-
Technisches Gebiet
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Beladung eines aufladbaren Metallhydridspeicherelementes sowie
ein System zur Versorgung eines Verbraucherelementes mit Energie
in einem Flugzeug.
-
Hintergrund der Erfindung
-
In
Verkehrsflugzeugen lösen
viele Module neben ihrer ursprünglichen
Funktion immer mehr sekundäre
Aufgaben. So stellen beispielsweise Passagiersitze nicht nur einen
hohen Sitzkomfort und Sicherheitsstandard bereit, sondern zusätzlich sekundäre Aufgaben,
wie Kommunikation und Unterhaltung, teilweise sogar erhöhte Komfortfunktionen,
wie elektrische Sitzverstellung oder Massagefunktionen.
-
Um
den Energiebedarf solcher Module, wie beispielsweise dieser modernen
Passagiersitze, nachzukommen, kann jedes der Module eine auf einer
Brennstoffzelle basierende Einrichtung enthalten, die für diese
Vielzahl von Zusatzfunktionen elektrische Energie erzeugt. Mit einer
Energieversorgung über
eine Brennstoffzelle kann zudem die Atemluft des in diesem Sitzelement
befindlichen Passagiers atemwegsnah befeuchtet werden.
-
Zur
Versorgung eines solchen Moduls bzw. eines Passagiersitzes mit elektrischer
Energie mittels einer Brennstoffzelle muss diese ständig mit
ihren Produkten, also Wasserstoff und Luftsauerstoff, versorgt werden.
Dabei besteht die Möglichkeit
einen zentralen Wasserstofftank in dem Flugzeug anzuordnen und über Verteilungsleitungen
den Wasserstoff zu den Brennstoffzellen an den Modulen bzw. Sitzen bereitzustellen.
Die Wasserstoffversorgungsleitungen zwischen dem zentralen Wasserstofftank
und den einzelnen Brennstoffzellenelemente stehen dabei ständig unter
Druck. Daher könnte
an ihren Schnittstellen Undichtigkeiten und Risse entstehen, so
dass Wasserstoff in die Kabine ausweichen könnte, welches zu einer Knallgasreaktion
führen
kann. Daher müssen
die Wasserstoffleitungen beispielsweise doppelwandig mit einer Belüftung zwischen
einem inneren und einem äußeren Rohr
ausgeführt werden,
um bei einer Leckage des inneren Rohres den austretenden Wasserstoff
auszublasen.
-
Um
ein Modul bzw. einen Flugzeugsitz autonom mit einer hohen Flexibilität auszustatten,
kann der Metallhydridspeicher als auswechselbare Kartusche ausgeführt werden
und nahe der zu versorgenden Brennstoffzelle angeordnet werden.
Diese Kartusche muss nach Verbrauch des darin enthaltenen Wasserstoffs
ausgetauscht werden.
-
Darstellung der Erfindung
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein autonomes Energieerzeugungssystem
für ein
Verbraucherelement in einem Flugzeug sowie eine Versorgung des Energieerzeugungssystems
zu schaffen.
-
Die
Aufgabe wird durch ein System zur Erzeugung von Energie für ein Verbraucherelement
in einem Flugzeug sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beladen
des Systems in einem Flugzeug mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
-
Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung ist ein System zur Erzeugung von Energie für ein Verbraucherelement
in einem Flugzeug geschaffen. Das System weist ein Verbraucherelement
mit einem Brennstoffzellenelement und einem aufladbaren Hydridelement
auf. Das aufladbare Metallhydridspeicherelement ist eingerichtet,
das Brennstoffzellenelement mit Wasserstoff zu versorgen, so dass
Energie für
das Verbraucherelement erzeugbar ist. Zudem ist das aufladbare Metallhydridspeicherelement
derart eingerichtet, dass dieses mit Wasserstoff aufladbar ist.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
wird eine Vorrichtung zur Beladung eines Systems zur Erzeugung von
Energie für
ein Verbraucherelement gemäß den oben
beschriebenen Merkmalen in einem Flugzeug geschaffen. Die Vorrichtung
weist dabei eine Wasserstoffleitung und eine Paneeleinrichtung mit
einem Befüllventilelement
auf. Die Wasserstoffversorgungsleitung ist eingerichtet ein aufladbares
Metallhydridspeicherelement und das Befüllventilelement der Paneeleinrichtung
zu verbinden. Das Befüllventilelement
ist derart eingerichtet, dass in einem Beladezustand eine Wasserstoffquelle
zur Beladung des aufladbaren Metallhydridspeicherelementes anschließbar ist.
Zudem ist die Wasserstoffleitung eingerichtet, dass in einem Betriebszustand
des aufladbaren Metallhydridspeicherelementes die Wasserstoffversorgungsleitung
frei von Wasserstoff ausgebildet ist.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
wird ein Verfahren zum Beladen eines aufladbaren Metallhydridspeicherelementes
in einem Flugzeug geschaffen. Das aufladbare Metallhydridspeicherelement
und ein Befüllventilelement
einer Paneeleinrichtung werden mittels einer Wasserstoffversorgungsleitung
verbunden. Dem Befüllventilelement
wird in einem Beladezustand des aufladbaren Metallhydridspeicherelementes
eine Wasserstoffquelle zur Beladung des aufladbaren Metallhydridspeicherelementes
angeschlossen, wobei in einem Betriebszustand des aufladbaren Metallhydridspeicherelementes
die Wasserstoffversorgungsleitung frei von Wasserstoff bleibt.
-
Unter
dem Begriff „Betriebszustand" des aufladbaren
Metallhydridspeicherelementes wird der Zustand verstanden, indem
das aufladbare Metallhydridspeicherelement Wasserstoff an das Brennstoffzellenelement
abgibt oder der Zustand, in dem das Flugzeug in Betrieb ist, d.h.
sich nicht zur Wartung am Boden befindet. Unter dem Begriff „Beladezustand" wird der Zustand
verstanden, indem das aufladbare Metallhydridspeicherelement keinen
Wasserstoff an das Brennstoffzellenelement abgibt oder indem das
Flugzeug nicht in Betrieb ist.
-
Bei
einem aufladbaren Metallhydridspeicher wird der zu speichernde Wasserstoff
in einem Metall oder einer Metalllegierung gelöst gespeichert. Be- und Entladevorgänge in Metallhydridspeichern
sind immer Druck und Temperatur (p, T) geführte Sorptionsprozesse. Es
bildet sich aus dem Metall und dem Wasserstoff eine physikalische
Verbindung, das Metallhydrid. Bei Entladung des Metallhydridspeichers wird
durch Desorption und mit einer Druckerniedrigung bzw. Dekompression
und einer Wärmezufuhr der
Wasserstoff wieder ausgetrieben und einem Verbraucherelement bereitgestellt
werden. Bei Beladung des Metallhydridspeichers mit Wasserstoff wird
durch Adsorption mit einer Druckerhöhung bzw. Kompression und einer
Wärmeabfuhr
der Wasserstoff eingelagert.
-
Mit
der vorliegenden Erfindung kann ein autonomes Verbraucherelement
geschaffen werden, welches mittels einem Brennstoffzellenelement
und einem aufladbaren Metallhydridspeicherelement autark mit Energie
versorgt werden kann. Im Gegensatz zu einer Wasserstoffversorgung
aus einem zentralen Wasserstofftank, bei dem ein komplexes Rohrleitungssystem
den Wasserstoff zu den Brennstoffzellen befördert, kann ein Brennstoffzellensystem
mit einem dezentralen aufladbaren Metallhydridspeicherelement ohne
ein solches Rohrleitungssystem bereitgestellt werden. Dadurch können die
Verbraucherelemente flexibel ihre Position verändern, ohne dass die Wasserstoffversorgung
unterbrochen wird. Zudem müssen
bei der zentralen Wasserstoffversorgung die Wasserstoffleitungen
von dem zentralen Wasserstofftank mit dem Verbraucherelement durch die
Kabine geführt
werden und stehen ständig
mit Wasserstoff gefüllt
unter Druck, so dass an den Schnittstellen Undichtigkeiten entstehen
können
und im Fall eines Risses oder Bruches Wasserstoff in das Flugzeug
entweichen könnte,
so dass eine Knallgasbildung entstehen kann. Daher müssen die
Wasserstoffversorgungsleitungen hohe Sicherheitsvorrichtungen aufweisen,
wie beispielsweise eine doppelwandige Rohrkonstruktion mit einem
inneren und äußeren Rohr.
Mit dem erfindungsgemäßen aufladbaren
und dezentral angeordneten Metallhydridspeicherelement für die Brennstoffzellen
müssen
die Wasserstoffversorgungsleitungen nur während des Aufladevorgangs,
d.h. für
eine definierte Zeit unter Druck stehen. Zudem kann die Aufladung
des aufladbaren Metallhydridspeicherelementes unter kontrollierten
Bedingungen, d. h. falls die Passagiere beispielsweise nicht an
Bord sind, durchgeführt
werden. Somit verringern sich die Sicherheitserfordernisse, so dass
auf aufwendige Sicherheitsvorkehrungen verzichtet werden kann und
dennoch ein Risiko für die
Passagiere in einem Flugzeug vermindert wird. Zudem kann durch die
Verringerung der Sicherheitsvorkehrungen ein längerer Wartungsintervall eingeführt und
Gewicht eingespart werden.
-
Mit
der beschriebenen Vorrichtung zur Beladung eines Systems zur Erzeugung
von Energie ist zudem eine Möglichkeit
geschaffen, das aufladbare Metallhydridspeicherelement des Verbraucherelements
aufzuladen. Die Wasserstoffversorgungsleitungen können dabei
in einem Betriebszustand des aufladbaren Metallhydridspeicherelementes
frei von Wasserstoff bleiben. Die Wasserstoffversorgungsleitungen
können
gezielt in einem Beladezustand des aufladbaren Metallhydridspeicherelementes
mit Wasserstoff befüllt
werden, um dieses aufzuladen. Der Beladezustand kann so eingeteilt
werden, dass sich während
der Beladung keine Passagiere oder sonstige Risikofaktoren an Bord
des Flugzeugs befindet. Somit kann das Risiko während des Aufladens des aufladbaren
Metallhydridspeicherelementes reduziert, sowie die Lagerung von
Wasserstoff an Bord eines Flugzeugs vereinfacht werden.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung ist das aufladbare Metallhydridspeicherelement des
Systems derart eingerichtet, dass das aufladbare Metallhydridspeicherelement
in einem Beladezustand thermische Energie abgibt. Es wird beispielsweise
der Wasserstoff unter Druck dem aufladbaren Metallhydridspeicherelement zugeführt, so
dass durch die Adsorption des Wasserstoffs thermische Energie entsteht.
Diese thermische Energie kann beispielsweise für die Beheizung des Kabineninnenraums
oder sonstigen Einrichtungen zugeführt werden, so dass eine verbesserte
Energiebilanz erzeugt werden kann, ohne dass thermische Energie
nutzlos abgegeben wird.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
des Systems weist dieses ferner einen Sammelbehälter auf. Der Sammelbehälter ist
eingerichtet, ein Wasserkondensat des Brennstoffzellenelements zu
sammeln. Das aufladbare Metallhydridspeicherelement ist in einem
wärmeleitenden
Kontakt mit dem Sammelbehälter
eingerichtet. Die in dem Beladezustand erzeugte thermische Energie kann
somit dem Sammelbehälter
zugeführt
werden, so dass mittels dieser thermischen Energie das Wasserstoffkondensat
verdampfbar und entkeimbar ist. In der Brennstoffzelle kommt es
zu einer Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff, wobei diese
beiden Edukte zu Wasser als Produkt reagieren. Aufgrund der exothermen
Reaktion in der Brennstoffzelle entsteht Wärme, so dass das gebildete Wasser
als Wasserdampf die Brennstoffzelle, insbesondere an der Kathodenseite
der Brennstoffzelle, verlässt.
Wird dieser Wasserdampf nicht gezielt abgeführt, so würde dieser Dampf auskondensieren und
in die Brennstoffzelle zurücklaufen,
wodurch bei längerem
Betrieb in die Funktionstüchtigkeit
eingeschränkt
wird und die Brennstoffzelle schließlich sogar vollständig ausfallen
kann. Mittels des Sammelbehälters
kann dieses gebildete Kondensat aufgefangen werden und von Zeit
zu Zeit abgelassen und entsorgt werden. Dieses Ablassen und Entsorgen kann
allerdings zu einem erhöhten
Wartungsaufwand führen.
Mit der oben beschriebenen beispielhafte Ausführungsform kann dieses Wasserkondensat
in einem Sammelbehälter
gesammelt werden. Diesem Sammelbehälter ist die in dem Beladezustand
des aufladbaren Metallhydridspeicherelementes entstandene thermische
Energie zuführbar.
Aufgrund der Zuführung
dieser thermischen Energie bzw. der Wärme kann das in dem Sammelbehälter gesammelte Wasserkondensat
verdampft und/oder gleichzeitig entkeimt werden. Somit kann eine
Entleerung des Sammelbehälters
unnötig
werden, wodurch die Wartungsintervalle vergrößert werden können. Zudem kann
das verdampfte und entkeimte Wasserkondensat an ein Luftaufbereitungselement
weitergegeben werden, so dass die Atemluft in der Kabine eines Flugzeugs
mit dem verdampften Wasserkondensat befeuchtet werden.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das aufladbare Metallhydridspeicherelement
in einem wärmeleitenden
Kontakt mit dem Brennstoffzellenelement eingerichtet ist. Das aufladbare
Metallhydridspeicherelement ist eingerichtet, in einem Betriebszustand
thermische Energie des Brennstoffzellenelements aufzunehmen, so
dass das Brennstoffzellenelement kühlbar ist. In einem Betriebszustand
des Systems gibt das aufladbare Metallhydridspeicherelement Wasserstoff
an das Brennstoffzellenelement ab, um dieses zu betreiben. Dadurch
desorbiert der gespeicherte Wasserstoff des aufladbaren Hydridelements,
wodurch sich das aufladbare Metallhydridspeicherelement abkühlt. Aufgrund
dieser Abkühlung kann
das aufladbare Metallhydridspeicherelement thermische Energie bzw.
Wärme des
Brennstoffzellenelements aufnehmen, so dass dieses gleichzeitig gekühlt wird.
Somit wird eine bessere Energiebilanz geschaffen und es kann zudem
auf schwere und komplexe Kühlsysteme
eines Brennstoffzellenelements verzichtet werden. Damit kann Gewicht
und ein erhöhter
Wartungsaufwand vermieden werden.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
des Systems ist das aufladbare Metallhydridspeicherelement derart
eingerichtet, dass dieses austauschbar an dem Verbraucherelement
anbringbar ist. Somit kann das aufladbare Metallhydridspeicherelement
einfach ausgetauscht werden, ohne dass vor Ort eine zeitbeanspruchende
Wartung erforderlich ist. Dadurch kann der Wartungsaufwand des Systems
verringert werden.
-
In
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist das Metallhydridspeicherelement integral mit dem Verbraucherelement
ausgebildet. In dieser Ausführungsform kann
ein in sich abgeschlossenes Modul mit dem aufladbaren Metallhydridspeicherelement
der Brennstoffzelle und dem Verbraucherelement geschaffen werden,
so dass dieses beispielsweise als ganzes austauschbar ist. Somit
können
beispielsweise defekte Systeme als ganzes ausgetauscht werden, so dass
eine hohe Reparaturdauer verhindert werden kann. Zudem kann der
wärmeleitende
Kontakt verbessert werden.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung besteht das Verbraucherelement aus einem
Sitzelement. Ein Sitzelement mit einer Brennstoffzelle und einem
aufladbaren Metallhydridspeicherelement gemäß des oben beschriebenen Systems
kann autonom bzw. autark mit Strom bzw. Energie versorgt werden.
Dadurch können
die Sitzelemente in ihrer Konfiguration bzw. Sitzanordnung schnell
geändert
bzw. verschoben werden, ohne dass komplizierte Umrüstarbeiten, wie
beispielsweise eine Änderung
der Energieversorgung, notwendig ist. Dadurch reduziert sich der
Zeitaufwand bei einer Sitzkonfigurationsänderung in einem Flugzeug,
so dass die Flugzeuge schneller umgerüstet werden können. Zudem
kann das Verbraucherelement beispielsweise aus der Gruppe bestehend
aus Kücheneinrichtungen
und Toiletteneinrichtungen ausgewählt sein.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
der Vorrichtung weist das Befüllventil eine
Schnellkupplungseinrichtung auf, wobei die Schnellkupplungseinrichtung
derart eingerichtet ist, dass bei Anschluss der Wasserstoffquelle
ein Wasserstoffdurchfluss bereitstellbar ist und dass bei Trennung
der Wasserstoffquelle der Wasserstoffdurchfluss abstellbar ist.
Somit kann zügig
die Wasserstoffquelle an das Befüllventil
angeschlossen werden und ohne zusätzliche Einstellungen ein Wasserstoffdurchfluss
bereitgestellt werden. Aufwändige Einstellungen
vor dem Befüllen
des aufladbaren Metallhydridspeicherelementes sind somit nicht nötig, so
dass ein Wasserstoffdurchfluss äußerst zügig bereitstellbar
ist.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
der Vorrichtung weist diese ferner eine Schnittstelle auf, welche
zwischen einem Innenbereich des Flugzeugs und einem Außenbereich
des Flugzeugs angeordnet ist. Diese Schnittstelle kann beispielsweise
in der Flugzeughaut des Flugzeugs angeordnet sein, so dass der Innenbereich
den gesamten Innenraum des Flugzeugs darstellt und der Außenbereich
die von der Flugzeughaut abgetrennte Umgebung des Flugzeugs darstellt.
Die Paneeleinrichtung ist dabei an der Schnittstelle eingerichtet,
so dass die Wasserstoffquelle seitens des Außenbereichs an dem Befüllventil
anschließbar
ist. Somit kann die Wasserstoffquelle von außen an dem Paneel angeschlossen
werden, ohne dass die Wasserstoffquelle an Bord des Flugzeugs gebracht
werden muss. Dadurch besteht die Möglichkeit, beispielsweise während einer
Turn-Around-Phase des Flugzeugs, d. h. zwischen der Lande- und Startphase
des Flugzeugs, das aufladbare Metallhydridspeicherelement zügig von
außen
mit Wasserstoff zu befüllen.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
weist die Wasserstoffversorgungsleitung ein Entlüftungsventilelement und die
Paneeleinrichtung ein Belüftungsventilelement
mit einem Luftanschluss auf. Das Entlüftungsventilelement ist eingerichtet,
in einem geöffneten
Zustand mittels des Luftanschlusses Luft in die Wasserstoffversorgungsleitung
einzuleiten und das Belüftungsventilelement ist
eingerichtet, in einem geöffneten
Zustand die Luft aus der Wasserstoffversorgungsleitung abzugeben. Damit
besteht die Möglichkeit,
nach einem Beladevorgang des Metallhydridspeicherelementes die Wasserstoffversorgungsleitungen
zwischen dem Paneelelement und dem aufladbaren Metallhydridspeicherelement von
dem Wasserstoff zu säubern.
In dem Belüftungsventilelement
kann dabei soviel Luft eingeleitet werden, bis sich kein Wasserstoff
mehr in der Wasserstoffversorgungsleitung befindet. Der sich noch
in der Wasserstoffversorgungsleitung befindende Wasserstoff wird
durch das geöffnete
Entlüftungsventilelement
ausgeblasen. Somit kann sichergestellt werden, dass nach einem Aufladevorgang
die Wasserstoffversorgungsleitungen frei von Wasserstoff sind, so
dass das Risiko einer Knallgasreaktion in einer Wasserstoffversorgungsleitung,
beispielsweise während
einer Flugphase des Flugzeugs, verhindert werden kann. Somit kann
die Sicherheit an Bord eines Flugzeugs erhöht werden.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung ferner eine Steuereinheit
auf, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, das Entlüftungsventilelement,
das Belüftungsventilelement
sowie das Befüllventilelement
zu steuern. Somit müssen
die einzelnen Ventilelemente nicht manuell geöffnet und geschlossen werden,
sondern können
zentral durch eine Steuereinheit geöffnet bzw. verschlossen werden.
Die Steuereinheit kann somit den gesamten Befüllvorgang steuern. Beispielsweise
kann die Steuereinheit nach Anschluss aller Befüllschläuche, d. h. nach Anschluss
der Wasserstoffquelle an das Befüllventilelement
und nach Anschluss einer Luftquelle an den Luftanschluss des Belüftungsventilelements,
zunächst
die Wasserstoffversorgungsleitung entlüften, indem die Steuereinheit
das Befüllventilelement
sowie das Entlüftungsventilelement öffnet. Damit
strömt Wasserstoff
in die Wasserstoffversorgungsleitung und verdrängt die darin befindliche Luft.
Nach einem definierten Zeitintervall oder nach Messung der Wasserstoffkonzentration
in der Wasserstoffversorgungsleitung mittels Sensoren, schließt die Steuereinheit das
Entlüftungsventilelement,
so dass sich der Druck des in der Leitung befindenden Wasserstoffs
erhöht. Aufgrund
des anstehenden Drucks beginnt sich der aufladbare Metallhydridspeicher
zu füllen,
bis dieser vollständig
mit Wasserstoff aufgeladen ist. Nach einem definierten Zeitintervall
ist sichergestellt, dass alle Metallhydridspeicher gefüllt sind,
so dass das Wasserstoffbefüllventil
geschlossen wird. Danach kann durch Öffnen des Entlüftungsventilelements und
des Belüftungsventilelements
der verbleibende Wasserstoff in der Wasserstoffversorgungsleitung mit
Luft ausgeblasen werden. Dieser Beladevorgang kann die Steuereinheit
automatisch und selbstständig
steuern, so dass eine zügige
und sichere Aufladung der aufladbaren Metallhydridspeicher bereitgestellt
werden kann.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
der Vorrichtung ist die Wasserstoffversorgungsleitung derart eingerichtet,
dass eine Mehrzahl von aufladbaren Metallhydridspeicherelementen mit
dem Befüllventilelement
der Paneeleinrichtung verbunden werden kann. Somit besteht die Möglichkeit
mit einem Wasserstoffanschluss an der Paneeleinrichtung eine Mehrzahl
von aufladbaren Metallhydridspeicherelementen aufzuladen. Somit
können
in einem Beladevorgang die gesamten sich im Flugzeug befindenden
Hydridspeicherelemente aufgeladen werden, so dass der Aufladevorgang
zügig umgesetzt
werden kann.
-
Die
Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Systems gelten auch für das Verfahren
und umgekehrt.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Im
Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der
vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform
des Systems mit einem auswechselbaren Metallhydridspeicherelement;
-
2 eine
schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform,
in der das Metallhydridspeicherelement in das System integriert dargestellt
ist;
-
3 eine
schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform
des Systems, in der das Metallhydridspeicherelement und der Sammelbehälter direkt
in einer Brennstoffzelle integriert sind; und
-
4 eine
schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform
der Vorrichtung zur Beladung des Systems mit Wasserstoff.
-
Detaillierte Beschreibung
von beispielhaften Ausführungsformen
-
Gleiche
oder ähnliche
Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern
versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und
nicht maßstäblich.
-
1 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
des Systems zur Erzeugung von Energie für ein Verbraucherelement 20 in
einem Flugzeug. 1 zeigt ein Brennstoffzellenelement 6 und
ein aufladbares Metallhydridspeicherelement 4. Das aufladbare Metallhydridspeicherelement 4 ist
eingerichtet, das Brennstoffzellenelement 6 mit Wasserstoff
zu versorgen. Das aufladbare Metallhydridspeicherelement 4 ist
dabei derart eingerichtet, dass dieses mit Wasserstoff aufladbar
ist.
-
Ferner
zeigt 1 eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, in
der das auswechselbare Metallhydridspeicherelement 4 und
einem Sammelbehälter 18 in
einem separaten Bauteil bzw. einem Trägermodul 19 angeordnet
sind. Das Trägermodul 19 ist
dabei an dem Brennstoffzellenelement 6 angeordnet bzw.
angeflanscht, so dass diese in einem wärmeleitenden Kontakt stehen.
Ferner ist das aufladbare Metallhydridspeicherelement 4 über eine Kupplung
und ein Rückschlagventil
mit einer Wasserstoffversorgungsleitung verbunden, so dass das aufladbare
Metallhydridspeicherelement 4 mit Wasserstoff befüllt werden
kann.
-
Ein
Regelventil 5 mit einer Kupplung 3 kann derart
durch eine in dem System angeordnete Brennstoffzellensteuerung 11 geregelt
werden, dass entweder Wasserstoff von der Wasserstoffversorgungsleitung 1 in
das aufladbare Metallhydridspeicherelement 4 geleitet werden
kann oder dass Wasserstoff von dem aufladbaren Metallhydridspeicherelement 4 zu
der Brennstoffzelle 6 geleitet werden kann.
-
Die
erzeugte elektrische Energie des Brennstoffzellenelements 6 kann
zu einem Spannungsumsetzer 9 geleitet werden, so dass an
einem Ausgang 10 eine geregelte Gleichspannung entnehmbar
ist. Zudem kann die erzeugte elektrische Energie einen Motor 8 versorgen,
welcher einen Ventilator 7 antreibt. Durch den Ventilator 7 kann
eine Kathodenzuluft geregelt werden, um das Brennstoffzellenelement mit
Sauerstoff bzw. Umgebungsluft zu versorgen.
-
Ferner
kann die Kathodenabluft, welche hohe Anteile verdampften Wassers
enthält, über ein Rückschlagventil 12 in
den Sammelbehälter 18 geführt werden,
indem die feuchte Kathodenabluft auskondensiert. Mittels der beim
Aufladen des Metallhydridspeicherelementes 4 gebildeten
thermischen Energie kann das Kondensat in dem Sammelbehälter 18 verdampft
und entkeimt werden und entweder über einen Kondensatablass abgeführt oder über eine
Atemwegszuleitung 16 befeuchtete Luft 15 bereitgestellt
werden. Das aufladbare Metallhydridspeicherelement 4 steht
dabei in einem wärmeleitenden Kontakt
mit dem Sammelbehälter 18 und
dem Brennstoffzellenelement 6.
-
Befindet
sich ein Flugzeug am Boden in einer Wartungsphase, kann der aufladbare
Metallhydridspeicher 4 über
die Wasserstoffversorgungsleitung 1 mit Wasserstoff versorgt
werden. Dabei wird das aufladbare Metallhydridspeicherelement 4 aufgefüllt, wobei
dieses sich erwärmt.
Der thermische Arbeitsbereich kann dabei so gewählt werden, dass sich das aufladbare
Metallhydridspeicherelement 4 ausreichend erwärmt, um
das im Sammelbehälter 18 befindliche
Wasser zu verdampfen, jedoch nicht so warm, dass es zu einer Beladung
des Brennstoffzellenelements 6 führt. In der Ausführungsform
der 1 ist das aufladbare Metallhydridspeicherelement 4 auswechselbar
angeordnet, so dass der Wasserstoffbedarf der Brennstoffzelle 6 zudem
durch Austausch des leeren aufladbaren Metallhydridspeicherelementes 4 bereitgestellt
werden kann.
-
2 zeigt
eine weitere beispielhafte Ausführungsform
des Systems, indem das aufladbare Metallhydridspeicherelement 4a in
dem separaten Bauteil 19 einstückig bzw. integriert angeordnet
ist. Somit kann eine platzsparendere und kompaktere Bauform geschaffen
werden, welche sich durch vereinfachte Anschlüsse und bessere thermische Übergänge auszeichnet.
So kann beispielsweise die Kupplung 3 und das Rückschlagventil 2 platzsparender
und vereinfachter ausgeführt
werden. Eine Befüllung
des aufladbaren Metallhydridspeicherelementes 4 erfolgt über die
Wasserstoffversorgungsleitung 1. Das aufladbare Metallhydridspeicherelement 4 steht dabei
in einem wärmeleitenden
Kontakt mit dem Sammelbehälter 18 und
dem Brennstoffzellenelement 6.
-
3 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform,
in der das aufladbare Metallhydridspeicherelement 4 und
der Sammelbehälter 18 integral
und einstückig
in einer Endplatte 19a des Brennstoffzellensystems 6 angeordnet
bzw. integriert ist. Die Endplatte 19a ist dabei ein Teil
der Brennstoffzelle 6. Diese beispielhafte Ausführungsform
bietet eine weitere Vereinfachung der Beladung und eine weitere
Verbesserung der thermischen Übergänge zwischen dem
aufladbaren Metallhydridspeicherelement 4 zu dem Sammelbehälter 18 und
dem Brennstoffzellenelement 6. Somit sind ebenfalls weitere
Gewichtsreduzierungen möglich.
Zudem lässt
sich das aufladbare Metallhydridspeicherelement 4b derart
integrieren, dass dieses von der Endplatte 19a in das Brennstoffzellenelement 6 hineinragt
und somit aufgrund der verbesserten thermischen Wärmeleitung
das Brennstoffzellenelement 6 beispielsweise von innen
heraus kühlen
kann. Die Beladung des aufladbaren Metallhydridspeicherelementes 4 erfolgt
ebenfalls durch die Wasserstoffversorgungsleitung 1. Das
aufladbare Metallhydridspeicherelement 4 steht dabei in
einem wärmeleitenden
Kontakt mit dem Sammelbehälter 18 und
dem Brennstoffzellenelement 6.
-
4 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
der Vorrichtung zur Beladung eines Systems zur Erzeugung von Energie
für ein
Verbraucherelement. Die Vorrichtung weist dabei eine Wasserstoffversorgungsleitung 1 und
eine Paneeleinrichtung 31 mit einem Befüllventilelement 29 auf.
Die Wasserstoffversorgungsleitung 1 ist dabei derart eingerichtet,
dass ein aufladbares Metallhydridspeicherelement des Verbraucherelements 20 und
das Befüllventilelement 29 der
Paneeleinrichtung 31 verbunden werden kann. Das Befüllventilelement 29 ist
dabei derart eingerichtet, dass in einem Beladezustand eine Wasserstoffquelle über einen
Wasserstoffanschluss 21 zur Beladung des aufladbaren Metallhydridspeicherelementes 4 anschließbar ist.
Zudem ist die Wasserstoffversorgungsleitung 1 eingerichtet,
dass in einem Betriebszustand des aufladbaren Metallhydridspeicherelementes 4 die
Wasserstoffversorgungsleitung 1 frei von Wasserstoff ausgebildet
ist.
-
Ferner
zeigt 4, dass das Paneel 31 neben dem Befüllventilelement 29 ein
Belüftungsventil 30 mit
einem Luftanschluss 23 aufweisen kann und die Wasserstoffversorgungsleitung 1 zudem
ein Entlüftungsventilelement 28 mit
beispielsweise einem Entlüftungsanschluss 22 aufweist.
Die Wasserstoffversorgungsleitung 1 verbindet zudem mehrere
Verbraucherelemente 20, wobei jedes der Verbraucherelemente 20 einen
aufladbaren Metallhydridspeicher 4 aufweist.
-
Zur
Befüllung
der aufladbaren Hydridspeicherelemente 4 der Verbraucherelemente 20 kann zunächst die
Wasserstoffversorgungsleitung 1 von Luft entlüftet werden.
Daher kann zunächst
an einen Wasserstoffanschluss 21 des Befüllventilelements 29 eine
Wasserstoffquelle angeschlossen werden. Über das Belüftungsventilelement 30 kann
Druckluft angeschlossen werden. Vor Beginn des Beladevorgangs der
aufladbaren Hydridspeicherelemente 4 mit Wasserstoff kann
die Wasserstoffversorgungsleitung 1 zunächst entlüftet werden. Dabei wird nach
Anschluss der Luftquelle und der Wasserstoffquelle das Entlüftungsventilelement 28 und
das Befüllventilelement 29 geöffnet. Somit
strömt
Wasserstoff in die Wasserstoffversorgungsleitung 1 und
verdrängt
die darin befindliche Luft. Nach einem definierten Zeitintervall
kann das Belüftungsventil 30 geschlossen werden,
so dass sich ein Druck aufbaut. Durch den anstehenden Druck des
Wasserstoffs in der Wasserstoffversorgungsleitung 1 beginnen
sich die aufladbaren Metallhydridspeicher 4 zu füllen und
gleichzeitig zu erwärmen.
Durch diese Erwärmung
können, wie
oben beschrieben, die Sammelbehälter 18 erwärmt werden,
so dass diese ausgedampft werden können. Nach einem definierten
Zeitintervall ist sichergestellt, dass alle aufladbaren Hydridspeicherelemente 4 gefüllt und
die Sammelbehälter 18 entleert sind
und die Atemluftzuführung
durch das Ausdampfen keimfrei ist.
-
Am
Ende des Beladevorgangs wird das Befüllventilelement 29 geschlossen.
Aus Sicherheitsgründen
kann nun die Wasserstoffversorgungsleitung 1 entlüftet werden,
so dass diese frei von Wasserstoff ist. Dabei wird das Entlüftungsventilelement 28 geöffnet und
Luft durch das Belüftungsventil 30 eingebracht.
Ist nach einem gewissen Zeitintervall oder nach Messung der Wasserstoffkonzentration
in den Wasserstoffversorgungsleitungen 1 das System frei
von Wasserstoff, werden alle Ventile geschlossen und die Versorgungsschläuche entkoppelt.
-
Das Öffnen und
Schließen
der Belüftungsventilelemente 30,
der Entlüftungsventilelemente 28 sowie
dem Befüllventilelement 29 kann
mittels einer Steuereinheit 24 gesteuert werden. Somit
entfällt
die manuelle Regelung der Ventile 28, 29, 30.
Ferner kann durch die automatische Steuerung die Sicherheit der
Beladevorrichtung erhöht
werden.
-
Ferner
zeigt 4 einen Außenbereich 26 und
einen Innenbereich 27. Der Außenbereich 26 und
der Innenbereich 27 bilden eine Schnittstelle, an der die
Paneeleinrichtung 31 angeordnet werden kann. Somit können seitens
des Außenbereichs 26 die
Versorgungsleitungen der Luft sowie des Wasserstoffs angeschlossen
werden. Die am Flugzeug angeordnete Steuereinheit 24 kann
ferner einen Anschluss 25 aufweisen, an dem ein externer
Steuerterminal anschließbar
ist. Damit besteht beispielsweise die Möglichkeit, dass ein Wasserstofftankwagen
zu dem sich am Boden befindlichem Flugzeug fährt und den Beladevorgang von
außen
steuert. Dazu kann mittels des externen Steueranschlusses 25 die
Steuereinheit 24 angesteuert werden, so dass die Ventilelemente 28, 29, 30 seitens
des Außenbereichs 26 steuerbar
sind.
-
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 ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen
oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden
können.
Bezugszeichen in den Ansprüche
sind nicht als Einschränkung
anzusehen.
-
- 1
- Wasserstoffversorgungsleitung
- 2
- Rückschlagventil
- 3
- Kupplung
- 4,
4a, 4b
- aufladbares
Metallhydridspeicherelement
- 5
- Regelventil
- 6
- Brennstoffzellenelement
- 7
- Ventilation
- 8
- Motor
- 9
- Spannungsumsetzer
- 10
- Ausgang
für geregelte
Gleichspannung
- 11
- Brennstoffzellensteuerung
- 12
- Rückschlagventil
- 13
- Luftbefeuchtungsleitung
- 14
- temporäre Wasserstoffversorgung
- 15
- befeuchtete
Atemluft
- 16
- Luftleitung
- 17
- Kondensatablass
- 18
- Sammelbehälter
- 19
- Trägermodul
- 19a
- Endplatte
- 20
- Verbraucherelement
- 21
- Wasserstoffanschluss
- 22
- Entlüftungsanschluss
- 23
- Luftanschluss
- 24
- Steuereinheit
- 25
- externer
Steueranschluss
- 26
- Außenbereich
- 27
- Innenbereich
- 28
- Entlüftungsventilelement
- 29
- Befüllventilelement
- 30
- Belüftungsventilelement
- 31
- Paneeleinrichtung