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Klimaneutrale Energieerzeugung

Brennstoffzellen effizient und vereinfacht testen

20. Oktober 2021, 10:07 Uhr | Von Markus Schyboll, CEO von EA Elektro-Automatik

EA Elektro-Automatik wirkt aktiv an der Energiewende mit. Für den Test von Brennstoffzellen-Stacks bieten elektronische Lasten und bidirektionale Stromversorgungen die notwendige hohe Eingangsleistung. Weitere Vorteile: Echtes Autoranging und eine Netzrückspeisung bis über 96 Prozent Wirkungsgrad.

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* In diesem Beitrag werden die Begriffe „Brennstoffzelle“ und „Brennstoffzellen-Stack“ gegenseitig austauschbar verwendet.

Bei der Energieerzeugung mit dem Brennstoff Wasserstoff werden weder Treibhausgase noch Kohlendioxid emittiert, was zur notwendigen Verringerung des Kohlendioxidanteils in der Atmosphäre beiträgt. Staatliche Initiativen, wirtschaftliche Anreize und neue Anwendungsmöglichkeiten führen in diesem Industriezweig zu einer jährlichen Wachstumsrate von 26,4 Prozent.

Zu den Einsatzgebieten von Brennstoffzellen gehören die Stromerzeugung für Nutzfahrzeuge und Backup-Stromversorgungssysteme. Eine einzelne Brennstoffzelle* erzeugt in der Praxis eine Ausgangsspannung von unter 1 V, sodass in der Praxis Anordnungen von Stapeln (Stacks) aus mehreren in Reihe geschalteten Zellen genutzt werden. Bei Fahrzeugen, etwa bei Flurförder- und Lieferfahrzeugen sowie LKWs, geben diese eine maximale Leistung von 125 kW ab. Bei Backup-Stromversorgungssystemen weisen die Stacks eine Kapazität von maximal 1,5 MW auf und werden bis 900 V betrieben.

EA-Hochleistungsgeräte für Tests
von Brennstoffzellen-Stacks

Bei einem derartig hohen Leistungsvermögen sind Tests von Brennstoffzellen-Stacks unerlässlich, um gewährleisten zu können, dass sie dem angegebenen Mindestwirkungsgrad entsprechen, sicher funktionieren und die erforderliche Betriebsdauer aufweisen. Mit den EA-Hochleistungsgeräten sind Brennstoffzellen-Tests mit einer Leistung bis zu 1,92 MW möglich.

Erhältlich sind elektronische Lasten der Serie EA-ELR 10000 mit einer Eingangsleistung bis 30 kW, Spannungen bis 2000 V und Strömen bis 1000 A. Es lassen sich bis zu 64 Lasten parallelschalten. Dieselben Leistungs- und Parallelschaltoptionen gelten für die bidirektionalen Stromversorgungen der Serie EA-PSB 10000 sowohl im Quellen- als auch im Senkenmodus. Bei den folgenden Beispielen steht die ELR-Last als primäres Testinstrument von Brennstoffzellen-Stacks im Fokus.

Leistungsfähigkeitstest
von Brennstoffzellen

Sind die Parameter eines Brennstoffzellen-Stacks im Rahmen einer Messung des Brennstoffzellenwiderstands mit einem AC-Störeinflussverfahren charakterisiert, können Ingenieure die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle quantifizieren. Um reproduzierbare Daten zu erhalten, sollte sich die Brennstoffzelle in einer kontrollierten Umgebung befinden, in der Temperatur und Durchflussmenge sowie Druck und Luftfeuchte konstant gehalten werden. Die Spannungsabgabe wird in Abhängigkeit vom Laststrom bestimmt. Die Messung beginnt bei nicht angeschlossener Last, um die Messung der Leerlaufspannung zu ermöglichen. In gleichmäßigen Schritten wird die Last erhöht, bis die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf circa 20 Prozent ihrer Leerlaufspannung absinkt.

Bei jeder Laststromänderung muss die Brennstoffzelle wieder den Gleichgewichtszustand herstellen. Daher wird eine gewisse Zeitspanne benötigt, bevor bei jedem neuen Laststrom Daten gemessen werden. Die Messungen der Spannung in Abhängigkeit vom Strom führen zu drei charakteristischen Bereichen.

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In Abschnitt 1 (Bild 1) führen nichtlineare elektrokinetische Effekte mit steigendem Laststrom zu einem nichtlinearen Spannungsabfall.

In Abschnitt 2 überwiegt der ohmsche Widerstand der Brennstoffzelle und erzeugt einen linearen Teil der Brennstoffzellenkennlinie.

In Abschnitt 3 fällt die Spannung exponentiell ab, da Energie schneller verbraucht wird, als die chemischen Reaktionen von Wasserstoff und Sauerstoff neue Energie erzeugen können.

Echtes Autoranging

Durch Autoranging kann die Last die gesamte Leistung in einem größeren Betriebsbereich aufnehmen. Zudem muss keine Last mit höherer Leistung verwendet werden, um entweder eine höhere Spannung oder einen höheren Strom aufzunehmen. Mit Autoranging lassen sich wegen der größeren Betriebsbereiche von Spannung und Strom zudem mehr Arten unterschiedlicher Brennstoffzellen testen. Bei den großen Brennstoffzellen-Stacks, die zur Backup-Stromerzeugung eingesetzt werden, können bis zu 64 ELR-Lasten parallelgeschaltet werden, um bis zu 1,92 MW aufzunehmen. So sparen Anwender Anschaffungs- und Prüfkosten sowie Bauraum im Vergleich zu anderen Geräten.