Dispositivo di evaporazione per l'umidificazione delle celle a combustibile.
Un istituto di ricerca tedesco si è rivolto a Wagner MSR, distributore di fiducia di Bronkhorst, per trovare una soluzione in grado di fornire flussi di gas (idrogeno e ossigeno) con una determinata umidità relativa in un banco di prova per celle a combustibile.
Test delle celle a combustibile nell’industria automobilistica
Nel motore della tua auto, la benzina reagisce direttamente con l’ossigeno dell’aria provocando una combustione che consente alla vettura di muoversi. Questo è il metodo convenzionale. Un’alternativa è la combustione indiretta: l’utilizzo di una cella a combustibile. L’ossigeno e il combustibile (idrogeno) vengono alimentati su ciascun lato della cella, dove reagiscono elettrochimicamente formando acqua.
Come risultato, gli elettroni fluiscono attraverso un circuito esterno alimentando un motore elettrico. L’energia chimica del combustibile viene convertita in energia elettrica.
Requisiti dell’applicazione
L’utente necessitava di una soluzione per impostare un flusso di gas preciso e, inoltre, umidificare il flusso in modo controllato su ciascun lato della cella a combustibile.
Poiché vengono analizzati diversi parametri in ingresso come flusso di gas, contenuto di vapore acqueo e tipo di cella, è necessario un ampio intervallo di flussi di gas – inclusi flussi molto piccoli – e il punto di lavoro deve poter essere modificato rapidamente.
Soluzione di processo
La soluzione Bronkhorst consiste essenzialmente in un dispositivo di miscelazione ed evaporazione a temperatura controllata (sistema CEM), utilizzato per generare un flusso controllato di vapore acqueo da fornire alla cella a combustibile.
L’idrogeno e l’ossigeno (o l’aria) agiscono come gas vettori per il flusso di vapore acqueo.
Nel sistema CEM, i controller di flusso massico termico EL-FLOW Select o EL-FLOW Prestige regolano i flussi di idrogeno e ossigeno/aria, mentre i controller di flusso liquido mini CORI-FLOW o LIQUI-FLOW gestiscono il flusso d’acqua.
I flussi di questi strumenti entrano nell’unità CEM dove viene generata la miscela vapore/gas.
L’obiettivo della ricerca e sviluppo condotta nei banchi di prova delle celle a combustibile è ottimizzare i singoli componenti (membrana elettrolitica, numero di stack) e le condizioni di processo della cella.
I flussi di idrogeno, ossigeno, aria e acqua – e i loro rapporti – sono parametri in ingresso, mentre le prestazioni della cella (tensione e corrente) sono parametri in uscita.
Le domande da esplorare includono: cosa succede se si aggiunge idrogeno o aria in eccesso, quale influenza ha il grado di umidità, qual è il ruolo dei diversi tipi di membrana?
I flussi di gas dei dispositivi EL-FLOW Select o EL-FLOW Prestige sono adattati per l’uso specifico. È richiesta un’elevata precisione con la minima differenza di pressione possibile, e questi misuratori di flusso termici sono adatti allo scopo.
Per quanto riguarda la fornitura di vapore acqueo, è possibile ottenere un livello molto elevato di stabilità di controllo, che dipende principalmente dalla valvola di miscelazione nel sistema CEM.
In questa applicazione, per la ricerca su singoli stack, il tipico intervallo di flusso d’acqua è compreso tra 100 e 1000 grammi all’ora, con quantità corrispondenti di gas vettore (ossigeno e idrogeno) per mantenere un’umidità relativa tra 5% e 95%.
Inoltre, è tecnicamente possibile controllare flussi d’acqua fino a 1 grammo all’ora.
Alcune celle a combustibile saranno infine utilizzate in pratica a pressioni elevate, con la minima differenza di pressione possibile sulla membrana, quindi con pressione uguale su entrambi i lati degli elettrodi.
L’attuale configurazione per la ricerca su singoli stack consente un intervallo di misura fino a 100 bar, per tipi specifici di membrane che offrono prestazioni migliori a pressioni più alte.
La pressione assoluta e la differenza di pressione sono controllate dagli strumenti IN-PRESS di Bronkhorst.
Il sistema CEM di Bronkhorst è tipicamente utilizzato per flussi d’acqua bassi e precisi, come quelli impiegati nei singoli stack, fino a 1000 g/h di acqua.
