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DE102006034816B4 - Brennstoffzellen-Kühlsystem für Luftfahrzeuge und dessen Verwendung - Google Patents

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DE102006034816B4
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Airbus Operations GmbH
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Abstract

Kühlsystem zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems an Bord eines Luftfahrzeuges, das Kühlsystem umfassend:
einen Wasserstoffspeicher (2);
eine Anschlussvorrichtung (12, 13) zum Anschluss an ein externes Kühlsystem (26, 27);
wobei der Wasserstoffspeicher (2) zum Kühlen des Brennstoffzellensystems beim Entladen des Wasserstoffspeichers (2) ausgeführt ist;
wobei das externe Kühlsystem (26, 27) zum Abführen von Wärme ausgeführt ist, die beim Beladen des Wasserstoffspeichers (2) mit Wasserstoff entsteht; und
wobei das externe Kühlsystem (26, 27) ausschließlich bei Beladen eingesetzt wird und während dem Flug des Luftfahrzeugs am Boden verbleibt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Kühlung von Brennstoffzellen und Kondensaten in Luftfahrzeugen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Kühlsystem zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems an Bord eines Luftfahrzeugs und die Verwendung eines solchen Kühlsystems in einem Luftfahrzeug.
  • An Bord von Luftfahrzeugen können Brennstoffzellenanordnungen zur Gewinnung von Wasser aus der Brennstoffzellenabluft eingesetzt werden. Hierbei ist es erforderlich, das im Abluftstrom enthaltene Wasser mittels eines Kondensators auszukondensieren.
  • Zur Kondensation von Wasserdampf kann ein Kühlkreislauf bereitgestellt werden, an welchen zwei Wärmetauscher gekoppelt sind. Hierbei handelt es sich um einen primären Wärmetauscher (PWT) sowie einen sekundären Wärmetauscher (SWT).
  • Die Kondensation erfolgt dabei durch indirekte Kühlung mittels Kühlmittel, welches letztendlich durch Außenluft gekühlt wird. Diese indirekte Kühlung ist erforderlich, um eine Vereisung des primären Wärmetauschers durch direkten Kontakt mit Außenluft, deren Temperatur deutlich unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegen kann, zu vermeiden. Allerdings ist dieser Aufbau komplex und mit einer hohen Gesamtsystemmasse verbunden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Kühlsystem bereitzustellen, welches leichter und einfacher aufgebaut ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Kühlsystem zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems an Bord eines Luftfahrzeugs angegeben, das Kühlsystem umfassend einen Wasserstoffspeicher, wobei der Wasserstoffspeicher zum Kühlen des Brennstoffzellensystems beim Entladen des Wasserstoffspeichers ausgeführt ist.
  • Somit wird ein Kühlsystem bereitgestellt, welches durch Kühlung des Brennstoffzellensystems die Auskondensation von Wasser aus der Kathodenabluft beschleunigen kann, ohne dass hierfür zwei Wärmetauscher erforderlich sind. Insbesondere ist eine Kühlung durch Außenluft nicht erforderlich. Vielmehr wird eine ausreichende Kühlung des Brennstoffzellensystems allein durch den Wasserstoffspeicher bereitgestellt, der beispielsweise bei normalen Betrieb zusätzlich als Kühler eingesetzt wird.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Kühlsystem weiterhin eine Anschlussvorrichtung zum Anschluss an ein externes Kühlsystem, wobei das externe Kühlsystem zum Abführen von Wärme ausgeführt ist, die beim Beladen des Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff entsteht, und wobei das externe Kühlsystem ausschließlich beim Beladen des Wasserstoffspeichers eingesetzt wird und während des Fluges des Luftfahrzeugs am Boden verbleibt.
  • Die beim Beladen des Wasserstoffspeichers entstehende Wärme kann somit, wenn das Flugzeug sich am Boden befindet, durch ein leistungsfähiges externes Kühlsystem abgeführt werden, welches hierfür an die Anschlussvorrichtung und somit an einen Wärmetauscher des Wasserstoffspeichers angeschlossen wird. Um das Abfluggewicht zu verringern, kann dieses externe Kühlsystem dann vor dem Start vom Luftfahrzeug getrennt werden. Während des Fluges erfolgt die Brennstoffzellenkühlung durch den Wasserstoffspeicher.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Wasserstoffspeicher in das Brennstoffzellensystem integriert.
  • Hierdurch kann ein Gesamtmodul bereitgestellt werden, welches als zusammenhängender Block im Luftfahrzeug montierbar ist. Durch die Integration des Wasserstoffspeichers in das Brennstoffzellensystem kann der Wärmekontakt zwischen Brennstoffzellenblock und Wasserstoffspeicher und/oder zwischen einem Kondensator/Kondensatabscheider und dem Wasserstoffspeicher verbessert werden. Wärmeverluste oder Kälteverluste können somit minimiert werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Wasserstoffspeicher als Metall-Hydridspeicher ausgeführt.
  • Hierdurch kann eine sichere Wasserstoffspeicherung bei hoher Speicherdichte und großer Kühlleistung gewährleistet werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Brennstoffzellensystem einen Zellstapel auf, wobei der Wasserstoffspeicher zum Kühlen des Zellstapels und einer Kathodenabluft des Brennstoffzellensystems ausgeführt ist.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Wasserstoffspeicher zum Kühlen einer Kabinenluft, die dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird, ausgeführt.
  • Das Brennstoffzellensystem wird somit nicht mit Außenluft, sondern mit bordinterner Kabinenluft versorgt. Die Kabinenluft kann hierbei vom Wasserstoffspeicher gekühlt werden, bevor sie dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird, um den Wirkungsgrad der Brennstoffzellen zu erhöhen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Kühlsystem derart ausgeführt und regelbar, dass die beim Beladen des Wasserstoffspeichers mit Wasserstoff entstehende Wärme zum Vorwärmen des Brennstoffzellensystems auf Betriebstemperatur verwendbar ist.
  • Auf diese Weise kann die beim Beladen freiwerdende Wärmeenergie, beispielsweise durch Zwischenspeicherung oder durch direkte Abgabe an das Brennstoffzellensystem (beispielsweise über direkten Wärmekontakt zum Wasserstoffspeicher), dafür eingesetzt werden, dass das Brennstoffzellensystem seine Betriebstemperatur erreicht. Hierdurch wird zusätzliche Heizenergie, welche andernfalls durch ein weiteres Heizsystem aufgewendet werden müsste, eingespart. Weiterhin kann hierdurch das externe Kühlsystem entlastet werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Kühlsystem weiterhin eine elektronische Regeleinheit zum Regeln des Kühlsystems auf Basis von Temperaturdaten und eine Temperaturmesseinheit am Brennstoffzellensystem zur Ausgabe der Temperaturdaten, wobei die elektronische Regeleinheit mit der Temperaturmesseinheit gekoppelt ist.
  • Es werden also Temperaturdaten des Brennstoffzellensystems erfasst und an die elektronische Regeleinheit übertragen, so dass das Kühlsystem entsprechend eingestellt werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die elektronische Regeleinheit zum Regeln der Entnahme von Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher in Abhängigkeit von der Temperatur des Brennstoffzellensystems ausgeführt.
  • Ist die Temperatur des Brennstoffzellensystems zu gering, so kann die Wasserstoffentnahmerate entsprechend gedrosselt werden, so dass die Kühlung verringert wird und die Temperatur der Brennstoffzellen wieder ansteigt. Vom Brennstoffzellensystem zusätzlich benötigter Wasserstoff kann einem Wasserstoffzwischenspeicher entnommen werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Kühlsystem weiterhin einen Wasserstoff-Speichertank oder Zwischenspeicher zum Zuführen von Wasserstoff an das Brennstoffzellensystem.
  • Dieser Wasserstoff-Speichertank kann weiterhin zum Zuführen von Wasserstoff an den Wasserstoffspeicher ausgeführt sein.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Kühlsystem weiterhin einen Wasserstofferzeuger zum Herauslösen von Wasserstoff aus einer Kohlenwasserstoffverbindung und zum Zuführen von Wasserstoff an das Brennstoffzellensystem.
  • Somit kann zusätzlich Wasserstoff an Bord des Luftfahrzeugs erzeugt werden, um dann dem Brennstoffzellensystem, dem Wasserstoff-Speichertank oder dem Wasserstoffspeicher zugeführt zu werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Brennstoffzellensystem Brennstoffzellen vom Typ PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) auf.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines solchen Kühlsystems in einem Luftfahrzeug angegeben.
  • Weiterhin ist ein Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems an Bord eines Luftfahrzeugs angegeben, bei welchem ein Wasserstoffspeicher mit Wasserstoff aus einem Wasserstoff-Speichertank beladen wird und das Brennstoffzellensystem beim Entladen des Wasserstoffspeichers gekühlt wird.
  • Hierdurch wird ein Verfahren bereitgestellt, durch welches die Verwendung zweier Kühlkreisläufe während des Fluges vermieden wird. Eine Extrakühlung ist nicht erforderlich. Vielmehr wird die Brennstoffzellensystemkühlung allein durch den im System bereits vorhandenen Wasserstoffspeicher bereitgestellt.
  • Weitere Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches in ein Brennstoffzellensystem eines Luftfahrzeugs integriert ist.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems an Bord eines Luftfahrzeugs.
  • Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. In der folgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen oder ähnlichen Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlsystems, welches in ein Brennstoffzellensystem eines Luftfahrzeugs integriert ist. Das Kühlsystem umfasst hierbei im Wesentlichen einen Hydrid-Speicher 2, einen internen Wärmetauscher 20 und ein Anschlusspanel 28 mit entsprechenden Schnellkupplungen 11, 12, 13.
  • Speziell bei Luftfahrzeugen sind Masse und Platzbedarf sowie die Sicherheitsanforderungen kritische Faktoren für die Wirtschaftlichkeit eines eingebauten Systems. Durch das erfindungsgemäße Kühlsystem werden Verfahrensschritte derart aufgetrennt, dass die primäre Kühlung einer Brennstoffzelle 1 und eines Wasser-Kondensators 4 innerhalb des Luftfahrzeugs im Fluge erfolgen kann. Die sekundäre Kühlung des Systems wird ausschließlich während der Stillstandszeit am Boden vorgenommen.
  • Wasserstoffspeicher, wie beispielsweise spezielle Metall-Hydridspeicher, besitzen die Eigenschaft, dass sie beim Beladen mit Wasserstoff thermische Energie abgeben und bei der Entnahme von Wasserstoff thermische Energie aufnehmen. Die dabei relevanten Temperaturbereiche sind direkt abhängig von der Art des Hydrids und können an die jeweilige Anwendung angepasst werden.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird ein solcher Wasserstoffspeicher 2, beispielsweise in Form eines Hydrid-Speichers 2, zunächst mit Wasserstoff beladen. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschieht dies über den Wasserstoff-Speichertank 7 und das Umschaltventil 6 sowie die Zufuhrleitung 23 und die Be- und Entladeleitung 25. Der Speichertank 7 wird wiederum über das Anschlusspanel 28 und die Schnellkupplung 11 mit Wasserstoff aus einer externen Versorgungseinrichtung (nicht dargestellt in 1) nachgefüllt.
  • Da sich bei diesem Beladevorgang der Hydrid-Speicher 2 erwärmt, wird dieser über den internen Wärmetauscher 20 und das externe Kühlsystem 26, 27 gekühlt. Das externe Kühlsystem 26, 27 ist hierbei nur für den Zeitraum der Beladung über das Anschlusspanel 28 und die Schnellkupplungen 12, 13 mit dem Hydrid-Speicher 2 verbunden, um hierbei die Beladungswärme an die Außenluft (zumindest teilweise) abzuführen.
  • Da dieses externe Kühlsystem 26, 27 am Boden zurückbleibt und somit Gewicht und Größe des externen Kühlsystems nur eine untergeordnete Rolle spielen, können hier ein besonders großer und effektiver Kühler 26 und eine leistungsfähige Kühlmittelpumpe 27 zum Einsatz kommen.
  • Nach der vollständigen Beladung des Systems mit Wasserstoff (also einer Beladung sowohl des Hydrid-Speichers 2 und des Speichertanks 7) werden das externe Kühlsystem 26, 27 sowie die Wasserstoffversorgung am Anschlusspanel 28 an den Schnellkupplungen 11, 12 und 13 getrennt.
  • Durch Umschalten des Umschaltventils 6 von der Be- und Entladeleitung 25 auf die Anodenzuführung 24 kann bei Erreichen einer definierten Flughöhe die Brennstoffzelle 1 in Betrieb genommen werden.
  • Erforderlich hierfür ist ein Differenzdruck zwischen Kabinenlufteinlass 15 und Außenbord-Ventilation 22, der einen Luftstrom durch die Brennstoffzelle ermöglicht.
  • Zunächst wird die Kabinenluft 15 in einem Kathodenluft-Befeuchter 3 befeuchtet und dann der Kathode der Brennstoffzelle über die Zuführung 16 und über den Verteiler 9 zugeführt. Dabei wird ein Teil der Kathodenluft derart an den integrierten Hydrid-Speicher 2 vorbeigeführt, dass diese die Brennstoffzelle bei ihrer weiteren Führung durch die Zelle kühlen kann.
  • Kathodenabluft und Kühlluft werden danach im Kathodenabluft-Sammler 10 zusammengeführt und dem Kondensator/Kondensatabscheider 4 zugeführt. Dies erfolgt über Leitung 18. Zwischen dem Kathodenabluft-Sammler 10 und dem Kondensator/Kondensatabscheider 4 kann die Kathodenabluft zusammen mit der Kühlluft dem Befeuchter 3 zugeführt werden (siehe Leitung 17), um die Kabinenluft 15 zu befeuchten.
  • Durch die Kühlwirkung des Hydrid-Speichers 2 kondensiert das im Kathodenabluftstrom enthaltene Wasser im Kondensator/Kondensatabscheider 4 aus. Das Kondensat wird über Kondensatleitung 19 dem Kondensatableiter 8 zugeführt. Der Kondensatableiter 8 stellt dann das Kondensat dem Wassersystem des Luftfahrzeugs zur weiteren Nutzung durch Passagiere oder Besatzung über Leitung 14 bereit.
  • Die nun getrocknete Kathodenabluft 21 wird über das Abluft-Regelventil 5 an die Außenluft abgegeben. Dies erfolgt über Leitung bzw. Auslass 22.
  • Zur Kühlung können auch weitere Wasserstoffspeicher vorgesehen sein, welche in dem Brennstoffzellensystem integriert sind. Weiterhin ist eine elektronische Regeleinheit 31 zum Regeln des Kühlsystems vorgesehen. Die Regeleinheit 31 ist mit einer oder mehreren Temperaturmesseinheiten verbunden. Die Temperaturmesseinheiten messen hierbei die Temperatur an einem oder mehreren Orten innerhalb des Brennstoffzellensystems. Diese Temperaturen werden dann an die elektronische Regeleinheit übertragen. Beispielsweise kann die elektronische Regeleinheit die Wasserstoffentnahmerate aus dem Hydrid-Speicher 2 steuern oder regeln, je nach gewünschter Kühlrate. Die Regelung der Wasserstoffentnahmerate erfolgt beispielsweise über die Steuerung des Ventils 6.
  • Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass Komponenten, die ein hohes Systemgewicht haben, wie beispielsweise die Kühlmittelpumpe, und zusätzlichen Luftwiderstand erzeugen, wie beispielsweise der Kühler, nicht weiter mitgeführt werden müssen, sondern am Boden verbleiben können.
  • Hierdurch wird Gewicht gespart und der Luftwiderstand verringert.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems an Bord eines Luftfahrzeugs. In Schritt 1 wird der Hydrid-Speicher 2 und der Zusatzspeicher 7 von einer externen Wasserstoffquelle über die Schnellkupplung 11 beladen. Durch die beim Beladevorgang entstehende Wärme im Hydrid-Speicher 2 wird das Brennstoffzellensystem vorgeheizt. Überschusswärme kann über ein externes Kühlsystem abgeführt werden.
  • In Schritt 2 wird dann das externe Kühlsystem 26, 27 und die externe Wasserstoffversorgung über Schnellkupplung 11 vom Luftfahrzeug abgetrennt.
  • Nach Erreichen der Reiseflughöhe, oder ggf. auch schon zu einem früheren Zeitpunkt, wird das Ventil 6 derart eingestellt, dass nun die Brennstoffzellen mit Wasserstoffversorgt werden (Schritt 3).
  • In Schritt 4 wird dann das Brennstoffzellensystem, welches bereits durch den Beladevorgang ausreichend vorgeheizt wurde, in Betrieb genommen.
  • Durch die laufende Wasserstoffentnahme aus dem Hydrid-Speicher 2 erfolgt in Schritt 5 eine Kühlung der dem Brennstoffzellensystem zugeführten Kabinenluft, der einzelnen Brennstoffzellen und des Kondensators.
  • Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben werden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzelle
    2
    Hydridspeicher
    3
    Kathodenluft-Befeuchter
    4
    Kondensator und Abscheider
    5
    Abluft-Regelventil
    6
    Umschaltventil
    7
    Wasserstoff-Speichertank
    8
    Kondensatableiter
    9
    Kathodenzuluft/Kühlluft-Verteiler
    10
    Kathodenabluft/Kühlluft-Sammler
    11
    Schnellkupplung-Wasserstoff
    12
    Schnellkupplung-Kühlung RL
    13
    Schnellkupplung-Kühlung VL
    14
    Zulauf zum Frischwassersystem
    15
    Kabinenluft Einlass
    16
    Kathodenzuluft
    17
    Kathodenabluft
    18
    Kondensator-Zuluft
    19
    Kondensat
    20
    Interner Wärmetauscher
    21
    Abluft
    22
    Aussenbord-Ventilation
    23
    Wasserstoff-Zuführung
    24
    Anodenzuführung Wasserstoff
    25
    Be- und Entladung Wasserstoff
    26
    Externer Kühler
    27
    Externe Kühlmittelpumpe
    28
    Anschlusspaneel

Claims (11)

  1. Kühlsystem zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems an Bord eines Luftfahrzeuges, das Kühlsystem umfassend: einen Wasserstoffspeicher (2); eine Anschlussvorrichtung (12, 13) zum Anschluss an ein externes Kühlsystem (26, 27); wobei der Wasserstoffspeicher (2) zum Kühlen des Brennstoffzellensystems beim Entladen des Wasserstoffspeichers (2) ausgeführt ist; wobei das externe Kühlsystem (26, 27) zum Abführen von Wärme ausgeführt ist, die beim Beladen des Wasserstoffspeichers (2) mit Wasserstoff entsteht; und wobei das externe Kühlsystem (26, 27) ausschließlich bei Beladen eingesetzt wird und während dem Flug des Luftfahrzeugs am Boden verbleibt.
  2. Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Wasserstoffspeicher (2) in das Brennstoffzellensystem integriert ist.
  3. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wasserstoffspeicher (2) als Metall-Hydridspeicher (2) ausgeführt ist.
  4. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Brennstoffzellensystem einen Zellstapel (1) aufweist; wobei der Wasserstoffspeicher (2) zum Kühlen des Zellstapels (1) und einer Kathodenabluft des Brennstoffzellensystems ausgeführt ist.
  5. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlsystem derart ausgeführt und regelbar ist, dass die beim Beladen des Wasserstoffspeichers (2) mit Wasserstoff entstehende Wärme zum Vorwärmen des Brennstoffzellensystems auf Betriebstemperatur verwendbar ist.
  6. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: eine elektronische Regeleinheit zum Regeln des Kühlsystems auf Basis von Temperaturdaten; eine Temperaturmesseinheit am Brennstoffzellensystem zur Ausgabe der Temperaturdaten; wobei die elektronische Regeleinheit mit der Temperaturmesseinheit gekoppelt ist.
  7. Kühlsystem nach Anspruch 6, wobei die elektronische Regeleinheit zum Regeln der Entnahme von Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher (2) in Abhängigkeit von der Temperatur des Brennstoffzellensystems ausgeführt ist.
  8. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: einen Wasserstoff-Speichertank (7) zum Zuführen von Wasserstoff an das Brennstoffzellensystem.
  9. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: einen Wasserstofferzeuger zum Herauslösen von Wasserstoff aus einer Kohlenwasserstoffverbindung und zum Zuführen von Wasserstoff an das Brennstoffzellensystem.
  10. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Brennstoffzellensystem Brennstoffzellen vom Typ PEMFC aufweist.
  11. Verwendung eines Kühlsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einem Luftfahrzeug.
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