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Tank- und Prozessdrücke in Wasserstoffkreisläufen sicher messen : Ausgabe 16/2015, 07.10.2015

Auf den Messfühler kommt es an

Wasserstoffbrennstoffzellen werden immer gefragter. Doch ihre Herstellung erfordert spezielles Know-how auch im Bereich der Sensorik. Dieser Beitrag erklärt, welche Messfühler in Brennstoffzellen-systemen zum Einsatz kommen sollten – und welche nicht.

Autor: Achim Schier, Manager Thin Film, und Lars Kostede, Program Manager, Kavlico Pressure Sensors

Bilder: Kavlico

Wasserstoff ist äusserst vielseitig und kann eine ganze Reihe technischer Aufgaben übernehmen: Als Formier- oder Schutzgas reduziert es Oberflächenoxide. Als Kühlmittel führt es Wärme ab. Und in der Lebensmittelherstellung härtet es Pflanzenfette.

Vor allem aber kommt es in Brennstoffzellen zum Einsatz. In diesen oxidiert das Gas zu Wasser, ein Ablauf, der Energie in Form von Elektronen freisetzt. Diese kann dann entweder für Anwendungen wie Systeme zur unterbrechungsfreien Stromversorgung genutzt werden – oder für elektrische Antriebe vor allem in Strassen- und Wasserfahrzeugen.

Beste Aussichten für Brennstoffzellenhersteller

Der Markt für Brennstoffzellen wächst derzeit stark, da die Nachfrage nach Zellen für die dezentrale Stromversorgung oder den Einsatz in umweltschonenden, elektrischen Flurförder- oder Fahrzeugen wächst. Erste marktreife Anwendungen wie Zellen für den stationären Einsatz, für Service-Fahrzeuge in der Gastronomie oder für Sportboote verkaufen sich bereits recht gut; auch das Netz verfügbarer Wasserstofftankstellen wächst.

Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer geht davon aus, dass der Umsatz mit Brennstoffzellen von derzeit rund 350 Mio. Euro bis 2020 auf dann 2 Mrd. Euro steigen wird.

Beste Sicherung für Zellen und Kreisläufe

Firmen, die von dieser Entwicklung profitieren wollen, brauchen entsprechendes Know-how, entsprechende Technologien und Werkstoffe – denn Brennstoffzellen und alle mit ihnen verbundenen Wasserstoff führenden Systeme müssen bestens gesichert werden.

Wasserstoff verfügt nämlich über eine Reihe unangenehmer Eigenschaften, die seine Verwendung erschweren: Der Stoff permeiert (Permeation: Durchdringung eines Stoffes) wegen seiner geringen Molekülgrösse durch viele herkömmliche Dichtmaterialien. Zudem kann er bei niedrigen Temperaturen, wie sie etwa bei Wasserstoffbetankungsvorgängen entstehen, hochfeste Stähle verspröden, das heisst brüchig machen. Beides kann, speziell bei mittleren und höheren Drücken, äusserst gefährlich sein: Der Stoff ist brennbar und reagiert beispielsweise heftig mit Sauerstoff, der ausser in der Luft auch in anderen Materialien gebunden sein kann.

Deshalb kommt der Überwachung und Regelung von Wasserstoffkreisläufen eine besondere Bedeutung zu: Ohne geeignete Messfühler, die Druckveränderungen im Kreislauf dauerhaft zuverlässig überwachen, lässt sich kein sicherer Wasserstoffkreislauf realisieren. Der Stoff lagert meist unter Drücken von 400 bis 700 bar, dieser Tankdruck wird zur Überführung oder in der Anwendung auf den richtigen Transport- oder Systemdruck angepasst.

Technische Herausforderung an die Sensorik

Das Auswählen geeigneter Sensoren ist keineswegs einfach und erfordert einige Umsicht. Denn Standardsensoren ohne speziellen Schutz sind nicht für den Dauereinsatz mit Wasserstoff geeignet.

Und viele der am Markt erhältlichen wasserstoffbeständigen Messfühler haben einen anderen Nachteil – einen hohen Preis. Meist handelt es sich nämlich um Standardsensoren, deren Medien berührende Oberflächen mit einer Goldbeschichtung versehen wurden. Diese schützt sie zwar tatsächlich gut gegen Wasserstoff – Gold hat eine sehr niedrige Wasserstoffdiffusionsrate –, ist aber auch sehr teuer. Natürlich werden auch wasserstoffbeständige Sensoren aus anderen Materialien und mit besserem Preis/Leistungs-Verhältnis verkauft. Doch ihr Einsatz setzt ein wenig Fachwissen voraus.

Die besten Sensoren für Wasserstoffumgebungen

Grundsätzlich gilt: Vor der Sensorenauswahl sollten Entwickler unbedingt immer eine Systembetrachtung bezüglich der auftretenden Drücke und der Leckage-Gefahren vornehmen. Deren Resultate verweisen dann darauf, welche Sensoren verbaut werden können. Das müssen nicht unbedingt Sensoren mit Goldbeschichtungen sein – in Frage kommen auch Messfühler, die mit austenitischen Stählen wie 1.4404/1.4435 gefertigt wurden.

Prinzipiell sind Dünnfilmsensoren, bei denen die Messelemente aus einer austenitischen Stahlzelle bestehen, die fest mit dem Druckanschluss verschweisst ist, für Wasserstoffanwendungen geeignet. Diese Sensoren sind hinreichend gegen Überdruck beständig und widerstehen tiefen Temperaturen von –40 °C, ohne Undichtigkeiten aufzuweisen. Da bei diesen Sensortypen das Wasserstoffgas von der Umgebung zuverlässig, auch bei hohen Drücken von bis zu 900 bar, getrennt ist, und es im Sensorinneren keine Zündquellen gibt, kann bei diesen Sensoren auf eine EX-Zulassung verzichtet werden.

Drucküberwachung zwischen Tank und Rohrleitung

In einigen Wasserstoffkreisläufen wird der Gasdruck vor der Überführung von Tank zu Verbraucher vorübergehend reduziert, meist auf Verteildrücke zwischen 5 und 20 bar. Zur Überwachung dieser Druckreduktion können hermetisch dichte Dünnfilm-Sensoren eingesetzt werden, die keiner EX-Klassifizierung unterliegen.

Drucküberwachung zwischen Rohrleitung und Verbraucher

Nach der Überführung zum Verbraucher wird der Wasserstoffgasdruck unmittelbar an der Verbrauchsstelle, üblicherweise auf den Verbrauchsdruck, angepasst und der Reaktionskammer zugeführt – das könnte ausser einer Brennstoffzelle auch eine Gasmischvorrichtung oder ein Verbrennungsmotor sein. An diesen Verbrauchsstellen muss immer ein ausreichender Luftaustausch gewährleistet werden, damit keine explosiven Gasumgebungen entstehen können. Da nach der letzten Druckreduktion immer für genügend Luftaustausch gesorgt wird, sind EX-geschützte Sensorausführungen in der Regel nicht erforderlich. Diese geringen Prozessdrücke kann man mit Standardsensoren erfassen.

Zusammenfassung

Welcher Sensor für welches Projekt geeignet ist, hängt vom jeweiligen Druckbereich sowie weiteren Spezifikationen ab. Grundsätzlich sollten Planer und Entwickler jedoch hochsicheren und zugleich wirtschaftlichen Materialien und Technologien wie austenitischen Stählen den Vorzug geben. Falls dabei Zweifel über die Eignung eines bestimmten Produkts bestehen bleiben, kann ein Blick auf dessen Zertifizierungen helfen: Die in der Automobilindustrie übliche, strenge EC79/2009-Norm gewährleistet hohe Betriebssicherheit – und genau die sollte beim Verwenden von Wasserstoff das Wichtigste sein.

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Der Kavlico PE5000-5107: Druck bis 900 bar, Temperatur von –40 bis +85 °C, Dünnfilm­technologie, keine internen Dichtungen


Der Kavlico PE5000-5106: Druck bis 20 bar, Temperatur –40 bis 85 °C, Dünnfilmtechnologie, keine internen Dichtungen


Der Kavlico P1A: Druck 0 bis 16 bar, Temperatur –40 bis +100 °C, keramisch-kapazitive Technologie