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Stromversorgungen und Lasten für den Test von Brennstoffzellen

20. Juli 2021 – Die Charakterisierung als auch die Leistungs- und Lebensdauerprüfung von Brennstoffzellen erfordert spezielle Messtechnik. EA Elektro-Automatik (EA) bietet leistungsstarke bidirektionale DC-Stromversorgungen und regenerative DC-Lasten an, die sich ideal für das Testen von Brennstoffzellen-Stacks eignen.

"Als Reaktion auf die Nachfrage nach sauberer Energie wächst der Markt für Brennstoffzellen mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 26,4 % und wird bis 2025 voraussichtlich 848 Mio. $ erreichen“, zeigt Markus Schyboll, Geschäftsführer von EA Elektro-Automatik (EA), das Marktpotential auf.

Grundsätzlich werden Brennstoffzellen durch die Bestimmung ihres Widerstands charakterisiert. In der Regel wird ihre Leistung über Polarisationskurven durch Messung ihrer Spannung und ihres Stroms angegeben. Prüfingenieure müssen eine Reihe von Charakterisierungs-, Leistungs- und Haltbarkeitstests durchführen, um die Einhaltung zahlreicher Spezifikationen, die für die Brennstoffzellen gelten, nachzuweisen. In einem Haltbarkeitstest beispielsweise setzt man den Brennstoffzellen-Stack unter Betriebsbedingungen einer kontinuierlichen Folge von Lade-/ Entladezyklen aus. So soll sichergestellt werden, dass der Stack später im Betrieb sicher und zuverlässig funktioniert.

„Zu den Einsatzgebieten von Brennstoffzellen gehören die Stromerzeugung für Nutzfahrzeuge wie Busse und Gabelstapler, Backup-Stromversorgungssysteme und andere Energiequellen. Um das Design und die Herstellung von Qualitäts-Brennstoffzellen zu gewährleisten, bietet EA Elektro-Automatik seine 2-Quadranten-Stromversorgungen EA-PSB 10000 und elektronische Lasten der Serie EA-ELR 10000 an. Sowohl die PSB-Stromversorgungen als auch die EA-ELR-Lasten können bis zu 30 kW Energie aufnehmen und ins Netz zurückspeisen, um das Testen von Brennstoffzellenstapeln jeder Größe zu ermöglichen", führt Schyboll weiter aus.

Eingebauter Funktionsgenerator simuliert jeden Lastzustand

Sowohl die PSB-Stromversorgungen als auch die ELR-Lasten verfügen über einen integrierten Funktionsgenerator mit Arbiträrfunktionalität. Das vereinfacht sowohl die Charakterisierung als auch die Leistungs- und Lebensdauerprüfung von Brennstoffzellen. Der eingebaute Arbiträrgenerator bietet zwei wesentliche Vorteile: Im Gegensatz zu anderen Lasten, die einen separaten Funktionsgenerator benötigen, kann die ELR-Last den Test zur Bestimmung des Brennstoffzellenwiderstands durchführen. Zudem können sowohl PSB-Stromversorgungen als auch ELR-Lasten die zu prüfende Brennstoffzelle dynamischen Laständerungen für Leistungs- und Lebensdauerprüfungen unterziehen.

Eigenschaften der Zellen

Die PSB-Stromversorgung verfügt außerdem über einen internen X-Y-Generator, mit dem sich der Ausgang einer Brennstoffzelle simulieren lässt. Bei verschiedenen Spannungen kann die PSB-Stromversorgung ihren Ausgangswiderstand variieren, um eine Stromkennlinie der Brennstoffzelle bei der programmierten Spannung zu erzeugen. So bildet sie die drei Phasen der charakteristischen Leistung einer Brennstoffzelle nach. Die Geräte der PSB-Serie bieten zudem die Möglichkeit, ihrem Ausgang Welligkeit und Rauschen hinzuzufügen. Damit lässt sich feststellen, wie gut ein brennstoffzellenbetriebenes Gerät unter einer Vielzahl von Bedingungen arbeitet.

Autoranging maximiert die Spannungs- und Stromkennlinie

Sowohl die Geräte der PSB-Serie als auch die ELR-Lasten bieten echte Autoranging-Funktionen. Ein Ausgang mit konstanter Leistungscharakteristik ermöglicht bei den PSB-Versorgungen einen größeren Bereich von Spannung und Strom mit einem Gerät. So können die PSB-Stromversorgungen Bereiche von 0-60 V bis 0-2000 V darstellen und Stromausgänge bis zu 1000 A bei 30 V mit einer 30kW-Versorgung. In ähnlicher Weise nehmen die ELR-Lasten bis zu 2000 V oder 1000 A mit der 30 kW-Last auf. Stromversorgungen und Lasten mit Autoranging stellen den Nutzern einen größeren Spannungs- und Strombereich zur Verfügung, ohne dass die Geräte überdimensioniert werden müssen. Die Vorteile: Für den Einsatz in verschiedenen Prüfanwendungen bietet ein einziges Gerät einen größeren Bereich an Prüfanwendungen und Vielseitigkeit. Mit den PSB-Stromversorgungen und ELR-Lasten von EA sparen Anwender Anschaffungs- und Prüfkosten sowie Bauraum im Vergleich zu anderen Geräten.

Energierückgewinnung spart Kosten

Die Stromversorgungen der PSB-Serie weisen einen weiteren überzeugenden Vorteil auf: Als 2-Quadranten-Geräte fungieren sie sowohl als Quelle als auch als Last. Als Last sind sowohl die PSB-Netzteile als auch die ELR-Lasten regenerative Lasten und können die aufgenommene Leistung mit einem Wirkungsgrad von mehr als 96 % ins Netz zurückführen. Das reduziert den Kühlbedarf am Gerät erheblich. Durch den geringeren Kühlbedarf sind die Geräte bei gegebener Leistung kleiner, benötigen weniger Platz und reduzieren den Stromverbrauch und damit die Kosten. Auch das Lüftergeräusch ist deutlich reduziert, die Geräte sind leiser. Bei hohen Leistungslasten, wie beispielsweise bei kW-Lasten, zahlt sich die regenerative Energierückgewinnung dreifach aus – durch erhebliche Einsparungen bei den Versorgungsunternehmen, weniger Platzbedarf durch kleinere Geräte und eine längere Lebensdauer der Geräte durch thermisch weniger belastete Komponenten.

Komplettes Portfolio an Schnittstellen für automatisierte Tests

Standardmäßig verfügen die Geräte der PSB-Serie und die ELR-Lasten über USB- und Ethernet-Schnittstellen. Darüber hinaus ermöglichen eine Reihe von optionalen Schnittstellen die Steuerung eines PCs oder einer programmierbaren Steuerung. Einige der optionalen Schnittstellen umfassen RS-232, Profibus, CAN-Bus und ModBus. Mit der CAN-Schnittstelle lassen sich die Geräte an ein Kfz-Steuerungssystem anschließen.

Vereinfachte manuelle Bedienung

Die PSB-Stromversorgungen und die ELR-Last zeigen in einem mehrfarbigen Touchscreen-Display mit nur zwei Bedienknöpfen alle programmierten und gemessenen Werte an. Die Bedienungsanleitungen stehen in verschiedenen Sprachen zur Verfügung: Englisch, Spanisch, Französisch, Deutsch, Chinesisch und Russisch. Da fällt die Einarbeitung leicht.

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