Parameteroptimierung eines PEM-Brennstoffzellensystems für den Einsatz unter Höhenbedingungen

Abstract

In einer von Klimawandel geprägten Welt liegt der Fokus verstärkt auf nachhaltigen Verkehrslösungen. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen bieten vielversprechende Ansätze für Umweltfreundliche Fortbewegungsmittel, insbesondere im Luftfahrtsektor. Aufgrund des geringen Atmosphärendrucks leiden Brennstoffzellensysteme bei ihrer Anwendung in Flugzeugen jedoch unter erheblichen Leistungsverlusten. Am Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Stuttgart wurde ein Teststand zur Untersuchung von Brennstoffzellensystemen unter Höhenbedingungen entwickelt. Im Zuge einer experimentellen Untersuchung des Hydrogenics HyPM® HD 10-120 Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellensystems wurde ein Regressionsmodell erstellt, das optimale Regelparameter zur Maximierung der Nettoleistung im Unterdruck berechnet. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Erweiterung des Modellgültigkeitsbereichs weitere Leistungssteigerungen ermöglichen könnte. Ziel dieser Arbeit ist es, das Modell hinsichtlich der Regelparameter Stromdichte, Stacktemperatur und Kathodenstöchiometrie im untersuchten Unterdruckbereich zu erweitern, sodass die Nettoleistung durch optimale Einstellungen weiter maximiert werden kann. Im Rahmen von Vorversuchen wird zunächst der experimentelle Versuchsraum erweitert. Hierbei werden durch die Anpassung von Regelparametern wie Stacktemperatur und Kathodenstöchiometrie bei niedrigen Stromdichten unter 0,26 A cm−2 im Druckbereich von 800 bis 1000 hPa neue maximale Stöchiometriewerte ermittelt. Zusätzlich werden über den gesamten untersuchten Druckbereich von 500 bis 1000 hPa hinweg neue maximale Stromdichten festgestellt. Mithilfe der Messergebnisse aus der vorangegangenen Studie und den Vorversuchen kann ein D-Optimaler Versuchsplan für eine Messkampagne im erweiterten experimentellen Versuchsraum konzipiert werden. Auf Grundlage dieser Daten sowie den bereits vorliegenden Messergebnissen wird anschließend ein Regressionsmodell mit einem erweiterten Modellgültigkeitsbereich erstellt. Bei 500 hPa errechnet das Modell eine Nettoleistung von 5537,1W. Das entspricht einer Steigerung um 33,3 % im Vergleich zur maximalen Nettoleistung, die bei gleichem Druck mit den vom Hersteller empfohlenen Standardregelparametern gemessenen wurde. Zusätzlich wird deutlich, dass mit abnehmendem Druck und steigender Stromdichte der optimale Feuchtigkeitsbereich der Protonenaustauschmembran kleiner wird. Dies stellt die Herausforderung dar, sie weder austrocknen noch zu feucht werden zu lassen. Das erweiterte Modell zeigt, dass eine Leistungssteigerung durch Optimierung der Betriebsparameter möglich ist. Um die widrigen Bedingungen in der Höhe vollständig abzubilden, wären zukünftig experimentelle Untersuchungen mit geringeren Umgebungstemperaturen interessant. Zudem wäre es sinnvoll, auch transiente Betriebsverhalten zu betrachten.