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Brennstoffzellen bestehen im Wesentlichen aus zwei Elektroden, die durch eine Elektrolytmembran getrennt werden. Diese einzelnen Zellen werden zu größeren Stacks gestapelt. Durch den Elektrolyten findet ein Ionentransport statt, welcher die Potentialunterscheide zwischen den Elektroden ermöglicht. In einer Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle - PEMFC - müssen die Elektrolyte in einem hydratisierten Zustand sein, um eine hohe Ionenleitfähigkeit oder auch Protonenleitfähigkeit und damit eine optimale Leistung aufrechtzuerhalten. Die Befeuchtung einer solchen Brennstoffzelle ist somit unerlässlich. Brennstoffzellen werden vermehrt in der Forschung zu alternativen Kraftstofflösungen in der Automobilindustrie eingesetzt.
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-Durchflussmengen erforderlich – einschließlich sehr geringer Durchflüsse – außerdem muss der Arbeitspunkt schnell geändert werden können.
Wichtige Aspekte
Wichtige Aspekte
Schneller Wechsel des Arbeitspunktes
Konstante Befeuchtung möglich, auch bei geringen Durchflüssen
Präzise Regelung und Messung der Medien
Qualitätssicherung durch alle Parameter
Die Lösung
Unsere Bronkhorst-Lösung besteht im Wesentlichen aus einem temperaturgesteuerten Verdampfersystem (CEM-System), das zur Erzeugung eines kontrollierten Wasserdampfstroms verwendet wird, der der Brennstoffzelle zugeführt wird. Der Brennstoff Wasserstoff und Sauerstoff (oder Luft) werden als Trägergase für den Wasserdampfstrom verwendet. 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 Forschung und Entwicklung ist die Optimierung der einzelnen Komponenten (Elektrolytmembran, Anzahl der Stacks) und der Prozessbedingungen der Brennstoffzelle. Wasserstoff-, Sauerstoff-, Luft- und Wasserdurchfluss sowie ihre Verhältnisse zueinander sind die Eingangsparameter. Die Leistung der Brennstoffzelle in Form von Zellspannung und -strom wird als Ausgangsparameter gemessen. Dabei stehen z.B. folgende Fragen im Zentrum des Forschungsinteresses: Was passiert, wenn Wasserstoff oder Luft im Überschuss zugegeben werden, welchen Einfluss hat der Feuchtigkeitsgrad und welche Rolle spielen die verschiedenen Membrantypen?
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. Daher 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 einzelne Stacks in der Forschung 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 bei erhöhtem Druck und mit einer möglichst geringen Druckdifferenz über der Membran, also mit identischem Druck auf beiden Elektrodenseiten, betrieben. Der derzeitige Aufbau ist für einzelne Stacks in der Forschung ausgelegt. Dabei ist ein Druckbereich bis zu 100 bar möglich, da bestimmte Membrantypen bei höherem Druck eine bessere Leistung erbringen. Der Absolutdruck und die Druckdifferenz werden mit IN-PRESS-Instrumenten von Bronkhorst kontrolliert. Das Bronkhorst CEM-System wird typischerweise für genaue, niedrige Wasserdampfmengen eingesetzt.
Hinsichtlich der Automatisierung und Kommunikation stehen für die Massendurchflussregler und die Verdampfungssysteme verschiedene Bussysteme zur Verfügung, die in den Messaufbau integriert sind: Analogsignale, PROFIBUS, FLOW-BUS sowie moderne Feldbusse wie PROFINET oder EtherCAT. LabVIEW wird in diesen Forschungsumgebungen häufig eingesetzt, wofür wir kostenlose Treiber zum Download zur Verfügung stellen. Auf diese Weise sind alle Prozessparameter sofort verfügbar und kontrollierbar, sodass eine gute Überwachung und Qualitätssicherung ermöglicht wird.
Aufgrund seines Funktionsprinzips kann der Arbeitspunkt des CEM-basierten Verdampfungssystems schnell geändert werden. Dies ist insbesondere bei höheren Gasdurchflussmengen ein großer Vorteil im Vergleich zu einer herkömmlichen Befeuchtung durch Dampfdrucksättigersysteme (Bubbler).
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.
„Dank des CEM-Systems von Bronkhorst konnten wir den Gasfluss und die Befeuchtung präzise steuern, was unsere Brennstoffzellenprüfstände erheblich optimierte. Die Flexibilität und die schnelle Anpassung der Parameter waren für unsere Forschung unerlässlich.“
Empfohlene Instrumente
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