12. 09. 2023
Verfasst von: Philipp Nachtigal

Neuartiges Gebläse mit integriertem Wasserabscheider

Technische Skizze einer Turbomaschine — Das neu entwickelte kompakte Anoden-Rezirkulationsgebläse erhöht die Effizienz und Lebensdauer von Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen. Durch die Rezirkulation wird ungenutzter Wasserstoff nicht verschwendet, sondern erneut zugeführt. Im Zentrum liegen der Medienspaltmotor von G+L innotec GmbH und der Tropfenabscheider.

Technische Innovationen steigern die Effizienz von Brennstoffzellen und senken die Betriebskosten. Ein Konsortium aus der Leibniz Universität Hannover, dem Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) aus Duisburg und der Industrie hat ein neuartiges Gebläse mit integriertem Tropfenabscheider entwickelt und patentiert. Es ist ein vielversprechendes Konzept für den Einsatz in Nutzfahrzeugen und Schienenfahrzeugen bis hin zu Mittelstrecken-Flugzeugen.

Effizienz und Lebensdauer von Brennstoffzellen optimieren

Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff aus der Umgebung und wird zu Strom, Wasser und Wärme umgewandelt – diese Reaktion findet in Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzellen bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen statt. Dabei entstehen weder Stickoxide noch CO₂-Emissionen. Um sowohl die Lebensdauer als auch die Effizienz von PEM-Brennstoffzellen zu erhöhen, wird der ungenutzte Wasserstoff am Austritt der Brennstoffzelle zurück zum Eintritt befördert und weiterverwendet. Das erfolgt über passive Strahlpumpen oder aktive Rezirkulationsgebläse, die insbesondere bei hoher Leistung entsprechend groß, schwer und energieintensiv ausfallen. Abhilfe soll ein neuartiges Anoden-Rezirkulationsgebläse schaffen, das die Leibniz Universität Hannover gemeinsam mit dem Zentrum für BrennstoffzellenTechnik ZBT in Duisburg und der G+L innotec GmbH aus Laupheim entwickelt und erprobt hat.

Technische Skizze des Medienspaltmotors mit Strömungsbahnen des Wassers — Die Grafik zeigt die Stromlinien der Wassertropfen im Bereich des Medienspaltmotors. Aufgrund der Fliehkraft werden die Wassertropfen in Richtung der Wand gelenkt.

Patentierter Motor mit besonders großem Spalt

Das Gebläse besteht im Wesentlichen aus einem radialen Turboverdichter, der von einem innovativen Elektromotor angetrieben wird. Dieser von G+L innotec entwickelte und patentierte Medienspaltmotor zeichnet sich durch einen besonders großen Spalt zwischen Rotor und Stator aus, durch welchen der gesamte Medienstrom, hermetisch abgetrennt von den stromführenden Teilen und der Umgebung, geleitet wird. Entgegen der allgemeinen Motorenlehre lässt sich dieser Antrieb – trotz des außergewöhnlich großen Spalts – hoch effizient auslegen. Durch die Kombination aus schnelldrehender Turbomaschine und effizientem Antrieb ist das Gebläse sehr leicht (ca. 2.2 kg) und kompakt (190 mm x 170 mm x 120 mm). Es ist für Brennstoffzellestacks mit einer elektrischen Leistung bis zu 200 kW geeignet, eine Skalierung ist problemlos möglich. Dank des hohen Wirkungsgrades des Aggregats kann auf eine zusätzliche Kühlung verzichtet werden.

Gas-Wasser-Gemisch trifft auf Drallerzeuger, Wasser wird zur Seite abgeleitet, Gas strömt weiter in Richtung Laufrad. — Der Tropfenabscheider erzeugt einen Drall und lenkt das Wasser dadurch aus der gasförmigen Hauptströmung an die Wände. Der so entstehende Wasserfilm wird dann aus dem Gebläse abgeleitet.

Effiziente Wasserabscheidung, geringe Druckverluste

Eine weitere Besonderheit ist der direkt in das Gebläse integrierte Tropfenabscheider. Da bei der Reaktion in der Brennstoffzelle eine große Menge Wasser entsteht, müssen die Tropfen aus der gasförmigen Hauptströmung abgeschieden werden. Dazu wird der Strömung am Eintritt des Gebläses ein Drall aufgeprägt, der die Wassertropfen aufgrund ihrer Trägheit an die Wände lenkt. Stromauf des Laufrades wird der so entstehende Wasserfilm dann aus dem Gebläse abgeleitet. Da der Dralltropfenabscheider direkt in Kombination mit dem Turboverdichter in kompakter, integraler Bauweise ausgelegt wurde, verspricht dieses zum Patent angemeldete Design eine hohe Abscheideeffizienz bei geringen Druckverlusten.