Kondensationsphänomene in Luftfahrt-Brennstoffzellen-Systemen - KONBREFF

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jens Friedrichs
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 498604607

Ein wichtiger Bestandteil von Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystemen ist das Kathodensystem. Dieses versorgt den Brennstoffzellenstack mit Umgebungsluft auf optimalem Druckniveau. Die zentrale Komponente des Kathodensystems ist ein Turbolader mit Verdichter, elektrischem Antrieb sowie einer Turbine zur Nutzung der Enthalpie der Brennstoffzellenabluft. Die Brennstoffzellenabluft und damit auch die Turbinenzuluft sind nahezu oder vollständig gesättigt mit Wasserdampf. Die Entspannung in der Turbine führt zunächst zur Übersättigung des Wasserdampfes und dann zur Kondensation von Wassertröpfchen. Dieser Prozess und insbesondere die hierbei freigesetzte Kondensationsenthalpie haben einen signifikanten Einfluss auf die Aerodynamik und die Leistungsparameter der Turbine.In einem aktuellen Forschungsprojekt am Institut für Flugantriebe und Strömungsmaschinen konnte ein hochgenauer Euler-Lagrange-Ansatz zur numerischen Modellierung der Mehrphasenströmung in der Turbine eines automobilen Brennstoffzellenturboladers entwickelt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kondensation zu einer erheblichen thermischen Drosselung der Turbine, sowie zu Wirkungsgradeinbußen führen kann. Die gleichzeitige Erhöhung der Austrittstemperatur der Turbine um bis zu 50 K stellt für nachfolgende Turbinenstufen jedoch ein signifikantes Leistungspotential dar. Dies ist insbesondere für Luftfahrtanwendungen interessant, da hier auf Grund der größeren Druckverhältnisse mehrstufige Turbinen eingesetzt werden müssen. Turbinen mit Kondensation sind bisher allerdings nur aus stationären Anwendungen mit geringen Anforderungen an die Leistungsdichte bekannt. Die Fragestellung, welcher in diesem Vorhaben nachgegangen werden soll, lautet daher:Welche grundlegenden Auswirkungen hat die Kondensation auf Leistung, Wirkungsgrad und optimalen Betriebspunkt der Turbinenstufen eines luftfahrtgeeigneten Brennstoffzellenturboladers mit sehr hohen Anforderungen an die gravimetrische und volumetrische Leistungsdichte? Welche Mechanismen sind dominant und wie können diese als Modelle reduzierter Ordnung im Rahmen der Turbinen- und Systemauslegung berücksichtigt werden?Zur Beantwortung dieser Forschungsfragen sollen numerische Untersuchungen auf Basis des bereits validierten und erprobten Euler-Lagrange-Ansatzes durchgeführt werden. Zunächst wird für ein Luftfahrt-Referenzsystem eine Turbine mit zwei Radialstufen vorausgelegt. Der Fokus liegt dabei auf einer möglichst kleinen und leichten Auslegung. Anschließend werden die optimalen Betriebspunkte für exemplarische Flughöhen betrachtet und hinsichtlich ihrer Kondensationsphänomene untersucht. Die Ergebnisse und Erkenntnisse des beantragten Projekts bilden eine wichtige Grundlage für die zukünftige Entwicklung und Auslegung von luftfahrtgeeigneten Brennstoffzellenturboladern und für die Berechnung ihres Systemverhaltens.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen