Lösungen für die Regulierung und Prüfung von Wasserstoff-Brennstoffzellen

Lösungen für die Regulierung und Prüfung von Wasserstoff-Brennstoffzellen

Wasserstoff-Brennstoffzellen sind eine saubere, umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Verbrennungsprozessen. Sie sind zwar sehr vielversprechend, aber die Regulierung der Brennstoffzellen ist von entscheidender Bedeutung, um die erforderliche Prozesseffizienz zu erreichen, damit sie sich als alternative Energiequelle wirklich durchsetzen können.

Eine präzise und anpassungsfähige Regulierung der Systemdrücke und des Massenstroms der Gasleitungen kann den entscheidenden Unterschied bei der Entwicklung eines effizienten Wasserstoff-Brennstoffzellensystems ausmachen. In diesem Artikel behandeln wir die verschiedenen Sensortechnologien in Brennstoffzellenanwendungen und erörtern, wie Massenfluss- und Druckgeräte zur Optimierung dieser Technologien eingesetzt werden.

Anwendung 1: Wasserstofferzeugung – Prüfung und Regelung von Elektrolyseursystemen

Abbildung 1. Verwendung von Alicat-Steuerungen für die Regelung und Prüfung der Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse

Die Elektrolyse ist eine vielversprechende Methode der grünen Wasserstofferzeugung, bei der Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden. Das derzeitige Elektrolyseverfahren birgt jedoch einige Herausforderungen, angefangen bei der schwankenden Stromzufuhr aus erneuerbaren Energiequellen bis hin zum ständigen Streben nach Kostensenkungen.

Die niedrigen Durchflussraten und hohen Wassertemperaturen, die bei der Elektrolyse verwendet werden, erschweren eine präzise Systemprüfung und -regelung. Der Einsatz von Massendurchflusstechniken, die einen geringen Durchfluss mit hoher Genauigkeit bei hohen Temperaturen messen, kann den Erfolg Ihres Prozesses sicherstellen. Coriolis-Massedurchflussmessgeräte sind in der Lage, Massedurchflussraten von bis zu 0,08 g/h bei Temperaturen von bis zu 70°C zu messen und zu regeln.

Um die Effizienz der Elektrolyse zu gewährleisten, ist auch eine schnelle und reaktionsschnelle Druckregelung erforderlich, um den Differenzdruck bzw. das Druckgleichgewicht zwischen Sauerstoff und Wasserstoff aufrechtzuerhalten. Je nach Umfang des Prozesses und der verwendeten Methoden kann dies durch Faktoren wie hohe Temperaturen, Drücke und Gasfeuchtigkeit etwas schwierig werden. Ein Gegendruckregler mit mehreren Öffnungen ist jedoch in der Lage, den Druck des Elektrolysesystems über einen weiten Bereich (10.000:1 Turndown) zu regeln und dabei unbeeinflusst von Feuchtigkeit zu bleiben.

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Anwendung 2: Prüfung von Wasserstoff-Brennstoffzellen

Schnelle und genaue Instrumente im gesamten Brennstoffzellensystem erleichtern die Durchführung von PEM-Brennstoffzellentests und -diagnosen, und die großen Turndown-Verhältnisse ermöglichen eine einfache Skalierung der Prozesse im Entwicklungsprozess.

Abbildung 2. Einsatz von Alicat-Lösungen für die Prüfung und Optimierung von Brennstoffzellensystemen

Die Regelung der Oxidationsmittel- und Reaktionsmittelverhältnisse und -verteilungen in den Gasdiffusionsschichten von Stacks ist der Schlüssel zur Aufrechterhaltung der Effizienz der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie, was eine zuverlässige und schnell reagierende Durchflussregelung zu einem unschätzbaren Vorteil für Brennstoffzellenprüfstände macht. Wenn die Prozessbedingungen hohe Drücke und niedrige Durchflussraten beinhalten, ist ein Coriolis-Massendurchflussregler eine zuverlässige, hochpräzise Option. Bei höheren Durchflussraten der Hauptleitungsein- und -ausgänge kann ein Differenzdruck-Massendurchflussregler verwendet werden, um sowohl den Druck als auch den Massendurchfluss gleichzeitig über einen großen Bereich von Durchflussraten zu überwachen. Es ist auch wichtig, den Gegendruck genau zu kontrollieren, was in Umgebungen mit hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit und Feuchtigkeit schwierig sein kann. Wie bei der Elektrolyse ist ein Gegendruckregler mit mehreren Öffnungen gut geeignet, um die idealen Reaktionsbedingungen in Brennstoffzellensystemen aufrechtzuerhalten, da er unter den meisten Prüfbedingungen eine Druckregulierung bis zu 0,0001 PSIG ermöglicht. Wir bieten auch Differenzdruck-Massedurchflussmesser aus Edelstahl an, die schnelle und genaue Massedurchflussmessungen liefern, die nicht durch Feuchtigkeit beeinträchtigt werden, die durch das Gerät fließt.

Eine weitere Herausforderung ist die Regulierung der Temperatur im Stack, um eine gleichmäßige Energieverteilung zu gewährleisten. Eine unsachgemäße Regulierung kann zu Effizienzverlusten und sogar zu Schäden an den Stackelementen führen. Diese Herausforderung wird mit zunehmender Anzahl von Zellen immer schwieriger. Der Einsatz von Differenzdruck-Massendurchflussreglern mit einer Reaktionszeit von <50 ms und einem Turndown-Verhältnis von 10.000:1 kann eine schnelle und stabile Temperaturregelung gewährleisten.

Die Befeuchtung ist ebenso wichtig, um eine effiziente Protonenleitfähigkeit in der Elektrolytschicht zu gewährleisten, da ein Überschuss oder ein Mangel an Wasser die Effizienz der Brennstoffzelle stark beeinträchtigen kann.

Anwendung 3: Brennstoffzellenprüfstände – Dichtheitsprüfungen und Membranpermeabilitätstests

Abbildung 3. Aufbau der Dichtheitsprüfung des Brennstoffzellensystems

Die Dichtheitsprüfung von Brennstoffzellensystemen – insbesondere die Dichtheits- und Durchlässigkeitsprüfung von Membranen – ist von entscheidender Bedeutung für die Gewährleistung gleichmäßiger Durchflussraten, die Aufrechterhaltung der Prozesseffizienz und die Minimierung des Verlusts von Reaktanten wie hochwertigen Schwermetallen in den Katalysatorschichten von Membran-Elektroden-Einheiten. Dies kann bei Brennstoffzellensystemen mit größerem Volumen eine besondere Herausforderung darstellen, da die Prüfung von mehrstufigen Prozessen zu Durchflussspitzen während des Prüfverfahrens führen kann.

Dichtheitsprüfstationen bestehen in der Regel aus zwei Komponenten. Die erste ist ein Druckregler mit zwei Ventilen, der alle 30 ms Messungen vornimmt und sicherstellt, dass das zu prüfende Element auf einem bestimmten Druck bleibt, während der He-Verbrauch minimiert wird. Die hochempfindliche PID-Abstimmung und die Sollwertrampenfunktion schützen die Membran vor Durchflussspitzen während der Prüfung. Dies wird mit einem Massendurchflussmesser mit geringem Druckabfall kombiniert, um auch die kleinsten Lecks zu identifizieren, mit einem Druckabfall von nur 0,07 PSID über die Einheit. Diese beiden Instrumente können von einem einzigen Computer/SPS mit einer Reihe von Kommunikationsprotokollen zur einfachen Automatisierung und Datenanalyse gesteuert werden.

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Anwendung 4: Wasserstoff-Brennstoffzellenregelung

Abbildung 4. Einsatz von Alicat Controllern zur Regelung und Überwachung von Brennstoffzellensystemen

Sobald die optimalen Gasverhältnisse, Durchflussraten, Drücke und Temperaturen festgelegt sind, können die Alicat-Lösungen zur Regelung und Überwachung Ihrer fertigen Brennstoffzellensysteme eingesetzt werden.

Druckregelungseinheiten können in Kombination mit externen Sensoren zur Druckregelung vor der Sensorposition eingesetzt werden. In Hochtemperatur- und Hochfeuchteleitungen können auch externe Sensoren und Ventile zur Druckregelung eingesetzt werden. Schnelle Ansprechzeiten und Turndown-Verhältnisse von bis zu 10.000:1 sorgen dafür, dass Druck- und Massendurchflussregler den Wasserstofffluss in Vorwärmsystemen präzise steuern und die Effizienz des Brennstoffzellensystems aufrechterhalten können. In der Zwischenzeit sorgt ein Gegendruckregler mit mehreren Öffnungen für die Aufrechterhaltung des Abgasausstoßes.

Lösungen für andere Bereiche der Brennstoffzellenforschung

Für die vielen anderen Prozesse und Tests, die in der Forschung und Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellensystemen erforderlich sind (z. B. Katalysatorverifizierung und Elektrodentests), haben wir eine Reihe von kundenspezifischen Lösungen für Massenfluss und Druck, die eine Vielzahl von Technologien verwenden.

Wenn Sie Fragen zu Lösungen für die Regelung und Prüfung von Wasserstoff-Brennstoffzellen haben, wenden Sie sich an unsere Anwendungsingenieure, um eine Lösung für Ihre Prozessanforderungen zu finden.