Die Brennstoffzelle - neues Wundermittel in der Energiekrise
Unsere Schwesterfirma Autronic, seit 2007 bereits im Bereich von Stromversorgungen für
Brennstoffzellen-Anwendungen tätig, hat bereits 5 Entwicklungsstufen mitgemacht und sich
damit ein tiefergreifendes Know-How aufgebaut, um zuverlässige PSUs für
Brennstoffzellenanwendungen zu entwickeln und zur Serienreife zu bringen. Angefangen hat es
mit Leistungen im Bereich von 300 W bis 400 W, Einsatz im Caravan-Bereich. Diese
Brennstoffzellen wurden mit gängigem Camping-Gas betrieben und boten stundenlange autarke
Stromversorgung, egal wo man mit dem Campingmobil stand. Solange Gas vorhanden war,
konnten die Batterie des Wohnmobils laufend nachgeladen werden und damit stieg erheblich die
Laufzeit der unabhängigen Versorgung.
Die nächsten Typen der Brennstoffzellen konnten bereits 900 W liefern und werden mit Methanol
betrieben. Die aktuelle Ausbaustufe des Kunden liegt bei 2,3 kW, damit sind der Betrieb von
leistungshungrigen Anwendungen möglich, wie es z. B. in der Baubranche üblich sind.
Was ist eine Brennstoffzelle?
Mit einer Brennstoffzelle wird, durch den Einsatz eines Brennstoffes, elektrische und thermische
Energie erzeugt. Somit unterscheidet sich ein Brennstoffzellensystem grundsätzlich wenig von
der herkömmlichen Art und Weise, wie Energie hergestellt wird, als Beispiel seien
Verbrennungsmotoren genannt.
Wie funktioniert eine Brennstoffzelle? Welche Besonderheit hat eine Brennstoffzelle?
Man nutzt einen Energieträger, z. B. Wasserstoff, um Strom zu erzeugen, genauso wie bei einem Verbrennungsmotor, der Benzin als Energieträger nutzt. Der Unterschied zum weit verbreiteten Verbrennungsmotor liegt in der Art und Weise der Umwandlung der Energie. Beim Verbrenner wird der Energieträger verbrannt (Reaktion durch z. B. starke Verdichtung, Zündkerze), als Resultat daraus gewinnt man mechanische Energie (Vortrieb) und Wärme. Bei einer Brennstoffzelle wird durch eine chemische Reaktion zweier bindungsfreudiger Elemente (z. B. Wasserstoff -H- und Sauerstoff -O-) Strom gewonnen (siehe Abb. 1). Praktisch ist dabei, dass das Abfallprodukt dieser chemischen Reaktion Wasser ist (H2O), wohingegen der Verbrennungsmotor Kohlenstoffdioxid, Schwefeloxide, Stickoxide sowie Staub und Ruß erzeugt, die nachweislich Auswirkung auf lebende Organismen haben. Rein von der Art und Weise der Spannungsabgabe unterscheiden sich die unterschiedlichen Brennstoffzellen nicht, der Aufbau einer Brennstoffzelle ähnelt grundsätzlich dem einer Batterie. Die einzelnen Zellen der Brennstoffzelle liefert eine Spannung zwischen 0,5 V und 1,2 V, wenn diese in Reihe geschalten werden für höhere Spannungen, dann nennt man das einen Stack.
Woher kommt Wasserstoff?
Für die Erzeugung von grünem Wasserstoff muss die Teilung von Wasser (H2O) in H (Wasserstoff) und O (Sauerstoff) im Elektrolyseverfahren erzeugt werden, dabei darf ausschließlich Strom aus regenerativen Quellen verwendet werden. Unter diesen Voraussetzungen gilt der Wasserstoff als CO2-frei und zeigt ein gute Ökobilanz. Mehr zur Wasserstoffelektrolyse finden Sie auf unserer zugehörigen Landingpage.
Wird Wasserstoff durch Dampfreformierung gewonnen und dabei Kohle oder Erdgas genutzt, dann sieht die Umweltfreundlichkeit ganz anders aus.
Wie funktioniert ein Brennstoffzellensystem?
Wie bereits vereinfacht geschildert, verstehen wir nun, was in einer Brennstoffzelle passiert.
Jetzt kommt der Punkt, an der entschieden werden muss, was mit der gewonnenen Energie passieren soll. Beim Verbrennungsmotor nutzen wir die Energieumwandlung im Auto für die Vorwärtsbewegung und Wärme, um den Innenraum aufwärmen. Bei der Brennstoffzelle wird die gewonnene Energie gewandelt, um z. B. einen Akkumulator laufend nachladen zu können. Dieser Akkumulator wird dann genutzt, um elektrische Geräte zu betreiben, in einem Auto z. B. den Elektromotor, um die elektrische Energie in eine Bewegungsenergie umzuwandeln, um damit den Vorantrieb zu gewährleisten (siehe Abb. 2).
Welche Besonderheit hat eine Brennstoffzelle?
Wie bereits erwähnt, eine Brennstoffzelle erzeugt neben der Energie und Wärme im besten Fall
nur Wasser, je nach benutztem Energieträger auch einen geringen Anteil an CO2. Ein weiterer
Vorteil ist, dass die Brennstoffzelle im Betrieb nahezu geräuschlos ist (max. Zimmerlautstärke).
Neben der Prüfung und dem Tausch von Luft- und Wasserfilter sind Brennstoffzellensystem
wartungsarm.
Es muss beachtet werden, wie bei Batterien auch, dass die Spannung der Zellen im Laufe der Zeit
nachlassen und somit mit zunehmendem Alter die Leistungsfähigkeit des Systems nachlässt.
Bei der Umsetzung eines DC/DC-Wandlers, der direkt am Ausgang der Brennstoffzelle seinen
Betrieb aufnimmt, müssen die Parameter genau definiert werden, um die Alterung der Systeme zu
berücksichtigen. Wenn eine einzelne Zelle zu Beginn eine Mindestspannung von 0,7 V bis 1 V
leistet, kann es durchaus sein, dass im Laufe der Zeit nur noch 0,3 V bis 0,5 V zur Verfügung
stehen. Bei einem Stack (Zellen in Reihenschaltung) kann es vorkommen, dass die ursprünglich
festgelegte Mindestspannung des DC/DC-Wandler nicht erreicht wird und dieser somit keine
Funktion aufnimmt. Dient der DC/DC-Wandler im Gesamtsystem dazu, um eine Batterie laufend
nachzuladen, dann müssen mehrere Voraussetzungen geklärt werden, um Beschädigungen am
Gesamtsystem auszuschließen.
Mehr über die Herausforderungen für die Entwicklung von Gleichspannungswandlern für Brennstoffzellensysteme erfahren Sie in Teil 2 unseres Blogbeitrags in 14 Tagen. Stay tuned!
