Membranpumpentechnologie für moderne Brennstoffzellensysteme
Auf der Suche nach nachhaltigen Energielösungen sind Membranpumpen eine Schlüsselkomponente. Im Wasserstoffmanagement von Brennstoffzellensystemen sorgen sie für präzise Steuerung, Sicherheit und Effizienz.
Im Zuge der globalen Energiewende rücken Wasserstoff-Brennstoffzellen als Schlüsseltechnologie für eine nachhaltige Stromerzeugung in den Fokus. Membran-Wasserstoffpumpen übernehmen dabei wesentliche Aufgaben wie Wasserstoffrückführung und Kondensatmanagement – entscheidend für Effizienz und Lebensdauer der Systeme.
Energie für die Zukunft: Wie Wasserstoff-Brennstoffzellen Städte verändern
Die Integration wasserstoffbetriebener Systeme in Stromnetze, Verkehrsnetze und Wohngebäude – etwa in südkoreanischen Städten wie Pyeongtaek und Namyangju – zeigt bereits heute das Potenzial der Brennstoffzellentechnologie. Dort sollen beispielsweise neue Wohn- und Bürogebäude energieautark und nachhaltig gestaltet werden. Neben regenerativen Energiequellen wie Wind- und Solarenergie sind Brennstoffzellen fester Bestandteil dieser Konzepte. Die Systeme erzeugen typischerweise bis zu 10 kW Leistung pro Modul und können für höhere Leistungen in Reihe geschaltet werden. Sie eignen sich besonders zur Überbrückung von Stromengpässen – etwa bei unzureichender Einspeisung aus anderen Energiequellen oder bei Stromausfällen.
Herzstück dieser Systeme sind verschiedene Membran-Wasserstoffpumpen, die den unterschiedlichsten Anforderungen gerecht werden und höchste Sicherheitsstandards erfüllen müssen. Der verwendete Wasserstoff stellt aufgrund seiner Eigenschaften eine besondere Herausforderung dar: Er kann mit Luft ein hochexplosives Gemisch bilden und benötigt nur sehr wenig Energie zur Zündung. Daher sind absolut dichte Systeme unerlässlich, um Ausfälle oder Gefahren zu vermeiden. Aufgrund seiner sehr kleinen Molekülgröße ist Wasserstoff besonders flüchtig. Daher sind hochwertige Materialien und präzise Technik erforderlich, um eine zuverlässige Dichtigkeit und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.
Die vielfältigen Aufgaben von Membran-Wasserstoffpumpen in Brennstoffzellen
Steht reiner Wasserstoff nicht direkt zur Verfügung, muss er zunächst aus einem Trägerstoff – zum Beispiel Erdgas oder Biomasse – gewonnen werden. Dabei spielen Pumpen wie die KNF Membran-Gaspumpe N 938 und Flüssigkeitspumpen wie die FM 50 oder FP 25 eine zentrale Rolle.
Bei der Gewinnung aus Erdgas beginnt der Prozess mit der so genannten Dampfreformierung. Eine Gaspumpe ① fördert Erdgas in einen Reformer, während eine Flüssigkeitspumpe ② deionisiertes Wasser zuführt. Im Reformer wird das Wasser zunächst erhitzt, um Dampf zu erzeugen. Dieser reagiert in einer katalytischen Hochtemperaturreaktion mit dem Erdgas zu einem Gasgemisch aus Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO). Da CO hochgiftig, brennbar und schädlich für Brennstoffzellen ist, wird es in einer nachgeschalteten PROX-Einheit (Preferential Oxidation) zu Kohlendioxid (CO₂) umgewandelt. Anschließend kann der Wasserstoff weiter gereinigt werden, um die hohen Anforderungen für Brennstoffzellenanwendungen zu erfüllen.
Nach der Reinigung strömt der Wasserstoff in die Brennstoffzelle, wo er in einer elektrochemischen Reaktion mit Sauerstoff Strom, Wasser und Wärme erzeugt. Das Wasserstoffmolekül wird an der Anode in Protonen und Elektronen aufgespalten. Es entsteht ein Stromfluss, der für verschiedene Anwendungen genutzt werden kann. An der Kathode verbinden sich Protonen, Elektronen und Sauerstoff zu Wasser. Dieses Wasser muss effektiv abgeführt werden, damit es sich nicht ansammelt und die Komponenten der Brennstoffzelle beschädigt. In vielen Systemen erfolgt die Entfernung passiv durch Schwerkraft, manchmal unterstützt durch Impellerpumpen. Wo jedoch eine aktive Entfernung ③ erforderlich ist, bietet KNF mit Membran-Flüssigkeitspumpen wie der FF 12 oder der FP 7 zuverlässige Lösungen mit langer Lebensdauer und hoher Betriebssicherheit.
Eine weitere wichtige Anwendung von Membran-Wasserstoffpumpen wie der oben genannten N 938 ist die Rückführung von Wasserstoff innerhalb des Brennstoffzellensystems. Dabei wird nicht umgesetzter Wasserstoff wiederverwendet, was den Wirkungsgrad erhöht und Verluste minimiert. Mit einer maximalen Förderleistung von bis zu 60 l/min in Doppelkopfkonfiguration ist die Pumpe ideal für ein effizientes Wasserstoffmanagement. Speziell als Rezirkulationspumpe ausgeführt – zum Beispiel mit einem Pumpenkopfgehäuse aus eloxiertem Aluminium – kann sie auch feuchte Gase zuverlässig fördern. Dies ist entscheidend für optimale Reaktionsbedingungen in der Brennstoffzelle. Bei Bedarf kann sie auch mit positivem Vordruck aus dem Brennstoffzellenstack betrieben werden, was die Systemintegration erleichtert und Leistung und Wirkungsgrad steigert.
Anpassbare Membranpumpen fördern den Wandel hin zu nachhaltiger Energie
KNF Membranpumpen lassen sich optimal an die spezifischen Anforderungen von Brennstoffzellensystemen anpassen. Ihre robuste Bauweise macht sie ideal für Anwendungen, bei denen Zuverlässigkeit oberste Priorität hat. Mit langer Lebensdauer und minimalem Wartungsaufwand bieten diese Membran-Wasserstoffpumpen die notwendige Betriebssicherheit für kritische Anwendungen in Verkehr, stationärer Energieerzeugung und Industrie. Während sich Städte weiterentwickeln – mit Südkorea als Beispiel für die erfolgreiche Integration nachhaltiger Energiequellen – spielen Gas- und Flüssigkeitspumpen von KNF eine immer wichtigere Rolle beim Übergang zu saubereren Energielösungen.
