Co je letadlo s palivovými články: 11 zajímavých faktů, které byste měli vědět

Co je to letadlo s palivovými články?

Letoun s vodíkovými palivovými články

Letecký průmysl se intenzivně snaží dosáhnout zelené hodnoty, pokud jde o spotřebu paliva. Studie a analýzy jsou rozsáhle prováděny za účelem identifikace vodíku jako životaschopné alternativy. Koncepční návrhy a modely předvedly některé z předních leteckých společností, takže je důležité, abychom se aktualizovali o jejich výzkum. Začněme terminologií „Fuel Cell Aircraft“.

Letadlo, které jako hlavní zdroj energie používá vodíkové palivo, se nazývá letadlo s palivovými články. Proudový motor nebo jiný typ spalovacího motoru může spalovat vodíky nebo je používat k pohonu palivového článku k výrobě energie pro vrtuli. Na rozdíl od většiny letadel, která používají křídla pro skladování paliva, jsou letadla s vodíkovými palivovými články typicky vyvíjena v trupu v nádržích na vodíkové palivo.

Co je vodíkový palivový článek?

Vodíkový palivový článek

Tohle je důležitá technologie s potenciálem, který nabízí řadu průmyslových odvětví, včetně automobilového průmyslu a těžkých převodovek, značné výhody energetické účinnosti a dekarbonizace. Technologie vodíkové ropy se dnes používá pro různé účely, které zahrnují poskytování nouzové záložní kapacity pro kritická zařízení, jako jsou nemocnice, a nahrazují elektřinu ze sítě pro základní zařízení zátěže, jako jsou datová centra.

Lze vodíkové palivové články použít v letadlech? | Používají letadla palivové články ?

V blízké budoucnosti by mohlo být potenciálně napájeno vše od nízkouhlíkových městských oblastí přes přenosné počítače až po budoucí letadla s nulovými emisemi palivových článků. Různé výzkumné studie ukázaly, že velká komerční letadla na vodíkové palivové články je prakticky možné postavit do roku 2020. Pravděpodobně však bude v provozu až v roce 2030. Zájem o používání letadel s palivovými články jako osobních letadel v blízké budoucnosti vzrostl.

V rámci evropského výzkumného projektu byla ve spolupráci s Airbusem a 2 partnerskými organizacemi obsaženými v palivu hodnocena technická a mechanická proveditelnost, bezpečnostní hledisko, environmentální kompatibilita a ekonomická životaschopnost použití kapalného vodíku (H33) jako leteckého paliva. buněčných letadel a přezdívaná jako CRYOPLANE, byla v roce 2003 zveřejněna podrobná zpráva.

Jak vznikl vodíkový palivový článek?

Historie vodíkových palivových článků

Sir William Grove, vědec, který se stal soudcem, vymyslel v roce 1838 jedinečný nápad: postavit buňku se dvěma nezávislými uzavřenými odděleními, z nichž každý je poháněn vodíkem nebo kyslíkem. V té době nazval své zařízení „plynovou galvanickou baterií“. Bohužel nevytvořila dostatek elektřiny, aby byla užitečná. Po nějaké době se o to začal zajímat anglický inženýr Francis Thomas Bacon a v roce 1932 vytvořil první palivový článek na bázi vodíku a kyslíku na světě, aby se stal skutečností, který se dnes používá k vytvoření koncepce letadla s palivovými články. Baconovy palivové články se staly úspěchem v kosmickém průmyslu, kde se používaly k pohonu satelitů a raket pro operace průzkumu vesmíru, jako je Apollo 11.

V únoru 1957 byl experimentován model NACA Martin B-57B, který po dobu 20 minut letěl na vodík namísto tryskového paliva pro jeden ze svých dvou motorů Wright J65. Tu-155, modernizované dopravní letadlo Tu-154, vzlétlo poprvé 15. dubna 1988 jako první experimentální letadlo s palivovými články na vodíkový pohon.

Letadla s vodíkovými palivovými články Boeing Boeing s palivovými články Boeing

Boeing vyrobil a provozoval první letadlo na vodíkový pohon na světě v roce 2008. Během vzletu a stoupání byly palivové články jednočlenného letadla doplněny elektřinou z lithium-iontových baterií. Fantomové oko (určené k provádění čtyřdenních průzkumných misí ve výšce 20,000 XNUMX metrů), bezpilotní letoun poháněný kapalným vodíkem, byl odhalen o čtyři roky později. Boeing však nemohl UAV prodat armádě a nyní je v muzeu vystaven pouze jako vzdušné vozidlo poháněné kapalným vodíkem.

měchýře palivových článků letadel

Proč palivové články nenahrazují proudové motory?

Využití vodíku jako paliva v letadle ukázal Boeing prostřednictvím svého konceptu Phantom Eye. Podle Mike Sinnetta (viceprezident pro vývoj produktů, Boeing Aviation) však uvedl, že je zapotřebí dalšího výzkumu k vyhodnocení faktorové bezpečnosti pro konstrukci letadla a palivové nádrže, aby fungovaly stejně bezpečně jako dnešní dopravní letadla.

To tedy znamená, že vodíkové palivo nebude v letadle Boeing s palivovými články používáno déle než dvě desetiletí a že motory letadel o deset let později se již vyrábějí.

Vývoj Phantom Eye

Společnost Phantom Eye vyvinula předchozí úspěch Boeingu s pístovým Boeingem Condor, který na konci 1980. let vytvořil několik výškových a vytrvalostních rekordů. Boeing také pracoval na Phantom Ray UAV jako létající testovací postel pro inovativní technologie, stejně jako větší bezpilotní letoun HALE, který může létat déle než deset dní a nést užitečné zatížení 900 kilogramů nebo více.

Pohonný systém Phantom Eye (navržen ve spojení s pohonným systémem a vzduchovým rámem) prošel 80. března 1 2010hodinovým testem výškové komory.  Společnosti Ball Aerospace, Aurora Flight Sciences, Ford Motor Company a MAHLE Power společně spolupracovaly na technologickém pokroku při vytváření Phantom Eye, které bylo konečně představeno 12. července 2010.

Darryl Davis, vedoucí sekce pokročilých nápadů Boeing Phantom Works, věří, že „demonstrátor Phantom Eye“ je 60–70% přesný zmenšený model objektivního systému. S pouhými čtyřmi letadly by prototyp Phantom Eye mohl vést k objektivnímu systému schopnému poskytovat celoroční pokrytí velké oblasti.

Jak bude vodíkový palivový článek fungovat?

Konvenční vodíkový palivový článek pro letadlo s palivovými články se skládá ze dvou elektrod (anody a katody) oddělených elektrolytickou membránou. Toto funguje následovně:

1. Vodík vstupuje do palivového článku anodou. Elektrony a protony jsou tvořeny dělením atomů vodíku v důsledku jejich reakce s katalyzátorem. Na druhé straně katoda umožňuje vstup kyslíku ze sousedního vzduchu.
2. Kladně nabité protony cestují ke katodě přes propustnou elektrolytickou membránu. Negativně nabitý elektron opouští buňku a poskytuje proud schopný napájet elektrický nebo hybridní elektrický pohonný systém.
3. Protony a kyslík se spojují v katodě a tvoří vodu.

Vlastnosti vodíku

Specifická energie vodíku je třikrát větší než u běžného leteckého paliva, i když má nižší hustotu energie. V letadlech se používají nádrže z uhlíkových vláken, které vydrží tlak 700 barů. Je také možné použít kryogenní kapalný vodík.

Předpokládejme, že vodík je snadno dostupný z nízkouhlíkového zdroje energie, jako je vítr nebo jaderná energie. V takovém případě bude emitovat méně skleníkových plynů, což zahrnuje vodní páry a malé množství oxidu dusíku v letadle, než ve stávajících případech. V současné době jen malé množství H₂ se vyrábí za použití nízkouhlíkového zdroje energie a jeho použití ve vodním letectví má různé významné překážky. Vodík je dražší než fosilní paliva díky své výrobní metodě a relativní neefektivnosti při použití současných technologií.

LH₂ je jedním z nejúčinnějších technických chladiv. Bylo navrženo ochlazování nasávaného vzduchu pro velmi rychlá letadla nebo dokonce pro samotnou kůži letadla, zejména pro scram proudová letadla.

Hmotnost a hustota energie

Ať už v plynné nebo kapalné formě, mimořádná hmotnost potřebná pro skladování paliva je hlavní překážkou letu na vodíkový pohon v letadle s palivovými články. Výroba lehkých vakuově izolovaných nádrží, které udržují kapalný vodík pod bodem varu 20 Kelvinů, bude problémem pro kapalný vodík. Protože nádrže musí vydržet vysoké tlaky 250 až 350 barů, má plyn vyšší hmotnostní trest.

Energetická hustota kapalného vodíku je 2.8krát větší než u leteckého benzínu. Podle národní laboratoře Argonne však letecké palivo překonává vodík o faktor 1.6, pokud jde o kombinovanou hmotnost paliva a nádrže. Na rozdíl od leteckého paliva, které tvoří zhruba 78% celkové hmotnosti nádrže a paliva, tvoří kapalný vodík pouze 18% celkové hmotnosti v moderních skladovacích systémech. Tvrdí se, že hmotnostní zlomek paliva musí dosáhnout alespoň 28%, aby mohl konkurovat fosilním palivům. Kapalný vodík má mnohem nižší energii na jednotku objemu než uhlovodíky.

Podle Phillipa Ansella, ředitele University of Illinois v Urbana-NASA financovaného Champaign Center for High-Efficiency Electrical Technologies for Aircraft, lze různé části letadla, jako jsou křídla a trup, upravovat jednotlivě nebo společně, aby se zabránilo zvýšení aerodynamického odporu způsobené extra vnějším povrchem potřebným pro umístění větších vodíkových nádrží.

Výhody vodíkových palivových článků

Palivové články (které využívají čistý vodík, tedy bez uhlíku), jsou čistým zdrojem energie, protože vyrábějí elektřinu elektrochemickou reakcí. Následuje několik důležitějších výhod palivových článků:

1. Palivové články, na rozdíl od baterií, nevyžadují dobíjení a mohou pokračovat ve vytváření energie, pokud je k dispozici zdroj paliva (vodík).
2. Jednotlivé palivové články lze „skládat“ a vytvářet tak větší systémy, které mohou generovat více energie, což umožňuje škálovatelnost. Stohy palivových článků lze spojit a vytvořit tak rozsáhlé systémy s výkonem několika megawattů, zatímco jediný palivový článek dokáže generovat dostatek elektřiny k posílení specifikované aplikace.
3. Palivové články jsou tiché a spolehlivé, protože neobsahují žádné pohyblivé části.

Je vodík životaschopným palivem pro letadla?

Společnost Airbus zavedla tři jedinečné koncepty pro letadla s vodíkovými palivovými články, která mohou přepravovat až 200 cestujících a pokrývat vzdálenost od 2000 3700 námořních mil (XNUMX XNUMX kilometrů). Každý z nich zahrnuje koncepční hybridní systém obsahující spalovací turbíny a motory poháněné palivovými články. V turboelektrickém systému pohání plynová turbína na vodík elektrický generátor, zatímco elektromotor pohání ventilátor.

Airbus plánuje pohánět své budoucí 300 až 400místné dopravní letouny s dlouhým doletem pomocí syntetických paliv pocházejících z obnovitelných zdrojů místo vodíku. Přizpůsobení vodíku letadlům, která se budou vyprazdňovat a doplňovat několikrát denně, bude pro společnost novou výzvou, i když již má zkušenosti s palivem v leteckých aplikacích.

Opravy palivových článků v letadle Údržba palivových článků letadla

Přítomnost rozlití paliva na dno letadla je obvykle první známkou úniku. Při hledání zdroje úniku je třeba si uvědomit, že palivo by mohlo cestovat docela daleko, než dosáhne místa výstupu. V důsledku toho může být obtížné určit zdroj úniku. Je třeba sledovat cestu úniku, než dojde k jakémukoli podezření, aniž bychom předpokládali, že unikající palivový článek je v těsné blízkosti viditelného úniku.

Je třeba zkontrolovat netěsnosti v oblastech připojení, hadic a odvzdušnění. Za zmínku stojí také to, že právě kvůli netěsnosti palivového článku není nutná výměna. Na palivovém článku jsou některé netěsnosti, které lze opravit, například:

1. Hadicové spony jsou příliš volné
2. Šrouby na vysílači jsou uvolněné.
3. Vadná těsnění
4. Šrouby s uvolněnou destičkou nebo plnicím hrdlem
5. Plnicí hrdlo nebo hadice mají praskliny.

Dvojité upnutí připojení palivových článků zabraňuje únikům ve starších článcích, ale je také užitečné pro novější články s velkými propojeními. Po utažení svorek se guma usadí. Výsledkem je, že hodinu po první instalaci je dobré znovu utáhnout všechny svorky.

Páska palivových článků letadla

Zkontrolujte oblast kolem pozice palivových článků, zda neobsahuje ztrátu koroze. Odstraňte veškerou zbývající pásku a zbytky. MEK lze použít ke snadnému odstranění zbytků pásky. Odstraňte všechny FOD, zejména kovové třísky, které mohou rychle poškodit nově nainstalovaný palivový článek.

Při lepení vložky buďte opatrní, abyste použili pásku palivových článků. Vhodnost lepicí pásky nebo elektrické pásky neopravňuje k nahrazení pásky palivovými články. Páska a lepidlo použité v palivových článcích jsou v případě úniku paliva pozoruhodně neporušené, v takovém případě nebude lepicí páska, elektrická páska a další pásky fungovat.

Všechny nýty a hrany by měly být přelepeny páskou palivových článků. Práce s krátkými úseky pásky (asi 6 palců) je obvykle jednodušší než práce s dlouhými úseky, zvláště pokud jsou pásky v obtížně přístupných oblastech slepě. Na náročných místech vám zrcadlo může také pomoci vidět, co děláte.

Čistič palivových článků letadla

Před zabalením do zásilky vydrhněte z palivového článku veškeré zbývající palivo. Palivový článek by měl být čištěn teplou vodou a tekutým mýdlem na nádobí, podle Hartwig Aircraft Fuel Cell Repair. Po procesu čištění a sušení musí následovat složení a zabalení cely pro zásilku do opravny. Před odesláním někteří mechanici přidají do buňky olejový film, aby buňku uchovali. Společnost Eagle Fuel Cells důrazně nedoporučuje, aby tak činila, přičemž uvádí, že není nutné pokrýt článek olejem na úkor další práce.

Svařování palivových článků v letadle Svařování hliníkových palivových článků v letadle

Běžný hořák s kyslíkovým palivem (kyslíko-palivové svařování nebo OFW) byl důležitým pilířem v procesu spojování hliníku. V padesátých letech 1850. století se kyslík-vodík vytvořený elektrolýzou používal ke svařování kovů s nízkými teplotami tání, jako je zlato, stříbro, měď a platina. Objev acetylenu je pozoruhodný, protože byl spojen s hledáním nové metody výroby hliníkového kovu.

V leteckém průmyslu je oxy-vodík častěji spojován s OFW než oxy-acetylen, ale ne kvůli technickým výhodám. Acetylen byl přidělen výslovně pro použití v loděnicích kvůli válečné ekonomice, takže vodík byl jedinou alternativou. Protože smíchání zbytků acetylenu s plynným vodíkem může vést k náhodné katastrofě, použití vodíku jako paliva vyžaduje celou samostatnou nádrž, regulátor, hadici a hořák.

Vodík dále neprodukuje saze, což by mohlo být užitečné jako indikátor teploty během žíhání hliníkového plechu. Výhodou vodíku mohou být náklady na výrobu paliva (s proveditelnou elektrolýzou) a poněkud čistší vzhled svarové zóny (kvůli nepřítomnosti uhlíku v oblasti plamene).

Jaká je trvanlivost palivových článků?

Doba použitelnosti palivových článků v letadle

Většina letadel používaných dnes přežila zamýšlené konstrukční životy. Mnoho z těchto letadel prošlo jednou nebo více změnami draku nebo avioniky. Na druhou stranu je životnost palivového článku často přehlížena, protože není zahrnuta v mnoha vládních dokumentech, příručkách k letadlům nebo v TO.

Mezi rozhodující proměnlivé faktory mezi flotilami patří letové hodiny, podmínky prostředí a cykly odstraňování a opětovné instalace. Výsledkem je nemožnost předpovědět životnost palivových článků. Repasované, renovované nebo repasované palivové články nejsou možné. Vyobrazení palivových článků jako takových je chybné.

Můžeme však říci, že u každého palivového článku, který je v letadle s palivovými články starší než 15 let, by měla být provedena výměna. To je obzvláště důležité, pokud letadlo prochází zásadními úpravami, které vyžadují odstranění cely. Je třeba zdůraznit, že v závislosti na leteckém programu americké síly dospěly k závěru, že typická životnost by měla být 10 až 12 let. Obecně platí, že rozsáhlé opravy palivových článků starších než 12 let, u nichž se předpokládá, že zůstanou v provozu déle než 12 měsíců, jsou ztrátou peněz.

Jaké je budoucí palivo pro letadla?

Rozvíjející se letecké palivo

Výhody vodíku nedávno vyšly najevo a letecký průmysl si toho všímá. Podle Fymata chce Airbus vyrábět světovou 1^st  komercializovaný letoun s nulovými emisemi do roku 2035.

Podle zdrojů chce americká společnost ZeroAvia do roku 20 vyrobit letadlo s vodíkovými palivovými články pro přibližně 2024 cestujících. Zajistila si již dotace 5 milionů USD ze tří vládních programů ve Velké Británii a úspěšně přilákala zájem 12 regionálních dopravců ze Spojeného království, Spojených států a Evropské unie.

Nyní, když jste se dozvěděli o vodíku jako o budoucím leteckém palivu, přejděte na informace o systému skladování paliva Systém palivové nádrže letadla.

Také čtení:

• Fotobuňkové senzory
• Eukaryotické buňky versus bakteriální buňky
• Co se děje s buňkou v hypotonickém roztoku
• Mají houby buněčnou stěnu
• Je houba mnohobuněčná nebo jednobuněčná
• Typ bakteriální buňky
• Je sinice jednobuněčná nebo mnohobuněčná
• Jsou kvasinky mnohobuněčné

Esha Chakraborty

Mám vzdělání v Aerospace Engineering, v současné době pracuji na aplikaci robotiky v obranném a vesmírném průmyslu. Neustále se učím a moje vášeň pro výtvarné umění mě udržuje nakloněnou k navrhování nových inženýrských konceptů.
S tím, že roboti v budoucnu nahradí téměř všechny lidské činy, rád svým čtenářům jednoduchým, ale poučným způsobem přiblížím základní aspekty předmětu. Rovněž bych rád udržoval aktuální informace o pokroku v leteckém a kosmickém průmyslu současně.