Kathodenluftfilter für Brennstoffzellen – Informationen und Auswahlmethoden
Globale Umweltbemühungen und Initiativen zur Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen fördern Möglichkeiten für alternative, tragfähige Energielösungen. Die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie, die den Sauerstoff in gefilterter Umgebungsluft und gespeichertem Wasserstoff zur Stromerzeugung nutzt, hat bemerkenswerte Marktanteile erreicht.
Wasserstoff-Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) sind eine attraktive Energiequelle, da die einzigen Nebenprodukte Wärme und Wasser sind. Daher verursacht diese Brennstoffzellentechnologie keine Kohlenstoffemissionen und bietet eine sehr umweltfreundliche und nachhaltige Möglichkeit zur Stromerzeugung.
Im lohnenswerten Streben nach maximaler Systemeffizienz bedarf jede Komponente einer Analyse und Optimierung. PEM-Brennstoffzellen bestehen aus drei Hauptkomponenten: der Anode, der Kathode und den Elektrolyten. Atmosphärische Luft oder „Kathodenluft“ strömt durch die Kathodenseite der Brennstoffzelle und Wasserstoff strömt durch die Anodenseite der Brennstoffzelle. Die daraus resultierende elektrochemische Reaktion erzeugt einen elektrischen Strom, der zur Energiegewinnung genutzt werden kann. Die Maximierung der Luftreinheit für die Kathode ist für die Optimierung einer PEM-Brennstoffzelle von entscheidender Bedeutung.
Anwendungen für Brennstoffzellen lassen sich grundsätzlich in mobile und nicht mobile Anwendungen einteilen. Mobile Anwendungen bestehen meist aus größeren Fahrzeugen wie Transportbussen und Lastkraftwagen. Bei nicht mobilen oder statischen Anwendungen handelt es sich meist um die Stromerzeugung in kleinem bis großem Maßstab für Gewerbe- oder Industriestandorte. Der erzeugte Strom kann sofort genutzt oder zur späteren Verwendung in einer Batterie gespeichert werden. Solberg bietet weltweit Filtrationslösungen für mobile und statische Anwendungen.
Warum brauchen Brennstoffzellen Schutz und Filtration?
Vor der Massenproduktion werden die meisten Brennstoffzellen in Labors mit relativ sauberen und idealen Luftbedingungen entwickelt. Allerdings sind reale Anwendungen, insbesondere mobile Einsätze, häufig rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die einzigartige Herausforderungen hinsichtlich der Bereitstellung sauberer Luft und zuverlässiger Leistung mit sich bringen.
Je nach Marktsegment und geografischem Standort gibt es viele Filterstandards, -normen und -tests, die angewendet werden. Die Anforderungen an die Partikel- und Adsorptionsfiltration variieren weltweit je nach Präferenz des Brennstoffzellenherstellers. Hersteller von Brennstoffzellen geben in der Regel zulässige Partikelgrößen und bestimmte Höchstkonzentrationen luftgetragener Bestandteile vor. Zu den anerkannten Normen für diesen Markt gehören ISO11155-1 und ISO11155-2 (früher DIN 71460). ISO11155-1 bezieht sich auf die Prüfung der Partikelgröße und ISO11155-2 befasst sich mit der Quantifizierung der Adsorptionsleistung von Bestandteilen.
Die richtige Dimensionierung eines Filtersystems beginnt mit der Auswahl des geeigneten durchlässigen Mediums oder der geeigneten Medien. Abbildung 1 zeigt das Grundkonzept der permeablen Medienfiltration.
Abbildung 1
Filtrationsunternehmen nutzen unterschiedliche Materialien, um unterschiedliche Filtrationsziele zu erreichen. Die Partikelfiltration wird mithilfe verschiedener Vliesmedien und Konfigurationen erreicht.
Tabelle 1
Welche luftgetragenen Bestandteile können einer Brennstoffzelle schaden?
Bei einigen Brennstoffzellenherstellern hat die Adsorption luftgetragener Bestandteile Priorität. Dies wird mithilfe der Kohlenstoffadsorptionstechnologie erreicht. Die Terminologie variiert je nach Branche und auf der ganzen Welt, am häufigsten wird jedoch der Begriff „Aktivkohle“-Technologie verwendet. Im Allgemeinen wird Aktivkohle in Filtermedien integriert (oben in Tabelle 1 aufgeführt). Es kann auch allein in Granulatform verwendet werden, um eine Adsorption unerwünschter Bestandteile zu erreichen (siehe unten in Tabelle 2).
Tabelle 2
Aktivkohlefiltration wird üblicherweise von Dritten getestet, um die Adsorptionswerte gemäß den zuvor genannten ISO-Normen oder anderen „lokalen“ Standards zu überprüfen.
Versorgung von Brennstoffzellen mit sauberer Luft
Die meisten Brennstoffzellen verwenden ein Gebläse, um atmosphärische Luft anzusaugen und an die Kathode zu liefern (siehe Abbildung 2). Viele Standardansaug- und Inline-Luftfilter -Designs für industrielle Luftbewegungsgeräte eignen sich für Brennstoffzellenfiltration Anwendungen. Plissierte Filter sind der Industriestandard, da das kompakte Design die verfügbare Oberfläche maximiert, was zu optimaler Leistung und längerer Elementlebensdauer beiträgt. Eine typische Elementkonfiguration ist zylindrisch mit einem Luftstrom von außen nach innen.
Figur 2
Bei der Auswahl der Oberfläche und Größe eines Filters ist es wichtig, die Optimierung des gesamten Systems zu berücksichtigen. Aus Leistungssicht wird ein Filterelement mit Partikeln beladen, die den Luftstrom im Laufe der Zeit allmählich einschränken und die Wirksamkeit des Adsorptionsmittels verringern. Der erhöhte Druckunterschied über dem Filterelement führt schließlich zu einer Verringerung der Luftzufuhr und zu einem Mangel an erforderlichem Sauerstoffgehalt an der Kathode. Die Bereitstellung einer ausreichenden Oberfläche zur Berücksichtigung der zu erwartenden Staubbelastung (basierend auf der Betriebsumgebung und der Erfüllung der Strömungskurvenanforderungen des Gebläses) ist entscheidend für die Versorgung der Brennstoffzelle mit der sauberen Luft, die für eine effiziente Stromerzeugung erforderlich ist. Sobald der Medientyp ausgewählt ist, bestimmt die erforderliche Durchflussmenge die Größe des benötigten Filterelements basierend auf der erforderlichen Oberfläche.
Der letzte Schritt im Designprozess ist die Auswahl eines Gehäuses, das den/die Filter enthält. Das Filtergehäuse ist auf die Stellfläche des Brennstoffzellenherstellers abgestimmt und bietet die entsprechende Anschlussgröße und -art.
Solberg stellt die Gehäuse- und Filterelemente als Komplettlösung für den Brennstoffzellenmarkt her und nutzt verschiedene proprietäre Kombinationen plissierter Medien, um die erforderliche Partikel- und Adsorptionsfiltration zu erreichen.
Wartung eines Brennstoffzellen-Luftfilters
Die Filtration in diesen Systemen erfordert eine routinemäßige Überwachung und Wartung der Filterelemente. Eine Differenzdrucküberwachung der Brennstoffzellenleistung wird empfohlen. Der Differenzdruck und gegebenenfalls die Adsorptionskapazität bestimmen die Wartungsintervalle des Filterelements. Darüber hinaus haben sich Feuchtigkeitssensoren als akzeptable Möglichkeit erwiesen, die verbleibende Adsorptionskapazität eines Filters über die Zeit zu überwachen.
Fazit
Da Brennstoffzellenhersteller bestrebt sind, hocheffiziente und langlebige Brennstoffzellensysteme zu entwickeln, ist bei der Spezifikation der richtigen industriellen Luftbewegungsausrüstung und der erforderlichen Filterung eine Zusammenarbeit mit Filterspezialisten erforderlich. Brennstoffzelleningenieure bevorzugen hohe Wirkungsgrade für Partikel im kleineren Mikrometerbereich und Adsorptionsfiltrationstechnologien, um der Brennstoffzelle saubere und schadstofffreie Luft zuzuführen. Daher müssen Filteranbieter hocheffiziente, kompakte und wirtschaftliche Designs entwickeln und liefern.
Solberg verfügt über das Fachwissen, bewährte und innovative Filtrationsprodukte für Brennstoffzellen-Entwicklungsprojekte zu liefern. Wir sind gut aufgestellt, um mit unseren Standard-, konfigurierten und kundenspezifischen Lösungen auf die Marktanforderungen zu reagieren.