Statistische Auswertung zu Experimenten zu Brennstoffzellen im Unterdruckbetrieb

Abstract

Der Einsatz von Brennstoffzellen in Flugzeugen ist aufgrund ihrer Multifunktionalität und Umweltfreundlichkeit wünschenswert. Allerdings befindet sich die Brennstoffzelle während des Betriebs im Unterdruck (p=700mbar). Daher ist mit einer tendenziellen Leistungs- und Effizienzsenkung gegenüber dem Betrieb unter normalen Umgebungsdruckbedingungen (p=1000mbar, hier p=950mbar) zu rechnen. Um diese Performanceverluste zu quantifizieren wurden experimentelle Untersuchungen an einem 60-Zellen-PEMFC-Stack am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) durchgeführt. In dieser Bachelorarbeit werden diese experimentellen Untersuchungen statistisch ausgewertet. Dazu wird eine Regressionsfunktion für den Brennstoffzellenbetrieb im Unterdruck erstellt und deren statistische Eigenschaften überprüft. Die der statistischen Auswertung zugrunde liegenden Versuche wurden mittels eines experimentellen Designs (D-optimal) ermittelt. Mit Hilfe von Methoden der Varianzanalyse (ANOVA) wird ein optimales Teilmodell aus einem vollständigen, polynomialen Modell vierten Grades ausgewählt und so bearbeitet, dass es den Voraussetzungen der ANOVA genügt. Zu diesem Zweck wird eine gewichtete Regression mit logarithmierter Zielvariable durchgeführt. Anschließend wird dieses Teilmodell zur Darstellung und Voraussage der Effekte der Eingangsvariablen (Stöchiometrie λ, Kühltemperatur t, Betriebsdruck p, Lastanforderung I) auf die Zielvariablen (elektrische Leistung Pel, Effizienzgrad η) benutzt. Die Variablen werden hierbei im Rahmen der ANOVA auf ihre Signifikanz untersucht. Hieraus ergeben sich mehrere wesentliche Resultate. Zum einen stellt sich heraus, dass alle Eingangsvariablen einen signifikanten Einfluss besitzen. Zum anderen gilt insbesondere für die Variable Betriebsdruck p, dass der Betrieb der Brennstoffzelle im Unterdruck mit leichten Einbußen in Leistung und Effizienz verbunden ist. Zudem ergibt sich, dass die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle aufgrund von Wechselwirkungseffekten mit dem Betriebsdruck in Abhängigkeit vom Betriebsdruck gewählt werden sollte, um maximale Leistung und Effizienz zu erzielen. Bei einer optimalen Wahl der Temperatur lassen sich die Performanceeinbußen der Brennstoffzelle im Unterdruck bei den betrachteten Rahmenbedingungen auf ca. 5% begrenzen. Die Lastanforderung I hat hierbei einen stark positiven Einfluss auf die elektrische Leistung, während der Einfluss der Stöchiometrie λ im Untersuchungsbereich klein ist.