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Ultraschneller Wasserstoffsensor zur Vermeidung von Wasserstoffbränden und Explosionen


Prototyp des mobilen,
ultraschnellen Wasserstoff-
sensors
(Foto: Fraunhofer ICT)

Es gibt bereits unterschiedliche Messsysteme auf dem Markt, die Wasserstoffgas schnell, exakt und mit hoher Empfindlichkeit messen können. Auch schnell wechselnde Wasserstoffkonzentrationen im hohen Prozentbereich können qualitativ gute Sensoren noch mit Ansprechzeiten von wenigen Sekunden nachweisen. Es gibt jedoch keinen kommerziell erhältlichen Wasserstoffsensor, der dynamische Wasserstoffimpulse im Millisekunden Bereich zeitaufgelöst analysieren kann.

In der Sicherheitstechnik und beim Explosionsschutz gelten insbesondere für Wasserstoffgas hohe Anforderungen. Brände und Explosionen von Wasserstoff können katastrophale Auswirkungen haben.

Deshalb muss in der Regel sichergestellt sein, dass die herrschenden Wasserstoffkonzentrationen deutlich außerhalb des zündfähigen Bereichs liegen. Von sehr großem Interesse ist auch die Vermeidung von Schäden, die durch kleine Wasserstoffbrände entstehen. Diese treten auf, wenn geringe Mengen an Wasserstoff den explosionsfähigen Konzentrationsbereich kurzzeitig überschreiten und dann durchzünden bzw. abbrennen. Dabei ist es vorteilhaft, die Wasserstoffkonzentration möglichst online messen zu können.

Je schneller die Wasserstoffkonzentration gemessen wird, desto einfacher ist es, die Umgebung bzw. die technische Anlage vor Schäden zu schützen.

Am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal bei Karlsruhe wurde ein Messsystem entwickelt, das Gase jeglicher Art extrem schnell analysiert. Das Online-Massenspektrometer detektiert Wasserstoff mit einer t90%-Ansprechzeit von nur 200 Millisekunden. Dieses dynamische Nachweisverhalten gilt über den gesamten messbaren Konzentrationsbereich hinweg von 1 ppm bis zu 100% Wasserstoff.

Die Probenahme erfolgt über eine zwei Meter lange, beheizte Ansaugkapillare aus Edelstahl, die mit synthetischem Quarzglas innenbeschichtet ist. Da die Einlasskapillare bis auf 200°C beheizt werden kann, können auch Gasgemische mit hohem Feuchtegehalt problemlos ohne Kondensation gemessen werden.

Ein weiterer Vorteil ist die geringe Probengasmenge des Online-Massenspektrometers. Der Gasverbrauch beträgt nur 5 sccm; das entspricht 5 Milliliter Gas pro Minute bei Atmosphären- bzw. Umgebungsdruck.

Die Analyse der Gase erfolgt im Hochvakuum, welches von einer Turbomolekularpumpe bereitgestellt wird. Dieser Vakuumpumpstand entnimmt kontinuierlich eine geringe Gasmenge aus dem Prozessgas.

Die Ansaugkapillare wird in-situ in den Prozess integriert. Somit entfällt jegliche Installationstechnik, mit der das Probengas von der Entnahmestelle zur Nachweiseinheit transportiert werden muss. Die Ansaugkapillare ist flexibel biegbar und kann beliebig und hermetisch dicht in eine technische Anlage integriert werden.

Der aktuell erste Prototyp ist auf fahrbaren Rollen montiert und wiegt ca. 100 kg. Die bereits konzipierte Version 2.0 dieses Messsystems wird deutlich kleiner, leichter und kompakter werden.

Um die Messwerte kontinuierlich an ein übergeordnetes Prozessleitsystem übergeben zu können, stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung. Über den Analogausgang wird der Messwert ständig online als Spannungswert im Bereich 0-10 V ausgegeben. Abtastraten von 1000 Hz sind hierbei problemlos realisierbar.

Die Messwerte können mit der Massenspektrometer-Software auch über einen PC weitergegeben werden.

Aktuell wird das Messsystem in der Brennstoffzellentechnologie eingesetzt mit Wasserstoff als Energieträger bzw. Brennstoff. Wasserstoffbetriebene Hybridfahrzeuge könnten zukünftig eine wichtige Rolle bei der Elektrotraktion von Automobilen spielen. Unsere neue Messtechnik wird dazu beitragen, dass diese Systeme sicher betrieben werden können.


14.02.2018

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