Die Batterie für die Brennstoffzelle

In diesem neuen TechLetter konzentrieren wir uns auf die Fallstudie einer Batterie in einem Brennstoffzellensystem. In einem Wasserstofffahrzeug erzeugt die Brennstoffzelle Strom für den Elektromotor, indem sie Wasserstoff als Brennstoff verbraucht. Es gibt zahlreiche Brennstoffzellentechnologien, aber wir werden uns hier nur mit dem Fall der Niedertemperatur-Wasserstoff-Brennstoffzelle vom Typ PEMFC befassen.

Die Reichweite von Elektrofahrzeugen mit Batterieantrieb und Brennstoffzellenfahrzeugen ist zwar recht ähnlich, Wasserstofffahrzeuge lassen sich jedoch viel schneller (innerhalb weniger Minuten) betanken oder aufladen. Im Gegensatz zu Diesel- oder Benzinfahrzeugen stößt ein Wasserstofffahrzeug bei der Nutzung lediglich Wasser aus. Die mit Wasserstoff verbundene Umweltbelastung entsteht nur während seiner Herstellung und hängt vom verwendeten Verfahren ab. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie im Bericht der ADEME .

In der Brennstoffzelle findet eine Oxidations-Reduktions-Reaktion statt, durch die Strom und Wärme erzeugt werden können. Es gibt zwei Elektroden: eine oxidierende Anode und eine reduzierende Kathode, die durch einen zentralen Elektrolyten voneinander getrennt sind. Ein spezieller Tank versorgt die Kathode kontinuierlich mit Wasserstoff. Die Kathode wird dank eines mit der Umgebungsluft verbundenen Luftkompressors mit Sauerstoff versorgt. Bei der Reaktion wird Wasserstoff oxidiert (wodurch Wasser entsteht) und Elektronen freigesetzt. Diese Elektronen versorgen den Stromkreis mit Gleichstrom, dessen Spannung von der Anzahl der in Reihe geschalteten Wasserstoffzellen abhängt. Weitere Informationen finden Sie auf den Websites von H2SYS oder der CEA.

Quelle: https://www.h2sys.fr/fr/technologies/pile-a-combustible/

Die Brennstoffzelle ist in der Regel mit einer Leistungs- oder „Pufferbatterie“ verbunden (wie hier unten für den Audi h-tron dargestellt). Die Hauptfunktionen dieser Batterie sind folgende:

• Versorgen Sie Leistungsspitzen, die häufig bei mobilen Anwendungen auftreten, um den Leistungsbedarf der Brennstoffzelle auszugleichen. Tatsächlich ist die Dynamik des Luftkompressors oft zu langsam, um auf die starken Leistungsspitzen mobiler Anwendungen zu reagieren. Dies ermöglicht es auch, die Brennstoffzelle nach der durchschnittlichen Leistung und nicht nach der maximalen Leistung zu dimensionieren, wodurch die Gesamtkosten des Systems gesenkt werden.
• Betrieb bei niedrigen Temperaturen ( -20 °C): Der Betrieb einer Brennstoffzelle bei niedrigen Temperaturen ist komplex. Die Wasserbildung beim Ausschalten muss begrenzt werden, um ein Einfrieren (und damit eine Beschädigung der Brennstoffzelle) zu vermeiden. Außerdem muss beim Start etwas Feuchtigkeit auf den Membranen vorhanden sein, um die Stromzirkulation zu unterstützen. Die Batterie unterstützt das Aufheizen der Brennstoffzelle, indem sie ein Einfrieren im Inneren verhindert.
• So kompakt wie möglich sein und gleichzeitig maximale Leistung bei hoher Spannung liefern. Wie am unten abgebildeten Audi h-tron concept zu sehen ist, sind zahlreiche Komponenten zu einem vollständigen Antriebsstrang integriert, und das für die Batterie vorgesehene Volumen ist gering.
• Aktivieren Sie die Energierückgewinnung während der Bremsphasen. Tatsächlich sind PEM-Brennstoffzellen nicht reversibel und ermöglichen keine Rückgewinnung der kinetischen Energie während des Bremsvorgangs. Durch Hinzufügen einer Batterie lässt sich der Energieverbrauch des Fahrzeugs auf diese Weise erheblich senken.

Quelle: https://www.automobile-propre.com/dossiers/differences-voiture-electrique-voiture-hybride-hydrogene/

Es gibt mehrere Batteriechemien, mit denen diese „Puffer“-Batterie funktioniert. Weitere Informationen zu den verschiedenen Lithium-Ionen-Chemien finden Sie in unserem TechLetter: Lithium-Ionen-Technologien für positive Elektroden. WATTALPS bietet drei Arten von Chemien für Brennstoffzellenanwendungen an: Power LFP, Power NCA und Long Life NCA:

• Das Power-LFP-Modul hat eine lange Lebensdauer und höhere verfügbare Ladespitzen als die NCA-Module, gibt jedoch deutlich weniger Energie ab. Diese Chemie kommt außerdem ohne Nickel und Kobalt aus, was unter bestimmten Umständen ein großer Vorteil sein kann. Dieses Modul eignet sich gut für Hybridanwendungen, die eine hohe Spitzenleistung beim Laden und Entladen, aber nur eine geringe Autonomie mit der Batterie allein erfordern.
  • • ⇒ Perfekt angepasst für Vollleistungs-Hybrid-Brennstoffzellensysteme => Konstruktion mit maximaler Leistung der Brennstoffzelle
• Das Power NCA-Modul kann hohe Entladungsspitzen liefern und schnell aufgeladen werden, während es im Vergleich zu Chemikalien wie beispielsweise LTO eine höhere Energiedichte und einen wettbewerbsfähigen Preis bietet.
  • • ⇒ Perfekt geeignet für ein Brennstoffzellensystem mittlerer Leistung (50/50) und für ein Range-Extender-System (höhere Anforderungen an die Batterie, die Brennstoffzelle dient nur dazu, die Reichweite zu verlängern).
• Das langlebige NCA-Modul ist gut geeignet für Plug-in-Hybrid-Anwendungen, bei denen die Batterie ohne Verwendung von Wasserstoff eine ausreichende Reichweite gewährleisten muss.
  • • ⇒ Perfekt geeignet für ein Brennstoffzellensystem mittlerer Leistung (50/50) und für ein Range-Extender-System (höhere Anforderungen an die Batterie, die Brennstoffzelle dient nur dazu, die Reichweite zu verlängern).

Um den spezifischen Anforderungen von Brennstoffzellenanwendungen gerecht zu werden, müssen Batterien außerdem mit einem speziellen BMS ausgestattet sein. Die Batterien für Brennstoffzellen werden häufig in einem durchschnittlichen Ladezustand gehalten und dürfen niemals vollständig aufgeladen werden. Die meisten Lithium-Ionen-Batterien müssen vollständig aufgeladen werden, um zwei wichtige Funktionen ordnungsgemäß ausführen zu können: Zellausgleich und Kalibrierung des Ladezustands. Wenn diese beiden Funktionen nicht regelmäßig aktiviert werden, kommt es zu einer Abweichung bei der Bewertung des Ladezustands, wodurch die Batterieleistung erheblich beeinträchtigt werden kann. Das Batterie-BMS muss daher den Zellausgleich und die Neukalibrierung des Ladezustands auch dann ermöglichen, wenn die Batterie nicht vollständig geladen ist, was bei den auf dem Markt erhältlichen Batterien selten der Fall ist.

Weitere Informationen zu einem BMS, das diese Anforderungen erfüllt, finden Sie in unserem TechLetter: Die Full-BMS- und WATTALPS-Produkte.

WATTALPS BMS kann Zellen bei Teilaufladung ausgleichen

Quelle: Überblick über Techniken zum Ausgleich von Batteriezellen

Wie wir bereits gesehen haben, gibt es bei der Funktion von Brennstoffzellen bei niedrigen Temperaturen aufgrund von Gefrier- und/oder Kondensationsproblemen Herausforderungen. Es ist eine externe Energiequelle erforderlich, um einige ihrer Komponenten zu erwärmen. Nach dem Start erzeugt die Brennstoffzelle viel Wärme. Diese Wärme kann vorteilhaft genutzt werden, um die Batterietemperatur aufrechtzuerhalten und so die Batterieleistung und -lebensdauer zu verbessern. Die mit einem Flüssigkeitsthermierungssystem ausgestatteten Batterien von WATTALPS können für eine solche Funktion problemlos mit einer Brennstoffzelle verbunden werden.

Außerdem ist die Batterie hohen Stromspitzen ausgesetzt, die sie erhitzen. Bei höheren Temperaturen muss die Batterie ordnungsgemäß gekühlt werden, um ihre Leistung und Lebensdauer zu erhalten. Daher ist ein vollständiges und wirksames Thermalisierungssystem erforderlich. Weitere Informationen finden Sie in unserem TechLetter: Alterung von Lithium-Ionen-Batterien.

WATTALPS 400V-Batterie mit Heizung und Kühler

Schließlich hängt die Wahl des Spannungspegels in einem Brennstoffzellensystem vom Leistungsbedarf, von der Oberfläche der Bipolarplatte und von den verfügbaren DC/DC-Wandlern ab. Die Batterie muss an den für den Antriebsstrang gewählten Spannungspegel angepasst werden. Das kleine WATTALPS-Modul in Kombination mit der Batterie-Tauchkühlungstechnologie kann problemlos an verschiedene Anforderungen angepasst werden, ohne dass eine neue Batterie entwickelt werden muss.

* Bei Großaufträgen kann die Leistung erhöht werden.