De rol van de waterafscheider in watergekoelde brandstofcelsystemen

Binnen de ingewikkelde architectuur van een watergekoelde waterstofbrandstofcelsysteemDe waterstofcirculatielus is een cruciaal subsysteem voor een efficiënte en veilige werking. Een essentieel onderdeel van deze lus is de waterafscheider, ook wel condensaatafscheider of knock-outpot genoemd. De aanwezigheid ervan lijkt in eerste instantie paradoxaal: waarom zou een systeem dat gericht is op strikt beheer van vloeibaar water een speciaal apparaat nodig hebben om vocht in de gasstroom te verwerken? Om dit te begrijpen, moeten we ons verdiepen in de waterbronnen aan de waterstofzijde, de potentiële gevaren ervan en de dynamische balanceringsmechanismen die inherent zijn aan de werking van het systeem. De kernreactie van een brandstofcel bestaat uit de combinatie van waterstof en zuurstof om water, elektriciteit en warmte te produceren. Dit water wordt voornamelijk gegenereerd aan de kathode, oftewel de luchtzijde.

Watermoleculen blijven echter niet alleen op hun oorsprongspunt. Het protonenuitwisselingsmembraan (PEM), het "hart" van de cel, moet voldoende gehydrateerd zijn om protonen effectief te geleiden. Deze eigenschap is een tweesnijdend zwaard. Hoewel voldoende membraanhydratatie noodzakelijk is voor een goede protongeleiding, creëert een verschil in waterconcentratie (of wateractiviteit) over het membraan een sterke drijvende kracht. Dit zorgt ervoor dat watermoleculen van de kathode, terug door het membraan, naar de anode (waterstofzijde) diffunderen, een fenomeen dat bekend staat als "waterterugdiffusie". Deze omgekeerde permeatie is vooral belangrijk wanneer de kathodereactie intens is en grote hoeveelheden water produceert, terwijl de waterstofstroom in de anode relatief droog wordt door recirculatie. Zo ontstaat er ongepland vocht in wat een "droge" waterstoflus zou moeten zijn.

Om het optimale hydratatieniveau van de PEM te behouden, vereist de waterstof die de stack binnenkomt bovendien vaak voldoende bevochtiging. Vooral tijdens het opstarten van het systeem is externe bevochtiging een veelgebruikte methode om te voorkomen dat droge waterstof het membraan uitdroogt. Waterdamp die via dit bevochtigingsproces wordt geïntroduceerd, kan ook condenseren tot vloeibaar water als de waterstofstroom tijdens de stroming temperatuurveranderingen ondergaat. Vocht aan de waterstofzijde is daarom voornamelijk afkomstig van twee bronnen: water dat terugdiffundeert vanaf de kathode, en waterdamp die wordt geïntroduceerd via bevochtiging van het inlaatgas. Wanneer de warme, vochtige gerecirculeerde waterstof door koelere delen van leidingen, kleppen en de recirculatiepomp stroomt, kan de waterdamp condenseren tot fijne druppeltjes, waardoor er zogenaamd "meegevoerd water" ontstaat. Als dit vloeibare water zich ophoopt in de waterstofkringloop, kan dit leiden tot een reeks ernstige problemen. Het meest directe risico is "overstroming". De waterstofstroomkanalen zijn zeer smal; vloeibaar water kan de stromingsvelden van individuele of meerdere cellen blokkeren, waardoor de effectieve diffusie van waterstof naar de katalysatorlagen voor de reactie wordt belemmerd. Lokale waterstofgebreken veroorzaken een scherpe spanningsval in dat gebied en kunnen zelfs leiden tot celomkering (omgekeerde polarisatie).

Dit resulteert niet alleen in een onstabiele vermogensafgifte, maar veroorzaakt ook onherstelbare corrosieschade aan de katalysator en de koolstofdrager, waardoor de levensduur van de schoorsteen aanzienlijk wordt verkort. Ten tweede kunnen deze waterdruppels de corrosie van metalen componenten in leidingen en kleppen versnellen. Bij de waterstofrecirculatiepomp, die afhankelijk is van hoge snelheden, kan de impact van de druppels een "waterhamer"-effect veroorzaken, wat de waaier ernstig kan beschadigen en kan leiden tot vastlopen of uitval van de pomp, wat een aanzienlijke bedreiging vormt voor de algehele betrouwbaarheid van het systeem. De waterafscheider speelt in deze context de cruciale rol van "scavenger".

Het wordt doorgaans strategisch geplaatst in de waterstofcirculatielus, vaak op een kritiek punt tussen de schoorsteenuitlaat en de inlaat van de recirculatiepomp. De werking ervan is doorgaans gebaseerd op de principes van centrifugale of traagheidsscheiding. Wanneer vochtig waterstofgas, beladen met waterdruppels, tangentieel de kamer van de scheider binnenkomt met een bepaalde snelheid, ontstaat er een wervelende stroming. De zwaardere waterdruppels worden door de centrifugale kracht tegen de wand naar buiten geslingerd, waar ze samensmelten, kinetische energie verliezen en grotere druppels vormen die uiteindelijk door de zwaartekracht naar de bodem van de scheider stromen. Het "gedroogde" waterstofgas verlaat vervolgens de scheider via de centrale uitlaat en wordt door de pomp teruggevoerd naar de schoorsteeninlaat. Het verzamelde vloeibare water op de bodem wordt periodiek uit het systeem afgevoerd via een automatisch of intermitterend aangestuurde aftapkraan. De waterafscheider is daarom geen overbodig ontwerpelement, maar een intelligente en essentiële oplossing voor de complexe uitdagingen op het gebied van waterbeheer in een brandstofcel.

Het erkent de alomtegenwoordigheid van watermoleculen en beheert proactief het extra vocht dat door terugdiffusie en bevochtiging wordt geïntroduceerd, waardoor de waterstofcirculatielus een optimale toestand van "vochtig maar niet overspoeld" behoudt. Dit onderdeel beschermt de recirculatiepomp en zorgt voor een gelijkmatige waterstofverdeling over de afzonderlijke cellen, wat uiteindelijk een cruciale basis vormt voor het bereiken van een hoge efficiëntie, betrouwbaarheid en duurzaamheid op lange termijn in brandstofcelsystemen. Hoewel het slechts één van de vele componenten is, is de waterafscheider essentieel voor het handhaven van de delicate "waterbalans" aan de waterstofzijde.