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Die Erfindung betrifft ein Fluggerät mit wenigstens einem elektrisch angetriebenen Propeller nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Fluggeräte mit wenigstens einem elektrisch angetriebenen Propeller sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Derartige Fluggeräte mit elektrisch angetriebenen Propellern werden insbesondere als sogenannte Flugdrohnen bzw. Drohnen verwendet, welche zumeist in der Art eines Multikopters ausgebildet sind, also über wenigstens drei Propeller zur Erzeugung von Schub inVertikalrichtung verfügen. Problematisch bei derartigen Flugdrohnen ist häufig entweder die Verwendung von Verbrennungsmotoren, was zu unerwünschten Emissionen führt, oder die zeitliche Beschränkung der Flugzeit aufgrund der vergleichsweise großen und schweren Batterien wenn ohne Emissionen geflogen werden soll. Ein weiterer Nachteil, insbesondere in der Ausgestaltung als Multikopter, besteht darin, dass diese Bauform eine vergleichsweise geringe Horizontalgeschwindigkeit erreichen kann, also im Vergleich zu anderen Fluggeräten eher langsam fliegt.
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Um dieser Problematik entgegenzutreten ist es in der
EP 3 124 379 A1 beschrieben, dass eine Flugdrohne in der Art eines Multikopters mit Propellern zur Erzeugung eines Schubs in Horizontalrichtung versehen ist, und dass außerdem zum Antrieb eines Generators zur Bereitstellung der elektrischen Leistung ein Motor vorhanden ist, über welchen mechanisch ein Propeller zum Schubantrieb in Vertikalrichtung zusätzlich angetrieben wird. Über einen Turbolader wird der Motor mit verdichteter Luft versorgt, wobei sein Abgas zumindest teilweise dazu genutzt wird, die Zuluft zu verdichten. Ein anderer Teil des Abgases kann, wenn eine entsprechende Menge an Abgas vorliegt, auch genutzt werden, um weitere elektrische Energie zu erzeugen, welche dann dem Hubantrieb ergänzend zur Leistung des Generators zur Verfügung gestellt werden kann. Der Aufbau ist außerordentlich komplex und groß, sodass er eine entsprechend große Drohne erforderlich macht, welche aufgrund ihres Eigengewichts bereits einen vergleichsweise hohen Energiebedarf hat. Darüber hinaus ist es so, dass der Aufbau mit den Turbinen insbesondere mit einem Verbrennungsmotor realisiert werden soll, welcher am Flugort der Drohne unerwünschte Emissionen erzeugt. Im Text ist zwar auch eine Brennstoffzelle als Alternative erwähnt, mit ihr sind die erfindungsgemäßen Gedanken bezüglich der Turbine aufgrund des sehr viel geringeren Energieinhalts im Abgas nicht direkt umzusetzen, insbesondere auch kein direkter mechanischer Antrieb des Schubpropellers.
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Aus dem weiteren Stand der Technik in Form der
DE 20 2013 011 452 U1 ist außerdem ein Luftfahrzeug bekannt, welches bewusst auf Propeller verzichtet und stattdessen ein innerhalb des Luftfahrzeugs angeordnetes Gebläse mit mindestens einer schwenkbaren Schubdüse aufweist, um so ausschließlich über die Schubdüsen für den Auftrieb und den Vorschub des Luftfahrzeugs zu sorgen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Fluggerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dahingehend weiterzubilden, dass dieses möglichst energieeffizient, emissionsfrei und mit einer gegenüber einem Multikopter erhöhten Vorschubgeschwindigkeit betrieben werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Fluggerät mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Fluggerät greift die im eingangs genannten Stand der Technik prinzipiell erwähnte Brennstoffzelle zur Bereitstellung von elektrischer Energie für wenigstens einen elektrisch angetriebenen Propeller auf. Um die Brennstoffzelle zu betreiben, ist anodenseitig beispielsweise Wasserstoff und kathodenseitig beispielsweise Sauerstoff, insbesondere Luftsauerstoff, notwendig. Das Fluggerät weist daher zur Bereitstellung von Luft als Sauerstofflieferant einen Verdichter oder einen Speicher für verdichtete Luft auf. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass eine Abluftleitung der Brennstoffzelle, in welcher die verdichtete an Sauerstoff abgereicherte Luft nach der Brennstoffzelle strömt, in einer Schubdüse endet. Die Brennstoffzelle zusammen beispielsweise mit einem Druckgasspeicher für Wasserstoff bietet den Vorteil, dass sie bei gleichem Energieinhalt entsprechend leichter ist, als es eine reine Batterie wäre. Schon hierdurch ist eine längere Flugzeit des Fluggeräts möglich, als bei der Verwendung von gespeicherter elektrischer Energie in einer Batterie. Das Fluggerät mit der Brennstoffzelle verursacht dabei vor Ort keine schädlichen Emissionen, da bei der Umsetzung von Sauerstoff und Wasserstoff in der Brennstoffzelle lediglich Wasserdampf als Produkt entsteht. Das Fluggerät ist also in der Lage emissionsfrei zu fliegen. Zum Betreiben der Brennstoffzelle benötigt es verdichtete Luft als Sauerstofflieferant für die Brennstoffzelle. Diese an Sauerstoff abgereicherte verdichtete Luft weist auch nach dem Durchströmen der Brennstoffzelle und trotz der von der Brennstoffzelle verursachten Druckverluste immer noch einen entsprechenden Überdruck gegenüber der Luft in der Umgebung auf. Die Abluftleitung der Brennstoffzelle endet deshalb in wenigstens einer Schubdüse. Über diese Schubdüse wird die gegenüber der Luft in der Umgebung unter Überdruck stehende Luft ausgeblasen und sorgt so für einen zusätzlichen Schub, welcher je nach Ausrichtung der Schubdüse insbesondere für den Vortrieb des Fluggeräts eingesetzt werden kann. Die ohnehin vorhandene verdichtete Abluft kann also noch einen wesentlichen Beitrag zum Auftrieb und/oder zur Steigerung der Horizontalgeschwindigkeit leisten.
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Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts sieht es vor, dass die wenigstens eine Schubdüse verschwenkbar ist. Eine solche verschwenkbare Schubdüse erlaubt je nach Flugsituation des Fluggeräts einen Einsatz des zusätzlichen durch die ausgestoßene Abluft erzeugten Schubs beispielsweise zur Unterstützung des Auftriebs und/oder des Vortriebs, also der Horizontalgeschwindigkeit, und kann situationsbedingt durch die Flugsteuerung entsprechend verschwenkt werden.
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Ergänzend zu einer solchen wenigstens einen verschwenkbaren Schubdüse oder auch alternativ hierzu kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee vorgesehen sein, dass mehrere feststehende Schubdüsen vorhanden sind, welche selektiv von der Abluft anströmbar sind. Solche mehreren Schubdüsen, welche selektiv von der Abluft anströmbar sind, können beispielsweise über eine oder mehrere Ventileinrichtungen bei Bedarf mit der Abluftleitung entsprechend verbunden werden. Ohne den mechanischen Aufwand einer verschwenkbaren Düse mit einer eine Vielzahl von Verschwenkungen standhaltenden Abdichtung realisieren zu müssen, kann so relativ einfach und kostengünstig der Abluftstrom zur Erzeugung von Schub in der gewünschten Richtung Verwendung finden.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts kann ein Landegestell vorgesehen sein, welches rohrförmige Beine aufweist, wobei die Beine mit Schubdüsen versehen sind, und als Zuleitung für die Abluft dienen. Ein solches Landegestell, beispielsweise bei Flugzeugen, insbesondere im Bereich der sogenannten Sportflugzeuge, mit Rädern oder ein festes Landegestell ohne Räder bei Flugdrohnen, ist in der Praxis häufig bereits vorhanden. Auch ist das Landegestell häufig mit rohrförmigen Beinen versehen, da ein solcher rohrförmiger Aufbau eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht gewährleistet. Gemäß der hier beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fluggeräts ist es nun vorgesehen, dass im Bereich dieser Beine Schubdüsen vorhanden sind, und dass die rohrförmigen Beine selbst als Zuleitung für die Abluft dienen. Ohne nennenswerten zusätzlichen baulichen Aufwand kann die Luft so in den Bereich der Beine und von dort in die dort angebrachten Schubdüsen geleitet werden. Die Schubdüsen können wiederum verschwenkbar oder vorzugsweise fest im Bereich der Beine angeordnet sein. So können beispielsweise Schubdüsen in Flugrichtung nach hinten und nach vorn im Bereich der Beine oder unterschiedlicher Beine angeordnet sein und je nach Bedarf an Vortrieb oder Gegenschub zum Austritt der Abluft genutzt werden. Ergänzend dazu kann beispielsweise eine weitere Schubdüse mit einer Abströmrichtung nach unten vorhanden sein, sodass selektiv durch die Ansteuerung der entsprechenden Schubdüsen entweder Auftrieb oder Vortrieb in verschiedene wählbare Richtungen durch die Abluft erzeugt werden kann. Selbstverständlich ist bei einer Aufteilung des Luftstroms auf verschiedene Schubdüsen auch eine Kombination von Vortrieb und Auftrieb denkbar. Ferner ist es selbstverständlich denkbar, die Schubdüsen im Bereich der Beine zumindest geringfügig verschwenkbar zu machen, sodass beispielsweise bei einer prinzipiellen Ausrichtung entgegen der Flugrichtung durch ein seitliches Verschwenken um beispielsweise einige Grad eine Unterstützung von Lenkmanövern des Fluggeräts über die Schubdüsen erreicht werden kann.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts ist es vorgesehen, dass in der Abluftleitung vor der wenigstens einen Schubdüse eine Brennkammer zum Nachverbrennen von der Abluftleitung zugeführtem Abgas der Brennstoffzelle angeordnet ist. Je nach Betriebsweise der Brennstoffzelle auf ihrer Anodenseite fällt entweder ein kontinuierlicher Abgasstrom an oder das Abgas fällt bei der Verwendung eines sogenannten Anodenkreislaufs beispielsweise von Zeit zu Zeit an. In diesem Abgas sind immer auch Reste an Wasserstoff enthalten, welcher über die Abluft in der Abluftleitung verdünnt in die Umgebung gelangt und dort aufgrund der Verdünnung typischerweise unkritisch ist. Dennoch beinhaltet dieser Wasserstoff eine gewisse Restenergie, welche bei der reinen Verdünnung und Abgabe in die Umgebung verschwendet wird. Durch das Vorsehen einer Brennkammer zur Nachverbrennung dieses Abgases können nun einerseits Wasserstoffemissionen in die Umgebung gänzlich unterbunden und andererseits zusätzliche Energie gewonnen werden, welche in Form von thermischer Energie von der Abluft mitgeführt wird und im Bereich der Schubdüse in gewinnbringende Schubenergie umgewandelt wird.
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Eine außerordentlich günstige Weiterbildung hiervon sieht es dabei vor, dass die Brennkammer mit jeweils einer Bypassleitung um die Brennstoffzelle sowohl mit der Druckseite des Verdichters und/oder Druckluftspeichers als auch dem Brennstoffzellentank schaltbar verbunden ist. Eine solche schaltbare Verbindung der Brennkammer mit der Druckseite des Verdichters und ebenso mit dem Brennstofftank ermöglicht beispielsweise die Zufuhr von verdichteter Luft mit einem höheren Sauerstoffgehalt in die Brennkammer, wenn dies zum Verbrennen des Restwasserstoffs im Abgas notwendig ist. Soll über die Brennkammer beispielsweise für einen Leistungsboost zusätzliche Energie bereitgestellt werden, dann kann ergänzend zu dieser Luft auch Wasserstoff aus dem Brennstofftank direkt in die Brennkammer geleitet werden, um dort durch die Verbrennung zusätzliche Energie bereitzustellen.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fluggeräts sieht es außerdem vor, dass wenigstens eine elektrische Energiespeichereinrichtung, beispielsweise in Form einer Batterie und/oder von Superkondensatoren, vorgesehen ist. Eine solche elektrische Energiespeichereinrichtung erlaubt das Zwischenspeichern von Energie aus der Brennstoffzelle und kann einerseits beim Start der Brennstoffzelle zum Antreiben des elektrischen Verdichters - wenn vorhanden - und bis zu einem endgültigen Start der Brennstoffzelle auch zum Antreiben des Propellers des Fluggeräts entsprechend genutzt werden. Darüber hinaus bietet das Vorhandensein einer elektrischen Energiespeichereinrichtung die Möglichkeit, die Brennstoffzelle in einem sehr günstigen Betriebspunkt zu betreiben, sodass diese einen sehr guten Wirkungsrad aufweist und den an Bord verfügbaren Brennstoff unter bestmöglichen Bedingungen in elektrische Energie umwandelt. Spitzenlasten können dann aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung aufgebracht werden, sodass keine hochdynamische Regelung der Brennstoffzelle selbst notwendig ist, sondern dass diese weitgehend in ihrem optimalen Betriebspunkt überwiegend stationär betrieben werden kann.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fluggeräts sieht es nun ferner vor, dass ein Ladeluftkühler zwischen der verdichteten Zuluft zu der Brennstoffzelle und der Abluftleitung ausgebildet ist. Ein solcher Ladeluftkühler zwischen der verdichteten Zuluft auf der einen Seite und der Abluft aus der Brennstoffzelle auf der anderen Seite hilft dabei, die nach dem Verdichter prinzipbedingt trockene und heiße Luft abzukühlen, um die Brennstoffzelle nicht unnötig auszutrocknen und durch die hohen Temperaturen zu belasten. Andererseits bietet der Wärmeübertrag in die Abluft in der Abluftleitung die Möglichkeit, die Wärme im Bereich der wenigstens einen Schubdüse, in welcher die Abluftleitung endet, gewinnbringend zu nutzen.
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Das erfindungsgemäße Fluggerät kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dabei als Multikopter ausgebildet sein, welcher beispielsweise über drei oder vier oder auch mehr Propeller verfügt, um den Hubantrieb des Fluggeräts zu realisieren und welches für eine Horizontalbewegung eine Verstellung dieser Propeller einerseits und ergänzend den Schub aus der Schubdüse andererseits nutzt.
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Das erfindungsgemäße Fluggerät kann prinzipiell jede Art von Fluggerät sein, wobei durch den elektrischen Antrieb des Propellers eine gewisse Einschränkung zu erwarten ist, beispielsweise auf den Bereich der Sportflugzeuge, auf den Bereich von motorunterstützten Segelflugzeugen oder ähnlichem. Eine besonders günstige und vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fluggeräts sieht es jedoch vor, dass dieses als ferngesteuertes Fluggerät, also als sogenannte Flugdrohne, ausgebildet ist. Eine solche Flugdrohne in der Ausgestaltung gemäß der Erfindung kann insbesondere eingesetzt werden, um Logistikaufgaben innerhalb von bewohnten Gebieten wahrzunehmen, beispielsweise Pakte auszuliefern oder dergleichen. Durch die Verwendung der Brennstoffzelle sowie gegebenenfalls einer kleinen elektrischen Energiespeichereinrichtung um Spitzenlasten abzudecken, wird eine vergleichsweise große Reichweite erreicht, insbesondere eine größere als mit herkömmlichen Batterien möglich ist. Gleichzeitig ist der Aufbau entsprechend leichter als eine herkömmliche Batterie, sodass eine größere Last durch das Fluggerät transportiert werden kann. Darüber hinaus ist das Fluggerät völlig emissionsfrei, was für die genannten Anwendungen ein entscheidender Vorteil ist, und was insbesondere auch den Betrieb innerhalb geschlossener Räume, wie beispielsweise Lagerhallen oder dergleichen ermöglicht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fluggeräts ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine prinzipmäßige Seitenansicht eines Fluggeräts in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung;
- 2 eine Darstellung analog 1 mit einer veränderten Bewegungsrichtung;
- 3 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem für das erfindungsgemäße Fluggerät in einer ersten Ausführungsform;
- 4 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem für das erfindungsgemäße Fluggerät in einer zweiten Ausführungsform;
- 5 ein Fluggerät analog den Darstellungen in 1 und 2 in einer alternativen Ausführungsform; und
- 6 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Verteilplatte in dem Fluggerät gemäß 5.
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In der Darstellung der 1 ist ein Fluggerät 1 in Form einer sogenannten Flugdrohne bzw. Drohne angedeutet. Das Fluggerät 1 soll beispielsweise zum Transport von Gütern eingesetzt werden, beispielsweise innerhalb der Lagerlogistik oder bei der Zustellung von Paketen. Diese Anwendung ist jedoch rein beispielhaft zu verstehen, das Fluggerät kann selbstverständlich auch für andere Zwecke Verwendung finden oder in anderer Bauform als der einer Drohne ausgebildet sein.
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Das hier angedeutete Fluggerät 1 ist als Multikopter, beispielsweise als Quadrokopter oder Oktokopter ausgebildet. In der Darstellung der Figur sind zwei Propeller 2 zu erkennen, welche jeweils über einen angedeuteten elektrischen Antriebsmotor 3 elektrisch angetrieben werden. Unterhalb eines Trägers 4, welcher die Propeller 2 trägt, befindet sich ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem 5, auf welches später noch im Detail eingegangen wird, sowie ein Druckgasspeicher 6 für Wasserstoff. Darunter befindet sich ein Landegestell 7 mit beispielsweise vier Beinen 8, von welchen hier nur zwei zu erkennen sind, da diese vergleichbar wie die Propeller 2 fluchtend hintereinander angeordnet sind. Die Beine 8 weisen an ihrem unteren Ende Kufen oder Teller 9 zum Aufsetzen auf dem Grund beim Landen des Fluggeräts 1 auf. Das Fluggerät 1 kann nun über die Propeller 2 in der von Multikoptern bekannten Art und Weise geflogen werden. Es kann also vertikal aufsteigen und es kann sich zuerst einmal mit der bei derartigen Multikoptern vergleichsweise geringen Horizontalgeschwindigkeit in Horizontalrichtung fortbewegen. Zusätzlich weist das Fluggerät 1 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Schubdüse 10 auf, welche über ein Gelenk 11 verschwenkbar an einer Abluftleitung 12 des Brennstoffzellensystems 5 angebracht ist. Über diese Schubdüse 10 kann in verschiedene Richtungen die Abluft aus dem Brennstoffzellensystem 5 in die Umgebung abgegeben werden. Da diese Abluft aus dem Brennstoffzellensystem 5 einen höheren Druck als die Luft in der Umgebung aufweist, kann über die Schubdüse 10 ein zusätzlicher Schub erzeugt werden. In der Darstellung der 1 ist dies ein Schub in vertikaler Richtung, sodass durch den zusätzlichen Schub aus der Schubdüse 10 der Aufstieg des Fluggeräts 1 erleichtert wird. Dies ist durch die aus der Schubdüse 10 vertikal nach unten austretende Luft, welche durch die Pfeile symbolisiert ist angedeutet.
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In der Darstellung der 2 ist dasselbe Fluggerät 1 nochmals zu erkennen, wobei dieselben Elemente allesamt dieselben Bezugszeichen aufweisen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Schubdüse 10 nun entsprechend verschwenkt ist, und zwar so, dass sie die Abluft des Brennstoffzellensystems 5 in der Darstellung der 2 nach rechts abgibt, wie es durch die Pfeile entsprechend angedeutet ist. Das Fluggerät 1 wird sich also alleine aufgrund des Schubs der Schubdüse 10, vorzugsweise jedoch unterstützt durch eine entsprechende Einstellung der Propeller 2, in der Darstellung der 2 nach links fortbewegen.
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Ein geeignetes Brennstoffzellensystem 5 ist in der Darstellung der 3 prinzipmäßig angedeutet. Es besteht im Wesentlichen aus einer Brennstoffzelle 13, welche beispielsweise als Stapel von PEM-Zellen ausgebildet sein kann. Anodenseitig wird diese Brennstoffzelle 13 mit Wasserstoff H2 versorgt, wobei auf die Anodenseite nachfolgend nicht weiter eingegangen wird, da dem Fachmann verschiedenartige Aufbauten zur Wasserstoffversorgung der Anodenseite, beispielsweise mit einem Kreislauf, einem sogenannten Dead-End-Betrieb oder ähnlichem, geläufig sind.
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Die Kathodenseite der Brennstoffzelle 13 wird mit Luft als Sauerstofflieferant über einen Verdichter 14 versorgt. Dieser wird über einen Elektromotor 15 angetrieben. Die heiße verdichtete Zuluft erfolgt hier über einen Ladeluftkühler 16, in welchem sie Wärme an die Abluft in der Abluftleitung 12 abgibt. Alternativ oder ergänzend zu dem Verdichter 14 wäre hier auch ein Druckluftspeicher denkbar Anschließend strömt die Zuluft über einen Befeuchter 17 und nimmt Feuchte aus der Abluft, welche mit dem Produktwasser aus der Brennstoffzelle 13 beladen ist, auf. Anschließend strömt sie in die Brennstoffzelle 13 und wird durch die elektrochemische Reaktion dort an Sauerstoff abgereichert. Die an Sauerstoff abgereicherte Abluft strömt durch die Abluftleitung 12 wiederum durch den Befeuchter 17, durch den Ladeluftkühler 16, in dem sie Wärmeenergie aufnimmt, und dann über die Schubdüse 10 in die Umgebung, welche analog der Darstellung in den 1 und 2 hier beispielsweise über das Gelenk 11 verschwenkbar ausgebildet ist.
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Die elektrische Leistung der Brennstoffzelle 13 gelangt über eine Leistungselektronik 18 zu den Antriebsmotoren 3 der Propeller 2 sowie zu dem Antriebsmotor 15 des Verdichters 14, um das Brennstoffzellensystem 5 und das Fluggerät 1 entsprechend anzutreiben. In Wirkverbindung mit der Leistungselektronik 18 kann außerdem eine elektrische Energiespeichereinrichtung 19 vorgesehen sein, über welche elektrische Energie gespeichert und bei Bedarf wieder abgegeben werden kann. Hierdurch ist es möglich, über die Brennstoffzelle 13 lediglich die Grundlast an benötigter elektrischer Energie bereitzustellen und über die elektrische Energiespeichereinrichtung 19, welche beispielsweise aus einem oder mehreren Superkondensatoren besteht, die elektrischen Leistungsspitzen abzufedern. Dies macht den Aufbau hinsichtlich seines Betriebs außerordentlich effizient. Mit den Superkondensatoren als elektrische Energiespeichereinrichtung 19 werden dabei entsprechend leichte Bauteile zur Verfügung gestellt, welche die Dynamik des Brennstoffzellensystems 5 entscheidend erhöhen können. Prinzipiell wäre hier auch der Einsatz einer Batterie denkbar, wobei diese jedoch typischerweise schwerer ist.
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Die Abluft in der Abluftleitung 12 der Brennstoffzelle 13 weist in jedem Fall eine restliche Druckenergie auf. Der Druck wird lediglich durch die Druckverluste im Ladeluftkühler 16, im Befeuchter 17 und in der Brennstoffzelle 13 reduziert. Dennoch liegt am Ende der Abluftleitung 12 ein Überdruck gegenüber der Umgebung vor, welcher über die Schubdüse 10 in Schub umgewandelt werden kann. Zusätzliche Energie gelangt im Bereich des Ladeluftkühlers 16 in Form von Wärme in die Abluft in der Abluftleitung 12. Auch diese Energie lässt sich in der Schubdüse 10 zumindest teilweise in Schubenergie umwandeln.
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In der Darstellung der 4 ist ein alternatives Brennstoffzellensystem 5 zu erkennen. Auch hier wird über einen Verdichter 14 und einem elektrischen Antriebsmotor 15 die Luft verdichtet und gelangt über den Ladeluftkühler 16 und den Befeuchter 17 zu der Brennstoffzelle 13. Die Abluft gelangt über die Abluftleitung 12 wiederum über den Befeuchter 17 und den Ladeluftkühler 16 und das Gelenk 11 zur verschwenkbaren Schubdüse 10. In der Abluftleitung 12 befindet sich nun außerdem eine Brennkammer 20. Dieser Brennkammer 20 kann steuerbar über eine Ventileinrichtung 21 Abgas aus der Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführt werden. Über die Ventileinrichtung 21 lässt sich dabei auch der Volumenstrom bzw. Massenstrom durch die Anode der Brennstoffzelle 13 entsprechend steuern. In der Brennkammer 20 wird der in dem Abgas immer enthaltene Restwasserstoff mit dem Restsauerstoff in der Abluft verbrannt, um den thermischen Energieinhalt der Abluft vor dem Austritt über die Schubdüse 10 in die Umgebung nochmals weiter zu steigern. Bei Bedarf kann über eine Bypassleitung 22 mit einem Bypassventil 23 auch Luft von der Druckseite des Verdichters 14 und/oder aus einenm Druckluftspeicher direkt in die Brennkammer 20 geleitet werden, beispielsweise wenn der Sauerstoffgehalt in der Abluft für eine Verbrennung nicht ausreicht. Über eine weitere Bypassleitung 24, welche ebenfalls über ein Bypassventil 25 schaltbar geöffnet oder geschlossen werden kann, kann außerdem Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 6 direkt in die Brennkammer 20 geleitet werden, um so beispielsweise für einen Boostbetrieb eine direkte Verbrennung von frischer Zuluft und frischem Wasserstoff in der Brennkammer 20 vornehmen zu können. Durch diese Konfiguration ist eine noch stärkere Leistung im Bereich der Schubdüse 10 denkbar, sodass beispielsweise kurzzeitig eine höhere Geschwindigkeit oder auch eine höhere Hublast durch das Fluggerät 1 realisiert werden kann.
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In der Darstellung der 5 ist ein 1 ähnlicher aber im Funktionsprinzip anderer Aufbau des Fluggeräts 1 gezeigt. Auch hier soll über das Brennstoffzellensystem 5 die elektrische Antriebsleistung für die Propeller 2 zur Verfügung gestellt werden. Die Abluftleitung 12 mündet hier in eine Verteilplatte 26, welche in einer Schnittdarstellung in der 6 nochmals zu erkennen ist. Unterhalb der Verteilplatte 26 befindet sich über eine Ventileinrichtung 27 ansteuerbar eine erste Schubdüse 10.1, welche für den vertikalen Steigflug vorgesehen ist, also bei Bedarf, wenn die Ventileinrichtung 27 geöffnet ist, einen Schub in Vertikalrichtung erzeugt. Die Beine 8 des Landegestells 7 sind durch Rohre ausgebildet. Diese Rohre 8 haben einerseits den Vorteil, dass sie vergleichsweise leicht bei entsprechend hoher Steifigkeit ausgeführt werden können. Andererseits sind diese Rohre 8 in der Lage, als Leitungen für die Abluft Verwendung zu finden. Dementsprechend sind in Kombination mit der Verteilplatte 26 in der Darstellung der 6 vier dieser Rohre 8 prinzipmäßig angedeutet. In der Darstellung der 6 aus Richtung des Betrachters mündet nun die Abluftleitung 12 in den zentralen Bereich der Verteilplatte 26, in dem sich ein Verteilraum 28 befindet. Aus dem Verteilraum 28 führt ein Kanal 29 nach unten zu der Ventileinrichtung 27, über welche, wenn diese geöffnet ist, Abluft zu der Schubdüse 10.1 gelangt, um horizontalen Schub für das Fluggerät 1 zu erzeugen. Die Schubdüse 10.1 ist dabei nicht verschwenkbar, was den Aufbau der Schubdüse 10.1 selbst entsprechend einfacher macht, als er es bei einer verschwenkbaren Schubdüse 10 wäre. Außerdem sind keine Stellmotoren zum Verschwenken der Schubdüse notwendig, wie es bei bisherigen Ausführungsbeispielen der Fall war.
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Um nun einen Schub beispielsweise in der Darstellung der 5 nach rechts oder - wie durch die Pfeile angedeutet - nach links, jeweils also in horizontaler Richtung zu erreichen, sind am Ende der rohrförmigen Beine 8 weitere Schubdüsen angeordnet, von welchen durch die fluchtende Anordnung jeweils nur eine Schubdüse 10.2 auf der rechten Seite und eine Schubdüse 10.3 auf der linken Seite zu erkennen ist. Über einen Drehschieber 30, welcher drehbeweglich in dem zentralen Raum 28 der Verteilplatte 26 angeordnet ist, können nun bei Bedarf jeweils zwei der rohrförmigen Beine 8 mit Abluft versorgt werden, sodass die Abluft entsprechend durch die Schubdüse 10.3 oder 10.2 und ihr dahinter verborgenes Pendant austritt. Je nach Stellung der Ventileinrichtung 27 kann zusätzlich ein Teil der Abluft durch die Schubdüse 10.1 austreten. In der in der Darstellung der 6 dargestellten Position des Drehschiebers 30 wird beispielsweise die Schubdüse 10.2 und die fluchtend dahinterliegende und in der Darstellung der 5 nicht erkennbare Schubdüse entsprechend angesteuert. Es kommt also zu einem Schub analog zur Darstellung in 2 nach links durch die nach rechts austretende Abluft. Zusätzlich kann ein Teil der Abluft über die Schubdüse 10.1 austreten, sodass sich durch die Mischung der Horizontal- und Vertikalbewegung ein Schub nach schräg links oben ergibt, welcher beispielsweise für einen Steigflug Verwendung finden kann. Selbstverständlich wird dies durch eine entsprechende Ansteuerung der Propeller 2 entsprechend unterstützt, sodass unter Ausnutzung sowohl des Schubs aus den Schubdüsen 10, 10.1, 10.2, 10.3 als auch der Propeller 2 eine schnelle und effiziente Bewegung des Fluggeräts 1 erfolgen kann.
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Durch den Drehschieber 30 in der Verteilplatte 26 lässt sich die Ansteuerung der einzelnen Schubdüsen 10.2, 10.3 im Bereich der rohrförmigen Beine 8 sehr schnell variieren, sodass sehr schnelle Richtungswechsel mit dem Fluggerät 1 erreicht werden können. Hierfür kann es ergänzend vorgesehen sein, dass die Schubdüsen im Bereich der rohrförmigen Beine bzw. aufliegend auf den Tellern 9 um einen gewissen Winkel verschwenkt werden können oder innerhalb ihrer Ebene in vier verschiedenen Richtungen angeordnet sind, sodass jeweils eine der Schubdüsen entsprechend angesteuert werden kann. Für diesen Fall kann eine geänderte Größe des Drehschiebers 30 eingesetzt werden, beispielsweise ein Drehschieber, welcher einen Winkel von mehr als 270° überstreicht, sodass jeweils nur die Verbindung zu einem der vier Beine 8 freigegeben werden würde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3124379 A1 [0003]
- DE 202013011452 U1 [0004]
