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Brennstoffzellen - Steuern der Energie der Zukunft

Strom Wasser erzeugen

Brennstoffzellen gelten als Energiequelle der Zukunft. Sie können eine umweltfreundliche Stromversorgung bereitstellen, indem sie Wasserstoff und Sauerstoff wieder miteinander verbinden, um Strom und Wasser zu erzeugen. Die Chemie klingt sehr einfach. Die Schaffung einer zuverlässigen, effizienten und sicheren Energiequelle erfordert jedoch ein beträchtliches Fachwissen, insbesondere in Bezug auf die Kontrolle der Flüssigkeiten und Gase, die an dieser aufregenden Technologie beteiligt sind.

Tony Brennan, Field Segment Manager Fluid & Micro bei Bürkert, erläutert den Prozess detaillierter, was zur Entwicklung und Verbreitung der Technologie erforderlich ist.

Die Brennstoffzellentechnologie gibt es seit 1839, als erstmals elektrochemische Energie durch die Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff mit Wasser als einzigem Nebenprodukt erzeugt wurde. Seitdem hat die Idee einige Nischenanwendungen gefunden (zum einen Weltraumforschung), wurde jedoch nicht in großem Maßstab kommerzialisiert. In den letzten Jahren hat der Markt jedoch mehrere unterschiedliche Designs angenommen, und die Hersteller arbeiten daran, die Nachfrage nach potenzieller „grüner Energie“ zu befriedigen.

Grundlagen erfassen

Brennstoffzellen wandeln elektrochemische Energie im Wesentlichen in Strom, Wärme und Wasser um. Sie machen dann einen sehr guten Vorschlag für KWK-Projekte; kann aber auch für den Einsatz in mobilen Anwendungen verkleinert werden. Jede Zelle enthält zwei Elektroden, die Anode und die Kathode sowie den Elektrolyten, der die beiden verbindet.

Wasserstoff in gasförmiger Form wird der Anode zugeführt, während der Kathode Sauerstoff zugeführt wird. Der Wasserstoff-Kraftstoff wandert durch den Elektrolyten und induziert eine positive und negative Ladung, die den elektrischen Strom erzeugt. Wenn es mit dem Sauerstoff kombiniert wird, bildet es Wasser, das abgeleitet werden muss.

Als Brennstoff muss das Wasserstoffgas nachgefüllt werden, und es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie dies erreicht werden kann. Zusammen mit der Art des Elektrolyten machen diese beiden Varianten die Unterschiede zwischen den fünf Haupttypen von Brennstoffzellen deutlich. Jeder hat seine Vorteile und Herausforderungen, aber alle erfordern ein hohes Maß an Steuerungsinfrastruktur, damit sie effizient und zuverlässig arbeiten können.

Wasserstoff wieder kombinieren Brennstoffzellen gelten als Energiequelle der Zukunft. Bereitstellung einer umweltfreundlichen Stromversorgung durch die Rückkoppelung von Wasserstoff und Sauerstoff zur Erzeugung von Strom und Wasser.

Gassteuerung

Eine genaue Gasregelung ist für die Anpassung der Brennstoffzelle an sich ändernde Lasten von wesentlicher Bedeutung. Dies hängt vom Verständnis der Wasserstoffquelle und einem ordnungsgemäß kalibrierten Messsystem ab. Brennstoffzellen, die mit wasserstoffreichem Gas betrieben werden, müssen einen geregelten Auslass für die Nichtwasserstoffkomponenten haben, da sonst die Stromerzeugung gestoppt wird.

Einige Arten von Brennstoffzellen erfordern, dass sowohl Sauerstoff als auch Wasserstoff mit Dampf gemischt werden, um die Protonenaustauschmembran feucht zu halten. Die benötigte Dampfmenge hängt von der Temperatur und Belastung der Brennstoffzelle ab, die auch die Durchflussmenge von Wasserstoff und Sauerstoff beeinflusst.

In Systemen, die mit unter Druck stehenden Gasen arbeiten, ist es wichtig, dass diese Drücke sorgfältig gesteuert werden, um eine Beschädigung der inneren Strukturen der Brennstoffzelle zu verhindern. Abhängig von der Art des Brennstoffs und der Größe der Brennstoffzelle können verschiedene Proportionalmagnete, Druckwandler und Steuerventile verwendet werden, um die erforderlichen Drücke innerhalb der Brennstoffzelle einzustellen und aufrechtzuerhalten.

Brennstoffzellentechnologie Brennstoffzellen gelten als Energiequelle der Zukunft. Bereitstellung einer umweltfreundlichen Stromversorgung durch die Rückkoppelung von Wasserstoff und Sauerstoff zur Erzeugung von Strom und Wasser.

Flüssigkeitskontrolle

Der zur Befeuchtung der Gase erforderliche Dampferzeugungsprozess benötigt einen Regelkreis für Reinstwasser sowie ein Ablassventil für das Kondensat. Ohne dies würde sich die Brennstoffzelle mit Wasser füllen und schließlich funktionsunfähig werden. In einigen Situationen kann das Wasserstoffgas durch einen Wasserquench geleitet werden, anstatt mit Dampf gemischt zu werden. In diesem Fall muss auch der Wasserstand sorgfältig kontrolliert werden.

Außerdem muss das durch die elektrochemische Reaktion entstehende Wasser abgelassen werden. Die größte Herausforderung in all diesen Situationen ist die Ätzwirkung von Reinstwasser. Daher müssen die Materialspezifikationen für Ventilkomponenten und Dichtungen sorgfältig abgewogen werden.

Brennstoffzellenentwicklung

Es wurden bereits einige großtechnische und spezielle Anwendungen für Brennstoffzellen etabliert, und die Technologie entwickelt sich stetig weiter. Der Fokus liegt nun auf kleineren, mobilen Arrangements, dem Aufbau eines Wasserstofftankstellennetzes und dessen Instandhaltungslogistik.

Ein Großteil der Forschung wird an Prüfstandsmodellen durchgeführt, bei denen die chemischen und physikalischen Umgebungen und Betriebsbedingungen der realen Anwendungen nachgebildet werden können. Diese Arbeit erfordert genau das gleiche Maß an Kontrolle über die Flüssigkeiten und Gase sowie die Möglichkeit, alle relevanten Daten für die Analyse aufzuzeichnen. In der Tat könnte argumentiert werden, dass die Kontrollebene umfassender sein sollte als in der realen Anwendung.

Bei der Herstellung von Gasmisch- und Dosiereinheiten, Durchflussregel- und Messgeräten sowie zusätzlichen Sicherheitsabsperrventilen greift Bürkert auf jahrzehntelange Erfahrung und Expertise zurück. Für diejenigen, die neue Technologien für Wasserstoffbrennstoffzellen entwickeln, sowohl für große als auch für kleine, wird die Fähigkeit, alle Parameter im Prozess genau und zuverlässig zu steuern und zu überwachen, sicherlich dazu beitragen, die von uns gesuchten sauberen Energielösungen zu erreichen.

Kirsty Anderson
Bürkert Fluid Control Systems
Fluid Control Centre, 1 Bridge End, Cirencester, Gloucestershire, GL7 1QY, Großbritannien
Tel: + 44 (0) 1285 648761 Fax: + 44 (0) 1285 648721
Web: www.burkert.co.uk
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Burkert Fluid Control Systems

Herstellung von Prozessanlagen. Einer der wenigen Hersteller, die Lösungen für den kompletten Regelkreis anbieten.

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