A Comparison of Low-Pressure and Supercharged Operation of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Systems for Aircraft Applications

Multifunctional fuel cell systems are competitive solutions aboard future generations of civil aircraft concerning energy consumption, environmental issues, and safety reasons. The present study compares low-pressure and supercharged operation of polymer electrolyte membrane fuel cells with respect to performance and efficiency criteria. This is motivated by the challenge of pressure-dependent fuel cell operation aboard aircraft with cabin pressure varying with operating altitude. Experimental investigations of low-pressure fuel cell operation use model-based design of experiments and are complemented by numerical investigations concerning supercharged fuel cell operation. It is demonstrated that a low-pressure operation is feasible with the fuel cell device under test, but that its range of stable operation changes between both operating modes. Including an external compressor, it can be shown that the power demand for supercharging the fuel cell is about the same as the loss in power output of the fuel cell due to low-pressure operation. Furthermore, the supercharged fuel cell operation appears to be more sensitive with respect to variations in the considered independent operating parameters load requirement, cathode stoichiometric ratio, and cooling temperature. The results indicate that a pressure-dependent self-humidification control might be able to exploit the potential of low-pressure fuel cell operation for aircraft applications to the best advantage

CHARACTERISTICS OF PEMFC OPERATION IN AMBIENT AND LOW PRESSURE ENVIRONMENT CONSIDERING THE FUEL CELL HUMIDIFICATION

This paper summarizes experimental results of an air-fed polymer electrolyte membrane fuel cell system HyPM XR 12 (Hydrogenics Corp.) considering fuel cell temperature, stoichiometry, and load requirement variations at ambient and low-pressure operation. The experimental work realized at a low-pressure test facility designed and assembled by the German Aerospace Center, Institute of Engineering Thermodynamics is based on an experimental design. The experimental results confirm reduced fields of fuel cell operation as well as a decreased gross stack performance and efficiency at low operating pressures (950 mbar C p C 600 mbar) for the defined fuel cell temperature, stoichiometry, and load requirement. In addition, indexes of the operating parameters are introduced, characterizing the fuel cell operation with regard to the gross stack performance and efficiency at ambient and low-pressure levels. The discussion of the results considers analyses of fuel cell humidification

Statistische Auswertung zu Experimenten zu Brennstoffzellen im Unterdruckbetrieb

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

Merkmale des PEMFC-Betriebes bei Umgebungs- und Unterdruckbedingungen

In diesem Beitrag werden die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen zur Beschreibung eines luftatmenden PEMFC-Brennstoffzellensystems HyPM XR 12 (Hydrogenics Corp.) in Abhängigkeit der Brennstoffzellenkühltemperatur, der Stöchiometrie und der Lastanforderung bei Umgebungs- und Unterdruckbedingungen (AC-Bedingungen) vorgestellt. Die experimentellen Daten wurden an einem Unterdruckteststand am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Technische Thermodynamik nach einem D-optimalen Verfahren der statistischen Versuchsplanung erhoben. Im Ergebnis der Untersuchungen bestätigt sich, dass eine Verringerung des Betriebsdruckes bis p = 600 mbar bei definierter Brennstoffzellenkühltemperatur, Stöchiometrie und Lastanforderung zur Verringerung des Betriebsfeldes bei gleichzeitiger Verringerung der Brennstoffzellenleistung und -effizienz führt

Pressure-Dependent Operation of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells; Exemplified by Aircraft Applications

The pressure-dependent operation of polymer electrolyte membrane fuel cell systems is considered, following a general research methodology. Based on previous research a model refinement from a phenomenological mathematical model towards a semi-empirical mathematical model is presented. It is shown that for the fuel cell device under test and the chosen compressor a low-pressure operation in suction mode is more efficient compared to the supercharged operation. This matter of fact permits optimized operating and control strategies for (multifunctional) fuel cell systems for aircraft applications