Kontaktöffnungs-Entladungen in einem zündfähigen H2-Luft-Gemisch

Für den sicheren Betrieb der Wasserstofftechnologie, als ein Basisbaustein für die Energiewendepolitik der Bundesrepublik, sind sicherheitstechnische Kennzahlen für Entzündungsprozesse unabdingbar. Mögliche Zündquellen zu verstehen, wie elektrische Kontaktöffnungsentladungen beim Betrieb im Kleinspannungsbereich (z.B. 30 V und 60 mA), ist dafür eine Voraussetzung. Solche Entladungen können beispielsweise bei einem klassischen Kabelbruch oder im Zuge von fortschreitender Miniaturisierung in Miniaturrelais auftreten. In der Explosionsschutz-Praxis werden diese Entladungen gemäß dem Zündschutzkonzept der Eigensicherheit vom sogenannten Funkenprüfgerät nach IEC 60079-11 (IEC 60079-11:2011, 2011) erzeugt. Das Gerät wurde in den 1960er Jahren in die Normung aufgenommen (DIN VDE 0170/0171:1961-02, 1961). Die veröffentlichten Forschungsarbeiten in dieser Zeit handelten im Schwerpunkt von der Physik der elektrischen Kontaktvorgänge (Borchert, 1957; Germer, 1948; Holm, 1967), jedoch ohne Untersuchung einer möglich thermochemischen Zündung. Wissenschaftliche Untersuchungen zur Zündung durch solche Kontaktentladungen wurden vorwiegend mit Methan und mit Strömen größer als 1 A durchgeführt (Widginton, 1966; Zborovszky and Cotugno, 1974).

Bei typischen Kontaktentladungen gleitet ein Wolframdraht zu Beginn entlang der rauen Oberfläche eines Cadmiumblocks und es besteht elektrischer Kontakt. Wenn der Draht von der Oberfläche abhebt, können sich Schmelzbrücken bilden und das Cadmium verdampft explosionsartig durch hohe Stromdichten an den Engstellen. In geringem Kontaktabstand erfolgen dann viele kleine elektrische Entladungen, die in Abbildung 2 mit „Vorprozesse“ bezeichnet werden. Mit größerem Elektrodenabstand bildet sich eine Hauptentladung mit einer typischen Länge von ca. 150 µm aus, die für mehrere hundert Mikrosekunden existiert. Um die Entladung herum bildet sich ein heißer Gaskern und bei einer Zündung eine fortschreitende Flammfront mit einer selbsterhaltenden thermochemischen Reaktion.

Die Vorgänge und Zusammenhänge variieren im Einzelfall mit jeder Kontaktentladung. Um die Zusammenhänge untersuchen zu können, werden daher in der aktuellen Forschung die einzelnen Effekte separiert, indem möglichst alle Einflüsse konstant gehalten werden und dann ein Parameter variiert wird. Das beschriebene Forschungsbeispiel fokussiert sich auf Entladungen an der hier betrachteten Zündgrenze erzeugt durch eine Konstantstromquelle mit 60 mA und einer Maximalspannungsbegrenzung von 30 V. Auf die besonderen Voraussetzungen für erfolgreiche Zündungen bei solchen Situationen an der Zündgrenze wird im folgenden Abschnitt eingegangen.

Zündfähige Entladungen an der Zündgrenze erfordern besondere Voraussetzungen. Als relevante Einflüsse in den Untersuchungsbeispielen zeigten sich die Elektrodenoberflächen und Vorprozesse, die Kontaktbewegung sowie die elektrische Versorgung der Entladung.
Bei den Untersuchungen wurden Elektroden aus Wolfram für den Draht als Anode sowie Cadmium für die Fläche bzw. den Block als Kathode genutzt. Diese Materialpaarung gilt als besonders zündwillig hinsichtlich einer thermochemischen Zündung. Das Material Cadmium zeichnet sich durch eine niedrige Schmelz-, Siedetemperatur und Austrittsenergie aus. Nach den Kontaktvorgängen ist die Kathoden-Oberfläche durch Rauheit, ca. 40 µm großen Partikeln, Whiskern (Haarkristalle) und Fremdschichten z.B. Cadmiumoxid gekennzeichnet.

Die Entladung bildet sich zwischen den sich bewegenden Elektroden aus. Die typische Entladung hat die Form einer Wolke mit höheren Intensitätswerten der emittierten optischen Strahlung in den Endbereichen.

Für diese konkrete Materialkombination mit beweglichen Kontakten in einem H₂-Luft-Gemisch wurden die Strom- und Spannungswerte gemessen (cf. Uber, 2019).

Die Abbildung 5 zeigt die UI-Kurve nach Zborovszky et. al. (1974), die sie nach einem Verfahren von Holm (1967) ermittelt hat, sowie die gemessenen Werte nach Uber (2019). Diese gemessenen Werte sind niedriger, da die von Zborovszky et al. (1974) veröffentlichten Werte in Luft auf einer anderen Elektrodenform mit festen Positionen basieren. Die gemessenen Werte nach Uber stimmen jedoch mit neueren Werten von Babrauskas (2003) gut überein.

Der detaillierte elektrische Kontaktvorgang bei Kontaktöffnungen ist bei Borchert (1957) ausführlicher beschrieben. Dabei wird bei den beschriebenen Kontakten von einem Durchbruch im Gas ausgegangen. Spektroskopische Analysen der Strahlung von einer Entladung bei einer Kontaktöffnung der Wolfram-Cadmium-Elektroden zeigten jedoch die spezifischen Wellenlängen des Materials Cadmium, was charakteristisch für eine Metalldampfentladung ist (Uber, 2019). Dabei wurden Temperaturen von Entladungen mit Zündung abgeschätzt, die für die Maxima in der Nähe der Elektroden Temperaturen von 6000 K und 7400 K und dazwischen im Minimum von 4600 K ergaben (Uber et al., 2021). Neuere spektroskopische Untersuchungen zeigen, dass es sich bei der Metalldampfentladung um ein Nichtgleichgewichts-Plasma handelt. In einem Nichtgleichgewichts-Plasma besitzen die unterschiedlichen Spezies des Plasmas (bspw. Elektronen und Ionen) unterschiedliche Temperaturen. Die wesentlich leichteren Elektronen weisen in diesem Fall eine höhere thermische Energie als die Schwerteilchen auf.

Zündvorgänge durch elektrische Entladungen sind bereits Anfang des letzten Jahrhunderts in der Literatur über Verbrennung vielfältig untersucht worden (Jost, 1939; Lewis and von Elbe, 1987). Diese wurden jedoch mit anderen Gasen bei hohen Strom- und Spannungswerten und mit fest positionierten Elektroden durchgeführt.

Bei den sehr viel kürzer dauernden kapazitiven Hochspannungsentladungen wie auch bei sogenannten Schließentladungen erfolgen die Vorgänge der Entladung und der thermochemischen Reaktion mit der Flammenfront nacheinander, da die Dauer dieser Entladungen sehr viel kürzer im Vergleich zu den in diesem Artikel behandelten Entladungen ist. Bei Kontaktöffnungsentladungen erfolgt die Ausbildung des heißen Gaskerns und der thermochemischen Reaktion mit fortschreitender Flammenfront typischerweise noch während der Entladungsdauer. Ein solcher Vorgang ist in der Beispielentladung in Abbildung 7 dargestellt. Diese Vorgänge überschneiden sich somit zwischen den Zeitpunkten 1, 2 und 3 und es ist die örtliche Ausdehnung des heißen Gaskerns zu erkennen (Uber et al., 2022). Sobald die Entladung verloschen ist, sinkt die zentrale Temperatur in der Mitte und gemäß Abbildung 7 zum Zeitpunkt 4 expandiert der heiße Gaskern mit der Zeit weiter. Gleichzeitig ist die Kühlung durch die Elektroden an den Übergangsbereichen zur Kathode und Anode zu erkennen. Mit länger werdender Entladung steigt modellhaft die Wärmezufuhr in den heißen Gaskern, jedoch vergrößert sich das Volumen und die Oberfläche des heißen Gaskernes überproportional. Wenn sich die Wärmezufuhr auf ein größeres Volumen des Gaskerns verteilt, reduziert sich die Temperatur bezogen auf das halbkugelähnliche Volumen und die Wahrscheinlichkeit für eine Zündung nimmt wieder ab. Somit scheint es einen idealen Abstandsbereich für eine Zündung zu geben, was in Wähner (2013) für Entladungen mit festen Elektroden ebenfalls schon gezeigt wurde. Ebenfalls gleichzeitig kann eine exotherme Reaktion einsetzen, die einen zusätzlichen Wärmebeitrag liefert. In den nicht dargestellten Folgebildern der Beispielentladung mit Zündung in Abbildung 7 ist eine Ausbreitung der Flammenfront über das gesamte Volumen zu erkennen, in der eine selbständig erhaltende thermochemische Reaktion eingesetzt hat.

In den Bildern in Abbildung 7 befindet sich links der Cadmiumblock (Kathode) und rechts der Wolframdraht (Anode). In den Bildern 1 bis 3 ist dazwischen die Entladung als helle längliche Leuchterscheinung zu erkennen. Ein Teil der Entladung wird durch die Rauheit des Cadmiumblockes verdeckt. Um die Entladung herum - oben dunkel und unten hell - ist der heiße Gaskern. Dieser bildet sich innerhalb von ca. 200 µs auf eine ungefähre Größe aus, die auch noch von Entladungen ohne Zündung erreicht werden. Lintin und Wooding (1959) bezeichneten diesen Zeitraum als sogenannte kritische Phase. Hat der heiße Gaskern im Zeitraum dieser kritischen Phase die Entwicklung des Volumens und der Temperatur einen bestimmten Verlauf bzw. ist in dieser Phase die Balance zwischen zugeführter und abgeführter Leistung (Verluste) überschritten, kann eine selbständig fortschreitende thermochemische Reaktion und somit eine Zündung erfolgen.

Die dargestellten Ergebnisse sollen ein grundlegendes Verständnis der Zusammenhänge bei einer Zündung durch eine Kontaktöffnungs-Entladung für das gewählte beschriebene Untersuchungsbeispiel ermöglichen. Für eine genauere Ermittlung der Charakteristiken, Kriterien und Parameter werden zur Zeit der Versuchsaufbau und das Messverfahren optimiert. Gleichzeitig werden bereits Messreihen durchgeführt, um die kritische Phase genauer zu charakterisieren. Ein wesentlicher nächster Schritt ist die Variation der Quellencharakteristiken und Kreisparametern, um den vielfältigen elektrischen Kreisen aus der Praxis gerecht zu werden. Mit diesen Ergebnissen würden die grundlegenden Zusammenhänge für die Entwicklung eines physikalisch basierten Modells zur Verfügung stehen. Auf dieser Basis sind Vorhersagen für eine selbständig fortpflanzende thermochemische Zündung ohne die Notwendigkeit der Nutzung eines brennbaren Gasgemisches und von toxischem Cadmium möglich.

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