Funktionsprinzipien von Kathoden-Brennstoffzellengebläsen in stationären Brennstoffzellensystemen
- Was ist die Hauptfunktion eines Kathodengebläse?
- Welche Art von Kathodengebläse wird für die Luftzufuhr in stationären Brennstoffzellenanwendungen verwendet?
- Welches sind die wichtigsten Konstruktionsprinzipien bei der Integration von Kathodenluftkompressoren in ein Brennstoffzellensystem?
- Wie unterscheiden sich die Verdichtungsprinzipien der verschiedenen Arten von Kathodenluftkompressoren?
- Welches sind die typischen Vor- und Nachteile und die typischen Anwendungsbereiche der verschiedenen Kathodenluftkompressortypen?
- Sehen Sie sich das Lehrvideo über Kathodenbrennstoffzellengebläse an
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Was ist die Hauptfunktion eines Kathodengebläse?
Brennstoffzellen benötigen für ihre elektrochemischen Reaktionen Sauerstoff auf der Kathodenseite. Der normale Gasaustausch an der Kathode reicht bei Brennstoffzellen mit höherer Leistung nicht aus, um sie ausreichend mit Sauerstoff zu versorgen.
Aus diesem Grund geben die Stack-Hersteller (für handelsübliche PEM- und SOFC-Anlagen) einen Luftdurchsatz und einen Druck auf der Kathodenseite an.
Welche Art von Kathodengebläse wird für die Luftzufuhr in stationären Brennstoffzellenanwendungen verwendet?
Stationäre Brennstoffzellensysteme benötigen in der Regel nur ein Kathodengebläse und kein Anodenumlaufgebläse. Dieser Artikel konzentriert sich auf die stationären Anwendungen, die ein Kathodenluftgebläse erfordern. Es gibt verschiedene Brennstoffzellen auf dem Markt – kommerziell erhältlich sind die Typen PEM (Polymer Electrolyte Fuel Cell) und SOFC (Solid Oxide Fuel Cell).
Welches sind die wichtigsten Konstruktionsprinzipien bei der Integration von Kathodenluftkompressoren in ein Brennstoffzellensystem?
Der Druck auf der Kathodenseite wird vom Hersteller des Brennstoffzellenstacks vorgegeben und vom Systemhersteller umgesetzt. Hier versucht der Stackhersteller, einen hohen Wirkungsgrad für die Brennstoffzelle selbst zu ermöglichen, aber auch die parasitäre Verlustleistung für den Kathodenluftkompressor gering zu halten. Dies ist von besonderer Bedeutung, da die für die Kompression erforderliche Leistung mit dem Druck zunimmt. Der Systementwickler wird die folgenden Schlüsselfaktoren bei der Entscheidungsfindung berücksichtigen, wenn er ein Kathodenluftgebläse einbaut:
– Wirkungsgrad
– Robustheit
– Kompaktheit, Integrierbarkeit und Konnektivität (z. B. Feldbusse)
– Vermeidung von Mehrfach-Gleichstromwandlern (-> Gleichstromantrieb)
– Kaltstartfähigkeit, Kontrollierbarkeit
Wie unterscheiden sich die Verdichtungsprinzipien der verschiedenen Arten von Kathodenluftkompressoren?
Rein schematisch lassen sich die Eigenschaften der relevanten Luftverdichtungsprinzipien (Seitenkanalverdichter, Radialgebläse und Klauenpumpen) wie folgt darstellen:
1. Seitenkanalgebläse
Der Seitenkanalverdichter ist eine Maschine mit kontinuierlicher Strömung. Die Kompression wird durch den von den Schaufeln mitgerissenen Luftstrom erzeugt.
Aufgrund ihrer Bauweise sind Seitenkanalverdichter robust, kostengünstig und erzeugen einen moderaten Druck bei moderaten Geschwindigkeiten. Sie sind wartungsfrei und ölfrei.
Das obige Kennfeld zeigt, dass Seitenkanalverdichter prinzipiell für den strömungslosen Betrieb ausgelegt sind, d.h. sie überstehen problemlos einen verstopften Filter.
Der mechanische Wirkungsgrad beträgt bis zu 45 %.
2. Klauenpumpe
Klauenpumpen sind Verdrängermaschinen, die für die Erzeugung von Drücken von +100mbar bis +2bar geeignet sind. Sie sind potenziell ölfrei und erreichen einen hohen Wirkungsgrad zwischen +500mbar und +1500mbar.
Der mechanische Wirkungsgrad beträgt bis zu 55 %.
3. Zentrifugalgebläse (Radialgebläse/Turbogebläse)
Das Zentrifugalgebläse ist ein Durchlaufgebläse, der Druckaufbau erfolgt durch die Zentrifugalkräfte der beschleunigten Luft.
Radialgebläse benötigen höhere Drehzahlen für den mittleren Druckaufbau. Daher ist ein Zentrifugalgebläse mit niedrigen Enddrücken einfach aufgebaut. Gebläse mit höherem Durchsatz und höherem Druck sind aufwendig konstruiert.
Das Leistungskennfeld eines Radialgebläses wird durch die Pumpgrenze eingeschränkt. Ist der Durchfluss zu gering, kommt es zu einem Strömungsabriss, der eine Gefahr für die Pumpe darstellen kann. Es können elektronische oder mechanische Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
Zentrifugalgebläse zeichnen sich bei entsprechender Auslegung durch sehr hohe Wirkungsgrade von bis zu 70 % mechanisch aus.
4. Schneckenpumpe
Theoretisch nutzbar, aber der praktische Einsatz mit Brennstoffzellen unbekannt.
Welches sind die typischen Vor- und Nachteile und die typischen Anwendungsbereiche der verschiedenen Kathodenluftkompressortypen?
| Gebläse Typ | Vorteile | Nachteile | Typische Anwendung |
| Seitenkanal | Wirtschaftlich, Robust, Wartungsfrei | Begrenzte Effizienz | SOFC-Systeme >3KW mit moderaten Druckanforderungen |
| Typ Klaue | Hohe Drücke möglich | Wartung des Getriebes, Kosten | Mobile Anwendungen, Brennstoffzellen mit hoher Leistungsdichte oder für höheren Druck ausgelegt |
| Radialgebläse | Hoher Wirkungsgrad, wartungsfrei, wirtschaftliche Bauweise für niedrige Drücke ausreichend | Aufwändige Konstruktion für höhere Drücke erforderlich | Mobile Anwendungen, Brennstoffzellen mit hoher Leistungsdichte, kleine Brennstoffzellen, nicht modulare Zellen über 30 kW mit Schwerpunkt auf dem Wirkungsgrad |
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Beitrag von Becker International
Gebr. Becker wurde 1885 als “Maschinenfabrik Gebr. Becker” in Wuppertal-Barmen gegründet. Heute ist Becker, in 4. Generation inhabergeführt, ein weltweit führender Hersteller von Vakuum- und Pneumatikgeräten. Becker Vakuumpumpen, Kompressoren und pneumatische Systeme sind in vielen Industriezweigen bekannt und werden als Einzelkomponenten und komplette Systemlösungen angeboten. In den Werken werden jährlich etwa 120.000 Geräte und Systeme produziert. Der Exportanteil liegt bei 80 Prozent. Mit vielen innovativen Produkten und Konstruktionen, modernster Fertigungstechnik und zukunftsorientierten strategischen Investitionen, verbunden mit einem stabilen Familienbesitz, vertrauen Kunden und Lieferanten gleichermaßen auf Becker als fairen Partner. Becker liefert Kathodengebläse für Systeme mit mittlerer Brennstoffzellenleistung.
Letzte Aktualisierung: 15.1.2023