Die Abgasgesetzgebung verschärft sich, die Klimadebatte gewinnt an Fahrt und damit auch die Entwicklung alternativer Antriebe. Ein vielversprechendes Konzept ist die Brennstoffzelle als Energielieferant für den Elektroantrieb. MANN+HUMMEL entwickelte dafür ein innovatives Luftführungssystem für den Kathodenpfad, um eine hocheffiziente Versorgung der Brennstoffzelle mit sauberer Luft sicherzustellen.

Umfassendes System schützt die Brennstoffzelle effizient

Kathodenluftfilter

Breitbanddämpfer

Ionentauscher-Filter

Kühlmittelpartikelfilter

Luftbefeuchter

Kathoden-Wasserabscheider

Eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembranen (PEM) besteht aus Elektroden, die durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind. Mithilfe einer elektrochemischen Reaktion werden Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in elektrische Energie umgewandelt. Die Membran ist für Protonen durchlässig, so dass diese Einheit elektrischen Strom erzeugen kann.

Eine Vielzahl dieser Elektrodenmembraneinheiten bilden in Reihe geschaltet den sogenannten Brennstoffzellen-Stack (deutsch: Stapel). Zentrale Komponenten reagieren dabei äußerst empfindlich auf Partikel, Schadgase und Wasser in der Ansaugluft. Die Protonenaustauschmembran benötigt beispielsweise eine ausreichend hohe relative Luftfeuchtigkeit in der Prozessluft, um nicht auszutrocknen. Darüber hinaus können Schadgase den mit Platin beschichteten Katalysator irreversibel beschädigen. Für die störungsfreie Funktion sowie Systemlebensdauer sind die Filtration von Partikeln und die Adsorption von Schadgasen ebenso wichtig wie die effiziente Wasserabscheidung. Das stellt das von MANN+HUMMEL neuentwickelte Luftführungssystem für den Kathodenpfad der Brennstoffzelle sicher.

Saubere Frischluft

Die angesaugte Umgebungsluft wird durch die Rohluftleitung mit Wasserabscheider zum Kathodenluftfilter, einem zentralen Element des Gesamtsystems, geleitet. Eine Partikelfilterlage scheidet Feststoffe aus der Ansaugluft ab. Die speziell ausgelegten Aktivkohleschichten des Filterelements adsorbieren schädliche Gase wie Schwefeldioxid (SO2), Stickoxide (NOX) und Ammoniak (NH3) und schützen den wertvollen Katalysator der Brennstoffzelle somit vor Vergiftung und Beeinträchtigung seiner Funktion.

Reinluftseitig dient ein Luftmassenmesser zur Ermittlung der ins System eintretenden Luftmasse. Mit dieser Information wird das exakte Mischungsverhältnis von Sauerstoff und Wasserstoff und damit der optimale Betrieb und die Effizienz des Brennstoffzellen-Stacks sichergestellt. Ein in die Reinluftleitung integrierter Resonator dämpft unerwünschte Strömungsgeräusche. Ein Faltenbalg in der Leitung sorgt für den notwendigen Bewegungsausgleich.

Perfekte Luftfeuchtigkeit

Um der Brennstoffzelle genügend Luft zuführen zu können, wird die saubere Luft im Kompressor verdichtet. Dies führt zu einer Temperaturerhöhung. Im nachgelagerten Ladeluftkühler wird die Luft deshalb auf ein für die Brennstoffzelle verträgliches Temperaturniveau gekühlt. Für den optimalen Betrieb der Brennstoffzelle ist eine ausreichende relative Luftfeuchtigkeit erforderlich. Ist die Ansaugluft zu trocken, wirkt sich das negativ auf die Leitfähigkeit der Protonenaustauschmembran im Brennstoffzellen-Stack aus. Der Luftbefeuchter reichert deshalb je nach Betriebszustand die Kathodenzuluft mit Prozesswasser aus der Abluft der Brennstoffzelle an und erhöht so die Feuchtigkeit. Prozessbedingt können dabei Wassertropfen entstehen, die von einem Kathoden-Wasserabscheider zum Schutz des Stacks abgeschieden werden.

Die Eingangsregelklappe vor dem Stack regelt den Luftstrom anschließend so, dass er für die elektrochemische Reaktion optimal eingestellt ist. Ein Partikelfilter im Medienverteilungsmodul, dem Flansch zum Brennstoffzellen-Stack, bringt zusätzliche Sicherheit vor Partikeln, die maßgeblich aus Herstellungs- und Montageprozessen stammen können.

Kathodenluftfiltersystem

Schutz des Brennstoffzellen-Stacks vor Verunreinigungen in der Luft

Partikel und Gase in der Luft können den Brennstoffzellen-Stack schädigen. Die Kombination aus Adsorption und Filtration ermöglicht eine saubere Luftzufuhr zum Stack und sorgt für eine konstante Leistung.

Breitbanddämpfer

Dämpfung des vom Kompressor verursachten Einlassgeräusches

Die Akustik des Systems wird durch die Reduzierung von Einlassgeräuschen und Schallabstrahlung der Kanäle verbessert. Einlassseitig sind der Verdichter sowie Strömungsgeräusche von Stack und Luftbefeuchter die Geräuschquellen.

Luftbefeuchter

Schutz der Brennstoffzellenmembranen vor dem Austrocknen

Der Luftbefeuchter liefert die für die Brennstoffzelle notwendige Feuchtigkeit, indem er Wasserdampf aus der Abluft in die Ansaugluft überträgt. Das Flachmembrankonzept sorgt für einen geringen Druckverlust.

Kathoden-Wasserabscheider

Schutz des Brennstoffzellen-Stacks vor Überflutung und Gefrieren

Wassertropfen in der Luft und ein vom Luftbefeuchter erzeugter Wasserwandfilm können zu Stack-Überflutungen und Blockierung der Kanäle führen. Der Wasserabscheider schützt den Stack durch Trägheitsabscheidung mit geringem Druckverlust vor Wasser.

Kühlmittelpartikelfilter

Schutz des Brennstoffzellen-Stacks vor Verschleiß und Blockierung der Kühlkanäle

Partikel im Kühlmittelkreislauf können entweder enge Kühlkanäle blockieren oder Verschleiß an der Pumpe verursachen. Filter mit druckverlustoptimiertem Design ermöglichen sauberes Kühlmittel im Hauptstrom.

Ionentauscher-Filter

Schutz des Brennstoffzellen-Stacks vor elektrischen Kurzschlüssen

Um die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels niedrig zu halten, müssen Ionen effektiv entfernt werden. Ionentauscher-Filter mit Materialien und Designs, die für den Automobilbetrieb optimiert sind, sorgen für Systemsicherheit.

Der Kreis schließt sich

Das bei der Reaktion entstehende Wasser wird durch eine Abluftleitung zurück an den Luftbefeuchter geführt. Hier erfolgt der Feuchteübertrag mittels einer gasdichten Flachmembran auf den Zuluftstrom. Das überschüssige Wasser wird mithilfe des Turbinen-Wasserabscheiders entfernt, um die Turbine vor Wasserschlag zu schützen. Mit Hilfe der Turbine wird die noch im System verfügbare kinetische Energie zur Erhöhung der Gesamteffizienz des Systems zurückgewonnen. Ein Resonator dämpft unerwünschte Geräusche, bevor die Luft über die Abluftleitung ausgeleitet wird.

Neben dem Luftführungssystem überträgt MANN+HUMMEL seine Filtrationskompetenz auch auf den Kühlkreislauf. Bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle entsteht Wärme, die abgeführt werden muss. Der Kühlmittelpartikelfilter entfernt im Hauptstrom schädliche Partikel aus dem Kühlkreislauf und schützt damit die Pumpe. Der im Nebenstrom positionierte Ionentauscher-Filter stellt sicher, dass die durch Ionenaustrag aus dem System steigende Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit unterhalb des zulässigen Grenzwertes bleibt.

Bei der Entwicklung des Luftführungssystems für den Kathodenpfad der Brennstoffzelle stützten sich die Experten von MANN+HUMMEL auf die Simulationskompetenz sowie auf umfangreiches Know-how bei der Bauteilauslegung. Das Ergebnis ist ein ganzheitliches System aus einer Hand. Perfekt aufeinander abgestimmte Komponenten sowie die signifikante Reduzierung von Schnittstellen vereinfachen Prozesse und stellen die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle über die gesamte Lebensdauer sicher.

Produktportfolio für Brennstoffzellenantriebe