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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem für ein Antriebssystem eines Luftfahrzeugs.
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Stand der Technik
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Bei dem Luftfahrzeug kann es sich insbesondere um ein Propellerflugzeug handeln, wobei die zur Vortriebserzeugung genutzte kinetische Energie jedenfalls anteilig mit einem Elektromotor aufgebracht werden kann. Auf ein zu dessen Energieversorgung vorgesehenes System richtet sich der vorliegende Gegenstand, das zur Abgabe der elektrischen Leistung eine Brennstoffzelleneinheit aufweist. Diese kann einen Brennstoffzellenstapel umfassen, auch als Stack bezeichnet, in dem eine Vielzahl jeweils plattenförmiger Brennstoffzellen in einer Stapelrichtung aneinandergesetzt und damit in Serie geschaltet sind. Im Betrieb kann der Brennstoffzellenstapel mit Reaktionsgasen durchströmt werden, bspw. Wasser-und (Luft-)Sauerstoff, und infolgedessen elektrische Leistung abgeben. Dies soll ein vorteilhaftes Anwendungsumfeld illustrieren, den Gegenstand aber zunächst nicht in seiner Allgemeinheit beschränken.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein vorteilhaftes Energieversorgungssystem anzugeben.
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Dies wird erfindungsgemäß mit dem Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Dieses weist zusätzlich zu der Brennstoffzelleneinheit (= erste Wärmequelle) eine zweite Wärmequelle auf, wobei die Wärmequellen in einem gemeinsamen Kühlkreislauf mit einem Wärmetauscher verbunden sind. Eine erste optimale Betriebstemperatur Topt_1 der ersten Wärmequelle (Brennstoffzelleneinheit) liegt dabei über einer zweiten optimalen Betriebstemperatur Topt_2 der zweiten Wärmequelle, und zudem ist der ersten Wärmequelle (Brennstoffzelleneinheit) ein Rezirkulationskreislauf zugeordnet. Durch diesen kann bzw. wird im Betrieb ein Kühlfluid, das in einem jeweiligen Durchgang bereits zur Kühlung der ersten Wärmequelle (Brennstoffzelleneinheit) genutzt wurde, vor einem Passieren des Wärmetauschers zumindest anteilig erneut zum Kühlen der ersten Wärmequelle genutzt.
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Der Kühlkreislauf kann damit auf einer Temperatur unterhalb der eigentlich zum Betrieb der Brennstoffzelleneinheit optimalen Temperatur (Topt_1) betrieben werden, wobei sich lokal durch die Rezirkulation für die Brennstoffzelleneinheit eine etwas höhere Temperatur einstellen lässt (der ersten optimalen Betriebstemperatur Topt_1 entsprechend). Dabei wird in dem Kühlkreislauf bezogen auf die Brennstoffzelleneinheit aber Kühlleistung „bevorratet“, die insbesondere vergleichsweise kurzfristig abrufbar ist. Wenn es bspw. zu einem Lastwechsel kommt, wenn also die Brennstoffzelleneinheit mehr elektrische Leistung abgeben und umgekehrt stärker gekühlt werden muss, lässt sich z. B. in dem erfindungsgemäßen System der im Normalbetrieb rezirkulierte Anteil verringern und dementsprechend die Kühlleistung für die Brennstoffzelleneinheit erhöhen. Da diese Kühlleistung an sich bereits im System bzw. Kreislauf ist, also bspw. nicht erst durch einen angepassten Betrieb des Wärmetauschers „erzeugt“ werden muss, kann sie verhältnismäßig schnell zur Verfügung stehen. Dies kann speziell mit Blick auf die Brennstoffzellen von Vorteil sein, etwa deren sicheren und/oder hinsichtlich der Leistungsabgabe optimierten Betrieb sicherstellen helfen.
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Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Werden bspw. die Vorteile des Energieversorgungssystems bei einer bestimmten Betriebsweise geschildert, ist dies zugleich als Offenbarung eines entsprechenden Betriebsverfahrens zu verstehen, sowie auch die Schilderung einer bestimmten Betriebsweise auf ein dafür eingerichtetes Energieversorgungssystem zu lesen ist.
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In dem Kühlkreislauf sind die Wärmequellen und der Wärmetauscher miteinander verbunden, bspw. die Wärmequellen mit dem Wärmetauscher in Serie. Relativ zueinander können die Wärmequellen dabei aber bspw. auch in Parallelschaltung angeordnet sein, wobei sich unabhängig von diesen Details im Rahmen der vorliegenden Offenbarung das „Verschaltet“- oder „Verbunden“-Sein auf eine entsprechende fluidische Verbindung (Verrohrung) bezieht, die im Betrieb von dem Kühlfluid durchströmt werden kann. Aufgrund der Kreislaufarchitektur ist das Kühlsystem insgesamt dabei auf ein wiederholtes Durchströmen der einzelnen Komponenten mit demselben Kühlfluid ausgelegt, weswegen hauptanspruchsgemäß auf das Passieren des Wärmetauschers nach dem Kühlen der ersten Wärmequelle Bezug genommen wird.
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Im Betrieb kann dabei selbstverständlich das gesamte System kontinuierlich von dem Kühlfluid durchströmt werden; betrachtet man jedoch ein einzelnes Volumenelement davon, so passiert dieses wiederholt den Wärmetauscher und die erste und/oder zweite Wärmequelle (in Abhängigkeit vom rezirkulierten Anteil auch mehrfach die erste Wärmequelle). Generell beziehen sich Angaben zur Relativpositionierung der einzelnen Komponenten in dem Kühlkreislauf, also „vor“ und „nach“, auf die Strömungsrichtung des Kühlfluids im Betrieb, wird also eine „vorgelagerte“ Komponente von einer jeweiligen Volumeneinheit des Kühlfluids vor einer „nachgelagerten“ Komponente durchströmt.
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In dem Kühlkreislauf kann es bspw. auch ein Reservoir geben, in dem Kühlfluid gesammelt und für einen erneuten Durchlauf vorgehalten werden kann. Generell sind „ein“ und „eine“ im Rahmen dieser Offenbarung ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe als unbestimmte Artikel und damit immer auch als „mindestens ein“ bzw. „mindestens eine“ zu lesen, kann es in dem Kühlkreislauf also bspw. auch mehr als einen Wärmetauscher und/oder mehr als zwei Wärmequellen geben.
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Im Detail ist der ersten Wärmequelle ein erster Kühlabschnitt des Kühlkreislaufs zugeordnet, wobei dieser erste Kühlabschnitt relativ zur ersten Wärmequelle im Allgemeinen auch als externes Kühlelement vorgesehen sein kann. Dieses kann zwar, bspw. aufgrund einer thermisch leitfähigen Anlage, funktional die Wärme von der Brennstoffzelleneinheit abführen, ist aber nicht weitergehend mit dieser integriert. In bevorzugter Ausgestaltung erstreckt sich der erste Kühlabschnitt jedoch durch die Brennstoffzelleneinheit, insbesondere durch eine von den Brennstoffzellen definierte Kanalstruktur. Im Einzelnen kann eine jeweilige Brennstoffzelle dabei bspw. eine sogenannte Bipolarplatte aufweisen, die für das Kühlfluid eine Kanalstruktur definiert (und typischerweise auch für das bzw. die Reaktionsgase).
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Unabhängig davon, ob der erste Kühlabschnitt extern oder integriert vorgesehen ist, verbindet der Rezirkulationskreislauf einen Auslass des ersten Kühlabschnitts mit einem Einlass davon. Dies kann im Allgemeinen auch in einer statischen Anordnung, unabhängig von einer Anpassung des rezirkulierten Anteils, Vorteile bieten, weil damit im selben Kühlkreislauf zwei unterschiedliche Temperaturen realisiert werden können. Bevorzugt ist in dem Rezirkulationskreislauf jedoch ein steuerbares Ventil vorgesehen, mit dem sich der rezirkulierte Anteil einstellen lässt. Das Energieversorgungssystem kann dann bspw. eine Steuerung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, das steuerbare Ventil je nach Betriebszustand (Normalbetrieb etc., siehe unten im Detail) zur Änderung des rezirkulierten Anteils entsprechend anzusteuern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst oder ist die zweite Wärmequelle eine elektronische Steuereinheit, vorzugsweise eine Motorsteuereinheit eines Elektromotors des Antriebs. Eine elektronische Steuereinheit, die halbleiterbasiert ist, kann im Verhältnis zur Brennstoffzelleneinheit eine geringere optimale Betriebstemperatur haben und damit die vorstehend geschilderte Betriebsweise mit gegenüber der Brennstoffzelleneinheit „unterkühltem“ Kühlkreislauf erlauben. Alternativ kann es sich bei der zweiten Wärmequelle im Allgemeinen aber bspw. auch um einen Spannungskonverter oder einen Elektromotor handeln, etwa um den vortrieberzeugenden Motor selbst oder um einen Hilfsmotor des Energieversorgungs- oder generell Bordsystems des Luftfahrzeugs, wie z. B. einen Kompressormotor.
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Generell kann mit dem Wärmetauscher dem Kühlfluid thermische Energie entzogen werden, wobei diese über einen externen Stoff- bzw. Fluidstrom abgeführt wird. Bevorzugt speist die im Betrieb, also während des Flugs, vorbeiströmende Umgebungsluft den externen Fluidstrom, sie kann bspw. am Rumpf des Flugzeugs oder auch an bzw. in der Antriebseinheit „aufgesammelt“ werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der Wärmetauscher einen aktuierbaren Einlass, lässt sich also der zur Wärmeabfuhr in den Wärmetauscher geführte externe Fluidstrom einstellen, also nach Bedarf drosseln oder erhöhen. Dies kann bspw. mit einer Klappe, Blende oder einem verstellbaren Einlassgitter erfolgen. Unabhängig von diesen Details kann der aktuierbare Einlass einen vorteilhaften Betrieb dahingehend erlauben, dass der Einlass während eines Landevorgangs geöffnet wird, was eine erhöhte Kühlleistung und zugleich einen größeren Luftwiderstand ergibt.
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In anderen Worten wird zumindest ein Teil der kinetischen Energie in Kühlleistung umgesetzt, wobei durch Erhöhung des durch den Rezirkulationskreislauf geführten Anteils die Temperatur der Brennstoffzelleneinheit gleichwohl in einem adäquaten Bereich gehalten werden kann, sich also jedenfalls ein zum Kühlkreislauf identischer Temperaturabfall vermeiden lässt. Für eine halbleiterbasierte Steuereinheit kann die optimale Betriebstemperatur (Topt_2) zwar höher als dann temporär im Kühlkreislauf eingestellt liegen, gleichwohl lässt sich die Steuereinheit auch bei tieferen Temperaturen noch immer sicher betreiben. Im Ergebnis wird mit dem geschilderten Abkühlen während des Landevorgangs Kälte in dem Kühlkreislauf vorgehalten, was generell hinsichtlich eines nachfolgenden Startvorgangs, insbesondere aber mit Blick auf ein etwaiges Durchstartmanöver von Vorteil sein kann. Es wird dann nämlich temporär wieder mehr elektrische Leistung von der Brennstoffzelleneinheit abgerufen, weswegen diese umgekehrt stärker gekühlt werden muss (stärker als im Normalbetrieb, also z. B. unter Cruise-Bedingung).
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Wie bereits vorstehend erwähnt, ist in bevorzugter Ausgestaltung in dem Kühlkreislauf auch ein Reservoir für das Kühlfluid vorgesehen, in dem das Kühlfluid gesammelt und dann erneut zirkuliert werden kann. Bevorzugt ist das Reservoir in dem Kühlkreislauf der ersten und/oder zweiten Wärmequelle nach- und dem Wärmetauscher vorgelagert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich die erste und zweite optimale Betriebstemperatur um mindestens 5 K. In absoluten Werten kann die erste optimale Betriebstemperatur bspw. bei rund 70 °C und die zweite optimale Betriebstemperatur bei rund 60 °C liegen, z. B. jeweils mit einer Schwankungsbreite von +/-3 °C, vorzugsweise +/-2 °C. Auch unabhängig von diesen Details können mögliche Obergrenzen der Differenz zwischen den optimalen Betriebstemperaturen bspw. bei höchstens 20 K, 15 K oder 10 K liegen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Energieversorgungssystem eine Steuerung bzw. Steuereinheit auf, die bspw. in Form eines Microcontrollers als gesonderte Steuerung oder auch funktional in ein übergeordnetes Rechnersystem des Luftfahrzeugs integriert werden kann. Unabhängig von der Umsetzung im Einzelnen sind in der Steuereinheit Befehle zur Veranlassung eines bestimmten Betriebs des Energieversorgungssystems hinterlegt. Über eine entsprechende Befehlsstruktur kann die Steuerung insbesondere dazu eingerichtet sein, die erste Wärmequelle bei einer ersten Temperatur T1 und die zweite Wärmequelle bei einer zweiten Temperatur T2 zu betreiben, die kleiner als die erste Temperatur ist.
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Bevorzugt entspricht dabei die erste Temperatur im Wesentlichen der ersten optimalen Betriebstemperatur und die zweite Temperatur im Wesentlichen der zweiten optimalen Betriebstemperatur. Mit der Steuerung kann dabei die erste Temperatur, etwa durch Einstellung des rezirkulierten Anteils, und/oder die zweite Temperatur, etwa durch Ansteuerung des Wärmetauschers, eingestellt werden. Dazu können in die Steuerung bspw. auch an einer oder mehreren Stellen des Kühlkreislaufs erfasste Temperaturen eingehen, kann die Steuerung also mit einem oder mehreren Temperatursensoren verbunden sein.
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Die Erfindung betrifft auch ein Luftfahrzeug mit einem vorliegend offenbarten Energieversorgungssystemen, insbesondere ein Flugzeug, bspw. ein Propellerflugzeug. Dessen Antriebssystem, das bspw. mindestens eine Antriebseinheit mit einem Elektromotor und einem Propeller aufweisen kann, in der Regel jedoch sogar mehrmotorig ist, etwa nach Art einer DO 228, wird von der Brennstoffzelleneinheit des Energieversorgungssystems mit elektrischer Leistung versorgt.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines vorliegend offenbarten Energieversorgungssystems bzw. Luftfahrzeugs, wobei die erste Wärmequelle bei einer ersten Temperatur und die zweite Wärmequelle bei einer zweiten Temperatur betrieben wird. Bevorzugt entsprechen, wie vorstehend im Hinblick auf die Steuerung erläutert, die erste und zweite Temperatur im Wesentlichen der jeweiligen optimalen Betriebstemperatur (z. B. mit einer Abweichung von höchstens +/-3 K oder +/-2 K). Umgekehrt müssen die optimalen Betriebstemperaturen dabei aber nicht exakt erreicht werden, bereits eine Annäherung kann einen adäquaten Betrieb erlauben.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird zumindest zeitweilig, also zumindest in einem Betriebszustand, ein bereits zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit genutztes Kühlfluid durch den Rezirkulationskreislauf erneut dem ersten Kühlabschnitt zugeführt, also zum Kühlen der Brennstoffzelleneinheit genutzt, bevor es durch den Wärmetauscher gelangt. Damit wird, wie vorstehend im Detail erläutert, für die Brennstoffzelleneinheit eine im Verhältnis zum Kühlkreislauf höhere Temperatur eingestellt. Bevorzugt wird der rezirkulierte Anteil im Zeitverlauf geändert, ist er also in einem ersten Betriebszustand größer in einem zweiten Betriebszustand. Der erste Betriebszustand kann insbesondere dem Normalbetrieb entsprechen, bspw. dem Flug auf Reisehöhe (Cruise-Bedingung). Der zweite Betriebszustand kann hingegen einem Start- oder Durchstartmanöver entsprechen, bei dem temporär eine höhere elektrische Leistung und infolgedessen stärkere Kühlung erforderlich ist.
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Eine bevorzugte Verfahrensweise betrifft den Wärmetauscher mit aktuierbarem Einlass (siehe vorne), der dann während eines Landevorgangs geöffnet wird. Damit kann in dem Kühlkreislauf Kühlleistung „bevorratet“ werden, vgl. die vorstehenden Anmerkungen im Einzelnen.
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Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Antriebssystems eines Luftfahrzeugs, siehe vorne bezüglich möglicher Details, gemeinsam mit einem vorliegend beschriebenen Energieversorgungssystem.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
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Im Einzelnen zeigt
- 1 ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem in schematischer Darstellung;
- 2 ein Antriebssystem eines Luftfahrzeugs zusammen mit einem Energieversorgungssystem gemäß 1;
- 3 in schematischer Darstellung ein Flugzeug mit einem Antriebssystem gemäß 2.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt ein Energieversorgungssystem 1, das eine erste Wärmequelle 11 und eine zweite Wärmequelle 12, sowie einen Wärmetauscher 13 aufweist, die in einem Kühlkreislauf 14 miteinander verbunden sind. Im Detail handelt es sich bei der ersten Wärmequelle 11 um eine Brennstoffzelleneinheit 21 und bei der zweiten Wärmequelle 12 um eine Steuereinheit 22, konkret eine Motorsteuereinheit 32, vgl. 2 im Detail. In dem Kühlkreislauf 14 ist ferner ein Reservoir 15 vorgesehen, in dem im Betrieb ein Kühlfluid 16 vor einer erneuten Zirkulation durch den Kühlkreislauf 14 gesammelt werden kann. Eine Durchströmungsrichtung 17 des Kühlkreislaufs 14 ist mit Pfeilen gekennzeichnet.
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In dem Wärmetauscher 13 wird das Kühlfluid 16 gekühlt, wird also durch einen externen Fluidstrom 18 Wärme abgeführt. Dabei ist ein Einlass 13.1 des Wärmetauschers 13 aktuierbar, lässt sich also die Durchströmung mit dem externen Fluidstrom 18 einstellen. Dem Wärmetauscher 13 nachgelagert werden mit dem Kühlfluid 16 die erste und zweite Wärmequelle 11, 12 gekühlt. Dabei hat der erste Wärmequelle 11 eine erste optimale Betriebstemperatur Topt_1 und die zweite Wärmequelle 12 eine zweite optimale Betriebstemperatur Topt_2, die kleiner als die erste optimale Betriebstemperatur ist. Der ersten Wärmequelle 11 ist ein Rezirkulationskreislauf 19 zugeordnet, durch den ein bereits zur Kühlung der ersten Wärmequelle 11 genutztes Kühlfluid anteilig erneut durch den ersten Kühlabschnitt 14.1 geführt, also erneut zum Kühlen der ersten Wärmequelle 11 genutzt werden kann.
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Damit kann in dem Kühlkreislauf 14 eine zweite Temperatur T2 eingestellt werden, die z. B. im Wesentlichen der zweiten optimalen Betriebstemperatur entspricht und kleiner als die erste optimale Betriebstemperatur ist. Durch die anteilige Rezirkulation lässt sich für die erste Wärmequelle 11 gleichwohl eine erste Temperatur T1 einstellen, die größer als die zweite Temperatur T2 ist und bspw. im Wesentlichen der ersten optimalen Betriebstemperatur entspricht. Bevorzugt ist der rezirkulierte Anteil anpassbar, wozu in dem Rezirkulationskreislauf 19 ein regelbares Ventil 20 vorgesehen sein kann, das mit einer Steuerung 5 angesteuert wird. Bezüglich weiterer Betriebsdetails, insbesondere den aktuierbaren Einlass 13.1 des Wärmetauschers 13 betreffend, wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
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2 zeigt das Energieversorgungssystem 1 nur noch schematisch, illustriert jedoch dessen Verbindung mit einem Antriebssystem 40. Dieses weist einen Elektromotor 41 auf, der einen Propeller 42 antreibt, wobei die elektrische Leistung P hierfür von der Brennstoffzelleneinheit 21 zur Verfügung gestellt wird. Diese ist im Einzelnen aus mehreren Stacks 21.1-21.4 aufgebaut, die ihrerseits wiederum jeweils eine Vielzahl Brennstoffzellen fassen (nicht im Einzelnen dargestellt). Gemeinsam mit der Motorsteuereinheit 32, mit welcher der Elektromotor 41 angesteuert wird, bildet die Brennstoffzelleneinheit 21 die beiden Wärmequellen 11, 12, die in dem Energieversorgungssystem 1 in der anhand von 1 erläuterten Weise miteinander verknüpft sind.
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3 zeigt in einer schematischen Aufsicht ein Luftfahrzeug 50, konkret ein Flugzeug 51. Das Antriebssystem 40 umfasst in diesem Fall zwei Motoren 41.1, 41.2 mit einem jeweiligen Propeller 42.1, 42.2, die in diesem Beispiel an den Flügeln 55 des Flugzeugs 51 angeordnet sind.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Energieversorgungssystem
- 5
- Steuerung
- 11
- erste Wärmequelle
- 12
- zweite Wärmequelle
- 13
- Wärmetauscher
- 13.1
- Einlass
- 14
- Kühlkreislauf
- 14.1
- ersten Kühlabschnitt
- 15
- Reservoir
- 16
- Kühlfluid
- 17
- Durchströmungsrichtung
- 18
- Fluidstrom
- 19
- Rezirkulationskreislauf
- 21
- Brennstoffzelleneinheit
- 21.1-21.4
- Stacks
- 22
- Steuereinheit
- 32
- Motorsteuereinheit
- 40
- Antriebssystem
- 41
- Elektromotor
- 41.1, 41.2
- Motoren
- 42
- Propeller
- 42.1, 42.2
- Propeller
- 32
- Motorsteuereinheit
- 50
- Luftfahrzeug
- 51
- Flugzeug
- 55
- Flügel
