Aufgrund von Kundennachfragen nach mehr Sicherheit, Umweltfreundlichkeit, Leistung und Effizienz interessieren sich die Hersteller von mobilen Arbeitsmaschinen, Lastkraftwagen und Bussen zunehmend für Wasserstoff als Kraftstoffquelle. In wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen muss das Gas im H2-Speichertank durch eine Reihe von Regelventilen reguliert werden, bevor es in die Brennstoffzelle gelangt. Druckmessgeräte spielen in diesem Prozess eine wichtige Rolle. Jedoch sind Standard-Drucksensoren für Wasserstoffanwendungen aufgrund der verwendeten Materialien teilweise ungeeignet. Der MH-3-HY von WIKA wurde speziell für Fahrzeuge entwickelt, die mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betrieben werden. Darüber hinaus verfügt er über die EC79/2009-Zulassung.
Grundsätzlich sind wasserstoffbetriebene Fahrzeuge im Betrieb wesentlich sauberer als solche mit Verbrennungsmotoren, da bei der Mischung von Wasser- und Sauerstoff lediglich Wasserdampf als Nebenprodukt entsteht. Emissionsfreiheit ist vor allem bei Fahrzeugen, die in Innenräumen eingesetzt werden – Gabelstaplern, Scherenhubwagen, Schleppern, Kommissionierern und Transportfahrzeugen – ein Problem, da Verbrennungsmotoren gefährliches Kohlenmonoxid, flüchtige organische Verbindungen (VOCs) und andere schädliche Nebenprodukte in die Luft abgeben. Auch dann, wenn die Fahrzeuge mit den neuesten Abgasreinigungsanlagen ausgestattet sind.
Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge hingegen sind zwar sauber, jedoch haben sie eine begrenzte Reichweite als ihren größten Nachteil. Denn damit geht die Notwendigkeit einher, sie häufig aufladen zu müssen. Des Weiteren nimmt ein Ladezyklus mehrere Stunden in Anspruch, was bedeutet, dass Unternehmen leere Batterien, z. B. für Gabelstapler, durch geladene Ersatzbatterien austauschen müssen, um die Produktivität ihrer Maschinen aufrechtzuerhalten. Dies verursacht einen hohen logistischen Aufwand, da eine große Anzahl solcher Ersatzbatterien notwendig ist und deren Lagerung einen enormen Platzbedarf erfordert. Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge dagegen benötigen nur wenige Minuten zum Auftanken und sind sofort wieder einsatzbereit. Sie ermöglichen daher eine effizientere Logistik mit Einsparungen von Lagerkapazitäten.
Länder in Ostasien (insbesondere Japan) und Westeuropa sind Vorreiter in Sachen Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen, wobei auch andere Länder dem Thema eine zunehmend hohe Bedeutung beimessen. Einen tieferen Einblick hierzu liefert unser On-Demand-Webinar in englischer Sprache. Dieses zeigt darüber hinaus auf, wie WIKA Sie bei der Bewältigung von Herausforderungen, die Wasserstoffanwendungen mit sich bringen, unterstützen kann. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf Wasserstoffmobilität, einschließlich Tankstellen.
Wasserstoffanwendungen erfordern spezielle Drucksensoren
Das komprimierte Gas in Wasserstofftanks steht unter hohem Druck: in der Regel rund 350 bar / 5.250 psi für Nutzfahrzeuge. Bevor der Wasserstoff in die Brennstoffzelle gelangt, um in Energie umgewandelt zu werden, muss sein Speicherdruck auf den Arbeitsdruck der Brennstoffzelle reduziert werden. Für eine bessere Kontrolle und mehr Sicherheit erfolgt dieser Prozess in der Regel in zwei Schritten:
- Ein Druckreduzierventil, das sich in der Nähe des Tanks befindet, senkt den Druck auf unter 20 bar / 300 psi, bevor dieser in das System gelangt.
- Ein Druckregler reduziert den Druck dann weiter auf ca. 1 bar / 15 psi, bevor er in die Einspritzdüse der Brennstoffzelle gelangt.
Vor und nach dem Druckreduzierventil sind üblicherweise jeweils Drucksensoren verbaut. Dies gewährleistet, dass der Systemdruck innerhalb sicherer Grenzen liegt. Falls der Systemdruck nicht richtig geregelt sein sollte, entlässt ein Belüftungsventil den Wasserstoff in die Atmosphäre. Wenn der Systemdruck zu niedrig wird bzw. der Wasserstofftank leer ist, hat die Brennstoffzelle nicht mehr genug Druck für den Betrieb und schaltet die Maschine schließlich ab.
Der Drucksensor muss dabei die Anforderungen der Anwendungen hinsichtlich Genauigkeit und Robustheit erfüllen. Hierfür stellen H2-Anwendungen eine besondere Herausforderung dar. Das Wasserstoff-Molekül dissoziiert an metallischen Oberflächen unter bestimmten Voraussetzungen. Die Wasserstoff-Atome können leicht in die Kristallstruktur vieler gängiger Metalle, einschließlich CrNi-Stahl, eindringen. Der Diffusionsprozess beschleunigt sich bei höheren Temperaturen und Drücken. Dies wird als Wasserstoffpermeation bezeichnet und kann in einem Drucksensor zwei Dinge bewirken:
- Signaldrift: eine Veränderung des elektrischen Widerstands in seinen sensitiven Strukturen führt zu einem Signalversatz
- Wasserstoffversprödung: Metalle werden anfälliger für Risse und Brüche, also mechanische Beschädigung
Um die Permeation von Wasserstoff zu verhindern, kann ein Drucksensor mit einer vergoldeten frontbündigen Membrane ausgestattet werden. Diese Option ist jedoch in der Regel für die meisten Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge zu teuer. Eine wirtschaftlichere Lösung ist die Verwendung einer speziellen Legierung, die weniger anfällig für Wasserstoffpermeation und immun gegen Wasserstoffversprödung ist.
Robuste Drucksensoren für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge
Der MH-3 von WIKA ist bereits ein geeigneter elektronischer OEM-Drucksensor für den Einsatz unter extremen Bedingungen. Darauf aufbauend haben wir eine Ausführung speziell für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge entwickelt. Der MH-3-HY bietet dieselbe Genauigkeit, Verlässlichkeit und robuste Bauweise wie der MH-3, jedoch mit einem geschweißten Metall-Dünnfilmsensor aus 2.4711 (Elgiloy®) sowie einer Kobalt-Chrom-Nickel-Molybdän-Legierung mit hoher Dauerfestigkeit und ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit. Dieser Drucksensor hat keine Polymerdichtungen zum Medium und keine Ölfüllung. Dadurch ist er ideal für Wasserstoffanwendungen mit einem Druckbereich von 20 bar / 300 psi bis 600 bar / 8.000 psi geeignet.
Aufgrund seiner Eigenschaften hat der MH-3-HY die EU-Zulassung EC79/2009 für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge erhalten. Dies vereinfacht OEMs die Zertifizierung ihres gesamten Wasserstoffsystems. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass diese Zulassung im Juli 2022 von der EU aufgehoben wird. Bestehende EC79-Bescheinigung behalten ihre Gültigkeit, allerdings werden dann keine neuen Zertifikate mehr auf Basis dieser Richtlinie ausgestellt. Um auf dem Laufenden zu bleiben, werden Sie ab Juli in unserem Blog weitere Informationen zu diesem Thema finden.
Die Produktion des MH-3-HY erfolgt des Weiteren auf einer hochautomatisierten Linie, was die Belieferung unserer Kunden mit großen Mengen in zuverlässig hoher Qualität ermöglicht. Im Vergleich dazu verwenden andere Hersteller halbautomatische oder manuelle Fertigungsstraßen. Außerdem überprüfen wir jeden Sensor am Ende der Fertigungslinie zu 100 % und führen bei jedem eine Heliumdichtheitsprüfung durch.
Letztlich sind immer mehr Kommunen und Unternehmen daran interessiert, ihren CO2-Fußabdruck zu verringern, ohne dabei auf Leistung und Effizienz zu verzichten. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Nutzung von wasserstoffbetriebenen Bussen und mobilen Arbeitsmaschinen. WIKAs breites Portfolio an Messprodukten trägt zu dieser Entwicklung hin zu einer saubereren Zukunft bei.
Hinweis
Neben dem MH-3-HY bieten wir eine Vielzahl von Druckaufnehmern, Temperatursensoren, Schwimmerschaltern und weiteres Zubehör für Wasserstoffanwendungen an – von der Produktion, über die Verteilung bis zur Nutzung des Wasserstoffes. Weitere Informationen zum Thema Wasserstoff finden Sie auf der WIKA-Webseite. Bei Fragen steht Ihnen Ihr Ansprechpartner gerne zur Verfügung.
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