Die Wasserstoffreinheit für PEM-Brennstoffzellen für Straßenfahrzeuge wird in den Normen SAE J2719, ISO 14687-2 und DIN EN 17124 definiert. Grundsätzlich gilt, dass jede Wasserstoffverunreinigung die Leistung und Lebensdauer des Brennstoffzellensystems beeinträchtigen kann. Dabei wirken sich die verschiedenen Verunreinigungen in der Brennstoffzelle unterschiedlich aus und können in 4 Kategorien von Schadensmustern eingeteilt werden:
1. Beschädigung des H2 –Tank-/Rohrleitungssystems
2. Leistungsabnahme durch Verdünnung des Wasserstoffs
3. Reversible Schädigung der Brennstoffzelle
4. Irreversible Schädigung der Brennstoffzelle
1. Beschädigung des H2 –Tanksystems/Rohrleitungssystems
Die Beschädigung des H2–Tank-/Rohrleitungssystems wird hauptsächlich durch Verunreinigungen verursacht, die bei den Betriebsbedingungen des Tanks (Temperaturen von -40°C bis 80°C und Drücke bis über 700 bar) im flüssigen oder im festen Zustand vorliegen, wie beispielweise Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2). Solche Substanzen fördern durch zwei Faktoren die Beschädigung und den Verschleiß der Systemkomponenten:
- Durch ihre chemischen Eigenschaften, die zu Korrosion führen können.
- Durch Erosion aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten von einigen 100 km/h, die im System auftreten können. Besonders betroffen sind davon Ventile, Druckregler, Filter sowie Dichtungen.
2. Leistungsabnahme durch Verdünnung des Wasserstoffs
Die Verdünnung des Wasserstoffs erfolgt durch jede Verunreinigung im Wasserstoff. Die Substanzen reduzieren die Wasserstoffkonzentration, wodurch die Leistung einer Brennstoffzelle gemindert wird. Dies führt in kleinen Mengen zu einem verringerten Wirkungsgrad und damit zu einem höheren Kraftstoffverbrauch der Brennstoffzelle. Bei einem zu hohen Grad an Verdünnung kann die Brennstoffzellen-Performance ganz zusammenbrechen. Sobald wieder reiner Wasserstoff in das System gelangt, funktioniert die Brennstoffzelle üblicherweise wieder einwandfrei.
3. Reversible Schädigung der Brennstoffzelle
Reversible Schädigungen der Brennstoffzelle erfolgen durch Verunreinigungen, die die aktiven Zentren (z.B. den Katalysator) der Brennstoffzelle kurz- bis mittelfristig blockieren. Diese Blockaden haben eine Minderung der Leistung zur Folge. Die Leistungsminderung kann durch die anschließende Verwendung von ausreichend reinem Wasserstoff regeneriert werden. Je nach Konzentration und Verunreinigung kann die Regenerationszeit unterschiedlich lang sein.
4. Irreversible Schädigung der Brennstoffzelle
Irreversible Schädigungen der Brennstoffzelle entstehen durch Verunreinigungen, die direkt die Brennstoffzellenelektroden oder -membran angreifen (z.B. Schwefelverbindungen). Solche Substanzen gehen chemische Verbindungen mit dem Katalysatormaterial oder der Membran ein. Durch derartige chemische Verbindungen wird die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle irreversibel beeinträchtigt.
Ursachen und Maßnahmen gegen Wasserstoffverunreinigung
Die Ursachen für den Eintrag der Verunreinigungen liegen in verschiedenen Prozessschritten der Wasserstofferzeugung und Aufbereitung begründet. Um die möglichen Verunreinigungen zu definieren, wird eine Risikoanalyse der Wertschöpfungskette durchgeführt. Hieraus können dann Reinhaltungsmaßnahmen und geeignete Messverfahren abgeleitet werden.
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