Die Rolle des Wasserabscheiders in wassergekühlten Brennstoffzellensystemen

Innerhalb der komplexen Architektur eines wassergekühlten Wasserstoff-BrennstoffzellensystemDer Wasserstoffkreislauf ist ein kritisches Teilsystem für einen effizienten und sicheren Betrieb. Eine wichtige Komponente dieses Kreislaufs ist der Wasserabscheider, auch Kondensatabscheider oder Abscheider genannt. Seine Existenz mag zunächst paradox erscheinen: Warum benötigt ein System, das flüssiges Wasser streng kontrollieren soll, ein separates Gerät zur Feuchtigkeitsbehandlung im Gasstrom? Um dies zu verstehen, müssen wir die Wasserquellen auf der Wasserstoffseite, die potenziellen Gefahren und die dynamischen Ausgleichsmechanismen des Systems genauer betrachten. Die Kernreaktion einer Brennstoffzelle besteht in der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, Strom und Wärme. Dieses Wasser entsteht hauptsächlich an der Kathode, also auf der Luftseite.

Wassermoleküle verbleiben jedoch nicht ausschließlich an ihrem Ursprungsort. Die Protonenaustauschmembran (PEM), das „Herzstück“ der Zelle, muss ausreichend hydratisiert sein, um Protonen effektiv zu leiten. Diese Eigenschaft ist ein zweischneidiges Schwert. Zwar ist eine ausreichende Membranhydratation für eine gute Protonenleitfähigkeit notwendig, doch erzeugt ein Unterschied in der Wasserkonzentration (oder Wasseraktivität) über die Membran hinweg eine starke Triebkraft. Dies führt dazu, dass Wassermoleküle von der Kathode durch die Membran zurück zur Anode (Wasserstoffseite) diffundieren – ein Phänomen, das als „Wasserrückdiffusion“ bekannt ist. Diese Rückdiffusion ist besonders relevant, wenn die Kathodenreaktion intensiv ist und große Mengen Wasser produziert, während der Wasserstoffstrom an der Anode aufgrund der Rezirkulation relativ trocken wird. So gelangt ungewollte Feuchtigkeit in einen eigentlich „trockenen“ Wasserstoffkreislauf.

Um den optimalen Hydratationsgrad der PEM aufrechtzuerhalten, muss der in den Stack einströmende Wasserstoff häufig entsprechend befeuchtet werden. Insbesondere beim Systemstart ist die externe Befeuchtung eine gängige Methode, um ein Austrocknen der Membran durch trockenen Wasserstoff zu verhindern. Der durch diese Befeuchtung eingebrachte Wasserdampf kann jedoch kondensieren, wenn der Wasserstoffstrom während des Durchflusses Temperaturänderungen erfährt. Daher stammt die Feuchtigkeit auf der Wasserstoffseite hauptsächlich aus zwei Quellen: Wasser, das von der Kathode zurückdiffundiert, und Wasserdampf, der durch die Befeuchtung des Einlassgases zugeführt wird. Wenn der warme, feuchte, rezirkulierte Wasserstoff durch kühlere Abschnitte von Rohrleitungen, Ventilen und der Rezirkulationspumpe strömt, kann der Wasserdampf zu feinen Tröpfchen kondensieren und sogenanntes „mitgerissenes Wasser“ bilden. Die Ansammlung dieses flüssigen Wassers im Wasserstoffkreislauf kann zu einer Reihe schwerwiegender Probleme führen. Die unmittelbarste Gefahr ist das „Überfluten“. Die Wasserstoffkanäle sind sehr eng; flüssiges Wasser kann die Strömungsfelder einzelner oder mehrerer Zellen blockieren und so die effektive Diffusion des Wasserstoffs zu den Katalysatorschichten für die Reaktion behindern. Lokaler Wasserstoffmangel verursacht einen starken Spannungsabfall in diesem Bereich und kann sogar zu einer Zellumkehr (umgekehrte Polarisation) führen.

Dies führt nicht nur zu einer instabilen Leistungsabgabe, sondern verursacht auch irreversible Korrosionsschäden am Katalysator und am Kohlenstoffträger, wodurch die Lebensdauer des Stacks erheblich verkürzt wird. Zweitens können diese Wassertropfen die Korrosion von Metallkomponenten in Rohren und Ventilen beschleunigen. Bei der Wasserstoffumwälzpumpe, die auf Hochgeschwindigkeitsbetrieb angewiesen ist, kann der Tropfenaufprall einen Druckstoß auslösen, der das Laufrad schwer beschädigen und zum Blockieren oder Ausfall der Pumpe führen kann. Dies stellt eine erhebliche Gefahr für die Gesamtzuverlässigkeit des Systems dar. Der Wasserabscheider spielt in diesem Zusammenhang die entscheidende Rolle als „Abscheider“.

Der Wasserabscheider ist typischerweise strategisch im Wasserstoffkreislauf positioniert, oft an einem kritischen Punkt zwischen dem Auslass des Brennstoffzellenstapels und dem Einlass der Umwälzpumpe. Seine Funktionsweise basiert üblicherweise auf Zentrifugal- oder Trägheitsabscheidung. Wenn feuchtes, mit Wassertröpfchen angereichertes Wasserstoffgas mit einer bestimmten Geschwindigkeit tangential in die Kammer des Abscheiders eintritt, entsteht eine Wirbelströmung. Die schwereren Wassertröpfchen werden durch die Zentrifugalkraft gegen die Wand geschleudert, wo sie sich vereinigen, kinetische Energie verlieren und größere Tröpfchen bilden, die schließlich durch Schwerkraft zum Boden des Abscheiders abfließen. Das „getrocknete“ Wasserstoffgas tritt dann durch den zentralen Auslass aus und wird von der Pumpe zurück zum Einlass des Brennstoffzellenstapels gefördert. Das angesammelte flüssige Wasser am Boden wird periodisch über ein automatisches oder intermittierend gesteuertes Ablassventil abgelassen. Daher ist der Wasserabscheider kein überflüssiges Konstruktionselement, sondern eine intelligente und essentielle Lösung für die komplexen Herausforderungen des Wassermanagements in einer Brennstoffzelle.

Es berücksichtigt die allgegenwärtige Natur von Wassermolekülen und reguliert proaktiv die durch Rückdiffusion und Befeuchtung eingebrachte zusätzliche Feuchtigkeit. So wird sichergestellt, dass der Wasserstoffkreislauf stets einen optimalen Zustand beibehält – „feucht, aber nicht überflutet“. Diese Komponente schützt die Umwälzpumpe und trägt zu einer gleichmäßigen Wasserstoffverteilung in den einzelnen Zellen bei. Sie bildet somit eine entscheidende Grundlage für hohe Effizienz, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Brennstoffzellensystemen. Obwohl der Wasserabscheider nur eine von vielen Komponenten ist, spielt er eine Schlüsselrolle für das empfindliche „Wassergleichgewicht“ im Wasserstoffkreislauf.