- Was ist ein Brennstoffzellenstacks?
- Schnittstellen eines Brennstoffzellenstacks zu anderen Komponenten
- Komponenten des Brennstoffzellenstapels
- Brennstoffzellen-Stack-Technologie
- Leistungskriterien für die Auslegung von Brennstoffzellenstapeln
- Die sieben technischen Merkmale für die Auswahl eines Brennstoffzellenstacks
- Stapeln von Brennstoffzellen
- Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstacks
- Zu optimierende Funktionsprinzipien
- Sicherheitsmaßnahmen
- Verhinderung der Degradation von Brennstoffzellenstapeln
- Prüfgeräte für Brennstoffzellenstapel
- Anfahren eines Wasserstoff-Brennstoffzellenstapels mit einer integrierten Batterie
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Was ist ein Brennstoffzellenstacks?
Im Wesentlichen handelt es sich bei einem Brennstoffzellenstacks um eine modulare Anordnung einzelner standardisierter Brennstoffzellen, die in eine Stapelanordnung integriert sind und die für die jeweilige Anwendung erforderliche Leistung erbringen. Die Brennstoffzellen-Stack-Technologie umfasst alle Methoden und Komponenten, die für die Integration der einzelnen Brennstoffzellen in den Stack erforderlich sind, so dass ein “schlüsselfertiges” und “verschraubbares” Brennstoffzellensystem entsteht, das in eine Vielzahl von stationären und mobilen Anwendungen integriert werden kann.
Um die Definition des Brennstoffzellenstacks näher zu erläutern: Wasserstoff-Brennstoffzellenstapel bestehen aus einer Reihe von Brennstoffzellen, die parallel oder in Reihe geschaltet sind, um die gewünschte Spannung und Stromstärke zu erzeugen. Jede Brennstoffzelle in einem Stapel besteht aus zwei Elektroden – einer Kathode und einer Anode -, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Die Kathode besteht in der Regel aus einem porösen, leitfähigen Material wie Kohlenstoff, während die Anode aus einem katalytisch aktiven Material wie Platin oder Palladium hergestellt wird. Der Elektrolyt ist ein festes oder flüssiges Material, das Ionen durchlässt, aber Elektronen blockiert.
Wenn der Anode ein Brennstoff und der Kathode ein Oxidationsmittel zugeführt wird, kommt es an den Elektroden zu einer chemischen Reaktion, die Strom erzeugt. An der Anode wird der Brennstoff (normalerweise Wasserstoff) oxidiert, wobei Elektronen und Protonen freigesetzt werden. Die Protonen wandern durch den Elektrolyten zur Kathode, während die Elektronen gezwungen sind, durch einen externen Stromkreis zu fließen, wodurch Strom erzeugt wird. An der Kathode werden die Protonen und Elektronen mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasser rekombiniert, wodurch der elektrochemische Prozess abgeschlossen wird.
Schnittstellen eines Brennstoffzellenstacks zu anderen Komponenten
Es gibt vier Schnittstellen zwischen einem Wasserstoff-Brennstoffzellenstapel und anderen Komponenten eines Brennstoffzellensystems. Diese vier Schnittstellen sind:
- Über den Brennstoffeinlass und -auslass kann dem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff zugeführt und entnommen werden. Der Kraftstoffeinlass ist in der Regel an ein Kraftstoffversorgungssystem angeschlossen, das einen Kompressor, einen Filter und einen Lagertank umfassen kann. Der Brennstoffauslass ist in der Regel an ein Brennstoffabgassystem angeschlossen, das eine Gasreinigungsanlage und einen Kaminwäscher zur Entfernung von Verunreinigungen und überschüssigem Wasser umfassen kann.
- Über den Oxidationsmitteleinlass und -auslass kann dem Wasserstoff-Brennstoffzellenstapel Oxidationsmittel (in der Regel Luft oder Sauerstoff) zugeführt und entnommen werden. Der Oxidationsmitteleinlass ist in der Regel an ein Luftversorgungssystem angeschlossen, das einen Kompressor und einen Filter umfassen kann. Der Auslass für das Oxidationsmittel ist in der Regel an ein Abgassystem angeschlossen, das eine Gasreinigungseinheit und einen Kaminwäscher zur Entfernung von Verunreinigungen und überschüssigem Wasser umfassen kann.
- Durch den Kühlmitteleinlass und -auslass kann eine Kühlflüssigkeit (in der Regel Wasser oder Glykol) durch den Brennstoffzellenstapel zirkulieren, um die während des elektrochemischen Prozesses erzeugte Wärme abzuführen. Der Kühlmitteleinlass ist in der Regel mit einem Kühlsystem verbunden, das eine Pumpe, einen Wärmetauscher und einen Kühler umfassen kann. Der Kühlmittelauslass ist in der Regel mit einer Rücklaufleitung verbunden, die zum Kühlsystem zurückführt.
- Die elektrische Schnittstelle ermöglicht den Anschluss des Wasserstoff-Brennstoffzellenstapels an einen externen Verbraucher oder ein Energiespeichersystem. Die elektrische Schnittstelle kann sowohl Stecker und Kabel für Gleichstrom als auch Wechselrichter und Steuerelektronik für Wechselstrom umfassen.
Komponenten des Brennstoffzellenstapels
Ein typischer Brennstoffzellenstapel umfasst diese 7 Komponenten.
- Brennstoffzellen sind das Herzstück des Brennstoffzellenstapels und für die Stromerzeugung durch den elektrochemischen Prozess verantwortlich. Jede Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten sowie aus Stromabnehmern und Separatoren, die den Ionen- und Elektronenfluss ermöglichen.
- Bei den Bipolarplatten handelt es sich um dünne, flache Platten, die zwischen den Brennstoffzellen in einem Wasserstoff-Brennstoffzellenstapel angeordnet sind. Sie bilden das strukturelle Rückgrat des Stapels und sorgen für elektrische Leitfähigkeit und Wärmemanagement. Bipolarplatten können aus einer Vielzahl von Materialien bestehen, darunter Metalle, Polymere und Keramiken.
- Dichtungen werden verwendet, um eine hermetische Abdichtung zwischen den Brennstoffzellen und den Bipolarplatten in einem Brennstoffzellenstapel herzustellen, um Lecks zu verhindern und einen konstanten Gasfluss aufrechtzuerhalten. Dichtungen können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, darunter Elastomere, Graphit und Verbundwerkstoffe.
- Die Endplatten befinden sich am oberen und unteren Ende des Brennstoffzellenstapels und dienen der strukturellen Unterstützung und Abdichtung des Stapels. Sie können auch Vorkehrungen für Kraftstoffein- und -auslässe, Oxidationsmittelein- und -auslässe sowie Kühlmittelein- und -auslässe enthalten.
- Gasverteiler sind Kanäle oder Rohre, die Brennstoff und Oxidationsmittel zu den Brennstoffzellen in einem Wasserstoff-Brennstoffzellenstapel leiten. Sie können auch Vorkehrungen für die Gasreinigung und den Feuchtigkeitsentzug enthalten.
- Kühlmittelverteiler sind Kanäle oder Rohre, die Kühlflüssigkeit durch den Stapel zirkulieren lassen, um Wärme abzuführen. Sie können auch Vorkehrungen zur Temperaturerfassung und -kontrolle enthalten.
- Elektrische Steckverbinder und Kabel bilden die Schnittstelle zwischen dem Brennstoffzellenstapel und externen Verbrauchern oder Energiespeichersystemen. Sie können sowohl Steckverbinder und Kabel für Gleichstrom als auch Wechselrichter und Steuerelektronik für Wechselstrom umfassen.
Brennstoffzellen-Stack-Technologie
Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellenstapeln wie PEM-Brennstoffzellen, SOFC, PAFC, AFC, MCFC, DMFC und ZAFC.
- Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen): In den Zellen eines PEM-Brennstoffzellenstapels wird eine dünne Polymermembran als Elektrolyt verwendet, und sie werden in der Regel mit Wasserstoffgas betrieben. Das PEMFC-Stack-Design ist für seine hohe Leistungsdichte und schnelle Reaktionszeit bekannt und wird häufig in tragbaren und mobilen Anwendungen eingesetzt.
- Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs): SOFCs verwenden ein festes Oxidmaterial als Elektrolyt und können mit einer Vielzahl von Gasen wie Wasserstoff, Erdgas und Biogas betrieben werden. Ein Festoxid-Brennstoffzellenstapel bietet einen hohen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer und wird häufig für stationäre Stromanwendungen eingesetzt.
- Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFCs): PAFCs verwenden Phosphorsäure als Elektrolyt und werden in der Regel mit Wasserstoffgas betrieben. Sie sind für ihren hohen Wirkungsgrad und ihre relativ geringen Kosten bekannt und werden häufig in stationären Stromversorgungsanwendungen eingesetzt.
- Alkalische Brennstoffzellen (AFCs): AFCs verwenden eine alkalische Lösung als Elektrolyt und werden in der Regel mit Wasserstoffgas gespeist. Sie sind für ihre hohe Effizienz und Zuverlässigkeit bekannt und werden häufig in Raumfahrzeugen und anderen Spezialanwendungen eingesetzt.
- Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFCs): MCFCs verwenden ein geschmolzenes Karbonatmaterial als Elektrolyt und können mit einer Vielzahl von Gasen wie Wasserstoff, Erdgas und Biogas betrieben werden. Sie sind für ihren hohen Wirkungsgrad und ihre Brennstoffflexibilität bekannt und werden häufig für stationäre Stromanwendungen eingesetzt.
- Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFCs): DMFCs verwenden eine Protonenaustauschmembran als Elektrolyt und werden mit in Wasser gelöstem Methanol betrieben. Sie sind für ihre hohe Leistungsdichte und schnelle Reaktionszeit bekannt und werden häufig in tragbaren und mobilen Anwendungen eingesetzt.
- Zink-Luft-Brennstoffzellen: Zink-Luft-Brennstoffzellen verwenden Sauerstoff aus der Luft als Oxidationsmittel und werden mit Zink betrieben. Sie sind für ihre hohe Energiedichte und geringen Kosten bekannt und werden häufig in tragbaren und mobilen Anwendungen eingesetzt.
Leistungskriterien für die Auslegung von Brennstoffzellenstapeln
Leistungsdichte, Effizienz, Haltbarkeit und Kosten sind 4 wichtige Leistungskriterien, die für einen modernen Wasserstoff-Brennstoffzellenstapel erforderlich sind.
- Die Leistungsdichte bezieht sich auf die Menge an Energie, die pro Flächen- oder Volumeneinheit eines Brennstoffzellenstapels erzeugt werden kann. Höhere Leistungsdichten ermöglichen kleinere, kompaktere Stacks, die für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot wichtig sind.
- Der Wirkungsgrad bezieht sich auf das Verhältnis zwischen der abgegebenen elektrischen Energie und der zugeführten chemischen Energie in einem Brennstoffzellenstapel. Höhere Wirkungsgrade führen zu weniger Energieverschwendung und geringerem Kraftstoffverbrauch.
- Langlebigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines Brennstoffzellenstapels, seine Leistung über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten. Zu den Faktoren, die sich auf die Haltbarkeit auswirken können, gehören die Qualität und Reinheit des Brennstoffs und des Oxidationsmittels, die Betriebstemperatur und die Luftfeuchtigkeit sowie das Vorhandensein von Verunreinigungen und Schadstoffen.
- Die Kosten sind ein wichtiger Faktor bei der Entwicklung von Brennstoffzellenstapeln. Zu den Faktoren, die sich auf die Kosten eines Brennstoffzellenstapels auswirken können, gehören die verwendeten Materialien und Herstellungsverfahren sowie der Produktionsumfang.
Die sieben technischen Merkmale für die Auswahl eines Brennstoffzellenstacks
Im Folgenden werden die sieben technischen Merkmale genannt, die beim Kauf und der Integration eines Brennstoffzellenstapels in ein Brennstoffzellensystem typischerweise berücksichtigt werden.
- Die Art des Brennstoffs ist eines der wichtigsten technischen Attribute eines Brennstoffzellenstapels. Verschiedene Brennstoffzellentechnologien sind für den Betrieb mit unterschiedlichen Brennstoffen ausgelegt, und es ist wichtig, einen Brennstoffzellenstapel zu wählen, der mit dem verwendeten Brennstoff kompatibel ist. So werden PEM-Brennstoffzellenstapel in der Regel mit Wasserstoff verwendet, während Direktmethanol-Brennstoffzellenstapel (DMFC) für den Betrieb mit Methanol ausgelegt sind.
- Die Betriebstemperatur des Stapels ist ein wichtiger Faktor, da sie sich auf den Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Brennstoffzellen-Stapelanlage auswirkt. Einige Brennstoffzellentechnologien, wie z. B. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM), sind temperaturabhängig. Die Konstruktion des PEM-Brennstoffzellenstapels erfordert daher eine präzise Temperaturregelung für einen optimalen Betrieb. Andere Konzepte, wie z. B. das SOFC-Stack-Design (Solid Oxide Fuel Cell – SOFC), können bei viel höheren Temperaturen betrieben werden und erfordern nicht so viel Temperaturkontrolle.
- Der Betriebsdruck des Schornsteins ist ein weiterer wichtiger Faktor, da er sich auf die Effizienz und Haltbarkeit des Schornsteins auswirken kann. Einige Brennstoffzellentechnologien, wie z. B. PEM-Brennstoffzellen, arbeiten mit niedrigen Drücken und erfordern eine präzise Druckregelung der PEM-Brennstoffzellen-Stapelanordnung, um optimal zu funktionieren. Andere, wie z. B. SOFCs, können bei viel höheren Drücken betrieben werden und benötigen möglicherweise nicht so viel Druckkontrolle.
- Die Leistungsabgabe eines Brennstoffzellenstapels ist ein wichtiger Faktor, denn sie bestimmt die Strommenge, die mit dem Stapel erzeugt werden kann. Die Stack-Leistung kann durch Änderung der Anzahl der Brennstoffzellen im Stack, der Größe der Brennstoffzellen oder der Betriebsbedingungen des Stacks angepasst werden.
- Spannung und Stromausgang eines Brennstoffzellenstapels sind wichtige Faktoren, da sie die Kompatibilität des Stapels mit externen Lasten oder Energiespeichersystemen bestimmen. Die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom können durch Reihen- oder Parallelschaltung der Brennstoffzellen oder durch den Einsatz einer Spannungs- und Stromregelelektronik angepasst werden.
- Größe und Gewicht eines Wasserstoff-Brennstoffzellenstapels sind wichtige Faktoren, da sie den Platzbedarf und die Transportfähigkeit des Stapels bestimmen. Kleinere und leichtere Brennstoffzellenstapel sind im Allgemeinen für Anwendungen mit begrenzten Platz- oder Mobilitätsanforderungen wünschenswert.
- Die einfache Integration eines Brennstoffzellenstapels ist ein wichtiger Aspekt. Davon hängt ab, wie einfach der Stack in ein Brennstoffzellensystem integriert werden kann. Zu den Faktoren, die sich auf die Einfachheit der Integration auswirken können, gehören die Anzahl und Art der Schnittstellen, die Kompatibilität mit anderen Komponenten und die Verfügbarkeit von Dokumentation und technischem Support.
Stapeln von Brennstoffzellen
Die Leistung eines Wasserstoff-Brennstoffzellenstapels kann erhöht werden, indem mehr Brennstoffzellen in einer Brennstoffzellen-Stapelanordnung gestapelt werden. Das liegt daran, dass jede Brennstoffzelle in einem Stapel zur Gesamtleistung des Stapels beiträgt und das Hinzufügen weiterer Brennstoffzellen die Gesamtleistung erhöht. Die Stapelung von Brennstoffzellen ermöglicht eine größere Flexibilität bei der Auslegung eines Brennstoffzellensystems. Die Modularität des Brennstoffzellenstapels ermöglicht eine einfache Anpassung der Leistung durch Hinzufügen oder Entfernen von Brennstoffzellen je nach Bedarf. So kann das Brennstoffzellensystem auf die spezifischen Leistungsanforderungen der Anwendung zugeschnitten werden, und es ist einfacher, das System unter Verwendung identischer Komponenten nach oben oder unten zu skalieren.
Die modulare Stapelung von Brennstoffzellen ermöglicht nicht nur eine höhere Leistungsabgabe, sondern auch eine kompaktere und leichtere Bauweise, da mehr Leistung auf kleinerem Raum erzeugt werden kann. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen mit eingeschränktem Platzangebot oder Gewicht, z. B. in tragbaren Geräten oder Fahrzeugen.
Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstacks
Der Wirkungsgrad eines Stacks wird in der Regel als Verhältnis zwischen der abgegebenen elektrischen Energie und der zugeführten chemischen Energie gemessen. Dies wird durch Messung und Vergleich der elektrischen Ausgangsleistung des Schornsteins sowie der Durchflussmenge und des Energiegehalts der Brennstoff- und Oxidationsmittelzufuhr berechnet.
Der Wirkungsgrad eines Brennstoffzellenstapels kann von einer Reihe von Faktoren abhängen, darunter die Technologie des Brennstoffzellenstapels, die Betriebsbedingungen des Stapels sowie die Qualität und Reinheit des Brennstoffs und des Oxidationsmittels. Im Allgemeinen sind Wasserstoff-Brennstoffzellenstacks am effizientesten, wenn sie mit ihrer Nennleistung und bei optimalen Temperaturen und Drücken betrieben werden.
Zu optimierende Funktionsprinzipien
Ein Brennstoffzellen-Ingenieur konzentriert sich in der Regel auf die Optimierung der Leistung und des Wirkungsgrads eines Wasserstoff-Brennstoffzellenstapels sowie auf dessen Haltbarkeit und Zuverlässigkeit. Um dies zu erreichen, wird sich der Ingenieur auf eine Reihe von Funktionsprinzipien konzentrieren, wie z. B.:
- Reinheit von Brennstoff und Oxidationsmittel: Die Sicherstellung einer hohen Reinheit der Brennstoff- und Oxidationsmittelgase kann dazu beitragen, die Degradation zu minimieren und die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels zu verlängern. Der Ingenieur kann Hilfsmittel wie Gasreinigungsanlagen, Filter und Feuchtigkeitsabscheider verwenden, um Verunreinigungen und Schadstoffe aus den Gasen zu entfernen.
- Betriebstemperatur und -druck: Die Aufrechterhaltung einer optimalen Betriebstemperatur und eines optimalen Betriebsdrucks kann dazu beitragen, die Effizienz und Haltbarkeit des Stacks zu maximieren. Der Ingenieur kann Hilfsmittel wie Thermoelemente, Temperatursensoren und Drucksensoren verwenden, um die Betriebsbedingungen des Schornsteins zu überwachen und zu steuern.
- Lastmanagement: Die Steuerung der Belastung des Brennstoffzellenstapels kann dazu beitragen, seine Leistung zu optimieren und seine Lebensdauer zu verlängern. Der Ingenieur kann Hilfsmittel wie Lastbänke, Datenerfassungssysteme und Steuerelektronik einsetzen, um die Belastung des Stacks zu überwachen und zu steuern.
- Wartung: Regelmäßige Wartung kann dazu beitragen, eine Verschlechterung zu verhindern und die Lebensdauer des Stacks zu verlängern. Der Ingenieur kann Werkzeuge wie Reinigungsmittel, Inspektionsgeräte und Diagnosewerkzeuge verwenden, um die Wartung des Schornsteins durchzuführen.
- Prüfung : Regelmäßige Tests helfen dabei, eventuell auftretende Fragen oder Probleme zu erkennen und ermöglichen es dem Ingenieur, bei Bedarf Korrekturmaßnahmen zu ergreifen. Der Ingenieur kann Hilfsmittel wie Brennstoffzellenprüfstände, Lastbänke und Datenerfassungssysteme verwenden, um die Leistung und Zuverlässigkeit des Stacks zu testen.
Zusätzlich zu diesen Funktionsprinzipien kann ein Brennstoffzelleningenieur auch eine Reihe von Werkzeugen und Geräten einsetzen, um die Leistung und Zuverlässigkeit eines Wasserstoff-Brennstoffzellenstapels zu optimieren. Zu diesen Instrumenten können gehören:
- Berechnungswerkzeuge: Brennstoffzellen-Ingenieure können computergestützte Werkzeuge wie CAD-Software und Simulationstools verwenden, um den Brennstoffzellenstapel und seine Komponenten zu entwerfen und zu optimieren. Diese Werkzeuge können helfen, potenzielle Designprobleme zu erkennen, und ermöglichen es dem Ingenieur, Änderungen und Verbesserungen vorzunehmen, bevor der Stack gebaut wird.
- Werkzeuge zur Datenanalyse: Brennstoffzelleningenieure können Datenanalysetools wie Tabellenkalkulationen und Datenvisualisierungssoftware verwenden, um Daten aus Brennstoffzellentests zu analysieren und Trends und Muster zu erkennen. Dies kann dem Ingenieur helfen, die Leistung und Zuverlässigkeit des Wasserstoff-Brennstoffzellenstapels zu verstehen und Bereiche mit Verbesserungsbedarf zu ermitteln.
- Diagnostische Ausrüstung: Brennstoffzelleningenieure können Diagnosegeräte wie Multimeter und Oszilloskope verwenden, um Probleme mit dem Brennstoffzellenstapel zu beheben und zu diagnostizieren. Diese Werkzeuge können dem Ingenieur helfen, Probleme mit dem Stack zu erkennen und bei Bedarf Korrekturmaßnahmen zu ergreifen.
- Testausrüstung: Um die Leistung und Zuverlässigkeit zu testen, können Ingenieure eine Reihe von Geräten für Brennstoffzellenstapeltests verwenden, z. B. Lastbanken, Datenerfassungssysteme und Brennstoffzellenprüfstände. Diese Werkzeuge können dem Ingenieur helfen, Probleme zu erkennen und bei Bedarf Korrekturmaßnahmen zu ergreifen.
Sicherheitsmaßnahmen
Bei der Konstruktion von Brennstoffzellensystemen werden in der Regel mehrere Sicherheitsmaßnahmen ergriffen, um den sicheren Betrieb von Wasserstoff-Brennstoffzellenstapeln zu gewährleisten.
- Gasbehandlung und -reinigung: Brennstoffzellensysteme umfassen in der Regel eine Reihe von Maßnahmen, die sicherstellen, dass die Brennstoff- und Oxidationsmittelgase sicher gehandhabt und gereinigt werden. Dazu können Filter zur Entfernung von Schadstoffen und Verunreinigungen, Kompressoren und Regler zur Steuerung des Gasflusses und -drucks sowie Gasreinigungsanlagen zur Entfernung von Feuchtigkeit und anderen Verunreinigungen gehören.
- Kühlungssysteme: Brennstoffzellenstapel erzeugen während des elektrochemischen Prozesses Wärme, und es ist wichtig, dass die Stapel richtig gekühlt werden, um Überhitzung und Schäden zu vermeiden. Brennstoffzellensysteme umfassen in der Regel ein Kühlsystem, das eine Kühlflüssigkeit durch die Stacks zirkulieren lässt und überschüssige Wärme abführt.
- Elektrische Sicherheit: Brennstoffzellensysteme erzeugen Strom, und es ist wichtig, dass die elektrischen Komponenten des Systems sicher konstruiert und installiert sind. Dazu gehören Maßnahmen wie Erdung, Überstromschutz und Isolierung, um elektrische Brände und Stromschläge zu verhindern.
- Strukturelle Integrität: Brennstoffzellenstapel sind in der Regel einer Reihe von Umwelteinflüssen und mechanischen Belastungen ausgesetzt, und es muss sichergestellt werden, dass die Stapel mit ausreichender struktureller Integrität konstruiert und gebaut werden, um diesen Belastungen standzuhalten. Dazu können Maßnahmen wie Verstärkung, Verstrebungen und Schutzanstriche zur Vermeidung von Schäden gehören.
- Notabschaltung: Brennstoffzellensysteme verfügen in der Regel über ein Notabschaltsystem, das das System im Falle eines Fehlers oder einer Störung automatisch abschaltet. Dazu können Sensoren zur Erkennung gefährlicher Zustände sowie eine Steuerelektronik zur Auslösung der Abschaltung gehören.
Verhinderung der Degradation von Brennstoffzellenstapeln
Die Degradation eines Brennstoffzellenstapels wirkt sich auf die Lebensdauer einer Brennstoffzelle aus, doch können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, um die Degradation des Brennstoffzellenstapels zu verringern und seine Lebensdauer zu verlängern.
- Eine ordnungsgemäße Filtration der Brennstoff- und Oxidationsmittelgase kann dazu beitragen, Verunreinigungen und Schadstoffe zu entfernen, die zu einer Zersetzung der Brennstoffzellen führen können. Dazu können Filter zur Entfernung von Partikeln sowie Gasreinigungsanlagen zur Entfernung von Feuchtigkeit und anderen Verunreinigungen gehören.
- Auch die Reinheit des Wasserstoffs kann sich auf die Leistung und Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels auswirken. Wasserstoff als Kraftstoff, der mit Verunreinigungen wie Wasserdampf, Kohlenwasserstoffen oder Metallen verunreinigt ist, kann zu Korrosion und Degradation der Brennstoffzellen führen. Um diese Auswirkungen zu minimieren, muss sichergestellt werden, dass der Wasserstoffbrennstoff von hoher Reinheit ist.
- Auch die Betriebsbedingungen eines Wasserstoff-Brennstoffzellenstapels können seine Leistung und Lebensdauer beeinflussen. Faktoren wie Temperatur, Druck und Feuchtigkeit können die Stabilität und Haltbarkeit der Brennstoffzellen beeinflussen. Es ist wichtig, optimale Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten, um die Degradation zu minimieren und die Lebensdauer des Stacks zu verlängern.
- Eine ordnungsgemäße Wartung des Stapels kann ebenfalls dazu beitragen, eine Verschlechterung zu verhindern und seine Lebensdauer zu verlängern. Dazu können Maßnahmen wie die regelmäßige Reinigung und Inspektion der Brennstoffzellen und anderer Komponenten sowie der Austausch verschlissener oder beschädigter Teile gehören.
Prüfgeräte für Brennstoffzellenstapel
Für die Prüfung von Wasserstoff-Brennstoffzellenstapeln werden in der Regel verschiedene Geräte wie Gasdurchflussmesser, Thermoelemente, Lastbänke, Datenerfassungssysteme und Brennstoffzellenprüfstände verwendet.
- Gasdurchflussmesser und -regler werden zur Messung und Regelung des Durchflusses der Brenn- und Oxidationsmittelgase zum Brennstoffzellenstapel verwendet. Dadurch können die Betriebsbedingungen des Stapels genau kontrolliert und gemessen werden.
- Thermoelemente und Temperatursensoren werden zur Messung der Temperatur des Stacks und seiner Komponenten, wie Brennstoffzellen, Bipolarplatten und Kühlmittel, verwendet. Dadurch kann das Temperaturprofil des Stapels überwacht und gesteuert werden.
- Lastbänke werden verwendet, um eine Brennstoffzellen-Stack-Einheit zu belasten und ihre elektrische Leistung zu messen. Auf diese Weise lässt sich die Leistung des Stacks unter verschiedenen Lastbedingungen charakterisieren.
- Datenerfassungssysteme werden eingesetzt, um Daten des Brennstoffzellenstapels und seiner Komponenten während der Prüfung zu erfassen und aufzuzeichnen. Dies kann Daten über die elektrische Leistung, Gasdurchflussraten, Temperatur und andere Parameter umfassen.
- Brennstoffzellenprüfstände sind spezielle Systeme, die für die Prüfung von Stacks unter verschiedenen Bedingungen eingesetzt werden. Diese Systeme können Funktionen wie Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung, Gasdurchfluss- und Druckregelung, Lastbanken und Datenerfassungssysteme umfassen. Brennstoffzellenprüfstände werden in der Regel zur Charakterisierung der Leistung von Wasserstoff-Brennstoffzellenstapeln sowie zur Prüfung der Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der Stapel unter verschiedenen Betriebsbedingungen verwendet.
Anfahren eines Wasserstoff-Brennstoffzellenstapels mit einer integrierten Batterie
Eine in ein Brennstoffzellensystem integrierte Batterie kann dessen Lebensdauer auf verschiedene Weise verlängern. Eine Möglichkeit besteht darin, den Brennstoffzellenstapel mit Hilfe der Batterie “anzufahren”, insbesondere wenn der Stapel kalt ist oder längere Zeit im Leerlauf war. In diesem Fall kann die Batterie einen vorübergehenden Energieschub liefern, um den Stack zum Laufen zu bringen, bis sie nach Erreichen der Betriebstemperatur als primäre Stromquelle fungiert.
Eine integrierte Batterie kann auch als Reservestromquelle für das Brennstoffzellensystem im Falle eines Stromausfalls oder einer anderen Unterbrechung der Brennstoffversorgung genutzt werden. In diesem Fall kann die Batterie kritische Verbraucher mit Strom versorgen, bis die Stack-Einheit wieder in Betrieb genommen werden kann oder die Brennstoffversorgung wiederhergestellt ist.
Eine weitere Möglichkeit, die Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems durch eine integrierte Batterie zu verlängern, besteht darin, den Brennstoffzellenstapel zu “entlasten”. Dabei wird die Batterie verwendet, um überschüssigen Strom zu speichern, der in Zeiten hoher Nachfrage erzeugt wird, und diesen Strom dann in Zeiten geringerer Nachfrage wieder an die Last abzugeben. Dies kann dazu beitragen, die Gesamtbelastung des Wasserstoff-Brennstoffzellenstapels zu verringern, was wiederum seine Lebensdauer verlängern kann.
Letzte Aktualisierung: 06.02.2023