Auch wenn das Gebläse auf der Kathodenseite nicht die Kernkomponente einer Brennstoffzelle ist, kommt ihr doch große Bedeutung im Gesamtsystem zu. Denn das Gebläse regelt die Luftzufuhr an der Kathode und gleicht damit kontinuierlich den entstehenden Differenzdruck aus. Da die elektrische Leistung der Zelle proportional zur Sauerstoffversorgung ist, dient die Luftzufuhr auch als Führungsgröße beim Betrieb der Brennstoffzelle. Das wiederum bedeutet: Das Gebläse muss präzise regelbar sein.
Seit mehr als 10 Jahren fertigt Gebrüder Becker Gebläse für diese Anwendung und hat in dieser Zeit viel anwendungstechnisches Know-how in diesem anspruchsvollen Markt gewonnen. Den Anfang machte die VASF-Baureihe. Mit diesen Seitenkanalgebläsen zielt Becker auf stationäre Brennstoffzellen mit einem Leistungsbereich von etwa fünf kWel, die zum Beispiel in Mehrfamilienhäusern und im gewerblichen Bereich für die dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung sorgen.
Wachstumsmarkt Japan
Die VASF-Gebläse zeichnen sich durch eine sehr kompakte Bauweise aus sowie durch einen hohen Wirkungsgrad über einen großen Regelbereich. Die Regelung erfolgt über einen Frequenzumrichter. Dem Gesamtmarkt entsprechend, ist die Nachfrage nach diesen Gebläsen in Japan größer als in Europa. Schließlich sind, nicht zuletzt wegen gezielter Förderprogramme, wie ENE-FARM, in Japan mehrere hunderttausend stationäre Brennstoffzellen im Einsatz.
Die Anlagen der fünf kW-Klasse können dort nicht nur in Wohn- und Gewerbeimmobilien zum Einsatz kommen, sondern beispielsweise auch in den typisch japanischen Convenience Stores oder „Konbini“. Das sind kleine, durchgehend geöffnete Supermärkte, die den Tagesbedarf der Konsumenten decken. Da diese Läden kontinuierlichen Bedarf an Energie haben, eignen sie sich sehr gut für die dezentrale Versorgung über Brennstoffzellen.
Marktentwicklung: Gute Perspektiven nach langer Verzögerung
Es ist kein Geheimnis, dass die Marktentwicklung für Brennstoffzellen in den vergangenen zehn Jahren stark hinter den ursprünglichen Erwartungen und den kommerziellen Zielen zurückgeblieben sind. Davon sind logischerweise auch die Zulieferer betroffen, die für diese Anwendung Entwicklungsleistungen investiert haben. Becker hat sich davon jedoch nicht entmutigen lassen, sich dennoch kontinuierlich in diesem Markt engagiert und ist fest davon überzeugt, dass die Technologie zukunftsträchtig ist. Dazu leistet das Unternehmen auch kontinuierlich eigene Entwicklungsbeiträge in enger Zusammenarbeit mit diversen Brennstoffzellen-Herstellern sowohl in Europa als auch in Japan.
Zentrale Anforderung: Hoher Wirkungsgrad
Zu den zentralen Anforderungen an Kathoden-Luft-Gebläse für Brennstoffzellen gehört ein hoher Wirkungsgrad und entsprechend geringer Energiebedarf. Das ist in dieser Anwendung besonders wichtig, weil die Energie, die das Gebläse benötigt, von der Brennstoffzelle erzeugt wird. Das heißt: Je höher dessen Energieverbrauch, desto geringer die Menge an elektrischer Energie, die dem Nutzer zur Verfügung steht. Im Umkehrschluss bedeutet das: Die Gebläse selbst müssen einen hohen Wirkungsgrad haben. Damit schaffen sie eine wichtige Voraussetzung für einen hohen Wirkungsgrad des Gesamtsystems Brennstoffzelle.
10 Prozent höherer Wirkungsgrad
Unter diesen Voraussetzungen hat Becker, auf der Basis der bewährten VASF-Serie, eine grundsätzliche Neuentwicklung gestartet. Zentrales Ziel war es, den Herstellern von Brennstoffzellen eine außerordentlich energieeffiziente Baureihe von Kathoden-Luft-Gebläsen zur Verfügung zu stellen.
Dabei haben die Entwickler der VASF 2-Baureihe sowohl strömungstechnische Bauteile als auch Komponenten der Antriebstechnik im Hinblick auf die Effizienz verbessert. Einen wesentlichen Beitrag dazu leistet die verbesserte Aerodynamik bei gleichzeitig optimierter Kühlung des aus Verdichter, Motor und Umrichter bestehenden Gesamtsystems. Außerdem kommen energiesparende und sehr gut regelbare 24- beziehungsweise 48-Volt-DC-Synchronantriebe zum Einsatz.
In Summe bewirken diese konstruktiven Maßnahmen eine Verbesserung des Wirkungsgrades um etwa 10 Prozent im Vergleich zur Vorgängerbaureihe. Das ist für eine ausgereifte Technik wie ein Seitenkanalgebläse ein echter Effizienzsprung, der sich gerade bei dieser Anwendung sehr positiv auswirkt. Der Synchronantrieb mit passendem Frequenzumrichter schafft die Voraussetzung für eine optimale Systemintegration.
Neue Gehäuse, modulare Bauweise, berührungsfreie Verdichtung
Auch das Gehäuse des Gebläses wurde, nach Grundsatz Form follows function, vollständig neu konstruiert. Die groß dimensionierten Kühlrippen leisten einen Beitrag zur Effizienz, weil sie die Verdichtungstemperatur reduzieren. Das ist angesichts der bisweilen hohen Umgebungstemperaturen in der sehr kompakten Zelle ein wichtiges Konstruktionsmerkmal.
Die modulare Bauweise ermöglicht es, den Frequenzumrichter frei dort zu platzieren, wo Bauraum zur Verfügung steht. Optional können die VASF 2-Gebläse auch mit integrierten Ein- und Austrittsschalldämpfern ausgestattet werden.
Ein weiterer Vorteil, den die VASF 2-Baureihe bietet, ist das berührungsfreie Verdichtungsprinzip. Weil die im Stack stattfindende Reaktion sensibel ist, darf mit der Luft keine Verunreinigung eingetragen werden. Öl in der Luft muss also ausgeschlossen werden. Zugleich schafft die ölfreie und berührungslose Wirkweise die Voraussetzung für einen wartungsfreien Betrieb der Gebläse.
Feldtest gestartet
Zurzeit befindet sich die VASF 2 in ausgiebigen Feldtests bei führenden Brennstoffzellenherstellern. Im ersten Schritt stehen zwei Grundmodelle für maximale Volumenströme von 48 m3/h (24 V DC-Antrieb) und 90 m3/h (48 V DC) bei einem maximalen Druck von +160 mbar zur Auswahl. Damit eignen sie sich für den Einsatz in stationären Brennstoffzellen mit elektrischen Leistungen von etwa 5 bis 8 kW.
Bei der Integration der Gebläse in die jeweilige Brennstoffzelle unterstützen die Experten von Becker die Hersteller mit individuellem Engineering. Dazu gehört auch die Abstimmung der Gebläsesteuerung an die anlagenspezifischen Parameter. Dabei profitieren die Hersteller von dem Know-how, das Becker in mehr als zehn Jahren Entwicklung für Brennstoffzellen-Anwendungen gewonnen hat.
Die zentralen Konstruktionsmerkmale der VASF 2-Gebläse, zum Beispiel die hohe Energieeffizienz und die modulare Bauweise, eröffnen der neuen Baureihe auch Einsatzmöglichkeiten in anderen Anwendungen und Märkten. Dazu gehört beispielsweise der aktuell sehr wachstumsstarke Markt der additiven Fertigung. In diesen Fällen werden die Gebläse, in gasdichter Ausführung, mit Wechselstromantrieben ausgestattet.
