Warum haben luftgekühlte Brennstoffzellen eine kürzere Lebensdauer als wassergekühlte?

In der Brennstoffzellentechnologie beeinflusst die Wahl des Kühlsystems nicht nur die Wärmeabfuhreffizienz, sondern bestimmt auch direkt die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels. Hinter den beiden gängigen Kühlansätzen – Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung – verbergen sich grundlegende Unterschiede, die die Haltbarkeit des Stapels beeinflussen.

Welche Unterschiede bestehen hinsichtlich der Kühlmedien zwischen luftgekühlte und wassergekühlte Brennstoffzellen ?

Luftgekühlte Systeme nutzen Luft als Kühlmedium. Luft hat eine geringe spezifische Wärmekapazität, d. h. ihre Fähigkeit, Wärme zu transportieren, ist begrenzt. Im Betrieb können sich daher leicht lokale Hotspots im Brennstoffzellenstapel bilden. Diese ungleichmäßige Temperaturverteilung beeinträchtigt nicht nur die Leistung, sondern beschleunigt auch den Materialabbau – die chemische Abbaurate der Protonenaustauschmembran und der Katalysatorschichten steigt bei hohen Temperaturen exponentiell an. Flüssigkeitsgekühlte Systeme verwenden Kühlmittel mit höherer spezifischer Wärmekapazität (typischerweise ein Gemisch aus deionisiertem Wasser und Ethylenglykol). Es ist, als würde man eine hocheffiziente „Wärmeautobahn“ für die Brennstoffzellen bauen. BrennstoffzellenstapelDadurch kann die Reaktionswärme gleichmäßig und schnell abgeführt werden, sodass der Brennstoffzellenstapel im optimalen und gleichmäßigsten Temperaturbereich arbeitet und der Alterungsprozess der Materialien grundlegend verlangsamt wird.

Welche Unterschiede bestehen hinsichtlich der Steuerungslogik zwischen luftgekühlten und flüssigkeitsgekühlten Brennstoffzellen?

Luftgekühlte Systeme stehen vor einem grundlegenden Zielkonflikt: Derselbe Luftstrom dient sowohl der Gaszufuhr (Sauerstoff für chemische Reaktionen) als auch der Kühlung. Um Wärme abzuführen, muss der Luftstrom unter Umständen erhöht werden, was jedoch die für die Membranelektrode notwendige Feuchtigkeit abführt und zum Austrocknen der Membran führt. Umgekehrt kann die Wärmeabfuhr beeinträchtigt werden, um Wasser zu speichern, was zu Überhitzung führen kann. Diese Instabilität des hydrothermischen Gleichgewichts hält den Brennstoffzellenstapel lange Zeit unter Belastung. Das Flüssigkeitskühlsystem hingegen erreicht eine perfekte funktionale Entkopplung: Der Luftstrom ist der Luftzufuhr, der Kühlmittelstrom der Temperaturregelung gewidmet. Beide werden durch das Steuerungssystem unabhängig voneinander optimiert, sodass der Brennstoffzellenstapel stets im optimalen Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich arbeitet. Dieses stabile und kontrollierbare interne Klima ist die Grundlage für seine lange Lebensdauer.

Welche Unterschiede bestehen hinsichtlich des Betriebsverhaltens zwischen luftgekühlten und flüssigkeitsgekühlten Brennstoffzellen?

Luftgekühlte Stacks weisen häufig ein sich selbst verstärkendes Leistungsverhalten auf: Erhöhte Last → erhöhte Wärmeentwicklung → höherer Luftdurchsatz für die Kühlung erforderlich → Austrocknung der Membran-Elektroden-Einheit → erhöhter Innenwiderstand → mehr Abwärme. Dies führt zu einer instabilen, positiven Rückkopplungsschleife. Kritischer noch: Die daraus resultierenden häufigen, extremen Nass-Trocken-Zyklen belasten die Katalysatorschicht, die Gasdiffusionsschicht und die Membran enorm, was zu physikalischen Schäden wie Delamination und Rissbildung führt. Flüssigkeitskühlsysteme ermöglichen eine aktive, gleichmäßige Leistungsregelung durch externe Pumpen und geschlossene Regelkreise. Kühlmittelstrom und -temperatur reagieren präzise und schnell auf Laständerungen und minimieren so Schwankungen im internen Zustand des Stacks. Reduzierte Wärmeausdehnung und -kontraktion sowie Nass-Trocken-Zyklen erhöhen die Langlebigkeit der Materialstrukturen.

Welche Unterschiede bestehen hinsichtlich der Umweltbelastung zwischen luftgekühlten und flüssigkeitsgekühlten Brennstoffzellen?

Bei der Luftkühlung ist die Kathode (Luftelektrode) des Brennstoffzellenstapels direkt der Umgebung ausgesetzt. Luftgetragene Verunreinigungen wie Staub, Salz und Sulfide können leicht eindringen, sich direkt an den teuren Platinkatalysator anlagern und ihn vergiften, wodurch die Poren der Gasdiffusionsschicht verstopfen. Diese Verunreinigung der Katalysatorschicht ist eine der Hauptursachen für irreversible Leistungsverschlechterungen. Flüssigkeitskühlsysteme hingegen verfügen typischerweise über eine streng gefilterte Kathodenluftansaugung, und der gesamte Brennstoffzellenstapel ist in einem relativ geschlossenen Gehäuse untergebracht. Dies bietet einen Schutz auf Reinraumniveau für die Katalysatorschicht und verlangsamt die durch Verunreinigungen verursachte Leistungsverschlechterung deutlich.

Zusamenfassend, luftgekühlte Brennstoffzellen Sie ähneln talentierten „Sprintern“, die harte Umgebungen benötigen: einfach aufgebaut, schnell einsatzbereit und kostengünstig. Sie eignen sich für leichte, intermittierende Anwendungen mit relativ geringen Anforderungen an die Lebensdauer, wie beispielsweise Drohnen und langsam fahrende Fahrzeuge. Flüssigkeitsgekühlte Brennstoffzellen hingegen sind die „Ausdauer-Champions“, die für Marathonläufe entwickelt wurden. Durch komplexere und ausgefeiltere Systeme priorisieren sie die Langzeitstabilität. Ihr Fokus liegt auf Langlebigkeit, was sie zur ersten Wahl für gängige Anwendungen wie Pkw, Nutzfahrzeuge und stationäre Stromerzeugung macht.