Modellierung und Charakterisierung eines PEM-Brennstoffzellensystems mit partieller Rezirkulation des Kathodenabgases für den Einsatz im Flugzeug

Kurzfassung

Vor dem Hintergrund, die Umweltbelastung durch den zivilen Luftverkehr zu minimieren und die Ziele der ACARE Vision 2020 zu erreichen, werden an dem Institut für technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) Brennstoffzellensysteme für den Einsatz in der Luftfahrt erforscht und entwickelt. In Kooperation mit Airbus Deutschland wird das Ziel verfolgt, ein PEM-Brennstoffzellensystem in ein Zivilflugzeug zu integrieren, welches aus Wasserstoff und einem Oxidationsmittel wie Sauerstoff der Umgebungsluft elektrische Energie erzeugt. Die Brennstoffzelle kann dabei weitere Funktionen im Flugzeug übernehmen. Unter anderem wird die mögliche Bereitstellung des sauerstoffarmen Kathodenabgases der Brennstoffzelle zur Tank- und Frachtrauminertisierung untersucht. Die vorliegende Arbeit ist innerhalb dieses Kontextes entstanden. In dieser Arbeit wird die partielle Rezirkulation des Kathodenabgases einer Brennstoffzelle untersucht. Bei diesem Konzept wird ein Teil der warmen, feuchten Kathodenabluft mit der Zuluft vermischt und der Brennstoffzelle wieder zugeführt. Dadurch kann die Sauerstoffkonzentration des Abgases gesenkt werden. Zudem wird eine Homogenisierung der Medienverteilung in der Brennstoffzelle ermöglicht. Es wird eine verfahrenstechnische Modellierung des verwendeten PEM-Brennstoffzellensystems durchgeführt, um den Einfluss der Kathodengas-rezirkulation auf die Ausgangsparameter der Abluft und den Wasserhaushalt der Brennstoffzelle zu bestimmen. Das dafür erstellte MATLAB-Simulink® Modell wird mit Hilfe von experimentellen Untersuchungen optimiert und validiert. Mit den experimentellen Untersuchungen werden zudem die Betriebsbereiche des Systems im Betrieb mit abgesenkter Stöchiometrie und mit partieller Rezirkulation bestimmt und die Einflüsse der jeweiligen Betriebsweise auf die Brennstoffzellenleistung verglichen. Es folgen Versuche zur Bestimmung von optimierten Betriebstemperaturen und deren Einfluss auf die Brennstoffzellenleistung.