Richtiger Riecher

Zündung einer explosiblen Wasserstoffatmosphäre im Inneren eines Fahrzeuges. Die Grafik zeigt die Strömung verbrannter Gase aus dem Fahrzeug heraus Bild: Simaps

Wasserstoffmesssystem mit Festelektrolyt

Da Wasserstoff ein neuer Kraftstoff ist, sind die Erfahrungen im täglichen Umgang gegenwärtig gering. Zudem wird Wasserstoff in der öffentlichen Meinung als wesentlich gefährlicher wahrgenommen als herkömmliche Kraftstoffe. Umso wichtiger ist es, von Anfang an für größtmögliche Sicherheit zu sorgen und so die Akzeptanz in der Bevölkerung zu erhöhen. Zuverlässige Wasserstoffmesssysteme sind ein Schritt in die richtige Richtung.

Die Automobilindustrie will die Entwicklung von Elektrofahrzeugen vorantreiben, um langfristig von fossilen Brennstoffen unabhängig zu sein. Dabei verfolgt sie mehrere Ansätze parallel – neben Batterien auch die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie. Auch Fahrzeuge mit gemischten Antrieben sind denkbar, wie beispielsweise Brennstoffzellen-Hybridautos.

Ein Hauptproblem beim Elektroantrieb sind nach wie vor die kurzen Reichweiten der Batterien. Wasserstoff hingegen ist ein hervorragender transportabler Energiespeicher, hat jedoch grundlegend andere Eigenschaften als die uns vertrauten Kraftstoffe oder als Erdgas: Wasserstoff verbrennt ohne Rußbildung zu umweltfreundlichem Wasser. Da es sich sehr schnell verflüchtigt, ist im Freien die Explosionsgefahr verhältnismäßig gering. Aber Wasserstoff bildet über weite Bereiche explosible Gemische mit Luft und neigt schnell zu Detonationen, was vor allem in Garagen oder im Fahrzeuginneren problematisch sein kann.

Wasserstoffkonzentration permanent überwachen

Deshalb erfordert der sichere Umgang mit Wasserstoff andere Maßnahmen als die herkömmlichen Kraftstoffe – eine permanente Überwachung seiner Konzentration ist unerlässlich. Im Toyota FCHV sind beispielsweise Wasserstoffdetektoren an der Brennstoffzelle, unter der Motorhaube, am Wasserstofftank und in der Decke der Fahrgastzelle untergebracht.

Die Geräte müssen hohe Anforderungen erfüllen: Sie müssen genau, schnell, langlebig und spezifisch für Wasserstoff sein, unempfindlich gegenüber Temperatur- und Feuchteschwankungen und zudem so wenig Energie verbrauchen, dass sie auch im abgestellten Auto messen. Schließlich könnten kleine Lecks gerade dort zur Bildung einer explosiblen Atmosphäre in der Fahrgastzelle führen.

Lösung: Messsystem mit Festelektrolytsensor

J. Dittrich hat deshalb sein Wasserstoffmesssystem mit einem neuartigen Festelektrolytsensor ausgerüstet: Im Gegensatz zur elektrochemischen Zelle enthält der Sensor statt eines sich zersetzenden, flüssigen Elektrolyten einen sich nicht verbrauchenden Festelektrolyten. An der Dreiphasengrenze der Messelektrode zerbricht Wasserstoff in Protonen und Elektronen, der resultierende Stromfluss ist proportional zur Wasserstoffkonzentration. An der Gegenelektrode reagieren, wie bei der Brennstoffzelle, die Protonen und Elektronen mit Sauerstoff zu Wasser.

Da die Reaktionen bei Raumtemperatur stattfinden, entfallen die bei klassischen Festelektrolytsensoren notwendigen Heizsysteme. Die Leistungsaufnahme des handlichen Messsystems (L65 mm x B36 mm x H16 mm) ist mit 0,32 W entsprechend gering. Es enthält keine beweglichen Teile; Silikon-, Halogen- und Schwefelverbindungen beeinträchtigen seine Funktion nicht. Außerdem ist es nicht querempfindlich zu Kohlenwasserstoffen (HC), Schwefelwasserstoff (H2S), Stickoxiden (NO, NO2), Kohlenmonoxid (CO) oder Kohlendioxid (CO2).

Der Sensor hat eine schnelle Ansprechzeit (T50 = etwa 3 s), eine lange Lebensdauer (rund 40 000 Betriebsstunden) und ist in einem Temperaturbereich von -20° bis +80 °C und bei einer relativen Feuchte von 5 bis 90 % RH einsatzbereit. Der Messbereich ist von 0,01 bis 4 Vol.-% linear. Die intelligente Elektronik bereitet die Messwerte auf, gibt das Messsignal (4 bis 20 mA, 0 bis 10 oder 1 bis 4 V) aus und überwacht die Funktion des Messsystems. Bei Bedarf gibt sie entsprechende Fehlermeldungen aus. Eine geeignete Zündschutzart ist beantragt. Das Produkt ist in Elektrolyseuren bereits in Betrieb, Vorversuche zum Einsatz in Wasserstoffautos sind erfolgreich abgeschlossen.

Dittrich; Telefon: 07221 64103; E-Mail: info@dittrich-systeme.de