Messen an Brennstoffzellen

Messen an Brennstoffzellen
Herausforderungen an die Messtechnik gemeistert mit MX100
Sie könnte zur Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts werden: die kontrollierte
Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle. Diese so genannte
kalte Verbrennung ist zuverlässig, geräuschlos und ohne schädliche Emissionen.
Dabei entsteht einerseits Wasserdampf, vor allem aber elektrischer Strom und Wärme.
Kern dieser Zelle sind mehrere hauchdünne platinbeschichtete Spezialfolien, die
Wasserstoff von Sauerstoff trennen. Bei der Weiterentwicklung der Brennstoffzellen
sind Messungen notwendig, die hohe Anforderungen an die Geräte stellen. Der
Datenlogger DAQMASTER MX100 von Yokogawa besitzt spezielle Eigenschaften, die
für diese Messungen unabdingbar sind.
Messungen an Brennstoffzellen (BSZ) stellen hohe Anforderungen an die eingesetzten
Messgeräte, dabei sind Spannung und Temperatur die wichtigsten Messgrößen. Damit das
Messsystem durch die Summenspannung der Brennstoffzellen von mehreren hundert Volt
nicht zerstört wird, sind an den Messeingängen des Datenloggers DAQMASTER MX100
hohe Isolationsspannungen realisiert. Selbst an den Temperatureingängen der
Thermoelemente erlaubt der Datenlogger DAQMASTER MX100 eine maximale
Gleichtaktspannung von 600 V(eff.).
Der bisher am weitesten verbreitete Typ von Brennstoffzelle, die Protonen-AustauschMembran BSZ (PEM = engl. Proton Exchange Membran, auch Polymer Elektrolyt Membran
– Bild 1), ist eine Niedertemperatur-Zelle, die bei Betriebstemperaturen von 80 bis 100 °C
eine Spannung von etwa 1 V erzeugt. Ihren relativ hohen Bekanntheitsgrad verdankt sie
einigen großen Konzernen, die sich frühzeitig für diese Technik entschieden haben. Dies gilt
speziell für den Automobil-Bereich, wo dieser Zellentyp die Anforderungen an Flexibilität und
hohe Leistungsdichte am besten erfüllt. Die in der Praxis erforderliche hohe Spannung von
einigen hundert Volt wird dadurch erreicht, dass bis zu 600 Brennstoffzellen (Einzeller)
elektrisch in Reihe geschaltet und mechanisch gestapelt werden. Diese Aneinanderreihung
mehrerer einzelner Zellen zu einem Modul (Stapel) wird als Stack bezeichnet (Bild 2).
Trotz einiger Probleme – beispielsweise in der Regelung – hat die PEM-BSZ auch technisch
einen gewissen Vorsprung gegenüber anderen BSZ-Typen erlangt, ihr werden für die nahe
und mittlere Zukunft die besten Aussichten zugesprochen. Über den zukünftigen Erfolg von
Brennstoffzellen ganz allgemein wird allerdings nicht allein deren Technik entscheiden,
sondern das Zusammenwirken aller Komponenten.
Um die weitere Entwicklung abschätzen zu können, bedarf es eines kurzen Überblicks über
die volumenspezifische Leistungsdichte (Leistung pro Liter) der PEM-Stacks für FahrzeugAntriebe und deren Größe über die letzten Jahren:
1989 - 0,11 kW/l, 1992 - 0,36 kW/l, 1995 - 1,1 kW/l, 1998 - 1,8 kW/l.
Haben Brennstoffzellen-Einheiten für Autos zu Anfang einen Lkw ausgefüllt, sind sie heute
auf die Größe eines Koffers geschrumpft. Damit Brennstoffzellen in Zukunft gegenüber der
bereits etablierten Technik bestehen können, sind noch umfangreiche Langzeit-Tests
notwendig. Diese konzentrieren sich auf Design, Instrumentierung und besonders auf die
Leistung der Zellen und Stacks. Messtechnisch sind dabei besonders die Überwachung der
Zellspannung und der Betriebstemperaturen von Bedeutung.
Bei der Überwachung der Zellenspannung (CVM = engl. Cell Voltage Monitoring) wird die
Spannung jeder einzelnen Zelle in einem Stapel gemessen. Während die Zellspannung
selbst sehr gering ist, kann die Spannung gegen Erde mehrere hundert Volt betragen. Durch
getrennte A/D-Wandler und seine patentierte SSR-Technologie (SSR = engl. Solid State
Relay) widersteht der MX100 Spannungen von 1.500 VDC auf unbegrenzte Zeit. So erreicht
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der MX100 eine bisher unerreicht hohe Kanal zu Erde-, Modul zu Modul- und Kanal zu
Kanal-Isolation (Bild 3) und ist daher ideal geeignet für Messungen an Brennstoffzellen.
Für eine BSZ ist die Temperatur jeder Komponente eine kritische Größe. Optimierung der
Temperatur und dadurch der Zellen- und Stackleistung sowie das Verhindern von
Überhitzung sind wichtige Kriterien für den Wirkungsgrad des Gesamtsystems, also Zelle,
Stack, Konverter sowie vor- und nachgeschaltete Aggregate. Aufgrund der physikalischen
und thermodynamischen Grenzen erreichen die meisten traditionellen Stromerzeuger wie
Gasturbinen, stationäre Diesel-Aggregate oder Kraftwerke Wirkungsgrade von 25 bis 40 %.
Fahrzeug-Motoren bringen lediglich etwa 10 bis 20% (Ottomotoren) oder 20 bis 35%
(Dieselmotoren) der Treibstoff-Energie vom Motor über Kupplung und Getriebe auf die
Fahrbahn. Im Gegensatz dazu liegt der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen-Fahrzeugen für
gasförmigen Wasserstoff vom Tank bis zum Rad bei über 40 %, abhängig von der
Betriebstemperatur sind theoretisch Wirkungsgrade von 80% möglich. Bei den PEM-BSZ
liegen sie zurzeit elektrisch bei 40 bis 50% und gesamt bei 50 bis 70% mit
Wärmeauskopplung. Das bedeutet, dass bereits kleine Brennstoffzellen-Stacks
Wirkungsgrade besitzen, die ansonsten nur von Kombi-Kraftwerke erreicht werden. Zwar gibt
es auch bei Brennstoffzellen Grenzen, sie bieten allerdings einen wesentlich größeren
Spielraum für die Optimierung, beispielsweise über die Betriebstemperatur. Bei diesen
Messreihen werden wegen der großen Anzahl Messstellen und der damit verbundenen
Kosten häufig Thermoelemente statt Pt100 gewählt. Bei der Temperaturmessung an
Brennstoffzellen unterliegen auch diese Messpunkte oft einer hohen Gleichtaktspannung, so
dass hier die gleichen Voraussetzungen gelten wie bei der Überwachung der Zellspannung.
Auch die Kosten für Brennstoffzellen konnten in den vergangenen Jahren erheblich reduziert
werden. Betrug der Preis für die Brennstoffzelle allein im Jahr 1990 noch etwa 5.000 €/kW,
waren es zehn Jahre später nur noch etwa 500 €/kW. Die Kosten für komplette
Brennstoffzellen-Antriebe belaufen sich heute auf etwa 800 €/kW. Die Kosten für
Verbrennungskraftmaschinen liegen dagegen bei etwa 25 €/kW. Die Kostensituation der
Brennstoffzellen verbessert sich zwar zunehmend, konkurrenzfähig sind komplette BSZAnlagen inklusive der Nebenaggregate jedoch erst bei einem Grenzwert von
• 1.200 €/kW für Blockheizkraftwerks-Systeme,
• 300 bis 500 €/kW für Hausenergie-Versorgungssysteme,
• 150 €/kW für Bus-Systeme,
• 50 €/kW für Pkw-Systeme.
Zur weiteren Optimierung des Wirkungsgrades, der volumenspezifischen Leistungsdichte
und vor allem der Kosten sind die Brennstoffzellen ständig Testreihen unterworfen. Dabei
bewährt sich der DAQMASTER MX100 von Yokogawa bei Belastungstests durch seine
kurzen Abtastzeiten. Mit Abtastintervallen von 10 ms, entsprechend 100 Hz, werden
Schwankungen der Spannung selbst bei schnellen Lastwechseln erfasst. Weitere
Messungen betreffen Qualität und Alterung der Membran zur Steigerung der Lebensdauer
der Zelle, hierzu sind Messungen der Impedanz erforderlich. Auch der Anpressdruck der
Zellen im Stapel ist für die Funktion einer BSZ von entscheidender Bedeutung. Die auf die
einzelnen Zellen wirkenden Kräfte und etwaige mechanischen Verspannungen werden über
Dehnungsmessstreifen (DMS) gemeinsam mit Temperatur und Spannung erfasst. Die
Messdaten aller dieser Langzeituntersuchungen werden in einem internen Puffer
komprimiert zwischengespeichert, bis sie an einen PC oder in das Netzwerk übertragen
werden können. Darüber hinaus ist es möglich, auf einer Compact-Flash-Speicherkarte bis
zu 2 GB Daten zu speichern. Eine sichere Datenhaltung und -übertragung ist somit zu jeder
Zeit gegeben.
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Die flexible, modulare Architektur des MX100 besteht aus einem Grundmodul und bis zu
sechs Messmodulen. Durch drei unabhängige Abtastintervalle sind Messungen von
Spannungen, die mit höherer Geschwindigkeit ablaufen, mit solchen von Temperaturen
möglich, die in der Folge miteinander korreliert werden können. Der MX100 besitzt als eines
der wenigen Datenerfassungssysteme auf PC-Basis vollständig isolierte Ein/Ausgangskanäle. Mit den von Yokogawa speziell entwickelten A-/D-Wandlern, Relais und
Trenntransformatoren widersteht es Durchschlagspannungen von 3.700 VAC für eine Minute
und von 600 VAC auf Dauer. So kann das Gerät selbst für so anspruchsvolle Messungen
wie an BSZ-Stacks oder Elektrolysezellen genutzt werden.
Zur Konfiguration des Systems dient die Software MXStandard. Dieses Softwarepaket stellt
eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen einem PC und einem MX100 System her und
enthält Funktionen zur Konfiguration, Datenerfassung, Beobachtung, Alarmierung und
Alarmbehandlung sowie zur Analyse historischer Daten. Ein Application Programming
Interface (API) stellt Funktionen für Anwender zur Verfügung, die eigene Anwendungen
entwickeln möchten.
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