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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffversorgungsanlage
für ein
Brennstoffzellensystem, die insbesondere zum Einsatz in einem Flugzeug
geeignet ist, sowie ein mit einer derartigen Brennstoffversorgungsanlage
ausgestattetes Brennstoffzellensystem.
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Brennstoffzellensysteme
ermöglichen
es, emissionsarm und mit einem hohen Wirkungsgrad elektrischen Strom
zu erzeugen. Daher gibt es gegenwärtig auch im Flugzeugbau Bestrebungen, Brennstoffzellensysteme
zur Erzeugung der an Bord eines Flugzeugs benötigten elektrischen Energie
heranzuziehen. Beispielsweise ist es denkbar, die derzeit zur Bordstromversorgung
eingesetzten, von den Haupttriebwerken oder der Hilfsturbine angetriebenen
Generatoren durch ein Brennstoffzellensystem zu ersetzen. Darüber hinaus
könnte
ein Brennstoffzellensystem auch zur Notstromversorgung des Flugzeugs
verwendet werden und die bisher als Notstromaggregat eingesetzte
Ram Air Turbine (RAT) ersetzen.
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Brennstoffzellen
umfassen üblicherweise
einen Kathodenbereich sowie einen durch einen Elektrolyt von dem
Kathodenbereich getrennten Anodenbereich. Im Betrieb der Brennstoffzelle
wird der Anodenseite der Brennstoffzelle ein Brennstoff, beispielsweise
Wasserstoff, und der Kathodenseite der Brennstoffzelle ein sauerstoffhaltiges
Oxidationsmittel, beispielsweise Luft zugeführt. Bei einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle reagieren
die Wasserstoffmoleküle
an einem im Anodenbereich vorhandenen Anodenkatalysator beispielsweise nach
der Gleichung H2 → 2·H+ + 2·e– und
geben dabei unter Bildung von positiv geladenen Wasserstoffionen
Elektronen an die Elektrode ab.
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Die
im Anodenbereich gebildeten H+-Ionen diffundieren
anschließend
durch den Elektrolyt zur Kathode, wo sie an einem im Kathodenbereich
vorhandenen Kathodenkatalysator mit dem der Kathode zugeführten Sauerstoff
sowie den über
einen äußeren Stromkreis
zur Kathode geleiteten Elektronen nach der Gleichung 0,5·O2 + 2·H+ + 2·e– – H2O zu Wasser reagieren.
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Der
zur Versorgung der Brennstoffzelle benötigte Wasserstoff kann beispielsweise
in einem Flüssigwasserstofftank
oder einem zur Speicherung von Wasserstoffgas unter erhöhtem Druck
geeigneten Druckspeichertank an Bord des Flugzeugs mitgeführt werden.
Grundsätzlich
kann der Wasserstofftank außerhalb
des beheizten und bedruckten Bereichs des Flugzeugs untergebracht
werden. Im unbedruckten Bereich des Flugzeugs ist eine ausreichende
Ventilation des Tanks einfacher zu realisieren, so dass bei einer
Leckage im Tanksystem eine Akkumulation einer kritischen Wasserstoffmenge
weniger wahrscheinlich ist.
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Die
Unterbringung des Wasserstofftanks im unbedruckten Bereich des Flugzeugs
hat jedoch den Nachteil, dass das Tanksystem starken Temperatur- und
Druckschwankungen ausgesetzt ist, die zu einer Beschädigung von
Systemkomponenten führen
und somit die Verfügbarkeit
des Systems beeinträchtigen können. Eine
Einschränkung
der Systemverfügbarkeit
ist jedoch insbesondere dann nicht tolerierbar, wenn das von dem
Wasserstofftank mit Brennstoff versorgte Brennstoffzellensystem
sicherheitsrelevante Funktionen erfüllt. Dies ist beispielsweise
der Fall, wenn das Brennstoffzellensystem anstelle einer RAT als
Notstromaggregat eingesetzt werden soll.
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Um
die für
sicherheitsrelevante Anwendungen an Bord eines Flugzeugs erforderliche
hohe Systemverfügbarkeit
für ein
von einem Wasserstofftanksystem mit Brennstoff versorgtes Brennstoffzellensystem
zu gewährleisten,
wird es daher angestrebt, den Wasserstofftank im bedruckten Bereich
des Flugzeugs anzuordnen. Aufgrund der im Vergleich zum unbedruckten
Bereich schlechteren Ventilation des bedruckten Flugzeugsbereichs
sind dann jedoch spezielle Sicherheitsvorkehrungen erforderlich,
um durch aus dem Wasserstofftanksystem entweichendenden Wasserstoff
verursachte Sicherheitsrisiken zu vermeiden. Insbesondere verlangen
die Sicherheits- und Bauvorschriften in der Luftfahrt, dass ein Einfach-Fehler
nicht zum Verlust des Flugzeugs führen darf (wie z. B. bei einer
unkontrollierbare Leckage im Wasserstofftanksystem). Darüber hinaus
darf die Wahrscheinlichkeit für
ein gleichzeitiges Auftreten von unabhängigen Fehlern, die zum Verlust
des Flugzeugs führen,
nicht größer als
10E-9 pro Flugstunde sein.
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Um
die geforderten Sicherheitsziele erreichen zu können, muss zunächst eine
unkontrollierbare Wasserstoffleckage durch Bersten des Tankbehälters ausgeschlossen werden.
Dies kann durch eine entsprechende Qualifizierung sichergestellt
werden. Der Fehlerfall eines unbeabsichtigten Öffnens oder eines Versagens
eines Tankisolationsventils kann dagegen durch die Bereitstellung
eines zusätzlichen Wasserstoffkonzentrationssensors
zur Erfassung von Wasserstoffleckagen abgesichert werden. Ferner
können
mehrere, d. h. mindestens zwei serielle Tankisolationsventile vorgesehen
werden. Die Bereitstellung eines zusätzlichen Wasserstoffkonzentrationssensors
und/oder mindestens zweier serieller Tankisolationsventile hat jedoch
zwangsläufig
eine Erhöhung
der Systemkomplexität
und damit gegebenenfalls eine unerwünschte Einschränkung der
Systemverfügbarkeit
zur Folge.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere
zum Einsatz in einem Flugzeug geeignete Brennstoffversorgungsanlage für ein Brennstoffzellensystem
bereitzustellen, die eine sichere Anordnung eines Brennstofftanksystems
im bedruckten Bereich des Flugzeugs ermöglicht, ohne die Systemverfügbarkeit
zu beeinträchtigen.
Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein mit einer derartigen
Brennstoffversorgungsanlage ausgestattetes Brennstoffzellensystem
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Brennstoffversorgungsanlage mit den im Anspruch
1 angegebenen Merkmalen sowie ein Brennstoffzellensystem mit den
in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Eine
erfindungsgemäße Brennstoffversorgungsanlage
für ein
Brennstoffzellensystem, die insbesondere zum Einsatz in einem Flugzeug
geeignet ist, umfasst einen Brennstofftank, beispielsweise einen
zur Speicherung von Wasserstoffgas unter erhöhtem Druck geeigneten Druckspeichertank,
der dazu vorgesehen ist, in einem bedruckten Bereich des Flugzeugs
angeordnet zu werden. Eine Zufuhrleitung verbindet den Brennstofftank
mit einem Einlass einer Brennstoffzelle. Beispielsweise kann die Zufuhrleitung
den Brennstofftank mit einem Brennstoffeinlass eines Anodenbereichs
der Brennstoffzelle verbinden. In der Zufuhrleitung ist ein Tankisolationsventil
angeordnet, das dazu dient, eine Fluidverbindung zwischen dem Brennstofftank
und dem Einlass der Brennstoffzelle herzustellen beziehungsweise
zu unterbrechen. Eine Abfuhrleitung der erfindungsgemäßen Brennstoffversorgungsanlage
verbindet einen Auslass der Brennstoffzelle mit der Außenatmosphäre. Beispielsweise
kann die Abfuhrleitung mit einem Anodenabgasanschluss der Brennstoffzelle
verbunden sein. Schließlich
umfasst die erfindungsgemäße Brennstoffversorgungsanlage
einen Sensor zur Erfassung einer elektrischen Spannung in der Brennstoffzelle.
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Wenn
bei der erfindungsgemäßen Brennstoffversorgungsanlage
der Fehlerfall eines unbeabsichtigten Öffnens oder eines Versagens
des Tankisolationsventils auftritt, strömt Brennstoff, beispielsweise
Wasserstoff, aus dem Brennstofftank durch die Zufuhrleitung in die
Brennstoffzelle, d. h. beispielsweise in einen Anodenbereich der
Brennstoffzelle. In der Brennstoffzelle wird der Brennstoff chemisch
umgesetzt, was zu einem Spannungsanstieg in der Brennstoffzelle
führt.
Beispielsweise reagiert dem Anodenbereich der Brennstoffzelle zugeführter Wasserstoff
mit im Ruhezustand der Brennstoffzelle im Kathodenbereich der Brennstoffzelle
vorhandenem Luftsauerstoff. Die bei dieser Reaktion erzeugte elektrische
Energie kann von dem Spannungssensor detektiert werden. Der Spannungssensor
ermöglicht somit
eine zuverlässige
Erfassung einer durch ein unbeabsichtigtes Öffnen oder ein Versagen des
Tankisolationsventils verursachten Wasserstoffleckage. Auf einen
zusätzlichen
Wasserstoffkonzentrationssensor zur Erfassung einer derartigen Wasserstoffleckage
kann daher bei der erfindungsgemäßen Brennstoffversorgungsanlage
verzichtet werden.
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In
der Brennstoffzelle nicht umgesetzter Wasserstoff wird über die
Abfuhrleitung aus der Brennstoffzelle in einen gut ventilierten
nicht bedruckten Bereich des Flugzeugs oder unmittelbar in die Außenatmosphäre abgeführt. Eine
durch ein unbeabsichtigtes Öffnen
oder ein Versagen des Tankisolationsventils verursachte unkontrollierbare
Wasserstoffleckage kann somit zuverlässig vermieden werden. Infolgedessen
kann auf die Bereitstellung eines zweiten Tankisolationsventils
verzichtet und dadurch die Systemverfügbarkeit in vorteilhafter Weise erhöht werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Brennstoffversorgungsanlage
kann der Brennstofftank sicher im bedruckten Bereich des Flugzeugs
angeordnet werden. Dadurch wird vermieden, dass das Tanksystem den
starken Temperatur- und Druckschwankungen im unbedruckten Bereich
des Flugzeugs ausgesetzt ist, was sich vorteilhaft auf die Zuverlässigkeit
und die Lebensdauer der Systemkomponenten auswirkt. Gleichzeitig
können
mit der erfindungsgemäßen Brennstoffversorgungsanlage
die erforderlichen Sicherheitsziele erreicht werden, ohne die Systemkomplexität zu erhöhen und
dadurch die Systemverfügbarkeit
zu beeinträchtigen.
Die erfindungsgemäßen Brennstoffversorgungsanlage
ist daher besonders gut zur Brennstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems
geeignet, das sicherheitsrelevante Funktionen erfüllen und
beispielsweise anstelle einer konventionellen RAT als Notstromaggregat
eingesetzt werden soll.
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Vorzugsweise
ist in der Abfuhrleitung der erfindungsgemäßen Brennstoffversorgungsanlage
ein erstes Überdruckventil
angeordnet. Das erste Überdruckventil
kann beispielsweise in Form einer Berstscheibe ausgebildet und so
ausgelegt sein, dass es die Abfuhrleitung freigibt, wenn der Druck
in der Abfuhrleitung einen vorbestimmten kritischen Schwellenwert überschreitet.
Dadurch wird sichergestellt, dass durch ein unbeabsichtigtes Öffnen oder
ein Versagen des Tankisolationsventils in die Brennstoffzelle zugeführter Brennstoff über die
Abfuhrleitung in die Außenatmosphäre abgeführt werden
kann, bevor der Brennstoffdruck in der Abfuhrleitung einen sicherheitskritischen
Wert erreicht.
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Der
Auslass der Brennstoffzelle kann über eine Zirkulationsleitung
mit dem Einlass der Brennstoffzelle verbunden sein. Beispielsweise
kann die Rezirkulationsleitung einen Anodenabgasauslass der Brennstoffzelle
mit einem Brennstoffeinlass des Anodenbereichs der Brennstoffzelle
verbinden.
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In
der Rezirkulationsleitung kann/können
ein Wasserabscheider und/oder eine Rezirkulationspumpe angeordnet
sein. Der Wasserabscheider dient dazu, aus dem Auslass der Brennstoffzelle
austretendes Abgas vor der Rückführung zum
Einlass der Brennstoffzelle zu entfeuchten. Das dabei gewonnene
Wasser kann aus dem Wasserabscheider abgeführt oder beispielsweise zur
Befeuchtung einer Elektrolytmembran der Brennstoffzelle genutzt
werden. Die Rezirkulationspumpe sorgt im Betrieb der Brennstoffzelle
für eine
ausreichende Brennstoffzufuhr.
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Der
Wasserabscheider kann über
eine erste Verbindungsleitung stromaufwärts von dem ersten Überdruckventil
mit der Abfuhrleitung verbunden sein. Vorzugsweise ist in der ersten
Verbindungsleitung ein Spülventil
angeordnet. Bei einer derartigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffversorgungsanlage
kann in dem Wasserabscheider aus dem Brennstoffzellenabgas abgeschiedenes Wasser
bei geöffnetem
Spülventil über die
erste Verbindungsleitung und die Abfuhrleitung aus der Rezirkulationsleitung
abgeführt
werden. Mit Ausnahme der Spülzyklen
ist das Spülventil
jedoch geschlossen, so dass gewährleistet
ist, dass Brennstoff, der durch ein unbeabsichtigtes Öffnen oder
ein Versagen des Tankisolationsventils über die Zufuhrleitung in die
Brennstoffzelle zugeführt
wird, sicher über
die Abfuhrleitung in den gut ventilierten nicht bedruckten Bereich
des Flugzeugs und direkt in die Außenatmosphäre abgeführt werden kann.
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Vorzugsweise
zweigt die Abfuhrleitung stromaufwärts von dem Wasserabscheider
von der Rezirkulationsleitung ab. Dadurch kann auf einen zusätzlichen
Auslassanschluss der Brennstoffzelle zur Verbindung der Brennstoffzelle
mit der Abfuhrleitung verzichtet werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brennstoffversorgungsanlage verbindet
eine Sicherheitsleitung den zur Anordnung im bedruckten Bereich
des Flugzeugs vorgesehenen Brennstofftank mit dem nicht bedruckten
Bereich des Flugzeugs und/oder der Außenatmosphäre. In der Sicherheitsleitung
kann ein zweites Überdruckventil angeordnet
sein. Das beispielsweise ebenfalls in Form einer Berstscheibe ausgebildete
zweite Überdruckventil
dient dazu, den Brennstofftank mit dem gut ventilierten nicht bedruckten
Bereich des Flugzeugs oder direkt mit der Außenatmosphäre zu verbinden, wenn ein Brennstoffdruck
in der Sicherheitsleitung einen vorbestimmten kritischen Schwellenwert überschreitet.
Die Sicherheitsleitung kann beispielsweise mit einer in einer Außenhülle des
Flugzeugs vorgesehenen Druckablassöffnung verbunden sein. Die
Druckablassöffnung
kann mit einem Verschlussindikator versehen sein, um das Ablassen von
Brennstoff aus dem Brennstofftank visuell detektierbar zu machen.
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Die
Abfuhrleitung der erfindungsgemäßen Brennstoffversorgungsanlage
kann in die Sicherheitsleitung münden.
Dadurch kann auf die Bereitstellung einer separaten, beispielsweise
in der Flugzeugaußenhülle ausgebildeten
Druckablassöffnung für die Abfuhrleitung
verzichtet werden.
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In
der Sicherheitsleitung ist vorzugsweise ein Filterelement angeordnet.
Das Filterelement befindet sich vorzugsweise in der Nähe der beispielsweise
in der Flugzeugaußenhülle ausgebildeten
Druckablassöffnung
und stromabwärts
von der Abzweigung der Abfuhrleitung und verhindert das Eintreten
von Schmutz in die Sicherheitsleitung und die Abfuhrleitung.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brennstoffversorgungsanlage ist
die Zufuhrleitung stromabwärts
von dem in der Zufuhrleitung angeordneten Tankisolationsventil über eine
zweite Verbindungsleitung mit der Sicherheitsleitung verbunden.
In der zweiten Verbindungsleitung kann ein beispielsweise ebenfalls
in Form einer Berstscheibe ausgebildetes drittes Überdruckventil angeordnet
sein.
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Ein
Leitungsquerschnitt der Zufuhrleitung ist vorzugsweise so gewählt und
das in der zweiten Verbindungsleitung angeordnete dritte Überdruckventil ist
vorzugsweise so dimensioniert, dass das dritte Überdruckventil geöffnet wird,
wenn ein Druck in der Zufuhrleitung einen vorbestimmten kritischen
Druck überschreitet.
Bei einer derartigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffversorgungsanlage kann
somit über
die Zufuhrleitung aus dem Brennstofftank austretender Brennstoff
beim Überschreiten des
ein Öffnen
des dritten Überdruckventils
bewirkenden kritischen Drucks unmittelbar über die Sicherheitsleitung
aus dem bedruckten Bereich des Flugzeugs abgeführt werden, ohne vorher durch
die Brennstoffzelle geleitet werden zu müssen. Der kritische Druck zum Öffnen des
dritten Überdruckventils kann
beispielsweise größer sein
als der kritische Druck zum Öffnen
des ersten Überdruckventils.
Bei geringen Brennstoffleckagen kann der Brennstoff dann über die
Brennstoffzelle und die Abfuhrleitung aus dem bedruckten Bereich
des Flugzeugs abgeführt
werden, während
bei größeren Leckagen
eine unmittelbare Brennstoffabfuhr über die zweite Verbindungsleitung
und die Sicherheitsleitung möglich
ist.
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In
der Zufuhrleitung ist vorzugsweise mindestens ein Druckreduktionsventil
angeordnet. Beispielsweise kann stromabwärts von dem Tankisolationsventil
ein erstes Druckreduktionsventil in der Zufuhrleitung vorgesehen
sein, das den Brennstoffdruck in der Zufuhrleitung von beispielsweise
350 bar auf beispielsweise 9 bar verringert. Wenn ein das Tankisolationsventil
sowie das erste Druckreduktionsventil umfassender Ventilblock als
integrierter Systembestandteil des Brennstofftanksystems ausgebildet
ist, wirkt das erste Druckreduktionsventil als Schnittstellenventil,
das einen brennstofftankseitigen Hochdruckbereich des Systems von
einem Niederdruckbereich des Systems trennt. Beispielsweise können das
Tankisolationsventil und das erste Druckreduktionsventil innenliegend
im Brennstofftankbehälter
ausgeführt
sein. Dadurch kann eine Schnittstelle zwischen dem Brennstofftank
und der außerhalb
des Brennstofftanks angeordneten Systemkomponenten in vorteilhafter
Weise als Niederdruckschnittstelle ausgebildet sein.
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Stromabwärts von
dem ersten Druckreduktionsventil kann in der Zufuhrleitung ein zweites Druckreduktionsventil
angeordnet sein, das den Druck in der Zufuhrleitung von beispielsweise
9 bar auf beispielsweise 3 bar reduziert. Durch das zweite Druckreduktionsventil
kann sichergestellt werden, dass dem Anodenbereich der Brennstoffzelle
Brennstoff mit dem gewünschten
Druck zugeführt
wird. Das zweite Druckreduktionsventil kann ebenfalls als integrierter
Bestandteil des Brennstofftanksystems ausgebildet und z. B. innenliegend
im Brennstofftankbehälter
ausgeführt
sein.
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Bei
der erfindungsgemäßen Brennstoffversorgungsanlage
ist ein in dem Brennstofftank gespeicherter Brennstoff, beispielsweise
Wasserstoff, odoriert. Durch die zusätzliche Odorierung des Brennstoffs
wird die Systemsicherheit erhöht,
da eine Brennstoffleckage durch den Geruch des odorierten Brennstoffs
einfacher und rascher erkennbar ist. Vorzugsweise ist der in dem
Brennstofftank gespeicherte Brennstoff so odoriert, so dass eine
Brennstoffleckage bereits bei 20% des Lower Flammability Limits (LFL) "riechbar" ist.
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Ein
erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem
umfasst eine oben beschriebene Brennstoffversorgungsanlage.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der beigefügten schematischen
Figur näher
erläutert,
die eine zum Einsatz an Bord eines Flugzeugs vorgesehene Brennstoffversorgungsanlage
für ein
Brennstoffzellensystem zeigt.
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In
der Figur umfasst eine Brennstoffversorgungsanlage 10,
die in einem bedruckten Bereich 11 eines Flugzeugs angeordnet
ist, einen zur Speicherung von Wasserstoffgas unter erhöhtem Druck
geeigneten Brennstofftank 12. Der Brennstofftank 12 ist über eine
Zufuhrleitung 14 mit einem Brennstoffeinlass 16 einer
Brennstoffzelle 18 verbunden.
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Die
anstelle einer konventionellen RAT als Notstromaggregat dienende
Brennstoffzelle 18 ist als Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle
ausgebildet und umfasst einen mit dem Brennstoffeinlass 16 verbundenen
Anodenbereich, der durch eine Polymerelektrolytmembran von einem
Kathodenbereich getrennt ist. Ein Anodenabgasauslass 20 der
Brennstoffzelle 18 ist mit einer Rezirkulationsleitung 22 verbunden, über die
im Betrieb der Brennstoffzelle 18 aus dem Anodenabgasauslass 20 austretendes
Anodenabgas zum Brennstoffeinlass 16 der Brennstoffzelle 18 zurückgeführt werden
kann.
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In
der Rezirkulationsleitung 22 ist ein Wasserabscheider 24 angeordnet.
Der Wasserabscheider 24 dient dazu, im Betrieb der Brennstoffzelle 18 aus
dem Anodenabgasauslass 20 austretendes Anodenabgas zu entfeuchten.
Stromabwärts
von dem Wasserabscheider 24 ist in der Rezirkulationsleitung 22 eine
Rezirkulationspumpe 26 angeordnet. Die Rezirkulationspumpe 26 sorgt
im Betrieb der Brennstoffzelle 18 für eine ausreichende Brennstoffzufuhr
zum Anodenbereich der Brennstoffzelle 18.
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In
der den Brennstofftank 12 mit dem Brennstoffeinlass 16 der
Brennstoffzelle 18 verbindenden Zufuhrleitung 14 ist
ein Tankisolationsventil 28 angeordnet. Stromaufwärts von
dem Tankisolationsventil 28 steht die Zufuhrleitung 14 mit
einem Temperatursensor 30 sowie einem Drucksensor 32 zur
Erfassung der Temperatur und des Drucks in der Zufuhrleitung 14 in
Verbindung.
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Stromabwärts von
dem Tankisolationsventil 28 ist in der Zufuhrleitung 14 ein
erstes Druckreduktionsventil 34 angeordnet, das den Druck
in der Zufuhrleitung 14 von ca. 350 bar auf ca. 9 bar reduziert. Das
erste Druckreduktionsventil 34 bildet somit ein Schnittstellenventil,
das einen den Brennstofftank 12 sowie einen integriert
mit dem Brennstofftank 12 ausgebildeten Ventilblock 36 umfassenden
Hochdruckbereich 38 der Anlage 10 von einem Niederdruckbereich 40 der
Anlage 10 trennt.
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Stromabwärts von
dem ersten Druckreduktionsventil 34 ist in der Zufuhrleitung 14 ein
zweites Druckreduktionsventil 42 angeordnet, das den Druck in
der Zufuhrleitung 14 von ca. 9 bar auf ca. 3 bar reduziert.
Das zweite Druckreduktionsventil 42 sorgt somit dafür, dass
dem Brennstoffzelleneinlass 16 der Brennstoffzelle 18 im
Betrieb der Brennstoffzelle 18 Wasserstoff mit dem gewünschten
Druck zugeführt wird.
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Die
Brennstoffversorgungsanlage 10 umfasst ferner einen Spannungssensor 44,
der eine elektrische Spannung in der Brennstoffzelle 18 erfasst.
Von dem Spannungssensor 44 ausgegebenen Signale können an
eine in der Figur nicht gezeigte elektronische Steuereinheit übermittelt
und von der elektronischen Steuereinheit entsprechend ausgewertet
werden.
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Stromaufwärts von
dem Wasserabscheider 24 und der Rezirkulationspumpe 26 zweigt
von der Rezirkulationsleitung 22 eine Abfuhrleitung 46 ab. Die
Abfuhrleitung 46 verbindet den Anodenabgasauslass 20 der
Brennstoffzelle 18 mit einer Sicherheitsleitung 48.
Ein erstes Ende der Sicherheitsleitung 48 ist mit dem Brennstofftank 12 verbunden.
Ein zweites Ende der Sicherheitsleitung 48 mündet dagegen über eine
in einer Flugzeugaußenhülle 50 ausgebildete
Druckablassöffnung
in die Außenatmosphäre. Im Bereich
der Druckablassöffnung
ist eine Düse 52 vorgesehen,
die dazu dient, das Ablassen von Wasserstoff aus dem Brennstofftank 12 über die Sicherheitsleitung 48 sichtbar
zu machen. Stromaufwärts
von der Düse 52 ist
in der Sicherheitsleitung 48 ein Filterelement 54 angeordnet.
Das Filterelement 54 verhindert das Eintreten von Schmutz
in die Sicherheitsleitung 48 und die Abfuhrleitung 46.
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In
der Abfuhrleitung 46 ist ein in Form einer Berstscheibe
erstes Überdruckventil 56 angeordnet. Das
erste Überdruckventil 56 ist
so ausgelegt, dass es den Anodenauslass 20 der Brennstoffzelle 18 über die
Abfuhrleitung 46 und die Sicherheitsleitung 48 mit
der Außenatmosphäre verbindet,
wenn ein Druck in der Abfuhrleitung 46 einen vorbestimmten kritischen
Schwellenwert überschreitet.
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Der
in der Rezirkulationsleitung 22 angeordnete Wasserabscheider 24 ist über eine
erste Verbindungsleitung 58 mit der Abfuhrleitung 46 verbunden. In
der ersten Verbindungsleitung 58 ist ein Spülventil 60 angeordnet.
Im Betrieb der Brennstoffzelle 18 kann somit bei geöffnetem
Spülventil 60 in
dem Wasserabscheider 24 aus dem Anodenabgas der Brennstoffzelle 18 abgeschiedenes
Wasser über
die erste Verbindungsleitung 58, die Abfuhrleitung 46 und
die Sicherheitsleitung 48 in die Außenatmosphäre abgeführt werden. Mit Ausnahme dieser
Spülzyklen
ist das Spülventil 60 jedoch
geschlossen.
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In
der den Brennstofftank 12 mit der Außenatmosphäre verbindenden Sicherheitsleitung 48 ist ein
ebenfalls in Form einer Berstscheibe ausgebildetes zweites Überdruckventil 62 angeordnet.
Das zweite Überdruckventil 62 gibt
die Sicherheitsleitung 48 und damit eine Fluidverbindung
zwischen dem Brennstofftank 12 und der Außenatmosphäre frei, wenn
ein Druck in der Sicherheitsleitung 48 einen vorbestimmten
kritischen Schwellenwert überschreitet.
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Stromabwärts von
dem ersten Druckreduktionsventil 34 zweigt von der Zufuhrleitung 14 eine zweite
Verbindungsleitung 64 ab, die stromabwärts von dem zweiten Überdruckventil 62 in
die Sicherheitsleitung 48 mündet. In der zweiten Verbindungsleitung 64 ist
ein drittes Überdruckventil 66 angeordnet.
Ein Leitungsquerschnitt der Zufuhrleitung 14 ist so gewählt und
das ist ebenfalls in Form einer Berstscheibe ausgebildete dritte Überdruckventil 66 ist
so dimensioniert, dass das dritte Überdruckventil 66 die zweite
Verbindungsleitung 64 und damit eine Fluidverbindung zwischen
der Zufuhrleitung 14 und der Sicherheitsleitung 48 freigibt,
wenn ein Druck in der Zufuhrleitung 14 einen vorbestimmten
kritischen Schwellenwert überschreitet.
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Das
Tankisolationsventil 28 und das Spülventil 60 der Brennstoffversorgungsanlage 10 sind
jeweils als Solenoidventile ausgebildet und können beispielsweise mittels
einer in der Figur nicht gezeigten elektronischen Steuereinheit
angesteuert werden.
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Im
Folgenden wird die Funktionsweise der Brennstoffversorgungsanlage 10 erläutert. Im
Betrieb der als Notstromaggregat dienenden Brennstoffzelle 18 wird
dem Brennstoffeinlass 16 der Brennstoffzelle 18 über die
Zufuhrleitung 14 bei geöffnetem
Tankisolationsventil 28 Wasserstoff zugeführt. Der
Druck des der Brennstoffzelle 18 zugeführten Wasserstoffs wird dabei
durch die Druckreduktionsventile 34, 42 gesteuert.
In der Brennstoffzelle 18 wird der Wasserstoff mit dem
Kathodenbereich der Brennstoffzelle 18 zugeführtem Luftsauerstoff
unter Erzeugung elektrischer Energie chemisch umgesetzt.
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Aus
dem Anodenabgasauslass 20 der Brennstoffzelle 18 austretendes
Anodenabgas wird mit Hilfe der Rezirkulationspumpe 26 über die
Rezirkulationsleitung 22 zum Brennstoffeinlass 16 der Brennstoffzelle 18 zurückgeführt. In
dem Anodenabgas enthaltenes Wasser wird mittels des in der Rezirkulationsleitung 22 angeordneten
Wasserabscheiders 24 aus dem Anodenabgas abgeschieden.
Zur Entfernung des Wassers aus dem Wasserabscheider 24 wird
das Spülventil 60 geöffnet, so
dass das Wasser aus dem Wasserabscheider 24 über die
erste Verbindungsleitung 58, die Abfuhrleitung 46 und
die Sicherheitsleitung 48 in die Außenatmosphäre abgeführt werden kann.
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Da
die Brennstoffzelle 18 als Notstromaggregat dient, befindet
sich die Brennstoffzelle 18 im normalen Boden- und Flugbetrieb
des Flugzeugs außer Betrieb.
Während
dieser Ruhephasen muss jedoch sichergestellt werden, dass ein unbeabsichtigtes Öffnen oder
ein Versagen des Tankisolationsventils 28 nicht zu einem
Sicherheitsrisiko führt,
das gegebenenfalls einen Verlust des Flugzeugs zur Folge hat. Darüber hinaus
muss ein unbeabsichtigtes Öffnen oder
ein Versagen des Tankisolationsventils detektiert werden, um durch
gezielte Wartung die Systemverfügbarkeit
erhöhen
zu können.
Im Fehlerfall eines unbeabsichtigten Öffnens oder eines Versagens
des Tankisolationsventils 28 wird dem Brennstoffeinlass 16 der
Brennstoffzelle 18 über
die Zufuhrleitung 14 aus dem Brennstofftank 12 Wasserstoff
zugeführt.
In der Brennstoffzelle 18 reagiert dieser Wasserstoff mit im
Kathodenbereich der Brennstoffzelle vorhandenem Luftsauerstoff.
Diese chemische Reaktion in der Brennstoffzelle 18 führt, ähnlich wie
im Betrieb der Brennstoffzelle 18, zu einem Anstieg der
elektrischen Spannung in der Brennstoffzelle 18, der mit
Hilfe des Spannungssensors 44 erfasst werden kann.
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In
der Brennstoffzelle 18 nicht umgesetzter Wasserstoff tritt über den
Anodenabgasauslass 20 aus der Brennstoffzelle 18 aus
und gelangt über
die Rezirkulationsleitung 22 in die Abfuhrleitung 46. Wenn
der Wasserstoffdruck in der Abfuhrleitung 46 den vorbestimmten
kritischen Druckschwellenwert überschreitet,
gibt das erste Überdruckventil 56 die Abfuhrleitung 46 frei.
Da das Spülventil 60 geschlossen
ist, kann der aus dem Anodenabgasauslass 20 der Brennstoffzelle 18 austretende
Wasserstoff somit über
die Abfuhrleitung 46 und die Sicherheitsleitung 48 sicher
in die Außenatmosphäre abgeführt werden. Die
Ausgestaltung der Brennstoffversorgungsanlage 10 ermöglicht somit
den Verzicht auf einen zusätzlichen
Wasserstoffkonzentrationssensor sowie den Verzicht auf ein zweites
Tankisolationsventil.
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Im
Fall einer größeren Leckage
des Tankisolationsventils 28, die einen Wasserstoffdruckanstieg in
der Zufuhrleitung 14 über
den zum Öffnen
des dritten Überdruckventils 66 erforderlichen
Druckschwellenwert zur Folge hat, wird durch das Öffnen des
dritten Überdruckventils 66 sichergestellt,
dass der aus dem Brennstofftank 12 austretende Wasserstoff
sicher über
die zweite Verbindungsleitung 64 und die Sicherheitsleitung 48 in
die Außenatmosphäre abgeführt werden
kann. Durch die zweite Verbindungsleitung 64 und das in
der zweiten Verbindungsleitung 64 angeordnete dritte Überdruckventil 66 kann
somit die Sicherheit der Brennstoffversorgungsanlage 10 weiter
erhöht
werden.