Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks FC-42 FC-08

Handbuch für Schunk
BrennstoffzellenBrennstoffzellen-Stacks
FCFC-42
FCFC-08
Schunk BahnBahn- und Industrietechnik GmbH
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
2
Inhaltsverzeichnis
1
2
3
4
5
Vorbemerkungen................................
Vorbemerkungen................................................................
............................................................................................
............................................................ 6
1.1
Nomenklatur........................................................................................................... 6
1.2
Allgemeines............................................................................................................ 6
Sicherheitshinweise ................................................................
........................................................................................
........................................................ 8
2.1
Aufstellung ............................................................................................................. 8
2.2
Wasserstoff............................................................................................................. 8
2.3
Elektrische Anschlüsse............................................................................................ 9
2.4
Kühlwasser ............................................................................................................. 9
2.5
Entstehende Produkte ........................................................................................... 10
2.6
Temperaturen....................................................................................................... 10
2.7
Überdruck............................................................................................................. 10
2.8
Weitergehende Informationen ............................................................................... 10
Medienversorgung und Stromanschluss .........................................................
......................................................... 11
3.1
Allgemeine Hinweise............................................................................................. 11
3.2
Wasserstoff........................................................................................................... 11
3.3
Luft ...................................................................................................................... 12
3.4
Wasserkühlung ..................................................................................................... 12
3.5
Medienanschluss .................................................................................................. 12
3.6
Stromanschluss .................................................................................................... 16
Betrieb der Brennstoffzelle ................................................................
............................................................................
............................................ 17
4.1
Anodenversorgung ............................................................................................... 17
4.2
Kathodenversorgung ............................................................................................ 17
4.3
Kritische Betriebszustände.................................................................................... 18
4.4
Überwachung........................................................................................................ 19
4.5
Einschalten ........................................................................................................... 20
4.6
Ausschalten .......................................................................................................... 20
Lagerung ................................................................
................................................................................................
.....................................................................
..................................... 21
5.1
Einlagerung der einzelnen Brennstoffzelle ............................................................ 21
5.2
Einlagerung / dauerhaftes Ausschalten eines Gesamtsystems ............................... 21
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
3
6
Transport................................
Transport ................................................................
................................................................................................
.....................................................................
..................................... 22
7
Hinweise für Systemintegratoren ................................................................
...................................................................
................................... 23
8
7.1
Allgemeines.......................................................................................................... 23
7.2
Elektrische Verschaltung ....................................................................................... 23
7.3
Vermeidung von OCV-Betrieb ............................................................................... 25
7.4
Betriebsweisen, Befestigung und Einbaulage ......................................................... 25
7.5
Minimalsystemkonfiguration................................................................................. 27
Methoden zur Leistungsoptimierung .............................................................
............................................................. 28
8.1
Kathodenluftdrosselung........................................................................................ 28
8.2
Kathodenluftbefeuchtung ..................................................................................... 28
8.3
Anodengasbefeuchtung ........................................................................................ 28
8.4
Luftzahlregelung .................................................................................................. 29
8.5
Sonderfall: Luftzahlregelung unter Verwendung eines Membranbefeuchters. ....... 29
8.6
Spülzyklen („Purge“).............................................................................................. 30
8.7
Anodenrezirkulation ............................................................................................. 30
8.8
Kathodenrezirkulation .......................................................................................... 30
8.9
Medienumkehr...................................................................................................... 30
8.10 Externe Befeuchtung............................................................................................. 31
8.11 Manuelles Trocknen der Brennstoffzelle................................................................ 31
9
Datenlog und Betriebsnachweis ................................................................
.....................................................................
..................................... 32
10 Entsorgung ................................................................
................................................................................................
..................................................................
.................................. 33
11 Optional erhältliches Zubehör ................................................................
.......................................................................
....................................... 33
12 Fehler und Abhilfe ................................................................
........................................................................................
........................................................ 34
13 Normen (Auswahl) ................................................................
........................................................................................
........................................................ 37
14 Literaturangaben ................................................................
..........................................................................................
.......................................................... 37
15 Spezifikationen ................................................................
............................................................................................
............................................................ 38
15.1 Datenblatt für FC-42/HLC Brennstoffzellen .......................................................... 38
15.2 U/I-Kennlinien und Leistungskennlinien für FC-42 Brennstoffzellen ..................... 45
15.3 Datenblatt für FC-08/HLC und FC-08/HAC Brennstoffzellen ................................ 49
15.4 U/I-Kennlinien und Leistungskennlinien für FC-08 Brennstoffzellen ..................... 51
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Anschlußschema für FC-42 / 360W und / 720W Brennstoffzellen................. 13
Abbildung 2: Anschlußschema für FC-42 / 1,0kW und / 1,4kW Brennstoffzellen ............... 14
Abbildung 3: Anschlußschema für FC-08/HLC Brennstoffzellen......................................... 15
Abbildung 4: Anschlußschema für FC-08/HAC Brennstoffzellen ........................................ 15
Abbildung 5: Verschiedene Konfigurationen der Leistungsbündelung ................................ 23
Abbildung 6: empfohlene Einbaulagen der Brennstoffzelle am Bsp. Der FC-42 .................. 26
Abbildung 7: Die wichtigsten Komponenten zum Betrieb einer Brennstoffzelle .................. 27
Abbildung 8: Ideale Luftstöchiometrie für verschiedene Feuchtegehalte............................. 29
Abbildung 9: Strom/Spannungs-Kennlinienpaar für FC-42/HLC 360W .............................. 45
Abbildung 10: Strom/Spannungs-Kennlinienpaar für FC-42/HLC 720W ............................ 45
Abbildung 11: Strom/Spannungs-Kennlinienpaar für FC-42/HLC 1,0kW ........................... 46
Abbildung 12: Strom/Spannungs-Kennlinienpaar für FC-42/HLC 1,4kW ........................... 46
Abbildung 13: Strom/Spannungs-Kennlinienpaar für FC-42/HLC 720W ............................ 47
Abbildung 14: Strom/Spannungs-Kennlinienpaar für FC-42/HLC 1,4kW ........................... 47
Abbildung 15: Strom/Spannungs-Kennlinienpaar für FC-42/HLC 1,0kW ........................... 48
Abbildung 16: Strom/Spannungs-Kennlinienpaar für FC-42/HLC 1,4kW ........................... 48
Abbildung 17: Strom/Spannungs-Kennlinienpaar für FC-08/HLC und FC-08/HAC ............ 51
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Verschiedene Konfigurationen der Leistungsbündelung..................................... 25
Tabelle 2: Fehler und Abhilfe............................................................................................. 34
Tabelle 3: Normen (Auswahl) ............................................................................................. 37
Tabelle 4: Datenblatt für Schunk Brennstoffzellenmodule vom Typ FC-42 HLC .................. 38
Tabelle 5: Datenblatt für Schunk Brennstoffzellenmodule vom Typ FC-08/HLC + HAC ...... 49
4
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
Abkürzungsverzeichnis
DOE
-
department of energy
EMV
-
elektromagnetische Verträglichkeit
FAQ
-
frequently asked questions
FC-42
-
Fuel Cell 42
FC-08
-
Fuel Cell 08
HLC
-
Hydrogen, Liguid Cooled
Kap.
-
Kapitel
OCV
-
open circuit voltage
PA
-
Polyamid
PE
-
Polyethylen
PEFC
-
protone electrolyte fuel cell
PP
-
Polypropylen
ppm
-
parts per million
u.g.
-
unten genannt(e)
Vgl.
-
vergleiche
z.B.
-
zum Beispiel
5
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
1
Vorbemerkungen
1.1
Nomenklatur
6
Die Schunk Brennstoffzellenstapel werden mit folgender Nomenklatur bezeichnet:
•
FC-42/HLC: Brennstoffzellenstapel mit 42 Zellen für Wasserstoffbetrieb und
Flüssigkeitskühlung (Hydrogen, Liquid Cooled)
•
FC-42/RLC1: Brennstoffzellenstapel mit 42 Zellen für Reformatbetrieb und
Flüssigkeitskühlung (Reformate, Liquid Cooled)
•
FC-08/HLC: Brennstoffzellenstapel mit 8 – 9 Zellen für Wasserstoffbetrieb und
Flüssigkeitskühlung (Hydrogen, Liquid Cooled
•
FC-08/HAC2: Brennstoffzellenstapel mit 8 – 9 Zellen für Wasserstoffbetrieb und
Luftkühlung (Hydrogen, Air Cooled)
1.2
Allgemeines
Im Folgenden steht der Begriff „Brennstoffzelle“ für den Standardtyp der Schunk
Brennstoffzellenstapel (FC-42/HLC) inklusive der zur Medien- und Kühlwasserversorgung
benötigten
Brennstoffzellen
für
Anbauteile.
Für
Reformatbetrieb,
die
bzw.
technischen
Luftkühlung
Eigenschaften
sind
ggf.
der
seperate
Datenblätter zu beachten.
Allgemeine
Angaben
Brennstoffzellen
in
zu
der
Wasserhaushalt
einschlägigen
und
Literatur
Betriebsverhalten
sind
auch
für
von
die
PEM-
Schunk-
Brennstoffzelle anwendbar. Spezifische Fachbegriffe wie beispielsweise „Anode“,
„Kathode“, „Purge“, „PEFC“ und „Stöchiometrie“ werden als bekannt vorrausgesetzt.
Die im Folgenden angegebene Literatur wird ergänzend zu diesem Handbuch
ausdrücklich empfohlen:
•
Fuel Cell Handbook (DOE Department of energy, 2004)
•
Fuel Cell Systems explained (Larminie, Dicks, 2006)
•
Brennstoffzellen – Entwicklung, Technologie, Anwendung (Heinzel/Mahlendorf/Roes,
2006)
Bei den Brennstoffzellen der Typen FC-42/HLC und FC-08/HLC handelt es sich um
PEFC mit protonenleitfähiger Membran. Die Brennstoffzellen sind für den Betrieb mit
1
Kein Standardprodukt, auf Anfrage erhältlich.
2
Kein Standardprodukt, auf Anfrage erhältlich.
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
7
reinem Wasserstoff auf der Anodenseite und Luft auf der Kathodenseite ausgelegt.
Sie sind flüssigkeits-gekühlt und können in einem Temperaturbereich von 5 - 70 °C
eingesetzt werden. Unter Einhaltung der im Datenblatt angegebenen Parameter ist
die Brennstoffzelle wartungsfrei. Diese Wartungsfreiheit schließt ausdrücklich nicht
aus, dass durch ungünstige Betriebsbedingungen Zustände vorliegen können, die
eine
angepasste
Betriebsweise
erfordern.
Z.B.
kann
es
erforderlich
sein
überschüssiges Kondensat aus der Brennstoffzelle auszublasen. Die Wartungsfreiheit
bezieht sich nicht auf der Brennstoffzelle übergeordnete Systemkomponenten (Filter
etc.), oder allgemeine Betriebsmittel (Kühlmittel etc.).
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
2
Sicherheitshinweise
2.1
Aufstellung
8
Die Brennstoffzelle darf in Innenräumen nur dann betrieben werden, wenn eine ausreichende Luftwechselzahl3 und/oder ein Abzug gegeben und ein zugelassener
Wasserstoffmelder installiert ist. FC-42 und FC-08 Brennstoffzellen verbrauchen im
Betrieb Sauerstoff und dürfen daher nicht in abgeschlossenen Räumen betrieben
werden.
Es ist sicherzustellen, dass die Umgebungstemperatur der Brennstoffzelle unterhalb
der Selbstentzündungstemperatur von Wasserstoff liegt und am Aufstellungsort
keine Funken entstehen können.
Die
einschlägigen
Normen
sind
einzuhalten4.
Zulässige
Temperaturen
am
Aufstellungsort, siehe Datenblatt im Anhang. Die Brennstoffzelle sollte so aufgebaut
werden, dass die Luft- und Wasserstoffausgänge am tiefsten Punkt liegen, damit das
entstehende Prozesswasser ausfließt5. (gültig für FC-08 und FC-42/360W HLC,
FC-42/720W HLC). Auch bei Bündeln des Typs FC-42 kann bei beidseitiger
Anströmung der Kathode der Auslaß immer unten sein. Einschränkend kann die
Brennstoffzelle dann aber nur noch stehend mit dem Pluspol nach unten betrieben
werden.
Befindet sich die Brennstoffzelle während des Betriebes nicht in einem Gehäuse, das
als Berührungsschutz dient, so müssen alle außen liegenden metallischen Teile der
Brennstoffzelle - ausgenommen die beiden elektrischen Kontaktpole - sorgfältig
geerdet werden; siehe auch IEC 60529.
2.2
Wasserstoff
Die Installation der Wasserstoffversorgung muss entsprechend den einschlägigen
Normen6 erfolgen.
Weitere Informationen zum Umgang mit Wasserstoff, siehe EU-Sicherheitsdatenblatt
gem. EU RL 91/155 EWG und 93/112 EG
3
Die Luftwechselzahl wird unter Berücksichtigung des Sauerstoffverbrauches der Brennstoffzelle sowie
dem maximal entweichenden Wasserstoff und dem Wassereintrag im Raum angegeben.
4
Hinweise auf eine Auswahl dieser Normen, Siehe Kapitel 13: Normen
5
Vgl. empfohlene Einbaulage Kap. 7.4
6
Hinweise auf eine Auswahl dieser Normen, Siehe Kapitel 13: Normen
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
9
Wasserstoff ist / hat:
•
ein farb- und geruchloses Gas,
•
leicht entzündlich,
•
bei großen Ausströmungsgeschwindigkeiten Gefahr der Selbstentzündung,
•
leichter als Luft,
•
erstickend in hohen Konzentrationen,
•
einen Explosionsbereich (in Luft) von 4 - 77 %,
•
eine Zündtemperatur von 560 °C
Es wird empfohlen, den Arbeitsbereich, in dem Wasserstoff genutzt wird, mit
geeigneter
Sicherheitstechnik
auszurüsten
(z.B.
Wasserstoffsensor
und
Zwangslüftung, etc.)
2.3
Elektrische Anschlüsse
ACHTUNG:
Werden zwei oder mehrere Brennstoffzellen elektrisch in Serie geschaltet, so kann die
Leerlaufspannung mehr als 50 V betragen, und es besteht die Gefahr eines tödlichen
Stromschlages. Die einschlägigen Normen sind zu beachten!
•
Kurzschlüsse sind unbedingt zu vermeiden (Funken- und Explosionsgefahr!).
•
Die elektrischen Anschlüsse sind so auszuführen, dass
o sicherer elektrischer Kontakt unter allen Umständen gewährleistet ist,
o die Anschlüsse sich nicht unbeabsichtigt lösen können,
o sie geschützt sind gegen Korrosion,
o eine Kontaktierung der Umgebung ausgeschlossen ist.
•
2.4
Einschlägige EMV-Vorschriften sind einzuhalten.
Kühlwasser
Zusätze7 (z. B. Frostschutzmittel) zum Kühlwasser können giftig sein. Berührung oder
Inkorporation des Kühlwassers ist zu vermeiden. Gängige Kühlwasserzusätze
enthalten
in
der
Regel
Korrosionsschutzmittel
und
Antifouling-Additive,
die
gesundheitsschädlich wirken können. Bitte beachten Sie hierbei die Warnhinweise auf
den Verpackungen der verwendeten Zusätze.
7
Vgl. Kap. 3.4 Wasserkühlung
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
2.5
10
Entstehende Produkte
Das entstehende Prozesswasser kann ohne Bedenken in die Kanalisation eingeleitet
werden. Es sind keine umweltschädigenden Stoffe enthalten. Dennoch ist von einer
Inkorporation des Prozesswassers abzusehen. Die Ableitung des Prozesswassers ist
so vorzusehen, dass die entweichende Menge (siehe Datenblatt) sicher abgeführt
werden kann.
2.6
Temperaturen
Die Oberflächen der der Schunk Brennstoffzellen können Temperaturen über 60 °C
erreichen. Der Aufbau muss gegen Berühren gesichert sein (Verbrennungsgefahr!).
Die verwendeten Materialien lassen einen sicheren Betrieb der Brennstoffzelle nur
innerhalb der im Datenblatt genannten Temperaturen zu. Werden diese Temperaturen (auch einmalig) über- oder unterschritten, kann es sein, dass die Brennstoffzelle
nicht mehr betriebssicher ist und deshalb vor einer weiteren Verwendung
fachmännisch überprüft werden muss.
2.7
Überdruck
Werden die spezifizierten Werte (siehe Anhang) für den max. Druck auf der Kathoden
wie auch auf der Anodenseite und im Kühlwasserkreislauf überschritten (auch
einmalig), so kann es sein, dass die Brennstoffzelle nicht mehr betriebssicher ist und
vor einer weiteren Verwendung fachmännisch überprüft werden muss.
2.8
Weitergehende Informationen
Weitere Informationen, insbesondere zu Sicherheitsstrategien für Systeme, sind
veröffentlicht in: IEC 62282-2 Fuel cell technologies, Part 2: Fuel cell modules.
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
3
Medienversorgung und Stromanschluss
3.1
Allgemeine Hinweise
•
11
Die verwendeten Komponenten für die Medienversorgung sollten sorgfältig gewählt
werden.
•
Es ist sicherzustellen, dass keine metallischen Ionen auf die Membran der Anodenoder Kathodenseite gelangen.
•
Es ist sicherzustellen, dass keine Partikel in die Brennstoffzelle gelangen können.
•
Rohrquerschnitte und Drücke (siehe Datenblatt) sind so auszulegen, dass eine
Unterversorgung der Brennstoffzelle unter allen Betriebszuständen ausgeschlossen
ist.
•
Es ist sicherzustellen, dass während des Betriebes kein Sauerstoff auf die Anodenseite
gelangt, da dieser den Katalysator auf der Membran schädigen kann. (Dies kann
insbesondere eintreten, sobald der der Brennstoffzelle zur Verfügung stehende
Wasserstoffvorrat aufgebraucht ist und beim Purgen statt Wasserstoff Luft angesaugt
wird. Ist die Brennstoffzelle stromlos belüftet, so stellt dies kein Problem dar.
•
Die verwendeten Materialien müssen mit mindestens 20°C Sicherheitszuschlag zur
maximalen beabsichtigten Arbeitstemperatur des Brennstoffzellensystems, aber mit
mindestens 80°C Temperaturbeständigkeit ausgelegt sein.
•
Werden Kunststoffschläuche verwendet, so sind diese gegen Knicken (Minimalradius
beachten!) zu sichern.
3.2
Wasserstoff
Es ist Wasserstoff der Reinheit von mindestens 3.0 zu verwenden (ohne Anteile von
CO). Bestehen Zweifel an der Zusammensetzung des Wasserstoffes, ist die
Reinheitsangabe 3.0 nicht ausreichend. Es muss sichergestellt sein, dass die
vorhandenen Verunreinigungen ausschließlich aus Stickstoff, Inertgasen, vollständig
gesättigten Kohlenwasserstoffen und Restfeuchte bestehen. Typische bekannte
Katalysatorgifte wie z.B. schwefelhaltige Verbindungen müssen < 0,1 ppm, alle
übrigen Verunreinigungen < 5 ppm betragen. Die Verrohrung hat den aktuellen
Normen zu entsprechen.
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
3.3
12
Luft
Die zugeführte Luft darf keine organischen Lösungsmittel, keinen Ölnebel, keine
Rauchgase oder sonstige Verunreinigungen beinhalten. Der Einsatz eines Staubfilters
(Klasse F4) sowie eines Filters für organische und anorganische Verbindungen ist
sinnvoll.
3.4
Wasserkühlung
Als
Kühlmedium
dient
herkömmliches
Leistungswasser,
versetzt
mit
einem
Frostschutzmittel (im Verhältnis 3:1) und Antifowling-Additiv (verhindert biologische
Verunreinigungen des Kühlwassers). Keinesfalls destilliertes oder deionisiertes
Wasser
verwenden,
da
dieses
das
Material
der
Brennstoffzellen-
oder
Systemkomponenten angreifen könnte. (Mengen, Druck und Anschluss siehe
Datenblatt). Beispiele für geeignete Frostschutzmittel:
•
Glysantin ProtectPlus / G48
•
GlycoShell
•
Mobil 3+
ACHTUNG!
Die Verwendung von Frostschutzmittel im Kühlkreislauf erlaubt NICHT den Einsatz
der Brennstoffzellen-Stacks bei einer Temperatur <0°C, sondern dient lediglich dem
Schutz vor Korrosion und Fäule. Nur ab einer Kühlmittelströmung von mindestens 5%
des Normalwertes ist eine Temperaturmessung im Kühlmittel aussagekräftig.
Es ist darauf zu achten, dass sich keine Luftblasen im Kühlkreislauf befinden. Durch
einen Ausgleichsbehälter im Kühlkreislauf können Gasblasen effektiv abgeschieden
werden.
3.5
Medienanschluss
Die Versorgung des Stacks mit Wasserstoff, Luft und Kühlwasser kann aufgrund von
Anschlussmöglichkeiten
an
beiden
Endplatten
der
Module
auf
mehrere
unterschiedliche Arten erfolgen (FC-42). Es wird jedoch ausdrücklich empfohlen, die
Medien gemäß der folgenden Schaubilder zu- bzw. abzuführen. Die im jeweiligen Fall
nicht für die Medienführung benötigten Anschlussbohrungen sind mit geeigneten
Verschlussstopfen (G1/4“ und G3/8“, aus Kunststoff, PA, PP, PE) gasdicht zu
verschließen. Alle zum Betrieb gemäß der u.g. Abbildungen benötigte Einschrauber
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
13
und Blindstopfen sind in einem optional erhältlichen Einschrauberkit für den
jeweiligen Brennstoffzellen-Typ enthalten (Vgl. Kap. 12)
Abbildung 1: Anschlußschema (Gegenstrombetrieb) für FCFC-42 / 360W und / 720W Brennstoffzellen
am Beispiel des 360 Watt Moduls (Position der Stromfahne beachten).
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
Abbildung 2: Anschlußschema (Gegenstrombetrieb) für FCFC-42 / 1,0kW und / 1,4kW
1,4kW Brennstoffzellen
Brennstoffzellen am Bespiel des 1,0kW-Moduls (Position der Stromfahne beachten).
14
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
Abbildung 3: Anschlußschema (Gegenstrombetrieb) für FCFC-08/HLC Brennstoffzellen (Position der
Stromfahne beachten)
Abbildung 4: Anschlußschema (Gegenstrombetrieb) für FCFC-08/HAC Brennstoffzellen (Position der
Stromfahne beachten)
15
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
3.6
16
Stromanschluss
An beiden Enden der Brennstoffzelle befindet sich ein M5-Innengewinde für den
Stromanschluss.
Für
den
Stromanschluss
sind
geeignete,
korrosionsarme
Kabelschuhe (z.B. vernickelt, versilbert, vergoldet) zu verwenden und gegen Lösen zu
schützen. Ein ausreichender Isolationsschutz der Anschlusskabel sowie ihre der
Stromstärke entsprechende Dimensionierung müssen zu jeder Zeit gewährleistet
sein.
Achtung:
Die Schrauben dürfen nicht zu weit eingeschraubt werden, da sie sonst den Zellstapel
beschädigen
können.
Damit
kann
die
Brennstoffzelle
zerstört
werden.
Die
Gewindelänge (ab der Außenfläche des Moduls) darf 10 mm nicht überschreiten.
Anzugsmoment: max. 2 Nm
Die Gewinde der Stromanschlussfahnen sind nicht dafür geeignet, hohe mechanische
Lasten aufzunehmen, wie sie z.B. bei der Befestigung der Brennstoffzelle in einem
Gehäuse auftreten.
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
4
17
Betrieb der Brennstoffzelle
In diesem Kapitel werden allgemeine Hinweise zum Betrieb der FC-42-, bzw. FC-08Brennstoffzelle gegeben. Teilweise sind die Hinweise aus Veröffentlichungen
entnommen und stellen für den Systemintegrator eine Ausgangsbasis für die eigene
Entwicklung dar.
4.1
•
Anodenversorgung
Druckgeführt (dead(dead-end): In diesem Modus wird am Anodeneingang ein konstantes
Druckniveau (siehe Datenblatt) aufrechterhalten. Der Anodenausgang bleibt über ein
Ventil geschlossen und wird periodisch, impulsartig geöffnet um die Anode zu
„spülen“. Zykluszeiten und Pulsdauer müssen je nach Betriebsweise festgelegt
werden. Typischerweise bleibt das Ventil für 60 s geschlossen und wird für 1 s
geöffnet.
•
Durchflussgeführt: Die Brennstoffzelle wird anodenseitig stetig vom Wasserstoff
durchströmt. Die Durchflussmenge ist dabei abhängig vom erzeugten Strom und
muss jederzeit überstöchiometrisch eingestellt sein. Bei unterstöchiometrischer
Versorgung saugt die Brennstoffzelle Luft über die Anodenseite an, was zu
irreversiblen Schäden am Katalysator führen kann. Unter Umständen kann auch im
Durchflussbetrieb
ein
Spülintervall
in
Form
einer
deutlichen
Erhöhung
des
Massestromes erforderlich sein, um entstehendes Kondensat effektiv auszutreiben.
•
4.2
Befeuchtung
Befeuchtung des Anodengases: In beiden o.g. Betriebsmodi kann eine Befeuchtung
des Anodengases zu einer Leistungssteigerung führen.
Kathodenversorgung
Die Kathode kann ausschließlich im Durchflussmodus betrieben werden, da die Luft
zu ca. 80 % aus Inertgas besteht und nur ca. 20 % Sauerstoff enthält. Die für einen
stabilen Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche Luftmenge ist abhängig vom
erzeugten Strom und muss gleichzeitig die Bedingungen für einen ausgeglichenen
Wasserhaushalt
erfüllen.
Bei
niedrigen
Betriebstemperaturen ist
eine
höhere
Luftmenge erforderlich, um das Produktwasser aufzunehmen als bei höheren
Betriebstemperaturen. Gemessen am Kathodenausgang, kann die Luftstöchiometrie
dabei zwischen 1,2 und 4 liegen. Zusätzlich kann es erforderlich sein, während des
Betriebes entstehendes Kondensat auszutreiben indem die Luftmenge periodisch
kurzzeitig erhöht wird.
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
18
Wird die Brennstoffzelle bei einer Kathodenausgangstemperatur von > 55°C
betrieben, bietet die aktive Befeuchtung des Kathodengases Vorteile bei Leistung und
Lebensdauer der Brennstoffzelle.
4.3
Kritische Betriebszustände
Diese Betriebsweisen führen selbst bei kürzester Einwirkungsdauer zu irreversiblen
Beschädigungen der Brennstoffzelle und sind unter allen Umständen zu vermeiden:
1. Verarmung des Kraftstoffes unter Last, hervorgerufen z. B. durch Drosselung
oder Sperrung der Wasserstoffversorgung.
2. Vorhandensein von Luft auf der Anodenseite während des Betriebes. Hervorgerufen
werden kann dieser Betriebszustand bei "offener Anode" (kein "Dead-end-Betrieb"),
gekoppelt mit unzureichender Wasserstoffversorgung. Die Brennstoffzelle saugt dann
Luft über den Anodenausgang an. Der Katalysator auf der Anodenseite wird dadurch
oxidiert und somit dauerhaft geschädigt.
3. Überhitzung des Brennstoffzellenstapels. Bei T > 75 °C (im Betrieb) können die
Membranen bei ungenügender Befeuchtung zerstört werden. Die Temperatur der
Kathodenabluft sollte immer unter 75 °C gehalten werden.
4. Kurzschluss bzw. sehr niedrige Gesamtspannung (unter 75 % der Nennspannung). Bei
diesem Betriebszustand ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass einige Zellen die
Polarität wechseln. Ein solches "Umpolen" führt zu einer dauerhaften Schädigung der
Brennstoffzelle. Betriebszustände bei <75 % der Nennspannung dürfen nur für eine
begrenzte Dauer eingestellt werden. Gleichzeitig ist darauf zu achten, dass die
Brennstoffzelle thermisch nicht überlastet wird und die Einzelzellspannung nicht
unter 0,3 V sinkt.
5. Auseinanderdriften der Leistung der Einzelstacks im Bündel (FC-42) um > 20% (vom
Leitungsstärksten
zum
Leistungsschwächsten).
Dieses
Verhalten
ist
auf
eine
inhomogene Versorgung der Einzelstacks im Bündel aufgrund unterschiedlicher
Betriebsbedingungen zurückzuführen. Die Systemtechnik ist so auszulegen, dass bei
Überschreitung der o.g. Grenze die Abschaltung des Systems erfolgt. Wird o.g.
Grenze dauerhaft überschritten besteht die Gefahr der irreversiblen Schädigung
einzelner Zellen.
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
19
Weitere nachteilige Betriebsweisen, die zu einer verminderten Lebensdauer / Leistung
führen können:
•
OCV–Betrieb (Open Circuit Voltage) für einen Zeitraum > 10 Sekunden.
•
Häufige Schaltvorgänge, bei denen der Stromanstieg, sowie der Maximalstrom (siehe
Datenblatt) überschritten werden.
•
unzureichende oder übermäßige Befeuchtung
•
Ungünstige Einbaulage und daraus resultierend Hinderung der Ausfuhr von
Kondensat
•
Alle Stoffe, die Membranen oder Katalysatoren schädigen8
Wichtig:
Bei dauerhafter Schädigung wird die umgepolte Zelle nicht Strom, sondern
Wasserstoff erzeugen (Elektrolyse). In diesem Falle kann während des Betriebes
Wasserstoff im Kathodenabgas nachgewiesen werden, obwohl die Brennstoffzelle
weiterhin von der Anoden- zur Kathodenseite dicht ist. Das Modul ist in diesem Falle
nicht
mehr
betriebssicher
und
muss
zur
Entsorgung
an
den
Hersteller
zurückgeschickt werden.
4.4
Überwachung
Während des Betriebes sollten zu allen Zeiten folgende Werte überwacht werden:
•
Spannung der Brennstoffzelle (Bei Bündeln die Gesamtspannung eines Bündels)
•
Strom der Brennstoffzelle (Bei Bündeln Strom jedes einzelnen Zellstapels)
•
Temperaturdifferenz Rücklauf - Vorlauf der Kühlflüssigkeit
•
Temperatur der Brennstoffzelle, gemessen in der Kathodenabluft, direkt am Ausgang
des Stacks
•
Wasserstoffverbrauch
Liegt einer der gemessenen Werte außerhalb des jeweils zulässigen Bereiches (siehe
Datenblatt), so ist die Brennstoffzelle sofort auszuschalten und von der Last zu
trennen. Bitte prüfen Sie die den ordnungsgemäßen Anschluss der Brennstoffzelle
und die Versorgung mit allen Betriebsmedien und kontrollieren Sie Ihr System auf
Fehlfunktionen.9 Der Wasserstoffverbrauch sollte in einem Intervall ± 5 % vom
errechneten Verbrauch liegen.
8
Wird ein geeigneter Filter (siehe Kap. 3.3) im Ansaugbereich der Kathodenluft verwendet, kann aus der
Umgebung keine Verschmutzung auf die Zellen gelangen.
9
Vgl. FAQ und Serive-Fragebogen unter www.schunk-fuelcells.com
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
20
Bemerkung:
Der Wasserstoffverbrauch errechnet sich aus der Anzahl der Einzelzellen und dem
Strom. Es gilt: Masse H2, um bei einer Zelle den Strom von 1 A für eine Stunde zu
erzeugen: 0,03765 g (d. h. mH2 = 23,72 g/h bei 42 Zellen und 15 A). Nahe
Umgebungsdruck
und
Umgebungstemperatur
werden
in
der
Brennstoffzelle
verbraucht: 7 ml/min/Zelle/A.
4.5
Einschalten
Beim Einschalten der Brennstoffzelle ist die u.g. Reihenfolge einzuhalten:
1. Kühlung einschalten
2. Luftversorgung herstellen
3. Wasserstoffversorgung herstellen
4. Anode mit Wasserstoff spülen („purgen“)
5. Prüfen der Leerlaufspannung
(FC-42: sollte > 35 V / Zellstapel sein, FC-08: sollte > 7,8 V sein)
6. Elektrische Last aufschalten
4.6
Ausschalten
Beim Ausschalten der Brennstoffzelle ist die u.g. Reihenfolge einzuhalten:
1. Elektrische Last trennen
2. Wasserstoffzufluss abstellen
3. Anodenausgang öffnen (Purge-Ventil)
4. Luftzufuhr abstellen (Brennstoffzelle ist nun druckfrei)
5. Kühlung ausstellen (evtl. ist ein zeitverzögertes Ausschalten der Kühlung sinnvoll)
Es ist sicherzustellen, dass nach dem Ausschalten kein Wasser in der Brennstoffzelle
verbleibt, bzw. durch Auskondensieren entstehen kann. Unter Umständen empfiehlt ein
zeitverzögertes Ausschalten der Luftversorgung.
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
5
21
Lagerung
Allgemein ist zwischen der Lagerung einer einzelnen Brennstoffzelle und der
Einlagerung eines Systems, in dem die Brennstoffzelle verbaut ist, zu unterscheiden.
5.1
Einlagerung der einzelnen Brennstoffzelle
Wird die Brennstoffzelle länger als 5 Tage nicht betrieben, so ist sicherzustellen, dass
sich keine Mikroorganismen einnisten können. Die Brennstoffzelle sollte daher ohne
elektrischen Betrieb kurzzeitig auf 75 °C erhitzt und vor der Einlagerung bei
Raumtemperatur mit trockener (40 % bei 20 °C +-5 °C), öl- und staubfreier Luft
durchgeblasen werden (ca. 20 min, ca. 50 l/min), um sie zu trocknen. Anschließend
sind die Medienzu- und Abführungen mit geeigneten Blindstopfen (z.B. aus dem
optional erhältlichen Einschrauberkit) zu verschließen.
5.2
Einlagerung / dauerhaftes Ausschalten eines Gesamtsystems
Vor dem Einlagern eines Gesamtsystems wird die Kathode belüftet und somit
drucklos geschaltet. Ein eingangsseitig montierter Filter (siehe Kap. 3.4) verhindert,
dass auf diesem Weg Verschmutzungen in die Brennstoffzelle gelangen können.
Ausgangsseitig muss durch einen geeigneten Mechanismus sichergestellt werden,
dass keine groben Verunreinigungen aus der Umgebung (chemische Verbindungen,
Staub, Insekten) eingetragen werden können. Im Allgemeinen ist es ausreichend,
wenn eine einfache Klappe („Flatterklappe“) das System grob verschließt. Ein
gasdichtes Verschließen der Kathode ist nicht erforderlich. Bevor das System
ausgeschaltet und entsprechend drucklos ist, sollten Anode und Kathode durch einen
geeigneten Spülvorgang (z.B. längerer Purge oder Nachlauf des Kathodengebläses)
von Kondensat befreit werden.
Anschließend wird die Anode z.B. durch ein Ventil drucklos geschaltet. Im Idealfall
erfolgt vor dem dauerhaften Abschalten des Systems eine kontrollierte Belüftung der
Anode
durch
das
Kathodengebläse
bis
zum
vollständigen
Abfallen
der
Leerlaufspannung.
Ist die Brennstoffzelle >5 Tage nicht in Betrieb gewesen, muss damit gerechnet
werden, dass ca. 5 min Betriebszeit erforderlich sind, bis durch Selbstbefeuchtung
die volle Leistung erreicht wird (Mit ca. 50 – 60 % der Leistung ist bereits direkt nach
dem Einschalten zu rechnen.).
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
6
22
Transport
Während des Transportes einer Brennstoffzelle in feuchtem Zustand dürfen die
zulässigen Temperaturen (siehe Datenblatt im Anhang) nicht unter- oder überschritten werden. Idealerweise wird die Brennstoffzelle getrocknet und vor Frost
geschützt. Mit entsprechenden Temperaturanzeigern (z. B. „FreezeWatch“ von 3M)
kann festgestellt werden, ob die Temperatur in den Frostbereich abgesunken war.
Insbesondere bei längerem Transport (>5 Tage) sind die in Kapitel 5 (Lagerung)
beschriebenen Anweisungen zu befolgen.
Die
Lage
der
Brennstoffzelle
während
des
Transportes
ist
beliebig.
Die
Brennstoffzelle ist gut gepolstert gegen Stöße und starke Beschleunigungen zu
verpacken; Beschleunigungssensoren an der Verpackung oder an der Brennstoffzelle
selbst (z.B. „Shockwatch“) können anzeigen, welche Beschleunigungen wirksam
waren.
Achtung!
In der Brennstoffzelle können sich Reste von Kühlmittel befinden, die vor dem
Transport entfernt (ausgeblasen) werden müssen. Darüber hinaus empfiehlt sich eine
Blindverstopfung aller Medienanschlüsse.
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
7
Hinweise für Systemintegratoren
7.1
Allgemeines
23
Die PEM Brennstoffzellen des Typs FC-42 sind als Baukastensystem konzipiert und
können variabel gebündelt werden, um die gewünschten Leistungen und Betriebsspannungen zu erreichen. Die gewünschte Konstellation muss bei einer Bestellung
angegeben werden, da die Brennstoffzelle fertig gebündelt geliefert wird. Die PEM
Brennstoffzellen des Typs FC-08 sind grundsätzlich nur als Einzelstack erhältlich.
7.2
Elektrische Verschaltung
Jede elektrische Rückspeisung in die Brennstoffzelle (z. B. durch andere Brennstoffzellen in einem Modul oder durch Batterien in einem Hybridsystem) muss
ausgeschlossen werden. Dies kann z. B. durch eine Schottky-Diode mit möglichst
geringer Durchgangsspannung (< 500 mV) und möglichst geringem Laststrom in
Sperrrichtung geschehen. Dennoch ist es empfehlenswert, bei längerer „Aus-Phase“
die Brennstoffzelle mit einem geeigneten Relais vollständig elektrisch zu trennen.
Alternativ kann mit einer Monitorschaltung die individuelle Gesamtspannung und der
individuelle
Gesamtstrom
überwacht
und
bei
Fehlfunktion
ein
individueller
Lastabwurf geschaltet werden.
Durch elektrische Bündelung in Serien- oder Parallelschaltung entsprechend den
skizzierten Schaltungsvarianten können verschiedene Gleichspannungsniveaus und
verschiedene Leistungsklassen aufgebaut werden.
Abbildung
Abbildung 5: Verschiedene Konfigurationen der Leistungsbündelung von FC-42 Brennstoffzellen.
(parallel, seriell, parallel/seriell)
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
24
Bei einer parallel-seriellen Verschaltung (siehe rechte Abbildung) empfiehlt es sich,
die beiden inneren, sowie die beiden äußeren Zellstapel jeweils seriell zu verschalten.
Achtung!
Der Isolationswiderstand der Module beträgt > 50kOhm. Bei einer seriellen
Verschaltung
mehrerer
Zellstapel
und
der
entsprechenden
Erhöhung
der
Leerlaufspannung, sind die außenliegenden Metallteile durch den Systemintegrator
vor Berührung zu schützen.
Es gibt 4 verschiedene Betriebsmodi:
Spannungsgeführt: Die Spannung der Brennstoffzelle wird zwangsgeführt und der
Strom stellt sich entsprechend der Kennlinie ein. In diesem Modus ist eine
Überlastung der Brennstoffzelle leicht zu vermeiden und eine Unterspannung kann
leicht ausgeschossen werden. Eine Rückspeisung in die Brennstoffzelle(n) muss in
jedem Fall ausgeschlossen werden.
Stromgeführt: Der Strom der aus der Brennstoffzelle entnommen wird, wird extern
vorgegeben. Dabei ist darauf zu achten, dass die minimale Arbeitsspannung der
Brennstoffzelle nicht unterschritten wird (siehe Datenblatt). Ebenso ist eine
Rückspeisung in die Brennstoffzelle zu unterbinden.
Leistungsgeführt:
Leistungsgeführt: Die gewünschte Leistung wird der Brennstoffzelle extern
vorgegeben. Dabei stellen sich Strom und Spannung auf der Kennlinie dynamisch ein.
Es muss sichergestellt sein, dass Strom und Spannung im erlaubten Arbeitsbereich
bleiben und keine Rückspeisung in die Brennstoffzelle erfolgt.
Widerstandsgeführt. Bei einer rein Ohmschen Last stellen sich Strom, Spannung und
abgegebene Leistung entsprechend dem Ohmschen Gesetz und der dynamischen
Kennlinie der Brennstoffzelle ein. Strom und Spannung müssen im erlaubten
Arbeitsbereich liegen. Eine Rückspeisung aus der Last ist nicht möglich.
ACHTUNG:
Auch wenn aus der Last keine aktive elektrische Rückspeisung möglich ist, kann eine
solche Rückspeisung aus der Kopplung mehrere Brennstoffzellenmodule resultieren.
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
25
Tabelle 1: Verschiedene Konfigurationen der Leistungsbündelung.
Spannung / V
24
Strom / A
7.3
48
72
96
Leistung / W und (Anzahl Zellstapel im Modul)
15
360 (1)
720 (2)
30
720 (2)
1440 (4)
45
1080 (3)
60
1440 (4)
1080 (3)
1440 (4)
Vermeidung von OCV-Betrieb
Ein Verharren der Brennstoffzelle in einem Zustand oberhalb von 85 % der
Leerlaufspannung über Zeiträume von mehr als 10 Sekunden wirkt sich ungünstig auf
die Lebensdauer und Leistung aus. In einem Hybridsystem (Batterie / Brennstoffzelle)
ist es daher vorteilhaft, die Brennstoffzelle bei Unterschreiten einer Leistung von ca.
20 % der Nominalleistung vollständig abzuschalten. Wird die Last abgeworfen, sollte
die Brennstoffzelle in einen spannungsfreien Zustand überführt werden.
Grundsätzlich bleibt festzuhalten, dass jeglicher OCV-Betrieb die Brennstoffzelle
schädigt und daher so kurz wie möglich zu halten ist.
Eine zyklische Betriebsweise mit OCV-Betrieb (z.B. OCV – 0,5V – OCV) sollte ebenfalls
vermieden werden (d.h. häufiges Ein- und Ausschalten der Brennstoffzelle.
Elektrisch kann die Brennstoffzelle mit einem geringen Strom (1-5 % des nominalen
Stromes) z.B. über einen aufgeschalteten Widerstand entladen werden.
7.4
Betriebsweisen, Befestigung und Einbaulage
Je nach Umgebungsbedingungen, Systemkonfiguration und Einbaulage des Stacks
sind verschiedene Betriebsweisen vorteilhaft. Der Standard-Gegenströmer ist die
Konfiguration, mit der in einem unbefeuchteten System (siehe Abb. 6) gute
Ergebnisse erzielt werden. Andere Strömungsrichtungen sind, angepasst an die
Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle, möglich.
Bei allen Konfigurationen ist zu beachten, dass das während des Betriebes
entstehende Kondensat vollständig ausgetragen werden muss und nicht in den
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
26
Zellstapel zurückläuft (Stehendes Kondensat macht sich meist durch leichtes
„Gurgeln“ bemerkbar). Es empfehlen sich daher die folgenden zwei Einbaulagen:
1. Die Brennstoffzelle steht auf einer der Kühlplatten mit einer Neigung von 0-5°
2. Die Brennstoffzelle steht auf einem der Stromabnehmer (kurze Strinseite) mit einer
Neigung von 0-5%
Abbildung 6: empfohlene Einbaulagen der Brennstoffzelle am Bsp. Der FC-42 (1. = links, 2.= rechts)
0°-5°
0°-5°
Es ist bei beiden Einbaulagen empfehlenswert, dass das Kühlwasser aufströmend,
d.h. von unten nach oben durch die Brennstoffzelle fließt, während die Ausgänge für
Luft und Wasserstoff möglichst an einem tiefen Punkt liegen (Vgl. Kap. 3.5
Medienanschluss).
Hinweis:
Brennstoffzellen des Typs FC-42/1080W und FC-42/1440W besitzen aufgrund der
empfohlenen beidseitigen Kathodenversorgung u.U. einen Kathodenausgang, der auf
der Oberseite der Brennstoffzelle liegt. Durch geeignete Purgeintervalle auf der
Kathodenseite ist sicherzustellen, dass an dieser Stelle kein Kondensat in den die
Brennstoffzelle
zurücklaufen
kann.
Alternativ
besteht
die
Möglichkeit,
das
Brennstoffzellenmodul auf die Stirnfläche mit den Stromanschlüssen zu stellen. Auf
diese Weise befinden sich beide Kathodenausgänge an der untersten Stelle des
Moduls.
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
27
Achtung:
Die
Befestigung
der
Brennstoffzelle
darf
unter
keinen
Umständen
an
den
vorhandenen M5-Bohrungen der Endadapter erfolgen. Durch eine Befestigung an
diesen wirkende Kräfte können die Brennstoffzelle irreversibel schädigen. Stattdessen
ist ein Spann- oder Klemmmechanismus vorzusehen, der die Brennstoffzelle
umschließt und sicher in Position hält.
Die Verwendung der stirnseitigen M5-Gewindebohrung für die Montage leichter
Systemkomponenten (z.B. Dioden zum elektrischen Trennen der einzelnen
Brennstoffzellen-Stacks) stellt kein Problem dar.
7.5
Minimalsystemkonfiguration
Abbildung 7: Die wichtigsten Komponenten zum Betrieb einer Brennstoffzelle mit und ohne
Kathodenbefeuchter.
Blower
Luftversorgung
Hydrogen 3.0
Wasserstoff
Hydrogen 3.0
Wasserstoff
Kühler
Cooler
Cooler
Kühler
V1
V1
Befeuchter
Humidifier
Stack
Kathode
Cathode
Stack
Kathode
Cathode
Anode
Anode
Kathodenabluft
Exhaust
V-5
V2
Water
pump
Wasserpumpe
V-5
V2
Water pump
Wasserpumpe
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
8
Methoden zur Leistungsoptimierung
8.1
Kathodenluftdrosselung
28
Ein kurzzeitiges (unter 500 ms) Abregeln des Eingangsluftstromes unter Last kann
einen Leistungsanstieg von 10 % zur Folge haben. Dieses Vorgehen sollte maximal
einmal pro 2 Minuten durchgeführt werden. Im Allgemeinen ist die Leistung der PEMBrennstoffzellen bei dynamischem Betrieb günstiger als bei konstanten Betriebsbedingungen. Hinweis: Die im Datenbaltt angegebene Minimalspannung ist zu
beachten.
8.2
Kathodenluftbefeuchtung
Ab einer Temperatur von ca. 50 °C wird über die Kathodenluft mehr Wasser aus der
Brennstoffzelle ausgetragen, als durch die Reaktion entsteht. Hierdurch trocknet die
Membran aus und die Leistung sinkt. Durch eine Kathodenluftbefeuchtung kann das
Wassergleichgewicht über einen weiten Temperaturbereich stabil gehalten werden.
Für einen geschlossenen Feuchtekreislauf ist es erforderlich, dass das Prozesswasser,
das zu einem hohen Anteil in der Kathodenabluft enthalten ist, in den Zuluftstrom
übertragen wird. Hierfür können Membrantauscher eingesetzt werden. Analog kann
das auskondensierte und gereinigte Prozesswasser in die Kathodenversorgung
eingedüst oder mit Ultraschall eingenebelt werden. Durch die Wassereindüsung
entsteht gleichzeitig eine starke Kühlwirkung. Bei der aktiven Wasserrückführung ist
sicherzustellen, dass nur reines, ionenfreies Wasser rezirkuliert wird.
8.3
Anodengasbefeuchtung
Bei hohen Leistungsdichten wird durch Elektroosmose Wasser von der Anode zur
Kathode
transportiert.
Hierdurch
kann
die
Membran
auf
der
Anodenseite
austrocknen, und die Leistung sinkt. Eine Befeuchtung des Anodengases auf einen
Taupunkt von ca. 5K unterhalb der Zellstapeltemperatur kann hier zu einer
Leistungssteigerung führen.
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
8.4
29
Luftzahlregelung
Durch eine Regelung der Luftmenge in Abhängigkeit vom Strom und von der
Temperatur kann der Feuchtehaushalt der Brennstoffzelle optimiert werden.
Insbesondere wird vermieden, dass die Kathode durch überschüssiges Wasser
geflutet wird. Dieser Zustand ist bei niedrigen Temperaturen kritisch. Bei hohen
Temperaturen kann ein Luftüberschuss sehr schnell zu einer Austrocknung der
Membran führen.
8.5
Sonderfall: Luftzahlregelung unter Verwendung eines
Membranbefeuchters.
Wird
ein
Membranbefeuchter
in
den
Kathodenversorgungszweig
integriert,
verschieben sich die Systemgrenzen vom Kathodenausgang zum Ausgang des
Kathodenluftbefeuchters zur Umgebung. Für die Luftzahlregelung ist nun also die
Temperatur am Ausgang des Befeuchters zu messen.
Abbildung 8: Ideale Luftstöchiometrie für verschiedene Feuchtegehalte der Umgebungsluft,
aufgetragen über die Stacktemperatur (gemessen im Luftstrom des Kathodenausgangs).
Randbedingungen: Ausgangsluft zu 100% befeuchtet, kein Austrag von flüssigem Wasser.
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
8.6
30
Spülzyklen („Purge“)
In periodischen Abständen muss die Anode gespült werden, um Inertgas und/oder
Kondensat auszutragen. Das Spülen der Anode kann beispielsweise dadurch erfolgen,
dass bei festgelegtem Vordruck (z. B. 250 mbar) das Auslassventil für den
Wasserstoff alle 60 s für ca. 0,5 - 2 s geöffnet wird. Dabei ist sicherzustellen, dass
ein ausreichen großer Wasserstoffluss entsteht (Richtwert: ca. 30 L/min/Zellstapel).
In Abhängigkeit von der Länge des Anodenausgangsschlauches empfiehlt sich die
Verwendung eines Feuchteabscheiders.
8.7
Anodenrezirkulation
Mit einer gasdichten Pumpe (z. B. Membranpumpe) wird zwischen Anodenausgang
und Anodeneingang gefördert. Das Verhältnis zwischen zugeführtem Frischgas und
rezirkuliertem Gas beträgt ca. 1:1. Wird eine solche Rezirkulation betrieben, können
die Spülintervalle sehr viel länger werden. Die Pumpe muss ausdrücklich wasserstoffund wasserdampfbeständig sein.
8.8
Kathodenrezirkulation
Eine homogene Verteilung von Feuchte und ein effizienter Austrag von Kondensat
ohne Stackaustrocknung werden erreicht, wenn ein Teil der Kathodenausgangsluft an
den Kathodeneingang rezirkuliert wird.
8.9
Medienumkehr
Bei der Medienumkehr werden Anoden- und Kathodenversorgung vertauscht.
Gleichzeitig muss die elektrische Umpolung erfolgen (Plus und Minus vertauschen).
Wurden die Elektroden z.B. durch verunreinigte Reaktionsgase kontaminiert, kann
durch eine Medienumkehr eine „Reinigung“ der Brennstoffzelle erfolgen. Darüber
hinaus kann diese Betriebsweise sinnvoll sein, um die Brennstoffzelle gleichmäßig zu
befeuchten, nachdem sie auf der Kathodenseite zuvor zu feucht geworden ist.
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
31
8.10 Externe Befeuchtung
Wird die Brennstoffzelle nach einer längeren Lagerzeit zum ersten Mal betrieben10,
muss damit gerechnet werden, dass es einige Zeit dauert, bis sich die Brennstoffzelle
selbst befeuchtet hat und die volle Leistung erbringt. Dieser Vorgang lässt sich durch
eine externe Befeuchtung beschleunigen.
8.11 Manuelles Trocknen der Brennstoffzelle
Werden die Elektroden
der
Brennstoffzelle z.B.
durch
einen
ungenügenden
Luftdurchsatz oder zu niedrige Temperatur zu feucht, muss die Brennstoffzelle meist
manuell getrocknet werden, um wieder die volle Leistung erbringen zu können. Hier
empfiehlt sich die Verwendung des Kathodengebläses in Verbindung mit einer
externen Spannungsquelle. Um sowohl Kathode als auch Anode gleichzeitig trocknen
zu können, kann auf eine Y-Verbindung zurückgegriffen werden. Beim Trocknen der
Brennstoffzelle muss der Maximaldruck von 300 mbar in jedem Fall beachtet werden.
Ist die GDL „vollgesogen“ ist das reine Durchblasen von Luft u.U. nicht ausreichend,
um die Brennstoffzelle zu trocknen. In diesem Fall kann die Brennstoffzelle auf ca.
60-70°C erwärmt und in einem Eksikkator evakuiert werden.
10
Schunk Brennstoffzellen werden nach der Produktion getrocknet und können daher auch beim erstmaligen
Betrieb durch den Kunden diese Charakteristik aufweisen.
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
9
32
Datenlog und Betriebsnachweis
Für
den
Fall
eines
Gewährleistungsanspruchs
ist
der
Nachweis,
dass
die
Brennstoffzelle nicht unter pathologischen Bedingungen (z. B. Übertemperatur,
Unterspannung, Wasserstoffverarmung, Verunreinigung etc.) betrieben wurde, in
Form eines lückenlosen Datenlog des Fehlerszenarios inkl. einer Vorlaufzeit von
>15min mit den folgenden Messparametern zu erbringen:
Samplingrate 1 Hz für alle Messparameter
•
Spannung an den Stromfahnen der Brennstoffzelle
•
Strom an jedem Einzelstack der Brennstoffzelle
•
Temperatur Kühlwasserrücklauf optional (empfohlen)
•
Temperatur am Ausgang der Kathode
Aufgrund sehr umfangreicher Anforderungen an den Fehlerspeicher besteht die
Möglichkeit, lediglich die Überschreitung der im Datenblatt festgelegten Grenzwerte
(mit
Zeitstempel)
aufzuzeichnen,
um
einen
Fehlbetrieb
der
Brennstoffzelle
nachweisen zu können.
Ebenso ist nachzuweisen, dass die Anode ausschließlich mit Wasserstoff der
vorgegebenen Reinheitsstufe (Vgl. Kap. 3.2) versorgt wurde. Für die Kathodenluftversorgung muss nachgewiesen werden, dass geeignete Filter eingesetzt wurden,
die alle organischen und anorganischen Verunreinigungen in ausreichendem Maße
absorbieren.
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
33
10 Entsorgung
Die Brennstoffzelle ist zur Entsorgung an den Hersteller zurückzusenden.
11 Optional erhältliches Zubehör
Neben der eigentlichen Brennstoffzelle sind auf Anfrage folgende Zubehörkomponenten erhältlich:
Einschrauberkit für FCFC-42/
42/HLC 360W und FCFC-42/
42/HLC 720W:
720W: Das Sortiment
enthält alle zum Betrieb notwendigen Einschrauber in Schnellanschluss-Ausführung
sowie Blindstopfen zum Verschließen der nicht benötigten Medienanschlüsse einer
FC-42 Brennstoffzelle.
Einschrauberkit für FCFC-42/
42/HLC 1080W und FCFC-42/
42/HLC 1440W: Das Sortiment
enthält alle zum Betrieb notwendigen Einschrauber in Schnellanschluss-Ausführung
sowie Blindstopfen zum Verschließen der nicht benötigten Medienanschlüsse einer
FC-42 Brennstoffzelle.
Einschrauberkit für FCFC-08/HLC und FCFC-08 HAC: Das Sortiment enthält alle zum
Betrieb einer FC-08 Brennstoffzelle notwendigen Einschrauber in SchnellanschlussAusführung.
Hinweis:
Die von Schunk angebotenen Einschrauberkits sind als Ergänzung zum Betrieb der
Brennstoffzellen in Prüfstandsumgebungen ausgelegt. Die Einschrauber sind nicht
Bestandteil der Zertifizierung gemäß DIN EN 62282-2
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
12 Fehler und Abhilfe
Tabelle 2: Fehler und Abhilfe
Nr
FehlerNr
beschreibung
pot.
Ursache
Nr
1
1
Unterversorgung
mit Luft
2
3
1
2
Unterversorgung
mit Wasserstoff
2
3
3
1
Die Elektroden
sind zu feucht
Die Elektroden
sind zu trocken
5
2
1
2
1
6
Die elektrische
Verbindung ist
ungenügend
2
3
4
1
7
Die Elektroden
sind kontaminiert
Herstellung einer
geeigneten
Wasserstoffversorgung
siehe Kap. 3.2 und 4.1
und Datenblatt
Stellen Sie sicher, dass die Brennstoffzelle in
der optimalen Einbaulage montiert ist.
3
Der elektrische
Arbeitspunkt
ist ungeeignet
Stellen Sie sicher, dass die Wasserstoffversorgung unter Einbeziehung aller
Druckverluste einen ausreichenden
Volumenstrom erzeugt.
Stellen Sie sicher, dass das Druckniveau der
Wasserstoffversorgung im angegebenen
Arbeitsbereich liegt.
Stellen Sie sicher, dass die Anode ausreichend
gespült wird, um Kondensat und Inertgas
auszutragen.
2
1
4
Herstellung einer
geeigneten
Luftversorgung
siehe Kap. 3.3 und 4.2
und Datenblatt
Stellen Sie sicher, dass die Luftversorgung ausreicht, um Kondensatabscheidung zu
vermeiden.
4
2
3
Hinweise /
weitere Maßnahmen
Stellen Sie sicher, dass das Kathodengebläse
unter Einbeziehung aller Druckverluste
(Rohrleitungssystem, Filter, BZ usw.)
einen ausreichenden Volumenstrom erzeugt.
Stellen Sie sicher, dass das Kathodenversorgungssystem frei von Kondensat ist.
Stellen Sie sicher, dass die Regelung der
Luftmenge korrekt erfolgt.
1
3
Die
Brennstoffzelle
liefert eine zu
geringe
Leistung
Maßnahmen /
Prüfen
Einbaulage siehe
Kap. 7.4
Stellen Sie sicher, dass die Brennstoffzelle eine
ausreichendes Arbeitstemperatur erreicht.
Trocknen Sie die Brennstoffzelle
Siehe Kap. 8.11
z.B. mit Hilfe des Kathodengebläses
Ist die Luftversorgung der BZ so hoch,
dass eine Austrocknung erfolgt?
Ist die Arbeitstemperatur der BZ zu hoch?
Befeuchten Sie die Brennstoffzelle vor der
Inbetriebnahme nach einer längeren Lagerzeit
mit Hilfe einer Dampfente.
Siehe Kap. 8.10
Stellen Sie sicher, dass die Brennstoffzelle
nicht mit zu hohem Strom belastet wird.
Stellen Sie sicher, dass die Brennstoffzelle
nicht bei zu geringer Arbeitsspannung
betrieben wird.
Prüfen Sie die mechanische Verbindung der
elektrischen Kontakte.
Stellen Sie sicher, dass die elektrische
Verbindung im Betrieb keine Wärme erzeugt
Stellen Sie sicher, dass die elektrische
Verbindung keinen Spannungsabfall zeigt
Stellen Sie sicher, dass keine Korrosion an den
elektrischen Kontakte sichtbar ist
Stellen Sie sicher, dass die Wasserstoffversorgung mit ausreichender Reinheit erfolgt
Stellen Sie sicher, dass in der Kathodenluft
keine Verunreinigungen sind
Nehmen Sie eine Medienumkehr vor, um die
Elektroden zu reinigen
weitere Hinweise zum
elektrischen Anschluss
siehe Kap. 7.2
siehe Kap. 3.2
siehe Kap. 3.3
Siehe Kap. 8.9
34
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
Nr
FehlerNr
beschreibung
1
2
Die
Brennstoffzelle
erreicht die
angegebene
Leerlaufspannung
nicht
pot.
Ursache
An der BZ liegt
eine parasitäre
elektrische Last
an
Nr
Maßnahmen /
Prüfen
1
Stellen Sie sicher, dass die Brennstoffzelle
vollständig von allen Verbrauchern getrennt ist
2
Prüfen Sie die elektrischen Verbindungen auf
Kriechströme und Kurzschlüsse
2
Unterversorgung
mit Luft
1
siehe oben (Maßnahmen unter 1.1)
Siehe
Kap. 3.3 und 4.2
3
Unterversorgung
mit Wasserstoff
1
siehe oben (Maßnahmen unter 1.2)
Siehe
Kap. 3.2 und 4.1
4
Die elektrische
Verbindung
ist ungenügend
1
siehe oben (Maßnahmen unter 1.6)
Siehe Kap. 7.2
5
Die Elektroden
sind kontaminiert
1
siehe oben (Maßnahmen unter 1.7)
Siehe Kap. 8.9
6
Die
Brennstoffzelle
hat einen
internen
Kurzschluss
Prüfen Sie, ob die Brennstoffzelle ohne Last
Wärme erzeugt
Messen Sie die Zeit des Spannungsabfalls
bei getrennter Last im Vergleich zu den
Angaben im Datenblatt
Prüfen Sie die elektrischen Verbindungen auf
Kriechströme und Kurzschlüsse
Wird ein interner
Kurzschluss festgestellt,
muss die Brennstoffzelle
ersetzt werden.
Prüfen Sie, ob die Brennstoffzelle ohne Last
Wärme erzeugt
Messen Sie die Dauer des Spannungsabfalls
bei getrennter Last im Vergleich zu den
Angaben im Datenblatt
Messen Sie die Dauer des Druckabfalls auf der
Anode im Vergleich zu den Angaben im
Datenblatt
Wird ein internes Leck
festgestellt, muss die
Brennstoffzelle zwecks
Reparatur oder
Austausch an den
Hersteller zurückgeschickt werden.
1
2
3
1
7
Die
Brennstoffzelle
hat ein internes
Leck
2
3
1
3
Die
Brennstoffzelle
wird zu heiß
Hinweise /
weitere Maßnahmen
2
Der gewählte
elektrische
Arbeitspunkt
ist ungeeignet
Der
Kühlmittelfluss
ist zu gering,
bzw.
die Kühlmitteltemperatur ist
zu hoch.
3
Im Kühlkreislauf
befinden sich
Lufteinschlüsse
4
Wasserstoff
gelangt
auf die Kathode,
bzw. Luft gelangt
auf die Anode
1
2
3
Betreiben sie die BZ im angegebenen
Spannungsbereich
Betreiben sie die BZ im angegebenen
Strombereich
Überprüfen Sie das zeitliche Lastprofil
1
Stellen Sie sicher, dass die Kühlmittelpumpe
bei den gegebenen Druckverlusten des
gesamten Rohrleitungssystems, der BZ und
des Kühlers einen ausreichenden
Volumenstrom liefert,
2
Stellen Sie sicher, dass sich keine
Verunreinigungen im Kühlsystem befinden.
3
Stellen Sie sicher, dass eine geeignete
Kühlflüssigkeit verwendet wird.
4
Stellen sie sicher, dass die Kühlmittelpumpe
keine Lauft angesaugt hat.
1
2
siehe Kap. 3.4
Entlüften Sie den Kühlkreislauf.
Stellen Sie sicher, dass die Kühlmittelpumpe
keine Luft ansaugt.
1
Prüfen Sie Ihr Rohrleitungssystem auf Lecks.
2
prüfen sie die Brennstoffzelle auf interne Lecks Siehe Kap. 10.3
35
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
Nr
FehlerNr
beschreibung
1
4
Die
Brennstoffzelle
Bleibt zu kalt
2
3
5
Einzelstacks
im 3er oder
4er Bündel
driften im
Strom
auseinander
1
2
pot.
Ursache
Nr
Maßnahmen /
Prüfen
nur eine geringe
elektrische
Leistung
wird aus der BZ
entnommen
1
Erhöhen sie die entnommene elektrische
Leistung
2
verbessern Sie die Systemisolation
3
verringern Sie die Kühlleistung, unter
Umständen muss ein Bypass zum
Wärmetauscher geschaltet werden
Die Temperaturmessung ist
fehlerhaft
1
Die Kühlleistung
ist zu hoch
Es herrschen
inhomogene
Betriebsbedingungen im Brennstoffzellenmodul
Die Versorgung
der Kathode
erfolgt nur von
einer Seite
2
1
1
2
1
Hinweise /
weitere Maßnahmen
Stellen Sie sicher dass die
Temperatursensoren
umströmt werden
messen sie die Temperaturen am
Kathodenausgang
und im Kühlmittelkreislauf
verringern Sie die Kühlleistung, unter
Umständen muss ein Bypass zum
Wärmetauscher geschaltet werden
Führen Sie intesive Purges auf Anoden- und
Kathodenseite durch, um die Zellstapel
einander wieder anzugleichen
Vgl. auch Kap. 8:
Schalten Sie die Brennstoffzelle für ca. 2h aus Methoden zur
und Durchströmen Sie Anode und Kathode mit Leistungssteigerung
dem Kathodengeläse (ohne Last und ohne H2Anschluss) um eine gleichmäßige Verteilung
der Feuchtigkeit zu erreichen
Betreiben Sie die Brennstoffzelle gemäß des
Schemas unter Kap 3.5
Siehe Kap. 3.5
36
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
37
13 Normen (Auswahl)
Tabelle 3: Normen (Auswahl)
IEC 62282-2
IEC 60079 (alle)
IEC 60352 (alle)
IEC 60529
Fuel cell technologies, Part 2: Fuel cell modules
Electrical apparatus for explosive gas atmospheres
Solderless connections
Degrees of protection provided by enclosures
Eine Übersicht über alle anzuwendenden Normen ist in IEC 62282-2 zu finden.
14 Literaturangaben
James Larminie;
Larminie Andrew Dicks, Fuel Cell Systems explained, second edition,
März 2006
Heinzel,
Heinzel, Angelika; Mahlendorf, Falko; Roes, Juergen,
Juergen Brennstoffzellen –
Entwicklung, Technologie, Anwendung, 3. Aufl., Heidelberg 2006
U.S. Department of Energy, Fuel Cell Handbook – Seventh Edition by EG&G
Technical Services, Inc., 2004
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
15 Spezifikationen
15.1 Datenblatt für FC-42/HLC Brennstoffzellen
Tabelle 4: Datenblatt für Schunk Brennstoffzellenmodule vom Typ FC-42 HLC für die folgenden
Konfigurationen:
Bezeichnung
Konfiguration
FC-42 / 360W HLC
[1]
FC-42 / 720W HLC
[2p]
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
FC-42 / 720W HLC
[2s]
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
Anmerkungen
Der Isolationswiderstand der Module beträgt > 50kOhm.
Bei einer seriellen Verschaltung mehrerer Zellstapel und der
entsprechenden Erhöhung der Leerlaufspannung, sind die
außenliegenden Metallteile durch den Systemintegrator vor
Berührung zu schützen.
Allgemeines
Bezeichnung
FC-42 HLC
Typ
PEM-Brennstoffzellenstack
Medium Kathode
Luft
Medium Anode
Wasserstoff
Kühlmedium
Wasser / Glycol
Umgebungsbedingungen
Lagertemperatur (trockene Einheit)
-10 bis +50
°C
Umgebungstemperatur während Betrieb
5 - 70
°C
rel. Umgebungsfeuchte
40 - 95, nicht
%
(Betrieb und Lagerung)
kondensierend
Max. Beschleunigung
5
G
Max. Betriebshöhe
1500
m ü. NN
Betriebstemperatur (unbefeuchtet)
5 - 50
°C
Betriebstemperatur (befeuchtet, Taupunkt ca.
< 70
°C
max. Temperatur der Oberflächen
75
°C
max. Zeitraum bis Lastabwurf im Kurzschlussfall
1
s
max. Zeitraum bis Lastabwurf bei Ausfall der
30
s
> 3000
h
Betriebsbedingungen
5-10 K unter Stacktemperatur)
Kühlung / Verlust von Kühlmittel
Lebensdauer ***
38
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
Schnittstellen
elektrischer Anschluss
M5-Innengewinde
max. Anzugsmoment
2
Nm
Anodeneingang
G1/4
Zoll
Anodenausgang
G1/4
Zoll
Kathodeneingang
G3/8
Zoll
Kathodenausgang
G3/8
Zoll
Kühlwassereingang
G1/4
Zoll
Kühlwasserausgang
G1/4
Zoll
Elektrische Eigenschaften
Nennstrom *
FC-42 / 360W HLC
[1]
15
A
FC-42 / 720W HLC
[2p]
30
A
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
45
A
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
60
A
FC-42 / 720W HLC
[2s]
15
A
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
30
A
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
15
A
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
15
A
FC-42 / 360W HLC
[1]
24
V
FC-42 / 720W HLC
[2p]
24
V
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
24
V
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
24
V
FC-42 / 720W HLC
[2s]
48
V
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
48
V
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
72
V
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
96
V
FC-42 / 360W HLC
[1]
360
W
FC-42 / 720W HLC
[2p]
720
W
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
1080
W
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
1440
W
FC-42 / 720W HLC
[2s]
720
W
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
1440
W
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
1080
W
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
1440
W
Nennspannung
Nennleistung *
39
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
minimale Spannung (kurzzeitig, 5 s)
FC-42 / 360W HLC
[1]
15
V
FC-42 / 720W HLC
[2p]
15
V
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
15
V
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
15
V
FC-42 / 720W HLC
[2s]
30
V
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
30
V
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
45
V
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
60
V
FC-42 / 360W HLC
[1]
36 - 42
V
FC-42 / 720W HLC
[2p]
36 – 42
V
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
36 – 42
V
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
36 – 42
V
FC-42 / 720W HLC
[2s]
72 - 84
V
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
72 – 84
V
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
108 - 126
V
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
144 - 168
V
FC-42 / 360W HLC
[1]
30
A
FC-42 / 720W HLC
[2p]
60
A
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
90
A
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
120
A
FC-42 / 720W HLC
[2s]
30
A
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
60
A
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
30
A
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
30
A
FC-42 / 360W HLC
[1]
< 30
A/s
FC-42 / 720W HLC
[2p]
< 60
A/s
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
< 90
A/s
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
< 120
A/s
FC-42 / 720W HLC
[2s]
< 30
A/s
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
< 60
A/s
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
< 30
A/s
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
< 30
A/s
Leerlaufspannung
Max. Strom (für Zeitraum < 1 s)
Max. Stromänderung (|dI/dt|)
40
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
Mechanische Eigenschaften
Masse (max.)
FC-42 / 360W HLC
[1]
2100
g
FC-42 / 720W HLC
[2p]
4200
g
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
6300
g
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
8400
g
FC-42 / 720W HLC
[2s]
4200
g
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
8400
g
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
6300
g
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
8400
g
FC-42 / 360W HLC
[1]
188 x 130 x 61
mm
FC-42 / 720W HLC
[2p]
188 x 130 x 108
mm
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
188 x 130 x 155
mm
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
188 x 130 x 202
mm
FC-42 / 720W HLC
[2s]
188 x 130 x 108
mm
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
188 x 130 x 202
mm
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
188 x 130 x 155
mm
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
188 x 130 x 202
mm
Abmessungen LxBxH (max.)
Totvolumina
FC-42 / 360W HLC
FC-42 / 720W HLC
FC-42 / 1,0kW HLC
FC-42 / 1,4kW HLC
FC-42 / 720W HLC
FC-42 /1,4 kW HLC
FC-42 / 1,0kW HLC
[1]
[2p]
[3p]
[4p]
[2s]
[2p2s]
[3s]
Anode
90
ml
Kathode
100
ml
Kühlung
40
ml
Anode
180
ml
Kathode
200
ml
Kühlung
75
ml
Anode
270
ml
Kathode
300
ml
Kühlung
110
ml
Anode
360
ml
Kathode
400
ml
Kühlung
150
ml
Anode
180
ml
Kathode
200
ml
Kühlung
75
ml
Anode
360
ml
Kathode
400
ml
Kühlung
150
ml
Anode
270
ml
Kathode
300
ml
Kühlung
110
ml
41
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
Anode
360
ml
Kathode
400
ml
Kühlung
150
ml
Medien
Wasserstoffreinheit (min.)
99.99
%,kein CO
Sauerstoffgehalt Eingangsluft
20 – 30
Vol.-%
max. Eingangsdruck Anode****
300
mbar
min. Eingangsdruck Anode****
50
mbar
max. Druckabfall Anode *
15
mbar
max. Druckabfall Kathode *
30
mbar
Eingangsdruck Kathode****
0 - 300
mbar
max. Differenzdruck Anode/Kathode
300
mbar
max. Gastemperatur am Eingang **
65
°C
min. Gastemperatur am Eingang **
5
°C
max. Gastemperatur am Ausgang **
75
°C
max. Temperaturdifferenz Rücklauf-Vorlauf
5
K
max. Druckabfall Kühlflüssigkeit
300
mbar
max. Kühlflüssigkeitsdruck****
650
mbar
(auch während Purge)
in der Kühlflüssigkeit
Wasserstoffverbrauch bei Normbedingungen
FC-42 / 360W HLC
[1]
0-4
l/min
FC-42 / 720W HLC
[2p]
0–8
l/min
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
0 – 12
l/min
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
0 – 16
l/min
FC-42 / 720W HLC
[2s]
0–8
l/min
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
0 – 16
l/min
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
0 – 12
l/min
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
0 - 16
l/min
FC-42 / 360W HLC
[1]
210
g/h
FC-42 / 720W HLC
[2p]
420
g/h
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
630
g/h
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
840
g/h
FC-42 / 720W HLC
[2s]
420
g/h
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
840
g/h
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
630
g/h
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
840
g/h
erzeugtes Prozesswasser bei Vollast *
42
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
Luftverbrauch bei Normbedingungen
FC-42 / 360W HLC
[1]
0 – 30
l/min
FC-42 / 720W HLC
[2p]
0 – 60
l/min
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
0 – 90
l/min
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
0 – 120
l/min
FC-42 / 720W HLC
[2s]
0 – 60
l/min
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
0 – 120
l/min
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
0 – 90
l/min
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
0 – 120
l/min
FC-42 / 360W HLC
[1]
>0,5
l/min
FC-42 / 720W HLC
[2p]
>1,0
l/min
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
>2,0
l/min
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
>4,0
l/min
FC-42 / 720W HLC
[2s]
>1,0
l/min
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
>4,0
l/min
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
>2,0
l/min
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
>4,0
l/min
Kühlflüssigkeitsdurchsatz
Gasdichtheit unter Normbedingungen*****, Prüfmedium
Prüfmedium = Stickstoff
Crossover (A/K, bzw. K/A) typical
FC-42 / 360W HLC
[1]
<1
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 720W HLC
[2p]
<2
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
<3
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
<4
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 720W HLC
[2s]
<2
ml/(60s*100hPa)
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
<4
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
<3
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
<4
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 360W HLC
[1]
<2
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 720W HLC
[2p]
<4
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
<6
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
<8
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 720W HLC
[2s]
<4
ml/(60s*100hPa)
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
<8
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
<6
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
<8
ml/(60s*100hPa)
Crossover (A/K, bzw. K/A) maximum (EOL)
43
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
44
External typical (A + K nach außen)
FC-42 / 360W HLC
[1]
<1
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 720W HLC
[2p]
<2
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
<3
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
<4
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 720W HLC
[2s]
<2
ml/(60s*100hPa)
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
<4
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
<3
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
<4
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 360W HLC
[1]
<2
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 720W HLC
[2p]
<4
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 1,0kW HLC
[3p]
<6
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 1,4kW HLC
[4p]
<8
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 720W HLC
[2s]
<4
ml/(60s*100hPa)
FC-42 /1,4 kW HLC
[2p2s]
<8
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 1,0kW HLC
[3s]
<6
ml/(60s*100hPa)
FC-42 / 1,4kW HLC
[4s]
<8
ml/(60s*100hPa)
External maximum
*
kann um ± 15 % abweichen. Angabe gilt für unbefeuchteten Betrieb, 50°C
**
Gilt für Anode und Kathode.
***
Nach der spezifizierten Zeit beträgt die Leistung mind. 90 % der Nominalleistung.
Kathodenausgangstemperatur und Luftzahl 2,5
Vorraussetzung dafür ist, dass die Brennstoffzelle nicht unter pathologischen Bedingungen (z. B.
Übertemperatur, Unterspannung, Wasserstoffverarmung, Verunreinigung etc.) betrieben wurde.
Der Nachweis ist mit einem vollständigen Daten-Log (siehe Kap. 12 Datenlog) zu führen.
****
Druck über Umgebungsdruck
*****
Normbedingungen = 0°C, 1013 hPa Umgebungsdruck
Wichtig:
Alle Angaben sind typische Durchschnittswerte und beruhen auf Messungen unter
Idealbedingungen. Die angegebenen Werte sind Richtwerte ohne Gewähr.
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
15.2 U/I-Kennlinien und Leistungskennlinien für FC-42 Brennstoffzellen
Abbildung 9:
Strom/Spannungs- und Leistungs-Kennlinienpaar für FC-42/HLC 360W
Abbildung 10: Strom/Spannungs- und Leistungs-Kennlinienpaar für FC-42/HLC 720W
mit Zellstapeln in serieller Verschaltung
45
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
Abbildung 11: Strom/Spannungs- und Leistungs-Kennlinienpaar für FC-42/HLC 1,0kW
mit Zellstapeln in serieller Verschaltung
Abbildung 12: Strom/Spannungs- und Leistungs-Kennlinienpaar für FC-42/HLC 1,4kW
mit Zellstapeln in serieller Verschaltung
46
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
Abbildung 13: Strom/Spannungs- und Leistungs-Kennlinienpaar für FC-42/HLC 720W
mit Zellstapeln in paralleler Verschaltung
Abbildung 14: Strom/Spannungs- und Leistungs-Kennlinienpaar für FC-42/HLC 1,4kW
mit zwei parallel geschalteten Zellstapelpaaren in serieller Verschaltung
47
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
Abbildung 15: Strom/Spannungs- und Leistungs-Kennlinienpaar für FC-42/HLC 1,0kW
mit Zellstapeln in paralleler Verschaltung
Abbildung 16: Strom/Spannungs- und Leistungs-Kennlinienpaar für FC-42/HLC 1,4kW
mit Zellstapeln in paralleler Verschaltung
48
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
15.3 Datenblatt für FC-08/HLC und FC-08/HAC Brennstoffzellen
Tabelle 5: Datenblatt für Schunk Brennstoffzellenmodule vom Typ FC-08/HLC und FC-08/HAC
Allgemeines
Bezeichnung
FC-08 HLC (HAC)
Typ
PEM-Brennstoffzellenstack
Medium Kathode
Luft
Medium Anode
Wasserstoff
Kühlmedium
Wasser / Glycol (Luft)
Umgebungsbedingungen
Lagertemperatur (trockene Einheit)
-10 bis +50
°C
Umgebungstemperatur während Betrieb
5 – 70 (5 -50)
°C
rel. Umgebungsfeuchte
40 - 95, nicht
%
(Betrieb und Lagerung)
kondensierend
Max. Beschleunigung
5
G
Max. Betriebshöhe
1500
m ü. NN
Betriebstemperatur (unbefeuchtet)
5 – 50
°C
Betriebstemperatur (befeuchtet, Taupunkt ca.
< 70
°C
max. Temperatur der Oberflächen
75
°C
max. Zeitraum bis Lastabwurf im Kurzschlussfall
1
s
max. Zeitraum bis Lastabwurf bei Ausfall der
30
s
Betriebsbedingungen
5-10 K unter Stacktemperatur)
Kühlung / Verlust von Kühlmittel
Schnittstellen
elektrischer Anschluss
M5-Innengewinde
max. Anzugsmoment
2
Nm
Anodeneingang
G1/8
Zoll
Anodenausgang
G1/8
Zoll
Kathodeneingang
G1/4
Zoll
Kathodenausgang
G1/4
Zoll
Kühlwassereingang (nur HLC)
G1/8
Zoll
Kühlwasserausgang (nur HLC)
G1/8
Zoll
2x Axiallüfter (Kabel ca. 200mm) (nur HAC)
12
V(dc)
49
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
Elektrische Eigenschaften
Nennstrom *
15 (12)
A
Nennspannung
5,2
V
Nennleistung *
80 (60)
W
minimale Spannung (kurzzeitig, 5 s)
3,2
V
Leerlaufspannung
7,5 – 9,0
V
Max. Strom (für Zeitraum < 1 s)
30
A
Max. Stromänderung (|dI/dt|)
< 30
A/s
Masse (max.)
520 (1300)
g
Abmessungen LxBxH (max.)
75 x 118 x 53
mm
Mechanische Eigenschaften
(83 x 118 x98)
Totvolumina
Anode
22
ml
Kathode
18
ml
Kühlung (nur HLC)
15
ml
Wasserstoffreinheit (min.)
99.99
%,kein CO
Sauerstoffgehalt Eingangsluft
20 - 30
Vol.-%
max. Eingangsdruck Anode****
300
mbar
min. Eingangsdruck Anode****
50
mbar
max. Druckabfall Anode *
15
mbar
max. Druckabfall Kathode *
30
mbar
max. Eingangsdruck Kathode****
300
mbar
max. Differenzdruck Anode/Kathode
300
mbar
max. Gastemperatur am Eingang **
65
°C
min. Gastemperatur am Eingang **
5
°C
max. Gastemperatur am Ausgang **
75
°C
max. Temperaturdifferenz Rücklauf-Vorlauf
5
K
max. Druckabfall Kühlflüssigkeit
150
mbar
max. Kühlflüssigkeitsdruck**** (nur HLC)
1
bar
Wasserstoffverbrauch
0 – 1,2
l/min
erzeugtes Prozesswasser bei Vollast *
50
g/h
Luftverbrauch
0 – 10
l/min
Kühlflüssigkeitsdurchsatz (nur HLC)
>0,5
l/min
Medien
in der Kühlflüssigkeit (nur HLC)
Gasdichtheit unter Normbedingungen*****, Prüfmedium = Stickstoff
Stickstoff
Crossover (A/K, bzw. K/A) typical
<1
ml/(60s*100hPa)
Crossover (A/K, bzw. K/A) maximum (EOL)
<1
ml/(60s*100hPa)
External typical (A + K nach Außen)
<1
ml/(60s*100hPa)
External maximum
<1
ml/(60s*100hPa)
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Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
*
51
kann um ± 15 % abweichen. Angabe gilt für unbefeuchteten Betrieb, 50°C
Kathodenausgangstemperatur und Luftzahl 2,5
**
Gilt für Anode und Kathode.
***
Nach der spezifizierten Zeit beträgt die Leistung mind. 90 % der Nominalleistung.
Vorraussetzung dafür ist, dass die Brennstoffzelle nicht unter pathologischen Bedingungen (z. B.
Übertemperatur, Unterspannung, Wasserstoffverarmung, Verunreinigung etc.) betrieben wurde.
Der Nachweis ist mit einem vollständigen Daten-Log (siehe Kap. 12 Datenlog) zu führen.
****
Druck über Umgebungsdruck
*****
Normbedingungen = 0°C, 1013 hPa
Wichtig:
Alle Angaben sind typische Durchschnittswerte und beruhen auf Messungen unter
Idealbedingungen. Die angegebenen Werte sind Richtwerte ohne Gewähr.
15.4 U/I-Kennlinien und Leistungskennlinien für FC-08 Brennstoffzellen
Abbildung 17: Strom/Spannungs- und Leistungs-Kennlinienpaar für FC-08/HLC und FC-08/HAC
Handbuch für Schunk Brennstoffzellen-Stacks
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Rev 4.0 [ger]
pda
(02/2011)
Schunk BahnBahn- und Industrietechnik GmbH
Hauptstraße 97
35435 Wettenberg
www.schunk-sbiw.com
[email protected]
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