Luftfahrtspezifische experimentelle Untersuchung eines PEM-Brennstoffzellensystems unter Höhenbedingungen mit Fokus auf den Einfluss von niedrigen Temperaturen

Abstract

Um die angestrebten Klimaziele zu erreichen, muss der Emissionsausstoß in der Luftfahrtindustrie deutlich gesenkt werden. Antriebe auf Basis von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen sind eine vielversprechende Möglichkeit zur Reduzierung der Emissionen. Der geringe Luftdruck und die niedrige Umgebungstemperatur unter Höhenbedingungen bringen für den Betrieb jedoch Herausforderungen mit sich. In dieser Arbeit wird deshalb der Einfluss der Systemeingangstemperatur auf das Verhalten eines Brennstoffzellensystems experimentell untersucht. Am Höhenprüfstand des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Stuttgart wird hierzu ein selbstbefeuchtendes Brennstoffzellensystem mit 120 Zellen zwischen 500 und 1000 hPa innerhalb einer Unterdruckkammer betrieben. Das System verfügt über eine Anodenrezirkulation, einen Kühlkreislauf und ein Gebläse am Kathodeneingang. Durch Umbauarbeiten am Kathodensystem des Teststands werden Messungen mit Eingangstemperaturen zwischen −30 und 40 ℃ ermöglicht. Nach Vorversuchen wird mittels statistischer Versuchsplanung eine Messkampagne zur Analyse des Einflusses der Eingangstemperatur erstellt. Dabei werden zusätzlich der Kammerdruck, die Stacktemperatur, die Kathodenstöchiometrie und die Zellspannung variiert. Aus den Messdaten werden Regressionsmodelle für die Netto- und Bruttoleistung des Brennstoffzellensystems erstellt und ausgewertet. Die Modellwerte zeigen, dass bei einer hohen Kathodenstöchiometrie die Netto- und Bruttoleistung mit sinkender Eingangstemperatur steigen. Beispielsweise kann bei 750 hPa einer Stacktemperatur von 49,2 ℃ und einer Kathodenstöchiometrie von 3,8 eine Absenkung der Eingangstemperatur von 25 ℃ auf −15 ℃ eine Nettoleistungssteigerung von 13,72% bewirken. Zurückzuführen ist dies hauptsächlich auf den Leistungsbedarf des Gebläses am Kathodeneingang, welcher mit steigender Systemeingangstemperatur zunimmt. Bei niedriger Kathodenstöchiometrie verringert sich der Einfluss der Gebläseleistung, wodurch die Wechselwirkung zwischen dem Feuchtigkeitshaushalt und der Eingangstemperatur an Bedeutung gewinnt. Unter trockeneren Bedingungen führt eine höhere Eingangstemperatur zu einer Leistungssteigerung, während unter feuchteren Bedingungen eine niedrigere Eingangstemperatur vorteilhaft ist. Insgesamt lässt sich feststellen, dass durch die geringeren Eingangstemperaturen unter Höhenbedingungen die signifikanten Leistungsverluste aufgrund des Unterdrucks vermindert werden können. Essenziell für den positiven Einfluss ist jedoch ein optimales Feuchtigkeitsmanagement, das ein präzises Zusammenspiel zwischen der Kathodenstöchiometrie und der Stacktemperatur erfordert. Damit besteht für den Einsatz von Brennstoffzellensystemen in Luftfahrzeugen ein erhebliches Optimierungspotenzial durch eine höhenadaptive Regelung, welche neben dem Umgebungsdruck auch die Systemeingangstemperatur berücksichtigt.