Dieser Artikel wurde verfasst von:
Robert Jozsa
Robert ist Produktmanager für alternative Technologien in der Abteilung für mobile Motorfiltration bei Parker Hannifin. Er verfügt über 10 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Filtrationslösungen für die Transportindustrie. In seiner jüngsten Position leitet er die Entwicklung von Filtrations- und Separationslösungen für Brennstoffzellen und H2-ICE-Anwendungen. Er beobachtet Markttrends und leitet Projekte mit OEMs und F&E-Teams, um neue Technologien und Produkte zu entwickeln, welche die Bedürfnisse der Kunden erfüllen.
Wie Sie die Leistung und Lebensdauer Ihrer Brennstoffzelle maximieren können
12. Juni 2024
Welche Rolle spielen Brennstoffzellen bei der Sicherung der Kohlenstoffneutralität?
Die Dekarbonisierung, die durch den Klimawandel vorangetrieben wird, ist eines der wichtigsten Ziele unserer Zeit. Regierungen auf der ganzen Welt führen Gesetze zur Steigerung der Erzeugung und Nutzung erneuerbarer Energien, der Elektrifizierung und der Verringerung der Treibhausgasemissionen (THG) mit dem Ziel Klimaneutralität zu erreichen..
Um den Übergang zur Klimaneutralität zu erleichtern, muss der Verkehrssektor einen grundlegenden Wandel durchlaufen. In Europa entfallen rund 25% der gesamten Treibhausgasemissionen der EU auf den Verkehr, in den USA sind es etwa 28%.
In der EU sind schwere Nutzfahrzeuge – Lkw und Busse – für mehr als ein Viertel der CO2-Emissionen im Straßenverkehr verantwortlich, obwohl sie weniger als 3% des Fahrzeugbestands ausmachen. Die Einführung von emissionsfreien Lösungen für diesen Sektor wird einen großen Beitrag zur Klimaneutralität leisten.
Es gibt mehrere Null-Emissionen-Technologien, die entweder in Produktion oder in Entwicklung sind.
Das batteriebetriebene Elektrofahrzeug (BEV) ist bereits auf dem Markt erhältlich, mit einem deutlichen Wachstum im Pkw-Bereich und einer beginnenden Einführung im Nutzfahrzeugsegment. Der Hauptvorteil von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen ist ihre Effizienz.
Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV) können eine optimale Lösung für den Langstreckeneinsatz im Schwerlastverkehr sein. Sie haben eine hohe Leistungsdichte, eine große Reichweite und eine ähnliche Betankungszeit wie Diesel. Für einige Anwendungen, bei denen schwere Lasten transportiert werden müssen und eine große Reichweite erforderlich ist, könnte der FCEV die beste Option sein.
Eine dritte Lösung, die sich in der Entwicklung befindet, ist der Wasserstoff-Verbrennungsmotor, bei dem Wasserstoff anstelle eines fossilen Brennstoffs verbrannt wird. Der Vorteil ist, dass er das Grundgerüst des Verbrennungsmotors mit einigen für die Wasserstoffanpassung erforderlichen Änderungen nutzt.
Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?
Ein Brennstoffzellensystem erzeugt Strom durch eine chemische Reaktion mit Wasserstoff und Sauerstoff, bei der als einziges Nebenprodukt Wasser und Wärme entsteht.
Es gibt mehrere Brennstoffzellentechnologien, aber für den Verkehrsmarkt ist die Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), auch bekannt als Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle, der Spitzenreiter. Sie zeichnet sich durch einen niedrigen Betriebstemperatur- und -druckbereich, eine hohe Leistungsdichte, eine schnelle Anlaufzeit und eine spezielle protonenleitende Polymerelektrolytmembran aus.
Der Brennstoffzellenstapel besteht aus mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen. Jede Brennstoffzelle besteht aus drei Hauptkomponenten: zwei Elektroden (Anode und Kathode) und der Protonenaustauschmembran als leitendem Elektrolyt. Jede Elektrode besteht aus einem porösen Material mit großer Oberfläche, der so genannten Gasdiffusionsschicht (GDL), und einer Katalysatorschicht als Kohlenstoffträger, der mit einem Katalysator, in der Regel Platin oder einer Platinlegierung, imprägniert ist. Das Elektrolytmaterial ist eine polymere Membran und dient als Ionenleiter. Die chemische Reaktion findet sowohl auf der Anoden- als auch auf der Kathodenseite an der katalytischen Oberfläche statt.
Auf der Anodenseite breitet sich der Wasserstoff durch die GDL aus, bis er die katalytische Oberfläche erreicht, wo er durch eine Wasserstoffoxidationsreaktion (HOR) in Protonen und Elektronen aufgespalten wird. Die neu gebildeten positiv geladenen Protonen dringen durch die Polymerelektrolytmembran zur Kathodenseite vor, während die negativ geladenen Elektronen entlang eines externen Lastkreises wandern und so die Stromleistung der Brennstoffzelle erzeugen.
Auf der Kathodenseite breitet sich der einströmende Sauerstoff durch die GDL aus und reagiert an der katalytischen Oberfläche mit den Protonen, die durch die Membran dringen, und den Elektronen, die über den externen Kreislauf eintreffen, durch die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) und bildet Wassermoleküle und Restwärme.
Die Hauptfunktion der Polymerelektrolytmembran besteht darin, die Wasserstoffprotonen, nicht aber die Elektronen, zu leiten und sie darf keines der beiden Gase auf die andere Seite durchlassen. Für den optimalen Protonentransfer muss eine angemessene Befeuchtung der Membran gewährleistet sein.
Wie wirkt sich die Wasserstoff- und Luftqualität auf die Leistung einer Brennstoffzelle aus?
Als Katalysator sowohl für die Kathoden- als auch für die Anodenseite wird in der Regel Platin oder eine Platinlegierung verwendet. Damit die chemische Reaktion optimal abläuft, muss die Oberfläche der Katalysatorschicht frei von Verunreinigungen sein.
Auf der Anodenseite muss die Qualität des Wasserstoffs sehr hoch sein. Verunreinigungen und verschiedene Gasbestandteile müssen entfernt werden. Die Qualität des Wasserstoffs wird auf der Ebene der Tankstellen kontrolliert, wo sauberer Wasserstoff in Brennstoffzellenqualität mit einem Reinheitsgrad von 99,97 % verfügbar ist. Eine Filtration ist dennoch erforderlich, da beim Tanken noch Verunreinigungen vorhanden sein können.
Auf der Kathodenseite wird der Sauerstoff aus der Umgebungsluft verwendet, die jedoch aufgrund der sehr unvorhersehbaren Verschmutzung der Luft gefiltert und aufbereitet werden muss. Feine Partikel in der Luft können die Strömungswege in der Gasdiffusionsschicht blockieren, was den Sauerstofffluss beeinträchtigt und die Wasserausscheidung verringert.
Bestimmte in der Luft vorhandene Gase wie Stickoxide, Schwefeldioxid, Ammoniak, Toluol und andere können die katalytische Schicht vergiften. Diese blockieren den Platinkatalysator und führen zu Leistungsverlusten aufgrund der Verringerung der elektrochemisch aktiven Oberfläche. Die vergiftende Wirkung mancher Gase ist reversibel, die anderer nicht. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass diese Schadstoffe herausgefiltert werden, bevor die Luft den Schornstein erreicht. Unterschiedliche Filtrationstechnologien müssen für eine optimale Luftfiltration kombiniert werden.
Die Polymerelektrolytmembran muss feucht sein, damit die Protonen effektiv übertragen werden können und die Gase nicht auf die andere Seite gelangen. Wenn die Membran austrocknet, wirkt sich dies auf den Protonentransfer aus und verringert ihre Haltbarkeit und Lebensdauer. Während des Betriebs erzeugt die Brennstoffzelle eine große Menge Wasser, die jedoch aus dem Stapel entfernt werden muss, um eine Überflutung der GDL zu vermeiden. Die Sicherstellung eines optimalen Feuchtigkeitsniveaus der einströmenden Luft mit einen Luftbefeuchter ist hierbei notwendig.
Welche Lösungen bietet Parker zur Verbesserung von Leistung und Haltbarkeit?
Parker hat ein breites Produktangebot für Brennstoffzellensysteme . Ausgehend von der sicheren und zuverlässigen Beförderung von Wasserstoff können wir eine breite Palette von Lösungen anbieten, wie z. B. Wasserstoff-Druckminderer , Wasserstoffarmaturen (niedriger und hoher Druck), Wasserstoffschläuche und Wasserstoffventile mit den entsprechenden Zertifizierungen. Um sicherzustellen, dass der Brennstoffzellenstapel geschützt ist, sollten sowohl die Parker Koaleszenz-Wasserstofffilter als auch die Anodenwasserabscheider verwendet werden. Außerdem haben wir in unserer Gruppe für technische Materialien mehrere Dichtungsmaterialien und Technologien, die für die Bedingungen von Hochdruckwasserstoff geeignet sind.
Auf der Kathodenseite schützt der Kathodenluftfilter den Brennstoffzellenstapel vor Feinstaub und allen Arten von Schadgasen. Die Filter werden auf der Grundlage der Anwendungsanforderungen entwickelt und ausgewählt, da die Gasadsorptionsleistung durch verschiedene Faktoren wie Umgebungsluft, Umweltbedingungen und Fahrzyklen beeinflusst werden kann.
Der Parker Brennstoffzellen-Luftbefeuchter nutzt unsere firmeneigene Hohlfasertechnologie mit dem Schwerpunkt auf Haltbarkeit und Feuchtigkeitsübertragung.
Die komplette Palette unserer Produkte für die gesamte Wasserstoffwirtschaft finden Sie auf unserer Wasserstoffselektor .