DE102005051583A9 - Brennstoffzellensystem für die Versorgung von Luftfahrzeugen - Google Patents

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem für Luftfahrzeuge mit einer Passagierkabine weist eine Brennstoffzelle auf. Die Brennstoffzelle weist einen ersten Eingangsanschluss, einen ersten Ausgangsanschluss, eine Kathodenseite und eine Anodenseite auf, wobei der erste Eingangsanschluss als Eingangsanschluss der Kathodenseite ausgebildet ist und wobei der erste Ausgangsanschluss als Ausgangsanschluss der Kathodenseite ausgebildet ist. Ferner ist das Brennstoffzellensystem derart ausgebildet, dass am ersten Eingangsanschluss ein Gas mit einem Druck anliegt, welcher einem Luftdruck in der Passagiermaschine entspricht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem für die Versorgung von Luftfahrzeugsystemen, ein Wasserversorgungssystem für Luftfahrzeuge und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems von Luftfahrzeugen, insbesondere ein Brennstoffzellensystem, welches auch zur Wasserversorgung geeignet ist.
  • In der heutigen Luftfahrzeugtechnik sind Anordnungen zum Erzeugen von Wasser an Bord eines Luftfahrzeuges unter Verwendung von Brennstoffzellen bekannt. Bei einer solchen Anordnung kann eine teilweise oder vollständige Integration einer Wassererzeugungseinheit beispielsweise in Form einer oder mehrerer Hochtemperatur-Brennstoffzellen in einem Flugzeugtriebwerk derart vorgesehen sein, dass Brennkammern des Flugzeugtriebwerks ganz oder teilweise durch die Hochtemperatur-Brennstoffzellen ersetzt werden.
  • Stand der Technik
  • Eine Energieversorgungseinheit an Bord eine Luftfahrzeuges ist beispielsweise aus DE 198 21 952 bekannt. Dieses weist eine Brennstoffzelle auf, wobei zur Luftversorgung der Brennstoffzelle Abluft der Luftfahrzeug-Klimaanlage oder Luftfahrzeugaußenluft eingesetzt wird. Hierzu ist jedem Brennstoffzellenmodul eine Luftversorgungseinheit vorgeschaltet, welche insbesondere eine Kompressor/Expandereinheit zur Kompression der der Brennstoffzelle zuzuführenden Luft sowie zur Energierückgewinnung aus der aus der Brennstoffzelle austretenden, erwärmten Luft, einen Luftfilter und einen Schalldämpfer umfasst.
  • Aufgabenstellung
  • Es mag ein Bedürfnis gegeben sein, ein effizientes Brennstoffzellensystem für die Versorgung eines Luftfahrzeuges, ein Wasserversorgungssystem für Luftfahrzeuge, ein effizientes Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in einem Luftfahrzeug und ein Flugzeug mit einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen.
  • Dieses Bedürfnis wird durch ein Brennstoffzellensystem für ein Luftfahrzeug, ein Wasserversorgungssystem für ein Luftfahrzeug, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in einem Luftfahrzeug und durch ein Flugzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
  • In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist ein Brennstoffzellensystem für Luftfahrzeug mit einer Passagierkabine eine Brennstoffzelle auf. Die Brennstoffzelle weist einen ersten Eingangsanschluss, einen ersten Ausgangsanschluss, eine Kathodenseite und eine Anodenseite auf, wobei der erste Eingangsanschluss als Eingangsanschluss der Kathodenseite ausgebildet ist und wobei der erste Ausgangsanschluss als Ausgangsanschluss der Kathodenseite ausgebildet ist. Ferner ist das Brennstoffzellensystem derart ausgebildet, dass am ersten Eingangsanschluss ein Gas mit einem Druck anlegbar ist, welcher einem Luftdruck in der Passagiermaschine entspricht.
  • In einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel weist ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in einem Luftfahrzeug, wobei das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle aufweist, wobei die Brennstoffzelle einen ersten Eingangsanschluss, einen ersten Ausgangsanschluss, eine Kathodenseite und eine Anodenseite aufweist, wobei der erste Eingangsanschluss als Eingangsanschluss der Kathodenseite ausgebildet ist und wobei der erste Ausgangsanschluss als Ausgangsanschluss der Kathodenseite ausgebildet ist, ein Anlegen eines Unterdruckes an den Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle auf. Ferner weist das Verfahren das Einsaugen von Gas in die Kathodenseite der Brennstoffzelle mittels des Unterdruckes auf.
  • In einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel weist ein Wasserversorgungssystem für ein Luftfahrzeug ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, einen Brennstofftank, einen Konverter und einen Wärmetauscher auf, wobei der Konverter als DC/DC/AC-Konverter, d.h. als Gleichstrom/Gleichstrom/Wechselstrom-Konverter eingerichtet ist, wobei der Wärmetauscher derart eingerichtet ist, dass mittels ihm produzierte Wärme des Brennstoffzellensystem abführbar ist und wobei der Brennstofftank derart eingerichtet ist, dass mittels ihm dem Brennstoffzellensystem Brennstoff zuführbar ist.
  • Eine Grundidee der Erfindung mag darin gesehen werden können, dass ein Brennstoffzellensystem für ein Luftfahrzeug geschaffen wird, welches ohne einen Kompressor und/oder Lüfter zur Luftversorgung des Brennstoffzellensystems auskommt. Der benötigte Luftdurchsatz durch die Brennstoffzelle mag alleine durch einen Unterdruck, welche an dem Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle angelegt wird, in die Kathodenseite der Brennstoffzelle gesaugt werden. Eine Besonderheit mag darin liegen, dass zum Erzeugen eines kathodenseitig benötigten Luftstrom ein Anlegen eines Unterdrucks an einem Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle, d.h. an einer Ableitungsseite der Brennstoffzelle, vorgesehen ist.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mag es somit möglich sein, ein Brennstoffzellensystem für Luftfahrzeuge zu schaffen, welches auf besonders einfache Weise aufgebaut sein mag. Baugruppen des Brennstoffzellensystems mögen auch geeignet sein andere Funktionen eines Luftfahrzeuges und/oder Funktionen von Systemen eines Luftfahrzeuges zu integrieren und/oder zu übernehmen.
  • Eine zweite Grundidee der Erfindung mag darin gesehen werden, dass die Einsparung eines Kompressors ermöglicht wird, was zu einer Gewichtseinsparung und einer Reduktion des elektrischen Eigenbedarfs sowie zu einer Steigerung der Zuverlässigkeit des Brennstoffzellensystems durch Wegfall elektromechanischer Bauteile führen mag.
  • Ein weiterer Vorteil des Brennstoffzellensystems mag in der Erhöhung der Wasserausbeute der Kathodenabluft durch den angelegten Unterdruck gegeben sein, wobei das Kondensieren von Wasser innerhalb des Brennstoffzelle vermindert werden mag. Somit mag es möglich sein, dass die Brennstoffzelle bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden kann. Bei gleich bleibender Temperaturspreizung an einem Kondensator des Brennstoffzellensystems mag es möglich sein, den Kondensator kleiner auszulegen, da in der Kathodenabluft mehr Wasser gespeichert werden kann. Somit mag das Brennstoffzellensystem auch zum Einsatz in einem Wasserversorgungssystem in einem Luftfahrzeug geeignet sein.
  • Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mag zumindest eine der Anforderungen, welche für ein Wassergenerierungssystem auf Brennstoffzellenbasis in der Luftfahrt besteht, erfüllen. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mag besonders geeignet sein, die im Folgenden beschriebenen Grundanforderungen zu erfüllen und mag sich wesentlich vom derzeitigen Stand der Technik für Wassergenerierungssysteme für mobile Anwendungen unterscheiden. Solche Anforderungen mögen beispielsweise in einer Robustheit, d.h. das Wassergenerierungssystem muss unter allen auf das Luftfahrzeug einwirkenden Umweltbedingungen zuverlässig und ohne Degradation funktionieren, und/oder einer Kältefestigkeit liegen, d.h. bei in kalten Regionen abgestellten Luftfahrzeugen müssen die Wassergenerierungssysteme dieser Kälteeinwirkung unbeschadet überstehen. Weitere Anforderungen mögen in einer Kaltstartfähigkeit, d.h. Systeme müssen unter Frostbedingungen innerhalb kurzer Zeit startfähig sein, in einer langen Lebensdauer, d.h. Systeme müssen eine definierte Mindestanzahl an Stunden mit gleich bleibender Leistung funktionieren, und/oder einer Gewichtsreduktion, d.h. Systemgewichte sind möglichst auf ein Minimum dessen, was zum Erreichen der Funktionalität notwendig ist und dessen, was zur Erhaltung von Festigkeitsanforderungen dient, zu reduzieren, liegen. Ferner mögen als weitere Anforderungen eine Wartungsarmut, d.h. der Aufwand an Wartung sollte so gering wie möglich sein, gute Zugänglichkeit, d.h. Wartungsklappen (Zugänge) sollen innerhalb des Systems leicht zugänglich sein, und/oder Reinheit, d.h. Medienströme und Werkstoffe sollen derart gewählt werden, dass das aus dem Brennstoffzellensystem gewonnene Wasser einschlägigen Bestimmungen für Trinkwasser entspricht, vorliegen.
  • Weitere Aufgaben, Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nebengeordneten Ansprüchen und den Unteransprüchen.
  • Im weiteren werden beispielhafte Ausgestaltungen des Brennstoffzellensystems näher beschrieben. Die beispielhaften Ausgestaltungen, welche im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellensystem beschrieben werden, gelten auch für das Wasserversorgungssystem für Luftfahrzeuge, das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das Flugzeug mit einem Brennstoffzellensystem und die Verwendung eines Brennstoffzellensystems in einem Flugzeug.
  • In einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystem weist das Brennstoffzellensystem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen auf.
  • In einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystem ist die Brennstoffzelle als eine Polymer Elektrolyt Membran Brennstoffzelle, als Direkt Methanol Brennstoffzelle und/oder als Phosphorsäure Brennstoffzelle ausgebildet. Insbesondere können, wenn eine Mehrzahl von Brennstoffzellen ausgebildet sind, einzelne Brennstoffzellen in unterschiedlicher Ausführung ausgeführt sein. Es können also Mischformen oder beliebige Kombinationen von Brennstoffzellen innerhalb eines Brennstoffzellensystemen vorkommen. Beispielsweise können einige Brennstoffzellen als Polymer Elektrolyt Membran Brennstoffzellen (PEMFC), andere als Direkt Methanol Brennstoffzellen (DMFC) und/oder als Phosphorsäure Brennstoffzellen (PAFC) ausgebildet sein.
  • Anders ausgedrückt mögen solche Brennstoffzellen zur Generierung elektrischer Energie und zur Erzeugung von Trinkwasser geeignet sein, welches alternativ als Grundeinheit, dem so genannten Stack, eine PEMFC, eine DMFC oder eine PAFC oder eine beliebige Kombination dieser Technologien in einem oder in mehreren Stacks enthalten mag. Der Stack des Brennstoffzellensystems mag anodenseitig eine Zuleitung für die Versorgung mit Brennstoff enthalten. Dieser Brennstoff mag, je nach verwendetem Brennstoffzellentyp und/oder je nach verwendeter Kombination, aus Wasserstoff, einem wasserstoffhaltigen Reformatgas und/oder aus Methanol bestehen. Des weiteren mag der Brennstoffzellenstack kathodenseitig mit einer Zuleitung und einer Ableitung für Luft (Sauerstoff) bzw. Wasser versehen sein.
  • Das Brennstoffzellensystem kann mit einem Luftfilter ausgerüstet sein, welcher derart im Brennstoffzellensystem angeordnet ist, dass er kathodenseitige Eingangsluft der Brennstoffzelle filtert. Somit mag es zu gewährleisten sein, dass das Brennstoffzellensystem eine einwandfreie Wasserqualität liefert und vor Staub- und/oder Schmutzpartikeln, welche Elemente der Brennstoffzelle verschmutzen und/oder verstopfen könnten geschützt bleibt. Vorzugsweise mag ein differenzdruckarmer Luftfilter verwendet werden, welcher die genannten Luftinhaltsstoffe zurück hält.
  • In einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel weist das Brennstoffzellensystem ferner einen Ausgangsterminal auf, wobei der Ausgangsterminal derart eingerichtet ist, dass er mit dem ersten Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle und mit einer Außenumgebung des Luftfahrzeuges koppelbar ist.
  • Das Vorsehen eines Ausgangsterminals, welches mit der Außenumgebung des Luftfahrzeuges koppelbar ist, mag eine besonders effiziente Weise sein, einen Unterdruck für die Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, mittels welchem Gase, beispielsweise Luft und/oder Sauerstoff, in die Kathodenseite der Brennstoffzelle gesaugt werden können. Dies mag insbesondere für den Fall gelten, dass sich das Luftfahrzeug im Flug befindet, wodurch ein Differenzdruck zwischen einem Druck in der Kabine und einem Außendruck vorhanden ist.
  • In einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel weist das Brennstoffzellensystem ferner ein Unterdrucksystem auf, wobei das Unterdrucksystem mit dem ersten Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle koppelbar ist.
  • Das Vorsehen eines Unterdrucksystems oder Vakuumsystems, mag eine besonders effiziente Weise sein, einen Unterdruck für die Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, mittels welchem Gase, beispielsweise Luft und/oder Sauerstoff, in die Kathodenseite der Brennstoffzelle gesaugt werden können. Als ein solches Unterdrucksystem kann beispielsweise ein so genanntes Vakuumsystem verwendet werden, welches im Luftfahrzeug auch zur Entsorgung von Abwässern aus der Kabine verwendet werden kann. Ein solches Unterdrucksystem mag besonders vorteilhaft sein, um einen Unterdruck zu erzeugen, wenn sich das Luftfahrzeug am Boden oder in Bodennähe befindet. Hierdurch mag ein Differenzdruck zwischen Kabinendruck und Vakuumsystem des Luftfahrzeugs erzeugbar sein. Im Gegensatz zu einem echten Vakuum mag die Druckdifferenz lediglich bei ca.
  • 500 hPa liegen. Ein Vakuumsystem mag, wie bereits beschrieben, in einem Luftfahrzeug in der Regel zum Entsorgen von Fäkalien aus den WCs dienen. In Bodennähe oder am Boden mag dabei der Druckunterschied zwischen Vakuumsystem und Kabinendruck über einen so genannten Vakuumgenerator am Abwassertank des Vakuumsystems erzeugt werden.
  • Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel weist das Brennstoffzellensystem ferner ein Dreiwegeventil auf, wobei das Dreiwegeventil zwischen den ersten Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle, das Unterdrucksystem und das Ausgangsterminal koppelbar ist.
  • Durch die Verwendung eines Dreiwegeventils zwischen den beschriebenen Komponenten mag es auf einfache Weise möglich sein, eine effiziente Umschaltung vorzunehmen, je nachdem ob sich das Luftfahrzeug am Boden, in Bodennähe oder in Reiseflughöhe befindet. Am Boden mag das Dreiwegeventil so geschaltet sein, dass der Brennstoffzelle ein Differenzdruck mittels des Unterdrucksystems bereitstellbar ist, wohingegen auf Reiseflughöhe das Dreiwegeventil derart gesteuert werden mag, dass der Differenzdruck mittels der Außenluft erzeugbar ist.
  • In einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel sind die Mehrzahl von Brennstoffzellen als Stack ausgebildet. Es können auch mehrere Stacks ausgebildet sein, von denen jeder eine oder mehrere Brennstoffzellen aufweist.
  • In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist der Stack eine Mehrzahl von Teileinheiten auf, wobei jede Teileinheit ein Regelventil aufweist, welches derart eingerichtet ist, dass eine Gaszufuhr zu den Teileinheiten einzeln steuerbar ist. Die Teileinheiten können beispielsweise aus jeweils einer einzelnen Brennstoffzelle oder auch aus jeweils einer Mehrzahl von Brennstoffzellen aufgebaut sein.
  • Durch das Vorsehen von unabhängigen Regelventilen je Teileinheit mag es möglich sein, die Luft- und/oder Sauerstoffzuführung für einzelne Brennstoffzellen und/oder Gruppen von Brennstoffzellen individuell zu steuern und/oder zu regeln.
  • In einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel weist der Stack ferner eine Endplatte auf und/oder die Regelventile sind in der Endplatte angeordnet.
  • Anschaulich mag es somit möglich sein, bestimmte Funktionen des Brennstoffzellensystems wie Steuerventile der Zu- und Ableitungen der Gase oder Medien in die Endplatten des Stacks zu verlegen. Diese Steuerventile mögen für jedes Medium aus einzeln angesteuerten Ventilen bestehen, welche Ventile jeweils in einem Ventilblock zusammenfassbar sind, wobei jedes einzelne Ventil einen bestimmten Bereich des Stacks versorgen oder alternativ eine einzelne Zelle des Stacks versorgen mag.
  • Der Vorteil dieser Anordnung mag in einer gezielten thermischen Steuerung des Brennstoffzellenstacks durch die einzeln geregelte Versorgung mit Medien und der damit verbundenen Einflussnahme auf die Brennstoffumsetzung liegen, wodurch ein homogenes Wärmeprofil im Stack erreicht werden mag. Dieses homogene Wärmeprofil mag eine Erhöhung der Lebensdauer des Stacks und die Vermeidung von lokaler Überhitzungen und dadurch auftretende Leckagen vermeiden. Durch eine solchen Einzelsteuerung kann es Vorteilhafterweise auch möglich sein, bestimmte im Stack enthaltene Bereiche mit katalytischen Heizelementen auszustatten. Bei einem solchen Ausstatten mag es möglich sein einen Stack bei niedrigen Temperaturen anzuwärmen oder auf Betriebstemperatur zu erwärmen, wodurch möglicherweise eine Kaltstartfähigkeit verbessert werden mag und/oder ein Schutz gegen Einfrieren erreichbar sein mag.
  • Die Ausgestaltung der Endplatte kann auch als unabhängiger Teilaspekt der Erfindung gesehen werden, d.h. als ein Teilaspekt welcher unabhängig von den Ausgestaltungen des oben beschriebenen Brennstoffzellensystem ist. D.h. es wird eine Endplatte für einen Brennstoffzellenstack geschaffen, wobei die Endplatte Steuerventile und/oder Regelventile aufweist, welcher derart eingerichtet sind, dass mittels ihnen eine Luft- und/oder Sauerstoffzuführung für einzelne Brennstoffzellen und/oder Gruppen von Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstack individuell steuerbar und/oder regelbar ist.
  • In einem weiten exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Endplatte aus einem Werkstoff mit einer Dichte von weniger als 1 kg/dm3 ausgebildet. Als Material kann hierbei beispielsweise Schaumaluminium verwendet werden.
  • Erfindungsgemäß mag es durch die Verwendung leichter Materialien möglich sein, die bei herkömmlichen Brennstoffzellenstacks verwendeten Endplatten, welche zumeist aus gewalzten, gegossenen oder geschmiedeten Aluminiumplatten gefertigt sind, wobei die Plattendicke und das Plattengewicht durch Ausfräsungen in Rippenstruktur vermindert werden, zu ersetzen. Erfindungsgemäß mag somit ein Material mit geringem spezifischen Gewicht eingesetzt werden, wodurch eine Einsparung von Gewicht möglich sein mag.
  • In einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Endplatte derart eingerichtet, dass der Stack mittels Spanngurten verspannbar ist.
  • Eine Verspannbarkeit des Stacks mag durch eine Formgebung der Endplatte bereitstellbar sein. Die Formgebung mag hierbei derart erfolgen, dass in einer Hauptbelastungsebene die größte Steifigkeit der Endplatte vorhanden ist, wodurch eine Verspannung ermöglicht werden mag. Durch eine solche Verspannbarkeit mag eine effiziente Möglichkeit gegeben sein, die Brennstoffzellen zu fixieren. Dies mag sowohl für die Brennstoffzellen untereinander als auch im Bezug auf eine Fixierung des Brennstoffzellenstacks innerhalb des Luftfahrzeuges möglich sein. Mittels der Verspannung mag es auch möglich sein, die Brennstoffzellenstacks gegen die Auswirkungen des in ihrem Innern auftretenden Drucks der Medien (Gase) zu schützen, wobei diese Verspannung auch als Abdichtung des Stacks gegen ein Austreten der Medien fungieren mag. Hierbei können um den Stack in Längsrichtung über die Endplatten ein- oder mehrere Spanngurte mit Spannschlössern gelegt werden. Hierdurch mag es durch Spannen der Spanngurte möglich sein, Druckkräfte aufzubringen, welche einem Zusammenhalt des Stacks dienen.
  • In einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel weist der Stack innere Führungselemente auf.
  • Das Vorsehen von inneren Führungselementen innerhalb des Stacks mag eine effiziente Weise sein, ein Verrutschen der Zellen eines Stacks gegeneinander und/oder einzelner Elemente einer Zelle gegen sie umgebende Elemente auszuschließen.
  • In einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel weist das Brennstoffzellensystem ferner einen Zuganker auf, wobei der Zuganker derart eingerichtet ist, dass mittels des Zugankers der Stack verspannbar ist. Vorteilhafterweise kann der Zuganker als Material Kohlefaser verstärkten Kunststoff aufweisen.
  • Das Vorsehen eines Zugankers kann eine zur Gurt-Verspannung alternative oder kumulative Ausgestaltung sein, um eine Verspannung des Stacks zu gewährleisten.
  • Mittels des Verwendens eines Kohlefaser-Zugankers mag es möglich sein, die im Stand der Technik bekannte Ausführung einer Verspannung mit Zugankern, die die einzelnen Platten und Membranen des Stacks in Längsrichtung verspannen zu umgehen. Dieses Zuganker sind im Stand der Technik als Gewindestangen mit Muttern und Tellerfedern oder Drehschrauben ausgeführt. Durch das Verwenden von Kohlesfaser-Zugankern mag eine signifikante Gewichtseinsparung ermöglicht werden. Die Kohlefasern können hierbei derart eingesetzt werden, dass sie über zwei gegenüberliegende Spannelemente den Stack in Längsrichtung mit einer Druckkraft auf die Endplatten beaufschlagen können.
  • Die Ausgestaltung des Zugankers kann auch als unabhängiger Teilaspekt der Erfindung gesehen werden, d.h. als ein Teilaspekt welcher unabhängig von den Ausgestaltungen des oben beschriebenen Brennstoffzellensystem ist. D.h. es wird ein Zuganker für einen Brennstoffzellenstack geschaffen, wobei der Zuganker derart eingerichtet ist, dass mittels des Zugankers der Stack verspannbar ist, wobei der Zuganker als Material Kohlefaser verstärkten Kunststoff aufweist.
  • In einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel weist das Brennstoffzellensystem ferner ein erstes Abluftventil auf, wobei das erste Abluftventil an den ersten Ausgangsanschluss gekoppelt ist.
  • Somit mag es möglich sein, eine effiziente Differenzdrucksteuerung für die Kathodenseite der Brennstoffzelle bereitzustellen.
  • In einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel weist das Brennstoffzellensystem ein zweites Abluftventil und die Brennstoffzelle einen zweiten Ausgangsanschluss auf, welcher als Ausgangsanschluss der Anodenseite ausgebildet ist. Ferner ist das zweite Abluftventil an den zweiten Ausgangsanschluss gekoppelt.
  • Durch eine solche Ausgestaltung mag es möglich sein, eine auch effiziente Differenzdrucksteuerung für die Anodenseite der Brennstoffzelle bereitzustellen.
  • In einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel weist das Brennstoffzellensystem ferner ein Heizelement auf, wobei das Heizelement derart eingerichtet ist, dass mittels des Heizelements die Brennstoffzelle beheizbar ist. Vorzugsweise kann der Stack eine Mehrzahl von Heizelementen aufweisen, wobei die Heizelemente zwischen einzelnen Brennstoffzellen integriert sind. Insbesondere können die Heizelemente als katalytische Heizelemente ausgebildet sein.
  • Anders ausgedrückt können verteilt zwischen einzelnen Brennstoffzellenelementen einzeln ansteuerbare katalytische Heizelemente integriert sein. Diese Heizelemente mögen es ermöglichen, dass bei Beaufschlagung mit Wasserstoff und Luft und/oder Sauerstoff durch die katalytische Reaktion, bei welcher Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser umgesetzt werden, diejenige Wärmemenge erzeugbar ist, die nötig sein mag, um den Stack gleichmäßig auf Betriebstemperatur aufzuheizen, und/oder um bei Durchfrostung des Luftfahrzeuges ein Einfrieren des Brennstoffzellensystems zu verhindern.
  • In einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel weist die Brennstoffzelle eine Bipolarplatte auf, welche Bipolarplatte als Material einen leitfähigen Kunststoff aufweist. Vorzugsweise weist die Bipolarplat te eine erste Hauptseite, eine zweite Hauptseite und eine Mehrzahl von Kanälen auf, wobei eine erste Teilmenge der Mehrzahl von Kanälen an der ersten Hauptseite angeordnet sind. Ferner ist eine zweite Teilmenge der Mehrzahl von Kanälen derart an der zweiten Hauptseite angeordnet, dass Kanäle der ersten Teilmenge der Mehrzahl von Kanälen nicht Kanälen der zweiten Teilmenge der Mehrzahl von Kanälen gegenüberliegen.
  • Anschaulich kann eine solche Anordnung der Kanäle als wechselständige Anordnung der Kanäle beschreiben werden, d.h. wenn sich auf einer Seite der Bipolarplatte ein Kanal oder Ausbuchtung befindet, befindet sich auf der anderen gegenüberliegenden Seite kein Kanal. Durch eine solche Anordnung mag es möglich sein einen Materialeinsatz für die Bipolarplatte möglichst gering zu halten oder zu minimieren, wodurch es möglich sein mag, Gewicht einzusparen.
  • Als Werkstoff für Bipolarplatten bieten sich Kunststoffe mit einem Graphitanteil von etwa 80% an. Gegenüber Bipolarplatten aus Stahl mit einem spezifischen Gewicht von etwa 7,9 kg/dm3 mögen diese Kunststoff Bipolarplatten ein spezifisches Gewicht von 2,2 kg/dm3 aufweisen. Derartige Kunststoffe können zur Herstellung einer Bipolarplatte eingesetzt werden, wobei die daraus gefertigten Bipolarplatten in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden können und somit besonders dünn und kostengünstig ausgeführt sein mögen. Durch Anordnung der medienführenden Kanäle derart, dass die auf derselben Bipolarplatte gegenüberliegenden Kanäle jeweils zueinander so versetzt sind, dass ein möglichst geringer Materialeinsatz ermöglicht werden mag, mag eine weitere Gewichtsreduktion erreicht werden.
  • Die Ausgestaltung der Bipolarplatte kann auch als unabhängiger Teilaspekt der Erfindung gesehen werden, d.h. als ein Teilaspekt welcher unabhängig von den Ausgestaltungen des oben beschriebenen Brennstoffzellensystem ist. D.h. es wird eine Brennstoffzelle geschaffen, welche eine Bipolarplatte aufweist, welche Bipolarplatte als Material einen leitfähigen Kunststoff aufweist. Die Bipolarplatte weist eine erste Hauptseite, eine zweite Hauptseite und eine Mehrzahl von Kanälen auf, wobei eine erste Teilmenge der Mehrzahl von Kanälen an der ersten Hauptseite angeordnet sind. Ferner ist eine zweite Teilmenge der Mehrzahl von Kanälen derart an der zweiten Hauptseite angeordnet, dass Kanäle der ersten Teilmenge der Mehrzahl von Kanälen nicht Kanälen der zweiten Teilmenge der Mehrzahl von Kanälen gegenüberliegen.
  • Besonders vorteilhaft kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem in einem Flugzeug verwendet werden.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Betriebspunkt der Brennstoffzelle derart gewählt, dass eine abgegebene Wärmemenge des Brennstoffzellensystems gering ist, d.h. es wird beispielsweise eine Optimierung bezüglich der abgegebenen Wärmemenge durchgeführt, um so einen Betriebspunkt der Brennstoffzelle zu erhalten, welcher Anforderungen an eine geringe Wärmemenge genügt.
  • Mittels einer solchen Optimierung mag es möglich sein, eine Wärmeabgabe der Brennstoffzellen, welche bei der Umsetzung von Wasserstoff (2H2) und Sauerstoff (O2) zu Wasser (2H2O) nicht nur elektrische Energie sondern auch Wärme abgeben, möglichst gering zu halten.
  • In einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Betriebspunkt des Wasserversorgungssystem bezüglich eines Gesamtgewichts des Wasserversorgungssystem optimiert.
  • Eine mögliche Optimierung bezüglich des Betriebspunktes, insbesondere eines Betriebspunktes bezüglich einer von der Brennstoffzelle abgegebenen Spannung, des Wasserversorgungssystems kann beispielsweise mittels einer, möglicherweise iterativen, Verwendung der nachfolgenden Formel durchgeführt werden.
    Figure 00060001
    wobei:
    • GS0
    = Stackgewicht der nicht optimierten Anlage (Wasserversorgungssystem),
    GT0
    = Brennstoff- und Tankgewicht der nicht optimierten Anlage,
    GW0
    = Gewicht des Wärmetauschers der nicht optimierten Anlage,
    GP0
    = Gewicht der Pumpen der nicht optimierten Anlage,
    GK0
    = Konvertergewicht der nicht optimierten Anlage,
    u0
    = Zellspannung des Basisstacks, d.h. des Stacks der nicht optimierten Anlage,
    j0
    = Stromdichte des Basisstacks, d.h. des Stacks der nicht optimierten Anlage,
    u1
    = Zellspannung des Stacks bei einem neuen Betriebspunkt,
    j1
    = Stromdichte des Stacks bei dem neuen Betriebspunkt.
  • Mittels einer solchen Formel mag es möglich sein, den Betriebspunkt eines gewichtsoptimierten Brennstoffzellensystems in einem Wasserversorgungssystem zu bestimmen, wobei besondere Verhältnisse bezüglich Stackgröße, Stackzahl und Leistungsgröße gelten.
  • Bei einer solchen Auswahl der optimalen Brennstoffzellenparameter mögen die folgenden mathematischen Zusammenhänge berücksichtigbar sein. Einerseits ein linearer Zusammenhang zwischen Zellspannung u(j) und Stromdichte j gemäß u(j) = u' – r·j, wobei r die Steigung der Spannung-Stromdichte Kurve darstellt. Hieraus mögen sich folgende Beziehungen für eine konstante elektrische Stackleistung herleiten: Für das Stackgewicht gilt: G1/G0 = (j0(u0)·u0)/(j1(u1)·u1),wobei
    • u0
    = Zellspannung des Basisstacks, d.h. des Stacks der nicht optimierten Anlage,
    j0
    = Stromdichte des Basisstacks, d.h. des Stacks der nicht optimierten Anlage,
    u1, j1
    = Zellspannung und Stromdichte des Stacks bei einem neuen Betriebspunkt mit u1 > u0 und j(u1) < j0(u0), und
    G1, G0
    = Gewicht des neuen Stacks und des Basistacks.
  • Hieraus ergibt sich, dass sich bei konstant gehaltener Stackleistung das Stackgewicht mit steigender Spannung erhöht (G1 > G0), da bei steigender Spannung u1 die Stromdichte j1 gemäß der u-j-Kennlinie abnimmt und r = ΔU/Δj < –0,5 ist. Mit anderen Worten: erhöht man die Spannung um ΔU, so nimmt die Stromdichte Δj um einen Faktor größer als 2·ΔU ab. Daraus folgt, dass die Zellfläche erhöht werden muss, um die Stackleistung konstant zu halten, und somit das Gesamtgewicht zunimmt.
  • Für den Wasserstoff- und Sauerstoffverbrauch gilt:
    Der elektrische Wirkungsgrad η wird durch ein Erhöhen der Spannung von u0 auf u1 (u1 > u0) gemäß:
    η1/η0 = u1/u0, (für η1 neues Stack, η0 Basisstack) erhöht, wenn u1 größer als u0 ist. Hieraus mag sich eine Reduzierung des Wasserstoffverbrauchs gemäß:
    m1/m0 = η0/η1 = u0/u1, (für m1 Verbrauch bei neuem Stack, m0 für Basisstack) ergeben und somit auch eine Reduzierung des Luftsauerstoffs.
  • Für die Wärmeproduktion gilt:
    Eine Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades η mag eine geringere Wärmeproduktion zur Folge haben und somit wird die pro Zeiteinheit abzuführende Wärme Q gemäß:
    Q1/Q0 = [(Uth – u1)·j0(u1)]/[(Uth – u0)·j0(u0)] verringert (Q1 < Q0), wobei Uth die so genannte thermische Gleichgewichtsspannung ist.
  • Bezüglich Wärmetauscher (Wärmeübertrager) und Pumpen gilt:
    Durch die geringere Wärmeproduktion mögen sich Flächen der Wärmeübertrager und folglich deren Gewicht gemäß:
    G1/G0 = Q1/Q0 = A1/A0, (für A0 Fläche des Basisstacks und A1 Fläche des optimierten Stacks) verringern (G1 < G0). Außerdem mögen sich im gleichen Maße auch Wärmekapazitätsströme und somit die notwendigen Pumpleistungen für Kühlmedien verringern, was eine Verringerung parasitärer elektrischer Verbräuche und Gewichte bedeuten mag.
  • Bezüglich des Konverters gilt:
    Bei einer gleich bleibenden Zellfläche erhöht sich eine Anzahl benötigter Zellen gemäß:
    N1/N0 = (j1(u1)·u1)/(j0(u0)·u0), (für N0 Anzahl der Zellen bei Basisstack und N1 Anzahl der Zellen bei neuem Stack) da:
    P = const. = u·N·j(u)·A = US·j(u)·A = US·IS, wobei P die elektrische Leistung des Stacks und A die Fläche des Stacks ist. Mit einer Verkleinerung des Stackstroms IS und einer Erhöhung der Stackspannung US mag sich somit auch das Gewicht des DC/DC/AC-Konverters verringern und sein Wirkungsgrad erhöhen.
  • Somit mag es mittels einer Optimierung möglich sein, das Gewicht des Brennstoffzellensystems und des Wasserversorgungssystems zu verringern, da sich die Vergrößerung des Stacks, welche bei der Wahl des oben beschriebenen Betriebspunktes zwangsläufig ist, durch eine Reduktion der bei gleicher Leistung benötigten Brenngasmenge der Verwendung kleinerer Kühler und kleiner Wärmetauscher sowie kleinerer elektrischer Konverter auswirken mögen.
  • Um das Gewicht eines Brennstoffzellensystems zu verringern, mag es erforderlich sein, im wesentlichen das Gewicht des Stacks zu vermindern. Erfindungsgemäß mag dieses in vorliegender Anordnung durch den Einsatz von leitfähigen Kunststoffmaterials als Bipolarplatten, deren besondere Ausprägung zur Gewichtsreduktion, durch die Art der Verspannung des Stacks und durch die Verwendung leichtgewichtiger Endplatten, z.B. mittels glasfaserverstärkten Kohlenstoffs oder Kunststoffen, geschehen. Zusätzlich mag das Systemgewicht durch die Verwendung von Kunststoffen in der Peripherie des Brennstoffzellenstacks, wie z.B. Rohrleitungen, Fittings, Kupplungen und Ventilen reduziert werden.
  • Bei einem Wasserversorgungssystem werden für die wasserführenden Komponenten vorzugsweise Materialien ausgewählt, welche einerseits resistent gegen demineralisiertes Wasser sind, welches beispielsweise einen Leitwert κ von etwa 20 μS/m aufweist, und andererseits auch für die Verwendung in Trinkwassersystemen geeignet sind. Dies gilt insbesondere für die Ausführung der Bipolarplatten, der Endplatten und von Membranen auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle.
  • Ferner werden für Rohrleitungen der Peripherie des Wasserversorgungssystems vorzugsweise Materialien verwendet, welche möglichst leicht sind, beispielsweise Kunststoffrohre mit Nano-Beschichtung oder Glasbeschichtung. Diese Rohre mögen sich einerseits durch ihr geringes spezifisches Gewicht und andererseits durch besondere Eigenschaften gegenüber Wasserstoff anodenseitig und demineralisiertem Wasser kathodenseitig auszeichen. Vorzugsweise weisen anodenseitig eingesetzte Rohre eine hohe Wasserstoffdichtigkeit auf, wohingegen kathodenseitig eingesetzte Rohre vorzugsweise eine hohe Beständigkeit gegen demineralisiertes Wasser aufweisen und ferner vorzugsweise die international einschlägigen Normen für trinkwasserführende Leitungen erfüllen.
  • Ein Aspekt der Erfindung mag darin gesehen werden, dass ein Brennstoffzellensystem für ein Luftfahrzeug geschaffen wird, welches aus einem oder mehreren Brennstoffzellenstacks besteht, wobei dieser Stack vom Typ Polymer Elektrolyt Membran Brennstoffzelle (PEMFC), Direkt Methanol Brennstoffzelle (DMFC) oder Phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) sein kann oder eine Mischform aus diesen darstellt. Hierbei werden der oder die Stacks kathodenseitig mit Luft und/oder Sauerstoff beaufschlagt, wobei zur Durchströmung der Kathodenseite die Druck zwischen einer auf höherem Druckniveau liegenden kabinenseitigen Zuführung und einer auf niedrigerem Druckniveau liegenden Ableitung in die das Luftfahrzeug umgebende Atmosphäre genutzt wird. Der Differenzdruck zwischen kathodenseitiger Zuleitung zur Ableitung kann dadurch erzeugt werden, dass bei gleichen Druckverhältnissen zwischen Kabinendruck und Aussendruck ableitungsseitig, zur Minderung des Druckniveaus, ein Vakuumsystem verwendet wird, wobei dieses Vakuumsystem auch zur Entsorgung von Abwässern aus der Kabine des Luftfahrzeugs genutzt werden kann. Insbesondere können bestimmte aus mehreren Zellen bestehende Bereiche des Stacks oder einzelne Zellen des Stacks jeweils über eine eigene Luft- bzw. Sauerstoffzuführung verfügen und diese Zuführungen einzeln über Regelventile steuerbar sein. Vorzugsweise sind die Regelventile in eine Endplatte des Stacks integriert.
  • Vorzugsweise werden gemäß diesem Aspekts verteilt zwischen einzelnen Brennstoffzellenelementen einzeln ansteuerbare katalytische Heizelemente integriert, die bei Beaufschlagung mit Wasserstoff und Luft oder Sauerstoff, durch die katalytische Reaktion, bei welcher Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser umgesetzt werden, diejenige Wärmemenge erzeugen, die nötig ist, um den Stack gleichmäßig auf Betriebstemperatur aufzuheizen, bzw. um bei Durchfrostung des Luftfahrzeuges ein Einfrieren des Brennstoffzellensystems zu verhindern. Die im Brennstoffzellenstack verwendeten Bipolarplatten können aus leitfähigem Kunststoff bestehen, wobei die Anordnung der medienführenden Kanäle auf den beiden Seiten der Bipolarplatte derart versetzt ausgeführt ist, dass der Materialeinsatz minimiert wird. Vorzugsweise sind die Endplatten aus einem Werkstoff mit einer Dichte von weniger als 1 kg/dm3 gefertigt, wie z.B. aus Schaumaluminium. Ferner können die Endplatten derart ausgeformt sein, dass der Stack mit Spanngurten verspannt werden kann, wobei bei einem mit Spanngurten verspannten Stack, dieser vorzugsweise mit inneren Führungselementen versehen ist, welche ein verrutschen der Zellen gegeneinander bzw. der einzelnen Elemente einer Zelle gegen die sie umgebenden Elemente ausschließen. Alternativ kann der Stack mit Zugankern aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff zur Verspannung ausgestattet sein. Optional ist eine Differenzdruckregelung des Brennstoffzellensystems (Kathoden- und/oder Kathoden- und Anodenseitig) über eine Steuerung der "Qutflow Valves" realisiert
  • Es sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele oder mit Verweis auf einen der obigen Aspekte und/oder Teilaspekte beschrieben worden sind, unabhängig und/oder in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele oder Aspekte und/oder Teilaspekte verwendet werden können.
  • Ausführungsbeispiel
  • Im Folgenden wird die Erindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme au die Zeichnung näher beschrieben.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern und zur Wasserversorgung eines Flugzeuges.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern und zur Wasserversorgung eines Flugzeuges gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines verspannten Stacks.
  • 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Endplatte mit Ventilen.
  • 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung von Bipolarplatten.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung in Draufsicht einer Bipolarplatte.
  • Ähnliche oder identische Bauteile sind in der unterschiedlichen Figuren mit ähnlichen oder identischen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern und zur Wasserversorgung eines Flugzeuge. Das Brennstoffzellensystem 100 weist einen Brennstofftank 101 zur Brennstoffversorgung und einen Brennstoffzellenstack 102 auf. Der Brennstoffzellenstack 102 weist eine zuleitungsseitige Endplatte 103 und eine ableitungsseitige Endplatte 104 auf. Dem Brennstoffzellenstack 102 wird über eine erste Zuleitung 105, welche einen Luftfilter 106, einen Kompressor 107 und ein erstes Ventil 108 aufweist, zur Durchflussregelung einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstacks 102 Zuluft zur Verfügung gestellt. Ferner wird dem Brennstoffzellenstack 102 über eine zweite Zuleitung 109 aus dem Brennstofftank 101 anodenseitig Brennstoff zur Verfügung gestellt. Die zweite Zuleitung weist ein zweites Ventil 110 auf, mittels welchem eine Durchflussregelung der Anodenseite durchführbar ist.
  • Die Ableitungseitige Endplatte 104 ist über ein drittes Ventil 111, einem so genannten Purgeventil, mit einem Kondensator 112 gekoppelt. Der Kondensator 112 ist mit einem Kondensatableiter 113 gekoppelt, mittels welchem kondensiertes Wasser über einen ersten Anschluss 114 an ein Wassersystem abgeleitet werden kann. Ferner ist der Kondensatableiter 113 mit einem zweiten Anschluss 115 an ein Außendruckniveau, d.h. an die Außenluft außerhalb des Flugzeuges, gekoppelt. Der Kondensator 112 ist ferner über ein drittes Ventil 116 und ein viertes Ventil 117 an einen Kühlkreislauf 118 angekoppelt. Der Kühlkreislauf 118 weist einen Außenluftkühler 119 und eine sekundäre Kühlwasserpumpe 120 auf, mittels welcher ein Kühlmittel durch den Kühlkreislauf 118 gepumpt werden kann. Ferner weist der Kühlkreislauf 118 ein Kühlgebläse 121 auf.
  • Ferner ist der Kühlkreislauf 118 mit einen Wärmetauscher 122 gekoppelt, welcher dazu verwendet wird, um den Brennstoffzellenstack 102 zu kühlen. Hierzu weist ein zusätzlicher Kühlkreislauf 123, dessen Teil der Wärmetauscher 122 ist, eine primäre Kühlwasserpumpe 124 auf.
  • Ferner ist der Brennstoffzellenstack 102 über elektrisch leitfähige Leitungen 125 und 126 mit einem Spannungsumsetzer 127 gekoppelt, welcher weiterhin mit einem elektrischen Netz 128 des Flugzeuges gekoppelt ist.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Versorgung von elektri schen Verbrauchern und zur Wasserversorgung eines Flugzeuges gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 200 weist einen Brennstofftank 201 zur Brennstoffversorgung und einen Brennstoffzellenstack 202 auf. Der Brennstoffzellenstack 202 weist eine zuleitungsseitige Endplatte 203 und eine ableitungsseitige Endplatte 204 auf. Dem Brennstoffzellenstack 202 wird über eine erste Zuleitung 205, welche einen Luftfilter 206 und ein erstes Ventil 208 zur Durchflussregelung einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstacks 202 aufweist, Zuluft zur Verfügung gestellt. Ferner wird dem Brennstoffzellenstack 202 über eine zweite Zuleitung 209 aus dem Brennstofftank 201 anodenseitig Brennstoff zur Verfügung gestellt. Die zweite Zuleitung weist ein zweites Ventil 210 auf, mittels welchem eine Durchflussregelung der Anodenseite durchführbar ist.
  • Die Ableitungseitige Endplatte 204 ist über ein drittes Ventil 211, einem so genannten Purgeventil, mit einem Kondensator 212 gekoppelt. Der Kondensator 212 ist mit einem Kondensatableiter 213 gekoppelt, mittels welchem kondensiertes Wasser über einen ersten Anschluss 214 an ein Wassersystem abgeleitet werden kann. Ferner ist der Kondensatableiter 213 mit Dreiwegeventil 229 gekoppelt, welches mit einem zweiten Anschluss 215 an ein Außendruckniveau, d.h. an die Außenluft außerhalb des Flugzeuges, gekoppelt ist. Ferner ist das Dreiwegeventil 229 mit einem dritten Anschluss 230 an ein Vakuumsystem des Flugzeuges gekoppelt. Der Kondensator 212 ist ferner über ein drittes Ventil 216 und ein viertes Ventil 217 an einen Kühlkreislauf 218 angekoppelt. Der Kühlkreislauf 218 ist mit einem Außenluftkühler 219 und mit einer sekundären Kühlwasserpumpe 220, mittels welcher ein Kühlmittel durch den Kühlkreislauf 218 gepumpt werden kann, gekoppelt.
  • Ferner ist der Kühlkreislauf 218 mit einen Wärmetauscher 222 gekoppelt, welcher dazu verwendet wird, um den Brennstoffzellenstack 202 zu kühlen. Hierzu weist ein zusätzlicher Kühlkreislauf 223, dessen Teil der Wärmetauscher 222 ist, eine primäre Kühlwasserpumpe 224 auf.
  • Ferner ist der Brennstoffzellenstack 202 über elektrisch leitfähige Leitungen 225 und 226 mit einem Spannungsumsetzer 227 gekoppelt, welcher weiterhin mit einem elektrischen Netz 228 des Flugzeuges gekoppelt ist.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß der 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass es keinen Kompressor aufweist, mittels welchem eine kathodenseitige Zuluft auf einen Druck gebracht wird, welcher oberhalb eines Kabinendrucks liegt. Die kathodenseitige Zuluft wird einzig durch einen Unterdruck, welcher auf der Abluftseite des Brennstoffzellenstacks angelegt wird, durch die Kathodenseite der Brennstoffzelle gesaugt. Hierzu kann einerseits die Außenluft verwendet werden, welche während eines Flugs einen Unterdruck bereitstellt, der dem Außendruck in Flughöhe entspricht. Andererseits kann am Boden oder in geringer Höhe ein Unterdruck- oder Vakuumsystem verwendet werden, welches ein Druckgefälle bezüglich des Kabinendrucks bereitstellt. Zwischen diesen beiden Alternativen kann mittels des Dreiwegeventils geschaltet werden.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines verspannten Stacks 300. Das Stack 300 weist eine zuleitungsseitige Endplatte 301 und eine ableitungsseitige Endplatte 302 auf. Ferner ist in 3 ein Spanngurt 303, welcher ein Spannschloss 304 aufweist, dargestellt, mittels welchem Spanngurt 303 der Stack 300 verspannt werden kann. In 3 sind auch einzelne Brennstoffzellen 305 des Brennstoffzellenstacks 300 als senkrechte Linien dargestellt. Auf der linken Seite der 3 ist eine Ansicht senkrecht zur Längsachse des Brennstoffzellenstacks dargestellt, in welcher eine erste Ableitung 306 für Luft und/oder Sauerstoff und eine zweite Ableitung 307 für H2-Purge dargestellt ist.
  • 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Endplatte mit Ventilen. Die Endplatte 400 weist eine erste Zuleitung 401 für Wasserstoff und mehrere zweite Zuleitungen 402 für Luft und/oder Sauerstoff auf. Ferner weist die Endplatte 400 einen Filter 403, beispielsweise einen Einschraubfilter, auf, mittels welchem die Luft und/oder der Sauerstoff, welcher) durch die zweiten Zuleitungen 402 geleitet wird, gefiltert werden kann. Dem Filter 403 nachgeschaltet weist die Endplatte 400 einen Verteiler 404 auf, mittels welchem die Luft und/oder der Sauerstoff verteilt werden kann. Ferner weist die Endplatte 400 eine Stirnplatte 406 auf. Die Endplatte 400 kann einstückig mit dieser Stirnplatte 406 ausgebildet sein oder die Stirnplatte 406 kann als getrenntes Bauteil ausgeführt sein und an die Endplatte 400 anschließbar sein, wobei dann eine Dichtung 405 zwischen Stirnplatte 406 und Endplatte 400 abgeordnet ist. Ferner ist in 4 noch ein Teil eines Brennstoffzellenstacks 408 dargestellt, an welchem die Endplatte 400 befestigt ist. Mittels eines in 4 schematisch dargestellten Rohres 409 kann dem Brennstoffzellenstack Wasserstoff zugeführt werden. Zusätzlich weist die Endplatte 400 eine Mehrzahl von Steuerventilen 410 auf, mittels welchen Steuerventilen eine Luft- und/oder Sauerstoffzuführung für einzelne Zellen des Stacks 400 gesteuert und/oder geregelt werden kann. Die Zuführungen für die Luft/Sauerstoffversorgung sind in 4 schematisch durch die Pfeile 411 bis 417 angedeutet, wobei der Pfeil 411 die Luft/Sauerstoffversorgung für die Zellen X bis Xa, der Pfeil 412 die Luft/Sauerstoffver sorgung für die Zellen Xa+1 bis Xb, der Pfeil 413 die Luft/Sauerstoffversorgung für die Zellen Xb+1 bis Xc, der Pfeil 414 die Luft/Sauerstoffversorgung für die Zellen Xc+1 bis Xd, der Pfeil 415 die Luft/Sauerstoffversorgung für die Zellen Xd+1 bis Xe, der Pfeil 416 die Luft/Sauerstoffversorgung für die Zellen Xe+1 bis Xf und der Pfeil 417 die Luft/Sauerstoffversorgung für die Zellen Xf+1 bis Xg darstellt.
  • 5 zeigt schematische Schnittdarstellungen von Bipolarplatten 500. In der oberen 5a ist eine Bipolarplatte 500 dargestellt, welche auf einer ersten Seite Gaskanäle 501 aufweist und auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite Gaskanäle 502 aufweist. In 5a liegt jeweils einem Gaskanal 501 auf der ersten Seite ein Gaskanal 502 gegenüber. In der unteren 5b ist eine zweite Bipolarplatte 500 dargestellt, welche auf einer ersten Seite Gaskanäle 501 aufweist und auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite Gaskanäle 502 aufweist. In 5b liegt jeweils einem Gaskanal 501 auf der ersten Seite kein Gaskanal 502 gegenüber. Anschaulich ausgedrückt wechseln sich die Gaskanäle 501 und 502 entlang der Bipolarplatte ab, sie sind wechselständig angeordnet. Hierdurch ist es möglich die Dicke der Bipolarplatte zu reduzieren, wodurch es möglich sein mag, ein Gewicht der Bipolarplatte zu reduzieren.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung in Draufsicht einer Bipolarplatte 600. Die Bipolarplatte 600 weist eine Bohrung 602 für einen Führungsstift auf. Ferner ist in der Bipolarplatte 600 eine Gaszuführung 603 und eine zuführseitige Gasverteilung 604 angeordnet. In 6 ist ferner schematisch ein so genanntes Flowfield 605, durch welches das zugeführte Gas geleitet wird, und eine Dichtung 606 dargestellt. Ferner weist die Bipolarplatte 600 einen ableitungsseitigen Gassammler 607 und eine Gasableitung 608 auf.
  • Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend" 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 Einschränkung anzusehen.

Claims (26)

  1. Brennstoffzellensystem für ein Luftfahrzeug mit einer Passagierkabine, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist: eine Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle aufweist: einen ersten Eingangsanschluss; einen ersten Ausgangsanschluss; eine Kathodenseite; und eine Anodenseite; wobei der erste Eingangsanschluss als Eingangsanschluss der Kathodenseite ausgebildet ist; wobei der erste Ausgangsanschluss als Ausgangsanschluss der Kathodenseite ausgebildet ist; und wobei das Brennstoffzellensystem derart ausgebildet ist, dass am ersten Eingangsanschluss ein Gas mit einem Druck anlegbar ist, welcher einem Luftdruck in der Passagierkabine entspricht.
  2. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellensystem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweist.
  3. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Brennstoffzelle als eine Polymer Elektrolyt Membran Brennstoffzelle, als Direkt Methanol Brennstoffzelle und/oder als Phosphorsäure Brennstoffzelle ausgebildet ist.
  4. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Brennstoffzellensystem ferner aufweist: einen Ausgangsterminal, wobei der Ausgangsterminal derart eingerichtet ist, dass er mit dem ersten Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle und mit einer Außenumgebung des Luftfahrzeuges koppelbar ist.
  5. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Brennstoffzellensystem ferner aufweist: ein Unterdrucksystem, wobei das Unterdrucksystem mit dem ersten Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle koppelbar ist.
  6. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 5, wobei das Brennstoffzellensystem ferner aufweist: ein Dreiwegeventil, wobei das Dreiwegeventil zwischen den ersten Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle, das Unterdrucksystem und das Ausgangsterminal koppelbar ist.
  7. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Mehrzahl von Brennstoffzellen als Stack ausgebildet sind.
  8. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 7, wobei der Stack eine Mehrzahl von Teileinheiten aufweist, wobei jede Teileinheit ein Regelventil aufweist, welches derart eingerichtet ist, dass eine Gaszufuhr zu den Teileinheiten einzeln steuerbar ist.
  9. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 8, wobei der Stack ferner eine Endplatte aufweist und wobei die Regelventile in der Endplatte angeordnet sind.
  10. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 9, wobei die Endplatte aus einem Werkstoff mit einer Dichte von weniger als 1 kg/dm3 ausgebildet ist.
  11. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die Endplatte derart eingerichtet ist, dass der Stack mittels Spanngurten verspannbar ist.
  12. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei der Stack innere Führungselemente aufweist.
  13. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei das Brennstoffzellensystem ferner einen Zuganker aufweist, wobei der Zuganker derart eingerichtet ist, dass mittels des Zugankers der Stack verspannbar ist.
  14. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 13, wobei der Zuganker als Material Kohlefaser verstärkten Kunststoff aufweist.
  15. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Brennstoffzellensystem ferner aufweist: ein erstes Abluftventil, wobei das erste Abluftventil an den ersten Ausgangsanschluss gekoppelt ist.
  16. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist: ein zweites Abluftventil, und wobei die Brennstoffzelle ferner aufweist: einen zweiten Ausgangsanschluss, welcher als Ausgangsanschluss der Anodenseite ausgebildet ist, und wobei das zweite Abluftventil an den zweiten Ausgangsanschluss gekoppelt ist.
  17. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Brennstoffzellensystem ferner aufweist: ein Heizelement, wobei das Heizelement derart eingerichtet ist, dass mittels des Heizelements die Brennstoffzelle beheizbar ist.
  18. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 7 bis 16, wobei der Stack eine Mehrzahl von Heizelementen aufweist und wobei die Heizelemente zwischen einzelnen Brennstoffzellen integriert sind.
  19. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei die Heizelemente als katalytische Heizelemente ausgebildet sind.
  20. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Brennstoffzelle eine Bipolarplatte aufweist, welche Bipolarplatte als Material einen leitfähigen Kunststoff aufweist.
  21. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 20, wobei die Bipolarplatte aufweist: eine erste Hauptseite; eine zweite Hauptseite; und eine Mehrzahl von Kanälen, wobei eine erste Teilmenge der Mehrzahl von Kanälen an der ersten Hauptseite angeordnet ist, und wobei eine zweite Teilmenge der Mehrzahl von Kanälen derart an der zweiten Hauptseite angeordnet ist, dass Kanäle der ersten Teilmenge der Mehrzahl von Kanälen nicht Kanälen der zweiten Teilmenge der Mehrzahl von Kanälen gegenüberliegen.
  22. Wasserversorgungssystem für ein Luftfahrzeug, welches Wasserversorgungssystem aufweist: ein Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21; einen Brennstofftank; einen Konverter; und einen Wärmetauscher, wobei der Konverter als DC/DC/AC-Konverter eingerichtet ist; wobei der Wärmetauscher derart eingerichtet ist, dass mittels ihm produzierte Wärme des Brennstoffzellensystem abführbar ist; und wobei der Brennstofftank derart eingerichtet ist, dass mittels ihm dem Brennstoffzellensystem Brennstoff zuführbar ist.
  23. Wasserversorgungssystem gemäß Anspruch 22, wobei das ein Betriebspunkt des Wasserversorgungssystem bezüglich eines Gesamtgewichts des Wasserversorgungssystem optimiert ist.
  24. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in einem Luftfahrzeug, wobei das Brennstoffzellensystem ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle aufweist, wobei die Brennstoffzelle einen ersten Eingangsanschluss, einen ersten Ausgangsanschluss, eine Kathodenseite und eine Anodenseite aufweist, wobei der erste Eingangsanschluss als Eingangsanschluss der Kathodenseite ausgebildet ist und wobei der erste Ausgangsanschluss als Ausgangsanschluss der Kathodenseite ausgebildet ist, wobei das Verfahren aufweist: Anlegen eines Unterdruckes an den Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle; und Einsaugen von Gas in die Kathodenseite der Brennstoffzelle mittels des Unterdruckes.
  25. Flugzeug aufweisend ein Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21 oder ein Wasserversorgungssystems gemäß Anspruch 22 oder 23.
  26. Verwendung eines Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21 oder eines Wasserversorgungssystems gemäß Anspruch 22 oder 23 in einem Flugzeug.
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