DE10216710B4 - Anordnung zur Erzeugung von Wasser an Bord eines Luftfahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Anordnung zur Erzeugung von Wasser an Bord eines Luftfahrzeuges, die folgende Merkmale umfasst:
– ein Flugzeugtriebwerk mit einem mehrstufigen Triebwerkskompressor (31, 32) und einer mehrstufigen Triebwerksturbine (33, 34);
– eine Wasserversorgungseinheit in Form von mindestens einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1), die zwischen dem Triebwerkskompressor (31, 32) und der Triebwerksturbine (33, 34) angeordnet ist;
– ein Reformer (2) zur Abspaltung von Wasserstoff aus einem Brennstoff für das Flugzeugtriebwerk;
– jeweils eine Zuführeinrichtung in die mindestens eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) für den Wasserstoff aus dem Reformer (2) und für die verdichtete Luft aus dem Triebwerkskompressor (31, 32);
– eine Abführeinrichtung für die in der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) durch einen Oxidationsprozess erhitzte Luft, wobei diese wenigstens zum Teil der Triebwerksturbine (33, 34) zur Entspannung zugeleitet wird; und
– mindestens ein Mittel (6, 7) zur Durchführung eines Kondensationsprozesses, das der mindestens einen Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) abgasseitig nachgeschaltet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Wasser an Bord eines Luftfahrzeuges unter Verwendung von einer oder mehreren Brennstoffzellen.
  • Speziell in Luftfahrzeugen aber auch an Bord von Wasser- oder Landfahrzeugen sowie bei autonomen stationären Einrichtungen lässt sich Wasser z. B. durch den Einsatz von Brennstoffzellen oder durch einen anderen geeigneten Prozess gewinnen. Um hierbei die der Flug- und Betriebssicherheit sowie dem Komfort eines Luftfahrzeuges dienenden Redundanzen zu gewährleisten, müssen die einzelnen Systeme entsprechend miteinander verschaltet sein. Die bisher übliche Trennung zwischen Wasser- bzw. Abwassersystemen einerseits, Klima- bzw. Kabinenluftsystemen, Energieerzeugungssystemen sowie Hydraulik- bzw. Pneumatiksystemen anderseits ist durch den Einsatz von Brennstoffzellen nicht sinnvoll und vorteilhaft.
  • Aus der EP 957 026 A2 ist eine Energieversorgungseinheit an Bord eines Luftfahrzeugs zur Substitution eines Haupttriebwerkes, einer Auxiliary Power Unit, einer Ram Air Turbine oder einer NiCd-Batterie bekannt. Eine Brennstoffzelle dient zur Erzeugung von Gleichstrom, wobei zur Luftversorgung der Brennstoffzelle Abluft der Luftfahrzeug-Klimaanlage oder Luftfahrzeugaußenluft eingesetzt wird. Aus der Brennstoffzellenabluft wird Wasser für die Wasserversorgung des Luftfahrzeuges gewonnen, wobei die Brennstoffzellenabluft anschließend an die Luftfahrzeugumgebung abgegeben wird, was auch für den aus der Brennstoffzelle austretenden Wasserstoff gilt. Eine Erzeugung von Wasser erfolgt mittels eines im Flugzeugauslaß angeordneten Kondensators. Eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, mit der Wasser anodenseitig ausgefällt wird, ist bei dieser bekannten Einheit nicht vorgesehen.
  • In der EP 967 676 A1 ist ein Düsentriebwerk mit integrierter Brennstoffzelle beschrie ben, wobei der von der Brennstoffzelle erzeugte Gleichstrom mittels eines Konverters in einen konventionellen Flugzeug-Wechselstrom umgewandelt wird. Die in der Verbrennungskammer des Düsentriebwerkes angeordnete Brennstoffzelle enthält Festkörpermembranen, die sich zwischen dem äußeren und inneren Gehäuse des Triebwerkes befinden. Für den Fall der Verwendung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen sind zusätzlich zu den Festkörpermembranen Reformer in einer Wand der Verbrennungskammer vorgesehen, um ein Wasserstoff enthaltendes sowie relativ sauerstofffreies Mischgas zu erzeugen. Es ist auch eine Anordnung beschrieben, bei der die Brennstoffzelle mit einem integrierten Reformer ausgestattet ist, um eine wasserstoffreiche Gasversorgung für die Brennstoffzelle zu erreichen.
  • Aus der WO 99/35 702 A1 ist ein System zur Erzeugung von elektrischer Energie bekannt, welches aus einer Brennstoffzelle, einer Heizstufe und einem integrierten Energiegenerator besteht. Der Energiegenerator enthält einen Kompressor, einen Stromgenerator und eine Turbine, die alle auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Bei dem Prozess wird sauerstoffhaltiges Gas in dem Kompressor komprimiert, das komprimierte Gas in der Heizstufe erhitzt und zusammen mit einem Brennstoff der Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie zugeführt. Der Kompressor dient somit zur Erzeugung von Druckluft zur Benutzung in der Brennstoffzelle. Das von der Brennstoffzelle erzeugte heiße Abgas wird zum Antrieb der Turbine benutzt, welche den Stromgenerator und den Kompressor antreibt. Die Brennstoffzelle und der Stromgenerator zusammen erzeugen elektrischen Gleichstrom, der in einem nachgeordneten Konverter in Wechselstrom umgewandelt wird. Ein Teil der überschüssigen Abgaswärme von dem Turbinenantriebsgas wird zudem für die Vorheizung der in der Brennstoffzelle genutzten Luft verwendet. Es handelt sich um einen kombinierten Energieerzeugungsprozess aus Brennstoffzelle und Turbine.
  • In der DE 43 23 719 C2 ist ein Verfahren zur Wasserversorgung an Bord eines mit Triebwerken ausgerüsteten Flugzeuges beschrieben, welche mit Kerosin oder Wasserstoff angetrieben werden. Die bei der Verbrennung des Brennstoffes im Triebwerk entstehenden Abgase werden etwa hinter einer Turbinenstufe teilweise entnommen. Die entnommenen Gase werden auf eine solche Temperatur abgekühlt, dass ein wesentlicher Teil des als Verbrennungsprodukt im Abgas enthaltenen Wassers auskondensiert. Das auskondensierte Wasser wird mit einem Wasserabscheider abgeschieden und gesammelt, wobei das gesammelte Wasser entsprechend der Weiterverwendung bis zu einer geforderten Wasserqualität aufbereitet und einem Wassertank und/oder vorhandenen Wasserversorgungssystemen zugeführt wird.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine optimale Ausnutzung der Brennstoffzellentechnologie und entsprechende Redundanzen für das Flugzeug gewährleistet sowie den geforderten Sicherheitsaspekten Rechnung trägt.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung zur Erzeugung von Wasser an Bord eines Luftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Erfindungsgemäße Ausgestaltungen der Anordnung sind in den Unteransprüchen 2 bis 28 beschrieben.
  • Der Hauptvorteil der Erfindung liegt neben den aus der bordeigenen Wassererzeugung bekannten Vorteilen in Bezug auf Gewicht, Flexibilität, Wasserqualität und Wassermenge sowie Abwassermengenreduzierung, insbesondere in einem deutlich verminderten Schadstoffausstoß des Triebwerkes durch die höhere Effizienz des mit einem Gasturbinenprozess verbundenen Hochtemperatur-Brennstoffzellenprozess sowie der damit verbundenen Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Nutzung des Brennstoffzellen-Abgases zur Wassererzeugung. Im Idealfall wird lediglich CO2 und Wasserdampf als Abgas ausgestoßen.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die teilweise Nutzung des im Brennstoffzellen-Abgas enthaltenen Wassers, die Bildung von Kondensstreifen und die da mit verbundene typische Schlierenbewölkung in hohen Atmosphäreschichten vermindert wird. Bezogen auf die Gesamtzahl der täglichen Flugbewegungen und durch die zusätzliche Verminderung des Ausstoßes von Kondensationskeimen durch unvollständige Verbrennungsprozesse ergibt sich hier eine nennenswerte Verminderung von Kondensatbildung in der Atmosphäre durch Flugzeugabgase.
    •
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt die einzige Figur eine Anordnung zur Wassererzeugung durch eine in ein Triebwerk integrierte Hochtemperatur-Brennstoffzelle. Diese Anordnung wird nach einem aus gängigen Flugzeugtriebwerken bekannten Prozess betrieben. Luft wird angesaugt, über Kompressorstufen verdichtet, in Brennkammern (herkömmlich mit Treibstoff versetzt und gezündet) erhitzt und über Turbinenstufen, die ihrerseits mit den Kompressorstufen gekoppelt sind, ausgestoßen. Die dabei entstehende Rotationsenergie der Kompressor-Turbineneinheit wird auf einen sogenannten Fan übertragen, welcher den Hauptanteil des Schubes eines Triebwerks liefert.
  • Der in den Brennkammern herkömmlicher Art stattfindende Prozess wird durch den Einsatz von einer oder mehreren Hochtemperatur-Brennstoffzellen ergänzt oder ganz abgelöst. Das Prinzip von Hochtemperatur-Brennstoffzellen ist für sogenannte SOFCs (Solid Oxide Fuel Cells – Oxidkeramik-Brennstoffzellen) und MCFCs (Molten Carbonate Fuel Cells – Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen) beschrieben worden. Zukünftig verfügbare andere Verfahren sind grundsätzlich ebenfalls einsetzbar.
  • Bei diesem Verfahren sind prinzipbedingt die Luftseite, d. h. der Sauerstofflieferant der Brennstoffzelle und die Brennstoffseite, d. h. der Wasserstofflieferant der Brennstoffzelle voneinander getrennt.
  • Die Luft durchströmt das Triebwerk in Schubrichtung, wird verdichtet und in die Hochtemperatur-Brennstoffzelle geleitet. Hier wird sie durch den Oxidationsprozess erhitzt, der Sauerstoffanteil wird, soweit von der Brennstoffzelle benötigt, entzogen.
  • Schließlich wird die so erhitzte Luft in der Turbine des Triebwerkes wieder entspannt. Die enthaltene Energie wird in den verschiedenen Turbinenstufen in Rotationsenergie umgewandelt und an die Kompressorstufen und den Fan des Triebwerkes abgegeben, um neue Luft anzusaugen bzw. Schubarbeit zu verrichten.
  • Der Brennstoff, gängigerweise Kerosin, wird zunächst mit einem Grauwasseranteil emulgiert und dann über einen Verdampfer in die Brennstoffzelle geleitet. Der interne Reformerprozess spaltet den für den Betrieb der Brennstoffzelle nötigen Wasserstoff aus dem Brennstoff ab, dieser und oxidiert zu Wasser, welches in der Brennstoffzelle dann als Wasserdampf vorliegt. Die im Brennstoff enthaltenen Kohlenstoffanteile oxidieren zu CO2 welches dem Abgas an geeigneter Stelle d. h. nach der ersten und/oder zweiten Kondensationsstufe entzogen wird.
  • Der so erzeugte Wasserdampf wird teilweise in den Turbinenteil abgeleitet, um den in ihm enthaltenen Energieanteil in Rotationsenergie umzuwandeln, und zu einem geringeren Teil in einem Wärmetauscher zu Wasser auskondensiert.
  • Zur Aussonderung noch eventuell vorhandener Schadstoffe im Wasser wird dieses zunächst über einen Verdampfer/Kondensator-Prozess erneut destilliert und dann über Aktivkohlefilter nachbehandelt.
  • Der Verdampfer wird mit der Prozesswärme der Brennstoffzelle betrieben. Ebenso werden die Aktivkohlefilter mit der Prozesswärme der Brennstoffzelle auf einem Temperaturniveau betrieben, welches eine Verkeimung der Filter ausschließt. Zur Regeneration der Aktivkohle werden die Filter jeweils wechselseitig mit Brennstoffzellen-Prozesswärme regeneriert. Nach der Aktivkohlefiltration erfolgt eine erneute Kondensation und Absenkung des Temperaturniveaus des Wassers.

Claims (28)

  1. Anordnung zur Erzeugung von Wasser an Bord eines Luftfahrzeuges, die folgende Merkmale umfasst: – ein Flugzeugtriebwerk mit einem mehrstufigen Triebwerkskompressor (31, 32) und einer mehrstufigen Triebwerksturbine (33, 34); – eine Wasserversorgungseinheit in Form von mindestens einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1), die zwischen dem Triebwerkskompressor (31, 32) und der Triebwerksturbine (33, 34) angeordnet ist; – ein Reformer (2) zur Abspaltung von Wasserstoff aus einem Brennstoff für das Flugzeugtriebwerk; – jeweils eine Zuführeinrichtung in die mindestens eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) für den Wasserstoff aus dem Reformer (2) und für die verdichtete Luft aus dem Triebwerkskompressor (31, 32); – eine Abführeinrichtung für die in der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) durch einen Oxidationsprozess erhitzte Luft, wobei diese wenigstens zum Teil der Triebwerksturbine (33, 34) zur Entspannung zugeleitet wird; und – mindestens ein Mittel (6, 7) zur Durchführung eines Kondensationsprozesses, das der mindestens einen Hochtemperatur-Brennstoffzelle (1) abgasseitig nachgeschaltet ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperatur-Brennstoffzellen (1) vom Typ Oxidkeramik-Brennstoffzelle (SOFC – Solid Oxide Fuel Cell) oder Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell) ausgeführt sind oder einem in Leistung und Temperaturniveau vergleichbaren Typ angehören.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen beidseitig auf der Luftseite einerseits und auf der Brennstoffseite andererseits mit Druck beaufschlagbar ausgeführt ist.
  4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (z. B. Kerosin) mit Grauwasser vermischt und/oder emulgiert wird.
  5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verdampfung des Brennstoffgemisches (3) ein Verdampfer (3a) vorgesehen ist, dem ein interner Reformerprozess (2) der Brennstoffzelle (1) nachgeordnet ist.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (3a) mit der Prozesswärme der Brennstoffzelle (1) betreibbar ausgeführt ist.
  7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (3a) ringförmig um die Brennstoffzelle (1) angeordnet ist.
  8. Anordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdampfer (3a) ein Kompressor (8) nachgeschaltet ist.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (8) über eine Abgasturbine (6) antreibbar ausgeführt ist.
  10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (6) mit dem Abgas (5) der Brennstoffzelle (1) betreibbar ausgeführt ist.
  11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (6) eine Stufe des Kondensationsprozesses bildet.
  12. Anordnung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (6) und der Kompressor (8) einfach oder mehrfach vorhanden ist.
  13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehrfacher Anordnung der Kompressoren (8) neben den Brennstoff-Kompressoren auch Kompressoren für Druckluft und Hydraulik vorgesehen sind.
  14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stufe des Kondensationsprozesses als ein Wärmetauscher (7) ausgeführt ist.
  15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) im Luftstrom des Triebwerkes und/oder im Luftstrom an der Triebwerks-Außenhaut betrieben wird.
  16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kondensationsprozess (6, 7) ein Verdampfer/Kondensatorprozess (14a, 14b) zur Wasserpurifikation nachgeschaltet ist.
  17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (14a) mit der Prozesswärme der Brennstoffzelle (1) betreibbar ausgeführt ist.
  18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (14a) ringförmig um die Brennstoffzelle (1) angeordnet ist.
  19. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (14b) im Luftstrom des Triebwerkes und/oder im Luftstrom an der Triebwerks-Außenhaut betrieben wird.
  20. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abgas (5) das CO2 (13) nach den Kondensationsprozessen des Wärmetauschers (7) und/oder des Kondensators (14b) entzogen wird.
  21. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdampfer/Kondensator (14a, 14b,) eine Aktivkohlefiltration (15a, 15b) nachgeschaltet ist.
  22. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohlefilter (15a, 15b) in der Nähe der Brennstoffzelle (1) angeordnet sind und mit der Prozesswärme der Brennstoffzelle (1) regeneriert werden.
  23. Anordnung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Aktivkohlefiltration (15a, 15b) Wasser in destillierter Qualität abgenommen wird.
  24. Anordnung nach einem der Ansprüche 21 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des erzeugten Wassers dem erhitzten Luftstrom vor den Turbinenstufen des Triebwerkes (33, 34) zugeführt wird.
  25. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenstufen des Triebwerkes die Kompressorstufen (31, 32) und den Fan (30) des Triebwerkes betreiben, wobei die Kompressorstufen (31, 32) die Brennstoffzelle (1) Luftseitig mit Druck beaufschlagen und der Fan (30) den Schub erzeugt.
  26. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (1) auch ohne Druckbeaufschlagung durch die Kompressoren (31, 32 und 8) betreibbar ausgeführt ist.
  27. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Triebwerkskompressor (32) und die Triebwerksturbine (33) zur Luftversorgung und Kühlung der Brennstoffzelle (1) mit verminderter Drehzahl mitdrehen, während der Fan (30), die Triebwerkskompressor-Vorstufe (31) und die Triebwerksturbinen-Niederdruckstufe (34) gebremst werden.
  28. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, gekennzeichnet durch ein mittels Druckluft startbares Triebwerk.
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