Brennstoffzellen-Fahrzeuge: Kostensenkung macht Überwachungssysteme nötig

Bei der Diskussion über Elektromobilität stehen momentan batteriebetriebene Elektroautos im Vordergrund. Dabei bieten mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen-Fahrzeuge in Bezug auf Reichweite und Energieversorgung Vorteile. Allerdings ist die Technologie derzeit meist noch viel zu teuer. Günstigere Materialien könnten das ändern, erfordern jedoch umfangreiche Tests sowie eine laufende Überwachung der Brennstoffzellen.

Dieser Beitrag ist zuerst im eMobilJournal 01/2018 erschienen.

Vorwort

Angesichts der enormen Feinstaub- und Stick-oxidbelastung in Ballungsräumen gelten Elek­troautos als Hoffnungsträger. Brennstoffzellen­fahrzeuge stehen dabei jedoch nicht im Fokus, zu teuer ist die Technologie, zu wenig verbrei­tet die notwendigen Wasserstofftankstellen.

Dabei bieten Brennstoffzellenfahrzeuge – eine funktionierende Infrastruktur voraus­gesetzt – gegenüber batteriebetriebenen Elek­troautos den Vorteil, dass sie sich leichter betan­ken lassen und eine höhere Reichweite haben. Kein Wunder also, dass die Automobilhersteller weltweit große Anstrengungen unternehmen, die Kommerzialisierung von Brennstoffzellen­fahrzeugen voranzutreiben. Entscheidend da­bei ist die Senkung der Kosten. Neben den pro­duzierten Stückzahlen hängen diese vor allem von den eingesetzten Werkstoffen ab.

1. Günstige Materialien können Probleme verursachen

Das Herzstück eines Brennstoffzellen-Fahr­zeugs ist der PEM-Brennstoffzellen-Stapel, in dem Wasserstoff und Sauerstoff unter Frei­setzung elektrischer Energie direkt zu Wasser umgesetzt werden. Hier lassen sich die Kosten beispielsweise dadurch reduzieren, dass der Anteil von Platin als Katalysator in den Elek­troden entweder minimiert oder vollständig durch alternative Werkstoffe ersetzt wird. 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.

2. Einzelzellüberwachung bietet Vorteile

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 (Bild 1). 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.

MCM IntelliProbe Messmodul 1

Bild 1: Ein MCM-IntelliProbe-Messsystem besteht aus bis zu 42 zehnkanaligen Messmodulen, einem Link-Modul und einem Busterminierungstool. (Quelle: Emanuel Zifreund/Smart Testsolutions)

3. 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, eröffnet 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 bzw. auf einem Brennstoffzel­len-Stack ist jedoch nur dann möglich, wenn das CVM-System auch in einem erweiterten Temperaturbereich bis 85 °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.

MCM IntelliProbe Messmodul 2

Bild 2: Ein MCM-IntelliProbe-Messmodul ist extrem kompakt gebaut, bietet aber trotzdem eine Isolationsfestigkeit bis 1.400 Volt. (Quelle: Emanuel Zifreund/Smart Testsolutions)

Mit der vierten Produktgeneration seiner Zellspannungsüberwachungssysteme, der be­reits genannten MCM-IntelliProbe, ist Smart Testsolutions der Spagat zwischen den Anforde­rungen stationärer und mobiler Anwendungen gelungen. Das System ist modular aufgebaut, klein und isolationsfest (Bild 2). 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 ist das MCM-IntelliProbe-Sys­tem, das bereits weltweit bei vielen namhaften Automobilherstellern mit Forschungs- und Ent­wicklungsaktivitäten im Bereich Brennstoffzelle im Einsatz ist, auch in anderen Branchen, etwa in der Herstellung von Lithium-Ionen-Akku­packs, eine attraktive Technologie für die Qua­litätskontrolle der verwendeten Batteriezellen.

4. Zellkontaktierung kommt entscheidende Bedeutung zu

Angesichts von Zellabständen unter einem Mil­limeter in modernen Brennstoffzellen stellt der Potenzialabgriff an den Bipolarplatten eine be­sondere Herausforderung dar, wenn es um die Messung der Einzelzellspannungen geht. Bisher kommen für den Spannungsabgriff an Brenn­stoffzellen in der Regel Federkontakte zum Einsatz, die nicht nur aufwendig justiert wer­den müssen, sondern auch sehr hoch aufbauen. Gerade im Automobil ist der Bauraum jedoch sehr knapp. Daher hat der Autobauer Smart als Ergänzung zu den Zellspannungsmessmodulen die Zellkontaktierungseinheit CVP entwickelt, die einen zuverlässigen Spannungsabgriff si­cherstellt, ohne dass bei der Montage von Hand nachjustiert werden muss. Gleichzeitig kommt die Kontaktierungseinheit mit nur fünf Milli­metern Bauhöhe aus (Bild 3), während her­kömmliche Lösungen Bauhöhen zwischen 35 und 250 Millimetern aufweisen.

CVP Brennstoffzellendummy 3

Bild 3: Zellkontaktierungseinheit CVP auf einem Brennstoffzellen-Dummy montiert. Die Einheit baut mit 5 mm sehr gering auf. (Quelle: Emanuel Zifreund/Smart Testsolutions)

Die gesamte Kontaktierungseinheit wird an den Endplatten und – falls vorhanden – an einer Mittelplatte des Brennstoffzellen-Stacks befestigt. In diesem vorgespannten Zustand ist eine einfache und schnelle Einbringung der Kontakte in die Zellta­schen möglich. Dabei zentrieren sich die Kontak­te größtenteils selbst. Sind kleinere Korrekturen erforderlich, lassen sich diese aufgrund des über­sichtlichen Aufbaus und der guten Zugänglich­keit ohne Probleme durchführen. Stundenlange aufwendige Positionierungsarbeiten entfallen. Die endgültige Positionierung und Fixierung des Systems erfolgt durch eine Haube, die die Kup­fer-Beryllium-Drähte in die Zelltaschen presst und so für einen konstanten Anpressdruck und einen zuverlässigen Spannungsabgriff sorgt.

Die Nachteile bestehender Zellkontaktie­rungsverfahren gehören mit CVP der Vergan­genheit an. Das System ist nicht nur sehr flach im Aufbau und erfordert keine aufwendige Jus­tierung, sondern zudem rüttelunempfindlich, temperaturunempfindlich und flexibel einsetz­bar. Durch den Einsatz von 3D-Druck-Verfah­ren wird das Design jeweils so angepasst, dass Hersteller von Brennstoffzellenfahrzeugen das System bauraumneutral in vorhandene Serien­designs integrieren können, ohne dass eine Än­derung am Package nötig ist. (gra)

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