Brandstofcel motorconversie op vliegtuigen

Jeremy Wouters Bram Lampe
De huidige situatie i.v.m. fossiele brandstoffen is niet optimaal en zal naar de toekomst toe niet verbeteren, in tegendeel. Een ware brandstofcrisis lijkt op handen te zijn in de nabije toekomst en, als men de berichtgevingen op dit vlak mag geloven, zal een alternatief hiervoor noodzakelijk zijn. Momenteel spitst het onderzoek hiervoor zich voornamelijk toe op de automobiel sector, maar uiteraard zal de luchtvaartsector niet gespaard blijven en moet er hiervoor een oplossing gevonden worden.

Brandstofcel motorconversie op vliegtuigen

De huidige situatie i.v.m. fossiele brandstoffen is niet optimaal en zal naar de toekomst toe niet verbeteren, in tegendeel. Een ware brandstofcrisis lijkt op handen te zijn in de nabije toekomst en, als men de berichtgevingen op dit vlak mag geloven, zal een alternatief hiervoor noodzakelijk zijn. Momenteel spitst het onderzoek hiervoor zich voornamelijk toe op de automobiel sector, maar uiteraard zal de luchtvaartsector niet gespaard blijven en moet er hiervoor een oplossing gevonden worden. Daarbij wordt vooral uitgegaan van nieuwe ontwerpen, wat als gevolg heeft dat oldtimer vliegtuigen zouden verdwijnen. Dit zou een jammere zaak zijn en tijdens dit onderzoek werd gezocht naar een oplossing hiervoor, waarbij het originele karakter van een oldtimer toestel (in dit geval de ERCO Ercoupe) behouden zou worden.

Tijdens het onderzoek werden verschillende alternatieve energiebronnen en verschillende aandrijfmethoden bekeken. Deze werden vergeleken en de voor- en nadelen die er mee gepaard gaan werden afgewogen. Hierbij werd dus rekening gehouden met de massa en volume van de onderdelen, dit om te kijken of deze wel in het vliegtuig zouden passen, zonder limieten te overschrijden.

Omdat al vrij snel duidelijk werd welke technieken absoluut onmogelijk zijn, werden deze slechts enkel kort besproken en duidelijk gemaakt waarom deze niet bruikbaar zijn, terwijl op de mogelijks wel bruikbare methoden veel dieper ingegaan werd en de verschillende gelijkaardige types, technieken en modellen erbij gehaald werden. Zo werd al vrij snel duidelijk dat er gebruik gemaakt zou worden van elektromotoren en werden verschillende elektromotoren bekeken aan de hand van belangrijke criteria zoals betrouwbaarheid, vermogens en massa. Ook de brandstofcellen werden aan gelijkaardige criteria onderworpen.

Uiteindelijk bleken veel van deze verder onderzochte mogelijkheden ook niet geschikt voor gebruik in de luchtvaart en meer specifiek voor de Ercoupe. De optie die voor dit onderzoek als beste oplossing naar boven kwam was waterstofgas dat opgeslagen wordt onder een druk van 350 bar en via een brandstofcel omgezet wordt in elektriciteit dat een hybride synchrone elektromotor van de nodige energie voorziet. De brandstofcel die het best geschikt bleek te zijn en dus toegepast werd in de verdere berekeningen is de Proton Exchange Membrane (PEM) brandstofcel.

Het waterstof dat gebruikt wordt in het vliegtuig zal logischerwijze ook aangemaakt moeten worden. Wegens het feit dat er qua massa slechts een kleine marge is om nieuw materiaal in het vliegtuig te brengen, ter vervanging van de oude installatie, zal het waterstof niet in het vliegtuig aangemaakt worden, maar zal er een installatie op de thuisbasis van het vliegtuig geïnstalleerd worden. Hier zal men het waterstof via elektrolyse uit het water halen. Hier werden opnieuw verschillende methoden onderzocht die niet allen even milieuvriendelijk en efficiënt bleken te zijn, en waarvan elektrolyse met een Proton Exchange Membrane (PEMEC) het best voor deze toepassing gebruikt kan worden. Dit zal dan via een tanksysteem in de vliegtuigtank gebracht worden.

Een van de belangrijkste punten dat onderzocht werd is uiteindelijk de weight and balance. Hierbij werd rekening gehouden met de onderdelen die verwijderd werden en alle nieuwe onderdelen die geïntroduceerd werden. Om dit in orde te krijgen werd de tank achterin het toestel geplaatst en de brandstofcel vooraan bij de motor. Het uiteindelijke resultaat is een milieuvriendelijk, uitgebalanceerd vliegtuig, dat een hoge ombouwkost heeft, maar een lage onderhoud- en gebruikskost.

Bibliografie

Ahmed, S., & Sutherland, E. (2013). Hydrogen Compression, Storage, and Dispensing Cost Reduction Workshop Final Report. Argonne: Argonne National Laboratory.

AMIT industries. (sd). Extreme high energy density Lithium Polymer series. Opgeroepen op mei 7, 2014, van Amicell - The perfect energy solution: http://www.amicell.co.il/batteries/rechargeable-batteries/our-extreme-h…

Autoblog Green. (2009, maart 12). BMW cranks up the efficiency of hydrogen internal combustion engines. Opgeroepen op mei 6, 2014, van AutoblogGreen: http://green.autoblog.com/2009/03/12/bmw-cranks-up-the-efficiency-of-hy…

Balasubramanian, B., Barbir, F., & Neutzler, J. (sd). Optimal operating temperature and pressure of PEM fuel cell systems in automotive applications. West Palm Beach: Energy Partners.

Battery University. (2011). Fuel Cell Technology. Opgeroepen op mei 8, 2014, van Battery University: http://batteryuniversity.com/learn/article/fuel_cell_technology

Bird, J. (2012). Science for Engineering. New York: Elsevier.

Christianson, L., Crosignani, K., Gumm, A., Himmelsbach, J., Rasmussen, B., Regen, E., . . . Thompson, D. (2008). Food vs. Biofuel. Iowa: Foundations of Sustainable Agriculture.

CIA. (2013). The World Factbook. Verenigde Staten van Amerika: CIA.

Cliche, A. (2001). Ultralight Aircraft Shopper's Guide, G-3.

Continental. (1980). Continental overhaul manual for aircraft engine models C75, C85, C90 & O-200. Verenigde Staten van Amerika: Continental.

Cunningham, J. (sd). Superconducting material set to improve performance of electric motors. Opgeroepen op mei 7, 2014, van Eureke - The site for engineering design: http://www.eurekamagazine.co.uk/design-engineering-features/technology/…

Curtin, S., & Gangi, J. (2013). The Business Case for Fuel Cells, Reliability, Resiliency & Savings. Washington DC: Breakthrough Technologies Institute.

da Rosa, A. V. (2009). Fundamentals of Renewable Energy Processes. San Diego: Elsevier.

DaCosta, D. H., & Golben, M. (2004). Hydride Based Hydrogen Compression. Annual Merit Review. Philadelphia: Ergenics Hydride Solutions.

Dalm, J. (2008). Materialen en hardware voor vliegtuigonderhoud. Hoogerheide: Jeweka.

de Ruiter, A. (2010). Luchtvaartwetgeving voor vliegtuigonderhoud. Hoogerheide: Jeweka.

Demeersseman, L. (2012). Elektrische machines. Oostende: Acco.

DOE Hydrogen and fuel cells program. (2012). 2012 annual progress report. Washington, D.C.: Department of Energy.

DOE Hydrogen and fuel cells program. (2013). Annual progress report. Verenigde Staten van Amerika: US Department of energy.

Doyoyo, M., & Mohr, D. (2008). V.S. Patentnr. WO2008137178 A1.

e+a Elektromaschinen und Antriebe AG. (sd). Permanent Magnet Motors. Opgeroepen op april 6, 2014, van Permanent Magnet Motors: http://www.permanentmagnetmotors.org/

EASA. (2008, augustus 29). Aeroplane Electrical Wiring Interconnection System Training Programme. Keulen: EASA.

EERE. (2010). Fuel Cells. Washington, DC: DOE.

EG&G Technical Services Inc. (2004). Fuel Cell Handbook. DOE.

Enbridge. (2014). Components of Natural Gas. Opgeroepen op mei 22, 2014, van Enbridge Gas Distribution: https://www.enbridgegas.com/gas-safety/about-natural-gas/components-nat…

Enclopædia Britannica. (sd). Electricity (physics) :: Capacitance. Opgeroepen op april 24, 2014, van Enclopædia Britannica.

ERCO. (1948). Approved airplane flight manual for Ercoupe model E. Riverdale, Maryland: ERCO.

European Aviation Safety Agency. (2012). Certification Specifications for normal, utility, aerobatic and commuter category aeroplanes CS-23. Keulen: EASA.

Faid, S., Debal, P., & Bervoets, S. (2010). Development of a Switched Reluctance Motor for Auto Applications. The 25th World Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium & Exhibition (p. 2). Shenzhen: Punch Powertrain.

Fleadh Electronics Ltd. (2000). Switched Reluctance Motor Drives. Opgeroepen op mei 6, 2014, van Fleadh Electronics - Specialists in Green Power Electronics: http://www.fleadh.co.uk/srm.htm

Fuel Cells Etc. (2012, november 19). What Hydrogen Storage is Best for Me? Opgeroepen op mei 20, 2014, van Fuel Cells Etc: http://fuelcellsetc.com/2012/11/what-hydrogen-storage-is-best-for-me/

Genovese, J., Harg, K., Paster, M., & Turner, J. (2009). Current (2009) State-of-the-Art Hydrogen Production Cost Estimate Usinge Water Electrolysis. Golden, Colorado: National Renewable Energy Laboratory.

Gillette, J. L., & Kolpa, R. L. (2007). Overview of Interstate Hydrogen Pipeline Systems. Chicago: Argonne National Laboratory.

Gillingham, K. (2007). Hydrogen Internal Combustion Engine Vehicles: A Prudent Intermediate Step or a Step in the Wrong? Stanford: Stanford University.

Golben, M., & DaCosta, D. H. (2002). Disproportionation Resistant Alloy Development for Hydride Hydrogen Compression. Ringwood: Ergenics.

Goldberg, L. H. (2012, september 26). EV Drive Electronics Evolve to Support Rare Earth-Free Motor Technologies. Opgeroepen op april 6, 2014, van http://www.digikey.com/en-US/articles/techzone/2012/sep/ev-drive-electr…

Goodwin, D. (2013, juni 20). Cost of Aircraft Ownership. Opgeroepen op april 23, 2014, van PlaneViz: http://www.planeviz.com/cost-of-aircraft-ownership-ep-9/

Green Car Congress. (2009, maart 14). High-Pressure Direct-Injection Hydrogen Engine Achieves Efficiency of 42%; On Par with Turbodiesels. Opgeroepen op april 23, 2014, van Green Car Congress: http://www.greencarcongress.com/2009/03/high-pressure-d.html

Helmenstine, A. (2014). Fuel cell definition. Opgeroepen op april 24, 2014, van About.com Chemistry: http://chemistry.about.com/od/chemistryglossary/g/fuel-cell-definition…

Hoagland, W., Benson, D. K., & Smith, R. D. (2005). Novel Wide-Area Hydrogen Sensing Technology. Boulder: Element One.

Hopff, P. (2007). Introduction to Flight Management Systems. Oostende: Acco.

Hydrogenics Corporation. (2010). HYPM-Power Modules. Mississauga: Hydrogenics Corporation.

IAOPA. (2012, juli 1). IAOPA. (2012, juli 1). Fuelprices. Opgeroepen op mei 18, 2014, van IAOPA:. Opgeroepen op mei 18, 2014, van IAOPA: http://www.iaopa.eu/fuelprices

Iljin Comosites. (2012). Ultra-Light Composite Hydrogen Tank. Opgeroepen op april 8, 2014, van Iljin Composites: http://composite.twaserver4.com/product/composite-high-pressure-tank/ul…

Jackson, R. (sd). Erco Ercoupe, Forne Fornair / Alon Aircoupe. Opgeroepen op mei 20, 2014, van Aviastar: http://www.aviastar.org/air/usa/erco_ercoupe.php

Johnson Matthey PLC. (2013). Water elektrolysis and renewable energy systems. Herts: Fuel Cell Today.

Jones, A. (2010). Hydrogen fuel cells. Sydney: Sydney Energy and Climate Change.

Jones, T. (2013). Motor Efficiency, Selection, and Management. Boston: Consortium for Energy Efficiency.

Jordan, T. (2006). Biennal Report On Hydrogen Safety. HySafe.

Kallo, J., Rathke, P., & Stephan, T. (2012). Antares DLR-H2 - Flying Test Bed for Development of Aircraft Fuel Cell Systems. Fuel Cell Seminar.

Kaminski-Morrow, D. (2008, april 25). Tupolev’s cryogenic Tu-155- 20 years on! Opgeroepen op mei 20, 2014, van Flight Global: http://www.flightglobal.com/blogs/flight-international/2008/04/tupolevs…

KeyWolf. (2011). American Wire Gauge (AWG) Sizes and Current Limits. Opgeroepen op mei 14, 2014, van Keywolf Metal Plastic Push Pull Lemo Electrical Connector Solutions: http://www.keywolf.com/American_Wire_Gauge.php

Khan, K. S. (2011). Design of a Permanent-Magnet Assisted Synchronous Reluctance Machine for a Pluf-In Hybrid Electric Vehicle. Stokholm: School of Electrical Engineering.

Kout, W. (2010). Elektrochemische waterstof compressie: 400 bar mijlpaal bereikt. Arnhem: HyET.

Kreuer, K.-D. (2013). Fuel Cells. Stuttgart: Springer.

Larminie, J., & Dicks, A. (2003). Fuel cell systems explained. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons.

Law, K. (2011). Cost Analyses of Hydrogen Storage Materials and Onboard Systems. Annual Merit Review. Cupertino: TIAX LLC.

Lawrence Livermore National Laboratory. (1996). Electromechanical Batteries. Science and technology review, 12-19.

Le Canut, J.-M., Abouatallah, R., & Harrington, D. A. (2006). Detection of Membrane Drying, Fuel Cell Flooding, and Anode Catalyst Poisoning on PEMFC Stacks by Electrochemical Impedance Spectroscopy. Journal of Electrochemical Society, 857-864.

Lednicer, D. (2014). The Incomplete Guide to Airfoil Usage. Opgeroepen op mei 6, 2014, van UIUC Applied Aerodynamics Group: http://aerospace.illinois.edu/m-selig/ads/aircraft.html

Lee, H. K., Song, G. Y., Park, J. S., Hing, E. P., Jung, W. H., & Park, K. B. (2000). Development of the Linear Compressor for a Household Refrigerator. West Lafayette: Purdue University.

Léon, A. (2008). Hydrogen Technology: Mobile and Portable Applications. Karlsruhe: Springer.

LIFE Magazine. (1940, oktober 7). New plane is nearly foolproof. LIFE Magazine, pp. 114-115.

Linde. (2013). Linde Ionic Compressor. Opgeroepen op mei 23, 2014, van Linde Industrial Gases: http://www.linde-gas.com/en/innovations/hydrogen_energy/fuelling_techno…

Lipp, L. (2012). Electrochemical Hydrogen Compressor. Danbury: FuelCell Energy.

Martini, G., Astorga, C., & Farfaletti, A. (2007). Effect of Biodiesel Fuels on Pollutant Emissions from EURO 3 LD Diesel Vehicles. Ispra: European Comission Joint Research Centre - Institute for Environment and Sustainability.

Martins, C. E. (2012). Experience with PM motors. 4th International Motor Summit 2012 (p. 17). Zurich: WEG.

McWorther, S., & Ordaz, G. (2013). Onboard Type IV Compressed Hydrogen Storage Systems - Current Performance and Cost. Washington DC: DOE.

Mench, M. M., Kumbur, E. C., & Veziroğlu, T. N. (2012). Polymer Electrolyte Fuel Cell Degradation. Oxford: Elsevier.

Metric Mind Corporation. (2014, mei 5). Price List. Opgeroepen op mei 20, 2014, van Metric Mind Corporation: http://www.metricmind.com/price-list/

Midwest Research Institute. (1975). Applications of Aerospace Technologies - Brushless DC Motors. Washington, D.C.: NASA.

Miller, A. R., Hess, K. S., & Barnes, D. L. (2007). Comparison of Practival Hydrogen-Storage Volumetric Densities. Denver: Vehicle Projects LLC.

Nave, C. R. (2014). Electrolysis of Water . Opgeroepen op mei 3, 2014, van HyperPhysics: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/electrol.html

NEL Hydrogen. (2012). Company history. Opgeroepen op mei 3, 2014, van NEL Hydrogen: http://www.nel-hydrogen.com/home/?pid=54

Office of energy efficiency & renewable energy. (sd). Hydrogen storage. Opgeroepen op april 23, 2014, van US Department of Energy: http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/storage/hydrogen_stora…

Patnaik, P. (2007). A Comprehensive Guide to the Hazardous Properties of Chemical Substances. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons.

Perrella, W. M. (1978). Tests of crash-resistant fuel system for general aviation aircraft. Springfield: FAA.

Popular Mechanics. (1935). Flivver plane without tale almost flies itself. Popular Mechanics, 659.

Pratt, J. W., Klebanoff, L. E., Munoz-Ramos, K., Akhil, A. A., Curgus, D. B., & Schenkman, B. L. (2011). Proton Exchange Membrane Fuel Cells for Electrical Power Generation On-Board Commercial Airplanes. Springfield: Sandia National Lboratories.

Quantum Fuel Systems Technologies Worldwide, Inc. (2004). High-Pressure Hydrogen Storage Systems. Hydrogen and Fuel Cell Summit VIII. Quantum Fuel Systems Technologies.

Reiser, C. A., Yang, D., & Sawyer, R. D. (2005). Verenigde Staten van Amerika Patentnr. 7.410.712.

Safi, S. (2010). Alternative Motor Technologies for Traction Drives of Hybrid and Electric Vehicles. Southampton: SDT Drive Technology.

Science in the news. (sd). Even the greenies would be happy...right. Opgeroepen op april 25, 2014, van Science in the news: http://www.scienceinthenews.org.uk/contents/?article=14

SERA. (2010). Catalogus. Maroussi: SERA.

SERA. (2014). Metal Diaphragm Compressors up to 4.000 bar. Opgeroepen op mei 13, 2014, van SERA Excellence in fluid technology: http://www.sera-web.com/default.asp?ln=en&UID=4&PID=Q002/6000/1006

Shimoi, R., Aoyama, T., & Iiyama, A. (2009). Development of Fuel Cell Stack Durability based on Actual Vehicle Test Data: Current Status and Future Work. SAE World Congress and Exhibition. Detroit: Nissan Motor Co Ltd.

Spendelow, J., & Marcinkoski, J. (2013). Spendelow, J., & Marcinkoski, J. (2013). Fuel Cell System Cost. Washington DC: DOE. Washington DC: DOE.

Spruce, A. (2014). AEROSHELL AVIATION OIL W100 SAE50. Opgeroepen op mei 20, 2014, van Aircraft Spruce: http://www.aircraftspruce.com/catalog/eppages/aeroshelloils.php

Su, G.-J. (2001). Multilevel DC Link Inverter for Brushless Permanent Magnet Motors. IEEE IAS 2001 Annual Meeting (p. 1). Chicago: Oak Ridge National Laboratory.

Sumitomo Electric Industries ltd. (2007). Superconducting Mortor. Opgeroepen op mei 6, 2014, van Sumitomo Electric Industries: http://global-sei.com/super/magnet_coil_e/evmotor.html

Swagelok. (2013). Tubing Data Sheet. Solon: Swagelok.

Topsoe Fuel Cell, H2 Logic, & RISØ DTU Fuel Cells and Solid State Chemistry Div. (2011). planSOEC. Fredericia: ForskEL.

Totten, G. E., Westbrook, S. R., & Shah, R. J. (2003). Fuels and Lubricants Handbook: Technology, Properties, Performance ..., Volume 1. West Conshohocken: ASTM International.

U.S. Deparment of Energy. (2011, februari). Comparison of fuel cell technolies.

U.S. Department of Energy Hydrogen Program. (2006). Technical Assessment: Cryo-Compressed Hydrogen Storage for Vehicular Applications. Verenigde Staten van Amerika: U.S. Department of Energy Hydrogen Program.

Van Noorden, R. (2014). The rechargeable revolution: A better battery. Nature, 8-134.

van Vliet, R. H. (2013). Wat is EMC? Een korte uitleg! Opgeroepen op mei 11, 2014, van esdsite: http://www.esdsite.nl/emc/emc.html

Wikipedia. (2014, april 24). Condensator. Opgeroepen op april 24, 2014, van Wikipedia: http://nl.wikipedia.org/wiki/Condensator

Wu, J., Yuan, X. Z., Martin, J. J., Wang, H., Zhang, J., Shen, J., . . . Merida, W. (2008). A review of PEM fuel cell durability: Degradation mechanisms and mitigation strategies. Journal of Power Sources, 104-119.

Yan, Q., Toghiani, H., Lee, Y.-W., Liang, K., & Causey, H. (2006). Effect of sub-freezing temperatures on a PEM fuel cell performance, startup and fuel cell components. Journal of Power Sources, 1242-1250.

Yu, Y., Li, H., Wang, H., Yuan, X.-Z., Wang, G., & Pan, M. (2012). A review on performance degradation of proton exchange membrane fuel cells during startup and shutdown processes: Causes, consequences, and mitigation strategies. Journal of Power Sources, 10-23.

Universiteit of Hogeschool
Luchtvaarttechnologie
Publicatiejaar
2014
Kernwoorden
Share this on: