Kühlkreisläufe in PEM-Elektrolyseuren: 7 Konstruktionsfehler, die die Systemeffizienz reduzieren

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Wasserstofftechnologien konzentrieren sich Hersteller zunehmend darauf, Effizienz, Lebensdauer und Systemzuverlässigkeit zu verbessern. Während Stacks, Membranen und Katalysatoren große Aufmerksamkeit erhalten, gibt es ein Teilsystem, das sich unmittelbar auf all diese Komponenten auswirkt: das Kühlsystem des PEM-Elektrolyseurs.

Ein effizienter Kühlkreislauf führt nicht nur Wärme ab. Er trägt dazu bei, stabile Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten, kritische Komponenten vor thermischer Belastung zu schützen und eine konstante Wasserstoffproduktion über die gesamte Lebensdauer des Elektrolyseurs sicherzustellen. Selbst vergleichsweise kleine Konstruktionsentscheidungen – beispielsweise hinsichtlich Schlauchmaterial, Leitungsführung oder Baugruppenauslegung – können die Energieeffizienz, den Wartungsaufwand und die langfristige Leistungsfähigkeit beeinflussen.

In diesem Artikel betrachten wir sieben häufige Konstruktionsfehler in Kühlkreisläufen und erläutern, wie die Wahl der richtigen Lösung für den Flüssigkeitstransfer zur Optimierung des gesamten Systems beitragen kann.

Warum das Thermomanagement in PEM-Elektrolyseuren entscheidend ist

Während der Elektrolyse wird ein Teil der dem Stack zugeführten elektrischen Energie in Wärme umgewandelt. Wird diese Wärme nicht effizient abgeführt, kann die Betriebstemperatur über den optimalen Bereich hinaus ansteigen. Dies kann die Membranleistung beeinträchtigen, die elektrochemische Effizienz verringern und die Alterung der Komponenten beschleunigen.

Ein typischer Kühlkreislauf eines PEM-Elektrolyseurs führt Kühlmittel durch den Stack und anschließend zu einem Wärmetauscher, über den die Wärme aus dem System abgeführt wird. Um eine stabile Temperaturregelung zu gewährleisten, müssen sämtliche Komponenten – von der Pumpe bis zu den Schläuchen – mit möglichst geringen Druckverlusten und hoher Zuverlässigkeit zusammenarbeiten.

Obwohl Kühlschläuche häufig nur einen kleinen Anteil an den Gesamtkosten des Systems ausmachen, spielen sie eine entscheidende Rolle für eine sichere und effiziente Zirkulation des Kühlmediums.

1. Auswahl des Schlauchmaterials ausschließlich anhand von Temperaturangaben

Ein häufiger Fehler besteht darin, Schläuche ausschließlich anhand ihrer Druck- und Temperaturspezifikationen auszuwählen.

In Kühlkreisläufen kommen typischerweise deionisiertes Wasser oder spezielle Kühlmittelgemische zum Einsatz. Dafür sind Materialien mit ausgezeichneter chemischer Beständigkeit und geringen extrahierbaren Bestandteilen erforderlich. Die Verwendung eines ungeeigneten Schlauchmaterials kann zu vorzeitiger Alterung, Verunreinigung des Kühlmediums und einer geringeren Systemzuverlässigkeit führen.

Die Materialverträglichkeit sollte daher stets gemeinsam mit der thermischen Leistungsfähigkeit bewertet werden.

2. Vernachlässigung thermischer Zyklen

PEM-Elektrolyseure arbeiten nur selten unter konstanten Bedingungen. Anfahr- und Abschaltvorgänge sowie schwankende Betriebslasten setzen den Kühlkreislauf kontinuierlicher thermischer Ausdehnung und Kontraktion aus.

Im Laufe der Zeit können diese Zyklen die Flexibilität der Schläuche, die Dichtheit der Verbindungen und die mechanische Beständigkeit beeinträchtigen, wenn die eingesetzten Materialien nicht für eine langfristige thermische Belastung ausgelegt sind.

Der Einsatz von Schläuchen, die speziell für wiederholte thermische Zyklen entwickelt wurden, trägt dazu bei, den Wartungsaufwand zu reduzieren und gleichzeitig die Lebensdauer zu verlängern.

3. Ineffiziente Schlauchführung

Mit zunehmend kompakteren Elektrolyseuren werden auch die Kühlkreisläufe komplexer.

Enge Biegeradien, übermäßige Schlauchlängen oder unnötige Anschlüsse verursachen zusätzliche Druckverluste und erschweren die Installation. Eine ungünstige Leitungsführung kann außerdem die mechanische Belastung erhöhen und dadurch zu vorzeitigem Verschleiß führen.

Eine optimierte Schlauchführung verbessert die Kühlmittelzirkulation und vereinfacht gleichzeitig Montage und Wartung.

4. Unterschätzung von Druckverlusten

Jeder Anschluss, jede Biegung und jeder Übergang erhöht den hydraulischen Widerstand.

Werden Druckverluste bei der Systemauslegung nicht ausreichend berücksichtigt, benötigen die Umwälzpumpen mehr Energie, um den erforderlichen Kühlmittelstrom aufrechtzuerhalten. Dadurch sinkt die Gesamteffizienz des Systems.

Ein geeigneter Schlauchdurchmesser, glatte Innenoberflächen und eine optimierte Leitungsführung tragen dazu bei, den Druckverlust im gesamten Kühlkreislauf zu minimieren.

5. Vernachlässigung der langfristigen Zuverlässigkeit

Ein Kühlsystem sollte nicht nur bei der Inbetriebnahme zuverlässig funktionieren, sondern seine Leistungsfähigkeit auch über viele Betriebsjahre hinweg beibehalten.

Kontinuierliche Vibrationen, Temperaturschwankungen und mechanische Ermüdung wirken sich langfristig auf sämtliche Komponenten des Kühlkreislaufs aus. Hochwertige Schlauchleitungen, die für anspruchsvolle Betriebsbedingungen entwickelt wurden, können dazu beitragen, Stillstandszeiten zu reduzieren und die Wartungskosten über die gesamte Lebensdauer des Elektrolyseurs zu senken.

6. Unterschätzung der Bedeutung der Leckagevermeidung

Kühlsysteme arbeiten kontinuierlich, weshalb die Dichtheit der Verbindungen von entscheidender Bedeutung ist.

Leckagen verringern nicht nur die Kühlleistung, sondern können auch den Wartungsaufwand erhöhen und zu ungeplanten Stillstandszeiten führen. Gut konstruierte Schlauchleitungen in Kombination mit geeigneten Verbindungstechnologien verbessern die Zuverlässigkeit des gesamten Kühlkreislaufs erheblich.

Die Reduzierung der Anzahl von Verbindungsstellen durch kundenspezifische Schlauchbaugruppen ist häufig eine wirksame Möglichkeit, das Leckagerisiko zu minimieren.

7. Kühlschläuche als Standardkomponenten betrachten

Kühlschläuche werden teilweise lediglich als einfache Leitungen für den Flüssigkeitstransport betrachtet. Tatsächlich beeinflussen sie jedoch zahlreiche Aspekte der Systemleistung.

Flexibilität, Kühlmittelverträglichkeit, Leitungsführung, mechanische Beständigkeit und Montagefreundlichkeit tragen allesamt zur Zuverlässigkeit des Kühlkreislaufs bei. Die Auswahl der geeigneten Schlauchlösung sollte daher als integraler Bestandteil des Entwicklungsprozesses betrachtet werden und nicht lediglich als abschließende Beschaffungsentscheidung.

Welche Eigenschaften sollte ein Kühlschlauch erfüllen?

Ein leistungsfähiger Kühlschlauch für PEM-Elektrolyseure sollte mehrere wesentliche Eigenschaften miteinander kombinieren:

• Kompatibilität mit deionisiertem Wasser und Kühlmedien

• Hervorragende Temperaturbeständigkeit

• Geringe extrahierbare Bestandteile, wenn die Reinheit des Mediums entscheidend ist

• Hohe Flexibilität für kompakte Einbausituationen

• Langfristige Beständigkeit gegenüber thermischen Zyklen

• Zuverlässige Dichtheit

• Mechanische Beständigkeit im Dauerbetrieb

Die Berücksichtigung dieser Faktoren bereits während der Entwicklungsphase trägt dazu bei, die Systemeffizienz zu verbessern und gleichzeitig den zukünftigen Wartungsaufwand zu reduzieren.

Lösungen für den Flüssigkeitstransfer in PEM-Elektrolyseuren

Bei Venair entwickeln wir speziell für Wasserstofftechnologien konzipierte Lösungen für den Flüssigkeitstransfer und unterstützen OEMs mit Schlauchsystemen, die für anspruchsvolle Kühlanwendungen ausgelegt sind.

Unser Portfolio umfasst unter anderem folgende Lösungen:

• Vena® PEM COOL

Vena® PEM COOL wurde speziell für Thermomanagementsysteme in PEM-Brennstoffzellen und PEM-Elektrolyseuren entwickelt und bietet hervorragende Flexibilität, Kompatibilität mit deionisiertem Wasser sowie zuverlässige Leistung unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen

• Vena® PEM PURE

Vena® PEM PURE wurde für Anwendungen entwickelt, bei denen die Reinheit des Kühlmediums entscheidend ist. Das Produkt zeichnet sich durch äußerst geringe extrahierbare Bestandteile und eine hohe chemische Stabilität aus und trägt so dazu bei, die Qualität des Mediums im gesamten Kühlkreislauf zu erhalten.

• Kundenspezifische Schlauchbaugruppen

Über Standardschläuche hinaus entwickelt Venair kundenspezifische Schlauchbaugruppen mit integrierten Anschlüssen und optimierten Geometrien. Diese vereinfachen die Installation, reduzieren potenzielle Leckagestellen und verbessern die Integration in das Gesamtsystem.

Fazit

Die Leistungsfähigkeit eines PEM-Elektrolyseurs hängt von weit mehr als nur seinem elektrochemischen Stack ab. Ein optimal ausgelegter Kühlkreislauf hat direkten Einfluss auf Effizienz, Lebensdauer und Betriebssicherheit.

Durch die Vermeidung typischer Konstruktionsfehler – von der Materialauswahl und Schlauchführung bis hin zu Druckverlusten und der Auslegung der Dichtverbindungen – können Hersteller effizientere Thermomanagementsysteme entwickeln und gleichzeitig den Wartungsaufwand über die gesamte Lebensdauer der Anlage reduzieren.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Elektrolyseurtechnologie sollten Kühlkreisläufe daher nicht lediglich als unterstützende Infrastruktur betrachtet werden, sondern als wesentlicher Bestandteil für die langfristige Leistungsfähigkeit jedes Systems zur Wasserstoffproduktion.