Entwicklung eines Hochdruckprüfstands für NDIR-Messungen zur Verunreinigungsbestimmung in Wasserstoff für Drücke bis 900 bar

Abstract

Um die Ziele der Energiewende und somit der globalen Reduktion von CO2 zu erreichen, rückt Wasserstoff (H2) als Energieträger immer stärker in den Fokus. Mit Hilfe einer Brennstoffzelle wird die chemische Energie von H2 direkt in elektrische Energie ohne Ausstoß von CO2 umgewandelt. Dieses Antriebsverfahren wird bereits in Automobilen, Zügen oder auch Schiffen eingebaut. Kleinste Verunreinigungen des H2, je nach Schadstoff im ppm- oder sogar sub-ppm Bereich, können Schäden verursachen oder die Leistung der Brennstoffzelle reduzieren. Um die H2-Qualität im Feld zu überprüfen, wird derzeit ein online-fähiges Sensorsystem entwickelt, dass solche Verunreinigungen detektieren und identifizieren soll. Das Messsystem arbeitet in einem Druckbereich bis 900 bar und beruht auf der nicht-dispersiven Infrarot (NDIR)-Absorption. Der hohe Druck hat den Vorteil, dass sich die Empfindlichkeit verbessert, so dass eine optische Messweglänge von etwa 1 m auch für sehr kleine Schadstoffkonzentrationen ausreicht. Für die Auslegung des Systems spielen die einzelnen Absorptionsbanden der Verunreinigungen sowie des H2 eine entscheidende Rolle. Auf Grund des hohen Drucks verschieben und verbreitern sich die einzelnen Absorptionsbanden, zudem wird H2 selbst durch Stoßprozesse infrarotaktiv und kann die Erfassung der Schadstoffe stören. Um dieses Verhalten zu untersuchen, wurde ein Prüfstand entwickelt, bei dem eine Gasküvette in einem FTIRSpektrometer mit definierten Schadstoff-H2-Gemischen bis zu einem Druck von 900 bar befüllt werden.