Hersteller von Elektrolyseuren sind nach wie vor dabei, ihre Anlagen für die Herstellung von Wasserstoff zu optimieren. Wirkungsgrade sollen rauf, Kosten runter. Damit ändern sich auch die Betriebsparameter und es entstehen neue Herausforderungen für die Sensorik, die zur Überwachung der Elektrolyse eingesetzt wird.
Ein wichtiger Prozessparameter ist der Füllstand im Flüssigkeitskreislauf. Seine Überwachung verhindert ein Trockenlaufen der Anlage. „Zu niedrige Füllstände können eine Gasdurchmischung begünstigen, was ein Sicherheitsrisiko darstellt“, sagt Nils Springmann, Vertriebsingenieur beim Sensorhersteller Vega. „Zu hohe Füllstände können dazu führen, dass Elektrolyt in die Gasleitungen gelangt und nachgeschaltete Komponenten beschädigt.“
Vega bietet Sensoren zur Füllstandmessung in verschiedensten Elektrolyseverfahren, darunter PEM-, Alkali-, AEM- und SOEC-Elektrolysen, an. Für die Füllstandmessung setzt das Unternehmen auf das physikalische Prinzip des Radars. Dieses kann auf zwei unterschiedliche Arten umgesetzt werden. Bei der geführten Radarmessung wird die vom Radarsensor erzeugte Mikrowelle entlang eines Seils oder Stabes bis zum Medium geführt. Dort wird sie reflektiert und vom Sensor wieder empfangen. Aus der Laufzeit des Signals lässt sich die Distanz zur Mediumoberfläche und damit der Füllstand bestimmen.
PFA-Beschichtung schützt vor Kalilauge
In aggressiven Medien wie Kalilauge (KOH) kommen Messstäbe mit PFA-Beschichtung zum Einsatz. Diese chemisch äußerst stabile Schutzschicht verhindert Korrosion des Grundmaterials. Allerdings stößt die Beschichtung bei höheren Drücken an ihre Grenzen. Dann kann KOH durch Mikroschädigungen oder Belastungen der Beschichtung bis zum darunterliegenden Edelstahl vordringen und Korrosion verursachen. In solchen Anwendungen kommen deshalb beständigere Werkstoffe zum Einsatz.
Alternativ lässt sich der Füllstand auch mit einem freistrahlenden Radar erfassen. Dabei wird eine höherfrequente Radarwelle eingesetzt. Bei diesem Messverfahren kommt der Sensor nicht mit dem Medium in Kontakt. Die Messung ist berührungslos. Beide Verfahren arbeiten kontinuierlich und lassen sich in unterschiedlichen Elektrolyseverfahren einsetzen.
Druck- und Differenzdruckmessung
Ein weiterer wichtiger Parameter ist der Druck. Bei der Alkali-Elektrolyse reicht das Spektrum von Anlagen bei Atmosphärendruck bis hin zu Druckverfahren mit etwa 30 bar. Der Druck muss kontinuierlich überwacht werden, um die zulässigen Betriebsgrenzen einzuhalten und die Anlage vor Schäden durch Überdruck zu schützen. Für die Druckmessung bietet Vega Sensoren mit keramischen Messzellen an. Diese sind auch gegenüber KOH-Elektrolytlösungen beständig. Das Portfolio umfasst eine Basic- und eine Pro-Serie. Insbesondere bei Hilfskreisläufen in der PEM-Elektrolyse kommt häufig die kostengünstigere Basic-Serie zum Einsatz. Müssen jedoch Anforderungen an die funktionale Sicherheit, wie der SIL, erfüllt werden, ist die Pro-Serie erforderlich.
Auch der Differenzdruck zwischen Anoden- und Kathodenraum zählt zu den Prozessgrößen, die in einem Elektrolyseur überwacht werden. Er dient sowohl der Überwachung des Membranzustands als auch der Erkennung von Verschmutzungen. Darüber hinaus muss eine zu hohe Druckdifferenz zwischen Sauerstoff- und Wasserstoffseite vermieden werden, um ein Übertreten der Gase auf die jeweils andere Seite zu verhindern.
Für die Differenzdruckmessung nutzt Vega Druckmittlersysteme, die aus einer metallischen Trennmembran und einer Übertragungsflüssigkeit bestehen. Vega bietet zudem Varianten mit Goldbeschichtung an, die die Wasserstoffdiffusion in das Druckmittleröl verhindern.
Der Differenzdrucksensor kann außerdem bei Anwendungen mit Überdruck im Behälter zur Füllstandbestimmung genutzt werden. Dabei wird auf der positiven Seite der Druck der Flüssigkeitssäule und aus dem Gasraum in Summe erfasst, während auf der negativen Seite ausschließlich der Gasdruck gemessen wird. Aus der Differenz ergibt sich der hydrostatische Druck der Flüssigkeitssäule, aus dem der Füllstand berechnet wird.
© Marquardt
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Temperaturüberwachung mit Ex-Zulassung
Eine wichtige Rolle bei der Überwachung eines Elektrolyseurs spielt auch der Explosionsschutz. Der Sensorspezialist Jumo fertigt speziell für den Einsatz mit Wasserstoff getestete Druck- und Temperatursensoren, um einen sicheren Einsatz in der Elektrolyseur-Peripherie zu ermöglichen. Dabei liefert Jumo Produkte vom Sensor über die Automatisierungsebene bis zur Auswertung via Cloud. Im Bereich Temperatursensoren stellt Jumo Widerstandsthermometer mit SIL- und Ex-Zulassung her. Sie bestehen aus einer Schutzarmatur nach DIN 43772 mit verschiedenen Prozessanschlüssen, einem Anschlusskopf und einem auswechselbaren Messeinsatz.
Jumo bietet auch einen kompakten, frei konfigurierbaren Sicherheitstemperaturbegrenzer nach DIN EN 14597 an, der ebenfalls über eine SIL- und Ex-Zulassung verfügt. Dieser soll Gefahrenpotenziale im Ex-Bereich frühzeitig und sicher erkennen. Zusammen mit einem Widerstandsthermometer oder Thermoelementen erreicht der Aufbau eine SIL-3-Zertifizierung.
Ultraschall kann Konzentrationen bestimmen
Das Unternehmen Allengra konzentriert sich auf Sensorik mit Ultraschall. Für die alkalische Elektrolyse bietet das Unternehmen Ultraschallsensoren zur Detektion der Konzentration der Kalilauge an. „Die KOH-Konzentration beeinflusst die elektrische Leitfähigkeit, den Wirkungsgrad und die Materialbelastung“, sagt Jan Wessels, Produkt- und Portfolio-Manager bei Allengra. „Wenn zu wenig KOH im Elektrolyten vorhanden ist, sinkt durch den höheren elektrischen Widerstand die H2-Produktionsrate. Wenn die KOH-Konzentration zu hoch ist, bekommt man aber ein Problem mit Korrosion.“ Es gibt also einen optimalen Betriebsbereich, der mit Ultraschall überwacht werden kann.
Um die KOH-Konzentration zu bestimmen, ist der Sensor mit zwei Ultraschallwandlern ausgestattet, die Schallwellen aussenden und empfangen können. Dadurch können sie die Schallgeschwindigkeit im Medium messen, die wiederum von der KOH-Konzentration abhängt. Denn in KOH ist die Schallgeschwindigkeit höher als in Wasser. Dieses Messprinzip kommt auch in der Anodenrezirkulation von Brennstoffzellen zum Einsatz (siehe Kastentext).
Wasserstofflecks erkennen
Der Automobilzulieferer Marquardt erweitert derzeit sein Sensorikportfolio für Elektrolyseanwendungen. Bereits verfügbar sind ein Durchflusssensor und ein Hochspannungssensor. Beide Produkte stammen ursprünglich aus der Wärmepumpen- beziehungsweise Batterietechnik und eignen sich ebenfalls für Wasserstoffanwendungen. Darüber hinaus bietet das Unternehmen ein CVM-System zur Überwachung der Zellspannungen in Elektrolysezellen an (siehe HZwei 3/2026, Seite 46).
Neu im Portfolio ist ein serienreifer Wasserstoff-Leckagesensor, der speziell für den Einsatz in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen entwickelt wurde. Der Sensor erfasst Wasserstoffkonzentrationen bis 4 Prozent mit hoher Genauigkeit – also bis zur unteren Explosionsgrenze von Wasserstoff. Marquardt legt sich dabei nicht grundsätzlich auf ein bestimmtes Messprinzip fest, sondern entwickelt anwendungsspezifische Sensorlösungen für hohe Stückzahlen. Im Fokus stehen kompakte, leichte Sensoren mit Kunststoffspritzgusskomponenten, die in der eigenen Fertigung kosteneffizient hergestellt werden können.
© Jumo
Der Leckagesensor arbeitet nach dem Prinzip der thermischen Leitfähigkeit. „Unser Sensor weist nur eine geringe Querempfindlichkeit gegenüber anderen Gasen auf“, sagt Martin Götz, Systemingenieur bei Marquardt. Gleichzeitig deckt er einen breiten Temperaturbereich ab. Neben der thermischen Leitfähigkeit erfasst das Gerät auch Temperatur, Feuchte und Druck, da diese Parameter für eine präzise Konzentrationsbestimmung erforderlich sind. Mit einer Ansprechzeit von weniger als drei Sekunden lassen sich Wasserstofflecks schnell erkennen. Der Sensor ist derzeit mit digitaler Schnittstelle verfügbar. Eine analoge Variante ist in Planung. Ziel ist es, den kostengünstigen Leckagesensor an mehreren kritischen Stellen im Elektrolyseur einzusetzen und so die Dichtheit der Wasserstoffleitungen kontinuierlich zu überwachen.
Kostengünstiger Sensor für geringe elektrische Leitfähigkeiten von Flüssigkeiten
Ein weiterer Sensor für Elektrolyseanwendungen befindet sich bei Marquardt derzeit in der Entwicklung. Dabei handelt es sich um einen Sensor zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten, einem wichtigen Prozessparameter der Elektrolyse. Er soll den Wasserzulauf von Elektrolyseuren überwachen und kann außerdem in Kühlkreisläufen von Brennstoffzellen eingesetzt werden. Der Sensor ist für sehr geringe Leitfähigkeiten im Bereich von 0 bis 5 µS/cm ausgelegt. Marquardt verwendet hierfür Kunststoffelektroden, die mit Carbonfasern und leitfähigen Partikeln versetzt sind. Im Vergleich zu Metallelektroden weisen sie zwar einen höheren Innenwiderstand auf; bei der Messung derart geringer Leitfähigkeiten spielt dieser jedoch nur eine untergeordnete Rolle.
Durch den Einsatz von Kunststoffelektroden lässt sich der gesamte Sensor in einem einzigen Spritzgussschritt herstellen. Zudem unterscheiden sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kunststoffelektroden und Gehäuse kaum, was eine dauerhaft stabile Abdichtung unterstützt. Bei Metallelektroden, die üblicherweise über Dichtringe abgedichtet werden, können dagegen im Laufe der Zeit Risse im Dichtungsmaterial entstehen. Ein weiterer Vorteil ist die hohe integrierte Isolationsfestigkeit. Sie verhindert, dass Fehlerspannungen auf die übergeordnete Steuerelektronik durchschlagen. Bis zur Serienreife sind jedoch noch weitere Entwicklungsschritte erforderlich. „Aktuell arbeiten wir insbesondere an der Reproduzierbarkeit und am Gehäuse“, erläutert Götz.
Kostengünstige Sensorik kann die Überwachung der Elektrolyse verbessern, die Effizienz steigern und die Lebensdauer der Anlagen verlängern. Dafür bieten die Sensorhersteller bereits ein breites Produktportfolio an und sind an Neuentwicklungen dran.
Anodenrezirkulation in Brennstoffzellen überwachen
© Allengra
In Brennstoffzellensystemen sorgt die Anodenrezirkulation dafür, dass überschüssiger Wasserstoff zurück in die Brennstoffzelle gelangt. Damit sich Stickstoff und Feuchte nicht anreichern, müssen diese über das Purge-Ventil regelmäßig abgelassen werden. Damit dabei nicht unnötig viel Wasserstoff entweicht, können Sensoren die Wasserstoffkonzentration überwachen und den optimalen Zeitpunkt der Spülung ermöglichen. Allengra setzt hierfür einen Wasserstoff-Durchflusssensor ein, der auf dem Ultraschall-Messprinzip beruht. Er kann den Volumenstrom und die Zusammensetzung des Gasgemisches messen und ist zudem mit Druck- und Temperatursensoren ausgestattet. Allengra nutzt dafür eine Edelstahlkonstruktion.
Auch Marquardt entwickelt derzeit einen Ultraschallsensor für die Anodenrezirkulation, der die Wasserstoffkonzentration bestimmt. Das Unternehmen setzt dabei auf glasfaserverstärkten Kunststoff und erwartet bei hohen Stückzahlen Kostenvorteile gegenüber einer Metallausführung. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass die berührungslose Ultraschallmessung nicht in die Strömung eingreift und daher keinen zusätzlichen Druckverlust verursacht.
Messtechnik für die Brennstoffzellen-Stack-Fertigung
© Hexagon
In einem Brennstoffzellen-Stack können bis zu 400 Bipolar-Platten verbaut sein. Jede davon ist nur 0,05 bis 0,1 Millimeter dick und weist eine komplexe und filigrane Flowfield-Struktur auf, über die später die Reaktionsgase verteilt werden. Schon kleinste Abweichungen in dieser Struktur oder in der Lage der Platte zu den übrigen Stacking-Elementen wirken sich unmittelbar auf die Leistung und die Lebensdauer des gesamten Stacks aus.
Das Unternehmen Hexagon bietet Messtechnik an, um die Fertigung der Bipolar-Platten zu überwachen. Beim Einfahren einer Produktionslinie kommt ein hochgenaues Koordinatenmessgerät (KMG) mit Sub-Mikrometer-Genauigkeit zum Einsatz. Im Zentrum steht hier die Flowfield-Struktur selbst. Aus messtechnischer Sicht muss die Geometrie an definierten Profilabschnitten geprüft werden. Da die Bauteile dabei nicht beschädigt oder verformt werden dürfen, kommt ein optisches, berührungsloses Messverfahren zum Einsatz. Ein hochauflösender Weißlichtsensor scannt in Verbindung mit einer Dreh-Schwenk-Einheit eine Profillinie ab.
Um im Stacking-Prozess ein schnelles und akkurates Stapeln der Brennstoffzellen-Komponenten zu ermöglichen, wird das Messsystem um ein taktiles Tastsystem erweitert. In Kombination mit dem optischen Weißlichtsensor stellt es die präzise messtechnische Ausrichtung der Bipolar-Platte sicher.
Ist die Linie einmal eingefahren, ändert sich der messtechnische Ansatz: Im laufenden, stabilen Fertigungsprozess kommt das Messsystem nur noch zur Stichprobenmessung zum Einsatz.
