- Welche Komponenten sind in einem Brennstoffzellen modul enthalten?
- Was ist der Unterschied zwischen einem Brennstoffzellenstapel, einem Brennstoffzellenmodul und einem Brennstoffzellensystem?
- Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?
- Woraus besteht ein Brennstoffzellensystem?
- Wie werden Brennstoffzellenstapelmodule in komplette Brennstoffzellensysteme integriert? Welches sind die Schnittstellen zu anderen Komponenten?
- Wie hoch ist die Spannung einer Zelle im Brennstoffzellenmodul?
- Welches sind die wichtigsten Leistungskriterien für ein Brennstoffzellenmodul?
- Welches sind die bevorzugten Anwendungsfälle von Brennstoffzellenmodulen?
- Welche Maßnahmen werden ergriffen, um das Gewicht von Brennstoffzellenstapeln und -systemen zu reduzieren?
- Wie werden Brennstoffzellenmodule getestet?
- Muss ein Brennstoffzellenmodul gewartet werden?
- Wie hoch ist die Lebensdauer von modernen Brennstoffzellenmodulen?
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Welche Komponenten sind in einem Brennstoffzellen modul enthalten?
Brennstoffzellenmodul bestehen aus einem PEM-Brennstoffzellenstapel mit einem Gehäuse und einigen Sensoren und Aktoren. Die Brennstoffzellenstapel-Baugruppe selbst besteht aus einer Vielzahl von Teilen, die das Brennstoffzellenmodul ausmachen, nämlich der Hilfshardware, wie einzelnen Brennstoffzellen und Zellbaugruppen, Anoden, Kathoden, Stromabnehmerplatten, Matrizen, Verteilern, Instrumenten, Montage- und Kompressionshardware sowie dem Stapelgehäusekessel.
Was ist der Unterschied zwischen einem Brennstoffzellenstapel, einem Brennstoffzellenmodul und einem Brennstoffzellensystem?
Ein Brennstoffzellenstapel ist das Herzstück der Technologie. Hier findet die Elektrochemie statt, bei der Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft kombiniert werden, um den elektrischen Gleichstrom zu erzeugen. Der Stapel besteht aus Schichten von Zellen, Endplatten, MEAs, Dichtungen, Dichtungen und Gasdiffusionsschichten, die alle nicht von einem Gehäuse umgeben sind.
Ein Brennstoffzellenmodul umfasst den PEM-Brennstoffzellenstapel und die unmittelbaren Systemanforderungen zur Steuerung dieses Brennstoffzellenstapels selbst – einschließlich Luft- und Wasserstoffzufuhrsystemen, Wasserstoffrückführung, Primärkühlmittel, Hoch- und Niederspannungssteuerungssystemen und einem Gesamtsteuerungssystem.
Ein Brennstoffzellensystem besteht aus dem Brennstoffzellenmodul und allen Komponenten der Anlage, zu denen Luftversorgung (Kompressor), Wasser- und Wärmemanagementmodule, Hoch- und Niederspannungskreise und ein Steuersystem gehören können. Wärmetauscher- und Abgasmodule befinden sich in der Regel außerhalb des Brennstoffzellensystems und werden zusammen mit einem DC: DC-Wandler werden speziell für den Antriebsstrang eines Fahrzeugs oder ein stationäres System konfiguriert.
Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?
Brennstoffzellen funktionieren ähnlich wie Batterien, können aber kontinuierlich Strom erzeugen, solange Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt werden. Im Gegensatz zu Batterien verbrauchen sie sich nicht und müssen nicht aufgeladen werden. Eine Brennstoffzelle funktioniert nach dem Prinzip der elektrochemischen Reaktion. Durch die Umwandlung der chemischen Energie des Wasserstoffs in elektrische Energie wird ein höherer Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels erreicht als bei der Verwendung von Batterien. Ein PEM-Brennstoffzellenstapel ist eine Ansammlung von Einzelzellen, die mit Hilfe von Bipolarplatten (Anode und Kathode in einem) zusammengeschaltet sind. Der Wasserstoff wird durch die Anode geleitet, während der Sauerstoff aus der Luft durch die Kathode geleitet wird. An der Anode werden die Wasserstoffmoleküle durch einen Katalysator in Elektronen und Protonen gespalten. Positive Teilchen können die Membran durchdringen, negative Teilchen nicht. Atome brauchen jedoch eine Ausgleichsladung und so wechseln die Elektronen den Weg. Zu diesem Zeitpunkt werden Elektronen durch den Stromkreis gezwungen und erzeugen elektrischen Strom. Das Nebenprodukt dieser Reaktion ist Wasser und Wärme. An der Kathode verbinden sich Wasserstoffprotonen, Elektronen und Sauerstoff und bilden Wassermoleküle.
Woraus besteht ein Brennstoffzellensystem?
Ein Brennstoffzellensystem besteht aus einem PEM-Brennstoffzellenstapel, einem Brennstoffzellenstapelmodul und einem System zur Anlagenbilanzierung. Der Brennstoffzellenstapel besteht aus mehreren Schichten von Zellen, in denen eine elektrochemische Reaktion stattfindet, bei der Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft kombiniert werden, um Strom und Wasser zu erzeugen. Zu den Komponenten des Brennstoffzellenstapels gehören Bipolarplatten, Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs), Dichtungen und Endplatten sowie das Spannsystem. Ein Stack-Modul enthält zusätzliche Systemfunktionen, um die Integration in Client-Systeme zu vereinfachen und so die Systemkompatibilität, Kontrolle und Leistung zu optimieren. Diese sind in der Regel in ein spezielles Medienmodul eingebaut und umfassen Ventile, Kondensatabscheider für den Anodenkreislauf, Druck- und Temperatursensoren sowie optionale, kundenspezifische Merkmale der Brennstoffzellenstapelkonstruktion.
Wie werden Brennstoffzellenstapelmodule in komplette Brennstoffzellensysteme integriert? Welches sind die Schnittstellen zu anderen Komponenten?
Erforderlich sind der Anschluss an den Wasserstoffspeicher über eine druckgeregelte Zuleitung, Thermo- und Abgasmodule sowie die Kommunikation mit und über ein “Fahrzeug” oder eine andere übergeordnete Steuerung. Andere Schnittstellen werden für Nieder- und Hochspannungsanschlüsse benötigt. Eine Verbindung zum Wasser als Nebenprodukt ist notwendig.
Brennstoffzellenmodul IE-SOAR 800W von Intelligent Energy
Wie hoch ist die Spannung einer Zelle im Brennstoffzellenmodul?
Eine einzelne Brennstoffzelle besteht aus einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA) und zwei Flow-Field-Platten, die eine Spannung zwischen 0,5 und 1 V liefern (zu niedrig für die meisten Anwendungen). Daher werden je nach Art der Anwendung mehrere Zellen in Reihe geschaltet, um die erforderliche Leistung zu erbringen.
Welches sind die wichtigsten Leistungskriterien für ein Brennstoffzellenmodul?
Die Stromdichte (Ampere pro Quadratzentimeter) und die Stack-Spannung sowie ein entsprechendes Temperatur- und Wassermanagement sind die wichtigsten Leistungskriterien für Brennstoffzellenmodule. Alle diese Parameter tragen zur Gesamtleistungsdichte der PEM-Brennstoffzelle bei. Die Art der Kühlung, die Qualität des Wasserstoffs, der Kraftstoffverbrauch, das Spitzenlastmanagement und die Konfiguration der Brennstoffzelle sind weitere Variablen, die die Leistung des Brennstoffzellenmoduls bestimmen.
Welches sind die bevorzugten Anwendungsfälle von Brennstoffzellenmodulen?
Die Brennstoffzellentechnologie hat den Vorteil, dass sie sowohl skalierbar als auch modular ist. Setzen Sie die Zellen einfach zusammen, um die erforderliche Leistung zu erzeugen.
Schwere Antriebssysteme (Auto, Bahn, Schiff), stationäre Stromerzeugung, Baumaschinen und Notstromversorgung sind ideale Anwendungen für die Brennstoffzellentechnologie. Durch geringes Gewicht und Systemmanagement können Brennstoffzellenmodule auch für den Einsatz in UAV- und eVTOL-Anwendungen angepasst werden.
Die Leistungsdichte von PEM-Brennstoffzellen ist ein wichtiger Faktor für die Realisierbarkeit von unbemannten Flugzeugen mit Brennstoffzellenantrieb. Aufgrund des modularen Aufbaus, der kontinuierlichen und konstanten Energieversorgung eignet sich diese Technologie ideal für hochmoderne Mobilitätsanwendungen, auch in Luftfahrzeugen wie einer brennstoffzellenbetriebenen Drohne.
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Welche Kriterien müssen beim Einsatz einer brennstoffzellenbetriebenen Drohne erfüllt sein, um einen Vorteil gegenüber rein batterieelektrisch betriebenen Drohnen zu erzielen?
Masse und Leistungsdichte der Brennstoffzelle sind entscheidend für eine hohe Produktivität und eine längere Betriebsdauer (Flugzeit) im Vergleich zu rein batterieelektrischen Optionen.
Welche Leistungsbereiche für Brennstoffzellenmodule werden für welchen Anwendungsfall benötigt?
Bei UAVs der aktuellen Generation können bereits bis zu 5 kW erreicht werden. Für Anwendungen mit höherer Leistung, wie z. B. stationäre, Automobil- und andere Antriebsanwendungen (Schienenverkehr, Off-Road, Schifffahrt), sind Leistungen bis zu 300 kW üblich. Bei eVTOL und Aero sind es etwa 1MW+.
Welche Maßnahmen werden ergriffen, um das Gewicht von Brennstoffzellenstapeln und -systemen zu reduzieren?
Die Verringerung der Masse von Stacks, Gehäusen und sämtlichen Anlagenkomponenten ist entscheidend für längere Flugzeiten bei Luftfahrtanwendungen. Außerdem muss ein Kompromiss gefunden werden, um die Beschleunigung, die Reisegeschwindigkeit, den Kraftstoffverbrauch und die Lebensdauer des Systems bei allen Antriebsanwendungen zu optimieren.
Wie werden Brennstoffzellenmodule getestet?
Umfangreiche Tests finden auf der Ebene der einzelnen Brennstoffzellenkomponenten, der Zelle, des Stapels, des Teilsystems und des gesamten Systems statt. QC- und QA-Tests dienen der Überprüfung der Leistung des Brennstoffzellenmoduls, z. B. Lecktests und Flüssigkeitskontrollen, Überwachung der Zellspannung, Polarisierung von Zelle und Stapel sowie Lebenszyklustests.
Muss ein Brennstoffzellenmodul gewartet werden?
Brennstoffzellen haben keine beweglichen Teile und sind wahrscheinlich zuverlässiger als Verbrennungsmotoren, allerdings müssen Brennstoffzellensysteme gewartet werden, z. B. durch Filter. Stationäre Brennstoffzellen benötigen relativ wenig Wartung, die von den örtlichen Umweltbedingungen (Staub, Temperatur usw.) abhängt, die fernüberwacht werden können, und werden standardmäßig betrieben und gewartet.
Wie hoch ist die Lebensdauer von modernen Brennstoffzellenmodulen?
Die Lebensdauer aktueller Stack-Module variiert je nach Betriebsprofil für unterschiedliche Anwendungen und kann weitgehend durch Modifikation oder Optimierung von Materialien und Systemmanagement konfiguriert werden. Ein Hochleistungs-Pkw kann im Hinblick auf die Leistungsanforderungen optimiert werden, während ein schwerer Lkw in der Regel eher auf die Lebensdauer hin optimiert wird. Die Brennstoffzellenstacks in FCEVs für den Personenverkehr sind für eine Betriebsdauer von etwa 150.000 bis 200.000 Kilometern bzw. die Lebensdauer der FCEVs ausgelegt.
Inhaltliche Beiträge von Intelligent Energy
Intelligent Energy ist ein Unternehmen, das auf 30 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von PEM-Brennstoffzellen zurückblickt. Das Unternehmen konzentriert sich auf die Entwicklung und Vermarktung seiner PEM-Brennstoffzellentechnologien für eine Reihe von Märkten, darunter Kraftfahrzeuge, stationäre Energieversorgung und UAVs. Der Hauptsitz des Unternehmens befindet sich im Vereinigten Königreich, weitere Niederlassungen gibt es in den USA, Japan, Korea und China.
Letzte Aktualisierung: 15.1.2023