Wasserstoffenergieanwendungen

Die Brennstoffzelle spielt eine entscheidende Rolle in der Wasserstoffversorgungskette, insbesondere im Transportsektor, beispielsweise bei Zügen, Autos und Schiffen. Sie wandelt Wasserstoff effizient in Strom um und erzeugt so saubere Energie, wobei Wasser das einzige Nebenprodukt ist. Unabhängig davon, ob der Wasserstoff direkt aus einem Produktionssystem oder einem Speichersystem stammt, benötigen Brennstoffzellen hochreinen Wasserstoff, um optimale Leistung zu erzielen. Jegliche Verunreinigungen im hochreinen Wasserstoff können die Leistung der Brennstoffzelle beeinträchtigen und langfristige Schäden verursachen.

Brennstoffzellen reagieren äußerst empfindlich auf Verunreinigungen, die vielfältige negative Auswirkungen haben können. Selbst Spuren von Schadstoffen wie Feuchtigkeit (H₂O), Sauerstoff (O₂), Stickstoff (N₂) und Kohlenmonoxid (CO) können die Energieumwandlungseffizienz beeinträchtigen und die Leistung reduzieren. Mit der Zeit können diese Verunreinigungen auch Brennstoffzellenkomponenten, insbesondere die Katalysatoren (Protonenaustauschmembran), beschädigen, was hohe Wartungs- oder Austauschkosten nach sich zieht. Für Brennstoffzellen, die der Norm GB/T 37244-2018 „Kraftstoffspezifikation für Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenfahrzeuge – Wasserstoff“ und ISO 14687:2019(E) entsprechen, ist die Einhaltung der Wasserstoffreinheit besonders wichtig, da diese Norm strenge Grenzwerte für die Konzentrationen von Verunreinigungen wie H₂O, O₂ und N₂ festlegt. Die spezifischen Eigenschaften und der Gehalt an Verunreinigungen im Wasserstoff variieren je nach Quelle, sei es Dampfreformierung von Methan (SMR), Methanolpyrolyse, Sauerstofferzeugung aus Koksofengas, Reinigung von Grauwasserstoff oder Elektrolyse. Bei jedem Wasserstoffproduktionsverfahren können unterschiedliche Verunreinigungen entstehen, die überwacht und kontrolliert werden müssen, bevor der Wasserstoff in die Brennstoffzelle gelangt.

Wichtige Reinheitsindikatoren für Wasserstoff in Brennstoffzellen

Um sicherzustellen, dass der für Brennstoffzellen verwendete Wasserstoff die erforderlichen Leistungsstandards erfüllt, sind die folgenden Reinheitsindikatoren von entscheidender Bedeutung:

● Feuchtigkeit im Wasserstoff (Wasserdampf): Ein zu hoher Feuchtigkeitsgehalt kann die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle stören, die Effizienz verringern und Brennstoffzellenkomponenten beschädigen. Die Überwachung des Feuchtigkeitsgehalts im Wasserstoff ist daher entscheidend, um sicherzustellen, dass dieser ausreichend trocken ist und somit die optimale Leistung der Brennstoffzelle gewährleistet ist.

● Sauerstoff im Wasserstoff: Sauerstoffverunreinigungen können die Leistung und den Wirkungsgrad von Brennstoffzellen verringern. Schon geringe Mengen Sauerstoff können die Leistung von Brennstoffzellen im Laufe der Zeit erheblich beeinträchtigen. Die kontinuierliche Überwachung des Sauerstoffgehalts stellt sicher, dass der Wasserstoff diesen schädlichen Schadstoff nicht enthält.

● Kohlenmonoxid (CO): Kohlenmonoxid ist eine der schädlichsten Verunreinigungen für Brennstoffzellen, insbesondere für Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen). CO adsorbiert am Platinkatalysator und verringert dessen Fähigkeit, die Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion zu katalysieren. Selbst Spuren von CO können die Leistung und Lebensdauer der Brennstoffzelle erheblich beeinträchtigen. Die Überwachung des CO-Gehalts ist daher unerlässlich, um eine Katalysatorvergiftung zu verhindern.

● Ammoniak (NH₃): Die Bestimmung von Ammoniakspuren in Wasserstoff für Brennstoffzellen ist entscheidend für den Schutz des Katalysators, die Aufrechterhaltung der Brennstoffzellenleistung, die Gewährleistung der Sicherheit und die Qualitätskontrolle. In der Praxis sind hochempfindliche TDLAS-Laseranalysemethoden und -geräte erforderlich, um Ammoniakspuren in Wasserstoff präzise zu bestimmen.

● Wasserstoffreinheit: Die Gesamtreinheit des Wasserstoffs muss strengen Normen wie GB/T 37244-2018 „Kraftstoffspezifikation für Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenfahrzeuge – Wasserstoff“ und ISO 14687:2019(E) entsprechen. Diese Normen legen die Anforderungen an zulässige Verunreinigungen im für Brennstoffzellen verwendeten Wasserstoff fest. Die kontinuierliche Überwachung der Wasserstoffreinheit gewährleistet die Einhaltung dieser Normen, verhindert Leistungseinbußen und maximiert den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.

Zusätzliche Sicherheitsaspekte: Installation und Systemintegrität

Neben Reinheitsaspekten sind spezifische Sicherheitsmaßnahmen und Systemintegritätsvorkehrungen für die Wasserstoffspeicherung und -verteilung in Brennstoffzellensystemen unerlässlich. Ein Leckageerkennungssystem muss installiert werden, um Leckagen in der Wasserstoffversorgung zu erkennen, die ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen können. Darüber hinaus kann die Inertisierung (d. h. die Zugabe eines Inertgases zur Reduzierung des Verbrennungsrisikos) das System vor unbeabsichtigten Zündungen schützen.

Welche Analysegeräte werden zur Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff für Brennstoffzellen verwendet?

Um den für den Brennstoffzellenbetrieb erforderlichen Reinheitsgrad des Wasserstoffs zu gewährleisten, werden verschiedene hochentwickelte Analysegeräte eingesetzt, um Verunreinigungen zu erkennen und zu entfernen, bevor der Wasserstoff in die Brennstoffzelle gelangt.

Anwendungen zur Wasserstoffproduktion

● Messung der Konzentration von Wasserstoff, der in Erdgasleitungen eingespeist wird (für den Transport – hier bezogen auf das Szenario, in dem Wasserstoff über Erdgasleitungen transportiert wird);

● Messung der Reinheit/Qualität des gespeicherten Wasserstoffs zur Vermeidung von Verunreinigungen in Brennstoffzellen;

● Messung der Dampfmethanreformierung (SMR), der Methanolpyrolyse und der Sauerstoffproduktion aus Koksofengas; Detektion und Qualitätskontrolle für die Reinigung von grauem Wasserstoff und die Wasserstoffproduktion mittels Wasserelektrolyse;

● Sicherheit und Reinheit der Wasserstoffspeicherung.