Brennstoffzelle – Möglichkeiten und Herausforderungen

Seit Jahren und Jahrzehnten ist die Brennstoffzelle ein Thema, wenn es darum geht, sich einigermaßen autonom und umweltfreundlich mit Strom zu versorgen. Und auch in der Automobil-Szene sind immer Prototypen zu sehen, die auf Brennstoffzellen-Technik zurückgreifen, wobei die Marktakzeptanz noch zu wünschen übrig lässt.

Autronic, seit 2007 im Bereich von Stromversorgungen für Brennstoffzellen-Anwendungen tätig, hat bereits fünf Entwicklungsstufen mitgemacht und sich damit das nötige 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 beim 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, konnte die Batterie des Wohnmobils laufend nachgeladen werden und damit stieg die Laufzeit der unabhängigen Versorgung erheblich.

Die nächsten Typen der Brennstoffzellen konnten bereits 900 W liefern und wurden mit Methanol betrieben. Die aktuelle Ausbaustufe liegt bei 2,3 kW, damit sind leistungshungrige Anwendungen möglich, wie sie 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 erzeugt wird, als Beispiel seien Verbrennungsmotoren genannt.

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Als Energieträger nutzt eine Brennstoffzelle Wasserstoff um Strom zu erzeugen, analog zum Verbrennungsmotor, der Benzin als Energieträger nutzt. Ein Unterschied zum weit verbreiteten Verbrennungsmotor liegt in der Art und Weise der Umwandlung der Energie. Beim Verbrenner wird der Energieträger verbrannt (erst starke Verdichtung des Gasgemisches, dann Expansion durch Zünden der Zündkerze), als Resultat daraus wird mechanische Energie (Vortrieb) und Wärme frei. Bei einer Brennstoffzelle erfolgt die Stromerzeugung durch eine chemische Reaktion zweier bindungsfreudiger Elemente (z. B. Wasserstoff -H- und Sauerstoff -O-).

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 nachteilige 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 liefern eine Spannung zwischen 0,5 V und 1,2 V. Für höhere Spannungen werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet, hier spricht man von einem Stack.

Woher kommt der Wasserstoff?

Für die Erzeugung von grünem Wasserstoff, also Wasserstoff, der durch erneuerbare Energien gewonnen wird, muss die Spaltung von Wasser (H₂O) in H (Wasserstoff) und O (Sauerstoff) im Elektrolyseverfahren erfolgen, dabei darf ausschließlich Strom aus regenerativen Quellen verwendet werden. Unter diesen Voraussetzungen gilt der Wasserstoff als CO₂-frei und zeigt ein positive Ökobilanz. Wird Wasserstoff durch Dampfreformierung gewonnen und dabei Kohle oder Erdgas genutzt, dann sieht die Umweltfreundlichkeit ganz anders aus.

Wie funktioniert ein Brennstoffzellensystem?

Vereinfacht wissen wir nun, was in einer Brennstoffzelle passiert. Jetzt kommt der Punkt, an dem die Entscheidung ansteht, was mit der gewonnenen Energie passieren soll. Beim Verbrennungsmotor nutzen wir die Energieumwandlung im Auto für die Vorwärtsbewegung und Wärme, um den Innenraum aufzuwärmen. Bei der Brennstoffzelle dient freigewordene Energie um z. B. einen Akkumulator laufend nachladen zu können. Dieser Akkumulator treibt elektrische Geräte an, z. B. den Elektromotor in einem Auto. Hier wird die elektrische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt, um damit den Vorantrieb zu gewährleisten.

Welche Besonderheit hat eine Brennstoffzelle?

Wie bereits erwähnt, erzeugt eine Brennstoffzelle neben Energie und Wärme im besten Fall nur Wasser, je nach benutztem Energieträger ist ein geringer Anteil an CO₂ dabei. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Brennstoffzelle im Betrieb nahezu geräuschlos arbeitet (max. Zimmerlautstärke). Neben der Prüfung und dem Tausch von Luft- und Wasserfilter sind Brennstoffzellensysteme wartungsarm.

Es ist, wie bei Batterien auch, wichtig zu beachten, dass die Spannung der Zellen im Laufe der Zeit nachlässt und somit mit zunehmendem Alter auch die Leistungsfähigkeit des Systems schwindet.

Bei der Umsetzung eines DC/DC-Wandlers, der direkt am Ausgang der Brennstoffzelle seinen Betrieb aufnimmt, müssen die Parameter genau definiert werden. Dabei müssen Entwickler auch die Alterung der Systeme berücksichtigen. Wenn eine einzelne Zelle zu Beginn ihrer Lebenszeit 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 kann es vorkommen, dass die ursprünglich festgelegte Mindestspannung des DC/DC-Wandlers nicht erreicht wird und dieser somit keine Funktion aufnimmt. Dient der DC/DC-Wandler im Gesamtsystem dazu, eine Batterie laufend nachzuladen, dann müssen mehrere Voraussetzungen erfüllt werden, um Beschädigungen am Gesamtsystem auszuschließen.

Welche Anforderungen muss eine Brennstoffzellenanwednung erfüllen?

Eine galvanische Trennung ist im Allgemeinen nicht nötig, da eine Brennstoffzellenanwendung oftmals eine Insel-Lösung ist und somit keinen negativen Einfluss auf weitere elektronische Komponenten hat. Allerdings muss man beachten, dass ab 60 V (Input oder auch Output) der SELV-Bereich verlassen wird. Dann ändert sich die Anforderung bezüglich Berührschutz und auch bezüglich einer galvanischen Trennung.

Nachdem wir wissen, dass eine Wasserstoff-Lösung eine Insel-Lösung sein kann, muss mit den Anwendern die EMV abgestimmt werden, um negative Effekte auf das Gesamtsystem zu vermeiden. Es empfiehlt sich grundlegende Festigkeiten gegen Burst und Surge festzulegen, ebenso Grenzwerte für die Einstrahlung sowie Störspannungen (bis 30 MHz) und Abstrahlung (ab 30 MHz).

In einer Brennstoffzelle können sehr hohe Temperaturen entstehen, die immer abgeklärt und definiert werden müssen. Auch ist wichtig abzustimmen, wie die Kühlung der elektronischen Komponenten erfolgt. Wir reden hier von passiver und aktiver Kühlung, Autronic ist spezialisiert auf passive Kühlung. Bei Konvektionskühlung stellen Temperaturen von -55 °C bis 95 °C kein Problem dar.

Welche Wandlertypen können verwendet werden und welche Vorteile haben sie?

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Art des verwendeten DC/DC-Wandlers. Bleibt die Versorgungsspannung der Brennstoffzelle immer unterhalb der Ladespannung, kann ein Booster verwendet werden. Für eine konkrete Anwendung wurde beispielsweise die Eingangsspannung zwischen 8 V und 40 V festgelegt. Allerdings kann das bei der Skalierung der Systeme zu Problemen führen. Wenn max. 40 V als Eingangsspannung definiert wird, dann heißt das im Umkehrschluss, dass 40 V geteilt durch die Zellenspannung die Anzahl der Zellen begrenzt (40 V / 1V = max. 40 Zellen).

Für größere Leistungen reicht ein Booster-Konzept nicht mehr aus, da mehr Zellen in Reihe geschalten werden müssen. Somit kann die Spannung des gesamten Stacks die Batteriespannung übersteigen. Eine elegante Lösung, um auch künftige Projekte einfacher bedienen zu können (z. B. mehr Zellen, unterschiedliche Akkus) ist, dem DC/DC-Wandler die Möglichkeit zu geben, mit Spannungen über und unter der Ausgangsspannung fehlerfrei zu arbeiten. In diesem Fall reden wir von einem Buck-/Boostwandler, der unabhängig von der Eingangsspannung die Spannung hoch- oder runterregelt. Bei diesem Konzept kann die Ausgangsspannung unabhängig von der Eingangsspannung an der Batterie eingestellt und die Stackspannung über den kompletten Bereich ausgenutzt werden. Beim Buck-Boost Konzept sind sehr gute Wirkungsgrade bis zu 98 Prozent, mit der richtigen Auswahl von Hardwarekomponenten erreichbar.

Sollte die Eingangsspannung immer höher als die Ausgangsspannung sein, dann ist ein Buck-Converter völlig ausreichend. Dies macht dann Sinn, wenn eine hohe Zellenanzahl verwendet wird oder die zu ladende Batteriespannung niedrig ist, z. B. 12 V oder 24 V.

Bei hochkomplexen und modernen Systemen wird ein hoher Wirkungsgrad erwartet, der durchaus bei 96-98 Prozent liegen kann. Bei Geräten ohne galvanische Trennung ist dies möglich. Wichtig ist zu bedenken, dass ein hoher Wirkungsgrad des Spannungswandlers eine direkte Auswirkung auf den Preis des Brennstoffzellensystems hat, da für hier die gleiche Leistung weniger Zellen nötig sind. Dafür muss beim Design der PSU der Fokus bei der Optimierung liegen. Dies macht Sinn, denn die Stromversorgung soll nicht noch zusätzlich als Heizung im Gesamtsystem funktionieren. Nichtsdestotrotz ist bei einem 2,3-kW-System mit einer Abwärme von 70-75 W zu rechnen, die abgeführt werden muss.

Was ist bei der Ausgangsspannung zu beachten?

Ist eingangsseitig alles geklärt, ist die Auslegung der Ausgangsspannung wichtig. Da in unserem Beispiel das Netzteil für die Akkus eine Spannung von 48 V zur Verfügung stellen muss, wurde ein Ausgangsbereich von 40 V bis 64 V definiert. In diesem Bereich wird, nachdem die Informationen mit dem Lademanagement der Akkus ausgetauscht wurden, die optimale Spannung zur Verfügung gestellt, um die Akkus schonend zu laden. Eine Anbindung an das Lademanagement wurde während der Entwicklung eng mit dem Anwender abgestimmt und ideal vorbereitet, wie die digitale Kommunikationsschnittstelle über SPI umgesetzt werden soll. Hier kann der Eingangsstrom und die Ausgangsspannung eingestellt werden, zusätzlich gibt der Wandler die aktuelle Information über die Eingangsspannung und Ausgangsstrom an das Lademanagement weiter. Es ist auch denkbar das Lademanagement direkt auf dem Wandler zu integrieren, allerdings kann es dazu führen, dass bei geänderten Konfigurationen das Lademanagement nicht mehr optimal läuft. Generell gilt: Eine Kommunikationsschnittstelle mit programmierbaren Chips erlaubt immer ein schnelles und einfaches Anpassen von neuen Komponenten und Akkutypen mit definierten Parametern und erhöht enorm die Flexibilität.

Was sind die Herausforderungen in der Entwicklung?

Eine Herausforderung ist es immer, den DC/DC-Wandler so kompakt wie möglich zu entwickeln, mit Blick auf Skalierbarkeit für höhere Leistungen. Zusätzlich ist bei der Auswahl der Bauteile wichtig, den bestmöglichen Wirkungsgrad zu erreichen, auch mit Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit. Bei Leistungen von >2 kW ist es enorm wichtig das Kühlkonzept kritisch zu betrachten, d. h. die Hot-Spots so gut wie möglich zu vermeiden oder zumindest so gut es geht zu verteilen. Nicht zu unterschätzen ist es den Anwender und seine Anforderungen zu verstehen. Gerade wenn Kommunikationsschnittstellen notwendig sind, müssen die Weitergabe der Signale klar abgestimmt werden, um Schäden am Gesamtsystem zu vermeiden.

Unterm Strich ist bei einer Entwicklungsleistung immer das Ziel, dass der Anwender sich um seine Kompetenzen kümmern kann, in diesem Fall die Brennstoffzelle, und den Power-Profis die Möglichkeit gibt, uneingeschränkt die optimale Lösung zur bestmöglichen Unterstützung zur Verfügung zu stellen, um Projekte erfolgreich auf den Markt zu bringen. (bs)