Befeuchtung von Brennstoffzellen

Im Inneren des Motors Ihres Autos reagiert Benzin direkt mit dem Sauerstoff aus der Luft; der Verbrennungsvorgang liefert die Energie, die Ihr Fahrzeug antreibt. Dies ist der konventionelle Weg. Dabei wird chemische Energie in nutzbare mechanische Energie umgewandelt. Eine Alternative dazu ist die Verbrennung auf indirektem Wege: auf sauberere und vielversprechendere Art und Weise mit einer Brennstoffzelle. Sauerstoff und Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, werden jeweils einer Seite der Brennstoffzelle zugeführt, um im Inneren der Zelle elektrochemisch unter Bildung von Wasser zu reagieren.

Infolgedessen fließen Elektronen durch einen externen Stromkreis, der einen Elektromotor antreibt. Die chemische Energie aus dem Brennstoff wird also in elektrische Energie umgewandelt.

Brennstoffzellen bestehen im Wesentlichen aus einem Stack von zwei Elektroden mit einer Elektrolytmembran dazwischen. Diese Elektrolytmembran ermöglicht es Ionen, Energie zu leiten und zu erzeugen. In einer Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle - PEMFC - müssen die Elektrolyte in einem hydratisierten Zustand sein, um eine hohe Ionen- (Protonen-) Leitfähigkeit und damit eine optimale Leistung aufrechtzuerhalten. Die Befeuchtung einer solchen Brennstoffzelle ist unerlässlich. Dies ist ein typisches Verfahren, das bei Automobilanwendungen verwendet wird.

Ein deutsches Forschungsinstitut hat den Bronkhorst-Distributor Wagner Mess- und Regeltechnik nach einer Lösung gebeten, um die Reaktanten Wasserstoff und Sauerstoff mit einer bestimmten relativen Feuchte in Prüfständen in der Automobilindustrie zu versorgen.

Prozesslösung

Unsere Bronkhorst-Lösung besteht im Wesentlichen aus einem temperaturgesteuerten Verdampfersystem (CEM-System), der zur Erzeugung eines kontrollierten Wasserdampfstroms verwendet wird, der der Brennstoffzelle zugeführt wird. Der Brennstoff Wasserstoff und Sauerstoff (oder Luft) wirken als Trägergase für den Wasserdampfstrom. In diesem CEM-System steuern die thermischen Massendurchflussregler EL-FLOW Select oder EL-FLOW Prestige die Gas Durchflüsse von Wasserstoff, Sauerstoff/Luft, während die mini-CORI-FLOW- oder LIQUI-FLOW-Durchflussregler für Flüssigkeiten für den Wasserfluss sorgen. Die Durchflüsse dieser Instrumente gelangen in die CEM-Einheit, wo das Dampf-/Gasgemisch erzeugt wird.

Ziel der in den Brennstoffzellenprüfständen durchgeführten Forschung und Entwicklung ist die Optimierung der einzelnen Komponenten (Elektrolytmembran, Anzahl der Stacks) und der Prozessbedingungen der Brennstoffzelle. Wasserstoff-, Sauerstoff-, Luft- und Wasserdurchfluss - und ihre Verhältnisse - sind Eingangsparameter. Die Leistung der Brennstoffzelle in Form von Zellspannung und -strom wird als Ausgangsparameter gemessen. Fragen, die es zu beantworten gilt, sind z.B.: Was passiert, wenn Wasserstoff oder Luft im Überschuss zugegeben werden, welchen Einfluss hat der Feuchtigkeitsgrad und welche Rolle spielen die verschiedenen Membrantypen?