Im Beitrag wird das Zusammenwirken aller Komponenten eines Brennstoffzellen-Fahrzeugantriebs dargestellt und das Wirkungsgrad-Kennfeld des Antriebs erläutert. Als konkretes Beispiel wird die dritte Generation (V3) der GM-Brennstoffzellen-Antriebe benutzt, die seit etwa einem Jahr in der Fahrzeug-Entwicklung ist (z.B. im Opel HydroGen3). Den wesentlichen Teil des Brennstoffzellen-Antriebs stellt der Brennstoffzellen-Stapel dar (Stack). Es wird mit einer protonenleitenden Kunststoff-Folie gearbeitet (Polymer-Elektrolyt-Membran, PEM). Im Falle der Brennstoffzelle werden zwei Gase, Wasserstoff und Sauerstoff, zu Wasser umgewandelt und die Differenz ihrer chemischen Potenziale als elektrische Arbeit gewonnen. 100 % Wirkungsgrad können auch in dem Beispiel der Brennstoffzelle nicht erreicht werden, da bei der Bildung des Wassermoleküls ein gewisser Beitrag an Entropie in Form von Wärme frei wird. Es ergibt sich für die H2/O2 Brennstoffzelle unter Standardbedingungen ein idealer Wirkungsgrad von 83 % für flüssiges Wasser als Endprodukt. Wenn ein Brennstoffzellen-Stack brauchbare Mengen von elektrischer Energie abgeben soll, muss er einen hinreichend großen Stromfluss auf Dauer gewährleisten, der auch dynamisch abrufbar sein muss. Kennzeichen für die H2/O2 Brennstoffzelle ist, dass bereits die Leerlaufspannung erheblich unter der nutzbaren Spannung liegt. Der Verlauf der Polarisationskurve ist auf Aktivierungsverluste, Ladungsdurchtritt und Kriechströme, Ladungstransport sowie Stofftransport zurückzuführen. Der Gesamtwirkungsgrad eines Brennstoffzellen-Antriebs ist im allgemeinen niedriger als der des Stacks allein, da noch weitere Energiewandlungen und die Hilfsaggregate berücksichtigt werden müssen. Die weiteren Umformungen des vom Stack erzeugten Stroms hängen von der Wahl des Antriebsmotors ab. Zum Betrieb des Stacks sind Hilfsaggregate notwendig: Kraftstoffversorgung, Luftversorgung, Kühlmittelkreislauf, Steuergerät, ggf. Pufferbatterie und Befeuchtungskomponenten. Das Verbrauchskennfeld eines Brennstoffzellenantriebs zeichnet sich dadurch aus, dass der Bereich besten Wirkungsgrades in der unteren Teillast liegt.
Das Kennfeld des Brennstoffzellenantriebs
Efficiency map of a fuel propulsion system
2003
13 Seiten, 8 Bilder
Aufsatz (Konferenz)
Deutsch
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