- Was ist ein Brennstoffzellen Luftbefeuchter?
- Wie funktioniert ein Brennstoffzellen Luftbefeuchter?
- Gibt es verschiedene Arten von Brennstoffzellen Luftbefeuchtern? Was sind sie?
- Klassifizierung von Brennstoffzellen Luftbefeuchtern:
- Benötigen Brennstoffzellenstapel einen Befeuchter?
- Was sind die wichtigsten Schnittstellen in einem Brennstoffzellen Luftbefeuchter?
- Was sind die wichtigsten Leistungskriterien für Brennstoffzellen-Befeuchtungssysteme?
- Welchen Einfluss hat ein Brennstoffzellenbefeuchter auf den Betrieb und die Effizienz eines Brennstoffzellensystems?
- Wie hoch sollte die ideale Luftfeuchtigkeit in einem Brennstoffzellensystem sein?
- Was passiert, wenn man keinen Brennstoffzellenbefeuchter in einem Brennstoffzellensystem verwendet?
- Was ist bei der Wartung eines Brennstoffzellenbefeuchters zu beachten?
- Wie lange ist die Lebensdauer eines Brennstoffzellen Luftbefeuchters?
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Was ist ein Brennstoffzellen Luftbefeuchter?
Beim Betrieb einer PEM-Brennstoffzelle ist das Wassermanagement sehr wichtig, da die Protonenleitfähigkeit der Polymerelektrolytmembran, die eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Zellleistung spielt, proportional zum Hydratationsgrad der Membran ist. Eine Veränderung der relativen Luftfeuchtigkeit von 85 auf 35 % bewirkt eine Verringerung der protonischen Leitfähigkeit von Nafion um eine ganze Größenordnung von 0,09 bis 0,009 Scm. Grundsätzlich muss eine Brennstoffzelle mit Hilfe eines Brennstoffzellenbefeuchters befeuchtet werden. Überschüssiges Wasser führt zur Diffusion der Reaktionsgase in Richtung der katalytischen Schichten. Dies führt zu einer Verringerung der Zellleistung sowie zu Verlusten durch Konzentration, Polarisation und Massentransport. Um eine hohe Leistung und eine gute Protonenleitfähigkeit zu erreichen, ist es wichtig, einen optimalen Wassergehalt in der Membran zu erhalten. Dies wird erreicht, indem befeuchtete Reaktantengase durch einen Befeuchter geleitet werden.
Wie funktioniert ein Luftbefeuchter für Brennstoffzellen?
Ein Brennstoffzellenbefeuchter schützt die Brennstoffzellenmembranen vor dem Austrocknen. Darüber hinaus sorgt der Befeuchter für Feuchtigkeit, indem er Wasserdampf aus den Abgasen in die Ansauggase überträgt. Die Gase, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, werden befeuchtet, um den optimalen Feuchtigkeitsgehalt der Membran aufrechtzuerhalten.
Gibt es verschiedene Arten von Brennstoffzellen Luftbefeuchtern? Was sind sie?
Auf dem Markt gibt es verschiedene Arten von Luftbefeuchtern für unterschiedliche Anwendungen.
Klassifizierung von Brennstoffzellen Luftbefeuchtern:
a) Auf der Grundlage der Befeuchtungsmethode
- Gas-zu-Gas-Befeuchtung
- Wasser-Gas-Befeuchtung
b) Basierend auf der Befeuchtungsart
- Umluftbefeuchter
- Befeuchter mit Hohlfasermembran
- Flachmembran-Luftbefeuchter
c) Basierend auf der Konstruktion des Befeuchters
i) Interne Befeuchtung
- Spezielle Stapelkonstruktion
- Direkte Flüssigkeitseinspritzung
- Zusatzstoff für Membranen
- Dochte, Schwämme und poröse Platten
ii) Externe Befeuchtung
- Luftbefeuchter Bubbler
- Enthalpie-Rad-Luftbefeuchter
- Befeuchter auf Membranbasis
Benötigen Brennstoffzellenstapel einen Befeuchter?
Das durch die Oxidationsmittel-Reduktionsreaktion intern erzeugte Wasser reicht im Allgemeinen nicht aus, um überall in der Zelle eine ausreichende Hydratation der Elektrolytmembran zu gewährleisten. Durch den Trocknungseffekt der Reaktantenströme wird dieses Produktwasser aus der GDL entfernt und die Membran bleibt trocken, insbesondere am Anfang der Strömungsfeldkanäle. Erschwerend kommt hinzu, dass es zwar wünschenswert ist, die Brennstoffzelle bei höheren Temperaturen zu betreiben, um die Aktivierungsverluste zu minimieren, der daraus resultierende Trocknungseffekt jedoch aufgrund des exponentiell ansteigenden Verlaufs der Sättigungsdampfdruckkurve bei höheren Temperaturen stärker ausgeprägt ist. Die Befeuchtung ist notwendig, um sicherzustellen, dass die gesamte Membranfläche gut befeuchtet ist. Eine stärker befeuchtete Membran hat eine höhere protonische Leitfähigkeit und eine längere Lebensdauer. Die Integration von Brennstoffzellen mit Brennstoffzellen-Befeuchtermodulen ist daher eine Selbstverständlichkeit, um eine optimale Leistung zu erzielen.
Die Befeuchtung des Stapels kann mit verschiedenen Methoden und Designs erreicht werden. Die Auswahl des Befeuchters richtet sich nach der Anwendung. Bei einem Labortestsystem wird das Reaktionsgas in der Regel befeuchtet, indem es durch ein Wasserbad in einem Blasenbefeuchter geleitet wird, der auf die gewünschte Temperatur eingestellt ist. Bei diesem Verfahren wird davon ausgegangen, dass der Taupunkt der Luft mit der Temperatur des Sprudelbefeuchters identisch ist. Diese Temperatur kann unabhängig von der Zellentemperatur geregelt werden, um den gewünschten RH-Wert des Gases zu erreichen. Wasserdampf wird von dem Gas absorbiert, und die Wasseraufnahme ist eine Funktion der Wasser-Gas-Grenzfläche. Dies ist eine herkömmliche Befeuchtungsmethode, die aufgrund ihrer Einfachheit und geringen Kosten in kleinen Labor-Brennstoffzellen weit verbreitet ist, aber für den Einsatz in großen Stacks nicht sehr praktisch ist.
Was sind die wichtigsten Schnittstellen in einem Brennstoffzellen Luftbefeuchter?
Der Brennstoffzellenbefeuchter besteht aus verschiedenen Teilen, die eine Befeuchtung der einströmenden Gase bewirken. Je nach gewähltem Befeuchtertyp werden unterschiedliche Teile verwendet. Die verschiedenen Teile des herkömmlichen Befeuchters sind ein Eingangskanal für einströmende heiße Gase und ein Ausgangskanal für ausströmende kalte Gase. Je nach gewähltem Befeuchtertyp ist der Befeuchter mit einer Trennmembran, einer Platte oder einem Rohr ausgestattet, um die heißen und kalten Gase zu trennen.
Was sind die wichtigsten Leistungskriterien für Brennstoffzellen-Befeuchtungssysteme?
Der Befeuchter ist ein wichtiger Faktor bei der Konstruktion einer Brennstoffzelle. Der Befeuchter muss in der Lage sein, die Feuchtigkeit des Reaktanden und den Durchfluss zur Brennstoffzelle jederzeit stabil und genau zu halten. Die Reaktionszeit, d. h. die Geschwindigkeit, mit der ein gewünschtes Feuchtigkeitsniveau erreicht werden kann, ist für einige Benutzer ebenfalls von Bedeutung. Wie bereits erwähnt, können einige Befeuchtungsmethoden das Befeuchtungsniveau schneller erreichen oder verändern als andere Systeme. Der Befeuchter muss außerdem in der Lage sein, einen für die Brennstoffzelle ausreichenden Anoden- und Kathodenstrom zu liefern.
Die Leistung und Lebensdauer eines PEMFC-Befeuchters hängt von der Stabilität, Genauigkeit und Kapazität des Befeuchtungssystems der Brennstoffzelle ab. Die Stabilität eines Befeuchters ist ein wichtiger Faktor für die erforderliche Durchflussmenge der Brennstoffzelle, die aufrechterhalten werden muss. Die Durchflussmenge der Gase bestimmt die Stabilität des Befeuchters. Die Genauigkeit des Befeuchters bei der Aufrechterhaltung des erforderlichen Feuchtigkeitsgehalts der einströmenden Gase wirkt sich auf die Leistung der Brennstoffzelle aus. Um eine optimale Leistung zu erzielen, sollte bei jedem Zyklus die gleiche Luftfeuchtigkeit beibehalten werden. Die Kapazität des Befeuchters muss auf die Kapazität der Brennstoffzelle abgestimmt werden. Der Durchfluss vom Befeuchter zur Brennstoffzelle darf nicht eingeschränkt sein.
Die anderen erforderlichen Kriterien für einen Brennstoffzellenbefeuchter sind Temperatur und thermische Masse. Die Temperatur ist der Parameter mit dem größten Einfluss auf die Leistung des Brennstoffzellenbefeuchters. Je höher die Temperatur, desto größer ist der Wasserdampfgehalt des zugeführten Gases. Die gesamte Kontaktfläche, über die das in den Befeuchter einströmende heiße Gas mit den ausströmenden kalten Gasen in Berührung kommt, ist einer der wichtigsten Leistungsparameter, die den Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle beeinflussen.
Welchen Einfluss hat ein Brennstoffzellenbefeuchter auf den Betrieb und die Effizienz eines Brennstoffzellensystems?
Der Befeuchter verbessert den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und ihres Brennstoffzellenstapels, indem er die Dehydrierung der Elektrolytmembran verringert oder beseitigt. Die Lebensdauer des membranbasierten Elektrolyten erhöht sich durch die einströmenden befeuchteten Gase. Die Lebenserwartung der Brennstoffzelle basiert auf der Lebensdauer der Membran. Daher muss die Brennstoffzelle die Feuchtigkeit der Membran aufrechterhalten, was den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle erhöht.
Wie hoch sollte die ideale Luftfeuchtigkeit in einem Brennstoffzellensystem sein?
Für einen ordnungsgemäßen Betrieb sollte in der Brennstoffzelle die ideale Luftfeuchtigkeit aufrechterhalten werden. Die Luftfeuchtigkeit sollte über 80 % liegen, um ein übermäßiges Austrocknen zu vermeiden, und sie muss unter 100 % liegen, um eine mögliche Überflutung der Elektroden zu verhindern.
Was passiert, wenn man keinen Brennstoffzellenbefeuchter in einem Brennstoffzellensystem verwendet?
Der Betrieb einer Brennstoffzelle ohne ein Befeuchtungssystem für die Brennstoffzelle führt zur Austrocknung der Elektrolytmembran. Dies führt zu Löchern in der Membran, die den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verringern. Alle handelsüblichen Brennstoffzellen verwenden einen Befeuchter, um eine optimale Leistung der Brennstoffzelle zu erzielen. Entweder erfordert die Brennstoffzelle ein internes Befeuchtungssystem, oder es wird eine externe Befeuchtung eingesetzt, um den Wirkungsgrad und die Lebenserwartung der Brennstoffzelle zu verbessern.
Was ist bei der Wartung eines Brennstoffzellenbefeuchters zu beachten?
Die wiederholte Verwendung des Brennstoffzellen Luftbefeuchters verringert die Lebenserwartung des Befeuchters. Die Wartung des Brennstoffzellenbefeuchters ist also sehr wichtig, um die Effizienz des Befeuchters zu verbessern, was wiederum die Effizienz der Brennstoffzelle erhöht. Die ordnungsgemäße Wartung des Luftbefeuchters erfordert ein effizientes Reinigungssystem, um eine hohe Leistung und eine längere Lebensdauer zu erreichen. Diese wird verwendet, um die Gasabscheidungsmembran des Befeuchters von Staub und Hindernissen zu reinigen. Die Wände des Befeuchters sollten frei von allen Arten kleiner Partikel sein, die sich durch die Feuchtigkeit gebildet haben.
Wie lange ist die Lebensdauer eines Brennstoffzellen Luftbefeuchters?
Die Lebensdauer eines PEM-Brennstoffzellenbefeuchters ist der wichtigste Parameter, der sich auf alle anderen Faktoren auswirken kann. Daher besteht ein wachsendes Interesse an der Erforschung der Leistung von Brennstoffzellenbefeuchtern, um langlebige Brennstoffzellenbefeuchtungssysteme zu entwickeln und sie in naher Zukunft in praktische Anwendungen zu integrieren. Die Lebensdauer des Brennstoffzellenbefeuchters hängt von den Betriebsparametern und der Effizienz des Befeuchters ab. Die maximale Lebensdauer eines Brennstoffzellenbefeuchters beträgt 18.000 bis 20.000 Stunden.
Es wurde berichtet, dass die Degradation der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) bei niedriger Luftfeuchtigkeit oder wenn keine Befeuchtung der Reaktionsgase stattfindet, auftritt. Bei der Sättigungsbefeuchtung des Speisestroms wiederum wurde kein nennenswerter Abbau festgestellt. Das Verständnis des tatsächlichen Mechanismus, der für den Abbau von MEA bei niedriger Luftfeuchtigkeit verantwortlich ist, ist jedoch bis heute unklar.
Letzte Aktualisierung: 13.01.2023