Elektrolyseure prüfen, messen und analysieren

Prüfstand für PEM-, SOE-, und AEL-Elektrolyse

Bei der Elektrolyse wird Wasser im Elektrolyseur in seine Elemente Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Es gibt verschiedene Verfahren für die Elektrolyse von Wasser, die sich durch den Elektrolyten, die Betriebstemperatur und den Aufbau der Elektrolysezelle unterscheiden.

Bei der PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane) wird reines Wasser zur Anode des Elektrolyseurs geleitet und dort mithilfe eines Katalysators aufgespalten. An der Anode entsteht Sauerstoff, während die Wasserstoff-Ionen durch eine feste Polymembran zur Kathode geleitet werden und zu Wasserstoffmolekülen reagieren.

Bei der Festoxid-Elektrolyse (SOE) wird Wasserdampf bei Temperaturen von etwa 900 °C eingesetzt.

Beim dritten Verfahren, der alkalischen Elektrolyse (AEL), entsteht der Wasserstoff an der Kathode, während die Sauerstoff-Ionen durch eine alkalische Lösung zur Anode wandern.

Es sind unterschiedliche Verfahren, aber manche Grundprinzipien bleiben gleich: Die Qualität und Funktionsweise muss gewährleistet und reproduzierbar sein. Es muss Wasser bzw. Wasserdampf transportiert werden, außerdem die Gase Sauerstoff und Wasserstoff.

Allerdings unterscheiden sich je nach Verfahren die Anforderungen an die Sensorik und Steuerung eines Elektrolyseur-Prüfstandes. HORIBA FuelCon entwickelt und produziert Prüfstände für alle Elektrolyse-Verfahren. Das Engineering der Prüfstände erfüllt die jeweiligen technischen Anforderungen des Verfahrens, so lassen sich Funktionsweisen und Betriebsstrategien zuverlässig und reproduzierbar testen.

Flexible HORIBA Fuelcon Prüfstände mit großem Leistungsspektrum

Die HORIBA Fuelcon Prüfstände bieten flexible Lösungen für Anwendungen und Testschwerpunkte mit einem elektrischen Leistungsbedarf zwischen 10 W und 5 MW, Stromstärken bis zu 16.000 A und Spannungen bis zu 1.200 V sowie ein Druckmanagement bis zu 100 bar.

Die Prüfstände mit moderner Analytik erlauben robuste und zuverlässige Messungen mit höchster Genauigkeit durch qualitativ hochwertige Komponenten. Auch die Langlebigkeit der verbauten Komponenten gehört mit zum Erfolgsgeheimnis der HORIBA FuelCon Prüfstände. KNF Pumpen erfüllen diese Anforderung besonders gut und sind unter anderem deshalb Bestandteil der kundenindividuellen Prüfstände.

Langlebige KNF Pumpen für Elektrolyseur-Prüfstände

Funktionsweisen und Betriebsstrategien bei Elektrolyseuren zu testen, das bedeutet, sie Leistungsparametern eines Echtbetriebs auszusetzen. Es bedeutet aber auch, durch die Simulation von Extrembedingungen die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit zu finden. Die exakten Testparameter spezifiziert der Kunde.

Ein Elektrolyseur-Prüfstand ist das entscheidende Werkzeug, um Elektrolyseverfahren dauerhaft zu verbessern sowie Qualität und Funktionen zu prüfen. Langlebigkeit ist zwingend und damit wesentliches Auswahlkriterium für die Prüfstand-Komponenten.

KNF Flüssigkeitspumpen fördern im Prüfstand Wasser zum Elektrolyseur

Die Prüfung des Elektrolyseurs steht und fällt mit dessen störungsfreiem Betrieb. Die kontinuierliche Versorgung mit deionisiertem Wasser ist dafür entscheidend. Für die Wasserversorgung setzt HORIBA FuelCon zwei KNF Flüssigkeitspumpen der Serie NF 1.300 ein.

Eine Pumpe transportiert nicht-deionisiertes Wasser gegen einen maximalen Systemdruck von 5 bar in den Befeuchter bzw. Tank. Die Flüssigkeitspumpe muss auch gegen diesen Druck starten können.

Die zweite Pumpe fördert deionisiertes Wasser in den Elektrolyseur. Der geregelte Nachschub durch diese Flüssigkeitspumpe gleicht den durch die Elektrolyse entstandenen Wasserverbrauch stets aus. Zu diesem Zweck läuft die Pumpe jede Minute zehn Sekunden lang.

Vakuumpumpe für maximal häufige Testzyklen im Elektrolyseur-Prüfstand

Die Membran-Gaspumpe aus der Serie N 838 evakuiert den Tank, in dem sich der Prüfling befindet. Der Tank wird auf einen Absolutdruck von 100 mbar evakuiert und anschließend mit Wasser befüllt. Die Saugleitung ist als nach oben führende Stichleitung konzipiert. Trotzdem werden gelegentlich Wassertropfen angesaugt. Dies beeinträchtigt jedoch nicht die Funktion der Vakuumpumpe. Der Vorgang dauert etwa 30 bis 40 Sekunden und wird mehrmals am Tag durchgeführt.

Die N 838 evakuiert sehr schnell. Je schneller der Tank wieder mit Wasser befüllt ist, desto eher starten die Tests, desto mehr Testzyklen sind durchführbar. Die Vakuumleistung der N 838 beeinflusst die Zeitspanne, bis eine Testreihe am Prüfstand abgeschlossen ist und dieser für den nächsten Prüfling bereitsteht.

Mikrogaspumpe im Prüfstand für die Analyse der Prozessqualität

Direkt nach der Elektrolyse entnimmt eine Mikrogaspumpe der Serie NMP 830 einen definierten Volumenstrom aus dem feuchten Wasserstoff und führt diesen über den Feuchtesensor. Der gemessene Feuchtigkeitswert gibt Aufschluss über die Qualität der Wasserspaltung. Außerdem zeigt der Vergleich der Feuchtigkeit des Wasserstoffs nach der Elektrolyse mit jenem nach dem Gastrockner, wie wirksam die Prozessstufen Reinigung und Trocknung arbeiten. Anpassungen sind auf Grundlage dieser Messwerte möglich. Änderungen beim Feuchtigkeitswert geben auch Hinweis auf technische Ausfälle, wie etwa einem Membranbruch.

Das von der KNF Mikrogaspumpe im HORIBA FuelCon Eletrolyseur-Prüfstand entnommene Messgas kann Temperaturen bis zu 60 Grad Celsius erreichen. Weder diese Temperatur noch anfallendes Kondensat beeinträchtigen die Pumpenfunktion.

Prüfstand mit Messgaspumpe in Ex-Ausführung für die Gasanalyse

Wie ist die Qualität des erzeugten Wasserstoffs? Eine Frage, die im Prüfstand nicht durch Funktionstests beantwortet wird, sondern durch die Analyse des erzeugten Gases.

Eine KNF Messgaspumpe ist Teil der Online-Gasanalyse. Da explosionsfähige Gemische entstehen können, ist eine explosionsgeschützte Ausführung der Pumpenserie N 87 notwendig. Die N 87 Ex entnimmt als kontinuierlich arbeitende Messgaspumpe je nach getestetem Elektrolyseverfahren einen Volumenstrom von ca. 2 Litern pro Minute. Das Messgas ist trocken – die KNF Messgaspumpe ist hinter dem Gastrockner eingebaut. Für die zuverlässige Analyse des Probegases ist eine hohe Gasdichtigkeit entscheidend. Diese wichtige Anforderung wird von der KNF Messgaspumpe vollständig erfüllt. EPDM für die Membran und Edelstahl für den Pumpenkopf sind wichtige Werkstoffoptionen, für die sich HORIBA FuelCon aus dem KNF Baukastensystem entschied, um eine sehr hohe Dichtigkeit und die Medienverträglichkeit zu gewährleisten.

Je eine N 87 Ex entnimmt Messgas auf der Wasserstoff-Seite und der Sauerstoff-Seite. Bei der Analyse wird gemessen, inwieweit sich Wasserstoff und Sauerstoff mischen. Das Messen des Volumenanteils von Wasserstoff in Sauerstoff und Sauerstoff in Wasserstoff dient der Überwachung der Sicherheit vor einer Knallgasexplosion, die die Gaspumpe N 87 Ex mit der kontinuierlichen Probenahme stützt.

Die KNF Messgaspumpen arbeiten rund um die Uhr, was sich zu einer Laufzeit von rund 8.000 Stunden pro Jahr summiert.