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Die Technologie der Brennstoffzelle ist in den heutigen Anwendungsgebieten noch neu und benötigt zu stetigen Verbesserung Prüfstände, mit denen Funktionsweisen und Betriebsstrategien getestet werden können. Jede der unterschiedlichen Technologien von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren benötigt dafür eine angepasste Prüfumgebung. Nachfolgend wird auf die verschiedenen Typen und deren Anwendungen eingegangen. Darüber hinaus informieren wir über Nutzung der Messsysteme von DiLiCo engineering im Rahmen von Prüfständen.
Was ist ein Prüfstand
Ein Prüfstand ist eine Vorrichtung, mit der Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren reproduzierbar auf ihre Eigenschaften getestet werden können. Diese sind mit umfangreicher Sensorik und elektrischen Steuerungen ausgestattet, um das Verhalten des untersuchten Messobjektes in einem breiten Spektrum abbilden und protokollieren zu können.
Aktuell werden im Wasserstoffbereich hauptsächlich Entwicklungsprüfstände eingesetzt. Diese benötigen viele und genaue Sensoren, um die Messobjekte Schritt für Schritt zu analysieren und zu optimieren, um damit z.B. höhere Leistungen bei gleichbleibender Ressourcenverwendung zu erzielen.
Prüfstände können auch für die Qualitäts- und Funktionsprüfung von in Serie gefertigten Produkten verwendet werden. Die Wasserstofftechnologien befinden sich aktuell im Übergang von der halbautomatisierten, hin zur vollautomatisierten Produktion. An diesem Punkt werden die Prüfstände für Qualitäts- und Funktionsprüfung genutzt. Je nach Anwendung des Prüfstandes ergeben sich unterschiedliche Ansprüche an die Sensorik und Messtechnik in den Prüfständen.
Anstehende Events mit DiLiCo
Bild: Die Sensorschicht des Messgerätes DiLiCo current density für baltic qCf integriegt in den Zellrahmen des baltic quickCONNECT fixture.
Pneumatischer Prüfstand
Bei Pneumatischen Prüfständen wird Druckluft zur Verrichtung mechanischer Arbeit genutzt. Für den Einsatz von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren gibt es einen, extra für diese Anwendungen ausgelegten, Teststand für eine Einzelzelle. Der Teststand qCf – quickCONNECT fixture wird von der Firma baltic FuelCells GmbH in Schwerin gefertigt und verkauft. Die Verwendung der Pneumatik im Teststand gewährleistet einen kontinuierlichen gleichmäßigen Anpressdruck. Somit ist die vollständige Reproduzierbarkeit der Testbedingungen gewährleistet. Dadurch können unterschiedliche Komponenten einer Zelle unter exakt den gleichen Testbedingungen geprüft und getestet werden. Der pneumatische Teststand ist in verschiedenen Versionen verfügbar und orientiert sich an der Größe der Zellfläche, Kühlung und Stromstärke der zu messenden Zellen. Folgende Varianten stehen zur Verfügung:
- qCf FC 25 für eine Zellfläche von 25 cm²
- qCf FC 50 für eine Zellfläche von 50 cm²
- qCf LC high AMP für Zellen mit sehr hohen Stromstärken und einer direkten Kühlung
Weitere Informationen zu den Testständen finden Sie auf der Seite der baltic FuelCells GmbH.
DiLiCo current density für die baltic quickCONNECT fixture
Für das spezielle Anwendungsgebiet des baltic Teststandes hat DiLiCo maßgeschneiderte Messtechnik entwickelt, die nur in der baltic qCf eingesetzt werden kann. Dafür wurde eine extra Produktreihe für das Messsystem DiLiCo current density entworfen, die sich auf die Bedürfnisse der Anwender anpasst. Die Produktreihe DiLiCo current density für baltic qCf. Durch dieses Messystem kann die Stromstärke und Temperaturverteilung in der Zelle gemessen werden und dient damit der genauen Charakterisierung der Elektrolysezelle oder Brennstoffzelle.
Des Weiteren kann die Produktreihe besonders hohe Stromstärken bis zu 6 A/cm² messen. Dies hat den Vorteil, dass bei immer höherer Leistung der Zelle und der somit einhergehenden steigenden Stromstärke, dass Messystem hervorragend für die Zukunft ausgelegt ist.
Bild: Pneumatischer Einzellerteststand der Firma baltic FuelCells GmbH aus Schwerin mit angeschlossener DiLiCo Messtechnik für 25 cm² Zellfläche.
Experimenteller Prüfstand für reversible Brennstoffzellen
Für den Forschungsbereich, besonders in der Grundlagenforschung, werden experimentelle Prüfstände verwendet. Diese sollen in erster Linie die grundlegende Funktionsfähigkeit des untersuchten Objektes überprüfen. Diese experimentellen Prüfstand sind hoch komplex, da viele verschiedene Parameter überwacht werden müssen.
Das Bild zeigt einen Prüfstand für eine reversible Brennstoffzelle. Diese kann sowohl aus Wasserstoff Strom erzeugen, als auch aus Wassser Wasserstoff. Sie vereint die Funktion eines Elektrolyseurs mit der einer Brennstoffzelle in einem Stack. Dies kann zukünftig erhebliche Vorteile bei der Skalierung solcher Systeme haben, da die Peripheriekomponenten nur auf einen Stack ausgelegt werden müssen.
Der Teststand wurde im Rahmen des Projektes RE-FLEX an der Universität Magdeburg aufgebaut und in Betrieb genommen. RE-FLEX steht als Akronym für "Unitäre reversible PEM-Brennstoffzelle für die flexible Energiespeicherung".
Bild: Experimenteller Prüfstand für reversible Brennstoffzellen. Aufgebaut von Philipp Kühne von DiLiCo und der inhouse engineering GmbH.
Bild: Blick in einen PEM-Teststand der Firma inhouse engineering GmbH aus Berlin.
Prüfstände unseres Partners inhouse engineering GmbH
Die Teststände unseres Partners inhouse engineering GmbH aus Berlin sind auf die Anwendung für die PEM-Technologie spezialisiert. Dabei können Teststände für Einzelzeller und für Stacks individuell auf die Bedürfnisse der Kunden angeboten werden. Des Weiteren kann bei den Testständen zwischen drei Temperaturstufen für die PEM Technologie gewählt werden:
- NT-PEM (Niedertemperatur 30 – 80°C)
- MT-PEM (Mitteltemperatur 30 – 120°C)
- HT-PEM (Hochtemperatur 120 – 180°C)
Weitere Informationen zu den Testständen, Service, Steuerung und Software finden Sie auf der Webseite der inhouse engineering GmbH.
DiLiCo Messtechnik für Prüfstände
DiLiCo hat es sich mit seiner Messtechnik im Bereich Einzelzellspannungsmessung zum Ziel gesetzt, schnell und genau die Messwerte an den zu messenden Objekten zu erfassen und zu übermitteln. Besonders bei Entwicklungsprüfständen ist eine sehr hohe Messauflösung wichtig. Genau dort setzen die Produktreihe DiLiCo cell voltage 48 und 96 an. Die Version zur Messung von 48 oder 96 Zellen sticht mit den Folgenden Vorteilen für den Einsatz in Prüfständen hervor:
- Sehr schnelles Messintervall
- Sehr hohe Messauflösung
- Geringste Messabweichung
Das Messgerät trägt zur Bewertung des gesamten Systems bei und gibt außerdem Aufschluss darüber, wie schnell einzelne Zellen degradieren.
Bild: Das schnelle und hochauflösende Messgerät DiLiCo cell voltage 48 zur Einzelzellspannungsmessung.
Bild: Das Messgerät DiLiCo current density zur Messung der Stromdichte- und Temperaturverteilung während der Entwicklung.
Darüber hinaus entwickelt und produziert DiLiCo nicht nur Messsysteme für die baltic qCf, sondern auch maßgeschneidert für andere Stackhersteller. Die Produktreihe DiLiCo current density bietet genau diese Lösungen, welche perfekt für den Einsatz in Forschungs- und Entwicklungstestständen ausgelegt ist. Durch den Einsatz der Stromdichte- und Temperaturverteilungsmessung ergeben sich für Ihren Prüfstandbetrieb folgende Vorteile:
- Erkenntnisse zur lokalen Alterung der Zelle
- Einblicke in die Gas- und Reaktionsverteilung
- Handlungsmöglichkeiten zur Steigerung der Effizienz
Durch den Einsatz der DiLiCo Messtechnik können die Prüfstände im Forschungs- und Entwicklungsbereich einen erheblichen Mehrwert aus den Erfahrungswerten für Betriebsstrategien und zur Optimierung der Gesamtsysteme generieren. Nehmen Sie gerne Kontakt mit uns auf und wir beraten Sie zu Ihrem Prüfstandvorhaben.
Wo werden Prüfstände eingesetzt?
Prüfstände für Brennstoffzellen und Elektrolyseure werden derzeit viel in den Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen eingesetzt. Dazu zählen beispielsweise die Fraunhofer Institute, Universitäten und Hochschulen oder die Forschungs- und Entwicklungsabteilungen der Automobilhersteller und -zulieferer. Zukünftig werden, auf Grund der weiten Verbreitung von Wasserstoff in verschiedenen Sektoren, viele weitere Anwender hinzukommen.
Welche Typen von Prüfständen gibt es?
Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene Typen von Prüfständen. Der Entwicklungsprüfstand für Entwicklungsarbeiten von beispielsweise Brennstoffzellensystemen, Brennstoffzellenstapel und auch Komponenten der Peripherie und Prüfstände für die Qualitätskontrolle und Inbetriebnahme Tests.
Bei Brennstoffzellen und Elektrolyseuren gibt es sehr unterschiedliche Technologien, die jeweils unterschiedliche Rahmenbedingung hinsichtlich Betriebstemperatur, Elektrolyt oder Brennstoff haben. Dies erfordert auch unterschiedliche Arten von Prüfständen. Teststände unterscheiden sich auch darin, ob ein gesamter Stapel oder nur eine einzelne Zelle getestet werden soll. Teststände für einzelne Zellen sind meist wesentlich kleiner und kompakter. Der Einsatz von Wasserstoff in den Prüfsystemen stellt weitere hohe sicherheitstechnische Anforderungen an die Prüfvorrichtungen.
Prüfstände für Brennstoffzellen
Je nach Technologie der Brennstoffzellen werden unterschiedliche Anforderungen an die Funktionalität und Komponenten eines Brennstoffzellenprüfstands gesetzt. Es kann zwischen einem Teststand für Hochtemperatur-Brennstoffzellen und einem Teststand für Niedertemperatur-Brennstoffzellen unterschieden werden.
Besonders die Prüfstände für Hochtemperaturbrennstoffzellen wie die Festoxid (SOFC) Brennstoffzelle, die bei Temperaturen von bis zu 600 °C arbeitet, haben einen sehr speziellen Anspruch an die Robustheit von Sensorik und Peripheriekomponenten. Darüber hinaus gibt es bei Brennstoffzellenstacks erhebliche Unterschiede bei der Größe, also der Anzahl der in Reihe geschalteten einzelnen Zellen. Dies hat Auswirkungen auf die anliegende Spannung und Stromstärke im Prüfsystem was wiederum Auswirkungen auf den Einsatz der Messtechnikfür die Einzelzellspannungsmessung im Prüfstand hat.
Prüfstand für Elektrolyseure
Die Elektrolyseurtechnologie unterteilt sich in verschiedene Arten von Elektrolyseuren. Je nachdem welche Art von Elektrolyseur getestet werden soll, ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an Sensorik und Steuerung des Teststandes. Besonders bei dem Aufbau der Elektrolysezelle gibt es große Unterschiede.
Die Teststände werden genau auf den Typ des Elektrolyseurs angepasst. Somit ist ein Wechsel zu einer anderen Technologie selten möglich. Um den Grad der Automation dennoch zu erhöhen, sind Prüfstandhersteller bemüht, mit verschiedenen Produkten möglichst viele Technologien abzudecken.