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Wasserstoff (H2) nimmt eine immer größer werdende Rolle als Energieträger ein und trägt vor allem zur Reduktion des CO2-Ausstoßes bei. H2 kann durch verschiedene Verfahren hergestellt werden. So können erneuerbare Energien, speziell Windund Sonnenenergie, verwendet werden, um mittels Elektrolyse aus elektrischer Energie H2 zu gewinnen, siehe Abbildung 1. H2 kann in einem Hochdrucktank gespeichert und bei Bedarf wieder in elektrische Energie zurückgewandelt werden. Diese Speicherfähigkeit ist ein wesentlicher Baustein für die Energiewende. Aber auch im Mobilitätssektor, im Straßenwie auch Schienenverkehr, kann durch Substitution von konventionellen Verbrennungsmotoren mit Brennstoffzellen-basierten Antriebe ein entscheidender Beitrag zur CO2-Reduzierung geleistet werden. Dabei hat die Wasserstoffqualität einen entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und die Langlebigkeit der Brennstoffzelle. Selbst kleinste Verunreinigungen im (sub-)ppm-Bereich können bereits dramatische Folgen vom Leistungsabfall bis zum Totalausfall verursachen. Störgase können durch Umwandlungsprozesse, Lagerung oder auch Transport in den Wasserstoff gelangen. Beispielsweise bewirkt Ammoniak (NH3) eine irreversible Reduzierung der Protonenleitfähigkeit des Ionomers, Kohlenmonoxid (CO) verursacht eine schwere Katalysatorvergiftung; beides beeinflusst die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellen-Antriebsstrangs erheblich [1]. Um solche Störgase zuverlässig zu detektieren und somit eine Aussage über die Wasserstoffqualität zu erhalten, wird ein Sensorsystem benötigt, dass relevante Verunreinigungen im (sub-)ppm-Bereich online messen kann. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass ein Messsystem basierend auf Infrarot (IR)-Absorption prinzipiell geeignet ist, eine Vielzahl von Verunreinigungen zu detektieren und zu quantifizieren [2, 3]. Für die Auslegung eines modularen IR-Messsystems muss die gasspezifische Absorption der maßgeblichen Verunreinigungen bekannt sein. Um die geforderten niedrigen Grenzwerte [4] zu erreichen, soll die IR-Absorption in H2 bei hohem Druck von bis zu 900 bar gemessen werden. Diese Drücke liegen in H2-Tankstellen ohnehin vor, so dass eine unmittelbare Integration in das Tankstellensystem möglich ist. Bei hohem Druck treten allerdings noch weitere Effekte wie Druckverbreiterung und -verschiebung der Absorptionsbanden auf, die bei der Auslegung des Messsystems berücksichtigt werden müssen. Vor allem zeigen bei derartig hohen Drücken aber auch normalerweise nicht IR-aktive Gase, insbesondere Wasserstoff selbst, aber auch Stickstoff, Absorptionsbanden, die bei der Auslegung und der Signalauswertung berücksichtigt werden müssen, auf. Mit Hilfe eines selbst entwickelten Hochdruckprüfstands wird ein definiertes Gasgemisch aus reinem Wasserstoff mit verschiedenen Verunreinigungen in einer Gasküvette unter hohen Druck gesetzt und die IR-Spektren bei unterschiedlichen Druckstufen mit einem hochauflösenden FTIR-Spektrometer erfasst. Diese Untersuchungen dienen zur Auslegung eines Mehrkanal-IR-Messsystems für folgende Feldversuche.

2.3 - Ermittlung von CO- und NH3-Absorptionsspektren in Wasserstoff bei hohem Druck zur Auslegung eines modularen IR-Messsystems