- Warum ist die Überwachung von Brennstoffzellenstapeln wichtig?
- Welches sind die entscheidenden Parameter eines CVM-Systems?
- Wie viele Arten von Spannungsabnehmern für Brennstoffzellen gibt es, und welches ist die beste Option?
- Welches Zubehör wird für Brennstoffzellen Stack Überwachungsgeräte benötigt?
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Warum ist die Überwachung von Brennstoffzellenstapeln wichtig?
Eine einzelne PEM-Brennstoffzelle (PEMFC) kann nur bis zu 1,5 V erzeugen. Um die erzeugte Spannung zu erhöhen und eine ausreichende Leistung zu liefern, werden die Zellen in Reihe geschaltet, so dass ein sogenannter PEMFC-Stapel entsteht. Die Anzahl der Zellen im Stapel kann von 5 oder 10 (häufig für Forschung und Entwicklung verwendet) bis zu 400 oder 600 (hauptsächlich für Automobilanwendungen) reichen.
Wie bei Batteriesystemen ist die Messung der Spannung der einzelnen Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel ein wichtiges Instrument zur Überwachung des Zustands des Stapels, der sich direkt auf die Effizienz des Brennstoffzellenstapels auswirkt. Sie dient dazu, so genannte kritische Vorgänge (z. B. Brennstoff- und Luftmangel) zu erkennen, die zu einem Ausfall des Stacks führen können, und ermöglicht es der Stack-Steuereinheit, entsprechend zu reagieren. Die Überwachung der Zellenspannung ist daher entscheidend für den Schutz des Stacks und die Gewährleistung seiner maximalen Lebensdauer. Darüber hinaus ist die Zellspannungsüberwachung (CVM) eine kostengünstige Methode zur Charakterisierung, die während des Betriebs ohne Unterbrechung läuft und daher Echtzeitinformationen über den Zustand des Stacks liefert. Neben der tatsächlichen Ablesung der Wasserstoff-Brennstoffzellenspannung ist auch die Geschwindigkeit, mit der sich die Zellenspannung beim Wechsel des Stack-Betriebspunktes ändert, von Bedeutung für die korrekte Erkennung kritischer Betriebszustände im Stack. So kann beispielsweise ein rascher Abfall des OCV-Wertes während des Abschaltvorgangs des Stapels auf ein Problem mit der entsprechenden Zelle hinweisen.
Abbildung 1: Beispiel für einen gesunden Stapel mit 80 Zellen (Quelle: Vivas, F. J., et al.: Cell voltage monitoring All-in-One. A new low-cost solution to perform degradation analysis on air-cooled polymer electrolyte fuel cells.” International Journal of Hydrogen Energy 44.25 (2019): 12842-12856.)
Abbildung 2: Beispiel für einen schlecht funktionierenden Stack. Die Zellen 6 bis 24 weisen einen erheblichen Spannungsabfall im Vergleich zu den übrigen Zellen im Stapel auf (Quelle: Vivas, F. J., et al.: Cell voltage monitoring All-in-One. A new low-cost solution to perform degradation analysis on air-cooled polymer electrolyte fuel cells.” International Journal of Hydrogen Energy 44.25 (2019): 12842-12856.)
Welches sind die entscheidenden Parameter eines CVM-Systems?
Bei einem Zellspannungsüberwachungssystem sind mehrere wichtige Parameter zu berücksichtigen. Die Zellspannungen werden differenziell gemessen, so dass die Anzahl der Zellen im Stapel die erforderliche Anzahl der Kanäle des CVM-Systems bestimmt. Für den Brennstoffzellenstapel ist der Spannungsmessbereich eines Kanals mit ±1,5 V ausreichend. Moderne CVM-Systeme, die einen größeren Kanalspannungsbereich bieten, ermöglichen die Überwachung von Zellgruppen (nützlich für Stapel mit einer großen Anzahl von Zellen, z. B. bietet das CVM-24P einen Bereich von ±5 V). Darüber hinaus können sie auch zur Überwachung anderer elektrischer Systeme wie Batterien oder Elektrolyseure eingesetzt werden.
Die Abtastrate der Kanäle (in der Regel ausgedrückt in Samples pro Sekunde oder Hertz) ist eine weitere kritische Angabe, insbesondere wenn das CVM-System die Zellen nacheinander misst. Man sollte zwischen der so genannten internen Abtastrate (höherer und architekturabhängiger Wert) und der All-Kanal-Abtastrate (ein praktischerer Wert, der die Messrate des gesamten Systems beschreibt) unterscheiden. Für die Echtzeit-Überwachung des Zustands des Stacks sollte die Abtastrate so hoch wie möglich sein, um eine zuverlässige Erkennung von Anomalien auch bei schnellen Lasttransienten zu ermöglichen (z. B. erfasst das CVM-24P 500sps). Um die erfassten Daten ohne weitere Verzögerungen an die Steuereinheit des Stapels übertragen zu können, ist eine Echtzeit-Kommunikationsschnittstelle wie z. B. ein CAN-Bus erforderlich.
Der dritte entscheidende Parameter eines CVM-Systems ist die Genauigkeit. Moderne CVM-Systeme bieten 0,02 % der Skala (z. B. CVM-24P 0,02 % des Bereichs + 0,05 % des Messwerts). Um die Geräuschaufnahme entlang der Kabel zu reduzieren, sollte das CVM-System so nah wie möglich am Stapel positioniert und die Kabellänge minimiert werden. Kabel mit Abschirmung können das Rauschen weiter abschwächen.
Da die Zellspannung differenziell gemessen wird, können die einzelnen Kanäle je nach Größe des Stapels bis zu Hunderte von Volt gegen Erde messen. Um eine Beschädigung des CVM-Systems zu vermeiden, ist eine Isolierung der Kanäle gegen Hochspannung erforderlich.
Weitere wichtige Kriterien sind die Daisy-Chain-Unterstützung (um Hunderte von Kanälen durch den Anschluss mehrerer CVM-Module messen zu können) sowie eine ausreichend hohe Betriebstemperaturbeständigkeit des CVM-Systems (um den Betrieb so nah wie möglich am laufenden Stack zu ermöglichen). Darüber hinaus muss das CVM-System zusammen mit dem Spannungsabgriff und den Kabeln bei Transportanwendungen besonders resistent gegen Vibrationen sein. Nicht zuletzt sind auch die Kosten des CVM-Systems ein entscheidender Faktor, insbesondere für Stapelhersteller, die Stapel in großen Mengen produzieren.
Beispiel Bauteil Zellspannungswächter
Wie viele Arten von Spannungsabnehmern für Brennstoffzellen gibt es, und welches ist die beste Option?
In der Regel wird die Spannung jeder Zelle des Stapels mit einer so genannten CVM-Aufnahmeeinheit erfasst. Die Verbindung des Brennstoffzellen-Stack-Monitoring-Systems mit den einzelnen Zellen (Spannungsabgriff) kann mit einfachen Steckern, Federleisten, Federdrähten oder auch Lötverbindungen erfolgen. Die Wahl der optimalen Verbindung unterliegt den Beschränkungen des Stack-Designs, insbesondere dem Zellenabstand (d. h. dem Abstand zwischen den Bipolarplatten).
Automotive-Stacks sind in der Regel kompakter und bieten daher nur einen schmalen Platz für den Anschluss der Spannungsabgriffe an die Bipolarplatten. Idealerweise sollte der Spannungsabgriff während der Stack-Design-Phase geplant werden.
Welches Zubehör wird für Brennstoffzellen Stack Überwachungsgeräte benötigt?
Je nach Anwendung kann das Zellspannungsüberwachungssystem (CVM) entweder an einen PC (typisch für Forschungsanwendungen) oder an eine Brennstoffzellenstapel-Steuereinheit (z. B. Echtzeit-Mikrocontroller) angeschlossen werden. Moderne CVM-Systeme können mit einem Stapelsteuergerät ausgestattet werden, was eine kompakte Lösung ermöglicht, die sich besonders für den Transport und mobile Anwendungen eignet.
Ein weiteres erforderliches Zubehör ist eine Software mit GUI, die eine grafische Echtzeit-Darstellung der Zellspannungen (Forschung und Entwicklung) sowie eine Echtzeit-Diagnose und -Kontrolle (Feldanwendungen) ermöglicht.
Abbildung 3: Beispiel für eine Steuerungssoftware: CVM Manager (Registerkarte Zellspannungsüberwachung) von Kolibrik.net
Inhaltbeigetragen von Kolibrik.net
Kolibrik.net bietet Lösungen und Produkte hauptsächlich für H2FC-Technologien und Elektrochemie. Die von Kolibrik.net hergestellte Elektronik und Software kann viele Aufgaben abdecken, von der Grundlagen- und angewandten Forschung, dem Testen von Hochleistungszellen und -stapeln, dem Prototyping von Stapelsteuerungssystemen bis hin zu Lösungen für Zielanwendungen. Alle vorgestellten Produkte basieren auf einer modularen Plattform, so dass sie je nach den genauen Bedürfnissen oder Parametern angepasst werden können.
Letzte Aktualisierung: 15.1.2023