Motivation mit Zielsetzung
Die Entwicklung von PEM-Brennstoffzellen für Flugzeuganwendungen ist von großer Bedeutung, um den Herausforderungen in der Luftfahrtindustrie zu begegnen. Eine zentrale Motivation liegt in der Notwendigkeit, das Fliegen umweltfreundlicher und nachhaltiger zu gestalten. Ein weiterer entscheidender Faktor ist die Gewichtsreduzierung des Flugzeugs. Im Vergleich zu konventionellen Verbrennungsmotoren sind Brennstoffzellen leichter, was eine effizientere Kraftstoffnutzung ermöglicht. Das reduzierte Gesamtgewicht des Flugzeugs führt zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch und ermöglicht eine hohe Reichweite.
Obwohl die anfänglichen Kosten für die Entwicklung und Implementierung von Brennstoffzellen hoch sein können, werden langfristig niedrigere Betriebskosten erwartet. Zusätzlich können die über die Luftfahrt hinausgehenden Anwendungspotenziale und das wachsende Bewusstsein für umweltfreundliche Technologien die Investitionen in diese wegweisende Technologie rechtfertigen und vorantreiben.
Stand von Wissenschaft und Technik mit Neuheit des Lösungsansatzes
PEM-Brennstoffzellen repräsentieren interdisziplinäre Technologien, bei denen die Arbeitsprinzipien Physik, Chemie und Elektrochemie in verschiedenen Bereichen integrieren. Infolgedessen wird ihre Entwicklung von vielfältigen Faktoren beeinflusst, die einzigartige Herausforderungen darstellen. Die Simulation und Modellierung dieser Systeme wird komplex, da die internen Prozesse innerhalb der Zellen, wie Strömungsmuster, Reaktionskinetik und Wassertransportmechanismen, nicht direkt beobachtet werden können. Die Verbesserung von PEM-Brennstoffzellen erfordert eine harmonische Verbindung von Theorie und Praxis, wobei die Stärken jeder Methode genutzt und ihre Einschränkungen ausgeglichen werden.
Um dies zu erreichen, ist es unerlässlich, Simulationen und Modellierungen dieser Systeme durchzuführen. Jedoch sind genaue Tests und Messungen auf dem Prüfstand notwendig, um die Brennstoffzelle vollständig zu charakterisieren und ihr Verhalten unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu verstehen. Anhand der Testergebnisse kann das Brennstoffzellensystem simuliert und verbessert werden, indem intelligente und vorausschauende Steuerungsstrategien entwickelt werden, die die Gesamteffizienz des Systems verbessern sollen. Der anschließende Schritt beinhaltet die Überprüfung und Validierung der Simulationsergebnisse auf dem Prüfstand.
Das faszinierendste Element dieses Teilprojekts ist der Aufbau vollautomatisierter Teststände für PEM-Brennstoffzellensysteme und PEM-Brennstoffzellen-Stapel im Rahmen des Projekts ELAPSED. Diese Teststände sind aufgrund ihrer hohen Kosten und Komplexität selten und viele Forscher verlassen sich ausschließlich auf Simulationen ohne Validierung in der realen Welt. Mit dem Projekt ELAPSED besteht jedoch eine bemerkenswerte Möglichkeit, die Grenzen der Technologie zu erweitern und ein System zu entwickeln, das an vorderster Front des Fortschritts steht.
Ergebnisse
Im Entwicklungsprozess von Brennstoffzellensystemen wurde als erster Schritt die Einrichtung einer Testbank für Brennstoffzellen und einer Wasserstoffproduktionseinheit geplant. Zwei vollautomatisierte Teststände für PEM-Brennstoffzellensysteme und Kurzstapel stehen zur Verfügung und werden derzeit installiert und in Betrieb genommen. Darüber hinaus werden PEM-Brennstoffzellensysteme und Stapel von PowerCell geliefert, einem weltweit bekannten Pionier und Lieferanten von PEM-Brennstoffzellen für verschiedene Anwendungen.
Abbildung 1: Power train Modell
Parallel zur Vorbereitung der Prüfstände und Einrichtungen wurde ein Simulationsmodell entwickelt, das ein vereinfachtes Modell eines Hybridantriebs mit Flugzeuganwendung darstellt, bestehend aus einem Batteriepack und einem PEMFC-System. Mit Hilfe dieses Modells wurde gezeigt, dass die Brennstoffzellentechnologie in der Luftfahrtindustrie implementiert werden kann und konventionelle Strahltriebwerke ersetzen kann.
Abbildung 2: Simulationsergebnisse
Für die verbleibende Zeit ist ein umfassendes Testprotokoll geplant, um den Brennstoffzellenstapel und das System gründlich zu charakterisieren. Anschließend werden die Charakterisierungsergebnisse in das Brennstoffzellenstapel-Simulationsmodell eingespeist, um ein präzises und genaues Modell zu erhalten. Durch das Vorhandensein eines genauen Modells des Brennstoffzellensystems wird eine vorhersagende und intelligente Steuerungsstrategie entwickelt und zuerst auf Simulationsebene getestet, bevor die Validierung der Simulationsergebnisse auf der Prüfstand erfolgt.
Verwertungsperspektive
Insgesamt bieten PEM-Brennstoffzellen größte Potentiale für Antriebssyste in zivilen wie auch bei militärischen Luftfahrt. Ihre Effizienz, Umweltfreundlichkeit und der Beitrag zum technologischen Fortschritt machen sie zu einem Schlüsselelement für eine nachhaltige und verantwortungsbewusste Luftfahrtindustrie.
Ansprechpartner und am Projekt beteiligte Mitarbeiter