Schlüsselrolle für katalytische Sensoren
Wasserstoffsensoren für Automotive und Industrie
Katalytische Sensoren spielen eine entscheidende Rolle bei der sicheren Handhabung von brennbaren Gasen, insbesondere von Wasserstoff. Damit sind sie unverzichtbar für Anwendungen wie Wasserstofftankstellen und Fahrzeuge. Ein Blick auf den Aufbau und das Messprinzip.
Katalytische Sensoren wandeln die bei der Verbrennung von brennbarem Gas an einem Edelmetallkatalysator entstehende Wärme in ein elektrisches Signal um. Ein katalytischer Sensor besteht aus einem Detektorelement und einem Temperaturkompensator. Die beiden Elemente bilden eine Wheatstonsche Brückenschaltung und werden durch Anlegen einer definierten Spannung und Erwärmung der Platindrahtspule auf 300 bis 500 °C durch Selbsterhitzung betrieben. Das Detektorelement besteht aus Aluminiumoxid, das mit einem Edelmetallkatalysator (Platin, Pt oder Palladium, Pd) beschichtet ist, der wiederum auf eine 20 bis 30 μm große Pt-Drahtspule in Kugelform aufgebracht und gesintert wird.
Der Temperaturkompensator besteht aus Aluminiumoxid ohne Edelmetallkatalysator, das ebenfalls kugelförmig auf eine Pt-Drahtspule aufgesintert ist. Durch diese Struktur kann die Temperatur aufgrund der Gasverbrennung bei Vorhandensein von brennbarem Gas nur im Sensorelement ansteigen (höherer Widerstand), und der Widerstand beider Elemente ändert sich in ähnlicher Weise, um die Umgebungstemperatur auszugleichen.
Die auf die Gasverbrennung zurückzuführende Temperaturänderung des Elements lässt sich mit hoher Genauigkeit messen, selbst wenn sich die Temperatur in einem weiten Bereich von -40 bis +100 °C ändert. Die durch die Gasverbrennung am Detektorelement erzeugte Wärmemenge ΔH ist proportional zur Gaskonzentration C und der Verbrennungswärme Q, wie in Gleichung (1) dargestellt, und ihr Wert wird durch den Verbrennungswirkungsgrad (katalytische Kapazität) K des Detektorelements bestimmt.
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Anwendungen katalytischer Wasserstoffsensoren
Katalytische Sensoren kommen unter anderem in Wasserstofftankstellen zum Einsatz. Der Sensor ist dabei in einem explosionsgeschützten Detektorgehäuse untergebracht. Der Aufbau der Detektoreinheit ist ein wichtiger Faktor für die zuverlässige Erkennung von Wasserstoff, der ein geringes atomares Gewicht hat und leicht diffundiert. Auf Grundlage der Erkenntnisse experimentell durchgeführter Wasserstoffdiffusionsexperimente und CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics), wurde der Diffusionsgasdetektorkopf KD-12 von Figaro mit Display so konzipiert, dass der Sensor Wasserstoff stets zuverlässig detektiert.
Darüber hinaus werden tragbare Gasdetektoren mit Konzentrationsanzeige auch bei der täglichen Wartung und Inspektion von Wasserstoffstationen eingesetzt, um Wasserstofflecks an verschiedenen Ventilen und Rohrverbindungen zu überprüfen. Darüber hinaus hat sich der Markt für Wasserstoffsensoren zur Verwendung in Heizanlagen mit Brennstoffzelle zur Erzeugung von Wärme und Strom in letzter Zeit vergrößert.
Schnell ansprechender, langlebiger H2-Sensor
Der FCEV-konforme (Fuel Cell Electric Vehicles) Wasserstoffsensor FCS-H20 ist ein katalytischer Sensor, der mit langer Lebensdauer und einer schnellen Start- und Reaktionszeit punktet. Außerdem zeichnet er sich durch einen geringen Stromverbrauch, eine kleine Größe, ein geringes Gewicht und niedrige Kosten aus. Der FCS-H20 hält seinen Messbereich von 0 bis 4 % vol.wartungsfrei für mehr als 15 Jahre aufrecht, selbst unter Extrembedingungen, wie sie im Automotive-Bereich herrschen. Der FCS-H20 ist zudem widerstandsfähig gegen Siloxanvergiftung. Das ist besonders in der Automobilbranche wichtig, weil Siloxan-Dampf die Empfindlichkeit des Sensors beeinträchtigen kann.
Durch eine hohe Dispersion von Pd/Pt-Nanopartikeln auf Aluminiumoxid (Al2O3) und die Zugabe eines zusätzlichen Sinterhilfsmittels werden starke Sintereigenschaften erreicht und die für das Sensorelement erforderliche Funktionsfähigkeit gesichert.
Der FCS-H20 ist auch an Bord des neuesten wasserstoffbetriebenen Fahrzeugs von Toyota, dem Mirai, und erfüllt neben den strengen Leistungs- und Qualitätsstandards von Toyota auch die GTR-13 (Global Technical Regulation No. 13 on Safety of Hydrogen and Fuel Cell Vehicles), den Sicherheitsstandard für FCEV-Sensoren.
Nachweis von Wasserstoff, Methan und Flüssiggas
Der katalytische Gassensor TGS6812-D00 detektiert die Wasserstoffkonzentration bis zu 100 % LEL (Lower Explosive Limit). Der Sensor zeichnet sich durch eine hohe Genauigkeit, gute Haltbarkeit und Stabilität, schnelle Reaktion und eine lineare Kennlinie aus. Der TGS6812-D00 kann nicht nur Wasserstoff, sondern auch brennbare Gase wie Methan und LP-Gas (Liquefied Petroleum) detektieren und ist somit eine praxisgerechte Lösung für die Überwachung von Gasleckagen aus stationären Brennstoffzellensystemen, die brennbare Gase in Energie umwandeln.
Der Sensor hat ein spezielles Filtermaterial in der Sensorkappe, wodurch seine Querempfindlichkeit gegenüber organischen Dämpfen gering ist. Darüber hinaus ist der TGS6812-D00 auch gegen Silikonverbindungen in rauen Umgebungen beständig.
Hochselektiver Nachweis von Wasserstoff
Das Sensorelement des TGS 2616-C01 besteht aus einer Metalloxid-Halbleiterschicht, die auf einem Aluminiumoxid-Substrat eines Sensorchips, zusammen mit einer integrierten Heizung aufgebracht und in einem Standard-TO-5-Gehäuse untergebracht ist. Bei Vorhandensein eines nachweisbaren Gases erhöht sich die Leitfähigkeit des Sensors abhängig von der Gaskonzentration in der Luft. Eine einfache elektrische Schaltung kann die Änderung der Leitfähigkeit in ein elektrisches Ausgangssignal umwandeln, das der Gaskonzentration proportional entspricht.
Der TGS2616-C01 verfügt über ein neu entwickeltes Sensorelement, das den Einfluss von Störgasen wie beispielsweise Acetylen reduziert. Das führt wiederum zu einer hochselektiven Reaktion auf Wasserstoff.
Der Autor
Eduard Schäfer
Eduard Schäfer befasst sich seit fast 20 Jahren mit der Gassensorik, in Positionen des Projekt- und Produktmanagementssowie in der Hardware- und Softwareentwicklung. Seit zwei Jahren unterstützt er mit seiner Expertise die Kunden von Figaro Engineering in Europa bei allen technischen und anwendungsspezifischen Fragen zu deren Gassensoren.
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