Brennstoffzellenprüfung – Tipps und Tricks zur Instrumentierung
Damit sich Wasserstoff als skalierbare und erschwingliche alternative Energiequelle durchsetzen kann, müssen die Technologien effektiv optimiert und getestet werden. Im Folgenden werden Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz von Brennstoffzellen-Prüfaufbauten durch Optimierung des Einsatzes von Massenfluss- und Druckmessgeräten erörtert.
Tipp 1: Optimieren Sie die Stabilität der Flusskontrolle
Durch die gleichmäßige Regelung des Gasdurchflusses am Einlass werden Schwankungen in der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle vermieden, was die Anzahl der veränderlichen Variablen minimiert und die Prüfung vereinfacht. Dies ist so nützlich, dass in einigen Fällen die Fähigkeit eines Massendurchflussreglers (MFC), einen Sollwert zu halten, tatsächlich wichtiger ist als die Spezifikationen für Genauigkeit oder Wiederholbarkeit.
Regelventile genau spezifizieren
Eine Taktik zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Regelung des Massendurchflusses besteht darin, die Ventile genau festzulegen. Dabei muss ein Gleichgewicht zwischen Regelungsstabilität und Druckabfall gefunden werden. Ein großes Ventil erzeugt beispielsweise tendenziell einen geringeren Druckabfall als ein kleineres, restriktiveres Ventil – aber es führt auch zu einer geringeren Regelstabilität und Auflösung.
Ein richtig spezifiziertes Ventil muss groß genug sein, um den vollen Durchfluss zu erreichen, wenn es vollständig geöffnet ist, und klein genug, um die Auflösung bei niedrigen Durchflussraten beizubehalten. Eine praktische Faustregel ist, ein Ventil bei etwa 50-75 % der Kapazität zu verwenden, nur für den Fall, dass sich die Betriebsbedingungen ändern.
Verwendung desselben MFC für den Durchfluss von Wasserstoff und einem anderen Gas
Eine enge Ventilabstimmung kann bei Anwendungen problematisch sein, bei denen ein MFC für den Durchfluss mehrerer Gase, z. B. Wasserstoff und Luft oder Stickstoff, verwendet wird. In diesem Fall ist das Gas mit dem höheren Molekulargewicht möglicherweise nicht in der Lage, den erforderlichen Druckabfall zu liefern, um die vollen Durchflussraten zu erreichen. Dieses Problem muss gelöst werden, da der Auslass in der Regel direkt in das Brennstoffzellensystem mündet – und auch der Systemdruck muss genau kontrolliert werden.
Bei der Suche nach Regelgeräten, die für eine Vielzahl von Gasen und Bedingungen eingesetzt werden können, lohnt es sich oft, zugunsten der Vielseitigkeit auf eine enge Ventilabstimmung zu verzichten.
Tipp 2: Druck im Brennstoffzellensystem regulieren
Es ist von entscheidender Bedeutung, dass sowohl der Gaseinlassstrom als auch der Druck im Brennstoffzellensystem aufrechterhalten werden. Dies kann aufgrund der dynamischen Beziehung zwischen Durchfluss und Druck schwierig sein.
Alicat-Massendurchflussgeräte verfügen über integrierte Drucksensoren und können daher den Massendurchfluss regeln und gleichzeitig den Druck überwachen. Dies ist nützlich für Anlagen mit vorgeschalteten Ventilen, doch bestimmte Systeme erfordern stattdessen ein nachgeschaltetes Ventil. In diesen Fällen misst der Drucksensor den Druck des vorgeschalteten Versorgungsgases anstelle des Stapeldrucks der Brennstoffzelle.
Eine Lösung zur Aufrechterhaltung des Systemdrucks besteht darin, den Gasfluss am Eingang der Brennstoffzelle genau zu kontrollieren und den Gegendruck am Ausgang zu regulieren. Während dieses Prozesses ist es wichtig, die Geräteelektronik vor hohen Temperaturen und Feuchtigkeit zu schützen. Dies kann z. B. durch die Verwendung von Instrumenten und Sensoren aus rostfreiem Stahl oder durch den Einsatz von Ablassventilen erreicht werden, die an einem von der Elektronik entfernten Punkt in der Leitung angebracht werden können.
Mechanische Gegendruckregler mit Domdruck funktionieren auch unter Testbedingungen gut, insbesondere bei mehrphasigen Flüssigkeiten. Leistung und Regelauflösung können durch den Einsatz eines Alicat-Doppelventil-Druckreglers als pneumatisches Teilsystem zur Bereitstellung des Steuerdrucks erhöht werden.
Tipp 3: Sicherstellen der Kompatibilität mit hoher Luftfeuchtigkeit
Die Aufrechterhaltung der Gasfeuchtigkeit in einem Brennstoffzellenstapel gewährleistet eine gleichmäßige Stromerzeugung und hält das System gesund. Leider können Gase mit hoher Feuchtigkeit die Massendurchflusselektronik beschädigen und die Messgenauigkeit verringern. Aus diesem Grund werden Gasbefeuchtungssysteme in der Regel stromabwärts von MFCs am Einlass von Brennstoffzellen angebracht. Dies und die hohen Systemtemperaturen machen es besonders schwierig, den Massendurchfluss des Abgases zu messen.
Die Coriolis-Massendurchflusstechnik ist eine praktikable Lösung. Das ultimative Ziel ist jedoch, die Wasserstofftechnologie skalierbar und erschwinglich zu machen – und diese Geräte sind tendenziell teurer als andere Massendurchflusstechniken. Je nach Systemanforderungen kann ein preiswerteres Coriolis-Gerät mit geringerer Genauigkeit eine ideale Lösung sein.
Tipp 4: Vereinfachen Sie die Fehlersuche mit einfach zu bedienenden Instrumenten
Leicht ablesbare Bildschirme und lokale Bedienelemente an Durchfluss- und Druckmessgeräten vereinfachen die Fehlersuche und Optimierung. Die hintergrundbeleuchteten Bildschirme der Alicat-Standardgeräte ermöglichen die Kontrolle der Systeme in Echtzeit.
Bei der aktiven Verwaltung von Parametern ermöglichen die Ortssteuerungen, dass Änderungen wie die Sollwertregelung oder die Auswahl der Gaszusammensetzung schnell und einfach vor Ort an jedem Gerät vorgenommen werden können.
Tipp 5: Einfaches Testen von Gasgemischen
In den frühen Phasen der Prüfung von Wasserstoffsystemen ist es üblich, mit verschiedenen Gasgemischen zu experimentieren. Neben der Sicherstellung, dass die Ventile für den Durchfluss der erforderlichen Gase richtig spezifiziert sind, ist es auch von Vorteil, äußerst vielseitige Geräte zu verwenden. Die Geräte von Alicat sind so kalibriert, dass sie zuverlässig 98+ Gase (einschließlich benutzerdefinierter Gemische) durchströmen und daher problemlos für die Prüfung von Brennstoffzellen-Gasgemischen verwendet werden können. Darüber hinaus arbeiten sie im Bereich von 0,01 % bis 100 % des Skalenendwerts, was bedeutet, dass ein und dasselbe Gerät oft auch dann verwendet werden kann, wenn die Prozesse hochskaliert werden. Dies vereinfacht die Brennstoffzellensysteme und minimiert die Gesamtkosten.
Tipp 6: Leckagen verhindern
Wasserstoffgas ist teuer und birgt zahlreiche Sicherheitsrisiken, weshalb die Vermeidung von Leckagen von entscheidender Bedeutung ist. Die Proportionalventile von Steuergeräten stellen ein besonderes Risiko für Leckagen dar, vor allem, wenn kleine Moleküle wie Wasserstoff durchfließen. ASCO-Ventile sind eine gute Lösung, da sie über eine hervorragende Leckagespezifikation verfügen. Es kann auch von Vorteil sein, alle Massendurchfluss- und Druckmessgeräte einer Helium-Leckprüfung zu unterziehen, da dies die größtmögliche Sicherheit bietet, dass Ihre Geräte leckfrei sind.
Tipp 7: Minimierung des Platzbedarfs auf dem Prüfstand
Bei der Vergrößerung von Prüfständen kann es zu Platzproblemen kommen. Bei höheren Durchflüssen können thermische Einheiten lange, gerade Rohrstrecken erfordern. Im Gegensatz dazu kann die laminare Massendurchflusstechnik in jedem Rohrleitungslayout platziert werden, ohne dass lange, gerade Rohrleitungen erforderlich sind. Die Geräte von Alicat sind daher wertvoll, weil sie den Platzbedarf auf dem Prüfstand minimieren.
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