Auf Prüfständen von Antriebssträngen müssen Durchflussregler, Ventile und Co. 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.
Vor dem Serieneinsatz werden Brennstoffzellen-Systeme unter unterschiedlichsten Bedingungen und mit einer Vielzahl an Parametern getestet. Anhand der Prüfergebnisse lassen sich Leistung, Reichweite oder Lebensdauer der Brennstoffzellen-Stacks evaluieren und optimieren.
In Rüsselsheim hat die Segula Technologies GmbH nach der Übernahme grosser Teile des ehemaligen Opel-Entwicklungszentrums ihre Voraussetzungen geschaffen, um die Mobilität von morgen mitzugestalten. Die Ingenieure und Fachkräfte können hier als Dienstleister mit OEM-DNA komplette Fahrzeuge inklusive Antriebsstrang entwickeln, testen und zur Serienreife bringen. Für Hersteller von Brennstoffzellen sind sie heute ein kompetenter Ansprechpartner, da es in Rüsselsheim mittlerweile auch für Stacks massgeschneiderte Prüfeinrichtungen gibt. Das Verhalten dieser Brennstoffzellen-Stacks lässt sich hier sehr flexibel bei unterschiedlichen Rahmenbedingungen testen und evaluieren.
Flexible Testmöglichkeiten für die Stacks
Dr. Stephan Wagner, Lead Hydrogen Systems bei Segula, berichtet: «Wir konstruieren unsere Prüfstände für die Stacks selbst. So können wir sie hinsichtlich Leistung, Grösse und Skalierbarkeit perfekt auf die Erfordernisse unserer Kunden betreiben und bei den Testabläufen flexibel auf deren Wünsche reagieren. Ausserdem lassen sie sich gut in unsere vorhandene Betriebsstruktur einbinden, zu der insgesamt mehr als 50 Prüfstände gehören.» Das Resultat sind leistungsfähige Brennstoffzellen-Prüfstände, mit denen sich die Stacks und Systeme auf Herz und Nieren testen lassen. Die Anstrengungen für die Anpassung der Prüfstandstechnik sind derzeit gross, um den aktuellen Entwicklungen in der Wasserstofftechnik folgen zu können. Möglich sind beispielsweise Dauerläufe etwa für Degradationsuntersuchungen, Funktionstests sowie die Charakterisierung und Auslegung des Brennstoffzellensystems inklusive unterschiedlicher Betriebsarten.
Der Regelaufwand, der dahintersteckt, ist beachtlich: Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Spurengase, die zur Simulation von Umwelteinflüssen dienen, müssen zunächst konditioniert werden. Die jeweiligen Durchflussmengen auf den einzelnen Gasstrecken gilt es feinfühlig zu regeln. Dabei sind bestimmte Temperaturen und Feuchtegrade einzuhalten. Hinzu kommen Sicherheitsanforderungen. Bei einem Fehler beispielsweise lässt sich das komplette System mit Stickstoff fluten.
Im Prüfstand sind acht elektromagnetische Proportionalventile, acht elektromotorische Prozessregelventile, vier Massendurchflussregler (MFC) sowie zehn Füllstand-Schwimmerschalter von Bürkert in Betrieb. Durch den Einsatz von positionierbaren Stellventilen mit jeweils integrierter Absperrfunktion wird die Anlage flexibel für jeden Kundenwunsch. Dichtungen und Materialien der Ventilkörper sind auf die Betriebsbedingungen im Brennstoffzellen-Prüfstand ausgelegt, haben alle notwendigen Konformitäten und bei Bedarf auch Zulassungen. Bei den Ventilen für Wasserstoff ist die Eignung genauso nachgewiesen wie bei Ventilen für Sauerstoff.
Schnell, präzis und zuverlässig
Auf stellbare Ventile legten die Konstrukteure Wert, weil die Prüfstände flexibel betreib- und skalierbar sind, damit sich Stacks von 10 bis 150 Kilowatt prüfen lassen. Dabei regeln zwei elektromotorisch betätigte Prozessregelventile vom Typ 3361 die Gaszufuhr der Befeuchtereinheiten. Der Antrieb mit Kugelumlaufspindel positioniert dabei den Regelkegel sehr präzise und mit hoher Stellgeschwindigkeit von 6 Millimeter pro Sekunde bei einem maximalen Hub von bis zu 27 Millimeter, kann also quasi verzögerungsfrei auf Prozesssignale reagieren. Druckschwankungen oder -stösse im Medium übertragen sich nicht auf die Ventilstellung und werden automatisch ausgeregelt. Durch die bewährte selbstnachstellende Spindelpackung mit austauschbaren Dachmanschetten wird eine hohe Lebensdauer und Dichtheit erreicht. Zudem bietet das Regelventil dem Betreiber viele hilfreiche Funktionen zur Prozessüberwachung, Ventildiagnose und vorbeugenden Wartung. Vor Ort informiert ein LED-Ring über den jeweiligen Betriebszustand. «So sehen auch unsere Kunden auf den ersten Blick, dass der Prüfstand arbeitet», schmunzelt Dr. Wagner.
Die direktwirkenden Proportionalventile, die praktisch überall im Prüfstand zu finden sind, arbeiten als elektromagnetisch angetriebene Stellventile. Sie sind stromlos schliessend. Durch ihre Elastomer-Sitzdichtung sind die Ventile im Bereich des auf die Nennweite bezogenen Nenndruckes dichtschliessend, haben also eine integrierte Absperrfunktion. Der Betätigungsanker des Ventils ist reibungsarm gelagert, was zu einem optimierten Stellverhalten führt. Durch das gute Ansprechverhalten sind die Ventile für die anspruchsvollen Prüfstandanwendungen also bestens geeignet, insbesondere auch für die präzise Regelung des Stackdruckes, sowohl auf Anoden- als auch auf Kathodenseite. Während typischerweise der Drucktransmitter auf der Eingangsseite platziert wird, erzeugt das Proportionalventil einen Rückdruck auf der Ausgangsseite des Stacks, um so den Stackinnendruck zu regeln. Alternativ zu elektromagnetischen Proportionalventilen der Typen 2875 kommen bei grösseren erforderlichen Nennweiten kompakte elektromotorische Ventile der Typen 3280 oder 3285 zum Einsatz.
Durchfluss regeln und Füllstand erfassen
Fluidische Herzstücke der Brennstoffzellen-Prüfstände sind die Massendurchflussregler der Typen 8742 und 8746. Sie übernehmen die «intelligente» Regelung und Dosierung der Luft- und Wasserstoffmenge. Der direkt im Gasstrom befindliche, thermische Durchflusssensor in MEMS-Ausführung (mikroelektromechanisches System) erreicht sehr kurze Reaktionszeiten und eine hohe Messgenauigkeit bei langzeitstabiler Kalibrierung. Hochauflösende, direktwirkende Proportionalventile als Stellglieder und der integrierte Regler sorgen für hervorragende Regeleigenschaften. Damit gewährleisten die Geräte eine feinfühlige und präzise Regelung unabhängig von Störgrössen wie Druckschwankungen oder temporär auftretenden Strömungswiderständen.
Die magnetischen Füllstand-Schwimmerschalter des Typ 8181 unterstützen an beiden Back-Pressure-Units des Prüfstands die Kondensat-Ausleitung. «Einer davon arbeitet als Sicherheitsschalter, um bei der automatischen Entleerung ein Ausgasen über die Abwasserleitung zu verhindern», ergänzt Dr. Wagner. Die weiteren Schwimmer sind in den Befeuchtereinheiten integriert und regeln die automatische Befüllung. Die Füllstand-Schwimmerschalter haben im feststehenden Schalterteil hermetisch gekapselte, als Wechsler oder Öffner/Schliesser ausgelegte Reed-Kontakte. Im beweglichen Schalterteil wird der Schaltvorgang über Magnete ausgelöst. Ein zylindrisches Gewinde erleichtert den Einbau im Behälter. «Segula will in Zukunft auch bei Prüfaufbauten für Elektrolyseure auf die wasserstofferprobten Komponenten von Bürkert setzen und vom Know-how der Fluidikexperten profitieren», resümiert Dr. Wagner.
