Prüftechnik für Brennstoffzellen

Blick ins Innere

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Systeme zur Zellspannungsüberwachung sind ein wichtiger Bestandteil von Prüfständen für Brennstoffzellenfahrzeuge. Gängige Lösungen prüfen jedoch den Stack als Komplettsystem. Eine Einzelzellüberwachung ermöglicht dagegen tiefe Einblicke in das Innenleben des Stapels. Die Integration ins Fahrzeug bringt zusätzliche Erkenntnisse.

Das Herzstück eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs ist der PEM-Brennstoffzellen-Stapel, in dem Wasserstoff und Sauerstoff unter Freisetzung elektrischer Energie direkt zu Wasser umgesetzt werden. Generell gilt, dass die elektrochemisch aktive Zelle anfällig gegenüber Zuständen außerhalb des Betriebsbereiches ist. Ein Beispiel: Friert im Winter eine Wasserstoffzuleitung ein, so dass eine Zelle im System nicht mehr versorgt wird, kann darin die geplante Reaktion nicht mehr stattfinden. Es kommt zu irreversiblen Korrosionsmechanismen innerhalb der Zelle, wovon insbesondere die kohlenstoffhaltigen Komponenten betroffen sind. Die Folge: Über kurz oder lang wird der gesamte Stack nachhaltig beschädigt und fällt aus.

Um solche ungewollten Prozesse zu verhindern, müssen die Brennstoffzellen überwacht werden. Die charakteristische Größe bei der Überwachung von Brennstoffzellen-Stapeln sind die Zellspannungen. Sie geben zu jedem Zeitpunkt detailliert Auskunft über den Zustand des Stacks und dem Betreiber so die Möglichkeit, rechtzeitig auf kritische Betriebszustände zu reagieren.
Aus diesem Grund sind Zellspannungsüberwachungssysteme — so genannte Cell Voltage Monitoring Systems (CVM) — ein wichtiger Bestandteil entsprechender Prüfstände in den Entwicklungsabteilungen der Automobilhersteller. Gängige Systeme überwachen den Brennstoffzellen-Stack als Komplettsystem. Das hat jedoch Nachteile, denn im Falle einer Störung kann keine Aussage darüber getroffen werden, wo genau diese auftritt. Nur eine Einzelzellüberwachung, wie sie Smart Testsolutions mit dem System MCM Intelliprobe ermöglicht, gibt tiefe Einblicke in das Innenleben des Stapels. Kritische Betriebszustände werden nicht nur erkannt, sondern können auch präzise lokalisiert werden.
Die Anforderungen an ein CVM sind vielschichtig. Für den stationären Einsatz an Prüfständen wird eine hohe Messgenauigkeit bei gleichzeitig hoher Abtastrate gefordert. Dies ermöglicht es, detailliert zu untersuchen, wie die Systeme auf Zustandsänderungen reagieren —beispielsweise auf einen Lastwechsel. Darüber hinaus fordern einige Entwickler einen erweiterten Messbereich, um kritische Betriebszustände, die zu einem Absinken der Zellspannungen in den negativen Bereich führen, simulieren zu können.
Ein weiterer wichtiger Schwerpunkt bei der Entwicklung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen ist es, zu untersuchen, wie sich Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Feuchtigkeit auf die Systeme auswirken. Die eingesetzte Überwachungstechnik muss also auch bei tiefen Temperaturen von bis zu –40 °C einwandfreie Ergebnisse liefern und die Elektronik vor dem Eindringen von Feuchtigkeit geschützt sein.
Einsatz im Fahrzeug stellt besondere Anforderungen
Sollen CVMs auch mobil eingesetzt werden können, erweitert sich das Anforderungsprofil an die Überwachungstechnik nochmals deutlich. Doch der Aufwand lohnt, ermöglicht der Einsatz eines CVM in Erprobungsfahrzeugen doch die Möglichkeit, Systemerkenntnisse unter realen Betriebsbedingungen zu sammeln und Strategien für einen optimalen Betrieb zu entwickeln.
Ein Beispiel: Wird im System eine Brennstoff-Unterversorgung festgestellt, könnte der Betrieb kurzfristig unter Nutzung der in der Batterie vorhandenen elektrischen Energie auf Elektrolyse umgeschaltet werden. Aus Wasser wird dann Wasserstoff und Sauerstoff. Beim Prozess entsteht außerdem Wärme, mit der eine zugefrorene Leitung als Ursache der Wasserstoffunterversorgung wieder aufgetaut und so der normale Betriebszustand wieder hergestellt werden könnte. Diese Betriebsstrategie würde also die dauerhafte Funktion auch im Winter sicherstellen.
Werden die Betriebsstrategien an die Einzelzellspannungen gekoppelt, müssen konsequenterweise auch die Serienfahrzeuge mit einem entsprechenden Überwachungssystem ausgerüstet werden. Tatsächlich gehen die Überlegungen vieler Automobilhersteller in diese Richtung.
Grundvoraussetzung für die Integration von CVM-Systemen in Fahrzeuge ist zum einen eine sehr kompakte Bauform, denn der Platz unter der Motorhaube ist in der Regel sehr begrenzt. Außerdem ist es ratsam, die Überwachungseinheit möglichst in der Nähe des Brennstoffzellen-Stapels unterzubringen, um Störungen der Messsignale durch äußere Einwirkungen zu minimieren. Die Montage der Elektronik am beziehungsweise auf einem Brennstoffzellen-Stack ist jedoch nur dann möglich, wenn das CVM-System auch in einem erweiterten Temperaturbereich bis 95 °C zuverlässig arbeitet. Denn die Brennstoffzellen-Stacks sind aus sicherheitstechnischen Gründen in speziell belüfteten Gehäusen gekapselt und diese Abschottung führt zu erhöhten Betriebstemperaturen innerhalb der Stapelgehäuse. Außerdem muss das System sehr robust sein und auch bei Erschütterungen fehlerfrei arbeiten.
Mit der vierten Produktgeneration von MCM-Intelliprobe kann Smart Testsolutions sowohl die Anforderungen stationärer und mobiler Anwendungen erfüllen. Das System ist modular aufgebaut, klein und extrem isolationsfest. Es arbeitet auch bei hohen Temperaturen zuverlässig und ist zudem sehr flexibel einsetzbar. So kann wahlweise von –1 bis +5 V oder von –3 bis +3 V gemessen werden. Damit lässt sich das MCM-IntelliProbe-System zum Beispiel auch bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Akkupacks für die Qualitätskontrolle der verwenden. ■

Der Autor

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Markus Schuster
Business Development Manager New Energy Electronics
Smart Testsolutions
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