- Was ist die Hauptfunktion eines Brennstoffzellen Filters?
- Welche Art von Stoffen wird zum Schutz der Brennstoffzelle gefiltert?
- Warum sind Brennstoffzellen filter für Brennstoffzellensysteme so wichtig?
- Welche Arten von Brennstoffzellenfiltern gibt es?
- Was sind die wichtigsten Leistungskriterien für einen Brennstoffzellen Filter?
- Welche verschiedenen Arten von Filterelementen gibt es?
- Warum ist der Druckabfall bei einem Brennstoffzellenfilter so wichtig?
- Wo genau werden Brennstoffzellenfilter in Brennstoffzellen oder Wasserstoffsystemen eingesetzt?
- Welche Auswirkungen hat saubere Luft in einem Brennstoffzellenstack?
- Wie oft müssen die Filter ausgetauscht werden?
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Was ist die Hauptfunktion eines Filter für Brennstoffzellen?
Die PEM-Brennstoffzellentechnologie kann eine wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung des Verkehrs, der Stromerzeugung und der Off-Road-Anwendungen spielen. Um eine Marktdurchdringung zu erreichen, müssen die Kundenerwartungen in Bezug auf die Haltbarkeit, aber auch die Kosten erfüllt werden. Einer der Faktoren, die zur Degradation von Brennstoffzellenstacks führen, ist der Einfluss schädlicher Luftverunreinigungen, z. B. Partikel, NOx, SO2 und NH3. Um die Anforderungen an die Langzeithaltbarkeit von Brennstoffzellensystemen umzusetzen, müssen diese durch Kathodenluftfilter geschützt werden. Effiziente und leistungsstarke Kathodenluftfilter tragen dazu bei, diese Ziele zu erreichen.
Welche Art von Stoffen wird zum Schutz der Brennstoffzelle gefiltert?
Die Aufgabe des Kathodenluftweges einer Brennstoffzelle besteht darin, Luft mit der richtigen Temperatur, dem richtigen Druck, dem richtigen Feuchtigkeitsgrad und der richtigen Sauberkeit bereitzustellen. Um einen wirksamen Schutz zu gewährleisten, ist ein umfassendes Wissen über Schadstoffe und Abbauprozesse erforderlich. Moderne Brennstoffzellenfilter sind für die folgenden Stoffe geeignet:
- Partikel in der Kathodenluft, die in den Brennstoffzellenstack eindringen, können zu einer Verstopfung der Gasdiffusionsschicht (GDL), der mikroporösen Schicht (MPL) und anderer Strömungskanäle führen, was zu einem verringerten Medientransport und damit zu einem Leistungsverlust führt. Salzpartikel wirken auch auf Membranen, indem sie deren Ionenleitfähigkeit verringern.
- Schädliche Gase können die Leistung des Stacks auf zwei Arten beeinträchtigen: Die erste ist die Vergiftung des Katalysators. In diesem Fall besetzen schädliche Gase aktive Stellen auf dem Platinkatalysator, wodurch sich die elektrochemisch aktive Oberfläche (ECSA) je nach Art und Konzentration verringert. Dies führt zu einem vorübergehenden oder dauerhaften Absinken der Stackspannung und damit zu einem Leistungsabfall der Brennstoffzelle. Zum anderen wirken sich Schadgase wie Ammoniak (NH3) auf die Haltbarkeit der Membranen im Brennstoffzellenstack und im Befeuchter aus. Chemische Reaktionen mit den Sulfonsäurefunktionen der Membran können zu einem erhöhten ohmschen Widerstand und einer Verringerung der Wasser- und Protonentransferleistung führen. Darüber hinaus führen auch beschleunigte Alterungs- und Degradationseffekte zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften.
Warum sind Brennstoffzellen Filter für Brennstoffzellensysteme so wichtig?
Die Auswirkungen schädlicher Gase auf die Leistung von Brennstoffzellen, insbesondere nach längerer Exposition, sind oft irreversibel, daher ist ein wirksamer Schutz der Komponenten unerlässlich. Tests zur Auswirkung von NOx auf die Leistung einer Brennstoffzelle bei Zufuhr von ungefilterter Umgebungsluft ergaben, dass eine längere Exposition zu einer konstant niedrigeren Zellspannung und damit zu einer geringeren Leistung führt. Darüber hinaus führten NOx-Spitzen in der Atmosphäre vorübergehend zu einer deutlich geringeren Leistung. Ein hohes Verkehrsaufkommen kann zu höheren NOx-Konzentrationen und aufgrund fehlerhafter Betriebseinstellungen bei der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) zu höheren NH3-Emissionen führen – diese treten auch in landwirtschaftlichen Gebieten auf.
Das Bestreben der Hersteller, die Stackkosten durch geringere Platinbeladung und reduzierte Membrandicken oder -oberflächen zu senken, führt zu erhöhten Anforderungen an den Schutz vor Schadgasen.
Welche Arten von Brennstoffzellen Filtern gibt es?
In der Regel bezieht sich die Filtertaxonomie auf die Art der verwendeten Filtermedien:
- Synthetische Medien: Um Partikel aus der Kathodenluft zu entfernen, werden synthetische Filtermedien verwendet.
- Kohlenstoff: Funktionalisierte Aktivkohle wird verwendet, um durch Adsorption schädliche Gase aus der Luft zu entfernen.
- Chemisorption: Um die polaren Zielgase zu erfassen, muss die Chemisorption angewendet werden.
- Chemisorptionsverfahren: Imprägnierung von Aktivkohle mit Säuren, die basische Gase, z. B. NH3, binden. Durch die Funktionalisierung von Aktivkohle werden polare chemische Gruppen mit entgegengesetzter Polarität freigelegt.
In den meisten Fällen werden kombinierte Filterelemente mit Partikelfilter- und Gasadsorptionsschichten eingesetzt. Besondere Vorsicht ist geboten, wenn die Brennstoffzelle in staubiger Umgebung betrieben werden soll.
Was sind die wichtigsten Leistungskriterien für einen Brennstoffzellen Filter?
Die wichtigsten Leistungsparameter für Brennstoffzellen filter sind:
- Gasadsorptionseffizienz – die Gasadsorptionseffizienz von Brennstoffzellenfiltern beschreibt, wie gut ein Filter bestimmte Zielgase adsorbieren kann und variiert je nach Gasart und -konzentration.
- Gasadsorptionskapazität – die Gasadsorptionskapazität eines Brennstoffzellenfilters gibt an, wie viel von einem Gas adsorbiert werden kann, und hängt vom Gas und seiner Konzentration ab.
- Partikelfiltereffizienz – beschreibt, wie gut verschiedene Partikelgrößen von Brennstoffzellenfiltern aufgefangen werden können.
- Druckabfall.
Die Gasadsorptionsleistung wird gemäß ISO 11 155-2 gemessen und hängt von der Gaskonzentration im Vorfeld ab, die viel höher ist als die realen Konzentrationen, um akzeptable Testzeiten zu erreichen, z. B. 80 ppm für Toluol und 30 ppm für NOx und SO2.
Die Adsorptionseffizienz hängt stark davon ab, wie stark der Adsorber bereits beladen ist, und die besten Filter haben Wirkungsgrade von weit über 90 %. Die Adsorptionskapazität wird bei 95 % Durchbruch oder einer bestimmten Testdauer, z. B. 3 Stunden, bestimmt. Die tatsächliche Filterkapazität hängt von der Aktivkohlemasse ab – zylindrische Filter für 80-130 kW-Brennstoffzellen erreichen mehr als 100 g Toluol bei 80 ppm Beladung und 95 % Wirkungsgrad, mehr als 30 g SO2 bei 30 ppm Beladung nach 3 Stunden und mehr als 25 g NOx unter den gleichen Beladungsbedingungen.
Die obige Abbildung zeigt das Prinzip der funktionalisierten Aktivkohlen. Die Durchbruchskurven verschiedener Aktivkohlen für unterschiedliche Gase werden verglichen. Während Aktivkohle A ihren Sättigungspunkt für Gas 1 nach kurzer Zeit erreicht, ist sie für Gas 2. Aktivkohle D ist dagegen nicht für Gas 2 geeignet, sondern funktioniert am besten für Gas 3. Die Kombination verschiedener Aktivkohleschichten kann daher die Adsorptionseffizienz für spezielle Expositionsmerkmale maximieren. Bei allen Kathodenluftfiltern muss ein optimales Gleichgewicht zwischen der volumetrischen Adsorptionsleistung und dem Druckabfall gefunden werden, was das Design des Kathodenluftfilterelements bestimmt. Passiert das Schadgas mehrere Aktivkohleschichten, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit der Adsorption, während der Druckabfall deutlich zunimmt.
Die ISO 5011 wird zur Bewertung der Partikelfiltrationsleistung von Brennstoffzellenfiltern herangezogen. Bei Belastung mit A2-Teststaub (ISO 12 103 – 1g/m³). Der oben beschriebene Filter erreicht einen anfänglichen Abscheidegrad von 99 % und mehr, mit einer Staubkapazität von 150 g bei 50 mbar Druckabfall.
Wie Sie in der Abbildung unten sehen können, werden die verschiedenen Filtermedien in Kombination verwendet.
Welche verschiedenen Arten von Filterelementen gibt es?
Im Allgemeinen gibt es 3 verschiedene Arten von Filterelementen.
a) Plissiertes Filterelement
b) Stapelfilterelement und
c) Rundes Filterelement
Die Leistung dieser Elemente im Verhältnis zueinander ist in den nachstehenden Kurven für Volumenstrom und Druckverlust dargestellt. Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Adsorptionsleistung steigt, wenn der Volumenstrom abnimmt.
Warum ist der Druckabfall bei einem Brennstoffzellenfilter so wichtig?
Ein höherer Druckabfall muss durch eine höhere Kompressorleistung kompensiert werden, was nicht nur zusätzliche Geräusche verursacht, sondern auch mehr Energie verbraucht und somit den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verringert. Eine Gegenmaßnahme ist die Vergrößerung des Filters, was jedoch nicht bei allen Anwendungen möglich ist. In Personenkraftwagen zum Beispiel erfordern Brennstoffzellenstacks einen hohen Luftdurchsatz, es steht aber nur ein geringes Volumen zur Verfügung – daher werden häufig Plattenluftfilter eingesetzt. In Nutzfahrzeugen ist mehr Platz vorhanden – und in Kombination mit den höheren Anforderungen an die Lebensdauer werden zylindrische Elemente mit mehreren Aktivkohleschichten bevorzugt. Ist der Luftstrom gering, z. B. bei kleineren Brennstoffzellenstapeln, werden zylindrische Elemente bevorzugt.
Wo genau werden Brennstoffzellenfilter in Brennstoffzellen oder Wasserstoffsystemen eingesetzt?
Kathodenluftfilter sind dem Kompressor vorgeschaltet, um auch diese Komponenten vor Verunreinigungen durch Partikel zu schützen. Besteht die Gefahr des Wassereintritts, sollte dem Filterelement ein Wasserabscheider vorgeschaltet werden, da flüssiges Wasser auf dem Filterelement den Luftdurchlass blockieren und Adsorptionsstellen in den Adsorberschichten besetzen könnte.
Die folgende Abbildung zeigt ein beispielhaftes Layout.
Wie oben ersichtlich, ist der Brennstoffzellenfilter dem Kompressor vorgeschaltet.
Welche Auswirkungen hat saubere Luft in einem Brennstoffzellenstack?
Brennstoffzellenfilter reinigen die Luft, was letztlich die Leistung eines Brennstoffzellensystems verbessert. Die nachstehende Abbildung ist das Ergebnis eines ZBT-Tests, der durchgeführt wurde, um die Auswirkungen von sauberer Luft auf einen Brennstoffzellenstapel zu analysieren.
Wie aus der obigen Abbildung ersichtlich ist, bleibt die Spannung von Stack A, der mit einem Filter betrieben wird, nahezu konstant, während Stack B eine stärkere Verschlechterung erfährt, die durch NOx verursacht wird, wie der Spannungsabfall als Folge der Spitzen in der NOx-Konzentration zeigt. Dies zeigt deutlich, dass saubere Luft eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Leistung eines Brennstoffzellensystems spielt.
Wie oft müssen die Filter ausgetauscht werden?
Da die Gasadsorptionskapazität für Zielgase in kathodischen Luftfilterelementen von der Adsorbermasse abhängt, muss der Filter gewechselt werden, wenn die Aktivkohlen voll beladen sind oder das schädliche Gas beginnt durchzubrechen. Das Wartungsintervall hängt also sehr stark von der Aktivkohlemischung, der Adsorbermasse und der Filtergröße ab. Um angemessene Filterstandzeiten zu erreichen, sollten die typischen Zielgaskonzentrationen, die unter typischen Betriebsbedingungen auftreten, bekannt sein, um ein Filterdesign mit ausgewogener Adsorptionsleistung zu ermöglichen.
Beitrag von MANN+HUMMEL
MANN+HUMMEL ist ein weltweit führendes Unternehmen der Filtrationstechnik. In seinen beiden Geschäftsbereichen Transportation und Life Sciences & Environment entwickelt der Ludwigsburger Konzern intelligente Lösungen, die eine sauberere Mobilität, sauberere Luft und saubereres Wasser ermöglichen. Damit leistet das Unternehmen einen wichtigen Beitrag zu einer sauberen Erde und zur nachhaltigen Nutzung der begrenzten Ressourcen. Im Jahr 2020 erwirtschafteten über 23.000 Mitarbeiter an mehr als 80 Standorten einen Umsatz von 4,2 Milliarden Euro. MANN+HUMMEL ist Ihr perfekter Partner, um Ihr Brennstoffzellengeschäft zu entwickeln und global zu skalieren.
Letzte Aktualisierung: 15.1.2023