Die Netto-Null-Ziele der Luftfahrt erfordern sowohl nachhaltige Kraftstoffe als auch hocheffiziente, emissionsarme Antriebssysteme. Das von der EU finanzierte Projekt HYLENA untersucht ein innovatives Antriebskonzept auf Wasserstoffbasis, bei dem eine optimierte Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) in eine Gasturbine (GT) integriert wird, um Energie aus dem Abgasstrom der SOFC zurückzugewinnen.
Die kombinierte Nutzung von elektrischer und thermischer Energie hat das Potenzial, einen hohen Gesamtwirkungsgrad (bis zu ηth ≈ 70 %) bei niedrigen NOX- und null CO2-Emissionen während des Fluges zu erreichen. Dennoch erfordert der Einsatz von SOFCs in der Luftfahrt eine deutliche Steigerung der gravimetrischen Leistungsdichte vom aktuellen Stand der Technik für planare Designs von etwa 0,1 bis 0,5 kW/kg auf die von HYLENA angestrebten Werte von etwa 3,0 kW/kg. Diese Anforderung bildet daher eines der Kernziele der Technologie-Scouting-Aktivitäten.
Das Bauhaus Luftfahrt hat technologische Wege zu SOFC-Stack-Konzepten identifiziert und bewertet, die eine hohe gravimetrische und volumetrische Leistungsdichte bieten und gleichzeitig die für die Luftfahrt relevanten Robustheitskriterien unter dynamischen Bedingungen erfüllen. [1]
Die Abbildungen 1 und 2 fassen die aktuelle Struktur der SOFC-Trägerkonzepte zusammen und zeigen, wie sich elektrolyt-, anoden- und metallgestützte Strukturen unter verschiedenen Kompromissen entwickeln. Elektrolyt- und anodengestützte Zellen sind nach wie vor die ausgereiftesten und am weitesten verbreiteten, während metallgestützte Zellen sich als besonders attraktive Kandidaten für Luftfahrtanwendungen herauskristallisieren.
Parallel dazu gewinnen alternative Strukturkonfigurationen an Bedeutung. Insbesondere mikroröhrenförmige und monolithische SOFC-Konstruktionen bieten ein erhebliches Potenzial für Gewichtsreduzierung und kompakte Integration, da sie die schweren Verbindungsplatten herkömmlicher planarer Konstruktionen überflüssig machen. Zusammen unterstreichen diese Entwicklungen die wachsende Bedeutung fortschrittlicher SOFC-Architekturen als Wegbereiter für hocheffiziente SOFC-GT-Konzepte in zukünftigen Flugzeugantriebssystemen.
Überblick SOFC-Unterstützungsschichten
Zeitleiste, die die anfängliche Entwicklung der SOFC-Unterstützungstechnologien mit den ungefähren Dicken und Betriebstemperaturen der aktuellen Generationen zeigt.
Multikriterielle Bewertung von SOFC-Unterstützungstechnologien
Qualitative Bewertung von SOFC-Unterstützungskonzepten auf Zellebene, wobei die relative Leistung anhand wichtiger Kennzahlen und typischer Betriebstemperaturbereiche verglichen wird. Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist der Betrieb in größeren Temperaturbereichen möglich, jedoch mit Kompromissen hinsichtlich Leistung, Haltbarkeit oder Systemkomplexität verbunden. Die laufenden Fortschritte bei metallgestützten SOFCs zeigen ein großes Potenzial für dynamische Luftfahrtumgebungen (z. B. hohe mechanische Robustheit), obwohl weitere Fortschritte bei der Verringerung der Degradation erforderlich sind.
Das Spinnendiagramm spiegelt die Metriken qualitativer Trends wider, die durch eine umfassende Literaturrecherche ermittelt wurden.
[1] M. Fikry, L. Koops, C. N. Dagli, C. Warsch and P. E. Roux, Status, Challenges and Perspectives of Solid Oxide Fuel Cells in Aviation, ECS SOFC XIX, 2025
