Brennstoffzellensysteme
I. Schema eines Brennstoffzellensystems Ein Brennstoffzellenstack alleine ist erst einmal nicht
funktionsfähig. Vergleichbar ist das mit dem Verbrennungsmotor im Auto.
Auch hierfür ist neben dem eigentlichen Motorblock eine Vielzahl
zusätzlicher Komponenten für dessen Betrieb notwendig: Kraftstofftank,
Vergaser, Kühler, Ventilatoren, Ölfilter, Motorelektronik,
Frischluft-Drosselklappe, Abgassystem mit Katalysator, Getriebe und so
weiter. Erst in einem Brennstoffzellensystem (BZ-System, engl. fuel cell system oder fuel
cell power module FCPM) kann der Brennstoffzellenstack so betrieben
werden, dass am Ende elektrische und thermische Energie in nutzbarer
Form zur Verfügung stehen.
II. Komponenten und Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems
III. Wirkungsgrad eines Brennstoffzellenystems
I. Schema eines Brennstoffzellensystems
In diesem Schema sind alle wesentlichen Baugruppen eines Brennstoffzellensystems dargestellt.
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Dieser Abschnitt wird noch ergänzt!
Der Wirkungsgrad eines BZ-Systems ist ganz allgemein das Verhältnis
zwischen erzeugter und eingebrachter Energie:
η = erzeugte Energie / eingebrachte Energie Bei der weiteren Betrachtung muss der Begriff Wirkungsgrad weiter
unterschieden werden. Ein BZ-System erzeugt elektrische ("Strom") und
thermische ("Wärme") Energie. Beim Gesamt(system)wirkungsgrad entspricht
die erzeugte Energie die Summe aus elektrischer und thermischer Energie.
Beim elektrischen (System-)Wirkungsgrad wird bei der erzeugten Energie
nur der elektrische Anteil berücksichtigt, beim thermischen
(System-)Wirkungsgrad eben nur der thermische Anteil:
ηelektrisch =
erzeugte elektrische Energie / eingebracht Energie ηthermisch = erzeugte thermische
Energie / eingebracht Energie Der Gesamtwirkungsgrad ist die Summe aus elektrischem und thermischem
Wirkungsgrad:
ηgesamt = ηelektrisch +
ηthermisch Die eingebrachte Energie ist fast ausschließlich die chemische
Energie des Brennstoff (Wasserstoff, Erdgas, Methanol, ...), mit dem das
BZ-System betrieben wird. Wenn aber zum Beispiel ein stationäres
BZ-System an das elektrische Netz angeschlossen ist, muss auch der auf
diesem Weg erfolgende Energieeintrag berücksichtigt werden.
Der Betriebswirkungsgrad ηBetrieb
beschreibt, wie hoch die Verluste beim Betrieb eines BZ-Systems sind.
Dabei spielt der elektrische Eigenverbrauch der einzelnen Komponenten
eine entscheidende Rolle.
Vergleiche auch Wirkungsgrade von
BZ-Stacks.
Der Gesamtwirkungsgrad ηgesamt eines Systems
ist das Produkt aus den einzelnen Teilwirkungsgraden. Wenn ein BZ-Stack
mit einen elektrischen Wirkungsgrad von 50%, einem Faradaywirkungsgrad
(Umsatzwirkungsgrad) von 95% und einem Betriebswirkungsgrad von 80%
betrieben wird, so gilt für den elektrischen Gesamtwirkungsgrad des
BZ-Systems:
ηgesamt = ηStack,el ·
ηFaraday · ηBetrieb = 0,50 · 0,95 · 0,80 =
0,38 oder 38% Quellenangaben siehe Link-Seite.
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letzte Änderung: 24. Juli 2020, Dr. Alexander Kabza
III. Wirkungsgrad eines Brennstoffzellensystems