In der aktuellen Forschung stehen wasserstoffbasierte Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembranen (PEMFC) als vielversprechender Ansatz zur Dekarbonisierung des Luftverkehrs im Mittelpunkt. Da Flugzeuge in einem weiten Spektrum von Umgebungsbedingungen in Höhen bis zu 12 km betrieben werden, ist ein Schlüsselfaktor für den erfolgreichen Einsatz dieser Technologie ein leistungsstarkes Luftmanagementsystem, das den Brennstoffzellenstapel kontinuierlich mit verdichteter und konditionierter Luft während der gesamten Flugmission versorgt.
Das Luftmanagementsystem umfasst unter anderem (Turbo-)Verdichter und Turbinen mit zusätzlichem elektrischem Antrieb sowie Wärmetauscher und Befeuchter und hat einen maßgeblichen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch, die Abwärme und das Gesamtgewicht des Antriebssystems. In bisherigen Untersuchungen wurde die Leistungsfähigkeit von Luftmanagementsystemen im optimalen Betriebszustand für verschiedene Flugzeugtypen und Flugmissionen umfassend analysiert und optimiert. Dabei wurde ein großer Spielraum für Variationen von Systemarchitekturen in Kombination mit geeigneten Betriebsbedingungen identifiziert, der im Rahmen dieses Projektes untersucht wird.
Das Hauptziel dieser Untersuchung besteht darin, den Betriebsbereich des Luftmanagementsystems zu erweitern, indem zusätzliche Betriebszustände abseits der typischen Auslegungsparameter einbezogen werden. Dies umfasst nicht nur den Reiseflug, sondern auch kritische Phasen wie Start, Steigflug oder Landeanflug. Basierend auf den kritischen Betriebszuständen und -grenzen wird ein Luftmanagementsystem ausgelegt und nachgerechnet. Besonderes Augenmerk wird auf den Verdichter und die Turbine gelegt, da diese eine entscheidende Rolle für das Systemverhalten spielen. Dabei sollen folgende Fragen beantwortet werden:
• Welche Komponenten begrenzen den Betriebsbereich in welchen kritischen Betriebspunkten?
• Welche Systemarchitekturen und Betriebsstrategien erweisen sich als optimal?
• Welche Wechselwirkungen bestehen zwischen dem Flugzeugdesign und dem Luft-, Wärme- und Energiemanagement der Brennstoffzelle?
Gefördert wird das Projekt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG im Rahmen der Deutschen Exzellenzstrategie – EXC 2163/1 - Sustainable and Energy Efficient Aviation – ProjectID 390881007.
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