Lettvektspotensialet for brenselceller i fly.

Abstract

Luftfartssektoren opplever et skifte mot bærekraftig flyreise med en fokus på fremdriftssystemer drevet av fornybar energi. Brenselceller er et område som blir sett på for bruk i kommersielle fly. Solid Oxide brenselceller (SOFCs) er et lovende alternativ til tradisjonelle fremdriftssystemer på grunn av deres høye drivstoffleksibilitet. Hovedutfordringen for SOFC-bruk er deres relativt lave strømtetthet. Et solid oksid brenselcelle- og gassturbinhybridsystem (SOFC-GT) analyseres for å se om det kan erstatte fremdriftssystemer på regionale fly. SOFC-GT-modellen bruker et resirkuleringssystem for drivstoff, varmevekslere, en superledende motor og en oksygentransportmembran for å maksimere effektiviteten til systemet. En casestudie ble utført av to regionale fly for å beregne energien og kraften et SOFC-GT-system måtte gi over varigheten av fire forskjellige avstander. Fra den nødvendige energien ble totalmassen til hybridfremdriftssystemet beregnet for å undersøke om det kunne erstatte tradisjonelle fremdriftssystemer på flyet som ble analysert. Resultatene viste at dette var levedyktig for begge flytyper og over alle fire rekkevidde. SOFC-GT systemmassen for de mindre flyene ble funnet å være betydelig redusert, mellom 45 % og 53 % massereduksjon fra det originale fremdriftssystemet. SOFC-GT systemmassen for de større flyene var litt tyngre enn det eksisterende fremdriftssystemet, men fortsatt innenfor driftsparametere. En konsesjon for å installere dette systemet vil være en noe redusert nyttelastkapasitet, mellom 334 kg og 1966 kg avhengig av flyrekkevidden. I tillegg ble det utført en sensitivitetsanalyse på de viktigste komponentene i SOFC-GT systemet for å undersøke hvilket variabler som hadde størst innvirkning på det totale massebidraget. Sensitivitetsanalysen viste at variablene som kunne forårsake størst mulig avvik i masse for komponentene var effekttettheten til SOFC (-46 % til +108 % avvik i masse av SOFC) og total varmeoverføringskoeffisient i varmevekslerne (+60 % til +300 % økning i total masse for varmevekslere). SOFC-GT systemet hadde en lavere totalmasse enn de tradisjonelle fremdriftssystemene på flyet, men analysen tar ikke hensyn til hjelpesystemer, som gyroskopiske og overvåkingssystemer, som trengs for implementering av SOFC-GT-systemet.

The aerospace sector is experiencing a shift towards sustainable air travel with a focus on propulsion systems powered by renewable energy. Fuel cells are one area that is being looked at for use in commercial aircraft. Solid Oxide fuel cells (SOFCs) are a promising alternative to traditional jet propulsion systems due to their high fuel flexibility. The main challenge facing SOFC use is their relatively low power density. A solid oxide fuel cell and gas turbine hybrid system (SOFC-GT) is analysed to see if it can replace propulsion systems on narrowbody regional aircraft. The SOFC-GT model uses a fuel re-circulation system, heat exchangers, a superconducting motor and an oxygen transport membrane to maximise efficiency of the system. A case study was performed of two regional aircraft to calculate the energy and power a SOFC- GT system would have to provide over the duration of four different ranges. From the energy required, total mass of the hybrid propulsion system was calculated to examine whether it could replace traditional jet propulsion systems on the aircraft analysed. The results showed this was viable for both aircraft types and over all four ranges. The SOFC-GT system mass for the smaller aircraft was found to be reduced considerably, between 45 % and 53 % mass reduction from the original jet propulsion system. The SOFC-GT system mass for the larger aircraft was slightly heavier than the existing propulsion system but still within operating parameters. A concession for installing this system would be a slightly reduced payload capacity, between 334 kg and 1966 kg depending on the flight range. Additionally, a sensitivity analysis was performed on the most important components of the SOFC-GT system to investigate what variables had the biggest impact on overall mass contribution. The sensitivity analysis showed that the variables which could cause the biggest possible deviation in mass for the components were the power density of the SOFC (-46 % to +108 % deviation in mass of the SOFC) and overall heat transfer coefficient in the heat exchangers (+60 % to +300 % increase in total mass for heat exchangers). The SOFC-GT system had a lower overall mass than the traditional jet propulsion systems present on the aircraft but the analysis does not take into account auxiliary systems, such as gyroscopic and monitoring systems, needed for implementation of the SOFC- GT system.