Das Luftfiltersystem übernimmt die Kernaufgabe potenziell für das Brennstoffzellensystem schädliche Bestandteile aus der angesaugten Umgebungsluft abzuscheiden. Im Fokus stehen primär Partikel und Schadgase aber auch Tropfen, welche die Funktion der Filtermedien selbst beeinträchtigen können. Das Filtersystem ist immer auf das Anwendungsgebiet auszurichten, sodass die Systeme im Allgemeinen mehrstufig aufgebaut sind. In sehr staublastigen oder nassen Umgebungen kann eine Grobpartikelabscheidestufe sowie Wasserabscheidung vor den brennstoffzellenspezifischen Filterstufen integriert werden. [1, 2]
Arten
Das Luftfiltersystem ist auf die unterschiedlichen Luftverunreinigungen auszulegen. Der Aufbau kann sich abhängig von den anwendungsspezifischen Verunreinigungen folgendermaßen zusammensetzen.
Tropfen – Wasservorabscheidung
Hohes Partikelaufkommen mit breiter Größenverteilung – Grobpartikelvorabscheidung
Straßenübliches Partikelaufkommen – Klassische Partikelfiltermedien
Schadgase (H2S, SOx, NH3, NOx, CxHy, weitere) – Adsorbensschichten
Zur Partikel- und Schadgasabscheidung werden mehrlagige Filtermedien mit Partikelfilterlagen und Adsorbensschichten eingesetzt. Die einzelnen Lagen sind jeweils auf die voraussichtliche Partikelkonzentration und Größenverteilung sowie die zu erwartende Schadgase und deren Konzentrationen auszulegen. [1–4]
Anforderungen
Die allgemeine Anforderung an das Filtersystem liegt darin, über einen langen Zeitraum effektiv Verunreinigungen abzuscheiden, wobei durch die abgeschiedenen Verunreinigungen der Differenzdruck nicht signifikant erhöht wird. Dies würde außerdem die parasitäre Verdichterleistung erhöhen. Ebenso darf die Schadgaskonzentration auf der Reinseite nicht signifikant ansteigen. Dies ist nur über einen gewissen Zeitraum zu gewährleisten (Filterstandzeit), sodass bei einer spezifischen Partikel- und Schadgasabscheidemenge aufgrund der Partikelmenge der Differenzdruck über einen spezifischen Grenzwert ansteigt, bzw. die Schadgaskonzentration auf der Reinseite über einen Grenzwert ansteigt. Das Mehrlagenprinzip ermöglicht es, Filterlagen für spezifische Partikelgrößen und Schadgase einzusetzen, um die Standzeit zu optimieren. [1]
Herausforderungen
Aktuelle Entwicklungen fokussieren sich auf die Analyse relevanter Schadstoffe für die Brennstoffzelle. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf den Schadgasen. Es ist bereits eine breite Datenlage zu relevanten Schadgasen im straßengebundenen Verkehr vorhanden. Herausforderungen bestehen aber beispielsweise noch bei der Ermittlung relevanter Schadstoff im Off-Road-Bereich (z.B. Bau- und Landmaschinen) und in maritimen Anwendungen. Ebenso herausfordernd ist die Bestimmung der Filterwechselintervalle für die Schadgasfiltration, da ein Anstieg der Schadgaskonzentration auf der Reinseite bereits eine irreversible Degradation des Brennstoffzellenstapels verursachen kann.
Literatur
[1] P. Geskes, S. Biba und M. Baumann, „Luftfilter und Befeuchter für Nutzfahrzeug-Brennstoffzellen mit hohen Lebensdaueranforderungen,“ MTZ Motortech Z, Jg. 83, Nr. 6, S. 42–46, 2022. [Online]. Verfügbar unter: https://doi.org/10.1007/s35146-022-0824-8
[2] M. Harenbrock, A. Korn, A. Weber und E. Hallbauer, „Holistic Design of Innovative Cathode Air Supply for Automotive PEM Fuel Cells,“ 21. Internationales Stuttgarter Symposium, S. 121–136, 2021. doi: 10.1007/978-3-658-33466-6_9. [Online]. Verfügbar unter: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-658-33466-6_9
[3] U. Misz, A. Talke, A. Heinzel und G. Konrad, „Sensitivity Analyses on the Impact of Air Contaminants on Automotive Fuel Cells,“ Fuel Cells, Jg. 16, Nr. 4, S. 444–462, 2016, doi: 10.1002/fuce.201500159.
[4] C. Özyalcin, P. Mauermann, S. Dirkes, P. Thiele, S. Sterlepper und S. Pischinger, „Investigation of Filtration Phenomena of Air Pollutants on Cathode Air Filters for PEM Fuel Cells,“ Catalysts, Jg. 11, Nr. 11, S. 1339, 2021, doi: 10.3390/catal11111339.
