Bronkhorst
Applikationsbericht

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.

Brennstoffzelle in der Automobilindustrie

Anwendungsanforderungen

Der Anwender benötigte eine Lösung, um einen genauen Gas Durchfluss einzustellen und ihn zusätzlich auf jeder Seite der Brennstoffzelle kontrolliert zu befeuchten. Da die Rolle vieler Eingangsparameter wie Gas-Durchfluss, Wasserdampfgehalt und Art der Brennstoffzelle untersucht wird, ist ein breites Spektrum an Gas-Durchflüssen erforderlich - einschließlich sehr geringer Durchflüsse – außerdem muss der Arbeitspunkt schnell geändert werden können.

Wichtige Aspekte

  • Schneller Wechsel des Arbeitspunktes
  • Konstante Befeuchtung möglich, auch bei geringen Durchflüssen
  • Präzise Regelung und Messung der Medien
  • Qualitätssicherung durch alle Parameter


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?
 

Durchfluss Schema Befeuchtung einer Brennstoffzelle
Durchfluss Schema

Die Durchflüsse der EL-FLOW Select- oder EL-FLOW Prestige-Instrumente werden für den spezifischen Einsatz angepasst. Eine hohe Genauigkeit bei geringstmöglicher Druckdifferenz ist erforderlich. Genau deshalb ist es wichtig, dass sich diese thermischen Gasdurchflussmesser für diese Aufgabe eignen. Hinsichtlich der Wasserdampfzufuhr können wir eine sehr hohe Regelstabilität erzeugen, hierfür wird ein speziell entwickeltes Mischregelventil am Eingang des CEM eingesetzt.
Bei der Anwendung für die Einzelstackforschung liegt die typische Wassermenge, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, bei 100 bis 1000 Gramm pro Stunde. Hierbei sind die Mengen an Sauerstoff und Wasserstoff-Trägergas so aufeinander abgestimmt, dass die relative Luftfeuchtigkeit im Bereich von 5% bis 95 % liegt. Daneben ist auch die Kontrolle von Wassermengen bis zu 1 Gramm pro Stunde technisch möglich.

Einige Brennstoffzellen werden in der Praxis irgendwann bei erhöhten Drücken und mit einer möglichst geringen Druckdifferenz über der Membran, also mit gleichem Druck auf beiden Elektrodenseiten, betrieben. Der derzeitige Aufbau für die Einzelstackforschung ist so ausgelegt, dass ein Messbereich bis zu 100 bar für bestimmte Membrantypen, die bei höheren Drücken eine bessere Leistung erbringen, möglich ist. Der Absolutdruck und die Druckdifferenz werden mit IN-PRESS-Instrumenten von Bronkhorst kontrolliert. Das Bronkhorst CEM-System wird typischerweise für genaue, niedrige Wasserdurchflüsse, wie sie in Einzelstacks verwendet werden, bis zu 1000 g/h Wasser eingesetzt.

Hinsichtlich der Automatisierung und Kommunikation stehen für Massendurchflussregler und Verdampfungssysteme verschiedene Bussysteme zur Verfügung, die in den Messaufbau integriert sind: Analogsignal, PROFIBUS, FLOW-BUS sowie Systeme wie PROFINET oder EtherCAT. LabVIEW wird in diesen Forschungsumgebungen häufig eingesetzt. Auf diese Weise sind alle Prozessparameter sofort verfügbar, sodass diese Werte kontrollierbar sind und eine gute Überwachung und Qualitätssicherung ermöglichen.

Aufgrund seines Funktionsprinzips kann der Arbeitspunkt des CEM-basierten Verdampfungssystems schnell geändert werden. Dies ist ein großer Vorteil im Vergleich zu herkömmlichen Bubblern, insbesondere bei höheren Durchflüssen von Gas.

Bronkhorst verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung auf dem Gebiet der Brennstoffzellen. Wenn Sie Beratung zu Verdampfungssystemen für die Befeuchtung von Brennstoffzellen benötigen, fragen Sie uns gerne um Rat.

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Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle PEMFC


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