DE102012002132A1

DE102012002132A1 - Vereisungsschutzsystem für ein Flugzeug und Verfahren zum Betreiben eines Vereisungsschutzsystems

Info

Publication number: DE102012002132A1
Application number: DE102012002132A
Authority: DE
Inventors: Tobias Scheibert
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-08-08
Also published as: US20130199218A1; US9267715B2

Abstract

Ein Vereisungsschutzsystem (10) weist eine Brennstoffzelle (14), ein Verdampfungskühlsystem (16), eine thermische Enteisungsvorrichtung (42), eine Regeleinheit (24) und eine Einrichtung (23) zur Erfassung des Drucks in dem Verdampfungskühlsystem (16) auf. Das Verdampfungskühlsystem steht mit der Brennstoffzelle (14) und mit der thermischen Enteisungsvorrichtung (42) in Wärmekontakt, um Wärme von der Brennstoffzelle an die thermische Enteisungsvorrichtung zu leiten. Die Regeleinheit (24) steuert die von der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle (14) abgeforderte elektrische Leistung in Abhängigkeit von einer Abweichung des durch die Einrichtung (23) zur Erfassung des Drucks erfassten Drucks von einem vorgegebenen SOLL-Druck. Auf diese Weise wird ein energetisch sehr effizientes und sehr gut steuerbares Vereisungsschutzsystem bereitgestellt, welches ohne von Triebwerken bereitgestellter Zapfluft oder durch Triebwerksgeneratoren bereitgestellter elektrischer Energie betreibbar ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Vereisungsschutzsystem für ein Flugzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines Vereisungsschutzsystems eines Flugzeugs.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist bekannt, die Enteisung von vereisungsanfälligen Flächen mit Hilfe von erwärmter Luft vorzunehmen, die beispielsweise aus Haupttriebwerken stammt oder von einem Hilfstriebwerk (Auxiliary Power Unit, APU) bereitgestellt wird und üblicherweise über ein Enteisungsventil, ein Drosselorgan und ein Piccolo-Rohr geleitet wird, das sich im Inneren der Tragwerksnase bzw. Vorflügel (Slats) befindet. Durch die Öffnungen des Piccolo-Rohres entweicht die heiße Triebwerkszapfluft und strömt unmittelbar an einer Unter- oder Innenseite einer vereisungsanfälligen Fläche, wo sie einen Teil ihrer Wärmeenergie abgibt. Durch den hohen Energiegehalt der den Haupttriebwerken entnommenen heißen Zapfluft kann das flugzeugeigene Tragwerkenteisungssystem nach dem Stand der Technik nur im Flug eingesetzt werden, da es am Boden durch den fehlenden Fahrtwind leicht zur Materialüberhitzung der Tragwerksstruktur kommen kann.
Aus EP 1 935 783 B1 und EP 1 116 656 B1 sind Vorrichtungen und Verfahren für die thermische Enteisung mittels heißer Luft bekannt. US 20080105217 A1 offenbart ein thermisches Enteisungssystem mittels mit Wasser beladener, gesättigter erwärmter Luft, während US 6 848 656 B2 vorschlägt, geschmolzenes Eis mit einer darauf einwirkenden Luftströmung abzuführen. DE 10 2008 019 146 A1 schlägt vor, Luft, beispielsweise aus einer Passagierkabine stammend, mittels einer Brennstoffzelle zu erwärmen und in zu enteisende Bereiche des Flugzeugs zu leiten. In DE 10 2006 002 882 B4 und DE 10 2004 058 430 B4 wird die thermische Tragwerksenteisung durch einen Abluftstrom aus einer Brennstoffzelle bzw. durch Brennstoffzellenabgas erwähnt. Am Gegenstand eines verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystems werden in EP 2 225 789 B1 die Vorteile der Wärmeübertragung durch Aggregatzustandsänderung gegenüber der Wärmeübertragung durch heiße Luft aufgezeigt. In EP 1 973 780 B1 wird vorgeschlagen, einer Materialschädigung aufgrund von Überhitzung entgegenzuwirken, indem durch Erhöhung der Luftturbulenz an der Tragwerksnase der Wärmedurchgang verbessert wird. EP 1 739 013 B1 offenbart, eine Materialüberhitzung mittels einer Mischkammer zu verhindern.
Trotz des hohen Energiegehaltes der beispielsweise Haupttriebwerken entnommenen Zapfluft ist der Wärmeübergang durch den vergleichsweise niedrigen Wärmeübergangskoeffizient von Luft begrenzt, so dass sich weiterhin die Enteisung nicht immer präzise steuern lässt und überwiegend durch einen Zapfluftüberschuss gewährleistet wird. Überschüssige energiehaltige Zapfluft entweicht dabei irreversibel an die Umgebung und mit ihr ein Teil der mittels Treibstoff aufgewandten Energie.
Grundsätzlich ist bei der Entwicklung moderner Verkehrsflugzeuge die Bestrebung auszumachen, ökologisch verantwortungsvolle Lösungen für die Minimierung der Umweltfolgen von Industrieprozessen und Produkten über deren gesamten Lebenszyklus hinweg zu realisieren und weiterhin Kosten zu sparen. So sollen zukünftige Flugzeuge sparsamer, leiser und sauberer sein als heutige Verkehrsflugzeuge.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, die oben genannten Nachteile zu verringern oder gänzlich zu eliminieren.
Insbesondere ist die Aufgabe der Erfindung, ein Vereisungsschutzsystem für ein Flugzeug vorzuschlagen, das effizient ist und einen besonders niedrigen Kraftstoffverbrauch aufweist und dadurch im Vergleich zu herkömmlichen Vereisungsschutzsystemen eine erhebliche Steigerung der Reichweite des Flugzeugs bewirkt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, die Güte und Zuverlässigkeit des Vereisungsschutzes zu erhöhen.
Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Vereisungsschutzsystems für ein Flugzeug anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Vereisungsschutzsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
In vorliegender Erfindung wird die Abwärme eines Brennstoffzellensystems für die thermische Enteisung eines Flugzeugs genutzt, sekundär wird elektrische Energie erzeugt. Mit einem Gesamtwirkungsgrad von über 80% eignet sich ein derartiges Vereisungsschutzsystem besonders gut für den Einsatz in einem Flugzeug. Anders ausgedrückt: Die mit vorliegendem Vereisungsschutzsystem durchgeführte thermische Enteisung geschieht unter Freisetzung von Elektrizität.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystems weist eine Brennstoffzelle, ein Verdampfungskühlsystem, eine thermische Enteisungsvorrichtung mit einem Kondensator und Dampfleitungen zum Zuführen von Dampf in den Kondensator, eine Regeleinheit und eine Einrichtung zur Erfassung des Drucks in den Dampfleitungen auf, wobei das Verdampfungskühlsystem mit der Brennstoffzelle in Wärmekontakt steht, um Wärme von der Brennstoffzelle an das Verdampfungskühlsystem zum Verdampfen eines Kühlmediums zu leiten und um das verdampfte Kühlmedium über die Dampfleitungen an den Kondensator zu leiten, wobei der Kondensator dazu eingerichtet ist, unter Wärmeabgabe in dem zu enteisenden Bereich eine Kondensation des im Betrieb der Brennstoffzelle zur Kühlung der Brennstoffzelle verdampften Kühlmediums hervorzurufen, wobei die Regeleinheit dazu eingerichtet ist, die von der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle abgeforderte elektrische Leistung in Abhängigkeit von einer Abweichung des durch die Einrichtung zur Erfassung des Drucks erfassten Drucks von einem vorgegebenen Solldruck derart zu regeln, dass die thermische Kühlleistung des Verdampfungskühlsystems der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle der Kondensationsleistung der thermischen Enteisungsvorrichtung entspricht.
Unter „thermischer Enteisungsvorrichtung” ist hier insbesondere eine thermische Tragwerkenteisungsvorrichtung zum Vereisungsschutz der Tragwerksnase zu verstehen, ist aber nicht ausschließlich auf diese beschränkt. Die thermische Enteisungsvorrichtung kann ebenso für den thermischen Vereisungsschutz des Leitwerks oder anderer Flugzeugkomponenten dienen.
Das erfindungsgemäße Vereisungsschutzsystem bedient sich des positiven Umstands, dass zum Zwecke der Beheizung keine zusätzliche Energie verbraucht wird, sondern dass bereits vorhandene aus dem Flugzeug zu entsorgende Abwärme intelligent eingesetzt wird. Es macht sich die Kombination von thermischer Enteisungsvorrichtung und verdampfungsgekühltem Brennstoffzellensystem zunutze: Das verdampfungsgekühlte Brennstoffzellensystem wird gekühlt, während die thermische Enteisungsvorrichtung beheizt wird. Anstatt für die Enteisung elektrische Energie zu verbrauchen, erzeugt das erfindungsgemäße Vereisungsschutzsystem elektrische Energie während der Tragwerksenteisung. Es nutzt für die Tragwerksenteisung minderwertige Abwärme aus dem verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystem, während dieses hochwertigen Strom erzeugt. Der bei der Tragwerksenteisung „anfallende” elektrische Strom kann einem elektrischen Speichersystem bzw. Verbraucher zugeführt werden.
Brennstoffzellen erzeugen durch chemische Umsetzung des eingesetzten wasserstoffhaltigen Brennstoffs Strom, Wasser und Wärme. Der Begriff „Brennstoffzelle” ist an dieser Stelle nicht unbedingt als eine einzelne Brennstoffzelle zu interpretieren, sondern kann auch für eine Mehrzahl von Brennstoffzellen sowie einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel stehen.
Die Regeleinheit des erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystems steuert das verdampfungsgekühlte Brennstoffzellensystem derart, dass die an der thermischen Enteisungsvorrichtung verbrauchte Wärme von dem verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystem stets wieder nachgeliefert wird, wohingegen der Stromerzeugung eine eher untergeordnete Rolle zukommt.
Das verdampfungsgekühlte Brennstoffzellensystem dient der thermischen Enteisungsvorrichtung allein der Bereitstellung der benötigten Wärme. Als Nebenprodukt fällt elektrische Energie an, die für weitere Verbraucher zur Verfügung steht. Die Brennstoffzelle vollzieht während der Brennstoffzellenreaktion eine direkte Wandlung von chemischer Energie des eingesetzten Brennstoffs in Wärmeenergie (≈ 55%) und elektrische Energie (≈ 45%). Jene direkte Wandlung bewirkt eine außerordentlich hohe Effizienz des Gesamtsystems. Die vorliegende Erfindung macht sich insbesondere eine effektive Nutzung der zuerst genannten 55% Wärmeenergie zur Aufgabe.
Das Verdampfungskühlsystem für die Brennstoffzelle weist einen oder mehrere geschlossene Kanäle auf, die zumindest teilweise mit einem geeigneten verdampf- und kondensierbaren Kühlmedium, bspw. Wasser, gefüllt sind. Bei einem Wärmeeintrag im Bereich der Brennstoffzelle als Wärmequelle wird das Kühlmedium innerhalb dieser Kanäle erhitzt, wodurch es verdampft und sich innerhalb des Verdampfungskühlsystems ausbreitet bzw. expandiert und über die Dampfleitungen zu den zu enteisenden Bereichen bzw. zu der thermischen Enteisungsvorrichtung in Form eines Wärmeübertragers oder einer Wandung an einem Tragwerk geleitet wird. Der Kondensator der thermischen Enteisungsvorrichtung kann besonders vorteilhaft in Form einer Tragwerksnase bzw. eines Vorflügels mit einem Hohlraum zum Aufnehmen des Dampfs realisiert sein. Bei einer Kondensation des Dampfs an einer Wärmesenke in Form der thermischen Enteisungsvorrichtung kollabieren die Moleküle unter Abgabe von Wärme auf einen Bruchteil ihres ursprünglichen Volumens, was in dem geschlossenen Raum des Verdampfungskühlsystems einen Unterdruck verursachen würde, der sich in einer durch die Einrichtung zum Erfassen eines Drucks deutlich messbaren Druckänderung widerspiegeln würde. Die Regeleinheit ist nun in der Lage, zur Vermeidung von größeren Druckänderungen durch Verdampfung an der Wärmequelle das Einbringen neuer Dampfmoleküle in den geschlossenen Raum des Verdampfungskühlsystems zu veranlassen. Beispielsweise könnte ein vorgegebener SOLL-Druck innerhalb des Verdampfungskühlsystems aufrechterhalten werden, indem ein elektrischer Entnahmestrom an der Brennstoffzelle eingestellt wird, nach dem sich die Wärmeentwicklung in der Brennstoffzelle richtet und damit die Erzeugung von Wasserdampf innerhalb des Verdampfungskühlsystems.
Durch die Regelung der abgeforderten elektrischen Leistung derart, dass die thermische Kühlleistung des Verdampfungskühlsystems dem Wännebedarf der thermischen Enteisungsvorrichtung entspricht, wird die Erzeugung von Wärme ausschließlich durch die Brennstoffzelle gewährleistet.
Die erfindungsgemäße thermische Enteisungsvorrichtung zeichnet sich durch einen deutlich höheren Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zu bekannten Enteisungsvorrichtungen aus. Im Sinne der oben beschriebenen Regelung lässt sie sich präzise steuern und fragt von einem Wärmeerzeuger exakt nur die Wärmemenge ab, die sie gerade für den Enteisungsvorgang, beispielsweise die Tragwerksenteisung benötigt. Obwohl der thermische Enteisungsvorgang mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einem deutlich niedrigeren Temperaturniveau von beispielsweise 60°C ablaufen kann, kann aufgrund des höheren Wärmeübergangskoeffizienten die gleiche Wärmemenge übertragen werden, wie mit herkömmlichen auf Zapfluft basierenden Systemen. Durch die vergleichsweise niedrige Temperatur kann das zu enteisende Material geschont und dessen Lebensdauer erhöht werden.
Das verdampfungsgekühlte Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise so ausgelegt, dass es stets die für die Tragwerksenteisung erforderliche Wärmeleistung bereitzustellen vermag. Ein verdampfungsgekühltes Brennstoffzellensystem mit einer elektrischen Leistung von 100 kW könnte in diesem Kontext eine angemessene Größenordnung für ein Flugzeug darstellen. In einer vorteilhaften Ausfühungsform der Erfindung kann die Brennstoffzelle des erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystems alternativ oder zusätzlich als Wärmequelle für andere wärmeverbrauchende Systeme, wie zum Beispiel ein oder mehrere dezentrale Adsorptionskühlsysteme, etwa auf Zeolith-Basis dienen, beispielsweise bei umweltbedingt vermindertem Wärmebedarf der thermischen Enteisungsvorrichtung. Stets kann das verdampfungsgekühlte Brennstoffzellensystem jedoch im Bedarfsfall für die Erzeugung von Notstrom herangezogen werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystems weist das Verdampfungskühlsystem einen der Enteisungsvorrichtung nachgeschalteten zusätzlichen Nachkondensator zur weitergehenden Kondensation des in den zu enteisenden Bereichen nicht kondensierten verbleibenden Kühlmediumdampfs des im Betrieb der Brennstoffzelle zur Kühlung der Brennstoffzelle verdampften Kühlmediums auf. Jener nachgeschaltete zusätzliche Kondensator kann durch Bereiche der Flugzeug-Außenhaut, beispielsweise durch Bereiche einer Tragwerks-Rumpf-Verkleidung (auch „Belly-Fairing” genannt) gebildet werden. Das erfindungsgemäße Heizprinzip ist vergleichbar mit dem des industriell bewährten Brüdenkondensators.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystems ist der Kondensator durch mindestens einen Abschnitt einer Tragwerksnase gebildet, so dass direkt an der Bedarfsstelle eines zu enteisenden Bereichs der erzeugte Dampf des Kühlmediums eingeleitet werden kann.
In einer exemplarischen Ausführungsform ist ein elektrischer Energiespeicher vorhanden, mit dem die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie zwischengespeichert wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystems ist zusätzlich eine elektrische Vereisungsschutzvorrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, von dem Brennstoffzellensystem erzeugte Elektrizität zu beziehen. Das Brennstoffzellensystem kann dadurch zwei Arten von Energie an das Vereisungsschutzsystem liefern, woraus eine noch effizientere Ausnutzung des Treibstoffs resultiert: elektrische Energie und thermische Energie. Die Enteisung von Tragwerken und anderen großflächigen Einrichtungen mit Hilfe von Wärme durch ein verdampftes Kühlmedium ist energetisch deutlich günstiger als eine elektrische Enteisung. Die Enteisung von kleineren, filigranen oder schwer zu erreichenden Bereichen oder Komponenten, beispielsweise von Armaturen und Messinstrumenten, ist hingegen deutlich einfacher mit einer elektrischen Enteisungsvorrichtung durchzuführen, so dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystems eine kombinierte – allerdings lokal getrennte – Nutzung von Wärme und elektrischer Energie zum Schutz vor Vereisung erreicht wird.
In einer exemplarischen Ausführungsform ist die Brennstoffzelle als eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Protone Exchange Membrane, PEM) ausgeführt, deren Anodenbereich mit einer Wasserstoffquelle in Verbindung steht und deren Kathodenseite ein sauerstoffhaltiges Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft, zugeführt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystems korreliert die elektrische Leistung der elektrischen Vereisungsschutzvorrichtung mit der thermischen Leistung der thermischen Enteisungsvorrichtung, so dass die durch die Brennstoffzelle aufgebrachte Energie nahezu vollständig verwendet wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystems wird Wasser als Kühlmedium verwendet. Dies ist umweltfreundlich und leicht nachfüllbar.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystems weist einen verschließbaren und mit den Dampfleitungen verbundenen Lufteinlass zum selektiven Spülen der Dampfleitungen zum Entfernen von Dampf auf, so dass die Gefahr von gefrierendem Wasser bei Abschalten des Vereisungsschutzsystems vermieden werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Lufteinlass mit einer Zapfluftleitung eines Triebwerks verbunden, so dass eine weitgehend trockene Luft zum Herausspülen des Wasserdampfs eingesetzt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Vereisungsschutzsystem dazu eingerichtet, andere Wärmeabnehmer bei Bedarf mit Wärme zu versorgen, wobei diese Wärmeabnehmer beispielsweise als Wärmespeicher ausgeführt sein könnten.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind Temperatursensoren in den Dampfleitungen integriert, um ein Überschreiten einer zulässigen Temperatur rechtzeitig zu verhindern oder um ein gewünschtes Temperaturniveau aufrechterhalten zu können.
Durch eine Substitution eines rein elektrischen Vereisungsschutzsystems mit vorliegendem erfindungsgemäßen geregelten Vereisungsschutzsystem ergibt sich eine deutliche Einsparung an elektrischer Energie, die von einem Triebwerksgenerator erzeugt werden muss. Ein mit einem verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystem von beispielsweise 100 kW_el ausgerüstetes Vereisungsschutzsystem könnte als Doppeleffekt nicht nur die elektrische Energie für die Tragwerksenteisung einsparen, sondern es ist darüber hinaus noch in der Lage, elektrische Energie in Größenordnung der eingesparten elektrischen Energie zu erzeugen. Gesamtenergetisch betrachtet ließe sich die zur Verfügung stehende elektrische Leistung um 200 kW erhöhen. Dies könnte etwa dem Leistungsbedarf einer elektrischen Flugzeugklimaanlage während des Flugs entsprechen.
Das erfindungsgemäße geregelte Vereisungsschutzsystem gewährleistet, dass es zu keiner Zeit zu einer die Flugeigenschaften beeinträchtigenden Vereisung des Tragwerks kommt. Aufgrund dessen kann bei vorliegender Erfindung von Anti-Icing gesprochen werden, da Eisbildung bereits im Vorfeld verhindert wird. Eiserkennungseinrichtungen sämtlicher Art sind für die Funktion der thermischen Enteisungsvorrichtung entbehrlich, bieten lediglich zusätzliche Sicherheit. Der Sicherheit weiterhin zuträglich ist die enorme Leistungsreserve, die eine verdampfungsgekühlte Brennstoffzelle insbesondere für den thermischen Vereisungsschutz zur Verfügung stellt. Wird während des Betriebs der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle die elektrische Leistung über ihren Nennleistungsbereich hinaus bis hin zu ihrem Leistungsmaximum gesteigert, lässt sich auf diese Weise die thermische Leistung der Brennstoffzelle verdreifachen (wie weiter nachfolgend 8 verdeutlicht). Bei weiterer Erhöhung des Laststroms lässt sich die thermische Leistung noch weiter steigern. Dies könnte im Falle extremer Kalte von Nutzen sein.
Aufgabe der Erfindung ist weiterhin, die entlegenen Bereiche von im Flugzeug aufkommendem Wärmeangebot und -nachfrage gezielt zusammenzuführen.
Die Aufgabe betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Vereisungsschutzsystems sowie ein Flugzeug mit einem Vereisungsschutzsystem.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Vereisungsschutzsystems mit einer Brennstoffzelle, einem Verdampfungskühlsystem und einer thermischen Enteisungsvorrichtung mit einem Kondensator, wobei das Verdampfungskühlsystem mit der Brennstoffzelle in Wärmekontakt steht, um Wärme von der Brennstoffzelle an das Verdampfungskühlsystem zum Verdampfen eines Kühlmediums zu leiten und um das verdampfte Kühlmedium über die Dampfleitungen an den Kondensator zu leiten, wobei der Kondensator dazu eingerichtet ist, unter Wärmeabgabe in dem zu enteisenden Bereich eine Kondensation des im Betrieb der Brennstoffzelle zur Kühlung der Brennstoffzelle verdampften Kühlmediums hervorzurufen, kann im Wesentlichen die nachfolgenden Schritte aufweisen. Das Erfassen des Drucks in zum Zuführen von Dampf in zu enteisende Bereiche verwendeten Dampfleitungen mittels einer Druckerfassungseinrichtung und das Regeln der abgeforderten elektrischen Leistung der Brennstoffzelle mittels einer Regeleinheit, wobei das Regeln das Einstellen der von der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle abgeforderten elektrischen Leistung in Abhängigkeit von einer Abweichung des durch die Einrichtung zur Erfassung des Drucks erfassten Drucks von einem vorgegebenen Solldruck umfasst und wobei die von der Brennstoffzelle abgeforderte elektrische Leistung derart geregelt wird, dass die thermische Kühlleistung des Verdampfungskühlsystems der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle der Kondensationsleistung der thermischen Enteisungsvorrichtung entspricht.
Es ist anzustreben, während des Flugs eines mit dem erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystem ausgestatteten Flugzeugs die thermische Enteisungsvorrichtung von der Regeleinheit derart zu regeln, dass sich an den zu enteisenden Flächen eine Oberflächentemperatur von beispielsweise 60°C einstellt. Dies ermöglicht eine vollständige Verdampfung des vom Vereisungsschutzsystem an den Oberflächen aufgetauten Wassers. Hintergrund dessen ist, dass eben getautes, aber nicht vollständig entferntes Wasser an weiter hinten liegenden unbeheizten Oberflächen wieder gefrieren und sich erneut zu Eisformationen ansammeln könnte. Die vollständige Verdampfung getauten Wassers wäre eine der Möglichkeiten, Tauwasser zu entfernen, indem es in der gasförmigen Phase mit der Umgebungsluft vermischt und mit dem Luftstrom abtransportiert wird. Das auf Kondensation basierende thermische Heizprinzip der erfindungsgemäßen Tragwerksenteisung stellt mit seinem enorm hohen Wärmedurchgang an der Wand einen ausreichend belief Wärmestrom zur Verfügung, um Eis abzutauen und vollständige Verdampfung des Tauwassers im gesamten Betriebsbereich eines Flugzeugs zu realisieren.
Während des Flugs wird der Betriebsdruck der wärmeversorgenden Brennstoffzelle im Zuge einer effizienten Betriebsweise bevorzugt auf 0,6 bar eingestellt (siehe auch nachfolgende 3).
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird überschüssig anfallende elektrische Energie in einem Speichersystem zwischengespeichert. Es ist weiterhin günstig, überschüssig anfallende Wärmeenergie in einem Wärmespeichersystem etwa eines Adsorptionskühlsystems zwischenzuspeichern. Weiter ist bevorzugt, das Verdampfungskühlsystem der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle bei einem Notfall aus einem anderen Flüssigkeitstank zum Zwecke der Notstromerzeugung und Tragwerksenteisung mit Kühlflüssigkeit zu versorgen. Dieser Flüssigkeitstank kann Teil eines Wärmespeichersystems sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystems.
2 zeigt tabellarisch eine Gegenüberstellung der Drücke in einem Verdampfungskühlsystem von mit Wasser verdampfungsgekühlten PEM-Brennstoffzellen.
3 zeigt in einer Tabelle den Druck in einem Brennstoffzellensystem von mit Wasser verdampfungsgekühlten PEM-Brennstoffzellen.
4a und 4b zeigen eine abstrakte Darstellung des Schnitts durch eine Tragwerksnase bzw. einen Vorflügel im Normalbetrieb (4a) und in einem Spülbetrieb (4b).
5 veranschaulicht das Funktionsprinzip der Erfindung anhand eines als quasi geschlossenes System wirkenden Vorflügels unter Einwirkung thermodynamischer Größen.
6 zeigt einen Regelkreis in einer schematischen Ansicht.
7 zeigt eine Leistungskennlinie einer PEM-Brennstoffzelle.
8 zeigt in einem gestapelten Flächendiagramm jeweils den Betrag der thermischen und elektrischen Leistung einer PEM-Brennstoffzelle.
9 zeigt den aus Brennstoffzellenabwärme gewonnenen Dampfmassenstrom zusammen mit der elektrischen Leistung in Abhängigkeit des Laststroms.
10 zeigt tabellarisch den Volumenanteil von kondensierendem Wasser gegenüber Sattdampf in Abhängigkeit der Flughöhe.
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle im Teilschnitt.
DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Vereisungsschutzsystem 10 in einem Flugzeug. Es enthält ein verdampfungsgekühltes Brennstoffzellensystem 12, welches vorzugsweise in einem nicht-druckbeaufschlagten Bereich eines Flugzeugs, beispielsweise in einer Verkleidung eines Tragwerk-Rumpf-Übergangs (auch „Belly-Fairing” genannt) angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst eine Brennstoffzelle 14, die exemplarisch in Form eines Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 14 kann als Niedrigtemperatur-PEM-Brennstoffzelle mit einem Betriebstemperaturbereich zwischen 60°C und 110°C, aber auch als Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle mit Betriebstemperaturen von über 200°C ausgebildet sein.
Das verdampfungsgekühlte Brennstoffzellensystem 12 enthält eine Brennstoffzelle 14 und ein Verdampfungskühlsystem 16, welches in einem Wärmekontakt mit der Brennstoffzelle 14 steht, um im Betrieb der Brennstoffzelle 14 von der Brennstoffzelle 14 erzeugte Wärme durch Verdampfen eines Kühlmediums, welches dann aus einer beispielhaft ein Ventil 40 aufweisenden Dampfauslassleitung 28 strömt, aufzunehmen und von der Brennstoffzelle 14 abzuführen. In der gezeigten Darstellung weist das Verdampfungskühlsystem 16 eine Einrichtung 22 zur Erfassung des Drucks in dem Verdampfungskühlsystem 16 sowie eine Regeleinheit 24 auf, die dazu eingerichtet ist, die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 14 in Abhängigkeit von Signalen, die der Regeleinheit 24 von der Einrichtung 22 zur Erfassung des Drucks in dem Verdampfungskühlsystem 16 zugeführt werden, derart zu steuern, dass das Kühlmedium des Verdampfungskühlsystems 16 durch die im Betrieb der Brennstoffzelle 14 entstehende Wärme vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand überführt wird. Dies geschieht innerhalb von Kühlkanälen 17, mit denen die Brennstoffzelle 14 versehen ist, vorzugsweise im Nassdampfgebiet des Kühlmediums.
Zusätzlich hierzu sind weiterhin Temperatursensoren 21 zur Ermittlung der Temperatur in den Dampfleitungen 44, 46 angeordnet, so dass eine drohende Temperaturüberschreitung sensiert und durch entsprechendes Regeln der Brennstoffzelle 14 begrenzt werden kann. Alternativ dazu oder zusätzlich kann damit auch eine Betriebstemperatur in den Dampfleitungen 44, 46 sensiert und aufrechterhalten werden.
Das erfindungsgemäße Vereisungsschutzsystem 10 enthält weiter eine mit dem Verdampfungskühlsystem 16 in Wärmekontakt stehende, mit Dampfleitungen 44, 46 und einem beispielsweise als Vorflügel 45 ausgebildeten Bereich der Tragwerksnase ausgestattete thermische Enteisungsvorrichtung 42, die unter Kondensation Wärmeleistung Q ._zu in Form von Dampf aus dem Verdampfungskühlsystem 16 der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle 14 bezieht.
Die thermische Enteisungsvorrichtung 42 weist eine Einrichtung 23 zur Erfassung des Drucks in den Dampfleitungen 44, 46 der thermischen Enteisungsvorrichtung 42 auf, sowie die bereits erwähnte Regeleinheit 24, die neben einer Steuerung der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle unter anderem auch dazu eingerichtet ist, die von der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle 14 abgeforderte elektrische Leistung P_BZ in Abhängigkeit von Signalen, die der Regeleinheit 24 von der Einrichtung 23 zur Erfassung des Drucks in den Dampfleitungen 44, 46 und dem Bereich des Vorflügels 45 der thermischen Enteisungsvorrichtung 42 zugeführt werden, derart zu steuern, dass die thermische Kühlleistung Q ._zu des Verdampfungskühlsystems 16 der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle 14 in Abhängigkeit der Kondensationsleistung Q ._ab in den Dampfleitungen 44, 46 und im Vorflügel 45 der thermischen Enteisungsvorrichtung 42 regelbar ist.
Die Regelung über den von der Druckerfassungseinrichtung 23 erfassten Druck berücksichtigt die Anpassung der Dampfzufuhr in Abhängigkeit von dem Kondensationsvorgang in der thermischen Enteisungsvorrichtung 42. Die Druckerfassungseinrichtung 23 ist aus diesem Grunde in der thermischen Enteisungsvorrichtung 42 angeordnet. Die Regelung über die Druckerfassungseinrichtung 22 berücksichtigt das Vorliegen nicht kondensierten Dampfes nach Durchströmen der thermischen Enteisungsvorrichtung 42, so dass ein separater Nachkondensator 26 zusätzlich mit diesem Dampf beaufschlagt werden könnte. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung könnte der Nachkondensator 26 durch Flächen der Flugzeugaußenhaut, beispielsweise im Bereich der Tragwerks-Rumpf-Verkleidung gebildet sein. Dadurch könnte auf effiziente Weise und ohne zusätzlichen Gewichtsaufwand ein erheblicher Wärmestrom an die Umgebung abgeführt und somit eine nachgeschaltete Kondensation des noch verbliebenen Dampfes bewirkt werden. Weiterhin kann durch ein Dampfablassventil 32 Wasserdampf aus dem System abgeführt werden, um so kurzfristig eine Drucksenkung zu ermöglichen oder falls die Wärmeabfuhr temporär erschwert ist. Hierfür können Temperaturerfassungseinrichtungen 36 am Nachkondensator 26, 38 an der Brennstoffzelle 14 oder 39 an dem Vorflügel 45 angeordnet und mit der Regeleinheit 24 verbunden sein. Das verdampfungsgekühlte Brennstoffzellensystem 12 umfasst weiter ein Speichersystem 37 zur Speicherung von im Betrieb der Brennstoffzelle 14 erzeugter elektrischer Energie. Das Speichersystem 37 dient dazu, von der Brennstoffzelle 14 erzeugte überschüssige elektrische Energie zwischenzuspeichern und bei Bedarf an von dem verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystem 12 mit elektrischer Energie versorgte Verbraucher an Bord des Flugzeugs abzugeben. Das Speichersystem 37 könnte beispielsweise einen Superkondensator oder mehrere Superkondensatoren umfassen, alternativ auch andere elektrische Speichereinheiten.
Das erfindungsgemäße Vereisungsschutzsystem 10 kann bei einem Ausfall eines Bordstromerzeugungssystems grundsätzlich auch für die Erzeugung von Notstrom herangezogen werden. Es enthält einen Kühlmediumtank 20 mit flüssigem Kühlmedium, der dazu eingerichtet ist, eine Kühlmediumpumpe 18 des Verdampfungskühlsystems 16 mit Kühlmedium zu versorgen. Es versteht sich, dass auch diese Kühlmediumpumpe 18 von der Regeleinheit 24 oder einer anderen, mit der Regeleinheit 24 in Verbindung stehenden Regeleinheit angesteuert werden kann. Anfallendes Wasser aus dem Betrieb der Brennstoffzelle 14 kann über eine Prozesswasserentnahmevorrichtung 35 dem Tank 20 zugeführt werden. Beispielhaft ist ein Kondensatableiter 30 als Einrichtung, um sämtliches angefallenes Kondensat von einer einzigen Stelle zu entnehmen, vorgesehen und dazu vor dem Kühlmediumtank 20 angeordnet.
Für eine Notstromerzeugung könnte dem Kühlmediumtank 20 des in dem erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystem 10 enthaltenen verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystems 12 neben seiner grundsätzlichen Funktion als Kühlflüssigkeitsspeicher noch eine zusätzliche Rolle als potenzieller Reservetank zukommen. Der Kühlmediumtank 20 könnte für den Notfall stets eine Reserve-Kühlkapazität Q_BZ für die Notstromversorgung eines Flugzeugs gemäß folgender Gleichung beinhalten: Q_BZ = m·Δh_V, wobei Δh_V die Verdampfungsenthalpie des Kühlmediums und m die Masse des Kühlmediums ist. Das Produkt aus diesen beiden Größen verkörpert die verbleibende der Brennstoffzelle 14 zur Verfügung stehende Kühlkapazität Q_BZ. Besonders hervorzuheben ist jedoch die Tatsache, dass diese in gespeicherter Form vorgehaltene Kühlkapazität Q_BZ von Umwelteinflüssen unabhängig und bei jeder Umgebungsbedingung abrufbar ist, da das Kühlprinzip des verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystems 12 nicht auf Rückkühlung mittels Umgebungsluft basiert.
Die der Brennstoffzelle 14 stets zur Verfügung stehende verbleibende mittlere Kühlleistung Q ._BZ ließe sich nach folgender Gleichung bestimmen: Q ._BZ = Q_BZ/Δt, wobei Δt beispielsweise eine Restflugzeit (t_Ankunft – t_Aktuell) bis zur Landung sein könnte. Q ._BZ entspricht demnach einer garantierten mittleren Mindestkühlleistung, die vom Brennstoffzellensystem 12 in einem Notfall für die Notstromerzeugung zur Stromversorgung der flugwichtigen Systeme abgerufen werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung könnte das im erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystem 10 enthaltene verdampfungsgekühlte Brennstoffzellensystem 12 zum Zwecke der Notstromerzeugung zusätzlich zum Kühlmediumtank 20 auch auf eine Kühlflüssigkeit aus einem externen Tank, wie zum Beispiel den Wärmespeicher eines Adsorptionskühlsystems, zugreifen. Ein solcher Wärmespeicher könnte im Gegenzug während des normalen Flugbetriebs kontinuierlich mit Wärme aus dem verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystem 12 versorgt werden, die beispielsweise für den Desorptionszyklus eines Adsorptionskühlsystems benötigt wird. Die kapazitive Eigenschaft eines solchen Wärmespeichers wiederum könnte für die Regelung des verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystems 12 nützlich sein.
In dem erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystem 10 könnten mehrere, beispielsweise drei, Raume mit einem jeweiligen darin vorliegenden Druck p₁, p₂ und p₃ vorhanden sein, sowie der in der Umgebung des Flugzeugs vorherrschende Umgebungsdruck p ._A. In einem beispielsweise im Belly-Fairing befindlichen Verdampfungskühlsystem 16 eines verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystems 12 wirkt ein Druck p₁. In den Kühlkanälen 17 der Brennstoffzelle 14 wirkt ein Druck p₂. In in einer thermischen Enteisungsvorrichtung 42 enthaltenen Dampfleitungen 44, 46, sowie einem Vorflügel 45 könnte ein Druck p₃ wirken. Grundsätzlich gilt hierfür der folgende Zusammenhang: p2 ≥ p3 ≥ p1 ≥ p_A
Während der das Flugzeug umgebende Umgebungsdruck p_A auf Höhe des Meeresspiegels ca. 1 bar beträgt, herrscht während des Reiseflugs in 12500 m Höhe ein Umgebungsdruck p_A von ca. 0,2 bar. Der in den Kühlkanälen 17 der Brennstoffzelle 14 des verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystems 12 vorherrschende SOLL-Druck p₂ wird in Abhängigkeit von der in 2 angegebenen SOLL-Betriebstemperaturen T_BZ der Brennstoffzelle 14 eingestellt. Der SOLL-Druck p₂ wird der beschriebenen Regeleinheit 24 übergeben, um die Stromleistung dem Wärmebedarf der thermischen Enteisungsvorrichtung 42 anzupassen.
Das Vereisungsschutzsystem 10 weist zum Spülen des zu enteisenden Vorflügels 45 Triebwerkszapfluftleitungen 53, unter anderem mit einem Teleskoprohr 52 und einer flexiblen Rohrverbindung 54, auf, die mit einem Triebwerkszapfluftventil 59 und einem Drosselorgan 51 verbunden sind. Darüber hinaus kann das Vereisungsschutzsystem 10 eine oder mehrere Wasserdampfzuführanlagen 56 aufweisen, mit der Wasserdampf in einen Abgasstrahl eines Flugzeugtriebwerks 58 geführt werden kann, etwa durch Venturidüsen. Damit kann der Schadstoffausstol verringert werden.
Die Tabelle in 2 zeigt in einem mit Wasser gespeisten Verdampfungskühlsystem 16 eines verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystems 12 beispielhaft in Abhängigkeit des Strömungszustands (laminar oder turbulent) und der Flughöhe den Umgebungsdruck p_A, einen vorzugebenden SOLL-Druck p₁ und für drei unterschiedliche Brennstoffzellentypen die jeweils im Verdampfungskühlsystem 16 zu den SOLL-Betriebstemperaturen T_BZ der Brennstoffzelle 14 vorzugebenden SOLL-Drücke p₂, sowie die Druckdifferenzen Δp_Skin, Δp₃ und Δp_ges. Da die den SOLL-Drücken p₂ zuordenbaren Siedetemperaturen jeweils unterhalb der SOLL-Betriebstemperaturen der Brennstoffzelle 14 liegen, kommt es stets zu jener gewünschten Verdampfung des im Verdampfungskühlsystem 16 enthaltenen Kühlmediums, die die Kühlung der Brennstoffzelle 14 bewirkt.
In der in 3 abgebildeten Tabelle werden beispielhaft für ein Niedrigtemperatur-PEM-Brennstoffzellensystem die SOLL-Brennstoffzellenbetriebstemperaturen T_BZ in Abhängigkeit des Strömungszustands (laminar/turbulent) und der Hohe mit einem vorzugsweise einzustellenden Brennstoffzellenbetriebsdruck p_BZ* dargestellt, welcher erfindungsgemäß von einem in 1 dargestellten Brennstoffzellenbetriebsdruckerzeugungssystem 25 eingestellt wird.
Während des elektrochemischen Umwandlungsprozesses in einer Niedrigtemperatur-PEM-Brennstoffzelle entsteht Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff, unter Freisetzung von elektrischer Energie und Wärme. Das Brennstoffzellenbetriebsdruckerzeugungssystem 25 ist in der Lage, den Druck p_BZ* innerhalb der Brennstoffzelle so einzustellen, dass ein unerwünschtes Verdampfen von während der Brennstoffzellenreaktion anfallendem Prozesswasser innerhalb der Brennstoffzelle verhindert wird. Im Gegensatz zum Druck im Verdampfungskühlsystem der Brennstoffzelle p_BZ ist p_BZ* der Betriebsdruck direkt in der Brennstoffzelle 14, bei dem die Brennstoffzellenreaktion bei der entsprechenden Brennstoffzellenbetriebstemperatur T_BZ abläuft.
Wie in der in 3 abgebildeten Tabelle zu ersehen ist, kann ein Niedrigtemperatur-PEM-Brennstoffzellensystem im Flug auf Reiseflughöhe vorzugsweise bei einem Brennstoffzellenbetriebsdruck p_BZ* von 0,6 bar absolut betrieben werden. Während die Brennstoffzellenbetriebstemperatur T_BZ 72°C beträgt, würde das durch die Brennstoffzellenreaktion anfallende Prozesswasser erst bei einer Temperatur von 85,95°C verdampfen. Diese Temperatur entspräche dann dem Siedepunkt von Wasser bei 0,6 bar.
Der Betrieb eines Niedrigtemperatur-PEM-Brennstoffzellensystems in Reiseflughöhe bei einem niedrigen Brennstoffzellenbetriebsdruck p_BZ* von 0,6 bar könnte gegenüber dem Brennstoffzellenbetrieb bei Normalbedingungen vorteilhaft sein, wie etwa einem Brennstoffzellenbetriebsdruck p_BZ* von 1,5 bar absolut. Trotz guter Leistungseigenschaften des Brennstoffzellensystems kann oxidationsmittelseitig bei einem umgebungsluftgespeisten Brennstoffzellensystem der Aufwand für die Medienversorgung erheblich gesenkt werden, wodurch sich die Systemeffizienz nochmals verbessert.
Eine Niedrigtemperatur-PEM-Brennstoffzelle 14 wird gemäß der in 2 abgebildeten Tabelle vorzugsweise bei einer SOLL-Betriebstemperatur von T_BZ = 72°C betrieben. Für den Betrieb eines mit Wasser gespeisten verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystems 12 auf Meeresspiegelhöhe lässt sich hier die SOLL-Betriebstemperatur T_BZ auf bis zu 105°C steigern.
Eine erste Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle 14 wird gemäß der in 2 ersichtlichen Tabelle beispielsweise bei einer SOLL-Betriebstemperatur von konstant T_BZ = 110°C betrieben.
Eine zweite Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle 14 wird gemäß der Tabelle aus 2 beispielsweise bei einer SOLL-Betriebstemperatur von konstant T_BZ = 162°C betrieben.
Die mit dem Vorflügel 45 verbundenen Dampfleitungen 44, 46 der thermischen Enteisungsvorrichtung 42 sind an deren Anfang und Ende von Drucksteuerungsventilen 48 und 50 begrenzt.
Gemäß p₂ ≥ p₃ ≥ p₁≥ p_A könnte je nach Drucksteuerungsventilstellung der Absolutdruck p₃ in den Dampfleitungen 44, 46 und dem Vorflügel 45 der thermischen Enteisungsvorrichtung 42 vom Druck im Belly-Fairing p₁ bis hin zum Druck in den Kühlkanälen 17 der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle 14 p₂ reichen. In den Dampfleitungen 44, 46, sowie im Vorflügel 45 der thermischen Enteisungsvorrichtung 42 kann der Druck mit Hilfe der Drucksteuerungsventile 48 und 50 somit um Δp₃ = p₂ – p₁ variieren. Folglich kann auch der druckabhängige Wärmeübergang in den Dampfleitungen 44, 46 und dem Vorflügel 45 der thermischen Enteisungsvorrichtung 42 gesteuert werden.
Die Dampfleitungen 44, 46, sowie der Vorflügel 45 der thermischen Enteisungsvorrichtung 42 sind vorteilhafterweise so ausgelegt, dass sie einem inneren Überdruck von Δp_ges = p₂ – p_A standhalten.
Weiterhin könnte das erfindungsgemäße Vereisungsschutzsystem 10 das verdampfungsgekühlte Brennstoffzellensystem 12 einerseits zur Nutzung der bei dessen Betrieb entstehenden Abwärme Q ._BZ für den Betrieb der thermischen Enteisungsvorrichtung 42 Q ._th und andererseits den vom Brennstoffzellensystem 14 simultan erzeugten elektrischen Strom P_BZ für ein elektrisches Vereisungsschutzsystem 60 P_el verwenden, siehe 8. Ein derartiges elektrisches Vereisungsschutzsystem 60 könnte integraler Bestandteil des erfindungsgemäßen geregelten Vereisungsschutzsystems 10 sein. Das elektrische Vereisungsschutzsystem 60 ist dabei jener Teil des erfindungsgemäßen geregelten Vereisungsschutzsystems 10 im Flugzeug, der zum Zwecke des Vereisungsschutzes ausschließlich mit elektrischer Energie versorgt wird. Am Flugzeug befindliche Messinstrumente oder andere Einrichtungen könnten somit mittels effizient erzeugter elektrischer Energie eisfrei gehalten werden.
Der Wärmeleistungsbedarf für den das gesamte Flugzeug umfassenden Vereisungsschutz (Q ._th + P_el) ergibt sich unabhängig von dessen Höhe aus einem thermischem Wärmeleistungsbedarf Q ._th und einem elektrischem Heizleistungsbedarf für den elektrischen Vereisungsschutz P_el. Maßgeblich für die Gesamtauslegung des erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystems 10 ist hier die thermische Enteisungsvorrichtung 42 mit deren enormen Wärmebedarf für die thermische Tragwerksenteisung Q ._th. Das in das Vereisungsschutzsystem 10 integrierte elektrische Vereisungsschutzsystem 60 ist, bezogen auf die thermische Enteisungsvorrichtung 42 vorzugsweise so ausgelegt, dass unabhängig von der witterungsbedingten Wärmeanforderung (Q ._th + P_el) insgesamt, die Heizleistung der thermischen Enteisungsvorrichtung Q ._th und die Heizleistung des elektrischen Vereisungsschutzsystems 60 P_el mit den Leistungskurven des verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystems 12 abgestimmt sind, siehe 7. Das Verhältnis von thermischer und elektrischer Leistungsfähigkeit des verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystems 12 orientiert sich auslegungsgemäß am Größenverhältnis des Heizbedarfs von thermischer Enteisungsvorrichtung 42 und angeschlossenem elektrischen Vereisungsschutzsystem 60 gemäß: P_BZ/Q ._BZ ~ P_el/Q ._th.
Dies kann maßgeblich durch den Auslegungspunkt des verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystems 12 beeinflusst werden, wie 7 verdeutlicht. Die Energieerzeugung und der Energieverbrauch stehen im Verhältnis, d. h. sind auslegungsgemäß aufeinander abgestimmt, unabhängig vom Betrag der Wärmeanforderung der thermischen Enteisungsvorrichtung 42. Die installierte Leistung des zu integrierenden Brennstoffzellensystems 12 kann bestimmt werden durch: Q ._BZ ≡ Q ._th Gemäß 7 können die elektrische und die thermische Leistung der Brennstoffzelle 14 im Auslegungspunkt näherungsweise als gleich groß angenommen werden: P_BZ/Q ._BZ ≈ 1.
Beim Betrieb im Auslegungspunkt der am Beispiel in 7 und weiter nachfolgender 8 veranschaulichten verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle 14, sind thermische und elektrische Leistungsabgabe in etwa gleich groß. Somit können Abwärmeerzeugung Q ._BZ und Stromerzeugung P_BZ der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle 14 gleichermaßen das gesamte Flugzeug eisfrei halten, da diese bezüglich der Systemauslegung auf thermische Enteisungsvorrichtung 42 und elektrisches Vereisungsschutzsystem 60 abgestimmt sind. Überschüssig anfallender Strom kann in den elektrischen Energiespeicher 37 oder ein Bordnetz eingespeist werden.
Die eingangs beschriebene vorteilhafte Zweckbestimmung des erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystems 10 zur gezielten Anwendung im Flugzeug, sowie eine ausgewogene Auslegung integrierter und miteinander kombinierter Subsysteme, nämlich der Kombination von thermischer Enteisungsvorrichtung 42 mit elektrischem Vereisungsschutzsystem 60, ist ein erster Aspekt der Erfindung.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist die Angabe einer Regelung zum Betreiben des erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystems.
Das erfindungsgemäße Vereisungsschutzsystem 10 ist selbstregelnd. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Regelung besteht darin, dass nur so viel Wärme an die thermische Enteisungsvorrichtung 42 geliefert wird, wie für die Enteisung tatsächlich benötigt wird. Daraus resultiert ein verbessertes, grundlegend effizienteres Wärme-Management.
Bei einer Kondensation von Wasserdampf kollabieren Wasserdampfmoleküle unter Abgabe von Wärme ungefähr auf das 0,0001-fache des ursprünglichen Volumens, was in einem geschlossenen Raum einen Unterdruck verursachen würde, der sich in einer durch eine Einrichtung zur Erfassung eines Drucks messbaren Druckänderung widerspiegelt. Diese Druckänderung soll gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch vermieden werden, indem durch Wasserverdampfung an anderer Stelle neue Dampfmoleküle in den geschlossenen Raum eingebracht werden.
Die durch Kondensation aufgrund freigesetzter Wärme kollabierenden Wasserdampfmoleküle sollen erfindungsgemäß durch erneute Verdampfung von Wassermolekülen kompensiert werden. Für die dafür benötigte Dampferzeugung aus flüssigem Wasser ist ein verdampfungsgekühltes Brennstoffzellensystem 12 vorgesehen.
Das an das erfindungsgemäße Vereisungsschutzsystem 10 angeschlossene verdampfungsgekühlte Brennstoffzellensystern 12 nutzt als Wärmequelle für die zu bewerkstelligende Tragwerksenteisung „Abwärme”, die beim Betrieb des verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystems 12 anfällt. Gleichermaßen wird bei dessen Betrieb elektrische Energie erzeugt, die in einem Speichersystem 37, beispielsweise einer Batterie, zwischengespeichert wird.
4a zeigt ein geschlossenes System, das mit einem Kühlmediumdampf gefüllt ist. Das Kühlmedium befindet sich in einem Kreislauf, symbolisiert durch die umlaufenden Pfeile, und vollzieht einen ständigen Wechsel zwischen den Aggregatzuständen flüssig und gasförmig. In dem geschlossenen System herrscht ein Druck p₃. Die durch eine Wand von der Umgebung abgetrennte Systemgrenze kann durch Bereiche der Außenhaut eines Flugzeugs, beispielsweise im Bereich des Belly-Fairings oder ein zu enteisendes Tragwerksprofil 45 gebildet sein. Die aus dem System abgeführte Wärme ist der Wärmestrom Q ._ab (= Q ._th). Die dem System zugeführte Wärme ist der Wärmestrom Q ._zu (= Q ._BZ), siehe 5.
Der von der thermischen Enteisungsvorrichtung 42 an die Umgebung abgeführte Wärmestrom Q ._ab berechnet sich wie folgt: Q ._ab = k·A·ΔT wobei k der Wärmedurchgangskoeffizient, A die Wärmeübertragerfläche und ΔT das Temperaturgefälle zwischen Innen- und Außenseite der Wand ist. Der Wärmedurchgangskoeffizient k berechnet sich nach: 1/k = 1/α_außen + s/λ + 1/α_innen, wobei s die Wanddicke, λ der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient und α der Wärmeübergangskoeffizient ist.
Der abgegebene Wärmeenergiestrom Q ._ab verändert sich in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen des Flugzeugs. Einfluss auf die Intensität des abgegebenen Wärmeenergiestroms Q ._ab nehmen Umgebungsbedingungen wie etwa Luftdichteschwankungen, Temperaturschwankungen, Änderungen der Luftfeuchtigkeit, der Strämungsgeschwindigkeit der Luft, etwa aufkommender Regen, etc. Sie alle beeinflussen den Wärmedurchgangskoeffizient k. Während die Wärmeübertragerfläche A und das Temperaturgefälle ΔT bekannt sind, ist es insgesamt schwierig, den Wärmedurchgangskoeffizient k zu bestimmen und den abgeführten Wärmestrom Q ._ab vorherzusagen, was jedoch erfindungsgemäß folgendermaßen umgangen wird.
Der gesamte Vorgang gemäß vorliegender Erfindung findet in einem quasi geschlossenen System statt, wobei aus dem Dampf kondensiertes flüssiges Medium kontinuierlich entnommen wird, während gasförmiges Medium kontinuierlich dem System zugeführt wird, siehe 4a und 5. Daraus ergibt sich die Dampfmassebilanz, d. h. die Massenstromdifferenz in der Gasphase wie folgt: Δm . = (m ._zu – m ._ab)
Für den Dampf als wärmetransportierendes Medium lässt sich ebenso die Wärmebilanz aufstellen: ΔQ . = (Q ._zu – Q ._ab) wobei Q ._zu = m ._zu·Δh_V der durch Verdampfung in das System eingetragene Wärmestrom ist und Q ._ab = m ._ab·Δh_V der durch Kondensation an der Tragwerksnase 45 dem System entzogene Wärmestrom ist. Kollabierte Dampfmoleküle können als dem System entzogen betrachtet werden. Der durch Kondensation der Gasphase entzogene Dampfmassenstrom m ._ab resultiert aus der an die Tragwerksnase 45 abgegebenen Wärmeleistung Q ._ab gemäß: m .ab = Q ._ab/Δh_V wobei Δh_V die Verdampfungsenthalpie des Wassers ist. Sie gibt an, welche Wärmemenge (≈ 2360 kJ) bei der Kondensation von 1 kg Wasserdampf an der Tragwerksnase 45 an die vereiste Umgebung übergeht.
Durch Verdampfung zusätzlich in das System eingetragene Dampfmoleküle gelten als dem System hinzugefügt. Der dem System durch Verdampfung zugeführte Dampfmassenstrom m ._zu resultiert aus der durch Verdampfungskühlung des verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystems 14 gewonnenen Wärmeleistung Q . zu gemäß: m ._zu = Q ._zu/Δh_V
Hierbei ist Δh_V die Wärmemenge (≈ 2360 kJ), die 1 kg flüssiges Wasser der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle 14 entziehen kann, bis es vollständig verdampft ist, siehe 9.
Daraus lässt sich für das quasi geschlossene System eine Gleichung für die Differenz der Verdampfungs- und Kondensationswärmeleistung aufstellen, d. h. die Differenz zwischen ins System eingetragener und an die Umgebung abgeführter Wärmeleistung: ΔQ . = Δm .·Δh_V
Da Verdampfung und Kondensation Umkehroperationen sind, ist die Verdampfungsenthalpie Δh_V jeweils gleich groß. Das Verdampfen von 1 kg Wasser erfordert die gleiche Energiemenge, die bei der Kondensation von 1 kg Wasserdampf frei wird. Demzufolge gilt: ΔQ . ~ Δm .
Die in 10 abgebildete Tabelle zeigt das massebezogene spezifische Volumen von Wasserdampf im Sättigungszustand (Sattdampf), das massebezogene spezifische Volumen von kondensiertem Wasser, sowie den Volumenanteil des kondensierten Wassers gegenüber Sattdampf, jeweils in Abhängigkeit von der Flughöhe eines Flugzeugs. Wird Wasser auf Höhe des Meeresspiegels verdampft, nimmt der entstandene Wasserdampf das 1603fache Volumen des zuvor flüssigen Wassers ein; in 12192 m Flughöhe ist es sogar das 7552fache Volumen. Bei einer Kondensation geschieht genau das Gegenteil, denn die Wasserdampfmoleküle kollabieren auf einen Bruchteil ihres Volumens, das sie zuvor in der gasförmigen Phase einnahmen. Bei der Kondensation von Wasserdampf kollabieren Wasserdampfmoleküle unter Abgabe von Wärme auf 1/1603 bzw. 1/7552 des ursprünglichen Volumens. Bei einem beispielhaften Umgebungsdruck von 0,1992 bar in einer typischen Reiseflughöhe von 12192 m würde Wasserdampf mit einer Masse von 1 kg und einem Volumen von ca. 7,682 m³ nach der Kondensation nur noch ein Volumen von 0,0010172 m³ einnehmen. Dies entspricht einem Volumenanteil von ca. 0,0001 bzw. 0,01%. Da der Volumenanteil des flüssigen Wassers mit 0,01%, im Vergleich zum Volumenanteil des gasförmig vorliegenden Wassers von 99,99% verschwindend gering ist, wird er in den folgenden Betrachtungen vernachlässigt. Nachfolgend wird hauptsächlich die gasförmige Phase des Wassers betrachtet.
Dämpfe verhalten sich prinzipiell wie Gase. In der Gasphase eines mit Wasserdampf gefällten geschlossenen Raumes gilt die thermische Zustandsgleichung der Gase: p·V = m·R·T
Hierbei ist p der im geschlossenen System vorliegende Druck, V das durch den Bauraum vorgegebene Volumen, m die Dampfmasse, R die spezielle Gaskonstante des Wasserdampfes und T die Temperatur innerhalb eines geschlossenen Systems. Erfindungsgemäß kann für die gasförmige Phase des Wassers im vorliegenden quasi geschlossenen Raum folgender Ansatz zugrunde gelegt werden: p . ~ Δm .
Die Massenstromdifferenz in der Gasphase Δm . = (m ._zu – m ._ab) soll nun in dem quasi geschlossenen System durch Messung des Druckes über der Zeit p . bestimmt werden können nach folgendem Zusammenhang: p .·V = Δm .·R·T
Volumen V, Gaskonstante R und Temperatur T werden als konstant angenommen. Das Volumen ist durch die Geometrie vorgegeben. Aggregatzustandsänderungen laufen im Allgemeinen bei konstanter Temperatur ab. Auch der hier vorliegende Prozess soll bei vorgegebener konstanter Temperatur ablaufen. Die in der Gasphase gemessene Druckänderung p . kann erfindungsgemäß mit einer in dem quasi geschlossenen System installierten Druckerfassungseinrichtung 23 festgestellt werden, siehe 5. Die Massenstromdifferenz in der Gasphase Δm . setzt sich zusammen aus dem durch Verdampfung dem System zugeführten Dampfmassenstrom m ._zu und dem der Gasphase durch Kondensation entzogenen negativen Dampfmassenstrom m ._ab. Die Dampfmassezufuhr geschieht durch Verdampfung in den Kühlkanälen 17 der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle 14; die Dampfmasseabfuhr durch Kondensation an der Tragwerksnase 45. Ist die Dampfmassezufuhr größer als die Dampfmasseabfuhr, kommt es zum Druckanstieg. Ist die Dampfmasseabfuhr größer als die Dampfmassezufuhr, kommt es zum Druckabfall. Befinden sich Dampfzufuhr und Dampfabfuhr im Gleichgewicht, gibt es keine Druckänderung p .. Gemäß ΔQ . ~ p . ~ Δm . lässt sich schließlich die modifizierte Gasgleichung Δm . = (p .·V)/(R·T) mit der Gleichung für die Differenz der Verdampfungs- und Kondensationswärmeleistung (Q ._zu – Q ._ab) = Δm .·Δh kombinieren: (Q ._zu – Q ._ab) = (p .·V·Δh_V)/(R·T)
Wird ein Druckanstieg, d. h. eine positive Druckänderung gemessen, ist die Wärmeabfuhr kleiner als die Wärmezufuhr. Wird ein Druckabfall, d. h. eine negative Druckänderung gemessen, ist die Wärmeabfuhr größer als die Wärmezufuhr. Die Änderung der Dampfmasse bewirkt eine Druckänderung im quasi geschlossenen System. Für die eigentlich unbekannte Dampfmassenstromdifferenz Δm . kann nun der Druck p₃(t) als Regelgröße für die Regelung des erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystems 10 herangezogen werden: Q ._ab = Q ._zu –((p .₃·V·Δh_V)/(R·T))
Aufgrund von Gesetzen der Gasdynamik und Impulsübertragung auf molekularer Ebene vermittelt die Druckänderung p . zwischen der Änderung der abgegebenen Wärmeleistung an der Wand Q ._ab und der zuzuführenden Wärmeleistung der Brennstoffzelle infolge von generierter elektrischer Leistung P_BZ.
Die Stromerzeugung, also das „Hochfahren” der Brennstoffzellenreaktion in der Brennstoffzelle 14 geschieht dadurch, dass von der Brennstoffzelle 14 Strom entnommen wird, d. h. ein Stromfluss gewährleistet wird. Dies wird durch eine beispielsweise als Leistungselektronik ausgeführte Stromentnahme- und Stromaufbereitungsvorrichtung 15 der Brennstoffzelle 14 bewerkstelligt. P_BZ ist die vom verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystem 12 durch die Stromentnahme- und Stromaufbereitungsvorrichtung 15 abgeforderte elektrische Leistung.
Die erzeugte elektrische Leistung der Brennstoffzelle P_BZ entspricht in der am Beispiel von 7 und 8 dargestellten Brennstoffzelle im Auslegungspunkt betrieben etwa der von ihr erzeugten Wärmeleistung Q ._BZ, wobei die erzeugte Wärmeleistung der Brennstoffzelle Q ._BZ gleichermaßen die dem Verdampfungskühlsystem zugeführte Wärmeleistung Q ._zu ist: P_BZ ≈ Q ._BZ = Q ._zu
Wird ein erfindungsgemäßes Vereisungsschutzsystem 10 im Gleichgewicht bei einem bestimmten, oben näher beschriebenem SOLL-Druck p₃ betrieben, dann soll der von dem verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystem 12 zugeführte Wärmestrom Q ._zu erfindungsgemäß dem an der thermischen Enteisungsvorrichtung 42 abgeführten Wärmestrom Q ._ab entsprechen: Q ._ab ≡ Q ._zu ≈ P_BZ
Der vormals unbekannte Wärmestrom Q ._ab kann nun mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises auf die Wärmeleisturgsdifferenz ΔQ . zurückgeführt werden und anhand der elektrischen Leistungserbringung der Brennstoffzelle 14 P_BZ abgelesen werden: Q ._ab ≈ P_BZ – ((p .₃·V·Δh_V)/(R·T))
In vorliegender Erfindung ist damit ein Weg möglich, über den Druck p(t) eine Kommunikation zwischen dem unbekannten von der Umgebung abgenommenen Wärmestrom Q ._ab und dem zu ermittelnden Wärmestrom Q ._zu stattfinden zu lassen.
Wie in 4a veranschaulicht, wird demnach der Druck p₃ als Regelgröße für die Regelung des erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystems 10 herangezogen.
Die Regelung des erfindungsgemäßen Vereisungsschutzsystems 10 zielt demnach insgesamt darauf ab, die von dem verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystern 12 geforderte elektrische Leistung P_BZ zu bestimmen, mit der sich bei vorgegebenem Druck p(t) ein Gleichgewicht zwischen abgeführtem Wärmestrom Q ._ab und zugeführtem Wärmestrom Q ._zu einstellt.
4a zeigt den Normalbetrieb mit Wasserdampf, während 4b einen Spülzyklus mittels Luft darstellen soll. In 4a symbolisieren die dargestellten Pfeile Wasserdampf, während in 2b Luft, z. B. in Form von Triebwerkszapfluft, durch die Pfeile symbolisiert wird. Die beispielsweise als Piccolo-Rohr ausgebildete Spülvorrichtung 55 ist in 4a geschlossen dargestellt; in 4b ist die Spülvorrichtung 55 geöffnet, so dass Luft ausströmen und den Vorflügel 45 von innen spülen kann. Die Spülluft entweicht gemäß 4b an der Unterseite der Tragwerksnase in die Umgebung. Der Druck p₃ herrscht nur im Verdampfungskühlsystem, nicht jedoch während des Spülens.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Sinne einer Regelung die vom verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystem 12 abgeforderte elektrische Leistung P_BZ. so eingestellt, dass sich in dem Verdampfungskühlsystem 16 bei vorgegebenem Druck p₃ (siehe 2) ein Gleichgewicht zwischen abgeführtem Wärmestrom Q ._ab und zugeführtem Wärmestrom Q ._zu einstellt, siehe 4a und 6. Zu diesem Zweck weist das erfindungsgemäße Vereisungsschutzsystem 10 eine Druckerfassungseinrichtung 23 und eine Regeleinheit 24 auf. Die Regeleinheit 24 löst, aufgrund eines entsprechenden Signals, das der Regeleinheit 24 von der Druckerfassungseinrichtung 23 zugeht, beim verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystem 12 eine Anfrage nach bereitzustellender Wärmeenergie aus. Das Brennstoffzellensystem 12 beantwortet die Anforderung nach Wärmeenergie mit einem „Hochfahren” der Brermstoffzellenreaktion, was gleichermaßen eine erhöhte Stromproduktion und somit eine höhere Wärmeproduktion nach sich zieht. Die erhöhte Wärmeproduktion wiederum bewirkt eine erhöhte Dampfentwicklung des Wärmemediums, wie 9 verdeutlicht. Jene im Dampf gespeicherte Wärmeenergie wird der thermischen Enteisungsvorrichtung 42 für die thermische Enteisung zur Verfügung gestellt, indem der Dampf in die zu enteisenden Bereiche geleitet wird. Ein vereinfachter Regelkreis wird in 6 dargestellt, bei dem die folgenden Signalbezeichnungen verwendet werden.
u_pw(t) stellt die Führungsgröße bzw. ein für den SOLL-Druck p₃ charakteristisches Signal dar. e(t) ist die Regelabweichung und ein für den gemessenen Druck p(t) charakteristisches Signal. u_p(t) ist ein Ausgangssignal der Regeleinheit 24 und Ausgangsgröße. Die Regelabweichung e(t) ist die Differenz aus der Führungsgröße u_pw(i) und der Ausgangsgröße u_p(t). P_BZ(t) ist weiterhin die relevante Stellgröße und gibt die Leistungsabforderung P_BZ von der Brennstoffzelle 14 an. z(t) ist eine Störgröße und abhängig von Flugzeugumgebungsbedingungen (z. B. P_A, T_A, Re, etc.). Die Regelgröße y(t) ist äquivalent zu dem Druck p₃(t), d. h. dem IST-Druck p₃ in den Dampfleitungen 44 und 46, sowie im Vorflügel 45. y_M(t) ist Messgröße und steht für den IST-Druck p₃, als charakteristisches Signal von der Einrichtung zur Erfassung des Drucks 23.
In 7 wird eine qualitative Darstellung einer Leistungskennlinie einer Niedrigtemperatur-PEM-Brennstoffzelle abgebildet und zeigt anschaulich, wie mit steigender Stromabnahme I die elektrische Spannung U innerhalb der Brennstoffzelle 14 abfällt, während sich die elektrische Leistung P_el aus dem Produkt von elektrischer Spannung U und elektrischer Stromstärke I ergibt. 7 verdeutlicht die Abhängigkeit der elektrischen Leistung P_BZ und Spannung U von der Stromstärke I. Die Erzeugung der elektrischen Leistung P_BZ geschieht also allein über die abgeforderte Stromstärke, indem durch einen angeschlossenen beliebigen elektrischen Verbraucher ein Stromfluss hervorgerufen wird. Vergleichbar mit dem Aufladen von gewöhnlichen Akkumulatoren könnte die Stärke des Stromflusses von der beispielsweise als Leistungselektronik ausgeführten Stromentnahme- und Stromaufbereitungsvorrichtung 15 der Brennstoffzelle 14 gesteuert werden.
Die Leistungselektronik 15 der Brennstoffzelle 14 wird durch das Ausgangssignal u_p(t) der Regeleinheit 24 angewiesen, einen der Stellgröße P_BZ(t) entsprechenden Strom von der Brennstoffzelle 14 abzufordern. Aus dem angewiesenen Stromfluss folgen elektrische Leistung, Brennstoffzellenreaktionswärme und daraus resultierend verdampfendes Kühlmittel. Der gewünschte Druck p₃ stellt sich ein.
Wie 7 verdeutlicht, steigt mit steigendem Stromfluss auch die erzeugte elektrische Leistung P_BZ der Brennstoffzelle 14, während die Spannung in der Brennstoffzelle 14 abnimmt. Bei einer Grenzstromstärke I_Grenz erreicht die Brennstoffzelle ihr Leistungsmaximum P_max. Wird die Stromstärke über die Grenzstromstärke I_Grenz hinaus weiter erhöht, beginnt die elektrische Leistung P_BZ der Brennstoffzelle 14 abzufallen.
Für den Fall, dass der Brennstoffzelle 14 das Oxidationsmittel Luft mittels eines elektrisch betriebenen Luftkompressors zugeführt wird und/oder der der Brennstoffzelle 14 zugeführte Brennstoff von einer Brennstoffaufbereitungsanlage erzeugt wird, kann systembedingt ein Eigenbedarf an elektrischer Leistung erforderlich sein von beispielsweise 25%. Zusätzlich zum thermischen Leistungsanteil würde dementsprechend lediglich die von der Brennstoffzelle 14 erzeugte elektrische Netto-Nennleistung P_net als elektrischer Anteil P_el für den Vereisungsschutz zur Verfügung stehen.
Schließlich stellt 11 eine verdampfungsgekühlte Brennstoffzelle 14 in einer Schnittdarstellung dar, die mit einem Verdampfungskühlsystem 16 verbunden ist und Kühlkanäle 17 aufweist.
Zu erkennen ist die übliche Stapel-Bauweise der Brennstoffzelle, die hier in einem beispielsweise für einen Absolutdruck p₂ von 6 bar ausgelegten Druckbehälter integriert ausgeführt ist, siehe 2. In der Darstellung sind weiter der den Druckraum p₂ umfassende Teil des Verdampfungskühlsystems 16, die Druckerfassungseinrichtung 21 und die Temperaturerfassungseinrichtung 38, sowie Anschlüsse für Medienversorgung und Kühlflüssigkeit der Brennstoffzelle zu erkennen. Die Stutzen an der Oberseite des Druckbehälters sind für die Dampfentnahme der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle 14 vorgesehen, während die abgebildeten Stromkabel für den Anschluss an die Stromentnahme- und Stromaufbereitungsvorrichtung 15 bestimmt sind.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und „ein” oder „eine” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste
FORMELZEICHEN

T: Temperatur [°C], [K]
ΔT: Temperaturgefälle [°C], [K]
t: Zeit [s]
Δt: Zeitspanne [s]
P: elektrische Leistung [W]
P·t: elektrische Energie [Ws], [J]
Q: Wärmemenge, Wärmeenergie [Ws], [J]
Q .: Wärmestrom, Wärmeleistung [J/s], [W]
ΔQ .: Wärmeleistungsdifferenz (Verdampfung – Kondensation) [J/s], [W]
m: Masse [kg]
Δm .: Dampfmassenstromdifferenz [kg/s]
m .: Dampfmassenstrom [kg/s]
Δh_V: Verdampfungsenthalpie [kJ/kg]
p .: Druckänderung [Pa/s], [bar/s]
p: Druck [Pa], [bar]
p(t): Druck als Funktion der Zeit [Pa], [bar]
Δp: Druckdifferenz, Druckabweichung [Pa], [bar]
k: Wärmedurchgangskoeffizient [W/(m² K)]
α: Wärmeübergangskoeffizient [W/(m² K)]
λ: Wärmeleitfähigkeitskoeffrzient [W/(m K)]
s: Wanddicke [m]
A: Wärmeübertragerfläche [m²]
V: Volumen im Druckraum [m³]
R: spezifische Gaskonstante [kJ/kg K]
Re: Reynolds – Zahl
I: Stromstärke [A]
U: Spannung [V]

1: auf Druckraum bezogen
2: auf Druckraum bezogen
3: auf Druckraum bezogen
A: in der Umgebung
BZ: auf die Brennstoffzelle bezogen
BZ*: in der Brennstoffzelle
zu: zugeführt
ab: abgeführt
el: elektrisch
th: thermisch
skin: an der Flugzeughaut
ges: gesamt
Grenz: Grenze
max: maximal
net: netto

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1935783 B1 [0003]
EP 1116656 B1 [0003]
US 20080105217 A1 [0003]
US 6848656 B2 [0003]
DE 102008019146 A1 [0003]
DE 102006002882 B4 [0003]
DE 102004058430 B4 [0003]
EP 2225789 B1 [0003]
EP 1973780 B [0003]
EP 1739013 B1 [0003]

Claims

Vereisungsschutzsystem (10), aufweisend: – eine Brennstoffzelle (14); – ein Verdampfungskühlsystem (16), – eine thermische Enteisungsvorrichtung (42) mit einem Kondensator und Dampfleitungen (44, 46) zum Zuführen von Dampf in den Kondensator, – eine Regeleinheit (24) und – eine Einrichtung (23) zur Erfassung des Drucks in den Dampfleitungen (44, 46), wobei das Verdampfungskühlsystem (16) mit der Brennstoffzelle (14) in Wärmekontakt steht, um Wärme von der Brennstoffzelle an das Verdampfungskühlsystem (16) zum Verdampfen eines Kühlmediums zu leiten und um das verdampfte Kühlmedium über die Dampfleitungen (44, 46) an den Kondensator zu leiten, wobei der Kondensator dazu eingerichtet ist, unter Wärmeabgabe in dem zu enteisenden Bereich eine Kondensation des im Betrieb der Brennstoffzelle (14) zur Kühlung der Brennstoffzelle (14) verdampften Kühlmediums hervorzurufen, wobei die Regeleinheit (24) dazu eingerichtet ist, die von der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle (14) abgeforderte elektrische Leistung in Abhängigkeit von einer Abweichung des durch die Einrichtung (23) zur Erfassung des Drucks erfassten Drucks von einem vorgegebenen Solldruck derart zu regeln, dass die thermische Kühlleistung des Verdampfungskühlsystems (16) der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle (14) der Kondensationsleistung der thermischen Enteisungsvorrichtung (42) entspricht.
Vereisungsschutzsystem (10) nach Anspruch 1, wobei der Kondensator durch mindestens einen Abschnitt einer Tragwerksnase (45) gebildet ist.
Vereisungsschutzsystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend ein elektrisches Vereisungsschutzsystem (60) das dazu eingerichtet ist, von dem Brennstoffzellensystem (12) erzeugte Elektrizität zu beziehen.
Vereisungsschutzsystem (10) nach Anspruch 3, wobei die elektrische Leistung des elektrischen Vereisungsschutzsystems (60) mit der thermischen Leistung der thermischen Enteisungsvorrichtung (42) korreliert.
Vereisungsschutzsystem (10) nach Anspruch 1, wobei als Kühlmedium Wasser verwendet wird.
Vereisungsschutzsystem (10) nach Anspruch 5, ferner aufweisend einen verschließbaren und mit den Dampfleitungen (44, 46) verbundenen Lufteinlass zum selektiven Spülen der Dampfleitungen (44, 46) zum Entfernen von Dampf.
Vereisungsschutzsystem (10) nach Anspruch 6, wobei der Lufteinlass mit einer Zapfluftleitung eines Triebwerks verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben eines Vereisungsschutzsystems (10) mit einer Brennstoffzelle (14), einem Verdampfungskühlsystem (16) und einer thermischen Enteisungsvorrichtung (42) mit einem Kondensator, wobei das Verdampfungskühlsystem (16) mit der Brennstoffzelle (14) in Wärmekontakt steht, um Wärme von der Brennstoffzelle an das Verdampfungskühlsystem (16) zum Verdampfen eines Kühlmediums zu leiten und um das verdampfte Kühlmedium über die Dampfleitungen (44, 46) an den Kondensator zu leiten, wobei der Kondensator dazu eingerichtet ist, unter Wärmeabgabe in dem zu enteisenden Bereich eine Kondensation des im Betrieb der Brennstoffzelle (14) zur Kühlung der Brennstoffzelle (14) verdampften Kühlmediums hervorzurufen, aufweisend die Schritte: Erfassen des Drucks in zum Zuführen von Dampf in zu enteisende Bereiche verwendeten Dampfleitungen (44, 46) mittels einer Druckerfassungseinrichtung (23) und Regeln der abgeforderten elektrischen Leistung der Brennstoffzelle (14) mittels einer Regeleinheit (24), wobei das Regeln das Einstellen der von der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle (14) abgeforderten elektrischen Leistung in Abhängigkeit von einer Abweichung des durch die Einrichtung (23) zur Erfassung des Drucks erfassten Drucks von einem vorgegebenen Solldruck umfasst, wobei die von der Brennstoffzelle (14) abgeforderte elektrische Leistung derart geregelt wird, dass die thermische Kühlleistung des Verdampfungskühlsystems (16) der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle (14) der Kondensationsleistung der thermischen Enteisungsvorrichtung (42) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der dem Verdampfungskühlsystem (16) der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle (14) durch Verdampfung zugeführte Dampfmassenstrom und der an der thermischen Enteisungsvorrichtung (42) durch Kondensation verlorengegangene Dampfmassenstrom im Gleichgewicht stehen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der dem Verdampfungskühlsystem (16) der verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle (14) zugeführte Dampfmassenstrom in Abhängigkeit des an der thermischen Enteisungsvorrichtung (42) verlorengegangenen Dampfmassenstroms über den Druck in den Dampfleitungen (44, 46) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der von dem verdampfungsgekühlten Brennstoffzellensystem (12) erzeugte elektrische Strom einem elektrischen Vereisungsschutzsystem (60) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, ferner aufweisend den Schritt des Spülens der Dampfleitungen zum Entfernen von Dampf.
Luftfahrzeug mit einem Vereisungsschutzsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.