Elektro-Automatik unterstützt Fortschritte in der klimaneutralen Energieversorgung mit Brennstoffzellen-Test- und Simulationslösungen

Elektro-Automatik (EA) ist ein europaweit führender Anbieter von Leistungselektronik in der Automobilindustrie und in vielen anderen Branchen. EA entwickelt und fertigt innovative Stromversorgungen am deutschen Standort. EA hat die neue ELR-Serie an Stromversorgungen herausgebracht, die für die Prüfung von Brennstoffzellen in Kfz entwickelt wurde.

Brennstoffzellen gibt es schon seit langem, aber angefeuert durch den technologischen Fortschritt und das Streben nach Klimaneutralität investieren Unternehmen wie Honda, Toyota, Hyundai und Mercedes massiv in die Technologie.

Die Entwicklung und Herstellung hochwertiger Brennstoffzellen erfordert die Charakterisierung der Baugruppe und die Prüfung der Kennlinien. Für Notstromaggregate und Kfz werden die Brennstoffzellen in sogenannten Stacks zusammengebaut, um den für die jeweilige Anwendung erforderlichen Leistungsbedarf zu decken. Diese Stacks können eine hohe Leistung erzeugen; daher werden für die Charakterisierung und Prüfung von Brennstoffzellen Netzteile und elektronische Lasten mit hoher elektrischer Leistung benötigt.

Brennstoffzellen-Stacks können eine Leistung von weit über 10 kW erbringen. Für Hochleistungs-Prüfstände stellt EA Elektro-Automatik Labornetzteile und elektronische Lasten mit besonderer Eignung für die programmgesteuerte Simulation, Charakterisierung und Prüfung von Brennstoffzellen her.

Was ist eine Brennstoffzelle?

Bevor wir über die Prüfung von Brennstoffzellen sprechen, sollten wir kurz in die Technik der Brennstoffzellen einsteigen. Brennstoffzellen sind ein chemischer Brennstoff. Bei jeder chemischen Reaktion findet entweder eine Wärmeabgabe oder Wärmeaufnahme statt. Brennstoffzellen basieren zumeist auf Wasserstoff, der mit einem Oxidationsmittel wie Sauerstoff reagiert, wodurch Elektrolyte entstehen.

Der Vorteil der Verwendung von Wasserstoff besteht darin, dass als Nebenprodukt der chemischen Reaktion lediglich Wärme und Wasserdampf entstehen, so dass es sich um eine saubere Energie handelt. Der in den Brennstoffzellen verwendete Wasserstoff kann auf verschiedene Weise gewonnen werden: durch Methandampfreformierung von Erdgas, Vergasung von Biomasse, Wasserelektrolyse oder solare Thermochemie.

Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die jedoch alle aus den gleichen Elementen bestehen: einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten, der die Bewegung von Ionen zwischen zwei Seiten der Brennstoffzelle ermöglicht (siehe Abbildung 1).

Wie prüft man die Korrosionsbeständigkeit?

Der wichtigste Parameter einer Brennstoffzelle ist ihr Widerstandsanteil. Der Elektrolytwiderstand ist der bestimmende Faktor für den Gesamtwiderstand der Brennstoffzelle. Der Polarisationswiderstand modelliert den Reaktionsersatzwiderstand, und die Doppelschichtkapazität modelliert die Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Grenzflächen. Je geringer der Gesamtwiderstand der Brennstoffzelle ist, desto geringer ist ihre Verlustleistung und desto höher ist ihr Wirkungsgrad.

Bei der Leistungserzeugung von kW bis MW kann ein zu hoher Gesamtwiderstand verhindern, dass ein Brennstoffzellenstapel seine maximale Nennleistung abgibt.

Die Schwierigkeit bei der Messung des Widerstands der Brennstoffzelle liegt darin, dass Spannungsquelle und Widerstandskomponente der Zelle nicht voneinander isoliert werden können, wie es das Schaltungsmodell nahelegen würde. Anstelle einer herkömmlichen Gleichstrom-Widerstandsmessung erfordert die Messung des Brennstoffzellen-Widerstands eine Wechselstrommessung.

Die Pseudo-AC-Messung ist als Stromunterbrechungsmethode bekannt. Bei diesem Verfahren wird, wie der Name schon sagt, ein Strom erzeugt, indem der Laststrom sofort von einem konstanten Wert auf 0 A umgeschaltet wird. Die Brennstoffzellenspannung steigt von der um das Produkt aus Laststrom und Brennstoffzellenwiderstand reduzierten Spannung auf ihre Leerlaufspannung an.

Wie erzeugt man also den Strom, der zur Charakterisierung der Brennstoffzelle benötigt wird? Sie benötigen eine elektronische Last und die Möglichkeit, deren Konstantstromausgang mit einem Wechselstromsignal unterschiedlicher Frequenz zu variieren. Sie können die Last und einen Funktionsgenerator miteinander verbinden.

Funktionsgeneratoren haben nur eine geringe Leistung, so dass die Prüfung eines Brennstoffzellen-Stacks mit mehreren Brennstoffzellen problematisch wäre. Sie könnten den Signalgenerator über ein Bias-T an die elektronische Last anschließen, aber Bias-Ts sind Komponenten mit geringer Leistung, die hauptsächlich für HF-Anwendungen verwendet werden. Der Anschluss eines Funktionsgenerators mit geringer Leistung an eine elektronische Last mit hoher Leistung ist eine Herausforderung.

EA löst diese Herausforderung mit seinen elektronischen ELR-Lasten, indem der Arbiträr-Funktionsgenerator bereits in die Last integriert ist. Sie müssen sich keine Gedanken über externe Anschlüsse und den Schutz eines Wellenformgenerators vor schädlichen hohen Leistungen machen. Der Funktionsgenerator gibt Sinuswellen, Dreieckswellen, Rechteckwellen, Trapezwellen, Rampen und Arbiträrwellenformen aus. Mit der ELR-Last können Sie jede Art von dynamischer Last erzeugen, einschließlich einer sinusförmigen Störung auf einer Gleichstromsenke zur Charakterisierung des Brennstoffzellen-Widerstands.

Mit ihrem internen Funktionsgenerator kann die ELR-Last Leistungs- und Haltbarkeitstests simulieren, indem sie kontrollierte dynamische Laständerungen im Langzeittest durchführt. Die Last kann eine Brennstoffzelle mit großen Lastsprüngen bei unterschiedlichen Arbeitszyklen belasten.

Simulation einer Brennstoffzelle für realistische Wechselrichter- oder DC-DC-Wandler-Tests

Nachdem die Brennstoffzelle nun charakterisiert ist, können die Stromversorgungen der PSB-Serie, die auch über einen eingebauten Arbiträr-Funktionsgenerator verfügen, die Ausgangs-Kennlinie einer Brennstoffzelle simulieren. Mit der simulierten Brennstoffzelle kann ein Wechselrichter für ein Gerät wie eine Standby-Stromquelle oder ein DC/DC-Wandler für ein Kfz unter möglichst realistischen Bedingungen getestet werden. Verwenden Sie einfach die Arbiträr-Funktionsgenerator-Anwendung in der EA Elektro-Automatik Power Control Software. Geben Sie die maßgeblichen Spannungs- und Stromparameter ein, sodann generiert die Funktionsgenerator-App die Kennlinie für die PSB-Stromversorgung, um den Brennstoffzellen-Stack zu emulieren.

Abbildung 3 zeigt das Fenster für die Tabelle “Brennstoffzelle”, in dem die U-I-Kennlinie der Brennstoffzelle angezeigt und die Leistung der Brennstoffzelle definiert wird. Bei maximaler Spannung wird die Leistung der Brennstoffzelle durch elektrokinetische Effekte dominiert. Im mittleren Teil der Kurve bestimmt der lineare, ohm’sche Widerstand der Brennstoffzelle die Leistungs-Charakteristik. Im Bereich hoher Ströme und niedriger Spannungen ist die exponentielle Charakteristik dadurch gekennzeichnet, dass die Energie schneller verbraucht wird, als Wasserstoff und Sauerstoff zur Anode und Kathode diffundieren und Energie liefern können.

Mit dem simulierten Brennstoffzellenausgang kann die Leistung von Wechselrichtern oder DC/DC-Wandlern getestet werden, da diese Lasten sowohl niedrigen als auch hohen Strom aufnehmen. Die Ergebnisse zeigen, wie gut die Lasten ihre Leistung trotz wechselnder Spannung der Brennstoffzelle aufrechterhalten können. Glücklicherweise benötigen Sie für die Prüfung von Wechselrichtern und DC-DC-Wandlern keinen komplexen Prüfaufbau mit einem externen variablen Widerstand. Eine bidirektionale PSB Stromversorgung reicht aus!

Mehr Energie sparen dank höherem Wirkungsgrad

Sowohl die elektronischen Lasten der ELR-Serie als auch die bidirektionalen Stromversorgungen (Quelle und Senke) der PSB-Serie können Strom aufnehmen und mit einem hervorragenden Wirkungsgrad von 96 % in das Stromnetz einspeisen. Wenn Sie die ELR-Lasten oder die Senkenfunktion der PSB-Versorgung nutzen, sorgen effiziente Wechselrichter in den beiden Geräten für die Rückspeisung der Energie, um Ihre Stromkosten zu senken. Durch die Rückspeisung der absorbierten Energie in das Netz wird der Kühlungsbedarf dieser Geräte, die bis zu 30 kW leisten können, gesenkt. Die Geräte benötigen deshalb weniger Kühlinfrastruktur, um die Betriebstemperaturgrenzen einzuhalten. Lüfter mit geringerer Leistung machen deutlich weniger Lärm. Profitieren Sie von niedrigeren Betriebskosten und umweltschonender Prüfstandtechnologie.

In jeder automatisierten Testumgebung einsetzbar.

Die Stromversorgungen der PSB-Serie von EA Elektro-Automatik und die ELR-Lasten haben gängige Schnittstellen zur Steuerung und Kommunikation im Prüffeld. Serienmäßig sind USB- und Ethernet-Schnittstellen vorhanden, andere können einfach ergänzt werden. Mit optionalen ModBus- und Profibus-Schnittstellen lassen sich die Geräte bequem über eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) steuern. Mit der CAN-Schnittstelle können die Instrumente an ein Kfz-Steuersystem angeschlossen werden. So viel Flexibilität suchen Sie vergeblich bei anderen Herstellern von Netzteilen und elektronischen Lasten.

Zusammenfassung

Die Prüfung von Brennstoffzellen ist ein komplexer Prozess, der mit den richtigen Werkzeugen leicht von der Hand geht. EA Elektro-Automatik ist Marktführer im Bereich Hochleistungs-Stromversorgungen und bietet verschiedene Lösungen für die Prüfung von Brennstoffzellen im Automobilmarkt an. Wasserstoff-Brennstoffzellen gelten als einer der saubersten Kraftstoffe, die man mit wenig bis gar keinen CO2-Emissionen verwenden kann. Für die Produktion oder Auswahl des richtigen Zellentyps ist die Bestimmung aller Parameter von entscheidender Bedeutung, um die Langlebigkeit und Effizienz sicherzustellen.

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