Brennstoffzellentests mit Massendurchflussreglern

Auf dem Weg zu einer energetischen Zukunft

Brennstoffzellen spielen eine wichtige Rolle in unserer Energiewende auf dem Weg zu einer energetischen Zukunft. Sie ermöglichen es, Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen wieder in Strom umzuwandeln. Die Massendurchflussregelung stellt bei der Entwicklung und Prüfung von Brennstoffzellen einen Schlüsselfaktor dar, weil Brennstoffzellen während der Prüfung in hohem Maße von Fluidparametern abhängig sind.

In diesem Blog erkläre ich, wie die Massendurchflussregelung zu dieser Entwicklung beiträgt, und konzentriere mich dabei auf die thermische Bypass-Technologie für Gase mit geringer Dichte.

Entwicklung von Brennstoffzellen

Bei einem neuen Brennstoffzellendesign kommt es auf zahlreiche Parameter an. Um das Design richtig zu überprüfen, muss man die Eigenschaften und die Anzahl der Parameter so genau wie möglich kennen. Eine wichtige Lektion, die ich durch eine knifflige Schulaufgabe gelernt habe, ist die, dass das Endergebnis niemals besser sein kann als die Genauigkeit bei der Kontrolle der Prüfungseingaben.

Prüffirmen von Brennstoffzellen, Universitäten und Hersteller von Brennstoffzellenprüfanlagen machen sich dieses Grundwissen zunutze, wenn sie unsere Durchflussregelungs- und messtechnologie einsetzen.

Warum ist die Massendurchflussregelung und Massendurchflussmessung wichtig?

Für diejenigen unter Ihnen, die sich nicht mit Brennstoffzellen auskennen, fange ich mit einigen Grundlagen an.
Beispielsweise sind PEM-(Polymerelektrolytmembran-)Brennstoffzellen neben anderen Brennstoffzellenarten davon abhängig, dass ein elektrochemischer Prozess abläuft. Deshalb kann sie nur dann elektrischen Strom liefern, wenn ihr die folgenden Fluide zugeführt werden:

Die Anode benötigt eine optimale Zufuhr von befeuchtetem Wasserstoff
Die Kathode benötigt eine optimale Zufuhr von befeuchtetem Sauerstoff oder befeuchteter Luft

Dazu bedient man sich vorzugsweise einer optimalen „Stöchiometrie“, die einen Schlüsselfaktor für die Brennstoffzelleneffizienz darstellt.

[Abbildung 2A] PEM, Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle

[Abbildung 2B] Leckagetest von Brennstoffzellenstacks

Der Wirkungsgrad der Brennstoffzellen hängt von der Zusammensetzung und der Menge des befeuchteten Wasserstoffs und der befeuchteten Luft, ihrer Strömungsgeschwindigkeit, den Druckverhältnissen und der Druckdifferenz zwischen den Membranen ab. Der Sweetspot (ideale Zustand) für eine optimale Leistung wird auch durch äußere Faktoren wie die erforderliche elektrische Last zusammen mit den Umgebungs- und Fluidtemperaturen beeinflusst.

Ein weiterer Faktor von Bedeutung ist das Brennstoffzellendesign selbst, mitsamt seinen zugehörigen Parametern wie Membrandicke, Elektrolyttyp, aktive Elektrodenoberfläche und Wirksamkeit der Gasdiffusionsschichten.

Massendurchflussregelung bei der Brennstoffzellenprüfung

Die nachfolgende Abbildung stellt eine beim Prüfaufbau übliche Anordnung von Massendurchflussreglern dar. Es zeigt, wo unsere Massendurchflussregler und Massendurchflussmesser eingesetzt werden können. Um es einfach auszudrücken: Die Durchflussmesser und Druckmessgeräte übernehmen die Hauptaufgaben im Zusammenhang mit der Flüssigkeits-, Gas- und Druckmessung, sowie der Regelung. Sie können die fluidtechnischen Abhängigkeiten und Wechselwirkungen deutlich erkennen.

[Abbildung 3] Der dargestellte Verdampfer (CEM) wird für geringe Durchflussmengen und niedrige Befeuchtungsstufen eingesetzt. Für höhere Durchflussmengen empfehlen wir Kaskadensysteme.

Gründe für den Einsatz einer Massendurchflussregelung

Das Ergebnis jeder Prüfung ist so gut wie die Summe der Genauigkeiten

Bitte beachten Sie, dass sämtliche Fluidregelungs- und -messungsabhängigkeiten immer gleichzeitig interagieren. Mit diesem Wissen können Sie verstehen, dass diese sowohl bei Einzellern als auch bei Brennstoffzellenstacks erheblichen Einfluss auf Funktions- und Belastungsprüfungen haben. Viele Prüfziele für Brennstoffzellen oder Brennstoffaufbereitungssysteme sind davon betroffen. Beispielsweise ist das der Fall bei der Bestimmung von Leistungsindikatoren und Charakterisierungen (gemäß der IEC 62282-Reihe oder anderen Normen). Die erzielte Genauigkeit der Einspeisesteuerung kann sich in hohem Maße auf Ihre systematische Ungenauigkeit auswirken.

Massendurchflussregler für hohe Durchflüsse

Abbildung 4: Massendurchflussregler für „hohe“ Durchflussmengen; für die Verwendung zu Prüfzwecken und für Hochleistungs- oder gewerblichen Einsatz

Das beste Mittel zur Regelung Ihrer brennstoffzellenspezifischen Durchfluss-, Druck- und Dichteverhältnisse sind Geräte auf der Grundlage einer thermischen Bypass-Massendurchfluss-Technologie. Ein auf diesem Prinzip beruhender Massendurchflussregler kann die flexibelste, genaueste und am häufigsten wiederholbare Fluidsteuerung erreichen, darunter:

Zuverlässige Regelung mit schneller bordgestützter (Direktventil) PID-Steuerung
Massenbasierte Sofortmessung (keine volumen- und druck- und temperaturbasierte Umrechnung in Masse)
Höhere systematische Genauigkeit der Fluidsteuerung und -messung
Flexiblere Mischungs- und Ratioeinspeiseregelung für H₂/N₂/H₂O and O₂/H₂O und andere Gase
Unabhängige Anoden- und Kathoden-Strömungsgeschwindigkeits- und Druckkontrolle
Bessere Unterstützung des Profilwechsels oder der Eigenschaftsänderung beim Lastwechsel, der Zyklierung der Lebensdauer, der Polarisierung, der Spülung usw.

Von Einzellern zu Großanlagen (hoher Durchfluss)

Bronkhorst kann Instrumente zur Unterstützung von Anlagen für eine Einzeller-Brennstoffzelle bis hin zu Stacks mit hunderten Kilowatt liefern. Unsere Produkte (wie die IN-FLOW „High-FLOW“ F-117DI-Reihe) werden für Prüfzwecke und für Hochleistungs- oder gewerblichen Einsatz verwendet, für den eine breitere Lastdynamik oder höchste Lebensdauer erforderlich ist.
Wir bieten Massendurchflussregler für OEM-Anwendungen, Laboranwendungen, sowie Industrieausführungen an. Schauen Sie sich unsere IN-FLOW „High-FLOW“-Reihe an. Falls mehrere gasförmige Brennstoffe zum Einsatz kommen, unterstützen die Produkte die On-Board Multifluidkonfiguration.

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Entwicklung und Prüfung von Brennstoffzellen durch Massendurchflussregelung

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