WO2009043775A2 - Brennstoffzellensystem mit saugbetrieb für ein luftfahrzeug - Google Patents

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WO2009043775A2
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Ulrich Rieger
Claus Hoffjann
Hansgeorg Schuldzig
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Definitions

  • the invention relates to the supply in aircraft testify.
  • the invention relates to a fuel cell system for an aircraft, a method for operating such a fuel cell system, an aircraft with a
  • Known fuel cell systems for operation in a human respirable atmosphere are generally supplied with air, oxygen and hydrogen.
  • air, oxygen and hydrogen In order to provide the necessary air flow for a complete conversion of the hydrogen and thus the necessary amount of oxygen, fans or compressors are used on the air side. These systems usually operate with excess air.
  • compressors require energy for operation, eg. As electrical energy, are emitting noise and increase the overall weight of the system.
  • compressors contain moving parts that are subject to wear. This can reduce the overall reliability of such a system.
  • vacuum sewage systems For the disposal of wastewater from the passenger area so-called vacuum sewage systems are used in today's commercial aircraft. These systems transport fecal matter by means of the transport medium air, which flows at cruising altitude through the pressure difference between the aircraft environment and the cabin pressure from the on-board toilet in the waste water tank.
  • the wastewater tank is connected directly to the outside air,
  • the pressure difference required for the transport of faeces is generated by a vacuum generator.
  • the wastewater tanks used are generally designed as pressure tanks, which are designed for operation at the maximum possible pressure difference.
  • an automotive vehicle fuel cell system having a fuel cell supply module and a suction module for sucking oxygen or an oxygen-containing gas mixture (such as / B, air) through the fuel cell unit.
  • the Brennstoffzellcnhim which is designed for example as a fuel cell stack, and a used in the aircraft Vacuum system (suction) can be combined with each other to provide the fuel cell system.
  • the function of a compressor can be replaced by the suction module (for example as a vacuum generator or in the form of an external air connection).
  • the suction module for example as a vacuum generator or in the form of an external air connection.
  • an energy management unit for controlling a suction power of the suction module, so that the suction power is adjustable independently of an altitude of the aircraft, wherein the suction module for sucking oxygen through the Brennstoffzcllencinhcit having a wastewater separator, which is designed as a pressure tank and connected to the aircraft environment for generating the required negative pressure, and further configured to receive wastewater from an on-board toilet or sink.
  • the supply module is designed to generate fresh water and electrical energy. So it can voluminous fresh water storage tanks that need to be replaced or refilled prior to start, omitted because the required fresh water can be generated on board during the flight. Since the supply module generates electrical energy via the fuel cell unit, additional power generators can be saved.
  • the supply module has a moisture heat exchanger for pre-wetting the oxygen sucked through the fuel cell unit.
  • the moisture heat exchanger can be embodied both as an external component and as a device integrated in the fuel cell unit or the fuel cell stack.
  • the suction module has a wastewater separator for receiving wastewater from an on-board toilet or a washbasin, wherein the wastewater separator is designed as a pressure tank.
  • the wastewater separator is connected via a corresponding valve to the aircraft environment, so that it can provide the necessary negative pressure at cruising altitude to allow the passage of air or oxygen through the fuel cell unit. In this case, no generator or pump is needed to create the suction effect.
  • an additional generator or an additional pump can be provided to achieve the suction effect.
  • the wastewater separator is designed in the form of a cyclone separator.
  • a separation of liquid and solid components of the air flow is achieved.
  • the wastewater enters, for example, tangentially into the wastewater separator, ie the cyclone separator.
  • the wastewater separator can also be of any other type that allows this separation.
  • the wastewater separator can be designed like a conventional aircraft wastewater tank.
  • due to the separation of the function of transport and collection of the waste water it only has to have a volume of a few flushes (the on-board toilet), which means a considerable weight saving.
  • the fuel cell system has a storage module for collecting the wastewater from the wastewater separator.
  • the wastewater separator is thus used only as a buffer.
  • the storage module according to another embodiment of the present invention, a wastewater storage tank, which is always exposed to a cabin pressure
  • the (large) wastewater storage tank can also be made of materials that can not withstand high pressures. This can lead to weight and cost savings.
  • the intake module and the storage module form part of a vacuum system for an on-board toilet.
  • the fuel cell system further comprises a fresh water module for storing the fresh water generated by the supply module.
  • the fresh water module u. a. from a cold water circuit and a hot water circuit with a heat exchanger.
  • the hot water circuit can be heated via the heat exchanger with waste heat falling off in the event of condensation in a condenser in the supply module or during the operation of an electrical consumer.
  • the cold water circuit and the hot water circuit are each designed to supply fresh water to the passengers or consumers in the aircraft.
  • the cold water circuit is designed with a control valve for supplying the hot water circuit.
  • a control valve for supplying the hot water circuit.
  • the amount of water in the hot water circuit can be controlled and regulated.
  • a control is provided for this purpose, which is integrated, for example, in the energy management unit described below.
  • the fresh water module has an ejector pump, for example a water jet pump, for equalizing a pressure level of an exit tail to a pressure level of an inlet cite of the condenser.
  • the fuel cell system has an energy management unit for controlling a suction power of the intake module, so that the suction power can be set independently of an altitude of the aircraft.
  • the energy management unit may control or regulate one or more valves which connect the wastewater separator of the suction module to the outside air.
  • the power management unit may be connected to a generator or a pump that provides the suction power when the udder should be too high.
  • the intake module is further designed to supply an airspace of the aircraft to be inerted with oxygen-depleted air from the supply module.
  • the oxygen-depleted air is generated by the fuel cell unit (which consumes atmospheric oxygen).
  • This oxygen depleted and nitrogen catcher air can then be used to inject space of the aircraft, fire fighting or fire prevention.
  • this air can be supplied to a fuel tank or ge / ielt be used for fire fighting.
  • further lines are provided, via which the oxygen-depleted air can be selectively supplied to a fire source.
  • the fuel cell system further comprises a pressure circuit and an outlet to the outside air of the aircraft, which are arranged in the space to be inerted are.
  • Weilerhin is a conduit for connecting the suction module provided with the space to be inerted, via which the saucrstoffabgeieicherle air can be supplied to the room.
  • the fuel cell system further includes an oxygen sensor for measuring an oxygen content in the cathode exhaust gas of the fuel cell unit. In this way, it can be determined, for example, whether the exhaust air discharged from the fuel cell unit can be used for extinguishing or ⁇ nerüsieren the room (ie, if the oxygen content is sufficiently low).
  • the power of the fuel cell can be increased, so that the oxygen content of the exhaust air lowers.
  • This suction is made possible by a suction module.
  • fresh water and electrical energy are generated by a supply module, wherein the supply module has a fuel cell unit
  • a flight with a fuel / clench system as described above there is provided a flight with a fuel / clench system as described above.
  • a fuel cell system described above in an aircraft is indicated.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a Brennstoffzellcnsystems according to another Arrangementsus Entitiesbci game of the present invention.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a vacuum pot system which forms part of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an aircraft according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 shows a schematic two-dimensional representation of a
  • the fuel cell system essentially has a suction module 101, a storage module 102, a supply module 103 and a fresh water module 104.
  • the present invention combines the fuel cell unit and the fuel cell stack 16 with a vacuum system, such as, for. B. is used in aircraft.
  • a vacuum system such as, for. B. is used in aircraft.
  • the function of a compressor is replaced by the vacuum generator 4 and the outside air connection 11, respectively.
  • the oxygen required for reaction with hydrogen in the fuel cell is drawn from the pressurized cabin area, through a moisture heat exchanger for pre-wetting, through the fuel cell 16.
  • the moisture-heat exchanger can be both an external component as well as a unit integrated in the fuel cell stack 16.
  • the fuel cell system may be chosen in size and layout that the amount of water to be delivered is directly adapted to the needs of the cabin crew. The energy generated by it can then fully cover the needs arising during cruise flight. The shortage of water and electrical energy present in the ascent and descent as well as on the ground is automatically compensated by the fuel cell system, so that in less
  • a further aspect of the invention relates to the discharge of water from the running in relation to the cabin pressure with negative pressure Brennstoffzellcncinhcit 16. Since the DruckvcS described a Wasseraustiag means of a Kondensatabieiters conventional design is not always working, the seiteusgangsseite and the derived side of the Kondensatabieiters be equalized in pressure level to each other.
  • an integrated in a water circuit Ejektorpumpe (for example water jet pump) 6 vei applies, which has the same pressure on their Saugseitc as the system pressure of the Brennstoffzellcneinhcit 16 on Kondensatablciter so that it can open when accumulating water.
  • the regulation of the pressure level of the water cycle takes place via its circulating pump 30.
  • the arrangement also includes two water circuits, a cold water circuit and a hot water circuit.
  • the hot water circuit is heated with the waste heat generated during the condensation process. In this condensation is the condensation of water from the fuel cell exhaust, This can be completely saved in the washrooms and galleys today, the usual water heater, which brings a further weight and aging advantage.
  • the hot water circuit in the buffer tank 31 has a preferably electric auxiliary heater or a heat exchanger, so that the cooling water of the fuel cell 16 can be preheated by a heat exchanger between the hot water circuit and the cooling water circuit, either to bring the fuel cell to operating temperature faster or on the other hand freezing of the fuel cell to prevent frost.
  • a heat exchanger that uses the waste heat of another system.
  • One example is the waste heat from electrical equipment.
  • vacuum tank or separator 2 Under vacuum in vacuum sewage systems in the conventional sense of the differential pressure between the environment of Bordtoiletie and the waste water tank (vacuum tank or separator 2) b / w. to understand a comparable arrangement.
  • the vacuum tank is replaced by a so-called suction module 101, which corresponds in function to a waste water transport tank.
  • suction module 101 Such a transportation tank will be described below with reference to FIG.
  • a core of the invention is the suction module 101, which is a combination of a so-called.
  • Zyklon TM wastewater separator 2 a vacuum generator 4, a Ejektorpumpe 6, a pneumatic discharge valve 3, a bypass with valve 7 and check valve 8, a control valve for the vacuum transport 5, a control valve for the air flow through the fuel cell 12, a vacuum control line 10 with a control valve 9, three pressure sensors (PISOOl, P ⁇ S002, PIS003 ) 62, 63, 64, a temperature sensor (TIS004) 65 and a germ filter 13.
  • the control valve 5 is in this case arranged between the ejector 6 and the separator 2. After the ejector 6 forks the line. The first part leads to the vacuum generator 4 and via the Diucksensor 63 and the outboard Ventil michsan gleich 1 3 to the outside of the aircraft. On the other hand, the second line leads via the Rcgelventil 12 and the germ valve 13 to the supply module 103. In this way, the pressure sensor 64 and the temperature sensor 65 is provided. In the first line branch, the first pressure sensor 51 is mounted (for example, directly in front of the vacuum generator 4). The two branches are connected to each other (after the vacuum generator 4) via a check valve 8 and a bypass valve 7.
  • valve 9 there is a connection between the outboard exhaust valve port 1 1 and the wastewater tank 3 (which is disposed between the separator 2 and the water collection tank 1) in the form of a control valve 9 and a gate 10. All of the valves, pumps, controls and controls mentioned here and below can be controlled and regulated by means of one or more individual control and regulating units.
  • Such a central control unit is, for example, the schematically illustrated energy management unit 105, which can be connected to the four modules 101, 102, 103 and 104 and their corresponding control, valves, pumps, generators, sensors and the like.
  • the indicated lines 106, 107. 108 and 109 are provided.
  • the communication can also be wireless.
  • the suction module 101 is connected to a storage module 102 via the drain valve 3.
  • the storage module 102 comprises a wastewater storage tank or wastewater collection tank 1, a vent 46, a drainage device 50, a heating / cooling combination with a bypass 47, 48, 49.
  • the waste water drainage device 50 is located, for example, on the underside of the collection tank 1.
  • the Ileiz cooling combination with bypass comprises an outside air cooler 47, a cooling water bypass valve 48 and a freeze protection storage tank 49.
  • the cooling water bypass valve 48 serves to bypass the storage tank 49.
  • the line 66 leads from the storage tank 49 or to the storage tank 49 from Bypassvcntü 48 to the heat exchanger 27 and for bypass control of the hot water heat exchanger 25th
  • the outside air cooler 47 is connected between the Lichard protection / storage tank 49 and, via the line 67, the cooling water pump 26.
  • the Bc- and vent 46 sits, for example, on the waste water collection tank. 1
  • the suction module 101 and the storage module 102 form together with the on-board toilet
  • the on-board toilet 41 (toilet bowl) is connected to the separator 2 via the vacuum flushing valve 44 and the line 68.
  • the washbasin 43 is connected to the separator 2 via the vacuum-transfer device 45 (with a corresponding valve) via the line 68.
  • the third module is the supply module 103 for generating fresh water and electrical energy.
  • This supply module 103 has a fuel cell stack 16, a moisture heat exchanger 17, an anode-purge valve 18, a supply-side germ filter 19, a cabin air Zulcitung 20, a hydrogen supply 21, a cooling circuit withmémiüelpumpe 26 a
  • the fuel cell stack 16 is connected to the Wassstoffstofflass 21, which is connected, for example, to a Wassstoff collecting tank or other Wasserstoffspeichcr. Furthermore, the Brennstoffzellcnstapcl 16 via the control valve of the cooling 22 to the condenser 14, thedewasserpumpc 26 and the additional bypass control of the cooling 24 to the hot water heat exchanger 27 and again the capacitor 14 is connected. Via the valve 23, a cooling water shut-off can take place.
  • the hydrogen purge gas discharge valve 18 connects the other side of the fuel cell stack 16 with the condenser 14 and the moisture heat exchanger 17. Further is about the Kondensatabieiter 15 provided a connection between the condenser 14 and the cold water tank 32,
  • Cabin air 20 or another oxygen-containing gas mixture is passed via the particle and Kcimfilter 19 to the moisture heat exchanger 17, where the air is moistened before it is fed to the fuel line 16.
  • the fourth module is the fresh water module 104.
  • the fresh water module 104 comprises two water circuits, a cold water circuit and a hot water circuit.
  • the cold water circuit includes the ejector 37, the desalination and pH buffering unit 36, the unpressurised buffer container 32 with vent 33 and circulation pump 35,
  • the cold water buffer tank 32 in this case has a ventilation 33 in the upper area. Furthermore, the cold water buffer tank 32worthei the germ filter 36 and the Kondensatabieiter 15 is connected to the capacitor 14. To feed the circuit, the lyektorpumpe 37 is provided. The printing is done by the (circulation) Pumpc 35.
  • the Kaltwasserpuffcrtank 32 is via the circulation pump of the cold water circuit 35 and a filling valve of the hot water circuit 34 to the hot water buffer tank 31st connected. Similarly, the cold water buffer tank 32 is connected via the circulation pump 35 to the ejector 37, whereby the Kaliwassernikank is closed.
  • the hot water buffer tank 31 also has in the upper part of a ventilation 29 and an additional electric heater 28. Furthermore, the hot water buffer tank 31 is connected to the hot water heat exchanger 27.
  • sampling points are connected directly to the water circuit and belong to the respective sink or toilet modules 41, 43.
  • Waste water transfer unit 45 which discharges the waste water into the vacuum system.
  • this is typically a flushing valve 38 for flushing water into the vacuum system 44 for disposal of the feces from the toilet bowl into the vacuum system.
  • the overall system is supplemented by an electronic control unit 105, which controls the system functions (also called energy management unit).
  • an electronic control unit 105 which controls the system functions (also called energy management unit).
  • the electrical energy is supplied from the fuel cell stack 16 into the aircraft electrical system, for example via a corresponding regulator unit which adapts the voltage and possibly the frequency to the on-board network of the aircraft.
  • This controller unit may also be integrated into the energy management unit 105.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a fuel cell system according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • a room 54 can be in or fire a fire.
  • fire fighting and immobilization of persons or to increase performance in the sports sector systems are known that reduce the oxygen partial pressure within a closed space or air volume such that these effects can be achieved.
  • a fire protection system with fuel cell is described, wherein oxygen is reacted in a closed system in a fuel cell until no oxygen is present.
  • a firefighting system is known which uses cathode exhaust air from fuel cells.
  • the room with the cathode exhaust air of a fuel cell system preferably a Niedertemperatiu'brennstoff / cllcnsystems, acted upon.
  • the air is drawn through the fuel cell stack.
  • the cathode-side Luflübcrschuss determines the residual oxygen content in the cathode exhaust gas. This value is over one Control valve 57 adjustable at the cathode input.
  • the residual oxygen content in the exhaust gas is measured via an oxygen sensor 60 and adjusted accordingly via the control valve 57. This is important because otherwise the oxygen measurement in the room does not correspond to the oxygen in the exhaust gas. Therefore, this regulation is crucial for the regulation of the so-called lambda value.
  • the pressure side of the vacuum generator pressurizes the space 54 and this air is then passed to the outside with pressure surplus.
  • this arrangement is used in aircraft, where, for example, tanks, cargo spaces or electronic compartments can be rendered inert with the cathode exhaust air.
  • the above-mentioned vacuum generator can be supplemented or replaced by the aircraft vacuum water system.
  • the arrangement shown combines system elements of the two individual systems fuel cell unit (fuel cell stack) and vacuum wastewater system.
  • the arrangement allows the Incitmaschine of spaces on such a system and the operation of this system via suction or pressure forces,
  • an intermediate vacuum generator 4 is used so that the suction side is directed to the cathode exhaust air of Brennstoffzellensystcms and the pressure side of the space to be inerted.
  • an odor and germ filter is installed between the vacuum generator and the room to be inerted.
  • This germ and odor filler is designated by reference numeral 52.
  • Dreiwcgevcntils 58 and the bypass 59 it is possible to bypass the space to be inerted. If the pressure in the space 54 to be inerted is too high, the pressure regulating valve 55 opens the outlet 56, so that air can be drained from the room. The oxygen content of the room can be measured via the oxygen sensor 61.
  • the space 54 to be inspected has an outlet 56 with a pressure control 55 to ensure the internal pressure of the room and the flow of air through the fuel cell.
  • this Druckrcgelung can be realized by the so-called Outflow valve, a device that is used for example for Druckrcgelung an aircraft cabin.
  • the system to regulate between control at the cathode input of the fuel cell and outflow valve so that a constant pressure level is achieved in the space to be inerted.
  • This level of pressure in an aircraft at cruising altitude has a value between cabin pressure and outside air pressure, on the ground and at low altitudes, in principle. at vacuum generator operation one because of the cabin pressure and the outside air pressure.
  • the amount of water obtained from the drying of the cathode exhaust air can be made available for use in the on-board drinking water system.
  • the need for oxygen-poor air for a given volume of space is constant.
  • the present arrangement thus requires a Brcnnstoffzellcnsystem, which is integrated with a relatively constant base load in the electrical system.
  • the constant base load also corresponds to a constant oxygen turnover.
  • the cathode-side excess air corresponds to the residual oxygen content in the exhaust gas of the Brcnnstoffzellencinheit, with constant oxygen conversion. This allows a very economical operation of the system with appropriate design.
  • the suction / pressure module! 101 is connected to the space 54 to be inerted, the space having a pressure control 55 and an outlet 56 to the outside air, a 02 sensor 61 (02 006), a bypass 59 via a directional control valve 58, and a hydrogen sensor 62 (H2 007).
  • a 02 sensor 61 02 006
  • a bypass 59 via a directional control valve 58
  • a hydrogen sensor 62 H2 007
  • H2 007 hydrogen sensor 62
  • the cathode exhaust gas is also an oxygen sensor 60, so that the regulation of the oxygen content can be measured above
  • FIG. 3 shows a schematic two-dimensional sectional illustration through the vacuum toilet system 300 according to the invention in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the flush valve of the toilet 301 represents the connection between the toilet / cabin area and the area with the rest of the system. This remaining area may be behind or below the cabin area.
  • the purge valve 301 occurs in previous solutions for vacuum toilet systems, a so-called. Vacuum bang, which can be eliminated by the present invention. The reason for this is the large Druckunterschicd, which rests directly on the purge valve. Since the present invention can also optionally operate in the operation of a conventional vacuum toilet system, the purge valve is designed to withstand the corresponding pressure differential. From this flushing valve, a first line 302 goes to the wastewater transport tank 303.
  • This line is designed Drucklest, with pressure-resistant means that it withstands the expected pressure difference, which is necessary for the removal of the wastewater.
  • a second line 306 is shown, which goes from the waste water transport tank 303 to the outboard aeration 307.
  • outboard vent 307 is connected to vacuum scrubber 309 by another conduit 308.
  • Vakuumgcncrator 309 further includes a line 310 to the outer skin 31 1 of the aircraft.
  • These lines are all designed in druckfestcr form.
  • the waste water transportation tank 303 is configured in shape and with a material that can withstand the pressure difference.
  • the waste water transport tank can be designed in the form of a cyclone separator, in order to ensure a separation of the air flow, which comes from the toilet of liquid and solid components within the -bwasser transport tank.
  • the airflow can now continue through lines 306, 308 and 310 escape to the outboard.
  • the tangential entry of the waste water into the waste water transport tank in the case of a cyclone separator the separation of the waste water is ensured by the air flow.
  • the volume of the waste water transport tank can be limited to a minimum volume. This minimum volume may be, for example, the expected volume of two rinses. This is another weight advantage of the present invention over conventional solutions.
  • the waste water transport tank can also be designed like a conventional liquid water tank. It must have a
  • Separation device 305 may be provided to prevent liquid and solid components of the effluent from entering conduit 306.
  • the waste water tank separator valve 304 is here attached by way of example under the waste water transport tank 303. This valve is also designed pressure-resistant, since it during the transport of the wastewater in ⁇ bwasscr-collecting tank the acting
  • a drainage valve 314 is attached to the lower end of the waste water collection tank 312. By this is meant any closure designed to allow emptying of the wastewater collection tank, for example during a floor stay. Since the sewage collecting tank 312 is ventilated with respect to the cabin, it is provided with an odor trap 313 to avoid odor nuisance in the cabin area.
  • a flushing operation made possible by this exemplary embodiment of the present invention, in which both the so-called vacuum bang can be avoided and a conformal, non-pressurized wastewater collection tank can be used, is described with the described elements as follows: At rest, the vacuum toilet system the flush valve of the toilet, the outboard vent and the waste tank separator valve are closed. Cabin pressure prevails in the pipes and in the wastewater transport tank. In the lines from the Aeaufßnbordbeliiftung 307, ie in the line 308 and 310, there is external pressure. If a flush request is made in the toilet, then a control device 32I 3 checks whether there is sufficient cabin pressure difference. It is with cabin pressure difference of the pressure difference between the cabin pressure and the Meant external pressure.
  • the outboard vent 307 is opened.
  • the pressure differential between the cabin and the environment causes airflow from the toilet to the outboard through the conduits through the sewage transport tank.
  • This airflow is the cause of the transport of the wastewater into the wastewater transport tank.
  • the waste water transportation tank 303 is constructed in the form of a cyclone separator, and the waste water enters this cyclone separator tangentially, solid and liquid components are separated from the air flow and remain in the waste water transport tank.
  • the transport tank could be designed like conventional Flu gas from water tanks. Since the waste water transport tank can only absorb the volume of a maximum of two rinsing operations, its volume can be designed strongly leduzicrt compared to conventional solutions. After a time sufficient for the discharge of the waste water into the waste water transport tank, the outboard ventilation is closed. It turns thus in the system from the toilet to the
  • the waste water separator valve closes again and the system goes into hibernation.
  • this pressure difference corresponds exactly to the pressure difference between cabin pressure and external pressure.
  • this pressure difference can also be adjusted by the valves 58 pp.55 to a lower value.
  • the system can be set up so that when a flush request first the outboard ventilation Opens and thus the whole wiring harness has ambient pressure. In the next step, the flushing toilet can now be opened. Thereafter, this alternative purge mode proceeds as described above.
  • This flushing mode variance can be used, for example, when it would be established that the so-called vacuum blast is advantageous for the removal of the wastewater. Due to the possibility to choose between two rinsing sequences, depending on the flight phase of the aircraft one or the other rinse mode can be selected. So z. B. in a cruise overnight, the rinse mode, which avoids the vacuum bang, selectable. It should also be noted that the exemplary embodiment of the present invention in FIG. 3 shows only a waste transport tank 303. However, it is also possible to connect to a -bwasscr-Sammcltank 312 several independent subsystems with their own toilet lines and sewage Tiansporttanks.
  • vent line check valve 320 may be installed.
  • FIG. 4 shows a schematic two-dimensional representation of an aircraft according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the aircraft 400 has a fuselage 402 and wings 401.
  • the aircraft 400 comprises a fuel cell system 100 according to the present invention, wherein the fuel cell system is arranged by way of example in the front fuselage area. Placement of the system elsewhere on the aircraft is possible. Also, the system can be broken down into several separate units, which are arranged at different locations in the aircraft.

Abstract

Es ist ein Brennstoffzellensystem für ein Luftfahrzeug angegeben, welches eine Brennstoffzelleneinheit und ein Saugmodul aufweist. Das Saugmodul dient dem Saugen von Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltiger Luft durch die Brennstoffzelleneinheit. Vakuum-Generatoren sind im Reiseflug nicht erforderlich.

Description

Brennstoffzellensystem mit Saugbetrieb für ein Luftfahrzeug
Verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Erfindung beansprucht die Priorität der US Provisional Patentanmeldung Nr. 60/995,553, eingereicht am 27. September 2007 und der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2007 046 381.4, eingereicht am 27. September 2007, auf deren Inhalte hier Bezug genommen wird.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Versorgung in Luftfahr zeugen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem für ein Luftfahrzeug, ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystem, ein Flugzeug mit einem
Brcnnstoffzellensystem und die Verwendung eines Brennstoffzellensystems in einem Flugzeug,
Technischer Hintergrund
Bekannte Brennstoffzellensystcme für den Betrieb in einer für den Menschen atembaren Atmosphäre werden in der Regel mit Luft, Sauerstoff und Wasserstoff versorgt. LJm den für eine vollständige Umsetzung des Wasserstoffs nötigen Luftumsatz und damit die nötige Sauerstoffmenge bereitzustellen, werden luftseitig Lüfter oder Kompressoren eingesetzt. Diese Systeme arbeiten in der Regel mit Luftüberschuss.
Die Kompressoren benötigen zum Betrieb Energie, z. B. elektrische Energie, sind Geräusch emittierend und erhöhen das Gesamtgewicht des Systems. Zusätzlich enthalten Kompressoren bewegliche Bauteile, die einem Verschleiß unterliegen. Dies kann die Gesamtzuverlässigkeit eines solchen Systems reduzieren.
Für die Entsorgung von Abwässern aus dem Passagierbereich werden in heutigen Verkehrsflugzeugen sog. Vakuum- Abwassersysteme eingesetzt. Diese Systeme transportieren Fäkalien mittels des Transportmediums Luft, welche in Reiseflughöhe durch die Druckdifferenz zwischen der Flugzeugumgebung und dem Kabinendruck aus der Bordtoilette in den Abwassertank strömt. Hierbei ist der Abwassertank direkt mit der Außenluft verbunden,
In geringerer Flughöhe oder am Boden wird die zum Fäkalientransport benötigte Druckdifferenz, über einen Vakuum-Generator erzeugt. Hierbei sind die verwendeten Abwassertanks im Regelfall als Drucktanks ausgeführt, die für den Betrieb bei maximal möglicher Druckdifferenz ausgelegt sind.
Darstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Brennstoffzellcnsystcm für ein Luftfahrzeug anzugeben.
Gemäß einem Ausfühiungsbcispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Brcnnstoffzcilensystem für ein Luftfahrzeug angegeben, welches ein Versorgungsmodul mit einer Brennsloff/elleneinheit und ein Saugmodul zum Saugen von Sauerstoff oder einem sauerstoffh altigen Gasgemisch (wie /,.B, Luft) durch die Brennstoffzelleneinheit aufweist.
Auf diese Weise können die Brennstoffzellcneinheit, welche beispielsweise als Brennstoffzellenstapel ausgeführt ist, und ein in dem Flugzeug verwendetes Vakuυmsystem (Saugmodul) miteinander kombiniert werden, um das Brennstoffzellensystem bereitzustellen. Somit kann die Funktion eines Kompressors durch das Saugmodul (beispielsweise als Vakuum-Generator oder in Form eines Außenluftanschlusses) ersetzt werden. Auf diese Weise kann der zur Reaktion mit Wasserstoff in der Brennstoffzelle in Einheit erforderliche Sauerstoff aus dem mit Druck beaufschlagten Kabinenbereich durch die Brcnnstoffzelleneinheit hindurch gezogen werden.
Somit kann ein zusätzlicher Kompressor für das Brennstoffzellensystem vollständig entfallen. Dies resultiert in einer Gewichtseinsparung, der Vermeidung zusätzlicher Verschleißteile und der Erhöhung der Gesamtzuverlässigkeit des Systems.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Energiemanagementeinheit zur Steuerung einer Saugleistung des Saugmoduls vorgesehen, so dass die Saugleistung unabhängig von einer Flughöhe des Luftfahrzeugs einstellbar ist, wobei das Saugmodul zum Saugen von Sauerstoff durch die Brennstoffzcllencinhcit einen Abwasser- Separator aufweist, der als Drucktank ausgeführt ist und zur Erzeugung des erforderlichen Unterdruckes an die Luftfahrzeugumgebung angeschlossen ist, und der weiterhin /um Aufnehmen von Abwasser aus einer Bordtoilettc oder einem Waschbecken ausgeführt ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Versorgungsmodul zum Erzeugen von Frischwasser und elektrischer Energie ausgeführt. Es können also voluminöse Frischwasserspeichertanks, die vor dem Start ausgetauscht oder aufgefüllt werden müssen, entfallen, weil das benötigte Frischwasser an Bord während des Fluges erzeugt werden kann. Da das Versorgungsmodul über die Brennstoffzelleneinheit elektrische Energie erzeugt, können auch zusätzliche Stromerzeuger eingespart werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Versorgungsmodul einen Feuchte- Wärmelauscher zur Vorbefeuchtung des durch die Brennsloffzelleneinheit gesaugten Sauerstoffs auf.
Der Feuchte- Wärmetauscher kann dabei sowohl als externes Bauteil als auch als eine in die Brennstoffzelleneinheit bzw, dem Brennstoffzellcnstapel integrierte Vorrichtung ausgeführt sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Saugmodul einen Abwasser Separator zum Aufnehmen von Abwasser aus einer Bordtoilette oder einem Waschbecken auf, wobei der Abwasser Separator als Drucktank ausgeführt ist.
Beispielsweise ist der Abwasser Separator über ein entsprechendes Ventil an die Flugzeugumgebung angeschlossen, so dass er in Reisefiughöhe den notwendigen Unterdruck bereitstellen kann, um das Durchsaugen von Luft bzw. Sauerstoff durch die Brennstoffzelleneinheit zu ermöglichen. In diesem Fall ist kein Generator bzw. ist keine Pumpe zum Erzeugen des Saugeffektes nötig.
Sollte der Außendruck zu hoch sein, kann ein zusätzlicher Generator bzw, eine zusätzliche Pumpe vorgesehen sein, um die Saugwirkung zu erreichen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Abwasser Separator in Form eines Zyklon-Abscheiders ausgeführt. Dadurch wird eine Trennung von flüssigen und festen Bestandteilen von dem Luftstrom erreicht. Das Abwasser tritt z.B. tangential in den Abwasser Separator, also den Zyklon- Abscheider, ein. Allerdings kann der Abwasser Separator auch in jeder anderen Bauart vorliegen, der diese Trennung ermöglicht. So kann der Abwasser Separator wie ein konventioneller Flugzeugabwassertank gestaltet sein. Allerdings muss er aufgrund der Trennung der Funktion Transport und Sammlung des Abwassers lediglich ein Volumen von wenigen Spülvorgängen (der Bordtoilette) aufweisen, was eine erhebliche Gewichtseinsparung bedeutet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Brennstoffzellensystem ein Lagermodul zum Sammeln des Abwassers aus dem Abwasser Separator auf. Der Abwasser Separator wird somit nur als Zwischenspeicher verwendet.
Das Lagermodul weist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Abwasser-Lagertank auf, der stets einem Kabinendruck ausgesetzt ist
Somit kann der (große) Abwasser-Lagertank auch aus Materialien gefertigt sein, welche hohen Unterdrücken nicht standhalten. Dies kann zu einer Gewichts- und Kosteneinsparung führen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bilden das Saugmodul und das Lagermodul einen Teil eines Vakuumsystems für eine Bordtoilette aus.
Auf diese Weise wird eine Kombination aus Abwasser Entsorgungssystem und Brennstoffzellensystcm in Luftfahrzeugen bereitgestellt, wobei das Abwasserenlsorgungssystem zum Saugen von Luft oder anderen Gasen durch die Brennsloffzelleneinheit dient.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Brennstoffzellensystem weiterhin ein Frischwassermodul zum Speichern des von dem Versorgungsmodul erzeugten Frischwassers auf.
Beispielsweise besteht das Frischwassermodul u. a. aus einem Kaltwasserkreis und einem Warmwasserkreis mit einem Wärmetauscher. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Warmwasserkreis über den Wärmetauscher mit einer bei einer Kondensation in einem Kondensator im Versorgungsmodul oder beim Betrieb eines elektrischen Verbrauchers abfallenden Abwärme beheizbar. Der Kaltwasserkreis und der Warmwasserkreis sind jeweils zur Frischwasserversorgung der Passagiere oder von Verbrauchern im Luftfahrzeug ausgeführt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Kaltwasserkreis mit einem Regelventil zur Speisung des Warmwasserkreises ausgeführt. Auf diese Weise kann die im Warmwasserkreis befindliche Wassermenge gesteuert und geregelt werden. Beispielsweise ist hierfür eine Steuerung vorgesehen, die beispielsweise in der unten beschriebenen Energiemanagementeinheit integriert ist.
Gemäß einem weiteren Λusführungsbeispicl der vorliegenden Erfindung weist das Frischwassermodul eine Ejcktorpumpe, beispielsweise eine Wasserstrahlpumpe, zur Angleichung eines Druckniveaus einer Λusgangsscite an ein Druckniveau einer Eingangsscite des Kondensators auf. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Brennstoffzellensystem eine Energiemanagementeinheit zur Steuerung einer Saugleistung des Saugmoduls auf, so dass die Saugleistung unabhängig von einer Flughöhe des Luftfahrzeugs einstellbar ist.
So kann die Energiemanagementeinheit beispielsweise ein oder mehrere Ventile steuern oder regeln, welche den Abwasser Separator des Saugmoduls mit der Außenluft verbinden. Weiterhin kann die Energiemanagementeinheit an einen Generator oder eine Pumpe angeschlossen sein, der bzw. die die Saugleistung bereitstellen, wenn der Λußendmck zu hoch sein sollte.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Saugmodul weiterhin zum Versorgen eines zu inertisicrenden Raumes des Luftfahrzeugs mit sauerstoffabgercicherter Luft aus dem Versorgungsmodul ausgeführt.
Die sauerstoffabgercicherte Luft wird hierbei von der Brennstoffzelleneinhcit erzeugt (welche ja Luftsauerstoff verbraucht). Diese sauerstoffabgereicherte und stickstoffangercicherte Luft kann dann zum Incrüsieren eines Raumes des Luftfahrzeugs bzw. zur Brandbekämpfung oder Brandvermeidung verwendet werden. Beispielsweise kann diese Luft einem Treibstofftank zugeführt werden oder ge/ielt zur Brandbekämpfung eingesetzt werden. Hierfür sind ggf. weitere Leitungen vorgesehen, über welche die sauerstoffabgercicherte Luft gezielt einem Brandherd zugeführt werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeäspiel der vorliegenden Erfindung weist das Brennstoffzcllensyslcm weiterhin eine Druckrcgclung und einen Auslass zur Λußenluft des Luftfahrzeugs auf, welche in dem zu inertisierenden Raum angeordnet sind. Weilerhin ist eine Leitung zum Verbinden des Saugmoduls mit dem zu inertisierenden Raum vorgesehen, über welche die saucrstoffabgeieicherle Luft dem Raum zugeführt werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Brennstoffzellensystem weiterhin einen Sauerstoffsensor zur Messung eines Sauerstoffgehalts im Kathodenabgas der Brennstoffzelleneinheit auf. Auf diese Weise kann beispielsweise festgestellt werden, ob die von der Brennstoffzellencinheit ausgegebene Abluft für einen Löschvorgang oder zum ϊnerüsieren des Raumes verwendet werden kann (ob also der Sauerstoffgehalt ausreichend niedrig ist).
Ggf. kann die Leistung der Brennstoffzelle erhöht werden, so dass sich der Sauerstoffanteil der Abluft senkt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstolϊzcllensyslems für ein Luftfahrzeug angegeben, bei welchem Sauerstoff durch eine Brcnnstoffzelleneinheil hindurchgesaugt wird. Dieser Saugvorgang wird durch ein Saugmodul cimöglicht. Weiterhin werden Frischwasscr und elektrische Energie durch ein Versorgungsmodul erzeugt, wobei das Versorgungsmodul eine Brennstoffzellencinheit aufweist
Gemäß einem weiteren Ausfühiungsbeispicl der vorliegenden Eifmdung ist ein Flug/eug mit einem oben beschriebenen Brennstoff/cllensysteni angegeben. Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines oben beschriebenen Brennstoffzellensystems in einem Flugzeug angegeben.
Es ist zu beachten, dass die im Hinblick auf das Brennstoffzellensystem beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung auch für das Verfahren, die Verwendung und das Flugzeug gelten.
Weitere Ausfuhrungsbeispiele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brcnnstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Ei findung,
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellcnsystems gemäß einem weiteren Λusführungsbci spiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Vakuum-Toälettensystems, welches Teil des Brennstoffzellensystcms gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Flugzeugs gemäß einem Ausfühiungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren bevoizugte Λusführungsbeä spiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der folgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen oder ähnlichen Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
Fig. 1 zeigt eine schematische zweidimensionale Darstellung eines
Brennstoffzellensyslems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystcm weist im Wesentlichen ein Saugmodul 101 , ein Lagermodul 102, ein Versorgungsmodul 103 und ein Frischwassermodul 104 auf.
Die vorliegende Erfindung kombiniert die Brennstoffzclleneinheit bzw. den Brennstoffzcllenstapel 16 mit einem Vakuumsystem, wie es z. B. in Flugzeugen verwendet wird. In der dargestellten Anordnung wird die Funktion eines Kompressors durch den Vakuum-Gcncrator 4 bzw. den Λußenluftanschluss 1 1 ersetzt. Auf diese Weise wird der zur Reaktion mit Wasserstoff in der Brennstoffzelle erforderliche Sauerstoff aus dem druckbeaufschlagten Kabinenbereich, über einen Feuchte- Wärmetauscher zur Vorbefeuchtung, durch die Brennstoffzelle 16 hindurch gezogen. Der Feuchte-Wärmetauscher kann dabei sowohl ein externes Bauteil wie auch eine in dem Brennstoffzellenstapel 16 integrierte Einheit sein.
Die Vorteile dieser Anordnung liegen in dem völligen Verzicht auf einen zusätzlichen Kompressor für das Brennstoffzellensystem, der dadurch auftretenden Gewichtseinsparung, der Vermeidung zusätzlicher Verschleißteile und der Erhöhung der Gesamtzuverlässigkeit.
Hin weiterer Vorteil entsteht aus den in dei Regel auftretenden Betriebsarten des Systems. Das Brennstoffzellcnsystem kann von der Größe und Auslegung so gewählt werden, dass die abzugebende Wassermenge direkt dem Bedarf der Kabinensysieme angepasst ist, Die dadurch generierte Energie kann dann vollständig die im Reiseflug auftretenden Bedarfe abdecken. Der im Steig- und im Sinkflug sowie am Boden vorhandene Minderbedarf an Wasser und an elektrischer Energie wird durch das Brennstoffzellensystem automatisch so kompensiert, so dass das in geringeren
Flughöhen kleiner werdende Druckgefälle zwischen Kabine und Außenluft zu einer geringeren Stoff-Umsetzungsrate in der Brennstoffzelle 16 führt und sich dadurch automatisch die abgebbare Leistung vermindert.
Für den Fall, dass das Energiemanagement 105 des Luftfahrzeugs dennoch elektrische Leistung abfordert, besteht die Möglichkeit, über den Vakuum-Generator 4 den Luftstrom wieder zu erhöhen und so die Leistung des Systems unabhängig von der Flughöhe zu steigern,
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft den Wasseraustrag aus der im Verhältnis zum Kabinendruck mit Unterdruck laufenden Brennstoffzellcncinhcit 16. Da bei den beschriebenen Druckvcrhältnissen ein Wasseraustiag mittels eines Kondensatabieiters üblicher Bauart nicht immer funktioniert, sind die Λusgangsseite und die abzuleitende Seite des Kondensatabieiters im Druckniveau aneinander angeglichen.
Hierzu wird eine in einem Wasserkreis integrierte Ejektorpumpe (beispielsweise Wasserstrahlpumpe) 6 vei wendet, die auf ihrer Saugseitc den gleichen Druck aufweist, wie das Systemdruck der Brennstoffzellcneinhcit 16 am Kondensatablciter, so dass dieser bei anfallendem Wasser öffnen kann. Die Regelung des Druckniveaus des Wasserkreises findet über seine Umwälzpumpe 30 statt. Die Anordnung beinhaltet zudem zwei Wasserkreise, einen Kalt wasserkreis und einen Warmwasserkreis, Dabei wird der Warmwasserkreis mit der bei der Kondensation anfallenden Abwärme beheizt. Bei dieser Kondensation handelt es sich um das Auskondensieren von Wasser aus dem Brennstoffzellenabgas, Dadurch können die heute üblichen Wasserheizer in den Waschräumen und Galleys vollständig eingespart werden, was einen weiteren Gewichts- und Warlungs vorteil bringt.
Andererseits besitzt der Warmwasserkreis im Puffertank 31 einen vorzugsweise elektrischen Zusatzheizer oder einen Wärmetauscher, so dass das Kühlwasser der Brennstoffzelle 16 über einen Wärmetauscher zwischen dem Warmwasserkreis und dem Kühlwasserkreis vorgeheizt werden kann, um entweder die Brennstoffzelle schneller auf Betriebstemperatur zu bringen oder andererseits ein Einfrieren der Brennstoffzelle bei Frost zu verhindern.
Statt oder zusätzlich zu einem elektrischen Heizelement kann an dieser Stelle auch ein Wärmetauscher eingesetzt werden, der die Abwärme eines anderen Systems nutzt. Als Beispiel ist hier die Abwärme aus elektrischen Geräten zu nennen.
Unter Vakuum ist bei Vakuum-Abwassersystemen im herkömmlichen Sinne der Differenzdruck zwischen Umgebung der Bordtoiletie und dem Abwassertank (Vakuumtank bzw. Separator 2) b/w. einer vergleichbaren Anordnung zu verstehen. Im vorliegenden Fall wird der Vakuumtank durch ein sog. Saugmodul 101 ersetzt, welches in seiner Funktion einem Abwassertransporttank entspricht. Hin solcher Transporttank wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben.
Ein Kernstück der Erfindung ist das Saugmodul 101, welches eine Kombination aus einem sog. Zyklon™ Abwasser Separator 2, einem Vakuum -Generator 4, einer Ejektorpumpe 6, einem pneumatischen Ablassventil 3, einem Bypass mit Ventil 7 und Rückschlagklappe 8, einem Regelventil für den Vakuumtransport 5, einem Regelventil für den Luftstrom durch die Brennstoffzelle 12, einer Vakuumsteuerleitung 10 mit einem Steuerventil 9, drei Drucksensoren (PISOOl, PΪS002, PIS003) 62, 63, 64, einem Temperatursensor (TIS004) 65 und einem Keimfilter 13 aufweist.
Weiterhin ist ein Außenbordvcntilierungsanschluss 1 1 vorgesehen, welcher das Saugmodul 101 mit der Außenluft verbindet.
Das Regelventil 5 ist hierbei zwischen der Ejektorpumpe 6 und dem Separator 2 angeordnet. Nach der Ejektorpumpe 6 gabelt sich die Leitung. Der erste Teil führt zum Vakuum-Generator 4 und über den Diucksensor 63 und den Außenbordventilierungsanschluss 1 3 zum Außenbeicich des Flugzeugs. Andererseits führt der zweite Leitungsasl über das Rcgelventil 12 und dem Keimventil 13 zum Versorgungsmodul 103. Auf diesem Weg ist der Drucksensor 64 sowie der Temperatursensor 65 vorgesehen. Im ersten Leitungsast ist der erste Drucksensor 51 angebracht (beispielsweise direkt vor dem Vakuum-Generator 4). Die beiden Leiiungsäste sind (nach dem Vakuum-Generator 4) über ein Rückschlagventil 8 und einem Bypassvenlil 7 miteinander verbunden.
Weiterhin besteht eine Verbindung zwischen dem Λußenbordventilicrungsanschluss 1 1 und dem Λbwasscrvcntil 3 (das zwischen dem Separator 2 und dem Λbwasscrsammellank 1 angeordnet ist) in Form eines Steuerventils 9 und einer Stcucflcitung 10. AlIe hier und im Folgenden genannten Ventile, Pumpen, Steuerungen und Regelungen können über eine zentrale oder mehrere einzelne Steuer- und Rcgeleinheiten gesteuert und geregelt werden.
Eine solche zentrale Steuereinheit ist beispielsweise die schematisch dargestellte Energiemanagementeinheit 105, welche an die vier Module 101, 102, 103 und 104 und deren entsprechende Steuerung, Ventile, Pumpen, Generatoren, Messfühler und dergleichen angeschlossen sein kann. Hierfür sind die angedeuteten Leitungen 106, 107. 108 und 109 vorgesehen. Die Kommunikation kann auch drahtlos erfolgen.
Das Saugmodul 101 wird über das Ablassventil 3 mit einem Lagermodul 102 verbunden. Das Lagermodul 102 umfasst einen Abwasser- Lagertank oder Λbwassersammeltank 1, eine Entlüftung 46, eine Drainagevorrichtung 50, eine Heiz- Kühlkombination mit Bypass 47, 48, 49.
Das Abwasscrdrainagcvcnül 50 befindet sich beispielsweise an der Unterseite des Sammeltanks 1. Die Ileiz-Kühikombination mit Bypass umfasst einen Λußenluftkühler 47, ein Kühlwasserbypassventil 48 sowie einen Einfrierschutzlagcrtank 49. Das Kühiwasserbypassvcntil 48 dient der Umgehung des Lagerlanks 49. Die Leitung 66 führt vom Lagertank 49 bzw. vom Bypassvcntü 48 zum Wärmetauscher 27 bzw. zur Bypassregelung des Warmwasserwärmetauschers 25.
Der Außenluftkühler 47 ist zwischen dem Linfrierschut/lagertank 49 und, über die Leitung 67, die Kühlwasserpumpe 26 angeschlossen.
Die Bc- und Entlüftung 46 sitzt beispielsweise auf dem Abwasscrsammeltank 1. Das Saugmodul 101 und das Lagermodul 102 bilden zusammen mit der Bordtoilette
41 und dem Waschbecken 43 sowie den dazugehörigen Ventilen 38 (Frischwasserspülventil), Kaltwasserventil 39 und Warmwasserventil 40 das Vakuumsystem. Hierbei ist die Anzahl der Waschbecken und WCs beliebig,
Die Bordtoilette 41 (WC-Schüssel) ist über das Vakuumspülventil 44 und die Leitung 68 mit dem Separator 2 verbunden. Ebenso ist das Waschbecken 43 über die Vakuumlransfcreinheil 45 (mit entsprechendem Ventil) über die Leitung 68 mit dem Separator 2 verbunden.
Das dritte Modul ist das Versorgungsmodul 103 zur Erzeugung von Frischwasser und elektrischer Energie. Dieses Versorgungsmodul 103 weist einen Brennstoffzellenstapel 16, einen Feuchte-Wärmetauscher 17, ein anodenscitiges Purge- Ventil 18, einen zuluftseitigen Keimfilter 19, eine Kabinenluft-Zulcitung 20, eine Wasserstoffzuführung 21, einen Kühlkreis mit Kühlmiüelpumpe 26, ein
Absperrventil 23, Regelvcnüle 22, 24, einen Kondensator 14 mit Kondensatabieiter 15 und einen Wärmetauscher 27 mit Rcgelventü 25 auf.
Auf der einen Seite ist der Brennstoff zellenstapel 16 an dem Wasscrstoffeinlass 21 angeschlossen, der beispielsweise an einen Wasscrstoffsammeltank oder anderen Wasserstoffspeichcr angeschlossen ist. Weiterhin ist der Brennstoffzellcnstapcl 16 über das Regelventil der Kühlung 22 an den Kondensator 14, die Kühlwasserpumpc 26 und über die zusätzliche Bypassregelung der Kühlung 24 an den Warm wasser Wärmetauscher 27 bzw. wieder den Kondensator 14 angeschlossen. Über das Ventil 23 kann eine Kühlwasserabsperrung erfolgen. Das Wasserstoff- Purgegas Ablassventil 18 verbindet die andere Seite des Brennstoffzellenstapels 16 mit dem Kondensator 14 sowie dem Feuchte- Wärmetauscher 17. Weiterhin ist über den Kondensatabieiter 15 eine Verbindung zwischen dem Kondensator 14 und dem Kaltwassertank 32 vorgesehen,
Kabinenluft 20 oder eine andere sauerstoffhaltige Gasmischung wird über den Partikel- und Kcimfilter 19 an den Feuchte- Wärmetauscher 17 geleitet, wo die Luft aufgefeuchtet wird, bevor sie der Brennstoffzeile 16 zugeführt wird.
Das vierte Modul ist das Frischwassermodul 104. Das Frischwassermodul 104 umfasst zwei Wasserkreise, einen Kaltwasserkreis und einen Warmwasserkreis.
Zum Kalt wasserkreis gehören die Ejektorpumpc 37, die Λufsalzungs- und pH- Pufferungseinheit 36, der drucklose Pufferbehälter 32 mit Entlüftung 33 und Umwälzpumpe 35,
Aus dem Kaltwasserkreis wird über das Regclvenül 34 der Warm wasserkreis gespeist. Hierzu gehören der drucklose Pufferbehälter 31 mit der Entlüftung 29 und dem elektrischen Zusatzheizstab 28 sowie der Temperaturfühler 69 (ΪIS005), der andererseits auch zum Versorgungsmodul gehörige Wärmetauscher 27 und die Umwälzpumpe 30.
Der Kaltwasserpuffertank 32 weist hierbei im oberen Bereich eine Be- und Entlüftung 33 auf. Weiterhin ist der Kaltwasserpuffertank 32 übei den Keimfilter 36 und den Kondensatabieiter 15 an den Kondensator 14 angeschlossen. Zur Speisung des Kreislaufes ist die lyektorpumpe 37 vorgesehen. Die Bedruckung erfolgt durch die (Umwälz--)Pumpc 35.
Der Kaltwasserpuffcrtank 32 ist über die Umwälzpumpe des Kaltwasserkreises 35 und ein Befüllventil des Warmwasserkreises 34 an den Warmwasserpuffertank 31 angeschlossen. Ebenso ist der Kaltwasserpuffertank 32 über die Umwälzpumpe 35 an die Ejektorpumpe 37 angeschlossen, wodurch der Kaliwasserkreislauf geschlossen wird.
Der Warmwasserpuffertank 31 weist ebenfalls im oberen Bereich eine Be- und Entlüftung 29 auf sowie einen elektrischen Zusatzheizer 28. Weiterhin ist der Warmwasserpuffertank 31 an den Warmwasserwärmetauscher 27 angeschlossen.
Die Entnahmestellen sind direkt an die Wasserkreise angeschlossen und gehören zu den jeweiligen Waschbecken bzw. WC-Modulen 41, 43.
An den Waschbecken 43 sind dies üblicherweise die Wasserhähne (Mischarmaturen) mit jeweils einem Ventil für Kaltwasser 39 und einem für Warmwasser 40 sowie am Abfluss eine sog. Abwassertransfereinheit 45, welche das Abwasser in das Vakuumsystem entlässt.
An den Bordioüctten 41 ist dies in der Regel ein Spülventil 38 für die Wasserspülung in das Vakuumsystem 44 zum Entsorgen der Fäkalien aus der Toilettenschüssel in das Vakuumsystem.
Das Gesamtsystem wird durch eine elektronische Steuereinheit 105, welche die Systemfunktioncn steuert, ergänzt (auch Energiemanagementeinheit genannt).
Zusätzlich erfolgt eine Einspeisimg der elektrischen Energie aus dem Brcnnstoffzcllenslapel 16 in das Flugzeugbordnetz, beispielsweise über eine entsprechende Reglercinhcit, die die Spannung und ggf. die Frequenz an das Bordnetz des Luftfahrzeugs anpasst. Diese Reglereinhcit kann auch in die Energiemanagemenleinheit 105 integriert sein.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Zusätzlich zu dem in Fig. 1 gezeigten System sind ein weiterer Keim- und Geruchsfilter 52, ein Katalysator 53 zur Umsetzung des Reslwasserstoffs, ein Druckregelventilausgang 55, ein Auslauf 56, ein Druckregelventileingang 57, ein Drei Wegeventil 58, ein Bypass und ein Sauerstoffsensor vorgesehen. Auf diese Weise lässt sich ein Raum 54 inerüsieren bzw. ein Brand löschen.
Unter anderem zum präventiven Brandschutz, zur Brandbekämpfung sowie zur Ruhigstellung von Personen oder zur Leistungssteigerung im Sportbereich sind Systeme bekannt, die den Sauerstoffpartialdruck innerhalb eines geschlossenen Raumes bzw. Luftvolumens derart reduzieren, dass diese Effekte erzielt werden können. Aus der DE 102 05 373 Al ist ein Brandschutzsystem mit Brennstoffzelle beschrieben, wobei Sauerstoff in einem geschlossenen System in einer Brennstoffzelle umgesetzt wird, bis kein Sauerstoff mehr vorhanden ist. Aus der DE 10 2005 053 692 B3 ist ein Brandbekämpfungssystem bekannt, welches Kathodenabluft von Brennstoffzellen nutzt.
Für die Inerlisierung (Sauerstoffreduküon) der Raumluft wird der Raum mit der Kathodenabluft eines Brennstoffzellensystems, vorzugsweise eines Niedertemperatiu'brennstoff/cllcnsystems, beaufschlagt.
In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbcispicl der vorliegenden Erfindung wird die Luft durch den Brennstoffzellenstapel gesaugt. Der kathodenseitige Luflübcrschuss bestimmt den Restsauerstoffgehalt im Kathodenabgas. Dieser Wert ist über ein Regel ventil 57 am Kathodeneingang einstellbar. Der Restsauersloffgchalt im Abgas wird über einen Sauerstoffsensor 60 gemessen und entsprechend über das Regelventil 57 eingestellt. Dies ist wichtig, da sonst die Sauerstoffmessung im Raum nicht dem Sauerstoff im Abgas entspricht. Daher ist diese Regelung für die Regelung des sog. Lambdawertes entscheidend.
Die Durchleitung der sauerstoffreduzierten Luft durch den zu inertisierenden Raum 54 erfolgt entweder durch ein Druckgefäüe zwischen der Raumluft am Ausgang und dem brennstoffzellenseitigen Kathodeneingang oder über ein Druckgefälle zwischen einem zu einem anderen System gehörenden Vakuum-Generator und dem brennstoffzellenseitigen Kathodeneingang. Die Druckseite des Vakuum-Generators beaufschlagt den /u inertisierenden Raum 54 und diese Luft wird dann mit Drucküberschuss nach außen geleitet.
Vorteilhafterweise findet diese Anordnung in Luftfahrzeugen Anwendung, wo mit der Kathodenabluft beispielsweise Tanks, Frachträumc oder Elektronikcompartments inertisiert werden können. Der oben genannte Vakuum- Generator kann durch das Flugzeugvakuum-Λbwasscrsystems ergänzt oder ersetzt werden.
Die dargestellte Anordnung kombiniert Systemclcmente der beiden Einzclsysteme Brennstoffzelleneinheit (Brcnnstoffzellenstack) und Vakuumabwassersystem. Die Anordnung ermöglicht die Incitisierung von Räumen über ein solches System sowie den Betrieb dieses Systems über Saug- oder Druckkräfte,
Aufgrund des Druckgcfäiles /wischen der Abluft des zu inertisierenden Raumes und der Zuluft zur Brennstoffzelle wird sauerstoffhaltige Luft durch die Brennstoffzelle gesaugt. Die Brennstoffzcllcnabluft strömt dann in den zu inertisierenden Raum. Diese Randbedingungen sind z. B. bei Luftfahrzeugen in Reise flughöhe gegeben, wenn die Zuluftseile innerhalb der Druckkabine angeordnet ist und die Abluftseite auf die Flugzeugumgebung gerichtet ist.
Im Falle eines zu geringen Druckgefälles, wie z. B. am Boden oder in geringen Flughöhen, wird ein zwischengeschalteter Vakuum-Generator 4 so eingesetzt, dass die Saugseite auf die Kathodenabluft des Brennstoffzellensystcms gerichtet ist und die Druckseite auf den zu inertisierenden Raum.
Die Verwendung des Vakuum- Generators 4, beispielsweise eines Vakuumabwassersystems, erfordert besondere Maßnahmen, um Geruchsbelästigungen und Verkeimungs- und Gesundheitsrisiken aus dem Abwassersystem zu vermeiden. Hierzu ist zwischen dem Vakuum-Generator und dem zu inertisierenden Raum ein Geruchs- und Keimfilter installiert.
Dieser Keim- und Geruchsfiller ist mit Bezugszeichen 52 bezeichnet.
Mit Hilfe des Dreiwcgevcntils 58 und des Bypasses 59 ist es möglich, den zu inertisierenden Raum zu umgehen. Ist der Druck im zu inertisierenden Raum 54 zu hoch, öffnet das Druckregclventil 55 den Auslass 56, so dass Luft aus dem Raum abgelassen werden kann. Der Saucrstoffgehalt des Raumes kann über den Sauerstoffsensor 61 gemessen werden.
Der zu inerüsierendc Raum 54 besitzt einen Auslass 56 mit einer Druckregelung 55, um den Innendruck des Raumes und die Durchströmimg der Brennstoffzelle mit Luft zu gewährleisten. Im Flugzeugbetrieb kann diese Druckrcgelung durch das so genannte Outflow Valve realisiert werden, einer Vorrichtung, die beispielsweise zur Druckrcgelung einer Flugzeugkabine eingesetzt wird. Insgesamt ist das System zwischen Regelung am Kathodeneingang der Brennstoffzelle und Outflow Valve so zu regeln, dass im zu inertisierenden Raum ein konstantes Druckniveau erreicht wird.
Dieses Druckniveau hat in einem Luftfahrzeug in Reiseflughöhe Prinzip bedingt einen Wert zwischen Kabinendruck und Außenluftdruck, am Boden und in niedrigen Flughöhen, d.h. bei Vakuum Generator Betrieb einen Weil oberhalb des Kabinendrucks und des Außenluftdrucks.
Jc nach Nutzung des zu inertisierenden Raumes 54, z. B, als Lagervolumen für Treibstoff oder als Elektronik Abteil, ist es vorteilhaft die Kathodenabluft der
Brennstoffzelle zu trocknen. In einer Anwendung in einem Luftfahrzeug kann der durch das Trocknen der aus der Kathodenabluft gewonnene Wasseranteil zur Nutzung im bordeigenen Trinkwassersystem bereitgestellt werden.
Der Bedarf an sauerstoffarmer Luft für ein bestimmtes Raumvolumen ist konstant. Die vorliegende Anordnung erfordert somit ein Brcnnstoffzellcnsystem, welches mit einer relativ konstanten Grundlast in das elektrische Bordnetz eingebunden ist. Die konstante Grundlast entspricht auch einem konstanten Sauerstoffumsatz. Wie beschrieben entspricht dann der Kathodenseitige Luftüberschuss dem Restsauerstoffgehalt im Abgas der Brcnnstoffzellencinheit, bei konstantem Sauerstoff Umsatz. Damit wird bei entsprechender Auslegung ein sehr wirtschaftlicher Betrieb des Systems ermöglicht.
Das Saug-/Druckmodu! 101 ist mit dem zu inertisierenden Raum 54 verbunden, wobei der Raum eine Druckregelung 55 und einen Λuslass 56 zur Λußenluft aufweist, einen 02 Sensor 61 (02 006), einen Bypass 59 über ein Wegeventil 58 sowie einen Wasserstoffsensor 62 (H2 007). Im Kathodenabgas befindet sich ebenfalls ein Sauerstoffsensor 60, damit die Regelung des Sauerstoffgehaltes darüber gemessen werden kann,
Fig. 3 zeigt hierbei eine schematische zweidimensionale Schnittdarstellung durch das erfindungsgemäße Vakuum-Toiletlensystem 300 gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Das Spülventil der Toilette 301 stellt die Verbindung zwischen dem Toiletten-/Kabmenbereich und dem Bereich mit dem restlichen System dar. Dieser restliche Bereich kann sich hinter oder unter dem Kabinenbereich befinden. An diesem Spülventil 301 tritt in bisherigen Lösungen für Vakuum- Toilettensysteme ein sog. Vakuumknall auf, der durch die vorliegende Erfindung eliminiert werden kann. Der Grund dafür ist der große Druckunterschicd, der direkt an dem Spülventil anliegt. Da die vorliegende Erfindung wahlweise auch in dem Betrieb eines herkömmlichen Vakuum-Toilettensystems arbeiten kann, ist das Spülventil derart ausgestaltet, dass es dem entsprechenden Druckunterschied standhält. Von diesem Spülventil geht eine erste Leitung 302 zum Abwasser- Transporttank 303. Diese Leitung ist drucklest ausgestaltet, wobei druckfest bedeutet, dass sie dem zu erwartenden Druckunterschied, der für den Abtransport des Abwassers nötig ist, standhält. Nun ist eine zweite Leitung 306 angegeben, die vom Abwasser-Transporttank 303 zur Außenbordbelüftung 307 geht. Ebenso wird die Außenbordbelüftung 307 durch eine weitere Leitung 308 mit dem Vakuumgcncrator 309 verbunden. An diesen Vakuumgcncrator 309 schließt weiterhin eine Leitung 310 bis hin zur Außenhaut 31 1 des Flugzeugs an. Diese genannten Leitungen sind aile in druckfestcr Form ausgestaltet. Ebenso ist der Abwasser-Transporttank 303 so in Form und mit einem Material ausgestaltet, dass er dem Druckunterschied standhält. Dabei kann der Abwasser-Transporttank in Form eines Zyklon- Abscheiders ausgeführt sein, um eine Trennung des Luftstromes, der von der Toilette herkommt von flüssigen und festen Bestandteilen innerhalb des Λbwasser-Transporttanks zu gewährleisten. Der Luftstrom kann nun weiter über die Leitungen 306, 308 und 310 nach außenbords entweichen. Durch den tangentialen Eintritt des Abwassers in den Abwasser-Transporttank im Falle eines Zyklon- Abscheiders wird die Trennung des Abwassers vom Luftstrom gewährleistet. Dies bietet den weiteren Vorteil, dass kein weiterer Einschlagschutz mehr eingebaut werden muss, um schlagkräftige Gegenstände, wie Batterien, am Durchtritt durch das System zu hindern. Dies bietet einen Gewichtsvorteil gegenüber den herkömmlichen Lösungen von Abwasseraufbewahrungstanks in Vakuum-Toilettensystemen.
Aufgrund der Trennung der beiden Funktionen „Transport des Abwassers" und „Sammlung des Abwassers" kann das Volumen des Abwasser-Transporttanks auf ein minimales Volumen begrenzt werden. Dieses minimale Volumen kann beispielsweise das zu erwartende Volumen von zwei Spülvorgängen betragen. Dies ist ein weiterer Gewichtsvorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber herkömmlichen Lösungen. Der Abwasser-Transporttank kann aber auch wie ein konventioneller FI ugzeu gab Wassertank ausgestaltet sein. Dabei muss eine
Trennvonϊchtung 305 vorgesehen sein, um zu verhindern, dass flüssige und feste Bestandteile des Abwassers in die Leitung 306 eintreten können. Das Abwassertank- Separator-- Ventil 304 ist hier beispielhaft unter dem Abwasser-Transporttank 303 angebracht. Dabei ist dieses Ventil auch druckfest ausgestaltet, da es während des Transports des Abwassers im Λbwasscr-Sammeltank dem wirkenden
Druckunterschied ausgesetzt ist. Dadurch kann verhindert werden, dass Kräfte, die von dem Druckunterschied hen (ihren, auf den Abwasser- S ammcltank 312 wirken. Dabei regelt das Abwasscrtank-Scparator- Ventil den Transport des Abwassers vom Abwasscr-Transporttank 303 in den Abwasser- S ammcltank 312. Da beide Tanks zum Zeitpunkt des Transports des Abwassers von dem Abwasser-Transporttank in den Λbwasscr-Sammeltank unter Kabinendruck stehen, geschieht dieser Austausch völlig drucklos. Beispielsweise ist der Austausch allein durch Schwerkraft zu gewährleisten. Der Λbwasscr-Sammeltank hingegen kann als konformer, druckloser Sammeltank für Abwasser ausgestaltet sein, da er stets unter Kabinendruck steht. Dies ermöglicht eine Formanpassung des Abwasser-Sammeltanks an seine Umgebung, beispielsweise den Flugzeugrumpf. Dies wiederum hat eine optimale Raumausnutzung und Integrationsfähigkeit des Abwasser- Sammeltanks zur Folge.
Da zu keinem Zeitpunkt ein Druckunterschied auf den Abwasser-Sammeltank wirkt, ist es möglich, ihn in einer Leichtbauweise auszugestalten. Jedoch schließt das die Möglichkeit nicht aus, ihn in herkömmlicher Materialausführung und Form zu verwenden. Jedoch kommt der möglichen Leichtbauweise gerade in Zeiten großer Anstrengungen, Großraumflugzeuge leichter gestalten zu können, eine besondere Bedeutung zu. Ein Drainage- Ventil 314 ist am unteren Ende des Abwasser- Sammeltanks 312 angebracht. Damit ist jeglicher Verschluss gemeint, der derart ausgestaltet ist, dass eine Leerung des Abwasser-Sammeltanks beispielsweise während eines Bodenaufenthalts ermöglicht wird. Da der Abwasser-Sammeltank 312 gegenüber der Kabine belüftet ist, ist er mit einem Geruchsverschluss 313 versehen, um Geruchsbelästigung im Kabinenbereich zu vermeiden.
Ein Spülvorgang, der durch diese beispielhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ermöglicht wird, bei dem sowohl der sog. Vakuumknall vermieden werden kann als auch ein konformer, druckloser Abwasscrsammeltank verwendet werden kann, wird mit den beschriebenen Elementen folgendermaßen geschildert: Im Ruhezustand des Vakuum-Toilettensystem ist das Spülventil der Toilette, die Außenbordbelüftung und das Abwassertank-Separator-Ventil geschlossen. In den Leitungen und in dem Abwasser- Transporttank herrscht Kabinendruck. In den Leitungen ab der Aυßcnbordbeliiftung 307, also in der Leitung 308 und 310, herrscht Außendruck. Erfolgt eine Spülanfrage in der Toilette, so prüft ein Kontrollgerät 32I3 ob ausreichend Kabinendruckdifferenz vorhanden ist. Dabei ist mit Kabinendruckdifferenz der Druckunterschied zwischen dem Kabinendruck und dem Außendruck gemeint. Wird ein Mindestdruckunterschied unterschritten, so wird der Vakuumgenerator 309 eingeschaltet. Dieser erzeugt einen Unterdruck in den Leitungen vor der Λußenbordbelüftung 307, also im Bereich der Leitung 308. Zunächst öffnet nun das Spülventil der Toilette 301. In den Leitungen bis zur Außenbordbelüftung und dem Abwasser-TransporUank herrscht nach wie vor
Kabinendruck. Nun wird die Außenbordbelüftung 307 geöffnet. Die Druckdifferenz zwischen der Kabine und der Umgebung bewirkt einen Luftstrom von der Toilette her über die Leitungen durch den Abwasser-Transporttank hindurch nach außenbords. Dieser Luftstrom ist die Ursache des Transports des Abwassers in den Abwasser-Transporüank. Da der Abwasser-Transporttank 303 in Form eines Zyklonabscheiders konstruiert ist, und das Abwasser tangential in diesen Zyklonabscheider eintritt, werden feste und flüssige Bestandteile von dem Luftstrom getrennt und verbleiben im Abwasser-TransporUank. Es ist allerdings auch eine andere Bauart dieses Abwasser-Transporttanks denkbar. So könnte der Transporttank wie konventionelle Flu gzeugab Wassertanks gestaltet sein. Da der Abwasser- Transporttank nur das Volumen von maximal zwei Spülvorgängen aufnehmen können muss, kann er in seinem Volumen stark leduzicrt gegenüber konventionellen Lösungen ausgestaltet sein. Nach einer Zeit, die ausreichend für den Abtransport des Abwassers in den Abwasser-Transporttank ist, wird die Außenbordbelüftung geschlossen. Es stellt sich somit in dem System von der Toilette bis zur
Außenbordbelüftung wieder Kabinendiuck ein, da das Spülventil der Toiletten noch geöffnet ist. Um evtl, Geruchsbelästigungen im Kabinenbereich zu vermeiden, wird nun wieder das Toilcttenspülvenlil 301 geschlossen. Nun erfolgt der Transport des Abwassers vom Abwasser-Transporttank 303 in den Abwasser- Sammeltank 312 mittels des nun zu öffnenden Λbwassertank-Scparator-Ventils 304, Da nun beide Tanks 303 und 312 unter Kabinendruck stehen, ist gewährleistet, dass dieser Transport ohne jeglichen Druckunlerschied arbeitet. Beispielsweise gelangt das Abwasser unter Schwerkrafteinfluss in den Λbwasser-Sammeltank. Dieser Abwasser-Sammeltank ist zu jeder Zeit gegenüber der Kabine belüftet und mit einem Geruchsverschluss 313 versehen. Ist das Abwasser vollständig in den Abwasser- Sammeltank gelangt, schließt das Abwassertank-Separator- Ventil wieder und das System geht in den Ruhezustand über. Letztlich sei noch angemerkt, dass der Druckunterschied zwischen dem Spülventil der Toilette und der Außenbordbelüftung für den Transport des Abwassers verantwortlich ist, wobei dieser Druckunterschied genau der Druckdifferenz zwischen Kabinendruck und Außendruck entspricht. Diese Druckdifferenz kann jedoch auch durch die Ventile 58 bzw.55 auf einen geringeren Wert eingeregelt werden. Weiterhin sei angemerkt, dass das System so eingerichtet werden kann, dass bei einer Spülanfrage zuerst die Außenbordbelüftung Öffnet und somit der ganze Leitungsstrang Umgebungsdruck aufweist. Im nächsten Schritt kann nun das Spülvenlil der Toilette geöffnet werden. Danach läuft dieser alternative Spülmodus wie oben beschrieben ab. Diese Spülmodusvarianz kann beispielsweise dann /um Einsatz kommen, wenn festgestellt würde, dass der sog. Vakuumknall vorteilhaft für den Abtransport des Abwassers ist. Aufgrund der Möglichkeit zwischen beiden Spülsequenzen auszuwählen, kann je nach Flugphase des Flugzeuges der eine oder andere Spülmodus gewählt werden. So ist z. B. bei einem Reiseflug über Nacht der Spülmodus, der den Vakuumknall vermeidet, wählbar. Ebenso sei angemerkt, dass die beispielhafte Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 3 nur einen Abwasscr-Transporttank 303 zeigt. Es ist allerdings auch möglich, an einen Λbwasscr-Sammcltank 312 mehrere unabhängige Subsysteme mit eigenen Toilettenleitungen und Abwasscr-Tiansporttanks anzuschließen. Dies bietet den Vorteil einer Entkopplung der Entsorgungsvorgänge bei gleicher Nutzung eines Λufbewahrungstanks. Ebenso kann einer unterschiedlichen Nutzung von Subsystemen entgegengewirkt werden, bei der es unter Umständen zu einer früheren Abschaltung des Systems aufgrund eines vollen Λbwasser-Sammeltanks kommen kann. Dabei zeigt Fig. 3 den Eintritt des Abwassers 315 in den Abwasser- Transporttank 303 und den Austritt des Luftstromes 316 durch die Leitungen 306 und 308.
Ferner kann ein Belüftungsleitungsrückschlagventil 320 eingebaut sein.
Fig. 4 zeigt eine schematische zweidimensionale Darstellung eines Flugzeugs gemäß einem weiteren Ausfύhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Das Flugzeug 400 weist einen Rumpf 402 und Tragflächen 401 auf. Ebenso weist das Flugzeug 400 ein Brennstoffzellensystem 100 gemäß der vorliegenden Erfindung auf, wobei das Brennstoffzellensystem beispielhaft im vorderen Rumpfbereich angeordnet ist. Eine Platzierung des Systems an anderen Stellen des Flugzeugs ist möglich. Auch kann das System in mehrere separate Einheiten aufgegliedert werden, welche an verschiedenen Stellen im Flugzeug angeordnet sind.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener ΛusfÜhrungsbei spiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezug szeichenliste
1 Abwasser Sammeltank
2 Separator
3 Abwasser Ventil
4 Vakuum Generator
5 Regelventil
6 Ejektor Pumpe
7 Bypass Ventil
8 Rückschlag Ventil
9 Steuer Ventil
10 Steuerleitung
1 1 Außenbord Ventilicrungs-Anschluss
12 Regelvcntil
13 Keimfilter
14 Kondensator
15 Kondensat Ableiter
16 Brennstoffzellen Stack
17 Feuchte- Wärmetauscher
18 Wasserstoff-Purgcgas Λblass Ventil
19 Partikel- und Keimfillcr Für Luftcinlass
20 Kabinenluft
21 Wasserstoff Kinlass
22 Regelventil Kühlung
23 Kühlwasser Absperrung
24 Bypass Regelung Kühlung
25 Bypass Regelung Warmwassei Wärmelauschci
26 Kühlwasser Pumpe 27 Warmwasser Wärmetauscher
28 Elektrischer Zusatzheizer
29 Be- und Entlüftung
30 Umwälzpumpe Warmwasser Kreis
31 Warmwasser Puffertank
32 Kaltwasser Puffertank
33 Be- und Entlüftung
34 Befüllventil Warmwasser Kreis
35 Umwälzpumpe Kaltwasser Kreis
36 Keimfilter
37 Ejcktor Pumpe
38 Frischwasser Spülventil
39 Kaltwasser Ventil
40 Warmwasscr Ventil
41 WC-Schüssel
42
43 Waschbecken
44 Vakuum Spülventil
45 Vakuum Wasser transfer Einheil
46 Be- und Entlüftung
47 Λυßenluft Kühler
48 Kühlwasser Bypass Ventil
49 Einfrierschutz Lagerlank
50 Abwasser Drainage Ventil
51
52 Keim- und Gcruchsfilier
53 Katalysator
54 inerüsi erler Raum Druck Regelventil - Ausgang
Auslass
Druck Regelventil - Eingang
3-Wegevenil
Bypass
Sauerstoffsensor

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Brennstoffzellensystem für ein Luftfahrzeug, das Brennstoffzellensystem aufweisend: ein Versorgungsmodul (103) mit einer Brennstoffzelleneinheit (16); ein Saugmodul (101) zum Saugen von Sauerstoff durch die Brennstoffzelleneinheit (16).
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , wobei Versorgungsmodul (103) zum Erzeugen von Frischwasser und elektrischer Energie ausgeführt ist,
3. Brennsloffzellensystcm nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Versorgungsmodul (103) einen Feuchte- Wärmetauscher ( 17) zur
Vorbefeuchtung des durch die Brennstoffzcllcncinheit (16) gesaugten Sauerstoffs aufweist.
4. Brennstoffzcllensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Saugmodul (101) einen Abwasser Separator (2) zum Aufnehmen von Abwasser aus einer BordtoüeUe oder einem Waschbecken aufweist; wobei der Abwasser Separator (2) als Drucktank ausgeführt ist.
5. Brcnnstoffzellcnsystcm nach Anspruch 4, wobei der Abwasser Separator (2) in Form eines Zyklon-Abscheiders ausgeführt ist.
6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: ein Lagermodul (102) zum Sammeln des Abwassers aus dem Abwasser Separator (2) aufweist.
7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei das Lagermodul (102) einen Abwasser-Lagertank (1 ) aufweist, der stets einem Kabinendruck ausgesetzt ist.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Saugmodul (101) und das Lagermodul (102) einen Teil eines Vakuumsystems lur eine Bordtoilettc ausbilden.
9. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: ein Frischwassermodul (104) zum Speichern des von dem Versorgungsmodul (103) erzeugten Frischwassers.
10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei das Frischwassermodul (104) einen Kaltwasscrkreis und einen
Warmwasserkreis mit einem Wärmetauscher (27) aufweist; wobei der Warm wasserkreis über den Wärmetauscher (27) mit einer bei einer
Kondensation in einem Kondensator (14) im Versorgungsmodul (103) oder beim
Betrieb eines elektrischen Verbrauchers abfallenden Abwärme beheizbar ist; wobei der Kaltwasscrkreis und der Warmwasserkreis zur
Frischwasserversorgung im Luftfahrzeug ausgeführt sind.
1 1. Brennstoffzcllensystem nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Kaltwasserkreis mit einem Regelventil zur Speisung des Warmwasserkreises ausgeführt ist.
12. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , wobei das Frischwassermodul (104) eine Ejektorpumpc (37) zur Angleichung eines Druckniveaus einer Ausgangsseite an ein Druckniveau einer Eingangsseite des Kondensators (14) aufweist.
13. Brennstoff zellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: eine Energiemanagementeinheit zur Steuerung einer Saugleistung des
Saugmoduls (101), so dass die Saugleistung unabhängig von einer Flughöhe des
Luftfahrzeugs einstellbar ist.
14. Brcnnstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Saugmodul (101) weiterhin zum Versorgen eines /u inerüsierenden Raumes (54) des Luftfahrzeugs mit saucrstoffabgereichcrtcr Luft aus dem Versorgungsmodul (103) ausgeführt ist.
15. Brennstoff /eil ensystem nach Anspruch 14, weiterhin aufweisend: eine Druckregelung (55); einen Auslass (56) /ur Λußenluft des Luftfahrzeugs; eine Leitung zum Verbinden des Saugmoduls (101) mit dem zu inerüsierenden Raum (54); wobei die Druckrcgclung (55) und der Auslass (56) in dem Raum (54) angeordnet sind.
16. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: einen Sauerstoffsensor zur Messung eines Sauerstoffgehaltes im Kathodenabgas der Brennstoffzelleneinheit (16).
17. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems für ein Luftfahrzeug, das Verfahren aufweisend die Schritte:
Saugen von Sauerstoff durch eine Brennstoffzellcneinheit (16) durch ein Saugmodul (101); Erzeugen von Frischwasser und elektrischer Energie durch ein
Versorgungsmodul (103), welches die Brennstoffzelleneinheit (16) aufweist.
18. Flugzeug mit einem Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
19. Verwendung eines Brennstoffzellensystcms nach einem der Ansprüche 1 bis 16 in einem Flugzeug.
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