Entwicklung von Methoden zur Durchführung und Auswertung von Laborexperimenten an PEM-Brennstoffzellenstacks für Luftfahrtanwendungen

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit sollen Methoden zur Durchführung und Auswertung von Brennstoffzellentests für Luftfahrtanwendungen entwickelt werden. Dabei sollen Luftfahrtbedingungen im Labor nachgestellt werden um eine faire Vergleichbarkeit der verwendeten Komponenten zu schaffen. Nach der Definition der Betriebs- und Umgebungsbedingungen in der Luftfahrt, konnten diese im Labor an einem Brennstoffzellenteststand für den Kathodenstrang nachgestellt werden. Mit der Durchführung experimenteller Versuche wurde besonders das Verhalten des Verdichters im Kathodenstrang in Abhängigkeit der emulierten Flugbedingungen analysiert. Die Analyse der Messergebnisse belegte, dass sowohl die Variation des Eingangsdruckes, als auch der Eingangstemperatur am Verdichter dessen Verhalten beeinflusst. Je kälter die gewählte Eingangstemperatur war, desto bessere Eigenschaften konnten am Verdichter beobachtet werden. Im Gegensatz dazu verringerten sich das maximal mögliche Verdichtungsverhältnis und der maximal förderbare Massenstrom bei Reduzierung des Eingangsdrucks. Ein wichtiges Ergebnis der experimentellen Vermessungen ist au- ßerdem, dass Verdichterkennfelder bezüglich Drehzahl und Massenstrom korrigiert werden können. Jedoch gibt es für die elektrische Verdichterleistung oder den Wirkungsgrad keine einfach anwendbare Gleichung, um Vorhersagen bei verschiedenen Eingangsbedingungen zu treffen. Zudem wurde eine Methode aufgezeigt, mit der verschiedene Brennstoffzellenkomponenten durch den Bezug auf die Zellfläche des verwendeten Stacks miteinander vergleichbar gemacht werden können. Bei Beachtung der erläuterten Verbesserungsvorschläge für den Teststand, wie einer besseren thermischen Isolation der Rohrleitungen und des Verdichters selbst und der Verwendung eines anderen Verdichters zur Erzeugung eines größeren Verdichtungsverhältnisses, können in Zukunft realitätsnahe Brennstoffzellentests zur Nachstellung von Flugbedingungen durchgeführt werden.