- Was ist Zellspannung und warum ist es so wichtig, jede einzelne Zelle in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle oder einem Elektrolyseur-Stack zu überwachen?
- Warum sind sowohl positive als auch negative Spannungsmessungen in Wasserstoff-Stacks wichtig, insbesondere während der Abschaltung oder dem Start?
- Was sind die technischen Unterschiede zwischen kabelgebundenen und kabellosen Zellspannungsmesssystemen?
- Welche Sicherheitsmerkmale sollten Spannungsüberwachungssysteme für Wasserstoffstapel enthalten?
Was ist Zellspannung und warum ist es so wichtig, jede einzelne Zelle in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle oder einem Elektrolyseurstapel zu überwachen?
Die Zellspannung einer Brennstoffzelle wird durch die Differenz der elektrochemischen Potenziale an der Anode und Kathode bestimmt. Diese Phänomene werden am Beispiel der PEM-Brennstoffzelle näher erläutert. Im Idealfall erreicht eine PEM-Brennstoffzelle eine Spannung von etwa 1,23 V. Im praktischen Betrieb reduzieren jedoch Aktivierungsverluste, ohmscher Widerstand und Konzentrationsverluste die Zellspannung auf etwa 0,6–0,7 V pro Zelle.Mit der Zeit erhöht Materialverschleiß diese Verluste, wodurch die Spannung weiter sinkt und der Gesamtwirkungsgrad abnimmt. Um das Zellverhalten insbesondere während des Startvorgangs und in verschiedenen Betriebsmodi besser zu verstehen, wird ein Gerät zur Überwachung der Zellspannung eingesetzt. Dies ermöglicht eine genauere Analyse der Zellleistung und unterstützt die Entwicklung optimierter Betriebsstrategien und einer verbesserten Langzeiteffizienz.
Die individuelle Überwachung jeder Zelle hilft, frühzeitig Anzeichen für Zellungleichgewichte, lokale Ausfälle oder Hotspots zu erkennen. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Leistung im gesamten Stapel und verlängert die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Systems.
Warum sind sowohl positive als auch negative Spannungsmessungen in Wasserstoffstapeln wichtig, insbesondere während des Abschaltens oder Startens?
Während des Abschaltens einer Brennstoffzelle kann eine ungleichmäßige Wasserstoffverteilung oder eine verzögerte Spülung mit Inertgas zu einer lokalen Umkehrung der Zellspannung führen, sodass einzelne Zellen vorübergehend wie Elektrolyseure verhalten können. Bei der PEM-Elektrolyse kann es bei einem Abschalten ohne kontrollierte Stromunterbrechung und Gasentfernung zu einer Umkehrreaktion kommen: Die Zelle arbeitet kurzzeitig wie eine Brennstoffzelle. Auch während des Anfahrens reagieren Zellen empfindlich auf asymmetrische Befeuchtung oder Gasversorgung.
Daher ist eine Überwachung der Zellspannung in beide Richtungen unerlässlich. Nur so können Spannungsumkehrungen und kritische Zustände frühzeitig erkannt werden. Die bidirektionale Überwachung ermöglicht gezielte Schutzmaßnahmen und gewährleistet ein sicheres Start- und Abschaltverhalten.
Spannungsumkehrungen können zu einer starken Verschlechterung der Katalysatoren und Membranen führen. Eine proaktive bidirektionale Überwachung verhindert solche Schäden und unterstützt den sicheren Betrieb unter transienten Bedingungen.
Was sind die technischen Unterschiede zwischen kabelgebundenen und kabellosen Zellspannungserfassungssystemen?
In Brennstoffzellen- und Elektrolyse-Stacks wird in der Regel eine kabelgebundene Version der Zellspannungsüberwachung (CVM) verwendet. Diese Systeme sind weit verbreitet, insbesondere in Anwendungen, in denen die Zellspannungen über längere Zeiträume überwacht werden und die Stacks kontinuierlich in Betrieb sind.
Im Gegensatz dazu ist eine Zellspannungserfassungslösung für den kurzfristigen und flexiblen Einsatz konzipiert. Sie ist besonders nützlich, wenn Stacks aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen häufig ausgetauscht werden müssen. Solche Lösungen sind in der Regel kundenspezifisch entwickelt, was sie teurer macht. Das zugrunde liegende Messprinzip bleibt jedoch in beiden Fällen gleich: Die Zellspannung wird durch Messung der Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode ermittelt.
Ein CVP-System mit integriertem CVM bietet potenzielle Einsparungen bei Installation und Investition. Das CVP/CVM-System lässt sich außerdem bei der Wartung oder dem Austausch des Stacks schneller austauschen, was die Wartungskosten und Ausfallzeiten aufgrund des minimalen Installationsaufwands reduziert.
Welche Sicherheitsmerkmale sollten Spannungsüberwachungssysteme für Wasserstoffstacks aufweisen?
Sicherheit ist ein entscheidender Aspekt bei der Konstruktion von Zellspannungsüberwachungssystemen (CVM). Um Brennstoffzellen- oder Elektrolysestacks vor Über- und Unterspannung zu schützen, werden in der Regel zwei sich ergänzende Schutzmethoden eingesetzt:
Digitaler Schutz über CAN-Protokoll:
Spannungsgrenzwerte können über die CAN-Schnittstelle in der Software definiert werden. Wenn die Zellspannung diese vordefinierten Schwellenwerte überschreitet oder unterschreitet, kann das System über standardisierte CAN-Kommunikation automatische Reaktionen wie Alarme, kontrollierte Abschaltungen oder andere Schutzmaßnahmen auslösen.
Analoger Schutz über potentialfreie Kontakte:
Zusätzlich bieten die meisten Systeme hardwarebasierte potentialfreie Kontaktausgänge. Diese Ausgänge werden bei Überschreitung der Spannungsgrenzwerte ausgelöst und ermöglichen direkte elektrische Reaktionen wie das Abschalten des Stacks oder die Aktivierung externer Sicherheitskreise unabhängig von der Software-Logik. Dieser zweistufige Schutzansatz erhöht die Systemsicherheit erheblich und verhindert Schäden an Zellen oder Stacks. Die Kombination aus softwarebasierter Diagnose und hardwarebasierter Ausfallsicherheit gewährleistet einen redundanten Schutz, der für missionskritische Wasserstoffenergiesysteme, insbesondere in Mobilitäts- oder Industrieumgebungen, von entscheidender Bedeutung ist.
Inhalt bereitgestellt von DiLiCo engineering GmbH
DiLiCo engineering entwickelt und produziert Messtechnik zur Überwachung und Analyse von Elektrolysezellen, Brennstoffzellen, Redox-Flow-Batterien und Batterien. Dazu gehören Zellspannungsüberwachung und Kontaktlösungen für die Zellspannungserfassung, In-situ-Strom- und Temperaturverteilungsmessungen sowie EIS-Messungen zur Alterungsanalyse und Bewertung des Betriebsmanagements. Elektrolyse-Prüfstände für die reproduzierbare Messung und Analyse von Elektrolyse-Einzelzellen sind ein weiteres Fachgebiet von DiLiCo.
