Der Energieträger Wasserstoff gilt in Verbindung mit einer Brennstoffzelle als besonders saubere Alternative in der Mobilität der Zukunft. Doch schon kleinste Verunreinigungen des geruchs- und farblosen Gases können dem Fahrspaß ein jähes Ende bereiten. „Es kann zu einer Vergiftung der Brennstoffzelle kommen“, erklärt Sensor-Experte Andreas Schütze von der Universität des Saarlandes.
Dementsprechend gilt bei Brennstoffzellen wie bei anderen Treibstoffen auch: Stimmen Qualität und Reinheit nicht, wirkt sich das auf das Auto aus. So können Schwefelkomponenten, Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe schon während der Produktion, auf dem Weg zur Tankstelle wie auch beim Pressen in die Tanks in den Wasserstoff gelangen. Bereits bei kleinen Verunreinigungen können die Zellmembranen Schaden nehmen. Als Folge produziert die Brennstoffzelle weniger Strom, bringt weniger Leistung und weniger Kilometer auf die Straße. Kommt es hart auf hart, bleibt das Auto sogar mit dauerhaftem Schaden stehen.
ENTWICKLUNG VON INFRAROT-MESSZELLE
Grund genug also für die Wissenschaftler der Universität des Saarlandes sowie dem Saarbrücker Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (Zema) zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Unternehmen Hydac Electronic eine Infrarot-Messzelle zu entwickeln, die die Qualität und Reinheit des Wasserstoffs direkt beim Tanken überprüft. Denn nur so ist garantiert, dass die Brennstoffzelle guten Treibstoff erhält, so dass dieser dem per Wasserstoff betriebenen Auto eine lange Lebensdauer ermöglicht.
Dazu Schütze: „Die Herausforderungen hierbei liegen zum einen in der erforderlichen Genauigkeit und zum anderen in den Bedingungen, unter denen das Messsystem messen soll. Geballte 700 bis 900 bar Druck lassen die Tanknadel nach weniger als drei Minuten am Anschlag stehen.“
Das von den Forschenden entwickelte Verfahren soll deshalb auch unter diesen extremen Bedingungen verlässlich und exakt arbeiten. Den hohen Druck nutzen sie sogar dazu, um die Empfindlichkeit ihres Systems weiter zu steigern. Für Öl und Flüssigkeiten haben Andreas Schütze und sein Team solche Messzellen bereits zur Marktreife gebracht. Hier aber betreten die Wissenschaftler Neuland. „Bislang gibt es keine Erfahrungen mit Messungen bei derart hohem Druck. Normalerweise erfolgen solche Messungen bei einem Druck von allenfalls 40 oder 50 bar“, so Andreas Schütze. Die Messzelle für das Gas wird direkt in der Tankleitung untergebracht: Der Wasserstoff strömt dabei durch ein Röhrchen. „Hier durchleuchten wir das Gas mit einer Infrarot-Quelle und fangen die Strahlen auf der gegenüberliegenden Seite auf. Wenn sich das Gas chemisch verändert, ändert sich auch das empfangene Lichtspektrum. Hieraus können wir Rückschlüsse auf Beimengungen und Verunreinigungen ziehen“, erklärt Schütze.
ERSTER TEST IM HERBST
Derzeit führen die Wissenschaftler Experimente durch und ordnen die Messwerte den verschiedenen Verunreinigungen zu. Dabei ergründen sie, welche Wellenlängen des Infrarot-Lichts sich am besten eignen. Zudem kalibrieren sie ihr System. Dies alles sind Vorarbeiten für das Sensorsystem, das diesen Herbst erstmals in der Test-Zapfsäule am ISE in Betrieb gehen soll. „Wir erforschen, ob und wie die Messwerte des Infrarot-Spektrums sich abhängig vom Druck verändern. Das System muss sehr unterschiedliche Verunreinigungen sicher erkennen, die zudem deutlich geringer sind als etwa bei Öl“, erläutert Ingenieur Marco Schott, der als Doktorand an der Wasserstoff-Messzelle arbeitet. Zu sehen ist der Hochdruck-Prüfstand vom 1. bis 5. April auf der Hannover Messe am saarländischen Forschungsstand B46 in Halle 2. Bis das neue Sensor-System auf den Markt kommt, wird Wasserstoff übrigens noch aufwändig und punktuell durch Stichproben und Analysen in Laboren untersucht.
Bild oben: An den Wasserstoff-Tankstellen des Fraunhofer ISE soll der Infrarot-Sensor zur Qualitätskontrolle des Gases getestet werden ©Fraunhofer ISE
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