EP4698434A1

EP4698434A1 - Kraftstoffsystem zur versorgung eines luftfahrzeuges mit wasserstoff, sowie verfahren und luftfahrzeug

Info

Publication number: EP4698434A1
Application number: EP24719490.5A
Authority: EP
Inventors: Anja MAROSKY; Thomas Scherer; Stefan Weiland
Original assignee: MT Aerospace AG; MTU Aero Engines AG
Current assignee: MT Aerospace AG; MTU Aero Engines AG
Priority date: 2023-04-19
Filing date: 2024-04-10
Publication date: 2026-02-25
Also published as: DE102023109931A1; WO2024217952A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem (1) zur Versorgung eines Flugzeuges (2) mit Wasserstoff (3). Das Kraftstoffsystem (1) umfasst einen ersten Innentank (4) und einen separaten, zweiten Innentank (6), jeweils zur Lagerung von Wasserstoff (3), sowie einen Außentank (5), welcher die Innentanks (4, 6) umgibt. Der erste Innentank (4) und der zweite Innentank (6) sind separat voneinander mit zumindest einer ersten Versorgungseinrichtung (7) zur Versorgung des Luftfahrzeuges (2) mit Wasserstoff (3) fluidisch verbunden. Die Erfindung betrifft weiter ein Flugzeug (2) mit einem Kraftstoffsystem (1), sowie ein Verfahren.

Description

Kraftstoffsystem zur Versorgung eines Luftfahrzeuges mit Wasserstoff, sowie Verfahren und Luftfahrzeug

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem zur Versorgung eines Flugzeuges mit Wasserstoff. Das Kraftstoffsystem umfasst einen ersten Innentank zur Lagerung von Wasserstoff und einen Außentank. Die Erfindung betrifft weiter ein Flugzeug mit einem Kraftstoffsystem, sowie ein zugehöriges Verfahren.

In der modernen Luftfahrt wird Wasserstoff als Kraftstoff für Antriebe von Luftfahrzeugen in vielerlei Hinsicht immer attraktiver. Der Wasserstoff wird hierbei in Tanks mitgeführt, deren Anforderungen sich von klassischen Kerosin-Tanks wesentlich unterscheiden. Im Vergleich zu Kerosin ist das Volumen von flüssigem Wasserstoff um das 4-fache höher bei einem um 2,8-fach geringerem Gewicht. In der Konsequenz kann dies für die Luftfahrtanwendung andere Anforderungen an das Design der Kraftstofftanks bedeuten.

Die DE 10 2007 025 217 Al beschreibt eine Vorrichtung und Verfahren zur Lagerung von Wasserstoff für ein Flugzeug, bei welchem der Außentank derart mit dem Innentank verbunden ist, dass dem Innentank der Wasserstoff aus dem Außentank zuführbar ist, um dessen Effizienz zu erhöhen.

Die DE 10 2014 107 316 Al zeigt ein Tanksystem zur kryogenen Lagerung von Wasserstoff, welches aufgrund dessen Struktur in die lasttragende Primärstruktur eines Flugzeuges integrierbar ist.

Für den Einsatz eines Kraftstoffsystems für Wasserstoff in einer kommerziellen Luftfahrtanwendung gilt es, die geltenden Zulassungsanforderungen zu erfüllen, die insbe- sondere hinsichtlich den Sicherheitsanforderungen im Fehlerfall sehr anspruchsvoll sind. Insbesondere müssen Systeme redundant ausgelegt sein und ein entsprechend robustes Design aufweisen. Der Bauraum ist im Luftfahrzeug allerdings beschränkt. Zudem können im Gegensatz zu einem Kerosinkraftstoffsystem die Wasserstofftanks nicht ohne weiteres im Flügel integriert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffsystem zur Versorgung eines Luftfahrzeuges mit Wasserstoffbereitzustellen, dessen Ausfallwahrscheinlichkeit bei optimaler Bauraumnutzung minimiert ist.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.

Durch einen Aspekt der Erfindung ist ein Kraftstoffsystem zur Versorgung eines Luftfahrzeuges mit Wasserstoff bereitgestellt. Das Kraftstoffsystem umfasst zumindest einen ersten Innentank zur Lagerung von Wasserstoff, sowie zumindest einen Außentank. Das Kraftstoffsystem umfasst insbesondere einen zweiten Innentank zur Lagerung von Wasserstoff, welcher von dem ersten Innentank fluidisch getrennt ausgebildet ist, wobei der erste Innentank und der zweite Innentank im Inneren des Außentanks gelagert sind, und wobei der erste Innentank und der zweite Innentank separat voneinander jeweils mit einer ersten Versorgungseinrichtung des Kraftstoffsystems zur Versorgung des Luftfahrzeuges mit Wasserstoff fluidisch verbunden sind.

Durch diese Doppeltankanordnung des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems kann ein Bauraum des Luftfahrzeuges effizient genutzt werden. Insbesondere durch die gemeinsame Integration der beiden separaten Innentanks in einem gemeinsamen Außentank kann ein weiterer Außentank vorteilhaft eingespart werden. Neben Bauraum kann das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem Material und Gewicht einsparen, welches vorteilhaft zur Effizienz des gesamten Luftfahrzeuges beitragen kann.

Gleichzeitig garantiert die Trennung der beiden Innentanks vorteilhaft eine Zweikana- ligkeit der Treibstoffversorgung - bei Ausfall eines Innentanks garantiert der andere Innentank zumindest die halbe Reichweite des Luftfahrzeuges. Durch dieses redundante System kann die Sicherheit des Kraftstoffsystems und damit des Luftfahrzeuges besonders sicher ausgestaltet sein. Insbesondere ist bei einem Verlust bzw. einer Störung eines Innentanks der andere Innentank noch voll funktionsfähig, so dass sich im Fehlerfall lediglich die Reichweite reduziert.

Das Kraftstoffsystem kann darüber hinaus noch weitere Komponenten umfassen, die für die Versorgung des Luftfahrzeuges notwendig sind. Bei dem Luftfahrzeug kann es sich beispielsweise um ein konventionelles Flugzeug, einen Drehflügler, einen Luftschiff oder dergleichen handeln, welches den Wasserstoff insbesondere als Brennstoff bzw. Treibstoff verwendet, um ein oder mehrere Haupt-, Neben- oder Hilfstriebwerke anzutreiben. Bei dem Antrieb kann es sich insbesondere um einen Wasserstoffverbrennungsmotor, eine Gasturbine oder eine Brennstoffzelle mit nachgeschaltetem Elektromotor handeln.

Der erste, sowie der zweite Innentank, im Folgenden auch lediglich als Innentanks bezeichnet, sind insbesondere dazu ausgelegt und dafür eingerichtet, den Wasserstoff unter Berücksichtigung dessen spezifischen physikalischen Bedingungen zu lagern. Insbesondere können die Innentanks entsprechend der Betriebsbedingungen einen Überdruck im Tankinneren standhalten. Darüber hinaus kann auch ein dritter oder viele weitere Innentanks vorgesehen sein, für welche die vorangegangene und nachfolgende Beschreibung entsprechend angewandt werden kann. Der erste Innentank kann insbesondere identisch oder verschieden zum zweiten Innentank ausgebildet sein. Die Innentanks sind insbesondere voneinander getrennt ausgebildet bzw. ausbildbar. Mit anderen Worten sind die Innentanks nicht direkt oder indirekt miteinander fluidisch verbunden. Darüber hinaus können die Innentanks baulich getrennt voneinander ausgebildet sein. Die Innentanks können jedoch auch voneinander fluidisch abgetrennt in einem gemeinsamen Tankmodul integriert sein.

Der Außentank umschließt bzw. umhüllt insbesondere die Innentanks, vorzugsweise vollständig. Der Außentank kann vorzugsweise beulstabil und druckstabil ausgelegt sein. Beispielsweise können die Innentanks durch Streben oder eine andere Struktur von einer Hülle des Außentanks beanstandet gelagert und mechanisch abgestützt sein. Der Außentank kann insbesondere zwingend zu Isolationszwecken für die Innentanks vorgesehen sein. Die Innentanks sind insbesondere fluidisch getrennt von dem Außentank. Mit anderen Worten ist es nicht vorgesehen, dass Wasserstoff von den Innentanks in den Außentank gelangen kann.

Der erste Innentank ist insbesondere mit der ersten Versorgungseinrichtung fluidisch verbunden. Separat von der Verbindung des ersten Innentanks mit der ersten Versorgungseinrichtung ist der zweite Innentank insbesondere mit der ersten Versorgungseinrichtung verbunden, sodass Wasserstoff von dem ersten Innentank bzw. von dem zweiten Innentank zur ersten Versorgungseinrichtung transportierbar ist.

Unter einer fluidischen Verbindung ist eine Verbindung zu verstehen, mittels welcher ein Fluid strömen kann. Insbesondere kann Wasserstoff somit von einem Innentank zu einer Versorgungseinrichtung strömen.

Die beiden Innentanks können insbesondere fluidisch trennbar voneinander ausgebildet sein, was bedeuten kann, dass diese in einer speziellen Konfiguration fluidisch verbunden werden können, beispielsweise mittels eines Ventils der Versorgungseinrichtung oder dergleichen. Die Innentanks können insbesondere fluidisch verbindbar mit der Versorgungseinrichtung ausgebildet sein, was bedeuten kann, dass diese in einer speziellen Konfiguration, insbesondere unabhängig voneinander, fluidisch getrennt werden können.

Bei dem Kraftstoff bzw. Treibstoff handelt es sich insbesondere um Wasserstoff, vorzugsweise um reinen Wasserstoff. Es kann darunter jedoch auch, wenn auch weniger bevorzugt, ein wasserstoffhaltiger bzw. wasserstoffbasierter Treibstoff verstanden werden oder ein Treibstoff, welcher vergleichbare Lagereigenschaften wie Wasserstoff aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass das Kraftstoffsystem eine zweite Versorgungseinrichtung zur Versorgung des Luftfahrzeuges mit Wasserstoff umfasst, wobei der erste Innentank und der zweite Innentank separat voneinander mit der zweiten Versorgungseinrichtung fluidisch verbunden sind. Mit anderen Worten ist der erste Innentank insbesondere mit der zweiten Versorgungseinrichtung fluidisch verbunden. Separat von der Verbindung des ersten Innentanks mit der zweiten Versorgungseinrichtung ist der zweite Innentank insbesondere mit der zweiten Versorgungseinrichtung verbunden, sodass Wasserstoff von dem ersten Innentank bzw. von dem zweiten Innentank zur zweiten Versorgungseinrichtung transportierbar ist. Somit kann auch das Versagen einer der beiden Versorgungseinrichtungen durch die weitere Versorgungseinrichtung abgefangen werden, indem jeweils eine Versorgungseinrichtung mit beiden Innentanks fluidisch verbunden ist. Diese Redundanz erhöht vorteilhaft den sicheren Betrieb des Kraftstoffsystems bzw. des Luftfahrzeuges.

Die erste Versorgungseinrichtung kann vorzugsweise separat zu der zweiten Versorgungseinrichtung ausgebildet sein. Die jeweilige Versorgungseinrichtung, ferner auch als Systemkapsel, Balance of Plant oder Coldbox bezeichnet, ist dazu ausgebildet und vorgesehen, das Luftfahrzeug mit Wasserstoff zu versorgen. Insbesondere ist die Versorgungseinrichtung dazu ausgebildet und vorgesehen, jeweils Wasserstoff aus dem ersten und/oder zweiten Innentank zu entnehmen. Darüber hinaus kann die Versorgungseinrichtung dazu ausgebildet und vorgesehen sein, eine entsprechende Konditionierung des Wasserstoffs in dem ersten und/oder zweiten Innentank vorzunehmen. Darüber hinaus kann die Versorgungseinrichtung dazu ausgebildet und vorgesehen sein, die Innentanks zu kontrollieren, insbesondere die physikalischen Bedingungen der Lagerung des Wasserstoffes zu steuern bzw. zu regeln.

Die Versorgungseinrichtung kann insbesondere Ventile, Sicherheitsventile, Wärmetauscher, Leitungen, Kontrollelemente, Regler, Schaltungen und dergleichen aufweisen, die vorzugsweise innerhalb einer Versorgungseinrichtung redundant ausgelegt sein können.

Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass der erste Innentank über einen ersten Kanal mit der ersten Versorgungseinrichtung verbunden ist, und über einen zum ersten Kanal separaten, zweiten Kanal mit der zweiten Versorgungseinrichtung fluidisch verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass der zweite Innentank über einen dritten Kanal mit der ersten Versorgungseinrichtung verbunden ist, und über einen zum dritten Kanal separaten, vierten Kanal mit der zweiten Versorgungseinrichtung fluidisch verbunden ist. Somit kann vorteilhaft und zuverlässig die Trennung der Innentanks realisiert werden, sodass ein Ausfall eines Innentanks sich nicht auf die Verfügbarkeit des anderen Innentanks auswirken kann.

Vorzugsweise können die Innentanks jeweils einen separaten Anschluss für den jeweiligen Kanal aufweisen, welche insbesondere disloziert voneinander angeordnet sein können. Entsprechend können die Versorgungseinrichtungen jeweils einen separaten Anschluss für den jeweiligen Kanal aufweisen. Somit kann vorteilhaft die fluidische Trennung der Innentanks voneinander gewährleistet werden.

Der Außentank kann entsprechend abgedichtete Durchgangsöffnungen für die Kanäle zwischen Innentanks und Versorgungseinrichtungen aufweisen.

Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die erste Versorgungseinrichtung ein erstes Absperrventil zum fluidischen Trennen oder Verbinden des ersten Kanals und/oder ein zweites Absperrventil zum fluidischen Trennen oder Verbinden des zweiten Kanals aufweist, und/oder die zweite Versorgungseinrichtung ein drittes Absperrventil zum fluidischen Trennen oder Verbinden des dritten Kanals und/oder ein viertes Absperrventil zum fluidischen Trennen oder Verbinden des vierten Kanals aufweist. Die jeweiligen Absperrventile können separat zu der Versorgungseinrichtung ausgebildet sein, beispielsweise integriert in dem jeweiligen Kanal. Durch die Absperrventile kann vorteilhaft ein defekter Innentank oder eine defekte Versorgungseinrichtung abgeschottet werden, sodass sich diese nicht auf funktionierende Komponenten auswirken können.

Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass ein Zwischenraum zwischen dem Außentank und dem ersten Innentank und dem zweiten Innentank evakuiert ist. Mit anderen Worten herrscht in dem Zwischenraum ein technisches Vakuum bzw. zumindest näherungsweise. Dadurch können die Innentanks vorteilhaft äußerst effektiv thermisch isoliert werden. Der äußere Tank ist insbesondere dazu ausgebildet und kann speziell dafür vorgesehen sein, das Vakuum zu halten. Entsprechend kann dieser luftdicht abgeschlossen sein. Der Außentank kann somit einer Vakuumhülle entsprechen. Durch das Vakuum können die Innentanks besonders effektiv isoliert werden.

Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass der erste Innentank und/oder der zweite Innentank eine erste Isolationsschicht umfasst. Die Isolationsschicht ist insbesondere dafür vorgesehen, den jeweiligen Innentank thermisch zu isolieren, sodass vorteilhaft eine Temperatur und/oder ein Druck des Wasserstoffs auf einem bestimmten Niveau gehal- ten werden kann. Die Isolationsschicht kann verschiedenartig ausgebildet sein, insbesondere unter Verwendung von entsprechendem Dämmmaterial. Vorzugsweise kann die Isolationsschicht in Verbindung mit dem umhüllenden Vakuum eine Superisolation aufweisen, welche auch als Multilayer Insulation (MLI) bezeichnet ist. Diese kann aus wenigen bis mehreren Dutzend Lagen metallbedampfter Kunststofffolien bestehen, die durch eine geeignete Perforation oder Gaze (Spacer) auf Abstand gehalten werden. MLI-Folien behindern den Wärmetransport durch Wärmestrahlung. Somit können die Innentanks besonders effektiv isoliert werden.

Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass der Außentank eine zweite Isolationsschicht umfasst, sodass die Isolation weiter verbessert werden kann. Die zweite Isolationsschicht kann innenseitig und/oder außenseitig zum Außentank angeordnet sein. Die Isolationsschicht ist insbesondere dafür vorgesehen, den jeweiligen Innentank thermisch zu isolieren, dass vorteilhaft eine Temperatur und/oder ein Druck des Wasserstoffs auf einem bestimmten Niveau gehalten werden kann. Innenseitig kann die Isolationsschicht in Verbindung mit dem einschließenden Vakuum eine MLI aufweisen. Außenseitig kann der Außentank ein entsprechendes Dämmmaterial als zweite Isolationsschicht aufweisen.

Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass der erste Innentank und/oder der zweite Innentank dazu ausgebildet und entsprechend dazu ausgelegt ist, Wasserstoff kryogen zu lagern, insbesondere in einem flüssigen Zustand und bei sehr geringer Temperatur, beispielsweise bei - 253 °C. In diesem Zustand kann der Wasserstoff besonders sicher gelagert werden. Insbesondere können die Innentanks dazu ausgebildet sein, einen bestimmten Druck des Wasserstoffes standzuhalten. Dieser kann beispielsweise zwischen 1 bar und 10 bar annehmen, oder auch einen Druck bis zu 350 bar.

Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass der erste Innentank und/oder der zweite Innentank modular ausgebildet ist/sind. Mit anderen Worten sind die Innentanks nicht integ- ral mit dem Außentank verbaut, sondern auf einfache Weise ein- und ausbaubar. Bevorzugt kann dazu der Außentank reversibel aufschließbar sein, sodass der erste Innentank und/oder der zweite Innentank austauschbar ist/sind. Beispielsweise kann der Außentank einen Verschlussmechanismus zum Öffnen und Schließen der Hülle des Außentanks aufweisen. Somit können die Innentanks auch vorteilhaft inspiziert und gewartet werden bzw. entnommen werden. Es ist darüber hinaus vorstellbar, dass ein entleerter Innentank durch einen mit Wasserstoff befüllten Innentank ersetzt wird.

Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die erste Versorgungseinrichtung und/oder die zweite Versorgungseinrichtung dazu ausgebildet ist, flüssigen bzw. kryogenen Wasserstoff aus dem ersten Innentank und/oder aus dem zweiten Innentank zu entnehmen. Insbesondere kann die Versorgungseinrichtung den entnommenen Wasserstoff entsprechend konditionieren, um das Luftfahrzeug mit dem konditionierten Wasserstoff zu versorgen. Beispielsweise kann die Versorgungseinrichtung den flüssigen Wasserstoff verdampfen, bevor dieser weitergeführt wird.

Alternativ oder zusätzlich kann die Versorgungseinrichtung dazu ausgebildet sein, gasförmigen Wasserstoff aus den Innentanks zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass das Kraftstoffsystem eine Sensoreinrichtung umfasst, welche dazu ausgebildet ist, eine Störung des ersten Innentanks und/oder des zweiten Innentanks und/oder des Außentanks zu erfassen. Vorzugsweise ist die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Störung der ersten Versorgungseinrichtung und/oder der zweiten Versorgungseinrichtung zu erkennen. Somit kann vorteilhaft die fehlerhafte Komponente identifiziert und entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden, beispielsweise durch das Absperren von Ventilen. Dadurch kann die Sicherheit des Systems und des Luftfahrzeuges erhöht werden. Durch einen weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems bereitgestellt. Das Verfahren umfasst zumindest den Schritt, dass das Luftfahrzeug mit Wasserstoff aus dem ersten Innentank bei einer Störung des zweiten Innentanks versorgt wird, oder das Luftfahrzeug mit Wasserstoff aus dem zweiten Innentank bei einer Störung des ersten Innentanks versorgt wird.

Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass das Verfahren zumindest den Schritt umfasst, dass das Luftfahrzeug mit Wasserstoff über die erste Versorgungseinrichtung bei einer Störung der zweiten Versorgungseinrichtung versorgt wird, oder das Luftfahrzeug mit Wasserstoff über die zweite Versorgungseinrichtung bei einer Störung der ersten Versorgungseinrichtung versorgt wird.

Durch die jeweilige redundante Auslegung der Komponenten kann ein besonders sicherer Betrieb des Kraftstoffsystems und damit des Luftfahrzeuges gewährleistet werden. Insbesondere kann vorteilhaft das Luftfahrzeug mit Wasserstoff versorgt werden, wenn ein Innentank als auch ein Kraftstoffsystem eine Störung aufweisen.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben. Insbesondere ist das Kraftstoffsystem dazu ausgebildet, das erfmdungsgemäße Verfahren auszuführen.

Durch einen weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Luftfahrzeug mit zumindest einem erfindungsgemäßen Kraftstoffsystem bereitgestellt. Bei dem Luftfahrzeug kann es sich beispielsweise um ein konventionelles Flugzeug, einen Drehflügler, einen Luftschiff oder dergleichen handeln, welches den Wasserstoff insbesondere als Brennstoff bzw. Treibstoff verwendet, um ein oder mehrere Haupt-, Neben- oder Hilfstriebwerke anzu- treiben. Bei dem Antrieb des Luftfahrzeuges kann es sich insbesondere um einen Wasserstoffverbrennungsmotor, eine Gasturbine oder eine Brennstoffzelle mit nachgeschaltetem Elektromotor handeln.

Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu zeigen:

FIG. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsge- mäßen Kraftstoffsystems;

FIG. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsge- mäßen Luftfahrzeuges.

FIG. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfin- dungsgemäßen Kraftstoffsystems 1 zur Versorgung eines Luftfahrzeuges 2 mit Wasserstoff 3. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Wasserstoff 3 kryogen in einem ersten Innentank 4, sowie in einem zweiten Innentank 6 gelagert sein, wobei diese fluidisch getrennt voneinander ausgebildet sein können. Die beiden redundanten Innentanks 4, 6 können insbesondere von einem gemeinsamen Außentank 5 umgeben sein. Zwischen dem Außentank 5 und den Innentanks 4, 6 kann ein Zwischenraum 17 ausgebildet sein, welcher vorzugsweise evakuiert ist. Dies bedeutet, dass im Zwischenraum 17 ein tech- nisches Vakuum herrschen kann. Der Außentank 5 kann dementsprechend beulstabil sein und so ausgelegt sein, dass Vakuum halten zu können.

Der erste Innentank 4 kann über einen ersten Kanal 9 zum Transportieren des Wasserstoffes 3 mit einer ersten Versorgungseinrichtung 7 zur Versorgung des Luftfahrzeuges 2 mit Wasserstoff 3 fluidisch verbunden sein. Zusätzlich kann der erste Innentank 4 über einen separat zum ersten Kanal 9 ausgebildeten, zweiten Kanal 10 zum Transportieren des Wasserstoffes 3 mit einer zweiten Versorgungseinrichtung 8 zur Versorgung des Luftfahrzeuges 2 mit Wasserstoff 3 fluidisch verbunden sein.

Der zweite Innentank 6 kann über einen dritten Kanal 11 zum Transportieren des Wasserstoffes 3 mit der ersten Versorgungseinrichtung 7 fluidisch verbunden sein. Zusätzlich kann der zweite Innentank 6 über einen separat zum dritten Kanal 11 ausgebildeten, vierten Kanal 12 zum Transportieren des Wasserstoffes 3 mit einer der zweiten Versorgungseinrichtung 8 fluidisch verbunden sein.

Die redundanten Versorgungseinrichtungen 7, 8 können insbesondere Ventile, Wärmetauscher, Sicherheitsventile und/oder Leitungen aufweisen, welche redundant ausgelegt sein können, sowie dazu ausgebildet sein, die Konditionierung des kryogenen bzw. flüssigen Wasserstoffes 3 in den Innentanks 4, 6 auf die notwendigen Betriebsbedingungen zu übernehmen. Beispielsweise kann die erste Versorgungseinrichtung 7 über eine erste Versorgungsleitung 20 das Flugzeug 2 mit gasförmigen Wasserstoff 3 versorgen, sowie die zweite Versorgungseinrichtung 8 über eine zweite Versorgungsleitung 21.

Die Kanäle 9, 10, 11, 12 können beispielsweise jeweils ein separates Absperrventil 13, 14, 15, 16 aufweisen, welche den jeweils zugehörigen Kanal 9, 10, 11, 12 fluidisch trennen oder verbinden können. Die Absperrventile 13, 14, 15, 16 können auch in den Versorgungseinrichtungen 7, 8 integriert sein. In einem Ausführungsbeispiel können die Innentanks 4, 6 jeweils eine erste Isolationsschicht 18 zur thermischen Isolation aufweisen. Diese kann beispielsweise als MLI ausgebildet sein. Der Außentank 5 kann darüber hinaus ebenfalls eine zweite Isolationsschicht 19 zur thermischen Isolation innerhalb oder außerhalb der Vakuum haltenden Hülle des Außentanks 5 aufweisen.

In FIG. 2 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Luftfahrzeuges 2 gezeigt. Das Luftfahrzeug 2 ist lediglich beispielhaft als konventionelles Flugzeug dargestellt. Ebenso ist die Platzierung des Kraftstoffsystems 1 des Flugzeuges 2 beliebig gewählt und nicht auf diese Position beschränkt.

Insgesamt zeigen die Beispiele, wie eine Zweikanaligkeit für Wasserstofftanks (Innentanks 4, 6) ausgebildet sein kann. Aufgrund der tiefen Temperaturen (Lagertemperatur von ca. -253°C) von kryogenen Flüssigwasserstoff (engl.: liquid hydrogen, LH2) benötigen LH2-Tanks 4, 6 sehr effiziente Isolierungen. Neben einer Isolierung 18 an der Oberfläche der Tanks 4, 6 kann ein Design mit Vakuumhülle umgesetzt werden. Der Vakuumtank besteht aus einem Innentank 4, 6 und einem Außentank 5 (Vakuum im Zwischenraum 17) und verfügt über eine hohe Isolierwirkung. Der kryogene Wasserstoff befindet sich im Innentank 4, 6, der entsprechend der Betriebsbedingung einen Überdruck im Tankinneren standhalten kann. Der Außentank 5 ist beulstabil und kann das Vakuum halten. Um beispielsweise eine Zweikanaligkeit des Kraftstoffsystems 1 (Redundanz der Treibstoffversorgung zur Minimierung der Ausfallwahrscheinlichkeit) bei optimierter Bauraumnutzung erreichen zu können, kann ein Doppeltank (zwei voneinander getrennte Innentanks 4, 6 zur Speicherung des LH2) in einer gemeinsamen umhüllenden Vakuumhülle 5 (zur Isolierung) integriert werden. Der Vorteil gegenüber zwei separater Vakuumtanks (jeder Tank weist eine eigenständige Vakuumhülle auf) ist zum einen eine Reduzierung des benötigten Bauraums sowie zum anderen eine Reduzierung der Masse der notwendigen Vakuumhülle. Gleichzeitig garantiert die Trennung der beiden Innentanks 4, 6 eine Zweikanaligkeit der Treibstoffversorgung - bei Ausfall eines Innentanks 4, 6 garantiert der andere Innentank 4, 6 die halbe Reichweite. Das Design kann folgendes Verhalten im Fehlerfall aufweisen:

- Fehlerfall Außentank (Vakuumisolation defekt): Die Zweite Isolierung aus Multilayer oder Schaum (am Innentank 4, 6 oder Außentank 5) kann starken Wärmeeintrag und somit eine höhere Verdampfung des LH2 im Tank 5 als vom Verbraucher entnommen wird, verhindern.

- Fehlerfall eines Innentanks (Leckage): Bei Verlust eines Innentanks 4, 6 kann der andere Innentank 4, 6 noch voll funktionsfähig sein, so dass sich im Fehlerfall lediglich die Reichweite reduziert. Die Leckage im Innentank 4, 6 kann in einem Ausströmen des LH2 und Verdampfen resultieren; die intakte Isolierung des Außentanks 5 kann aber die weitere exzessive Verdampfung des ausströmenden LH2 verhindern; der Außentank 5 kann mit dem Innendruck des Innentanks 4, 6 beaufschlagt sein.

Essentiell bei einem zweikanaligem LH2-Systems kann es sein, dass die beiden LH2- Tanks 4, 6 nicht miteinander kommunizieren, sondern eigenständige Entnahmesysteme aufweisen. Somit kann im Fehlerfall noch die halbe Reichweite garantiert werden und ein Einzelinnentank 4, 6 kann jeden single failure des anderen Tanks 4, 6 und der Außenhülle 5 abfangen.

Analog zu der Zweikanaligkeit der Innentanks 4, 6 wird somit auch eine Zweikanaligkeit der Versorgungseinrichtung 7, 8 umgesetzt. Damit kann auch das Versagen einer Versorgungskapsel 7, 8 durch die andere Versorgungseinrichtung 7, 8 abgefangen werden. Durch eine geeignete Systemarchitektur kann eine große Anzahl an Fehlermöglichkeiten ab gefangen werden - der Ausfall eines Innentanks 4, 6 und einer Versorgungseinrichtung 7, 8 kann kompensiert werden (Kreuzverschaltungen möglich), siehe Tabelle:

Bezugszeichenli ste :

1 Kraftstoffsystem

2 Luftfahrzeug

3 Wasserstoff

4 Erster Innentank

5 Außentank

6 Zweiter Innentank

7 Erste Versorgungseinrichtung

8 Zweite Versorgungseinrichtung

9 Erster Kanal

10 Zweiter Kanal

11 Dritter Kanal

12 Vierter Kanal

13 Erstes Absperrventil

14 Zweites Absperrventil

15 Drittes Ab Sperrventil

16 Viertes Absperrventil

17 Zwischenraum

18 Erste Isolationsschicht

19 Zweite Isolationsschicht

20 Erste Versorgungsleitung

21 Zweite Versorgungsleitung

Claims

Patentansprüche

1. Kraftstoffsystem (1) zur Versorgung eines Luftfahrzeuges (2) mit Wasserstoff (3), umfassend

- einen ersten Innentank (4) zur Lagerung von Wasserstoff (3), und

- einen Außentank (5), gekennzeichnet durch

- einen zweiten Innentank (6) zur Lagerung von Wasserstoff (3), welcher von dem ersten Innentank (4) fluidisch getrennt ausgebildet ist, wobei

- der erste Innentank (4) und der zweite Innentank (6) in einem Inneren des Außentanks (5) gelagert sind, und

- der erste Innentank (4) und der zweite Innentank (6) separat voneinander mit einer ersten Versorgungseinrichtung (7) des Kraftstoffsystems (1) zur Versorgung des Luftfahrzeuges (2) mit Wasserstoff (3) fluidisch verbunden sind.

2. Kraftstoffsystem (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Versorgungseinrichtung (8) zur Versorgung des Luftfahrzeuges (2) mit Wasserstoff (3), wobei der erste Innentank (4) und der zweite Innentank (6) separat voneinander mit der zweiten Versorgungseinrichtung (8) fluidisch verbunden sind.

3. Kraftstoffsystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Innentank (4) über einen ersten Kanal (9) mit der ersten Versorgungseinrichtung (7) und über einen separaten, zweiten Kanal (10) mit der zweiten Versorgungseinrichtung (8) fluidisch verbunden ist, und/oder der zweite Innentank (6) über einen dritten Kanal (11) mit der ersten Versorgungseinrichtung (7) und über einen separaten, vierten Kanal (12) mit der zweiten Versorgungseinrichtung (8) fluidisch verbunden ist.

4. Kraftstoffsystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Versorgungseinrichtung (7) ein erstes Absperrventil (13) zum fluidischen Trennen oder Verbinden des ersten Kanals (9) und/oder ein zweites Absperrventil (14) zum fluidischen Trennen oder Verbinden des zweiten Kanals (10) aufweist, und/oder die zweite Versorgungseinrichtung (8) ein drittes Absperrventil (15) zum fluidischen Trennen oder Verbinden des dritten Kanals (11) und/oder ein viertes Absperrventil (16) zum fluidischen Trennen oder Verbinden des vierten Kanals (12) aufweist.

5. Kraftstoffsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenraum (17) zwischen dem Außentank (5) und dem ersten Innentank (4) und dem zweiten Innentank (6) evakuiert ist.

6. Kraftstoffsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Innentank (4) und/oder der zweite Innentank (6) eine erste Isolationsschicht (18) aufweist.

7. Kraftstoffsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außentank (6) eine zweite Isolationsschicht (19) aufweist.

8. Kraftstoffsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Innentank (4) und/oder der zweite Innentank (6) dazu ausgebildet ist/sind, Wasserstoff (3) kryogen zu lagern.

9. Kraftstoffsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Innentank (4) und/oder der zweite Innentank (6) modular ausgebildet ist/sind und der Außentank (5) reversibel aufschließbar ist, sodass der erste Innentank und/oder der zweite Innentank austauschbar ist/sind.

10. Kraftstoffsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Versorgungseinrichtung (7) und/oder die zweite Versorgungseinrichtung (8) dazu ausgebildet ist/sind, flüssigen Wasserstoff (3) aus dem ersten Innentank (4) und/oder aus dem zweiten Innentank (6) zu entnehmen.

11. Kraftstoffsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Sensoreinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, eine Störung des ersten Innentanks (4) und/oder des zweiten Innentanks (6) und/oder des Außentanks (5) zu erfassen.

12. Kraftstoffsystem (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Störung der ersten Versorgungseinrichtung (7) und/oder der zweiten Versorgungseinrichtung (8) zu erfassen.

13. Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend die Schritte:

- Versorgen des Luftfahrzeuges (2) mit Wasserstoff (3) aus dem ersten Innentank (4) bei einer Störung des zweiten Innentanks (6), oder Versorgen des Luftfahrzeuges (2) mit Wasserstoff (3) aus dem zweiten Innentank (6) bei einer Störung des ersten Innentanks (4).

14. Verfahren nach Anspruch 13, umfassend die Schritte:

- Versorgen des Luftfahrzeuges (2) mit Wasserstoff (3) über die erste Versorgungseinrichtung (7) bei einer Störung der zweiten Versorgungseinrichtung (8), oder Versorgen des Luftfahrzeuges (2) mit Wasserstoff (3) über die zweite Versorgungseinrichtung (8) bei einer Störung der ersten Versorgungseinrichtung (7).

15. Luftfahrzeug (2) mit einem Kraftstoffsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.