NIP-II Verbundvorhaben: BETA - Brennstoffzellensystementwicklung für die technische Aviatik; Teilvorhaben: MCU-System

Abstract

Das Forschungsprojekt Brennstoffzellensystem-Entwicklung für die Technische Aviatik untersuchte die Einsetzbarkeit eines innovativen Ansatzes zur Erzeugung von Wellenleistung (engl. Torque) mit Hilfe von Brennstoffzellen und Wasserstoff (H2). Dabei soll nicht der konventionelle Weg Brennstoffzelle, DC/DC-Wandler, elektrisches Netz, DC/AC-Wandler, Motor genutzt werden; stattdessen werden die Wicklungen des Motors möglichst direkt an die elektrische Energiequelle, die Brennstoffzelle, angebunden, der sog. H2-to-Torque Ansatz. Das hat signifikante Auswirkungen auf die Auslegung der Ansteuerungsschaltung, die sogenannte Motor-Control-Unit (MCU). Erste Studien hatten das Potential dieses Ansatzes aufgezeigt, dieses musste nun mittels angepasster Entwicklungen und Laborversuchen verifiziert werden. Besonders im Fokus stand die elektrische (An)Steuerung, da hier die komplexesten Änderungen zu erwarten waren. Im Gegensatz zu üblichen Aufbauten ist kein DC/DC-Wandler mit konstanter Ausgangsspannung notwendig, sondern ein DC/AC-Wandler, der den besonderen Anforderungen des H2-to-Torque-Ansatzes gerecht wird. Hierzu waren vollständige Neuentwicklungen der MCU notwendig, da Vergleichbares auf dem Markt unbekannt ist. Ein anderes Ziel im Verbund war die Untersuchung, für welche Luftfahrzeuge der betrachtete Ansatz Vorteile im Vergleich zu konventionellen Lösungen bietet. Das gilt für alle Leistungsklassen von Luftfahrtzeugen angefangen bei wenigen Kilogramm schweren Drohnen, über Lufttaxis mit ein bis zwei Passagieren, Kleinflugzeugen, Helikoptern, Regionalflugzeugen bis hin zu großen Passagierflugzeugen für Langstreckenflüge. Neben der Systemleistung ist auch das Missionsprofil, bestehend aus dem Zusammenspiel der Leistungsbedarfe und den vorherrschenden Betriebsbedingungen jeder Flugphase, relevant. Für eine fundierte Analyse mussten die Auswirkungen der spezifischen Einsatzbedingungen auf die Systemkomponenten, z.B. die Brennstoffzellenstapel, den H2-Speicher, und den Systemaufbau besser verstanden werden. Gleichzeitig war ein Verständnis der Grenzen bzw. des Zusammenspiels einzelner Komponenten notwendig. Dafür wurden geeignete Versuche genutzt. Mit Hilfe von validierten Modellen konnten mittels Simulationen zusätzliche Informationen gewonnen werden, insbesondere in den Grenzbereichen des H2-to-Torque-Ansatzes. Hierfür mussten detaillierte Modelle entwickelt, mit Laborversuchen validiert und als Gesamtsystem verschaltet werden. Anschließend konnten verschiedene Betriebsszenarien simuliert und ausgewertet werden.