T. Wittmann, T. Hertwig, S. Lück, I. Zenyuk, J. Friedrichs

Das Luftmanagementsystem eines Brennstoffzellenflugzeugs versorgt die Brennstoffzelle mit verdichteter, befeuchteter und erwärmter Umgebungsluft. Die Wahl der optimalen Betriebsparameter und der besten Systemarchitektur ist insbesondere in großen Flughöhen eine komplexe Optimierungsaufgabe. Diese Arbeit untersucht auf Grundlage eines analytischen Modells den Entwurfsraum eines solchen Luftmanagementsystems. Als wichtigste Freiheitsgrade konnten die Wahl des Verdichtungsverhältnisses, der Sauerstoffstöchiometrie und der Befeuchtung stromauf der Brennstoffzelle identifiziert werden. Die wesentlichen Limitierungen des Entwurfsraums sind die Wasserbilanzen von Brennstoffzelle und System, sowie die maximal mögliche Befeuchtung. Für zwei Anwendungsfälle wurden optimale Betriebsparameter und Systemarchitekturen bestimmt. Es wurde gezeigt, dass Turbinen von grundlegender Bedeutung für den Wasserhaushalt und die Effizienz des Systems sind. Außerdem ist in den meisten Fällen eine Verdampfungskühlung der verdichteten Luft ausreichend. Ein Wärmetauscher wird nicht benötigt.

The air management system of a fuel cell aircraft supplies the fuel cell with compressed, humidified, and heated ambient air. Selecting the optimal operating parameters and the best system architecture is a complex optimization task, especially at high altitudes. This work investigates the design space of such an air management system based on an analytical model. The most important degrees of freedom identified were the choice of compression ratio, oxygen stoichiometry, and humidification upstream of the fuel cell. The main limitations of the design space are the water balances of the fuel cell and the system, as well as the maximum possible humidification. Optimal operating parameters and system architectures were determined for two use cases. It was shown that turbines are fundamental to the water balance and the efficiency of the system. Furthermore, evaporative cooling of the compressed air is sufficient in most cases. A heat exchanger is not required.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2022, Dresden

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2022

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 10 Seiten

urn:nbn:de:101:1-2022102815271972499778

10.25967/570196

Brennstoffzelle, Luftversorgung, Befeuchtung, Wasserhaushalt, Kondensation, Verdichter, Turbine

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Wittmann, T.; Hertwig, T.; et al. (2022): Die Luftversorgung von PEM-Brennstoffzellen in großen Flughöhen. Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V.. (Text). https://doi.org/10.25967/570196. urn:nbn:de:101:1-2022102815271972499778.

28.10.2022