DE102012222020B4

DE102012222020B4 - System zum Versorgen eines Flugzeugs mit Inertgas, Verfahren zum Versorgen eines Flugzeugs mit Inertgas, Verwendung einer Membran und Flugzeug

Info

Publication number: DE102012222020B4
Application number: DE102012222020.8A
Authority: DE
Inventors: Ralf Henning Stolte; Gwenaelle Renouard-Vallet; Johannes Lauckner
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2022-03-31
Anticipated expiration: 2032-12-01
Also published as: US9174740B2; DE102012222020A1; US20140150649A1

Abstract

System zum Versorgen eines Flugzeugs mit Inertgas, aufweisend:- mindestens eine Brennstoffzelle (4) mit einem Lufteinlass (8) und einem Abluftauslass (10) sowie- eine Membraneinrichtung (6, 24, 30, 40, 48, 52) mit einem Einlass (14, 25, 31, 41, 49), einem Auslass (16, 27, 33, 43, 51) und einer dampfdurchlässigen Membran (26, 32, 46, 64),wobei der Abluftauslass (10) mit dem Einlass der Membraneinrichtung (6, 24, 30, 40, 48, 52) in einer Fluidverbindung steht undwobei die Membraneinrichtung (6, 24, 30, 40, 48, 52) dazu eingerichtet ist, ein Gas von dem Einlass (14, 25, 31, 41, 49) zu dem Auslass (16, 27, 33, 43, 51) zu leiten und darin enthaltenen Wasserdampf durch die Membran (26, 32, 46, 64) nach außen abzugeben,wobei die Membraneinrichtung (6, 24, 30, 40, 48, 52) als eine Abluftleitung (24, 30, 40, 48) ausgeführt ist,wobei die Membran (26, 32, 46, 64) an der Außenfläche der Abluftleitung (24, 30, 40, 48) angeordnet ist und mit einem Strömungsquerschnitt der Abluftleitung (24, 30, 40, 48) in einer Fluidverbindung steht undwobei die Abluftleitung (24, 30, 40, 48) eine schlauchartige Trägerstruktur (42, 44, 50) aufweist, die zumindest partiell Öffnungen aufweist, welche mit der Membran (26, 32, 46, 64) abgedeckt sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein System zum Versorgen eines Flugzeugs mit Inertgas, ein Verfahren zum Versorgen eines Flugzeugs mit Inertgas, die Verwendung einer Membran zum Entfeuchten von Abluft aus einer Brennstoffzelle sowie ein Flugzeug.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Integration von Brennstoffzellen in einem Flugzeug trägt zur Geräuschreduktion und zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads des Flugzeuges bei, da neben der effizienten Bereitstellung von elektrischer Leistung sämtliche Produkte aus dem Betrieb von Brennstoffzellen innerhalb des Flugzeugs eine Verwendung finden können. Als Nebenprodukte fallen etwa Wasser, sauerstoffreduzierte Abluft und Wärme an. Während Wasser für Anwendungen in Nasszellen oder zur Befeuchtung von Luft prädestiniert ist, kann sauerstoffreduzierte Abluft unter anderem zur Inertisierung von Kraftstofftanks eingesetzt werden.
Es ist bekannt, diese sauerstoffreduzierte Abluft zu trocknen, um einen Eintrag von Wasser in Treibstofftanks zu verhindern. Damit wird die Gefahr der Bildung von Mikroorganismen in einem üblicherweise hygroskopischen Flugzeug-Kraftstoff deutlich reduziert. Für die Trocknung werden im Stand der Technik üblicherweise Einrichtungen eingesetzt, die durch Kühlung der zu trocknenden Luft das Kondensieren oder Gefrieren der in der Luft enthaltenen Feuchtigkeit erzwingen.
Hierfür zeigen beispielsweise DE 10 2009 051 212A1 und WO 2011 051 210 A1 eine Vorrichtung, die einen mit einer Wärmesenke verbundenen Kühlkörper mit einer ersten Fläche und eine Ablöseeinrichtung aufweist, wobei in einer zu trocknenden Luft gelöster Wasserdampf beim Entlangstreichen an der ersten Fläche gefriert und durch die Ablöseeinrichtung abgelöst wird.
DE 10 2005 053 692 B3 offenbart ein Brandschutzsystem zur Verminderung einer Brandgefahr im Flugzeug, welches eine Brennstoffzelle zur Erzeugung einer stickstoffangereicherten Kathodenabluft aufweist. Der Brennstoffzelle wird Luft und ein Brennstoff zugeführt. Innerhalb der Brennstoffzelle wird diese Luft dann um einen bestimmten Sauerstoffanteil vermindert. Die Abluft wird dem zu schützenden Raum zugeführt.
DE 10 2009 040 013 A1 offenbart ein System zum Trocknen von Abgasen eines Brennstoffzellensystems, welches zwei alternierend von Abgas beaufschlagte Wärmetauscher aufweist, die durch ein Kühlmittel Wasserdampf aus dem Abgas vereisen und akkumulieren. Eine Ventilanordnung mit mehreren Ventilen ist dazu eingerichtet, einen der beiden Wärmetauscher in einer Vereisungsphase zu betreiben und den jeweils anderen Wärmetauscher in einer Regenerationsphase zu betreiben, in der das akkumulierte Eis schmilz und abgeführt wird.
US 2004 / 0 115 489 A1 zeigt ein Verfahren zum Transport von Wasser in einem Brennstoffzellensystem von einem ersten überwiegend gasförmigen Strom mit einem höheren Partialdruck von Wasser zu einem zweiten überwiegend gasförmigen Strom mit einem niedrigeren Partialdruck von Wasser durch Massen- und Wärmeübertragung durch eine Vielzahl von Membranen in einem Membranmodul, wobei der erste und der zweite gasförmige Strom durch eine erste bzw. eine zweite Zone strömen, die durch die Membranen in dem Modul getrennt sind.
US 2007 / 0 287 036 A1 zeigt einen Gasabscheider, umfassend ein Faltelement mit einer Faltenform und einem Verstärkungsrahmen, wobei die Faltenform durch Falten einer Verbundmembran gebildet ist, die aus einer Gastrennmembran und mindestens einer Schicht aus atmungsaktivem Verstärkungsmaterial gebildet ist, wobei der Verstärkungsrahmen am Außenumfang der Faltenform angeordnet ist; und eine obere Fläche und eine untere Fläche des Faltelements mit einer Platte bedeckt ist, die mindestens einen Satz aus einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung aufweist.
DE 10 2005 054 885 A1 offenbart ein Sicherheitssystem zur Verminderung der Explosionsgefahr eines Treibstofftanks. Das System umfasst eine Schutzgaserzeugungseinrichtung und eine Zufuhreinrichtung zum Zuführen des von der Schutzgaserzeugungseinrichtung erzeugten Schutzgases in den Treibstofftank. Die Schutzgaserzeugungseinrichtung umfasst ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und ist dazu eingerichtet, der Zufuhreinrichtung ein im Betrieb des Brennstoffzellensystems von der Brennstoffzelle erzeugtes Schutzgas bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Zur Erhöhung der Gesamteffizienz des Flugzeugs, zur Reduktion des Wartungsaufwandes und zur Vereinfachung der Konstruktion wäre sinnvoll, eine möglichst einfach aufgebaute, wartungsarme und ein Geringes Gewicht aufweisende Einrichtung zum Trocknen sauerstoffabgereicherter Abluft einer Brennstoffzelle zu verwenden.
Es ist daher als eine Aufgabe der Erfindung anzusehen, ein System zum Versorgen eines Flugzeugs mit Inertgas vorzuschlagen, bei dem eine möglichst effiziente und zuverlässige Trocknung einer sauerstoffabgereicherten Abluft einer Brennstoffzelle ermöglicht wird. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Versorgen des Flugzeugs mit Inertgas vorzuschlagen, bei dem sauerstoffabgereicherte Abluft einer Brennstoffzelle auf möglichst passivem Wege getrocknet wird.
Die Aufgabe bezüglich des Systems wird gelöst durch ein System 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 ein System zum Versorgen eines Flugzeugs mit Inertgas mindestens eine Brennstoffzelle mit einem Lufteinlass und einem Abluftauslass sowie eine Membraneinrichtung mit einem Einlass, einem Auslass und einer Membranfläche auf, wobei der Abluftauslass mit dem Einlass der Membraneinrichtung in einer Fluidverbindung steht und wobei die Membraneinrichtung dazu eingerichtet ist, ein Gas von dem Einlass zu dem Auslass zu leiten und darin enthaltenen Wasserdampf durch die Membran nach außen abzugeben.
Das erfindungsgemäße System basiert auf der Integration einer Brennstoffzelle, welche dazu eingerichtet ist, unter Zufuhr eines Brennstoffs und eines Oxidanten Elektrizität zu erzeugen, wobei als Nebenprodukt Wasser anfällt. Bei der Verwendung von Luft als Oxidant, die etwa aus Abluft einer Kabine oder aus gekühlter Zapfluft aus Flugzeugtriebwerken gewonnen wird, wird beim Brennstoffzellenprozess lediglich der Sauerstoffanteil der Luft reduziert, wonach die sauerstoffreduzierte Luft wieder aus der Brennstoffzelle austritt. Die Reduktion des Sauerstoffanteils ist bei geeigneter Auslegung der Luftzufuhr signifikant, so dass die hieraus gewonnene sauerstoffabgereicherte Abluft derart reaktionsträge ist, dass sie als Inertgas zum Inertisieren von nicht mit Kraftstoff gefüllten Bereichen von Kraftstofftanks verwendbar ist. Wie vorangehend erwähnt, ist der Wassereintrag in Kraftstofftanks zu vermeiden, da ansonsten das Wachstum von Mikroorganismen im Kraftstoff bzw. im Kraftstofftank begünstigt wird. Während des Brennstoffzellenprozesses entsteht aufgrund der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff eine nicht unerhebliche Menge an Wasser, die mit der Abluft aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird. Eine Trocknung dieser sauerstoffabgereicherten Abluft ist damit sinnvoll. Das erfindungsgemäße System kann aufgrund der erzeugten Elektrizität daher auch ein System zum Versorgen eines Flugzeugs mit elektrischer Leistung und Inertgas sein.
Erfindungsgemäß wird zur Trocknung eine Membraneinrichtung eingesetzt, die als eine solche Einrichtung zu verstehen ist, die eine Gasströmung von ihrem Einlass zu ihrem Auslass ermöglicht, wobei der Strömungsweg zwischen dem Einlass und dem Auslass durch eine Membran nach außen begrenzt wird, so dass das strömende Gas mit einer aktiven Membranfläche in Berührung gerät. Die Membran weist bevorzugt eine porenlose Struktur aus hydrophoben Molekülen auf, die zumindest bereichsweise mit hydrophilen Molekülen versetzt ist. Bedingt durch die porenlose Struktur kann das vom Einlass zum Auslass strömende Gas selbst nicht durch die Membranfläche nach außen geraten. Durch die zumindest hydrophilen Molekülbausteine werden jedoch Wasserdampfmoleküle aufgenommen und durch die Membranfläche nach außen transportiert, wo sie etwa durch Anströmung mit Außenluft weggetragen werden. Die treibende Kraft für den Wasserdampftransport ist die Differenz in der Temperatur und Wasserdampfkonzentration zwischen der Innenseite des Strömungsweges und der Außenseite der Membran. Je größer die jeweilige Differenz ist, desto effizienter funktioniert der Wasserdampftransport. Die Membrane weisen weiterhin ein dynamisches Arbeitsprinzip auf, was bedeutet, dass je mehr Wasserdampfmoleküle auf einen Transport durch die Membrane nach außen bereitstehen, desto schneller und effektiver diese auch transportiert werden. Bevorzugt kann die Membran aus einem Polyetherester hergestellt werden.
Die Membraneinrichtung ist als eine Abluftleitung ausgeführt, wobei die Membran an der Außenfläche der Abluftleitung angeordnet ist und mit dem Strömungsquerschnitt der Abluftleitung in einer Fluidverbindung steht. Bereits beim Durchleiten von Abluft wird der Wasserdampf durch die Membran nach außen abgegeben. Die Membran kann dabei die Außenfläche bilden oder in dieser enthalten sein, so dass sie mantelförmig den Strömungsquerschnitt zumindest teilweise umgibt.
Die Abluftleitung kann auf unterschiedliche Arten ausgeführt sein. Das aktive Material einer Membran weist bei herkömmlicher Anwendung beispielsweise in Funktionskleidung üblicherweise eine sehr geringe Dicke auf. Das Gestalten einer eher dünnen, folienartigen Membran zum Ausbilden einer längeren Abluftleitung könnte zu einer versehentlichen Beschädigung beim Verlegen oder während der Benutzung durch Anlegen eines zu hohen Drucks führen. Es könnte sich daher anbieten, zusätzlich eine Trägerstruktur für die Abluftleitung vorzusehen, die zumindest partiell Öffnungen aufweist, welche mit der Membran abgedeckt sind. Dies könnte in Form mehrerer Membrane oder mehrerer zusammenhängender Membranabschnitte einer durchgängigen Membran geschehen. Als Trägerstruktur könnten sich schlauchartige Leitungen anbieten, die eine gewisse Flexibilität besitzen und leicht verlegbar sind. Bei der Anwendung in einem Flugzeug ist insbesondere darauf zu achten, dass das verwendete Material zu erwartende Temperatur- und Druckunterschiede schadlos übersteht. Es bietet sich an, Thermoplaste oder Elastomere einzusetzen, gegebenenfalls sind auch metallische Werkstoffe in Form von Geflechten aus einer Vielzahl von dünnen Drähten denkbar.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Kraftstoffleitung innerhalb der Abluftleitung angeordnet und bildet einen inneren Leitungsquerschnitt. Hiermit kann die eigentlich kraftstoffführende Leitung stetig mit sauerstoffabgereicherter Abluft umspült werden, so dass eventuell auftretende Kraftstoffleckagen durch den Strom an sauerstoffabgereicherter Abluft zu der Kraftstoffquelle zurückgedrängt werden können.
Bevorzugt ist die Membraneinrichtung als eine doppelwandige Kraftstoffleitung ausgeführt, wobei ein innerer Leitungsquerschnitt kraftstoffdicht zum Leiten von Kraftstoff ausgeführt ist und eine zu dem inneren Strömungsquerschnitt beabstandete äußere Umhüllung aufweist, die zumindest teilweise eine mit der Umgebung der äußeren Umhüllung in Fluidverbindung stehende Membran aufweist, wobei ein äußerer Strömungsquerschnitt zwischen der äußeren Umhüllung und dem inneren Strömungsquerschnitt mit dem Abluftauslass der Brennstoffzelle in Fluidverbindung steht. Ohnehin eingeplante und doppelwandig ausgeführte Kraftstoffleitungen können daher durch eine die Membran aufweisende doppelwandige Kraftstoffleitung realisiert werden, so dass ohne zusätzliches Gewicht eine weitere Funktion ausgeführt wird, die zum Entfeuchten von sauerstoffabgereicherter Abluft führt.
Bevorzugt sind die Flussrichtungen von Abluft aus der Brennstoffzelle und von Kraftstoff durch den inneren Leitungsquerschnitt zueinander entgegengesetzt. Die durch den mit dem Abluftauslass verbindbaren Querschnittsbereich strömende Inertgas kann entgegen der Kraftstoffflussrichtung in einen Kraftstofftank geleitet werden, wobei während der gesamten Länge der Kraftstoffleitung eine Umspülung der Kraftstoffleitung erfolgt und durch eine etwaige Leckagestelle austretender Kraftstoff zu dem Kraftstofftank geleitet wird.
Es könnte weiterhin von Vorteil sein, die äußere Umhüllung bzw. die Membran zumindest bereichsweise transparent auszuführen, so dass eventuelle Kraftstoffleckagen durch Sichtprüfung erkennbar sind.
Überdies wäre vorteilhaft, den inneren Strömungsquerschnitt mit einer Isolierschicht zu umgeben, nach der sich hiervon beabstandet die äußere Umhüllung anschließt. Dies hat zur Folge, dass die durch den äußeren Strömungsquerschnitt geleitete sauerstoffabgereicherte feuchte Luft nicht direkt mit teilweise sehr kaltem Kraftstoff über eine relativ dünne Materiallage in Berührung gerät und entsprechend ein Kondensieren oder Gefrieren von in der Abluft angesammeltem Wasserdampf vermieden wird. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die Kraftstoffleitung dazu verwendet wird, Wasserstoff aus einem kryogenen Wasserstofftank beispielsweise an die Brennstoffzelle oder andere Wasserstoff konsumierende Einrichtungen zu leiten. Das durch die Kraftstoffleitung geförderte Wasserstoffgas könnte hierbei eine Temperatur besitzen, die deutlich unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser liegt, was zu einer sofortigen Ansammlung von Eis und der daraus resultierenden Verstopfung des äußeren Strömungsquerschnitts führen würde. Durch die Isolierschicht und den stetigen Zustrom von warmer Abluft aus der Brennstoffzelle kann sich an der äußeren Oberfläche der Isolierschicht ein Temperaturgleichgewicht einstellen, welches oberhalb des Gefrierpunktes von Wasser liegt.
In einer ebenso vorteilhaften Ausführungsform ist die Membraneinrichtung als ein Gas-Gas-Entfeuchter ausgeführt, aufweisend ein von einem Gas durchströmbares Gehäuse mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass, wobei eine Abluftleitung mit einem Ablufteinlass und einem Abluftauslass durch das Gehäuse verläuft, wobei die Abluftleitung zumindest partiell eine Membran aufweist, die mit ihrer Innenseite mit einem Innern der Abluftleitung und mit ihrer Außenseite mit dem Innern des Gehäuses in Fluidverbindung steht. Der Ablufteinlass steht dabei weiterhin in einer Fluidverbindung mit dem Abluftauslass der Brennstoffzelle. Hierbei kann ein Luftstrom, beispielsweise aus einer Klimaanlage eines Flugzeugs durch Leiten über den Gaseinlass durch Aufnahme von Wasserdampf über die Membran befeuchtet werden, während gleichzeitig die sauerstoffabgereicherte Abluft in der Abluftleitung entfeuchtet wird. Die relative Luftfeuchtigkeit des eingeleiteten Gasstroms könnte zur Erreichung eines angenehmeren Luftzustandes in einem belüfteten Raum des Flugzeugs, beispielsweise für eine Cockpitbelüftung, Verwendung finden. Gleichermaßen kann auch die für den Brennstoffzellenprozess notwendige Zuluft für eine Brennstoffzelle befeuchtet werden, um den notwendigen Feuchtehaushalt insbesondere für eine PEM-Brennstoffzelle positiv zu unterstützen.
Die Aufgabe bezüglich des Verfahrens wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des weiteren unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den hiervon abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Kernmerkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Versorgen eines Flugzeugs mit Inertgas liegen in dem Leiten von sauerstoffabgereicherter Abluft aus einer Brennstoffzelle in einen Einlass einer Membraneinrichtung, welche eine Membran aufweist und die Abluft von dem Einlass zu einem Auslass leitet, dem Abführen von durch die Membran austretendem Wasserdampf und dem Leiten von aus dem Auslass der Membraneinrichtung austretender getrockneter Abluft in einen Kraftstofftank zur Inertisierung eines Raums. Der Raum kann dabei ein Kraftstofftank, ein Frachtraum oder ein anderer räumlich begrenzter Bereich innerhalb des Flugzeugs sein. Damit können die vorangehend ausgeführten Vorteile der Erfindung erreicht werden. Durch die erzeugte Elektrizität kann das Verfahren auch ein Verfahren zum Versorgen eines Flugzeugs mit elektrischer Leistung und Inertgas sein.
In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform wird ein Gasstrom außen an der Membran entlanggeleitet, um Wasserdampf aus der Abluft über die Membran aufzunehmen. Durch den stetigen Zustrom eines extern zugeführten Gases kann eine lokal hohe Wasserdampfkonzentration außerhalb der Membran verhindert werden, so dass ein stetiger Strom von Wasserdampf aus der sauerstoffabgereicherten Abluft nicht eingeschränkt wird. Der Gasstrom kann dabei einen in der Umgebung der Membraneinrichtung vorhandenen Gasstrom umfassen, etwa in einem Dreiecksbereich eines Flugzeugs, oder einen gezielt veranlassten Gasstrom umfassen, etwa in Form eines durch ein Gehäuse eines Gas-Gas-Entfeuchters fließenden Luftstrom.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Leiten von einem extern zugeführten Gas das Leiten von konditionierter Luft aus einer Klimaanlage des Flugzeugs und das Leiten von befeuchteter konditionierter Luft an einen Raum innerhalb des Flugzeugs. Damit kann, wie vorangehend ausgeführt, Luft aus einer Klimaanlage gezielt befeuchtet und in einen zu klimatisierenden oder zu belüftenden Raum geleitet werden. Die Luft wird von in dem Raum befindlichen Personen als deutlich angenehmer empfunden, als unbefeuchtete, recht trockene Luft aus einer Klimaanlage.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer Membran zum Abführen von Wasserdampf aus einer sauerstoffabgereicherten Abluft einer Brennstoffzelle.
Die Erfindung betrifft ferner ein Flugzeug mit einem System zum Versorgen des Flugzeugs mit Inertgas wie vorangehend ausgeführt. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Membraneinrichtung als eine Abluftleitung ausgeführt, die in einem bevorzugt besonders gut belüfteten Bereich des Flugzeugs verlegt ist. Dieser könnte etwa knapp unterhalb eines Kabinenfußbodens in einem lateral gerichteten Bereich liegen, der von der Rumpfaußenhaut und einem angrenzenden Frachtraum begrenzt wird. Luft aus einer Kabine wird über freie Strömungsquerschnitte, etwa in Dado-Panels, über Rezirkulationsgebläse in diesen sogenannten Dreiecksbereich gesogen, um von dort teilweise rezirkuliert zu werden. Ist dort eine Abluftleitung im oben genannten Sinne verlegt, welche die Befähigung aufweist, stetig Wasserdampf abzugeben, kann diese Abgabe durch die stetige Umspülung mit Kabinenluft deutlich verbessert werden, andererseits auch eine Befeuchtung der aufgenommenen und zu rezirkulierenden Luft erreicht werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann auch ein Gas-Gas-Entfeuchter verwendet werden, der als kompakte Einheit örtlich beispielsweise kurz vor einem entsprechenden Inertgaseingang an einem Raum, etwa einem Treibstofftank, angeordnet ist. Bevorzugt sollte hierbei eine Teilstrecke vor oder nach der Entfeuchtungseinrichtung so angeordnet sein, dass die entfeuchtete, sauerstoffabgereicherte Abluft entgegen der Schwerkraft in den Inertgaseingang geleitet werden muss. Eventuell anfallendes Kondensat kann ähnlich wie bei einem Siphon vor dem Eintritt in den Treibstofftank gehindert und dort durch einen Ablauf abgeführt werden. Der Gas-Gas-Entfeuchter umfasst dabei eine Abluftleitung in einem von Gas und bevorzugt Luft durchströmten, d.h. belüfteten, Gehäuse
Figurenliste
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. Es zeigen:

1 offenbart das erfindungsgemäße System in einer schematischen, blockbasierten Darstellung.
2 zeigt eine einfache Abluftleitung als Membraneinrichtung.
3a und 3b zeigen Abluftleitungen mit integrierter Kraftstoffleitung.
4a und 4b zeigen mechanisch verstärkte Abluftleitungen als Membraneinrichtungen.
5 zeigt einen Gas-Gas-Entfeuchter als Membraneinrichtung.
6 zeigt eine Anordnung einer Abluftleitung im Innern einer Flugzeugkabine.
7 zeigt schließlich ein Flugzeug mit einem erfindungsgemäßen System.

DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt in Grundzügen das erfindungsgemäße System 2 zum Versorgen eines Flugzeugs mit Inertgas, welches eine Brennstoffzelle 4 und eine Membraneinrichtung 6 aufweist. Die Brennstoffzelle 4 ist für den Betrieb in einem Flugzeug besonders bevorzugt dazu eingerichtet, Luft als Oxidanten zu verwenden, die aus Zapfluft, Frischluft aus einer Klimaanlage, Kabinenabluft oder Stauluft stammen kann. Das Mitführen von Sauerstoff in separaten Hochdruckflaschen kann dabei entfallen. Die Brennstoffzelle 4 besitzt demnach einen Lufteinlass 8 sowie einen Brennstoffeinlass 10, der beispielsweise mit Wasserstoff (H₂) oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch versorgt wird. Während des in der Brennstoffzelle stattfindenden Prozesses wird zumindest ein Teil des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs verbraucht, so dass anschließend sauerstoffabgereicherte bzw. inerte Abluft aus einem Abluftauslass 12 ausströmt. Die Abluft einer Brennstoffzelle 4 ist üblicherweise relativ feucht, da während des Brennstoffzellenprozesses der im Brennstoff enthaltene Wasserstoff mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff zu Wasser reagiert. Um die sauerstoffabgereicherte, reaktionsträge, inerte Abluft für Inertisierungszwecke verwenden zu können, ist eine Entfeuchtung erforderlich.
Hierfür schließt sich an den Abluftauslass 12 die Membraneinrichtung 6 mit einer semipermeablen bzw. wasserdampfdurchlässigen Membran an, die Luft von einem Einlass 14 zu einem Auslass 16 leitet, wobei aufgrund der Semipermeabilität der in der Abluft enthaltene Wasserdampf aus der Abluft durch die Membran nach außen tritt, während die Abluft den Strömungsquerschnitt der Membraneinrichtung 6 zwischen dem Einlass 14 und dem Auslass 16 nicht verlässt. Die aus dem Auslass 16 strömende, sauerstoffabgereicherte Abluft ist je nach konstruktiver Ausführung der Membraneinrichtung 6 deutlich trockener als die einströmende Luft.
Die getrocknete inerte Abluft kann anschließend durch einen Inertgaseinlass 18 in einen nicht mit Kraftstoff gefüllten Bereich 20 eines Kraftstofftanks eingeleitet werden, um der Ausbildung eines brennbaren oder explosionsfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischs vorzubeugen. Dies ist als notwendig anzusehen, da insbesondere während der Entleerung der Kraftstofftanks sowie während eines Landevorgangs und des sich dadurch einstellenden höheren Umgebungsdrucks im Vergleich zum Reiseflug dieser Bereich 20 zur Vermeidung eines Unterdrucks mit Gas bzw. Luft zu befüllen ist.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Membraneinrichtung in Form einer Abluftleitung 24, deren Wandung 26 zumindest teilweise aus einem geeigneten, wasserdampfdurchlässigen Membranmaterial besteht. Abluft 28, die über einen Einlass 25 durch die Abluftleitung 24 zu einem Auslass 27 strömt, gibt gelöste Wassermoleküle über das Membranmaterial 26 an die Umgebung der Abluftleitung 24 ab. Die Abluft 28 wird demzufolge getrocknet und tritt am Auslass 27 trockener aus, als sie beim Einlass 25 in die Abluftleitung 24 eingeleitet wurde. Die Dicke des Membranmaterials kann derart gewählt werden, dass die Abluftleitung 24 den mechanischen Belastungen, die während des Betriebs des Flugzeugs auftreten, aufgenommen werden können. Für alternative Gestaltungsweisen wird auf die weiter nachfolgende Ausführung in den 4a und 4b verwiesen.
Der Trocknungsgrad dieser Variante ist stark davon abhängig, welches Membranmaterial verwendet wird, welche Temperaturgradienten sich zwischen der Abluft 28 und der Umgebung der Abluftleitung 24 ergibt sowie von der entsprechenden Ableitung des durch das Membranmaterial durchgetretenen Wasserdampfs. Letzteres könnte durch Anordnen der Abluftleitung 24 in einem besonders gut belüfteten Bereich gesteigert werden, so dass eine lokale Konzentration von Wasserdampf bzw. eine lokale Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit an der Außenseite der Abluftleitung 24 nicht vorliegt. Der Temperaturgradient kann durch eine entsprechende Verlegung der Abluftleitung 24 in Bereichen mit bekanntem und dem Wasserdampfdurchtritt förderlichen Temperaturverhalten beeinflusst werden. Insbesondere sollte die Temperatur deutlich oberhalb des Gefrierpunktes von Wasser liegen.
3a zeigt eine Abwandlung der in 2 gezeigten Variante, bei der eine Abluftleitung 30, deren Wandung 32 ebenfalls aus einem Membranmaterial besteht oder ein solches umfasst, zusätzlich eine Kraftstoffleitung 34 umschließt. Diese ist dazu eingerichtet, Kraftstoff 36 von einem Kraftstofftank 22 zu Kraftstoff verbrauchenden Einrichtungen zu leiten, was neben Triebwerken, APU oder dergleichen auch einen Reformer (nicht gezeigt) umfassen könnte, der aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff 36 ein wasserstoffhaltiges Gas produziert. Besonders bevorzugt ist zwischen der Wandung 32 der Abluftleitung 30 und der innenliegenden Kraftstoffleitung 34 ein ausreichender Abstand vorhanden, durch den Abluft 28 aus einem Einlass 31 bevorzugt entgegengesetzt zur Flussrichtung des Kraftstoffs 36 zu einem Auslass 33 förderbar ist.
Die Kraftstoffleitungen in einem modernen Flugzeug sind häufig bereits doppelwandig ausgeführt, so dass diese doppelwandige Konstruktion gemäß 3a modifiziert werden könnte, um mit wenig oder sogar ohne Mehrgewicht eine besonders vorteilhafte passive Trocknung von Abluft 28 zu realisieren. Gleichzeitig kann der Strom aus sauerstoffabgereicherter Luft 28 dazu geeignet sein, etwaige Lecks der Kraftstoffleitung 34 zu umspülen, so dass eventuell austretender Kraftstoff 36 durch den Strom an sauerstoffabgereicherter Abluft 28 eine Ausbreitung des Kraftstoffs 36 weitestgehend vermieden werden kann. Bei einem ausreichenden Volumenstrom und Druck der sauerstoffabgereicherten Abluft 28 kann weiterhin ein Fließen des Kraftstoffs 36 aus etwaigen Leckagen zu dem Kraftstofftank 22 erfolgen und der austropfende Kraftstoff nicht in eine falsche Richtung fließt.
Aufgrund der exponierten Lage von Kraftstofftanks in einem Flugzeug, etwa integriert in Tragflächen, kann mitunter die Temperatur des Kraftstoffs sehr niedrig sein, so dass die Gefahr besteht, dass sich an der Außenseite der von kaltem Kraftstoff durchspülten Kraftstoffleitung 34 Kondenswasser oder sogar Eis ansammelt. Um dies zu vermeiden, wird in 3b eine Abwandlung der Abluftleitung 30 gezeigt, bei der die innenliegende Kraftstoffleitung 34 von einer Isolierschicht 38 umgeben ist, an die sich in einem gewissen Abstand die Wandung 32 anschließt. Die Isolierschicht kann aus einem beliebigen, zur thermischen Isolierung geeigneten Material hergestellt sein. Insbesondere zur Wahrung eines gleichmäßigen Außendurchmessers bietet es sich an, ein aufgeschäumtes Kunststoffmaterial mit einer gewissen Festigkeit zu verwenden, welches dennoch möglichst flexibel sein sollte, um eine gute Verlegbarkeit dieser doppelwandigen Leitungskonstruktion zu erlauben. Um das Aufsaugen von Kraftstoff 36 durch die Isolierschicht 38 im Fall einer Leckage der Kraftstoffleitung 34 zu vermeiden, sollte die Isolierschicht 38 bevorzugt als geschlossenzelliger aufgeschäumter Kunststoff ausgeführt sein. Durch den gleichmäßigen Durchmesser wird die Förderung von Kraftstoff durch das Inertgas 28 nicht beeinträchtigt.
Das einzusetzende Membranmaterial kann eine relativ geringe Dicke aufweisen, um eine besonders effektive Abgabe von Wasserdampf bewirken zu können. Für die Verlegung einer ein Membranmaterial aufweisenden Abluftleitung könnte jedoch zu beachten sein, dass die Festigkeit dieses Membranmaterials als alleiniges Wandmaterial einer Abluftleitung nicht ausreicht. 4a und 4b zeigen lediglich exemplarisch, dass eine Abluftleitung daher nicht ausschließlich aus einem dünnen Membranmaterial bestehen muss, sondern zur Verstärkung eine geeignete Rahmenstruktur aufweisen könnte, die die mechanischen Lasten aufnehmen kann, dennoch eine gewisse Formgebung erlaubt.
4a zeigt beispielhaft eine Abluftleitung 40, die eine Rahmenstruktur mit in axialer Richtung verlaufenden Versteifungselementen 42 und in axialer Richtung voneinander beabstandeten, radialen Versteifungsringen 44 aufweist, über die sich ein beispielhaft relativ dünnes Membranmaterial 46 spannt, das einen Einlass 41 und einen Auslass 43 definiert.
Hiervon leicht abweichend zeigt 4b eine Abluftleitung 48 mit einem Einlass 49 und einem Auslass 51, wobei die Abluftleitung 48 eine Gitterstruktur 50 aufweist, welche ebenfalls von einem Membranmaterial 46 überspannt ist.
Die Abluftleitungen 40 und 48 können selbstverständlich auch für doppelwandige Ausführungen, wie in den 3a und 3b gezeigt, eingesetzt werden.
5 zeigt eine weitere Variante für eine Membraneinrichtung in Form eines Gas-Gas-Entfeuchters 52. Dieser weist einen Ablufteinlass 54, einen Abluftauslass 56, einen Gaseinlass 58 und einen Gasauslass 60 auf. Zwischen dem Ablufteinlass 54 und dem Abluftauslass 56 verläuft wiederum eine Abluftleitung 62, deren Wandung 64 aus einem Membranmaterial besteht oder ein solches umfasst. Wasserdampf, der in der durchströmenden Abluft 28 gelöst ist, gerät durch die Wandung 64 in ein die Abluftleitung 62 umgebendes Gehäuse 66. Das durch den Gaseinlass 58 in das Gehäuse 66 strömende Gas nimmt den Wasserdampf auf und gerät angefeuchtet durch den Gasausgang 60 nach außen. Es ist hierbei nicht notwendig, eine Abluftleitung 62 in einem belüfteten Bereich unterzubringen, sondern ein ohnehin strömendes Gas in dem Flugzeug, beispielsweise aus einer Klimaanlage, könnte dazu eingesetzt werden, den Wasserdampf aufzunehmen. Damit kann beispielsweise ein zu klimatisierender Raum mit leicht befeuchteter Luft versorgt werden.
Selbstverständlich können die Abluftleitungen aus den 2 bis 4b in einem derartigen Gas-Gas-Entfeuchter 52 eingesetzt werden, sich stromaufwärts oder stromabwärts davon befinden, um eine möglichst ideale Entfeuchtung durchzuführen.
Die Anordnung von Abluftleitungen in einem Flugzeug befindet sich besonders in stark belüfteten Bereichen, der sich im Fall eines modernen Verkehrsflugzeugs insbesondere in einem Dreiecksbereich 68 befindet, das heißt zwischen einer Außenhaut 70 und einer seitlichen Begrenzung 78 eines Frachtraums 72 unterhalb eines Kabinenfußbodens 74. Dort wird über Rezirkulationsgebläse Luft aus einer sich oben anschließenden Kabine gesaugt, um von dort zumindest teilweise wieder in den Belüftungskreislauf zu gelangen. Eine Ablaufleitung 76 kann in vorteilhafter Weise in dem Dreiecksbereich 68 liegen, so dass die austretende Feuchtigkeit der Kabinenabluft Luft beigemischt wird, um teilweise rezirkuliert zu werden.
Schließlich zeigt 7 ein Flugzeug 80, welches beispielhaft in einem Heckbereich eine Brennstoffzelle 4 aufweist, die mit einer Abluftleitung 82 verbunden ist, wobei diese Abluftleitung 82 beispielhaft in einem Dreiecksbereich 68 bugwärts verläuft. In Tragflächen 84 befinden sich Kraftstofftanks 86, deren nicht mit Kraftstoff gefüllte Bereiche zu inertisieren sind. Die Abluftleitung verzweigt sich in einem Knotenpunkt 88 und leitet das Inertgas zu den einzelnen Tanks 86. Die jeweilige Abluftleitung 82 ist beispielhaft nach den in 2 bis 4b gezeigten Eigenschaften ausgestaltet oder kann abweichend hierzu aus einem herkömmlichen Leitungsmaterial bestehen, wobei sich dann ein Gas-Gas-Entfeuchter 52 anschließt. Alternativ dazu könnte auch eine Kombination einer Abluftleitung aus den 2 bis 4b und eines Gas-Gas-Entfeuchters 52 verwendet werden.
Ergänzend sei darauf hinzuweisen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein“ oder „einer“ 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 Einschränkungen anzusehen.

Claims

System zum Versorgen eines Flugzeugs mit Inertgas, aufweisend: - mindestens eine Brennstoffzelle (4) mit einem Lufteinlass (8) und einem Abluftauslass (10) sowie - eine Membraneinrichtung (6, 24, 30, 40, 48, 52) mit einem Einlass (14, 25, 31, 41, 49), einem Auslass (16, 27, 33, 43, 51) und einer dampfdurchlässigen Membran (26, 32, 46, 64), wobei der Abluftauslass (10) mit dem Einlass der Membraneinrichtung (6, 24, 30, 40, 48, 52) in einer Fluidverbindung steht und wobei die Membraneinrichtung (6, 24, 30, 40, 48, 52) dazu eingerichtet ist, ein Gas von dem Einlass (14, 25, 31, 41, 49) zu dem Auslass (16, 27, 33, 43, 51) zu leiten und darin enthaltenen Wasserdampf durch die Membran (26, 32, 46, 64) nach außen abzugeben, wobei die Membraneinrichtung (6, 24, 30, 40, 48, 52) als eine Abluftleitung (24, 30, 40, 48) ausgeführt ist, wobei die Membran (26, 32, 46, 64) an der Außenfläche der Abluftleitung (24, 30, 40, 48) angeordnet ist und mit einem Strömungsquerschnitt der Abluftleitung (24, 30, 40, 48) in einer Fluidverbindung steht und wobei die Abluftleitung (24, 30, 40, 48) eine schlauchartige Trägerstruktur (42, 44, 50) aufweist, die zumindest partiell Öffnungen aufweist, welche mit der Membran (26, 32, 46, 64) abgedeckt sind.
System nach Anspruch 1, wobei eine Kraftstoffleitung innerhalb der Abluftleitung angeordnet ist und einen inneren Leitungsquerschnitt (34) bildet.
System nach Anspruch 2, wobei die Abluftleitung eine doppelwandige Kraftstoffleitung ist, wobei die Kraftstoffleitung einen inneren Leitungsquerschnitt (34) aufweist, der kraftstoffdicht zum Leiten von Kraftstoff ausgeführt ist und eine zu dem inneren Leitungsquerschnitt (34) beabstandete äußere Umhüllung (32) aufweist, die zumindest teilweise als eine mit der Umgebung der äußeren Umhüllung in Fluidverbindung stehende Membran (32) ausgeführt ist, wobei ein äußerer Strömungsquerschnitt zwischen der äußeren Umhüllung (32) und dem inneren Strömungsquerschnitt (34) mit dem Abluftauslass (10) der Brennstoffzelle (4) in Fluidverbindung steht.
System nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Flussrichtungen von Abluft aus der Brennstoffzelle und von Kraftstoff durch den inneren Leitungsquerschnitt (34) zueinander entgegengesetzt sind.
System nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Isolierschicht (38) den inneren Leitungsquerschnitt (34) umgibt.
Verfahren zum Versorgen eines Flugzeugs mit Inertgas, aufweisend die Schritte: - Leiten von sauerstoffabgereicherter Abluft (28) aus einer Brennstoffzelle (4) in einen Einlass (14, 25, 31, 41, 49) einer Membraneinrichtung (6, 24, 30, 40, 48, 52), welche eine Membran (26, 32, 46, 64) aufweist und die Abluft (28) von dem Einlass (14, 25, 31, 41, 49) zu einem Auslass (16, 27, 33, 43, 51) leitet; - Abführen von durch die Membran (26, 32, 46, 64) austretendem Wasserdampf und - Leiten von aus der Membraneinrichtung (6, 24, 30, 40, 48, 52) austretender getrockneter Abluft zur Inertisierung eines Raums.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein Gasstrom außen an der Membraneinrichtung (6, 24, 30, 40, 48, 52) entlanggeleitet wird, um Wasserdampf aus der Abluft (28) über die Membraneinrichtung (6, 24, 30, 40, 48, 52) aufzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Leiten von einem extern zugeführten Gas das Leiten von konditionierter Luft aus einer Klimaanlage des Flugzeugs und das Leiten von befeuchteter konditionierter Luft an einen Raum innerhalb des Flugzeugs umfasst.
Verwendung einer Membran (26, 32, 46, 64) zum Abführen von Wasserdampf aus einer sauerstoffabgereicherten Abluft (28) einer Brennstoffzelle (4).
Flugzeug (80) mit einem System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Membraneinrichtung (6, 24, 30, 40, 48, 52) als eine Abluftleitung (6, 24, 30, 40, 48, 62) ausgeführt ist, die in einem belüfteten Bereich des Flugzeugs verlegt ist.
Flugzeug (80) nach Anspruch 10, wobei der belüftete Bereich ein Dreiecksbereich (68) des Flugzeugs (80) ist.