Die Menge des anfallenden Produktwassers ist direkt gekoppelt an die umgesetzte Menge an Wasserstoff, sodass unter Volllast eine große Menge an Produktwasser anfällt. Dieses dient zur Selbstbefeuchtung der Zellmembran und fällt aufgrund von Transportprozessen sowohl auf der Kathodenseite als auch auf der Anodenseite an und wird über die Reaktionsgase bis zur Sättigung gasförmig und darüber hinaus tropfenförmig ausgetragen. Die anfallenden Tropfen können Erosionen an den Systemkomponenten verursachen und zu Verstopfungen der Gaskanäle und daraus folgenden Unterversorgung des Stapels und der darin enthaltenden Zellen führen. Dies macht eine Abscheidung von Tropfen erforderlich. [1, 2]
Arten von Wasserabscheidern
Bei der Abscheidung kann man sich an unterschiedlichen Wirkprinzipien bedienen. Dazu gehören:
- Strömungsumlenkungen [3]
- Trägheitsabscheider [4]
- Prallwandabscheider [5]
- Gravimetrische Abscheider [6]
- Aktive Abscheider [7]
Anforderungen
Bei der Wahl der Art des Abscheiders ist auf eine hohe Abscheiderate, bei gleichzeitig niedrigen Differenzdruck zu achten. Ebenso ist ein Sammelbehälter mit Ablassventil vorzusehen. [1]
Materialanforderungen
Der Wasserabscheider kommt in Kontakt mit einem Gasgemisch aus Wasserstoff, sowie von der Kathodenseite diffundierten Stickstoff und Produktwasser in Gas- und Tropfenform. Es ist darauf zu achten, dass keine Reaktionen zwischen den Komponentenmaterialien und dem Gasgemisch auftreten, welche die Eigenschaften der Materialien nachteilig verändern (z.B. Wasserstoffversprödung), oder zu einem Eintrag von Fremdstoffen in das Gasgemisch in Form von z.B. Ionenaustrag oder Additivauswaschungen führen, welche eine Degradation des Brennstoffzellenstapels begünstigen. Die Eignung von Werkstoffen ist im Einzelfall zu prüfen und Gegenstand der aktuellen Forschung.
Forschung
Aktuelle Entwicklungen integrieren die Funktion der Wasserabscheidung in eine weitere Komponente des Anodensubsystems. Dies spart Bauraum und verringert die Teilevielfalt. So kann die Abscheidung beispielsweise in eine Strömungsumlenkung in den Leitungen oder in eine Rezirkulationspumpe als aktive Abscheidung integriert werden. [3, 7]
Literatur
[1] J. Han, J. Feng, P. Chen, Y. Liu und X. Peng, „A review of key components of hydrogen recirculation subsystem for fuel cell vehicles,“ Energy Conversion and Management: X, Jg. 15, S. 100265, 2022, doi: 10.1016/j.ecmx.2022.100265.
[2] G. Singer, G. Gappmayer, M. Macherhammer, P. Pertl und A. Trattner, „A development toolchain for a pulsed injector-ejector unit for PEM fuel cell applications,“ International Journal of Hydrogen Energy, Jg. 47, Nr. 56, S. 23818–23832, 2022, doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.05.177.
[3] M. Harenbrock, T. Grein, S. Kunze, L. Bachmann und M. Fasold, “Abscheideelement und Brennstoffzellensystem,” DE102015015715B4.
[4] A. Weber und E. Nocera, “Water Separator with throttle element and fuel cell system with water separator,” US20230420707A1, Dez 28, 2023.
[5] M. Kibler, P. Wisshak, S. Schmalzriedt, A. Matheis, T. Stark und P. Baumgartl, “LIQUID SEPARATOR,” US020230256369A1.
[6] T. Falkenau und T. Bosch, “Wasserabscheider, Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug,” DE102022200110A1, Jul 13, 2023.
[7] J. Lissy, D. Gernand und E. Stitterich, “Störungsarmer rotierender Abscheider mit hoher Kompatibilität für den Einsatz in Brennstoffzellensystemen,” DE102021116944A1.
