In einer PEM-Brennstoffzelle befinden sich auf zwei Seiten einer nur sehr dünnen Polymermembran zwei völlig unterschiedliche Gasräume. Auf der Anodenseite strömt wasserstoffhaltiges Brenngas, auf der Kathodenseite normalerweise Luft beziehungsweise in bestimmten Prüfständen auch sauerstoffreiches Gas. Die Membran muss Protonen transportieren, gleichzeitig aber die beiden Reaktionsgase möglichst zuverlässig voneinander trennen.
Für die Lebensdauer der Membran ist deshalb nicht nur wichtig, welcher Druck auf Anode oder Kathode absolut herrscht. Entscheidend ist auch die Druckdifferenz zwischen beiden Seiten. Steigt der Druck auf einer Seite wesentlich schneller oder stärker als auf der anderen, entsteht eine mechanische Belastung über der Membran-Elektroden-Einheit.
Diese Situation tritt keineswegs nur bei einem statisch falsch eingestellten Druckregler auf. Kritische Differenzdruckspitzen können beim Starten und Abschalten des Systems, bei schnellen Lastwechseln, beim Anfahren des Luftverdichters, bei Wasserstoff-Purge-Vorgängen, beim Schalten von Ventilen oder bei Änderungen der Rezirkulation entstehen. Eine Messstelle, die im stationären Betrieb vollkommen unauffällig erscheint, kann daher während eines Transienten einen deutlich höheren Differenzdruck sehen.
Ein zuverlässiges Schutzkonzept muss deshalb statischen Differenzdruck und Druckdynamik gemeinsam betrachten.
Hinzu kommt eine weitere Besonderheit: Der Druck ist nicht an jeder Stelle des Stacks gleich. Sowohl auf der Anoden- als auch auf der Kathodenseite fällt der Druck entlang der Strömungskanäle ab. Ein am Einlass gemessener Differenzdruck beschreibt deshalb nicht automatisch die größte lokale Druckdifferenz, die irgendwo innerhalb der aktiven Membranfläche auftritt.
Die zentrale Aussage lautet: Der Schutz einer PEM-Brennstoffzellen-Membran erfordert mehr als zwei plausible Druckanzeigen. Anoden- und Kathodendruck müssen zeitlich zueinander passen, der Differenzdruck muss mit ausreichender Genauigkeit und Dynamik erfasst werden und die Messposition muss die reale Druckverteilung im Stack berücksichtigen. Der zulässige Grenzwert wird dabei nicht allgemein festgelegt, sondern muss vom jeweiligen Stack- beziehungsweise MEA-Hersteller vorgegeben werden.
Inhaltsverzeichnis
- Warum die PEM-Membran gegenüber Differenzdruck empfindlich ist
- Differenzdruck eindeutig definieren
- Warum es keinen universellen Differenzdruck-Grenzwert gibt
- Warum dynamische Druckspitzen besonders kritisch sind
- Warum die Messposition am Stack entscheidend ist
- Direkten Differenzdruck oder zwei Einzelkräfte messen?
- Differenzdruck und statischen Druck getrennt auslegen
- Warum zwei genaue Drucksensoren trotzdem einen schlechten Δp-Wert liefern können
- Impulsleitungen, Totvolumen und Kondensat berücksichtigen
- Werkstoffe auf der Wasserstoffseite richtig auswählen
- Luft- und Sauerstoffseite separat betrachten
- Anoden- und Kathodenmedium sicher getrennt halten
- Differenzdruck für Regelung und Schutz verwenden
- Elektronische Dämpfung nicht mit mechanischem Schutz verwechseln
- Nullpunkt und Messkette sinnvoll prüfen
- Typische Fehlerbilder systematisch diagnostizieren
- Besonderheiten auf Brennstoffzellen-Prüfständen
- Messgerät richtig auswählen
- Passende Druckmesstechnik von ICS Schneider
- Fazit
- Häufige Fragen zur Differenzdruckmessung an PEM-Brennstoffzellen
1. Warum die PEM-Membran gegenüber Differenzdruck empfindlich ist
Die Protonenaustauschmembran einer PEM-Brennstoffzelle ist Bestandteil der Membran-Elektroden-Einheit und wird auf beiden Seiten von Katalysatorschichten, Gasdiffusionslagen und Strömungsfeldern umgeben. Im Betrieb wirken daher nicht nur chemische und thermische Belastungen auf die Membran, sondern auch mechanische Kräfte.
Eine wichtige Belastungsquelle ist der Druckunterschied zwischen Anoden- und Kathodenseite. Sind beide Seiten annähernd gleich beaufschlagt, heben sich die flächenbezogenen Druckkräfte weitgehend auf. Steigt dagegen der Gasdruck auf einer Seite gegenüber der anderen an, wirkt eine zusätzliche resultierende Kraft auf die Membran-Elektroden-Einheit.
Diese Druckbelastung wirkt nicht isoliert. Gleichzeitig verändert sich die Membran abhängig von Temperatur und Wassergehalt. Beim Be- und Entfeuchten quillt beziehungsweise schrumpft das Polymer, während es innerhalb des Stacks mechanisch eingespannt ist. Differenzdruck, Feuchtewechsel, Temperaturzyklen und mechanische Einspannung können sich deshalb gegenseitig überlagern.
Ein dauerhaft oder wiederholt zu hoher Druckunterschied kann zur zusätzlichen Verformung beitragen und insbesondere an Übergangs-, Rand- und Dichtbereichen mechanische Spannungsspitzen erzeugen. Langfristig steigt dadurch das Risiko von Materialermüdung, lokalen Defekten oder Rissen.
Kommt es schließlich zu einem relevanten Membrandefekt, ist nicht nur die elektrische Leistung betroffen. Wasserstoff und Oxidationsgas können dann zwischen Anoden- und Kathodenseite übertreten. Membranschutz ist deshalb gleichzeitig eine Frage von Lebensdauer, Funktion und Systemsicherheit.
2. Differenzdruck eindeutig definieren
Bevor Grenzwerte oder Regelalgorithmen festgelegt werden, sollte die Vorzeichenkonvention eindeutig definiert sein.
Für diesen Beitrag gilt:
Δp = pAnode − pKathode
Ein positiver Wert bedeutet damit, dass auf der Anodenseite der höhere Druck herrscht. Ein negativer Wert bedeutet, dass der Kathodendruck höher ist.
Diese scheinbar einfache Definition ist in der Praxis wichtig. Werden Sensoren, SPS und Prüfstandssoftware mit unterschiedlichen Vorzeichenkonventionen parametriert, kann aus einem zulässigen positiven Offset in einer anderen Auswertung scheinbar ein negativer Grenzwert werden.
Bei der Inbetriebnahme sollte deshalb nicht nur ein Zahlenwert geprüft werden. Auch die Reaktion auf eine kontrollierte Änderung von Anoden- beziehungsweise Kathodendruck muss zum erwarteten Vorzeichen passen.
Für Systeme, in denen beide Druckrichtungen auftreten können, ist häufig ein bidirektionaler Differenzdruckbereich um null sinnvoller als ein ausschließlich positiver Messbereich. Dadurch wird unmittelbar sichtbar, wenn die normalerweise höher betriebene Seite kurzfristig unter den Druck der Gegenseite fällt.
3. Warum es keinen universellen Differenzdruck-Grenzwert gibt
Für PEM-Brennstoffzellen lässt sich kein einzelner Wert wie „maximal 100 mbar“ oder „maximal 200 mbar“ pauschal auf jede Membran und jeden Stack übertragen.
Die zulässige Differenz hängt unter anderem von Membrantyp und -dicke, Membranverstärkung, Aufbau der MEA, aktiver Fläche, Dichtungskonzept, Stützstruktur, Temperatur, Feuchte und dem Betriebszustand des Stacks ab.
Auch die Dauer der Belastung ist relevant. Ein kurzzeitiger Transient und eine über Stunden anliegende Druckdifferenz erzeugen nicht zwangsläufig dieselbe Beanspruchung.
In der Fachliteratur finden sich deshalb unterschiedliche konkrete Werte für verschiedene untersuchte Membranen und Zellaufbauten. Solche Werte sind für das Verständnis der mechanischen Zusammenhänge wertvoll, dürfen aber nicht als allgemeiner Betriebsgrenzwert verwendet werden.
Für eine reale Anlage sind die zulässige stationäre Druckdifferenz, eventuelle kurzzeitige Grenzwerte und die zulässige Druckänderungsrate aus den Angaben des Stack- beziehungsweise MEA-Herstellers abzuleiten.
Das gilt insbesondere für Prüfstände. Ein Prüfstand, der unterschiedliche Stacks untersucht, benötigt gegebenenfalls unterschiedliche Alarm- und Abschaltschwellen für dieselbe Druckmesstechnik.
4. Warum dynamische Druckspitzen besonders kritisch sind
Im stationären Betrieb lassen sich Anoden- und Kathodendruck vergleichsweise einfach aufeinander abstimmen. Schwieriger wird die Situation bei dynamischen Änderungen.
Auf der Kathodenseite bestimmt beispielsweise der Luftpfad mit Verdichter, Drossel beziehungsweise Backpressure-Regelung, Befeuchtung und Strömungswiderständen die Druckdynamik. Auf der Anodenseite wirken Druckregelventil, Injektor, Ejektor oder Rezirkulationspumpe, Purge-Ventil und Wasserabscheidung.
Diese Komponenten besitzen unterschiedliche Reaktionszeiten.
Bei einem schnellen Lastsprung kann deshalb eine Seite bereits einen neuen Druckzustand erreicht haben, während die andere noch nachregelt. Genau in diesem Übergang entsteht ein kurzfristiger Differenzdruck.
Besonders aufmerksam sollten Start, Stopp und Purge betrachtet werden. Wird beispielsweise der Wasserstoffpfad schlagartig entlastet, während der Kathodendruck noch besteht, kann sich das Vorzeichen von Δp kurzfristig umkehren. Umgekehrt kann ein schnell öffnendes Wasserstoffventil einen positiven Druckstoß verursachen, bevor die Kathodenseite nachgeführt wurde.
Für Membranschutz ist daher nicht nur die Genauigkeit eines Sensors bei einem ruhigen Prüfpunkt wichtig. Ebenso entscheidend sind Ansprechzeit, Abtastrate der Erfassung, Zykluszeit der Steuerung und Reaktionsgeschwindigkeit der Druckregelung.
5. Warum die Messposition am Stack entscheidend ist
Anode und Kathode besitzen jeweils einen eigenen Druckverlust zwischen Eintritt und Austritt.
Der Anodendruck kann beispielsweise vom Wasserstoffeinlass bis zum Rezirkulations- oder Abgasbereich sinken. Gleichzeitig fällt der Kathodendruck über Kanäle, Gasdiffusionslagen und Auslassstrecke ebenfalls ab.
Damit ist auch der lokale Anoden-Kathoden-Differenzdruck über die aktive Stacklänge nicht zwangsläufig konstant.
Ein Differenzdrucksensor, der ausschließlich Anoden- und Kathodeneinlass miteinander vergleicht, überwacht zunächst nur diese beiden Prozesspunkte. Er sagt nicht automatisch aus, welcher lokale Δp-Wert am anderen Ende des Stacks herrscht.
Bei einem bekannten und stabilen Druckverlustmodell kann der kritische lokale Differenzdruck aus den vorhandenen Messwerten abgeschätzt werden. Bei Entwicklungs- und Validierungsprüfständen ist dagegen häufig eine umfangreichere Druckinstrumentierung sinnvoll.
Je nach Stackkonzept können Anoden- und Kathodeneinlass, Auslass oder weitere Referenzstellen erfasst werden. Welche Messposition für eine Schutzfunktion verwendet werden soll, muss deshalb zusammen mit dem Stackhersteller und der Druckverlustcharakteristik des Systems festgelegt werden.
6. Direkten Differenzdruck oder zwei Einzeldrücke messen?
Für die Erfassung des Anoden-Kathoden-Differenzdrucks stehen grundsätzlich zwei Messkonzepte zur Verfügung.
Bei einer direkten Differenzdruckmessung werden Anoden- und Kathodendruck an die beiden Prozessanschlüsse eines gemeinsamen Differenzdrucktransmitters geführt. Die Messzelle reagiert unmittelbar auf die Druckdifferenz.
Alternativ kann jede Seite mit einem eigenen Drucksensor gemessen werden. Der Differenzdruck wird anschließend in der Steuerung aus beiden Signalen berechnet.
| Messkonzept | Vorteil | Besonders zu beachten |
|---|---|---|
| Direkter Differenzdrucktransmitter | Kleine Δp-Spanne kann direkt mit hoher Auflösung gemessen werden | Beide Prozessmedien liegen am selben Messgerät; Medienverträglichkeit, Trennung und Fehlerfall müssen bewertet werden |
| Zwei getrennte Drucksensoren | Wasserstoff- und Kathodenseite bleiben messtechnisch voneinander getrennt | Messabweichungen beider Sensoren wirken auf den berechneten Differenzdruck |
| Zwei hochpräzise synchron erfasste Sensoren | Zusätzlich stehen beide Absolut-/Systemdrücke separat zur Verfügung | Hohe Anforderungen an Genauigkeit, Temperaturverhalten, Synchronisierung und Kalibrierung |
Welches Prinzip geeigneter ist, hängt stark von der Anwendung ab.
Wenn beispielsweise bei mehreren bar Betriebsdruck nur einige zehn Millibar Differenz zuverlässig erkannt werden sollen, besitzt eine echte Differenzdruckmesszelle messtechnisch einen deutlichen Vorteil.
Auf einem Entwicklungsprüfstand können dagegen zwei sehr präzise und schnelle Einzelkanäle sinnvoll sein, weil zusätzlich die komplette Dynamik beider Gasversorgungssysteme analysiert werden soll.
7. Differenzdruck und statischen Druck getrennt auslegen
Einer der häufigsten Auswahlfehler bei Differenzdrucksensoren besteht darin, nur auf den Δp-Messbereich zu achten.
Ein Sensor kann beispielsweise einen Messbereich von −100…+100 mbar besitzen und gleichzeitig auf beiden Prozessseiten einen wesentlich höheren absoluten beziehungsweise statischen Druck sehen.
Dieser sogenannte Common-Mode- oder statische Druck muss von der Messzelle sicher aufgenommen werden können.
Zusätzlich ist der mögliche einseitige Überdruck zu prüfen. Während des Normalbetriebs können Anode und Kathode nahezu denselben Druck besitzen. Wird jedoch eine Seite während eines Fehlers oder beim Entlüften sehr schnell drucklos, kann kurzfristig fast der gesamte Systemdruck als Differenz über der Messzelle anliegen.
Deshalb müssen bei der Auswahl mindestens drei verschiedene Größen getrennt betrachtet werden: der normale Differenzdruck, der maximale mögliche Differenzdruck im Fehlerfall und der höchste statische Betriebsdruck.
Eine kleine Δp-Spanne bedeutet nicht automatisch, dass ein Niederdrucksensor ohne hohe Common-Mode-Festigkeit geeignet ist.
8. Warum zwei genaue Drucksensoren trotzdem einen schlechten Δp-Wert liefern können
Werden Anoden- und Kathodendruck mit zwei separaten Sensoren erfasst, wird der Differenzdruck mathematisch aus zwei relativ großen Zahlen gebildet.
Das kann messtechnisch anspruchsvoll werden.
Angenommen, beide Seiten arbeiten bei annähernd 2 bar und der interessierende Differenzdruck beträgt lediglich einige zehn Millibar. Dann muss die Differenz zweier Werte bestimmt werden, die jeweils um Größenordnungen größer sind als die eigentlich relevante Messgröße.
Nullpunktfehler, Temperaturdrift und Kalibrierabweichungen beider Sensoren gehen in das Ergebnis ein. Selbst wenn beide Sensoren für die eigentliche Systemdruckmessung ausreichend genau sind, kann der daraus berechnete kleine Differenzdruck eine vergleichsweise hohe Unsicherheit besitzen.
Aus diesem Grund sollte für eine rechnerische Δp-Bildung nicht lediglich die Prozentangabe aus zwei Datenblättern betrachtet werden. Sinnvoll ist eine Unsicherheitsbetrachtung für genau den vorgesehenen Druckbereich und die reale Temperatur.
Auf Prüfständen kann zudem eine gemeinsame Kalibrierung beider Kanäle bei gleichem Druck hilfreich sein, um relative Nullpunktunterschiede zu bestimmen.
9. Impulsleitungen, Totvolumen und Kondensat berücksichtigen
Auch ein schneller Drucksensor misst nur den Druck, der tatsächlich an seiner Membran ankommt.
Lange oder sehr dünne Verbindungsleitungen bilden zusammen mit dem eingeschlossenen Gasvolumen ein pneumatisches Übertragungssystem. Schnelle Druckänderungen können dadurch verzögert oder gedämpft werden.
Bei Brennstoffzellen kommt Feuchtigkeit als weiterer Einfluss hinzu. Sowohl Anoden- als auch Kathodengas können stark befeuchtet sein. In Leitungen mit kälteren Bereichen kann Wasser kondensieren.
Eine Flüssigkeitssäule in einer Druckleitung verändert nicht nur die Dynamik, sondern kann abhängig von der Höhendifferenz einen zusätzlichen hydrostatischen Offset erzeugen.
Besonders problematisch wird die Situation, wenn die beiden Seiten eines Differenzdrucksystems unterschiedlich viel Kondensat enthalten. Dann entsteht ein scheinbarer Differenzdruck, der gar nicht von der Membran stammt.
Für dynamische Messungen sollten Sensoren deshalb möglichst prozessnah installiert und Totvolumen sowie Leitungslänge klein gehalten werden. Gleichzeitig muss die Leitungsführung so ausgelegt sein, dass Kondensat kontrolliert behandelt werden kann und nicht unbemerkt im Messpfad steht.
10. Werkstoffe auf der Wasserstoffseite richtig auswählen
Die Anodenseite stellt besondere Anforderungen an alle medienberührten Werkstoffe.
Wasserstoff kann in ungeeigneten metallischen Werkstoffen Diffusions- und Versprödungseffekte verursachen. Auch Dichtungen und dünne Messmembranen müssen hinsichtlich Permeation, Druck, Temperatur und Lebensdauer betrachtet werden.
Deshalb sollte nicht aus der allgemeinen Angabe „für Gase geeignet“ auf eine Wasserstofffreigabe geschlossen werden.
Bei Drucksensoren für Brennstoffzellenprüfstände sind neben dem Membranwerkstoff auch Prozessanschluss, Schweißnähte, Dichtungssystem, eventuelle Beschichtungen und die gesamte medienberührte Konstruktion relevant.
Für dynamische Anwendungen kommt hinzu, dass der Sensor Druckzyklen und gegebenenfalls schnelle Druckspitzen dauerhaft verkraften muss.
Wasserstoffverträglichkeit bedeutet dabei nicht automatisch, dass ein Gerät für jede H₂-Anwendung geeignet ist. Ein Sensor für eine 700-bar-Tankstelle und ein Sensor für eine hochdynamische Niederdruckmessung an einer Brennstoffzelle stellen völlig unterschiedliche Anforderungen an Messbereich und Dynamik.
11. Luft- und Sauerstoffseite separat betrachten
Auf der Kathodenseite einer typischen PEM-Brennstoffzelle wird Umgebungsluft beziehungsweise aufbereitete Luft eingesetzt.
Auf Entwicklungsprüfständen kann jedoch auch sauerstoffangereichertes Gas oder reiner Sauerstoff verwendet werden.
Dieser Unterschied ist für die Druckmesstechnik relevant.
Ein wasserstoffkompatibler Drucksensor ist nicht automatisch für reinen Sauerstoff vorbereitet. Bei Sauerstoffanwendungen können besondere Anforderungen an Reinigungszustand, Restkohlenwasserstoffe, Schmierstoffe und Werkstoffe gelten.
Die Medienfreigabe muss deshalb für beide Seiten separat betrachtet werden.
Bei einer direkten Differenzdruckmessung ist das besonders wichtig, weil ein einziges Messgerät sowohl mit dem Anodengas als auch mit dem Kathodenmedium in Kontakt kommt.
12. Anoden- und Kathodenmedium sicher getrennt halten
Eine Differenzdruckmessung zwischen Wasserstoff und Luft beziehungsweise Sauerstoff darf keinen unbeabsichtigten Bypass zwischen beiden Gassystemen schaffen.
Bei einem direkten Differenzdrucktransmitter müssen die beiden Prozessräume konstruktiv zuverlässig voneinander getrennt sein. Auch das Fehlerverhalten des Messsystems ist zu berücksichtigen.
Ventilblöcke und Ausgleichsleitungen verdienen besondere Aufmerksamkeit. Bei klassischen Differenzdruckmessstellen wird häufig ein Equalizing-Ventil verwendet, um High- und Low-Seite für einen Nullpunktcheck miteinander zu verbinden. Bei zwei unterschiedlichen Reaktionsgasen einer Brennstoffzelle kann eine solche direkte Verbindung sicherheitstechnisch ungeeignet sein.
Ein Nullpunktverfahren darf deshalb nicht einfach aus einer normalen Filter- oder Durchflussmessstelle übernommen werden.
Prüfung, Ventilanordnung und Kalibrierkonzept müssen so ausgelegt sein, dass Wasserstoff und Oxidationsmedium nicht unbeabsichtigt miteinander verbunden werden.
Bei zwei vollständig getrennten Einzelsensoren besteht diese direkte mediale Verbindung durch das Messgerät nicht, dafür steigen die Anforderungen an die relative Messgenauigkeit.
13. Differenzdruck für Regelung und Schutz verwenden
Der Differenzdruck kann innerhalb eines Brennstoffzellensystems verschiedene Aufgaben erfüllen.
In einer Regelung dient er dazu, Wasserstoff- und Luftversorgung so aufeinander abzustimmen, dass sich der Stack innerhalb seines vorgesehenen Druckfensters bewegt.
Daneben kann ein höherer Grenzwert als Warn- oder Schutzschwelle dienen.
Diese beiden Funktionen sollten nicht miteinander verwechselt werden. Ein normaler Regelsollwert, ein Warnwert und ein Abschaltwert können bewusst unterschiedlich sein.
Welche Reaktion bei einer Grenzwertverletzung ausgelöst wird, hängt vom konkreten Brennstoffzellensystem ab. Möglich sind beispielsweise eine Änderung der Gasregelung, Reduzierung der Last oder eine definierte sichere Abschaltung.
Eine Druckmessung wird dadurch Teil des Sicherheits- und Betriebskonzepts. Soll sie eine formale Sicherheitsfunktion übernehmen, müssen Sensor, Signalverarbeitung, Aktorik und Diagnose entsprechend der erforderlichen Sicherheitsarchitektur bewertet werden. Eine normale Prozessmessung wird nicht allein dadurch zu einer Sicherheitsfunktion, dass in der SPS ein Grenzwert programmiert wird.
14. Elektronische Dämpfung nicht mit mechanischem Schutz verwechseln
Viele Druck- und Differenzdrucktransmitter bieten eine einstellbare Signaldämpfung.
Diese Funktion ist hilfreich, wenn ein Prozesswert durch Rauschen oder schnelle, für die Regelung irrelevante Schwankungen beruhigt werden soll.
Für den Membranschutz kann eine zu starke Dämpfung jedoch problematisch sein.
Ein realer Druckpeak wirkt mechanisch auf den Stack, unabhängig davon, ob der Transmitter ihn später geglättet ausgibt.
Eine elektronische Dämpfung reduziert also nicht die reale Druckbelastung. Sie kann lediglich verhindern, dass die schnelle Spitze im Ausgangssignal vollständig sichtbar wird.
Für Schutz- und Diagnosefunktionen muss die Dämpfung deshalb zur Dynamik des Systems passen.
Das gleiche gilt für Softwarefilter in SPS oder Prüfstandssoftware. Ein sehr ruhig aussehender Differenzdrucktrend ist nicht automatisch ein Beweis dafür, dass physikalisch keine schnellen Druckspitzen auftreten.
15. Nullpunkt und Messkette sinnvoll prüfen
Ein Differenzdrucksystem sollte regelmäßig darauf geprüft werden, ob bei tatsächlich gleichem Druck auf beiden Messseiten auch ein Wert nahe null angezeigt wird.
Bei einer Brennstoffzelle ist ein klassisches Equalizing über eine direkte Verbindung von Anode und Kathode jedoch nicht automatisch zulässig.
Auf Prüfständen kann eine Nullpunktprüfung beispielsweise außerhalb des eigentlichen Betriebs mit einem sicheren gemeinsamen Prüfmedium durchgeführt werden. Alternativ können beide Einzelkanäle gegen dieselbe Druckreferenz geprüft werden.
Bei hohen Genauigkeitsanforderungen ist außerdem interessant, ob sich der Nullpunkt unter statischem Prozessdruck verändert. Ein Differenzdrucktransmitter kann bei atmosphärischem Druck korrekt nullen und unter höherem Common-Mode-Druck dennoch eine kleine zusätzliche Abweichung zeigen.
Für zwei separate Drucksensoren sollte neben der individuellen Kalibrierung insbesondere ihre relative Übereinstimmung untersucht werden.
Auf einem Entwicklungsprüfstand ist deshalb eine gemeinsame Druckprüfung beider Kanäle häufig aussagekräftiger als zwei voneinander unabhängige Zertifikate allein.
16. Typische Fehlerbilder systematisch diagnostizieren
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Δp ist im stationären Betrieb gut, überschreitet aber beim Lastsprung den Grenzwert | Anoden- und Kathodenregelung reagieren unterschiedlich schnell | Zeitverläufe beider Drücke und Ventil-/Verdichtersignale synchron aufzeichnen |
| Differenzdruck zeigt langsame Nullpunktwanderung | Temperaturdrift, Kondensat oder Sensoroffset | Messleitungen, Temperatur und Nullpunkt unter definierten Bedingungen prüfen |
| Zwei Einzeldrucksensoren zeigen plausibel, berechneter Δp schwankt stark | Auflösung oder relative Genauigkeit für kleine Differenz nicht ausreichend | Unsicherheit beider Kanäle bezogen auf den tatsächlichen Δp-Bereich bewerten |
| Δp ändert sich stark beim Purge | Schnelle Druckentlastung der Anodenseite | Purge-Zeitpunkt, Ventilöffnung und Kathodendruck gemeinsam analysieren |
| Gemessener Differenzdruck hängt von der Einbaulage der Leitungen ab | Kondensat beziehungsweise hydrostatische Flüssigkeitssäulen | Impulsleitungen auf Feuchte und Höhenunterschiede prüfen |
| Einlass-Δp ist unauffällig, Stack zeigt dennoch Auffälligkeiten | Lokale Druckdifferenz am Auslass beziehungsweise innerhalb des Stacks größer | Druckverluste beider Gaspfade und zusätzliche Messpositionen betrachten |
| Kurze Peaks fehlen im Trend, obwohl Schutzabschaltung auslöst | Trendaufzeichnung oder Transmitter zu stark gedämpft | Rohsignal, Abtastrate und Filterparameter prüfen |
17. Besonderheiten auf Brennstoffzellen-Prüfständen
Auf einem Forschungs- oder Entwicklungsprüfstand sind die Anforderungen an die Druckmessung häufig höher als in einem Seriengerät.
Der Prüfstand soll nicht nur verhindern, dass ein Grenzwert überschritten wird. Er soll gleichzeitig zeigen, warum und wann dieser Zustand entstanden ist.
Dafür ist es sinnvoll, Anoden- und Kathodendruck mit hoher zeitlicher Auflösung gemeinsam mit Massenstrom, Temperatur, Feuchte, Zellspannung, Laststrom und Ventilzuständen aufzuzeichnen.
Insbesondere beim Test neuer Regelstrategien muss nachvollziehbar sein, ob eine Differenzdruckspitze durch den Stack selbst, einen Druckregler, den Luftverdichter, ein Purge-Ventil oder eine fehlerhafte zeitliche Koordination entstanden ist.
Auf dem Prüfstand kann daher ein zusätzlicher schneller Einzel-Drucksensor sinnvoll sein, selbst wenn für die eigentliche Schutzfunktion bereits ein Differenzdrucktransmitter vorhanden ist.
Die Kombination aus direktem Δp-Signal und den beiden absoluten beziehungsweise relativen Seitendrücken erleichtert die Ursachenanalyse erheblich.
18. Messgerät richtig auswählen
Die Auswahl beginnt mit dem vom Stackhersteller erlaubten Differenzdruckbereich und nicht mit einem verfügbaren Standardsensor.
Zunächst müssen der normale Δp-Arbeitsbereich und beide möglichen Vorzeichen bekannt sein. Danach folgen maximaler statischer Druck und der im Fehlerfall maximal mögliche einseitige Differenzdruck.
Für eine dynamische Schutzfunktion sind anschließend Ansprechzeit und Frequenzverhalten zu bewerten. Ein hochgenauer, aber langsamer Prozesstransmitter kann für eine stationäre Überwachung hervorragend geeignet und gleichzeitig für eine sehr schnelle Druckspitze ungeeignet sein.
Danach folgen die medienbezogenen Kriterien. Auf der Anodenseite müssen alle medienberührten Komponenten für Wasserstoff geeignet sein. Auf der Kathodenseite muss zwischen Luft und möglichen Sauerstoffanwendungen unterschieden werden.
Auch Temperatur und Feuchte gehören in die Auswahl. Ein Sensor, der mit trockenem Prüfgas ausgezeichnet funktioniert, muss unter heißem, gesättigtem Gas und möglicher Kondensation nicht dasselbe Verhalten zeigen.
Schließlich sind Ausgangssignal und Systemintegration zu berücksichtigen. Für eine klassische Prozessanlage kann 4…20 mA mit HART sinnvoll sein. Entwicklungsprüfstände können dagegen schnelle Spannungs-, Frequenz-, CAN- oder digitale Signale bevorzugen.
Die Entscheidung für „Differenzdrucktransmitter oder zwei Drucksensoren“ ergibt sich damit erst aus der vollständigen Messaufgabe.
19. Passende Druckmesstechnik von ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet unterschiedliche Lösungen für Wasserstoff-Druckmessung, Differenzdruckmessung und Prüfstandsanwendungen. Eine Übersicht finden Sie unter H² Wasserstoff-Anwendungen sowie unter Drucksensoren / Differenzdrucksensoren.
WIKA DPT-20 Differenzdrucktransmitter
Der WIKA DPT-20 misst Differenzdrücke von sehr kleinen mbar-Spannen bis in den bar-Bereich. Die verfügbaren Messbereiche beginnen bei −10…+10 mbar und reichen bis −16…+16 bar. Je nach Ausführung ist ein statischer Druck bis 400 bar möglich.
Damit ist das Messprinzip grundsätzlich interessant, wenn ein kleiner Anoden-Kathoden-Differenzdruck auf einem höheren gemeinsamen Betriebsdruck gemessen werden soll.
Für eine konkrete Brennstoffzellenanwendung muss jedoch die vollständige Konfiguration geprüft werden. Dazu gehören Wasserstoffverträglichkeit der Anodenseite, das verwendete Kathodenmedium, Werkstoffe, Dichtungen, Temperatur, Feuchte sowie die sichere Trennung der beiden Prozessseiten.
Für schnelle Membranschutzfunktionen ist außerdem zu prüfen, ob die dynamische Reaktion der gewählten Geräteausführung zur maximal zulässigen Drucktransiente des Stacks passt.
UNIK 5000H für dynamische Wasserstoff-Druckmessung
Der UNIK 5000H ist speziell für Wasserstoffanwendungen ausgelegt.
Die verfügbaren Bereiche reichen von 700 mbar bis 700 bar. Der angegebene Frequenzgang reicht bis 3,5 kHz, wodurch der Sensor insbesondere für dynamische Druckmessungen an Wasserstoffleitungen und Prüfständen interessant ist.
Für eine rechnerische Anoden-Kathoden-Differenzdruckbestimmung wäre auf der Kathodenseite ein entsprechend geeigneter zweiter Sensor erforderlich. Die Gesamtunsicherheit beider Messkanäle muss dann auf den kleinen resultierenden Δp-Wert bezogen werden.
RPS/DPS8000H für hochpräzise H₂-Prüfstandsmessungen
Der RPS/DPS8000H verbindet resonante TERPS-Sensortechnologie mit einer für wasserstoffreiche Medien ausgelegten Konstruktion.
Die Serie bietet eine Genauigkeit bis ±0,01 % vom Endwert sowie eine hohe Langzeitstabilität und unterschiedliche digitale beziehungsweise Frequenzausgänge.
Damit eignet sich das Geräteprinzip insbesondere für Forschungs- und Entwicklungsprüfstände, bei denen die genaue Druckcharakterisierung und die langfristige Vergleichbarkeit von Messreihen im Vordergrund stehen.
Der RPS/DPS8000H ersetzt dabei nicht automatisch einen direkten Differenzdrucktransmitter. Er ist vielmehr interessant, wenn die Einzelkräfte beziehungsweise Systemdrücke sehr präzise und separat erfasst werden sollen.
Auslegung durch ICS Schneider
Für die Auswahl einer Messstelle zur Anoden-Kathoden-Differenzdrucküberwachung sind insbesondere der vorgesehene Stack, normaler Anoden- und Kathodendruck, zulässiger Differenzdruck, maximaler Fehlerfall, erforderliche Reaktionszeit, Gaszusammensetzung, Feuchte, Temperatur, Anschlussgeometrie und das gewünschte Ausgangssignal relevant.
Bei einem direkten Differenzdrucktransmitter muss zusätzlich geklärt werden, ob beide Prozessseiten in der vorgesehenen Konfiguration medienverträglich und sicher voneinander getrennt sind.
20. Fazit
Der Differenzdruck zwischen Anode und Kathode ist eine wichtige Betriebsgröße einer PEM-Brennstoffzelle. Er darf nicht mit dem absoluten Betriebsdruck verwechselt werden.
Auch wenn beide Gasräume beispielsweise auf einem ähnlichen Druckniveau arbeiten, kann bereits eine vergleichsweise kleine Differenz eine zusätzliche mechanische Belastung über der Membran-Elektroden-Einheit erzeugen.
Ein pauschaler Grenzwert für alle PEM-Brennstoffzellen existiert dabei nicht. Die zulässige stationäre und dynamische Druckdifferenz muss aus der Auslegung des jeweiligen Stacks beziehungsweise den Vorgaben des Herstellers übernommen werden.
Für eine zuverlässige Überwachung reicht außerdem eine statische Betrachtung nicht aus. Start, Stopp, Lastsprünge, Purge-Vorgänge und Regelventile können deutlich höhere kurzfristige Differenzdrücke erzeugen als der normale Dauerbetrieb.
Ebenso wichtig ist die Messposition. Aufgrund unterschiedlicher Druckverluste auf Anoden- und Kathodenseite kann der lokale Druckunterschied entlang des Stacks variieren.
Ein direkter Differenzdrucktransmitter bietet Vorteile bei sehr kleinen Δp-Werten auf einem höheren gemeinsamen Druckniveau. Zwei getrennte Drucksensoren vermeiden dagegen eine gemeinsame Prozessschnittstelle zwischen Wasserstoff- und Kathodenseite und liefern zusätzlich die beiden Einzelkräfte. Dafür müssen ihre Genauigkeit, Drift und zeitliche Synchronität ausreichend gut sein.
Bei beiden Messkonzepten sind Wasserstoffverträglichkeit, Feuchte, Kondensat, Leitungslängen, Überdruckfestigkeit und Messdynamik Teil der eigentlichen Messaufgabe.
Besondere Vorsicht ist bei Ventilblöcken und Equalizing-Funktionen erforderlich. Eine klassische direkte Verbindung der High- und Low-Seite darf nicht ungeprüft auf eine Messung zwischen Wasserstoff und Oxidationsgas übertragen werden.
Für die Praxis ergibt sich deshalb folgende Messkette:
Anodendruck + Kathodendruck → lokaler und dynamischer Differenzdruck → Stack-Grenzwert → Regelung und Schutzreaktion.
Erst wenn diese gesamte Kette technisch abgestimmt ist, kann die Druckmessung ihre eigentliche Aufgabe erfüllen: die PEM-Membran zuverlässig vor unzulässiger mechanischer Belastung zu schützen.
21. Häufige Fragen zur Differenzdruckmessung an PEM-Brennstoffzellen
Warum muss der Differenzdruck zwischen Anode und Kathode überwacht werden?
Ein Druckunterschied erzeugt eine zusätzliche mechanische Belastung über der Membran-Elektroden-Einheit. Zu große oder häufig wiederkehrende Differenzdrücke können zur mechanischen Alterung der Membran beitragen.
Wie wird der Anoden-Kathoden-Differenzdruck definiert?
Eine mögliche und häufig sinnvolle Definition ist Δp = pAnode − pKathode. Entscheidend ist, dass dieselbe Vorzeichenkonvention in Sensorik, SPS, Prüfstandssoftware und Dokumentation verwendet wird.
Wie hoch darf der Differenzdruck einer PEM-Brennstoffzelle sein?
Es gibt keinen universellen Wert für alle Stacks. Der zulässige Differenzdruck hängt von Membran, MEA, Stackaufbau, Temperatur, Feuchte und Betriebszustand ab und muss aus den Herstellerdaten des konkreten Systems übernommen werden.
Kann ich 10 kPa als allgemeinen Grenzwert verwenden?
Nein. In der wissenschaftlichen Literatur existieren Untersuchungen, bei denen ab bestimmten Differenzdrücken deutliche zusätzliche Membranspannungen festgestellt wurden. Diese Ergebnisse beziehen sich jedoch auf konkrete Membranen, Modelle und Randbedingungen und dürfen nicht als allgemeiner Betriebsgrenzwert übernommen werden.
Sollte der Anodendruck immer höher als der Kathodendruck sein?
Einige PEMFC-Systeme arbeiten bewusst mit einem kleinen positiven Anodendruck-Offset. Die optimale Druckstrategie ist jedoch system- und stackabhängig. Ein allgemeiner fester Offset kann deshalb nicht empfohlen werden.
Ist ein Differenzdrucksensor besser als zwei Drucksensoren?
Bei einem sehr kleinen Differenzdruck auf einem deutlich höheren gemeinsamen Druckniveau ist eine direkte Differenzdruckmessung messtechnisch oft vorteilhaft. Zwei getrennte Sensoren bieten dagegen eine klare mediale Trennung und zusätzliche Information über beide Einzelkräfte. Die Entscheidung hängt von Genauigkeit, Dynamik und Sicherheitsarchitektur ab.
Warum kann die Differenz zweier guter Sensoren trotzdem ungenau sein?
Weil Nullpunktfehler, Temperaturdrift und Messabweichungen beider Kanäle in die Differenz eingehen. Wird aus zwei großen Druckwerten eine sehr kleine Differenz gebildet, kann die relative Unsicherheit des Δp-Wertes deutlich steigen.
Warum ist ein bidirektionaler Differenzdruckbereich sinnvoll?
Weil der Druckunterschied bei dynamischen Vorgängen das Vorzeichen wechseln kann. Ein Bereich beispielsweise symmetrisch um null zeigt sowohl einen höheren Anoden- als auch einen höheren Kathodendruck an.
Warum ist der statische Druck beim Differenzdrucksensor wichtig?
Die Messzelle kann einen kleinen Differenzdruck messen und gleichzeitig auf beiden Seiten einem wesentlich höheren gemeinsamen Druck ausgesetzt sein. Dieser statische Druck muss innerhalb der zulässigen Belastbarkeit des Transmitters liegen.
Was passiert bei einem einseitigen Druckabfall?
Fällt eine Seite sehr schnell auf einen niedrigen Druck, kann kurzfristig fast der gesamte Systemdruck als Differenz auf die Messzelle und gleichzeitig auf den Stack wirken. Deshalb muss auch dieser Fehlerfall betrachtet werden.
Warum reicht eine Messung am Stackeinlass möglicherweise nicht aus?
Auf Anoden- und Kathodenseite entstehen entlang der Strömungskanäle unterschiedliche Druckverluste. Der lokale Differenzdruck kann deshalb am Stackauslass oder innerhalb des aktiven Bereichs anders sein als am Einlass.
Welche Vorgänge erzeugen besonders schnelle Differenzdruckänderungen?
Typische Ursachen sind Start- und Abschaltvorgänge, schnelle Lastwechsel, Purge-Vorgänge auf der Anodenseite, Änderungen der Luftverdichterdrehzahl sowie schnell schaltende Druck- oder Backpressure-Ventile.
Kann ich schnelle Druckspitzen mit einer starken Filterung beseitigen?
Nein. Eine elektronische oder digitale Filterung glättet lediglich das Messsignal. Die reale Druckspitze wirkt weiterhin mechanisch auf die Membran.
Warum sind kurze Impulsleitungen wichtig?
Lange beziehungsweise volumenreiche Leitungen verzögern die Druckübertragung zum Sensor und können schnelle Transienten dämpfen. Dadurch kann die gemessene Druckspitze kleiner oder später erscheinen als die tatsächliche Belastung am Stack.
Warum ist Kondensat in den Druckleitungen problematisch?
Flüssigkeit verändert die dynamische Druckübertragung und kann durch unterschiedliche Flüssigkeitssäulen einen zusätzlichen hydrostatischen Differenzdruck erzeugen. In befeuchteten Brennstoffzellensystemen sollte die Leitungsführung deshalb gezielt auf Kondensatbildung ausgelegt werden.
Ist jeder Edelstahl-Drucksensor für Wasserstoff geeignet?
Nein. Wasserstoffverträglichkeit hängt von konkretem Werkstoff, Membran, Dichtungen, Fertigung, Druck, Temperatur und Beanspruchung ab. Eine allgemeine Edelstahlangabe reicht für die Auswahl nicht aus.
Ist ein Wasserstoffsensor automatisch für reinen Sauerstoff geeignet?
Nein. Sauerstoffanwendungen können zusätzliche Anforderungen an Werkstoffe, Reinigung und Restkontamination stellen. Bei Prüfständen mit reinem beziehungsweise stark angereichertem Sauerstoff muss die Kathodenseite separat bewertet werden.
Kann ich einen 3- oder 5-Ventilblock wie bei einer normalen Differenzdruckmessung verwenden?
Nicht ungeprüft. Ein Equalizing-Ventil kann normalerweise High- und Low-Seite miteinander verbinden. Zwischen Wasserstoff und Oxidationsgas kann eine solche Verbindung sicherheitstechnisch ungeeignet sein. Das Ventil- und Kalibrierkonzept muss speziell für die Brennstoffzellenanwendung ausgelegt werden.
Wie kann der Nullpunkt eines Differenzdrucksystems geprüft werden?
Auf einem Prüfstand können beide Messseiten unter sicheren Bedingungen mit derselben geeigneten Druckreferenz beaufschlagt werden. Bei zwei getrennten Sensoren kann deren relative Nullpunktdifferenz ebenfalls gegen eine gemeinsame Referenz bestimmt werden.
Welche Rolle spielt IEC 62282-2-100?
IEC 62282-2-100 behandelt Sicherheitsanforderungen für Brennstoffzellenmodule. Für die konkrete Auslegung einer Drucküberwachung müssen zusätzlich die Herstellerdaten des verwendeten Stacks, die Systemrisikoanalyse und die jeweiligen anwendungsbezogenen Anforderungen berücksichtigt werden.
Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl einer geeigneten Druckmessung?
Benötigt werden insbesondere Stacktyp, normaler Anoden- und Kathodendruck, zulässiger Differenzdruck und dessen Vorzeichen, maximal mögliche Druckdifferenz im Fehlerfall, maximaler statischer Druck, erforderliche Reaktionszeit, H₂-Konzentration, Kathodenmedium, Temperatur, Feuchte beziehungsweise Kondensationsrisiko, Prozessanschlüsse, gewünschtes Ausgangssignal und die geplante Funktion als reine Mess-, Regel- oder Schutzgröße.