Die Dekarbonisierungsziele der Europäischen Kommission haben zu verschiedenen Studien geführt, in denen der Einsatz von Brennstoffzellen zum Antrieb von Elektromotoren für Kurz- und Mittelstreckenflugzeuge mit höherer Kapazität (80 < Passagiere < 250) vorgeschlagen wird. In diesem Zusammenhang gewinnen Hochtemperatur- Polymerelektrolyt- Brennstoffzellen (HT-PEFC) besondere Aufmerksamkeit, da sie auf der Ebene des Flugzeugsystems erhebliche Vorteile gegenüber Niedertemperatur (LT)- PEFCs bieten.
Auf dem Weg zum emissionsfreien HT-PEFC-Flugzeug der nächsten Generation.
Das Bauhaus Luftfahrt analysierte die wichtigsten technologischen Fortschritte und Verbesse- rungspotenziale von HT-PEFCs. Ihre höhere Betriebstemperatur von 120 °C bis 200 °C ermöglicht eine effiziente Wärmeabfuhr und eine verbesserte Energierückgewinnung, was ein effektiveres und leichteres Wärmemanagementsystem ermöglicht. Außerdem verbessert der Betrieb bei höheren Temperaturen die Reaktionskinetik und die Toleranz gegenüber Verunreinigungen (z. B. CO, H2S).
Die Protonenleitung wird in der Regel durch eine mit Phosphorsäure (PA) dotierte Polybenzimidazol (PBI)-Polymermembran erreicht. Dies ermöglicht die Verwendung trockener Gase, wodurch ein Befeuchtungssystem überflüssig wird und das Gesamtgewicht und die Komplexität des Systems reduziert werden. Obwohl PBI-PA-Membranen große Vorteile bieten, sind sie mit Problemen konfrontiert, wie z. B. Säureauslaugung in Gegenwart von flüssigem Wasser und verringerte mechanische Festigkeit aufgrund der übermäßigen Dotierung, was die Haltbarkeit und die Leistungsdichte der Elektroden verringert.
Vergleich zwischen LT-PEFC- und HT-PEFC-Technologien
Bei erhöhten Betriebstemperaturen erleichtern HT-PEFCs das Wärme- und Wassermanagement, da sie unter wasserfreien Bedingungen arbeiten können.
O₂ oxygen, H₂ hydrogen, e- electron, PEM polymer electrolyte membrane, PFSA perfluorosulfonic acid, -[CF₂- CF₂]- polytetrafluoroethylene (PTFE), SO₃H sulfonic acid
Vergleich zwischen LT-PEFC- und HT-PEFC-Technologien
Note: Data normalised to the aircraft (AC) targets 2030. [3]
Trotz der derzeit noch unterlegenen Elektrodenleistungsdichten zeigen HT-PEFCs dank erheblicher Fortschritte in der Entwicklung der Membran- Elektroden-Anordnung große Vorteile bei der spezifischen Leistung des Systems und der Haltbarkeit (angeblich bis zu 20.000 Stunden [1,2]) unter Luftfahrtbedingungen.
Data based on:
[1] HyPoint Inc. White paper 2021 (HyPoint acquired by ZeroAvia in 2022).
[2] ZeroAvia, White paper, Scaling Hydrogen Electric Propulsion for Large Aircraft, 2024.
[3] EU Clean Hydrogen Joint Undertaking, Fuel cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking,
Addendum to the Multi-Annual Work Plan, 2020.
Glossar: HT-PEFC high temperature polymer electrolyte fuel cell, LT low temperature / niedrige Temperatur, CO carbon monoxide / Kohlenmonoxid, H2S hydrogen sulfide / Wasserstoffsulfid, PBI polybenzimidazole / Polybenzimidazol, PA phosphoric acid / Phosphorsäure, MEA membrane electrode assembly / Membranlektroden-Anordnung