Kathodenluftfilter
Bezüglich Schwerlastfahrzeugen für den Einsatz mit schweren, großen Tonnagen und auf Langstrecken scheint die Verwendung von Wasserstoff zum Antrieb von Brennstoffzellen eine der besten Lösungen, um eine maßgebliche Verringerung der Luftverschmutzung zu erzielen. Dass Wasserstoff eine sinnvolle Lösung zur Verringerung der verkehrsbedingten CO2-Emissionen ist, zeigt sich auch daran, dass dieser Art der Energieversorgung sowohl im nationalen Plan für Aufbau und Resilienz (Piano Nazionale Ripresa e Resilienza, PNRR) als auch im europäischen Energieplan 2020 viel Raum eingeräumt wird. UFI Filters, ein führendes Unternehmen in der Filtration und Produktion von Wärmetauschern für Verbrennungs-, Hybrid- und Elektrofahrzeuge, hat bereits 2017 damit begonnen, ausgehend von der Analyse möglicher Zukunftsszenarien bezüglich verschiedener Versorgungsformen die neuen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Verwendung von Wasserstoff in Brennstoffzellen und der durch die Filtration auftretenden Probleme zu untersuchen. Der Schwerpunkt lag dabei auf Kathodenluftfiltern für Brennstoffzellen, einem Element, das eine strategische und grundlegende Rolle bei der Reinigung der als Brennstoff der Zelle in das System eingeführten Luft spielt, in dem der vorhandene Sauerstoff mit Wasserstoff durch eine elektrochemische Reaktion reagiert und die elektrische Energie erzeugt wird.
DER KONTEXT
Noch nie war das Filtern der Luft so wichtig
Die in das System eingeführte Luft muss, bevor sie den Kompressor und dann die Zelle erreicht, nicht nur von Feinstaub, sondern auch von schädlichen Gasen wie SOx, NOx, H2S, CO, O3 und NH3 und von VOCs (flüchtige organische Verbindungen), wie beispielsweise Benzol und Toluol, gereinigt werden. Bei diesen für die Brennstoffzelle schädlichen Gasen handelt es sich im Allgemeinen um anthropogene Verbindungen, die durch menschliche Aktivitäten verursacht werden (herkömmliche Verbrennungsprodukte und Erdölderivate), und deren Konzentration in der Luft je nach geografischem Kontext variiert. Die Luftfiltration in Brennstoffzellen spielt eine noch wichtigere Rolle als die Motorluftfiltration bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren. Warum ist das so? Verschiedene, im Laufe der Zeit durchgeführte Studien haben gezeigt, dass bereits extrem geringe Mengen an gasförmigen Partikeln (wir sprechen nicht nur von PPM – Teile pro Million, sondern sogar von PPB – Teile pro Milliarde) die Leistung und Lebensdauer einer Zelle erheblich verringern können. Dies ist auf verschiedene Faktoren zurückzuführen. Besonders entscheidend ist diesbezüglich die Verunreinigung des Katalysators, der maßgeblich für die zur Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff in Strom und Wasser erforderliche Reaktion ist. Der Katalysator ist ein grundlegender Bestandteil der Brennstoffzelle und besteht im Wesentlichen aus teurem Platin (oder anderen Edelmetallen). Verunreinigungen können seine Leistung beeinträchtigen und somit irreversible Auswirkungen haben, die einen zeitlich voranschreitenden Abbau und damit einhergehend die Beeinträchtigung der Lebensdauer der Zelle zur Folge haben. Darüber hinaus darf man im Zusammenhang mit dem Luftkreislauf den Kompressor nicht außer Acht lassen, der sehr empfindlich auf feste Luftverunreinigungen reagiert, die seine Leistung beeinträchtigen können.
Aber Luft ist nicht gleich Luft …
Die Zellen verwenden Umgebungsluft, die den für die elektrochemische Reaktion mit Wasserstoff notwendigen Sauerstoff liefert. Aber die Luft ist bekannterweise nicht überall gleich. Vielmehr hängen ihre Eigenschaften von zahlreichen Faktoren wie Temperatur, Höhe, lokale Umweltverschmutzung usw. ab. Bei der Entwicklung eines Kathodenluftfilters muss daher die Luftqualität und damit der Einsatzort des Fahrzeugs berücksichtigt werden, denn was sich in einem bestimmten Gebiet als wirksam erweist, muss es in einem anderen noch lange nicht sein.
Die Lösung von UFI Filters
Der von UFI Filters entwickelte und für OE-Anwendungen mit Brennstoffzellen bestimmte Kathodenluftfilter hat eine Doppelfunktion (Filtration von Feststoffpartikeln und Adsorption von gasförmigen Verunreinigungen) mit einer Doppelschicht. Diese beiden Schichten befinden sich in einem einzigen Gehäuse, dessen Form und Positionierung im Fahrzeug je nach OEM-Anforderungen variiert. Diese Konfiguration verleiht die Möglichkeit, jede Schicht des Kathodenluftfilters in Abhängigkeit von einem bestimmten Fahrzeug, dem Gebiet, in dem es eingesetzt wird, der Laufleistung und der erwarteten Nutzungsdauer kundenspezifisch zu spezialisieren, um so eine optimale Leistung zu gewährleisten.
Die erste Schicht hat eine physikalische Barrierefunktion, d. h. Abscheidung von Feststoffpartikeln, und ist ähnlich aufgebaut wie die, die für die Motorluftfiltration von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor verwendet wird. Sie besteht aus synthetischen Materialien, die im Vergleich zu herkömmlichen Filtern eine andere Matrix und Dicke aufweisen, was unterschiedliche Akkumulationseigenschaften und geringe Systemdruckverluste gewährleistet. Sie hat die Funktion, selbst extrem feinen Staub zurückzuhalten. Darüber hinaus hält sie auch Salzpartikel zurück, die im Winter durch die Verwendung von Salz zum Enteisen der Straßen, aber auch in Küstengebieten vorkommen, und für die Brennstoffzelle schädlich sind. Ihre der zweiten Schicht vorgelagerte Positionierung ist strategisch, da sie den Schutz der darin enthaltenen Aktivkohle gewährleistet, die sehr empfindlich auf Partikel reagiert, die ihr Gasadsorptionsvermögen einschränken.
Die zweite Schicht hat dagegen eine chemische Funktion, also die Aufgabe, gasförmige Verunreinigungen durch Adsorption zu entfernen. Sie besteht aus Filtermedien mit einer Vliesmatrix (Vliesstoff), in der Aktivkohlen verschiedener Art gemischt sind. Dank der Erfahrung von UFI Filters in der Herstellung von Filtermaterialien kommen für diese spezielle Anwendung keine herkömmlichen Aktivkohlen zur Anwendung, sondern vielmehr durch besondere Wärmebehandlungen und chemische Reaktionen mit anorganischen Salzen modifizierte Aktivkohlen. Auf diese Weise erhalten die Aktivkohlen zusätzlich zu den unterschiedlichen physikalischen Abmessungen der Poren (durch die Oberflächenbehandlung) die Fähigkeit zur Adsorption der Gase, an die sie sich koppeln – ein Vorgang, der letztlich auch durch verschiedene chemische Bindungen unterstützt wird. UFI Filters kann dem Kunden somit für eine bestimmte Anwendung und unter Berücksichtigung der jeweiligen Gebiete, in die das Fahrzeug verkauft wird, ein vielfältiges Angebot ein und desselben Filters anbieten, wobei die Variable auf der Mischung verschiedener Aktivkohlen beruht.
Was das innovative Angebot für Kathodenluftfilter von UFI Filters auszeichnet, ist das konsolidierte Know-how im Bereich seiner inhouse entwickelten und hergestellten Filtermedien. Dieses Wissen kommt nicht nur bei den für die Filtermedien verwendeten Materialien zum Tragen, sondern auch bei der Anwendung unterschiedlicher Abmessungen und der auf die Verbesserung der Produktleistung abzielenden Verarbeitung. Ein Beispiel hierfür ist die Faltung: Die Leistung eines Plisseefilters hängt eng mit der Herstellung der Falten zusammen. Bei UFI Filters arbeitet eine hochspezialisierte Abteilung an der Erforschung von optimierten Parametern, die dann an die verschiedenen weltweiten Werke des Unternehmens übermittelt werden, um überall das gleiche hohe Leistungsniveau zu gewährleisten.
Aber das ist noch nicht alles
Für einige Anwendungen schlägt UFI Filters zusätzlich zu den zwei Schichten den Einbau von Vorabscheidungselementen für die Vorbehandlung der Luft vor, die in sehr staubigen Umgebungen große Mengen an Feststoffpartikeln enthält, bevor sie den Kathodenluftfilter erreicht.
Erste funktionsfähige Prototypen
Einige für globale OEM-Anwendungen im Lkw-, Bus- und leichten Nutzfahrzeugbereich bestimmte funktionsfähige Prototypen von UFI Filters werden bereits in verschiedenen Gebieten der Welt getestet und die Materialien für eine zwischen 2025 und 2026 erwartete Serienproduktion sind so gut wie einsatzbereit.
UFI Filters ist also dank seines Know-hows, seines OE-Stammbaums und seiner globalen industriellen Präsenz für die Zukunft der nachhaltigen Mobilität gewappnet.
