Bevochtiging van brandstofcellen

In de motor van uw auto reageert benzine direct met zuurstof uit de lucht om een verbranding te veroorzaken die uw auto in staat stelt te rijden. Dit is de conventionele manier. Chemische energie wordt omgezet in nuttige mechanische energie.

Een alternatief hiervoor is het genereren van energie op een indirecte manier; een schone en veelbelovende methode met behulp van een brandstofcel.
Zuurstof als oxidizer en waterstof als energiedrager, worden aan weerszijden van de brandstofcel toegevoerd. Op die manier wordt chemische energie van de gassen omgezet in elektrische energie, die een elektromotor aandrijft.

Brandstofcellen bestaan in wezen uit een stapel van twee elektroden met een elektrolytmembraan ertussen. Deze elektrolyt laat ionische soorten toe om flow te geleiden en te genereren. In een polymeer elektrolyt membraan brandstofcel - PEMFC – (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) moeten de elektrolyten in een gehydrateerde toestand zijn om een hoge ionische (proton) geleidbaarheid en dus optimale prestaties te behouden. Bevochtiging van een dergelijke brandstofcel is essentieel. Dit is een gebruikelijk proces dat wordt gebruikt voor automobieltoepassingen.

Voor testbanken in de automobielindustrie vroeg een Duits onderzoeksinstituut aan Bronkhorst's distributeur, Wagner Mess- und Regeltechnik, een oplossing om de reactanten waterstof en zuurstof te voorzien van een bepaalde relatieve vochtigheid.

Toepassingseisen

De gebruiker had een oplossing nodig om een nauwkeurige gasflow in te stellen en de gasflow bovendien gecontroleerd te bevochtigen naar elke kant van de brandstofcel. Omdat de rol van veel invoerparameters zoals gasflow, waterdampgehalte en type brandstofcel wordt onderzocht, is een breed scala aan gasflows nodig - ook kleine flows- en moet het werkingspunt snel worden veranderd.

Belangrijke thema's

Snelle verandering van werkingspunt
Constante bevochtiging mogelijk, zelfs bij kleine flows
Nauwkeurige regeling en meting van de media
Kwaliteitsborging door alle parameters

Proces oplossing

De Bronkhorst-oplossing bestaat in principe uit een temperatuur gecontroleerd mix- en verdampingsapparaat (CEM-systeem) dat wordt gebruikt om een gecontroleerde flow waterdamp te genereren, die naar de brandstofcel wordt toegevoerd. Waterstof en zuurstof (of lucht) fungeren als draaggas voor de waterdampflow. In dit CEM-systeem regelen EL-FLOW Select of EL-FLOW Prestige thermische massaflowregelaars de gasflows van waterstof, zuurstof/lucht, terwijl mini CORI-FLOW of LIQUI-FLOW vloeistofflowregelaars de waterflow verzorgen. De flows van deze instrumenten komen binnen in de CEM-unit waar het damp-/gasmengsel wordt gegenereerd.

Het doel van de R&D uitgevoerd in de testbanken van de brandstofcel is het optimaliseren van de afzonderlijke componenten (elektrolytmembraan, aantal stapels) en de procescondities van de brandstofcel. Waterstof-, zuurstof-, lucht- en waterflows - en hun verhoudingen - zijn ingangsparameters en de prestaties van de brandstofcel in de vorm van celspanning en -flow worden als uitgangsparameters gemeten.
Vragen die moeten worden beantwoord zijn bijvoorbeeld: wat gebeurt er als er te veel waterstof of lucht wordt toegevoegd, welke invloed heeft de vochtgraad, wat is de rol van de verschillende soorten membranen?

Flow schema

De gasflows van de EL-FLOW Select of EL-FLOW Prestige instrumenten zijn aangepast aan het specifieke gebruik. Een hoge nauwkeurigheid met een zo laag mogelijk drukverschil is vereist, en deze thermische gasflowmeters zijn hier geschikt voor. Wat de waterdamptoevoer betreft, kunnen we een zeer hoge regelstabiliteit genereren, die voornamelijk berust op de mengklep in de CEM.
In deze toepassing, voor single stack onderzoek, is het typische water flowbereik 100 tot 1000 gram per uur geleverd aan de brandstofcel, met bijpassende hoeveelheden zuurstof en waterstof draaggas zodat de relatieve luchtvochtigheid in het 5 tot 95% bereik ligt. Daarnaast is het technisch mogelijk om de waterflow tot 1 gram per uur te regelen.

Sommige brandstofcellen zullen uiteindelijk in de praktijk met een verhoogde druk en met een zo gering mogelijk drukverschil over het membraan worden bediend, dus met een gelijke druk aan beide zijden van de elektrode. De huidige opstelling voor single stack onderzoek is zodanig dat een drukbereik tot 100 bar mogelijk is - voor specifieke soorten membranen die beter zullen presteren bij hogere drukken. De absolute druk en het drukverschil worden gecontroleerd door Bronkhorst IN-PRESS instrumenten. Het Bronkhorst CEM systeem wordt meestal gebruikt voor nauwkeurige lage waterflows zoals gebruikt in single stacks, tot 1000 g/h water.

Met betrekking tot automatisering en communicatie zijn er voor massflowregelaars en verdampingssystemen verschillende regelbussystemen beschikbaar die in de meetopstelling zijn geïntegreerd: analoog signaal, Profibus, Flowbus en systemen zoals Profinet of EtherCat. LabVIEW wordt vaak gebruikt in deze onderzoeksomgevingen. Op deze manier zijn alle procesparameters direct beschikbaar, waardoor deze waarden beheersbaar zijn en een goede bewaking en kwaliteitsborging mogelijk is.

Door het werkingsprincipe kan het werkingspunt van het op CEM gebaseerde verdampingssysteem snel worden gewijzigd. Dit is een groot voordeel ten opzichte van traditionele bubblers, vooral bij hogere gasflows.

We hebben meer dan 20 jaar ervaring op het gebied van brandstofcellen. Als u advies nodig heeft over verdampingssystemen voor de bevochtiging van brandstofcellen, vraag het ons!