TheSys Ionen-Emissionsprüfstand zur Untersuchung von Brennstoffzellenkühlkreisläufen

Wasserstoff – Energieträger der Zukunft:

Egal ob Lastwagen, Zug, Flugzeug oder Schiff, der Wasserstoffbrennstoffzelle gehört die lokal emissionsfreie Zukunft. Überall dort, wo rein batterieelektrische Antriebe aus Gewichts- oder Reichweitengründen an Ihre Grenzen stoßen, bietet die Brennstoffzelle eine alternative Antriebstechnik.

 

Die Herausforderung: 

Brennstoffzellen für mobile Anwendungen haben einen maximalen elektrischen Wirkungsgrad von 30 – 50%. Die restliche Primärenergie wird in Wärme umgewandelt. Diese Wärme muss auf einem niedrigen Temperaturniveau von nur ca. 65°C über das Kühlmittel abgeführt werden. Zusätzlich zu den thermischen Problemstellungen stellen Brennstoffzellen auch besondere Ansprüche an das Kühlmittel und den Kühlkreislauf.

So müssen Kühlmittel für Brennstoffzellenanwendungen neben Frostschutz, Korrosionsschutz und Schmiereigenschaften eine extrem niedrige Leitfähigkeit aufweisen. Steigt die Leitfähigkeit an, so bildet das Kühlmittel einen elektrischen Kontakt über die Zellen des Brennstoffzellenstacks, wodurch es zu einem Kurzschluss kommen kann. Ein Kurzschluss im Stack führt zu erheblichen Wirkungsgrad- und Lebensdauereinbußen. Laut den Stackherstellern darf eine maximale Kühlmittelleitfähigkeit von 5 µS/cm nicht überschritten werden. Zum Vergleich, konventionelle Kühlmittel für Verbrennungsmotoren weisen eine ca. 1000fach höhere Leitfähigkeit auf.

 

Anforderungen an Kühlmittel und Kühlkreislauf:

Um eine maximale Kühlmittelleitfähigkeit unter 5 µS/cm für die gesamte Lebensdauer der Brennstoffzelle zu gewährleisten ist der zulässige Eintrag von Ionen durch die einzelnen Komponenten (z.B. Wärmeübertrager, Elastomere und Polymere) in den Kühlkreislauf extrem begrenzt. Erschwerend kommt hinzu, dass sich im Kreislauf die Einträge aller Kreislaufkomponenten auf kumulieren.

Für die Deionisierung von unvermeidbaren Ioneneinträgen wird im Kreislauf eine temperaturstabile Ionentauscherpatrone verbaut. Durch die richtige Auswahl von ionenemissionsarmen Kreislaufkomponenten können die Baugröße und damit die Kosten des Ionentauschers minimiert sowie die Austauschintervalle verlängert werden.

Zur Quantifizierung des Ioneneintrages der einzelnen Komponenten sind Versuche bei realitätsnahen Betriebsbedingungen im Kühlkreislauf erforderlich. Außerdem müssen vor einer Serienfreigabe die potentiellen Wechselwirkungen der Komponenten untereinander untersucht und bewertet werden.

 

Ionen-Emissionsprüfstand für Komponenten- und Kreislaufuntersuchungen:

Zur Durchführung dieser Untersuchungen hat TheSys einen dynamischen und temperierbaren Ionen-Emissionsprüfstand entwickelt. Im Kühlkreislauf können die Verläufe von Temperaturen und Durchflüssen realitätsnah abgebildet werden.

Aufgabe des Prüfstands ist es, Kreislaufkomponenten auf Ionenemission, Beständigkeit, Lebensdauer und auf ihre Wechselwirkungen mit anderen Komponenten hin zu untersuchen. Im Kreislauf können diverse Prüflinge wie z.B. Wärmeübertrager, Ionentauscher, Polymere oder Elastomere als Prototypen oder Serienkomponenten eingebaut werden. Außerdem können neue Kühlmittel für Brennstoffzellenkreisläufe untersucht werden.

Das Kühlmittel kann bei einstellbarer Durchflussmenge im Kreislauf zirkuliert und mittels eines Thermostaten auf bis zu 100°C erhitzt werden. Durch den ausschließlichen Einsatz von inerten Materialen kann ein Einfluss des Prüfstands auf die Versuchsergebnisse ausgeschlossen werden, von Seiten des Prüfstandes erfolgt kein Ioneneintrag. Während des Betriebs werden die Temperatur, die elektrische Leitfähigkeit und der Durchfluss gemessen und protokoliert. Anhand der elektrischen  Leitfähigkeit kann beispielsweise auf Ionenemissionen einzelner Komponenten bzw. auf eine Erschöpfung des Ionentauschers geschlossen werden. Auch Probenentnahmen während des Prüfstandbetriebs sind möglich. 

Der oben zu sehende Prüfstand ist bei Kunden von TheSys seit August 2020 erfolgreich im Einsatz.

Technische Daten des Ionen-Emissionsprüfstandes:

  • Fluidtemperatur: 20°C bis 100°C
  • Fluiddurchsatz: 1-13 l/min
  • Maximales Fluidvolumen: Etwa 12 Liter
  • Volumen der Ionentauscherpatronen: 2x750ml
  • Datenerfassung: 0,4 Hz
  • El. Anschlussleistung: 230V / 2,5 kW
  • Prüfstandsabmessungen (LxBxH): 1,4 m x 0,9m x 1,2m
  • Prüfstandsgewicht leer: Zirka 200kg

 

Der Ionen-Emissionsprüfstand ist inkl. CE-Zertifizierung und Dokumentation auf Anfrage von TheSys erhältlich. Individuelle Kundenwünsche und Sonderadaptionen können bei der Bestellung eines neuen Prüfstandes berücksichtigt werden.

Auf Wunsch übernimmt TheSys die Installation und Inbetriebnahme vor Ort und schult das Prüfstandspersonal. Alternativ kann der Prüfstand auch im TheSys-Kühlmittellabor im Kundenauftrag betrieben werden.