Brandstofceltests met massflowregeling

Op weg naar een energetische toekomst

Brandstofcellen spelen een belangrijke rol in onze energietransitie op weg naar een energetische toekomst. Met behulp van brandstofcellen kan waterstof uit duurzame energiebronnen weer worden omgezet in elektriciteit. Massflowregeling speelt een sleutelrol bij het ontwikkelen en testen van brandstofcellen, omdat deze in de testfase sterk afhankelijk zijn van fluïde parameters.

In deze blog leg ik uit hoe massflowregeling bijdraagt aan deze ontwikkeling, waarbij ik inga op de thermische by-pass flowtechnologie voor gassen met een lage dichtheid.

Ontwikkeling van brandstofcellen

Het ontwerp van een nieuwe brandstofcel hangt af van een groot aantal parameters. En om deze correct te testen, moeten de eigenschappen en het aantal gasparameters zo nauwkeurig mogelijk worden bepaald. Een belangrijke les die ik ooit uit een lastige schoolopdracht heb geleerd is dat het uiteindelijke testresultaat nooit beter is dan de nauwkeurigheid waarmee je invoer wordt gecontroleerd.

Testlaboratoria voor brandstofcellen, universiteiten en producenten van testapparatuur voor brandstofcellen passen deze basiskennis toe wanneer ze gebruikmaken van onze flowregelings- en meettechnologie.

Waarom zijn massflowregeling & -meting belangrijk?

Voor degenen die niet bekend zijn met brandstofcellen, leg ik eerst even de basisprincipes uit.
Voor brandstofcellen met een membraan van elektrolytisch polymeer (PEM-brandstofcellen) is het bijvoorbeeld net als voor andere soorten brandstofcellen nodig dat er een elektrochemisch proces plaatsvindt. Daarom kunnen ze alleen een elektrische stroom opwekken als de volgende media worden toegevoerd:

De anode heeft een optimale toevoer van bevochtigde waterstof nodig
De kathode heeft een optimale toevoer van bevochtigde zuurstof of lucht nodig

Dit gebeurt bij voorkeur met een optimale ‘stoichiometrie’, een doorslaggevende factor voor brandstofceleffectiviteit.
Lees hier meer over de rol van flowregeling bij waterstofproductie.

Brandstofcel met een membraan van elektrolytisch polymeer (PEM)

Lek testen van brandstofcel stacks

De effectiviteit van de brandstofcellen hangt af van de samenstelling van en hoeveelheid bevochtigde waterstof en lucht, hun flowsnelheid, de drukcondities en het drukverschil tussen membranen. De ideale combinatie voor optimale prestaties wordt ook beïnvloed door externe factoren, zoals de benodigde elektrische belasting en de omgevings- en mediumtemperatuur.

Ook het ontwerp van de brandstofcel zelf speelt een rol, evenals de bijbehorende parameters zoals de membraandikte, het type elektrolyt, het oppervlak van de actieve elektrode en de effectiviteit van de gasdiffusielagen.

Massflowregeling bij het testen van brandstofcellen

De onderstaande grafiek geeft een indicatie van massflowregelinstrumenten in testopstellingen. U kunt zien waar u onze massflowinstrumenten kunt inzetten. Eenvoudig gezegd komt het er op neer dat de flowmeters en drukinstrumenten de belangrijkste vloeistof-, gas- en drukmetingen en regelingsgerelateerde taken voor hun rekening nemen. U ziet duidelijk de afhankelijkheden en interacties tussen de vloeistoffen.

De afgebeelde verdamper (CEM) wordt gebruikt bij lage flows en een lage bevochtigingsgraad. Voor hogere flows adviseren we cascadesystemen.

Redenen om gebruik te maken van een massflowregeling

Het resultaat van een test is zo goed als de som van de nauwkeurigheden

Bedenk dat er bij vloeistofregeling en -metingen altijd tegelijkertijd interactie plaatsvindt tussen alle afhankelijkheden. Zij hebben dus begrijpelijkerwijs een grote invloed op functionele tests en stresstests van zowel enkele cellen als brandstofcelstacks. Dit heeft gevolgen voor een groot aantal testdoelen voor brandstofcellen of brandstofbehandelingssystemen, bijvoorbeeld bij de vaststelling van prestatie-indicatoren en karakteriseringen (conform IEC 62882- of andere normen). De gerealiseerde nauwkeurigheid van de inputtoevoerregeling kan uw systematische onzekerheid enorm beïnvloeden.

Massflowregelaars voor ‘hoge’ flows; voor testdoeleinden, toepassingen met een hoog vermogen en commercieel gebruik

De beste keuze voor de regeling van uw brandstofcelgerelateerde flow-, druk- en dichtheidsomstandigheden zijn apparaten die gebruikmaken van een thermische massflowmeettechnologie op basis van het bypass-principe. Met een massflowregelaar op basis van dit principe kunt u de meest flexibele, nauwkeurige en herhaalbare fluïderegeling bereiken, waaronder:

Betrouwbare regeling met snelle ingebouwde PID-regelaar (met direct regelventiel)
Directe op massa gebaseerde metingen (geen volume- en druk- en temperatuurgebaseerde omrekening naar massa)
Hogere systematische nauwkeurigheid voor fluïderegeling en -meting
Flexibelere toevoerregeling van mengsels en verhoudingen voor H₂/N₂/H₂O en O₂/H₂O en andere gassen
Onafhankelijke flowsnelheids- en drukregeling voor anode en kathode
Betere ondersteuning voor schakelen tussen profielen of verandering van eigenschappen bij verandering van belasting, toepassing van duurzaamheidscycli, polarisatie, spoeling enz.

Van enkele cellen naar grote opstellingen (hoge flow)

Bronkhorst kan instrumenten leveren voor opstellingen voor een enkele celstack tot stacks van honderden kilowatt. Onze producten (zoals de
IN-FLOW ‘High-FLOW’ F-117DI-serie) worden gebruikt voor testdoeleinden, toepassingen met een hoog vermogen of commercieel gebruik, waarvoor een bredere belastingdynamiek of de hoogste duurzaamheid vereist zijn.
Wij leveren massflowmeters en -regelaars voor OEM- en laboratoriumtoepassingen en industriële uitvoeringen. Bekijk onze IN-FLOW ‘High-FLOW’-serie. Bij gebruik van meerdere gasvormige brandstoffen ondersteunen onze producten een ingebouwde configuratie voor meerdere vloeistoffen.

Ontwikkelen en testen van brandstofcellen door massflowregeling

Op weg naar een energetische toekomst

Ontwikkeling van brandstofcellen

Waarom zijn massflowregeling & -meting belangrijk?

Massflowregeling bij het testen van brandstofcellen

Redenen om gebruik te maken van een massflowregeling

Het resultaat van een test is zo goed als de som van de nauwkeurigheden

Van enkele cellen naar grote opstellingen (hoge flow)

Wilt u meer informatie over ons productportfolio voor hernieuwbare energie?

Flow regeling bij waterstof productie

Berekening van flows en conversiefactoren voor flowmeters en kleppen

Wat is een thermische massflowmeter?