Der Umstieg auf (hybrid-)elektrische Konzepte erfordert die Optimierung elektrochemischer Speicher und Wandler, um den Ansprüchen an ihre Performanz und Zuverlässigkeit im herausfordernden Einsatz in Luftfahrtanwendungen gerecht zu werden. Um Leistungsabfall oder Ausfällen vorzubeugen, können Methoden aus dem Bereich Prognostics and Health Management (PHM) einen wertvollen Beitrag leisten.
Die Forschung zu diesbezüglichen Technologien für Brennstoffzellen ist in einem vergleichsweise frühen Stadium – nicht zuletzt, weil die ablaufenden Degradationsprozesse eine erhebliche Komplexität aufweisen. Ein kontinuierlich verbessertes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen sowie Entwicklungen im Bereich der künstlichen Intelligenz führen allerdings zu erheblichen Fortschritten, welche durch das Bauhaus- Luftfahrt-Technologieradar detektiert werden konnten.
Um die Potenziale dieser Technologien für Luftfahrtanwendungen abschätzen zu können, wurden die Auswirkungen relevanter Alterungsprozesse auf die Restlebensdauer der Zelle untersucht. Diese treten meist bei hohen Lasten oder schnellen Lastwechseln auf, welche in luftfahrtspezifischen Lastprofilen hauptsächlich bei Start und Landung zu beobachten sind. Einer beschleunigten Alterung durch Spitzenlasten kann eine Erhöhung der Zellenanzahl entgegenwirken. Weiter kann eine Lebenszeitverlängerung etwa durch adaptive Hybridisierung oder eine last- und druckabhängige Gaszufuhr erzielt werden. Je nach Anwendungsfall zeigten sich Verbesserungspotenziale im Bereich von bis zu mehreren 100 %. Daraus lässt sich ableiten, dass akkurate Kontrollstrategien einen erheblichen Einfluss auf die Haltbarkeit, den Wartungsbedarf und die Kosteneffizienz von Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEFC) haben könnten.
Ebner, K., & Koops, L. (2021). Health Monitoring, Fault Diagnostics, and Failure Prediction for Fuel Cells in Aviation. 11th EASN International Conference on Innovation in Aviation & Space. Virtual event.
Ebner, K., & Koops, L. (2022). Potentials of Prognostics and Health Management for Polymer Electrolyte Fuel Cells in Aviation Applications. Aircraft Engineering and Aerospace Technology, Manuscript accepted for publication. doi:10.1108/AEAT-01-2022-0020
Lastprofile zur Analyse von Potenzialen zur Lebenszeitverlängerung
Verschiedene Lastprofile aus luftfahrtspezifischen Anwendungen (direkt im Antrieb oder als Auxiliary Power Unit), die zum Verständnis der Potenziale von Kontrollstrategien im Luftfahrtkontext betrachtet wurden.
Relevanz von Leistungsspitzen und Lastwechsel in Luftfahrtanwendungen
Mithilfe von brennstoffzellenspezifischen Strom-Spannungskurven werden die Anteile von degradationsfördernden Bedingungen quantifiziert. Die Abschätzung der Restlebensdauer erfolgt mittels assoziierter Degradationskoeffizienten.
Im Kontext des (hybrid-) elektrischen Fliegens sind elektrochemische Wandler essenzielle Bausteine.