DE102006007026A1 - Kombination eines Wärme erzeugenden Systems mit einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System, das Synergiepotentiale unterschiedlicher Systeme nutzt, beispielsweise eines Brennstoffzellensystems (3) und eines Flugzeughydrauliksystems (2), indem diese durch ein gemeinsames Kühlkreislaufsystem (4) miteinander gekoppelt sind.

Description

• Die Erfindung betrifft ein System, das ein Wärme erzeugendes System mit einem Brennstoffzellensystem kombiniert, insbesondere ein Flugzeughydrauliksystem mit einem Brennstoffzellensystem kombiniert.
• In der heutigen Flugzeugtechnik gibt es das Hydrauliksystem, wodurch u. a. die Flugsteuerung betrieben wird. Dieses Hydrauliksystem ist in drei unterschiedliche Kreisläufe eingeteilt (grüner Kreis, gelber Kreis, blauer Kreis). Bei hoher Beanspruchung dieser Kreisläufe kann die maximal zugelassene Temperatur des Hydraulikfluids (beispielsweise Skydrol) von 90° C erreicht werden, was eine hohe Belastung der einzelnen Komponenten (Pumpen, Rohrleitungen und Dichtungen) mit sich zieht. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Komponenten herabgesetzt.
• Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Reaktor, der aus den Reaktionsgasen Wasserstoff und Sauerstoff elektrische und thermische Energie produziert. Die elektrische Energie wird beispielsweise in Form von Gleichstrom von der Zelle abgeführt und für die weitere Verwendung entsprechend konditioniert. Die anfallende thermische Energie muss durch einen Kühlkreislauf abgeführt werden, damit die Brennstoffzelle im Betrieb nicht überhitzt und dadurch beschädigt wird.
• Aufgabe der Erfindung ist es, Synergiepotenziale der beiden oben genannten unterschiedlichen Systeme zu nutzen.
• Die Lösung der gestellten Aufgabe ist dem Patentanspruch 1 zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Das erfindungsgemäße System enthält ein Brennstoffzellensystem und ein Wärme erzeugendes System, die durch ein gemeinsames Kühlkreislaufsystem miteinander in Verbindung stehen.
• Das Wärme erzeugende System weist zumindest einen Wärmeübertrager auf, der einen Wärmeaustausch zwischen dem Wärme erzeugenden System und dem Kühlkreislaufsystem bewirkt.
• In dem Kühlkreislaufsystem zirkuliert ein Kühlmittel, das Wärme von dem Wärme erzeugenden System aufnimmt und die Brennstoffzelle auf einer vorbestimmten Betriebstemperatur hält, wodurch das Startverhalten der Brennstoffzelle verbessert und beschleunigt wird.
• Das Kühlkreislaufsystem enthält eine Pumpe, die das Kühlmittel in dem Kühlkreislaufsystem gepulst oder kontinuierlich zirkulieren lässt.
• Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung enthält das Kühlkreislaufsystem ein Reservoir, das durch unterschiedliche Kühlmitteltemperaturen auftretende Volumenunterschiede des Kühlmittels ausgleicht und Leckagen in dem Kühlkreislaufsystem abpuffert.
• Gemäß einer anderen Weiterentwicklung der Erfindung enthält das Kühlkreislaufsystem einen Kühler, der das Kühlmittel auf eine vorbestimmte Temperatur abkühlt, bevor es an das Brennstoffzellensystem geliefert wird.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Kühler beispielsweise ein Flüssigkeits-/Luftkühler mit einem Ventilator.
• Gemäß einer anderen Weiterentwicklung der Erfindung wird die Wärme des Kühlmittels über den Kühler und ein Out Flow Valve an die Umgebung abgeführt. Die Wärme wird dabei aufgrund eines durch einen Druckunterschied erzeugten Luftstroms an die Umgebung abgeführt. Der Luftstrom dient dabei zur Kühlung des Kühlers.
• Gemäß einer anderen Weiterentwicklung des Systems enthält das Wärme erzeugende System ein Hydrauliksystem und/oder ein Powersystem.
• Gemäß einer noch anderen Weiterentwicklung der Erfindung ist das Kühlkreislaufsystem zumindest Teil eines Kühlkreislaufs der Brennstoffzelle.
• Gemäß einer anderen Weiterentwicklung der Erfindung haben das Hydrauliksystem und das Brennstoffzellensystem unterschiedliche Betriebsfenster. Wenn das erfindungsgemäße System beispielsweise in einem Flugzeug verwendet wird, ist während des normalen Flugs das Hydrauliksystem aktiv und wird gekühlt, während das Brennstoffzellensystem auf Temperatur gehalten wird, wodurch dessen Startvorgang verkürzt wird. Bei einer Notfallsituation ist das Brennstoffzellensystem aktiv und wird gekühlt, während das Hydrauliksystem nicht oder nur teilweise gekühlt wird. Alternativ können das Hydrauliksystem und das Brennstoffzellensystem auch gleiche oder sich überlappende Betriebsfenster haben.
• Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erklärt.
• 1 zeigt ein System 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Das System 1 enthält ein Hydrauliksystem 2 und ein Brennstoffzellensystem 3. Das Hydrauliksystem 2 und das Brennstoffzellensystem 3 sind über ein Kühlkreislaufsystem 4 miteinander gekoppelt.
• Das Hydrauliksystem 2 enthält gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel einen Wärmeübertrager 5, der über einen Vorlauf 5a und einen Rücklauf 5b mit einem blauen Hydraulikkreislaufs eines Flugzeugs (nicht gezeigt) verbunden ist.
• Wie in 1 gezeigt, enthält das Hydrauliksystem 2 ferner einen Wärmeübertrager 6, der mit einem Vorlauf 6a und einem Rücklauf 6b eines grünen Hydraulikkreislaufs eines Flugzeugs (nicht gezeigt) verbunden ist.
• Das Hydrauliksystem 2 enthält ferner einen Wärmeübertrager 7, der mit einem Vorlauf 7a und einem Rücklauf 7b eines gelben Hydraulikkreislaufs eines Flugzeugs (nicht gezeigt) verbunden ist.
• Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält das Hydrauliksystem 2 ferner einen Wärmeübertrager 8, der mit einem Vorlauf 8a und einem Rücklauf 8b einer Elektronik- und Powersystemkühlung eines Flugzeugs (nicht gezeigt) verbunden ist.
• Die Wärmeübertrager 5, 6, 7 und 8 sind örtlich voneinander getrennt, damit bei einem Rotorburst oder einem Tyreburst nicht alle drei Systeme beschädigt werden können und dadurch ausfallen.
• Eine Pumpe 9 lässt ein Kühlmittel permanent oder gepulst in dem Kühlkreislaufsystem 4 zirkulieren, wobei das Kühlmittel die einzelnen Wärmeübertrager 5, 6, 7 und 8 durchströmt.
• Die Wärmeübertrager 5, 6, 7 und 8 sind gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel stromabwärtsseitig von der Pumpe 9 angeordnet.
• Wie in 1 durch die Pfeile angedeutet, strömt das Kühlmittel aus dem Kühlkreislaufsystem 4 heraus in die Wärmeübertrager 5, 6, 7 und 8 und zurück in den Kühlkreislauf 4 über eine Leitung 10 an ein Dreiwegeventil 11.
• Sobald das Flugzeug in Bewegung ist, wird in dem Hydrauliksystem 2 Wärme erzeugt, die über die Wärmeübertrager 5, 6, 7 und 8 an das Kühlmittel übertragen wird. Das erwärmte Kühlmittel wird über die Leitung 10 an das Dreiwegeventil 11 geleitet. Durch entsprechende Regelung des Dreiwegeventils 11 kann das erwärmte Kühlmittel entweder direkt über eine Bypassleitung 12 an das Brennstoffzellensystem 3 geleitet werden, oder über einen Flüssigkeits-/Luftkühler 13, der parallel zu der Bypassleitung 12 angeordnet ist. Das aus dem Kühler 13 austretende gekühlte Kühlmittel kann dann mit dem über die Bypassleitung 12 gelieferten warmen Kühlmittel gemischt werden, um Kühlmittel mit einer vorbestimmten Temperatur an das Brennstoffzellensystem 3 zu liefern.
• Die von den drei Hydraulikkreise und der Elektronik- und Powersystemkühlung erzeugte Wärme wird gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel über den Flüssigkeits-/Luftkühler 13, der gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel einen Ventilator 14 enthält, und durch ein Out Flow Valve 15 an die Umgebung 16 abgegeben. Der Luftstrom, der durch das Out Flow Valve 15 strömt, passiert vorher den Flüssigkeits-/Luftkühler 13 und nutzt somit einen Druckunterschied zwischen einer Kabine eines Flugzeugs (nicht gezeigt) und der Umgebung 16. Durch diesen Synergieeffekt wird der Ventilator 14, der eine Luftströmung erzwingt, nur im Notfall benötigt.
• Wie in der 1 gezeigt, befindet sich gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Flugzeugaußenhaut 17 zwischen dem Out Flow Valve 15 und dem Flüssigkeits-/Luftkühler 13.
• Obwohl die Erfindung im Vorangegangenen unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass Abwandlungen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können weniger oder mehr Hydraulikkreisläufe in dem Hydrauliksystem enthalten sein. Ferner können mehrere Hydrauliksysteme und Brennstoffzellensysteme in der oben beschriebenen Art und Weise miteinander verbunden werden, um die Synergieeffekte beider Systeme zu nutzen.
• Anstelle des Hydrauliksystems kann auch ein anderes Wärme erzeugendes System verwendet werden, das mit dem Brennstoffzellensystem in der oben beschriebenen Art und Weise gekoppelt ist.
• Die Erfindung ist im Vorangegangenen unter Bezugnahme auf ein Flugzeug beschrieben worden. Das erfindungsgemäße Prinzip kann auch für andere Bereiche verwendet werden, in denen Hydrauliksysteme und Brennstoffzellensysteme verwendet werden.

1

System

2

Wärme erzeugende System, Hydrauliksystem

3

Brennstoffzellensystem

4

Kühlkreislaufsystem

5

Wärmeübertrager

5a

Vorlauf blauer Hydraulikkreislauf

5b

Rücklauf blauer Hydraulikkreislauf

6

Wärmeübertrager

6a

Vorlauf grüner Hydraulikkreislauf

6b

Rücklauf grüner Hydraulikkreislauf

7

Wärmeübertrager

7a

Vorlauf gelber Hydraulikkreislauf

7b

Rücklauf gelber Hydraulikkreislauf

8

Wärmeübertrager

8a

Vorlaufelektronik- und Powersystemkühlung

8b

Rücklaufelektronik- und Powersystemkühlung

9

Pumpe

10

Leitung

11

Dreiwegeventil

12

Bypassleitung

13

Kühler

14

Ventilator

15

Out Flow Valve

16

Umgebung

17

Flugzeugaußenhaut

18

Reservoir

Claims (15)

1. System mit einem Brennstoffzellensystem (3) und einem Wärme erzeugenden System (2), die durch ein gemeinsames Kühlkreislaufsystem (4) miteinander gekoppelt sind.
2. System nach Anspruch 1, wobei das Wärme erzeugende System (2) mindestens einen Wärmeübertrager (5, 6, 7, 8) aufweist, der einen Wärmeaustausch zwischen dem Wärme erzeugenden System (2) und dem Kühlkreislaufsystem (4) bewirkt.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem Kühlkreislaufsystem (4) ein Kühlmittel zirkuliert, das Wärme von dem Wärme erzeugenden System (2) aufnimmt und das Brennstoffzellensystem (3) auf einer vorbestimmten Betriebstemperatur hält.
4. System nach Anspruch 3, wobei das Kühlkreislaufsystem (4) eine Pumpe (9) enthält, die das Kühlmittel in dem Kühlkreislaufsystem (4) gepulst oder kontinuierlich zirkulieren lässt.
5. System nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Kühlkreislaufsystem (4) ein Reservoir (18) enthält, das durch unterschiedliche Kühlmitteltemperaturen auftretende Volumenunterschiede ausgleicht und Leckagen in dem Kühlkreislaufsystem (4) abpuffert.
6. System nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Kühlkreislaufsystem (4) einen Kühler (13) enthält, der das Kühlmittel auf eine vorbestimmte Temperatur abkühlt, bevor es an das Brennstoffzellensystem (3) geliefert wird.
7. System nach Anspruch 6, wobei der Kühler (13) ein Flüssigkeits-/Luftkühler mit einem Ventilator (14) ist.
8. System nach Anspruch 6 oder 7, wobei Wärme des Kühlmittels über den Kühler (13) und ein Out Flow Valve (15) an die Umgebung (16) abgeführt wird.
9. System nach Anspruch 8, wobei die Wärme aufgrund eines durch einen Druckunterschied erzeugten Luftstroms an die Umgebung (16) abgeführt wird.
10. System nach Anspruch 9, wobei der Luftstrom den Kühler (13) kühlt.
11. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Wärme erzeugende System ein Hydrauliksystem (2) und/oder einen Elektronik- und Powersystemkühlungskreislauf enthält.
12. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Kühlkreislaufsystem (4) als Wärmequelle fungiert und das Wärme erzeugende System (2) thermisch auf ein höheres Level anhebt.
13. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Kühlkreislaufsystem (4) zumindest Teil eines Kühlkreislaufs des Brennstoffzellensystems (3) ist.
14. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Wärme erzeugende System (2) zumindest Teil einer Flugzeughydraulik ist.
15. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Hydrauliksystem (2) und das Brennstoffzellensystem (3) unterschiedliche Betriebsfenster haben.