Brennstoffzellen Stack Design

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Das Konstruktionsprinzip des Brennstoffzellenstacks ergibt sich aus der Berücksichtigung der Leistungskriterien für die jeweilige Anwendung, der Zuverlässigkeit und der Kosteneffizienz. Zu diesen Leistungskriterien eines Brennstoffzellenstapels gehören neben Überlegungen zum Brennstoffzellendesign selbst auch Faktoren wie Leistungsabgabe, Wirkungsgrad und Reaktionszeit.
Ausgehend von den Grundvoraussetzungen für die Auslegung eines Brennstoffzellensystems bestimmt die Anzahl der Brennstoffzellen die Leistung des Stacks. Eine größere Anzahl von Brennstoffzellen führt zu einer höheren Leistungsabgabe, erhöht aber auch die Größe und die Kosten des Stacks.
Die optimale Anzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel hängt von der Balance zwischen Leistung und Kosten ab. Zellen- und Stackdesign sind also sehr stark voneinander abhängig. Ein guter Stack sollte so konzipiert sein, dass er zuverlässig ist, mit robusten Komponenten ausgestattet wird und mit ausfallsicheren Funktionen, die einen gleichmäßigen und stabilen Betrieb gewährleisten.
Je nach dem grundlegenden Funktionsprinzip der Brennstoffzelle unterscheidet sich der Aufbau eines PEM-Brennstoffzellenstapels natürlich von dem eines Stacks für Festoxid-Brennstoffzellen.

Leistungskriterien für Brennstoffzellenstack

Die Leistungskriterien eines Brennstoffzellenstacks hängen von den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Zu den gängigen Leistungskriterien für Brennstoffzellenstacks gehören Leistung, Wirkungsgrad, Reaktionszeit, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit.

  • Die Leistungsabgabe eines Brennstoffzellenstacks bezieht sich auf die Menge an elektrischer Energie, die der Stack erzeugen kann. Die Ausgangsleistung des Stacks sollte ausreichen, um die Lastanforderungen der Anwendung zu erfüllen.
  • Der Wirkungsgrad eines Brennstoffzellenstacks bezieht sich auf die Menge der vom Stack erzeugten elektrischen Energie im Vergleich zur Menge der im Brennstoff gespeicherten chemischen Energie. Stacks mit höherem Wirkungsgrad sind in der Lage, einen größeren Anteil der chemischen Energie in elektrische Energie umzuwandeln, was zu einem geringeren Brennstoffverbrauch und niedrigeren Betriebskosten führen kann.
  • Die Reaktionszeit eines Brennstoffzellenstacks bezieht sich auf die Zeit, die der Stapel benötigt, um nach der Veränderung der Betriebsbedingungen die erwartete leistung zu erreichen. Schnellere Reaktionszeiten können von Vorteil sein, wenn eine schnelle Reaktion erforderlich ist.
  • Die Haltbarkeit eines Brennstoffzellenstacks bezieht sich auf seine Fähigkeit, der Abnutzung durch den Betrieb über einen längeren Zeitraum standzuhalten. Der Stack sollte so konstruiert sein, dass er eine lange Lebensdauer hat und so wenig wie möglich gewartet werden muss.
  • Die Zuverlässigkeit eines Brennstoffzellenstacks bezieht sich auf seine Fähigkeit, über einen längeren Zeitraum konstant und zuverlässig zu arbeiten. Der Stack sollte mit robusten Komponenten und ausfallsicheren Funktionen ausgestattet sein, um einen gleichmäßigen und stabilen Betrieb zu gewährleisten.

Strategien zur Leistungsoptimierung

Es gibt verschiedene Strategien, um die Leistung eines Brennstoffzellenstacks zu erhöhen. Diese Strategien können die Verbesserung der Leistung einzelner Brennstoffzellen, die Optimierung der Konstruktion des Stacks oder die Verwendung fortschrittlicher Materialien oder Techniken beinhalten.

  1. Verbesserung der Leistung von Brennstoffzellen: Die Leistung eines Brennstoffzellenstacks hängt direkt von der Leistung der einzelnen Brennstoffzellen ab. Eine Verbesserung der Leistung der Brennstoffzellen, beispielsweise durch die Verwendung fortschrittlicher Katalysatoren oder Elektroden, kann die Gesamtleistung des Stacks erhöhen.
  2. Optimierung der Stack-Konstruktion: Das Design des Brennstoffzellenstacks kann einen erheblichen Einfluss auf seine Leistung haben. Eine Optimierung des Stackdesigns, z. B. durch Optimierung des Brennstoff- und Luftstroms durch den Stack, kann den Wirkungsgrad und die Leistungsabgabe des Stacks verbessern.
  3. Verwendung fortschrittlicher Materialien und Techniken: Der Einsatz fortschrittlicher Materialien und Techniken, wie z. B. die Verwendung fortschrittlicher Membranmaterialien oder der Einsatz von 3D-Drucktechniken, kann die Leistung des Brennstoffzellenstacks ebenfalls verbessern.
Brennstoffzellen-stack-design
Bispiel: Brenstoffzellen stack design

Sicherheitsaspekte

Die Sicherheit ist ein entscheidender Faktor bei der Konstruktion von Brennstoffzellenstacks, da Brennstoffzellen entflammbare Gase erzeugen und eine Quelle für elektrische Energie sein können. Bei der Konstruktion eines Brennstoffzellenstacks sind viele Faktoren zu berücksichtigen. Einige dieser Sicherheitsaspekte, die beachtet werden müssen, sind im Folgenden aufgeführt.

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Flüssigkeitsgekühlte vs. luftgekühlte Brennstoffzellenstacks

Die Art der Kühlung ist eine grundlegende Überlegung bei der Konstruktion von Brennstoffzellenstacks. Flüssigkeitsgekühlte Brennstoffzellenstacks und luftgekühlte Brennstoffzellenstacks unterscheiden sich in der Art ihrer Kühlung. In einem flüssigkeitsgekühlten Brennstoffzellenstack werden die Brennstoffzellen durch die Zirkulation einer Kühlflüssigkeit durch Kanäle im Stapel gekühlt. Dies kann die Wärmeabfuhr aus den Brennstoffzellen effizienter gestalten, erfordert aber den Einsatz eines Kühlsystems und kann komplexer in der Konstruktion und Wartung sein. In einem luftgekühlten Brennstoffzellenstack werden die Brennstoffzellen durch die Zirkulation von Luft durch den Stapel gekühlt. Dies ist eine einfachere und kostengünstigere Kühlungslösung, die aber möglicherweise nicht so effizient ist, wenn es darum geht, Wärme von den Brennstoffzellen abzuleiten.

Endplatten des Brennstoffzellenstacks

Die Endplatten eines Brennstoffzellenstacks sind wichtige Komponenten, die für die strukturelle Unterstützung und die elektrischen Verbindungen zum Stack sorgen. Die wichtigsten Faktoren, die bei der Konstruktion einer Brennstoffzellen-Endplatte berücksichtigt werden, sind folgende:

  • Festigkeit und Stabilität: Die Endplatten sollten so konstruiert sein, dass sie den Stack ausreichend stützen und eine Verformung oder Bewegung des Stacks verhindern.
  • Elektrische Anschlüsse: Die Endplatten sollten so konstruiert sein, dass sie zuverlässige elektrische Anschlüsse an den Stack bieten, mit Vorkehrungen für die Anbringung der erforderlichen elektrischen Komponenten und Kabel.
  • Kühlung: Die Endplatten sollten auch so gestaltet sein, dass sie die Kühlung des Stacks erleichtern, sei es durch die Zirkulation eines Kühlmittels oder durch die Zirkulation von Luft.
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Kostenfaktoren bei der Auslegung von Brennstoffzellenstacks

Die Kosten von Brennstoffzellenstacks werden von vier Hauptfaktoren bestimmt. Dazu gehören die Anzahl der Stacks, die verwendeten Materialien und Komponenten, die verwendeten Herstellungsverfahren und die Komplexität des Stack-Designs.

  1. Werkstoffe: Die im Brennstoffzellenstack verwendeten Materialien wie Membran, Elektroden und Katalysatoren können die Kosten des Stacks erheblich beeinflussen. Die Kosten für diese Materialien können je nach den benötigten Mengen und der Beschaffung der Materialien variieren.
  2. Herstellungsverfahren: Die Herstellungsprozesse, die für die Produktion des Brennstoffzellenstacks verwendet werden, können sich ebenfalls auf die Kosten auswirken. So kann beispielsweise der Einsatz fortschrittlicher Fertigungstechniken wie des 3D-Drucks die Kosten des Stacks erhöhen.
  3. Komplexität des Entwurfs: Auch die Komplexität des Stack-Designs kann sich auf die Kosten auswirken. Stacks mit einer komplexeren Konstruktion können mehr Material, Arbeit und Tests erfordern, was die Kosten erhöhen kann.
  4. Menge: Auch die Menge der produzierten Brennstoffzellenstacks kann sich auf die Kosten auswirken. Höhere Stückzahlen können aufgrund von Skaleneffekten oft zu niedrigeren Stückkosten führen.

Letzte Aktualisierung: 06.03.2023

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