Im HyShelter sind die Brennstoffzellen-Systeme skalierbar zu hybriden, schlüsselfertigen und containerisierten Brennstoffzellen-Arrangements zusammengestellt.

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

Ein konstruktiver Weg der Klimakrise zu begegnen und den CO2-Fußabdruck zu verbessern, ist der Einsatz von grünem Wasserstoff.

Brennstoffzellen-Systeme sind sowohl im stationären als auch im mobilen Einsatz eine ökologische und nachhaltige Lösung zur Energieversorgung. Zu ihrer zuverlässigen und sicheren Funktion tragen fluidische Komponenten bei. So sorgen funktionsintegrierte Systemlösungen – bestehend aus Ventilen und der dazugehörigen Sensorik – für die exakte Wasserstoffdosierung, eine sichere Wasserstoffabsperrung sowie für die genaue Wasserabscheidung im Anodenkreislauf der Brennstoffzelle. Diese Lösungen lassen sich ausgesprochen kompakt direkt an den Brennstoffzellen-Stacks montieren.

Innovationen für energetische Kreisläufe

Der Klimawandel ist eine der größten Herausforderungen für die Menschheit. Durch das Verbrennen fossiler, endlicher Rohstoffe heizt sich die Erde zusehends auf. Das macht die Energiewende unabdingbar. Das Pariser Klimaschutzabkommen von 2015 sieht vor, den globalen Temperaturanstieg auf möglichst 1,5 °C zu begrenzen. Doch grüne, meist volatile Energie muss auch gespeichert werden, beispielsweise in Form von Wasserstoff. Die Proton Motor Fuel Cell GmbH erkannte diese wichtige Bedeutung bereits früh. Schon seit 1998 übernimmt sie eine Vorreiterrolle in Sachen Entwicklung und Implementierung von CleanTech-Innovationen für eine energetische Kreislaufwirtschaft.

Heute ist das Unternehmen auf Wachstumskurs und bietet basierend auf emissionsfreien Wasserstoff-Brennstoffzellen ein breitgefächertes Produktportfolio an Energieversorgungssystemen für stationäre Lösungen sowie mobile, maritime und Bahnanwendungen.

Zitat

„Für die Wasserstoffversorgung und Wasserabscheidung der Module suchten wir eine validierte, integrationsfertige Systemlösung, die unseren fluidischen Anforderungen entspricht und definierte Schnittstellen zum Brennstoffzellen-Stack-Modul hat.“

Robert Baustädter, Fuel Cell Engineering bei Proton Motor Fuel Cell

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Der Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle ist relativ einfach. 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.

Genutzt werden dabei sowohl die elektrische als auch die thermische Energie. In einem Fahrzeug lässt sich in dem Zusammenhang diese elektrische Energie dann zum Beispiel zum Laden einer Batterie oder direkt für den elektrischen Antrieb verwenden.

Emissionsfreies Wohnen

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 beispielsweise in Stellwerken oder Rechenzentren werden Wasserstoff-Brennstoffzellen statt Dieselaggregate eingesetzt und ermöglichen auf diese Weise die Verwendung CO2-neutraler Energie.

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

Wasserstoff exakt und sicher dosieren

Mit dem HyStack 400 hat Proton Motor Fuel Cell kompakte Brennstoffzellen-Module entwickelt, die eine Leistung von 21,3 bis 49,7 Kilowatt abdecken und sich damit für eine Vielzahl von Anwendungen eignen. Im HyShelter 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. „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 sowohl Gasspülung als auch Wasserabscheidung sicherstellen.“

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

Medienadapterplatten aus dem 3D-Druck

Als kompetenter Partner für die Entwicklung der gesuchten Fluidik-Lösung erwies sich Bürkert Fluid Control Systems. Die Fluidikexperten 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. 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.

„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 auf diese Weise selbst bei Minusgraden schnell betriebsbereit.

Fabrik des Jahres

Logo Fabrik des Jahres
(Bild: SV Veranstaltungen)

Die Fabrik des Jahres zählt zu den renommiertesten Industrie-Wettbewerben in Europa. Auf dem gleichnamigen Kongress werden jedes Jahr die Gewinner geehrt. Der nächste Kongress wird am 18. und 19. März 2025 stattfinden.

 

Nutzen Sie Ihre Chance und melden Sie sich jetzt zum Wettbewerb an! Weitere Informationen zum Wettbewerb gibt es auf der Website der Fabrik des Jahres: Hier klicken!

 

Mehr zu den diesjährigen Siegerwerken lesen Sie hier!

 

Hören Sie sich auch die Podcast-Sonderfolge zur Fabrik des Jahres an. Johann Kraus von Rohde & Schwarz erklärt darin unter anderem, wie auch Ihr Werk gewinnen kann. Hier kommen Sie zu Industry Insights!

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 aktuell bereits in vielen Wasserstoff- und Gasanwendungen im Einsatz. Für den Einsatz in Brennstoffzellen-Systemen stehen die passenden Einsteck-(Cartridge-) und Flanschgehäuse sowie Magnetspulen mit Automotive-Stecker in der Schutzart IP6K9K zur Verfügung.

Wasser und Wasserstoff abscheiden

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 Kilowatt, 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.“

Über Bürkert und Proton Motor Fuel Cell

Proton Motor Fuel Cell ist Experte für klimaneutrale Energiegewinnung mit CleanTech-Innovationen und auf diesem Gebiet Spezialist für emissionsfreie Wasserstoff-Brennstoffzellen aus eigener Entwicklung und Herstellung. Der Produk­tionsfokus liegt auf stationären Anwendungen wie netzunabhängige, dezentrale Energieversorgungslösungen für Wohnprojekte und kritische Infrastrukturen. Die CO2-bilanzierten maßgeschneiderten oder Standard- und Hybridsysteme für B-to-B-Märkte kommen bei umweltfreundlichen Antriebskonzepten im automotiven, maritimen sowie im Schienen- und Bahnsegment zum Einsatz.

Bürkert Fluid Control Systems ist Hersteller von Mess-, Steuer- und Regelungssystemen für Flüssigkeiten und Gase. Die Lösungen von Bürkert kommen in den unterschiedlichsten Branchen und Anwendungen zum Einsatz – das Spektrum reicht von Brauereien und Laboren bis zur Medizin-, Bio- und Raumfahrttechnik.

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