Simulation von PEM-Brennstoffzellensystemen für Verkehrsflugzeuge

Abstract

Der Systemwirkungsgrad von wasserstoffbetriebenen PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) ist abhängig von den Betriebsparametern, sowie den Umgebungsbedingungen. In der vorliegenden Arbeit wird das Verhalten des Systems bei Veränderung dieser Parameter im Kontext von Luftfahrtanwendungen betrachtet. Insbesondere steht die Verwendung von PEMFC für den Antrieb von Verkehrs-flugzeugen im Regional- und Kurzstreckenbetrieb im Fokus.Für die Untersuchung des Systemwirkungsgrades sowie die Ermittlung von Betriebsgrenzen wird im Rahmen der Arbeit ein 1D-Strömungsbilanzmodell für Brennstoffzellen unter der Annahme von feuchter Luft in „Simscape“ implementiert. Dieses Modell umfasst neben der Brennstoffzelle auch Teile der Wasserstoffversorgung, sowie alle benötigten Schritte, um Sauerstoff aus der Umgebungsluft mit den richtigen Betriebsparametern bereitzustellen. Dabei erfolgen die Schritte der Verdichtung, Temperaturregulierung und Befeuchtung. Da sich im Reiseflug aufgrund des geringen Umgebungsdrucks ein sehr hoher Verdichtungsaufwand ergibt, wird das Sauerstoffsystem um eine Turbine erweitert, mit welcher ein Teil der Verdichtungsenergie, die auch für inerte Gase (vor allem Stickstoff und Argon) aufgewendet werden muss, zurückgewonnen wird.Das implementierte Modell wird verwendet, um anhand eines Referenzflugzeuges den Einfluss des Betriebsdrucks auf den Systemwirkungsgrad zu untersuchen. Aufgrund des zunehmenden Verdichtungsaufwands ergibt sich, dass der Systemwirkungsgrad bei konstantem Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems mit steigender Flughöhe abnimmt. Der Wirkungsgrad verbessert sich bei geringeren Betriebsdrücken, ist aber für die Erhaltung der Wasserbilanz nach unten hin begrenzt. Weiters zeigt sich, dass die Berücksichtigung des Staudrucks des Flugzeuges den Verdichtungsaufwand deutlich reduziert und den Gesamtwirkungsgrad dadurch verbessert.Das im Rahmen der Diplomarbeit erstellte Modell eignet sich für die Vorauslegung von mit Brennstoffzellen betriebenen Flugzeugen. Durch seine flexible Implementierung können Parameter schnell ausgetauscht oder neue Systembausteine hinzugefügt werden.

The system efficiency of hydrogen-powered PEMFC (polymer electrolyte membrane fuel cell) depends on the operating parameters and environmental conditions. This thesis focuses on the behavior of a fuel cell system in the context of aviation applications due to changes on the operating conditions. In particular, the focus is on the use of PEMFC for the propulsion of commercial aircrafts in regional and short-haul operations.For the investigation of the system efficiency and the determination of operating limits, a 1D-flow-balance-model for fuel cells is implemented in "Simscape" assuming moist air. In addition to the fuel cell, this model also includes parts of the hydrogen supply and all steps required to provide oxygen from ambient air with correct operating parameters. The steps of compression, temperature regulation and humidification take place. Due to low ambient pressure during cruising flight, the compression power is very high; therefore, the oxygen system includes a turbine, in order to partially recover the compression energy.The implemented model is used to investigate the influence of the operating pressure on the system efficiency using a reference aircraft. The results show that with increasing altitude the system efficiency decreases under constant operating pressure due to growing compression effort. The efficiency improves for lower operating pressures but is limited to a minimum in order to maintain a positive water balance. Furthermore, it is shown that the consideration of dynamic pressure significantly reduces the compression effort and thus increase the overall efficiency.The model created as part of this thesis can be used for the preliminary design of fuel-cell-powered aircrafts. Due to its flexible implementation, parameters can be easily exchanged, or new system components can be added.