​​Der Aufstieg kathodenversiegelter, luftgekühlter Brennstoffzellenstapel​

Der „Blowout“ von luftgekühlten Stacks mit Kathodenschluss steht bevor. Mit der zunehmenden Verbreitung von Niedrigenergieanwendungen wie Touristenbussen, Gabelstaplern, unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) und Zweirädern rücken luftgekühlte Stacks langsam in den Fokus der gängigen Brennstoffzellenanwendungen. Luftgekühlte Stacks mit Kathodenschluss haben mit ihren Vorteilen der guten Umweltverträglichkeit, Langlebigkeit und einfachen Wartung große Aufmerksamkeit auf sich gezogen und sind zu einem wichtigen Thema der luftgekühlten Brennstoffzellentechnologie geworden.

Technische Eigenschaften und Anwendungsstatus von kathodengeschlossenen luftgekühlten Stacks

Luftgekühlte Stacks Aufgrund ihrer strukturellen Eigenschaften lassen sie sich in zwei Kategorien einteilen: Kathodenoffen und Kathodengeschlossen. Darunter befindet sich der luftgekühlte Stapel mit offener Kathode: Die Kathode ist direkt der Umgebung ausgesetzt, und Umgebungsluft wird über Vorrichtungen wie Ventilatoren in den Stapel eingeleitet. Die Luft dient sowohl als Reaktionsgasquelle als auch als Wärmeableitungsmedium.

Der luftgekühlte Stack mit geschlossener Kathode zeichnet sich dadurch aus, dass die Kathode keinen direkten Kontakt mit der Umgebung hat und Luftzufuhr und Wärmeableitung getrennt erfolgen. Ein separates Luftzufuhrsystem, beispielsweise ein Gebläse oder ein Kompressor, sorgt üblicherweise für den für die Reaktion benötigten Sauerstoff. Ein unabhängiges Wärmeableitungssystem führt die während des Stack-Betriebs entstehende Wärme ab.

Im Vergleich zu luftgekühlten Stacks mit offener Kathode sind luftgekühlte Stacks mit geschlossener Kathode aufgrund der unabhängigen Luftzufuhr und Wärmeableitung weniger anfällig für Umwelteinflüsse (wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftqualität). Darüber hinaus können sie die negativen Auswirkungen verschmutzter Luft auf die Lebensdauer von Brennstoffzellen bis zu einem gewissen Grad vermeiden, was zu einer besseren Haltbarkeit und längeren Lebensdauer führt.

„Die Leistung von luftgekühlten Stacks mit Kathodenschließung hängt maßgeblich von der Konstruktion der Gaskanäle und Verteiler ab, die die zugeführte Luft gleichmäßig verteilen“, erklärte der technische Leiter eines inländischen Stack-Herstellers. Luftgekühlte Stacks mit Kathodenschließung erfordern komplexe Luftversorgungssysteme, darunter Kompressoren, Luftbefeuchter, Luftfilter usw. Dadurch sind sie auch weniger von den Umgebungsbedingungen, insbesondere Temperatur und Luftfeuchtigkeit, abhängig.

Die Vorteile von luftgekühlten Stacks mit geschlossener Kathode liegen natürlich in ihrer relativ komplexen Struktur, die auch zu ihren relativ höheren Kosten im Vergleich zu luftgekühlten Stacks mit offener Kathode führt. Wie Gaogong Hydrogen Power in der Umfrage erfuhr, liegt der Preis für luftgekühlte Brennstoffzellen mit offener Kathode ab Juni 2025 bei Massenbeschaffung in der Regel bei über 4.000 RMB/kW, während der Preis für luftgekühlte Systeme mit geschlossener Kathode mindestens 30 % höher ist.

Derzeit eignen sich luftgekühlte Stacks mit geschlossener Kathode für Anwendungen mit hoher Leistungsdichte (über 1 A/cm²). Die Anwendungsszenarien erfordern ausreichend Platz für Brennstoffzellen-Hilfssysteme (Kühlung, Luftversorgung und Vorbehandlungssubsysteme) mit einem typischen Leistungsbereich zwischen 2 kW und 100 kW.

Insgesamt expandiert die Brennstoffzellenindustrie derzeit schrittweise von leistungsstarken wassergekühlten Stacksystemen für Nutzfahrzeuge und Personenkraftwagen zu luftgekühlten Stacksystemen kleiner und mittlerer Leistung wie Drohnen, Gabelstapler und Zweiräder – die Marktexpansion geschlossener luftgekühlter Brennstoffzellen hat gerade erst begonnen. Ob sie mit ihren eigenen Vorteilen weitere Marktanteile erobern kann, bleibt abzuwarten. Im Hinblick auf zukünftige technologische Entwicklungstrends muss sich die Forschung zu geschlossenen luftgekühlten Stacks auf die Minimierung der Unterstützungssysteme konzentrieren, um die Komplexität, die parasitäre Belastung und den Platzbedarf des Gesamtsystems zu reduzieren, sowie auf die Systemverwaltung und -steuerung, um eine optimale Leistung zu erzielen.