In der Entwicklung von Brennstoffzellen für Fahrzeuge spielt die präzise Druckmessung eine Schlüsselrolle. Nur mit hochwertigen Sensoren lassen sich Wirkungsgrad, Lebensdauer und Leistung optimieren.
Während Elektro- und Hybridfahrzeuge längst im Massenmarkt angekommen sind, steht die Wasserstoff-Brennstoffzelle noch am Anfang ihrer breiten Anwendung. Sie bietet jedoch das Potenzial, emissionsfreie Mobilität mit hoher Reichweite zu verbinden – vorausgesetzt, zentrale Herausforderungen wie Druckmanagement und Systemeffizienz werden gemeistert.
Wie funktioniert eine PEM-Brennstoffzelle?
Die sogenannte PEMBZ (Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle) erzeugt elektrische Energie durch die chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Die Basis bilden mehrere Hundert Einzelzellen, die zu einem Stack verbunden werden. Wasserstoff strömt zur Anode, Luft zur Kathode – da eine Zelle nur rund 1 Volt liefert, erhöht die Reihenschaltung die Spannung.
Bei Leistungen über 10 kW wird häufig mit erhöhtem Druck gearbeitet, um die Leistungsdichte zu steigern. Dies erfordert ein exaktes Druckmanagement – sowohl für Luftzufuhr als auch Wasserstoffeinlass – um den optimalen Betriebsbereich der Brennstoffzelle zu halten.
Abbildung: Schematischer Aufbau eines PEM-Brennstoffzellensystems. Quelle: James Larminie, Andrew Dicks, Fuel Cell Systems Explained
Aufladung mit Herausforderungen
Eine höhere Druckzufuhr führt zu besserer Leistungsausbeute – durch geringere Aktivierungsverluste an der Kathode (gemäss Nernst-Gleichung). Allerdings geht dies zulasten des Systemwirkungsgrads, da der Luftkompressor selbst Energie verbraucht – oft bis zu 20 % der Gesamtleistung.
Ein optimales Druckniveau muss also individuell auf Stackgrösse, Temperaturverhalten und den Wasserhaushalt abgestimmt sein. Hierfür sind präzise Druckmessdaten essenziell – sie bilden die Grundlage für Regelalgorithmen und Wirkungsgradberechnungen.
Druckmessung im Brennstoffzellensystem
Typische Betriebsbedingungen einer PEM-Brennstoffzelle liegen bei Temperaturen zwischen 50 und 90 °C und Drücken bis etwa 3 bar. Höhere Drücke steigern die Leistungsdichte, können aber auch thermische und wassertechnische Probleme verursachen. Für realitätsnahe Tests ist daher eine präzise Drucküberwachung erforderlich – besonders bei Prototypen und frühen Serienentwicklungen.
Sensoren wie der ATM.1ST von STS sind ideal geeignet, um unter diesen Bedingungen exakte Druckdaten zu liefern. Seine Vorteile:
- Hohe Genauigkeit bei niedrigen und mittleren Druckbereichen
- Stabile Messwerte bei erhöhten Temperaturen (bis 125 °C kompensiert)
- Robuste Bauweise für Prüfstände und H2-nahe Anwendungen
Datenbasis für Forschung und Auslegung
Die Druckmessung mit hochwertigen Sensoren erlaubt es, parasitäre Verluste zu erkennen, Leerlaufspannungen zu analysieren und Regelstrategien zu verfeinern. Nur mit diesen Werten lassen sich Brennstoffzellensysteme im Fahrzeugbetrieb effizient und dauerhaft betreiben.
Da viele Modelle noch auf Laborebene getestet werden, kommt der Druckmessung eine übergeordnete Rolle zu. Mit der Reife der Technologie und wachsender Marktreife werden diese Daten zukünftig in adaptive Steuerungssysteme einfliessen – und so die nächste Generation effizienter Wasserstofffahrzeuge ermöglichen.
Fazit
Die Zukunft der Mobilität ist auch eine Frage der Messtechnik. In der Brennstoffzellenentwicklung sind präzise Drucksensoren wie der ATM.1ST entscheidend, um die Leistung zu steigern, Verluste zu minimieren und die Lebensdauer der Zellen zu erhöhen – von der Laborphase bis zur Serienanwendung.
