Verbesserte Erkennung von Wasserstofflecks zur Steigerung der Effizienz von PEM-Brennstoffzellen und Elektrolyse

26. Oktober 2021

Gemeinsam herausgegeben von Alicat & Crowcon

Im Zuge des weltweiten Strebens nach nachhaltigen, kohlenstoffneutralen Energiequellen interessieren sich viele Unternehmen und Länder zunehmend für alternative Kraftstoffe. Ein solcher Brennstoff ist Wasserstoff, der als umweltfreundliche Alternative zu Erdgas eine wichtige Rolle in der Landschaft der sauberen Energie spielt. Dies hat zu einem plötzlichen Anstieg des Interesses an der Brennstoffzellen- und Elektrolysetechnologie geführt.

Eine der größten Herausforderungen bei diesen beiden Verfahren ist das Austreten von Wasserstoff. Wasserstoffgas muss auf der Eingangsseite von PEM-Brennstoffzellenstapeln und auf der Ausgangsseite der Elektrolyse sorgfältig kontrolliert werden. Jede Leckage mindert nicht nur die Effizienz, sondern erhöht auch die Kosten und birgt potenzielle Gefahren wie Entflammbarkeit und Erstickungsgefahr.

Im Folgenden gehen wir näher auf die Erkennung von Wasserstofflecks ein und stellen verschiedene Lösungen vor, die dazu beitragen, die Sicherheit und Effizienz von Brennstoffzellenprozessen zu verbessern.

Warum Wasserstoff in Brennstoffzellen ausläuft

H2 Gas hat aufgrund seiner sehr geringen Größe und seiner geringen Dichte (0,09 g/L bei NTP von 0°C / 1 atm), die einem hohen Auftrieb entspricht, eine hohe Neigung zum Auslaufen.

In Brennstoffzellenstapeln kann Wasserstoff aus den Dichtungen an den Prozessanschlüssen in der Nähe derH2-Speicherflaschen und den zugehörigen Strömungswegen austreten. Obwohl es nahezu unmöglich ist, in einem Brennstoffzellenstapel eine 100%ige Gaseindämmung zu erreichen, ist eine zuverlässige Leckerkennung für die Minimierung von Verlusten unerlässlich.

Das Aufspüren von Wasserstofflecks ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Prozess- und Personalsicherheit

Leckagen verringern nicht nur die Prozesseffizienz, sondern stellen auch ein ernsthaftes Sicherheitsproblem dar. Wasserstoff hat eine untere Explosionsgrenze (UEG) von nur 4 % des Volumens, was bedeutet, dass selbst winzige Mengen von H2 kann in Verbindung mit atmosphärischer Luft Explosionen auslösen. Schon ein Funke statischer Elektrizität am Finger einer Person reicht aus, um eine Explosion auszulösen, wenn Wasserstoff vorhanden ist.

Da Wasserstoff geruchlos, farblos und geschmacklos ist, ist die Erkennung von Wasserstofflecks ohne mechanische Sensoren äußerst schwierig. Die Überwachung vonH2 erfordert daher eine spezielle Ausrüstung, um das Personal vor Gefahren zu warnen und Notfallmaßnahmen einzuleiten.

Nachweis von Wasserstoff mit herkömmlicher Sensortechnik

Traditionelle Sensortechnologien für die Erkennung brennbarer Gase sind Pellistoren. Ihr größter Nachteil besteht darin, dass sie Sauerstoff benötigen, was sie in einigen Anlagen ungeeignet macht. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass bei einigen Anwendungen die Gefahr besteht, dass die Pellistoren vergiftet oder blockiert werden, so dass die Arbeiter ungeschützt sind. Diese Sensoren sind nicht ausfallsicher, und ein Ausfall wird erst erkannt, wenn Prüfgas zugeführt wird, was allgemein als Bump-Test bekannt ist.

Nachweis mit Massendurchflussmessgeräten

Die Erkennung von Wasserstofflecks beruht auf Inline-Prozessinstrumenten und einer sorgfältigen Überwachung der Ein- und Ausgänge des Systems. Bei der PEM-Elektrolyse besteht eine Methode darin, die Massendurchflussraten desH2O-Eingangsund des Wasserstoffausgangs zu vergleichen, um die Menge der während des Prozesses auftretenden Leckagen zu berechnen. Coriolis-Instrumente sind ideal für die Messung und Kontrolle desH2O-Eingangsfür solche Elektrolysesysteme.

Prüfstand für die Dichtheitsprüfung von Brennstoffzellenstapeln

Abbildung 1. Prüfstand für die Dichtheitsprüfung des Brennstoffzellenstapels

Bei PEM-Brennstoffzellenstapelsystemen besteht eine gängige Methode zur Erkennung von Wasserstofflecks darin, eine Kombination aus Wasserstoffsensoren und Durchflussmessern zu verwenden. Ein Durchflussmesser, der stromabwärts derH2-Zufuhr angeordnet ist, und Messungen können in Verbindung mit Wasserstoffsensoren verwendet werden, um Lecks auf der Anodenseite eines PEM-Brennstoffzellenstapels zu erkennen.

Massedurchflussmessgeräte auf Differenzdruckbasis ermöglichen schnelle Reaktionszeiten und damit eine Lecksuche in Echtzeit. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit sind sie auch in der Lage, sehr kleine Lecks mit hoher Präzision und Genauigkeit zu messen. Dies kann dazu beitragen, Leckagestellen zu identifizieren, um die Gesamteffizienz des Prozesses zu verbessern, Kosten zu senken und Gefahren für das Bedienpersonal zu verringern.

Erkennung mit MPS™-Technologie

Xgard Bright von Crowcon

Abbildung 2. Xgard Bright von Crowcon

Crowcon, ein weiteres Halma-Unternehmen, verfügt ebenfalls über eine breite Palette von Produkten für die Erkennung von Wasserstoff. Der Xgard Bright nutzt deren neueste Technologie, das Molecular Property Spectrometer (MPS™), zur Erkennung und Messung der Umgebungskonzentration von Wasserstoff und anderen brennbaren Gasen mit hoher Genauigkeit und Präzision in Echtzeit. Außerdem müssen die Sensoren nicht neu kalibriert werden, was die Gesamtbetriebskosten erheblich senkt und die Interaktion mit den Geräten einschränkt. Der Xgard Bight stellt sicher, dass das Prozesspersonal nicht Gefahr läuft, vergiftet zu werden, und garantiert gleichzeitig, dass keine Fehlalarme auftreten.

Alicat, Crowcon und die Halma-Markenfamilie bieten Lösungen an, die zu einer sichereren, saubereren und gesünderen Welt beitragen.

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