Untersuchung möglicher Kopplungsvarianten von Brennstoffzellensystemen für Luftfahrtanwendungen

Kurzfassung

Um die Stromversorgung an Bord von Passagierflugzeugen effizienter zu machen, wird derzeit am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt der Einsatz von PEM-Brennstoffzellensystemen als APU (Auxiliary Power Unit) untersucht. Diese können mit einem hohen Wirkungsgrad Strom erzeugen und produzieren als Nebenprodukte sauerstoffabgereicherte Luft und Wasser. Um das Risiko eines Brandes in den Treibstofftanks zu minimieren, kann die sauerstoffabgereicherte Luft dort als Inertgas verwendet werden. Um die Strom- und Inertgasproduktion für die Anwendung in der Luftfahrt weiter zu optimieren, wurden im Rahmen dieser Diplomarbeit Modifikationen und Kopplungsvarianten von kommerziell erhältlichen Brennstoffzellensystemen untersucht. Dazu wurden mehrere Modifikationen und Kopplungsvarianten erarbeitet und mittels eines Steady-State Simulationsmodells im Programm EES hinsichtlich unterschiedlicher Zielgrößen bewertet. Im Fokus stand, neben der Strom- und Inertgasproduktion, auch die mögliche Betriebsflexibilität der Brennstoffzellensysteme. Im Anschluss an die theoretische Betrachtung wurden einzelne Kopplungsvarianten an einem dafür errichteten Teststand überprüft. Abgeleitet aus Richtlinien der FAA zur Treibstofftanksicherheit wurden als Zielwerte der Inertgasparameter für die Sauerstoffkonzentration mit 11 %Vol. und der Inertgasmassenstrom mit 12,5 g/s festgelegt. Zu Beginn wurden die Reduktion des stöchiometrischen Verhältnisses und die Absenkung der Sauerstoffkonzentration am Kathodeneingang durch eine Kathodengasrezirkulation betrachtet. Des Weiteren wurde die serielle Kopplung der Kathoden von zwei Brennstoffzellensystemen gleicher Art untersucht. Hierbei wurden mehrere Kopplungsmöglichkeiten zur Optimierung der Zielgrößen erarbeitet. In den theoretischen Betrachtungen konnten alle untersuchten Modifikationen und Kopplungsvarianten die Zielwerte erreichen. Hier zeigte sich, dass die modifizierten Einzelsysteme den, unter Einhaltung der Zielwerte, größtmöglichen Betriebsbereich aufweisen. Die experimentellen Untersuchungen konnten die theoretischen Ergebnisse qualitativ bestätigen. Weiter zeigten die Experimente, dass durch Modifizierung bzw. Kopplung der Brennstoffzellensysteme die elektrische Ausgangsleistung beeinträchtigt wird.