Cathode Air Filters for Fuel Cells – Information & Selection Methods
Globalne wysiłki na rzecz ochrony środowiska i inicjatywy mające na celu zmniejszenie uzależnienia od paliw kopalnych sprzyjają powstawaniu alternatywnych, opłacalnych rozwiązań energetycznych. Technologia ogniw paliwowych wodorowych, wykorzystująca tlen z filtrowanego powietrza otoczenia oraz zmagazynowany wodór do wytwarzania energii elektrycznej, osiągnęła znaczący udział na rynku.
Ogniwa paliwowe wodorowe z membraną wymiany protonów (PEM) są atrakcyjnym sposobem pozyskiwania energii, ponieważ jedynymi produktami ubocznymi są ciepło i woda. Dlatego technologia ogniw paliwowych nie powoduje emisji dwutlenku węgla i stanowi bardzo przyjazną dla środowiska i zrównoważoną opcję wytwarzania energii.
Aby osiągnąć maksymalną wydajność systemu, każdy komponent wymaga analizy i optymalizacji. Ogniwa paliwowe PEM składają się z trzech głównych elementów: anody, katody i elektrolitu. Powietrze atmosferyczne lub „powietrze katodowe” przepływa przez stronę katodową ogniwa paliwowego, a wodór przepływa przez stronę anodową ogniwa paliwowego. W wyniku reakcji elektrochemicznej powstaje prąd elektryczny, który można wykorzystać do zasilania. Maksymalizacja czystości powietrza przy katodzie jest kluczowa dla optymalizacji ogniwa paliwowego PEM..
Zastosowania ogniw paliwowych można ogólnie podzielić na mobilne i stacjonarne. Aplikacje mobilne obejmują głównie większe pojazdy, takie jak autobusy i ciężarówki. Zastosowania niemobilne lub statyczne obejmują głównie produkcję energii na małą lub dużą skalę na potrzeby obiektów komercyjnych lub przemysłowych. Wytworzoną energię można wykorzystać od razu lub zmagazynować w akumulatorze do późniejszego wykorzystania. Solberg dostarcza rozwiązania filtracyjne do zastosowań mobilnych i statycznych na całym świecie.
Dlaczego ogniwa paliwowe wymagają ochrony i filtracji?
Zanim ogniwa paliwowe trafią do masowej produkcji, większość ich opracowuje się w laboratoriach, w których panują stosunkowo czyste i idealne warunki powietrza. Jednakże rzeczywiste zastosowania, zwłaszcza te mobilne, często są poddawane trudnym warunkom środowiskowym, które stwarzają wyjątkowe wyzwania w zakresie dostarczania czystego powietrza i niezawodnej pracy.
Istnieje wiele standardów, norm i testów filtracji, które stosuje się w zależności od segmentu rynku i lokalizacji geograficznej. Wymagania dotyczące filtracji cząstek stałych i adsorpcyjnej różnią się na całym świecie w zależności od preferencji producenta ogniw paliwowych. Producenci ogniw paliwowych zazwyczaj określają dopuszczalne rozmiary cząstek i maksymalne stężenia składników unoszących się w powietrzu. Akceptowane normy dla tego rynku obejmują ISO11155-1 i ISO11155-2 (dawniej DIN 71460). Norma ISO11155-1 dotyczy badania wielkości cząstek, a norma ISO11155-2 dotyczy ilościowego określania wydajności adsorpcji składników.
Prawidłowy dobór wielkości systemu filtracji rozpoczyna się od wybrania odpowiedniego przepuszczalnego medium lub mediów. Rysunek 1 przedstawia podstawową koncepcję filtracji przepuszczalnej.
Rysunek 1
Firmy filtracyjne wykorzystują różne materiały w celu osiągnięcia różnych celów filtracji. Filtrację cząstek stałych uzyskuje się stosując różnorodne media włókninowe i konfiguracje.
Tabela 1
Które substancje unoszące się w powietrzu mogą uszkodzić ogniwo paliwowe?
Niektórzy producenci ogniw paliwowych priorytetowo traktują adsorpcję składników unoszących się w powietrzu. Osiąga się to dzięki technologii adsorpcji węgla. Terminologia różni się w zależności od branży i kraju na świecie, jednak najczęściej używanym terminem jest technologia „węgla aktywnego”. Węgiel aktywny jest zazwyczaj zintegrowany z mediami filtracyjnymi (wymienionymi w tabeli 1). Można go również stosować samodzielnie w formie granulatu, w celu adsorpcji niepożądanych składników (przedstawiono poniżej w tabeli 2).
Tabela 2
Filtrowanie węglem aktywnym jest zazwyczaj testowane przez niezależne laboratoria w celu zweryfikowania wskaźników adsorpcji zgodnie z wcześniej wymienionymi normami ISO lub innymi „lokalnymi” standardami.
Dostarczanie czystego powietrza do ogniw paliwowych
Większość ogniw paliwowych wykorzystuje dmuchawę w celu zasysania powietrza atmosferycznego i dostarczania go do katody (patrz rysunek 2). Wiele standardowych filtrów wlotowych i filtrów powietrza liniowego przeznaczonych do przemysłowych urządzeń do przemieszczania powietrza nadaje się do zastosowań w filtracji ogniw paliwowych. Filtry plisowane stanowią standard branżowy, ponieważ ich kompaktowa konstrukcja maksymalizuje dostępną powierzchnię, co przekłada się na optymalną wydajność i dłuższą żywotność elementu filtracyjnego. Typowa konfiguracja elementu jest cylindryczna i umożliwia przepływ powietrza z zewnątrz do wewnątrz.
Rysunek 2
Wybierając powierzchnię i rozmiar filtra, należy wziąć pod uwagę optymalizację całego systemu. Z punktu widzenia wydajności, element filtrujący będzie zapełniał się cząstkami stałymi, które z czasem stopniowo ograniczą przepływ powietrza i obniżą skuteczność adsorbentu. Zwiększona różnica ciśnień na elemencie filtrującym ostatecznie zmniejszy ilość dostarczanego powietrza i pozbawi katody wymaganego poziomu tlenu. Zapewnienie odpowiedniej powierzchni, uwzględniającej przewidywane obciążenie pyłem (w oparciu o środowisko pracy i wymagania dotyczące krzywej przepływu dmuchawy), ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia ogniwu paliwowemu czystego powietrza potrzebnego do wydajnego wytwarzania energii. Po wybraniu rodzaju medium, wymagania dotyczące natężenia przepływu określą rozmiar elementu filtrującego potrzebny na podstawie wymaganej powierzchni.
Ostatnim etapem procesu projektowania jest wybór obudowy, w której umieszczony zostanie filtr(y). Obudowa filtra jest zaprojektowana tak, aby pasowała do wymiarów producenta ogniw paliwowych i zapewniała odpowiedni rozmiar i typ połączenia.
Solberg produkuje obudowy i elementy filtrujące stanowiące kompletne rozwiązanie dla rynku ogniw paliwowych i wykorzystuje różne opatentowane kombinacje plisowanych mediów w celu osiągnięcia wymaganej filtracji cząstek i adsorpcji.
Serwisowanie filtra powietrza ogniwa paliwowego
Filtracja w tych systemach wymaga regularnego monitorowania i serwisowania elementów filtrujących. Zaleca się monitorowanie różnicy ciśnień w celu sprawdzenia pracy ogniwa paliwowego. O częstotliwości serwisowania elementów filtrujących decyduje różnica ciśnień oraz, jeśli ma to zastosowanie, zdolność adsorpcyjna. Ponadto czujniki wilgotności okazały się akceptowalnym sposobem obserwacji pozostałej pojemności adsorpcyjnej filtra na przestrzeni czasu.
Wniosek
Ponieważ producenci ogniw paliwowych dążą do opracowania wysoce wydajnych i trwałych systemów ogniw paliwowych, określenie właściwego sprzętu do przemieszczania powietrza przemysłowego i wymaganej filtracji stwarza konieczność współpracy ze specjalistami w dziedzinie filtracji. Inżynierowie zajmujący się ogniwami paliwowymi preferują wysoką sprawność w przypadku cząstek o wielkości mikronów oraz technologie filtracji adsorpcyjnej, aby zapewnić czyste i wolne od zanieczyszczeń powietrze dla ogniwa paliwowego. W rezultacie dostawcy rozwiązań filtracyjnych muszą opracowywać i dostarczać wysoce wydajne, kompaktowe i ekonomiczne projekty.
Solberg dysponuje wiedzą specjalistyczną umożliwiającą dostarczanie sprawdzonych i innowacyjnych produktów filtracyjnych na potrzeby projektów rozwoju ogniw paliwowych. Jesteśmy dobrze przygotowani do reagowania na potrzeby rynku dzięki naszym rozwiązaniom standardowym, konfigurowalnym i dostosowanym do indywidualnych potrzeb.