Modellbasierte optimale Auslegung eines Brennstoffzellensystems zum Antrieb eines Flugzeugs

Abstract

In dieser Arbeit wird ein Simulationsmodell eines Brennstoffzellenantriebs für ein Flugzeugmodell vorgestellt, mit dem Untersuchungen zur Optimierung der Stackkonfiguration des Brennstoffzellensystems anhand von simulierten Flügen durchgeführt wurden. Dabei wurden ausgehend von einem vorgegebenen Flugprofil unter der Berücksichtigung von Verlusten des Antriebsstrangs kontinuierlich Leistungsanforderungen für das Brennstoffzellensystem ermittelt. Durch die Abbildung aller Balance-of-Plant-Komponenten und ihrer Eigenschaften wurde die realistische Wiedergabe ihres Leistungsbedarfs ermöglicht. Mit diesem Simulationsmodell wurde eine effiziente Auslegung des Brennstoffzellensystems durch Variation der Stackkonfigurationen ermittelt. Für das verwendete Flugzeugmodell wurde ermittelt, dass optimale Wirkungsgrade des Brennstoffzellensystems sich bei niedriger Auslastung der Stacks einstellen. Die niedrigste Auslastung der Stacks bei vorgegebener Zellzahl wurden erreicht, wenn eine festgelegte Anzahl Zellen auf die geringstmöglich Anzahl an Stacks aufgeteilt wurde, mit der eine Einhaltung der maximalen Zellzahl pro Stack möglich war. Eine Aufteilung der Zellen auf mehr Stacks als notwendig erhöhte die Gesamtmasse des Systems und reduzierte den Stackwirkungsgrad. Dieser wurde als dominierender Einflussfaktor für den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems identifiziert. Anschließend wurde nachgewiesen, dass eine Erhöhung der Zellzahl pro Stack den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems weiter verbessern kann. Für folgende Arbeiten bietet das entwickelte Simulationsmodell die Möglichkeit, durch weiterführende Untersuchungen die Effizienz dieses Antriebssystems weiter zu steigern, etwa durch die Variation der Zellfläche oder den Vergleich verschiedener verfügbarer Komponenten.