EP1567412B1

Device for producing water on board of an airplane

Abstract

A device for producing water on board an aircraft includes at least one high temperature fuel cell entirely or partially integrated into a combustion chamber arrangement of a gas turbine aircraft engine. The combination of at least one fuel cell and a gas turbine engine is adapted to operate exclusively with hydrogen and atmospheric oxygen, and is embodied in an aircraft propulsion engine and/or an auxiliary power unit used for producing compressed air for a cabin and a power supply of the aircraft. The at least one high temperature fuel cell is fed with pure hydrogen on an anode side and with air on a cathode side. The combustion chambers of the turbine engine are fed with an air-hydrogen mixture, whereby at least the hydrogen supply can be regulated or completely shut off.

EP1567412B1, drawing sheet 1
Sheet 1 of 1

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Expired 21 October 2023, 2.9 years ago.

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20 claims: 1 independent, 19 dependent

  1. 1
    Anordnung zur Erzeugung von Wasser an Bord eines Luftfahrzeuges mittels einer oder mehreren Brennstoffzellen, wobei die Anordnung aufweist:eine oder mehrere Hochtemperatur-Brennstoffzellen (7);ein Triebwerk (2) mit einem Kompressor (5,6), Brennkammern (7a) und einer ein- oder mehrstufigen Turbine (8, 9);wobei eine oder mehrere Hochtemperatur-Brennstoffzellen (7) zwischen dem Kompressor (5,6) und der ein- oder mehrstufigen Turbine (8, 9) integriert sind, so dass die Brennkammern (7a) des Triebwerkes (2) zumindest teilweise durch die eine oder mehreren Hochtemperatur-Brennstoffzellen (7) ersetzt sind und der in den Brennkammern (7a) stattfindende Prozess zumindest ergänzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammern (7a) und die eine oder mehrere Hochtemperatur-Brennstoffzellen (7) eine Wasserstoffzufuhr (15) aufweisen;dass die eine oder mehrere Hochtemperatur-Brennstoffzellen (7) als 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;dass den einen oder mehreren Hochtemperatur-Brennstoffzellen (7) anodenseitig mittels der Wasserstoffzufuhr (15) reiner Wasserstoff zuführbar ist;dass den Hochtemperatur-Brennstoffzellen (7) kathodenseitig Luft (3) aus dem Kompressor (5, 6) zuführbar ist;dass die eine oder mehrere Hochtemperatur-Brennstoffzellen (7) eingerichtet sind, anodenseitig Anodenabgas (35) bereitzustellen;dass den Brennkammern (7a) Luft (3) aus dem Kompressor (5, 6) und mittels der Wasserstoffzufuhr (15) Wasserstoff (15) zuführbar sind;dass die Wasserstoffzufuhr (15) regulierbar oder vollständig abschaltbar ausgeführt ist;dass der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (7) anodenseitig mindestens eine weitere ein- oder mehrstufige Turbine (16) nachgeschaltet ist, so dass die thermische Energie des Anodenabgases (35) in Rotationsenergie umwandelbar ist;und dass dieser weiteren ein- oder mehrstufigen Turbine (16) ein Kondensator (18) nachgeschaltet ist, so dass Wasser aus einem Teil des Anodenabgases der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (7) auskondensierbar ist.
  2. 2
    Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung der thermischen Energie durch eine oder mehrere Kombinationen unterschiedlicher Wärmekraftmaschinen, insbesondere durch eine Kombination der weiteren Turbine (16) und einem Stirling Motor erfolgt.
  3. 3
    Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnene mechanische Energie einem Kompressor (13) zugeführt wird.
  4. 4
    Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (13) zur Druckbeaufschlagung der Anodenseite mit Wasserstoff (15) verwendet wird.
  5. 5
    Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperatur- Brennstoffzellen (7) beidseitig auf der Luft- bzw. Sauerstoffseite einerseits und auf der Brennstoff- bzw. Wasserstoffseite andererseits mit Druck beaufschlagbar ausgeführt sind, wobei gleiche oder auch unterschiedliche Drücke anodenseitig und kathodenseitig zulässig sind.
  6. 6
    Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffzufuhr (15) eingerichtet ist, flüssigen oder gasförmigen Wasserstoff bereitzustellen.
  7. 7
    Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend einen Verdampfer (17);wobei der Verdampfer (17) eingerichtet ist, flüssigen Wasserstoff (1) vor dem Eintritt in die eine oder mehrere Hochtemperatur-Brennstoffzellen (7) oder den Brennkammern (7a) zu verdampfen.
  8. 8
    Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (17) mit der Prozesswärme des Kondensators (18) betreibbar ausgeführt ist.
  9. 9
    Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (17) ringförmig um den Kondensator (18) oder kreisförmig innerhalb des Kondensators (18) angeordnet und als Rohrbündel-Wärmetauscher ausgeführt ist.
  10. 10
    Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kondensator (18) Kühlluft (19) bereitstellbar ist.
  11. 11
    Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner aufweisend einen Grauwassersammler (32);wobei dem Grauwassersammler (32) gebrauchtes Wasser und Kondensat des Kondensators (18) zuführbar sind.
  12. 12
    Anordnung nach Anspruch 11, ferner aufweisend ein Grauwasserverdampfer (33), eine Pumpe (37) und einen Filter;wobei das Grauwasser aus dem Grauwassersammler (32) mittels der Pumpe (37) in den Grauwasserverdampfer (33) beförderbar ist;und wobei der Filter eingerichtet ist, Fest- und Schwebstoffen aus dem Grauwasser zurückzuhalten;wobei der Grauwasserverdampfer (33) eingerichtet ist, eine im Kondensator (18) erwärmte Warmluft (20) zum Verdampfen von Grauwasser in dem Grauwasserverdampfer (33) zu benutzen.
  13. 13
    Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Turbine (8,9) eine Niederdruckstufe (9) und eine Hochdruckstufe (8) aufweist;wobei das Anodenabgas (35) vor der Niederdruckstufe (9) einblasbar ist und dort mit einer Kathodenabluft aus der einen oder mehreren Hochtemperatur-Brennstoffzellen (7) vermischbar ist.
  14. 14
    Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der thermischen Energie des Anodenabgases (35) Keime und Mikroorganismen aus dem Grauwasser (32) thermisch abtötbar sind.
  15. 15
    Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kondensator (18) Wasser in destillierter Qualität entnommen und verteilt wird, und dass Galleys (23), Handwaschbecken (24) und Duschen (25) mit einem durch Zudosierung von Salz (23) generierten Trinkwasser (22) sowie die WCs (27) und die Luftbefeuchtung (26) mit destilliertem Wasser versorgbar sind.
  16. 16
    Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenstufen (8, 9) sowohl die Kompressorstufen (5, 6) als auch den Fan (11) betreiben, und dass die Kompressorstufen (5, 6) sowohl die Hochtemperatur-Brennstoffzellen (7) als auch die Brennkammern (7a) luftseitig mit Druck beaufschlagen.
  17. 17
    Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Triebwerk (2) einen Fan (11) aufweist;wobei die Luft (3) mittels des Fans (11) komprimierbar ist;wobei die komprimierte Luft (3) bei dem Triebwerk (2) zum Vortrieb oder bei einer APU zur Druckbeaufschlagung der Druckluftsysteme und/oder der Klimaanlage verwendet wird.
  18. 18
    Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils Fan (11) mit 1. Kompressorstufe (5) und 2. Turbinenstufe (9) sowie 2. Kompressorstufe (6) und 1. Turbinenstufe (8) miteinander gekoppelt sind und auf koaxialen Wellen ineinander mit unterschiedlichen Drehzahlen laufen.
  19. 19
    Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, ferner aufweisend einen Abwassertank (28);wobei in dem Abwassertank (28) Abwasser sammelbar ist, ganz oder teilweise dehydrierbar ist und der so gewonnene Wasseranteil dem Grauwassersammler (32) zugeführt wird.
  20. 20
    Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammern (7a) oder die eine oder mehrere Hochtemperatur-Brennstoffzellen (7) abschaltbar sind.
Independent claims20