Performance- und Degradationsanalyse eines Multi-stack fuel cell systems für wasserstoffbetriebene Flugzeugantriebe in der CS-25-Klasse

Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht die Performance und Degradation eines wasserstoffbasierten Multi-Stack-Brennstoffzellensystems für luftfahrtrelevante Anwendungen im CS25-Kontext. Grundlage der Untersuchungen bildet die BALIS-Testanlage des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt, an der ein Multi-Stack-Fuel-Cell-System hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Energieflüssen und Wirkungsgraden systematisch charakterisiert wurde. Das untersuchte System besteht aus zwölf identischen Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzellenmodulen mit einer Leistung von jeweils 100 kW, die in einer 2-Serien-/6 Parallel-Architektur verschaltet sind. Dabei wurden sowohl die elektrische Leistungsbereitstellung als auch die Energie- und Verlustbilanz des Gesamtsystems analysiert. In der Performanceanalyse wurden Nettowirkungsgrade des MFCS im Bereich von 36–46% über einen breiten Betriebsbereich von 600A bis 2250A festgestellt. Zudem wurde eine detaillierte Fehlerband- und Verlustanalyse durchgeführt. Zur Bewertung des Langzeitverhaltens wurden relevante Degradationsmechanismen von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen literaturbasiert eingeordnet und auf die Betriebsbedingungen der BALIS-Anlage übertragen. Mithilfe eines Degradationstrackings auf Basis standardisierter Polarisationskurven sowie aufgezeichneter Betriebsdaten wurde der zeitliche Leistungsverlauf einzelner Systeme untersucht und bewertet. Bei der Degradationsanalyse wurden einerseits über 14 Betriebsstunden hinweg Leistungsdegradationen von bis zu 1,7% und andererseits über 32 Betriebsstunden hinweg Leistungssteigerungen von bis zu 2,9% festgestellt. Besonderes Augenmerk lag dabei auf degradationsfördernden Betriebs zuständen sowie auf reversiblen und irreversiblen Anteilen der Leistungsabnahme. Abschließend wurden vier literaturbasierte Regenerationsansätze hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit unter realen Randbedingungen der BALIS-Anlage angepasst und als konkrete Prozeduren ausgearbeitet. Die entwickelten Regenerationsverfahren wurden experimentell durch geführt und anhand definierter Bewertungsgrößen auf ihre Wirksamkeit überprüft. Dabei stellten sich Spannungspulse als einziges Verfahren heraus, das eine signifikante Leistungssteigerung von etwa 0,4% bewirken konnte. Die drei anderen Verfahren - Spannungssweeps, flüssiges Wasser infolge von Temperaturschocks und JRC - erzielten keine Leistungsverbesserung. Der insgesamt geringe Einfluss der Regenerationsverfahren wird auf anlagenspezifische Randbedingungen, Eingriffe der Brennstoffzellenregelung sowie auf eine insgesamt geringe reversible Degradation der Brennstoffzellen zurückgeführt. Dennoch legen die Ergebnisse nahe, dass eine gezielte Reduktion reversibler Degradation zur Stabilisierung der Systemperformance zukünftiger, luftfahrtnaher Multi-Stack-Brennstoffzellensysteme beitragen kann. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden Vorschläge zur Verbesserung der Anlagenfunktionen und der Steuerungsansätze sowie für zukünftige Betriebs- und Regenerationsstrategien wasserstoffbasierter Brennstoffzellensysteme in der Luftfahrt abgeleitet.