DE102008062038A1 - Notenergiesystem für ein Flugzeug - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Notenergiesystem für ein Flugzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei die Brennstoffzelleneinheit über einen Kühlkreislauf, der einen Wärmetauscher umfasst, gekühlt wird, und wobei das Notenergiesystem vorteilhafterweise im bedruckten Bereich des Flugzeugs angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist das Notenergiesystem eine Anlage zur Verdampfung von Brennstoffzellen-Produktwasser und/oder von Wasser, das bevorratet wurde, auf, über welche die Zuluft und/oder die Abluft des Wärmetauschers abgekühlt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Notenergiesystem für ein Flugzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei die Brennstoffzelleneinheit über einen Kühlkreislauf, der einen Wärmetauscher umfasst, gekühlt wird, und wobei das Notenergiesystem vorteilhafterweise im bedruckten Bereich des Flugzeugs angeordnet ist.
  • Solche Notenergiesysteme, die im Notfall elektrische Energie durch eine Brennstoffzelleneinheit zur Verfügung stellen können, sind eine Alternative zu den in den meisten zivilen Flugzeugen vorgesehenen Notenergiesystemen, die über Stauluftturbinen arbeiten. In Notenergiesystemen mit einer Brennstoffzelleneinheit wird ein Brennstoff, wie z. B. Wasserstoff, mit Sauerstoff in der Brennstoffzelleneinheit oxidiert, wodurch elektrische Energie erzeugt wird. Dabei entsteht neben der elektrischen Energie Abwärme und Wasser. Als Brennstoffzellen können z. B. Proton Exchange Membrane (PEM) Brennstoffzellen eingesetzt werden, welche relativ niedrige Arbeitstemperaturen aufweisen.
  • Die beim Betrieb der Brennstoffzelleneinheit entstehende Abwärme muss dem System entzogen werden, um ein ordnungsgemäßes Funktionieren der Brennstoffzelleneinheit zu garantieren. Hierzu ist ein Kühlkreislauf vorgesehen, in welchem ein Kühlmittel zirkuliert, das die Abwärme der Brennstoffzelleneinheit aufnimmt und über den Wärmetauscher wieder abgibt.
  • Um den Einbau des Notenergiesystems zu vereinfachen, ist es von Vorteil, wenn alle Komponenten des Notenergiesystems räumlich eng beisammen angeordnet sind, und zwar vorteilhafterweise im bedruckten Bereich des Flugzeugs. Damit ist auch der Wärmetauscher in diesem bedruckten Bereich des Flugzeugs angeordnet. Während eines Notfalls wird aber versucht, den Druck im Rumpf zu erhalten, indem alle verschließbaren Öffnungen geschlossen werden. Zudem findet keine Ventilierung statt, da die Flugzeugklimatisierung im Notfall üblicherweise nicht in Betrieb ist. Der Wärmetauscher muss daher die Abwärme des Systems an die Luft innerhalb des geschlossenen Rumpfs abgeben.
  • Die Temperatur der Luft in der geschlossenen Rumpfhülle wird daher stetig ansteigen. Diese erhöhte Lufttemperatur beeinflußt Größe und Masse des Wärmetauschers. Zudem ergibt sich durch die maximal zumutbare Temperatur für die Passagiere eine Obergrenze für die Erhöhung der Lufttemperatur.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Kühlung eines Notenergiesystems für ein Flugzeug zur Verfügung zu stellen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe von einem Notenergiesystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Notenergiesystem für ein Flugzeug weist dabei eine Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung elektrischer Energie auf, welche über einen Kühlkreislauf, der einen Wärmetauscher umfasst, gekühlt wird. Vorteilhafterweise ist das Notenergiesystem dabei im bedruckten Bereich des Flugzeugs angeordnet. Erfindungsgemäß ist eine Anlage zur Verdampfung von Brennstoffzellen-Produktwasser vorgesehen, über welche die Zuluft und/oder die Abluft des Wärmetauschers abgekühlt wird. Beim Betrieb der Brennstoffzellen entsteht als Reaktionsprodukt Wasser, welches nun erfindungsgemäß zur Kühlung der Zuluft und/oder der Abluft des Wärmetauschers der Brennstoffzelleneinheit genutzt wird. Durch diese zusätzliche Kühlung wird die Effektivität des Wärmetauschers erhöht und die Erwärmung der zur Kühlung zur Verfügung stehenden Luft im Flugzeugrumpf verringert. Alternativ zu dem Brennstoffzellen-Produktwasser bzw. additiv zu diesem kann in einem Vorratsbehälter bevorratetes Wasser genutzt werden. Soweit im folgenden von der Verwendung von Brennstoffzellen-Produktwasser die Rede ist, kann im Rahmen der Erfindung immer auch zusätzlich bzw. alternativ dieses bevorratete Wasser eingesetzt werden.
  • Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn das Brennstoffzellen-Produktwasser zur Kühlung der Zuluft des Wärmetauschers herangezogen wird. Hierdurch wird eine niedrigere Wärmetauschereintrittstemperatur erreicht, so dass der Wärmetauscher in seiner Größe und seinem Gewicht kleiner dimensioniert werden kann.
  • Aufgrund ihrer niedrigen Betriebstemperatur von ca. 70°C bis 80°C produzieren PEM-Brennstoffzellen dabei flüssiges Wasser. Dieses kann daher direkt verwendet werden, um die Zuluft und/oder die Abluft des Wärmetauschers abzukühlen. Die bei der Verdampfung des Wassers entstehende Verdampfungsenthalpie sorgt dabei für eine Temperaturabsenkung des Luftstroms. Bei Brennstoffzellen mit höherer Betriebstemperatur müssen die Abgase dagegen zuerst abgekühlt werden, bevor Wasser in flüssiger Form zur Verfügung steht. Hierfür ist gegebenenfalls ein Wasserabscheider vorgesehen.
  • Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Anlage zur Verdampfung von Brennstoffzellen-Produktwasser dabei eine Düse zum Einspritzen des Brennstoffzellen-Produktwassers in den Kühlluftstrom und/oder einen porösen Verdampfungskörper auf, welcher im Kühlluftstrom angeordnet ist.
  • Erfindungsgemäß kann also eine Düse vorgesehen sein, über welche das Brennstoffzellen-Produktwasser im Kühlluftstrom zerstäubt wird. Vorteilhafterweise ist die Düse dabei im Zuluftkanal zum Wärmetauscher angeordnet. Der Wasserdruck vor der Düse kann dabei der reine Betriebsdruck der Brennstoffzelle sein. Alternativ kann eine Pumpe vorgesehen sein, über welche der Wasserdruck erhöht wird, um eine feinere Zerstäubung zu erreichen. Die Wasserzerstäubung funktioniert dabei umso besser, je höher der Druck vor der Düse ist, da feinere Tropfen eine große Oberfläche bieten und daher schneller verdampfen als große.
  • Alternativ kann die Anlage zur Verdampfung einen porösen Verdampfungskörper aufweisen, welcher im Kühlluftstrom angeordnet ist. Der poröse Verdampfungskörper ist dabei vorteilhafterweise aus einem hydrophilen Material. Der poröse Verdampfungskörper wird mit Brennstoffzellen-Produktwasser gespeist und sorgt so für eine Verdampfung, während der Luftstrom durch oder über den porösen Körper strömt. Es handelt sich daher um einen Kontaktbefeuchter. Als poröser Verdampfungskörper kann z. B. ein Flies, insbesondere aus einem hydrophilen Material vorgesehen sein. Der Vorteil einer solchen Verdampfungsanlage liegt darin, dass kein hoher Druck benötigt wird.
  • Dabei kann der poröse Verdampfungskörper getrennt vom Wärmetauscher ausgeführt sein und insbesondere im Kühlluftkanal vor dem Wärmetauscher angeordnet sein, so dass die Wärmetauscher-Zuluft durch oder über den porösen Verdampfungskörper strömt. Diese Variante hat jedoch den Nachteil, dass der poröse Verdampfungskörper ein zusätzliches Bauteil darstellt, und zudem zu einem Druckverlust in der Kühlluftstrecke führen kann.
  • Als weitere vorteilhafte Variante kann daher vorgesehen sein, dass der Wärmetauscher selbst den porösen Verdampfungskörper umfasst, indem der Wärmetauscher z. B. aus einem porösen Material besteht oder mit einem porösen Material beschichtet ist. Auch hier wird das poröse Material mit dem Brennstoffzellen-Produktwasser benetzt und nutzt die Verdampfungsenthalpie direkt auf der Oberfläche des Wärmetauchers. Hierdurch ist keine zusätzliche Vorrichtung im Kühlluftstrom notwendig.
  • In weiterhin vorteilhafter Weise ist die erfindungsgemäße Anlage zur Verdampfung von Brennstoffzellen-Produktwasser so ausgelegt, dass nach Aktivierung des Notenergiesystems das entstehende Brennstoffzellen-Produktwasser zunächst gesammelt und erst zeitverzögert zur Kühlung des Kühlluftstroms herangezogen wird. Die Auslegung des Wärmetauschers zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit wird durch die maximale Temperatur der Kühlluft während des gesamten Systembetriebs bestimmt. Zu Beginn des Einsatzes hat die Kühlluft dabei noch ein relativ niedriges Temperaturniveau, welches jedoch im Verlauf des Einsatzes ansteigt. Um die Größe und somit auch das Gewicht des Wärmetauschers zu minimieren, kann daher das Produktwasser erfindungsgemäß gesammelt werden und z. B. erst ab einer bestimmten Kühllufttemperatur oder nach Ablauf einer gewissen Zeit in den Kühlluftstrom eingebracht werden. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die eingebrachte Wassermenge mit der Zeit oder mit der Kühllufttemperatur steigt. Hierdurch kann die maximale Kühllufttemperatur, welche die Auslegung des Wärmetauschers bestimmt, deutlich gesenkt werden. Durch das Sammeln des Wassers zu Beginn des Betriebs steht zum Zeitpunkt der höchsten Kühllufttemperatur eine zusätzliche Wassermenge zur Verfügung, die zum Kühlen genutzt werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Anlage zur Verdampfung von Brennstoffzellen-Produktwasser weist dabei vorteilhafterweise einen Sammelbehälter zum Sammeln des entstehenden Brennstoffzellen-Produktwassers sowie eine entsprechende Steuerung auf, über welche die Zugabe des Wassers zum Kühlluftstrom gesteuert wird. Alternativ kann auch der Sammelbehälter und die Zuleitung so ausgestaltet werden, dass sich entstehendes Brennstoffzellen-Produktwasser zunächst sammelt und erst später in den Kühlluftstrom eingebracht wird.
  • In weiterhin vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher über einen Abluftkanal mit dem Luftverteilungssystem der Flugzeugkabine verbunden ist, so dass während des Betriebs des Notenergiesystems die vom Wärmetauscher erwärmte Abluft über das Luftverteilungssystem in der Kabine verteilt werden kann. Diese ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der Abwärme der Brennstoffzellenanlage über die Kabine. Durch diese gleichmäßige Verteilung können Kurzschluss strömungen der warmen Abluft stark reduziert werden. Hierdurch kann die Temperatur der Wärmetauscher-Zuluft über einen langen Zeitraum niedrig gehalten werden, so dass dieser kleiner dimensioniert werden kann. Zudem wird eine Überhitzung einzelner Bereiche des Flugzeugs vermieden. Dabei kann durch die Nutzung des Luftverteilungssystems der Flugzeugkabine auf ein bereits vorhandenes Bauteil zurückgegriffen werden, was Kosten und Gewicht spart.
  • Die Erfindung ist dabei von besonderem Vorteil, wenn die Zuluft für den Wärmetauscher aus dem bedruckten Bereich der der Kabine entnommen wird. Insbesondere kann dabei ein Zuluftkanal vorgesehen sein, welcher mit dem Kabinenabluftsystem in Verbindung steht.
  • Vorteilhafterweise steht der Abluftkanal des Wärmetauschers mit der Mischkammer des Luftverteilungssystems der Kabine in Verbindung. Hierdurch wird eine gleichmäßige Verteilung der warmen Abluft ermöglicht.
  • In weiterhin vorteilhafter Weise ist ein Gebläse vorgesehen, über welches die Ablauft vom Wärmetauscher zum Luftverteilungssystem der Kabine transportiert wird. Vorteilhafterweise gehört dieses Gebläse zum Klimaanlagen- und/oder Luftverteilungssystem. Es kann also zum Einbringen der Abluft vom Wärmetauscher zum Luftverteilungssystem auf eine ohnehin vorhandene Komponente zurückgegriffen werden, z. B. das Rezirkulationsgebläse des Klimaanlagenluftverteilungssystems.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin die Verwendung eines erfindungsgemäßen Notenergiesystems in Kombination mit einem Klimatisierungs- und/oder Luftverteilungssystems für die Kabine eines Flugzeugs. Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Notenergiesystems in einem Flugzeug.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Klimatisierungs- und/oder Luftverteilungssystem für die Kabine eines Flugzeugs, welches über einen Abluftkanal mit dem Wärmetauscher eines Notenergiesystems, wie es oben beschrieben wurde, verbunden ist. Hierdurch kann die warme Abluft vom Wärmetauscher gleichmäßig in der Flugzeugkabine verteilt werden.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Flugzeug mit einem Notenergiesystem und/oder einem Klimatisierungs- und/oder einem Luftverteilungssystem, wie es oben beschrieben wurde. Für das Flugzeug ergeben sich dabei die gleichen Vorteile, wie sie oben dargestellt wurden.
  • Die vorliegenden Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines Notenergiesystems für ein Flugzeug, wobei das Notenenergiesystem eine Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung elektrischer Energie aufweist, welche über einen Kühlkreislauf, der einen Wärmetauscher umfasst, gekühlt wird. Das Notenergiesystem ist dabei vorteilhafterweise im bedruckten Bereich des Flugzeugs angeordnet. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Zuluft und/oder die Abluft des Wärmetauschers durch die Verdampfung von Brennstoffzellen-Produktwasser abgekühlt wird. Durch die erfindungsgemäße Verdampfung von Brennstoffzellen-Produktwasser kann damit die Kühlleistung des Wärmetauschers erhöht bzw. der Wärmetauscher geringer dimensioniert werden.
  • In vorteilhafter Weise wird dabei das Brennstoffzellen-Produktwasser mittels einer Düse in den Kühlluftstrom eingespritzt und/oder über einen porösen Verdampfungskörper in den Kühlluftstrom eingebracht.
  • In weiterhin vorteilhafter Weise wird nach Aktivierung des Notenergiesystems das entstehende Brennstoffzellen-Produktwasser zunächst gesammelt und erst zeitverzögert zur Kühlung des Kühlluftstroms herangezogen.
  • In vorteilhafter Weise wird das erfindungsgemäße Verfahren dabei so durchgeführt, wie dies oben bezüglich der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Notenergiesystems dargestellt wurde.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher dargestellt. Dabei zeigen
  • 1: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Flugzeugs mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Notenergiesystems,
  • 2: ein erstes Ausführungsbeispiel eines Zuluftkanals zum Wärmetauscher eines erfindungsgemäßen Notenergiesystems und
  • 3: ein zweites Ausführungsbeispiel eines Zuluftkanals zum Wärmetauscher eines erfindungsgemäßen Notenergiesystems.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Flugzeugs. Dabei handelt es sich um ein ziviles Flugzeug mit einer Flugzeugkabine 6, insbesondere zum Transport von Personen. Als Teil des Klimatisierungssystems des Flugzeugs ist dabei ein Luftverteilungssystem 7 vorgesehen, bei welchem Luft aus der Mischkammer 8 über Luftverteilungsleitungen 9 gleichmäßig in der Kabine verteilt wird. Die Kabine ist dabei Teil des bedruckten Bereichs des Flugzeugs.
  • Das Flugzeug ist mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Notenergiesystems ausgestattet, welches im Notfall mittels einer Brennstoffzelleneinheit 2 elektrische Energie zur Verfügung stellt. Die Brennstoffzelleneinheit umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, in welchen ein Brennstoff wie z. B. Wasserstoff mit Sauerstoff oxidiert wird, um elektrische Energie zu erzeugen. Bei den Brennstoffzellen des Ausführungsbeispiels handelt es sich dabei um Proton Exchange Membrane Brennstoffzellen. Um die beim Betrieb der Brennstoffzellen entstehende Abwärme abzuführen, ist ein Kühlkreislauf vorgesehen, über welchen die Brennstoffzelleneinheit 2 gekühlt wird. Der Kühlkreislauf weist dabei Kühlmittelleitungen 3 auf, welche die Brennstoffzelleneinheit 2 mit einem Wärmetauscher 4 verbinden. Das Kühlmittel wird in der Brennstoffzelleneinheit 2 erwärmt und fließt über die Kühlmittelleitung 3 zum Wärmetauscher 4, um dort abgekühlt zu werden, und fließt über weitere Kühlmittelleitungen 3 wieder zurück zur Brennstoffzelleneinheit 2.
  • Das erfindungsgemäße Notenergiesystem ist im Ausführungsbeispiel im bedruckten Bereich des Flugzeugs angeordnet. Da während eines Notfalls alle verschließbaren Öffnungen in der Flugzeughülle geschlossen werden, um den Druck im Rumpf aufrecht zu erhalten, muss der Wärmetauscher 4 daher die Abwärme des Systems an die Luft innerhalb des geschlossenen Rumpfs abgeben.
  • Um die Effizienz des Wärmetauschers zu erhöhen und damit den Wärmetauscher bezüglich seiner Größe und seinem Gewicht möglichst klein dimensionieren zu können, sind dabei erfindungsgemäß mehrere Merkmale vorgesehen, welche auch unabhängig voneinander realisiert werden können.
  • Wie in 1 gezeigt, ist der Wärmetauscher 4 des Notenergiesystems über einen Abluftkanal 5 mit dem Luftverteilungssystem 7 der Flugzeugkabine 6 verbunden, so dass beim Betrieb des Notenergiesystems die vom Wärmetauscher 4 erwärmte Abluft über das Luftverteilungssystem in der Kabine verteilt werden kann. Der Abluftkanal 5 mündet dabei in die Mischkammer 8 des Luftverteilungssystem, von wo aus die erwärmte Luft gleichmäßig über die gesamte Passagierkabine 6 verteilt wird. Hierdurch können Kurzschlussströmungen, welche zu einer erhöhten Temperatur der Zuluft zum Wärmetauscher führen würden, erheblich reduziert werden. Dabei ist ein Gebläse 15 vorgesehen, über welches die Luft in das Luftverteilersystem 7 eingespeist wird. Bei dem Gebläse 15 kann es sich um ein eigenes Gebläse für das Notenergiesystem handeln, oder vorzugsweise um ein Gebläse, welches zum bereits vorhandenen Klimaanlagen- oder Luftverteilungssystem gehört, z. B. das Rezirkulationsgebläse des Luftverteilungssystems. Weiterhin ist ein Zuluftkanal 10 vorgesehen, über welchen Abluft aus der Passagierkabine 6 zum Wärmetauscher 15 strömt. Der Zuluftkanal 10 muss dabei nicht direkt an die Kabine angeschlossen sein, sondern kann auch Luft aus einem anderen Teil des bedruckten Bereichs innerhalb des Rumpfes absaugen.
  • Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Anlage zur Verdampfung von Brennstoffzellen-Produktwasser vorgesehen, über welche die Zuluft 14 zum Wärmetauscher 4 abgekühlt wird. Aufgrund ihrer niedrigen Betriebstemperatur produzieren die PEM-Brennstoffzellen während des Betriebs flüssiges Wasser, welches erfindungsgemäß dazu genutzt wird, die Effizienz des Wärmetauschers zu steigern. Die Verdampfungenthalpie des Wassers sorgt dabei für eine Temperaturabsenkung des Luftstroms 14 zum Wärmetauscher und damit zu einer erhöhten Effizienz.
  • In 2 und 3 sind zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele dieser Anlage zur Verdampfung von Brennstoffzellen-Produktwasser gezeigt. Wie in 2 gezeigt, kann eine Düse 11 im Zuluftkanal 10 des Wärmetauschers 4 angeordnet werden, über welche Brennstoffzellen-Produktwasser im Wärmetauscher-Zuluftstrom zerstäubt wird. Hierfür wird Wasser von den Brennstoffzellen über eine Zuleitung 12 zur Düse 11 geleitet, um dort zerstäubt zu werden. Der Wasserdruck vor der Düse kann dabei der reine Betriebsdruck der Brennstoffzelleneinheit 2 sein oder über eine separate Pumpe erhöht werden, um eine feinere Zerstäubung zu erreichen.
  • Alternativ hierzu kann, wie in 3 gezeigt, ein poröser Verdampfungskörper 13 vorgesehen sein, welcher im Kühlluftstrom 14 zum Wärmetauscher 4 angeordnet wird. Bei dem porösen Körper 13 kann es sich dabei z. B. um ein Flies aus einem hydrophilen Material handeln. Der poröse Verdampfungskörper wird mit Produktwasser benetzt, wozu wiederum über eine Leitung 12 Wasser von den Brennstoffzellen zum porösen Verdampfungskörper geleitet wird. Die Zuluft 14 zum Wärmetauscher strömt durch oder über den porösen Verdampfungskörper 13, so dass das Wasser nach dem Prinzip eines Kontaktbefeuchters verdunstet. Die Kühlluft strömt damit zuerst durch den mit Wasser benetzten porösen Körper 13, bevor sie durch den Wärmetauscher 4 strömt.
  • Als weitere Variante kann ein Wärmetauscher vorgesehen sein, der selbst aus einem porösen Material besteht oder mit einem porösen Material beschichtet ist. Dieses poröse Material wird wie oben beschrieben mit Produktwasser von den Brenn stoffzellen benetzt und nutzt somit die Verdampfungsenthalpie direkt auf der Oberfläche des Wärmetauschers.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das von den Brennstoffzellen während ihres Betriebs produzierte Wasser nicht sofort in den Kühlluftstrom eingebracht wird. Die Auslegung des Wärmetauschers wird nämlich durch die maximale Temperatur der Kühlluft während des gesamten Systembetriebs bestimmt. Zu Beginn des Einsatzes hat die Kühlluft jedoch noch ein relativ niedriges Temperaturniveau, welches dann im Verlauf des Einsatzes ansteigt. Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, das während des Betriebs der Brennstoffzellen entstehende Produktwasser zu sammeln und mit steigender Kühllufttemperatur oder Betriebszeit verstärkt einzuspritzen bzw. in das poröse Material einzubringen. Durch das Sammeln des Wassers zu Beginn des Einsatzes steht somit zum Zeitpunkt der höchsten Kühllufttemperatur eine zusätzliche Wassermenge zur Verfügung, welche zum Kühlen genutzt werden kann. Hierdurch kann die maximal auftretende Kühllufttemperatur, welche die Auslegung des Wärmetauschers bestimmt, deutlich gesenkt werden. In vorteilhafter Weise ist dabei ein Sammelbehälter zum Sammeln des Brennstoffzellen-Produktwassers und eine Steuerung vorgesehen, über welche die Zugabe des Brennstoffzellen-Produktwassers zum Kühlluftstrom gesteuert wird. Die Steuerung kann dabei auf Grundlage der Kühllufttemperatur, welche hierzu mit einem Temperaturfühler gemessen wird, oder z. B. auf Grundlage des Zeitablaufs erfolgen.

Claims (11)

  1. Notenergiesystem für ein Flugzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei die Brennstoffzelleneinheit über einen Kühlkreislauf, der einen Wärmetauscher umfaßt, gekühlt wird, und wobei das Notenergiesystem vorteilhafterweise im bedruckten Bereich des Flugzeugs angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Anlage zur Verdampfung von Brennstoffzellen-Produktwasser und/oder von Wasser, das bevorratet wurde, über welche die Zuluft und/oder die Abluft des Wärmetauschers abgekühlt wird.
  2. Notenergiesystem nach Anspruch 1, wobei die Anlage zur Verdampfung von Brennstoffzellen-Produktwasser eine Düse zum Einspritzen des Brennstoffzellen-Produktwassers in den Kühlluftstrom und/oder einen porösen Verdampfungskörper aufweist, welcher im Kühlluftstrom angeordnet ist.
  3. Notenergiesystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anlage zur Verdampfung von Brennstoffzellen-Produktwasser so ausgelegt ist, dass nach Aktivierung des Notenergiesystems das entstehende Brennstoffzellen-Produktwasser zunächst gesammelt und erst zeitverzögert zur Kühlung des Kühlluftstroms herangezogen wird.
  4. Notenergiesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Wärmetauscher über einen Abluftkanal mit dem Luftverteilungssystem der Flugzeug-Kabine verbunden ist, so dass beim Betrieb des Notenergiesystems die vom Wärmetauscher erwärmte Abluft über das Luftverteilungssystem in der Kabine verteilt werden kann.
  5. Notenergiesystem nach Anspruch 4, wobei der Abluftkanal mit der Mischkammer des Luftverteilungssystems der Kabine verbunden ist.
  6. Notenergiesystem nach Anspruch 4 oder 5, mit einem Gebläse, über welches die Abluft vom Wärmetauscher zum Luftverteilungssystem der Kabine transportiert wird, wobei das Gebläse vorteilhafterweise zum Klimaanlagen- und/oder Luftverteilungssystem gehört.
  7. Klimatisierungs- und/oder Luftverteilungssystem für die Kabine eines Flugzeugs, welches über einen Abluftkanal mit dem Wärmetauscher eines Notenergiesystems nach einem der vorangegangenen Ansprüche verbunden ist.
  8. Flugzeug mit einem Notenergiesystem und/oder einem Klimatisierungs- und/oder Luftverteilungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
  9. Verfahren zum Betrieb eines Notenergiesystems für ein Flugzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei die Brennstoffzelleneinheit über einen Kühlkreislauf, der einen Wärmetauscher umfaßt, gekühlt wird, und wobei das Notenergiesystem vorteilhafterweise im bedruckten Bereich des Flugzeugs angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuluft und/oder die Abluft des Wärmetauschers durch die Verdampfung von Brennstoffzellen-Produktwasser abgekühlt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Brennstoffzellen-Produktwasser mittels einer Düse in den Kühlluftstrom eingespritzt wird und/oder über einen porösen Verdampfungskörper in den Kühlluftstrom eingebracht wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei nach Aktivierung des Notenergiesystems das entstehende Brennstoffzellen-Produktwasser zunächst gesammelt und erst zeitverzögert zur Kühlung des Kühlluftstroms herangezogen wird.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011012803A1 (de) 2011-03-02 2012-09-06 Diehl Aerospace Gmbh Bordversorgungssystem und Bordküche, mit einer Brennstoffzelleneinheit, zum Einsatz in einem Flugzeug
RU2492119C2 (ru) * 2011-09-21 2013-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Беспилотный летательный аппарат
WO2016116902A1 (en) * 2015-01-22 2016-07-28 Zodiac Aerotechnics Aircraft fuel cell heat usages
FR3037565A1 (fr) * 2015-06-22 2016-12-23 Snecma Aeronef equipe d'un dispositif generateur de chaleur
WO2021009150A1 (de) * 2019-07-18 2021-01-21 Robert Bosch Gmbh Kühlsystem für einen brennstoffzellen-stack

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10102890A1 (de) * 2000-01-25 2001-09-20 Nissan Motor Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellenverfahren
DE102006020145A1 (de) * 2005-05-09 2006-11-16 Modine Manufacturing Co., Racine Brennstoffzellensystem mit integrierter Brennstoffbefeuchtereinheit

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10102890A1 (de) * 2000-01-25 2001-09-20 Nissan Motor Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellenverfahren
DE102006020145A1 (de) * 2005-05-09 2006-11-16 Modine Manufacturing Co., Racine Brennstoffzellensystem mit integrierter Brennstoffbefeuchtereinheit

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011012803A1 (de) 2011-03-02 2012-09-06 Diehl Aerospace Gmbh Bordversorgungssystem und Bordküche, mit einer Brennstoffzelleneinheit, zum Einsatz in einem Flugzeug
US8814086B2 (en) 2011-03-02 2014-08-26 Diehl Aerospace Gmbh On-board supply system and on-board galley having a fuel cell unit for use in an aircraft
DE102011012803B4 (de) * 2011-03-02 2015-02-12 Diehl Aerospace Gmbh Bordversorgungssystem mit einer Brennstoffzelleneinheit, zum Einsatz in einem Flugzeug
RU2492119C2 (ru) * 2011-09-21 2013-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Беспилотный летательный аппарат
WO2016116902A1 (en) * 2015-01-22 2016-07-28 Zodiac Aerotechnics Aircraft fuel cell heat usages
US20180002030A1 (en) * 2015-01-22 2018-01-04 Zodiac Aerotechnics Aircraft fuel cell heat usages
EP3446961A1 (de) * 2015-01-22 2019-02-27 Zodiac Aerotechnics Verwendungen von wärme von flugzeugbrennstoffzellen
US10717542B2 (en) * 2015-01-22 2020-07-21 Zodiac Aerotechnics Aircraft fuel cell heat usages
FR3037565A1 (fr) * 2015-06-22 2016-12-23 Snecma Aeronef equipe d'un dispositif generateur de chaleur
WO2021009150A1 (de) * 2019-07-18 2021-01-21 Robert Bosch Gmbh Kühlsystem für einen brennstoffzellen-stack

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