Systemlösungen für Wasserstoffversorgung und Wasserabscheidung

Brennstoffzellensysteme kommen im Vergleich zu anderen Energiewandlern, wie beispielsweise Verbrennungsmotoren, zwar mit sehr viel weniger Komponenten aus, aber auch sie benötigen Pumpen, Ventile sowie die dazugehörige Sensorik. So muss unter anderem eine exakte Wasserstoffdosierung, eine sichere Wasserstoffabsperrung sowie eine genaue Wasserabscheidung im Anodenkreislauf der Brennstoffzelle gewährleistet sein.

Der grundlegende Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle ist relativ einfach (s. Abb. 3). Sie besteht aus zwei Elektroden, die durch eine Membran getrennt sind. Auf der Anodenseite wird der Energieträger Wasserstoff als Brennstoff und auf der Kathodenseite Sauerstoff aus der Luft als Oxidator zugeführt. Die Membran selbst ist beidseitig mit Katalysatormaterial beschichtet. Dieses sorgt auf der Anodenseite dafür, dass vom Wasserstoffmolekül Elektronen abgespalten werden. Die Membran ist für die dabei entstehenden Protonen durchlässig, so dass sie hindurchdiffundieren und auf die Kathodenseite gelangen können, um dort mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasser reagieren zu können.

Die auf der Anodenseite abgespaltenen Elektronen wandern über einen geschlossenen elektrischen Stromkreis zur Kathode. 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 ermöglichen Wasserstoff-Brennstoffzellen, die statt Dieselaggregaten zum Einsatz kommen, die Verwendung CO₂-neutraler Energie.

Wasserstoff sicher dosieren
Damit PEM-Brennstoffzellen wie der HyStack^® 400 der Proton Motor Fuel Cell GmbH (s. Abb. 2) problemlos betrieben werden können, sind unter anderem Komponenten für die Wasserstoffversorgung und Wasserabscheidung erforderlich, die den fluidischen Anforderungen des Herstellers entsprechen und definierte Schnittstellen zum Brennstoffzellen-Stack-Modul aufweisen. Robert Baustädter (s. Abb. 1), Entwicklungsingenieur im Bereich Fuel Cell Engineering bei der Proton Motor, erklärte: „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 die Gasspülung und Wasserabscheidung sicherstellen.“ Erst dann können mehrere dieser Stacks (21,3 bis 49,7 kW) zusammengeschaltet werden und im HyShelter^® als schlüsselfertige Containerlösung an Kunden verkauft werden.

Abb. 2: Das HyStack^®-400-Modul von Proton Motor

Das bayerische Unternehmen entwickelte dafür gemeinsam mit Bürkert Fluid Control Systems, einem Experten für Fluidik-Lösungen, spezielle Komponenten, deren Materialien auf die speziellen Anforderungen dieser Einsatzbereiche abgestimmt sind und die Basis für unterschiedlichste Systemlösungen bilden. So wurden unter anderem sowohl für die Anodenversorgung als auch für die Wasserabscheidung kompakte Blöcke entwickelt, die mit Fluidik-Verschraubungen direkt an den Stacks angebracht werden und wenig Einbauplatz benötigen (s. Abb. 1). „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“, berichtete Robert Baustädter. Die Brennstoffzellen sind so selbst bei Minusgraden schnell betriebsbereit.

Regelventile im Anodenblock
Im Anodenblock übernimmt ein servogesteuertes Kolbenventil die Sicherheitsabsperrung bei der Wasserstoffversorgung. Ein integrierter Drucksensor überprüft dabei den Solldruck. Als redundante Sicherheitskomponente wurde zusätzlich ein Druckschalter verbaut. 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 hochbeständigem Epoxid umpresst.

Ein zweites Ventil – ein direktwirkendes Proportionalventil – übernimmt die Druckregelung für den Wasserstoff. Es ist mit seiner integrierten Absperrfunktion ebenfalls dichtschließend. Für den Einsatz in Brennstoffzellensystemen stehen zudem passende Einsteck(Cartridge)- und Flanschgehäuse sowie Magnetspulen mit Automotive-Stecker der Schutzart IP6K9K zur Verfügung.

Wasser und Wasserstoff abscheiden
In Brennstoffzellensystemen wird der in die Anode eingeleitete Wasserstoff nie ganz verbraucht. Durch den sogenannten Rezirkulationskreislauf wird der ungenutzte Wasserstoff nicht verschwendet, sondern erneut dem Stack zugeführt. Am Anodenausgang sorgt der Wasserabscheider mit zwei integrierten Ventilen zum einen dafür, den Spülvorgang des BZ-Systems zu ermöglichen, und zum anderen für die Abscheidung des bei der chemischen Reaktion im Stack entstandenen Wassers.

Bei den beiden direktwirkenden Hubankerventilen 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.

Robert Baustädter resümierte: „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 Ventilnennweiten.“

Geschäftsbetrieb von Proton Motor wurde heruntergefahren
Zum Redaktionsschluss war fraglich, wie es mit dem Puchheimer Unternehmen weitergeht. Wegen Finanzierungsproblemen wurden Ende 2024 Mitarbeitende entlassen und neue Investoren gesucht (s. HZwei-Heft Okt. 2024).

Abb. 3: Prinzipieller Aufbau einer Brennstoffzelle, Quelle: Bürkert Fluid Control Systems

Autoren: Sven Geitmann
Dominik Fröhlich, Jan Beranek, beide Bürkert Fluid Control Systems, Ingelfingen