DE102012002311A1 - Versorgungssystem für ein Verkehrsmittel, Verfahren zum Bereitstellen eines Inertgases und elektrischer Leistung, Flugzeug mit einem derartigen Versorgungssystem und Verwendung einer Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Eine Vorrichtung (1) zum Herstellen eines Inertgases weist einen Brennstofftank (2) für einen Brennstoff, mindestens eine Brennstoffzelle (14) mit einer Kathode (16), einer Anode (18), einen Reaktor (4) zum Reformieren von Brennstoff aus dem Brennstofftank (2) zu einem Wasserstoff enthaltenden Brenngas und einen Inertgasausgang (21) auf. Der Reaktor (4) weist einen Brenngasausgang (5) auf, der mit einem an der Anode (18) der Brennstoffzelle (14) angeordneten Brenngaseingang (13) verbunden ist. Der Inertgasausgang (21) ist stromabwärts des Reaktors (4) angeordnet und ist eine Fluidsenke für nicht wasserstoffhaltige Reaktionsprodukte des Reaktors (4).

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines Inertgases, ein Verfahren zum Bereitstellen eines Inertgases, ein Flugzeug mit einer derartigen Vorrichtung und die Verwendung einer Brennstoffzelle zum Bereitstellen eines Inertgases.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Zur Erfüllung von Vorschriften, etwa der FAR-Richtlinie 14 CFR 25.981, ist eine Reduktion der Explosionsfähigkeit von Tanks erforderlich. Gemäß empfohlener Methoden in einem Regelungsvorschlag (Notice of proposed rulemaking, NPRM) des amerikanischen Luftfahrtbundesamts (FAA) FAA-2005-22997 „Reduction of Fuel Tank Flammability in Transport Category Airplanes" geschieht dies durch Senken des Sauerstoffgehalts der im Tank vorhandenen Gasphase, um zündfähige Gemische zu verhindern. Dazu wird ein sauerstoffarmes Gas bzw. Inertgas in den Tank geleitet.
  • Zur Bereitstellung von Inertgas sind Membranseparationsmodule bekannt, die mit Druckluft eines mittleren Druck- und Temperaturniveaus beaufschlagt werden, wobei Sauerstoff im Gegensatz zu Stickstoff in der Lage ist, die verwendete Membran zu durchdringen, so dass er abgeführt werden kann. Die verbleibende sauerstoffabgereicherte Luft ist für die Inertisierung geeignet.
  • Es sind weiterhin Versorgungssysteme für Verkehrsmittel bekannt, bei denen eine Brennstoffzelle elektrische Leistung, Wasser und ein Inertgas in Form von sauerstoffabgereicherter Brennstoffzellenabluft bereitgestellt werden. In einer Brennstoffzelle wird chemisch gebundene Energie von Wasserstoff in elektrischen Gleichstrom umgewandelt, wobei ein wasserstoffhaltiges Gas an eine Anode und ein sauerstoffhaltiges Gas an eine Kathode geführt werden, wobei Anode und Kathode durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. An der Kathode entsteht eine wasserdampfhaltige und sauerstoffabgereicherte Abluft, die beispielsweise nach Entfeuchtung zur Inertisierung von Tanks oder dergleichen genutzt wird.
  • DE 10 2005 054 885 B4 offenbart ein Sicherheitssystem zur Verminderung der Explosionsgefahr eines Treibstofftanks mit einer Brennstoffzelle und einer Zufuhreinrichtung zum Zuführen des Schutzgases in Form von Abluft aus einem Kathodenbereich der Brennstoffzelle in einen Tank. Zusätzlich wird entstehender Wasserdampf über eine Kondensationsvorrichtung kondensiert und zur weiteren Verwendung abgeführt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Herstellung von Inertgas mit Hilfe von Membranseparationsmodulen erfordert für die Aufrechterhaltung eines notwendigen, hohen Druckgefälles an der Membran eine stetige Leistungsaufnahme, die von dem Verkehrsmittel bereitgestellt werden muss. Dies kann insbesondere elektrische Leistung aus einem Bordnetz sein.
  • Bei einer kathodenseitigen Inertgaserzeugung mittels einer Brennstoffzelle verbleibt je nach Betriebspunkt der Brennstoffzelle stets Restsauerstoff in der Brennstoffzellenabluft, dessen Anteil am Volumenstrom variieren kann. Zudem erfolgt die Erzeugung von Wasser in einer Brennstoffzelle ebenfalls auf der Kathodenseite, so dass vor Verwendung von sauerstoffabgereicherter Abluft deren Trocknung erfolgen muss, um übermäßigen Wassereintrag in einen Kraftstofftank oder einen anderen zu inertisierenden Raum zu vermeiden.
  • Als Aufgabe der Erfindung kann daher angesehen werden, eine Vorrichtung zum Herstellen eines Inertgases vorzuschlagen, die einen möglichst geringen Leistungsbedarf aufweist und weiterhin die Bereitstellung möglichst trockenen Inertgases ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Herstellen eines Inertgases mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung zum Herstellen eines Inertgases einen Brennstofftank für einen Brennstoff, mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Kathode, einer Anode, einen Reaktor zum Reformieren von Brennstoff aus dem Brennstofftank zu einem Wasserstoff enthaltenden Brenngas und einen Inertgasausgang auf, wobei der Reaktor einen Brenngasausgang aufweist, der mit einem an der Anode der Brennstoffzelle angeordneten Brenngaseingang verbunden ist und wobei der Inertgasausgang stromabwärts des Reaktors angeordnet ist und eine Fluidsenke für nicht wasserstoffhaltige Reaktionsprodukte des Reaktors ist.
  • Der Brennstofftank ist vorgesehen, um einen kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff aufzunehmen und, unter anderem oder ausschließlich, zum Betrieb der Brennstoffzelle einzusetzen. Bei dem Brennstoff kann es sich um Kerosin, Methanol, Ethanol, Bio-Kraftstoff oder ähnliches handeln. Der Brennstofftank kann dementsprechend ein separater Brennstofftank oder ein Treibstofftank des Verkehrsmittels sein.
  • Brennstoffzellen umfassen üblicherweise einen Kathodenbereich sowie einen durch einen Elektrolyt von dem Kathodenbereich getrennten Anodenbereich. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die mindestens eine Brennstoffzelle eine Protonen-Austausch-Membran (auch als „Proton Exchange Membrane” oder „Polymer Electrolyte Membrane”, PEM bekannt) auf. Beim Betrieb einer derartigen PEM-Brennstoffzelle wird der Anode der Brennstoffzelle ein Reduktionsmittel, üblicherweise Wasserstoff, und der Kathode der Brennstoffzelle ein Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, zugeführt. An der Anode wird der Wasserstoff katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Wasserstoffionen oxidiert. Diese gelangen durch den Elektrolyten in den Kathodenbereich, wo sie mit dem der Kathode zugeführten Sauerstoff sowie den über einen äußeren Stromkreis zur Kathode geleiteten Elektronen zu Wasser reagieren. PEM-Brennstoffzellen weisen Betriebstemperaturen von bis zu 100°C auf.
  • Alternativ könnte eine Festoxidbrennstoffzelle („Solid Oxide Fuel Cell”, SOFC) verwendet werden, bei der ein Elektrolyt aus einem festen keramischen Werkstoff besteht, der in der Lage ist, negativ geladene Sauerstoffionen von der Kathode zu der Anode zu leiten, für Elektronen jedoch isolierend wirkt. Die elektrochemische Oxidation der Sauerstoffionen mit Wasserstoff oder Kohlenmonoxid findet daher an der Anodenseite statt. Die Betriebstemperatur von Festoxidbrennstoffzellen liegt in einem Bereich von 500–1000°C.
  • Um Druckverluste innerhalb der Brennstoffzelle zu minimieren, eine gleichmäßige Gasverteilung an den Elektroden der Brennstoffzelle zu gewährleisten und um den Volumenstrom durch die Brennstoffzelle möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, der Kathode verdichtete Luft, d. h. Luft mit einem über dem Umgebungsdruck liegenden Druck zuzuführen. Ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in ein Verkehrsflugzeug integriert und dort in einem nicht druckbeaufschlagten Bereich des Rumpfs angeordnet, könnte die Luftzufuhr durch Luft aus einem Klimatisierungssystem realisiert sein. Ein Brennstoffzellensystem, das Luft, die im Flugbetrieb eines Verkehrsflugzeugs mit Hilfe einer Klimaanlage auf einen gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Kabinendruck gebracht wird, einsetzt, ist beispielsweise in DE 10 2008 006 742 beschrieben.
  • Um einen auf Kohlenwasserstoffen basierenden Brennstoff für eine Brennstoffzelle einsetzen zu können, muss aus diesem durch einen katalytischen Reformierungsprozess ein wasserstoffhaltiges Brenngas erzeugt werden. Der in Flugzeugen verwendete Brennstoff ist Kerosin. Kerosine sind Luftfahrtbetriebsstoffe unterschiedlicher Spezifikationen, die vorwiegend als Flugturbinenkraftstoffe verwendet werden und den obersten Kolonnenböden des Mitteldestillats der Erdölrektifikation entnommen werden. Die Hauptbestandteile des Kerosins sind Alkane, Cycloalkane und aromatische Kohlenwasserstoffe mit etwa 8 bis 13 Kohlenstoffatomen pro Molekül. In der zivilen Luftfahrt wird fast ausschließlich ein Kerosin mit der Spezifikation Jet A-1 als Flugturbinenkraftstoff verwendet. Obwohl Kerosin ein enger Fraktionierschnitt aus dem leichten Mitteldestillat der Erdölraffination ist, handelt es sich hierbei immer noch um ein Gemisch von zahlreichen Kohlenwasserstoffen, wobei die Anzahl der im Gemisch enthaltenden Verbindungen durch die Zugabe von funktionalen Additiven zur Erreichung der jeweiligen Spezifikation noch erhöht wird. Der Reaktor setzt mit Hilfe eines autothermen Reformingprozesses, einer partiellen Oxidation, eines Dampfreforming-Prozesses oder eines Plasmareforming-Prozesses den Brennstoff zu einem wasserstoffhaltigen Brenngas um, das hauptsächlich aus Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserstoff besteht. Dieses wird an einem Brenngasausgang bereitgestellt, um der Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführt zu werden.
  • Der in dem Brenngas enthaltene Wasserstoff wird in der Brennstoffzelle umgesetzt, so dass elektrischer Strom, Wasser und Abwärme entstehen. An der Anode verbleibt bei diesem Vorgang ein Restgas, welches hauptsächlich aus Kohlendioxid und Stickstoff besteht. Diese beiden nicht wasserstoffhaltigen Restgase sind sehr reaktionsträge, beteiligen sich demgemäß nur an wenigen chemischen Reaktionen und können als Inertgase zur Inertisierung dem Inertgasanschluss zugeführt werden. Diese Vorgehensweise bei der Erzeugung eines Inertgases weicht deutlich von den üblichen auf Brennstoffzellen basierenden Verfahren ab. Statt, wie üblich, sauerstoffabgereicherte Luft an der Kathode abzunehmen und zu entfeuchten wird erfindungsgemäß an der Anode das wasserstoffabgereicherte Brenngas, welches nahezu vollständig trocken ist, einer weiteren Verwendung zugeführt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Inertgasausgang mit dem Abgasausgang der Brennstoffzelle verbunden. Bei einer idealen Durchführung des Brennstoffzellenprozesses wird der in dem Brenngas enthaltene Wasserstoff vollständig verbraucht und enthält nahezu ausschließlich Stickstoff und Kohlendioxid, wobei das Kohlendioxid aus dem Reformingprozess des Reaktors stammt. Der Inertgasausgang ist stromabwärts der Anode der Brennstoffzelle angeordnet und dient dort demnach als Senke für sämtliche Restgase, die den Brennstoffzellenprozess bereits durchlaufen haben. An dem Inertgasausgang kann dabei sowohl der vollständige Abgasstrom als auch nur ein Teilvolumenstrom bereitgestellt werden.
  • In einer ebenso vorteilhaften Ausführungsform ist eine zwischen dem Brenngasausgang des Reaktors und dem Brenngaseingang der Brennstoffzelle eine erste Gasseparationseinheit angeordnet, die dazu eingerichtet ist, eine Trennung des Wasserstoffs von einem Restgas mit Kohlendioxid und Stickstoff durchzuführen. Der Inertgasausgang ist dabei mit einem Restgasausgang der ersten Gasseparationseinheit verbunden. Damit kann an dem Inertgasausgang ein nahezu reines Inertgas bereitgestellt werden, das zuverlässig keinen Wasserstoff aufweist, auch wenn der Brennstoffzellenprozess nicht ideal verläuft.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen dem Abgasausgang der Brennstoffzelle und dem Inertgasausgang eine Nachbehandlungsanordnung zum Aufbereiten des Brennstoffzellenabgases angeordnet. Je nach Anforderung kann die Nachbehandlungsanordnung verschiedene Aufgaben erfüllen, durch die sich die gewonnenen Inertgase schließlich zur Inertisierung in einem Brennstofftank eignen.
  • In einer ebenso vorteilhaften Ausführungsform enthält die Nachbehandlungsanordnung eine zweite Gasseparationseinheit, die dazu eingerichtet ist, verbleibenden Restwasserstoff aus dem Brennstoffzellenabgas herauszutrennen und abzuführen. Dadurch kann verhindert werden, dass brennbarer Wasserstoff bei der Inertisierung in einen Tank gerät, auch wenn in dem Brennstoffzellenprozess nicht sämtlicher Wasserstoff umgesetzt werden kann.
  • In einer ebenso vorteilhaften Ausführungsform enthält die Nachbehandlungsanordnung eine Nachverbrennungseinheit, die dazu eingerichtet ist, unter Luftzufuhr Restwasserstoff aus dem Brennstoffzellenabgas zu verbrennen. Die Nachverbrennungseinheit weist hierzu etwa einen Abgaseingang, einen Lufteingang und einen Inertgasausgang auf. Damit kann unter Zufuhr von Luft in einem möglichst optimalen stöchiometrischen Verhältnis, d. h. Massenverhältnis zwischen Luft und Sauerstoff, relativ einfach eine Verbrennung des verbleibenden Wasserstoffs erreicht werden.
  • In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform enthält die Nachbehandlungsanordnung einen Wasserabscheider. Dieser kann erforderlich sein, wenn in dem Reaktor unter Durchführung einer Dampfreformierung Wasserdampf in das Brenngas gerät. Ist die Brennstoffzelle als eine Festoxidbrennstoffzelle ausgeführt, wird indes an der Anode Wasser erzeugt, welches mittels des Wasserabscheiders abgeführt wird.
  • In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform enthält die Nachbehandlungsanordnung einen Wärmeübertrager zum Abgeben von Wärme des Inertgases. Dieser ist etwa dazu eingerichtet, durch Wärme an Umgebungsluft, Stauluft oder Brennstoff in einem ausreichend großen Brennstofftank, etwa einem in einen Flugzeugflügel integrierten Tank, abzugeben oder den für den Reformierungsprozess verwendeten Brennstoff vorwärmen, um so den Abgasstrom aus der Brennstoffzelle zu kühlen. Damit wird eine Gefährdung des zu inertisierenden Raums durch eine unzulässige Temperatur ausgeschlossen.
  • In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform weist der Reaktor eine Reinigungseinheit auf, die den in den Reaktor strömenden Brennstoff reinigt. Im einfachsten Fall könnte es sich um einen Filter handeln, das grobe bis feine Schwebstoffe oder andere Verunreinigungen aus dem Brennstoff herausfiltert. Um insbesondere die Membran-Elektroden-Einheiten der Brennstoffzelle vor Verunreinigungen bzw. Vergiftungen zu schützen, kann die Reinigungseinheit auch eine Entschwefelungseinheit aufweisen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Reaktor eine Gasreinigungseinheit, die beispielsweise auf einem Wassergas-Shiftreaktor basiert, der unter Zugabe von Wasserdampf Kohlenmonoxyd zu CO2 und H2 umsetzt. Alternativ dazu kann eine selektive Oxidation durchgeführt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens ein Verdichter vorgesehen, der zwischen einem Brenngasausgang des Reaktors und dem Abgasausgang der Brennstoffzelle angeordnet ist. Damit kann der für eine auf Separationsmembranen basierende Gasseparation erforderliche Druck generiert werden. Da die Brennstoffzelle bei der Herstellung von Inertgas auch Elektrizität erzeugt, kann der mindestens eine Verdichter direkt von der Brennstoffzelle betrieben werden. Damit kann die Vorrichtung autark Inertgas zur Verfügung stellen.
  • Die Position des mindestens einen Verdichters kann sowohl zwischen dem Brenngasausgang und einer der Brennstoffzelle vorgeschalteten ersten Gasseparationseinheit angeordnet sein als auch zwischen einem Abgasauslass der Brennstoffzelle und einer zweiten Gas separationseinheit zum Behandeln der Brennstoffzellenabluft.
  • Zur Durchführung des Brennstoffzellenprozesses ist ein kontinuierlich ausreichender Stromfluss notwendig. Um diesen zu gewährleisten weist die Vorrichtung bevorzugt einen Spannungsanschluss auf, der mit einem Bordnetz des Verkehrsmittels verbindbar ist. Zur Anpassung der Gleichspannung an eine übliche Spannung des Verkehrsmittels kann eine Umwandlungseinheit vorhanden sein, die beispielsweise einen Wechselrichter und einen Transformator oder eine ähnliche Leistungsschaltung aufweist. Das Anlegen einer Spannung und die damit einhergehende Abgabe elektrischer Leistung an das Bordnetz können andere Stromquellen des Verkehrsmittels entlasten. Ein zusätzliches Gewicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann durch eine entsprechende Dimensionierung der entlasteten Stromquellen, etwa Generatoren in Triebwerken, zumindest teilweise wieder kompensiert werden.
  • Alternativ oder zusätzlich hierzu ist es möglich, Blindverbraucher mit dem Spannungsausgang der Brennstoffzelle zu verbinden, die einen kontinuierlichen Stromfluss gewährleisten. Ist die Vorrichtung in einem Flugzeug angeordnet, könnte ein Blindverbraucher auch durch eine Vereisungsschutzvorrichtung an zu vereisungsanfälligen umströmten Flächen ersetzt werden.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bereitstellen von Inertgas, das im Wesentlichen die Schritte des Reformierens von Brennstoff zum Erhalten eines wasserstoffhaltigen Brenngases, des Zuführens des wasserstoffhaltigen Brenngases an eine Anode einer Brennstoffzelle und des Abführens von einem nicht-wasserstoffhaltigen Restgas nach dem Reformierungsprozess aufweist. Weiterhin kann das Verfahren, wie vorangehend ausgeführt, auch das Reinigen des Brennstoffs, das Reinigen des wasserstoffhaltigen Brenngases, das Trennen des wasserstoffhaltigen Brenngases zum Erhalten von Wasserstoff und einem Restgas und das Trennen von Brennstoffzellenabgasen zum Erhalten von Wasserstoff und Restgas umfassen.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Flugzeug, das mit einer vorangehend dargestellten Vorrichtung ausgestattet ist und eine Tankinertisierung mit Hilfe von Inertgas aus dem Inertgasausgang durchführt.
  • Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung von Anodenabgas einer Brennstoffzelle zum Inertisieren eines Raums.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Herstellen von Inertgas.
  • 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Erzeugen von Inertgas.
  • 3a bis 3e zeigen mögliche Komponenten einer Nachbehandlungseinrichtung.
  • 4 zeigt ein Flugzeug mit einer Vorrichtung zum Erzeugen von Inertgas.
  • DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER
  • AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Herstellen eines Inertgases, die im Wesentlichen aus einem Brennstofftank 2, einem Reaktor 4 und einer Brennstoffzelle 14 besteht.
  • Der Reaktor 4 ist dazu eingerichtet, aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff aus dem Brennstofftank 2 ein wasserstoffhaltiges Brenngas zu erzeugen. Hierfür weist der Reaktor 4 eine Reformierungseinheit 8 auf, die als autothermer Reformer, Dampfreformer, Plasmareformer oder Reformer für eine partielle Oxidation ausgeführt ist. Der Brennstofftank 2 kann ein eigenständiger Brennstofftank zur ausschließlichen Verwendung für die Brennstoffzelle 14 sein oder mit einem Brennstofftank eines Verkehrsmittels identisch sein, wenn die Vorrichtung 1 in ein Verkehrsmittel integriert ist. Beispielhaft kann dies ein Flugzeug sein, in dem ein oder mehrere Kraftstofftanks angeordnet sind und während des Flugs mit Inertgas aus der Vorrichtung 1 inertisiert werden sollen.
  • Es ist vorteilhaft, Brennstoff vor dem Eintritt in den Reaktor 4 mit Hilfe einer Reinigungseinheit 6 zu reinigen, was sowohl das Entfernen von Verschmutzungen über einen Filter als auch das Entschwefeln beinhalten kann. Zur Entschwefelung von Kerosin ist eine Hydrierung mit Hilfe von Wasserstoff üblich.
  • Anschließend kann über eine Gasreinigungseinheit 10 eine Reinigung des wasserstoffhaltigen Brenngases durchgeführt werden, wobei insbesondere Kohlenmonoxyd zu CO2 und H2 umgesetzt werden.
  • Das derart aufbereitete Brenngas wird der Brennstoffzelle 14 anodenseitig zugeführt, so dass für den Brennstoffzellenprozess ausreichend Wasserstoff an der Anode 18 anliegt. Indes wird der Kathode 16 ein stetiger Strom an Sauerstoff bzw. Luft zugeführt. Dies ist sowohl für PEM-Brennstoffzellen als auch für Festoxid-Brennstoffzellen der Fall. Der Sauerstoff an der Kathode 16 wird verbraucht. Bei einer Luftzufuhr wird die Luft sauerstoffabgereichert und tritt aus der Kathode wieder aus.
  • Das aus der Anode 18 ausströmende Restbrenngas bzw. Abgas kann durch eine Nachbehandlungseinheit 20 von jeglichem verbliebenen Wasserstoff befreit werden, in dem der Wasserstoff entweder über eine Gastrennungseinrichtung oder über eine Nachverbrennung entfernt wird. Das entstandene Inertgas kann mm dem zu inertisierenden Raum 22 zugeführt werden.
  • 2 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung 1. Eine Vorrichtung 23 weist eine erste Gas separationseinheit 12 auf, die der Brennstoffzelle 14 vorgeschaltet ist. Diese ist dazu eingerichtet, das wasserstoffhaltige Brenngas in Wasserstoff und ein Restgas aufzutrennen. Das Restgas kann von der ersten Gas separationseinheit 12 über eine Gasleitung 24 direkt zu einem zu inertisierenden Tank 22 geleitet werden. Demzufolge wird gänzlich verhindert, dass nach Durchlaufen des Brennstoffzellenprozesses ein Restwasserstoff in den Tank 22 geraten oder entfernt werden muss.
  • 3a und 3b zeigen die Integration von Verdichtern 32 und 34, die nach einem Brenngasausgang 5 eines Reaktors 4 oder nach einem Abgasausgang 19 einer Brennstoffzelle 14 angeordnet werden können, um ein ausreichendes Druckniveau zum Durchführen des Brennstoffzellenprozesses, oder einer Nachbehandlung der gewonnenen Gase herstellen zu können. Es können die Verdichter 32 und 34 auch gemeinsam eingesetzt werden.
  • Zum Entfernen etwaigen Restwasserstoffgehalts aus dem Abgasausgang 19 der Brennstoffzelle 14 kann eine Nachverbrennungseinheit 36 verwendet werden, die in einem möglichst optimalen stöchiometrischen Verhältnis den gesamten Restwasserstoff verbrennt und keinen überschüssigen Sauerstoff in das Abgas einbringt. Dies ist schematisch in 3c gezeigt.
  • Eventuell dennoch entstandenes Wasser, etwa aus der vorangehend genannten Nachverbrennung oder an einer Anode einer Festoxidbrennstoffzelle entstandenes Wasser kann durch einen Wasserabscheider 38 abgeführt werden. Dies ist schematisch in 3d gezeigt.
  • Zusätzlich kann, wie 3e zeigt, zur Abkühlung des gewonnenen Inertgases eine Kühlung über einen Wärmeübertrager 40 erfolgen, der die Wärme an ein Kühlmedium abgibt. Das Kühlmedium kann etwa Brennstoff sein, das dem Reaktor zugeführt wird und so eine Vorwärmung erfährt. Alternativ kann die Wärme auch in einen größeren Brennstofftank eingeleitet werden, etwa ein Treibstofftank, wenn die Vorrichtung in einem Flugzeug oder einem anderen großen Verkehrsmittel eingesetzt wird.
  • Es versteht sich, dass die in 3a bis 3e gezeigten Komponenten auch in unterschiedlichen Kombinationen oder gemeinsam in dem erfindungsgemäßen System Verwendung linden können.
  • 4 zeigt schließlich die Anwendung in einem Flugzeug 26, welches mehrere zu inertisierende Tanks 28 aufweist, an die eine Vorrichtung 1 bzw. 23 Inertgas leiten kann. Der Brennstofflieferant für die Brennstoffzelle kann entweder einer der Tanks 28 sein, alternativ auch ein separater Brennstofftank 2, wie gestrichelt gezeigt. Die in der Vorrichtung 1 entstehende Abluft kann über eine Abluftabfuhröffnung 30 aus dem Flugzeug 26 abgeführt werden, wobei die Abluftabfuhröffnung besonders vorteilhaft an einer Unterseite des Rumpfs anzuordnen ist und besonders bevorzugt über ein Rückschlagventil verfügt.
  • Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und „ein” oder „eine” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • FAR-Richtlinie 14 CFR 25.981 [0002]
    • (Notice of proposed rulemaking, NPRM) des amerikanischen Luftfahrtbundesamts (FAA) FAA-2005-22997 „Reduction of Fuel Tank Flammability in Transport Category Airplanes” [0002]

Claims (18)

  1. Vorrichtung (1, 23) zum Herstellen eines Inertgases, aufweisend – einen Brennstofftank (2) für einen Brennstoff, – mindestens eine Brennstoffzelle (14) mit einer Kathode (16), einer Anode (18), – einen Reaktor (4) zum Reformieren von Brennstoff aus dem Brennstofftank (2) zu einem Wasserstoff enthaltenden Brenngas und – einen Inertgasausgang (21), wobei der Reaktor (4) einen Brenngasausgang (5) aufweist, der mit einem an der Anode (18) der Brennstoffzelle (14) angeordneten Brenngaseingang (13) verbunden ist und wobei der Inertgasausgang (21) stromabwärts des Reaktors (4) angeordnet ist und eine Fluidsenke für nicht wasserstoffhaltige Reaktionsprodukte des Reaktors (4) ist.
  2. Vorrichtung (1, 23) nach Anspruch 1, wobei der Inertgasausgang (21) mit einem anodenseitigen Abgasausgang (19) der Brennstoffzelle (14) verbunden ist.
  3. Vorrichtung (1, 23) nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen dem Brenngasausgang (5) des Reaktors (4) und dem Brenngaseingang (13) der Brennstoffzelle (14) eine erste Gasseparationseinheit (12) angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, eine Trennung des Wasserstoffs von einem Restgas mit Kohlendioxid und Stickstoff durchzuführen.
  4. Vorrichtung (1, 23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Abgasausgang (19) der Brennstoffzelle (14) und dem Inertgasausgang (21) eine Nachbehandlungsanordnung (20) zum Aufbereiten des Brennstoffzellenabgases angeordnet ist.
  5. Vorrichtung (1, 23) nach Anspruch 4, wobei die Nachbehandlungsanordnung (20) eine zweite Gasseparationseinheit enthält, die dazu eingerichtet ist, verbleibenden Restwasserstoff aus dem Brennstoffzellenabgas herauszutrennen und abzuführen.
  6. Vorrichtung (1, 23) nach Anspruch 4, wobei die Nachbehandlungsanordnung (20) eine Nachverbrennungseinheit enthält, die dazu eingerichtet ist, unter Luftzufuhr Restwasserstoff aus dem Brennstoffzellenabgas zu verbrennen.
  7. Vorrichtung (1, 23) nach Anspruch 4, wobei die Nachbehandlungsanordnung (20) einen Wasserabscheider enthält.
  8. Vorrichtung (1, 23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nachbehandlungsanordnung (20) einen Wärmeübertrager zum Abgeben von Wärme des Inertgases enthält.
  9. Vorrichtung (1, 23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reaktor (4) eine Reinigungseinheit (6) aufweist, die den in den Reaktor (4) strömenden Brennstoff reinigt.
  10. Vorrichtung (1, 23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reaktor (4) eine Gasreinigungseinheit (10) aufweist.
  11. Vorrichtung (1, 23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend mindestens einen Verdichter, der zwischen einem Brenngasausgang (5) des Reaktors (4) und dem Abgasausgang (19) der Brennstoffzelle angeordnet ist.
  12. Vorrichtung (1, 23) nach Anspruch 11, wobei ein Verdichter zwischen dem Brenngasausgang (5) (und einer der Brennstoffzelle (14) vorgeschalteten ersten Gasseparationseinheit (12) angeordnet ist.
  13. Vorrichtung (1, 23) nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein Verdichter zwischen einem Abgasausgang (19) der Brennstoffzelle (14) und einer Nachbehandlungseinrichtung (20) angeordnet ist.
  14. Verfahren zum Bereitstellen von Inertgas, aufweisend die Schritte: – Reformieren von Brennstoff zum Erhalten eines wasserstoffhaltigen Brenngases, – Zuführens des wasserstoffhaltigen Brenngases an eine Anode einer Brennstoffzelle und – Abführens von einem nicht-wasserstoffhaltigen Restgas nach dem Reformierungsprozess.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, ferner aufweisend den Schritt – Trennen des wasserstoffhaltigen Brenngases zum Erhalten von Wasserstoff und einem Restgas.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, ferner aufweisend den Schritt – Trennen von Brennstoffzellenabgasen zum Erhalten von Wasserstoff und Restgas.
  17. Flugzeug mit mindestens einem Brennstofftank (22) und mindestens einer Vorrichtung (1, 23) zum Herstellen von Inertgas nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Inertgasausgang (21) mit einem Inertgaseingang des mindestens einen Brennstofftanks (22) verbunden ist.
  18. Verwendung von Anodenabgas einer Brennstoffzelle (14) mit einem vorgeschalteten Reaktor (4) zum Reformieren von Brennstoff zu einem Wasserstoff enthaltenden Brenngas zum Inertisieren eines Raums.
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