Modellierung und Simulation eines IR-Messsystems zur Optimierung der Strahlungsintensität für die Wasserstoffqualitätsüberwachung

Abstract

Aufgrund der Energiewende rückt Wasserstoff als Energieträger immer stärker in den Fokus. Problematisch können selbst geringe Verunreinigungen, z. B. von Methan oder Kohlenmonoxid sein, die in einer Brennstoffzelle leistungsreduzierende Effekte verursachen. Im Extremfall können irreversible Schäden an der Membran der Brennstoffzelle resultieren. Um diese Schäden zu vermeiden, wird hier ein online-fähiges Sensorsystem vorgestellt, das auch geringe Verunreinigungen im (sub-)ppm-Bereich erfassen soll. Das Messsystem beruht dabei auf der nicht-dispersiven Infrarot (NDIR)-Absorption bei einem Druck von bis zu 700 bar. Aufgrund des erhöhten Druckes wird die Empfindlichkeit erhöht, trotzdem sind für die Gewährleistung einer ausreichenden Empfindlichkeit Messweglängen von rund 1 m notwendig. Für die optische Auslegung des Systems sind Punkte wie die nicht-ideal parallele Abstrahlung der IR-Quelle, die Absorption des Gases sowie Mehrfachreflexionen an der Küvettenwand entscheidende Kriterien für die vom Detektor empfangene Strahlungsleistung. Ein hinreichend großes Messsignal ist allerdings für die Messung entscheidend. Mittels Simulation des Strahlengangs wird gezeigt, dass durch Einbringung zusätzlicher Komponenten (Reflektor an der Strahlquelle, Linsen, Verspiegelung der Küvette) die Strahlungsleistung am Detektor wesentlich gesteigert werden kann.