of the fuel cell system or the fuel cell.
  • the bearing gas includes nitrogen or dinitrogen (N 2 ).
  • nitrogen formed in the fuel cell can be supplied to the anode on the anode side of the fuel cell via the process gas.
  • nitrogen can accumulate in the process gas device, which is at least sporadically discharged.
  • the overall efficiency of the process can be increased by using the nitrogen-containing process gas to be discharged to feed the air bearing. Feeding the air bearing with nitrogen as the inert gas can prevent a degradation process within the air bearing, since moisture and other residual gases are displaced when an inert gas is used.
  • the bearing gas comes from a cathode side of the fuel cell.
  • ambient air is supplied from the environment via the process gas device and reacts in the fuel cell.
  • the used ambient air is discharged from the fuel cell via the process gas by means of the process gas device and can be discharged to the environment.
  • the supply of process gas to the air bearing from the cathode side has the advantage that the process gas originating from the environment is available in unlimited quantities and is already provided in compressed form in the process gas device.
  • a supply device for an air bearing in connection with a fuel cell system is proposed in a second aspect.
  • the fuel cell system has at least one anode and at least one cathode as well as a process gas device for supplying the anode and the cathode with fuel and ambient air and for discharging used process gases.
  • the supply device has at least one supply line from the process gas device to the air bearing, by means of which a process gas from the process gas device of the fuel cell system can be fed to the air bearing as bearing gas.
  • Such a process gas device can, for example, have a fuel supply, by means of which a fuel, preferably in the form of hydrogen, is supplied to the anode.
  • the process gas device preferably has an air supply, by means of which the cathode is supplied with an oxidizing agent via the ambient air, so that the hydrogen can react with the oxygen in the air in the fuel cell, with gaseous reaction products and water being formed, for example.
  • the water can be discharged to the environment, remaining hydrogen and the gaseous reaction products or the residual gas can be released directly to the environment via the process gas device.
  • the process gas device includes a line system, which connects a fuel store and the environment with the fuel cell, in particular its anode(s) and cathode(s), for gas exchange in at least one open gas circuit.
  • the process gas device preferably has at least one valve, a distributor or a compressor for conducting the process gases.
  • used process gases are generated, for example, which can be used to feed the air bearing. If, for example, hydrogen is used as a fuel, the reaction taking place in the fuel cell produces energy, water and residual gas.
  • the residual gas in the process gas device can be fed to the air bearing via the feed line in order to build up and maintain an operating pressure of the air bearing in order to ensure the function of the air bearing and to prevent damage to the air bearing due to a pressure drop avoid.
  • process gas can be made available as bearing gas for the air bearing by means of the fuel cell system.
  • the bearing gas for example, when an aerodynamic air bearing is switched on and/or off, an operating pressure can be built up or reduced in order to avoid damage to the bearing outside the functional operating range that ensures the provision of the aerodynamic bearing pressure. In this way, damage, in particular when it is put into operation again, and an associated shortening of the service life of the aerodynamic air bearing can be counteracted.
  • An arrangement of the air bearing and fuel cell system in relative spatial proximity to one another, in particular directly adjacent, allows compressed bearing gas to be supplied quickly in order to reduce losses, in particular a pressure loss, via the feed line. If the fuel cell system is used, for example, to provide energy for a motor or drive mounted by means of the air bearing, a spatial assignment of the air bearing to the fuel cell system through a short transport route for the air bearing can be advantageous.
  • the supply line has a compression device.
  • the compression device can be designed, for example, as a piston compressor or screw compressor.
  • the process gas is compressed, in particular additionally, before it is fed to the air bearing.
  • the bearing gas for the air bearing is compressed to an overpressure of at least 3 to 6 bar, the overpressure preferably being the operating pressure of the air bearing. Compression to, in particular, 4 to 8 times the overpressure can be provided for vehicle applications.
  • an increased compression capacity is required for the compression of ambient air to the predetermined operating pressure of the air bearing, in particular during flight operations. Since, according to the proposed supply device or the supply method, the storage gas comes from the process gas device and the process gas is therefore already in a compressed state, an absolute or additional compression effort is reduced, for example compared to a solution in which the ambient air is compressed by means of a compressor.
  • the supply line connects the anode side of the fuel cell, in particular the anode output side, to the air bearing.
  • the anode side of the fuel cell includes, in particular, an anode circulation, as already explained with regard to the method.
  • Process gas consumed in the fuel cell in particular in the form of nitrogen, is fed to the anode via the anode side of the fuel cell.
  • the air bearing is designed to support a rotating device, in particular a rotating machine.
  • a rotating device preferably has at least one element rotating about an axis, in particular its own axis, or the device is mounted in its entirety so that it can rotate relative to the air bearing.
  • the air bearing is designed to support a turbo compressor or, in particular, a high-speed centrifugal compressor. With the device according to the invention, such an air bearing can be at least additionally supplied with bearing gas in order to ensure or at least support a uniform supply of bearing gas to the air bearing and thus non-contact bearing at high loads.
  • the air bearing is designed as a linear or planar air bearing, which enables a linear relative movement of the bearing partners.
  • air bearings of linear drives such as those used for measurement applications or production technologies, can have a supply device according to the invention or can be operated or at least supported with a method according to the invention.
  • an at least supporting application in the area of transport systems in particular air cushion transport systems or medical technology, is also conceivable.
  • the air bearing is assigned to a motor, in particular an electric motor.
  • the motor can be supplied and/or operated at least partially with the energy generated in the fuel cell system.
  • the electric motor preferably has a rotor and a stator, it being possible for both the rotor and the stator to be mounted by means of the air bearing.
  • the fuel cell system is advantageously arranged close to the air bearing and in particular close to a motor or drive, which is operated with the energy generated in the fuel cell system, in order to keep line-related losses low and to be able to use the bearing gas close to its source .
  • the motor can be designed as a ring motor or torque motor with a hollow shaft.
  • a ring motor preferably comprises an essentially hollow-shaft-shaped rotor and an essentially hollow-shaft-shaped rotor.
  • the ring motor can be designed as an external rotor, with the stator being arranged on the inside and the rotor on the outside, or as an internal rotor, with the rotor being arranged on the inside and the stator on the outside.
  • External rotors are more common in torque motors because, due to the relationships shown below, a greater torque is available for the same size.
  • a bearing between the rotor and the stator can be ensured by an air bearing with the supply device according to the invention.
  • a supply device according to the invention or a method according to the invention can also be used to, in particular at least partially, support an existing compressed gas supply system for an air bearing.
  • a further aspect of the invention relates to an aircraft engine with a fuel cell system and a supply device, the aircraft engine having at least one air bearing which can be supplied with a bearing gas by the supply device.
  • the air bearing can be designed to support at least one drive rotor and can support the at least one drive rotor.
  • a further aspect of the invention relates to use of the supply device according to one or more embodiments of the preceding description for carrying out one or more embodiments of the method for supplying an air bearing, which was also described above.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary supply device according to the invention of an air bearing in connection with a fuel cell system
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a flow chart of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary supply device 10 according to the invention of an air bearing 11 in connection with a fuel cell system 12.
  • the fuel cell system 12 has a fuel cell 13 with an anode 14 and a cathode 15.
  • the anode 14 is supplied with fuel, in the exemplary embodiment with hydrogen, from a fuel reservoir 16 via a process gas device 17 .
  • the cathode 15 is supplied with ambient air taken from the environment 18 via the process gas device 17 .
  • the atmospheric oxygen contained serves as an oxidizing agent for generating electrical energy through the fuel cell 13.
  • the hydrogen can react with the oxygen in the air, with energy, water and residual gas being formed.
  • the water can simply be discharged to the environment.
  • Fuel that has not been completely consumed can be discharged directly to the environment 19 or returned to the anode 14 via an anode circulation 24 of the process gas device 17 .
  • a feed line 20 connects the anode side of the process gas device 17 and its anode circulation 24 to the air bearing 11.
  • Process gas from the process gas device 17 can be fed to the air bearing 11 as bearing gas via the feed line 20.
  • the air bearing 11 is particularly advantageously fed with used process gas from the anode side of the process gas device 17 or the fuel cell 13, which has passed through the fuel cell 13 at least once.
  • the feed line 20 has a compression device 21 by means of which the process gas can be compressed at least additionally in order to compress the bearing gas to an operating pressure of the air bearing 11 .
  • Bearing gas can be released from the air bearing 11 to the environment 22 .
  • the air bearing 11 is preferably designed as a rotary air bearing and is set up to mount a motor (not shown in FIG. 1), in particular an electric motor, or a drive. In this case, this motor or drive is preferably supplied with energy which is generated during operation of the fuel cell system 12 .
  • the feed line 20 can also connect a part of the process gas device 17 on the cathode side or the fuel reservoir 16 to the air bearing 11 .
  • bearing gas can take place independently of the fuel cell 13 or the fuel cell system 12 being operated.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a flow chart of the method 100 according to the invention for supplying an air bearing 11 by means of a fuel cell system 12, the fuel cell system 12 having at least one anode 14 and at least one cathode 15 as well as a process gas device 17 for supplying the anode 14 and the cathode 15 with fuel and ambient air and for discharging used process gases.
  • fuel for example hydrogen
  • a step 101 fuel, for example hydrogen
  • ambient air is supplied to the cathode 15 via the process gas device 17, it being possible for steps 101 and 102 to be carried out essentially simultaneously.
  • the hydrogen reacts with the atmospheric oxygen in the ambient air in the fuel cell 13, with energy, water and used process gas being produced.
  • the used process gas is returned from the anode outlet side via an anode circulation 24 of the process gas device 17 to the anode 14 or the anode inlet side.
  • a step 105 used process gas of the process gas device 17 is supplied to the air bearing 11 as bearing gas via a supply line 20.
  • the used process gas is compressed to a predetermined operating pressure of the air bearing 11 before it is fed to the air bearing 11 .
  • the supply device 10 shown schematically in FIG. 1 is suitable for carrying out the method 100 described in FIG. 2 .

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinrichtung (10) sowie ein Verfahren (100) zum Versorgen eines Luftlagers (11) mittels eines Brennstoffzellen-Systems (12), welches wenigstens eine Anode (14) und wenigstens eine Kathode (15) sowie eine Prozessgaseinrichtung (17) zum Versorgen der Anode (14) und der Kathode (15) mit Brennstoff und Umgebungsluft sowie zum Abführen verbrauchter Prozessgase aufweist.

Description

VERFAHREN ZUM VERSORGEN EINES LUFTLAGERS EINES FLUGANTRIEBSSYSTEMS MITTELS EINES BRENNSTOFFZELLEN-SYSTEMS SOWIE FLUGANTRIEB
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versorgen eines Luftlagers mittels eines Brennstoffzellen- Systems, welches wenigstens eine Anode und wenigstens eine Kathode sowie eine Prozessgaseinrichtung zum Versorgen der Anode und der Kathode mit Brennstoff und Umgebungsluft sowie zum Abführen verbrauchter Prozessgase aufweist.
Luftlager nutzen einen dünnen Film aus unter Druck stehendem Gas, um eine lasttragende Schnittstelle mit geringer Reibung zwischen den Oberflächen bereitzustellen. Die beiden Oberflächen berühren sich nicht, wodurch die traditionellen lagerbedingten Probleme von Reibung, Verschleiß, Partikeln und Schmierstoffhandhabung vermieden werden, und bieten deutliche Vorteile bei der Präzisionspositionierung, wie z. B. Spielfreiheit und Haftreibung, sowie bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Insbesondere aerostatische Luftlager benötigen eine Druckluftzufuhr zum Aufbau oder zum Gewährleisten des Druckpolsters während des Betriebes. Üblicherweise ist zur Versorgung des Luftlagers ein Kompressor vorgesehen, welcher dem Luftlager Druckluft zuführt.
Luftlager werden bevorzugt in und zur Lagerung von schnelllaufenden Maschinen, d. h. insbesondere bei hohen Drehzahlbereichen, eingesetzt. Luftlager arbeiten berührungslos und somit nahezu ohne Abrieb. Somit ist die Lebensdauer von Luftlagem sehr hoch, wenn sie richtig ausgelegt und berechnet werden. Ausschlaggebend für die fehlerfreie Funktion des Luftlagers ist aber die kontinuierliche Versorgung des Luftlagers mit ausreichender Menge an verdichtetem Gas bzw. Gasgemisch.
Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Versorgen eines Luftlagers vorzuschlagen. Ferner soll eine Versorgungseinrichtung eines Luftlagers in Verbindung mit einem Brennstoffzellen- System 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 in einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Versorgen eines Luftlagers mittels eines Brennstoffzellen- Systems vorgeschlagen, welches wenigstens eine Anode und wenigstens eine Kathode sowie eine Prozessgaseinrichtung zum Versorgen der Anode und der Kathode mit Brennstoff und Umgebungsluft sowie zum Abführen verbrauchter Prozessgase aufweist. Dem Luftlager wird ein Prozessgas aus der Prozessgaseinrichtung des Brennstoffzellen- Systems als Lagergas zugeführt.
Ein Luftlager im Sinne der Erfindung ist ein Lager, bei dem zwei zueinander bewegte Lagerungspartner durch ein Gasgemisch, in Form eines Lagergases, getrennt sind. Insbesondere ist ein Luftlager ein aerodynamisches Lager oder ein aerostatisches Lager, dem ein, insbesondere verdichtetes, Gasgemisch zum Aufbau und zur Aufrechterhaltung eines Gasgemisch aufweisenden Gaspolsters, Gasspalts oder Gasfilms im Betrieb, zugeleitet wird. Insbesondere kann das Luftlager als Düsen-Luftlager ausgebildet sein, bei dem das druckbeaufschlagte Gasgemisch über Einströmdüsen in einen Lagerspalt geführt wird.
Ein Brennstoffzellen-System weist, vorzugsweise 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. Entsprechend weist die Vielzahl von Brennstoffzellen üblicherweise auch eine Vielzahl von Anoden auf, die zum Erzeugen von elektrischer Energie mit einem Brennstoff, wie insbesondere Wasserstoff versorgt werden, und eine Vielzahl von Kathoden, welche zusammenwirkend mit den Anoden zum Erzeugen von elektrischer Energie mit Umgebungsluft versorgt werden, um den darin enthaltenen Luftsauerstoff der Brennstoffzelle als Oxidationsmittel zuzuführen.
Eine Prozessgaseinrichtung ist zum Führen von Prozessgas eingerichtet und versorgt die Brennstoffzelle mit für die Erzeugung von elektrischer Energie notwendigen Reaktanten über das Prozessgas und führt verbrauchtes Prozessgas von der Brennstoffzelle ab. Hierzu ist die Prozessgaseinrichtung zum Versorgen der Anode mit Brennstoff und zum Versorgen der Kathode mit Oxidationsmittel sowie zum Abführen bzw. Zirkulieren insbesondere wenigstens teilweise verbrauchter Prozessgase eingerichtet. Beim Betrieb einer Brennstoffzelle wird der Anode ein Reduktionsmittel wie beispielsweise Wasserstoff und der Kathode ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Umgebungsluft zugeführt. An der Anode wird der Wasserstoff katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Wasserstoffionen oxidiert. Diese gelangen durch den üblicherweise in Form einer Membran vorliegenden Elektrolyten in den Kathodenbereich, wo sie mit dem der Kathode zugeführten Sauerstoff sowie den über einen äußeren Stromkreis zur Kathode geleiteten Elektronen zu Wasser reagieren. Bei der Oxidation der Umgebungsluft in der Brennstoffzelle können weitere Reaktionsgase gebildet werden, beispielsweise Stickstoff, welche in dem, insbesondere verbrauchten, Prozessgas in der Prozessgaseinrichtung vorliegen und von der Brennstoffzelle abgeführt werden. Die Prozessgaseinrichtung bildet also einen offenen Gaskreislauf.
Durch das vorgeschlagene Verfahren wird Prozessgas aus der Prozessgaseinrichtung des Brennstoffzellen- System entnommen und als Lagergas dem Luftlager zugeführt. Das Prozessgas liegt in dem Brennstoffzellen-System bereits in verdichtetem Zustand vor, wodurch ein zusätzlicher Verdichtungsaufwand, um beispielsweise einen Betriebsgasdruck des Luftlagers zu erreichen, reduziert ist. Eine Druckluftversorgung für Luftlager kann entfallen und eine Komplexität der Druckluftversorgung für das Luftlager kann somit reduziert werden. Ein Vorsehen eines separaten Kompressors, um dem Luftlager beispielsweise verdichtete Umgebungsluft zuzuführen, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entfallen.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Versorgen eines Luftlagers wird das Lagergas vor dem Zuführen zum Luftlager zusätzlich verdichtet. Das in der Prozessgaseinrichtung vorliegende Prozessgas weist systembedingt einen bestimmten Überdruck auf. Durch zusätzliches Verdichten kann das Lagergas auf einen vorbestimmten Druck, insbesondere den Betriebsdruck des Luftlagers, verdichtet und dem Luftlager zugeführt werden, um eine zuverlässige Trennung der Lagerpartner des Luftlagers zu gewährleisten.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Versorgen eines Luftlagers kommt das Lagergas von einer Anodenseite der Brennstoffzelle, insbesondere der Anodenausgangsseite, und wird vorzugsweise einer Anodenzirkulation entnommen. Der Brennstoffzelle wird an der Anodenseite über die Prozessgaseinrichtung Brennstoff aus einem Brennstoffspeicher zugeführt und der Brennstoff wird in der Brennstoffzelle großteils verbraucht. Das verbrauchte Prozessgas wird von der Brennstoffzelle abgeführt und mithilfe einer Anodenzirkulation kann nicht vollständig verbrauchter Brennstoff über das Prozessgas der Anode der Brennstoffzelle erneut zugeführt werden oder insbesondere an die Umgebung abgegeben werden. Vorteilhaft wird Prozessgas, welches bereits wenigstens einmal die Brennstoffzelle durchlaufen hat, also verbrauchtes Prozessgas, als Lagergas zum Luftlager geführt. Durch die Weiterverwertung des verbrauchten Prozessgases bzw. dessen Druckenergie kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellen- Systems erhöht werden.
Bei einer Ausführungsform wird das Luftlager mit Prozessgas aus dem Brennstoffspeicher als Lagergas gespeist. Beispielsweise kann Wasserstoff als Brennstoff direkt aus dem Brennstoffspeicher oder der Prozessgaseinrichtung vor dem Zuführen zu der Brennstoffzelle entnommen und dem Luftlager zugeführt werden. Hierbei ist das Prozessgas vorzugsweise vorverdichtet bzw. das Lagergas kann vor dem Zuleiten zu dem Luftlager zusätzlich verdichtet werden. Eine Zuleitung von Lagergas aus dem Brennstoffspeicher kann unabhängig davon erfolgen, ob das Brennstoffzellen- System betrieben wird oder ob dieses ruht. Hierdurch ist eine Versorgung des Luftlagers jederzeit gewährleistet, unabhängig von dem Betriebszustand des Brennstoffzellen- Systems bzw. der Brennstoffzelle.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Versorgen eines Luftlagers weist das Lagergas Stickstoff bzw. Distickstoff (N2) auf. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens kann der Anode an der Anodenseite der Brennstoffzelle ein in der Brennstoffzelle gebildeter Stickstoff über das Prozessgas zugeführt werden. Beim Bereiben der Brennstoffzelle kann es, insbesondere bei einer Rezirkulation verbrauchten Prozessgases, zu einer Ansammlung von Stickstoff in der Prozessgaseinrichtung kommen, welche wenigstens sporadisch abgeführt wird. Durch die Nutzung des abzuleitenden Stickstoff-haltigen Prozessgases zur Speisung des Luftlagers kann die Effizienz des Verfahrens insgesamt erhöht werden. Die Speisung des Luftlagers mit Stickstoff als Inertgas kann einen Degradationsprozess innerhalb des Luftlagers verhindern, da Feuchtigkeit und andere Restgase bei der Verwendung eines Inertgases verdrängt werden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Versorgen eines Luftlagers kommt das Lagergas von einer Kathodenseite der Brennstoffzelle. An der Kathodenseite der Brennstoffzelle wird Umgebungsluft aus der Umgebung über die Prozessgaseinrichtung zugeführt und reagiert in der Brennstoffzelle. Die verbrauchte Umgebungsluft wird mittels der Prozessgaseinrichtung über das Prozessgas von der Brennstoffzelle abgeführt und kann an die Umgebung abgegeben werden. Die Zuführung von Prozessgas zu dem Luftlager von der Kathodenseite hat den Vorteil, dass das aus der Umgebung stammende Prozessgas in unbegrenzter Menge zur Verfügung steht und bereits verdichtet in der Prozessgasvorrichtung bereitgestellt wird.
Zur Lösung der Aufgabe wird in einem zweiten Aspekt eine Versorgungseinrichtung eines Luftlagers in Verbindung mit einem Brennstoffzellen- System vorgeschlagen. Dabei weist das Brennstoffzellen- System wenigstens eine Anode und wenigstens eine Kathode sowie eine Prozessgaseinrichtung zum Versorgen der Anode und der Kathode mit Brennstoff und Umgebungsluft sowie zum Abführen verbrauchter Prozessgase auf . Die Versorgungseinrichtung weist dabei wenigstens eine Zuleitung von der Prozessgaseinrichtung zum Luftlager auf, mittels welcher dem Luftlager ein Prozessgas von der Prozessgaseinrichtung des Brennstoffzellen- Systems als Lagergas zuführbar ist.
Die wenigstens eine Brennstoffzelle eines solchen Brennstoffzellen- Systems wurde bereits vorher in Verbindung mit dem Verfahren zum Versorgen eines Luftlagers mittels eines Brennstoffzellen- Systems beschrieben. Dort genannte Merkmale und Eigenschaften betreffen auch die Prozessgaseinrichtung und die wenigstens eine Brennstoffzelle. Eine solche Prozessgaseinrichtung kann beispielsweise eine Brennstoffzuführung aufweisen, mittels welcher der Anode ein Brennstoff, vorzugsweise in Form von Wasserstoff, zugeführt wird. Ferner weist die Prozessgaseinrichtung vorzugsweise eine Luftzuführung auf, mittels welcher der Kathode über die Umgebungsluft ein Oxidationsmittel zugeführt wird, so dass in der Brennstoffzelle der Wasserstoff mit dem Luftsauerstoff reagieren kann, wobei beispielsweise gasförmige Reaktionsprodukte und Wasser gebildet werden. Das Wasser kann an die Umgebung abgeführt werden, verbliebener Wasserstoff sowie die gasförmigen Reaktionsprodukte bzw. das Restgas können über die Prozessgaseinrichtung unmittelbar an die Umgebung abgegeben werden.
Die Prozessgaseinrichtung umfasst ein Leitungssystem, welches einen Brennstoffspeicher und die Umgebung mit der Brennstoffzelle, insbesondere deren Anode (n) und Kathode(n), zum Gasaustausch in wenigstens einem offenen Gaskreislauf verbindet. Vorzugsweise weist die Prozessgaseinrichtung wenigstens ein Ventil, einen Verteiler oder einen Verdichter zum Leiten der Prozessgase auf. Bei der in dem Brennstoffzellen-System ablaufenden Reaktion des Brennstoffs mit der Umgebungsluft werden beispielsweise verbrauchte Prozessgase erzeugt, welche zur Speisung des Luftlagers einsetzbar sind. Wird beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff verwendet, entsteht bei der in der Brennstoffzelle ablaufenden Reaktion Energie, Wasser und Restgas. Während das Wasser in die Umgebung der Brennstoffzelle abführbar ist, kann das Restgas in der Prozessgaseinrichtung über die Zuleitung dem Luftlager zugeführt werden, um einen Betriebsdruck des Luftlagers aufzubauen und beizubehalten, um eine Funktion des Luftlagers zu gewährleisten und Beschädigungen an dem Luftlager durch einen Druckabfall zu vermeiden.
Mit der vorgeschlagenen Versorgungseinrichtung ist mittels des Brennstoffzellen- Systems Prozessgas als Lagergas für das Luftlager bereitstellbar. Mittels des Lagergases kann beispielsweise beim An- und/ oder Abschalten eines aerodynamischen Luftlagers ein Betriebsdruck auf-/ oder abgebaut werden, um Beschädigungen des Lagers außerhalb des funktionsgemäßen Betriebsbereichs, welcher für die Bereitstellung des aerodynamischen Lagerdrucks sorgt, zu vermeiden. Somit kann einer Beschädigung, insbesondere bei der Wiederinbetriebnahme, und einer damit verbundenen Verkürzung der Lebensdauer des aerodynamischen Luftlagers entgegengewirkt werden.
Eine Anordnung von Luftlager und Brennstoffzellen-System in relativer räumlicher Nähe zueinander, insbesondere unmittelbar angrenzend, erlaubt eine rasche Zuführung von verdichtetem Lagergas, um Verluste, insbesondere einen Druckverlust, über die Zuleitung zu verringern. Wird das Brennstoffzellen-System beispielsweise zur Bereitstellung von Energie für einen, mittels des Luftlagers gelagerten Motor oder Antrieb genutzt, kann eine räumliche Zuordnung von Luftlager zum Brennstoffzellen-System durch eine kurze Transportstrecke für die Luftlagerung vorteilhaft sein.
Bei einer Ausführungsform der Versorgungseinrichtung weist die Zuleitung eine Verdichtungseinrichtung auf. Die Verdichtungseinrichtung kann beispielsweise als Kolbenverdichter oder Schraubenverdichter ausgebildet sein. Mittels der Verdichtungseinrichtung wird das Prozessgas vor dem Zuleiten zu dem Luftlager, insbesondere zusätzlich, verdichtet. Insbesondere wird das Lagergas für das Luftlager auf einen Überdruck von wenigstens 3 bis 6 bar verdichtet, wobei der Überdruck vorzugsweise dem Betriebsdruck des Luftlagers entspricht. Für Fahrzeuganwendungen kann eine Verdichtung auf insbesondere 4- bis 8-fachen Überdruck vorgesehen sein.
Bei Flugzeuganwendungen ist für die Verdichtung von Umgebungsluft auf den vorbestimmten Betriebsdruck des Luftlagers, insbesondere während des Flugbetriebs, eine erhöhte Verdichtungsleistung erforderlich. Da entsprechend der vorgeschlagenen Versorgungseinrichtung bzw. des Versorgungsverfahrens, das Lagergas von der Prozessgaseinrichtung stammt und das Prozessgas somit bereits in verdichtetem Zustand vorliegt, ist ein absoluter bzw. zusätzlicher Verdichtungsaufwand, beispielsweise gegenüber einer Lösung, bei der Umgebungsluft mittels eines Kompressors verdichtet wird, verringert.
Bei einer Ausführungsform der Versorgungseinrichtung verbindet die Zuleitung die Anodenseite der Brennstoffzelle, insbesondere der Anodenausgangsseite, mit dem Luftlager. Die Anodenseite der Brennstoffzelle umfasst insbesondere eine Anodenzirkulation, wie bereits zum Verfahren erläutert. Dabei wird über die Anodenseite der Brennstoffzelle in der Brennstoffzelle verbrauchtes Prozessgas, insbesondere in Form von Stickstoff, der Anode zugeführt. Durch eine derartige Anordnung der Zuleitung an der Anodenseite der Brennstoffzelle, kann eine Zusammensetzung des Prozessgases mit welchem das Luftlager versorgt wird, zumindest teileweise gesteuert und/ oder kontrolliert werden.
Bei einer Ausführungsform der Versorgungseinrichtung ist das Luftlager zur Lagerung einer rotierenden Vorrichtung, insbesondere einer rotierenden Maschine, ausgebildet. Eine rotierende Vorrichtung weist vorzugsweise wenigstens ein sich um eine, insbesondere eigene Achse drehendes Element auf oder die Vorrichtung ist in ihrer Gesamtheit relativ zum Luftlager rotierbar gelagert.
Bei einer Ausführungsform der Versorgungseinrichtung ist das Luftlager zur Lagerung eines Turbokompressors oder eines insbesondere hochdrehenden, Radialverdichter ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein derartiges Luftlager wenigstens zusätzlich mit Lagergas versorgt werden, um eine gleichmäßige Einspeisung von Lagergas zum Luftlager und damit eine berührungsfreie Lagerung bei hohen Belastungen zu gewährleisten oder wenigstens zu unterstützen. Bei einer Ausführungsform der Versorgungseinrichtung ist das Luftlager als lineares oder ebenes Luftlager ausgebildet, welches eine lineare Relativbewegung der Lagerpartner ermöglicht. Beispielsweise können Luftlager linearer Antriebe, wie sie beispielsweise für Messanwendungen oder Produktionstechnologien eingesetzt werden, eine erfindungsgemäße Versorgungseinrichtung aufweisen bzw. mit einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben oder wenigstens unterstützt werden. Zudem ist auch eine, zumindest unterstützende Anwendung im Bereich von Transportsystemen, insbesondere Luftkissen-Transportsystemen oder der Medizintechnologie denkbar.
Bei einer Ausführungsform der Versorgungseinrichtung ist das Luftlager einem Motor, insbesondere einem Elektromotor, zugeordnet. Dabei kann der Motor zumindest teilweise mit der in dem Brennstoffzellen-System erzeugten Energie versorgt und/ oder betrieben werden. Der Elektromotor weist vorzugsweise einen Rotor und einen Stator auf, wobei sowohl der Rotor als auch der Stator mittels des Luftlagers gelagert sein kann. Vorteilhaft ist das Brennstoffzellen- System in räumlicher Nähe des Luftlagers und insbesondere in räumlicher Nähe eines Motors bzw. Antriebs, welcher mit der in dem Brennstoffzellen-System erzeugten Energie betrieben wird, angeordnet, um leitungsbedingte Verluste gering zu halten und das Lagergas ursprungsnah verwenden zu können.
Der Motor kann in einer Ausführungsform als Ringmotor bzw. Torquemotor mit einer Hohlwelle ausgebildet sein. Ein Ringmotor umfasst vorzugsweise einen im Wesentlichen hohlwellenförmig ausgebildeten Rotor und einen im Wesentlichen hohlwellenförmig ausgebildeten. Der Ringmotor kann als Außenläufer, wobei der Stator innen und der Rotor außen angeordnet, oder als Innenläufer, wobei der Rotor innen und der Stator außen angeordnet, ausgebildet sein. Außenläufer sind bei Torquemotoren verbreiteter, da bei ihnen aufgrund der unten dargestellten Zusammenhänge bei gleicher Baugröße ein größeres Drehmoment zur Verfügung steht. Eine Lagerung zwischen Rotor und Stators kann durch ein Luftlager mit der erfindungsgemäßen Versorgungseinrichtung gewährleistet werden. Eine Außenlagerung eines Torquemotors mittels eines Luftlagers kann durch die erfindungsgemäße Versorgungseinrichtung ermöglicht oder wenigstens unterstützt werden. Grundsätzlich ist eine erfindungsgemäße Versorgungseinrichtung oder ein erfindungsgemäßes Verfahren auch zur, insbesondere wenigstens teilweisen, Unterstützung eines vorhandenen Druckgasversorgungssystems für ein Luftlager einsetzbar.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Flugantrieb mit einem Brennstoffzellen- System und einer Versorgungseinrichtung, wobei der Flugantrieb wenigstens ein Luftlager aufweist, welches mit der Versorgungseinrichtung mit einem Lagergas versorgbar ist. Hierbei kann das Luftlager zur Lagerung wenigstens eines Antriebsrotors ausgebildet sein und den wenigstens einen Antriebsrotor lagern.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung der Versorgungseinrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorhergehenden Beschreibung zum Durchführen einer oder mehreren Ausführungsformen des ebenfalls vorhergehend beschriebenen Verfahrens zum Versorgen eines Luftlagers.
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 Versorgungseinrichtung eines Luftlagers in Verbindung mit einem Brennstoffzellen- System; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Versorgungseinrichtung 10 eines Luftlagers 11 in Verbindung mit einem Brennstoffzellen- System 12. Das Brennstoffzellen- System 12 weist eine Brennstoffzelle 13 mit einer Anode 14 und einer Kathode 15 auf. Die Anode 14 wird von einem Brennstoffspeicher 16 über eine Prozessgaseinrichtung 17 mit Brennstoff, in dem beispielhaften Ausführungsbeispiel mit Wasserstoff, versorgt. Die Kathode 15 wird über die Prozessgaseinrichtung 17 mit aus der Umgebung 18 entnommener Umgebungsluft versorgt. Die Umgebungsluft bzw. der darin enthaltene Luftsauerstoff dient als Oxidationsmittel zum Erzeugen von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle 13.
In der Brennstoffzelle 13 kann der Wasserstoff mit dem Luftsauerstoff reagieren, wobei Energie, Wasser und Restgas gebildet wird. Das Wasser kann einfach an die Umgebung abgeführt werden. Nicht vollständig verbrauchter Brennstoff kann dabei unmittelbar an die Umgebung 19 abgegeben werden oder über eine Anodenzirkulation 24 der Prozessgaseinrichtung 17 zur Anode 14 zurückgeführt werden.
In dem in der Fig. 1 dargestellten beispielhaften Ausführungsbeispiel verbindet eine Zuleitung 20 die Anodenseite der Prozessgaseinrichtung 17 und deren Anodenzirkulation 24 mit dem Luftlager 11. Über die Zuleitung 20 kann Prozessgas aus der Prozessgaseinrichtung 17 dem Luftlager 11 als Lagergas zugeführt werden. Besonders vorteilhaft wird das Luftlager 11 mit verbrauchtem Prozessgas von der Anodenseite der Prozessgaseinrichtung 17 bzw. der Brennstoffzelle 13, welches wenigstens einmal die Brennstoffzelle 13 durchlaufen hat, gespeist.
Die Zuleitung 20 weist eine Verdichtungseinrichtung 21 auf, mittels welchem das Prozessgas wenigstens zusätzlich verdichtbar ist, um das Lagergas auf einen Betriebsdruck des Luftlagers 11 zu verdichten. Lagergas kann von dem Luftlager 11 an die Umgebung 22 abgegeben werden.
Vorzugsweise ist das Luftlager 11 als rotatorisches Luftlager ausgebildet und dazu eingerichtet, einen in Fig. 1 nicht dargestellten Motor, insbesondere einen Elektromotor, oder einen Antrieb zu lagern. Dieser Motor oder Antrieb wird dabei vorzugsweise mit Energie, welche beim Betrieb des Brennstoffzellen- Systems 12 erzeugt wird, versorgt.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Zuleitung 20 auch einen kathodenseitigen Teil der Prozessgaseinrichtung 17 oder den Brennstoffspeicher 16 mit dem Luftlager 11 verbinden. Bei einer Versorgung des Luftlagers 11 aus dem Brennstoffspeicher 16 kann Lagergas unabhängig von einem Betrieb der Brennstoffzelle 13 bzw. des Brennstoffzellen- Systems 12 erfolgen. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Versorgen eines Luftlagers 11 mittels eines Brennstoffzellen-Systems 12, wobei das Brennstoffzellen-System 12 wenigstens eine Anode 14 und wenigstens eine Kathode 15 sowie eine Prozessgaseinrichtung 17 zum Versorgen der Anode 14 und der Kathode 15 mit Brennstoff und Umgebungsluft sowie zum Abführen verbrauchter Prozessgase aufweist.
Bei dem beispielhaften Verfahren wird in einem Schritt 101 Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, über die Prozessgaseinrichtung 17 der Anode 14 zugeführt. In einem Schritt 102 wird der Kathode 15 über die Prozessgaseinrichtung 17 Umgebungsluft zugeführt, wobei die Schritte 101 und 102 im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden können. In einem Schritt 103 reagiert der Wasserstoff mit dem Luftsauerstoff der Umgebungsluft in der Brennstoffzelle 13, wobei Energie, Wasser und verbrauchtes Prozessgas entstehen. In einem Schritt 104 wird das verbrauchte Prozessgas von der Anodenausgangsseite über eine Anodenzirkulation 24 der Prozessgaseinrichtung 17 zur Anode 14 bzw. Anodeneingangsseite zurückgeführt. In einem Schritt 105 wird verbrauchtes Prozessgas der Prozessgaseinrichtung 17 über eine Zuleitung 20 dem Luftlager 11 als Lagergas zugeführt. In einem Schritt 106 wird das verbrauchte Prozessgas auf einen vorbestimmten Betriebsdruck des Luftlagers 11 verdichtet, bevor es dem Luftlager 11 zugeführt wird.
Insbesondere ist die in Fig. 1 schematisch dargestellte Versorgungseinrichtung 10 zur Durchführung des in Fig. 2 beschriebenen Verfahrens 100 geeignet.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Versorgungseinrichtung
11 Luftlager
12 Brennstoffzellen- System
13 Brennstoffzelle
14 Anode
15 Kathode
16 Brennstoffspeicher
17 Prozessgaseinrichtung
18 Umgebung
19 Umgebung
20 Zuleitung
21 Verdichter
22 Umgebung
24 Anodenzirkulation

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren (100) zum Versorgen eines Luftlagers (11) eines Flugantriebsystems mittels eines Brennstoffzellen- Systems (12), welches wenigstens eine Anode (14) und wenigstens eine Kathode (15) sowie eine Prozessgaseinrichtung (17) zum Versorgen der Anode (14) und der Kathode (15) mit Brennstoff und Umgebungsluft sowie zum Abführen verbrauchter Prozessgase aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Luftlager (11) ein Prozessgas aus der Prozessgaseinrichtung (17) des Brennstoffzellen- Systems (12) als Lagergas zugeführt wird.
2. Verfahren (100) zum Versorgen eines Luftlagers (11) eines Flugantriebsystems mittels eines Brennstoffzellen- Systems (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagergas vor dem Zuführen zum Luftlager (11) zusätzlich verdichtet wird.
3. Verfahren (100) zum Versorgen eines Luftlagers (11) eines Flugantriebsystems mittels eines Brennstoffzellen- Systems (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagergas von einer Anodenseite der Brennstoffzelle (13) kommt und vorzugsweise einer Anodenzirkulation (24) entnommen wird.
4. Verfahren (100) zum Versorgen eines Luftlagers (11) eines Flugantriebsystems mittels eines Brennstoffzellen- Systems (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagergas Stickstoffdioxid aufweist.
5. Verfahren (100) zum Versorgen eines Luftlagers (11) eines Flugantriebsystems mittels eines Brennstoffzellen- Systems (12) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagergas von einer Kathodenseite der Brennstoffzelle (13) kommt.
6. Verfahren (100) zum Versorgen eines Luftlagers (11) eines Flugantriebsystems mittels eines Brennstoffzellen- Systems (12) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftlager (11) mit Prozessgas aus dem Brennstoffspeicher (16) als Lagergas gespeist wird.
7. Flugantrieb mit einem Brennstoffzellen- System (12), welches wenigstens eine Anode (14) und wenigstens eine Kathode (15) sowie eine Prozessgaseinrichtung (17) zum Versorgen der Anode (14) und der Kathode (15) mit Brennstoff und Umgebungsluft sowie zum Abführen verbrauchter Prozessgase aufweist, und einer mit dem Brennstoffzellensystem (12) verbundenen Versorgungseinrichtung (10) für ein Luftlager (11) gekennzeichnet durch wenigstens eine Zuleitung (20) von der Prozessgaseinrichtung (17) zum Luftlager (11), mittels welcher dem Luftlager (11) ein Prozessgas von der Prozessgaseinrichtung (17) des Brennstoffzellen- Systems (12) als Lagergas zuführbar ist.
8. Flugantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (20) eine Verdichtungseinrichtung (21) aufweist.
9. Flugantrieb nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (20) die Anodenseite der Brennstoffzelle (13) mit dem Luftlager verbindet.
10. Flugantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftlager (11) zur Lagerung einer rotierenden Vorrichtung ausgebildet ist.
11. Flugantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftlager (11) als lineares Luftlager ausgebildet ist.
12. Flugantrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftlager (10) einem Motor, insbesondere einem Elektromotor, zugeordnet ist.
13. Flugantrieb nach Anspruch 12, wobei das Luftlager (11) zur Lagerung eines Antriebsrotors ausgebildet ist und/oder den Antriebsrotor lagert.
EP22753997.0A 2021-08-06 2022-08-02 Verfahren zum versorgen eines luftlagers eines flugantriebssystems mittels eines brennstoffzellen-systems sowie flugantrieb Pending EP4381178A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021120471.2A DE102021120471A1 (de) 2021-08-06 2021-08-06 Verfahren zum Versorgen eines Luftlagers mittels eines Brennstoffzellen-Systems
PCT/DE2022/100559 WO2023011689A1 (de) 2021-08-06 2022-08-02 Verfahren zum versorgen eines luftlagers eines flugantriebssystems mittels eines brennstoffzellen-systems sowie flugantrieb

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4381178A1 true EP4381178A1 (de) 2024-06-12

Family

ID=82851530

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22753997.0A Pending EP4381178A1 (de) 2021-08-06 2022-08-02 Verfahren zum versorgen eines luftlagers eines flugantriebssystems mittels eines brennstoffzellen-systems sowie flugantrieb

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20240258535A1 (de)
EP (1) EP4381178A1 (de)
DE (1) DE102021120471A1 (de)
WO (1) WO2023011689A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022133702A1 (de) 2022-12-16 2023-03-02 MTU Aero Engines AG Mantelstromtriebwerk

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006003799B4 (de) 2006-01-25 2010-05-06 Daimler Ag Brennstoffzellensystem mit Brennstoffzelle, Wasserstoffspeicher und Anodenkreislauf und dessen Verwendung
DE102006056354B4 (de) 2006-11-29 2013-04-11 Airbus Operations Gmbh Hybridantrieb für ein Flugzeug
DE202007006976U1 (de) * 2007-05-15 2008-09-18 Jung, Nadine Hubschrauber
DE102010023671A1 (de) 2010-06-12 2011-12-15 Daimler Ag Brennstoffzellensystem mit einer in einem Gehäuse angeordneten Brennstoffzelle
DE102016009932A1 (de) 2016-08-16 2018-03-08 Daimler Ag Vorrichtung zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle
DE102017220855A1 (de) 2017-11-22 2019-05-23 Robert Bosch Gmbh Turbokompressor, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem
DE102018204653A1 (de) 2018-03-27 2019-10-02 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem und dessen Verwendung
DE102018112460A1 (de) 2018-05-24 2019-11-28 Man Energy Solutions Se Vorrichtung mit einem Turbolader zur Aufladung einer Brennstoffzelle
DE102020004510A1 (de) 2020-07-25 2020-09-17 FEV Group GmbH Luftfahrzeug mit Hybridantrieb

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023011689A1 (de) 2023-02-09
DE102021120471A1 (de) 2023-02-09
US20240258535A1 (en) 2024-08-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102006003799B4 (de) Brennstoffzellensystem mit Brennstoffzelle, Wasserstoffspeicher und Anodenkreislauf und dessen Verwendung
EP2600007B1 (de) Kraftfahrzeugsystemeinrichtung sowie Verfahren zum Betreiben einer Kraftfahrzeugsystemeinrichtung
DE102015223488B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Befestigen eines Brennstoffzellenstapels
EP1056147A2 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur elektrischen Versorgung in einem Fahrzeug mit einem solchen System
DE102010035725A1 (de) Aufladeeinrichtung für eine Energieumwandlungseinrichtung
DE102015005837A1 (de) Brennstoffzellensystem
EP4381178A1 (de) Verfahren zum versorgen eines luftlagers eines flugantriebssystems mittels eines brennstoffzellen-systems sowie flugantrieb
EP2340582B1 (de) Verfahren zum betrieb einer hochtemperatur-brennstoffzelle
DE102014005127A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102019209765A1 (de) Ejektor, Ejektorset, Verfahren zum Betreiben eines Ejektors, Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug
DE10209309B4 (de) Verfahren zur Inertisierung der Anoden von Hochtemperaturbrennstoffzellen und Hochtemperaturbrennstoffzellenanordnung
EP4118350B1 (de) Lageranordnung für eine welle eines turbokompressors
DE102021211527B4 (de) Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug und Verfahren zu dessen Betrieb
DE102021000306A1 (de) Fördervorrichtung für Medien
DE102014214040B4 (de) Gasverdichter, insbesondere zum Fördern von Anodenabgas oder/und Luft zu einem Reformer eines Brennstoffzellensystems
WO2021190933A1 (de) Lageranordnung für eine achswelle eines turbokompressors
DE102016001472A1 (de) Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie
DE102024116286A1 (de) Kopplungsanordnung für ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, Brennstoffzellensystem und Fahrzeug
DE102021102196B4 (de) Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem
DE102019126302A1 (de) Ejektor sowie Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug mit einem solchen
DE102020202442A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102022129770A1 (de) Lagereinheit, Strömungsmaschine, Brennstoffzellensystem und Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug
DE102024116281A1 (de) Strömungsmaschine für ein wenigstens ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel aufweisendes Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, Brennstoffzellensystem, Fahrzeug
DE102023110451A1 (de) Strömungsmaschinenanordnung für ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, und Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug
DE102023100721A1 (de) Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, und Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20240122

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20250331