DE102016015184A1 - Energiequelle für ein Fahrzeug und Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Eine Energiequelle (4) für ein Fahrzeug (2), mit einer Brennstoffzelle (6) zur Erzeugung von elektrischer Energie (EB) unter Abgabe von Abwärme (WB), enthält einen Stirling-Generator (8) zur Erzeugung von elektrischer Energie (ES) aus aufgenommener Wärme (W), wobei der Stirling-Generator (8) mit der Brennstoffzelle (6) wärmeübertragend gekoppelt ist, um zumindest einen Teil der Abwärme (WB) der Brennstoffzelle (6) als Wärme (W) für seinen Betrieb aufzunehmen. Ein Fahrzeug (2) enthält die Energiequelle (4).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Energiequelle für ein Fahrzeug und ein Fahrzeug.
  • Aus der EP 2 782 830 B1 ist es bekannt, eine Brennstoffzelle in einem Trolley herkömmlicher Bemaßung aufzunehmen, welcher auswechselbar in einem dafür vorgesehenen Einschubabschnitt einer Bordküche eines Flugzeuges aufgenommen ist. Durch die Abwärme der Brennstoffzelle wird ein Abschnitt des Kabinenbodens in einer Flugzeugkabine beheizt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, den Einsatz einer Brennstoffzelle als Energiequelle für ein Fahrzeug zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Energiequelle gemäß Patentanspruch 1 für ein Fahrzeug. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
  • Die Energiequelle enthält eine Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle dient zur Erzeugung von elektrischer Energie. Die Brennstoffzelle erzeugt die elektrische Energie unter Abgabe von Abwärme. Die Energiequelle enthält einen Stirling-Generator. Der Stirling-Generator dient zur Erzeugung von elektrischer Energie. Diese Energie erzeugt der Stirling-Generator aus von Ihm aufgenommener Wärme. Der Stirling-Generator ist mit der Brennstoffzelle wärmeübertragend gekoppelt. Die Kopplung erfolgt derart, dass zumindest ein Teil der Abwärme der Brennstoffzelle vom Stirling-Generator als Wärme für seinen Betrieb aufgenommen wird, wenn sich die Energiequelle im Betriebszustand befindet, d. h. die Brennstoffzelle Abwärme produziert.
  • Die Energiequelle kann insbesondere auch mehrere Brennstoffzellen und/oder mehrere Stirling-Generatoren enthalten. Dabei überträgt dann jede der Brennstoffzellen ihre gesamte oder einen jeweiligen beliebigen Anteil an Wärmeenergie an einen oder mehrere oder alle der Stirling-Generatoren.
  • Die Energiequelle stellt als Nutzenergie (also nach außerhalb abgegebene Energie) also elektrische Energie der Brennstoffzelle und elektrische Energie des Stirling-Generators bereit und optional auch restliche Abwärme der Brennstoffzelle und/oder Abwärme des Stirling-Generators als Wärmeenergie zur Verfügung.
  • Gemäß der Erfindung gelingt es, die Abwärme der Brennstoffzelle bereits innerhalb der Energiequelle zu nutzen, um mit Hilfe des Stirling-Generators aus dieser Abwärme erneut bzw. zusätzlich elektrische Energie zu erzeugen. Somit steht in der Energiequelle mehr elektrische Energie als bei einer gleichen Brennstoffzelle ohne Stirling-Generator zur Verfügung, wobei gleichzeitig die nach außen abgegebene Abwärme reduziert wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Brennstoffzelle und der Stirling-Generator über einen Wärmebus wärmeübertragend gekoppelt. Der Wärmebus dient zur Übertragung von Wärme von der Brennstoffzelle zum Stirling-Generator. Die Wärme ist dabei mindestens ein Teil der Abwärme der Brennstoffzelle die zumindest teilweise vom Stirling-Generator aufgenommen wird, um aus dieser Wärme elektrische Energie zu erzeugen. Der Wärmebus stellt somit einen Wärmesammler oder Wärmeübertrager dar. Am Wärmebus können auch mehrere Brennstoffzellen und/oder Stirling-Generatoren der gleichen Energiequelle oder aus anderen vergleichbaren Energiequellen angeschlossen sein. So kann Wärme bedarfsgerecht an Stirling-Generatoren verteilt werden. Über den Wärmebus ist es außerdem möglich, Wärme effizient zwischen der Wärmequelle (Brennstoffzelle) und dem Wärmeverbraucher (Stirling-Generator) zu übertragen.
  • Besonders im Flugzeug könnte die auf Reiseflughöhe zur Verfügung stehende Umgebungsluft ca. –50°C zur Erhöhung des ΔT des Stirling-Generators genutzt werden (zusätzlicher Bus/Kältebus). Somit kann die Effizienz erheblich gesteigert werden und auch Wärmeströme von geringem Temperaturniveau effizient in elektrische Energie gewandelt werden.
  • In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform weist der Wärmebus mindestens zwei Wärmekanäle auf. Die Wärmekanäle können hierbei für Wärme unterschiedlicher Temperaturen und/oder unterschiedlicher Wärmemengen ausgeführt sein. So stehen innerhalb des Wärmebusses beispielsweise verschiedene Temperaturen zum Betrieb verschiedener (insbesondere hinsichtlich Temperaturniveaus verschieden dimensionierter) Stirling-Generatoren bereit.
  • In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform enthält der Wärmebus mindestens einen weiteren Wärmeeingang zur Einkopplung von Wärme aus einer externen Wärmequelle. Der Wärmebus ist dann ein Wärmesammler, der neben der Wärme von Brennstoffzellen auch Wärme von anderen Quellen – zum Beispiel Abwärme eines Ofens, einer Kaffeemaschine oder eines Motors – aufnimmt und im Wärmebus für Verbraucher zur Verfügung stellt. Diese Ausführungsform ist auch bei den anderen oben genannten Ausführungsformen anwendbar, die dann um weitere Wärmequellen ergänzt werden.
  • In einer weiteren Variante dieser Ausführungsform weist der Wärmebus mindestens einen weiteren Ausgang zur Auskopplung von Wärme an einen externen Wärmeabnehmer auf. So kann die im Wärmebus vorhandene Wärme nicht nur einem oder mehreren Stirling-Generator, sondern auch anderen externen Wärmeverbrauchern zugeführt werden, beispielsweise einem Ofen, einer Kaffeemaschine oder einer Bordheizung, in denen die Wärme direkt als Wärmeenergie genutzt werden kann. Auch diese Ausführungsform ist bei den anderen oben genannten Ausführungsformen anwendbar, die dann um weitere Wärmeabnehmer bzw. -senken ergänzt werden.
  • In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform enthält der Wärmebus mindestens einen Wärmetauscher. Durch den Wärmetauscher kann Wärme in den Wärmebus ein- oder aus diesem ausgekoppelt werden. Hierbei kann besonders gut die Menge der ein- bzw. auszukoppelnde Wärme bzw. Größe der Wärmeleistung gesteuert werden. Auch können so Aus- oder Einkoppeltemperaturen zwischen Wärmequelle/-senke und Wärmebus angepasst werden.
  • In bevorzugten Ausführungsformen können an Stelle eines Wärmetauschers auch andere Wärme-Kopplungsverfahren verwendet werden, die am Wärmebus vorgesehen sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Energiequelle genau eine Brennstoffzelle und genau einen Stirling-Generator. Brennstoffzelle und Stirling-Generator können so besonders gut aufeinander abgestimmt und besonders effizient wärmegekoppelt werden. In diesem Fall können beide Komponenten direkt bzw. unmittelbar wärmegekoppelt werden, ein Wärmebus ist dann nicht notwendig. Falls ein Wärmebus vorhanden ist, kann dieser am entsprechenden Ort zu einer direkten Kopplung zwischen Brennstoffzelle und Stirling-Generator entarten.
  • In einer bevorzugen Ausführungsform ist der Stirling-Generator ein hermetisch gekapselter Resonanz-Stirling-Generator. Diese Generatoren besitzen einen besonders hohen Wirkungsgrad und sind besonders wartungsarm, was zur Effizienz und Wartungsfreundlichkeit der Energiequelle beiträgt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Energiequelle mindestens zwei Stirling-Generatoren, die wärmetechnisch in Form einer Kaskade bzw. in Reihe, insbesondere an einem Wärmebus, verschaltet sind. Somit kann Wärme, welche von einem ersten Stirling-Generator nicht vollständig genutzt werden kann, von einen zweiten, dritten usw. Stirling-Generator genutzt werden, um jeweils elektrische Energie zu erzeugen. Durch eine geeignete Anzahl kaskadierter Stirling-Generatoren kann so nahezu die gesamte Abwärme der Brennstoffzelle zur Umsetzung in elektrische Energie genutzt werden, sodass Abwärme-Energie nur minimal ungenutzt verloren geht.
  • Somit können je nach Bedarf ein oder mehrere Stirling-Generatoren mit Abwärme versorgt werden, sodass diese jeweils noch effizient betrieben werden können und der Großteil der Abwärme genutzt werden kann, sodass die verbleibende Abwärme zum Beispiel unterhalb einer gewissen, nicht mehr sinnvollen nutzbaren Grenztemperatur liegt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Brennstoffzelle im Betrieb der Energiequelle mit einem konstanten elektrischen Parameter und/oder mit einem konstanten Abwärmeparameter betrieben. Der konstante elektrische Parameter ist insbesondere eine konstante elektrische Leistung, der konstante Abwärmeparameter beispielsweise eine konstante Temperatur oder Wärmeleistung der Abwärme. So gelingt es insbesondere, die Brennstoffzelle an einem optimalen Betriebspunkt, zum Beispiel bei optimalem Wirkungsgrad, zu betreiben. Die Brennstoffzelle kann so in der Energiequelle besonders effizient genutzt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Brennstoffzelle und/oder der Stirling-Generator und/oder die Energiequelle als mobile Einheit ausgeführt. Die jeweilige mobile Einheit kann leicht im Fahrzeug bewegt und insbesondere zu Wartungszwecken ausgetauscht werden.
  • In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist die mobile Einheit in Form eines genormten Bordküchentrolleys oder eines standardisierten Gepäck- bzw. Cargo-Containers für das Fahrzeug ausgeführt oder in einem solchen enthalten. Insbesondere wenn das Fahrzeug ein Flugzeug ist, existieren standardisierte Trolleys oder Container. Die mobile Einheit ist dann als solches Teil ausgeführt oder in ein solches integriert. So kann ein einheitliches Handling aller solcher Teile erfolgen. Die mobile Einheit lässt sich so besonders einfach in ein bestehendes Fahrzeug- bzw. Flugzeugsystem – vor allem bezüglich Betriebs- bzw. Wartungsvorgängen – integrieren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Energiequelle als geteiltes System mit einem fest im Fahrzeug installierbaren Teil und einem mobilen Teil ausgeführt. So können serviceintensive Teile der Energiequelle mobil ausgeführt werden und andere Teile der Energiequelle besonders einfach und effektiv fest im Fahrzeug installiert werden. Hier bietet sich insbesondere an, die Brennstoffzelle als mobilen Teil auszuführen und den Stirling-Generator fest im Fahrzeug installierbar auszuführen. Zu Servicezwecken muss dann nur die Brennstoffzelle ausgetauscht werden, was aufgrund deren Mobilität besonders einfach möglich ist. Nach Austausch bzw. Einbringen ins Fahrzeug bzw. im Betrieb wird die Brennstoffzelle dann wärmetechnisch an den Stirling-Generator gekoppelt, sodass dieser die Abwärme der Brennstoffzelle für seinen Betrieb aufnehmen kann.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Fahrzeug gemäß Patentanspruch 14. Das Fahrzeug enthält eine erfindungsgemäße Energiequelle. Das Fahrzeug und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Energiequelle erläutert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fahrzeug ein Flugzeug. Das Flugzeug enthält eine Bordküche. Die Energiequelle ist eine Energiequelle für die Bordküche des Flugzeugs. Im Flugzeug wird insbesondere die Bordküche autark aus der Energiequelle versorgt. In der Bordküche lassen sich besonders gut sowohl die elektrische Energie der Brennstoffzelle und des Stirling-Generators, als auch die restliche Abwärme von Stirling-Generator und/oder Energiequelle nutzen. Insbesondere ist hier eine Erhitzung von Speisen oder Getränken durch Abwärme möglich, sowie die Nutzung der elektrischen Energie für sonstige Geräte bzw. Elemente der Bordküche.
  • Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen, Beobachtungen bzw. Überlegungen und weist noch die nachfolgenden Ausführungsformen auf. Die Ausführungsformen werden dabei teils vereinfachend auch ”die Erfindung” genannt. Die Ausführungsformen können hierbei auch Teile oder Kombinationen der oben genannten Ausführungsformen enthalten oder diesen entsprechen und/oder gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen einschließen.
  • Die Erfindung beruht auf der Idee, ein mobiles Brennstoffzellensystem zum Einsatz an Bord ziviler Flugzeuge zu realisieren. Eine Brennstoffzelle erzeugt ungefähr zu gleichen Teilen Strom und (Ab-)Wärme. Diese Abwärme-Energie soll nicht ungenutzt abgeführt werden.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Stirling-Generatoren für einen Einsatz in einem Flugzeug interessant sind. Insbesondere gilt hier das Augenmerk den hermetisch gekapselten Resonanz-Stirling-Generatoren. Mit diesen Generatoren können Wirkungsgrade von ca. 20 Prozent erreicht werden. Das (vom flugzeugseitigen Bordnetz) autonome Energieerzeugungssystem basiert auf einem Brennstoffzellensystem. Mit diesem Brennstoffzellensystemen sollen in einem Flugzeug mehrere Bordküchen (Galley) autonom mit Energie versorgt werden. Zusammen mit der hierfür benötigten Wasserstoffreformierung fällt damit aber auch Abwärme in der Größenordnung von jeweils ca. 10–14 kW an. Unter der Annahme von drei Galleys in einem Flugzeug fallen damit ca. 30–42 kW Abwärme an. Für derartige Energiemengen an Abwärme gibt es im Flugzeug keinen kontinuierlichen Abnehmer. Die Erfindung nutzt daher die Abwärme unterschiedlicher Systeme zur Stromerzeugung. Die Erfindung sieht vor, in Abhängigkeit der anfallenden Abwärme einen oder mehrere Stirling-Generatoren in den Abwärmestrom zu schalten.
  • Gemäß der Erfindung wird die Abwärme einer Brennstoffzelle (Fuel Cell) mittels Stirlingmotor bzw. Stirling-Generator zur Stromerzeugung genutzt. Die Erfindung beschreibt ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung, um Abwärme, die in einem Flugzeug entsteht a) mittels eines (hermetisch gekapselten) Stirling-Generators in Strom zu wandeln oder b) mittels einer Hintereinanderschaltung von Stirling-Generatoren eine hohe Abwärme-Energie schrittweise über diese Stirling-Kaskade zu verwerten.
  • Gemäß der Erfindung ergibt sich ein neuer Ansatz zur Energierückgewinnung. Grundlegende Idee der Erfindung ist es, Stirling-Generatoren zur Rückgewinnung von elektrischer Energie aus der Prozessabwärme eines Brennstoffzellensystems eines Flugzeugs einzusetzen.
  • Mit der Erfindung werden (insbesondere in einem Flugzeug) die wesentlichen Betriebseigenschaften einer Brennstoffzelle mit der eines Stirling-Generators kombiniert: Ein Stirling-Generator, der für eine optimale Leistungsausbeute eine konstante und kontinuierliche Energiezufuhr benötigt, wird mit einer Brennstoffzelle verbunden, welche bei einem optimalen Betriebspunkt ihrerseits konstant und kontinuierlich (Ab-)Wärme erzeugt. Mit der Erfindung wird die Synergie ausgenutzt, die zur Verfügung steht, bei der erstmaligen Anwendung von Brennstoffzellensystemen (insbesondere in Flugzeugen) und deren bekannten, kontinuierlichen Abwärmeabfluss mit einem Stirling-Generator, zur (Rück-)Gewinnung von elektrischer Energie. Die Erfindung beschreibt die generelle Nutzung von Stirlingmotoren und/oder Stirling-Generatoren in Flugzeugen, als feste Installation oder auch als mobile Einheit.
  • Im einfachsten Fall wird ein Energietrolley direkt mit einem Stirling-Generator verbunden. Dabei ist dieses Konzept auch geeignet, um auf dem gesamten Flugzeuglevel anfallende Abwärme geeignet zu kanalisieren und zur Energierückgewinnung den Stirling-Generatoren zuzuführen. Die auszukoppelnde Energiemenge kann zum Beispiel durch entsprechend dimensionierte Wärmetauscher oder andere, geeignete Auskopplungsverfahren auf den jeweiligen Generator angepasst und zugeführt werden.
  • Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
  • 1 ein Fahrzeug mit einer Energiequelle,
  • 2 einen Ausschnitt aus einem Flugzeug mit alternativer Energiequelle,
  • 3 eine alternative Energiequelle.
  • 1 zeigt ein nicht näher dargestelltes Fahrzeug 2 mit einer Energiequelle 4. Die Energiequelle 4 enthält eine Brennstoffzelle 6 und einen Stirling-Generator 8. Im Betrieb erzeugt die Brennstoffzelle 6 elektrische Energie EB. Diese wird im Fahrzeug 2 verwendet. Bei der Energieerzeugung entsteht auch Abwärme WB der Brennstoffzelle 6. Der Stirling-Generator 8 wiederum nimmt Wärme W auf, um hieraus im Betrieb ebenfalls elektrische Energie ES zu erzeugen. Auch diese steht zur Nutzung im Fahrzeug 2 zur Verfügung. Der Stirling-Generator 8 ist mit der Brennstoffzelle 6 wärmeübertragend gekoppelt, sodass zumindest ein Teil der Abwärme WB als Wärme W vom Stirling-Generator 8 aufgenommen wird, um hieraus die elektrische Energie ES zu erzeugen. Die Kopplung ist durch ausgezogene Pfeile dargestellt.
  • 1 zeigt auch eine alternative Ausführung der Energiequelle 4 mit einem Wärmebus 10. Die Kopplung zwischen Brennstoffzelle 6 und Stirling-Generator 8 geschieht dann folgendermaßen (gestrichelte Pfeile): die Brennstoffzelle 6 speist ihre Abwärme WB in den Wärmebus 10 ein. Der Stirling-Generator 8 entnimmt wiederum seine Wärme W dem Wärmebus 10. Zur Auskopplung der Wärme W aus dem Wärmebus 10 ist optional ein Wärmetauscher 12 vorgesehen.
  • Der Stirling-Generator 8 ist ein hermetisch gekapselter Resonanz-Stirling-Generator. Die Brennstoffzelle 6 wird hier so betrieben, dass diese eine konstante elektrische Leistung EB abgibt.
  • 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem ebenfalls nicht näher dargestellten Fahrzeug 2, hier einem Flugzeug, welches über insgesamt drei Bordküchen 14a–c verfügt. Jede der Bordküchen 14a–c enthält als mobile Einheit 16a–c einen genormten Bordküchentrolley. Jede der mobilen Einheiten 16a–c enthält eine jeweilige Brennstoffzelle 6, die zur Versorgung der jeweiligen Bordküche 14a–c mit elektrischer Energie EB und ES dient. Auch ein Teil der Abwärme WB wird innerhalb der jeweiligen Bordküche 14a–c genutzt bzw. verbraucht.
  • Die Brennstoffzellen 6 bzw. Einheiten 16a–c sind jeweils ein mobiler Teil 18 einer Energiequelle 4, die insgesamt zur Energieversorgung im Fahrzeug 2 dient. Ein weiterer Teil 20 der Energiequelle 4 ist im Flugzeug 2 fest installiert und enthält mehrere, hier zwei Stirling-Generatoren 8. Die Stirling-Generatoren 8 sind Teil einer Energienutzeinheit 22 des Flugzeuges 2, welche zumindest einen Teil von im Flugzeug 2 insgesamt vorhandener bzw. vom Wärmebus 10 aufgegriffene Gesamtwärme WG nutzt. Die Energienutzeinheit 22 enthält hierbei nicht näher bezeichnete weitere Wärmesenken, zum Beispiel Öfen, Kaffeemaschinen, Peltierelemente, Heizungen etc. Lediglich die nicht genutzte Restwärme R wird als Flugzeugrestabwärme aus dem Flugzeug 2 ungenutzt abgeführt. Die Wärmeleitung im Flugzeug 2 erfolgt über den Wärmebus 10, der hier insgesamt drei Wärmekanäle 24a–c aufweist. Der Wärmekanal 24a erhält Wärme der Temperatur ca. 60°C der jeweiligen Brennstoffzelle 6 (Abgas). Der Wärmekanal 24b führt Wärme von ca. 130°C in Form von Abgas eines (nicht näher erläuterten und nicht dargestellten) Wasserstoffreformers für die Brennstoffzelle 6, der in jeder der mobilen Einheiten 16a–c vorhanden ist. Der Wärmekanal 24c führt Wärme von ca. 150°C, ebenfalls in Form von Abgas des Wasserstoffreformers. Die drei Brennstoffzellen 6 liefern hierbei auf dem Wärmebus 10 eine Gesamtwärmeleistung bzw. Gesamtwärme WG von ca. 42 kW.
  • Der Wärmebus 10 weist optional einen weiteren Wärmeeingang 26 (hier nur symbolisch angedeutet) auf, über den auch weitere zusätzliche Wärme WZ aus sonstigen Wärmeerzeugern bzw. Wärmequellen 30 im Flugzeug 2 in den Wärmebus 10 eingespeist wird, um diese möglichst in der Energienutzeinheit 22 nutzen zu können. So erhöht sich die Gesamtwärme WG weiter. Ebenso verfügt der Wärmebus 10 optional über einen weiteren Wärmeausgang 28 zur Auskopplung von zusätzlicher Wärme WZ aus dem Wärmebus 10 an einen nicht näher dargestellten externen Wärmeabnehmer 32.
  • Insgesamt wird also die jeweilige Abwärme WB der drei Brennstoffzellen 6 im Energiebus 10 gesammelt, gegebenenfalls unter Hinzunahme zusätzlicher Energie durch den Wärmeingang 26. Sodann steht die Gesamtenergie WG zur Verfügung. Aus dieser bzw. dem Energiebus 10 wird dann die Wärme W für die Stirling-Generatoren 8 entnommen. Nach Entnahme zusätzlicher Wärme WZ über den zusätzlichen Wärmeausgang 28 wird die Restabwärme R ungenutzt aus dem Flugzeug 2 abgeführt.
  • 3 zeigt eine alternative Energiequelle 4 und hier nochmals die Einkopplung der jeweiligen Abwärme WB aus drei Brennstoffzellen 6 in den Wärmebus 10 sowie die Einkopplung weiterer zusätzlicher Wärme WZ über zwei Wärmeeingänge 26 aus zwei Wärmequellen 30, hier der Abwärme eines Ofens und eines Motors. Über eine Kaskade von Wärmetauschern 12 wird die Gesamtwärme WG im Wärmebus 10 sukzessive als Wärme W an die Stirling-Generatoren 8 abgeführt, d. h. die jeweilige Wärme W sukzessive der Gesamtwärme WG entnommen. Die Stirling-Generatoren 8 erzeugen hieraus die jeweilige Energie ES. Nicht mehr nutzbare Restabwärme R aus den jeweiligen Stirling-Generatoren 8 wird aus dem Flugzeug 2 ungenutzt abgeführt. Ungenutzte Wärme aus der Wärmemenge WG, die nach dreimaliger Entnahme der Wärme W übrig bleibt, wird ebenfalls als Restwärme R aus dem Flugzeug 2 ungenutzt abgeführt.
  • Die Wärmetauscher 12 können in 3 optional auch weggelassen werden und die Gesamtwärme WG direkt an die drei Stirling-Generatoren 8 herangeführt werden, wobei lediglich nicht nutzbare Restwärme R wiederum von diesen abgeführt wird. Auch in diesem Fall ergibt sich eine Kaskade der Stirling-Generatoren 8.
  • Bezugszeichenliste
  • 2
    Fahrzeug
    4
    Energiequelle
    6
    Brennstoffzelle
    8
    Stirling-Generator
    10
    Wärmebus
    12
    Wärmetauscher
    14a–c
    Bordküche
    16a–c
    mobile Einheit
    18
    Teil (mobil)
    20
    Teil (fest)
    22
    Energienutzeinheit
    24a–c
    Wärmekanal
    26
    Wärmeeingang
    28
    Wärmeausgang
    30
    Wärmequelle
    32
    Wärmeabnehmer
    EB
    Energie (elektrisch, Brennstoffzelle)
    WB
    Abwärme (Brennstoffzelle)
    W
    Wärme (Stirling)
    ES
    Energie (elektrisch, Stirling)
    WG
    Gesamtwärme
    R
    Restabwärme
    WZ
    zusätzliche Wärme
  • 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 2782830 B1 [0002]

Claims (15)

  1. Energiequelle (4) für ein Fahrzeug (2), – mit einer Brennstoffzelle (6) zur Erzeugung von elektrischer Energie (EB) unter Abgabe von Abwärme (WB), dadurch gekennzeichnet, dass – die Energiequelle (4) einen Stirling-Generator (8) zur Erzeugung von elektrischer Energie (ES) aus aufgenommener Wärme (W) enthält, – wobei der Stirling-Generator (8) mit der Brennstoffzelle (6) wärmeübertragend gekoppelt ist, um zumindest einen Teil der Abwärme (WB) der Brennstoffzelle (6) als Wärme (W) für seinen Betrieb aufzunehmen.
  2. Energiequelle (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (6) und der Stirling-Generator (8) Ober einen Wärmebus (10) wärmeübertragend gekoppelt sind.
  3. Energiequelle (4) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmebus (10) mindestens zwei Wärmekanäle (24a–c) aufweist.
  4. Energiequelle (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmebus (10) mindestens einen weiteren Wärmeeingang (26) zur Einkopplung von Wärme (WZ) aus einer externen Wärmequelle (30) aufweist.
  5. Energiequelle (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmebus (10) mindestens einen weiteren Wärmeausgang (28) zur Auskopplung von Wärme (WZ) an einen externen Wärmeabnehmer (32) aufweist.
  6. Energiequelle (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmebus (10) einen Wärmetauscher (12) enthält.
  7. Energiequelle (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Energiequelle (4) genau eine Brennstoffzelle (6) und genau einen Stirling-Generator (8) enthält.
  8. Energiequelle (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirling-Generator (6) ein hermetisch gekapselter Resonanz-Stirling-Generator ist.
  9. Energiequelle (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (4) mindestens zwei Stirling-Generatoren (8) enthält, die wärmetechnisch in Form einer Kaskade verschaltet sind.
  10. Energiequelle (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (6) mit einem konstanten elektrischen Parameter und/oder mit einem konstanten Abwärmeparameter betrieben ist.
  11. Energiequelle (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (6) und/oder der Stirling-Generator (8) und/oder die Energiequelle (4) als mobile Einheit (16a–c) ausgeführt ist.
  12. Energiequelle (4) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Einheit (16a–c) in Form eines genormten Bordküchen-Trolleys oder eines standardisierten Gepäck- bzw. Cargo-Containers für das Fahrzeug (2) ausgeführt ist oder in einem solchen enthalten ist.
  13. Energiequelle (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (4) als geteiltes System mit einem fest im Fahrzeug (2) installierbarem Teil (20) und einem mobilen Teil (18) ausgeführt ist.
  14. Fahrzeug (2), dadurch gekennzeichnet, dass es eine Energiequelle (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.
  15. Fahrzeug (2) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (2) ein Flugzeug mit einer Bordküche (14a–c) ist, und die Energiequelle (4) eine Energiequelle (4) für die Bordküche (14a–c) des Flugzeugs ist.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011122072B3 (de) * 2011-12-22 2013-02-28 Eads Deutschland Gmbh Stirlingmotor für ein emissionsfreies Fluggerät
DE102011119364A1 (de) * 2011-11-23 2013-05-23 Diehl Aerospace Gmbh Vorrichtung zum Beheizen eines Abschnitts eines Kabinenbodens in einer Flugzeugkabine

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011119364A1 (de) * 2011-11-23 2013-05-23 Diehl Aerospace Gmbh Vorrichtung zum Beheizen eines Abschnitts eines Kabinenbodens in einer Flugzeugkabine
EP2782830B1 (de) 2011-11-23 2016-03-30 Diehl Aerospace GmbH Vorrichtung zum beheizen eines abschnitts eines kabinenbodens in einer flugzeugkabine
DE102011122072B3 (de) * 2011-12-22 2013-02-28 Eads Deutschland Gmbh Stirlingmotor für ein emissionsfreies Fluggerät

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