DE102005060516A1

DE102005060516A1 - Fahrzeug und Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs

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Publication number: DE102005060516A1
Application number: DE102005060516A
Authority: DE
Inventors: Till Kaz; Claus-Peter Deissler; Konrad Schafroth; Hans Pflugshaupt
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2007-06-14

Abstract

Es wird ein Fahrzeug vorgeschlagen, welches eine Antriebseinrichtung mit einem Brennstoffzellensystem und mit mindestens einem Impeller, welcher durch von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Energie angetrieben ist und einen Arbeitsstrahl erzeugt, einen Durchströmungsraum für den Antriebsstrahl, und eine Wärmeübertragungseinrichtung, welche an dem Durchströmungsraum angeordnet ist und welche an das Brennstoffzellensystem gekoppelt ist, umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, umfassend eine Antriebseinrichtung mit einem Brennstoffzellensystem.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug der genannten Art bereitzustellen, welches mit hohem Wirkungsgrad antreibbar ist und dabei ein geringes Eigengewicht aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Antriebseinrichtung mit einem Brennstoffzellensystem und mit mindestens einem Impeller, welcher durch von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Energie angetrieben ist und einen Antriebsstrahl erzeugt, bereitgestellt ist, wobei ein Durchströmungsraum für den Antriebsstrahl vorhanden ist, und eine Wärmeübertragungseinrichtung, welche an dem Durchströmungsraum angeordnet ist und welche an das Brennstoffzellensystem gekoppelt ist, vorhanden ist.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird eine mobile Vorrichtung mit einem Eigenantrieb bereitgestellt. Eine solche mobile Vorrichtung läßt sich beispielsweise als Landfahrzeug, Luftfahrzeug oder Wasserfahrzeug einschließlich Unterwasserfahrzeug einsetzen.

Bei einem Brennstoffzellensystem entsteht durch den Betrieb Wärme, welche, damit das Brennstoffzellensystem optimiert arbeiten kann, abgeführt werden muß. Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt diese Abführung durch ein insbesondere flüssiges Kühlmedium.

Die Antriebseinrichtung umfaßt einen Impeller, welcher den für den Antrieb des Fahrzeugs notwendigen Schub über einen Antriebsstrahl erzeugt. Ein Impeller ist im wesentlichen ein "intern" angeordneter Rotor. Der Antriebsstrahl ist kalt, da er durch die Rotation des Impellers und nicht durch einen Verbrennungsvorgang erzeugt wird. In dem Antriebsstrahl ist die Strömungsgeschwindigkeit hoch und insbesondere bezogen auf das Gesamtfahrzeug am höchsten. Dadurch läßt sich eine effektive Kühlungswirkung für das Kühlmedium erreichen. Der Antriebsstrahl kann Wärme von dem durch das Brennstoffzellensystem erwärmte Kühlmedium abführen. Abgekühltes Kühlmedium kann dann wiederum dem Brennstoffzellensystem zur Wärmeabfuhr von Brennstoffzellen bereitgestellt werden.

Ferner läßt sich durch die Wärmeübertragungseinrichtung der Antriebsstrahl erwärmen. Dadurch erhöht sich dessen Geschwindigkeit und man erhält einen höheren Schub. Dadurch läßt sich der Antriebswirkungsgrad erhöhen.

Erfindungsgemäß wird ein über Brennstoffzellenenergie angetriebenes Fahrzeug bereitgestellt, welches sich kompakt und mit geringem Gewicht aufbauen läßt. Die bei den Brennstoffzellenbetrieb entstehende Abwärme läßt sich effektiv abführen, wobei die zur Wärmeabführung notwendigen Bauelemente in ihrer Anzahl gering gehalten werden können. Damit wiederum läßt sich ein geringes Gewicht erreichen.

Insbesondere ist durch die Wärmeübertragungseinrichtung Kühlmedium für das Brennstoffzellensystem geführt. Dadurch läßt sich ein Wärmeübertragungsvorgang für das Kühlmedium durchführen, um erwärmtes Kühlmedium abkühlen zu können.

Insbesondere ist durch die Wärmeübertragungseinrichtung Kühlmedium für das Brennstoffzellensystem kühlbar, um in einem Kühlmediumkreislauf Abwärme von dem Brennstoffzellensystem abführen zu können und abgekühltes Kühlmedium dem Brennstoffzellensystem wieder bereitstellen zu können.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn durch die Wärmeübertragungseinrichtung Antriebsstrahl-Medium erwärmbar ist. Dadurch läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit im Antriebsstrahl erhöhen und damit eine höhere Schubwirkung erzielen. Dadurch läßt sich der Gesamtwirkungsgrad des Antriebs erhöhen. Beispielsweise läßt sich eine Erhöhung in der Größenordnung von 5% bis 10% erreichen.

Insbesondere ist ein Kühlmediumkreislauf zur Kühlung des Brennstoffzellensystems vorgesehen. Dadurch läßt sich Kühlmedium in einem Kreislauf durch die Wärmeübertragungseinrichtung und durch das Brennstoffzellensystem führen.

Insbesondere ist die Wärmeübertragungseinrichtung Teil des Kühlmediumkreislaufs. Dadurch läßt sich eine effektive Abkühlung von erwärmtem Kühlmedium erreichen. Dadurch wiederum läßt sich eine effektive Kühlung des Brennstoffzellensystems realisieren.

Der Durchströmungsraum mündet insbesondere in den Außenraum, um einen entsprechenden Antrieb für das Fahrzeug zu bewirken.

Günstig ist es, wenn der Durchströmungsraum von einer Wandung begrenzt ist. Dadurch läßt sich der Durchströmungsraum an dem Fahrzeug ausbilden und der Antriebsstrahl formen. Dadurch wiederum erhält man eine definierte Strömungsausbildung, um einen definierten Antriebsstrahl zu erzeugen.

Insbesondere ist die Wärmeübertragungseinrichtung an der Wandung angeordnet. Sie kann vor der Wandung angeordnet sein (und damit den eigentlichen Durchströmungsraum definieren), in der Wandung angeordnet sein und insbesondere in dieser integriert sein oder beispielsweise auch die Wandung selber bilden. Es läßt sich dadurch eine effektive Kühlung des Kühlmediums durch den Antriebsstrahl erreichen.

Bei einer konstruktiv günstigen Ausführungsform hat der Durchströmungsraum eine zylindrische Form. Insbesondere ist die zylindrische Form über eine zylindrische Einhüllende erreicht. Es lassen sich dadurch symmetrische Verhältnisse für die Strömungsführung erreichen, um so einen effektiven Vorwärtsschub zu bewirken.

Günstig ist es, wenn die Wärmeübertragungseinrichtung eine oder mehrere Kühlmediumrohre umfaßt. In dem oder den Kühlmediumrohren wird das Kühlmedium geführt. Das oder die Kühlmediumrohre stehen wiederum in thermischem Kontakt mit dem Durchströmungsraum, um eine effektive Wärmeübertragung zu erreichen.

Insbesondere umgeben das oder die Kühlmediumrohre den Durchströmungsraum. Dadurch läßt sich ein Wärmeübergang erreichen, wobei die Strömung in dem Durchströmungsraum minimal beeinflußt wird.

Beispielsweise sind das oder die Kühlmediumrohre in Schleifen geführt. Dadurch läßt sich auf einfache Weise ein Kühlmediumkreislauf realisieren, wobei eine Antriebsstrahlbeaufschlagung der Kühlmediumrohre in einem großen Flächenbereich erreichbar ist.

Bei einer Ausführungsform sind das oder die Kühlmediumrohre im wesentlichen parallel zu einer Achse des Durchströmungsraums geführt. Dadurch läßt sich eine große Kühlungsfläche für die Wärmeübertragungseinrichtung realisieren.

Beispielsweise sind das oder die Kühlmediumrohre mäanderförmig geführt, um eine große Wärmeübertragungsfläche bereitstellen zu können.

Es ist beispielsweise auch möglich, daß das oder die Kühlmediumrohre wendelförmig geführt sind. Auch hier läßt sich eine große Wärmeübertragungsfläche bereitstellen.

Insbesondere liegt eine Wendelachse koaxial zur Achse des Durchströmungsraums, um symmetrische Verhältnisse vorliegen zu haben.

Günstig ist es, wenn das oder die Kühlmediumrohre auf einem Zylindermantel geführt sind. Dadurch erhält man symmetrische Strömungsverhältnisse. Dadurch läßt sich insbesondere eine symmetrische Erwärmung des Antriebsstrahl-Mediums erreichen.

Es können Kühlflächen vorgesehen sein, welche in den Durchströmungsraum ragen. Dadurch läßt sich die Wärmeübertragungsfläche, auf welche Antriebsstrahl-Medium wirken kann, vergrößern. Die Kühlflächen sind beispielsweise an Kühlblechen ausgebildet, welche in den Durchströmungsraum ragen.

Insbesondere stehen die Kühlflächen in thermischem Kontakt mit der Wärmeübertragungseinrichtung, um einen großen Antriebsstrahl-Beaufschlagungsbereich zu erhalten. Wenn die Kühlflächen flossenartig ausgebildet sind mit schmalen Querabmessungen, dann wird die Strömung minimal beeinflußt.

Insbesondere weisen die Kühlflächen eine radiale Erstreckung auf und ragen flossenartig in den Durchströmungsraum. Dadurch läßt sich eine große Wärmeübertragungsfläche bereitstellen, wobei der Strömungseinfluß der Kühlflächen minimiert ist.

Günstig ist es, wenn das Kühlmedium für das Brennstoffzellensystem eine geringe Dichte als Wasser aufweist. Dadurch läßt sich das Gewicht des Fahrzeugs gering halten. Mögliche Kühlmedien sind beispielsweise alkoholische Flüssigkeiten oder Kohlenwasserstoffe.

Es kann günstig sein, wenn ein Kühlmedium für das Brennstoffzellensystem einen Gefrierpunkt von unterhalb von –10°C aufweist. Dadurch kann ein erfindungsgemäßes Fahrzeug als Luftfahrzeug auch in großen Höhen eingesetzt werden.

Günstig ist es, wenn das Brennstoffzellensystem, der mindestens eine Impeller und der Durchströmungsraum aufeinanderfolgend angeordnet sind und insbesondere linear aufeinanderfolgend angeordnet sind. Es wird dadurch ein Antriebsstrang bereitgestellt, welcher sich beispielsweise mindestens näherungsweise symmetrisch zu einer Mittelebene des Fahrzeugs positionieren läßt. Auch der Aufwand für die Strömungsführung an Kühlmedium zwischen dem Brennstoffzellensystem und dem mindestens einen Impeller läßt sich gering halten.

Günstig ist es, wenn zwischen dem mindestens einen Impeller und einer Brennstoffzelleneinrichtung des Brennstoffzellensystems, welche Brennstoffzellen umfaßt, mindestens einen Tank zur Versorgung des Brennstoffzellensystems mit Oxidator und/oder Brennstoff vorgesehen ist. Dadurch läßt sich ein Antriebsstrang bereitstellen, welcher mindestens näherungsweise symmetrisch ausgebildet ist. Ferner läßt sich Brennstoff und/oder Oxidator mit dem Fahrzeug mitführen. Beispielsweise läßt sich dann ein Luftfahrzeug auch in großen Höhen einsetzen, wenn Oxidator mitgeführt wird.

Insbesondere sind ein Brennstofftank und ein Oxidationstank zwischen der Brennstoffzelleneinrichtung und dem mindestens einen Impeller positioniert. Für den Antriebsstrang läßt sich ein Schwerpunkt erreichen, welcher mindestens näherungsweise auf einer Mittelebene des Fahrzeugs liegt. Dadurch läßt sich beispielsweise ein Luftfahrzeug realisieren, welches in großen Höhen eingesetzt werden kann, oder es läßt sich ein Unterwasserfahrzeug realisieren.

Insbesondere sind der Oxidatortank und der Brennstofftank nebeneinander angeordnet, um einerseits die Längsabmessungen des Fahrzeugs gering halten zu können und um andererseits eine symmetrische Massenverteilung realisieren zu können.

Insbesondere ist das Fahrzeug als Luftfahrzeug, Landfahrzeug oder Wasserfahrzeug ausgebildet.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs, welches durch mindestens einen Impeller angetrieben wird, bereitzustellen, mit welchem sich ein hoher Wirkungsgrad realisieren läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der mindestens eine Impeller durch elektrische Energie angetrieben wird, welche von einem Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, und wobei ein Kühlmedium für das Brennstoffzellensystem durch einen Antriebsstrahl des mindestens einen Impellers gekühlt wird und/oder der Antriebsstrahl des mindestens einen Impellers durch erwärmtes Kühlmedium des Brennstoffzellensystems erwärmt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug erläuterten Vorteile auf.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug erläutert.

Insbesondere wird das Fahrzeug durch kalte Schuberzeugung angetrieben. Der Impeller erzeugt einen Antriebsstrahl mit einem Antriebsstrahl-Medium, welches das Medium ist, in welchem sich das Fahrzeug bewegt. Bei einem Luftfahrzeug oder einem Landfahrzeug ist das Antriebsstrahl-Medium üblicherweise Luft. Bei einem Wasserfahrzeug ist das Antriebsstrahl-Medium üblicherweise Wasser.

Insbesondere wird der Antriebsstrahl durch einen Durchströmungsraum geführt. Der Impeller ist dadurch geschützt in dem Fahrzeug angeordnet.

Insbesondere wird Kühlmedium an einer Wandung des Durchströmungsraums geführt. Dadurch läßt sich das Kühlmedium über den Antriebsstrahl abkühlen bzw. das Antriebsstrahl-Medium läßt sich durch das Kühlmedium erwärmen.

Vorzugsweise ist eine Einhüllende der Führungsbahn des Kühlmediums an dem Durchströmungsraum zylindrisch, um so symmetrische Verhältnisse zu erhalten.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs (in einer Ausbildung als Luftfahrzeug);
2 eine schematische Teildarstellung eines Antriebsstrangs (ein Impeller ist nicht gezeigt) für das Fahrzeug gemäß 1;
3 eine schematische Teildarstellung des Antriebsstrangs mit Impeller;
4 eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 gemäß 3;
5 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungseinrichtung;
6 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungseinrichtung; und
7 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungseinrichtung.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs, welches in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, ist ein Luftfahrzeug. Die unten näher beschriebene erfindungsgemäße Lösung läßt sich beispielsweise auch in Landfahrzeugen oder Wasserfahrzeugen einsetzen.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Luftfahrzeug 10 als Nurflügler ausgebildet, welcher spiegelsymmetrisch zu einer Mittelebene 12 ist. Das Luftfahrzeug 10 umfaßt eine Nase 14 und einen Rumpf 16. An dem Rumpf 16 sind eine erste Tragfläche 18 und eine zweite Tragfläche 20 angeordnet.
Das Luftfahrzeug 10 umfaßt eine Antriebseinrichtung 22 mit einem Brennstoffzellensystem 24 und (mindestens) einem Impeller 26 (3 und 4).
Das Brennstoffzellensystem 24 weist eine Brennstoffzelleneinrichtung 28 mit einem oder mehreren Brennstoffzellenblöcken 30 sowie eine Kontrolleinrichtung 31 und eine Kühlmedium-Pumpe 33 auf. Der oder die Brennstoffzellenblöcke 30 sitzen an oder in der Nähe der Nase 14. Der oder die Brennstoffzellenblöcke 30 sind symmetrisch zu der Mittelebene 12 angeordnet.
Das Brennstoffzellensystem 24 umfaßt weiterhin einen ersten Tank 32 zur Brennstoffspeicherung und einen zweiten Tank 34 zur Oxidatorspeicherung. Bei dem Brennstoff handelt es sich insbesondere um Wasserstoff und bei dem Oxidator insbesondere um (reinen) Sauerstoff. Die Tanks 32 und 34 sind an die Brennstoffzelleneinrichtung 28 gekoppelt, um die entsprechenden Reaktanten bereitzustellen.
Der erste Tank 32 ist an einer ersten Seite bezogen auf die Mittelebene 12 angeordnet und der zweite Tank 34 ist an einer gegenüberliegenden zweiten Seite bezogen auf die Mittelebene 12 angeordnet. Die Brennstoffzelleneinrichtung 28 mit ihrem Brennstoffzellenblock bzw. mit ihren Brennstoffzellenblöcken 30 und der erste Tank 32 liegen in einer Reihe, das heißt sind aufeinanderfolgend angeordnet. Ebenso sind die Brennstoffzelleneinrichtung 28 und der zweite Tank 34 in einer Reihe angeordnet. Der Impeller 26 ist zu der Brennstoffzelleneinrichtung 28 ebenfalls aufeinanderfolgend in einer Reihe angeordnet, wobei zwischen dem Impeller 26 und der Brennstoffzelleneinrichtung 30 die Tanks 32 und 34 liegen.
Die beiden Tanks 32 und 34 liegen parallel zueinander, das heißt sie sind nebeneinander angeordnet. Sie sind so angeordnet und ausgebildet, daß der Massenschwerpunkt der Tankkombination und damit auch des Brennstoffzellensystems 24 auf der Mittelebene 12 liegt. Insbesondere sind sie so angeordnet und ausgebildet, daß die Lage des Massenschwerpunkts auf der Mittelebene 12 auch bei Entleerung der Tanks 32, 34 erhalten bleibt.
Beispielsweise ist es dazu vorgesehen, daß der erste Tank 32 für den leichteren Brennstoff eine größere Masse als der zweite Tank 34 für den schwereren Oxidator aufweist; die Massen sind dabei auf den jeweils entleerten Zustand bezogen.
Der erste Tank 32 und der zweite Tank 34 sind jeweils als Drucktanks ausgebildet, in denen Brennstoff und Oxidator unter dem zur Zuführung zu der Brennstoffzelleneinrichtung 28 notwendigen und zum Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung 28 geeigneten Druck stehen. Es muß dann kein zusätzlicher Verdichter vorgesehen werden.
Das Brennstoffzellensystem 24 stellt durch die katalytische Verbrennung von Brennstoff mit dem Oxidator (insbesondere von Wasser und Sauerstoff) elektrische Energie bereit, welche den Impeller 26 antreibt. Durch die Kombination des Brennstoffzellensystems 24 mit dem Impeller 26 ist ein Antriebsstrang 36 gebildet.
Der Impeller 26 ist ein innenliegender Rotor. Er umfaßt eine Welle 38, an welcher Impellerblätter 40 angeordnet sind. Die Welle 38 ist angetrieben.
Durch den Impeller 26 wird der zum Antrieb des Fahrzeugs 10 notwendige Schub erzeugt, wobei die Schuberzeugung kalt ist, das heißt sie ist nicht durch Verbrennungsgase bewirkt.
Zur Kühlung des Brennstoffzellensystems 24 ist eine Kühleinrichtung 42 vorgesehen, über welche ein Kühlmedium an Wärmequellen des Brennstoffzellensystems 24 vorbeiführbar ist, um Wärme abführen zu können. Zum Kühlmediumtransport ist die Kühlmedium-Pumpe 33 vorgesehen, welche durch die elektrische Energie des Brennstoffzellensystems 24 angetrieben ist.
Als Kühlmedium wird vorzugsweise ein flüssiges Medium eingesetzt, welches leichter ist als Wasser und einen Gefrierpunkt unterhalb von –10°C aufweist, so daß das Luftfahrzeug 10 auch noch in Höhen eingesetzt werden kann, in denen die Temperatur unter dem Gefrierpunkt liegt. Mögliche Kühlmedien sind alkoholische Flüssigkeiten oder Kohlenwasserstoffe.
An den Impeller 26 schließt sich ein Durchströmungsraum 44 an (3), welcher von einer Wandung 46 begrenzt ist. Der Durchströmungsraum 44 ist auf einer Seite mit einer Mündungsöffnung 48 dem Impeller 26 zugewandt. Auf der gegenüberliegenden Seite weist er mit einer Mündungsöffnung 50 in den Außenraum 52. Der Impeller 26 ist dadurch nicht direkt in dem Außenraum 52 angeordnet, sondern über den Durchströmungsraum 44 von dem Außenraum getrennt und dadurch "nach innen versetzt" in dem Fahrzeug 10 angeordnet.
Die Mündungsöffnungen 48, 50 haben vorzugsweise eine kreisförmige Gestalt.
Ein Rotationsraum 54, in welchem sich der Impeller 26 angetrieben dreht, hat vorzugsweise eine zylindrische Gestalt.
Der Durchströmungsraum 44 hat ebenfalls, vorgegeben durch die Wandung 46, eine zylindrische Gestalt. Die Wandung 46 kann dabei selber zylindrisch sein oder eine zylindrische Einhüllende aufweisen.
Der Impeller 26 erzeugt einen Antriebsstrahl 56 (Jet), über welchen das Fahrzeug 10 angetrieben wird. Der Antriebsstrahl 56 ist durch ein Antriebsstrahl-Medium gebildet. Bei einem Luftfahrzeug ist das Antriebsstrahl-Medium Luft. Bei einem Wasserfahrzeug ist das Antriebsstrahl-Medium Wasser.
In dem Antriebsstrahl 56 liegt die höchste Geschwindigkeit des Mediums, welches das Fahrzeug 10 umgibt, vor. Diese Geschwindigkeit ist bei einem sich fortbewegenden Fahrzeug 10 in der Regel höher als beispielsweise die Mediumgeschwindigkeit um die Tragflächen 18, 20. Der Antriebsstrahl 56 läßt sich dadurch effektiv für die Kühlung des Brennstoffzellensystems 24 einsetzen. Erfindungsgemäß ist eine Wärmeübertragungseinrichtung 58 vorgesehen, welche an das Brennstoffzellensystem 24 gekoppelt ist und welche durch den Antriebsstrahl 56 so beaufschlagbar ist, daß das Kühlmedium für das Brennstoffzellensystem 24 abkühlbar ist.
Es ist ein Kühlmediumkreislauf 60 ausgebildet, über den Kühlmedium von dem Brennstoffzellensystem 24 zu der Wärmeübertragungseinrichtung 58 führbar ist und von der Wärmeübertragungseinrichtung 58 zu dem Brennstoffzellensystem 24 rückführbar ist. Durch Abwärme des Brennstoffzellensystems 24 erwärmtes Kühlmedium wird von dem Brennstoffzellensystem 24 über eine oder mehrere Leitungen 62 zu der Wärmeübertragungseinrichtung 58 transportiert. An der Wärmeübertragungseinrichtung 58 abgekühltes Kühlmedium wird über eine oder mehrere Leitungen 64 des Kühlmediumkreislaufs 16 zu dem Brennstoffzellensystem 24 zurückgeführt. Der Kühlmediumtransport erfolgt beispielsweise über die oben beschriebene Kühlmedium-Pumpe 33, welche von dem Brennstoffzellensystem 24 umfaßt ist und von diesem die entsprechende Antriebsenergie bereitgestellt bekommt.
Die Wärmeübertragungseinrichtung 58 ist an dem Durchströmungsraum 44 angeordnet und umgibt diesen. Vorzugsweise ist die Anordnung derart, daß die Strömung des Antriebsstrahl-Mediums und damit der Antriebsstrahl 56 möglichst wenig beeinflußt wird.
Die Wärmeübertragungseinrichtung 58 ist an der Wandung 46 angeordnet. Sie kann vor der Wandung 46 angeordnet sein, in der Wandung 46 angeordnet sein und insbesondere in diese integriert sein oder die Wandung 46 bilden.
Zwischen der Leitung 62 und 64 sind eine oder mehrere Strömungsrohre 66 (4) angeordnet, welche an dem Durchströmungsraum 44 und insbesondere diesen umgebend angeordnet sind. Durch das oder die Strömungsrohre 66 wird Kühlmedium transportiert. Eine Seite 68 des oder der Strömungsrohre 66 ist dem Durchströmungsraum 44 zugewandt, so daß Antriebsstrahl-Medium an dieser Seite 68 vorbeiströmen kann, um Wärme von in dem oder den Strömungsrohren 66 geführtem Kühlmedium abführen zu können.
Die Einhüllende der Seite 68 bzw. der Seiten 68 des oder der Strömungsrohre 66 ist vorzugsweise ein Zylindermantel. Eine Achse 70 dieses Zylindermantels liegt vorzugsweise koaxial zu der Welle 38 des Impellers 26.
An dem oder den Strömungsrohren 66 können Kühlflächen 72 angeordnet sein. Diese stehen in thermischer Verbindung mit dem oder den Strömungsrohren 66. Insbesondere sind sie an den Seiten 68 des oder der Strömungsrohre 66 angeordnet. Sie ragen vorzugsweise in radialer Richtung in den Durchströmungsraum 44 hinein. Sie sind so ausgebildet, daß die Strömung des Antriebsstrahls 56 möglichst wenig gestört wird. Beispielsweise sind die Kühlflächen 72 an flossenartigen Elementen gebildet, welche gleichmäßig verteilt um den Zylindermantel angeordnet sind.
Ein Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungseinrichtung, welches in 6 schematisch gezeigt und dort mit 74 bezeichnet ist, umfaßt ein Strömungsrohr 76 als Kühlmediumrohr, welches an die Leitungen 62 und 64 angeschlossen ist oder mittels diesen gebildet ist. Das Strömungsrohr 76 ist um den Durchströmungsraum 44 in Schleifen 78 geführt. Das Strömungsrohr 76 ist außerhalb von Schleifenbereichen parallel zu der Achse 70 des Durchströmungsraums 44 in Axialbereichen 80 geführt. Die Axialbereiche 80 liegen auf einem Zylindermantel, welcher den Durchströmungsraum 44 umgibt mit einer Achse koaxial zur Achse 70.
Das Strömungsrohr 76 erstreckt sich von einem Ende 82 bzw. von der Nähe eines Endes 82 des Durchströmungsraums 44 zu einem anderen Ende 84 bzw. der Nähe des anderen Endes 84 des Durchströmungsraums 44, ist in einem Schleifenbereich über einen weiteren Axialbereich 82 zu dem Ende 82 zurückgeführt usw. Das Strömungsrohr 76 hat dadurch eine mäanderförmige Struktur, welche den Durchströmungsraum 44 umgibt.
Es läßt sich dadurch eine großflächige Beaufschlagung der Seiten 68 des Strömungsrohrs 76, welche dem Durchströmungsraum 44 zugewandt sind, mit Antriebsstrahl-Medium erreichen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinrichtung, welche in 7 schematisch gezeigt und dort mit 86 bezeichnet ist, ist ein Strömungsrohr 88 als Kühlmediumrohr vorgesehen, welches wendelförmig um den Durchströmungsraum 44 geführt ist, wobei es an die Leitungen 62 und 64 angeschlossen ist bzw. über diese gebildet ist. Eine Wendelachse 90 fällt mit der Achse 70 des Durchströmungsraums 44 zusammen. Das Strömungsrohr 88 definiert mit seiner Seite 68, welche dem Durchströmungsraum 44 zugewandt ist, einen Zylindermantel (als Einhüllende der Seiten 68).
Das Luftfahrzeug 10 wird wie folgt betrieben:
An der Brennstoffzelleneinrichtung 68 des Brennstoffzellensystems 24 wird katalytisch Brennstoff und Oxidator umgesetzt. Durch den dabei erzeugten elektrischen Strom wird der Impeller 26 angetrieben. Der erzeugte elektrische Strom treibt ferner eine Pumpe für das Kühlmedium an. An dem oder den Brennstoffzellenblöcken der Brennstoffzelleneinrichtung 28 entsteht Wärme. Diese Wärme wird durch das Kühlmedium im Kühlmediumkreislauf 60 abgeführt.
Der Impeller 26 erzeugt einen Antriebsstrahl 56 (Schubstrahl), welcher das Luftfahrzeug 10 antreibt. Über den Antriebsstrahl 56 wird an der Wärmeübertragungseinrichtung 58 das Kühlmedium, welches von dem Brennstoffzellensystem 24 kommt, abgekühlt. Abgekühltes Kühlmedium wird dann dem Brennstoffzellensystem 24 über die Leitung 64 wieder zugeführt, damit es an dem Brennstoffzellensystem 24 seine Kühlwirkung entfalten kann.
Durch die Wärmeübertragung von dem Kühlmedium wird das Antriebsstrahl-Medium erwärmt. Dadurch erhöht sich die Geschwindigkeit des Antriebsstrahl-Mediums und es wird eine höhere Schubleistung erzielt, das heißt die Wärmeeinkopplung in den Antriebsstrahl 56 erhöht den Wirkungsgrad für den Antrieb des Fahrzeugs 10 aufgrund der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Antriebsstrahl-Mediums im Antriebsstrahl 56.
Beispielsweise weist das Brennstoffzellensystem eine Leistung von 1 kW mit einem Wirkungsgrad von ca. 60% auf. Es entsteht Abwärme in einer Größenordnung von 500 W bis 800 W, die "wegzukühlen" ist. Dies läßt sich durch die Wärmeübertragungseinrichtung 58 erreichen.
Durch die Temperaturerhöhung und damit Strömungsgeschwindigkeitserhöhung im Antriebsstrahl 56 läßt sich der Wirkungsgrad der Antriebseinrichtung 22 beispielsweise in der Größenordnung von 5% bis 10% erhöhen.
Das Kühlmedium wird an der Wärmeübertragungseinrichtung 58 zylindrisch geführt, das heißt das oder die entsprechenden Strömungsrohre 76, 86 liegen mit ihrer Seite 68, welche dem Durchströmungsraum 44 zugewandt ist, auf einem Zylindermantel.
Es kann vorgesehen sein, daß das Fahrzeug 10 (insbesondere Luftfahrzeug) den Oxidator in dem zweiten Tank 34 und den Brennstoff in dem ersten Tank 32 mit sich führt. Dadurch läßt sich das Fahrzeug 10 beispielsweise als Luftfahrzeug in großen Höhen einsetzen oder als Unterwasserfahrzeug einsetzen.

Claims

Fahrzeug, umfassend eine Antriebseinrichtung (22) mit einem Brennstoffzellensystem (24) und mit mindestens einem Impeller (26), welcher durch von dem Brennstoffzellensystem (24) bereitgestellte elektrische Energie angetrieben ist und einen Antriebsstrahl (56) erzeugt, einen Durchströmungsraum (44) für den Antriebsstrahl (56), und eine Wärmeübertragungseinrichtung (58; 74; 86), welche an dem Durchströmungsraum (44) angeordnet ist und welche an das Brennstoffzellensystem (24) gekoppelt ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wärmeübertragungseinrichtung (58; 74; 86) Kühlmedium für das Brennstoffzellensystem (24) geführt ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wärmeübertragungseinrichtung (58; 74; 86) Kühlmedium für das Brennstoffzellensystem (24) kühlbar ist.
Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wärmeübertragungseinrichtung (58; 74; 86) Antriebsstrahl-Medium erwärmbar ist.
Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlmediumkreislauf (60) zur Kühlung des Brennstoffzellensystems (24) vorgesehen ist.
Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungseinrichtung (58; 74; 86) Teil des Kühlmediumkreislaufs (60) ist.
Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchströmungsraum (44) in den Außenraum (52) mündet.
Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchströmungsraum (44) von einer Wandung (46) begrenzt ist.
Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungseinrichtung (58) an der Wandung (46) angeordnet ist.
Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchströmungsraum (44) eine zylindrische Form hat.
Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungseinrichtung (74; 86) ein oder mehrere Kühlmediumrohre (76; 88) umfaßt.
Fahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Kühlmediumrohre (76; 88) den Durchströmungsraum (44) umgeben.
Fahrzeug nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Kühlmediumrohre (76; 88) in Schleifen (78) geführt sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Kühlmediumrohre (76) im wesentlichen parallel zu einer Achse (70) des Durchströmungsraums (44) geführt sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Kühlmediumrohre (76) mäanderförmig geführt sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Kühlmediumrohre (88) wendelförmig geführt sind.
Fahrzeug nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wendelachse koaxial zur Achse (70) des Durchströmungsraums (44) liegt.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Kühlmediumrohre (76; 88) auf einem Zylindermantel geführt sind.
Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlflächen (72) in den Durchströmungsraum (44) ragend vorgesehen sind.
Fahrzeug nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflächen (72) in thermischem Kontakt mit der Wärmeübertragungseinrichtung (58) stehen.
Fahrzeug nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflächen (72) eine radiale Erstreckung aufweisen.
Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlmedium für das Brennstoffzellensystem (24) eine geringere Dichte als Wasser aufweist.
Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlmedium für das Brennstoffzellensystem (24) einen Gefrierpunkt unterhalb von –10°C aufweist.
Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffzellensystem (24), der mindestens eine Impeller (26) und der Durchströmungsraum (44) aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem mindestens einen Impeller (26) und einer Brennstoffzelleneinrichtung (28) des Brennstoffzellensystems (24), welche Brennstoffzellen umfaßt, mindestens ein Tank (32; 34) zur Versorgung des Brennstoffzellensystems (24) mit Oxidator und/oder Brennstoff angeordnet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brennstofftank (32) und ein Oxidatortank (34) zwischen der Brennstoffzelleneinrichtung (28) und dem mindestens einen Impeller (26) angeordnet sind.
Fahrzeug nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidatortank (34) und der Brennstofftank (32) nebeneinander angeordnet sind.
Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Luftfahrzeug, Landfahrzeug oder Wasserfahrzeug.
Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs, welches durch mindestens einen Impeller angetrieben wird, welcher einen Antriebsstrahl erzeugt, wobei der mindestens eine Impeller durch elektrische Energie angetrieben wird, welche von einem Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, bei dem Kühlmedium für das Brennstoffzellensystem durch den Antriebsstrahl des mindestens einen Impellers gekühlt wird und/oder der Antriebsstrahl des mindestens einen Impellers durch erwärmtes Kühlmedium des Brennstoffzellensystems erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug durch kalte Schubenergie angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsstrahl durch einen Durchströmungsraum geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Wandung des Durchströmungsraums Kühlmedium geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einhüllende des Führungsbereichs des Kühlmediums zylindrisch ist.