Wasserstoffqualität nach dem Elektrolyseur prüfen: Feuchte, Sauerstoff und Reinheit richtig überwachen

→ Produktkategorie: H² Wasserstoff-Anwendungen

 

Der Elektrolyseur produziert Wasserstoff, Druck und Durchfluss liegen im vorgesehenen Bereich und auch der Trockner scheint ordnungsgemäß zu arbeiten. Trotzdem meldet die nachgeschaltete Anwendung plötzlich Qualitätsprobleme. Der Taupunkt steigt, im Wasserstoff wird mehr Sauerstoff gemessen oder die ermittelte H₂-Konzentration verändert sich.

Solche Veränderungen können frühzeitig auf Probleme in Elektrolyse, Gasabscheidung oder Gasaufbereitung hinweisen. Ein zunehmender Feuchtegehalt kann beispielsweise auf einen erschöpften oder nicht korrekt regenerierten Trockner hindeuten. Ein steigender Sauerstoffanteil kann dagegen auf eine veränderte Gastrennung, Leckage, Lufteintrag oder andere Prozessabweichungen hinweisen.

Für eine belastbare Qualitätsüberwachung reicht es deshalb nicht aus, lediglich einen einzelnen Wert „Wasserstoffreinheit“ zu betrachten.

In vielen Anwendungen sind mindestens drei Messgrößen besonders interessant:

• Wasserstoffkonzentration beziehungsweise H₂-Reinheit,
• Restsauerstoff im Wasserstoff und
• Restfeuchte beziehungsweise Taupunkt.

Welche weiteren Verunreinigungen überwacht werden müssen, hängt von Elektrolyseverfahren, Gasaufbereitung und späterer Verwendung des Wasserstoffs ab.

Messgeräte und Komponenten für Wasserstoffanwendungen finden Sie unter H² Wasserstoff-Anwendungen. Lösungen für die kontinuierliche Gasanalytik sind unter Siemens Prozessanalytik / Gasanalysatoren zusammengefasst.

Warum muss die Wasserstoffqualität nach dem Elektrolyseur überwacht werden?

Ein Elektrolyseur erzeugt Wasserstoff nicht automatisch in der Qualität, die jede nachgeschaltete Anwendung benötigt.

Der erzeugte Wasserstoff durchläuft abhängig von der Anlage mehrere Prozessschritte, beispielsweise:

• Gas-/Flüssigkeitsabscheidung,
• Trocknung,
• gegebenenfalls weitere Gasreinigung,
• Verdichtung,
• Zwischenspeicherung und
• Weiterleitung zum Verbraucher.

An jedem dieser Punkte kann sich die Gasqualität verändern.

Bei der Elektrolyse stehen Wasserstoff- und Sauerstoffseite außerdem nicht vollständig unabhängig voneinander. Je nach Elektrolyseverfahren werden die Produktgase durch Membranen, Diaphragmen oder andere Trennelemente voneinander separiert.

Verändern sich Betriebszustand, Differenzdruck, Last, Temperatur oder Zustand der Trennelemente, kann sich auch die Zusammensetzung des Produktgases verändern.

Eine kontinuierliche oder regelmäßige Qualitätsmessung kann solche Veränderungen sichtbar machen, bevor sie erst beim nachgeschalteten Verbraucher auffallen.

Welche Messgrößen sind besonders wichtig?

Für eine typische Überwachung direkt hinter Elektrolyseur und Gasaufbereitung sind mehrere Messgrößen sinnvoll.

Messgröße	Typische Aussage	Mögliche Auffälligkeit
H₂-Konzentration	Anteil des Wasserstoffs im betrachteten Gasgemisch	Fremdgasanteil steigt
O₂-Konzentration	Restsauerstoff im Wasserstoffstrom	Gastrennung, Lufteintrag oder Prozesszustand verändert
Taupunkt / Restfeuchte	Wassergehalt nach Abscheidung und Trocknung	Trocknerleistung nimmt ab
Druck	Betriebs- und Probenbedingungen	Druckänderung beeinflusst Prozess und Taupunktbewertung
Probendurchfluss	Sicherstellung einer definierten Analysatoranströmung	Verstopfung, Leckage oder falsche Einstellung

Abhängig vom Verwendungszweck können zusätzlich weitere Bestandteile relevant sein.

Die Qualitätsüberwachung sollte deshalb immer vom später benötigten Wasserstoffprodukt aus rückwärts geplant werden.

Was bedeutet H₂-Reinheit eigentlich?

Die Angabe einer Wasserstoffreinheit von beispielsweise 99,9 %, 99,99 % oder 99,999 % erscheint zunächst eindeutig.

Messtechnisch muss jedoch geklärt werden, wie dieser Wert bestimmt wurde.

Ein Analysator kann beispielsweise die Wasserstoffkonzentration aufgrund einer charakteristischen physikalischen Eigenschaft des Gasgemisches bestimmen.

Das funktioniert besonders gut, wenn es sich um ein binäres oder quasibinäres Gemisch handelt und die Zusammensetzung der übrigen Gasbestandteile bekannt beziehungsweise ausreichend konstant ist.

Bei einem Gemisch mit mehreren unbekannten Spurenkomponenten wird die Aussage schwieriger.

Auch die Berechnung:

H₂-Reinheit = 100 % − O₂ − H₂O

ist nicht grundsätzlich ausreichend.

Sie würde voraussetzen, dass außer Sauerstoff und Wasser keine weiteren relevanten Komponenten vorhanden sind.

Je nach Prozess können jedoch weitere Gase oder Spurenstoffe auftreten.

Deshalb sollte zwischen einer Gesamtbestimmung der H₂-Konzentration und der selektiven Überwachung einzelner Verunreinigungen unterschieden werden.

Warum Sauerstoff im Wasserstoff überwachen?

Sauerstoff gehört zu den besonders naheliegenden Qualitätsparametern hinter einem Elektrolyseur.

Eine Veränderung des O₂-Gehalts kann verschiedene Ursachen haben.

Dazu gehören beispielsweise:

• veränderte Gastrennung innerhalb des Elektrolyseurs,
• Betriebszustände mit ungünstigem Gastransport zwischen den Seiten,
• Probleme an Membran beziehungsweise Diaphragma,
• Leckagen in der Probenahme,
• Lufteintrag bei Wartungsarbeiten und
• unzureichendes Spülen nach dem Öffnen einer Anlage.

Wichtig ist, dass nicht jeder erhöhte O₂-Messwert automatisch auf einen Fehler des Elektrolyseurs zurückzuführen ist.

Gerade bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen kann bereits ein geringer Lufteintrag in die Probenleitung das Messergebnis deutlich beeinflussen.

Deshalb müssen Prozess und Probenahmesystem gemeinsam betrachtet werden.

Warum Restfeuchte so wichtig ist

Der aus der Elektrolyse kommende Wasserstoff kann zunächst erhebliche Feuchte enthalten.

Vor vielen nachgeschalteten Anwendungen wird das Gas deshalb getrocknet.

Die Restfeuchte hinter dem Trockner ist ein wichtiger Indikator dafür, ob die Gasaufbereitung noch ordnungsgemäß arbeitet.

Ein ansteigender Wassergehalt kann beispielsweise entstehen durch:

• zunehmende Beladung eines Adsorptionstrockners,
• unzureichende Regeneration,
• Fehlfunktion einer Umschaltung zwischen Trocknersäulen,
• Bypass-Leckage,
• ungewöhnlich hohe Feuchtebelastung am Trocknereingang oder
• Prozessänderungen im Elektrolyseur.

Besonders hilfreich ist dabei nicht nur ein einzelner Taupunktwert, sondern dessen zeitlicher Verlauf.

Ein langsam steigender Taupunkt kann auf eine nachlassende Trocknerleistung hinweisen, bevor ein definierter Qualitätsgrenzwert tatsächlich überschritten wird.

Taupunkt und Drucktaupunkt richtig unterscheiden

Bei der Feuchtemessung in unter Druck stehendem Wasserstoff muss eindeutig bekannt sein, auf welchen Druck sich der angegebene Taupunkt bezieht.

Der Drucktaupunkt beschreibt die Temperatur, bei der Wasserdampf bei dem vorhandenen Gasdruck zu kondensieren beginnt.

Wird derselbe Gasstrom anschließend entspannt, verändert sich die Wasserdampfkonzentration zunächst nicht zwangsläufig, wohl aber die Beziehung zwischen Taupunkt und Gesamtdruck.

Deshalb können Taupunktwerte vor und nach einer Druckminderung nicht ohne Berücksichtigung des Messdrucks unmittelbar miteinander verglichen werden.

Für reproduzierbare Qualitätsmessungen sollte daher dokumentiert werden:

• bei welchem Druck gemessen wird,
• ob Drucktaupunkt oder atmosphärischer Taupunkt angegeben wird und
• ob eine Umrechnung durch das Messgerät beziehungsweise die Auswertung erfolgt.

Besonders bei sehr trockenem Wasserstoff kann bereits eine unterschiedliche Druckreferenz zu deutlich unterschiedlichen Taupunktangaben führen.

Trocknerdurchbruch frühzeitig erkennen

Eine Taupunktmessung direkt hinter der Trocknung eignet sich besonders gut zur Zustandsüberwachung.

Im normalen Betrieb bleibt der Feuchtewert innerhalb eines relativ stabilen Bereiches.

Beginnt die Trocknerleistung nachzulassen, steigt der Taupunkt typischerweise an.

Dabei kann der zeitliche Verlauf mehr Informationen liefern als ein einfacher Grenzwert.

Ein Beispiel:

Ein System arbeitet über längere Zeit mit einem stabil niedrigen Drucktaupunkt. Anschließend beginnt der Wert nach jeder Betriebsstunde langsam anzusteigen und fällt nach dem Umschalten auf eine regenerierte Trocknersäule wieder deutlich ab.

Dieses Muster deutet eher auf die Trocknung beziehungsweise Regeneration als auf einen zufälligen Messfehler hin.

Wird dagegen unmittelbar nach Wartungsarbeiten ein deutlich höherer Wert gemessen, kann zunächst Feuchte aus geöffneten Leitungen, Armaturen oder dem Probenahmesystem selbst stammen.

Veränderungen an Membran und Gastrennung erkennen

Bei der Elektrolyse werden Wasserstoff und Sauerstoff auf unterschiedlichen Seiten des Systems erzeugt.

Die Gastrennung muss so funktionieren, dass die Produktgasqualität innerhalb der vorgesehenen Grenzen bleibt.

Verändert sich der Gastransport zwischen den Seiten, kann dies über eine Veränderung des Fremdgasanteils sichtbar werden.

Ein steigender Sauerstoffwert im Wasserstoffstrom ist deshalb ein wichtiger Diagnoseparameter.

Bei der Ursachenanalyse sollten unter anderem betrachtet werden:

• Anlagenlast,
• Prozessdruck,
• Differenzdruck zwischen H₂- und O₂-Seite,
• Temperatur,
• Anfahr- und Abfahrzustände sowie
• zeitlicher Verlauf des Messsignals.

Ein einzelner erhöhter Messwert erlaubt noch keine eindeutige Diagnose.

Wiederholt sich die Abweichung jedoch reproduzierbar bei bestimmten Betriebszuständen, entsteht ein wesentlich aussagekräftigeres Fehlerbild.

Probenahme richtig aufbauen

Bei der Gasanalytik entscheidet nicht nur der Analysator über die Messqualität.

Ebenso wichtig ist das Probenahmesystem zwischen Prozess und Messgerät.

Ein typischer Aufbau kann beispielsweise bestehen aus:

• Probenahmeanschluss an der H₂-Leitung,
• Absperrventil,
• gegebenenfalls Filter,
• Druckreduzierung,
• Durchflussbegrenzung beziehungsweise Durchflussregelung,
• Taupunktmessung,
• Gasanalysator und
• sicherer Ableitung des Analysengases.

Der konkrete Aufbau hängt von Prozessdruck, Gasqualität, Analysator und Sicherheitskonzept ab.

Eine wichtige Grundregel lautet jedoch: Die Probenleitung sollte so kurz und einfach wie technisch sinnvoll ausgeführt werden.

Jede zusätzliche Verschraubung, jedes unnötige Volumen und jedes ungeeignete Material kann Ansprechzeit oder Messwert beeinflussen.

Druckminderung richtig berücksichtigen

Elektrolyseanlagen und nachgeschaltete Verdichter können Wasserstoff bei Drücken bereitstellen, die deutlich oberhalb des zulässigen Eingangsdrucks eines Gasanalysators liegen.

Die Probe muss dann vor der Analyse kontrolliert entspannt werden.

Bei der Druckreduzierung sind mehrere Punkte relevant:

• zulässiger Eingangsdruck des Druckreglers,
• geeignete Werkstoffe für Wasserstoff,
• Ausgangsdruck für den Analysator,
• erforderlicher Probendurchfluss und
• Auswirkung der Druckänderung auf die Feuchtebewertung.

Besonders für die Taupunktmessung muss entschieden werden, ob direkt unter Prozessdruck oder nach einer definierten Druckreduzierung gemessen werden soll.

Nur bei bekannten Bedingungen sind Messwerte verschiedener Anlagen oder Zeitpunkte sinnvoll miteinander vergleichbar.

Werkstoffe und Leitungen für die Gasprobe

Bei einer Spurenanalyse können selbst Komponenten relevant werden, die bei einer normalen Prozessleitung kaum auffallen.

Für eine schnelle und reproduzierbare Feuchtemessung sollte das Probenahmesystem möglichst wenig Wasser aufnehmen beziehungsweise wieder abgeben.

Saubere metallische Leitungen sind deshalb bei anspruchsvollen Taupunktmessungen häufig günstiger als lange Kunststoff- oder Elastomerschläuche.

Auch bei der Sauerstoffmessung sollte die Probenleitung möglichst gasdicht ausgeführt werden.

Zu berücksichtigen sind beispielsweise:

• Rohrwerkstoff,
• Dichtwerkstoffe,
• Verschraubungen,
• Ventile,
• Filterelemente und
• Druckregler.

Alle medienberührten Komponenten müssen für Wasserstoff, Prozessdruck und vorgesehene Betriebsbedingungen geeignet sein.

Lufteintrag als Messfehler vermeiden

Eine der wichtigsten Fehlerquellen bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen ist Umgebungsluft, die in das Probenahmesystem gelangt.

Luft enthält einen erheblichen Sauerstoffanteil. Schon eine kleine Undichtigkeit kann deshalb einen Spurensauerstoffwert deutlich verändern.

Typische Schwachstellen sind:

• undichte Verschraubungen,
• ungeeignete Schlauchverbindungen,
• nicht vollständig geschlossene Ventile,
• Probenpumpen auf der falschen Seite des Systems oder
• unzureichend gespülte Leitungen nach Wartungsarbeiten.

Bei einem plötzlich erhöhten Sauerstoffwert sollte daher nicht sofort ein Membranfehler am Elektrolyseur angenommen werden.

Zunächst sollte geprüft werden, ob der Analysator tatsächlich eine repräsentative, leckagefreie Prozessprobe erhält.

Probenfluss und Ansprechzeit

Der Probendurchfluss beeinflusst, wie schnell eine Änderung aus dem Prozess am Analysator sichtbar wird.

Bei sehr geringem Durchfluss kann die Gasprobe lange benötigen, um die komplette Leitung und das interne Volumen des Analysesystems auszutauschen.

Dadurch entsteht eine Totzeit.

Ein höherer Durchfluss reduziert diese Verzögerung grundsätzlich, darf jedoch die zulässigen Bedingungen des Analysators nicht überschreiten.

Bei der Auslegung sollten deshalb gemeinsam betrachtet werden:

• Leitungslänge,
• Leitungsdurchmesser,
• internes Probenvolumen,
• zulässiger Analysatorfluss und
• gewünschte Reaktionszeit.

Werden O₂- und Taupunktmessung in unterschiedlichen Probenpfaden betrieben, können außerdem unterschiedliche Verzögerungszeiten entstehen.

Bei einer Prozessanalyse sollte deshalb bekannt sein, welcher Messwert welchem tatsächlichen Zeitpunkt im Prozess entspricht.

Kalibriergase und Funktionsprüfung

Ein Gasanalysator sollte nicht ausschließlich dadurch beurteilt werden, dass er im Prozess plausible Werte anzeigt.

Für eine belastbare Qualitätssicherung sind regelmäßige Funktionsprüfungen beziehungsweise Kalibrierungen erforderlich.

Dazu können abhängig vom Analysator gehören:

• Nullgas,
• definiertes Prüfgas,
• zertifiziertes Kalibriergas,
• Durchflusskontrolle und
• Überprüfung der kompletten Probenaufbereitung.

Gerade bei Spurenmessungen sollte das Prüfgas zur Messaufgabe und zum jeweiligen Analyseverfahren passen.

Auch die Gasführung während einer Kalibrierung ist wichtig. Ein korrektes Kalibriergas liefert keine belastbare Aussage, wenn auf dem Weg zum Analysator Umgebungsluft oder Restgas aus einem großen Totvolumen eingetragen wird.

Bei einer Taupunktmessung sollte zusätzlich der Kalibrierzustand des Feuchtesensors regelmäßig überprüft werden.

Alarmgrenzen und Trends sinnvoll nutzen

Eine Prozessüberwachung wird besonders leistungsfähig, wenn nicht nur ein einzelner Grenzwert ausgewertet wird.

Sinnvoll können beispielsweise sein:

• Warnschwelle,
• Alarmgrenze,
• zeitliche Verzögerung,
• Trendüberwachung und
• Plausibilitätsvergleich mit Betriebszuständen.

Ein sehr kurzer Messwertsprung kann eine andere Ursache haben als ein kontinuierlicher Anstieg über mehrere Stunden.

Bei einem Trockner kann beispielsweise ein langsam ansteigender Taupunkt einen sich ankündigenden Durchbruch zeigen.

Beim Sauerstoff kann dagegen eine reproduzierbare Änderung bei bestimmten Lastpunkten Hinweise auf die Prozessbedingungen im Elektrolyseur liefern.

Die Alarmgrenzen sollten nicht pauschal übernommen werden, sondern aus Produktspezifikation, nachgeschalteter Anwendung, Anlagenkonzept und Messunsicherheit abgeleitet werden.

Zusammenhang mit Brennstoffzellenqualität

Wird der erzeugte Wasserstoff später in einer Brennstoffzelle eingesetzt, können Anforderungen an die Gasqualität deutlich über eine einfache Aussage wie „H₂ > 99,9 %“ hinausgehen.

Für solche Anwendungen können einzelne Spurengase separat begrenzt sein.

Eine Messung von Wasserstoff, Sauerstoff und Feuchte ist daher ein wichtiger Bestandteil der Qualitätsüberwachung, muss aber nicht automatisch alle für die spätere Anwendung relevanten Verunreinigungen erfassen.

Die Messstrategie sollte aus der jeweils geforderten Produktspezifikation abgeleitet werden.

Das bedeutet in der Praxis:

• benötigte Gasqualität definieren,
• relevante Verunreinigungen festlegen,
• passende Messverfahren auswählen,
• Nachweisgrenzen und Messunsicherheit berücksichtigen und
• Probenahme in die Qualitätsbetrachtung einbeziehen.

Eine hohe nominelle H₂-Konzentration ist somit nicht automatisch gleichbedeutend mit der vollständigen Erfüllung einer Brennstoffzellenspezifikation.

Typische Fehlerbilder

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Taupunkt steigt über mehrere Stunden langsam an	Trocknerbeladung beziehungsweise beginnender Durchbruch	Trocknerzustand, Regeneration und Umschaltung prüfen
Taupunkt springt nach Wartung deutlich nach oben	Feuchte in geöffneter Probenleitung	System ausreichend spülen und stabilisieren lassen
O₂-Wert steigt plötzlich, Prozess bleibt unverändert	Lufteintrag in Probenleitung möglich	Probenahme auf Dichtheit prüfen
O₂ steigt reproduzierbar bei bestimmten Lastzuständen	Veränderter Gastransport beziehungsweise Prozesszustand möglich	Last, Druck, Differenzdruck und Gastrennung gemeinsam auswerten
H₂-Reinheitswert verändert sich, O₂ und Feuchte bleiben konstant	Weitere Gasbestandteile oder Messmatrix verändert	Messprinzip und mögliche Fremdgase überprüfen
Taupunktwerte vor und nach Druckminderung unterscheiden sich stark	Unterschiedliche Messdrücke beziehungsweise Drucktaupunktbezug	Druckreferenz der Messwerte kontrollieren
Analysator reagiert sehr langsam auf Prozessänderungen	Zu geringer Probenfluss oder großes Totvolumen	Probenleitung und Durchfluss überprüfen
Messwert wandert nach Umschalten auf Kalibriergas lange	Großes Restvolumen oder langsamer Gasaustausch	Spülzeit und Probenaufbau kontrollieren

Empfohlener Aufbau einer Qualitätsüberwachung

1. Zielqualität definieren: Festlegen, für welche nachgeschaltete Anwendung der Wasserstoff vorgesehen ist.
2. Relevante Komponenten bestimmen: H₂, O₂, H₂O und gegebenenfalls weitere Verunreinigungen festlegen.
3. Messstelle auswählen: Entscheiden, ob direkt hinter Elektrolyseur, Trockner, Verdichter oder Speicher gemessen werden soll.
4. Prozessdruck erfassen: Prüfen, ob direkte Messung oder Druckreduzierung erforderlich ist.
5. Probenaufbereitung auslegen: Ventile, Druckregler, Filter und Durchflussregelung passend auswählen.
6. Totvolumen minimieren: Probenleitung möglichst kurz und einfach ausführen.
7. Materialien prüfen: Medienberührte Werkstoffe für Wasserstoff und Spurenanalyse auswählen.
8. Feuchtemessung definieren: Messdruck und Bezug des Taupunktwertes eindeutig festlegen.
9. O₂-Analyse definieren: Messbereich, Nachweisgrenze und konkrete H₂-Matrix berücksichtigen.
10. H₂-Konzentrationsmessung bewerten: Prüfen, ob das vorhandene Gasgemisch zum verwendeten Messprinzip passt.
11. Kalibrierkonzept festlegen: Geeignete Null- und Prüfgase sowie Prüfintervalle definieren.
12. Warn- und Alarmgrenzen festlegen: Aus tatsächlicher Produktspezifikation und Prozessanforderung ableiten.
13. Trendwerte aufzeichnen: Langsame Veränderungen frühzeitig sichtbar machen.
14. Prozessdaten gemeinsam auswerten: Qualitätswerte mit Last, Druck, Temperatur und Betriebszustand vergleichen.

Praxisbeispiel hinter einem Elektrolyseur

Bei einer industriellen Elektrolyseanlage wird der Wasserstoff nach der Gasabscheidung über einen mehrstufigen Trockner geführt.

Hinter der Gasaufbereitung werden kontinuierlich Restfeuchte und Sauerstoff überwacht.

Über mehrere Wochen bleibt der Taupunkt stabil. Anschließend beginnt er während längerer Produktionsphasen langsam anzusteigen.

Nach dem Umschalten auf die zweite Trocknersäule fällt der Wert wieder deutlich ab.

Der Sauerstoffwert bleibt währenddessen weitgehend unverändert.

Damit spricht das Fehlerbild zunächst eher gegen ein Problem der Gastrennung im Elektrolyseur und für eine Veränderung in der Trocknung.

Bei der Wartung zeigt sich, dass die Regeneration einer Trocknersäule nicht mehr vollständig durchgeführt wurde.

Nach Behebung des Problems bleibt der Taupunkt wieder stabil.

Einige Monate später entsteht ein anderes Fehlerbild.

Diesmal bleibt die Restfeuchte konstant, während der Sauerstoffgehalt bei einem bestimmten Lastbereich reproduzierbar ansteigt.

Die Untersuchung konzentriert sich deshalb nicht auf den Trockner, sondern auf Betriebszustand und Gastrennung des Elektrolyseurs sowie auf die Dichtheit des O₂-Probenahmesystems.

Das Beispiel zeigt den Vorteil einer selektiven Qualitätsmessung: Die einzelnen Messgrößen helfen nicht nur bei der Produktfreigabe, sondern auch bei der Lokalisierung von Prozessproblemen.

Welche Produkte und Lösungen eignen sich?

Siemens SIPROCESS GA700 OXYMAT 7 – Sauerstoff im Prozessgas messen

Der SIPROCESS GA700 OXYMAT 7 ist ein Analysenmodul zur kontinuierlichen Sauerstoffmessung.

Damit lässt sich O₂ als eigener Qualitätsparameter überwachen.

Für eine Anwendung in Wasserstoff muss die konkrete Ausführung immer auf Messbereich, Messgasmatrix, Probenbedingungen und erforderliche Nachweisgrenze abgestimmt werden.

Gerade bei kleinen Sauerstoffkonzentrationen ist außerdem ein technisch sauber ausgeführtes, leckagearmes Probenahmesystem entscheidend.

Siemens SIPROCESS GA700 CALOMAT 7 – H₂ in binären und quasibinären Gasgemischen

Der SIPROCESS GA700 CALOMAT 7 eignet sich zur quantitativen Bestimmung von Wasserstoff beziehungsweise anderen Komponenten in binären oder quasibinären Gasgemischen.

Damit kann er beispielsweise für eine kontinuierliche H₂-Konzentrationsmessung interessant sein, wenn die Gaszusammensetzung zum verwendeten Messprinzip passt.

Bei mehreren wechselnden Spurenverunreinigungen ersetzt eine solche Konzentrationsmessung jedoch nicht automatisch die selektive Analyse von Sauerstoff, Feuchte oder weiteren relevanten Stoffen.

IFA 515 Ex – Taupunktmessung in Wasserstoff und Ex-Bereichen

Der IFA 515 Ex ist für die Restfeuchte- beziehungsweise Taupunktmessung in verschiedenen Gasen einschließlich Wasserstoff vorgesehen.

Die eigensichere Ausführung eignet sich insbesondere für Messstellen, bei denen die Taupunktmessung innerhalb eines entsprechend ausgelegten explosionsgefährdeten Bereiches erfolgen soll.

Der Sensor kann beispielsweise hinter Trocknung oder Gasaufbereitung eingesetzt werden, um Veränderungen der Restfeuchte kontinuierlich zu überwachen.

IFA 550 – Taupunktüberwachung mit lokaler Anzeige und Alarm

Der IFA 550 eignet sich ebenfalls zur Restfeuchte- und Taupunktmessung in Wasserstoff.

Die lokale Anzeige und die Möglichkeit zur Grenzwertüberwachung sind insbesondere dann interessant, wenn die Trocknerqualität direkt an der Anlage sichtbar sein soll.

Je nach Ausführung können Taupunktdaten zusätzlich an eine übergeordnete Steuerung beziehungsweise Datenerfassung übertragen werden.

Komplette Gasanalysesysteme

In vielen Anlagen ist nicht der einzelne Analysator die eigentliche Lösung, sondern ein abgestimmtes Analysesystem.

Dieses kann beispielsweise kombinieren:

• Probenahme,
• Wasserstoff-geeignete Absperrarmaturen,
• Druckreduzierung,
• Durchflusskontrolle,
• Taupunktmessung,
• O₂-Analyse,
• H₂-Konzentrationsmessung,
• Kalibriergasumschaltung und
• sichere Probenableitung.

Weitere Komponenten für Elektrolyse, Verdichtung, Speicherung und Wasserstoffmesstechnik finden Sie unter H² Wasserstoff-Anwendungen.

Weitere Gasanalysatoren und Analysenmodule sind unter Siemens Prozessanalytik / Gasanalysatoren zusammengefasst.

ICS Schneider Messtechnik unterstützt bei der Auswahl von Gasanalysatoren, Taupunktsensoren, Druck- und Durchflussmesstechnik sowie bei der Auslegung kompletter Mess- und Probenaufbereitungssysteme für Wasserstoffanlagen.

Fazit

Die Wasserstoffqualität hinter einem Elektrolyseur lässt sich nicht zuverlässig mit nur einem einzelnen „Reinheitswert“ beurteilen.

Besonders aussagekräftig ist die Kombination aus H₂-Konzentration, Restsauerstoff und Restfeuchte beziehungsweise Taupunkt.

Die einzelnen Messgrößen liefern dabei unterschiedliche Informationen.

Ein steigender Taupunkt kann auf eine nachlassende Trocknerleistung hinweisen. Eine Veränderung des Sauerstoffanteils kann dagegen auf Veränderungen in Gastrennung, Betriebszustand oder Probenahmesystem hindeuten.

Entscheidend für verlässliche Ergebnisse ist außerdem die Probenaufbereitung. Druck, Durchfluss, Leitungsmaterial, Totvolumen und Dichtheit können insbesondere bei Spurenmessungen einen erheblichen Einfluss auf den angezeigten Wert haben.

Bei Taupunktmessungen muss zusätzlich eindeutig sein, auf welchen Druck sich der Messwert bezieht.

Für Brennstoffzellen- und andere hochwertige Wasserstoffanwendungen reicht die Messung von O₂ und H₂O allein außerdem nicht zwangsläufig aus. Die zu überwachenden Komponenten müssen aus der geforderten Produktspezifikation abgeleitet werden.

Eine richtig aufgebaute Qualitätsüberwachung dient damit nicht nur der Produktkontrolle. Sie wird gleichzeitig zu einem Diagnoseinstrument für Trockner, Gastrennung, Probenaufbereitung und den gesamten Elektrolyseprozess.

Häufige Fragen zur Wasserstoffqualität nach dem Elektrolyseur

Welche Werte sollte man hinter einem Elektrolyseur messen?

Besonders relevant sind häufig H₂-Konzentration, Restsauerstoff und Restfeuchte beziehungsweise Taupunkt. Je nach späterer Verwendung können zusätzliche Verunreinigungen überwacht werden müssen.

Warum ist Sauerstoff im Wasserstoff ein wichtiger Messwert?

Eine Veränderung des O₂-Gehalts kann auf veränderte Gastrennung, bestimmte Betriebszustände, Lufteintrag oder Fehler in der Probenahme hinweisen. Der Messwert sollte deshalb immer gemeinsam mit den Prozessbedingungen beurteilt werden.

Warum wird der Taupunkt hinter dem Elektrolyseur gemessen?

Die Taupunktmessung zeigt die Restfeuchte des Wasserstoffs. Hinter einem Trockner kann ein zunehmender Taupunkt frühzeitig auf eine nachlassende Trocknerleistung beziehungsweise einen beginnenden Trocknerdurchbruch hinweisen.

Was ist der Unterschied zwischen Taupunkt und Drucktaupunkt?

Der Drucktaupunkt bezieht sich auf den vorhandenen Gasdruck. Wird Wasserstoff entspannt, verändert sich die Beziehung zwischen Gesamtdruck und Taupunkt. Deshalb müssen Taupunktwerte immer zusammen mit ihrer Druckreferenz betrachtet werden.

Kann ich die Wasserstoffreinheit aus Sauerstoff und Feuchte berechnen?

Nicht grundsätzlich. Eine solche Berechnung würde voraussetzen, dass keine weiteren relevanten Gasbestandteile vorhanden sind. Für eine vollständige Qualitätsbewertung müssen alle für die jeweilige Anwendung relevanten Verunreinigungen berücksichtigt werden.

Warum zeigt der O₂-Analysator plötzlich mehr Sauerstoff an?

Neben einer tatsächlichen Prozessänderung kann auch Umgebungsluft über eine undichte Probenleitung eingetragen werden. Besonders bei niedrigen O₂-Konzentrationen sollte deshalb zunächst die komplette Probenahme auf Dichtheit und ausreichende Spülung geprüft werden.

Warum reagiert ein Taupunktsensor nach Wartungsarbeiten so langsam?

Geöffnete Leitungen und Armaturen können Feuchtigkeit aus der Umgebung aufnehmen. Nach dem Wiederanschließen muss diese Feuchte zunächst aus dem Probenahmesystem entfernt werden. Bei sehr trockenen Gasen kann die Stabilisierung deshalb vergleichsweise lange dauern.

Kann die Taupunktmessung hinter einem Druckregler erfolgen?

Grundsätzlich ja, wenn der Messaufbau dafür ausgelegt ist. Der Druck der Messung muss jedoch bekannt sein, da ein Wert nach Druckreduzierung nicht ohne Weiteres mit einem Drucktaupunkt unter Prozessdruck verglichen werden kann.

Ist ein H₂-Reinheitsanalysator ausreichend für Brennstoffzellenwasserstoff?

Nicht zwangsläufig. Eine Messung der Gesamt-H₂-Konzentration kann nicht automatisch alle einzelnen Spurengase nachweisen. Die erforderlichen Analyseparameter müssen aus der für die Anwendung geltenden Wasserstoffspezifikation abgeleitet werden.

Wie erkennt man einen Trocknerdurchbruch frühzeitig?

Besonders hilfreich ist eine kontinuierliche Taupunktmessung mit Trendaufzeichnung. Ein über die Zeit ansteigender Taupunkt kann bereits vor einer Grenzwertüberschreitung zeigen, dass die Trocknerleistung nachlässt.