Entwurf und Analyse von Zwei-Phasen-Kühlsystem-Architekturen für Brennstoffzellen in elektrifizierten Verkehrsflugzeugen

Abstract

Um die Ziele der von der Europäischen Kommission eingeführten Richtlinie Flight Path 2050 zu erreichen und den Luftverkehr klimaneutraler zu gestalten, muss die Energieeffizienz zukünftiger Verkehrsflugzeuge gesteigert werden. Eine Möglichkeit besteht in einer Elektrifizierung der Flugzeugsysteme, da elektrische Systeme im Vergleich zu konventionellen mechanischen, pneumatischen und hydraulischen Systemen eine verbesserte Umweltbilanz und eine gesteigerte Wirtschaftlichkeit aufweisen. Der erhöhte elektrische Leistungsbedarf kann mithilfe eines Brennstoffzellensystems möglichst emissionsarm bereitgestellt werden. Da Brennstoffzellen nicht verlustfrei operieren, steigt die produzierte Abwärme bei einem gesteigerten elektrischen Energiebedarf. Bei einem elektrifizierten Airbus A320 wird eine maximale elektrische Brennstoffzellenleistung von 500 kW vorgegeben. Wärmelasten in dieser Größenordnung erfordern neuartige Kühlsysteme, welche in der vorliegenden Arbeit modelliert werden. Die untersuchten Kühlsystemarchitekturen basieren auf dem Konzept der Verdampfungskühlung, da diese Kühlmethode aufgrund der zusätzlich nutzbaren Verdampfungsenthalpie des Kühlmediums hohe Kühlleistungen verspricht. In der vorliegenden Arbeit wird ein Brennstoffzellen-Referenzsystem erstellt, um die Wärmeströme der Wärmequellen und -senken, welche die Schnittstellen zum Kühlsystem bilden, zu berechnen. In diesem Zusammenhang werden der Reiseflug und der Rollvorgang an einem heißen Tag als dimensionierende Lastfälle identifiziert. Um die geforderten Schnittstellen-Parameter zum Kühlsystem einzuhalten, werden eine Pumpenumlauf- und eine Kaltdampfprozess-Kühlarchitektur entwickelt. Ein nachfolgender Kühlmittelvergleich zeigt auf, dass das Kühlmedium R245fa für beide Kühlarchitekturen am besten geeignet ist. Die Kühlsysteme mit R245fa als Kälteträger werden anschließend so dimensioniert, dass sie die nötige Kühlleistung und die geforderten Temperaturen an den Wärmeübertragern in beiden Betriebszuständen bereitstellen können. Die Simulation wird bei einer Vernachlässigung sowie einer Berücksichtigung von in den Wärmeübertragern auftretenden Druckverlusten durchgeführt. Die in log(p),h-Diagrammen visualisierten Kreisprozesse zeigen zusammen mit einem Vergleich der Wärmeübertrager-Dimensionen, des Kühlmittelmassenstroms, des Stauluftmassenstroms sowie des maximalen Systemdrucks eine bessere Leistungsfähigkeit der Kaltdampfprozess-Architektur gegenüber der Pumpenumlauf Architektur. Die Pumpenumlauf-Architektur ist dennoch prinzipiell ebenfalls als Kühlsystem für die in dieser Arbeit vorliegende Problemstellung geeignet.