Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Der Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle ist relativ einfach (Bild 1). Sie besteht aus zwei Elektroden, die von einer Membran getrennt sind. Auf der Anode wird der Energieträger Wasserstoff als Brennstoff und auf der Kathode Sauerstoff aus der Luft als Oxidator zugeführt. Die Membran selbst ist beidseitig mit Katalysatoren beschichtet. Diese sorgen auf der Anode dafür, dass vom Wasserstoff-Molekül Elektronen abgespalten werden. Die Membran ist für die dabei entstehenden Protonen durchlässig. Diese bewegen sich auf die Kathode und reagieren dort mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasser. Bei der Reaktion werden die abgespaltenen Elektronen wieder benötigt. Diese wandern über einen geschlossenen elektrischen Stromkreis zur Kathode.

Bild 1: Prinzipieller Aufbau einer Brennstoffzelle (Quelle: Bürkert Fluid Control Systems)

Genutzt werden dabei die elektrische sowie die thermische Energie. In einem Fahrzeug lässt sich diese elektrische Energie dann zum Beispiel zum Laden einer Batterie oder direkt für den elektrischen Antrieb verwenden. Im stationären Bereich, etwa zur energieautarken Versorgung eines Hauses oder Gebäudekomplexes mit Strom und Wärme, sorgt die Brennstoffzelle für emissionsfreies Wohnen mit erneuerbaren Energien. Bei der Anwendung zur Absicherung von kritischen Infrastrukturen wie in Stellwerken oder Rechenzentren werden Wasserstoff-Brennstoffzellen statt Dieselaggregate eingesetzt und ermöglichen die Verwendung CO2-neutraler Energie.

Wasserstoff dank Fluidik exakt und sicher dosieren

Mit dem HyStack® 400 (Bild 2) hat die Proton Motor Fuel Cell GmbH kompakte Brennstoffzellen-Module entwickelt, die eine Leistung von 21,3 bis 49,7 kW abdecken und sich damit für eine Vielzahl von Anwendungen eignen. Im HyShelter® (Bild 3) sind die Brennstoffzellen-Module skalierbar zu einer hybriden, schlüsselfertigen Containerlösung arrangiert.

„Für die Wasserstoffversorgung und Wasserabscheidung der Module suchten wir eine validierte, integrationsfertige Systemlösung, die unseren fluidischen Anforderungen entspricht und definierte Schnittstellen zum Brennstoffzellen-Stackmodul hat“, berichtet Robert Baustädter, Fuel Cell Engineering bei der Proton Motor Fuel Cell GmbH. „Solche Systeme sind für die Funktion der Brennstoffzelle essenziell, weil sie am Anodeneingang die Zufuhr von Wasserstoff regeln und außerdem für die Sicherheitsabschaltung verantwortlich sind. Am Anodenausgang müssen sie Gasspülung und Wasserabscheidung sicherstellen.“

Bild 2: Die skalierbare Brennstoffzelle HyStack® 400 deckt Leistungen von 21,3 bis 49,7 kW ab und eignet sich damit für eine Vielzahl von Anwendungen. (Quelle: © Proton Motor)

Als kompetenter Partner für die Entwicklung der gesuchten Fluidik-Lösung erwies sich Bürkert Fluid Control Systems. Die Fluidik-Experten haben bereits viel Erfahrung in allen Wasserstoffbereichen, sowohl bei der Erzeugung als auch bei Verteilung und Nutzung; auch die Brennstoffzellen-Hersteller hatten in der Vergangenheit bereits bei früheren Projekten gute Erfahrungen mit der Bürkert-Ventiltechnik gemacht. Zum Produktportfolio gehören zahlreiche Fluidik-Komponenten, deren Materialien auf die speziellen Anforderungen dieser Einsatzbereiche abgestimmt sind und die Basis für unterschiedlichste Systemlösungen bilden.

Bild 3: Im HyShelter® sind die Brennstoffzellen-Systeme skalierbar zu hybriden, schlüsselfertigen und containerisierten Brennstoffzellen-Arrangements zusammengestellt. (Quelle: © Proton Motor)

In der beschriebenen Anwendung wurden für Anodenversorgung und Wasserabscheidung kompakte Blöcke entwickelt, die mit Fluidik-Verschraubungen direkt auf der Medienadapterplatte der Stacks angebracht werden und wenig Einbauplatz benötigen (Bild 4). „Die Medienadapterplatten, die wir von einem Partner im 3D-Druck fertigen lassen, sind dabei mehr als eine mechanische Schnittstelle. Sie sind ein multifunktionales Bauteil, das ebenfalls Druck und Temperatur der einzelnen Strecken überwacht und im Zusammenspiel mit dem übergeordneten System für die richtige Temperierung sorgt“, ergänzt Robert Baustädter. Die Brennstoffzellen sind so selbst bei Minusgraden schnell betriebsbereit.

Regelventile im Anodenblock

Im Anodenblock übernimmt ein Regelventil die Wasserstoffversorgung und ein Absperrventil die Sicherheitsabsperrung des Wasserstoffs. Ein integrierter Drucksensor überprüft den Solldruck. Als redundante Sicherheitskomponente wurde zusätzlich ein Druckschalter verbaut. Das Sicherheitsabsperrventil (Typ 6440) – ein servogesteuertes Kolbenventil – hat sich bereits in vielen anderen Wasserstoffanwendungen bewährt. Zur Erhöhung der Druck- und Leckagesicherheit sind Stopfen und Kernführungsrohr miteinander verschweißt. Formgebung und Oberflächenqualität des Gehäuses ermöglichen maximale Durchflusswerte. Die Spulen werden mit chemisch hoch beständigem Epoxid umpresst.

Das zweite Ventil (Typ 6020) – ein direktwirkendes Proportionalventil – übernimmt die Druckregelung für den Wasserstoff. Es ist mit seiner integrierten Absperrfunktion ebenfalls dichtschließend und ist bereits in vielen Wasserstoff- und Gasanwendungen im Einsatz. Für den Einsatz in Brennstoffzellen-Systemen stehen passende Einsteck- (Cartridge-) und Flanschgehäuse sowie Magnetspulen mit Automotive-Stecker der Schutzart IP6K9K zur Verfügung.

Wasser und Wasserstoff mit der richtigen Fluidik abscheiden

Bild 4: Für die Anodenversorgung und Wasserabscheidung wurden kompakte Systemblöcke entwickelt, die mit Fluidik-Verschraubungen direkt auf der Medienadapterplatte der Stacks angebracht werden. Quelle: © Proton Motor)

In Brennstoffzellen-Systemen wird der in die Anode eingeleitete Wasserstoff nie ganz verbraucht. Durch den sogenannten Rezirkulationskreislauf wird der ungenutzte Wasserstoff nicht verschwendet, sondern erneut dem Brennstoffzellen-Stack zugeführt. Am Anodenausgang sorgt der Wasserabscheider mit zwei integrierten Ventilen zum einen dafür, den Spülvorgang des Brennstoffzellen-Systems zu ermöglichen, zum anderen dafür, das bei der chemischen Reaktion im Brennstoffzellen-Stack entstandene Wasser abzuscheiden. Bei den beiden direktwirkenden Hubankerventilen (Typ 7011) sind zur Erhöhung der Druck- und Leckagesicherheit Stopfen und Kernführungsrohr miteinander verschweißt. Die Dichtwerkstoffe sind an die Anwendung angepasst. Denn die Ventile müssen nicht nur präzise und zuverlässig arbeiten, sondern auch auf den speziellen Einsatzbereich abgestimmt sein. Bei Wasserstoff beispielsweise dürfen die eingesetzten Werkstoffe nicht verspröden und beim Einsatz mit deionisiertem Wasser nicht korrodieren.

„Da sich die fluidische Systemlösung für Anodenversorgung und Wasserabscheidung an dem HyStack® 400 mittlerweile bewährt haben, werden wir auch zukünftig weiter eng mit Bürkert zusammenarbeiten“, resümiert Robert Baustädter. „Beim HyStack® 200 mit Leistungen von 4 bis 11 kW, der gerade entwickelt wird, sollen im Prinzip die gleichen Fluidiksysteme eingesetzt werden, nur mit kleineren Ventil-Nennweiten. Auch hier werden wir wieder vom Know-how der Fluidikexperten profitieren“.