EP2528818A2 - Electrically driven aircraft - Google Patents

Electrically driven aircraft

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Publication number
EP2528818A2
EP2528818A2 EP11701820A EP11701820A EP2528818A2 EP 2528818 A2 EP2528818 A2 EP 2528818A2 EP 11701820 A EP11701820 A EP 11701820A EP 11701820 A EP11701820 A EP 11701820A EP 2528818 A2 EP2528818 A2 EP 2528818A2
Authority
EP
European Patent Office
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aircraft
electrically powered
tank
fuel cell
electrical energy
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11701820A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Oliver Heid
Timothy Hughes
Paul Beasley
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2528818A2 publication Critical patent/EP2528818A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/24—Aircraft characterised by the type or position of power plants using steam or spring force
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/22—Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising carbon or oxygen or hydrogen and other elements; Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising only elements other than carbon, oxygen or hydrogen
    • H01M8/222—Fuel cells in which the fuel is based on compounds containing nitrogen, e.g. hydrazine, ammonia
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D41/00—Power installations for auxiliary purposes
    • B64D2041/005—Fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0687—Reactant purification by the use of membranes or filters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an aircraft equipped with an electric drive system.
  • US 4,709,882 discloses a helicopter with a lithium / peroxide fuel cell.
  • the aircraft according to the invention is electrically driven and comprises:
  • An electrically driven drive system which provides for the propulsion of the aircraft
  • the tank may be pressurized and / or cooled to store the ammonia in liquid form.
  • the aircraft may additionally at least one other electrical system
  • the power distribution system thus provides the electrical energy not only to the propulsion system of the aircraft, which provides the propulsion or propulsion of the aircraft, e.g. but also at least one other electrical system that is used during a flight but does not directly contribute to the propulsion and propulsion of the aircraft.
  • the aircraft can additionally be connected to the energy distribution system
  • Power source is provided and which is not consumed by the electrically driven drive system or by other electrical systems, in the
  • Storage device is stored and, if necessary during the operation of the aircraft back in the
  • a control device may be excessively dispensing
  • the storage device may e.g. be a short term storage for electrical energy.
  • the storage device may e.g. a rechargeable battery, a capacitor, a
  • the energy source that is using and converting NH 3 electrical energy
  • a fuel cell is a galvanic cell that converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidant, usually oxygen, into electrical energy.
  • the NH 3 -driven fuel cell system may include an NH 3 fuel cell that generates electrical energy using NH 3 directly as a fuel.
  • the typical chemical reaction is: 4 NH 3 + 3 O 2 -> N 2 + 6 H 2 0.
  • Fuel cell system comprising an ammonia splitter for generating H 2 and a downstream hydrogen fuel cell, which generates electrical energy by using the provided by the ammonia splitter H 2 as a fuel.
  • the typical chemical reaction for this is: 2 H 2 + 0 2 -> 2 H 2 0.
  • the hydrogen may e.g. by thermal splitting of the
  • Ammonia can be generated in its elements in a reformer.
  • the typical chemical reaction for this is: 2 NH 3 -> N 2 + 3 H 2 .
  • Part of such a reformer is usually a temperature-resistant ceramic coated with a catalyst (eg platinum, palladium, etc.).
  • a molecular sieve can be disposed between the splitter ammonia and the hydrogen fuel cell to be removed from the current supplied to the hydrogen fuel cell 2 H contamination by residual NH 3.
  • Ammonia splitter provided hydrogen or
  • Hydrogen fuel cell can be supplied.
  • the energy source may comprise an internal combustion engine fed from the NH 3 tank and an electric generator driven by the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine may use a NH 3 fuel
  • Internal combustion engine may e.g. an internal combustion engine or a gas turbine can be used. It may be provided in this case, an exhaust gas purification device, which by the
  • Another variant of the drive of an aircraft with electric drive comprises: a tank for a hydrocarbon-based fuel such as gasoline, diesel or kerosene,
  • An electrically driven drive system which provides for the propulsion of the aircraft
  • the tank or the ammonia can at least temporarily, i. for example, while the aircraft is in the air and the outside temperature in the vicinity of the aircraft is below a certain value, the
  • Atmosphere used. It is exploited that the temperature falls with the height above the ground, so that from a certain height of the aircraft such a low outside temperature prevails, which is sufficient to cool the ammonia in the tank to a temperature at which the ammonia in liquid form is present. This has the advantage that in particular during the flight at a corresponding height, a comparatively small or, ideally, no energy whatsoever has to be expended in order to cool the ammonia. As the proportion of cooling
  • a controller is provided, which is designed to thermally connect the tank to the atmosphere when the atmospheric temperature in the vicinity of the aircraft is below a certain threshold Sl.
  • the controller is further configured to interrupt the thermal connection when the atmospheric temperature in the environment of the aircraft over a particular one
  • the aircraft may be designed, for example, as an airplane or as a helicopter.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a NH3-operated
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of another NH3-powered propulsion system for an aircraft
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of another NH3-powered propulsion system for an aircraft
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a drive system for an aircraft based on a hydrocarbon-based aircraft
  • FIG. 5 shows a cooling device for cooling the ammonia tank in a schematic view
  • Fig. 6 shows the profile of the outside temperature and the state of the thermal connection between the ammonia tank and the atmosphere as a function of time.
  • Fig. 1 shows an aircraft with a NH 3- powered
  • the aircraft e.g. an airplane or helicopter, contains a fuel tank 13, in which liquid
  • Ammonia is located.
  • the fuel tank 13 may be pressurized and / or cooled, for example, to the ammonia to keep in a liquid state.
  • One possibility for cooling the tank 13 is shown in FIG.
  • the ammonia is then passed to a heat exchanger and from there to a Ammoniakspalter 15.
  • This reformer generated from the ammonia hydrogen and nitrogen, the gas mixture may still contain small traces of contamination by ammonia.
  • the gas mixture is passed through a molecular sieve 17 to remove residual traces of ammonia. This is especially important when
  • Fuel cells are used in which ammonia leads to a functional impairment.
  • the hydrogen contained in the gas mixture becomes one
  • fuel cells include, but are not limited to, so-called Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC), Solid Oxide Fuel Cells (SOFC), or Proton Ceramics. Protonic Ceramic Fuel Cells (PCFCs), but are not limited thereto.
  • PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
  • PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cells
  • PCFCs Proton Ceramic Fuel Cells
  • the fuel cell 19 air can be supplied, for example via a blower.
  • the air may be cleaned prior to delivery to the fuel cell 19.
  • the carbon dioxide contained in the air before feeding the air to
  • Fuel cell 19 are removed, if the type of
  • the oxygen contained in the air serves as
  • Oxidizing agent for the fuel cell 19 The
  • Fuel cell 19 produces electricity and exhaust gases, which may include residual hydrogen in the exhaust gases.
  • the hydrogen contained in the exhaust gases can be recovered in a circuit and the fuel cell 19 are supplied again. Electricity becomes intelligent
  • Electrical energy is used to provide systems in the aircraft with electrical energy.
  • the propulsion system of the aircraft providing the propulsion may include one or more electric motors 25 connected to engines 27, thereby propelling propellers or similar propulsion units.
  • the electrical energy may also be used to drive other electrical systems such as actuators 29 or other systems 31 used in the aircraft
  • Storage media such as batteries, capacitors, flywheels, etc. are stored for a short time and, if necessary from the energy storage 33 are fed back to the system. Overall, such a drive system allows a C02-free drive of the aircraft 11th
  • Fuel cell 19 designed such that they as
  • Fuel can directly use the ammonia.
  • fuel cells are solid oxide fuel cells (SOFCs) or proton ceramic fuel cells (PCFCs),
  • MCFC Molten Carbonate Fuel Cell
  • the generators can with
  • Nitrogen, water and nitrogen oxides are preferably in a purification step 39 by a
  • Catalyst converted to nitrogen e.g. after the
  • the ammonia necessary for the reaction can from the
  • FIG. 4 shows an aircraft 11 that is similar to the aircraft shown in FIG. 3. It differs from the aircraft shown in FIG. 3 in that as fuel for the internal combustion engine 35 ', with which the
  • FIG. 5 shows a schematic view of a hydrocarbon-based fuel, such as diesel, kerosene or gasoline is driven, which is stored in a tank 13 '.
  • FIG. 5 shows a schematic view of a hydrocarbon-based fuel, such as diesel, kerosene or gasoline is driven, which is stored in a tank 13 '.
  • Cooling device 46 for cooling the tank 13.
  • the atmosphere may be used. It is exploited that the temperature falls with the height above the ground, so that from a certain height of the aircraft 11 prevails such a low outside temperature, which is sufficient to the ammonia in the tank 13 to a temperature
  • the tank 13 is connected for this purpose so thermally conductive to the atmosphere 1, that heat from the tank 13 to the
  • the tank 13 may be connected via a thermal connection 41 with the outer wall 40 of the aircraft 11, so that the heat to be dissipated from the tank 13 is transmitted via the outer wall 40 to the atmosphere 1.
  • the thermal connection 41 takes place, for example, via heat conduction, for example by thermal bridges in the form of cooling plates or the like. (not shown in detail), which connect the tank 13 directly or indirectly with the outer wall 40 of the aircraft 11.
  • Heat convection based the corresponding coolant, for example. Air or water, which transfers the heat received at the tank 13 to the outer wall 40 of the aircraft.
  • Air or water which transfers the heat received at the tank 13 to the outer wall 40 of the aircraft.
  • a conventional cooling 42 may be provided which is particularly useful when the outside temperature is too high, i. for example in
  • Device 43 may be provided which pressurizes the tank 13 or the ammonia therein.
  • the tank 13 can therefore be used in periods in which the
  • Outside temperature is higher than a certain threshold, cooled with a conventional cooling 42. In periods when the outside temperature is below the threshold, can be dispensed with the conventional cooling 42.
  • the threshold is determined on the one hand on the basis of the ammonia boiling point and on the other, depending on the nature and mode of action of the thermal connection 41 between the tank 13 and outer wall 40 of the aircraft 11. In a less efficient thermal connection 41 is the
  • Threshold temperature selected correspondingly lower. In a temperature range around the threshold, it is conceivable to use both the conventional cooling 42 and the atmosphere cooling described above.
  • a controller 44 is provided which with a
  • Outside temperature sensor 45 is connected, which measures the temperature of the atmosphere 1 in the vicinity of the aircraft 11.
  • the suitable cooling mode is selected with the aid of the control 44. For example, if the outside temperature is too high, the controller 44 may break the thermal connection 41 and start the conventional cooling 42. Additionally or alternatively, the controller 44 may also control the pressure generator 43 as a function of the outside temperature and / or the state of aggregation of the ammonia in the tank 13. Bpsw. the pressure generator 43 can then be put into operation when the ammonia in the tank in a
  • Diagram in Figure 6A shows a course of
  • the controller 44 opens and closes the thermal
  • FIG. 6B shows the state of the thermal connection 41 as a function of time and in synchronism with the diagram shown in FIG. 6A.
  • Atmosphere 1 prepared i. the atmosphere cooling is active. This is the state "1" in FIG. 6B.
  • thermal connection 41 again opened or interrupted, so that the atmosphere no longer contributes to the cooling of the tank 13. This is symbolized in FIG. 6B with the state "0".
  • the use of the atmospheric cooling has the advantage that, in particular, during flight at a corresponding height, a comparatively low or ideally no energy has to be expended in order to cool the ammonia or to maintain it in the liquid state. Since the proportion of energy to be expended for cooling is quite large, this measure represents a significant increase in the energy consumption

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Abstract

The invention relates to an electrically driven aircraft (11), comprising a tank (13) for NH3 in order to provide NH3, an energy source (15, 17, 19, 19', 35, 37), which generates electric energy using and converting NH3, an electrically driven propulsion system (25, 27) that ensures the propulsion of the aircraft (11), and an energy distribution system (23) that supplies the generated electric energy to the propulsion system (25, 27).

Description

Beschreibung description
Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug Die Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug, das mit einem elektrischen Antriebssystem ausgestattet ist. Electrically powered aircraft The invention relates to an aircraft equipped with an electric drive system.
In der Luftfahrt weit verbreitet sind Luftfahrzeuge, deren Triebwerke durch Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen In aviation are widely used aircraft whose engines are powered by internal combustion engines or gas turbines
angetrieben werden. are driven.
Darüber hinaus existieren Überlegungen, die Triebwerke eines Flugzeuges oder eines Helikopters mithilfe elektrischer In addition, there are considerations, the engines of an aircraft or a helicopter using electrical
Motoren anzutreiben, vergleiche US 2,462,201 bzw. US To drive motors, see US 2,462,201 or US
4,955,560. 4,955,560.
Es existieren ebenso Überlegungen, ein Luftfahrzeug mit einer Wasserstoff-Brennstoffzelle auszustatten, vergleiche There are also considerations to equip an aircraft with a hydrogen fuel cell, cf.
US 6,568,633 oder US 6,854,688. Die US 4,709,882 offenbart einen Helikopter mit einer Lithium/Peroxid-Brennstoffzelle. US 6,568,633 or US 6,854,688. US 4,709,882 discloses a helicopter with a lithium / peroxide fuel cell.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Luftfahrzeug It is the object of the invention, an aircraft
bereitzustellen, das mit einer alternativen Energiequelle angetrieben wird. to be powered by an alternative source of energy.
Die Erfindung wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche. Das erfindungsgemäße Luftfahrzeug ist elektrisch angetrieben und umfasst: The invention is solved by the features of the independent claims. Advantageous developments can be found in the features of the dependent claims. The aircraft according to the invention is electrically driven and comprises:
- einen Tank für NH3 zur Bereitstellung von NH3,  a tank for NH3 to provide NH3,
- eine Energiequelle, welche unter Verwendung und Umwandlung von NH3 elektrische Energie erzeugt,  an energy source which generates electrical energy using and converting NH3,
- ein elektrisch angetriebenes Antriebssystem, das für den Antrieb des Flugzeuges sorgt, und - An electrically driven drive system, which provides for the propulsion of the aircraft, and
- ein Energieverteilungssystem, welches die erzeugte  - An energy distribution system, which generated the
elektrische Energie dem Antriebssystem bereitstellt. Die Verwendung von Ammoniak als Ausgangsbasis für die provides electrical energy to the drive system. The use of ammonia as a starting point for the
Energiequelle, welche die elektrische Energie zum Antrieb bereitstellt, erweist sich als vorteilhaft, da Ammoniak ein leicht zu verflüssigendes Gas ist und damit leicht Energy source, which provides the electrical energy to drive, proves to be advantageous because ammonia is an easy to liquefy gas and thus easy
gespeichert und transportiert werden kann. Der Tank kann beispielsweise unter Druck gesetzt werden und/oder gekühlt werden, um das Ammoniak in flüssiger Form zu lagern. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Luftfahrzeug zusätzlich zumindest ein weiteres elektrisches System can be stored and transported. For example, the tank may be pressurized and / or cooled to store the ammonia in liquid form. In an advantageous embodiment, the aircraft may additionally at least one other electrical system
aufweisen, das die zu seinem Betrieb notwendige elektrische Energie über das Energieverteilungssystem aus der von der Energiequelle erzeugten elektrischen Energie bezieht. comprising the electrical energy necessary for its operation via the power distribution system from the electrical energy generated by the power source.
Das Energieverteilungssystem stellt die elektrische Energie also nicht nur dem Antriebssystem des Flugzeugs bereit, das für den Antrieb bzw. die Propulsion des Flugzeugs sorgt, z.B. den Triebwerken, sondern ebenfalls mindestens einem weiteren elektrischen System, das zwar während eines Flugs verwendet wird, das aber nicht direkt zum Antrieb und zur Propulsion des Flugzeugs beiträgt. The power distribution system thus provides the electrical energy not only to the propulsion system of the aircraft, which provides the propulsion or propulsion of the aircraft, e.g. but also at least one other electrical system that is used during a flight but does not directly contribute to the propulsion and propulsion of the aircraft.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Luftfahrzeug zusätzlich eine an das Energieverteilungssystem In an advantageous embodiment, the aircraft can additionally be connected to the energy distribution system
angeschlossene Speichervorrichtung zur Speicherung connected storage device for storage
überschüssig erzeugter elektrischer Energie umfassen. Dies bedeutet, dass die elektrische Energie, die von der excess electrical energy. This means that the electrical energy coming from the
Energiequelle bereitgestellt wird und die nicht durch das elektrisch angetriebene Antriebssystem oder durch weitere elektrische Systeme verbraucht wird, in der Power source is provided and which is not consumed by the electrically driven drive system or by other electrical systems, in the
Speichervorrichtung gespeichert wird und bei Bedarf während des Betriebs des Luftfahrzeugs wieder in das  Storage device is stored and, if necessary during the operation of the aircraft back in the
Energieverteilungssystem und von dort dem Antriebssystem oder einem anderen elektrischen System bereitgestellt werden kann. Eine Steuervorrichtung kann das Zuführen überschüssig  Power distribution system and from there the drive system or other electrical system can be provided. A control device may be excessively dispensing
erzeugter Energie zur Speichervorrichtung in Phasen steuern, in denen mehr elektrische Energie erzeugt wird als bei dem Betrieb des Flugzeugs benötigt - wie beispielsweise bei control the generated energy to the storage device in phases in which more electrical energy is generated than in the Operation of the aircraft needed - such as at
Flugphasen -, und das Zuschalten der gespeicherten Energie aus der Speichervorrichtung in Phasen steuern, in denen weniger elektrische Energie erzeugt wird als bei dem Betrieb des Flugzeugs benötigt wird - wie beispielsweise bei Start und Landung. Flight phases - and control the switching of the stored energy from the storage device in phases, in which less electrical energy is generated than in the operation of the aircraft is needed - such as during takeoff and landing.
Die Speichervorrichtung kann z.B. ein Kurzzeitspeicher für elektrische Energie sein. Die Speichervorrichtung kann z.B. eine aufladbare Batterie, einen Kondensator, eine The storage device may e.g. be a short term storage for electrical energy. The storage device may e.g. a rechargeable battery, a capacitor, a
Schwungscheibe oder eine andere Energiespeichervorrichtung umfassen. Auf diese Weise kann zum Beispiel ein kurzzeitiger Ausfall der elektrischen Energiequelle überbrückt werden. In einer Ausgestaltung kann die Energiequelle, die unter Verwendung und Umwandlung von NH3 elektrische Energie Flywheel or other energy storage device. In this way, for example, a short-term failure of the electrical energy source can be bridged. In one embodiment, the energy source that is using and converting NH 3 electrical energy
erzeugt, ein NH3-betriebenes Brennstoffzellensystem umfassen. Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels , meist Sauerstoff, in elektrische Energie umwandelt. produced comprising an NH 3 -driven fuel cell system. A fuel cell is a galvanic cell that converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidant, usually oxygen, into electrical energy.
Dabei kann das NH3-betriebene Brennstoffzellensystem eine NH3-Brennstoffzelle umfassen, die unter direkter Verwendung von NH3 als Brennstoff elektrische Energie erzeugt. Die typische chemische Reaktion lautet dabei: 4 NH3 + 3 O2 -> N2 + 6 H20. The NH 3 -driven fuel cell system may include an NH 3 fuel cell that generates electrical energy using NH 3 directly as a fuel. The typical chemical reaction is: 4 NH 3 + 3 O 2 -> N 2 + 6 H 2 0.
Alternativ und/oder zusätzlich kann das NH3-betriebene Alternatively and / or additionally, the NH 3 -powered
Brennstoffzellensystem einen Ammoniakspalter zur Erzeugung von H2 und eine nachgeschaltete Wasserstoff-Brennstoffzelle umfassen, die unter Verwendung des durch den Ammoniakspalter bereitgestellten H2 als Brennstoff elektrische Energie erzeugt. Die typische chemische Reaktion hierfür lautet: 2 H2 + 02 -> 2 H20. Fuel cell system comprising an ammonia splitter for generating H 2 and a downstream hydrogen fuel cell, which generates electrical energy by using the provided by the ammonia splitter H 2 as a fuel. The typical chemical reaction for this is: 2 H 2 + 0 2 -> 2 H 2 0.
Der Wasserstoff kann z.B. durch thermisches Spalten des The hydrogen may e.g. by thermal splitting of the
Ammoniaks in seine Elemente in einem Reformer erzeugt werden. Die typische chemische Reaktion hierfür lautet: 2 NH3 -> N2 + 3 H2. Bestandteil eines solchen Reformers ist üblicherweise eine mit einem Katalysator (z.B. Platin, Palladium usw.) beschichtete temperaturbeständige Keramik. Ammonia can be generated in its elements in a reformer. The typical chemical reaction for this is: 2 NH 3 -> N 2 + 3 H 2 . Part of such a reformer is usually a temperature-resistant ceramic coated with a catalyst (eg platinum, palladium, etc.).
In vorteilhafter Weise kann zwischen dem Ammoniakspalter und der Wasserstoff-Brennstoffzelle ein Molekularsieb angeordnet sein, um aus dem der Wasserstoff-Brennstoffzelle zugeführten H2 Verunreinigungen durch restliches NH3 zu entfernen. Advantageously, a molecular sieve can be disposed between the splitter ammonia and the hydrogen fuel cell to be removed from the current supplied to the hydrogen fuel cell 2 H contamination by residual NH 3.
Den Molekularsieb zwischenzuschalten, ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da je nach Reinheit des von dem However, it is not absolutely necessary to interpose the molecular sieve, since depending on the purity of the
Ammoniakspalter bereitgestellten Wasserstoffs bzw. Ammonia splitter provided hydrogen or
Empfindlichkeit der Wasserstoff-Brennstoffzelle gegenüber Verunreinigungen der erzeugte Wasserstoff direkt der Sensitivity of the hydrogen fuel cell to impurities directly generated hydrogen
Wasserstoff-Brennstoffzelle zugeführt werden kann. Hydrogen fuel cell can be supplied.
In einer anderen Ausgestaltung kann die Energiequelle eine aus dem NH3-Tank gespeiste Verbrennungskraftmaschine umfassen und einen durch die Verbrennungskraftmaschine angetriebenen elektrischen Generator. Die Verbrennungskraftmaschine kann eine mit NH3 als Brennstoff arbeitende In another embodiment, the energy source may comprise an internal combustion engine fed from the NH 3 tank and an electric generator driven by the internal combustion engine. The internal combustion engine may use a NH 3 fuel
Verbrennungskraftmaschine sein. Es ist aber auch denkbar, das aus dem NH3-Tank gespeiste NH3 zu zuvor in N2 und H2 Be internal combustion engine. But it is also conceivable, fed from the NH 3 tank NH 3 to previously in N 2 and H 2
aufzuspalten und dann dass H2 als Brennstoff für die split and then that H 2 as fuel for the
Verbrennungskraftmaschine zu verwenden. Als To use internal combustion engine. When
Verbrennungskraftmaschine kann z.B. ein Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine eingesetzt werden. Es kann in diesem Fall eine Abgasreinigungsvorrichtung vorgesehen sein, welche das durch die Internal combustion engine may e.g. an internal combustion engine or a gas turbine can be used. It may be provided in this case, an exhaust gas purification device, which by the
Verbrennungskraftmaschine erzeugte Abgas von Stickoxiden reinigt, bevor es in die Atmosphäre ausgestoßen wird. Dadurch kann vermieden werden, dass potenziell umweltschädliche  Internal combustion engine generated exhaust gas from nitrogen oxides cleans before it is discharged into the atmosphere. This can avoid potentially harmful to the environment
Stickoxide freigesetzt werden. Nitrogen oxides are released.
Eine andere Variante des Antriebs eines Luftfahrzeugs mit elektrischem Antrieb umfasst: - einen Tank für einen Kraftstoff auf Kohlenwasserstoffbasis wie z.B. Benzin, Diesel oder Kerosin, Another variant of the drive of an aircraft with electric drive comprises: a tank for a hydrocarbon-based fuel such as gasoline, diesel or kerosene,
- eine mit diesem Kraftstoff arbeitende  - one working with this fuel
Verbrennungskraftmaschine,  Internal combustion engine,
- einen durch die Verbrennungskraftmaschine angetriebenen elektrischen Generator, mit dem elektrische Energie - A driven by the internal combustion engine electric generator, with the electrical energy
erzeugbar ist,  is producible,
- ein elektrisch angetriebenes Antriebssystem, welches für den Antrieb des Flugzeuges sorgt, und  - An electrically driven drive system, which provides for the propulsion of the aircraft, and
- ein Energieverteilungssystem, welches die erzeugte - An energy distribution system, which generated the
elektrische Energie dem Antriebssystem bereitstellt.  provides electrical energy to the drive system.
Zur Kühlung des Tanks bzw. des Ammoniaks kann zumindest zeitweise, d.h. bspw. während sich das Luftfahrzeug in der Luft befindet und die Außentemperatur in der Umgebung des Luftfahrzeugs unter einem bestimmten Wert liegt, die For cooling the tank or the ammonia can at least temporarily, i. for example, while the aircraft is in the air and the outside temperature in the vicinity of the aircraft is below a certain value, the
Atmosphäre verwendet werden. Dabei wird ausgenutzt, dass die Temperatur mit der Höhe über dem Boden fällt, so dass ab einer bestimmten Höhe des Luftfahrzeugs eine derart niedrige Außentemperatur vorherrscht, die ausreicht, um das im Tank befindliche Ammoniak auf eine Temperatur herabzukühlen, bei der das Ammoniak in flüssiger Form vorliegt. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere während des Fluges in einer entsprechenden Höhe eine vergleichsweise geringe oder im Idealfall sogar gar keine Energie aufgewendet werden muss, um das Ammoniak zu kühlen. Da der Anteil der zur Kühlung Atmosphere used. It is exploited that the temperature falls with the height above the ground, so that from a certain height of the aircraft such a low outside temperature prevails, which is sufficient to cool the ammonia in the tank to a temperature at which the ammonia in liquid form is present. This has the advantage that in particular during the flight at a corresponding height, a comparatively small or, ideally, no energy whatsoever has to be expended in order to cool the ammonia. As the proportion of cooling
aufzuwendenden Energie recht groß ist, ist mit dieser energy is quite large, is with this
Maßnahme eine deutliche Erhöhung des Wirkungsgrades Measure a significant increase in efficiency
erreichbar . reachable .
Hierzu ist eine Steuerung vorgesehen, die ausgebildet ist, um den Tank thermisch mit der Atmosphäre zu verbinden, wenn die Atmosphärentemperatur in der Umgebung des Luftfahrzeugs unter einem bestimmten Schwellwert Sl liegt. For this purpose, a controller is provided, which is designed to thermally connect the tank to the atmosphere when the atmospheric temperature in the vicinity of the aircraft is below a certain threshold Sl.
Die Steuerung ist weiterhin ausgebildet, um die thermische Verbindung zu unterbrechen, wenn die Atmosphärentemperatur in der Umgebung des Luftfahrzeugs über einem bestimmten The controller is further configured to interrupt the thermal connection when the atmospheric temperature in the environment of the aircraft over a particular one
Schwellwert liegt. Threshold is.
Das Luftfahrzeug kann beispielsweise als Flugzeug oder als Hubschrauber ausgebildet sein. The aircraft may be designed, for example, as an airplane or as a helicopter.
Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Embodiments of the invention with advantageous
Weiterbindlungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden anhand der folgenden Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen: Further developments according to the features of the dependent claims are explained in more detail with reference to the following drawing, but without being limited thereto. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines NH3-betriebenen Fig. 1 is a schematic representation of a NH3-operated
Antriebssystems für ein Luftfahrzeug, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren NH3- betriebenen Antriebssystems für ein Luftfahrzeug,  2 shows a schematic illustration of another NH3-powered propulsion system for an aircraft, FIG.
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren NH3- betriebenen Antriebssystems für ein Luftfahrzeug, 3 shows a schematic illustration of another NH3-powered propulsion system for an aircraft,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems für ein Luftfahrzeug auf Basis eines Kraftstoffs auf Kohlenwasserstoffbasis , Fig. 5 eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Ammoniak-Tanks in schematischer Ansicht, 4 shows a schematic illustration of a drive system for an aircraft based on a hydrocarbon-based aircraft, FIG. 5 shows a cooling device for cooling the ammonia tank in a schematic view,
Fig. 6 den Verlauf der Außentemperatur sowie den Zustand der thermischen Verbindung zwischen Ammoniak-Tank und Atmosphäre in Abhängigkeit von der Zeit. Fig. 6 shows the profile of the outside temperature and the state of the thermal connection between the ammonia tank and the atmosphere as a function of time.
Fig. 1 zeigt ein Luftfahrzeug mit einem NH3-betriebenen Fig. 1 shows an aircraft with a NH 3- powered
AntriebsSystem. Drive system.
Das Luftfahrzeug 11, z.B. ein Flugzeug oder Hubschrauber, enthält einen Brennstofftank 13, in dem sich flüssiges The aircraft 11, e.g. an airplane or helicopter, contains a fuel tank 13, in which liquid
Ammoniak befindet. Der Brennstofftank 13 kann beispielsweise unter Druck gesetzt und/oder gekühlt werden, um das Ammoniak in flüssigem Zustand zu halten. Eine Möglichkeit zur Kühlung des Tanks 13 ist in der Figur 5 dargestellt. Das Ammoniak wird anschließend zu einem Wärmeüberträger geführt und von dort zu einem Ammoniakspalter 15. Diese Reformer erzeugt aus dem Ammoniak Wasserstoff und Stickstoff, wobei das Gasgemisch noch geringe Spuren an Verunreinigungen durch Ammoniak enthalten kann. Anschließend wird das Gasgemisch durch einen Molekularsieb 17 geleitet, um Restspuren von Ammoniak zu entfernen. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn Ammonia is located. The fuel tank 13 may be pressurized and / or cooled, for example, to the ammonia to keep in a liquid state. One possibility for cooling the tank 13 is shown in FIG. The ammonia is then passed to a heat exchanger and from there to a Ammoniakspalter 15. This reformer generated from the ammonia hydrogen and nitrogen, the gas mixture may still contain small traces of contamination by ammonia. Subsequently, the gas mixture is passed through a molecular sieve 17 to remove residual traces of ammonia. This is especially important when
Brennstoffzellen verwendet werden, bei denen Ammoniak zu einer Funktionsbeeinträchtigung führt. Fuel cells are used in which ammonia leads to a functional impairment.
Der in Gasgemisch enthaltene Wasserstoff wird einer The hydrogen contained in the gas mixture becomes one
Wasserstoff-Brennstoffzelle 19 zugeführt. Beispiele für derartige Brennstoffzellen sind unter anderem so genannte Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) , Phosphorsäure-Brennstoffzellen (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) , Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) oder Protonen-Keramik- Brennstoffzellen (Protonic Ceramic Fuel Cell, PCFC) , ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Hydrogen fuel cell 19 supplied. Examples of such fuel cells include, but are not limited to, so-called Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC), Solid Oxide Fuel Cells (SOFC), or Proton Ceramics. Protonic Ceramic Fuel Cells (PCFCs), but are not limited thereto.
Über eine Luftzufuhr 21 kann der Brennstoffzelle 19 Luft zugeführt werden, beispielsweise über ein Gebläse. Wahlweise kann die Luft vor dem Zuführen zur Brennstoffzelle 19 gereinigt werden. Beispielsweise kann das in der Luft enthaltene Kohlendioxid vor Zuführung der Luft zur Via an air supply 21, the fuel cell 19 air can be supplied, for example via a blower. Optionally, the air may be cleaned prior to delivery to the fuel cell 19. For example, the carbon dioxide contained in the air before feeding the air to
Brennstoffzelle 19 entfernt werden, falls der Typ der Fuel cell 19 are removed, if the type of
Brennstoffzelle 19 sonst durch Kohlendioxid in seiner Fuel cell 19 otherwise due to carbon dioxide in his
Funktionsweise beeinträchtigt würde. Functioning would be impaired.
Der in der Luft enthaltene Sauerstoff dient als The oxygen contained in the air serves as
Oxidationsmittel für die Brennstoffzelle 19. Die Oxidizing agent for the fuel cell 19. The
Brennstoffzelle 19 produziert Elektrizität und Abgase, wobei in den Abgasen Rest-Wasserstoff enthalten sein kann. Der in den Abgasen enthaltene Wasserstoff kann in einem Kreislauf wieder gewonnen und der Brennstoffzelle 19 erneut zugeführt werden . Die Elektrizität wird einem intelligenten Fuel cell 19 produces electricity and exhaust gases, which may include residual hydrogen in the exhaust gases. The hydrogen contained in the exhaust gases can be recovered in a circuit and the fuel cell 19 are supplied again. Electricity becomes intelligent
Energieverteilungssystem 23 zugeführt, von wo aus die Power distribution system 23 supplied, from where the
elektrische Energie verwendet wird, um Systeme im Flugzeug mit elektrischer Energie zu versorgen. Electrical energy is used to provide systems in the aircraft with electrical energy.
Das Antriebssystem des Flugzeuges, das für die Propulsion sorgt, kann einen oder mehrere Elektromotoren 25 umfassen, die mit Triebwerken 27 verbunden sind, und so Propeller oder ähnliche Antriebe in Bewegung versetzen. The propulsion system of the aircraft providing the propulsion may include one or more electric motors 25 connected to engines 27, thereby propelling propellers or similar propulsion units.
Die elektrische Energie kann auch dazu verwendet werden, um andere elektrische Systeme wie beispielsweise Stellantriebe 29 oder andere im Flugzeug verwendete Systeme 31 mit The electrical energy may also be used to drive other electrical systems such as actuators 29 or other systems 31 used in the aircraft
elektrischer Energie zu versorgen. to supply electrical energy.
Überschüssige elektrische Energie kann in geeigneten Excess electrical energy can be used in appropriate
Speichermedien wie beispielsweise Batterien, Kapazitäten, Schwungrädern usw. kurzzeitig gespeichert werden und bei Bedarf aus dem Energiespeicher 33 dem System wieder zugeführt werden. Insgesamt erlaubt ein derartiges Antriebssystem einen C02-freien Antrieb des Luftfahrzeugs 11. Storage media such as batteries, capacitors, flywheels, etc. are stored for a short time and, if necessary from the energy storage 33 are fed back to the system. Overall, such a drive system allows a C02-free drive of the aircraft 11th
In einer anderen in Fig. 2 gezeigten Ausgestaltung ist In another embodiment shown in Fig. 2 is
Brennstoffzelle 19' derart ausgebildet, dass sie als Fuel cell 19 'designed such that they as
Brennstoff direkt das Ammoniak verwenden kann. Beispiele für derartige Brennstoffzellen sind Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) oder Protonen-Keramik- Brennstoffzellen (Protonic Ceramic Fuel Cell, PCFC) ,  Fuel can directly use the ammonia. Examples of such fuel cells are solid oxide fuel cells (SOFCs) or proton ceramic fuel cells (PCFCs),
Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) , Mitteltemperatur-Ammoniak-Brennstoffzellen Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), medium temperature ammonia fuel cells
( Intermediate Temperature Direct Ammonia Fuel Cells, IT- DAFC) , ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. In einer anderen Ausgestaltung, gezeigt in Fig. 3, wird keine Brennstoffzelle verwendet. An dessen Stelle findet sich eine mit Ammoniak betriebene Verbrennungskraftmaschine 35. Diese Verbrennungskraftmaschine kann beispielsweise ein Motor sein, der nach dem Diesel-Zyklus arbeitet, ein so genannter HCCI- Motor (für engl: "homogenous Charge compression ignition", homogene Kompressionszündung) oder Ähnliches oder aber auch eine Gasturbine. Die Verbrennungskraftmaschine 35 treibt einen elektrischen Generator 37 an, mit dem elektrische (Intermediate Direct Ammonia Fuel Cells, IT-DAFC), but without being limited thereto. In another embodiment, shown in Fig. 3, no fuel cell is used. In its place there is an ammonia-operated internal combustion engine 35. This internal combustion engine can be for example a motor, operating on the diesel cycle, a so-called HCCI engine (homogeneous charge compression ignition) or the like or else a gas turbine. The internal combustion engine 35 drives an electric generator 37, with the electric
Energie erzeugt wird. Die Generatoren können mit Energy is generated. The generators can with
supraleitenden Magneten ausgestattet sein. be equipped with superconducting magnets.
Die Abgase der Verbrennungskraftmaschine 35 enthalten The exhaust gases of the internal combustion engine 35 included
Stickstoff, Wasser sowie Stickoxide. Die Stickoxide werden bevorzugterweise in einer Reinigungsstufe 39 durch eine Nitrogen, water and nitrogen oxides. The nitrogen oxides are preferably in a purification step 39 by a
Reaktion mit Ammoniak mithilfe eines Zeolithen als Reaction with ammonia using a zeolite as
Katalysator in Stickstoff umgewandelt, z.B. nach den Catalyst converted to nitrogen, e.g. after the
Reaktionsgleichungen reaction equations
4 NO + 4 NH3 + 02 -> 4 N2 + 6 H20 und 4 NO + 4 NH 3 + 0 2 -> 4 N 2 + 6 H 2 0 and
6 N02 + 8 NH3 -> 7 N2 + 12 H20. 6 N0 2 + 8 NH 3 -> 7 N 2 + 12 H 2 0th
Das für die Reaktion notwendige Ammoniak kann aus dem  The ammonia necessary for the reaction can from the
Brennstofftank 13 bereitgestellt werden. Fig. 4 zeigt ein Luftfahrzeug 11, das ähnlich zu dem in Fig. 3 gezeigten Flugzeug aufgebaut ist. Es unterscheidet sich von dem in Fig. 3 gezeigten Flugzeug darin, dass als Kraftstoff für die Verbrennungskraftmaschine 35', mit der der Fuel tank 13 are provided. FIG. 4 shows an aircraft 11 that is similar to the aircraft shown in FIG. 3. It differs from the aircraft shown in FIG. 3 in that as fuel for the internal combustion engine 35 ', with which the
elektrische Generator 37 angetrieben und die elektrische Energie erzeugt wird, nun statt Ammoniak ein Kraftstoff auf Kohlenwasserstoffbasis , wie beispielsweise Diesel, Kerosin oder Benzin angetrieben wird, der in einem Tank 13' gelagert ist . Die Figur 5 zeigt in schematischer Ansicht eine driven electric generator 37 and the electrical energy is generated, now instead of ammonia, a hydrocarbon-based fuel, such as diesel, kerosene or gasoline is driven, which is stored in a tank 13 '. FIG. 5 shows a schematic view of a
Kühleinrichtung 46 zur Kühlung des Tanks 13. Andere  Cooling device 46 for cooling the tank 13. Other
Komponenten wie bspw. der Ammoniakspalter und das Components such as the Ammoniakspalter and the
Molekularsieb etc. sind hier der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Zur Kühlung des Tanks 13 bzw. des im Tank 13 befindlichen Ammoniaks kann zumindest zeitweise, d.h. Molecular sieve etc. are not shown here for the sake of clarity. For cooling the tank 13 or the ammonia contained in the tank 13 can at least temporarily, i.
bspw. während sich das Luftfahrzeug 11 in der Luft befindet, die Atmosphäre verwendet werden. Dabei wird ausgenutzt, dass die Temperatur mit der Höhe über dem Boden fällt, so dass ab einer bestimmten Höhe des Luftfahrzeugs 11 eine derart niedrige Außentemperatur vorherrscht, die ausreicht, um das im Tank 13 befindliche Ammoniak auf eine Temperatur for example, while the aircraft 11 is in the air, the atmosphere may be used. It is exploited that the temperature falls with the height above the ground, so that from a certain height of the aircraft 11 prevails such a low outside temperature, which is sufficient to the ammonia in the tank 13 to a temperature
herabzukühlen, bei der das Ammoniak in flüssiger Form to cool down, at which the ammonia in liquid form
vorliegt. is present.
Der Tank 13 ist zu diesem Zweck derart wärmeleitend mit der Atmosphäre 1 verbunden, dass Wärme vom Tank 13 an die The tank 13 is connected for this purpose so thermally conductive to the atmosphere 1, that heat from the tank 13 to the
Atmosphäre 1 abtransportiert wird. Hierzu kann der Tank 13 über eine thermische Verbindung 41 mit der Außenwand 40 des Luftfahrzeugs 11 verbunden sein, so dass die vom Tank 13 abzuführende Wärme über die Außenwand 40 an die Atmosphäre 1 übertragen wird. Die thermische Verbindung 41 erfolgt bspw. über Wärmeleitung, bspw. durch thermische Brücken in Form von Kühlblechen o.ä. (nicht im Detail dargestellt) , die den Tank 13 direkt oder indirekt mit der Außenwand 40 des Luftfahrzeugs 11 verbinden. Alternativ oder zusätzlich kann die thermische Verbindung 41 zwischen Tank 13 und Außenwand 40 auf dem Effekt der Atmosphere 1 is removed. For this purpose, the tank 13 may be connected via a thermal connection 41 with the outer wall 40 of the aircraft 11, so that the heat to be dissipated from the tank 13 is transmitted via the outer wall 40 to the atmosphere 1. The thermal connection 41 takes place, for example, via heat conduction, for example by thermal bridges in the form of cooling plates or the like. (not shown in detail), which connect the tank 13 directly or indirectly with the outer wall 40 of the aircraft 11. Alternatively or additionally, the thermal connection 41 between the tank 13 and outer wall 40 on the effect of
Wärmekonvektion beruhen, wobei das entsprechende Kühlmittel, bspw. Luft bzw. Wasser, die am Tank 13 aufgenommene Wärme an die Außenwand 40 des Luftfahrzeugs überträgt. Natürlich ist es möglich, verschiedene Ansätze zur  Heat convection based, the corresponding coolant, for example. Air or water, which transfers the heat received at the tank 13 to the outer wall 40 of the aircraft. Of course it is possible to different approaches to
Verflüssigung des Ammoniaks zu kombinieren. Zusätzlich zur Ausnutzung der Atmosphäre kann eine konventionelle Kühlung 42 vorgesehen sein, die insbesondere dann zum Einsatz kommt, wenn die Außentemperatur zu hoch ist, d.h. bspw. in  To combine liquefaction of ammonia. In addition to utilizing the atmosphere, a conventional cooling 42 may be provided which is particularly useful when the outside temperature is too high, i. for example in
Zeiträumen, zu denen sich das Luftfahrzeug 11 auf dem Boden befindet. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine Periods when the aircraft 11 is on the ground. Additionally or alternatively, a
Vorrichtung 43 vorgesehen sein, die den Tank 13 bzw. das darin befindliche Ammoniak unter Druck setzt. Der Tank 13 kann also in Zeiträumen, in denen die Device 43 may be provided which pressurizes the tank 13 or the ammonia therein. The tank 13 can therefore be used in periods in which the
Außentemperatur höher ist, als ein bestimmter Schwellwert, mit einer konventionellen Kühlung 42 gekühlt. In Zeiträumen, in denen die Außentemperatur unter dem Schwellwert liegt, kann auf die konventionelle Kühlung 42 verzichtet werden. Der Schwellwert bestimmt sich zum Einen anhand des Ammoniak- Siedepunktes und zum Anderen in Abhängigkeit von der Art und Wirkungsweise der thermischen Verbindung 41 zwischen Tank 13 und Außenwand 40 des Luftfahrzeugs 11. Bei einer weniger effizienten thermischen Verbindung 41 wird die Outside temperature is higher than a certain threshold, cooled with a conventional cooling 42. In periods when the outside temperature is below the threshold, can be dispensed with the conventional cooling 42. The threshold is determined on the one hand on the basis of the ammonia boiling point and on the other, depending on the nature and mode of action of the thermal connection 41 between the tank 13 and outer wall 40 of the aircraft 11. In a less efficient thermal connection 41 is the
Schwellwerttemperatur entsprechend niedriger gewählt. In einem Temperaturbereich um den Schwellwert herum ist es denkbar, sowohl die konventionelle Kühlung 42 als auch die oben beschriebene Atmosphären-Kühlung zu verwenden. Threshold temperature selected correspondingly lower. In a temperature range around the threshold, it is conceivable to use both the conventional cooling 42 and the atmosphere cooling described above.
Hierzu ist eine Steuerung 44 vorgesehen, die mit einem For this purpose, a controller 44 is provided which with a
Außentemperatursensor 45 verbunden ist, der die Temperatur der Atmosphäre 1 in der Umgebung des Luftfahrzeugs 11 misst. Je nach gemessener Temperatur wird mit Hilfe der Steuerung 44 die geeignete Kühlweise gewählt. Bspw. kann die Steuerung 44 bei zu hoher Außentemperatur die thermische Verbindung 41 unterbrechen und die konventionelle Kühlung 42 in Betrieb nehmen. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuerung 44 auch den Druckerzeuger 43 in Abhängigkeit von der Außentemperatur und/oder von dem Aggregatzustand des Ammoniaks im Tank 13 steuern. Bpsw. kann der Druckerzeuger 43 dann in Betrieb genommen werden, wenn das Ammoniak im Tank in einen Outside temperature sensor 45 is connected, which measures the temperature of the atmosphere 1 in the vicinity of the aircraft 11. Depending on the measured temperature, the suitable cooling mode is selected with the aid of the control 44. For example. For example, if the outside temperature is too high, the controller 44 may break the thermal connection 41 and start the conventional cooling 42. Additionally or alternatively, the controller 44 may also control the pressure generator 43 as a function of the outside temperature and / or the state of aggregation of the ammonia in the tank 13. Bpsw. the pressure generator 43 can then be put into operation when the ammonia in the tank in a
gasförmigen Zustand übergeht. gaseous state passes.
Das Verhalten der Steuerung 44 in Abhängigkeit von der The behavior of the controller 44 as a function of
Außentemperatur TA ist in der Figur 6 dargestellt. Das Outside temperature TA is shown in FIG. The
Diagramm in der Figur 6A zeigt einen Verlauf der Diagram in Figure 6A shows a course of
Außentemperatur TA mit der Zeit t. Ein solcher Verlauf kann sich bspw. ergeben, wenn das Luftfahrzeug 11 zu einen Outside temperature TA with time t. Such a course may, for example, arise when the aircraft 11 becomes one
Zeitpunkt tO startet und an Höhe gewinnt, so dass die Time tO starts and wins in height, so that the
Außentemperatur fällt. Ab einem Zeitpunkt tl verliert das Luftfahrzeug wieder an Höhe, so dass die Außentemperatur TA wieder steigt. Outside temperature drops. From a time tl, the aircraft loses height again, so that the outside temperature TA rises again.
Die Steuerung 44 öffnet und schließt die thermische The controller 44 opens and closes the thermal
Verbindung 41 in Abhängigkeit von der Außentemperatur. Hierzu wird die Außentemperatur TA mit zwei Schwellwerten Sl, S2 verglichen, wobei gilt S2>S1. Die Figur 6B zeigt den Zustand der thermischen Verbindung 41 in Abhängigkeit von der Zeit und synchron zum in der Figur 6A dargestellten Diagramm. Connection 41 depending on the outside temperature. For this purpose, the outside temperature TA with two thresholds Sl, S2 compared, where S2> S1. FIG. 6B shows the state of the thermal connection 41 as a function of time and in synchronism with the diagram shown in FIG. 6A.
Sobald die Außentemperatur TA unter dem Schwellwert Sl liegt, wird die thermische Verbindung 41 zwischen Tank 13 und As soon as the outside temperature TA is below the threshold value Sl, the thermal connection 41 between tank 13 and
Atmosphäre 1 hergestellt, d.h. die Atmosphärenkühlung ist aktiv. Dies ist in der Figur 6B mit dem Zustand "1"  Atmosphere 1 prepared, i. the atmosphere cooling is active. This is the state "1" in FIG. 6B.
symbolisiert. Sobald die Außentemperatur TA jedoch wieder über den Schwellwert S2 mit S2>S1 ansteigt, wird die symbolizes. However, as soon as the outside temperature TA rises again above the threshold value S2 with S2> S1, the
thermische Verbindung 41 wieder geöffnet bzw. unterbrochen, so dass die Atmosphäre nicht mehr zur Kühlung des Tanks 13 beiträgt. Dies ist in der Figur 6B mit dem Zustand "0" symbolisiert . Die Schwellwerte Sl, S2 können natürlich auch den selben Wert haben, d.h. S1=S2. thermal connection 41 again opened or interrupted, so that the atmosphere no longer contributes to the cooling of the tank 13. This is symbolized in FIG. 6B with the state "0". Of course, the threshold values Sl, S2 can also have the same value, i. S1 = S2.
Die Nutzung der Atmosphärenkühlung hat den Vorteil, dass insbesondere während des Fluges in einer entsprechenden Höhe eine vergleichsweise geringe oder im Idealfall sogar gar keine Energie aufgewendet werden muss, um das Ammoniak zu kühlen bzw. im flüssigen Zustand zu erhalten. Da der Anteil der zur Kühlung aufzuwendenden Energie recht groß ist, ist mit dieser Maßnahme eine deutliche Erhöhung des The use of the atmospheric cooling has the advantage that, in particular, during flight at a corresponding height, a comparatively low or ideally no energy has to be expended in order to cool the ammonia or to maintain it in the liquid state. Since the proportion of energy to be expended for cooling is quite large, this measure represents a significant increase in the energy consumption
Wirkungsgrades erreichbar. Efficiency achievable.
Bezugs zeichenliste Reference sign list
I Atmosphäre I atmosphere
II Luftfahrzeug  II aircraft
13 Ammoniaktank 13 ammonia tank
13' Kohlenwasserstofftank  13 'hydrocarbon tank
15 Ammoniakspalter  15 ammonia splitter
17 Molekularsieb  17 molecular sieve
19 Wasserstoff-Brennstoffzelle 19 hydrogen fuel cell
19' Ammoniak-Brennstoffzelle19 'ammonia fuel cell
21 Luftzufuhr 21 air supply
23 Energieverteilung  23 energy distribution
25 Elektromotor  25 electric motor
27 Triebwerk  27 engine
29 Stellantrieb  29 actuator
31 weiteres elektrisches System 31 further electrical system
33 Energiespeicher 33 energy storage
35, 35' Verbrennungskraftmaschine 35, 35 'internal combustion engine
37 elektrische Generator 37 electric generator
39 Abgasreinigung  39 emission control
40 Außenwand  40 outer wall
41 thermische Verbindung  41 thermal connection
42 konventionelle Kühlung  42 conventional cooling
43 Druckerzeugeroder  43 pressure generator or
44 Steuerung  44 control
45 Außentemperatursensor  45 outside temperature sensor
46 Kühleinrichtung  46 cooling device

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11), umfassend1. Electrically powered aircraft (11) comprising
- einen Tank (13) für NH3 zur Bereitstellung von NH3, a tank (13) for NH 3 to provide NH 3 ,
- eine Energiequelle (15, 17, 19, 19', 35, 37), welcher unter Verwendung und Umwandlung von NH3 elektrische Energie erzeugt, an energy source (15, 17, 19, 19 ', 35, 37) which generates electrical energy using and converting NH 3 ,
- ein elektrisch angetriebenes Antriebssystem (25, 27), welches für den Antrieb des Luftfahrzeugs (11) sorgt, und - ein Energieverteilungssystem (23) , welches die erzeugte elektrische Energie dem Antriebssystem (25, 27)  - An electrically driven drive system (25, 27), which provides for the drive of the aircraft (11), and - A power distribution system (23), which the generated electrical energy to the drive system (25, 27)
bereitstellt .  provides.
2. Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach Anspruch 1, 2. Electrically powered aircraft (11) according to claim 1,
wobei das Luftfahrzeug (11) zusätzlich zumindest ein weiteres elektrisches System (29, 31) aufweist, das die zu seinem Betreib notwendige elektrische Energie über das wherein the aircraft (11) additionally comprises at least one further electrical system (29, 31) which supplies the electrical energy necessary for its operation via the
Energieverteilungssystem (23) aus der von der Energiequelle (15, 17, 19, 35, 37) erzeugten elektrischen Energie bezieht. Energy distribution system (23) from the electrical energy generated by the energy source (15, 17, 19, 35, 37) relates.
3. Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 3. Electrically powered aircraft (11) according to one of the preceding claims,
wobei das Luftfahrzeug (11) zusätzlich eine an das wherein the aircraft (11) in addition to the
Energieverteilungssystem (23) angeschlossene Energy distribution system (23) connected
Speichervorrichtung (33) zur Speicherung überschüssig  Storage device (33) for storing excess
erzeugter elektrischer Energie umfasst. generated electrical energy includes.
4. Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 4. Electrically powered aircraft (11) according to one of the preceding claims,
wobei die Energiequelle, die unter Verwendung und Umwandlung von NH3 elektrische Energie erzeugt, eine NH3-betriebenes Brennstoffzellensystem (19, 19') ist. wherein the power source that generates electric power using 3 and conversion of NH, an NH 3 -betriebenes fuel cell system (19, 19 ').
5. Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das NH3-betriebene Brennstoffzellensystem eine NH3- Brennstoffzelle (19') umfasst, die unter direkter Verwendung von NH3 als Brennstoff elektrische Energie erzeugt. 5. Electrically powered aircraft (11) according to the preceding claim, wherein the NH 3 powered fuel cell system comprises an NH 3 fuel cell (19 ') that generates electrical energy using NH 3 directly as a fuel.
6. Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach Anspruch 4 oder 5, 6. Electrically powered aircraft (11) according to claim 4 or 5,
wobei das NH3-betriebene Brennstoffzellensystem einen wherein the NH 3 -driven fuel cell system a
Ammoniakspalter (15) zur Erzeugung von H2 und N2 und eine nachgeschaltete Wasserstoff-Brennstoffzelle (19) umfasst, die Verwendung von H2 als Brennstoff elektrische Energie erzeugt. Ammonia splitter (15) for generating H 2 and N 2 and a downstream hydrogen fuel cell (19), the use of H 2 as a fuel generates electrical energy.
7. Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach dem vorhergehenden Anspruch, 7. Electrically powered aircraft (11) according to the preceding claim,
wobei zwischen dem Ammoniakspalter (15) und der Wasserstoff- Brennstoffzelle (19) ein Molekularsieb (17) angeordnet ist, um aus dem der Wasserstoff-Brennstoffzelle zugeführten H2 Verunreinigungen durch restliches NH3 zu entfernen. wherein between the ammonia splitter (15) and the hydrogen fuel cell (19), a molecular sieve (17) is arranged to remove from the hydrogen fuel cell supplied H 2 impurities by residual NH 3 .
8. Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 8. Electrically powered aircraft (11) according to one of the preceding claims,
wobei die Energiequelle eine aus dem NH3-Tank gespeiste wherein the energy source is one fed from the NH 3 tank
Verbrennungskraftmaschine (35) umfasst und einen durch die Verbrennungskraftmaschine (35) angetriebenen elektrischen Generator (37) umfasst. Internal combustion engine (35) and comprises an electric generator (37) driven by the internal combustion engine (35).
9. Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach dem vorhergehenden Anspruch, 9. Electrically powered aircraft (11) according to the preceding claim,
wobei eine Abgasreinigungsvorrichtung (39) vorgesehen ist, welche das durch die Verbrennungskraftmaschine (35) erzeugte Abgas von Stickoxiden reinigt, bevor das Abgas in die wherein an exhaust gas purification device (39) is provided, which purifies the exhaust gas generated by the internal combustion engine (35) of nitrogen oxides before the exhaust gas in the
Atmosphäre ausgestoßen wird. Atmosphere is ejected.
10. Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Luftfahrzeug (11) als Flugzeug oder als Hubschrauber ausgebildet ist. 10. Electrically powered aircraft (11) according to any one of the preceding claims, wherein the aircraft (11) is designed as an aircraft or helicopter.
11. Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Tank (13) zur Kühlung des Tanks (13) und des im Tank (13) befindlichen NH3 über eine thermische Verbindung (41) mit der Atmosphäre (1) verbindbar ist, wobei über die thermische Verbindung (41) Wärme vom Tank (13) an die Atmosphäre (1) abführbar ist. 11. Electrically powered aircraft (11) according to any one of the preceding claims, wherein the tank (13) for cooling the Tanks (13) and of the tank (13) located NH 3 via a thermal connection (41) with the atmosphere (1) is connectable, via the thermal connection (41) heat from the tank (13) to the atmosphere (1) is deductible.
12. Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach Anspruch12. Electrically powered aircraft (11) according to claim
11, wobei eine Steuerung (44) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, um den Tank (13) thermisch mit der Atmosphäre (1) zu verbinden, wenn die Atmosphärentemperatur in der Umgebung des Luftfahrzeugs (11) unter einem bestimmten Schwellwert (Sl) liegt . 11, wherein a controller (44) is provided, which is designed to thermally connect the tank (13) with the atmosphere (1) when the atmospheric temperature in the vicinity of the aircraft (11) is below a certain threshold value (Sl) ,
13. Elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug (11) nach Anspruch13. Electrically powered aircraft (11) according to claim
12, wobei eine Steuerung (44) ausgebildet ist, um die 12, wherein a controller (44) is adapted to the
thermische Verbindung zu unterbrechen, wenn die interrupt thermal connection when the
Atmosphärentemperatur in der Umgebung des Luftfahrzeugs (11) über einem bestimmten Schwellwert (S2) liegt. Atmospheric temperature in the vicinity of the aircraft (11) is above a certain threshold (S2).
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