Test von Brennstoffzellen-Stacks DC-Stromversorgung und regenerative Last bis 60 kW

Brennstoffzellen-Stacks erfordern präzise Testsysteme für hohe Ströme bei niedrigen Spannungen. Die DC-Stromversorgungen und regenerativen Lasten von EA Elektro-Automatik arbeiten mit Autoranging-Technologie von 0 bis 2.000 V und speisen 96 % der Testenergie zurück.

Die Wasserstoff-Brennstoffzelle entwickelt sich zu einem zentralen Baustein der klimaneutralen Energieversorgung. Ob in Flurförderzeugen, Bussen, Fernlastwagen oder Backup-Stromsystemen, Brennstoffzellen ermöglichen saubere Energie ohne CO₂-Emissionen und gewinnen seit Jahren weltweit an Bedeutung. Laut aktuellen Reports ist der weltweite Markt in den letzten Jahren durchschnittlich jährlich etwa 20 bis 25 % gestiegen.

Damit Brennstoffzellen sicher, effizient und langlebig arbeiten, sind präzise Testverfahren unerlässlich. Tektronix DC-Hochleistungsstromversorgungen und elektronischen Lasten der Marke EA Elektro-Automatik (EA) unterstützen dabei.

Der Brennstoffzellentest und die passende Testhardware

Brennstoffzellen-Stacks liefern hohe Ströme bei vergleichsweise niedrigen Spannungen. Für die Charakterisierung werden Polarisationskurven aufgenommen, Widerstände ermittelt und Dauerbelastungstests gefahren. Bei Automotive-Anwendungen muss ein Stack mindestens 5.000 Stunden, bei stationären Systemen mindestens 10.000 Stunden störungsfrei laufen. Prüfingenieure benötigen daher Geräte, die hohe Leistungen präzise aufnehmen, zurückspeisen und flexibel steuern können.

EA setzt auf DC-Stromversorgungen und regenerative DC-Lasten der 10000-Serie. Beide Gerätetypen können bis zu 60 kW pro Einheit verarbeiten und die aufgenommene Energie mit einem Wirkungsgrad von über 96 % ins Netz zurückspeisen. Dadurch sinken Energie- und Kühlkosten, was vor allem bei Langzeittests mit hoher Leistungsaufnahme entscheidend ist.

Die Geräte arbeiten mit echtem Autoranging. Mit der Technik kann man bei konstanter Leistung in einem breiten Spannungs- und Strombereich testen: von 0 bis 2.000 V und bis zu 1.000 A. So können unterschiedliche Zelltypen und Stackgrößen ohne Gerätewechsel geprüft werden, was Investitionskosten und Platzbedarf reduziert.

Integrierte Signalgeneratoren für flexible Prüfabläufe

Sowohl die Stromversorgungen als auch die regenerativen Lasten von EA verfügen über einen integrierten Arbiträr- und Funktionsgenerator. Damit lassen sich dynamische Lastprofile, Rampen oder Sinussignale ohne zusätzliche Hardware erzeugen. Prüfingenieure können so Widerstands- und Lebensdauertests automatisiert durchführen, etwa durch das Einspeisen definierter Stromimpulse oder Störsignale. Dies erleichtert sowohl die Erstcharakterisierung als auch beschleunigte Belastungstests.

Neben dem Test von realen Stacks ermöglichen die Netzteile auch die Simulation von Brennstoffzellen. Durch den variablen Ausgangswiderstand können typische Kennlinien nachgebildet und an Brennstoffzellen angeschlossene Geräte unter praxisnahen Bedingungen geprüft werden. Dies ist besonders wertvoll für Entwickler von Antriebs- und Versorgungssystemen, die ihre Komponenten schon vor Verfügbarkeit realer Brennstoffzellen validieren wollen.

Skalierbarkeit bis in den Megawattbereich

Für große Brennstoffzellen-Stacks lassen sich bis zu 64 Geräte parallel betreiben und Leistungen bis 3,84 MW testen. EA bietet damit eine Lösung, die von Laboranwendungen bis zu industriellen Hochleistungsprüfständen reicht.

Diese Skalierbarkeit geht einher mit einer durchdachten Bedienphilosophie: Die Geräte sind mit mehrfarbigen Touchscreens und der Software EA Power Control ausgestattet. Tests können ohne Programmierkenntnisse eingerichtet und über USB, Ethernet, CAN, Profibus oder ModBus automatisiert werden. Für Entwickler bedeutet das kürzere Rüstzeiten und reproduzierbare Ergebnisse.

Zuverlässigkeit und Validierung

Die präzisen Source Measure Units (SMU) von Tektronix sind ein zentrales Werkzeug, um Brennstoffzellen-Stacks zu charakterisieren. Sie ermöglichen hochauflösende I-V-Messungen an Elektroden und Membranen unter variablen Lastbedingungen und liefern damit die Datenbasis, um die Leitfähigkeit zu optimieren, Alterungsprozesse frühzeitig zu erkennen und Leistungsmodelle abzusichern. Ergänzend erfassen Tektronix-Oszilloskope schnelle transiente Vorgänge mit hoher Signaltreue und überwachen die Signalintegrität während des dynamischen Betriebs.

In Kombination stellt die Messtechnik die Genauigkeit und Detailtiefe bereit, die erforderlich sind, um eine stabile und effiziente Brennstoffzellenperformance auch unter wechselnden Betriebsbedingungen zuverlässig zu gewährleisten. Betriebsbedingungen zuverlässig zu gewährleisten.

EA-Systeme speisen die beim Bremsen von Brennstoffzellen-Stacks entstehende Energie ins Netz zurück. Das reduziert die Verlustleistung um bis zu 96 % gegenüber konventionellen Lasten. Die geringere Wärmeentwicklung ermöglicht kompaktere Bauformen und verringert die Anforderungen an die Kühlinfrastruktur.

Fazit: Testsysteme mit hoher Leistungsdichte

Die Charakterisierung von Brennstoffzellen-Stacks erfordert Testsysteme mit hoher Leistungsdichte, präziser Messtechnik und flexibler Skalierung. EA-Stromversorgungen und regenerative Lasten decken Leistungsbereiche von wenigen Watt bis in den Megawatt-Bereich ab. Die Source Measure Units und Oszilloskope von Tektronix liefern die notwendige Messgenauigkeit für I-V-Charakterisierung und transiente Analyse.

Diese Kombination ermöglicht sowohl die Einzelzell-Analyse im Labor als auch die Validierung kompletter Stack-Systeme unter realitätsnahen Betriebsbedingungen. Die Integration verschiedener Kommunikationsprotokolle erlaubt die Automatisierung komplexer Testsequenzen und die Erfassung reproduzierbarer Messdaten für die Brennstoffzellen-Entwicklung. (heh )

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* Martin Willems arbeitet seit vier Jahren im Produktmanagement und entwickelt Geräte bei EA Elektro-Automatik.

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