Lernen Sie den Brennstoffzellen-Antriebsstrang mit einem interaktiven 3D-Modell besser kennen:

Luftbefeuchter

Die Protonenleitfähigkeit der Zellmembranen ist im Betrieb zum Großteil abhängig vom Wasserhaushalt der Zelle. Folglich hat der Wasserhaushalt der Zelle einen signifikanten Einfluss auf die Brennstoffzellenleistung. Im Betrieb befeuchtet sich die Zelle über das Produktwasser selbst. Innerhalb der Zelle finden unterschiedliche Wassertransportprozesse zwischen Anode und Kathode statt, welche den Membranwasserhaushalt beeinflussen. Weitere Details zu diesen Prozessen sind in der Fachliteratur zu finden [1–3]. Durch die Wasserstoffrezirkulation befeuchtet sich die Anode selbst. Kathodenseitig reichert sich die Luft mit Feuchte an und kann bei hohen Brennstoffzellenleistungen die Membran austrocknen. Aus diesem Grund wird die Eintrittsluft befeuchtet, um einer Membranaustrocknung und resultierende Leistungseinbußen sowie Degradationen vorzubeugen.

Typen von Befeuchtungskonzepten

Die Befeuchtung der Zuluft kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Die einzelnen Konzepte unterscheiden sich zwischen interner und externer Befeuchtungskonzepte sowie einer aktiven und passiven Befeuchtung wie auch der Verwendung des Produktwassers oder zusätzlichen Wasserreservoir. Die folgende Tabelle zeigt eine Auswahl an Befeuchtungstechnologien. Details zu den einzelnen Konzepten und weitere zusätzliche sind in der Fachliteratur zu finden [4].

KonzeptIntern /externAktiv /passivWasserreservoir erforderlich?
MembranbefeuchterExternPassivnein
EnthalpieradbefeuchterExternAktivnein
BlasenbefeuchterExternPassivja
DüseneinspritzungExternAktivja
Geteilte Zellmembran-befeuchtungInternPassivnein
MembranadditiveInternPassivnein
DochtbefeuchtungInternPassivja

Nach dem aktuellen Stand der Technik setzt sich die externe Membranbefeuchtertechnologie durch, da diese die geforderte Befeuchtungsleistung umsetzen kann. Durch die Verwendung der Abluftfeuchte werden kein zusätzliches Wasserreservoir und keine zusätzliche Energieversorgung benötigt. Weitere Befeuchtungstechnologien können ergänzend eingesetzt werden.

Anforderungen

Der Einsatz eines Befeuchters in einem Fahrzeug bringt mehrere Anforderungen mit sich. Zum einen ist zu sicherzustellen, dass im Betrieb zu jedem Zeitpunkt eine Befeuchtung der Zuluft möglich ist. Befeuchtungskonzepte, welche ein zusätzliches Reservoir erfordern, verbrauchen kontinuierlich Wasser, sodass dieses nachgefüllt oder effektiv aus der Abluft abgeschieden werden muss. Ebenso muss bei der Verwendung eines Reservoirs ein Einfrieren bei Frosttemperaturen verhindert werden. Aktive Konzepte bringen den Vorteil der Regelbarkeit erfordern jedoch eine Antriebsleistung, welche sich auf die Systemeffizienz auswirkt. Bei Membran- und Enthalpieradbefeuchtern ist darauf zu achten, dass eine luftdichte Trennung zwischen Abluft und Zuluft, jedoch eine Permeabilität für Wasser mit hoher Übertragungsrate gewährleistet ist. Neben der Optimierung der Übertragungsleistung ist bei der Befeuchterauslegung auch der über den Befeuchter abfallende Differenzdruck zu berücksichtigen, welcher möglichst niedrig sein sollte.

Herausforderungen

Aktuelle Entwicklungen bevorzugen die Flachmembranbefeuchtertechnologie gegenüber der Rohrmembranbefeuchtertechnologie, da sich höhere Übertragungsraten und geringere Differenzdrücke realisieren lassen. Aktuelle Membranbefeucher erfordern einen großen Bauraum und sind kostenintensiv in der Herstellung. Diese zwei Kernparameter gilt es zu optimieren. [5, 6]

Literatur

[1] P. Kurzweil, Hg. Brennstoffzellentechnik. Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden, 2016.

[2] T. V. Nguyen und R. E. White, „A Water and Heat Management Model for Proton‐Exchange‐Membrane Fuel Cells,“ J. Electrochem. Soc., Jg. 140, Nr. 8, S. 2178–2186, 1993. doi: 10.1149/1.2220792. [Online]. Verfügbar unter: https://​iopscience.iop.org​/​article/​10.1149/​1.2220792/​meta

[3] T. E. Springer, T. A. Zawodzinski und S. Gottesfeld, „Polymer Electrolyte Fuel Cell Model,“ J. Electrochem. Soc., Jg. 138, Nr. 8, S. 2334–2342, 1991. doi: 10.1149/1.2085971. [Online]. Verfügbar unter: https://​iopscience.iop.org​/​article/​10.1149/​1.2085971/​meta

[4] R. Huizing, Design and Membrane Selection for Gas to Gas Humidifiers for Fuel Cell Applications. University of Waterloo, 2007. [Online]. Verfügbar unter: https://​uwspace.uwaterloo.ca​/​handle/​10012/​3048

[5] P. Geskes, S. Biba und M. Baumann, „Luftfilter und Befeuchter für Nutzfahrzeug-Brennstoffzellen mit hohen Lebensdaueranforderungen,“ MTZ Motortech Z, Jg. 83, Nr. 6, S.