Was­ser­stoff­brän­de und Explo­sio­nen vermeiden

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 bezie­hungs­wei­se die tech­ni­sche Anla­ge vor Schä­den zu schützen.
Am Fraun­ho­fer-Insti­tut für Che­mi­sche Tech­no­lo­gie (ICT) 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 Pro­zent 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.

Zwei­te Ver­si­on wird klei­ner und leich­ter als der Prototyp

Der aktu­ell ers­te Pro­to­typ ist auf fahr­ba­ren Rol­len mon­tiert und wiegt rund 100 Kilo­gramm. 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 bezie­hungs­wei­se 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.