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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, umfassend eine Antriebseinrichtung mit einem Brennstoffzellensystem.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs.
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Aus der
US 2006/0009092 A1 und der
US 2004/0242089 A1 sind Wasserfahrzeuge bekannt, welche mittels eines Brennstoffzellensystems antrieben sind. Die durch das Brennstoffzellensystem erzeugte Wärme kann an die Wasserumgebung abgegeben werden.
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Aus der
WO 01/61777 A2 ist eine Brennstoffzelle bekannt, welche monolithische elektrisch leitende Fließfeld-Bipolarplatten-Anordnungen umfasst.
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Aus der
DE 20 2006 000 627 U1 ist ein Flugkörper bekannt, welcher mit einem Brennstoffzellen-Antrieb versehen ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug der genannten Art bereitzustellen, welches mit hohem Wirkungsgrad antreibbar ist und dabei ein geringes Eigengewicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Fahrzeug, umfassend 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 vorhanden ist, welche an dem Durchströmungsraum angeordnet ist und welche an das Brennstoffzellensystem gekoppelt ist, wobei die Wärmeübertragungseinrichtung einen Metallschaumkern aufweist, welcher thermisch an den Durchströmungsraum gekoppelt ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Wärmeübertragungseinrichtung weist einen Metallschaumkern auf, welcher thermisch an den Durchströmungsraum gekoppelt ist; dadurch lässt sich eine große innere Oberfläche zur Wärmeübertragung bereitstellen, wobei gleichzeitig ein geringer Strömungswiderstand für das Kühlmedium vorliegt mit guter Wärmeleitfähigkeit. Dadurch lassen sich große Wärmemengen auf kleinem Raum übertragen. Weiterhin erhält man eine hohe Gewichtsreduktion, so dass sich das Fahrzeug mit geringem Eigengewicht ausbilden lässt.
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Metallschaum lässt sich mechanisch gut bearbeiten; insbesondere ist eine spanabhebende Materialbearbeitung möglich. Der Metallschaumkern lässt sich dadurch beliebig formen und optimiert an die Struktur des Fahrzeugs anpassen und in diesem positionieren.
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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.
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Insbesondere ist der Metallschaumkern mittels eines offenporigen Metallschaums gebildet. Dadurch wird ein dreidimensionales Netzwerk verbundener Poren bereitgestellt, so dass die Durchströmbarkeit von Kühlmedium gewährleistet ist.
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Insbesondere weist der Metallschaumkern zusammenhängende Poren oder Kerne für die Durchströmung auf.
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Günstigerweise ist durch den Metallschaumkern Kühlmedium für das Brennstoffzellensystem geführt. Dadurch kann Wärme auf das Antriebsstrahl-Medium übertragen werden und erhitztes Kühlmedium abgekühlt werden.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Metallschaumkern den Durchströmungsraum umgibt. Dadurch lässt sich Wärme über eine große Fläche auf das Antriebsstrahl-Medium in dem Durchströmungsraum übertragen und es lässt sich so eine effektive Kühlung des Kühlmediums erreichen.
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Insbesondere ist zwischen dem Metallschaumkern und dem Durchströmungsraum eine fluiddichte Hülle angeordnet. Diese fluiddichte Hülle ist insbesondere durch eine Wandung des Durchströmungsraums gebildet. Dadurch wird gewährleistet, dass Kühlmedium nicht in den Durchströmungsraum eindringen kann.
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Bei einer Ausführungsform steht der Metallschaumkern in thermischem Kontakt mit einer Außenhülle des Fahrzeugs. Dadurch kann auch Wärme über die Außenhülle an die Umgebung abgegeben werden. Dadurch wird die Kühlleistung erhöht.
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Insbesondere reicht der Metallschaumkern mindestens teilweise bis zur Außenhülle des Fahrzeugs, um einen thermischen Kontakt bereitzustellen.
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In dem Metallschaumkern sind ein oder mehrere Zuführungspfade und ein oder mehrere Abführungspfade für Kühlmedium integriert. Dadurch lässt sich ein Kühlmediumkreislauf ausbilden, um erhitztes Kühlmedium abkühlen zu können und abgekühltes Kühlmedium zurück zu dem Brennstoffzellensystem führen zu können.
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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.
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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.
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Insbesondere ist ein Kühlmediumkreislauf zur Kühlung des Brennstoffzellensystems vorgesehen. Dadurch lässt sich Kühlmedium in einem Kreislauf durch die Wärmeübertragungseinrichtung und durch das Brennstoffzellensystem führen.
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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.
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Der Durchströmungsraum mündet insbesondere in den Außenraum, um einen entsprechenden Antrieb für das Fahrzeug zu bewirken.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Insbesondere stehen die Kühlflächen in thermischem Kontakt mit dem Metallschaumkern, um einen großen Antriebsstrahl-Beaufschlagungsbereich zu erhalten bei optimiertem thermischen Kontakt. Wenn die Kühlflächen flossenartig ausgebildet sind mit schmalen Querabmessungen, dann wird die Strömung minimal beeinflusst. Es lässt sich dann optimiert von dem Kühlmedium abführen.
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Günstig ist es, wenn die Kühlflächen an dem Metallschaumkern fixiert sind. Dieser bildet dann einen Träger für Kühlelemente, an denen die Kühlflächen gebildet sind. Dadurch ist eine mechanische Verbindung und thermische Verbindung zwischen den Kühlelementen und dem Metallschaumkern bereitgestellt.
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Beispielsweise 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.
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Insbesondere sind die Kühlflächen an plattenförmigen Kühlelementen gebildet. Die Kühlelemente sind beispielsweise als Kühlflossen ausgebildet. Solche Kühlelemente lassen sich auf einfache Weise an dem Metallschaumkern fixieren, indem diese beispielsweise bei der Herstellung des Metallschaumkerns integral hergestellt oder integral fixiert werden oder nachträglich fixiert werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass in oder an dem Durchströmungsraum eine Porenstruktur angeordnet ist, welche in thermischem Kontakt mit der Wärmeübertragungseinrichtung steht. Durch diese Porenstruktur kann Antriebsstrahl-Medium hindurchströmen. Die Porenstruktur stellt (innere) Kühlflächen bereit, um die Wärmeabfuhr von dem Kühlmedium zu erhöhen. Die Porenstruktur lässt sich so anordnen und ausbilden, dass der Antriebsstrahl minimal beeinflusst wird. Die Porenstruktur ist gegenüber dem Durchströmungsraum offen. Sie kann an den Durchströmungsraum angrenzen oder in diesen hineinragen.
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Insbesondere ist die Porenstruktur aus einem Metallschaummaterial hergestellt. Dieses Metallschaummaterial weist insbesondere eine dreidimensional vernetzte Porenstruktur auf, um die Durchströmung durch das Antriebsstrahl-Medium zu ermöglichen.
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Günstigerweise ist die Porenstruktur an einer Wandung des Durchströmungsraums angeordnet. Diese ist beispielsweise mit einer Porenstruktur-Beschichtung versehen. Dadurch lässt sich die Wärmeübertragungsfläche erhöhen bei minimaler Beeinflussung der Antriebsstrahl-Strömung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Insbesondere ist das Fahrzeug als Luftfahrzeug, Landfahrzeug oder Wasserfahrzeug ausgebildet.
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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.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs bereitgestellt ist, 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, und wobei ein 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, wobei das Kühlmedium durch einen Metallschaumkern geführt wird, welcher in thermischem Kontakt mit einem Durchströmungsraum für den Antriebsstrahl steht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug erläuterten Vorteile auf.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug erläutert.
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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.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs (in einer Ausbildung als Luftfahrzeug);
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2 eine schematische Teildarstellung eines Antriebsstrangs (ein Impeller ist nicht gezeigt) für das Fahrzeug gemäß 1;
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3 eine schematische Teildarstellung des Antriebsstrangs mit Impeller;
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4 eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 gemäß 3;
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5 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungseinrichtung;
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6 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungseinrichtung;
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7 eine perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungseinrichtung;
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8 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungseinrichtung;
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9 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungseinrichtung;
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10 eine schematische Darstellung eines vergrößerten Ausschnitts aus einer Metallschaumstruktur;
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11 eine Draufsicht auf ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungseinrichtung; und
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12 eine Draufsicht auf ein siebtes Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungseinrichtung.
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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.
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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.
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Das Luftfahrzeug 10 umfasst eine Antriebseinrichtung 22 mit einem Brennstoffzellensystem 24 und (mindestens) einem Impeller 26 (3 und 4).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Impeller 26 ist ein innenliegender Rotor. Er umfasst eine Welle 38, an welcher Impellerblätter 40 angeordnet sind. Die Welle 38 ist angetrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Mündungsöffnungen 48, 50 haben vorzugsweise eine kreisförmige Gestalt.
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Ein Rotationsraum 54, in welchem sich der Impeller 26 angetrieben dreht, hat vorzugsweise eine zylindrische Gestalt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei einem ersten Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungseinrichtung, welche in 4 gezeigt und dort mit 61 bezeichnet ist, sind zwischen der Leitung 62 und 64 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.
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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.
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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.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungseinrichtung, welche 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.
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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.
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Es lässt sich dadurch eine großflächige Beaufschlagung der Seiten 68 des Strömungsrohrs 76, welche dem Durchströmungsraum 44 zugewandt sind, mit Antriebsstrahl-Medium erreichen.
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Bei einem dritten 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).
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Ein viertes Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungseinrichtung, welche in 8 schematisch gezeigt und dort mit 102 bezeichnet ist, umfasst einen Metallschaumkern 104. Dieser umgibt den Durchströmungsraum 44 und ist thermisch mit einer Wandung 106 des Durchströmungsraums 44 verbunden.
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Der Metallschaumkern 104 kann auch mechanisch mit dieser Wandung 106 verbunden sein.
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Die Wandung 106 ist fluiddicht ausgebildet. Sie ist aus einem Material mit ausreichender thermischer Leitfähigkeit hergestellt. Beispielsweise ist die Wandung 106 aus Aluminium hergestellt. Sie ist in Umfangsrichtung geschlossen. Insbesondere ist sie zylindrisch ausgebildet.
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Der Metallschaumkern 104 ist zusammenhängend. Im Querschnitt ist er insbesondere ringförmig ausgebildet.
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An stirnseitigen Enden 108, 110 sind ebenfalls fluiddichte Wandungen 112, 114 angeordnet. Die Wandungen 112 und 114 sind insbesondere ringfömrig.
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Eine Außenseite des Metallschaumkerns 104 ist ebenfalls von einer fluiddichten Wandung 116 umgeben.
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Bei einem fünften Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungseinrichtung, welche in 9 schematisch gezeigt und dort mit 118 bezeichnet ist, ist an einer Wandung 120 des Durchströmungsraums 44 ein Metallschaumkern 122 angeordnet, welcher in thermischem Kontakt mit einer Außenhülle 124 des Fahrzeugs steht (vgl. 1). Dazu reicht der Metallschaumkern 122 mindestens in Teilbereichen bis zu einer Innenseite der Außenhülle 124. Zwischen dem Metallschaumkern 122 und der Außenhülle 124 kann dabei eine fluiddichte Hülle angeordnet sein.
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Der Metallschaumkern 104 bzw. 122 ist aus einem offenporigen metallischen Material 128 hergestellt (10). Beispielsweise handelt es sich bei dem metallischen Material um Aluminium. Der Metallschaumkern 104 bzw. 122 weist dreidimensional vernetzte Poren 126 und/oder Kanäle auf, durch die Kühlmedium führbar ist.
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Ein offenporiger Metallschaum 128 wird beispielsweise durch ein modifiziertes Feingussverfahren hergestellt, bei dem als Ausgangsmaterial ein offenporiger, mit Wachs stabilisierter Kunststoff vorgegeben wird. Die Porengrößen und Stegdicken des Ausgangsmaterials bestimmen die Eigenschaften des Metallschaums 128. Der Kunststoff wird einer Civette mit einer feuerfesten Masse umgossen. Nach Trocknung und Brennen dieser feuerfesten Masse erfolgt ein Ausgießen mit flüssigem Metall. Dabei schmilzt der Kunststoff und das Metall nimmt dessen Volumen ein. Nach dem Erstarren des Metalls wird der Formstoff entfernt. Es entsteht die dreidimensional vernetzte Porenstruktur, wie sie in 10 gezeigt ist.
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Die Metallschaumstruktur 104 bzw. 122 ist an der Wandung 106 angeordnet. Die Wandung 106 bildet eine Wärmeübertragungsfläche.
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Typische Porengrößen im Metallschaumkern 104, 122 liegen im Millimeter-Bereich.
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Durch einen Metallschaumkern 104, 122 lässt sich bei geringem Gewicht eine große innere Oberfläche für die Wärmeübertragung bereitstellen. Es lässt sich dadurch eine Verbesserung des Wärmeleitwerts beispielsweise um einen Faktor 12 oder größer gegenüber Rohr-Wärmeübertragungseinrichtungen erreichen. Es lassen sich dadurch auf begrenztem Raum große Wärmemengen übertragen, wobei die Wärmeübertragungseinrichtung ein minimiertes Gewicht hat. Beispielsweise lässt sich eine Gewichtsreduktion auf 10% oder weniger bezogen auf das Vollmaterial erreichen.
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Ein Metallschaum lässt sich auch auf einfache Weise mechanisch bearbeiten; insbesondere ist eine spanabhebende Materialbearbeitung möglich. Dadurch kann ein Metallschaumkern 104, 122 der gewünschten Struktur hergestellt werden. Dies wiederum ermöglicht eine einfache Integration in das Fahrzeug 10.
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Der Metallschaumkern 104, 122 ist von dem Kühlmedium durchströmt. Dazu sind in dem Metallschaumkern 104, 122 ein oder mehrere Zuführungspfade für das Kühlmedium und ein oder mehrere Abführungspfade für das Kühlmedium integriert. Diese lassen sich insbesondere während der Herstellung des entsprechenden Metallschaumkerns ausbilden. Sie sind insbesondere so ausgestaltet, dass sich eine effektive Kühlwirkung ergibt.
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Bei einem sechsten Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungseinrichtung, welche in 11 schematisch gezeigt und dort mit 130 bezeichnet ist, sind an einem Metallschaumkern 132 Kühlelemente 134 angeordnet. Diese ragen von dem Metallschaumkern 132 in den Durchströmungsraum 44 und stellen zusätzliche Kühlflächen 136a, 136b bereit.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Kühlelemente 134 plattenförmig ausgebildet. Die Kühlelemente 134 sind in dem Metallschaumkern 132 verankert. Diese Verankerung kann beispielsweise durch eine nachträgliche Fixierung der Kühlelemente 134 an einem hergestellten Metallschaumkern 132 erfolgen oder bereits während der Herstellung erfolgt sein.
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Insbesondere ragen die Kühlelemente 134 radial in den Durchströmungsraum 44.
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Bei einem siebten Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungseinrichtung; welches in 12 gezeigt und dort mit 138 bezeichnet ist, ist der Durchströmungsraum 44 durch eine Wandung 140 begrenzt. Die Wärmeübertragungseinrichtung 138 sitzt an der Wandung 140 und ist beispielsweise durch einen Metallschaumkern oder durch eine Rohrstruktur gebildet.
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An der Wandung 140 sitzt in dem Strömungsraum 44 oder an diesen angrenzend eine Porenstruktur 142. Diese Porenstruktur ist offenporig. Antriebsstrahl-Medium kann diese Porenstruktur durchströmen. Die Porenstruktur 142 steht in thermischem Kontakt mit der Wandung 140, welche wiederum in thermischem Kontakt mit der Wärmeübertragungseinrichtung 138 steht. Durch die Porenstruktur 142 wird die Kühlfläche der Wärmeübertragungseinrichtung 138 vergrößert.
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Die Porenstruktur 142 ist beispielsweise durch einen offenporigen Metallschaum 128 (10) gebildet.
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Durch die Porenstruktur 142 lässt sich effektiv Wärme von der Wärmeübertragungseinrichtung 138 auf das Antriebsstrahl-Medium übertragen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das Kühlmedium wird an der Wärmeübertragungseinrichtung 61 bzw. 74 bzw. 86 zylindrisch geführt, das heißt das oder die entsprechenden Strömungsrohre 66, 76, 88 liegen mit ihrer Seite (beispielsweise Seite 68 der Strömungsrohre 66), welche dem Durchströmungsraum 44 zugewandt ist, auf einem Zylindermantel.
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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.
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Das Kühlmedium durchströmt einen Metallschaumkern, wenn die entsprechende Wärmeübertragungseinrichtung einen solchen Metallschaumkern umfasst. Es wird dadurch eine große innere Oberfläche bei geringem Strömungswiderstand und guter Wärmeleitfähigkeit bereitgestellt. Dadurch lassen sich große Wärmemengen auf kleinem Raum übertragen, wobei die entsprechende Wärmeübertragungseinrichtung sich mit relativ geringem Gewicht ausbilden lässt. Durch den Metallschaumkern wird erhitztes Kühlmedium zur Wärmeübertragung an das Antriebsstrahl-Medium geführt und abgekühltes Kühlmedium wird von dem Metallschaumkern zu dem Brennstoffzellensystem 24 zurückgeführt.
