Optimierung eines Direktbefeuchtungssystems für PEM-Brennstoffzellen in der Luftfahrt

Abstract

Brennstoffzellenantriebsstränge gelten als Schlüsseltechnologie für eine CO2-neutrale Luftfahrt. Ihr hohes Volumen und Gewicht mindern jedoch die Konkurrenzfähigkeit gegenüber konventionellen Triebwerken. Insbesondere die herkömmlichen Membranbefeuchter weisen eine hohe volumetrische und gravimetrische Dichte auf. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Optimierung eines kompakten Direktbefeuchtungssystems, bei dem Flüssigwasser direkt in der Kathodenzuluft zerstäubt wird. Hierzu erfolgt ein Versuchsstandsaufbau auf Basis eines thermodynamischen Berechnungsmodells mithilfe normbasierter Methoden und Vorversuchen. Die Analyse der Einflussfaktoren Eintrittsdruck, Eintrittstemperatur, Luftmassenstrom und Wasservolumenstrom basiert auf einem I-optimalen Versuchsdesign. Ein Response-Surface-Modell wird zur Beschreibung von Austrittstemperatur, relativer Feuchte und Wasserausnutzungsgrad ermittelt und Betriebspunkte mittels Multiple-Response-Optimisation optimiert.

Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere ein hoher Befeuchtungsgrad und eine gute Skalierbarkeit konstruktive Herausforderungen darstellen und sich die Hohlkegeldüse als geeignete Zerstäuberart erweist. Die Hinzunahme einer stromabwärts gelegenen Nachverdunstung ist vorteilhaft und erhöht die relative Feuchte gegenüber einer Konfiguration ohne Nachverdunstung um bis zu 0,56. Der Druckverlust weist keine nennenswerte Erhöhung auf.

Das entwickelte statistische Modell weist aufgrund einer hohen Datenvariabilität eine begrenzte Vorhersagegenauigkeit auf. Eine statische Validierung der Modelle wird nur eingeschränkt erreicht, dennoch wird die prinzipielle Eignung für eine dynamische Regelung demonstriert. Bei geringen Luftmassenströmen und hohen Wasservolumenströmen, die außerhalb des Versuchsraums liegen, ist eine Vorhersage im dynamischen Betrieb eingeschränkt möglich, jedoch können relative Feuchten und Wasserausnutzungsgrade von bis zu 1,0 über den Flugverlauf hinweg erzielt werden. Bei höheren Luftmassenströmen wird hingegen keine ausreichende Befeuchtung mit überwiegend < 0,2 erreicht, was auf große Düsenöffnungswinkel und verstärkte Wasseransammlungen an der Rohrwand zurückzuführen ist.

Insgesamt wird ein Befeuchtungskonzept erarbeitet und dessen Anwendbarkeit für die Befeuchtung der Kathodenzuluft demonstriert. Zudem zeigen sich gegenüber konventionellen Membranbefeuchtern energetische Vorteile hinsichtlich erreichbarer Befeuchterleistung und des Druckverlusts. Untersuchungen in Hinblick auf ein verbessertes Beschreibungsmodell, eine Optimierung der Direktbefeuchterkonfiguration sowie eine Systembetrachtung sind Gegenstand zukünftiger Arbeiten.