Bei Wasserstoffbrennstoffzellen wird der Anode Wasserstoff zugeführt, während der Kathode Luft zugeführt wird. Ein Anodenkatalysator, in der Regel Platin, trennt den Wasserstoff in Protonen und Elektronen, die unterschiedliche Wege zur Kathode nehmen – Protonen wandern durch den Elektrolyten, während Elektronen die externe antreiben Schaltung. An der Kathode vereinigen sich beide mit Sauerstoff zu Wasser und Wärme.
„Die wichtigste Entscheidung besteht darin, die Größe der Brennstoffzelle für eine optimale Leistung zu wählen“, so Spectrum Instrumentation – mehr von diesem Unternehmen später. „Größere Zellen bieten mehr Leistung, da eine größere Katalysatoroberfläche zur Verfügung steht, aber dies erhöht das Gewicht und die Kosten, insbesondere bei Platin als typischem Katalysator. Die Anpassung des Elektrodenabstands im Brennstoffzellenstapel und die Verbesserung der Gasströmungen durch die Zelle können die katalytische Reaktion und damit die Leistung verbessern, anstatt die Größe zu erhöhen.“
Darüber hinaus müssen andere weniger offensichtliche Anlagenteile in Design und Betrieb optimiert werden, zum Beispiel die Absaugung von Abwasserdampf, um ein Verstopfen der katalytischen Oberfläche zu vermeiden, und die Abstimmung der Wärmeabfuhr auf beste Effizienz und Lebensdauer.
Apropos Lebensdauer: Das US-Energieministerium hat laut ZBT Ziele für die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems unter realistischen Betriebsbedingungen auf 8,000 Stunden für leichte Nutzfahrzeuge, 30,000 für schwere Lkw und 80,000 Stunden für dezentrale Stromsysteme festgelegt.
Um sowohl das Design als auch den Betrieb theoretisch zu untermauern, arbeitet das ZBT an einem präzisen Modell des Betriebs von Polymerelektrolyt(PEM)-Brennstoffzellen, das durch experimentelle Messungen bestätigt und kalibriert wird.
Ein Schlüsselelement dabei ist die dynamische Abbildung und Modellierung des Kathodenpfads.
„Auf Basis dieser Modelle wurde ein prädiktives Regelungsmodell entwickelt, das das Zusammenspiel des Kompressors, der Drosseln und auch der Brennstoffzellenlast steuert“, so Spectrum. „Damit wird der Betrieb optimiert – der Betriebspunkt der Brennstoffzelle kann möglichst energieeffizient gewählt und eine unerwünschte Verkürzung der Lebensdauer vermieden werden.“
Wo das Test- und Messunternehmen Spectrum ins Spiel kommt, bei der Aufrüstung der Instrumentierung am Versuchsstand.
Die Feinkorndynamik und der Ort der Reaktion in einer Brennstoffzelle haben sich als entscheidend herausgestellt, um beispielsweise eine lokale Unterversorgung mit Reagenzien zu vermeiden oder lokale Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten.
„Wir haben schnell gemerkt, dass uns die sekundengenaue Datenerfassung nicht die nötige Detailgenauigkeit liefert“, sagt Gössling vom ZBT. „Wir verwenden jetzt drei Spectrum-Digitalisierer, die unsere Datenratenerfassung auf 3Msample/s verbessert haben und gleichzeitig über zwanzig gleichzeitige Datenkanäle verfügen. Dadurch können wir die dynamischen Sprungwechsel sowie überlagerte Hochfrequenzen mit unglaublicher Detailgenauigkeit analysieren.“
Es handelt sich um achtkanalige M2i.4652-Digitalisierer. „Die Synchronisation der Karten und die Anbindung an die Prüfstandsumgebung war intuitiv und hat vom ersten Tag an perfekt funktioniert“, so Gössling.
ZBT ist eine gemeinnützige GmbH im Nordwesten Deutschlands nahe der niederländischen Grenze im Besitz der Universität Duisburg-Essen.
Spectrum Instrumentation bietet Digitalisierer und Signalgeneratoren in Formaten wie PC-Karten (PCIe und PXIe) und eigenständigen Ethernet-Einheiten (LXI). Es stellt seine Produkte in Deutschland her.