DE102024100860A1

DE102024100860A1 - FUEL CELL SYSTEM

Info

Publication number: DE102024100860A1
Application number: DE102024100860.1A
Authority: DE
Inventors: Barnaby Law
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2024-01-12
Filing date: 2024-01-12
Publication date: 2025-07-17
Also published as: WO2025149136A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensystem für einen Flugantrieb, mit einem ersten Brennstoffzellenstapel, einem zweiten Brennstoffzellenstapel, und einem Versteifungselement, wobei der erste Brennstoffzellenstapel und der zweite Brennstoffzellenstapel jeweils mehrere in einer Stapelrichtung aneinandergesetzte Brennstoffzellen aufweisen, und wobei das Versteifungselement sowohl den ersten als auch den zweiten Brennstoffzellenstapel in Richtungen quer zu der Stapelrichtung stabilisiert. The present invention relates to a fuel cell system for an aircraft propulsion system, comprising a first fuel cell stack, a second fuel cell stack, and a stiffening element, wherein the first fuel cell stack and the second fuel cell stack each comprise a plurality of fuel cells placed next to one another in a stacking direction, and wherein the stiffening element stabilizes both the first and the second fuel cell stack in directions transverse to the stacking direction.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für einen Flugantrieb.The present invention relates to a fuel cell system for aircraft propulsion.

Stand der TechnikState of the art

Das Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel auf, auch als Stack bezeichnet. In einem solchen Brennstoffzellenstapel sind mehrere Brennstoffzellen in einer Stapelrichtung aneinandergesetzt, wobei sich über die Anzahl der auf diese Weise in Reihe geschalteten Brennstoffzellen bspw. die Leistung bzw. Spannung des Stapels auf die Anwendung anpassen lässt. Wie nachstehend im Detail diskutiert, kann zur mechanischen Fixierung der Brennstoffzellen des Stapels endseitig ein Abdeckelement vorgesehen sein, das auch als Endplatte bezeichnet wird. Dieses Abdeckelement kann entgegen der Stapelrichtung gegen die Brennstoffzellen gedrückt werden bzw. verspannt sein, die aneinandergesetzten Zellen also in Stapelrichtung zusammenhalten.The fuel cell system comprises a fuel cell stack, also referred to as a stack. In such a fuel cell stack, several fuel cells are arranged one after the other in a stacking direction. The number of fuel cells connected in series in this way allows, for example, the power or voltage of the stack to be adapted to the application. As discussed in detail below, a cover element, also referred to as an end plate, can be provided at the ends to mechanically secure the fuel cells in the stack. This cover element can be pressed or clamped against the fuel cells against the stacking direction, thus holding the adjacent cells together in the stacking direction.

Darstellung der ErfindungDescription of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein vorteilhaftes Brennstoffzellensystem anzugeben.The present invention is based on the technical problem of providing an advantageous fuel cell system.

Dies wird erfindungsgemäß mit dem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 gelöst. Dieses weist mindestens zwei Brennstoffzellenstapel auf, nämlich in der Terminologie der Ansprüche einen „ersten“ und einen „zweiten“ Brennstoffzellenstapel. Zusätzlich ist ein Versteifungselement vorgesehen, das eine Stabilisierung in Richtungen quer zur Stapelrichtung schafft. Dabei stabilisiert das Versteifungselement sowohl den ersten als auch den zweiten Brennstoffzellenstapel in Querrichtung, werden also in anderen Worten mit demselben Versteifungselement mehrere Brennstoffzellenstapel gegen Schubkräfte stabilisiert.This is achieved according to the invention with the fuel cell system according to claim 1. This system has at least two fuel cell stacks, namely, in the terminology of the claims, a "first" and a "second" fuel cell stack. Additionally, a stiffening element is provided, which provides stabilization in directions transverse to the stacking direction. The stiffening element stabilizes both the first and second fuel cell stacks in the transverse direction; in other words, multiple fuel cell stacks are stabilized against shear forces using the same stiffening element.

Solche Schubkräfte können im Betrieb bspw. durch Vibrationen oder Schräglagen im Flugbetrieb auftreten, z. B. beim Kurvenflug. Infolgedessen können die Brennstoffzellen innerhalb eines jeweiligen Stapels, auch wenn sie in der Stapelrichtung zusammengedrückt werden (siehe vorne), quer zur Stapelrichtung ein Stück weit ausgelenkt werden bzw. verrutschen. Dies kann eine mechanische Belastung darstellen, bspw. für die zwischen einzelnen Platten der Zellen angeordneten Dichtungen, kann also umgekehrt die Stabilisierung z. B. Degradations- bzw. Ermüdungsprozessen vorbeugen. Indem dabei dasselbe Versteifungselement für mehrere Brennstoffzellenstapel genutzt wird, lässt sich ein mit der Stabilisierung verbundenes Mehrgewicht zumindest reduzieren, was hinsichtlich der Fluganwendungen von Vorteil sein kann. Zusammengefasst können im Flugbetrieb besondere Belastungen auftreten, denen mit dem vorliegenden Ansatz vorgebeugt werden kann, auch unter Berücksichtigung von Gewichtserfordernissen.Such thrust forces can occur during operation, for example, due to vibrations or tilting during flight, e.g., during cornering. As a result, the fuel cells within a particular stack, even if they are compressed in the stacking direction (see above), can be deflected or slip slightly transversely to the stacking direction. This can represent a mechanical load, e.g., for the seals arranged between individual cell plates. Conversely, stabilization can prevent degradation or fatigue processes, for example. By using the same stiffening element for several fuel cell stacks, the additional weight associated with stabilization can at least be reduced, which can be advantageous for flight applications. In summary, special loads can occur during flight, which can be prevented with the present approach, also taking weight requirements into account.

Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Wird bspw. ein bestimmtes Brennstoffzellensystem beschrieben, ist dies zugleich als Offenbarung eines Flugantriebs mit einem solchen Brennstoffzellensystem bzw. auf dessen Anwendung in einem Luftfahrzeug zu lesen.Preferred embodiments can be found in the dependent claims and the entire disclosure, whereby the presentation of the features does not always distinguish in detail between device and method or use aspects; in any case, the disclosure is implicitly to be read with regard to all claim categories. For example, if a specific fuel cell system is described, this should also be read as a disclosure of an aircraft propulsion system with such a fuel cell system or its application in an aircraft.

In der „Stapelrichtung“ sind die Brennstoffzellen des jeweiligen Brennstoffzellenstapels aufeinander folgend angeordnet, senkrecht zur Stapelrichtung haben die Brennstoffzellen bspw. jeweils ihre flächige Erstreckung (und wird dementsprechend ihre Fläche genommen). Je Stapel können bspw. eine zwei- oder auch dreistellige Zahl von Brennstoffzellen aneinandergesetzt sein, ein jeweiliger Stapel kann also bspw. auch mehrere 100 Brennstoffzellen umfassen. Im Einzelnen kann eine jeweilige Brennstoffzelle auch ihrerseits wiederum mehrlagig aufgebaut sein, bspw. eine katalysatorbeschichtete Membranlage bzw. „Katalysatormembralage“ und eine Platte bzw. „Bipolarplatte“ aufweisen, die eine Kanalstruktur (flow field) bildet, über welche die Katalysatormembranlage bspw. mit Reaktionsgas versorgt werden kann. In the "stacking direction," the fuel cells of the respective fuel cell stack are arranged one after the other; perpendicular to the stacking direction, for example, the fuel cells each have their planar extent (and their area is taken accordingly). For example, a two- or even three-digit number of fuel cells can be placed next to one another, so a respective stack can, for example, comprise several hundred fuel cells. In detail, a respective fuel cell can itself also be constructed in multiple layers, for example, having a catalyst-coated membrane layer or "catalyst membrane layer" and a plate or "bipolar plate" that forms a channel structure (flow field) through which the catalyst membrane layer can be supplied with reaction gas, for example.

Unabhängig von dem Aufbau im Einzelnen kann die vorstehend diskutierte Dichtigkeit bspw. auch hinsichtlich der Reaktionsgasversorgung Relevanz haben. Wie eingangs erwähnt, kann ein jeweiliger Brennstoffzellenstapel endseitig ein Abdeckelement aufweisen, welches die Brennstoffzellen des Stapels zusammenhält. Das endseitig angeordnete Abdeckelement wird dazu gegen die Brennstoffzellen gedrückt, insbesondere kann es zum in der Stapelrichtung entgegengesetzten Ende des Stapels hin verspannt werden. Hierfür kann ein Verspannsystem vorgesehen sein, welches bspw. einen oder mehrere Zuganker aufweisen kann.Regardless of the specific design, the tightness discussed above can also be relevant, for example, with regard to the reaction gas supply. As mentioned above, a respective fuel cell stack can have a cover element at the end that holds the fuel cells of the stack together. For this purpose, the cover element arranged at the end is pressed against the fuel cells; in particular, it can be clamped toward the end of the stack opposite in the stacking direction. A clamping system can be provided for this purpose, which can, for example, have one or more tie rods.

Unabhängig von diesen Details wird zur begrifflichen Unterscheidung im Falle des ersten Brennstoffzellenstapels auf ein „erstes Abdeckelement“ Bezug genommen und im Falle des zweiten Brennstoffzellenstapels auf ein „zweites Abdeckelement“. Dabei kann ein jeweiliger Stapel auch noch ein weiteres Abdeckelement am in der Stapelrichtung entgegengesetzten Ende aufweisen, also der erste Brennstoffzellenstapel ein weiteres Abdeckelement dem ersten Abdeckelement entgegengesetzt und der zweite Brennstoffzellenstapel ein weiteres Abdeckelement dem zweiten Abdeckelement entgegengesetzt. Die einander entgegengesetzten Abdeckelemente können dabei je Stapel zueinander mit dem Verspannsystem verspannt sein, bspw. mit einem oder mehreren Zugankern.Irrespective of these details, for the purpose of conceptual differentiation, reference is made to a “first cover element” in the case of the first fuel cell stack and to a “second cover element” in the case of the second fuel cell stack. A respective stack may also have a further cover element on the stacking direction. opposite end, i.e., the first fuel cell stack has a further cover element opposite the first cover element, and the second fuel cell stack has a further cover element opposite the second cover element. The opposing cover elements can be clamped to one another with the clamping system for each stack, for example, with one or more tie rods.

In bevorzugter Ausgestaltung stabilisiert das Versteifungselement das erste Abdeckelement, beugt es also bspw. einer Auslenkung des ersten Abdeckelements quer zur Stapelrichtung vor. Bevorzugt ist das Versteifungselement dabei mit dem ersten Abdeckelement verbunden, siehe unten im Detail. Relativ zum zweiten Brennstoffzellenstapel kann das Versteifungselement dabei im Allgemeinen bspw. auch an dessen Verspannsystem anschließen, etwa mit einem Zuganker verbunden sein.In a preferred embodiment, the stiffening element stabilizes the first cover element, thus preventing, for example, a deflection of the first cover element transverse to the stacking direction. The stiffening element is preferably connected to the first cover element, see below for details. Relative to the second fuel cell stack, the stiffening element can generally also be connected to its bracing system, for example, by being connected to a tie rod.

In bevorzugter Ausgestaltung stabilisiert das Versteifungselement jedoch das erste und das erste Abdeckelement zueinander, wozu es bspw. sowohl mit dem ersten als auch dem zweiten Abdeckelement verbunden sein kann. Das Versteifungselement kann das erste und zweite Abdeckelement bspw. senkrecht zur Stapelrichtung in einer definierten Relativposition halten, etwa einer Bewegung der Abdeckelemente voneinander weg und/oder aufeinander zu vorbeugen.In a preferred embodiment, however, the stiffening element stabilizes the first and second cover elements relative to one another, for which purpose it can, for example, be connected to both the first and second cover elements. The stiffening element can hold the first and second cover elements in a defined relative position, for example, perpendicular to the stacking direction, for example, preventing the cover elements from moving away from one another and/or toward one another.

Bezogen auf eine Ausrichtung des montierten Brennstoffzellensystems, bspw. bezogen auf dessen Anordnung in einem Flugantrieb bzw. Luftfahrzeug, liegen das erste und zweite Abdeckelement bevorzugt jeweils oberseitig des jeweiligen Brennstoffzellenstapels. Im Einzelnen bezieht sich die Orientierung hierbei auf das ruhende Luftfahrzeug (wenn dieses horizontal auf dem Boden abgestellt ist); in anderen Worten liegt die Stapelrichtung dann bspw. vertikal. Die Brennstoffzellenstapel sind mit dem Versteifungselement jedenfalls auch an ihren oberen Enden relativ zueinander stabilisiert, im Falle eines dreidimensionalen Versteifungskörpers (siehe unten im Detail) kann dieser unterhalb zusätzlich eine Versteifung schaffen.With respect to the orientation of the assembled fuel cell system, for example, with respect to its arrangement in an aircraft engine or aircraft, the first and second cover elements are preferably located on top of the respective fuel cell stack. Specifically, the orientation refers to the stationary aircraft (when it is parked horizontally on the ground); in other words, the stacking direction is then, for example, vertical. The fuel cell stacks are also stabilized relative to one another at their upper ends by the stiffening element; in the case of a three-dimensional stiffening body (see below for details), this can provide additional stiffening underneath.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegen das erste und zweite Abdeckelement in einer gemeinsamen Ebene. Diese Ebene kann bspw. senkrecht zur jeweiligen Stapelrichtung liegen und das jeweilige Abdeckelement schneiden. Bevorzugt liegt dann auch das Versteifungselement in der gemeinsamen Ebene, also jedenfalls ein Anteil bzw. Abschnitt des Versteifungselements (vergleiche den dreidimensionalen Versteifungskörper nachstehend). Auch eine vom Versteifungselement zwischen den Abdeckelementen vermittelte Stabilisierungskraft kann bspw. bei vektorieller Betrachtung in der Ebene liegen bzw. zumindest einen in der Ebene liegenden Anteil haben.According to a preferred embodiment, the first and second cover elements lie in a common plane. This plane can, for example, be perpendicular to the respective stacking direction and intersect the respective cover element. Preferably, the stiffening element also lies in the common plane, i.e., at least a portion or section of the stiffening element (compare the three-dimensional stiffening body below). A stabilizing force imparted by the stiffening element between the cover elements can also lie in the plane, for example, when viewed vectorially, or have at least a portion lying in the plane.

Im Allgemeinen kann das Versteifungselement bspw. auch monolithisch mit einem Abdeckelement ausgebildet sein, also unterbrechungsfrei durchgehend aus demselben Material geformt sein. Dabei kann das Verstärkungselement bspw. als seitlich, z. B. senkrecht zur Stapelrichtung, an dem Abdeckelement hervortretender Steg oder Zapfen etc. geformt sein, der dann bspw. am anderen Abdeckelement befestigt werden kann.In general, the stiffening element can also be formed monolithically with a cover element, i.e., it can be formed continuously from the same material without interruption. The reinforcing element can, for example, be formed as a web or pin, etc., protruding laterally from the cover element, e.g., perpendicular to the stacking direction, which can then be attached to the other cover element, for example.

In bevorzugter Ausgestaltung ist das Versteifungselement jedoch sowohl am ersten als auch am zweiten Abdeckelement befestigt, wobei diese Befestigung stoff-, form- und/oder kraftschlüssig sein kann. Das Versteifungselement kann also bspw. an dem bzw. den Abdeckelement(en) verschraubt und/oder verhakt sein, im Allgemeinen aber bspw. auch damit verschweißt werden. Eine Kraft- und/oder formschlüssige Verbindung kann demgegenüber aber bspw. hinsichtlich Montage bzw. auch Demontage, etwa zu Wartungszwecken, Vorteile bieten.In a preferred embodiment, however, the stiffening element is attached to both the first and second cover elements, whereby this attachment can be materially, positively, and/or force-fitting. The stiffening element can therefore be screwed and/or hooked to the cover element(s), for example, but generally can also be welded to it, for example. A force-fitting and/or positive-fitting connection can, however, offer advantages, for example, with regard to assembly or disassembly, for example for maintenance purposes.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Versteifungselement mindestens eine Strebe auf, im Allgemeinen kann das Versteifungselement auch in Form einer einzigen Strebe vorgesehen sein. Bevorzugt weist es jedoch eine Mehrzahl Streben auf, die bspw. jeweils entlang ihrer Längsrichtung eine Stabilisierungsfunktion haben. Bevorzugt ist die mindestens eine bzw. sind die Strebe(n) in Längsrichtung steif, stabilisiert sie also jeweils hinsichtlich Zug und Druck.According to a preferred embodiment, the stiffening element comprises at least one strut; in general, the stiffening element can also be provided in the form of a single strut. However, it preferably comprises a plurality of struts, each of which has a stabilizing function along its longitudinal direction, for example. Preferably, the at least one strut(s) is stiff in the longitudinal direction, thus stabilizing it in terms of tension and compression.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, welche die in einer Ebene angeordneten Abdeckelemente betrifft, erstreckt sich auch die mindestens eine Strebe in der gemeinsamen Ebene. Bevorzugt verläuft die mindestens eine Strebe dabei diagonal zwischen den Abdeckelementen. Ein Viereck, insbesondere Rechteck, welches in der Ebene zwischen dem ersten und zweiten Abdeckelement liegt, wird von der „diagonalen“ Strebe bspw. diagonal gekreuzt. Besonders bevorzugt kreuzen mindestens zwei Streben besagtes Viereck, wobei es zusätzlich auch eine oder mehrere Streben entlang der Seitenkanten geben kann.According to a preferred embodiment, which relates to the cover elements arranged in a plane, the at least one strut also extends in the common plane. Preferably, the at least one strut runs diagonally between the cover elements. A quadrilateral, in particular a rectangle, which lies in the plane between the first and second cover elements, is crossed, for example, diagonally by the "diagonal" strut. Particularly preferably, at least two struts cross said quadrilateral, whereby there may also be one or more struts along the side edges.

Sind mehr als zwei Brennstoffzellenstapel vorgesehen, bspw. auch ein dritter Brennstoffzellenstapel, sowie gegebenenfalls ein vierter Brennstoffzellenstapel, können auch zwischen deren Abdeckelementen eine oder mehrere Streben vorgesehen sein. In allgemeinen Worten können bspw. jeweils zwischen zwei Abdeckelementen benachbarter Brennstoffzellenstapel jeweils mindestens zwei Streben vorgesehen sein. Bevorzugt kreuzen dabei diese mindestens zwei Streben ein zwischen den jeweiligen Abdeckelementen liegendes Vier- bzw. Rechteck diagonal, siehe vorne.If more than two fuel cell stacks are provided, for example, a third fuel cell stack, and possibly a fourth fuel cell stack, one or more struts can also be provided between their cover elements. In general terms, for example, at least two struts can be provided between each two cover elements of adjacent fuel cell stacks. Preferably, these at least two struts form a square or rectangle diagonally between the respective cover elements, see front.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Versteifungselement mindestens eine Platte auf. Diese ist bevorzugt so angeordnet, dass ihre Flächenerstreckung gewinkelt, insbesondere senkrecht zur Stapelrichtung liegt. Damit liegen die Quer- bzw. Schubbelastungen in der Plattenfläche bzw. -ebene, womit sich auch bei vergleichsweise geringen Dicken eine gute Stabilisierung erreichen lässt.According to a preferred embodiment, the stiffening element comprises at least one plate. This plate is preferably arranged such that its surface extension is angled, in particular perpendicular to the stacking direction. Thus, the transverse or shear loads are located in the plate surface or plane, thus achieving good stabilization even with comparatively thin thicknesses.

In bevorzugter Ausgestaltung liegt die mindestens eine Platte mit dem ersten und zweiten Abdeckelement in der gemeinsamen Ebene. Die Platte kann insbesondere das vorstehend im Kontext der Streben erwähnte Rechteck ausfüllen. Sind mittels der Platte mehr als zwei Abdeckelemente zueinander stabilisiert, ist also bspw. ein dritter und gegebenenfalls vierter Brennstoffzellenstapel vorgesehen, so kann die Platte deren Zwischenraum entsprechend ausfüllen, bspw. eine L- oder insbesondere KreuzForm haben.In a preferred embodiment, the at least one plate lies in the common plane with the first and second cover elements. The plate can, in particular, fill the rectangle mentioned above in the context of the struts. If more than two cover elements are stabilized relative to one another by means of the plate, for example, a third and possibly fourth fuel cell stack is provided, the plate can fill the space between them accordingly, for example, having an L-shape or, in particular, a cross-shape.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Platte Teil eines dreidimensionalen Körpers, bspw. einer quaderförmigen Kiste. Das Versteifungselement ist also in anderen Worten ein Versteifungskörper, der die Brennstoffzellenstapel dann bspw. nicht nur zwischen den oberen Abdeckelementen, sondern auch an anderen Stellen darunter relativ zueinander stabilisiert. Im Falle der Kiste kann die zwischen den Abdeckelementen angeordnete koplanare Platte bspw. eine obere Seitenwand der Kiste sein, letztere kann bspw. zusätzlich seitlich Platten als Seitenwände aufweisen, sowie gegebenenfalls eine untere Seitenwand als Boden. Die Kiste muss aber nicht zwingend allumseitig geschlossen sein, z. B. ihre den Brennstoffzellen zugewandten Seitenflächen können auch offen sein.According to a preferred embodiment, the plate is part of a three-dimensional body, e.g., a cuboid-shaped box. In other words, the stiffening element is a stiffening body that stabilizes the fuel cell stacks relative to one another, for example, not only between the upper cover elements, but also at other locations underneath. In the case of the box, the coplanar plate arranged between the cover elements can, for example, be an upper side wall of the box; the latter can, for example, additionally have lateral plates as side walls, and optionally a lower side wall as the base. However, the box does not necessarily have to be closed on all sides; for example, its side surfaces facing the fuel cells can also be open.

Wie mehrfach erwähnt, kann das Brennstoffzellensystem auch mehr als zwei Brennstoffzellenstapel aufweisen, also jedenfalls einen dritten Brennstoffzellenstapel (wobei insgesamt auch mehr als drei Brennstoffzellenstapeln möglich sind). Bevorzugt stabilisiert das Versteifungselement dann zusätzlich auch den dritten Brennstoffzellenstapel, sowie gegebenenfalls einen vierten Brennstoffzellenstapel, soweit vorhanden. Es wird auf die Anmerkung eingangs verwiesen, die Mehrfachnutzung kann z. B. Gewichtsvorteile bieten. Zudem kann durch das Verbinden mit weiteren Brennstoffzellenstapeln auch die Steifigkeit weiter erhöht werden.As mentioned several times, the fuel cell system can also have more than two fuel cell stacks, i.e., at least a third fuel cell stack (although more than three fuel cell stacks are also possible). Preferably, the stiffening element then also stabilizes the third fuel cell stack, as well as a fourth fuel cell stack, if present. Reference is made to the initial note; multiple use can, for example, offer weight advantages. Furthermore, connecting it to additional fuel cell stacks can further increase rigidity.

Die Erfindung betrifft auch einen Flugantrieb, der zusätzlich zu einem vorliegend offenbarten Brennstoffzellensystem einen mechanischen Leistungserzeuger und einen Propulsor aufweist. Letzterer dient der Vorschuberzeugung, er kann bspw. in Form eines Propellers vorgesehen sein. Bei dem mechanischen Leistungserzeuger kann es sich insbesondere um einen Elektromotor handeln, der den Propulsor bzw. Propeller in Rotation antreibt. Dabei setzt der mechanische Leistungserzeuger elektrische Leistung um, diese wird ihm von dem Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt.The invention also relates to an aircraft propulsion system that, in addition to a fuel cell system disclosed herein, has a mechanical power generator and a propulsor. The latter serves to generate thrust; it can be provided, for example, in the form of a propeller. The mechanical power generator can, in particular, be an electric motor that drives the propulsor or propeller in rotation. The mechanical power generator converts electrical power, which is provided to it by the fuel cell system.

Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines vorliegend offenbarten Brennstoffzellensystems bzw. Flugantriebs in einem Luftfahrzeug, insbesondere in einem Flugzeug. Dabei stabilisiert das Versteifungselement die Brennstoffzellenstapel gegen im Betrieb auftretende Schubkräfte, die bspw. auch durch Beschleunigung/Verzögerung entstehen bzw. auf Vibrationen zurückgehen können, vgl. die Anmerkungen eingangs.The invention further relates to the use of a fuel cell system or aircraft propulsion system disclosed herein in an aircraft, in particular in an airplane. The stiffening element stabilizes the fuel cell stack against thrust forces occurring during operation, which may also arise, for example, from acceleration/deceleration or be due to vibrations (see the initial remarks).

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch unabhängig voneinander von Interesse sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.In the following, the invention is explained in more detail using exemplary embodiments, whereby the individual features can also be of interest independently of one another within the scope of the independent claims and no distinction is made in detail between the different claim categories.

Im Einzelnen zeigt

1 in schematischer Darstellung ein Luftfahrzeug mit einem Flugantrieb mit Brennstoffzellensystem;
2 einen einzelnen Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems zur Illustration einiger Details;
3 ein Brennstoffzellensystem mit vier Brennstoffzellenstapeln und einem Versteifungselement;
4 ein Brennstoffzellensystem mit vier Brennstoffzellenstapeln, mit einem zu 3 alternativen Versteifungselement;
5 ein Brennstoffzellensystem mit vier Brennstoffzellenstapeln, mit einem zu 3/4 alternativen Versteifungselement.

In detail,

1 a schematic representation of an aircraft with a fuel cell system for flight propulsion;
2 a single fuel cell stack of a fuel cell system to illustrate some details;
3 a fuel cell system with four fuel cell stacks and a stiffening element;
4 a fuel cell system with four fuel cell stacks, with a 3 alternative stiffening element;
5 a fuel cell system with four fuel cell stacks, with a 3 /4 alternative stiffening element.

Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention

1 zeigt zur Illustration des Anwendungsumfelds ein Luftfahrzeug 1 in einer schematischen Aufsicht, im vorliegenden Beispiel ein Flugzeug. Dieses ist mit einem Antriebssystem 5 ausgestattet, welches zur Vorschuberzeugung einen Propulsor 6, vorliegend einen Propeller 7, aufweist. Dieser wird von einem mechanischen Leistungserzeuger 8, vorliegend Elektromotor 9, angetrieben. Zur Versorgung mit elektrischer Leistung ist ein Brennstoffzellensystem 10 vorgesehen, das in diesem Beispiel gemeinsam mit den anderen Komponenten am Flügel montiert ist. Dies kann einen Eintrag von Vibrationen bzw. Scherkräften im Besonderen begünstigen, vergleiche die Anmerkungen eingangs. 1 To illustrate the application environment, the figure shows a schematic top view of an aircraft 1, in this example an airplane. This is equipped with a drive system 5, which has a propulsor 6, in this case a propeller 7, for generating thrust. This is driven by a mechanical power generator 8, in this case an electric motor 9. A fuel cell system is used to supply electrical power. System 10 is provided, which in this example is mounted on the wing together with the other components. This can promote the introduction of vibrations or shear forces, in particular; see the initial comments.

2 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Brennstoffzellenstapel 20, wovon das Brennstoffzellensystem 10 dann eine Mehrzahl aufweist (siehe 3-5). In dem Brennstoffzellenstapel 20 sind in einer Stapelrichtung 21 Brennstoffzellen 22 aufeinander folgend angeordnet, bspw. rund vierhundert einzelne Brennstoffzellen 22. Diese werden von einem Abdeckelement 30 zusammengehalten, welches vorliegend als einfache Platte gezeigt ist, aber bspw. auch mit Versteifungsrippen etc. zur mechanischen Stabilisierung geformt sein kann. Am bezogen auf die Stapelrichtung 21 entgegengesetzten Ende ist ein weiteres Abdeckelement 35 vorgesehen, und die Abdeckelemente 30, 35 sind mit einem Verspannsystem 25 zueinander verspannt, in diesem Beispiel mit mehreren Zugankern 26. Damit werden die Abdeckelemente 30, 35 bezogen auf die Stapelrichtung 21 zueinander hin und damit gegen die Brennstoffzellen 22 gedrückt und halten diese in Stapelrichtung 21 zusammen. 2 shows a schematic view of a fuel cell stack 20, of which the fuel cell system 10 then has a plurality (see 3-5 ). In the fuel cell stack 20, fuel cells 22 are arranged one after the other in a stacking direction 21, for example around four hundred individual fuel cells 22. These are held together by a cover element 30, which is shown here as a simple plate, but can also be formed with stiffening ribs etc. for mechanical stabilization. At the end opposite to the stacking direction 21, a further cover element 35 is provided, and the cover elements 30, 35 are braced to one another with a bracing system 25, in this example with several tie rods 26. The cover elements 30, 35 are thus pressed towards one another with respect to the stacking direction 21 and thus against the fuel cells 22, holding them together in the stacking direction 21.

3 zeigt in einer Schrägansicht ein Brennstoffzellensystem 10 mit insgesamt vier Brennstoffzellenstapeln, nämlich einem ersten 20.1, zweiten 20.2, dritten 20.3 und vierten Brennstoffzellenstapel 20.4. Dargestellt ist dabei auch deren jeweiliges Abdeckelement 30.1-30.4, sowie das jeweilige weitere Abdeckelement 35.1-35.4 am entgegengesetzten unteren Ende (nicht sichtbar beim dritten Brennstoffzellenstapel 20.3). Der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt sind die einzelnen Brennstoffzellen sowie das jeweilige Verspannsystem. Die Stapelrichtung 21 fällt mit einer vertikalen Richtung 41 zusammen, die Abdeckelemente 30.1-30.4 liegen jeweils am oberen Ende des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 20.1-20.4. 3 shows an oblique view of a fuel cell system 10 with a total of four fuel cell stacks, namely a first 20.1, second 20.2, third 20.3, and fourth fuel cell stack 20.4. Also shown are their respective cover elements 30.1-30.4, as well as the respective additional cover elements 35.1-35.4 at the opposite lower end (not visible in the third fuel cell stack 20.3). For the sake of clarity, the individual fuel cells and the respective bracing systems are not shown. The stacking direction 21 coincides with a vertical direction 41, and the cover elements 30.1-30.4 are each located at the upper end of the respective fuel cell stack 20.1-20.4.

Zwischen den Brennstoffzellenstapeln 20.1-20.4 ist ein Versteifungselement 50 vorgesehen, dieses stabilisiert die Abdeckelemente 30.1-30.4 quer zur Stapelrichtung 21, also bezogen auf Richtungen 61, 62. Dabei stabilisiert das Versteifungselement 50 nicht nur einen einzelnen Stapel, sondern mehrere Brennstoffzellenstapel 20.1-20.4 relativ zueinander. Dazu ist das Versteifungselement 50 an den jeweiligen Abdeckelementen 30.1-30.4 befestigt, bspw. verhakt bzw. -schraubt. Das Versteifungselement 50 weist mehrere Streben 51, 52 auf, wobei sich die Streben 51 zwischen den Abdeckelementen 30.1-30.4 diagonal kreuzen und die Streben 52 als Verbindungen der Seitenkanten zusätzlich Stabilität schaffen.A stiffening element 50 is provided between the fuel cell stacks 20.1-20.4. This stiffening element stabilizes the cover elements 30.1-30.4 transversely to the stacking direction 21, i.e., relative to directions 61, 62. The stiffening element 50 stabilizes not only a single stack, but several fuel cell stacks 20.1-20.4 relative to one another. For this purpose, the stiffening element 50 is attached, e.g., hooked or screwed, to the respective cover elements 30.1-30.4. The stiffening element 50 has several struts 51, 52, with the struts 51 crossing diagonally between the cover elements 30.1-30.4, and the struts 52 connecting the side edges provide additional stability.

Auch das Brennstoffzellensystem 10 gemäß 4 weist vier Brennstoffzellenstapel 20.1-20.4 auf, bezüglich deren Ausgestaltung auf die Anmerkungen zu den 2 und 3 verwiesen wird. Die gleichen Bezugszeichen bezeichnen gleichen Teile bzw. Teile mit vergleichbarer Funktion. In 4 ist das Versteifungselement 50 in Form einer Platte 55 vorgesehen, die sich in diesem Beispiel kreuzförmig zwischen den Abdeckelementen 30.1-30.4 erstreckt. Die Platte 55 ist mit den Abdeckelementen 30.1-30.4 verbunden, bspw. über hier nicht dargestellte Ösen damit verschraubt. Die Abdeckelemente 30.1-30.4 liegen in einer gemeinsamen Ebene 65 (was auch für 3 gilt), in dieser Ebene 65 liegt auch die Platte 55.The fuel cell system 10 according to 4 has four fuel cell stacks 20.1-20.4, for the design of which refer to the notes on the 2 and 3 The same reference symbols denote the same parts or parts with a similar function. 4 The stiffening element 50 is provided in the form of a plate 55, which in this example extends crosswise between the cover elements 30.1-30.4. The plate 55 is connected to the cover elements 30.1-30.4, for example, by screwing it via eyelets not shown here. The cover elements 30.1-30.4 lie in a common plane 65 (which also applies to 3 applies), in this plane 65 also lies the plate 55.

Auch bei der Ausführungsform gemäß 5 ist eine Platte 55 zur Stabilisierung der Abdeckelemente 30.1-30.4 vorgesehen. Diese ist Teil eines dreidimensionalen Versteifungskörpers 150, der kistenförmig zwischen den Brennstoffzellenstapeln 20.1-20.4 angeordnet ist. Mit dem Versteifungskörper 150 werden die Brennstoffzellenstapel 20.1-20.4 an ihren (oberen) Abdeckelementen 30.1-30.4 und zusätzlich auch über ihre jeweilige Höhenerstreckung stabilisiert. Im Einzelnen kann die Kistenform dabei allumseitig geschlossen oder auch teilweise offen sein.Even in the embodiment according to 5 A plate 55 is provided for stabilizing the cover elements 30.1-30.4. This plate is part of a three-dimensional stiffening body 150, which is arranged in a box-like manner between the fuel cell stacks 20.1-20.4. The stiffening body 150 stabilizes the fuel cell stacks 20.1-20.4 at their (upper) cover elements 30.1-30.4 and additionally across their respective vertical extensions. Specifically, the box shape can be completely closed or partially open.

BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE SYMBOLS

11: Luftfahrzeugaircraft
55: FlugantriebFlight propulsion
66: PropulsorPropulsor
77: Propellerpropeller
88: Mechanischer LeistungserzeugerMechanical power generator
99: Elektromotorelectric motor
1010: BrenstoffzellensystemFuel cell system
2020: BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
20.120.1: Erster BrennstoffzellenstapelFirst fuel cell stack
20.220.2: Zweiter BrennstoffzellenstapelSecond fuel cell stack
20.320.3: Dritter BrennstoffzellenstapelThird fuel cell stack
20.420.4: Vierter BrennstoffzellenstapelFourth fuel cell stack
2121: StapelrichtungStacking direction
2222: BrennstoffzellenFuel cells
2525: VerspannsystemBracing system
2626: ZugankerTension rods
3030: AbdeckelementCover element
30.1-30.430.1-30.4: Erstes bis viertes AbdeckelementFirst to fourth cover element
3535: Weiteres AbdeckelementAdditional cover element
35.1-35.435.1-35.4: Erstes bis viertes weiteres AbdeckelementFirst to fourth additional cover element
4141: Vertikale RichtungVertical direction
5050: Versteifungselementstiffening element
51, 5251, 52: StrebenStriving
5555: Platteplate
61, 6261, 62: RichtungenDirections
6565: Gemeinsame EbeneCommon level
150150: Dreidimensionaler KörperThree-dimensional body

Claims

A fuel cell system (10) for an aircraft propulsion system (5), comprising a first fuel cell stack (20.1), a second fuel cell stack (20.2), and a stiffening element (50), wherein the first fuel cell stack (20.1) and the second fuel cell stack (20.2) each comprise a plurality of fuel cells (22) placed adjacent to one another in a stacking direction (21), and wherein the stiffening element (50) stabilizes both the first and the second fuel cell stack (20.1, 20.2) in directions (61, 62) transverse to the stacking direction (21).

Fuel cell system (10) according to Claim 1 , in which the first fuel cell stack (20.1) has a first cover element (30.1) which is braced against the fuel cells (22) of the first fuel cell stack (20.1) and holds them together, wherein the stiffening element (50) stabilizes the first cover element (30.1).

Fuel cell system (10) according to Claim 2 , in which the second fuel cell stack (20.2) has a second cover element (30.2) which is braced against the fuel cells (22) of the second fuel cell stack (20.2) and holds them together, wherein the stiffening element (50) stabilizes the first and the second cover element (30.1, 30.2) relative to one another.

Fuel cell system (10) according to Claim 3 in which, with respect to an orientation of the assembled fuel cell system (10), the first and second cover elements (30.1, 30.2) are each arranged on the upper side of the respective fuel cell stack (20.1, 20.2).

Fuel cell system (10) according to Claim 3 or 4 , in which the first and the second cover element (30.1, 30.2) lie in a common plane (65), wherein the stiffening element (50) also extends at least partially in the common plane (65).

Fuel cell system (10) according to one of the Claims 3 until 5 , in which the stiffening element (50) is attached to both the first and the second cover element (30.1, 30.2).

Fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, in which the stiffening element (50) has at least one strut (51, 52), preferably a plurality of struts (51, 52).

Fuel cell system (10) according to the Claims 5 and 7 , in which the at least one strut (51) extends diagonally in the common plane (65) between the first and the second cover element (30.1, 30.2).

Fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, wherein the stiffening element (50) has at least one plate (55).

Fuel cell system (10) according to the Claims 5 and 9 , in which the at least one plate (55) lies in the common plane (65) and extends between the first and the second cover element (30.1, 30.2).

Fuel cell system (10) according to Claim 9 or 10 , in which the at least one plate (55) is part of a three-dimensional body (150), in particular a box, wherein the three-dimensional body (150) is arranged between the first and the second fuel cell stack (20.1, 20.2).

Fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, which additionally has a third fuel cell stack (20.3), in particular a total of at least four fuel cell stacks (20.1-20.4), wherein the stiffening element (50) also stabilizes the third fuel cell stack (20.3), and if present the fourth fuel cell stack (20.4), in directions transverse to the stacking direction (21).

An aircraft propulsion system (5) comprising a mechanical power generator (8), in particular an electric motor (9), a propulsor (6) coupled to the mechanical power generator (8) for generating thrust, and a fuel cell system (10) according to one of the preceding claims for supplying the mechanical power generator (8) with electrical power.

Use of a fuel cell system (10) according to one of the Claims 1 until 12 or a flight propulsion system (5) according to Claim 13 in an aircraft (1).

Use according to Claim 14 , wherein the stiffening element (50) stabilizes both the first and the second fuel cell stack (20.1, 20.2) against thrust forces occurring during operation.