Modulares IR-Messsystem zur Überwachung der Wasserstoffqualität für Brennstoffzellenfahrzeuge

Abstract

Geringe Verunreinigungskonzentrationen in Wasserstoff im ppm-Bereich, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO) oder Kohlendioxid (CO2), können in Brennstoffzellen leistungsreduzierende Effekte oder Schäden verursachen. Für Brennstoffzellen-betriebene Fahrzeuge, die eine vielversprechende Alternative zu konventionellen Verbrennungsmotoren sind, können derartige Verunreinigungen auch zum Liegenbleiben des Fahrzeugs führen. Um solche Störeinflüsse zuverlässig auszuschließen, muss die Reinheit von Wasserstoff überwacht werden. Die ersten Voruntersuchungen zeigen, dass ein Sensorsystem, das auf der nicht-dispersiven Infrarot (IR)-Absorption beruht, eine Vielzahl von Störgasen erfassen kann. Dabei wurde auch festgestellt, dass Wasserstoff bei hohem Druck IR-aktiv wird, die resultierende breite H2-Absorptionsbande überdeckt allerdings keine wesentlichen Verunreinigungsbereiche. Um höhere Gasdrücke in einem FTIR-Spektrometer untersuchen zu können, wurde ein Versuchsaufbau mit einem Druckverstärker konzipiert. Mit Hilfe des Lambert-Beerschen-Gesetzes und der Van-der-Waals-Gleichung wurde die zur Erzielung der gewünschten Empfindlichkeit erforderliche Länge des Messsystems abgeschätzt. Es wurde festgestellt, dass bei einem Druck von 700 bar, entsprechend dem Tankdruck von Brennstoffzellenfahrzeugen, viele relevante Gase wie Kohlenmonoxid oder Methan mit Küvettenlängen von einigen 10 cm gemessen werden können. Für die resultierende Druckverbreiterung und -verschiebung findet man in der Literatur verschiedene Modelle, die sich zwar für eine grobe Näherung eignen, aber für eine quantitative Aussage zu ungenau sind. Weitergehende experimentelle Untersuchungen sind daher erforderlich.