Die Zukunft auf dem Prüfstand: Welche Vorteile die Ausstattung von Brennstoffzellen-Prüfständen mit hochwertigen Komponenten aus einer Hand hat

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1 : Welche Vorteile die Ausstattung von Brennstoffzellen-Prüfständen mit hochwertigen Komponenten aus einer Hand hat White Paper Dezember 2009

2 : Welche Vorteile die Ausstattung von Brennstoffzellen-Prüfständen mit hochwertigen Komponenten aus einer Hand hat Thomas Sattler, Produktmanager Mass Flow Controller, Bürkert Fluid Control Systems Das Grundprinzip der Brennstoffzelle ist bestechend einfach, ihr Leistungsspektrum aber mehr als überzeugend: Brennstoffzellen sind hoch effizient, weitgehend schadstofffrei und nahezu geräuschlos. Doch bis zur Produktion bezahlbarer, serienreifer Brennstoffzellensysteme sind noch intensive Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen nötig. Prüfständen zur Analyse kompletter Brennstoffzellensysteme oder einzelner Komponenten wie Bipolarplatte oder MEA kommt dabei eine Schlüsselrolle zu. Bürkert Fluid Control Systems bietet für die Brennstoffzellenprüftechnik ein komplettes Programm hochwertiger Komponenten von Prozessventilen über Sensoren bis hin zu Mass und Liquid Flow Controllern. Die Brennstoffzellentechnologie ist heute einer der großen Hoffnungsträger bei der Suche nach alternativen und zukunftsweisenden Energieversorgungsund Antriebskonzepten. Die Grundidee, die direkte Umwandlung chemisch gespeicherter Energie z. B. der des Wasserstoffs in Elektrizität, fasziniert seit der Entdeckung des Prinzips der umgekehrten Elektrolyse durch Sir William Robert Grove im Jahr Mittlerweile werden Brennstoffzellen unterschiedlicher Bauarten erfolgreich in vielen Anwendungen eingesetzt. Die Einsatzbereiche reichen bei mobilen Anwendungen von Antrieblösungen für Autos, Busse oder Gabelstapler über den Einsatz als Strom- und Wärmeerzeuger in 2

3 Campingfahrzeugen und auf Booten bis hin zur APU (Auxiliary Power Unit) in Lkw, die ein Laufen des Motors im Stillstand überflüssig machen. Darüber hinaus werden Brennstoffzellen zukünftig als stationäre Systeme zur Strom- und Wärmeerzeugung, z. B. als kleines Blockheizkraftwerk in Einfamilienhäusern, oder als Notstromaggregate, beispielsweise für IT- oder Telekommunikationsinfrastrukturen, eingesetzt. Trotz erster praxisgerechter Anwendungen befindet sich die Brennstoffzellentechnologie auch heute noch im Entwicklungsstadium. Zu den Problemen, die für eine weitere Verbreitung und einen kostengünstigen Einsatz dieser Technologie gelöst werden müssen, zählen die teureren, nur begrenzt verfügbaren Abb. 1: Zellspannungsmessung zur Überprüfung eines Brennstoffzellenstacks Katalysatoren aus Platin oder Palladium oder eine möglichst umweltschonende Produktion des in der Natur nur gebunden vorkommenden Wasserstoffs durch Reformierung. Der Weg zur perfekten Brennstoffzelle ist größtenteils noch weit, der Durchbruch für die Technologie noch nicht erreicht. Den Bereichen Forschung und Entwicklung kommt in der Brennstofftechnologie entsprechend eine Schlüsselposition zu. Bereits auf dem Markt erhältlich sind Brennstoffzellensysteme im Leistungsbereich bis 300 Watt, die unter anderem in Campingfahrzeugen eingesetzt werden. Betrieben werden diese Systeme beispielsweise mit Flüssiggas als fossilem Brennstoff für das integrierte Reformersystem, das den Wasserstoff zum Betrieb der Brennstoffzelle erzeugt. Kurz vor der Markteinführung stehen zudem Brennstoffzellensysteme zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV). Betrieben mit Wasserstoff aus Flaschen, können sie die wartungsintensiven reinen Batterielösungen oder umweltbelastenden Dieselaggregate ersetzen, die heute die Notstromversorgung und damit die Ausfallsicherheit vieler Datenübertragungs- und Rechnersysteme garantieren. Besonders interessant sind diese Lösungen im Outdoor-Einsatz z. B. bei Mobilfunkstationen, Netzwerkverteilerknoten oder in der Verkehrstelematik. Im Bedarfsfall könnte eine Brennstoffzelle diese Verbraucher schon nach maximal 30 Sekunden netzunanhängig, umweltfreundlich und geräuschlos mit der erforderlichen Leistung versorgen. Batterien überbrücken dabei die Zeit, die die Brennstoffzelle zum Hochfahren benötigt. 3

4 Volle Kontrolle beim Prüfen und Optimieren Bei der Entwicklung und Optimierung von Brennstoffzellensystemen spielt die Überprüfung der Leistungsdaten einzelner Zellen, kompletter Stacks oder individueller Bauteile eine zentrale Rolle. Wie hoch und wie konstant ist die Gesamtspannung des Systems? Wie wirken sich Modifikationen einzelner Elemente wie BPP, MEA oder GDL (Gas Diffusion Layer) auf die Leistungsfähigkeit des Systems aus? Welche Druck- oder Temperaturbereiche ermöglichen einen optimalen Wirkungsgrad? Die Antworten auf diese und viele weitere Fragen liefern Prüfstände zur Analyse der Brennstoffzellensysteme unter streng kontrollierten Rahmenbedingungen. Zum Einsatz kommen dabei neben Brennstoffzellenprüfständen, die von spezialisierten Prüfstandbauern angeboten werden, nicht selten auch maßgeschneiderte Prüfstände, die die Hersteller kompletter Brennstoffzellensysteme oder einzelner Komponenten selbst geplant und gebaut haben. Bürkert Fluid Control Systems liefert dazu ein komplettes Angebot hochwertiger Komponenten zur Steuerung und Regelung der Prozessgase und Flüssigkeiten. In den Prüfständen sind dies vorrangig Wasserstoff, Sauerstoff, DI-Wasser, Kühlwasser, Erdgas, Reformatgas und Methanol. Für einen exakt definierten Durchfluss der Prozessgase sorgen Mass Flow Controller / Meter. Liquid Flow Controller / Meter übernehmen die Wasserdosierung zu den Befeuchtungseinheiten auf Anoden- und Kathodenseite oder die Methanoldosierung bei der Prüfung von DMFC-Systemen. Hinzu kommen kompakte Proportionalventile oder das Dreiwege-Magnetventil des Typs 330, Sensoren und Regler für Druck und Temperatur, magnetisch und luftgesteuerte Absperrventile sowie Durchflussmesser für Flüssigkeiten. Damit deckt Bürkert als einer von wenigen Anbietern die gesamte Prozesskette aus Messen, Steuern und Regeln in Brennstoffzellenprüfständen ab. Die Anforderungen, die der Einsatz in Prüfständen an die dort verbauten Steuerungs- und Regelungskomponenten stellt, unterscheiden sich deutlich vom Anforderungsprofil der in Serienfertigungen verwendeten Bauteile. Neben höchster Qualität für möglichst exakte und reproduzierbare Ergebnisse spielen dabei Aspekte wie eine universelle Einsetzbarkeit eine wesentliche Rolle. So lässt sich z. B. das 3-Wege-Absperrventil des Typs 330 von Bürkert (Abb. 2), dessen Aktuator vom Mediumskanal getrennt ist, an einer Leitung im Prüfstand nacheinander für Luft und unterschiedliche Gase verwenden. Das Ventil ist für flüssige, gasförmige und aggressive Medien gleichermaßen geeignet und als hochwertige Ausführung allen Anforderungen des Prüfstandbetriebs gewachsen. Abb. 2: 3-Wege-Absperrventil des Typs 330 4

5 Proportionalventile sind bei Bürkert sowohl mit sehr kleinen Nennweiten (Typ 2822) oder großen Nennweiten (Typ 2835 oder 6024) als Standardprodukt verfügbar. Diese Proportionalventile überzeugen bei einfachem Aufbau durch ihre Ansprechempfindlichkeit und den Stellbereich. Als Stellventile in der Prüftechnik sind diese Ventile somit eine ideale Lösung für alle Regelaufgaben bezüglich Druck, Durchfluss und Temperatur. Gas nach Maß: Bürkert Mass Flow Controller Für die dosierte Zuführung der Prozessgase auf Anoden- und Kathodenseite sorgen im Prüfstand Mass Flow Controller wie der MFC Typ 8711 (Abb. 3). Sind größere Durchflussmengen gefordert, stehen im Programm weitere Typen bis hin zum MFC Typ 8626 mit einem Endwertebereich von bis zu ln/min zur Verfügung. Das Leistungsspektrum des MFC 8711 prädestiniert ihn für den Einsatz in Prüfständen für die Brennstoffzellentechnik. Der Mass Flow Controller arbeitet mit einem Sensor auf Siliziumchipbasis, der sich direkt im Bypasskanal befindet. Die Messung direkt im Gas ermöglicht eine sehr schnelle Reaktionszeit: Die Ausregelzeit liegt bei 300 ms, unabhängig vom Sollwertsprung. Dank neuer, optimierter Strömungsteiler arbeitet der MFC 8711 mit einer Messspanne von 1:100 und kann für Wasserstoff bis 500 ln/min eingesetzt werden. Da Abb. 3: Mass Flow Controller wie der MFC 8711 die Strömung im Gerät selbst aufbereitet wird, kann der Aufbau sehr kompakt erfolgen Ein- und Auslaufstrecken zur Strömungsbereinigung sind nicht mehr notwendig. Der Massendurchfluss kann mit höchster Präzision und Wiederholgenauigkeit unabhängig von Druck- und Temperaturschwankungen oder anderen Veränderungen im Prüfstand auf einem festen Wert gehalten oder einem vorgegebenen Sollwertprofil nachgefahren werden. Durch eine integrierte Autotune-Funktion kann der Stellbereich des Controllers bei Prozessänderungen optimiert werden. Darüber hinaus kann der MFC 8711 auf zwei verschiedene Gase kalibriert werden, zwischen denen der Benutzer umschalten kann ein weiteres Plus an Flexibilität für den Einsatz in Prüfständen. Ein optionales Feldbus-Interface sorgt für die problemlose Kommunikation mit übergeordneten Steuerungs- und Analyseprogrammen. 5

6 Liquid Flow Controller dosieren Wasser zur Gasbefeuchtung Zu den Besonderheiten des Prüfstandbetriebs von Brennstoffzellen zählt die Notwendigkeit, die Prozessgase auf Anoden- und Kathodenseite zu befeuchten. Dies geschieht im Prüfstand über Verdampfer, die kontrolliert und dosiert mit Wasser versorgt werden müssen. Als ideale Lösung für diese Aufgabe bietet sich der Liquid Flow Controller (LFC) von Bürkert an, der Flüssigkeiten im Endwertebereich von ml pro Minute bei einer Messspanne von 1:10 misst und dosiert. Der LFC vereint Sensor, Regelelektronik und Stellglied in einem einzigen, kompakten Gerät. Er arbeitet mit einem optimierten Differenzdruckverfahren ohne bewegte Teile im Medium, das präzise und schnell reproduzierbare Durchflusswerte liefert. Zu Analysezwecken können Prozessdaten Abb. 4: Mögliche Systemlösung zum Einsatz in Brennstoffzellenprüfständen durch einen analogen oder digitalen Istwert lückenlos dokumentiert werden. Ein integrierter Totalizer ermöglicht zudem Verbrauchsanalysen ohne zusätzlichen Aufwand. Beide Features sind gerade beim Einsatz in Prüfständen von besonderem Wert. Messen, Steuern und Regeln aus einer Hand Magnetventile, Durchflusssensoren, Drucksensoren, Proportional- und Prozessventile sowie hochpräzise Mass und Liquid Flow Controller: Bürkert Fluid Control Systems bietet für die gesamte Prozesskette in Brennstoffzellenprüfständen überzeugende Standardlösungen aus einer Hand. Darüber hinaus entwickeln in insgesamt fünf Systemhäusern in Deutschland, Nordamerika und China hoch qualifizierte Projektteams kundenspezifische Systemlösungen vom Prototypen bis zur Serienreife auch für die Brennstoffzellentechnik. Dank umfassender Erfahrungen mit Materialien und Werkstoffen wie in der Kunststofftechnik, ist ein besonders kosteneffizientes Produktdesign dabei selbstverständlich. Dank des hohen Integrationsgrads vieler Bürkert- Komponenten, die z. B. Sensoren, Regelelektronik und Stellglieder in einem kompakten Gehäuse vereinen, können Gesamtsysteme wie Brennstoffzellenprüfstände in besonders schlankem Design ausgeführt werden. Aber auch für die Serienfertigung finden sich im Bürkert Produktprogramm Komponenten, die für den Einsatz in der Brennstoffzellentechnik prädestiniert sind. Zertifizierte Module mit geringer Leistungsaufnahme, breitem Temperaturbereich, chemisch beständig und mit einem sehr guten Preis-Leistungs-Verhältnis. 6

7 Kontakt Können wir auch Ihnen unser Komplettprogramm für Brennstoffzellenprüfstände vorstellen oder haben Sie weitere Fragen? Dann kontaktieren Sie uns: Thomas Sattler Produktmanager Mass Flow Controller Bürkert Fluid Control Systems Bürkert Werke GmbH Am Flugplatz Egelsbach Telefon Telefax Website: 7