Der Brennstoffzellenstapel eines wasserstoffbasierten Fahrzeugs wird mit Umgebungsluft versorgt, welche einen Sauerstoffanteil von etwa 21 % aufweist. Eine Verdichtung der Umgebungsluft ermöglicht es, den Sauerstoffpartialdruck im Brennstoffzellenstapel zu erhöhen. Dies verhindert lokale Unterversorgung, erleichtert das Feuchtemanagement und führt somit zu einer Leistungssteigerung. Die erforderliche Verdichtungsleistung hat einen signifikanten Einfluss auf die Gesamtleistung, sodass aktuelle Betriebsdrücke bei bis zu 2,5 bar(a) liegen. Die Integration eines Expanders ermöglicht es den Betriebsdruck weiter anzuheben. [1, 2]
Arten
Für die Umsetzung kommen beispielsweise folgende Technologien in Frage [3].
- Radialverdichter
- Klauenverdichter
- Rootsgebläse
- Drehschieberpumpe
- Schraubenverdichter
- Scrollverdichter
- Seitenkanalverdichter
Nach dem aktuellen Stand der Technik setzen sich vorrangig Radialverdichter für den Einsatz in brennstoffzellenelektrischen Fahrzeugen durch. Weitere Infos zum Aufbau der unterschiedlichen Bauweisen und deren Funktionsweise finden Sie in [3].
Materialeigenschaften
Bei der Wahl des Gebläses ist darauf zu achten, dass durch die Lagerung von bewegten Bauteilen, kein Schmieröl in die Gasströmung gelangt. Dies erfordert eine effektive und verschleißarme Dichtung. Alternativ können ölfreie Lagerungen in Form von Gasfolienlager oder Magnetlager eingesetzt werden. Die unterschiedlichen Arbeitsprinzipien von Verdichtern können Pulsationen in der Gasströmung zur Folge haben. Diese sollten etwa 200 mbar nicht überschreiten. Ebenso ist das Noise-, Vibration- & Harshness-Verhalten (NVH) zu berücksichtigen. [3]
Herausforderungen
Die Verdichtung der Luft erfordert eine hohe parasitäre Antriebsleistung. Um die Systemeffizienz zu erhöhen, werden aktuell elektrische Verdichter mit zusätzlichem Expander entwickelt, welche die Verdichterantriebsleistung zugunsten der Systemeffizienz verringern können. Vor allem im Nutzfahrzeugsektor wird der Einsatz derartiger Verdichter erwartet. [4]
Literatur
[1] Y. Zhao, Y. Liu, G. Liu, Q. Yang, L. Li und Z. Gao, „Air and hydrogen supply systems and equipment for PEM fuel cells: a review,“ International Journal of Green Energy, Jg. 19, Nr. 4, S. 331–348, 2022, doi: 10.1080/15435075.2021.1946812.
[2] J. Hoeflinger und P. Hofmann, „Air mass flow and pressure optimisation of a PEM fuel cell range extender system,“ International Journal of Hydrogen Energy, Jg. 45, Nr. 53, S. 29246–29258, 2020, doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.07.176.
[3] B. Blunier und A. Miraoui, „Proton Exchange Membrane Fuel Cell Air Management in Automotive Applications,“ Journal of Fuel Cell Science and Technology, 2010.
[4] D. Lückmann, A. Schloßhauer, J. Klütsch und L. Plum, „Effizienzsteigerung durch die Verwendung einer Turbine im Brennstoffzellensystem,“ MTZ Motortech Z, Jg. 84, Nr. 12, S. 48–51, 2023. doi: 10.1007/s35146-023-1535-5. [Online]. Verfügbar unter: https://link.springer.com/article/10.1007/s35146-023-1535-5
