Integration von Brennstoffzellen in Flugzeugbordnetze

Konventionell wird das Flugzeug heute in den Bodenphasen durch eine fest installierte bzw. mobile Bodenstromversorgung oder mit einer kerosinbetriebenen Gasturbine (engl. Auxiliary Power Unit, APU) mit elektrischer Energie versorgt. Die APU weist allerdings nur eine geringe Effizienz und zudem einen hohen Geräuschpegel auf. Somit ist die Substitution der APU durch ein multifunktionales Brennstoffzellensystem (engl. Multi Functional Fuel Cell System, MFFCS) eine geeignete Alternative für zukünftige Verkehrsflugzeuge.

Neben einer hohen Effizienz muss ebenfalls sichergestellt werden, dass das Gewicht des MFFCS nicht das der substituierten Komponenten übersteigt. Im elektrischen Teil des Brennstoffzellensystems sind die Stacks und die benötigten elektrischen Wandler die schwersten Einzelkomponenten. Durch Identifikation der Einflussparameter zur elektrischen Integration von multifunktionalen Brennstoffzellensystemen wird eine gewichtsoptimale elektrische Anschlussarchitektur erreicht werden. So kann z. B. durch Integration eines elektrischen Bypasses die gravimetrische Leistungsdichte des benötigten DC/DC-Wandlers signifikant gesteigert werden. Eine Erhöhung der Flugzeugbordnetzspannung durch die Integration einer ±270 Vdc Übertragung oder auch die serielle Verschaltung von Brennstoffzellenstacks führt zu kleineren Strömen bei gleichbleibender Leistung. Dies dient der Gewichtsreduzierung der jeweiligen Systemkomponenten sowie der Effizienzsteigerung gegenüber dem Stand der Technik. Zur Unterstützung der elektrischen Brennstoffzellendynamik ist ein gewichtsoptimierter Kurzzeitenergiespeicher in das entwickelte Systemmodell integriert.
Ein speziell für den Einsatz von kurzschlussstromlimitierten Energiequellen entwickelter passiver, primärer Unter- und Überspannungsschutz stellt zudem eine geeignete Alternative zu den herkömmlichen Netzschutzkonzepten dar. Eine Zuverlässigkeitsanalyse zeigt die behördlich geforderte geringe Ausfallwahrscheinlichkeit der entwickelten elektrischen Anschlussarchitektur. Abschließend erfolgt eine Untersuchung bezüglich der Auswirkungen dieser optimierten Architektur auf die Gesamtsystemebene. Um die theoretischen Untersuchungen zu verifizieren, ist im Rahmen dieser Arbeit ein multifunktionaler Teststand aufgebaut worden.