Die Luftversorgung von PEM-Brennstoffzellen in großen Flughöhen

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.