Brennstoffzellensysteme

 

Inhaltsverzeichnis

I. Schema eines Brennstoffzellensystems
II. Komponenten und Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems
III. Wirkungsgrad eines Brennstoffzellenystems

I. Schema eines Brennstoffzellensystems

Ein Brennstoffzellenstack alleine ist erst einmal nicht funktionsfähig. Vergleichbar ist das mit dem Verbrennungsmotor im Auto. Auch hierfür ist neben dem eigentlichen Motorblock eine Vielzahl zusätzlicher Komponenten für dessen Betrieb notwendig: Kraftstofftank, Vergaser, Kühler, Ventilatoren, Ölfilter, Motorelektronik, Frischluft-Drosselklappe, Abgassystem mit Katalysator, Getriebe und so weiter. Erst in einem Brennstoffzellensystem (BZ-System, engl. fuel cell system oder fuel cell power module FCPM) kann der Brennstoffzellenstack so betrieben werden, dass am Ende elektrische und thermische Energie in nutzbarer Form zur Verfügung stehen.

In diesem Schema sind alle wesentlichen Baugruppen eines Brennstoffzellensystems dargestellt.

  • Der Wasserstoff-Tank steht symbolisch für ein Brennstoffspeichersystem. Im einfachsten Fall wird gasförmiger Wasserstoff aus einer Druckgasflasche dem Stack zugeführt. Wesentlich komplizierter ist der Aufbau eines sogenannten Reformers, der zum Beispiel Erdgas erst in ein wasserstoffreiches Gasgemisch umwandelt, welches dann dem BZ-System zugeführt werden kann.
  • Über das Kühlsystem, auch thermisches System genannt, wird die thermische Energie aus dem Brennstoffzellenstack abgeführt. Diese Reaktionswärme wird entweder über einen Kühler an die Umgebung abgegeben oder in einem Wärmespeicher gespeichert. Das Kühlsystem beinhaltet ein geeignetes Kühlmedium, eine Pumpe und die entsprechende Regelung zur Einstellung einer bestimmten Stacktemperatur.
  • Da die elektrische Spannung eines Brennstoffzellenstacks je nach Lastpunkt variiert, muss diese erst über die Leistungselektronik umgewandelt werden. Diese Umwandlung erfolgt entweder in eine konstante Gleichspannung oder in eine Wechselspannung, um dann zum Beispiel in ein entsprechendes Verteilernetz eingespeist zu werden. Die Leistungselektronik ist also entweder ein Gleichspannungswandler oder ein Wechselrichter.
  • Die für den Betrieb des Stacks notwendige Sauerstoff wird entweder der Umgebungsluft entnommen oder kommt ähnlich wie Wasserstoff aus einem entsprechenden Sauerstoffspeichersystem. Die meisten Brennstoffzellensysteme arbeiten mit jedoch Luftsauerstoff. Dabei wird über einen Kompressor Umgebungsluft, oft über einen vorgeschalteten Filter, dem Brennstoffzellenstack zugeführt. Der Kompressor, der auch nur ein einfacher Ventilator sein kann, muss die für die chemische Reaktion benötigte Luft(sauerstoff)menge mit einem bestimmten Druck bereitstellen.

II. Komponenten und Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems

Dieser Abschnitt wird noch ergänzt!

III. Wirkungsgrad eines Brennstoffzellensystems

Der Wirkungsgrad eines BZ-Systems ist ganz allgemein das Verhältnis zwischen erzeugter und eingebrachter Energie:

η = erzeugte Energie / eingebrachte Energie

Bei der weiteren Betrachtung muss der Begriff Wirkungsgrad weiter unterschieden werden. Ein BZ-System erzeugt elektrische ("Strom") und thermische ("Wärme") Energie. Beim Gesamt(system)wirkungsgrad entspricht die erzeugte Energie die Summe aus elektrischer und thermischer Energie. Beim elektrischen (System-)Wirkungsgrad wird bei der erzeugten Energie nur der elektrische Anteil berücksichtigt, beim thermischen (System-)Wirkungsgrad eben nur der thermische Anteil:

ηelektrisch = erzeugte elektrische Energie / eingebracht Energie

ηthermisch = erzeugte thermische Energie / eingebracht Energie

Der Gesamtwirkungsgrad ist die Summe aus elektrischem und thermischem Wirkungsgrad:

ηgesamt = ηelektrisch + ηthermisch

Die eingebrachte Energie ist fast ausschließlich die chemische Energie des Brennstoff (Wasserstoff, Erdgas, Methanol, ...), mit dem das BZ-System betrieben wird. Wenn aber zum Beispiel ein stationäres BZ-System an das elektrische Netz angeschlossen ist, muss auch der auf diesem Weg erfolgende Energieeintrag berücksichtigt werden.

Der Betriebswirkungsgrad ηBetrieb beschreibt, wie hoch die Verluste beim Betrieb eines BZ-Systems sind. Dabei spielt der elektrische Eigenverbrauch der einzelnen Komponenten eine entscheidende Rolle.

Vergleiche auch Wirkungsgrade von BZ-Stacks.

Der Gesamtwirkungsgrad ηgesamt eines Systems ist das Produkt aus den einzelnen Teilwirkungsgraden. Wenn ein BZ-Stack mit einen elektrischen Wirkungsgrad von 50%, einem Faradaywirkungsgrad (Umsatzwirkungsgrad) von 95% und einem Betriebswirkungsgrad von 80% betrieben wird, so gilt für den elektrischen Gesamtwirkungsgrad des BZ-Systems:

ηgesamt = ηStack,el · ηFaraday · ηBetrieb = 0,50 · 0,95 · 0,80 = 0,38 oder 38%

 

Quellenangaben siehe Link-Seite.

 

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letzte Änderung: 2. April 2015, Dr. Alexander Kabza