Systemkompetenz für Brennstoffzellenantriebe
Die Abgasgesetzgebung verschärft sich, die Klimadebatte gewinnt an Fahrt und damit auch die Entwicklung alternativer Antriebe. Ein vielversprechendes Konzept ist die Brennstoffzelle als Energielieferant für den Elektroantrieb. MANN+HUMMEL entwickelte dafür ein innovatives Luftführungssystem für den Kathodenpfad, um eine hocheffiziente Versorgung der Brennstoffzelle mit sauberer Luft sicherzustellen.
Umfassendes System schützt die Brennstoffzelle effizient
1 Kathodenluftfilter
2 Breitbanddämpfer
3 Ionentauscher-Filter
4 Kühlmittelpartikelfilter
5 Luftbefeuchter
6 Kathoden-Wasserabscheider
Umfassendes System schützt die Brennstoffzelle effizient, Perspektive 1
Eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembranen (PEM) besteht aus Elektroden, die durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind. Mithilfe einer elektrochemischen Reaktion werden Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in elektrische Energie umgewandelt. Die Membran ist für Protonen durchlässig, so dass diese Einheit elektrischen Strom erzeugen kann.
Eine Vielzahl dieser Elektrodenmembraneinheiten bilden in Reihe geschaltet den sogenannten Brennstoffzellen-Stack (deutsch: Stapel). Zentrale Komponenten reagieren dabei äußerst empfindlich auf Partikel, Schadgase und Wasser in der Ansaugluft. Die Protonenaustauschmembran benötigt beispielsweise eine ausreichend hohe relative Luftfeuchtigkeit in der Prozessluft, um nicht auszutrocknen. Darüber hinaus können Schadgase den mit Platin beschichteten Katalysator irreversibel beschädigen. Für die störungsfreie Funktion sowie Systemlebensdauer sind die Filtration von Partikeln und die Adsorption von Schadgasen ebenso wichtig wie die effiziente Wasserabscheidung. Das stellt das von MANN+HUMMEL neuentwickelte Luftführungssystem für den Kathodenpfad der Brennstoffzelle sicher.
Saubere Frischluft
Die angesaugte Umgebungsluft wird durch die Rohluftleitung mit Wasserabscheider zum Kathodenluftfilter, einem zentralen Element des Gesamtsystems, geleitet. Eine Partikelfilterlage scheidet Feststoffe aus der Ansaugluft ab. Die speziell ausgelegten Aktivkohleschichten des Filterelements adsorbieren schädliche Gase wie Schwefeldioxid (SO2), Stickoxide (NOX) und Ammoniak (NH3) und schützen den wertvollen Katalysator der Brennstoffzelle somit vor Vergiftung und Beeinträchtigung seiner Funktion.
Reinluftseitig dient ein Luftmassenmesser zur Ermittlung der ins System eintretenden Luftmasse. Mit dieser Information wird das exakte Mischungsverhältnis von Sauerstoff und Wasserstoff und damit der optimale Betrieb und die Effizienz des Brennstoffzellen-Stacks sichergestellt. Ein in die Reinluftleitung integrierter Resonator dämpft unerwünschte Strömungsgeräusche. Ein Faltenbalg in der Leitung sorgt für den notwendigen Bewegungsausgleich.
Perfekte Luftfeuchtigkeit
Um der Brennstoffzelle genügend Luft zuführen zu können, wird die saubere Luft im Kompressor verdichtet. Dies führt zu einer Temperaturerhöhung. Im nachgelagerten Ladeluftkühler wird die Luft deshalb auf ein für die Brennstoffzelle verträgliches Temperaturniveau gekühlt. Für den optimalen Betrieb der Brennstoffzelle ist eine ausreichende relative Luftfeuchtigkeit erforderlich. Ist die Ansaugluft zu trocken, wirkt sich das negativ auf die Leitfähigkeit der Protonenaustauschmembran im Brennstoffzellen-Stack aus. Der Luftbefeuchter reichert deshalb je nach Betriebszustand die Kathodenzuluft mit Prozesswasser aus der Abluft der Brennstoffzelle an und erhöht so die Feuchtigkeit. Prozessbedingt können dabei Wassertropfen entstehen, die von einem Kathoden-Wasserabscheider zum Schutz des Stacks abgeschieden werden.
Die Eingangsregelklappe vor dem Stack regelt den Luftstrom anschließend so, dass er für die elektrochemische Reaktion optimal eingestellt ist. Ein Partikelfilter im Medienverteilungsmodul, dem Flansch zum Brennstoffzellen-Stack, bringt zusätzliche Sicherheit vor Partikeln, die maßgeblich aus Herstellungs- und Montageprozessen stammen können.
Der Kreis schließt sich
Das bei der Reaktion entstehende Wasser wird durch eine Abluftleitung zurück an den Luftbefeuchter geführt. Hier erfolgt der Feuchteübertrag mittels einer gasdichten Flachmembran auf den Zuluftstrom. Das überschüssige Wasser wird mithilfe des Turbinen-Wasserabscheiders entfernt, um die Turbine vor Wasserschlag zu schützen. Mit Hilfe der Turbine wird die noch im System verfügbare kinetische Energie zur Erhöhung der Gesamteffizienz des Systems zurückgewonnen. Ein Resonator dämpft unerwünschte Geräusche, bevor die Luft über die Abluftleitung ausgeleitet wird.
Neben dem Luftführungssystem überträgt MANN+HUMMEL seine Filtrationskompetenz auch auf den Kühlkreislauf. Bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle entsteht Wärme, die abgeführt werden muss. Der Kühlmittelpartikelfilter entfernt im Hauptstrom schädliche Partikel aus dem Kühlkreislauf und schützt damit die Pumpe. Der im Nebenstrom positionierte Ionentauscher-Filter stellt sicher, dass die durch Ionenaustrag aus dem System steigende Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit unterhalb des zulässigen Grenzwertes bleibt.
Bei der Entwicklung des Luftführungssystems für den Kathodenpfad der Brennstoffzelle stützten sich die Experten von MANN+HUMMEL auf die Simulationskompetenz sowie auf umfangreiches Know-how bei der Bauteilauslegung. Das Ergebnis ist ein ganzheitliches System aus einer Hand. Perfekt aufeinander abgestimmte Komponenten sowie die signifikante Reduzierung von Schnittstellen vereinfachen Prozesse und stellen die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle über die gesamte Lebensdauer sicher.
