DE102004058430A1 - Versorgungssystem zur Energieversorgung in einem Luftfahrzeug, Luftfahrzeug und Verfahren zum Versorgen eines Luftfahrzeugs mit Energie - Google Patents

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Abstract

Ein Versorgungssystem (100) zur Energieversorgung in einem Luftfahrzeug, das ein Triebwerk (101) zum Antreiben eines Luftfahrzeugs, eine Brennstoffzelle (102) zum Versorgen eines Luftfahrzeugs mit elektrischer Energie, ein erstes Brennstoffreservoir (103) zum Versorgen des Triebwerks (101) mit Triebwerk-Brennstoff und ein zweites Brennstoffreservoir (104) zum Versorgen der Brennstoffzelle (102) mit Brennstoffzellen-Brennstoff aufweist. Das erste Brennstoffreservoir (103) ist von dem zweiten Brennstoffreservoir (104) separat vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Versorgungssystem zur Energieversorgung in einem Luftfahrzeug, ein Luftfahrzeug und ein Verfahren zum Versorgen eines Luftfahrzeugs mit Energie.
  • In bekannten Luftfahrzeugen der zivilen Luftfahrt sind Systeme für die Versorgung von Passagieren oder der Besatzung üblicherweise voneinander getrennt.
  • Die Atemluftversorgung und die Druckbeaufschlagung der Kabine wird mittels einer Klimaanlage realisiert, welche aus einem oder mehreren Klimageräten gebildet ist. Eine solche Klimaanlage bezieht ihre Druckluftversorgung aus der Zapfluft der Triebwerke (sogenannte "Bleed Air"). Derartige Zapfluft wird hinter einer Kompressorstufe des Triebwerks vom Hauptluftstrom des Triebwerks abgezapft.
  • Notsauerstoff, der bei einem Druckabfall in der Kabine benötigt wird, wird üblicherweise in Sauerstoffdruckbehältern mitgeführt oder über chemische Verfahren gewonnen. In beiden Fällen ist die maximale Versorgungszeit begrenzt und abhängig von der Beladung der Druckflaschen bzw. der Brenndauer chemischer Sauerstoffkerzen.
  • Wasser zur Versorgung an Bord wird üblicherweise in Wassertanks mitgeführt und auf Wasserverbraucher wie Bordküchen („Galleys") und Toilettenräume bzw. Waschräume („Lavatories") verteilt. Die Menge des mitgeführten Wassers ist abhängig von der Länge der Flugmission und ist durch das Fassungsvermögen der Wassertanks und durch die resultierende Gewichtsbelastung begrenzt.
  • EP 0,957,026 B1 offenbart ein Luftfahrzeug mit einer Energieversorgungseinheit, bei der ein Triebwerk und eine Brennstoffzelle mit einem gemeinsamen Wasserstofftank als Brennstoffreservoir versorgt werden.
    •
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine störungssichere Energieversorgung in einem Luftfahrzeug bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Versorgungssystem zur Energieversorgung in einem Luftfahrzeug, durch ein Luftfahrzeug und durch ein Verfahren zum Versorgen eines Luftfahrzeugs mit Energie mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Versorgungssystem zur Energieversorgung in einem Luftfahrzeug weist ein Triebwerk zum Antreiben des Luftfahrzeugs, eine Brennstoffzelle zum Versorgen eines Luftfahrzeugs mit elektrischer Energie, ein erstes Brennstoffreservoir zum Versorgen des Triebwerks mit Triebwerk-Brennstoff und ein zweites Brennstoffreservoir zum Versorgen der Brennstoffzelle mit Brennstoffzellen-Brennstoff auf. Erfindungsgemäß ist das erste Brennstoffreservoir von dem zweiten Brennstoffreservoir separat vorgesehen.
  • Darüber hinaus schafft die Erfindung ein Luftfahrzeug mit einem Versorgungssystem mit den oben beschriebenen Merkmalen zur Energieversorgung in einem Luftfahrzeug.
  • Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Versorgen eines Luftfahrzeugs mit Energie bereitgestellt, wobei bei dem Verfahren das Luftfahrzeug mittels eines Triebwerks angetrieben wird, das Luftfahrzeug mittels einer Brennstoffstelle mit elektrischer Energie versorgt wird, das Triebwerk mittels eines ersten Brennstoffreservoirs mit Triebwerk-Brennstoff versorgt wird und die Brennstoffzelle mittels eines zweiten Brennstoffreservoirs mit Brennstoffzellen-Brennstoff versorgt wird. Das erste Brennstoffreservoir ist von dem zweiten Brennstoffreservoir separat vorgesehen.
  • Eine Idee der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Energieversorgung in einem Luftfahrzeug (zum Beispiel in einem Flugzeug oder einem Luftschiff) mittels eines Triebwerks zum mechanischen Antreiben des Luftfahrzeugs und mittels einer Brennstoffzelle zur Versorgung von Stromabnehmern in dem Luftfahrzeug mit elektrischer Energie realisiert wird (das Triebwerk kann auch elektrische Energie liefern). Die für das Triebwerk einerseits und die Brennstoffzelle andererseits vorgesehenen Brennstoffreservoirs sind voneinander separat vorgesehen, das heißt funktionell entkoppelt bzw. räumlich voneinander getrennt, so dass beim Ausfall des einen Brennstoffreservoirs bzw. Energieversorgungssystems negative Auswirkungen auf das jeweils andere Brennstoffreservoir bzw. Energieversorgungssystem sicher vermieden sind. Insbesondere soll in einem Notfall, bei dem zum Beispiel ein Triebwerk ausfällt oder zumindest ein Triebwerksschaden auftritt, eine elektrische Energieversorgung von Komponenten des Luftfahrzeugs weiterhin gewährleistet sein, und umgekehrt. Die beiden Brennstoffreservoirs zum Aufnehmen von Brennstoff zum Versorgen des Triebwerks einerseits und der Brennstoffzelle andererseits sind somit als voneinander getrennt vorgesehene Komponenten ausgeführt, so dass auch im Falle einer Knappheit von Brennstoff in einem der beiden Brennstoffreservoirs noch das andere Brennstoffreservoir zur Verfügung steht, um wichtige Funktionen zumindest teilweise aufrechtzuerhalten. Auch kann das Triebwerk einen Generator in der Form eines Starter-Generators aufweisen, der zur Energieversorgung des Luftfahrzeugs beiträgt.
  • Die Erfindung schafft somit ein ausgeklügeltes, logistisch gut handhabbares und störungssicheres Versorgungssystem, das mechanische und elektrische Energieabnehmer in dem Luftfahrzeug zuverlässig mit Energie versorgt. Die Integration einer Brennstoffzelle gemäß der Erfindung in ein Luftfahrzeug erlaubt, Energieabnehmer in dem Luftfahrzeug mit dem Konzept einer Brennstoffzelle zu versorgen. Das Triebwerk kann erfindungsgemäß im Gegensatz zu herkömmlichen Triebwerken auf die Zapfluft verzichten. Diese Energieform kann durch elektrische Energie ersetzt werden.
  • Das Versorgungssystem dient vorzugsweise nicht nur zur Energieversorgung, sondern zur Versorgung der Kabine bzw. des Flugzeugs im allgemeinen.
  • Die Erfindung schafft ein hochintegriertes Kabinensystem bzw. ein Luftfahrzeug mit einem hochintegrierten Kabinensystem. Erfindungsgemäß ist eine Anordnung für ein Luftfahrzeug zur Versorgung von Passagieren und der Besatzung mit Atemluft, Notsauerstoff und Wasser bereitgestellt, was simultan mittels eines integrierten Brennstoffzellensystems erreicht wird.
  • Unter einer Brennstoffzelle wird eine elektrochemische Zelle verstanden, welche die Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs (zum Beispiel Wasserstoff) und eines Oxidationsmittels (zum Beispiel Sauerstoff) in zur Energieversorgung von Energieverbraucherkomponenten nutzbare elektrische Energie umwandelt. Bei einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle wird aus den Edukten Wasserstoff und Sauerstoff das Produkt Wasser gewonnen, und zusätzlich wird bei der exothermen Reaktion Energie frei, die zur Energieversorgung von Energieverbraucherkomponenten einsetzbar ist.
  • Insbesondere schafft die Erfindung eine geschickte Kombination von Komponenten eines integrierten Kabinensystems, mit dem eine störungssichere und zuverlässige Energieversorgung in dem Luftfahrzeug ermöglicht wird.
  • Ein solches Versorgungssystem in einem Luftfahrzeug kann mit einer Druckkabine, Triebwerken (welche erfindungsgemäß nicht notwendig Zapfluft („Bleed Air") zur Verfügung stellen müssen), einem Brennstoffzellensystem, einer Klimaanlage und einer Wassergewinnungs-, Wasseraufbereitungs- und Wasserverteilungsanlage zur Wasserversorgung der Passagiere oder der Besatzung ausgestattet sein.
  • Erfindungsgemäß ist insbesondere eine APU genannte Hilfsgasturbine zum Triebwerkstart entbehrlich, ebenfalls eine separate Druckluftversorgung und Stromversorgung, sowie zumindest teilweise Batterien.
  • Erfindungsgemäß können Triebwerke mit Startergeneratoren versehen werden, welche insbesondere zum Starten des Triebwerkes und zum Bereitstellen elektrischer Energie für Stromabnehmer in dem Luftfahrzeug eingesetzt werden können.
  • Eine Klimaanlage kann über eigene elektrisch betriebene Kompressoren versorgt werden. Hierfür kann elektrische Energie aus den Startergeneratoren oder dem Brennstoffzellensystem verwendet werden.
  • Das Brennstoffzellensystem wiederum kann – abgesehen von elektrischer Energie – zusätzlich Wasser für die Wasserversorgung in dem Luftfahrzeug liefern. Solches Wasser kann zu Trinkwasser aufbereitet werden, bevor es Abnehmern in dem Luftfahrzeug zugeführt wird.
  • Die Sauerstoffversorgung des Brennstoffzellensystems erfolgt erfindungsgemäß zum Beispiel mittels eines eigenen Lüfters aus dem Sauerstoffanteil der Kabinenabluft oder durch direkte Anbindung an ein Klimagerät aus dem Sauerstoffanteil der in das Klimagerät geleiteten Außenluft. Ferner kann die Sauerstoffversorgung des Brennstoffzellensystems mittels (separaten Komprimierens von) Außenluft aus dem Außenbereich des Luftfahrzeugs erfolgen.
  • Der von dem Brennstoffzellensystem verwendete Brennstoff ist bei Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen vom Typ PEM (Polymer Elektrolyt Brennstoffzelle, und verwandte Typen) vorzugsweise Wasserstoff bzw. der Wasserstoffanteil eines Reformat-Gases und kann gasförmig oder flüssig vorliegen. Bei DMFC (Direkt Methanol Brennstoffzelle) ist der von dem Brennstoffzellensystem verwendete Brennstoff Methanol.
  • Der Brennstoff für die Triebwerke kann ein Kohlenwasserstoff (wie Kerosin) sein oder kann ebenfalls Wasserstoff sein. Der Brennstoff für die Triebwerke ist in einem Brennstoffreservoir vorgesehen, das von dem Brennstoffreservoir zum Versorgen der Brennstoffzelle mit Brennstoffzellen-Brennstoff unterschiedlich ist.
  • Erfindungsgemäß kann ein Sauerstoff-Generator vorgesehen werden, zum Beispiel zusätzlich zu den oben beschriebenen Komponenten. Dadurch bereitgestellter Sauerstoff kann für die Notversorgung bei Druckabfall in der Kabine durch ein Membranseparationsverfahren aus der Außenluft gewonnen werden.
  • Zum Betrieb eines solchen Sauerstoff-Generators ist (komprimierte) Luft erforderlich, welche herkömmlich aus der Zapfluft der Triebwerke gewonnen wird und erfindungsgemäß auch von elektrischen Kompressoren stammen kann. Diese können die gleichen sein, die im Normalbetrieb des Versorgungssystems eine Klimaanlage versorgen. Der mit dem Sauerstoff-Generator gewonnene Sauerstoff kann außerhalb des Notfallbetriebes für die Erhöhung des Sauerstoffpartialdruckes auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle genutzt werden. Des weiteren ist es vorteilhaft, die Klimaanlage ebenfalls im Normalbetrieb mit einem erhöhten Sauerstoffpartialdruck aus dem Sauerstoff-Generator zu beaufschlagen, so dass die Höhe des Drucks in der Kabine abgesenkt werden kann. Dies hat wiederum eine Energie-, Raum- und Gewichtseinsparung durch die Verwendbarkeit kleinerer Kompressoren zur Folge.
  • Auf der anderen Seite eines Molekularsiebes eines Sauerstoff-Generators fällt sauerstoffabgereicherte Luft an, welche als Hauptkomponente Stickstoff enthält. Solche abgereicherte Luft kann als inertes Gasgemisch betrachtet werden, welches erfindungsgemäß zur Spülung der Umhausung des Brennstoffzellensystems verwendet werden kann, um dort die Bildung explosionsfähiger Gemische zu vermeiden.
  • Zusätzlich ist eine Verwendung dieses Gases in Brennstofftanks, die flüssige Kohlenwasserstoffe als Energieträger beinhalten, möglich, um dort den Sauerstoff oberhalb des Flüssigkeitsspiegels zu verdrängen und damit die Konzentration zündfähiger Gemische unter die Explosionsgrenze abzusenken.
  • Alternativ oder ergänzend kann das erfindungsgemäße Versorgungssystem eine Flügelenteisung ermöglichen. Die bei dem Brennstoffzellensystem anfallende Kathodenabluft kann zur Wassergewinnung genutzt werden. Da diese Katodenabluft im Wesentlichen auf der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle befindlich ist, ist zur Wassergewinnung eine Kondensation, und somit eine Temperaturabsenkung zum Beispiel mittels eines Wärmetauschers und einer Kondensatableitung durchzuführen. Um möglichst viel Kondensat zu gewinnen, sollte die Katodenabluft auf ein Temperaturniveau zwischen 1°Celsius und 10°Celsius abgesenkt werden. Zusätzlich sollte der Brennstoffzellen-Stack gekühlt werden, da der Brennstoffzellenprozess exotherm abläuft. Die im Kondensator und bei der Kühlung der Brennstoffzellen-Stacks anfallende Wärme kann über ein Wärmepumpensystem der Kathodenabluft wieder zugeführt werden. Die so gewonnene Warmluft kann über ein Rohrleitungssystem den Flügelkanten zugeführt werden und so zur Flügelenteisung eingesetzt werden. Die oben beschriebenen Kompressoren produzieren ebenfalls Abwärme. Auch diese kann über das Wärmepumpensystem der Kathodenabluft zugeführt werden.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist somit eine Anordnung geschaffen, die ein Luftfahrzeug zur Beförderung von Passagieren und/oder Fracht aufweist, und die mit mindestens einer Druckkabine ausgestattet sein kann. Ein solches Luftfahrfahrzeug kann mindestens ein Triebwerk aufweisen, welches vorzugsweise von einer Bereitstellung von Zapfluft frei ist, hingegen mit Startergeneratoren zum Triebwerkstart und zur Stromversorgung ausgerüstet sein kann. Ferner kann mindestens eine Klimaanlage mit eigenem Kompressor zur Versorgung der Druckkabine mit Frischluft und dem notwendige Umgebungsdruck für Passagiere oder Besatzung vorgesehen sein. Darüber hinaus ist vorzugsweise mindestens ein modular aufgebautes Brennstoffzellensystem vorgesehen, welches eine herkömmlich vorhandene Wassertankeinrichtung ganz oder teilweise ersetzen kann. Ein solches Brennstoffzellensystem kann mehrere Brennstoffzellenstapel aufweisen, welche eine zentrale Versorgungseinrichtung und Entsorgungseinrichtung für Luft, Brennstoff, Abluft und Abgas sowie elektrische Energie nutzen und zur Versorgung der Druckkabine und der zur Versorgung der Druckkabine nötigen Systeme sowie dem Kompressor der Klimaanlage mit elektrischer Energie dienen können, ebenso wie zur Versorgung des Wassersystems des Luftfahrzeugs mit Wasser. Dieses Wasser kann aus der Kathodenabluft des Brennstoffzellensystems gewonnen werden, danach zu Trinkwasser aufbereitet werden und über ein Verteilernetz an Bord verteilt werden. Triebwerk und Brennstoffzellensystem können aus vollständig voneinander getrennten Versorgungsvorrichtungen mit Brennstoff versorgt werden, wobei der Brennstoff für das Brennstoffzellensystem je nach verwendeten Brennstoffzellen Wasserstoff in flüssiger oder gasförmiger Form oder Methanol sein kann. Der Brennstoff für das Triebwerk kann aus einem Kohlenwasserstoff wie Kerosin oder ebenfalls aus flüssigem oder gasförmigem Wasserstoff bestehen.
  • Das Luftfahrzeug kann von einer Hilfsgasturbine zur Gewinnung von elektrischer Energie und Druckluft zum Triebwerkstart, zur Bodenversorgung des Luftfahrzeugs und/oder zur Notfallversorgung frei sein.
  • In dem Luftfahrzeug kann über die gesamte Flugmission hinweg kontinuierlich Wasser produziert werden und nach einer Aufbereitung zu Trinkwasser Verbrauchern (wie Bordküchen („Galleys"), Waschräumen und Toiletten („Lavatories"), Duschen und/oder einer Luftbefeuchtungsanlage) zur Verfügung gestellt werden.
  • Verbrauchtes (Ab-)Wasser kann über ein Vakuumsystem abgeführt werden, in Sammeltanks gespeichert werden und am Boden entsorgt werden.
  • Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können überschüssige Wassermengen bereits vor der Kondensation aus dem Kathodenabgas des Brennstoffzellensystems über ein Umschaltventil nach außen abgeführt werden.
  • Zusätzlich kann ein mit Druckluft betriebener Sauerstoff-Generator gemäß dem Prinzip der Gastrennung durch ein Molekularsieb vorgesehen werden, um die Sauerstoffversorgung für Passagiere oder Besatzung im Falle eines Druckabfalls in der Druckkabine sicherzustellen, um im Normalbetrieb des Luftfahrzeuges den Sauerstoffpartialdruck in der Kathodenluftversorgung des Brennstoffzellensystems zu erhöhen. Somit kann eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Brennstoffzelle erreicht werden.
  • Bei der Anordnung gemäß der Erfindung kann alternativ ein mit Druckluft betriebener Sauerstoff-Generator gemäß dem Prinzip der Gastrennung durch ein Molekularsieb eingeführt werden, der einerseits die Sauerstoffversorgung für Passagiere oder Besatzung im Falle eines Druckabfalls in der Druckkabine sicherstellt und andererseits im Normalbetrieb des Luftfahrzeugs den Sauerstoffpartialdruck in der durch die Klimaanlage bereitgestellten Kabinenluft erhöht. Dadurch kann die Höhe des Drucks der Kabinenluft abgesenkt werden, was eine Energieeinsparung durch die Verwendbarkeit kleinerer Kompressoren zur Folge hat.
  • Bei dem Versorgungssystem der Erfindung kann Kathodenabluft mit der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle anfallen. Eine Temperaturabsenkung kann mittels eines Wärmetauschers und einer Kondensatableitung erfolgen. Dadurch kann eine ausreichend große Menge von Kondensat gewonnen werden, die Katodenabluft auf ein Temperaturniveau zwischen 1°Celsius und 10°Celsius abgesenkt werden, und außerdem kann der Brennstoffzellen-Stack effektiv gekühlt werden. Dadurch kann die im Kondensator und bei der Kühlung des Brennstoffzellen-Stacks anfallende Wärme über ein Wärmepumpensystem der Kathodenabluft wieder zugeführt werden, um so die gewonnene Warmluft über ein Rohrleitungssystem den Flügelkanten zuzuführen und somit eine Enteisungsfunktion zu gewährleisten. Der Kompressor der Klimaanlage, welcher ebenfalls Abwärme produziert, kann diese ebenfalls über das Wärmepumpensystem der Kathodenluft zuführen.
  • Die Brennstoffversorgung für das Brennstoffzellensystem kann je nach eingesetztem Brennstoffzellentyp für Niedrigtemperatur- oder Hochtemperaturpolymerelektrolytmembranbrennstoffzellen Wasserstoff sein. Bei Direktmethanolbrennstoffzellen kann Methanol eingesetzt werden. Der Brennstoff kann aus einem Wasserstoffdruckgasbehälter, einem Behälter für Flüssigwasserstoff oder einem Methanoltank kommen, wobei ein solcher Behälter zum Beispiel im Heckbereich des Luftfahrzeuges hinter dem Leitwerk positioniert werden kann. Ein solcher Behälter kann dort fest installiert sein oder als lösbare Kartusche ausgebildet sein.
  • Die Brennstoffversorgung der Brennstoffzelle kann alternativ aus einem separaten Gasprozessor stammen, wobei dieser Gasprozessor vorzugsweise in der Lage ist, aus einem Kohlenwasserstoff wie Kerosin ein für die Brennstoffzelle verwertbares Brenngas wie Wasserstoff zu erzeugen.
  • Die Abwärme des Brennstoffzellensystems kann zur Verdampfung bzw. zur Vorwärmung des für den Betrieb des Brennstoffzellensystems benötigten Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff aus einem Flüssigwasserstoff-Reservoir, verwendet werden.
  • Bei einem Sauerstoff-Generator auf der Basis eines Molekularsiebs fällt prinzipbedingt auf der Nicht-Sauerstoffseite des Molekularsiebs die um den Sauerstoff abgereicherte Luft an. Diese besteht im Wesentlichen aus Stickstoff und kann somit als inertes Gasgemisch betrachtet werden. Dieses kann zur Spülung der Umhausung des Brennstoffzellensystems eingesetzt werden, um dort die Bildung explosionsfähiger Gemische zu unterbinden und somit die Betriebssicherheit zu verbessern. Solches sauerstoffabgereichertes Gas kann auch zur Inertgasversorgung der Brennstoff-Tanks eingesetzt werden, um dort ein Explosionsrisiko herabzusetzen.
  • Die elektrische Energieverteilung in dem Versorgungssystem kann mittels einer zentralen Regelungseinheit gewährleistet werden.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Im Weiteren werden Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Versorgungssystems zur Energieversorgung in einem Luftfahrzeug beschrieben. Diese Ausgestaltungen gelten auch für das Luftfahrzeug und für das Verfahren zum Versorgen eines Luftfahrzeugs mit Energie.
  • Das Versorgungssystem der Erfindung kann eine Flügelenteisungs-Einrichtung aufweisen, die mit der Brennstoffzelle derart gekoppelt sein kann, dass basierend auf beim Betrieb der Brennstoffzelle anfallender Brennstoffprodukte ein Flügel mittels der Flügelenteisungs-Einrichtung enteisbar ist. Somit kann Abwärme der Brennstoffzelle, die zum Beispiel in heißem Wasserdampf als Brennstoffprodukt einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle vorhanden sein kann, vorteilhaft dazu eingesetzt werden, einen Flügel des Luftfahrzeugs, das mit dem Versorgungssystem ausgestattet ist, zu enteisen bzw. vor einer Vereisung zu schützen. Alternativ oder ergänzend kann solche Energie an anderen Stellen des Versorgungssystem eingesetzt werden, zum Beispiel zum Verdampfen von flüssigem Wasserstoff als Brennstoff für das Triebwerk und/oder für die Brennstoffzelle. Die Flügelenteisungs-Einrichtung, die Energie aus dem Wasserdampfabgaspfad der Brennstoffzelle beziehen kann, kann besonders vorteilhaft in Kombination mit einem Wasserversorgungssystem des Luftfahrzeugs betrieben werden, welches den abgekühlten und kondensierten Wasserdampf zur Wasserversorgung in dem Luftfahrzeug verwenden kann. Dadurch kann das eigentliche Abfallprodukt der Brennstoffzelle, nämlich der Wasserdampf, in dem Luftfahrzeug in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft eingesetzt werden, nämlich zum Wärmen bzw. zum Heizen von anderen Komponenten und simultan als Wasserquelle. Die Wasserversorgung kann dadurch mit geringem Aufwand und ohne schwere Zusatztanks realisiert werden.
  • Das Versorgungssystem kann derart eingerichtet sein, dass beim Betrieb der Brennstoffzelle anfallender Wasserdampf als Brennstoffprodukt vor dem Flügelenteisen zum Gewinnen von Wasser auskondensierbar ist, das verbleibende Brennstoffprodukt mittels einer Wärmepumpe erwärmbar ist und das erwärmte Brennstoffprodukt der Flügelenteisungs-Einrichtung zuführbar ist. Der Wasserdampf wird somit vorzugsweise schon vor dem eigentlichen Flügelenteisen auskondensiert, um Wasser zu gewinnen. Vorzugsweise wird erst dann die sauerstoffabgereicherte Luft über eine Wärmepumpe wieder erwärmt und dann der Flügelenteisung zugeführt.
  • Das Versorgungssystem kann derart eingerichtet sein, dass das verbleibende Brennstoffprodukt mit Anodenabgas der Brennstoffzelle mischbar ist und unter Zuführung von Wasserstoff in einem Nachbrenner erwärmbar ist. Daher kann auch eine Mischung mit Anodenabgas – sogenanntes Purgegas – erfolgen und unter Zuführung zusätzlichen Wasserstoffs in einem Nachbrenner weiter erwärmt werden, um so auf das zur Flügelenteisung nötige Energieniveau zu kommen.
  • Wenn Kathodenabluft der Brennstoffzelle mit der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle anfällt, kann eine Temperaturabsenkung mittels eines Wärmetauschers und eine Kondensatableitung erfolgen, um möglichst viel Kondensat zu gewinnen. Die Kathodenabluft kann auf ein Temperaturniveau zwischen 1°C und 10°C absenkt werden. Außerdem kann der Brennstoffzellenstack gekühlt werden, wobei die im Kondensator und bei der Kühlung des Brennstoffzellenstacks anfallende Wärme über ein Wärmepumpensystem der Kathodenabluft wieder zugeführt werden kann, um die so gewonnene Warmluft über ein Rohrleitungssystem den Flügelkanten zuzuführen und somit eine Enteisungsfunktion zu gewährleisten. Der Kompressor der Klimaanlage produziert ebenfalls Abwärme, diese ebenfalls über das Wärmepumpensystem der Kathodenabluft zugeführt werden kann.
  • Ferner kann das Versorgungssystem der Erfindung eine Generator-Einrichtung aufweisen, die mit dem Triebwerk gekoppelt sein kann. Diese Generator-Einrichtung kann zum Bereitstellen von Energie zum Starten des Triebwerks und zum Versorgen des Luftfahrzeugs mit elektrischer Energie eingerichtet sein. Eine solche Generator-Einrichtung kann, eingebettet in einem erfindungsgemäßen Versorgungssystem, die Energieversorgung von Komponenten des Luftfahrzeugs weiter verbessern und verfeinern.
  • Ferner kann das Versorgungssystem eine zentrale Regelungseinheit aufweisen, die zum zentralen Regeln der Energieversorgung in dem Luftfahrzeug eingerichtet ist. Diese Regelungseinheit kann als Steuerzentrale des erfindungsgemäßen Versorgungssystem implementiert werden, welche das Bereitstellen von Energie mittels des Triebwerkantriebs und der Brennstoffzelle aufeinander abstimmt und die erzeugten Energiemengen bedarfsgerecht auf die entsprechenden Energieverbraucher aufteilt. Insbesondere kann diese Regelungseinheit auch die Versorgung des Luftfahrzeugs mit Wasser aus Abgas der Brennstoffzellen steuern und ferner einen Gasaustausch zwischen verschiedenen Gasabnehmern (einer Druckkabine, der Brennstoffzelle etc.) regeln. Die zentrale Regelungseinheit kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d.h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, d.h. in Hardware oder in beliebig hybrider Form, d.h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.
  • Ferner kann das erfindungsgemäße Versorgungssystem eine Luftversorgungs-Einrichtung zum Versorgen einer Kabine mit Atemluft aufweisen, wobei die Luftversorgungs-Einrichtung mittels der Brennstoffzelle und/oder mittels der Generator-Einrichtung mit elektrischer Energie versorgbar ist. Eine Kabine eines Luftfahrzeugs wird in der Regel mit Atemluft versorgt, um darin anwesenden Passagieren bzw. Besatzungsmitgliedern eine Versorgung mit Atemluft zu ermöglichen. Diese Luft kann aus dem Umgebungsbereich außerhalb des Luftfahrzeugs gewonnen werden. Zum Aufbereiten der Luft, zum Beispiel in einer Klimaanlage, kann die Luftversorgungs-Einrichtung von der Generator-Einrichtung und/oder von der Brennstoffzelle mit elektrischer Energie versorgt werden.
  • Das Versorgungssystem kann einen Kompressor zum Versorgen der Luftversorgungs-Einrichtung mit komprimiertem Gas aufweisen. Anders ausgedrückt kann eine Klimaanlage mit eigenem Kompressor ausgestattet sein.
  • Das Versorgungssystem kann einen Gleichstrommotor aufweisen, der zum Antrieben des Kompressors eingerichtet ist. Der Kompressor kann somit mit einem Gleichstrommotor, oder auch mit einem Wechselstrommotor oder einem Drehstrommotor angetrieben werden, zur Versorgung der Druckkabine mit Frischluft und dem notwendigen Umgebungsdruck für Passagiere oder Besatzung.
  • Bei dem Versorgungssystem kann der Sauerstoff-Generator im Normalbetrieb des Luftfahrzeuges zum Erhöhen des Sauerstoff-Partialdruck in der durch die Luftversorgungs-Einrichtung bereitgestellten Atemluft eingerichtet sein. Besagter Sauerstoff-Generator kann somit im Normalbetrieb des Luftfahrzeuges den Sauerstoff-Partialdruck in der durch die Klimaanlage bereitgestellten Kabinenluft erhöhen, um so die Druckhöhe der Kabinenluft absenken zu können, was eine Energie- Gewichts- und Raumeinsparung durch die Verwendung kleinerer Kompressoren zur Folge hat.
  • Das Versorgungssystem der Erfindung kann ferner eine Wasserversorgungs-Einrichtung zum, vorzugsweise kontinuierlichen, Bereitstellen von Wasser aufweisen, wobei die Wasserversorgungs-Einrichtung zum Gewinnen von Wasser aus beim Betrieb der Brennstoffzelle anfallenden Brennstoffprodukten eingerichtet ist. Insbesondere bei einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle (oder einer Wasserstoff-Luftsauerstoff-Brennstoffzelle) fällt Wasserdampf als Reaktionsprodukt an, der kondensiert werden kann und dann nach einer optionalen Aufbereitung als Trinkwasser/Nutzwasser in allen Bereichen des Luftfahrzeugs eingesetzt werden kann (zum Beispiel in der Bordküche, den Toiletten, etc.). Dies ermöglicht eine Gewichtsreduzierung in dem Luftfahrzeug, da das Mitführen separater Wasserbehälter entbehrlich wird.
  • Das Versorgungssystem kann eine Wasseraufbereitungs-Einrichtung zum Aufbereiten von gewonnenem Wasser zu Trinkwasser aufweisen. Im Luftfahrzeug kann über die gesamte Flugmission hinweg kontinuierlich Wasser produziert werden und nach einer Aufbereitung zu Trinkwasser den Verbrauchern wie Bordküchen (Galleys), Waschräumen und WCs (Lavatories), Duschen oder einer Luftbefeuchtungsanlage zur Verfügung gestellt werden.
  • Das Versorgungssystem kann eine Abwasserabführ-Einrichtung zum Abführen von verbrauchtem Wasser über ein Vakuumsystem zum Speichern in Sammeltanks und zum Entsorgen am Boden aufweisen. Verbrauchtes Wasser kann auf diese Weise über ein Vakuumsystem abgeführt werden, in Sammeltanks gespeichert werden und am Boden entsorgt werden.
  • Das Versorgungssystem kann eine Abführ-Einrichtung enthalten, mittels welcher überschüssige Wassermengen aus beim Betrieb der Brennstoffzelle anfallenden Brennstoffprodukten vor der Kondensation abführbar sind. Insbesondere sind überschüssige Wassermengen vor der Kondensation aus dem Kathodenabgas des Brennstoffzellensystems über ein Umschaltventil nach Außen abführbar.
  • Die Brennstoffzelle des erfindungsgemäßen Versorgungssystems kann derart mit der Kabine gekoppelt sein, dass zum Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche kathodenseitige Edukte der Brennstoffzelle aus der Kabine zuführbar sind. Insbesondere kann für den Betrieb einer Brennstoffzelle das Bereitstellen von Sauerstoff als Edukt erforderlich sein. Dieser Sauerstoff kann aus der Abluft einer Kabine, in der sich Passagiere befinden, gewonnen werden und der Brennstoffzelle zugeführt werden.
  • Die Brennstoffzelle kann derart mit der äußeren Umgebung eines Luftfahrzeugs gekoppelt sein, dass für den Betrieb einer Brennstoffzelle erforderliche kathodenseitige Edukte der Brennstoffzelle aus der äußeren Umgebung eines Luftfahrzeugs zuführbar sind. Gemäß dieser Ausgestaltung kann Sauerstoff für den Betrieb der Brennstoffzelle aus der Umgebung des Luftfahrzeugs, das heißt aus der Atmosphäre, gewonnen werden, gegebenenfalls verdichtet werden und der Brennstoffzelle für das Umsetzen von Wasserstoffionen aus Wasserstoff oder einem anderen Brennstoff zum Kathodenabgas H2O und Luftüberschuss zugeführt werden.
  • Die Luftversorgungs-Einrichtung kann derart mit einer äußeren Umgebung eines Luftfahrzeugs gekoppelt werden, dass zum Versorgen einer Kabine mit Atemluft Luft aus der äußeren Umgebung eines Luftfahrzeugs zuführbar ist. Gemäß dieser Ausgestaltung wird Luft aus der Atmosphäre, gegebenenfalls nach einer zusätzlichen Sauerstoffanreicherung und einer Verdichtung, zur Versorgung von Passagieren und der Besatzung mit Atemluft verwendet.
  • Hierfür kann insbesondere ein Sauerstoff-Generator vorgesehen werden, mittels welchem die Luftversorgungs-Einrichtung mit einer äußeren Umgebung eines Luftfahrzeugs zum Versorgen der Kabine mit sauerstoffangereicherter Atemluft gekoppelt wird. Ein solcher Sauerstoff-Generator kann aus der Luft während des Betriebs eines Luftfahrzeugs eine ausreichende Sauerstoffkonzentration erzielen, um menschlichen Passagieren in der Kabine die erforderliche Sauerstoffmenge zuzuführen.
  • Der Sauerstoff-Generator kann mit Druckluft betreibbar sein und nach dem Prinzip der Gastrennung durch ein Molekularsieb ausgestaltet sein. Somit kann zusätzlich ein mit Druckluft betriebener Sauerstoffgenerator nach dem Prinzip der Gastrennung durch ein Molekularsieb eingeführt werden, der einerseits die Sauerstoffversorgung für Passagiere oder Besatzung im Falle eines Druckabfalls in der Druckkabine sicherstellt und andererseits im Normalbetrieb des Luftfahrzeuges den Sauerstoff-Partialdruck in der Kathodenluftversorgung des Brennstoffzellensystems erhöht, um so eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Brennstoffzelle zu erreichen.
  • Das Versorgungssystem kann derart eingerichtet sein, dass bei einem Betrieb des Sauerstoff-Generators anfallende, um Sauerstoff abgereicherte Luft zur Spülung einer Umhausung der Brennstoffzelle einsetzbar ist. Bei dem Sauerstoff-Generator fällt prinzipbedingt auf der Nicht-Sauerstoffseite des Molekularsiebes die um den Sauerstoff abgereicherte Luft an, welche im Wesentlichen aus Stickstoff besteht und somit als inertes Gasgemisch zu betrachten ist. Dieses kann zur Spülung der Umhausung des Brennstoffzellensystems verwendet werden, um dort die Bildung explosionsfähiger Gemische auszuschließen.
  • Das Versorgungssystem kann derart eingerichtet sein, dass bei einem Betrieb des Sauerstoff-Generators anfallende, um Sauerstoff abgereicherte Luft zur Beaufschlagung einer Gasphase von in dem ersten Brennstoffreservoir und/oder in dem zweiten Brennstoffreservoir enthaltenem Kohlenwasserstoff einsetzbar ist. Dieses sauerstoffabgereicherte inerte Gas kann somit auch zur Beaufschlagung der Gasphase in Tanks verwendet werden, die einen brennbaren, flüssigen Kohlenwasserstoff enthalten, um den dort vorhandenen Sauerstoff zu verdrängen und damit die Entflammbarkeit zu vermindern.
  • Bei dem Versorgungssystem kann die Brennstoffzelle ein modular aufgebautes System aus mehreren Brennstoffzellenstapeln sein, welche eine zentrale Versorgungseinrichtung und Entsorgungseinrichtung nutzen. Ein modular aufgebautes Brennstoffzellensystem kann aus mehreren Brennstoffzellenstapeln gebildet sein, welche eine zentrale Ver- und Entsorgungseinrichtung für Luft, Brennstoff, Abluft und Abgas sowie elektrische Energie nutzen können.
  • Bei dem Versorgungssystem kann das erste Brennstoffreservoir zum Versorgen des Triebwerks mit einem Kohlenwasserstoff oder mit flüssigem oder gasförmigem Wasserstoff als Triebwerk-Brennstoff eingerichtet sein. Ferner kann das zweite Brennstoffreservoir zum Versorgen der Brennstoffzelle mit Wasserstoff in flüssiger oder gasförmiger Form oder mit Methanol als Brennstoffzellen-Brennstoff eingerichtet sein. Brennstoff für das Brennstoffzellensystem kann somit je nach verwendetem Brennstoffzellentyp Wasserstoff in flüssiger oder gasförmiger Form oder Methanol sein, und der Brennstoff für das Triebwerk kann entweder ein Kohlenwasserstoff wie Kerosin oder ebenfalls flüssiger oder gasförmiger Wasserstoff sein. Wasserstoff für die Brennstoffzelle kann auch in einem Gasprozessor aus einem Kohlenwasserstoff gewonnen werden. Vorzugsweise werden die Triebwerke mit Kerosin und die Brennstoffzelle mit Wasserstoff betrieben.
  • Die Brennstoffzelle kann eine Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle oder eine Direktmethanolbrennstoffzelle sein. Die Brennstoffversorgung für das Brennstoffzellensystem kann somit je nach eingesetztem Brennstoffzellentyp für Niedrig- oder Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen Wasserstoff oder bei Direktmethanolbrennstoffzellen Methanol sein und kann aus einem Wasserstoff-Druckgasbehälter, einem Behälter für flüssig Wasserstoff oder einem Methanoltank bereitgestellt werden.
  • Das zweite Brennstoffreservoir und die Brennstoffzelle können derart verkoppelt sein, dass Abwärme der Brennstoffzelle zur Verdampfung und/oder Vorwärmung von Brennstoffstellen-Brennstoff aus dem zweiten Brennstoffreservoir einsetzbar ist. Die Abwärme des Brennstoffzellensystems kann somit zur Verdampfung und Vorwärmung des für den Betrieb des Brennstoffzellensystems benötigten Wasserstoffs aus einem Flüssigwasserstoff-Reservoir verwendet werden.
  • Das Versorgungssystem kann von einer Hilfsgasturbine zur Gewinnung von elektrischer Energie und Druckluft zum Triebwerksstart, zur Bodenversorgung des Luftfahrzeugs und/oder zur Notfallversorgung frei sein. Das Versorgungssystem ersetzt eine herkömmliche Hilfsgasturbine zur Gewinnung von elektrischer Energie und Druckluft zum Triebwerksstart, zur Bodenversorgung des Luftfahrzeugs oder zur Notfallversorgung vollständig.
  • Der Sauerstoffgenerator kann im Wesentlichen auch für den Notfallbetrieb vorgesehen sein, wobei damit der Sauerstoff für die Versorgung der Passagiere über Atemmasken bei Druckabfall in der Kabine bereitgestellt werden kann.
  • Im Weiteren werden Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Luftfahrzeugs beschrieben. Diese Ausgestaltungen gelten auch für das Versorgungssystem zur Energieversorgung in einem Luftfahrzeug und für das Verfahren zum Versorgen eines Luftfahrzeugs mit Energie.
  • Das zweite Brennstoffreservoir kann als Behälter ausgebildet sein, der oder die im Heck des Luftfahrzeuges hinter dem Leitwerk positioniert ist oder sind und fest installiert sein kann oder können oder als lösbare Kartuschen ausgebildet ist oder sind. Das zweite Brennstoffreservoir kann somit insbesondere aus einem Behälter für flüssig Wasserstoff oder einem Methanoltank kommen. Lediglich die Wasserstoff bzw. Methanol führenden Behälter für den Betrieb der Brennstoffzelle würde man im Heck platzieren. Die Versorgung der Triebwerke würde vorzugsweise weiterhin aus anderweitig platzierten Tanks erfolgen Ein Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, ein Luftfahrzeug mit einem Triebwerk vorzusehen, welches keine Zapfluft bereitstellt, aber dennoch Startergeneratoren zum Start und zur Stromversorgung besitzt. Außerdem kann erfindungsgemäß mindestens ein modular aufgebautes Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, welches einen üblicherweise vorhandenen Wassertank ganz oder teilweise ersetzen kann. Triebwerk und Brennstoffzellensystem können mittels vollständig voneinander getrennter Versorgungsvorrichtungen mit Brennstoff versorgt werden. Die Modularität aus Redundanzgründen ist besonders wichtig, insbesondere dann, wenn ein Versorgungspart ausfällt. Ferner kann ein zentraler Ver- und Entsorgungspfad für diese Module verwendet werden. Das Brennstoffzellensystem der Erfindung kann kontinuierlich über die gesamte Flugmission Wasser produzieren. Allerdings können überschüssige, nicht benötigte Wassermengen bereits vor der Kondensation nach außen aus dem Luftfahrzeug abgeführt werden. Solche Kathodenabluft kann zusätzlich zur Flügelkantenteisung verwendet werden, wofür auch die Abwärme des Kompressors der Klimaanlage eingebunden werden kann. Die Klimaanlage der Erfindung kann einen Kompressor mit einem Elektromotor aufweisen. Dieser Kompressor kann mit einem Gleichstrommotor betrieben werden.
    •
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher beschrieben.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Versorgungssystem zur Energieversorgung in einem Luftfahrzeug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 2 ein Versorgungssystem zur Energieversorgung in einem Luftfahrzeug gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 3 ein Versorgungssystem zur Energieversorgung in einem Luftfahrzeug gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
  • Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 1 ein Versorgungssystem 100 zur Energieversorgung in einem Luftfahrzeug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Das Versorgungssystem 100 zur Energieversorgung in einem Luftfahrzeug (nicht gezeigt) enthält ein Triebwerk 101 zum Antreiben des Luftfahrzeugs. Ferner enthält das Versorgungssystem 100 eine Brennstoffzelle 102 zum Versorgen des Luftfahrzeugs mit elektrischer Energie. Ein Kerosin-Reservoir 103 ist zum Versorgen des Triebwerks 101 mit Triebwerk-Brennstoff vorgesehen. Ferner ist ein Wasserstoff-Reservoir 104 vorgesehen, das von dem Kerosin-Reservoir 103 räumlich und funktionell getrennt ist.
  • Das Versorgungssystem 100 enthält ferner einen Startergenerator 105, der mit dem Triebwerk 101 gekoppelt ist und der zum Bereitstellen von Energie zum Starten des Triebwerks 101 und zum Versorgen des Luftfahrzeugs mit elektrischer Energie eingerichtet ist. Insbesondere ist der Startergenerator 105 mit einer Regelungseinheit 106 gekoppelt, die als zentrale Regelungseinheit zum zentralen Regeln der Energieversorgung in dem Luftfahrzeug eingerichtet ist.
  • Eine Luftversorgungs-Einrichtung 107 versorgt eine Druckkabine 108 (in der sich Passagiere aufhalten können) mit Zuluft, wobei die Luftversorgungs-Einrichtung 107 (eine Klimaanlage) selektiv mittels der Brennstoffzelle 102 und/oder mittels des Startergenerators 105 mit elektrischer Energie versorgbar ist. Die Zufuhr von elektrischer Energie zu der Klimaanlage 107 bzw. zu einem Kompressor 110 (dem Zuluft zugeführt wird und der diese Zuluft für die Klimaanlage 107 verdichtet) wird mittels der elektrischen Regelungseinheit 106 geregelt.
  • Ferner ist eine Wasserversorgungs-Einrichtung 109 zum Bereitstellen von Wasser vorgesehen, wobei die Wasserversorgungs-Einrichtung 109 zum Gewinnen von Wasser aus beim Betrieb der Brennstoffzelle 102 anfallendem Wasserdampf eingerichtet ist. Bei der Wasserversorgungs-Einrichtung 109 ist ein Kondensator 111 mit einem Ausgang der Brennstoffzelle 102 gekoppelt, wobei die Brennstoffzelle 102 dem Kondensator Wasserdampf bereitstellt. Der Kondensator 111 kondensiert den Wasserdampf zu Wasser und stellt dieses flüssige Wasser einer Trinkwasserbereitungs-Einrichtung 112 bereit. Ein Ausgang der Trinkwasserbereitungs-Einrichtung 112 stellt Wasserverbrauchern 113 (zum Beispiel einem Lavatory, einer Galley, etc.) Wasser zur Verfügung. Von den Wasserverbrauchern 113 verbrauchtes Wasser wird einem Abwassertank 114 zugeführt.
  • Zum Betrieb der Brennstoffzelle 102 ist – abgesehen von dem Brennstoff Wasserstoff, welcher der Brennstoffzelle 102 aus dem Wasserstoff-Reservoir 104 zugeführt wird – Sauerstoff als Oxidationsmittel erforderlich. Sauerstoff enthaltende Zuluft wird der Brennstoffzelle 102 von der Druckkabine 108 mittels eines Lüfters 115 zugeführt. Die Brennstoffzelle 102 ist derart mit der Druckkabine 108 gekoppelt, dass ein zum Betrieb der Brennstoffzelle 102 erforderliches Brennstoffedukt (nämlich Sauerstoff) der Brennstoffzelle 102 aus der Druckkabine 108 zugeführt werden kann.
  • Ein Luft- bzw. Wasserüberschuss der Brennstoffzelle 102 kann aus dieser abgeführt werden (siehe 1). Ferner wird dem Triebwerk 101 Zuluft zugeführt bzw. werden Abgase aus dem Triebwerk 101 abgeführt.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 2 ein Versorgungssystem 200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Bei dem Versorgungssystem 200 ist abweichend von dem Versorgungssystem 100 ein Sauerstoff-Generator 201 vorgesehen, der mit einem Ausgang des Kompressors 110 gekoppelt ist, so dass dem Sauerstoff-Generator 201 komprimierte Zuluft zuführbar ist. Der Sauerstoff-Generator 201 generiert zum Beispiel unter Verwendung eines Molekularsiebs sauerstoffangereichertes Gas aus der Zuluft, das der Klimaanlage 107 zugeführt werden kann, und alternativ oder ergänzend der Brennstoffzelle 102 bzw. einer Sauerstoffnotversorgungs-Einrichtung 202 zugeführt werden kann.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 3 ein Versorgungssystem 300 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Bei dem Versorgungssystem 300 werden wassergashaltige Abfallprodukte der Brennstoffzelle 102 einer Wärmepumpe 301 zugeführt. Kondensiertes Wasser wird in einem Wasserspeicher 302 zwischengespeichert und kann – zum Beispiel wie in 1 oder 2 beschrieben – weiterverarbeitet werden. Ferner kann kondensiertes Wasser oder Wasserdampf über einen Wärmetauscher 304 einer Flügelenteisungs-Einrichtung 305 zum Enteisen eines Luftfahrzeugflügels zugeführt werden.
  • Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsformen. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung und dem erfindungsgemäßen Prinzip auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungsformen Gebrauch macht.
  • Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
    • 100
    Versorgungssystem
    101
    Triebwerk
    102
    Brennstoffzelle
    103
    Kerosin-Reservoir
    104
    Wasserstoff-Reservoir
    105
    Startergenerator
    106
    Regelungseinheit
    107
    Luftversorgungs-Einrichtung
    108
    Druckkabine
    109
    Wasserversorgungs-Einrichtung
    110
    Kompressor
    111
    Kondensator
    112
    Trinkwasserbereitungs-Einrichtung
    113
    Wasserverbraucher
    114
    Abwassertank
    115
    Lüfter
    200
    Versorgungssystem
    201
    Sauerstoff-Generator
    202
    Sauerstoffnotversorgungs-Einrichtung
    300
    Versorgungssystem
    301
    Wärmepumpe
    302
    Wasser-Zwischenspeicher
    303
    Pumpe
    304
    Wärmtauscher
    305
    Flügelenteisungs-Einrichtung

Claims (30)

  1. Versorgungssystem (100) zur Energieversorgung in einem Luftfahrzeug, wobei das Versorgungssystem (100) aufweist ein Triebwerk (101) zum Antreiben eines Luftfahrzeugs; eine Brennstoffzelle (102) zum Versorgen eines Luftfahrzeugs mit elektrischer Energie; ein erstes Brennstoffreservoir (103) zum Versorgen des Triebwerks (101) mit Triebwerk-Brennstoff; ein zweites Brennstoffreservoir (104) zum Versorgen der Brennstoffzelle (102) mit Brennstoffzellen-Brennstoff; wobei das erste Brennstoffreservoir (103) von dem zweiten Brennstoffreservoir (104) separat vorgesehen ist.
  2. Versorgungssystem (300) nach Anspruch 1, mit einer Flügelenteisungs-Einrichtung (305), die mit der Brennstoffzelle (102) derart gekoppelt ist, dass basierend auf beim Betrieb der Brennstoffzelle (102) anfallender Brennstoffprodukte ein Flügel mittels der Flügelenteisungs-Einrichtung (305) enteisbar ist.
  3. Versorgungssystem (300) nach Anspruch 2, das derart eingerichtet ist, dass beim Betrieb der Brennstoffzelle (102) anfallender Wasserdampf als Brennstoffprodukt vor dem Flügelenteisen zum Gewinnen von Wasser auskondensierbar ist, das verbleibende Brennstoffprodukt mittels einer Wärmepumpe erwärmbar ist und das erwärmte Brennstoffprodukt der Flügelenteisungs-Einrichtung (305) zuführbar ist.
  4. Versorgungssystem (300) nach Anspruch 3, das derart eingerichtet ist, dass das verbleibende Brennstoffprodukt mit Anodenabgas der Brennstoffzelle (102) mischbar ist und unter Zuführung von Wasserstoff in einem Nachbrenner erwärmbar ist.
  5. Versorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Generator-Einrichtung (105), die mit dem Triebwerk (101) gekoppelt ist, und die zum Bereitstellen von Energie zum Starten des Triebwerks (101) und zum Versorgen des Luftfahrzeugs mit elektrischer Energie eingerichtet ist.
  6. Versorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer zentralen Regelungseinheit (106), die zum zentralen Regeln der Energieversorgung in dem Luftfahrzeug eingerichtet ist.
  7. Versorgungssystem (100) nach Anspruch 5, mit einer Luftversorgungs-Einrichtung (107) zum Versorgen einer Kabine (108) mit Atemluft, wobei die Luftversorgungs-Einrichtung (107) mittels der Brennstoffzelle (102) und/oder mittels der Generator-Einrichtung (105) mit elektrischer Energie versorgbar ist.
  8. Versorgungssystem (100) nach Anspruch 6, mit einem Kompressor (110) zum Versorgen der Luftversorgungs-Einrichtung (107) mit komprimiertem Gas.
  9. Versorgungssystem (100) nach Anspruch 8, mit einem Gleichstrommotor, der zum Antrieben des Kompressors (110) eingerichtet ist.
  10. Versorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Wasserversorgungs-Einrichtung (109) zum, vorzugsweise kontinuierlichen, Bereitstellen von Wasser, wobei die Wasserversorgungs-Einrichtung (109) zum Gewinnen von Wasser aus beim Betrieb der Brennstoffzelle (102) anfallenden Brennstoffprodukten eingerichtet ist.
  11. Versorgungssystem (100) nach Anspruch 10, mit einer Wasseraufbereitungs-Einrichtung (112) zum Aufbereiten von gewonnenem Wasser zu Trinkwasser.
  12. Versorgungssystem (100) nach Anspruch 10 oder 11, mit einer Abwasserabführ-Einrichtung zum Abführen von verbrauchtem Wasser über ein Vakuumsystem zum Speichern in Sammeltanks und zum Entsorgen am Boden.
  13. Versorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, mit einer Abführ-Einrichtung, mittels welcher überschüssige Wassermengen aus beim Betrieb der Brennstoffzelle (102) anfallenden Brennstoffprodukten vor der Kondensation abführbar sind.
  14. Versorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei dem die Brennstoffzelle (102) derart mit der Kabine (108) gekoppelt ist, dass zum Betrieb der Brennstoffzelle (102) erforderliche Brennstoffedukte der Brennstoffzelle (102) aus der Kabine (108) zuführbar sind.
  15. Versorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem die Brennstoffzelle (102) derart mit einer äußeren Umgebung eines Luftfahrzeugs gekoppelt ist, dass zum Betrieb der Brennstoffzelle (102) erforderliche Brennstoffedukte der Brennstoffzelle (102) aus der äußeren Umgebung eines Luftfahrzeugs zuführbar sind.
  16. Versorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 15, bei dem die Luftversorgungs-Einrichtung (107) derart mit einer äußeren Umgebung eines Luftfahrzeugs gekoppelt ist, dass zum Versorgen einer Kabine (108) mit Atemluft Luft aus der äußeren Umgebung eines Luftfahrzeugs zuführbar ist.
  17. Versorgungssystem (200) nach Anspruch 16, mit einem Sauerstoff-Generator (201), mittels welchem die Luftversorgungs-Einrichtung (107) mit einer äußeren Umgebung eines Luftfahrzeugs zum Versorgen der Kabine (108) mit sauerstoffangereicherter Atemluft gekoppelt ist.
  18. Versorgungssystem (100) nach Anspruch 17, bei dem der Sauerstoff-Generator (201) mit Druckluft betreibbar ist und nach dem Prinzip der Gastrennung durch ein Molekularsieb ausgestaltet ist.
  19. Versorgungssystem (100) nach Anspruch 17 oder 18, bei dem der Sauerstoff-Generator (201) im Normalbetrieb des Luftfahrzeuges zum Erhöhen des Sauerstoff-Partialdruck in der durch die Luftversorgungs-Einrichtung (107) bereitgestellten Atemluft eingerichtet ist.
  20. Versorgungssystem (200) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, das derart eingerichtet ist, dass bei einem Betrieb des Sauerstoff-Generators (201) anfallende, um Sauerstoff abgereicherte Luft zur Spülung einer Umhausung der Brennstoffzelle (102) einsetzbar ist.
  21. Versorgungssystem (200) nach einem der Ansprüche 17 bis 20, das derart eingerichtet ist, dass bei einem Betrieb des Sauerstoff-Generators (201) anfallende, um Sauerstoff abgereicherte Luft zur Beaufschlagung einer Gasphase von in dem ersten Brennstoffreservoir (103) und/oder in dem zweiten Brennstoffreservoir (104) enthaltenem Kohlenwasserstoff einsetzbar ist.
  22. Versorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem die Brennstoffzelle ein modular aufgebautes System aus mehreren Brennstoffzellenstapeln ist, welche eine zentrale Versorgungseinrichtung und Entsorgungseinrichtung nutzen.
  23. Versorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei der das erste Brennstoffreservoir (103) zum Versorgen des Triebwerks (101) mit einem Kohlenwasserstoff oder mit flüssigem oder gasförmigem Wasserstoff als Triebwerk-Brennstoff eingerichtet ist.
  24. Versorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei der das zweite Brennstoffreservoir (104) zum Versorgen der Brennstoffzelle (102) mit Wasserstoff in flüssiger oder gasförmiger Form oder mit Methanol als Brennstoffzellen-Brennstoff eingerichtet ist.
  25. Versorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, bei der die Brennstoffzelle (102) eine Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle oder eine Direktmethanolbrennstoffzelle ist.
  26. Versorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 25, bei dem das zweite Brennstoffreservoir (104) und die Brennstoffzelle (102) derart verkoppelt sind, dass Abwärme der Brennstoffzelle (102) zur Verdampfung und/oder Vorwärmung von Brennstoffstellen-Brennstoff aus dem zweiten Brennstoffreservoir (104) einsetzbar ist.
  27. Versorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 26, das von einer Hilfsgasturbine zur Gewinnung von elektrischer Energie und Druckluft zum Triebwerksstart, zur Bodenversorgung des Luftfahrzeugs und/oder zur Notfallversorgung frei ist.
  28. Luftfahrzeug, mit einem Versorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 27 zur Energieversorgung in dem Luftfahrzeug.
  29. Luftfahrzeug nach Anspruch 28, wobei das zweite Brennstoffreservoir (104) als Behälter ausgebildet ist, der oder die im Heck des Luftfahrzeuges hinter dem Leitwerk positioniert ist oder sind und fest installiert sein kann oder können oder als lösbare Kartuschen ausgebildet ist oder sind.
  30. Verfahren zum Versorgen eines Luftfahrzeugs mit Energie, wobei bei dem Verfahren das Luftfahrzeug mittels eines Triebwerk (101) angetrieben wird; das Luftfahrzeug mittels einer Brennstoffzelle (102) mit elektrischer Energie versorgt wird; das Triebwerk (101) mittels eines ersten Brennstoffreservoirs (103) mit Triebwerk-Brennstoff versorgt wird; die Brennstoffzelle (102) mittels eines zweiten Brennstoffreservoirs (104) mit Brennstoffzellen-Brennstoff versorgt wird; wobei das erste Brennstoffreservoir (103) von dem zweiten Brennstoffreservoir (104) separat vorgesehen wird.
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