Unabhängig davon, ob der Wasserstoff aus einer grauen, blauen oder grünen Quelle stammt, ist sein Reinheitsgrad entscheidend, wenn sein Endziel eine Brennstoffzelle ist. Die analytische Herausforderung ist beträchtlich: Die Grenzwerte für Verunreinigungen werden für mehrere chemische Verbindungen in Teilen pro Milliarde (ppb) angegeben, und die Kalibrierung der Analysegeräte, die diese Grenzwerte überprüfen, ist alles andere als trivial.
Warum sind die Grenzwerte für die Reinheit von Wasserstoffkraftstoff so niedrig?
Die erste Frage, die sich jeder analytische Chemiker stellt, wenn er die zulässigen Höchstwerte für Verunreinigungen liest, lautet: Warum sind diese Grenzwerte so niedrig?
Die Antwort liegt in der Art und Weise, wie die Brennstoffzelleningenieure diese Grenzwerte festgelegt haben, indem sie von einer Leistungsanforderung ausgingen. Eine Brennstoffzelle, die als Generator für einen Fahrzeugmotor verwendet wird, muss 200.000 km (125.000 Meilen) lang ohne größere Wartung oder Ausfälle funktionieren.
Die im Wasserstoff enthaltenen Verunreinigungen lagern sich auf der Oberfläche der Brennstoffzelle ab und verringern deren katalytische Aktivität – und damit die Leistung des Motors. Da es sich hierbei um ein kumulatives Phänomen handelt, berechneten die Ingenieure die zulässige Gesamtmasse der einzelnen Verunreinigungen über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs. Diese Berechnung wurde in der ISO 14687 formalisiert, der internationalen Norm zur Definition der Qualität von Wasserstoffbrennstoff für Protonenaustauschmembranen (PEM-Brennstoffzellen).
Die Methode ist einfach: Nehmen Sie die maximal tolerierbare Masse einer bestimmten Verunreinigung, teilen Sie sie durch die Gesamtmenge des während der Lebensdauer des Fahrzeugs verbrauchten Wasserstoffs (ausgedrückt in Masse oder Volumen) und das Ergebnis ist die maximale Konzentration für diese Verbindung. Eine einfache Logik – aber sie führt zu Konzentrationen im Spurenbereich, oft im ppb- oder sogar sub-ppb-Bereich.
Zwei große Herausforderungen für den analytischen Chemiker
Der Analytiker, der für die Zertifizierung der Qualität von Wasserstoffkraftstoff zuständig ist, steht vor zwei gleichzeitigen Herausforderungen:
- Die Suche nach dem richtigen Analyseinstrument, das Verunreinigungen im ppb-Bereich nachweisen und quantifizieren kann.
- Die regelmäßige Beschaffung zuverlässiger Kalibriergase in denselben Konzentrationsstufen mit rückverfolgbaren und geringen Unsicherheitswerten.
Das Problem mit kommerziellen zertifizierten Gasstandards
Für die meisten der in der ISO 14687 aufgelisteten Verbindungen gibt es kommerzielle zertifizierte Kalibriergase in den erforderlichen Spurenmengen einfach nicht – oder nur mit erheblichen Einschränkungen:
- Lange und variable Lieferzeiten (mehrere Wochen)
- Kurze Haltbarkeit – manchmal bis zu 3 Monate für reaktive Spurenverbindungen
- Hohe zertifizierte Unsicherheit: 10 bis 20%, die sich direkt auf die Messunsicherheit des Endergebnisses auswirkt
- Sehr hohe Kosten: je niedriger die Konzentration, desto teurer die zertifizierte Flasche
Selbst wenn sich kommerzielle Standards den Zielkonzentrationen annähern, können sie sich um eine oder zwei Größenordnungen unterscheiden – was zusätzliche Verdünnungsschritte erfordert, die zu weiteren Unsicherheiten führen.
Die Gasverdünner-Lösung: Vor-Ort-Kalibrierung bei jeder Konzentration
Diese anspruchsvolle Anwendung ist ein Lehrbuchfall für einen Präzisionsgasverdünner. GasMix™ – insbesondere die Modelle Zephyr II und Aïolos III – verdünnt automatisch ein zertifiziertes Muttergas auf eine beliebige Zielkonzentration, wobei die Unsicherheit des erzeugten Gases kontinuierlich und automatisch berechnet wird.
Ausgangspunkt ist ein konzentrierter, handelsüblicher zertifizierter Gasstandard: stabil, kostengünstig, für bis zu fünf Jahre zertifiziert und mit einem sehr geringen Unsicherheitswert für die Konzentration. GasMix™ führt eine dynamische Verdünnung gemäß ISO 6145-7 durch und erzeugt bei Bedarf rückführbare Kalibrierungsmischungen in jeder beliebigen Konzentration zwischen dem Ausgangsstandard und dem Verdünnungsmittel.
Wichtige Vorteile für die Analyse von Wasserstoffkraftstoff
- Erzeugen Sie Kalibriergase in genau der Konzentration, die Sie benötigen – einschließlich der Einklammerung der unbekannten Probenkonzentration für höhere Genauigkeit
- Eliminieren Sie den Bedarf an mehreren teuren zertifizierten Zylindern mit unterschiedlichen Konzentrationen
- Reduzieren Sie Lagerbestände, vereinfachen Sie die Logistik und verbessern Sie die Sicherheit im Labor
- Vollständige Rückverfolgbarkeit: Audit Trail, automatische Unsicherheitsberechnung und PDF-Bericht
- Kompatibel mit aggressiven Verbindungen: Schwefelverbindungen, NOx, NH₃, VOCs und mehr
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