C6.3 - DEFCA: Design-space evaluation of the air-, heat- and power-management of fuel cells for aviation

Motivation

In der aktuellen Forschung stehen wasserstoffbasierte Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembranen (PEMFC) als vielversprechender Ansatz zur Reduzierung der Klimawirkung des Luftverkehrs im Mittelpunkt. Da Flugzeuge in einem weiten Bereich 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 hat einen erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad und den Betriebsbereich der Brennstoffzelle und damit auf den Kraftstoffverbrauch, die Abwärme und das Gesamtgewicht des Antriebssystems.

Schwerpunkt des Projekts C6.3 "Design-space evaluation of the air-, heat- and power management of fuel cells for aviation" (DEFCA) ist daher die Identifizierung und Optimierung geeigneter Systemkomponenten und Architekturen für das Luftmanagementsystem, das unter anderem (Turbo-)Verdichter und Turbinen mit zusätzlichem elektrischen Antrieb sowie Wärmetauscher und Befeuchter umfasst. Im Rahmen des Projekts werden diese Komponenten ausgelegt und anschließend im Voll- und Teillastbetrieb nachgerechnet, um präzise Vorhersagen der Leistung und des zu erwartenden Betriebsbereiches zu ermöglichen.

Ziele des Projekts

Ziel des Projekts DEFCA ist es, die vielversprechendste Kombination aller Luftmanagementkomponenten eines brennstoffzellenbetriebenen Mittelstreckenflugzeugs in Voll- und Teillastbetriebspunkten zu finden. Auf der Grundlage von Auslegungsstudien werden geeignete Luftversorgungsarchitekturen analysiert und Einschränkungen des Betriebsbereichs identifiziert. Besonderes Augenmerk wird auf den Verdichter und die Turbine gelegt, da diese einen starken Einfluss auf die Systemverhalten haben. Diese Turbomaschinenkomponenten werden ausgelegt, und es werden allgemeine Auslegungsregeln für das Kathodenluftmanagementsystem abgeleitet. Um den gesamten Flugbereich abzudecken, werden zusätzliche Betriebszustände, die über die typischen Auslegungsparameter hinausgehen, innnerhalb der Off-Design-Leistungsanalyse und -optimierung einbezogen. Die folgenden Forschungsfragen werden untersucht:

• Welche Systemkomponenten begrenzen den Entwurfsraum in welchen spezifischen kritischen Betriebspunkten?
• Welche Systemarchitekturen und Betriebsstrategien erweisen sich unter den gegebenen Randbedingungen als optimal?
• Welche Verdichter- und Turbinendesigns sind am besten geeignet und welche Designverbesserungen bringen den größten Nutzen auf Systemebene mit sich?
• Welche Wechselwirkungen bestehen zwischen dem Flugzeugdesign und dem Luft-, Wärme- und Energiemanagement der Brennstoffzelle?

Methoden

• Entwicklung eines Berechnungsprogramms zur Auslegung und Untersuchung des möglichen Betriebsbereichs und zur Identifikation möglicher Auslegungspunkte für das Kathodenluftversorgungssystem
• Architekturstudien hinsichtlich des Kathodenluftversorgungssystems
• Entwicklung eines Off-Design-Simulationsprogramms für die Analyse des Betriebsverhaltens und zur Optimierung
• Vorauslegung der Turbokomponenten Verdichter und Turbine (Multall) und Auswahl geeigneter Topologien der Turbokomponenten (radial, diagonal oder axial)
• Numerische 3D-Strömungssimulation und Optimierung