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Die Erfindung betrifft ein Heißgerät einer Bordküche eines Flugzeuges, z.B. einen Bordküchenofen, eine Kaffeemaschine oder einen Wasserkocher.
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Bei Verkehrsflugzeugen wird die elektrische Energie von Generatoren erzeugt, die entweder von den Schubtriebwerken oder von einer Hilfsgasturbine (APU, auxiliary power unit) angetrieben werden. Eine schematische Kette der Energiewandlung sieht wie folgt aus: Kerosin beinhaltet chemische Energie. Im Schubtriebwerk oder der APU wird diese in thermische und dann in mechanische Energie gewandelt. Ein Generator erzeugt hieraus elektrische Energie. Z.B. in einem Bordküchenofen wird diese wiederum in thermische Energie umgewandelt.
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Aus der
WO 2014/136098 A1 sind Brennstoffzellensysteme bekannt, die als Energiequellen an Bord von Flugzeugen verwendet werden und katalytische Systeme verwenden. Das katalytische System kann dabei Heißwasser unabhängig von dem Betrieb des Brennstoffzellensystems bereitstellen. Heißwasser unterschiedlicher Menge und Temperatur kann z.B. gewünscht sein, um heißes Wasser für Getränkebereiter (Kaffee- / Espressobereiter bzw. -maschine) oder Dampf für Kochöfen bereitzustellen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Betrieb von Heißgeräten in der Bordküche zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Wärmequelle gemäß Patentanspruch 1 zur Erzeugung von Betriebswärme für mindestens ein Heißgerät einer Bordküche eines Flugzeuges. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Heißgeräte sind alle solchen Geräte, die Wärme bzw. Hitze zur Erfüllung ihrer Aufgaben benötigen. Die Betriebswärme ist eine solche, die zum Betrieb des Heißgerätes benötigt wird, z.B. als Wärme zur Zubereitung von Speisen in einem Bordküchenofen als Heißgerät, oder zum Erhitzen von Wasser in einer Kaffeemaschine oder einem Wasserkocher als Heißgerät.
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Die Wärmequelle enthält einen katalytischen Brenner zur Erzeugung von Wärme aus einem Brennstoff. Der Brenner ist dazu eingerichtet, mit einem Brennstoff zu arbeiten, der nicht zum direkten Betrieb einer Brennstoffzelle geeignet ist. „Direkter Betrieb“ bedeutet, dass eine Brennstoffzelle (und ggf. deren unmittelbar zugehörige Komponenten) direkt, also ohne vorgeschaltetes Gaserzeugungssystem / Reformer betrieben wird. Der „direkte“ Brennstoff dient also - ohne vorher einen Reformierungsprozess zur Gewinnung von Wasserstoff zu durchlaufen - dem Betrieb der Brennstoffzelle. „Direkte“ Brennstoffe wie z.B. Wasserstoff oder Wasserstoff enthaltende Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe, scheiden in diesem Sinne also als Brennstoffe für den vorliegenden katalytischen Brenner aus. Brennstoffe für den vorliegenden Brenner sind daher insbesondere Kohlenwasserstoffe in der Form CmHnOo oder Propylenglykol oder ein Propylenglykol-Wassergemisch (PGW) oder andere Alkohole oder Alkohol-Wasser-Gemische oder Methan (Erdgas) oder Methanol oder Diesel oder Kerosin.
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Der Brenner weist einen Eingang für ein zu erwärmendes Medium, insbesondere (Frisch-/Ab-)Luft / Abgas, und einen Ausgang für das durch die Wärme erwärmte Medium auf, wobei das erwärmte Medium die Betriebswärme (diese beinhaltet nun auch die durch den Brenner zugeführte Wärme) für das Heißgerät enthält. Die Betriebswärme ist also die durch den Brenner zugeführte Wärme ggf. zuzüglich einer Wärme, die das Medium bereits vor Zuführung zum Brenner beinhaltet hatte. Der Brenner weist auch eine vom Ausgang zum Heißgerät führende Transportleitung auf. Diese dient zum Transport der Wärme bzw. Betriebswärme vom Brenner zum Heißgerät. Hierbei und hierzu kann das im Brenner erwärmte Medium selbst oder ein anderes Medium transportiert werden, ggf. wird also ein Medienübergang, z.B. anhand eines Wärmetauschers vorgeschlagen. Somit wird zumindest ein Teil, insbesondere die gesamte der im Brenner erzeugten und an das Medium abgegebenen Wärme als Betriebswärme an das Heißgerät geliefert. Optional kann ein Teil der im Brenner erzeugten Wärme auch abgezweigt und an anderer Stelle in der Bordküche oder sonst im Flugzeug verwendet werden. Insbesondere wird jedoch (bis auf übliche Transportverluste durch Abwärme etc.) die gesamte im Brenner erzeugte Wärme über die Transportleitung an das Heißgerät geliefert und steht dort zur Verfügung.
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Die Erfindung beruht auf folgenden Überlegungen, Beobachtungen und Erkenntnissen:
- Die Versorgung von Verbrauchern (insbesondere Heißgeräte) an Bord von Flugzeugen mit elektrischer Energie oder mit Wärme soll in geeigneter Form erfolgen. Von großer Wichtigkeit ist der erzielbare Wirkungsgrad der Energieerzeugung, da er die benötigte Masse an Brennstoff bestimmt und damit Einfluss auf die Flugzeugmasse hat, was indirekt die Betriebskosten beeinflusst.
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Die Energieerzeugung erfolgt bekannterweise - wie oben beschrieben - durch die Umwandlung von chemischer in elektrische bzw. dann noch in Wärmeenergie.
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Die verschiedenen Verbraucher haben unterschiedliche Anforderungen an die Verfügbarkeit und die Höhe der bereitzustellenden Leistung. Die Bordküchen stellen große Verbraucher dar, die üblicherweise nur von den Generatoren an den Schubtriebwerken versorgt werden können. Für die erzielbaren Wirkungsgrade gibt es keine allgemeingültigen Zahlen; man kann aber von Werten zwischen 20 % und unter 50 % ausgehen, sodass erheblich mehr an Brennstoff mitgeführt werden muss. Im Falle der Bordküchenöfen wird die mit dem genannten Wirkungsgrad gewonnene elektrische Leistung anschließend zum größten Teil in Wärme gewandelt. Der Anteil an Energie, der durch den Wirkungsgrad der Schubtriebwerke usw. verloren geht, steht dem eigentlichen Zweck - der Erhitzung von Speisen und Getränken - nicht mehr zur Verfügung.
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Denkbar wäre eine energie-autonome Kabine, bei der elektrische Energie - alternativ zu den Generatoren an den Schubtriebwerken - innerhalb der bzw. für die Bordküche erzeugt werden soll. Geeignete Energieerzeugungssysteme bestehen insbesondere aus einem Brennstoffzellensystem und einem Wasserstofferzeugungssystem. Auf Grund des Wirkungsgrades des Brennstoffzellensystems (ca. 50 %) und des Wasserstofferzeugungssystems (85 bis 95%) fällt der größere Teil der Energie als Wärme an (ca. 53 bis 57 %). Von dieser Abwärme kann nur ein kleiner Teil in der Bordküche genutzt werden, da das Temperaturniveau der Abwärme der Brennstoffzelle (ca. 60 °C) zu gering ist. Andererseits ist das überwiegend benötigte Produkt in der Bordküche nicht elektrische Energie, sondern Wärme zum Zubereiten von Mahlzeiten oder heißen Getränken.
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Wünschenswert ist dabei die Steigerung des Wirkungsgrades durch eine bessere Nutzung der Wärme/ der Energie, die im Brennstoff vorhanden ist. Für eine energieautonome Kabine ist als Brennstoff insbesondere ein Propylenglykol-Wassergemisch (PGW) denkbar. PGW ist ein flüssiger, sehr sicherer, ungiftiger Brennstoff, der in großen Mengen regenerativ erzeugt werden kann. Aus dem PGW wird mittels Wasserstofferzeugungssystem der Wasserstoff für das Brennstoffzellensystem hergestellt.
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Nachfolgend wird auf die Wasserstofferzeugungssysteme und im speziellen den Startbrenner eingegangen. Wasserstofferzeugungssysteme wandeln einen Kohlenwasserstoff um und erzeugen u. a. Wasserstoff. Der Vorgang wird als Reformierung bezeichnet. Gängige Kohlenwasserstoffe für die Reformierung sind: Methan (Erdgas), Methanol, Diesel und Kerosin. Denkbar ist auch die Verwendung des Propylenglykols in einem Reformierverfahren. Die Reformierverfahren gibt es in verschiedenen Varianten unter den Begriffen: Dampfreformierung, Partialoxidation oder autotherme Reformierung. An die Reformierung können sich weitere Reaktoren anschließen, die den Wasserstoffgehalt erhöhen und/oder das entstehende Gas - das Reformat - reinigen.
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Allen Wasserstofferzeugungssystem ist gemeinsam, dass die Reaktoren in ihr jeweilig günstiges Betriebstemperaturfenster gebracht - also aufgeheizt - werden müssen. Für diesen Aufheizvorgang muss Wärme erzeugt und in die Reaktoren gebracht werden. Weiterhin muss das Wasserstofferzeugungssystem den Anforderungen entsprechend innerhalb einer gewissen Zeit betriebsbereit und damit aufgeheizt sein.
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Das Aufheizen eines Wasserstofferzeugungssystems mit Hilfe eines Startbrenners ist z.B. aus der
WO 2004/007356 A2 bekannt. Der Startbrenner greift dabei in das Gaserzeugungssystem zur Vorwärmung einzelner Komponenten ein.
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Bei den Startbrennern oder allgemeiner bei den Brennern gibt es verschiedene Typen, die katalytischen d. h. die flammlosen und die Flammbrenner (engl.combustion). Die katalytischen werden weiter unterschieden in Diffusionsbrenner (ohne Vormischung) und die mit Vormischung. Diese Brenner können ein- oder zweistufig sein. Meist wird ein elektrisch betriebenes Heizelement verwendet um den Brennstoff auf Zündtemperatur zu bringen.
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Die Erfindung beruht auf der Idee einer Steigerung des Wirkungsgrades durch eine bessere Nutzung der Wärme / der Energie, die im Brennstoff vorhanden ist.
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Eine Möglichkeit den Wirkungsgrad zu steigern besteht darin, die anfallende Wärme auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen, um in einen nutzbaren Bereich zu kommen oder - falls die anfallende Wärme auf verschiedenen Temperaturniveaus vorliegt - mehr Anteile in einen nutzbaren Bereich zu bringen.
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Bei dem oben beschriebenen Energieerzeugungssystem mit Brennstoffzellensystem beinhaltet das Wasserstofferzeugungssystem bereits eine Komponente zum Erhitzen der Reaktoren, den Startbrenner.
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Dieser wird nur in der Hochlaufphase benötigt und steht danach - je nach Aufbau des Gaserzeugungssystems - zur Verfügung. Mit diesem Startbrenner kann die Temperatur von Medien, die die Abwärme tragen, z. B. Abluft, Abgase, durch Verbrennen von weiterem Brennstoff erhöht werden.
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Durch diese Erhöhung der Temperatur des wärmetragenden Mediums kann die Abwärme weiteren Nutzungsmöglichkeiten zugeführt werden.
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Für einen sicheren Betrieb an Bord eines Flugzeugs ist es vorteilhaft, einen katalytischen Brenner zu verwenden, der beispielsweise in Form des Startbrenners schon vorhanden ist. Es ist somit möglich, mit vertretbarem Aufwand an zusätzlichem Brennstoff die Wärme nutzbar zu machen. Für einen solchen Betrieb muss der Startbrenner - insbesondere mit Hilfe von Ventilen - so verschaltet werden, dass das Abwärme tragende Medium erhitzt werden kann. Das erhitzte Medium kann dann beispielsweise in einem Bordküchenofen Speisen erhitzen. Die dazu bisher notwendige elektrische Leistung der Bordküchenöfen kann erheblich reduziert werden.
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Gemäß der Erfindung sind auch Bordküchenöfen denkbar, die statt elektrisch betriebenen Heizelementen katalytische Brenner verwenden, die mit einem sicheren Brennstoff, beispielsweise PGW, arbeiten. Hiermit kann ein sehr hoher Wirkungsgrad erzielt, werden, da der vorhandene Heizwert des Brennstoffs fast vollständig genutzt wird. Hiermit wären Wirkungsgrade von ca. 90 % erreichbar, da eine direkte Umwandlung von chemischer in thermische Energie stattfindet.
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Gemäß der Erfindung wird also bei Bordküchen in den Heißgeräten, z. B. in den Öfen, die benötigte Wärme nicht aus elektrischer Energie erzeugt, sondern zum Teil aus Abwärme eines anderen Systems und damit wird der Wirkungsgrad gesteigert.
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Ein größerer Teil der Abwärme eines anderen Systems (Brennstoffzelle, Gaserzeugungssystem) wird dadurch nutzbar gemacht, dass das Temperaturniveau - auf dem die Abwärme vorliegt (Medium am Eingang) - durch einen Brenner erhöht wird und damit in einen nutzbaren Bereich kommt.
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Die Betriebswärme im Medium M ist also die Summe aus der im Medium vor Zufuhr zum Brenner enthaltenen Wärme (Abwärme des Brennstoffzellensystems) und der Wärme aus dem Brenner.
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Der Brenner zur Erhöhung des Temperaturniveaus ist insbesondere keine zusätzliche Komponente, sondern eine, die im Gaserzeugungssystem schon vorhanden ist und in dieser Betriebsphase (nach Starterwärmung des Gaserzeugungssystems / der Brennstoffzelle, dann wenn Wärme in dem Heißgerät nötig ist) nicht zur Gaserzeugung benötigt wird.
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Als Brennstoff zur Erhöhung des Temperaturniveaus kann der ohnehin im System für die Gaserzeugung vorhandenen Brennstofftyp verwendet werden.
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Als Brennstoff kann ein sehr sicherer, regenerativ erzeugbarer, flüssiger und harmloser Brennstoff verwendet werden.
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Die elektrische Energie zum Erzeugen der Wärme für die oder in der Bordküche bzw. dem Heißgerät, z. B. in den Öfen, wird zumindest teilweise, insbesondere vollständig durch Wärme ersetzet, die durch den (Start-)Brenner erzeugt wird.
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Insbesondere kann ganz auf die Gaserzeugung, die Brennstoffzellen und andere Komponenten verzichtet werden. So kann ein Heißgerät, z.B. Bordküchenofen, mit katalytischer Wärmeerzeugung (durch den Brenner / Startbrenner) eingesetzt werden, das mit einem sicheren, regenerativ erzeugbaren, flüssigen und harmlosen Brennstoff betrieben wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Heißgerät ein jeweils mit Hilfe der Betriebswärme arbeitender Wasserkocher oder eine solche Kaffeemaschine oder ein solcher Bordküchenofen oder eine solche Espressomaschine. Derartige Heißgeräte sind besonders energieintensiv in Bezug auf den Wärme- und damit zusammenhängenden Energiebedarf, so dass die Erfindung hier eine besonders große - wie oben erläuterte - Entlastung für das elektrische Bordnetz / die elektrischen Generatoren des Flugzeuges bewirkt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Betriebswärme die gesamte für den Betrieb des Heißgerätes erforderliche Wärme. Die gesamte im Heißgerät erforderliche Wärme wird also durch die Betriebswärme, und eben nicht durch Umsetzung elektrischer oder sonstiger zusätzlicher Energie erzeugt. So erfolgt eine maximal mögliche Entlastung des elektrischen Bordnetzes bezüglich der Wärmeerzeugung in den Heißgeräten.
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Alternativ wird in anderen Ausführungsformen nur ein Teil der Wärme des Heißgerätes durch die Betriebswärme erzeugt, die restliche Wärme durch eine alternative Energieversorgung, z.B. wie herkömmlich aus den Flugzeuggeneratoren bzw. dem Bordnetz. So ist es zum Beispiel möglich, die Wärmequelle bezüglich ihrer Wärmeleistung (Betriebswärme) nur für einen durchschnittlichen Wärmeenergieverbrauch der Heißgeräte zu dimensionieren und bei überdurchschnittlichem Wärmebedarf mit Fremdenergie zuzuheizen. Auch kann z.B. die Wärmequelle auf eine wirtschaftliche Maximaltemperatur dimensioniert werden, und zusätzlich im Heißgerät benötigte Temperatur mit Fremdenergie zugeheizt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Brenner als integraler Bestandteil des Heißgerätes ausgeführt. Dies bietet sich insbesondere an, wenn - wie oben erläutertganz auf die Gaserzeugung, die Brennstoffzellen und andere Komponenten verzichtet wird. Da der Brenner dann insbesondere nicht als Startbrenner eine Doppelverwendung erfährt, kann der Brenner direkt lokal in der Bordküche im Heißgerät untergebracht werden. Optional können dann aus dem einen, den Brenner enthaltenden Heißgerät, auch wenigstens ein oder mehrere weitere Heißgeräte (dann ohne integrierten Brenner) mit Betriebswärme versorgt werden. „Integral“ bedeutet hier zumindest eine Systemzuordnung zum Heißgerät, nicht zwangsweise jedoch eine bauliche Integration.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Brenner ein Startbrenner einer Brennstoffzellenanordnung. Die Brennstoffzellenanordnung kann dabei optional auch ein Gaserzeugungssystem enthalten, für das der Startbrenner ebenfalls zuständig ist. Der Startbrenner dient zur Anwärmung / Vorwärmung, also dazu, Komponenten der Brennstoffzellenanordnung auf eine notwendige Betriebstemperatur zu bringen, damit z.B. ein Brennstoffzellenprozess überhaupt starten kann. Damit ergibt sich der Vorteil, dass eine Doppelnutzung des Startbrenners erfolgt, nämlich insbesondere in Zeiten, in denen er seine eigentliche Funktion als Startbrenner nicht wahrnehmen muss. Dann dient der Startbrenner - im Sinne einer Zweckentfremdung - dazu, die Betriebswärme für die Heißgeräte zu erzeugen. Diese Ausführungsform geht also davon aus, dass in einer betreffenden Bordküche oder einem betreffenden Flugzeug, in dem die Wärmequelle vorhanden ist, auch eine Brennstoffzellenanordnung mit dem Startbrenner vorhanden ist.
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Eine bevorzugte Variante dieser Ausführungsform ist für den Fall möglich, dass die Brennstoffzellenanordnung tatsächlich das Gaserzeugungssystem enthält. Gemäß dieser Ausführungsform ist der Brenner dazu eingerichtet, mit einem Brennstoff zu arbeiten, der zum direkten Betrieb des Gaserzeugungssystems geeignet ist. „Direkter Betrieb“ ist dabei sinngemäß wie oben zu verstehen, dass das Gaserzeugungssystem im Betrieb unmittelbar mit dem Brennstoff versorgt wird. Für die Wärmequelle und das Gaserzeugungssystem in einem bestimmten Flugzeug können so verwandte bzw. artgleiche Brennstoffe bezogen bzw. bereitgestellt werden.
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Insbesondere ist der Brennstoff für die Wärmequelle der gleiche Brennstoff, der für das Gaserzeugungssystem verwendet wird. Im Flugzeug muss dann nur eine einzige Sorte Brennstoff vorgehalten werden, um sowohl die Wärmequelle als auch das Gaserzeugungssystem zu betreiben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Wärmequelle ein mit dem Eingang verbundenes erstes Ventil. Das erste Ventil weist einen Auslass auf, der mit dem Eingang des Brenners verbunden ist. Das erste Ventil weist einen ersten Einlass für ein Frischmedium und einen zweiten Einlass für Abmedium der Brennstoffzellenanordnung auf. „Abmedium“ ist jedes Medium, das von der Brennstoffzellenanordnung abgeführt wird, insbesondere Abluft oder Abwasser, und das insbesondere Abwärme der Brennstoffzellenanordnung enthält. Die Einlässe des ersten Ventils sind wahlweise auf den Auslass des ersten Ventils schaltbar. Dabei können die Einlässe jeweils nur allein für sich auf den Ausgang durchgeschaltet werden. Alternativ ist auch ein beliebiger Mischungsgrad zwischen den Einlässen möglich. Falls die Medien unterschiedlicher Natur sind, können auch entsprechende Wärmetauscher vorgesehen sein. Z.B. ist das Frischmedium Frischluft, das Abmedium jedoch Abwasser aus einer Brennstoffzellenanordnung. Ein Wärmetauscher könnte dann die Wärme des Abwassers an entsprechende Luft abgeben. „Ventil“ ist also insbesondere in einem weiten Sinne zu verstehen und meint dann jegliche Vorrichtung, die Wärme- / Medienflüsse steuern und ggf. mischen kann. Im Falle von Mediengleichheit (z.B. Frischluft und Abluft einer Brennstoffzelle werden durch das Ventil wahlweise auf den Auslass gegeben oder ggf. anteilig gemischt) kann es sich jedoch um ein tatsächliches Ventil im engeren Sinne handeln.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Wärmequelle ein mit dem Ausgang verbundenes zweites Ventil. Das zweite Ventil weist einen Einlass auf, der mit dem Ausgang des Brenners verbunden ist. Das zweite Ventil weist einen an die Transportleitung angeschlossenen ersten Auslass für erwärmtes Medium zur Bordküche hin und einen zweiten Auslass für erwärmtes Medium zur Brennstoffzellenanordnung hin auf. Die Auslässe des zweiten Ventils sind wahlweise auf den Einlass des zweiten Ventils schaltbar. Hier gelten sinngemäß die gleichen Ausführungen bezüglich des ersten Ventils.
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Für beide Ventile gilt: Insbesondere in Kombination mit der Ausführungsform als Startbrenner kann so über die Ventile eine einfache Umschaltung zwischen einem Startbetrieb (Erwärmung der Brennstoffzellenanordnung) und einem Betrieb zur Erzeugung von Betriebswärme für die Heißgeräte oder einem Mischbetrieb umgeschaltet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist dem Ausgang ein Wärmetauscher nachgeschaltet, der dazu eingerichtet ist, die Betriebswärme für das Heißgerät vom Medium auf ein Transportmedium zu übertragen. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass zwischen Ausgang und Wärmetauscher bereits ein weiterer Medienübergang / Wärmetauscher, wie oben erläutert, vorgesehen ist. Zumindest ein Teil der Transportleitung ist dann zum Transport des Transportmediums vom Wärmetauscher zum Heißgerät hin eingerichtet. Zum Beispiel wird also im Brenner Luft mit der Betriebswärme versehen und anschließend die Betriebswärme von der Luft auf eine Flüssigkeit wie z.B. Wasser oder Öl übertragen und die Flüssigkeit zum Heißgerät transportiert. Im Falle eines zweiten Ventils kann der Wärmetauscher dabei dem Ventil vor- oder nachgeschaltet sein oder in dieses integriert sein.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine Bordküchenanordnung gemäß Patentanspruch 10 für ein Flugzeug. Die Bordküchenanordnung enthält eine Bordküche mit mindestens einem Heißgerät und eine erfindungsgemäße Wärmequelle für die Heißgeräte.
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Die Bordküchenanordnung und zumindest ein Teil deren Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmequelle erläutert.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Flugzeug gemäß Patentanspruch 11 mit einer erfindungsgemäßen Bordküchenanordnung, das insbesondere auch eine Brennstoffzellenanordnung (Brennstoffzelle ohne, vorzugsweise mit Gaserzeugungssystem) enthält.
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Das Flugzeug und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmequelle und der erfindungsgemäßen Bordküchenanordnung erläutert.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 zum Betreiben eines Heißgerätes in einer Bordküche eines Flugzeuges, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Wärmequelle. Bei dem Verfahren wird zumindest ein Teil der Betriebswärme des Heißgerätes mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Wärmequelle erzeugt. Die Wärme wird mit dem katalytischen Brenner aus dem Brennstoff erzeugt, wobei der Brenner mit einem Brennstoff arbeitet, der nicht zum direkten Betrieb einer Brennstoffzelle geeignet ist. Dem Brenner wird am Eingang das zu erwärmende Medium zugeführt und der Brenner gibt am Ausgang das durch die Wärme erwärmte Medium aus. Dabei enthält das Medium die Betriebswärme für das Heißgerät. Die Betriebswärme wird vom Ausgang über die Transportleitung zum Heißgerät transportiert.
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Das Verfahren und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmequelle und der erfindungsgemäßen Bordküchenanordnung erläutert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kommt eine Wärmequelle zum Einsatz, bei der - wie oben erläutert - der Brenner ein Startbrenner einer Brennstoffzellenanordnung, optional einschließlich eines Gaserzeugungssystems, ist. Der Startbrenner wird in einem ersten Zeitintervall zum Starten der Brennstoffzellenanordnung betrieben. Der Startbrenner wird in einem zweiten Zeitintervall zur Erzeugung der Betriebswärme für das Heißgerät betrieben. Die beiden Zeitintervalle können sich hierbei auch alternierend abwechseln und/der überlappen. Bei einer Überlappung werden also vom Startbrenner sowohl das Gaserzeugungssystem erwärmt als auch Betriebswärme für das Heißgerät erzeugt. Die Wärmeleistung des Stadtbrenners kann sich hierbei auf beide Teilprozesse (Brennstoffzellenanordnung / Betriebswärme) aufteilen. Insbesondere finden beide Teilprozesse jedoch jeweils ausschließlich statt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird dem Brenner als Medium ein solches zugeführt, das Abwärme von einer Brennstoffzellenanordnung (Brennstoffzelle, ggf. Gaserzeugungssystem) enthält. Insbesondere enthält das Medium solche Medien, die die besagte Abwärme tragen oder die Abwärme wird von dort auf das Medium übertragen. Hierbei wird ebenfalls davon ausgegangen, dass der Bordküche bzw. dem Flugzeug eine entsprechende Brennstoffzellenanordnung vorhanden ist.
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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.
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Ein Gaserzeugungssystem einer Brennstoffzellenanordnung erzeugt aus einem ersten Brennstoff, Luft und ggf. Wasser ein Reformat, das Wasserstoff enthält. Der erste Brennstoff ist meist ein Kohlenwasserstoff, der als Summenformel mit CmHnOo angegeben werden kann. Die Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung wandeln den Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft zu elektrischer Energie um. Die Anordnung Gaserzeugungssystem-Brennstoffzellen wird nachfolgend auch als „Zusatzsystem“ bezeichnet.
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Die Abluft der Kathode und das Anodenabgas der Brennstoffzellen werden zur Weiternutzung / Weiterverarbeitung an das Gaserzeugungssystem geleitet. Das Gaserzeugungssystem enthält als Komponente unter anderem einen Startbrenner.
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Während der Aufheizphase des Gaserzeugungssystems erhitzt der Startbrenner Luft, die in geeigneter Art und Weise die Reaktoren des Gaserzeugungssystems in ihr jeweiliges Betriebstemperaturfenster bringt. Ein dem Startbrenner nachgeschaltetes Ventil sorgt für die notwendige Durchleitung an das Gaserzeugungssystem. Die Abgase des Gaserzeugungssystems verlassen dieses über einen ersten Stoffstrom.
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In einer ersten Ausprägung der Erfindung wird das Abgas (erster Stoffstrom) nicht nach außen abgegeben, sondern intern einem dem Startbrenner vorgeschalteten Ventil zugeführt und anschließend im Startbrenner weiter erhitzt. Der erhitzte Gasstrom gelangt dann zu einem Heißgerät in der Bordküche z. B. einem Ofen. Das dem Brenner nachgeschaltete Ventil sorgt für die notwendige Durchleitung in die Bordküche. Ein zweiter Brennstoff für den Startbrenner (zum Erhitzen im Brenner) ist der gleiche Kohlenwasserstoff, der auch zur Gaserzeugung (erster Brennstoff) genutzt wird. Bei Bedarf kann dem Abgasstrom (erster Stoffstrom) über das dem Brenner vorgeschaltete Ventil Luft zugefügt werden. Mit dieser Ausprägung der Erfindung ist es möglich die Abwärme des Gaserzeugungssystems einer anderen Anwendung, in diesem Beispiel einem Heißgerät, z.B. einem Bordküchenofen, zuzuführen. Weiterhin ist es möglich durch die Dosierung des zweiten Brennstoffs den Abgasstrom auf eine günstige Temperatur zu bringen.
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Durch die Nutzung der Abwärme des Zusatzsystems (Brennstoffzellenanordnung) für die Bordküche wird die benötigte elektrische Energie der Bordküche verringert, die bei der bekannten Technik (Generator - elektrische Energie - Bordküche) aus Kerosin erzeugt wird. Dadurch steigt der Wirkungsgrad des Systems Triebwerk-Generator-Bordküche, da weniger Kerosin verbraucht wird. Die Anordnung Triebwerk-Generator-Bordküche wird im nachfolgenden als „System“ bezeichnet, im Gegensatz zum oben eingeführten Begriff des Zusatzsystems. Hierbei ist unterstellt, dass das Zusatzsystem (Gaserzeugungssystem-Brennstoffzellen) an Bord vorhanden ist und benötigt wird, um zusätzliche elektrische Energie an Bord zu erzeugen, die für Verbraucher an Bord bestimmt ist.
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Eine weitere Wirkungsgradsteigerung des Systems (Triebwerk-Generator-Bordküche) wird dadurch erreicht, dass ja der zweite Brennstoff (im Brenner) vollständig in Wärme umgewandelt und für die bzw. in der Bordküche genutzt werden kann. Bei der bekannten Technik (Triebwerk-Generator-Bordküche) wird mindestens 50 % der Energie des Kerosins nicht genutzt. Das bedeutet, dass der zweite Brennstoff, genauer der Heizwert des zweiten Brennstoffs, mehr als das doppelte des Kerosins ersetzen kann, das für die Stromerzeugung benötigt werden würde.
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In einer zweiten Ausprägung der Erfindung wird das Anodenabgas und/oder die Kathodenabluft verwendet, dem dem Brenner vorgeschalteten Ventil zugeführt und anschließend im Startbrenner weiter erhitzt. Der erhitzte Gasstrom gelangt dann zu einem Gerät in der Bordküche. Das dem Brenner nachgeschaltete Ventil sorgt wieder für die notwendige Durchleitung in die Bordküche. Der zweite Brennstoff zum Erhitzen (im Brenner) ist der gleiche Kohlenwasserstoff, der auch zur Gaserzeugung genutzt wird. Bei Bedarf kann dem Abgasstrom (Anodenabgas / Kathodenabluft) über das dem Brenner vorgeschaltete Ventil Luft zugefügt werden. Mit dieser Ausprägung der Erfindung ist es möglich Abwärme der Brennstoffzellen in Form des warmen Anodenabgases und/oder der warmen Kathodenabluft einer anderen Anwendung, in diesem Beispiel einem Heißgerät, z.B. Bordküchenofen, zuzuführen. Auch hier ist es möglich durch die Dosierung des zweiten Brennstoffs den Gasstrom (vom Brenner zur Bordküche) auf eine günstige Temperatur zu bringen. Die Vorteile der Wirkungsgradsteigerungen und/oder Kerosineinsparung gelten analog zu den obigen Ausführungen.
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In einer dritten Ausprägung der Erfindung wird das Abgas des Gaserzeugungssystems und Abgase des Brennstoffzellensystems (Anodenabgas und/oder Kathodenabluft) verwendet, mit dem Startbrenner erhitzt und einer Nutzung zugeführt. Mit dieser Ausprägung der Erfindung ist es möglich Abwärme des Gaserzeugungssystems und des Brennstoffzellensystems einer anderen Anwendung, in diesem Beispiel einem Heißgerät, z.B. Bordküchenofen, zuzuführen. Wiederum ist es möglich durch die Dosierung des zweiten Brennstoffs den Gasstrom vom Brenner zur Bordküche auf eine günstige Temperatur zu bringen. Die Vorteile der Wirkungsgradsteigerungen und/oder der Kerosineinsparung gelten analog zu den obigen Ausführungen.
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In einer vierten Ausprägung der Erfindung kann der Wärmetransport zu einer anderen Anwendung (z. B. einem Bordküchenofen) in Form eines anderen, 'z.B. flüssigen Mediums geschehen. Das Medium muss entsprechend gewählt werden, um im gewünschten Temperaturbereich flüssig zu sein. Wasser als Medium wäre nur bedingt geeignet, da sein Siedepunkt von 100 °C den nutzbaren Temperaturbereich einschränken würde. Das vom Startbrenner erhitzte Abgas (nach Durchlaufen des Brenners) würde dann die Wärme über einen Wärmetauscher an das flüssige Transportmedium abgeben und dann abgekühlt ähnlich dem Abgas (erster Stoffstrom, s.o. Abgase des Gaserzeugungssystems) abgeführt werden. Mit dieser Ausprägung der Erfindung ist es möglich Abwärme des Gaserzeugungssystems und/oder des Brennstoffzellensystems über dünner gestaltbare Rohrleitungen der Nutzung zuzuführen. Weiterhin eröffnet es die Gestaltungsmöglichkeiten, den Zielort der Wärme und den Zielort des Abgases (nach Durchlaufen des Brenners) verschieden zu wählen. Die Argumentation bzgl. Kerosinverbrauch und Wirkungsgrad gelten analog zu den obigen Ausführungen.
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In einer weiteren Ausprägung der Erfindung wird das Zusatzsystem (Brennstoffzellenanordnung) stark vereinfacht. Unter Verzicht auf das Brennstoffzellensystem und der anderen Reaktoren des Gaserzeugungssystem wäre ein kleines Zusatzsystem denkbar, das nur aus dem Brenner (eigentlich kein „Startbrenner“ mehr) besteht und Wärme für eine andere Anwendung (z. B. einem Bordküchenofen) erzeugt. Hiermit wäre zwar die Nutzung von Abwärme (der Brennstoffzellenanordnung) nicht mehr gegeben, aber der Wirkungsgrad des Systems (Triebwerk-Generator-Bordküche) ließe sich auch hiermit steigern. Diese Steigerung des Wirkungsgrads des Systems wird dadurch erreicht, dass ja der zweite Brennstoff vollständig in Wärme umgewandelt und für die bzw. in der Bordküche genutzt werden kann. Bei der bekannten Technik (Triebwerk-Generator-Bordküche) wird mindestens 50 % der Energie des Kerosins nicht genutzt. Das bedeutet, dass der zweite Brennstoff, genauer der Heizwert des Brennstoffs, mehr als das doppelte des Kerosins ersetzen kann, das für die Stromerzeugung benötigt werden würde.
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Diese Ausprägung der Erfindung ließe auch völlig neue Konstruktionen von Bordküchenöfen zu. Bei diesen würde die benötigte Wärme aus dem Heizwert des zweiten Brennstoff BS2 kommen und nicht aus der elektrischer Leistung der Triebwerksgeneratoren.
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Elektrische Energie für die Bordküchenöfen würde dann nur noch für den Betrieb der Steuerung des Bordküchenofens und ggf. für Hilfskomponenten wie z. B. Ventilatoren benötigt. Diese elektrische Energie ist aber sehr viel geringer als die Energie zur Erwärmung. Diese Konstruktion wäre dann ein katalytischer Bordküchenofen, betrieben mit einem sehr sicheren, regenerativ erzeugbaren, flüssigen und harmlosen Brennstoff.
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Weiterhin ließe sich diese Ausprägung der katalytischen Wärmeerzeugung auch bei allen anderen Bordküchengeräten (Wasserkocher, Kaffeemaschinen) anwenden bei denen das Funktionsprinzip auf der Anwendung von Wärme besteht.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich somit ein Heißgerät, insbesondere Bordküchenofen mit katalytischer Wärmeerzeugung.
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Es ergibt sich ein neuartiges Heißgerät, insbesondere Bordküchenofen, das die benötigte Wärme aus der katalytischen Verbrennung eines sicheren, regenerativ erzeugbaren, flüssigen Brennstoffs bezieht. Die praktisch vollständige Nutzung des Energiegehalts des Brennstoffs übertrifft damit den Wirkungsgrad der bisher verwendeten Heißgeräte, da deren elektrische Energie von Generatoren erzeugt wird, die von Triebwerken aus Kerosin erzeugt wird.
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Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
- 1 ein Flugzeug mit Bordküche und erfindungsgemäßer Wärmequelle.
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1 zeigt, lediglich symbolisch angedeutet, ein Flugzeug 2, das unter anderem eine Bordküche 4 und eine Brennstoffzellenanordnung 6 enthält. Die Brennstoffzellenanordnung 6 enthält eine Brennstoffzelle 8 sowie ein Gaserzeugungssystem 10. Die Brennstoffzelle 8 weist eine Anode A und eine Kathode K auf.
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Im Betrieb erzeugt das Gaserzeugungssystem 10 aus einem ersten Brennstoff BS1 sowie Luft L Wasserstoff H für die Brennstoffzelle 8. In der Anode A wird Wasserstoff H, in der Kathode K Luft L umgesetzt, dabei entstehen ein Anodenabgas AA in der Anode A sowie ein Kathodenabgas AK in der Kathode K.
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Das Flugzeug enthält außerdem eine Wärmequelle 12 zur Erzeugung von Betriebswärme WB für ein Heißgerät 14, hier einen Bordküchenofen, alternativ oder zusätzlich ein Wasserkocher und/ oder eine Kaffeemaschine, der Bordküche 4. Hierzu enthält die Wärmequelle 12 einen katalytischen Brenner 16.
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Im Betrieb wird dem Brenner 16 ein zweiter Brennstoff BS2 zugeführt und im Brenner 16 verbrannt; hierbei wird der zweite Brennstoff BS2 nahezu vollständig und verlustlos in Wärme W umgesetzt. Dem Brenner 16 wird außerdem über dessen Eingang 18 ein Medium M zugeführt, welches im Brenner 16 durch die Wärme W erwärmt wird. Nach Durchlaufen des Brenners 16 verlässt das Medium den Brenner 16 am Ausgang 20. Dabei trägt das Medium M die Wärme W als Betriebswärme WB für das Heißgerät 14.
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Eine vom Ausgang 20 zum Heißgerät 14 führende Transportleitung 22 transportiert im vorliegenden Fall direkt das Medium M und damit die in diesem geführte Betriebswärme WB zum Heißgerät 14 und zur dortigen Verwendung, hier zum Erhitzen von Speisen im Bordküchenofen.
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Dem Heißgerät 14 wird neben der Betriebswärme WB keinerlei zusätzliche Energie zugeführt, um für dessen Betrieb notwendige Wärme zu erzeugen. Insbesondere besitzt das Heißgerät also keine zusätzliche elektrische Heizung, um elektrische Energie in zusätzliche Wärme umzusetzen. Die über das Medium M bzw. die Transportleitung 22 zugeführte Betriebswärme WB ist also die gesamte für den Betrieb des Heißgerätes 14 erforderliche Wärme.
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In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform ist die Wärmequelle 12 integraler Bestandteil des Heißgerätes 14. Dies gilt insbesondere für eine alternative Ausführungsform, bei der das Flugzeug 2 keine Brennstoffzellenanordnung 6, zumindest kein Gaserzeugungssystem 10 enthält.
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In der dargestellten Ausführungsform ist nämlich der Brenner 16 - insbesondere integraler - Bestandteil der Brennstoffzellenanordnung 6 bzw. des Gaserzeugungssystems 10, in Form eines Startbrenners für diese: der Brenner 16 hat dabei die Aufgabe, in einem ersten Zeitintervall überhaupt erst den Start der Brennstoffzellenanordnung 6 vorzubereiten. Hierbei wird durch Verbrennung des Brennstoffes BS2 die Luft L ebenfalls durch die Wärme W erwärmt, jedoch (angedeutet durch den gepunkteten Pfeil 24), einzelnen Komponenten der Brennstoffzellenanordnung 6 zugeführt. Dabei werden diese Komponenten auf eine notwendige Betriebstemperatur gebracht, damit die Brennstoffzellenanordnung 6 überhaupt ihren Betrieb aufnehmen kann.
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Erst nachdem die Brennstoffzellenanordnung 6 ihren Betrieb aufgenommen hat, ist eine entsprechende Vorerwärmung durch den Brenner 16 nicht mehr notwendig. Erst in einem zweiten Zeitintervall wird dieser daher wie oben beschrieben zur Versorgung des Heißgerätes 14 mit Betriebswärme WB eingesetzt. Dieser Vorgang ist durch den gestrichelten Pfeil 26 angedeutet.
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Unter anderem um beide Aufgaben (Start der Brennstoffzellenanordnung 6 / Erzeugung von Betriebswärme WB) erfüllen zu können, enthält die Wärmequelle 12 ein erstes Ventil V1 und ein zweites Ventil V2.
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Das erste Ventil V1 ist - in Strömungsrichtung des Mediums M gesehen - dem Brenner 16 vorgeschaltet und mit seinem Auslass 28 am Eingang 18 angeschlossen. Zwei Einlässe 30a,b des Ventils V1 sind wahlweise auf den Auslass 28 einzelnen oder in einem bestimmten Mischungsverhältnis durchschaltbar. Der erste Einlass 30a ist ein Einlass für die Luft L als Frischmedium MF. Dieser ist daher mit einer Zufuhrleitung für das Frischmedium MF verbunden. Der zweite Einlass 30b ist ein Einlass für Abmedium MA der Brennstoffzellenanordnung 6. Das Abmedium MA wird dabei aus dem ersten Abgasstrom AG1 des Gaserzeugungssystems 10 sowie dem Anodenabgas AA und Kathodenabgas AK gebildet. Der zweite Einlass 30b ist daher insbesondere mit entsprechenden Ausgängen bzw. Leitungen des Brennstoffzellensystems 6 verbunden, an welchen die entsprechenden Abgase bzw. Abmedien abgegeben werden.
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Das Medium M ist also eines von oder eine Mischung aus Luft L und den genannten Abgasen. In der Regel werden jedenfalls die Abgase zugeführt und nur gegebenenfalls Luft L beigemischt. Daher kann das den Brenner 16 verlassende und erhitzte Medium M auch als zweiter Abgasstrom AG2 bezeichnet werden, der bzw. dessen Betriebswärme WB dem Heißgerät 14 zugeführt wird.
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Das zweite Ventil V2 ist - in Strömungsrichtung des Mediums M gesehen - dem Brenner 16 nachgeschaltet und mit seinem Einlass 32 an den Ausgang 20 angeschlossen. Zwei Auslässe 34a,b sind wahlweise auf den Einlass 32 einzeln oder in einem bestimmten Mischungsverhältnis durchschaltbar. Der erste Auslass 34a ist an eine Transportleitung 22 bzw. an eine entsprechende Leitung zum Heißgerät 14 angeschlossen. Der zweite Auslass 34b ist an eine oder mehrere Leitungen angeschlossen, die zu entsprechenden Anschlüssen der Brennstoffzellenanordnung 6 führen, um die oben genannte Wärmezufuhr zum Starten der Brennstoffzellenanordnung 6 durchzuführen.
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Insbesondere ist der Brenner 16 so ausgeführt, dass dieser mit einem derartigen Brennstoff BS2 betreibbar ist bzw. betrieben wird, der auch als Brennstoff BS1 für die Brennstoffzellenanordnung 6, insbesondere das Gaserzeugungssystem 10, geeignet ist bzw. dort ebenfalls tatsächlich verwendet wird. So kann der gleiche Brennstoff zum Betrieb für die Brennstoffzellenanordnung 6 und den Brenner 16 verwendet werden.
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Dem Ausgang 20 ist auf dem Weg zum Heißgerät 14 ein Wärmetauscher 36 nachgeschaltet. Im Beispiel ist dieser dem zweiten Ventil V2 bzw. dessen erstem Auslass 34a nachgeschaltet. Im Wärmetauscher 36 wird die Betriebswärme WB dem Medium M (zumindest größtenteils, bis auf Verluste) entnommen und einem Transportmedium MT aufgebracht. Dieses wiederum übernimmt den Transport der (verbleibenden) Betriebswärme WB vom Wärmetauscher 36 zum Heißgerät 14.
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Die Bordküche 4 mit dem Heißgerät 14 zusammen mit der Wärmequelle 12 bilden eine Bordküchenanordnung 38.
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Zusammenfassend wird also das Heißgerät 14 wie folgt betrieben: Zumindest ein Teil der Betriebswärme WB des Heißgerätes 14, hier dessen gesamte Betriebswärme WB, wird mit Hilfe der Wärmequelle 12 erzeugt. Hierzu wird Wärme W mit dem katalytischen Brenner 16 aus dem Brennstoff BS2 erzeugt. Der Brenner arbeitet mit dem Brennstoff BS2, der nicht zum direkten Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 6, jedoch zum Betrieb des Gaserzeugungssystems 10 geeignet ist. Dem Brenner 16 wird an seinem Eingang 18 das zu erwärmende Medium M zugeführt, hier eine Mischung aus dem Abgasstrom AG1 des Gaserzeugungssystems 10, dem Anodenabgas AA und dem Kathodenabgas AK. Je nach Bedarf wird außerdem Luft L als Frischmedium MF beigemischt. Der Brenner 16 gibt am Ausgang 20 das durch die Wärme W erwärmte Medium M aus, das damit die Betriebswärme WB für das Heißgerät 14 trägt bzw. beinhaltet. Die Betriebswärme WB wird vom Ausgang 20 zum Heißgerät 14 über die Transportleitung 22 transportiert. Hierzu wird zunächst das Medium M über das Ventil V2 bzw. dessen Auslass 34a zum Wärmetauscher 36 übertragen (erster Teil der Transportleitung 22), dort die Betriebswärme WB (bis auf Tauschverluste) an das Transportmedium MT übergeben und über den restlichen Teil der Transportleitung 22 weiter zum Heißgerät 14 transportiert.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Flugzeug
- 4
- Bordküche
- 6
- Brennstoffzellenanordnung
- 8
- Brennstoffzelle
- 10
- Gaserzeugungssystem
- 12
- Wärmequelle
- 14
- Heißgerät
- 16
- Brenner
- 18
- Eingang
- 20
- Ausgang
- 22
- Transportleitung
- 24
- Pfeil
- 26
- Pfeil
- 28
- Auslass
- 30a,b
- Einlass
- 32
- Einlass
- 34a,b
- Auslass
- 36
- Wärmetauscher
- 38
- Bordküchenanordnung
- A
- Anode
- K
- Kathode
- BS1,2
- Brennstoff
- L
- Luft
- MF
- Frischmedium
- MA
- Abmedium
- H
- Wasserstoff
- AA
- Anodenabgas
- AK
- Kathodenabgas
- WB
- Betriebswärme
- M
- Medium
- W
- Wärme
- AG1,2
- Abgasstrom
- MT
- Transportmedium
- V1,2
- Ventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/136098 A1 [0003]
- WO 2004/007356 A2 [0016]