Was ist ein Brennstoffzellen-Stack?
Der Brennstoffzellen-Stack ist die Stromerzeugungseinheit eines Brennstoffzellenfahrzeugs.
Ein Brennstoffzellenfahrzeug wird auch als FCV (Fuel Cell Vehicle) bezeichnet. Die Energie wird hauptsächlich durch den Strom erzeugt, der bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff anstelle von Wasser entsteht.
Dabei entstehen keine giftigen Abgase, was sie zu einer der Dekarbonisierungstechnologien macht, die in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erregt haben.
Anwendungen für Brennstoffzellen-Stacks
Brennstoffzellen-Stacks werden zum Antrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet. Wasserstoff und Luftsauerstoff reagieren elektrochemisch, um eine elektrische Leistung für den Antrieb des Fahrzeugs zu erzeugen.
Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit Brennstoffzellen-Stacks sind aufgrund ihrer hohen Leistung und kompakten Größe zunehmend gefragt. Sie ziehen auch als Dekarbonisierungstechnologie zur Erreichung der Kohlenstoffneutralität die Aufmerksamkeit auf sich.
Es handelt sich um eine Schlüsseltechnologie für Brennstoffzellenfahrzeuge, die sich durch einen hohen Energieumwandlungswirkungsgrad, geringere Schadstoffemissionen für die Umwelt, niedrige Geräuschentwicklung und schnelles Lastverhalten auszeichnet.
Funktionsweise der Brennstoffzellen-Stacks
Brennstoffzellenfahrzeuge erzeugen Strom in der Regel mit Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (BZ). Die erzeugte Energie wird an die Antriebseinheit weitergeleitet, wo sie vom Brennstoffzellen-Stack betrieben wird, der die Rolle eines Stromerzeugers übernimmt.
Als Brennstoffzellen werden derzeit in vielen Brennstoffzellenfahrzeugen Wasserstoff und Sauerstoff eingesetzt. Der Wasserstoff wird der Brennstoffelektrode und der Sauerstoff der Luftelektrode zugeführt. In dem Elektrolyt, der zwischen den beiden Schichten aus Brennstoff- und Luftpolen liegt, bewegen sich die an der Brennstoffelektrode erzeugten Wasserstoffionen zur Luftelektrode.
Das Prinzip besteht darin, dass sich die an der Brennstoffelektrode abgetrennten Elektronen dann durch den elektronischen Schaltkreis bewegen und einen elektrischen Strom erzeugen. Dieses Prinzip ist bei Brennstoffzellen-Stacks für Fahrzeuge üblich, und zu seinen Vorteilen gehören der Betrieb bei niedrigen Temperaturen und eine hohe Stromerzeugungseffizienz bei geringer Größe.
Durch die Aufnahme von Wasserstoff aus dem Fahrzeug und von Sauerstoff aus der Atmosphäre im Brennstoffzellen-Stack wird Elektrizität erzeugt, und die elektrische Energie wird zum Antrieb der Batterie und des Motors verwendet, wodurch das Fahrzeug angetrieben wird.
Aufbau des Brennstoffzellen-Stacks
Der Brennstoffzellen-Stack besteht aus einem Stapel flacher Zellen, die in Reihe geschaltet werden, um die für das Fahrzeug erforderliche Leistung zu erhalten. Das Innere der Zelle besteht aus drei Schichten – Brennstoffelektrode, Elektrolyt und Luftelektrode – und obwohl die Zelle allein Strom erzeugen kann, wird sie in Form einer Stapelstruktur mit mehreren übereinander gestapelten Zellen verwendet, um die für Brennstoffzellenfahrzeuge erforderliche Spannung zu erzeugen.
Da bei der Stromerzeugung Wärme erzeugt wird, wird der Stapel gekühlt, um den Temperaturanstieg zu dämpfen.
Merkmale von Brennstoffzellen-Stacks
Brennstoffzellen-Stacks unterscheiden sich in mehreren Punkten von herkömmlichen Fahrzeugen. Sie sind in der Lage, eine komfortable Fahrt zu bieten und mit weniger Strom zu fahren, weil sie über Eigenschaften verfügen, die nur Brennstoffzellen-Stacks aufweisen.
Außerdem können sie mit einer einzigen Tankfüllung lange Zeit sicher fahren, und es wurden viele Innovationen entwickelt, um diese Eigenschaften zu realisieren.
1. Batterie
Der vom Brennstoffzellen-Stack erzeugte Strom wird entweder direkt an den Motor weitergeleitet oder in der Batterie gespeichert, die bei Brennstoffzellenfahrzeugen entweder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie oder eine Lithium-Ionen-Batterie ist, ähnlich wie bei Elektro- und Hybridfahrzeugen, also Fahrzeugen, die mit etwas anderem als Benzin betrieben werden.
Die beiden Batterien zeichnen sich dadurch aus, dass sie den Motor direkt versorgen können, was bedeutet, dass sie so aufgebaut sind, dass noch weniger Batteriekapazität als bei Elektrofahrzeugen erforderlich ist.
2. Kühlwasser
Brennstoffzellen-Stacks erfordern spezielles Kühlwasser. Sein Hauptbestandteil ist eine Ethylenglykollösung mit hervorragender Kühl- und Gefrierschutzwirkung und geringer Leitfähigkeit zur Vermeidung von Stromschlägen.
Diese Eigenschaft verringert das Risiko einer Entzündung oder eines Stromschlags im Falle eines Unfalls und wird daher von vielen Herstellern verwendet. Darüber hinaus wird das verwendete Kühlwasser je nach Marke und Modell des Fahrzeugs aufgeteilt, um einen optimalen Betrieb zu gewährleisten.
3. Umweltfreundlichkeit
Da während der Fahrt nur Wasser abgeleitet wird, trägt dies zur Reduzierung der CO2-Emissionen bei. Da keine Verbrennung zur Stromerzeugung stattfindet, entstehen auch keine Stickoxide.
Brennstoffzellen-Stacks benötigen kein Benzin, das in vielen Fahrzeugen verwendet wird, und tragen dazu bei, das Problem der Abgasemissionen zu lösen. Außerdem können sie aufgrund des hohen Wirkungsgrads der Stromerzeugung lange Zeit mit einer kurzen Ladezeit betrieben werden.