Die zivile Luftfahrt hat sich das hochgesteckte Ziel gesetzt, die Ökoeffizienz zukünftiger Flugzeugmuster signifikant zu reduzieren. Die Integration eines Brennstoffzellensystems in die Flugzeug-Systemarchitektur kann hierbei einen wichtigen Beitrag leisten und ist dann besonders vorteilhaft, wenn das Brennstoffzellensystem multifunktional an Bord eines Flugzeuges genutzt wird. Neben der Bereitstellung elektrischer Leistung, die z.B. für die autonome Bodenversorgung oder zur Unterstützung des elektrischen Netzwerkes während des Fluges genutzt werden kann, umfasst der Begriff „multifunktional“ auch die sinnvolle Verwendung der Nebenprodukte des Systems. So kann die sauerstoffarme Abluft des Brennstoffzellensystems z.B. für die Inertisierung der Kerosintreibstofftanks oder für die Feuerbekämpfung eingesetzt werden.

Die Integration eines multifunktionalen Brennstoffzellensystems wird aber zwangsläufig einen tiefgehenden Eingriff in die Flugzeug-Systemarchitektur bedeuten und dort zu signifikanten Änderungen führen. Die dabei notwendigen Design-Entscheidungen werden in einer frühen Phase der Entwicklung eines neuen Flugzeugmusters (im Vorentwurf) getroffen. Deshalb ist es unabdingbar, bereits hier auf Basis verlässlicher und aussagekräftiger Ergebnisse das bestmögliche Integrationskonzept für das Brennstoffzellensystem zu identifizieren.

Die vorliegende Arbeit setzt an diesem Punkt an und stellt einen Entwurfsprozess für multifunktionale Brennstoffzellensysteme vor. Der hier entwickelte Entwurfsprozess besteht aus drei Teilen, die sequentiell durchlaufen werden.

Der erste Teil „Funktionale Systemintegrations-Strategie“ beruht auf einer Datenbank für mögliche Funktionen des multifunktionalen Brennstoffzellensystems. Diese Datenbank enthält die funktionalen Anforderungen, die erfüllt werden müssen, wenn bestimmte Funktionen für das System ausgewählt werden. Darüber hinaus beinhaltet diese Datenbank Informationen über die Systeme, die durch die Integration eines Brennstoffzellensystems obsolet bzw. verkleinert oder verändert werden.

Auf Basis der funktionalen Anforderungen startet der Systementwurf im zweiten Teil des Entwurfsprozesses. Die hierfür eigens entwickelte „Systementwurfs-Methodik“ besteht aus vier Phasen. Die ersten beiden Phasen dienen dem Entwurf der Systemarchitektur. Während der Phase 3 erfolgt die Komponenten-Auslegung und Optimierung des Systems. Das optimale Auslegen der Komponenten eines Brennstoffzellensystems stellt eine besondere Herausforderung dar, da die vielen Abhängigkeiten der einzelnen Komponenten untereinander dafür sorgen, dass es sich um ein implizites Auslegungsproblem handelt. Aus diesem Grund ist hier ein neuartiges Optimierungsverfahren entwickelt worden, das auf sogenannten Verhaltensparametern beruht. Ein Verhaltensparameter stellt einen geometrie-unabhängigen Parameter dar, der die Änderung physikalischer Potentiale einer Komponente unabhängig von ihrer Größe beschreibt. Das entwickelte Optimierungsverfahren zeigt im direkten Vergleich zur klassischen Geometrieparameter-basierten Optimierung eine höhere Performanz bei deutlich geringerem Rechenaufwand und ist somit gut für die Systemauslegung geeignet. In der vierten Phase der „Systementwurfs-Methodik“ wird das ausgelegte Brennstoffzellensystem anhand funktionaler Anforderungen validiert.

Im dritten Teil des Entwurfsprozesses wird das entwickelte Integrationskonzept auf Flugzeugebene mithilfe eines eigens entwickelten Verfahrens bewertet. Dieses Bewertungsverfahren besteht aus den drei Modulen „Triebwerk“, „Flugmechanik“ und „Flugzeug-Resize“. Mithilfe der Module „Triebwerk“ und „Flugmechanik“ kann die durch die Integration des Brennstoffzellensystems hervorgerufene Änderung des benötigten Treibstoffbedarfs während einer Referenz-Flugmission bestimmt werden. Das Modul „Flugzeug-Resize“ ermöglicht, die notwendigen Änderungen an strukturmechanischen Bauteilen und am Triebwerk abzuschätzen.

Durch den beispielhaften Einsatz des Entwurfsprozesses bei der Konzeption, dem Entwurf und der Bewertung eines multifunktionalen Brennstoffzellensystems werden die einzelnen Teile des Prozesses in dieser Arbeit demonstriert.

Schlagwörter: Brennstoffzelle; Systemauslegung; Bewertung auf Flugzeugebene

Schriftenreihe Flugzeug-Systemtechnik