DE102009050309A1

DE102009050309A1 - Notenergiesystem für ein Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102009050309A1
Application number: DE102009050309A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl.-Ing. Brugger (Fh); Jörn FRICK; Jacques Dipl.-Ing. Herzog (FH); Dirk Dipl.-Ing. Metzler (FH)
Original assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Current assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2011-04-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Notenergiesystem für ein Luftfahrzeug mit wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei die Brennstoffzelleneinheit über wenigstens einen Kühlkreislauf, der wenigstens einen Wärmeübertrager umfasst, gekühlt wird und wobei der Wärmeübertrager mit wenigstens einem Luftverteilungssystem der Flugzeug-Kabine verbunden ist, so dass beim Betrieb des Notenergiesystems vom Wärmeübertrager erwärmte Abluft über das Luftverteilungssystem in der Flugzeug-Kabine verteilt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Notenergiesystem für ein Luftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2. Notenergiesysteme, die im Notfall elektrische Energie durch eine Brennstoffzelleneinheit zur Verfügung stellen können, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beim Betrieb der Brennstoffzelleneinheit entsteht Abwärme, die abgeführt werden muss, um eine ordnungsgemäße Funktion der Brennstoffzelleneinheit zu gewährleisten. Dazu kann ein Kühlkreislauf vorgesehen sein, in dem ein Kühlmittel zirkuliert, das die Abwärme der Brennstoffzelleneinheit aufnimmt und über einen Wärmeübertrager abgibt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effiziente Abfuhr von Abwärme des Notenergiesystems zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird durch ein Notenergiesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 2 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager mit wenigstens einem Luftverteilungssystem der Flugzeug-Kabine verbunden ist, so dass beim Betrieb des Notenergiesystems vom Wärmeübertrager erwärmte Abluft über das Luftverteilungssystem in der Flugzeug-Kabine verteilt werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, das Brennstoffzellensystem bzw. die Brennstoffzelle selbst zu kühlen, das heißt den Wärmeübertrager durch die Brennstoffzelle zu ersetzen. Die Brennstoffzelle bzw. das Brennstoffzellensystem gibt dann die Wärme direkt in das Luftverteilungssystem ab. Eine derartige Brennstoffzelle bzw. ein solches Brennstoffzellensystem kann zusätzlich über einen oben erwähnten Kühlkreislauf, insbesondere über einen wasserbetriebenen Kühlkreislauf gekühlt werden. Bevorzugt ist es jedoch, die Variante gemäß Anspruch 2 so auszuführen, dass das Kühlsystem für die Brennstoffzelle und damit auch der Wärmeübertrager entfallen, wodurch sich eine entsprechende Vereinfachung des Systems ergibt.
Bei der Variante der luftgekühlten Brennstoffzelle kann auf die Einspritzung von Produktwasser verzichtet werden, da vorzugsweise das Produktwasser wie die Abwärme an die Prozessluft abgegeben wird.
Die Flugzeug-Kabine dient erfindungsgemäß gleichsam als Wärmepuffer für die Abwärme des Notenergiesystems bzw. dient als interne Kühlung.
Denkbar ist es, eine Anlage zur Verdampfung von Brennstoffzellen-Produktwasser und/oder von Wasser vorzusehen, das bevorratet wurde, über welche die Zuluft und/oder die Abluft des Wärmeübertragers abgekühlt wird. Auf diese Weise lässt sich eine Effizienzsteigerung der Kühlung erreichen.
Um den Einbau des Notenergiesystems zu vereinfachen, ist es von Vorteil, wenn die Komponenten des Notenergiesystems räumlich eng beisammen angeordnet sind. Vorteilhafterweise ist/sind wenigstens eine, vorzugsweise mehrere und besonders bevorzugt alle Komponenten des Notenergiesystems im bedruckten Bereich des Luftfahrzeuges angeordnet. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Notenergiesystems ergeben sich aus den Unteransprüchen 3 bis 19. So ist es beispielsweise denkbar, die Brennstoffzellentemperaturregelung über die Leistungsregelung des Rezirkulationsgebläses (im Folgenden „RFAN”) oder eines Gebläses (im Folgenden „FCEPS FAN”), das eigens dem Notenergiesystem zugeordnet ist, durchzuführen. Bei nicht stufenlos regelbaren Gebläsen oder bei Gebläsen, die den aerodynamischen Anforderungen des Brennstoffzellen-Notenergiesystems nicht genügen, kann die Temperatur über eine Ein/Aus-Steuerung des Gebläses geregelt werden. Das RFAN des Luftverteilungssystems ist in der Regel mit einem eigenen Controller (Smart) ausgerüstet, der z. B. über eine BUS-Kombination (CAN) im Betriebsfall des FCEPS, d. h. im Notbetrieb, von dem Brennstoffzellen-Controller mit einem alternativen Regelungssignal betrieben werden kann.
Das oder die RFANs müssen im Notfall mit Leistung versorgt werden können. Dies kann indirekt erreicht werden, indem sie flugzeugseitig an das Notstromnetz angebunden sind, das im Notfall von der Brennstoffzelleneinheit (im Folgenden „FCEPS”) mit Strom versorgt wird. Alternativ dazu ist es auch denkbar, eine direkte elektrische Versorgung des oder der RFANs in dem FCEPS über eine entsprechende Schalteinheit (Relais etc.) zu realisieren. Synonym für den Begriff „Brennstoffzelleneinheit” wird im folgenden auch der Begriff „Brennstoffzellensystem” verwendet.
Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Luft für den Wärmeübertrager (im Folgenden „HX”) bzw. für das Brennstoffzellensystem aus der Umgebung des Systems oder auch aus einem beliebigen luftführenden Rohr/Kanal angesaugt bzw. eingeführt wird.
Sind mehrere Rezirkulationsgebläse vorgesehen, ist es denkbar, die wenigstens eine Abluftleitung und/oder die wenigstens eine Zuluftleitung dieser mehreren bzw. weiteren Rezirkulationsgebläse im Notbetrieb, das heißt optional mit wenigstens einer Abluftleitung und/oder mit wenigstens einer Zuluftleitung des Wärmeübertragers HX und/oder des Brennstoffzellensystems FCEPS mittels wenigstens einer Verbindungsleitung („cross duct CD”) zu verbinden. Diese cross ducts können im Bedarfsfall (Notbetrieb) durch Bypassventile BPV geöffnet werden und ansonsten durch dieses Ventil verschlossen werden.
Weiterhin kann wenigstens ein Bypassventil BPV vorgesehen sein, das derart angeordnet ist, dass es in einer ersten Stellung des Ventils zu einer Durchströmung einer Leitung des Luftverteilungssystems kommt, insbesondere zu einer Durchströmung der Rezirkulationsleitung des Luftverteilungssystems, ohne dass der Wärmeübertrager HX und/oder das Brennstoffzellensystem FCEPS durchströmt wird. In einer zweiten Stellung des Ventils kann vorgesehen sein, dass der Wärmeübertrager HX und/oder das Brennstoffzellensystem FCEPS durchströmt wird, wie dies im Notbetrieb der Fall ist. Je nach Anordnung des Ventils kann vorgesehen sein, dass im Normalbetrieb ein Rezirkulationsfilter RF durchströmt wird, im Notbetrieb jedoch durch das Rezirkulationsbypassventil auf Bypass geschaltet wird und Luft direkt über den HX und/oder das Brennstoffzellensystem FCEPS geführt wird.
Die nachfolgenden Ausführungen und Ausführungsbeispiele bzw. Architekturen sind grundsätzlich im sogenannten Druckbetrieb als auch im Saugbetrieb denkbar und von der Erfindung mitumfasst. Der in den 1 bis 15 dargestellte Wärmeübertrager HX kann auch durch eine Brennstoffzelle bzw. durch ein Brennstoffzellensystem FCEPS ersetzt werden. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass der Begriff der Brennstoffzelleneinheit oder des Brennstoffzellensystems FCEPS die Brennstoffzelle selbst betreffen kann sowie auch ein System oder eine Einheit, dessen/deren Bestandteil die Brennstoffzelle bildet.
Wird der Wärmeübertrager HX durch die Brennstoffzelle bzw. durch das Brennstoffzellensystem ersetzt, gibt letztere Wärme direkt in das Luftverteilungssystem ab. Eine Architektur dieser Anordnung ist in 16 dargestellt. Wie ausgeführt, ist die Erfindung jedoch nicht auf diese Architektur beschränkt, sondern umfasst auch alle Ausführungsformen, in denen der Wärmeübertrager durch eine vorzugsweise luftgekühlte Brennstoffzelle bzw. ein vorzugsweise luftgekühltes Brennstoffzellensystem ersetzt ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weitern ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug, mit wenigstens einem Notenergiesystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung des Betriebs des Notenergiesystems im Druckbetrieb,
2: eine schematische Darstellung des Betriebs des Notenergiesystems im Saugbetrieb,
3: eine schematische Darstellung einer Architektur mit zentraler Wärmeeinleitung mit RFANs und freier Ansaugung,
4: eine schematische Darstellung einer Architektur mit zentraler Wärmeeinleitung mit RFANs und Ansaugung aus einem Luftkanal,
5: eine schematische Darstellung einer Architektur mit zentraler Wärmeeinleitung mit RFANs und Anordnung des HX stromabwärts des RFAN,
6: eine schematische Darstellung einer Architektur mit zentraler Wärmeeinleitung mit dem HX zugeordneten FCEPS FAN und freier Ansaugung,
7: eine schematische Darstellung einer Architektur mit zentraler Wärmeeinleitung mit dem HX zugeordneten FCEPS FAN und Ansaugung aus einem Rohr/Kanal,
8: eine schematische Darstellung einer Architektur mit dezentraler Wärmeinleitung in ein Luftverteilungssystem einer Flugzeugzone und freier Ansaugung,
9: eine schematische Darstellung einer Architektur mit dezentraler Wärmeeinleitung in eine Luftverteilungsleitung einer Flugzeugzone mit Ansaugung aus einem Rohr/Kanal,
10: eine schematische Darstellung einer Architektur mit dezentraler Wärmeeinleitung mit RFANs und Anordnung des HX in einem Zonenabgang,
11: eine schematische Darstellung einer Architektur mit dezentraler Wärmeeinleitung mit RFANs und Anordnung des HX parallel zum Zonenabgang,
12: eine schematische Darstellung einer Architektur mit dezentraler Wärmeeinleitung mit RFANs und Anordnung des HX zwischen dem Rezirkulationsgebläseausgang und einem Zonenabgang,
13: eine schematische Darstellung einer Architektur mit dezentraler Wärmeeinleitung mit RFANs und Anordnung des HX zwischen einer Position stromaufwärts des RFAN und einem Zonenabgang,
14: eine schematische Darstellung einer Architektur mit zentraler Wärmeeinleitung mit RFANs und Anordnung des HX unmittelbar im Ansaugstrang des RFAN stromabwärts des Rezirkulationsfilters RF,
15: eine schematische Darstellung einer Architektur mit zentraler Wärmeeinleitung mit RFANs und Anordnung des HX unmittelbar im Ansaugstrang des RFAN stromaufwärts des Rezirkulationsfilters RF und
16: eine schematische Darstellung einer Architektur mit luftgekühlter Brennstoffzelle.
1 zeigt in schematischer Darstellung zwei Zonen (Zone 1, Zone 2) einer Flugzeug-Kabine, die über Luftverteilungsleitungen (Luftverteilungsleitung Zone 1; Luftverteilungsleitung Zone 2) mit Zuluft versorgt werden. In dem bedruckten Raum des Flugzeuges ist ein Notenergiesystem angeordnet, das eine Brennstoffzellen-Einheit FCEPS und einen Wärmeübertrager. HX umfasst. FCEPS und HX sind über eine oder mehrere Kühlmittelleitungen miteinander verbunden. Das durch diese Kühlmittelleitung zirkulierende Kühlmittel nimmt Wärme von der FCEPS auf. Diese Wärme wird in dem HX abgeben. 1 zeigt bezüglich Zone 2 eine zentrale Wärmeeinleitung über die Mischkammer MIX eines Flugzeugluftverteilungssystems. Dem MIX wird über ein Gebläse die erwärmte Abluft des HX zugeführt. Von dort gelangt die Luft über eine oder mehrere Luftverteilungsleitungen in Zone 2. Alternativ kann auch eine dezentrale Wärmeeinleitung über die Luftverteilungsleitung einer Flugzeugzone vorgesehen sein, wie dies bezüglich Zone 1 dargestellt ist. In diesem Fall wird die Abluft des HX mittels eines Gebläses nicht in eine Mischkammer, sondern direkt in eine Luftverteilungsleitung geführt. In beiden Fällen wird die Abwärme des FCEPS bzw. des HX über ein Gebläse in das Flugzeugluftverteilungssystem eingebracht (Druckbetrieb).
2 zeigt eine Ausführung im Saugbetrieb. Dort wird zur Kühlung des HX Luft zentral aus der MIX oder dezentral aus irgendeinem Ort des Flugzeugluftverteilungssystem verwendet. Bei der zentralen Ansaugung aus einer Mischkammer (2, rechte Bildhälfte) wird Luft aus dem MIX und dadurch aus der Kabine (die im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch das Cockpit, Avionics etc. umfasst) angesaugt. Bei der Anordnung gemäß 2, linke Bildhälfte wird die Luft nicht aus einer MIX, sondern aus einer Luftverteilungsleitung angesaugt und sodann dem HX zugeführt. Es ist darauf zu achten, dass keine Kurzschlussströmung zwischen den Rezirkulationseinlässen und der HX-Abluftseite entsteht. Ein Vorteil des Saugbetriebes liegt darin, dass die Passagiere mit deutlich kühlerer Luft angeströmt werden, als beim Druckbetrieb. Dies ist darauf zurückzuführen, dass beim Saugbetrieb Wärme an den Underfloor-Bereich abgegeben wird, bevor die Luft in die Kabine eingeleitet wird.
Von der Erfindung sind beide Varianten (zentral über MIX oder dezentral, d. h. nicht über MIX) sowohl im Druckbetrieb als auch im Saugbetrieb umfaßt. Die 3 bis 13 zeigen Architekturen, die sowohl im Druckbetrieb als auch im Saugbetrieb realisierbar sind, wobei von der Erfindung beide Betriebsarten umfaßt sind.
3 zeigt eine Architektur mit zentraler Wärmeeinleitung in MIX, bei der kein eigens für den HX vorgesehenes Gebläse vorgesehen ist. Zur Durchströmung des HX dienen ein oder mehrere der ohnehin vorhandenen Rezirkulationsgebläse RFAN, RFAN 2, die zu dem Luftverteilungssystem des Flugzeugs gehören. Mittels des RFAN wird im Notbetrieb Luft über den HX gesogen. Die Position, in der der Abluftkanal des HX in die in die MIX führende Leitung bzw. Rezirkulationsleitung mündet, befindet sich zwischen einem stromaufwärtigen Rezirkulationsfilter (im Folgenden „RF”) und dem RFAN. Der RF hat die Funktion, die umgewälzte Luft aus der Kabine zu reinigen. Diese Reinigungsfunktion ist für den kurzzeitigen Einsatz eines FCEPS im Notfall nicht mehr notwendig und reduziert im übrigen die erforderliche Gebläseleistung, die durch den filterabhängigen Druckverlust bedingt ist. Das Rezirkulationsfilterbypass-Ventil (im Folgenden „BPV”) ist derart angeordnet und ausgeführt, dass es im Normalbetrieb eine Durchströmung des RF und des RFAN ermöglicht, wobei die Luft sodann durch das Rückschlagventil (CKV) in die MIX geführt wird. Im Notbetrieb wird das BPV umgeschaltet, so dass die Luft mittels des RFAN nicht durch den RF, sondern direkt über den Abluftkanal des HX abgesogen wird. Sind mehrere RFAN, RFAN 2 vorhanden, kann über eine zusätzliche Verbindungsleitung (Crossduct (CD)) eine Verbindung zwischen der Abluftseite des HX und der Zu- oder Abluftleitung des weiteren RFAN 2 Kühlluft für den HX zugeführt werden. Auch auf dieser Seite kann ein BPV 2 angeordnet sein, um auch dort das Ansaugen über den zweiten RF 2 im Notbetrieb zu verhindern. Dies erhöht die FCEPS-Systemverfügbarkeit und schafft eine Redundanz, was die Ausfallwahrscheinlichkeit des FCEPS-Systems positiv beeinflußt.
Wie aus 3 weiter ersichtlich, können ein oder mehrere Isolationsventile vorgesehen sein, die im Notbetrieb die Zuströmung von Abwärme in kritische Zonen, wie beispielsweise Cockpit oder Flugzeug-Avionikbereich verhindern. Im Normalbetrieb ist das Isolationsventil offen und im Notbetrieb geschlossen. Wie aus 3 weiter ersichtlich erfolgt eine „freie Ansaugung” des HX, d. h. die Luft wird nicht durch eine Leitung oder dergleichen, sondern aus der Umgebung zugeführt.
4 zeigt eine Anordnung mit zentraler Wärmeeinleitung in den MIX, bei der die Zuluft des HX aus einem Luftkanal bereitgestellt wird. Die Zuluftleitung des HX zweigt stromaufwärts oder stromabwärts des RF und stromaufwärts des RFAN von der in die MIX führenden Leitung bzw. Rezirkulationsleitung ab, in der die Luftströmung durch den RFAN bewirkt wird. Im Notbetrieb wird das BPV geschlossen, was zur Folge hat, dass der RF nicht mehr durchströmt wird, sondern die Luft parallel und im Bypass zum RF durch den HX gesogen wird. Durch eine oder mehrere optionale Verbindungsleitungen (im Folgenden „CD”) kann eine Umschaltung auf weitere RFAN 2 realisiert werden. In diesem Fall wird die Luftauslassseite des HX mit dem Eingang oder Ausgang des oder der weiteren RFAN 2 verbunden, wobei auch hier ein BPV 2 vorgesehen ist, das die CD sperrt oder im Notbetrieb freigibt.
5 zeigt eine Architektur mit zentraler Wärmeeinleitung in den MIX, bei der sowohl die Zuluftleitung als auch die Abluftleitung des HX stromabwärts des RF und RFAN in die Leitung bzw. Rezirkulationsleitung mündet, die in die MIX führt. Der HX erhält die angesaugte Luft über einen beliebigen luftführenden Kanal/Rohr/Leitung vom RFAN. Die Verbindung zwischen der Ansaugstelle und dem nachfolgenden Rohrsystem wird auch hier über ein BPV verschlossen, wodurch die Luft im Notbetrieb über den HX geblasen wird. Die HX-Abluft kann direkt nach dem BPV oder alternativ auch nach einem Rückschlagventil (CKV) erfolgen. Auch hier kann zur Erhöhung der Verfügbarkeit bei Vorhandensein von einem oder mehreren weiteren RFANs durch eine oder mehrere optionale CDs eine Umschaltung auf weitere RFANs realisiert werden. Diese Verbindungsleitung verbindet die Lufteinlassseite des HX mit dem Ausgang des/der weiteren RFANs (RFAN 2). Um die Luftströmung in die CD zu bewirken, kann ein weiteres BPV 2 notwendig sein. Dieses wird geschlossen, wenn Luft mittels des RFAN 2 zu dem HX geleitet wird.
6 zeigt eine Anordnung mit zentraler Wärmeeinleitung, bei dem die Abwärme des HX über ein eigenes Gebläse (FCEPS FAN) des HX bzw. des FCEPS und ein zugehöriges nachgeschaltetes Ventil (FCEPS CKV) zentral in die MIX eingeleitet wird. Bei dem FCEPS CKV kann es sich um ein passives Rückschlagventil oder um ein elektrisches Auf/Zuventil handeln. In dem in 6 dargestellten Fall erfolgt die Luftzufuhr für den HX frei aus der Umgebung des HX. Das FCPES FAN kann wahlweise vor und/oder nach dem HX vorgesehen sein. Ein zusätzliches Bypass-Ventil ist im Gegensatz zu den Architekturen gemäß der 3 bis 5 nicht erforderlich.
7 zeigt eine Anordnung mit zentraler Wärmeeinleitung in die MIX, bei der die Abluftseite des HX der Anordnung gemäß 6 entspricht. Jedoch wird die Zuluft des HX aus einem beliebigen luftführenden Rohr/Kanal, das vor dem RFAN und stromabwärts oder stromaufwärts des RF von der in die MIX führenden Leitung bzw. Rezirkulationsleitung abzweigt, zugeführt. Wird vor dem RF angesaugt, ergibt sich der Vorteil eines geringeren Druckverlustes. Wie bereits oben beschrieben sind ein oder mehrere BPV(s) vorgesehen, die im Normalbetrieb die Durchströmung der Leitung bzw. Rezirkulationsleitung freigibt, die in die MIX führt und in der der RF sowie der RFAN angeordnet sind. Im Notbetrieb wird diese Leitung geschlossen und die Luft über die abzweigende Leitung zum Einlass des HX geführt.
Die 8 bis 13 zeigen Anordnungen mit dezentraler Wärmeeinleitung, vorzugsweise direkt (jedenfalls nicht über eine MIX) in eine Luftverteilungsleitung einer Zone. Hierdurch kann das System sehr flexibel im Flugzeugrumpf angeordnet werden und außerhalb der kritischen „Rotor burst zone”, die sich zwischen den Triebwerken befindet, beispielsweise im hinteren Teil des Flugzeuges installiert werden.
8 zeigt wie auch 6, dass die Luft über den HX mittels eines eigenen Gebläses (FCEPS FAN) und einem nachfolgend angeordneten Rückschlagventil (FCEPS CKV) geführt wird. Im Gegensatz zu 6 wird die Luft nicht in die MIX, sondern in eine Luftverteilungsleitung bzw. -schiene eingeführt. Diese Leitung kann die Bezeichnung „Distribution Manifold” oder „Supply Duct” aufweisen. Im Normalbetrieb wird den Luftverteilungsleitungen Luft aus der MIX zugeführt. Wie aus 8 ersichtlich, kann in wenigstens einer dieser Leitungen ein zusätzliches Ventil (FCEPS MIX CKV) (mechanisches Rückschlagventil oder elektrisches Ein-/Aus-Ventil) angeordnet sein, das eine Rückströmung der Luft in die MIX für den Notfall, d. h. für den Betrieb des FCEPS, verhindert. Hierdurch kann auch eine Abwärmeinleitung der Abwärme des HX in kritische Zonen, wie Cockpit oder Avionik verhindert werden, die üblicherweise von der MIX versorgt werden. Ein zusätzliches Isolationsventil ist in diesem Fall nicht erforderlich. Das FECPS-Gebläse kann vor und/oder nach dem HX angeordnet sein. 9 zeigt eine Anordnung mit dezentraler Wärmeeinleitung, die HX-abluftseitig der der 8 entspricht. Ein Unterschied besteht darin, dass die Zuluft des HX nicht aus der Umgebung, sondern aus einem beliebigen Teil des Luftverteilungssystems des Flugzeuges zugeführt wird. Die HX-Zuluftleitung zweigt stromaufwärts des RF und des RFAN von der in die MIX führenden Leitung bzw. Rezirkulationsleitung ab (Option 1), zwischen RF und RFAN (Option 2) oder direkt von der Mischkammer (Option 3). In diesem Fall sowie auch in den zuvor beschriebenen Fällen kann das stromabwärts des HX befindliche FCEPS CKV entweder als mechanisches oder elektrisches AUF/ZU-Ventil ausgeführt sein. Die Luftführung wird mittels eines oder mehrerer BPVs realisiert, wie dies in 9 dargestellt ist. Ist das BPV stromabwärts des RFAN angeordnet bzw. zweigt die Zuluftleitung des HX stromabwärts des RFAN ab, kann auf eigenes Gebläse FCEPS FAN des HX bzw. des FCEPS verzichtet werden, da in diesem Fall der RFAN zur Kühlluftversorgung genutzt wird.
10 zeigt eine Anordnung mit dezentraler Wärmeeinleitung, bei der der HX direkt in einen der verfügbaren Zonenausgängen der MIX angeordnet ist. Die Kühlluft kann durch ein oder mehrere RFAN, RFAN 2 geliefert werden. Die Isolationsventile sind notwendig, um die Lufteinblasung in weitere Zonen, die von der MIX versorgt werden, zu blockieren. Zusätzliche Rückschlagventile sind nicht erforderlich. Bei Integration des HX in die Zone mit dem geringsten Druckverlust kann der Wärmeübertrager die sonst notwendige Drosselung (für die gleichmäßige Luftverteilung) ersetzten bzw. ergänzen. Grundsätzlich kann auch bei der Architektur gemäß 10 ein oder mehrere eigene Gebläse (FCEPS FAN) vor und/oder nach dem HX vorgesehen sein, womit ein von den RFANs unabhängiger Betrieb möglich wäre. In diesem Fall wird mittels des eigenen Gebläses des HX Kühlluft über die Mischkammer MIX aus den Rezirkulationsleitungen angesaugt. Ohne den Einsatz von Isolationsventilen wird dann auch Luft aus den weiteren Zonen und dem Cockpit angesaugt. Der umgekehrte Betrieb, d. h. das Saugen aus Zone 1 und das Einblasen in weitere Zonen und das Cockpit ist ebenso denkbar.
11 zeigt eine Architektur mit dezentraler Wärmeeinleitung, bei der der HX parallel zu einem Zonenausgang der MIX angeordnet ist. Im Zonenabgang ist ein BPV angeordnet, das den Luftstrom im Normalbetrieb durch den Zonenausgang in die Zone 1 führt. Im Notbetrieb wird die Luft über die Bypassleitung durch den HX geleitet. Zuluftleitung und Abluftleitung des HX münden in den Zonenabgang. Alternativ kann das BPV auch direkt in die Mischkammer integriert werden, wobei in diesem Fall in allen Zonenabgängen ein Isolationsventil vorteilhaft wäre. Auch ist es denkbar, vor und/oder nach dem HX ein eigenes Gebläse für den HX zu integrieren, womit ein von den RFANs unabhängiger Betrieb möglich wäre. Dabei wird die Kühlluft über die MIX aus den Leitungen bzw. Rezirkulationsleitungen angesaugt. Sind keine Isolationsventile vorgesehen, wird die Luft aus den weiteren Zonen und dem Cockpit angesaugt. Auch der umgekehrte Betrieb (Saugen aus Zone 1 und ein Blasen in die weiteren Zonen und das Cockpit) ist ebenso denkbar.
12 zeigt eine Architektur mit dezentraler Wärmeeinleitung, bei der der HX parallel zur Mischkammer angeordnet ist. Es ist eine Zuluftleitung für den HX vorgesehen, die an beliebiger Stelle zwischen RFAN und MIX von der in die MIX führenden Leitung bzw. Rezirkulationsleitung abzweigt. Luft wird somit mittels des RFAN in die abzweigende Leitung und damit in den HX geführt. Aus Redundanzgründen können eine oder mehrere optionale CDs zwischen weiteren RFANs und der MIX eingebaut werden. Die HX-Abluft wird in einen Zonenabgang geleitet. Es sind ein oder mehrere BPVs vorgesehen, die die Zuluftleitung und/oder die Abluftleitung des HX absperren oder freigeben. Isolationsventile sind notwendig, um die Lufteinblasung in weitere Zonen, die auch von der MIX mit Luft versorgt werden, zu blockieren. Alternativ zu Isolationsventilen kann es auch möglich sein, ein BPV zwischen MIX und Zuströmung vom HX zu platzieren. 13 zeigt schließlich eine Anordnung, bei der der HX parallel zur MIX zwischen einem beliebigen luftführenden Rohr/Kanal vor dem RFAN und einem Zonenausgang der MIX angeordnet ist. Die Luftströmung über den HX wird durch ein eigenes Gebläse des HX (FECPS FAN) gewährleistet. Optional könnte eine oder mehrere Verbindungsleitungen zu einem oder mehreren RFANs führen. Damit könnte beim Ausfall eines Rezirkulationsgebläses wie auch bei den oben dargestellten Ausführungsformen auf ein weiteres RFAN umgeschaltet werden oder auf beide oder mehrere RFANs zur Kühlung herangezogen werden. Um die Lufteinblasung vom HX-Ausgang in die MIX zu vermeiden, ist nur ein Bypass-Ventil zwischen MIX und HX-Ausgang notwendig. Denkbar ist es auch, Isolationsventile in alle anderen Zonen oder sonstige Abgänge einzubauen, wodurch eine Strömung erwärmter Luft in die entsprechenden Zonen bzw. Cockpit, Avionik etc verhindert wird. Das FECPS-FAN kann vor und oder nach dem HX vorgesehen werden.
14 zeigt eine Anordnung, bei der der Wärmeübertrager HX der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems FECPS direkt, das heißt ohne Verwendung einer Abzweigungsleitung im Ansaugstrang des Rezirkulationsgebläses RFAN angeordnet ist. Wird ein Rezirkulationsfilter RF verwendet, kann der Wärmeübertrager HX stromabwärts (14) oder stromaufwärts (15) des Rezirkulationsfilters RF angeordnet sein.
In beiden Fällen entstehen durch diese Anordnung des HX im Normalbetrieb zwar höhere Druckverluste, was eine höhere Gebläseleistung des RFAN erfordert, jedoch werden keine weiteren Komponenten für die Integration benötigt wie beispielsweise das Bypassventil BPV oder eine von der Rezirkulationsleitung abzweigende oder in diese mündende Leitung, in der der HX bzw. die Brennstoffzelle angeordnet ist.
Die Wassereinspritzung zur Kühlung des HX erfolgt entweder direkt auf den Rezirkulationsfilter RF oder auf den HX.
Diese Anordnung des Wärmeübertragers kann selbstverständlich auch in dem zweiten Luftstrang, der in den Figuren jeweils rechts dargestellt ist, angeordnet sein. Dies gilt nicht nur für die Ausführungen gemäß der 14 und 15, sondern für alle Ausführungsbeispiele und -formen der vorliegenden Erfindung.
16 zeigt schließlich eine Anordnung, bei der eine luftgekühlte Brennstoffzelle verwendet wird. Wie dies aus 16 hervorgeht, ist in dem Ansaugstrang des Rezirkulationsgebläses RFAN die Brennstoffzelle angeordnet. Sie ersetzt somit den Wärmeübertrager HX. Die Brennstoffzelle gibt ihre Abwärme direkt in das Luftverteilungssystem ab. Dadurch ergibt sich eine Vereinfachung des Brennstoffzellensystems FECPS, da das notwendige Kühlsystem für eine wassergekühlte Brennstoffzelle gemäß der obigen Ausführungsbeispiele entfallen kann. Grundsätzlich ist es jedoch denkbar, die Brennstoffzelle zusätzlich durch ein Kühlsystem insbesondere gemäß einem der oben genannten Ausführungsformen zu kühlen.
16 zeigt nur eine mögliche Architektur bei der Verwendung einer luftgekühlten Brennstoffzelle. Alle weiteren Architekturen in den weiteren Abbildungen und Ausführungsformen können ebenfalls mit einer oder mehreren luftgekühlten Brennstoffzellen alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines Wärmeübertragers HX ausgestattet werden.
Die Menge des Kühlluftstroms durch die Brennstoffzelle zur Einstellung der Betriebstemperatur kann durch eine Regelung des RFAN, vorzugsweise gesteuert durch den Brennstoffzellen-Systemcontroller (BZ-Controller) erfolgen.
Auch für die Anordnung gemäß 16 gilt, dass auch eine weitere Brennstoffzelle im zweiten, rechts dargestellten Luftstrang (RFAN 2, RF 2, etc.) installiert werden kann, um die Systemredundanz zu erhöhen.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 16 ist die Brennstoffzelle in dem Ansaugstrang des Rezirkulationsgebläses RFAN angeordnet und zwar stromabwärts eines Rezirkulationsfilters RF. Grundsätzlich ist auch die Verwendung stromaufwärts des Rezirkulationsfilters denkbar.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die isoliert oder auch in Kombination Verwendung finden können, sind im folgenden nochmals wiedergegeben:

• interne Wärmeabfuhr des HX mit Hilfe eines oder mehrerer bestehender RFANs oder eigener Gebläse des HX bzw. des Notenergiesystems
• Differenzierung in zentrale und dezentrale Wärmeeinleitungen bzw. Wärmeabfuhr im Druck- oder Saugbetrieb,
• ein oder mehrere BPVs, um Druckverluste im RF zu umgehen,
• ein oder mehrere Isolationsventile, um die gewünschte Wärmeeinleitung von der MIX in bestimmte Zonen, wie Cockpit, Avionik etc zu vermeiden,
• CD(s), um Ansaugung über mehrere RFAN zu ermöglichen,
• zentrale Wärmeeinleitung im Druckbetrieb mit einem oder mehreren Rezirkulations- oder eigenen Gebläsen oder dezentrale Wärmeeinleitung im Druckbetrieb mit eigenem Gebläse,
• globale Umkehrung der Luftströmung, Arbeitsweise im Saugbetrieb,
• Kühlung der Brennstoffzelle nur über RFAN oder eigenen FAN ohne Thermostatventil im Brennstoffzellensystem,
• Anordnung von HX im Zonenabgang,
• Anordnung der Kühlluft aus beliebigem luftführenden Rohr/Kanal,
• Anordnung HX nach dem RFAN,
• Einblasen der HX-Abluft direkt in einen Zonenabgang,
• Anordnung des HX parallel zur MIX und/oder weiteren Komponenten.

Claims

Notenergiesystem für ein Luftfahrzeug mit wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit (FCEPS) zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei die Brennstoffzelleneinheit (FCEPS) über wenigstens einen Kühlkreislauf, der wenigstens einen Wärmeübertrager (HX) umfasst, gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (HX) mit wenigstens einem Luftverteilungssystem der Flugzeug-Kabine verbunden ist, so dass beim Betrieb des Notenergiesystems vom Wärmeübertrager (HX) erwärmte Abluft über das Luftverteilungssystem in der Flugzeug-Kabine verteilt werden kann.
Notenergiesystem für ein Luftfahrzeug mit wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit (FCEPS) zur Erzeugung elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (FCEPS) mit wenigstens einem Luftverteilungssystem der Flugzeug-Kabine verbunden ist, so dass beim Betrieb des Notenergiesystems vom Brennstoffzellensystem (FCEPS) erwärmte Abluft über das Luftverteilungssystem in der Flugzeug-Kabine verteilt werden kann.
Notenergiesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Notenergiesystem gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 ausgeführt ist.
Notenergiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (HX) und/oder das Brennstoffzellensystem (FCEPS) mit einer Mischkammer (MIX) des Luftverteilungssystems oder ohne Verwendung einer Mischkammer (MIX) des Luftverteilungssystems mit wenigstens einer Luftverteilungsleitung in Verbindung steht, in die Abluft des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) eingeleitet wird (Druckbetrieb) oder aus der Zuluft des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) abgezogen wird (Saugbetrieb) und/oder dass der Wärmeübertrager (HX) und/oder das Brennstoffzellensystem (FCEPS) derart angeordnet ist, dass diesem Zuluft aus der Umgebung der Brennstoffzelleneinheit (FCEPS) bzw. des Wärmeübertragers (HX) oder aus wenigstens einem Rohr oder Kanal oder wenigstens einen sonstigen Zuluftleitung zugeführt wird.
Notenergiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung zur Regelung der Temperatur der Brennstoffzelleneinheit (FCEPS) vorgesehen ist, wobei die Regeleinrichtung derart ausgeführt ist, dass sie zum Zwecke der Temperaturregelung die Leistung wenigstens eines Gebläses (RFAN, RFAN 2, FCEPS FAN) regelt oder eine Ein/Aus-Steuerung wenigstens eines Gebläses (RFAN, RFAN 2, FCEPS FAN) vornimmt, wobei es sich bei dem Gebläse (RFAN, RFAN 2, FCEPS FAN) um ein Rezirkulationsgebläse (RFAN; RFAN 2) des Luftverteilungssystems oder um ein eigenes, dem Notenergiesystem zugeordnetes Gebläse (FCEPS FAN) handelt.
Notenergiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Isolationsventile vorgesehen sind, mittels derer eine oder mehrere Zonen (Zone 1, Zone 2, Cockpit, Avionics) der Flugzeug-Kabine absperrbar sind, so dass sie im Notbetrieb, d. h. im Betrieb des Notenergiesystems nicht mit der vom Wärmeübertrager (HX) und/oder vom Brennstoffzellensystem (FCEPS) erwärmten Abluft beaufschlagt werden.
Notenergiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverteilungssystem wenigstens ein Rezirkulationsgebläse (RFAN, RFAN 2) aufweist, dass wenigstens eine Leitung bzw. Rezirkulationsleitung vorgesehen ist, die in eine Mischkammer (MIX) des Luftverteilungssystems mündet und in der mittels des Rezirkulationsgebläses (RFAN, RFAN 2) eine Luftströmung erzeugbar ist und dass in die Leitung wenigstens eine Abluftleitung des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) stromabwärts oder stromaufwärts des Rezirkulationsgebläses (RFAN, RFAN 2) mündet.
Notenergiesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Rezirkulationsgebläses (RFAN, RFAN 2) wenigstens ein Rezirkulationsfilter (RF) in der Leitung vorgesehen ist, und dass die Abluftleitung des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) zwischen dem Rezirkulationsfilter (RF) und dem Rezirkulationsgebläse (RFAN, RFAN 2) in die Leitung mündet.
Notenergiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverteilungssystem wenigstens ein Rezirkulationsgebläse (RFAN, RFAN 2) aufweist, dass wenigstens eine Leitung bzw. Rezirkulationsleitung vorgesehen ist, die in eine Mischkammer (MIX) des Luftverteilungssystems mündet und in der mittels des Rezirkulationsgebläses (RFAN, RFAN 2) eine Luftströmung erzeugbar ist, und dass von der Leitung wenigstens eine Zuluftleitung des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) stromabwärts oder stromaufwärts des Rezirkulationsgebläses (RFAN, RFAN 2) abzweigt.
Notenergiesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Rezirkulationsgebläses (RFAN, RFAN 2) wenigstens ein Rezirkulationsfilter (RF) in der Leitung vorgesehen ist, und dass die Zuluftleitung des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) zwischen dem Rezirkulationsfilter (RF) und dem Rezirkulationsgebläse (RFAN, RFAN 2), stromaufwärts von Rezirkulationsfilter (RF) und Rezirkulationsgebläse (RFAN, RFAN 2) oder stromabwärts von Rezirkulationsfilter (RF) und Rezirkulationsgebläse (RFAN, RFAN 2) von der Leitung abzweigt.
Notenergiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle mehrerer Rezirkulationsgebläse (RFAN, RFAN 2) die wenigstens eine Abluftleitung oder die wenigstens eine Zuluftleitung der mehreren Rezirkulationsgebläse (RFAN, RFAN 2) im Notbetrieb mit der wenigstens einen Abluftleitung oder mit der wenigstens einen Zuluftleitung des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) mittels wenigstens einer Verbindungsleitung (CD) verbindbar sind.
Notenergiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Bypassventil (BPV) vorgesehen ist, das derart angeordnet ist, dass es in einer ersten Stellung eine Durchströmung einer Leitung des Luftverteilungssystems ohne Durchströmung des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) und in einer zweiten Stellung eine Durchströmung des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) ermöglicht.
Notenergiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverteilungssystem wenigstens ein in dem Luftverteilungssystem angeordnetes Rezirkulationsgebläse (RFAN; RFAN 2) aufweist und dass der Wärmeübertrager (HX) und/oder das Brennstoffzellensystem (FCEPS) direkt in dem Ansaugstrang des Rezirkulationsgebläses (RFAN; RFAN 2) angeordnet ist.
Notenergiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein dem Notenergiesystem zugeordnetes Gebläse (FCEPS FAN) vorgesehen ist, das stromaufwärts und/oder stromabwärts des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) angeordnet ist und dass wenigstens eine Abluftleitung des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) vorgesehen ist, die in eine Mischkammer (MIX) des Luftverteilungssystems mündet oder ohne Verwendung einer Mischkammer (MIX) des Luftverteilungssystems mit einer Luftverteilungsleitung des Luftverteilungssystems des Flugzeuges in Verbindung steht und dass der Wärmeübertrager (HX) und/oder das Brennstoffzellensystem (FCEPS) derart angeordnet ist, dass diesem Zuluft aus der Umgebung der Brennstoffzelleneinheit (FCEPS) bzw. des Wärmeübertragers (HX) oder aus wenigstens einem Rohr oder Kanal oder wenigstens einen sonstigen Zuluftleitung zugeführt wird.
Notenergiesystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuluftleitung des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) mit einer Mischkammer (MIX) des Luftverteilungssystems in Verbindung steht oder von einer Leitung bzw. Rezirkulationsleitung abzweigt, mittels derer Luft mittels eines Rezirkulationsgebläses (RFAN, RFAN 2) des Luftverteilungssystems in eine Mischkammer (MIX) des Luftverteilungssystems führbar ist.
Notenergiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischkammer (MIX) des Luftverteilungssystems wenigstens eine Abluftleitung (Zonenabgang) aufweist, mittels derer Luft aus der Mischkammer (MIX) des Luftverteilungssystems in wenigstens eine Zone (Zone 1, Zone 2, Cockpit, Avionics) der Flugzeug-Kabine führbar ist, wobei der Wärmeübertrager (HX) und/oder das Brennstoffzellensystem (FCEPS) derart angeordnet ist, dass er von durch die Abluftleitung der Mischkammer (MIX) des Luftverteilungssystems strömender Luft durchströmt wird, wobei vorgesehen sein kann, dass die Luftdurchströmung des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) mittels wenigstens eines Rezirkulationsgebläses (RFAN, RFAN 2) des Luftverteilungssystems und/oder mittels wenigstens eines stromaufwärts und/oder stromabwärts des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) angeordneten, dem Notenergiesystem zugeordneten Gebläses (FCEPS FAN) erfolgt.
Notenergiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischkammer (MIX) des Luftverteilungssystems wenigstens eine Abluftleitung (Zonenabgang) aufweist, mittels derer Luft aus der Mischkammer in wenigstens eine Zone (Zone 1, Zone 2, Cockpit, Avionics) der Flugzeug-Kabine führbar ist, dass von der Abluftleitung der Mischkammer (MIX) des Luftverteilungssystems wenigstens eine Leitung abzweigt, in der der Wärmeübertrager (HX) und/oder das Brennstoffzellensystem (FCEPS) derart angeordnet ist, dass er/es von durch die abzweigende Leitung strömender Luft durchströmt wird.
Notenergiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Leitung bzw. Rezirkulationsleitung vorgesehen ist, durch die Luft mittels wenigstens eines Rezirkulationsgebläses (RFAN, RFAN 2) in eine Mischkammer (MIX) des Luftverteilungssystems führbar ist, dass stromabwärts des Rezirkulationsgebläses (RFAN, RFAN 2) von der Leitung wenigstens eine Zuluftleitung abzweigt, mittels derer Luft dem Wärmeübertrager (HX) und/oder dem Brennstoffzellensystem (FCEPS) zuführbar ist, und dass eine Mischkammer (MIX) des Luftverteilungssystems wenigstens eine Abluftleitung (Zonenabgang) aufweist, in die die Abluftleitung des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) mündet.
Notenergiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Leitung bzw. Rezirkulationsleitung vorgesehen ist, durch die Luft mittels wenigstens eines Rezirkulationsgebläses (RFAN, RFAN 2) in eine Mischkammer (MIX) des Luftverteilungssystems führbar ist, dass stromaufwärts des Rezirkulationsgebläses (RFAN, RFAN 2) von der Leitung wenigstens eine Zuluftleitung abzweigt, mittels derer Luft dem Wärmeübertrager (HX) und/oder dem Brennstoffzellensystem (FCEPS) zuführbar ist, wobei stromabwärts und/oder stromabwärts des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) wenigstens ein Gebläse (FCEPS FAN) vorgesehen ist, mittels dessen eine Durchströmung des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) erzeugbar ist, und dass eine Mischkammer (MIX) des Luftverteilungssystems wenigstens eine Abluftleitung (Zonenabgang) aufweist, in die wenigstens eine Abluftleitung des Wärmeübertragers (HX) und/oder des Brennstoffzellensystems (FCEPS) mündet.
Luftfahrzeug mit wenigstens einem Notenergiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19.