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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit mindestens einem derartigen Brennstoffzellensystem.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Der Einsatz von Brennstoffzellen in Fahrzeugen zur Erfüllung einer Vielzahl von unterschiedlichen Aufgaben, wie etwa die Versorgung eines elektrischen Netzwerks mit elektrischer Leistung, das Bereitstellen von Wasser oder auch das Bereitstellen von sauerstoffabgereicherter Luft, kann zu Gewichtsvorteilen, einer verbesserten Kraftstoffeffizienz und einer geringeren Geräuschemission führen. Insbesondere der Einsatz von Brennstoffzellen in Flugzeugen hat ein großes Potenzial, den Kraftstoffverbrauch deutlich zu senken und Hilfsaggregate auf Basis von Gasturbinenmotoren zu ersetzen.
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Bei einem Brennstoffzellensystem, das mit Wasserstoff versorgt wird, erfordert die Anodenseite normalerweise eine Inertisierung, etwa mit Stickstoff, um eine hohe offene Zellenspannung („Open Cell Voltage“, OCV) nach Absetzen der elektrischen Last zu vermeiden, wenn noch Sauerstoff und Wasserstoff als Edukte in der Brennstoffzelle vorliegen. In der Praxis könnte die OCV den Zustand der Brennstoffzelle beeinträchtigen. Wenn eine Brennstoffzelle in einen Stand-by-Modus versetzt oder über einen längeren Zeitraum gelagert werden soll, ohne dass eine OCV auftritt, sollte sie ebenso inertisiert werden. Das Zuführen von Stickstoff oder anderen Inertgasen während oder nach der Abschaltung der Brennstoffzelle ist jedoch recht aufwändig.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung liegt folglich darin, ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, welches insbesondere bei abrupt abgesetzter elektrischer Last ohne zusätzliche oder vorbereitende Maßnahmen und ohne Beeinträchtigung der Brennstoffzelle einfach abschaltbar und anschließend auch über längere Zeitdauern lagerbar ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vortrag Ausführungsformen und Weiterbildungen den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Es wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer Membran, einen mit der Kathode in Fluidverbindung bringbaren Oxidanteinlass, einen Lufteinlass, einen Wasserstoffeinlass, und eine Ventilanordnung mit einem ersten Ventil, das mit dem Wasserstoffeinlass in Fluidverbindung steht und einem zweiten Ventil, das mit dem Lufteinlass in Fluidverbindung steht, wobei das erste Ventil und das zweite Ventil mit der Anode in Fluidverbindung stehen und jeweils mindestens in eine geöffnete und eine geschlossene Position bringbar sind, und wobei das Brennstoffzellensystem dazu ausgebildet ist, einen ersten Betriebszustand, in dem das erste Ventil geöffnet und das zweite Ventil geschlossen ist und die Brennstoffzelle zur kontinuierlichen Erzeugung von elektrischer Leistung betrieben wird, und einen zweiten Betriebszustand, in dem das erste Ventil geschlossen und das zweite Ventil geöffnet ist und die Brennstoffzelle zum Abschalten mit sauerstoffabgereicherter Luft inertisiert wird, welche bei katalytischer Erzeugung von Wasser aus in der Anode befindlichem Wasserstoff und Sauerstoff aus zugeführter Luft entsteht, einzunehmen.
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Die Brennstoffzelle könnte eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) sein, wobei die Membran hierbei die Anode von einer Kathode trennt. Die erfindungsgemäßen Merkmale lassen sich jedoch auch auf Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC) und alkalische Brennstoffzellen (AFC) anwenden. Insbesondere PEM-Brennstoffzellen sind technisch ausgereift und können zuverlässig auf niedrigeren und höheren Temperaturniveaus betrieben werden. Durch niedrigere Temperaturniveaus sind diese Brennstoffzellen insbesondere für einen dauerhaften Einsatz auch in Fahrzeugen zum Transport von Passagieren bedenkenlos verwendbar.
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Zum Betrieb der Brennstoffzelle ist ein kontinuierlicher Zufluss von Edukten notwendig. An der Kathode wird ein Oxidant zugeführt, der für den Brennstoffzellenprozess der Sauerstofflieferant ist. Der Oxidant kann generell in Form von Luft oder reinem Sauerstoff oder einem anderen Gasgemisch realisiert sein, das einen für den Brennstoffzellenprozess ausreichenden Sauerstoffgehalt aufweist.
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Die Ventilanordnung weist zumindest zwei Ventile auf. Das erste Ventil steht mit dem Wasserstoffeinlass in Fluidverbindung und ist dann geöffnet, wenn der erste Betriebszustand vorliegt. In diesem wird kontinuierlich elektrische Leistung erzeugt. Der Brennstoffzelle wird folglich ein Massenstrom eines Oxidanten und von Wasserstoff zugeführt und an der Anode und der Kathode durch den Brennstoffzellenprozess eine elektrische Spannung bereitgestellt. Diese wird von einer elektrischen Last in einen Stromfluss gewandelt. Dies entspricht einem herkömmlichen Betrieb der Brennstoffzelle und bei kontinuierlicher Leistungsabnahme durch die elektrische Last wird ein kontinuierlicher Massenstrom an Edukten verbraucht.
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Erfindungsgemäß ist das Brennstoffzellensystem jedoch dazu ausgebildet, durch Schließen des ersten Ventils und Öffnen des zweiten Ventils die Brennstoffzelle automatisch zu inertisieren. Die sauerstoffabgereicherte Luft kann durch katalytische Erzeugung von Wasser generiert werden. Die hierzu notwendige Luftmenge wird über den Lufteinlass und das zweite Ventil zu der Anode geleitet. Der aus dem vorherigen Brennstoffzellenbetrieb verbliebene restliche Wasserstoff in der Anode wird katalytisch mit dem Sauerstoff aus der zugeführten Luftmenge zu Wasser verbunden, so dass folglich der in der Luftmenge befindliche Sauerstoffgehalt verringert wird. Hierdurch wird ein sauerstoffabgereichertes Gas erzeugt, das zum Inertisieren führt. Das Brennstoffzellensystem verfügt folglich über eine selbstinertisierende Brennstoffzelle.
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Eine zeitliche Dauer des zweiten Betriebszustands und folglich eine Dauer der Öffnung des zweiten Ventils kann an die Randbedingungen in der Brennstoffzelle beim Abschalten angepasst werden. Dann wäre sicherzustellen, dass ausreichend Wasserstoff in der Anode vorhanden ist, um den Sauerstoffgehalt der in die Anode eingeführten Luftmenge signifikant zu reduzieren. In der Anode verbleibt folglich im Wesentlichen Stickstoff und Wasserdampf bzw. flüssiges Wasser, welches überdies zur Befeuchtung der Membran hilfreich ist. Dadurch könnte ein Wiederanlaufen der Brennstoffzelle beschleunigt werden.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist folglich deutliche Vorteile gegenüber bekannten Brennstoffzellensystemen auf. Es ist denkbar, die Brennstoffzelle durch abruptes Entfernen der elektrischen Last und Schließen des ersten Ventils sowie ein zeitweises Öffnen des zweiten Ventils relativ rasch abzuschalten, ohne dass eine zu hohe offene Zellenspannung erzeugt wird. Weiterhin wird die Brennstoffzelle dazu befähigt, schneller wieder ihren Betrieb aufzunehmen und den Zustand der Membran durch die Befeuchtung zu optimieren, was insgesamt die Lebensdauer der Brennstoffzelle erhöhen kann.
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Die Anode oder die Membran könnten einen Katalysator zur katalytischen Erzeugung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff aufweisen. Zusätzlich zu dem für den eigentlichen Brennstoffzellenprozess einsetzbaren Katalysator könnte ein weiterer Katalysator vorhanden sein, der die katalytische Erzeugung von Wasser in dem zweiten Betriebszustand erlaubt. Dieser Katalysator könnte allerdings auch der Katalysator für den eigentlichen Brennstoffzellenprozess sein.
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Das zweite Ventil könnte ein Druckregelventil sein. Die Menge und der Druck an zugeführter Luft für die Selbstinertisierung können folglich sehr einfach durch das zweite Ventil eingestellt werden. Es ist denkbar, das zweite Ventil durch eine Steuereinheit anzusteuern, die in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern die Öffnungszeit und den Öffnungsgrad des zweiten Ventils bestimmt.
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Das Brennstoffzellensystem könnte ferner ein Rückschlagventil aufweisen, welches zwischen dem zweiten Ventil und der Anode angeordnet ist. Das Rückschlagventil verhindert, dass Wasserstoff in den Lufteinlass bzw. eine zu dem Lufteinlass führende Leitung gerät.
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Das Rückschlagventil könnte weiterhin dazu ausgebildet sein, in dem zweiten Betriebszustand bei der katalytischen Erzeugung von Wasser ein Einsaugen von Luft durch das zweite Ventil zu erlauben. Das Rückschlagventil könnte hierzu einen sehr niedrigen Auslösedruck aufweisen, so dass der Vorgang des Erzeugens von Wasser alleine ausreicht, um die erforderliche Luftmenge in die Anode einzusaugen. Damit könnte auch die in die Anode zu führende Luftmenge gesteuert werden.
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Der Lufteinlass könnte mit einer drucklosen Luftquelle in Fluidverbindung stehen. Die drucklose Luftquelle könnte den Vorgang des Einsaugens während der katalytischen Wassererzeugung im zweiten Betriebszustand begünstigen.
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In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform könnte der Oxidanteinlass mit dem Lufteinlass gekoppelt sein. Die Brennstoffzelle kann auch mit Luft als Oxidant betrieben werden. Es könnte sich daher anbieten, dass Luft durch eine entsprechende Leitung, die mit dem Lufteinlass in Fluidverbindung steht, auch zu der Kathode geführt wird.
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Es ist denkbar, dass das Brennstoffzellensystem dazu ausgebildet ist, eine an eine in der Anode vorhandene Restmenge Wasserstoff angepasste Luftmenge in die Anode einzulassen. Im Rahmen der Auslegung des jeweiligen Brennstoffzellensystems kann eine vorab definierte Luftmenge mittels Massen- und/oder Volumenstrom-, und/oder Drucksensoren genau dosiert werden, um sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff möglichst stöchiometrisch zu Wasser umzusetzen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform weist ferner mindestens einen mit der Anode und der Kathode verbindbaren elektrischen Blindverbraucher auf, wobei das Brennstoffzellensystem dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Blindverbraucher in dem zweiten Betriebszustand mit der Brennstoffzelle zu verbinden, so dass eine Restmenge an Oxidant an der Kathode abbaubar ist. Durch den Blindverbraucher kann zunächst eine Restmenge Wasserstoff durch kurzzeitige Weiterführung des herkömmlichen Brennstoffzellenprozesses abgebaut werden, wenn die eigentliche elektrische Last entfernt ist. Der Blindverbraucher könnte folglich als eine unterstützende Maßnahme für ein abruptes Abschalten angesehen werden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit mindestens einem vorangehend dargestellten Brennstoffzellensystem.
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Das Fahrzeug könnte etwa ein Flugzeug sein. Das Brennstoffzellensystem könnte in einem druckbeaufschlagten oder nicht druckbeaufschlagten Bereich eines Flugzeugrumpfs angeordnet sein.
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Bevorzugt ist das Brennstoffzellensystem in einem nicht druckbeaufschlagten Bereich eines Fahrzeugrumpfs angeordnet.
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Zudem könnte der Lufteinlass mit dem nicht druckbeaufschlagten Bereich in Fluidverbindung stehen.
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Figurenliste
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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 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems.
- 2 zeigt ein Flugzeug mit einem darin installierten Brennstoffzellensystem.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 2, welches exemplarisch eine einzelne Brennstoffzelle 4 aufweist. Dies ist jedoch lediglich der Einfachheit halber gewählt, es sind selbstverständlich auch größere Brennstoffzellenstapel verwendbar. Die Brennstoffzelle 4 besitzt eine Anode 6, eine Kathode 8 sowie eine dazwischen angeordnete Membran 10. Die Kathode 8 ist mit einem Oxidanteinlass 12 in Fluidverbindung bringbar. An der Anode 6 ist eine Ventilanordnung 14 vorgesehen, die ein erstes Ventil 16 und ein zweites Ventil 18 aufweist. Über das erste Ventil 16 kann die Anode 6 mit einem Wasserstoffeinlass 20 in Fluidverbindung gebracht werden. Strömt Wasserstoff aus dem Wasserstoffeinlass 20 in die Anode 6 und Luft oder Sauerstoff durch den Oxidanteinlass 12 in die Kathode 8, führt die Brennstoffzelle 4 einen Brennstoffzellenprozess aus. Dieser Betriebszustand wird vorangehend mit dem ersten Betriebszustand bezeichnet. In diesem wird an der Kathode ein positiver Pol und an der Anode ein negativer Pol einer elektrischen Spannung generiert. Durch Verbinden mit einer elektrischen Last entsteht ein Stromfluss. Wird jedoch eine elektrische Last von der Brennstoffzelle 4 während des Durchführens des Brennstoffzellenprozesses entfernt, kann sich in der Anode 6 noch Wasserstoff befinden, der in Kombination mit in der Kathode 8 befindlichem Oxidant zumindest kurzzeitig zu einer hohen offenen Zellenspannung führen würde.
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Zum Verringern oder gänzlichen Eliminieren der hohen offenen Zellenspannung wird das erste Ventil 16 geschlossen, während das zweite Ventil 18 geöffnet wird. Dieses steht mit einem Lufteinlass 22 in Verbindung, durch den Luft in die Anode gerät. In der Anode 6 oder an einer zu der Anode 6 gerichteten Seite der Membran 10 befindet sich ein Katalysator (nicht gezeigt), der zu einer katalytischen Umwandlung des Luft-Wasserstoff-Gemisch zu Wasser und sauerstoffabgereicherter Luft führt. Hierdurch wird die Brennstoffzelle 4 folglich selbsttätig inertisiert.
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Das zweite Ventil 18 ist in dem gezeigten Fall ein Druckregelventil, so dass ein bestimmter Druck in der Anode 6 aktiv eingestellt oder begrenzt werden kann. Zwischen dem zweiten Ventil 18 und der Anode 6 kann sich weiterhin ein Rückschlagventil 24 befinden, das ein Überströmen von Wasserstoff aus dem Wasserstoffeinlass 20 in Richtung des Lufteinlasses 22 verhindert. Das Rückschlagventil 24 kann jedoch so ausgelegt sein, dass die Brennstoffzelle 4 bei der katalytischen Umsetzung des in der Anode 6 verbliebenen Restwasserstoffs eine Saugkraft zum Einsaugen einer Luftmenge aus dem Lufteinlass 22 ausreicht.
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Der Vollständigkeit halber sind ein Anodenspülventil 26 und ein Kathodenspülventil 28 gezeigt, die mit der Anode 6 bzw. der Kathode 8 verbunden sind. Das Anodenspülventil 26 könnte regelmäßig geöffnet werden, um unter anderem Stickstoff und flüssiges Wasser aus der Anode zu spülen, welche sich im ersten Betriebszustand ansammeln können.
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Zur Unterstützung des Abschaltens ist zusätzlich zu einem Hauptverbraucher 30 exemplarisch mindestens ein Blindverbraucher 30 vorgesehen. Die beiden Verbraucher 30 und 32 bilden eine Parallelschaltung und sind mit der Anode 6 und der Kathode 8 jeweils exemplarisch mittels eines ersten Schalters 34 bzw. eines zweiten Schalters 36 in Verbindung bringbar. Die beiden Verbraucher 30 und 32 können gleichzeitig, selektiv oder abwechselnd mit der Brennstoffzelle 4 verbunden werden, um zumindest kurzzeitig den Brennstoffzellenprozess weiterzuführen. Die durch den Blindverbraucher 32 generierte elektrische Last könnte jedoch die ursprüngliche elektrische Last 30 unterschreiten, so dass die an der Brennstoffzelle 4 anliegende elektrische Leistung reduziert wird, wenn der Hauptverbraucher 30 abgeschaltet wird. Es könnte vorteilhaft sein, durch eine entsprechende Schaltsequenz etwa beide Verbraucher 30 und 32 gleichzeitig mit der Brennstoffzelle 4 zu verbinden und anschließend den Verbraucher 30 abzuschalten. Der Blindverbraucher 32 könnte als elektrischer Widerstand ausgeführt sein, wobei Hauptverbraucher 30 und Blindverbraucher 32 unterschiedliche elektrische Lasten hervorrufen können.
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Es könnte weiterhin eine Steuereinheit 38 vorgesehen sein, die mit dem ersten Ventil 16, dem zweiten Ventil 18, dem Ventil 40, den Schaltern 34 und 36 sowie, falls gewünscht, auch mit den Spülventilen 26 und 28 in Verbindung gebracht werden. Dadurch kann der Betrieb des Brennstoffzellensystems 2 gesteuert werden. Lediglich der Vollständigkeit halber wird ein Oxidantventil 40 erwähnt, mit dem die Zufuhr von Oxidant an die Kathode 8 unterbunden oder hergestellt werden kann. Auch das Oxidantventil 40 kann mit der Steuereinheit 38 verbunden sein.
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Schließlich zeigt 2 ein Flugzeug 42, das einen Flugzeugrumpf 44 aufweist. Dieser kann druckbeaufschlagte und nicht druckbeaufschlagte Bereiche besitzen. Es ist denkbar, das Brennstoffzellensystem 2 in einem nicht druckbeaufschlagten Bereich in der Nähe einer Flügelwurzel 46 oder an einer Heckspitze 48, oder in einem Triebwerk 50 anzuordnen. Es sind jedoch zahlreiche weitere Positionen denkbar, die je nach Anforderungen, vorhandenem Bauraum oder anderen Parametern gewählt werden können. Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Lufteinlass 22 mit dem jeweiligen Bauraum in Fluidverbindung steht, so dass eine drucklose Luftquelle vorliegt. Des Weiteren wäre auch denkbar, den Oxidanteinlass 12 mit dem Lufteinlass 22 zu verbinden.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Brennstoffzellensystem
- 4
- Brennstoffzelle
- 6
- Anode
- 8
- Kathode
- 10
- Membran
- 12
- Oxidanteinlass
- 14
- Ventilanordnung
- 16
- erstes Ventil
- 18
- zweites Ventil
- 20
- Wasserstoffeinlass
- 22
- Lufteinlass
- 24
- Rückschlagventil
- 26
- Anodenspülventil
- 28
- Kathodenspülventil
- 30
- Hauptverbraucher
- 32
- Blindverbraucher
- 34
- erster Schalter
- 36
- zweiter Schalter
- 38
- Steuereinheit
- 40
- Oxidantventil
- 42
- Flugzeug
- 44
- Flugzeugrumpf
- 46
- Flügelwurzel
- 48
- Heckspitze
- 50
- Triebwerk
