Reuse of Compressed Cabin Air as an Oxidant in a Fuel Cell Auxiliary Power Unit

Abstract

Das Konzept des More Electric Aircraft (MEA), bei dem wichtige, energieintensive Systeme wie die Klimatisierung elektrifiziert werden, kann dazu dienen, den Wirkungsgrad zu erhöhen und das Systemgewicht zu senken. Herkömmliche Flugzeuge sind auf Zapfluft aus den Triebwerken angewiesen, um verschiedene Systeme mit Energie zu versorgen. In modernen MEA-Konzepten werden pneumatische Systeme durch elektrische Systeme ersetzt. Triebwerksgetriebene Generatoren werden eingesetzt, um die benötigte elektrische Energie bereitzustellen. Um die Effizienz weiter zu steigern und den Verbrauch fossiler Brennstoffe zu senken, untersucht diese Arbeit den Einsatz einer mit Wasserstoff betriebenen Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle als Hilfstriebwerk. Dies soll als alternatives Konzept zur Energieversorgung im Flugzeug dienen.Die vorgeschlagene Architektur für das Hilfstriebwerk nutzt komprimierte Kabinenabluft als Oxidationsmittel für die Brennstoffzelle, wodurch der Energiebedarf für die Luftkompression deutlich sinkt. Verschiedene Systemkonfigurationen wurden mit MATLAB R2025a modelliert und bewertet. Im Basiskonzept umfasst das Hilfstriebwerk einen Kompressor, der die Kabinenabluft verdichtet, gefolgt von einem Befeuchter und einem Wärmetauscher zur Aufbereitung der Luft vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle, sowie einer Expansionsturbine zur Rückgewinnung der Volumenänderungsarbeit der Luft. In einer zweiten Konfiguration wird die Lufttemperatur durch eine Brennkammer zwischen Brennstoffzelle und Turbine erhöht, um die Kondensation des nach der Brennstoffzelle vorhandenen Wasserdampfes innerhalb der Turbine zu verhindern.Parameterstudien des Betriebsdrucks der Brennstoffzelle zeigen, dass bei Verwendung einer Brennkammer höhere Betriebsdrücke für die Brennstoffzelle vorteilhaft sind, während ohne die Brennkammer niedrigere Drücke zu einem höheren Wirkungsgrad führen. Verglichen mit einer Brennstoffzelle, die Umgebungsluft nutzt, kann die Wiederverwendung von Kabinenluft den Systemwirkungsgrad um bis zu 13 Prozent verbessern. Der spezifische Treibstoffverbrauch kann um 11.5 Prozent gesenkt werden, während das System rund 1 MW elektrische Leistung bei einem typischen Schmalrumpfflugzeug liefert.

The concept of more electric aircraft (MEA), in which major power-demanding systems, such as the environmental control system (ECS), are electrified, can be used to reduce system weight and improve overall efficiency. Conventional aircraft rely on engine bleed air as an energy source for various systems. In modern MEA designs, pneumatic systems are replaced by electrical systems that use engine-driven generators to supply electrical power. To further enhance efficiency and reduce fossil fuel consumption, this thesis investigates the use of a hydrogen-powered proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC) auxiliary power unit (APU) as an alternative power source. The proposed FC APU architecture reuses compressed cabin air as the oxidant for the FC, thereby significantly reducing the energy required for air compression. Various system configurations were modeled and evaluated using MATLAB R2025a. In the baseline concept, the FC APU includes a compressor that draws air from the cabin outflow. It is followed by a humidifier and a heat exchanger to condition the air before it enters the FC. An expansion turbine recovers the pressure-volume work before the outlet. In a second configuration, a hydrogen combustor between the FC and the expansion turbine raises the air temperature to prevent water vapor from the FC from condensing within the turbine.Parametric studies of the FC operating pressure indicate that higher FC pressures are favorable with the combustor configuration, while lower pressures yield higher efficiency without it. Overall, reusing cabin air as the oxidant can improve system efficiency by up to 13 percent and reduce specific fuel consumption by 11.5 percent compared to an FC APU using ambient air, while providing around 1 MW of electrical power for a typical single-aisle medium-range aircraft.