Wasserstoff gilt als einer der Energieträger der Zukunft, und das aus gutem Grund. Angesichts der drängenden Herausforderungen des Klimawandels und der Notwendigkeit, fossile Brennstoffe zu ersetzen, bietet Wasserstoff eine vielversprechende Lösung.

Wasserstoff kann aus einer Vielzahl von Quellen hergestellt werden, darunter erneuerbare Energien wie Solar- und Windkraft, und hat das Potenzial, eine saubere, nachhaltige Energieversorgung zu gewährleisten. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen entstehen bei der Energieerzeugung keine schädlichen Emissionen durch den Einsatz von Wasserstoff und sind damit ein wichtiger Baustein für eine umweltfreundliche Zukunft. Wasserstoff kann zudem effizient gespeichert und transportiert werden und eignet sich damit ideal für den globalen Energiemarkt.

Warum muss der Wasserstoffgehalt in der Umgebung von Produktions-, Transport- und Speicheranlagen so genau überwacht werden?

Die Leckageüberwachung ist bei der Verwendung von Wasserstoff von entscheidender Bedeutung.  Reiner Wasserstoff kann nicht brennen. Mischt sich Wasserstoff bei Atmosphärendruck jedoch mit Luft, lässt sich dieses Gemisch im Bereich von 4 - 75 % mit einer Zündquelle entzünden. Deshalb sind die gesetzlichen Rahmenbedingungen für die Arbeit mit Wasserstoff streng, die Prüfung und Überwachung mit Wasserstoffdetektoren vielfach Pflicht. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass Wasserstoffmoleküle kleiner und leichter sind als viele andere Gase, was bedeutet, dass sie schneller und flexibler austreten.

Optionen für die Wasserstoffsensoren von Figaro Engineering

Figaro Engineering Inc. entwickelt, produziert und vertreibt Gassensoren, die für die sichere Überwachung von Anwendungen mit Wasserstoff geeignet sind, diese Sensoren verwenden katalytische oder Metalloxid-Halbleitertechnologie, sowie die Wärmeleitfähigkeits-Detektormethode.

Die Wahl zwischen einem katalytischen Wasserstoffsensor und einem Metalloxidsensor für die Wasserstofflecksuche hängt von mehreren Faktoren ab, darunter Empfindlichkeit, Ansprechzeit, Umgebungsbedingungen und Sicherheitsanforderungen.

Ein katalytischer Sensor ist am besten geeignet: für die Detektion von Wasserstoff über 100 % UEG (ca. 4 % in Luft), wenn schnelle Reaktionszeiten für Sicherheitsabschaltungen erforderlich sind, wenn eine Querempfindlichkeit gegenüber anderen Kohlenwasserstoffen wie Methan und Propan akzeptabel ist und wenn eine genaue Messung der H₂-Konzentration erforderlich ist.

Ein Metalloxid-Wasserstoffsensor ist am besten geeignet: für die Detektion niedriger Wasserstoffkonzentrationen, ppm-Werte bis zu einigen Prozent, für Anwendungen mit niedrigem Sauerstoffgehalt, die den Einsatz von katalytischen Sensoren ausschließen, für die kontinuierliche Überwachung kleiner Lecks und in Situationen, in denen eine langfristige Robustheit erforderlich ist.

In der Regel werden katalytische Sensoren für sicherheitskritische Anwendungen (z. B. Brennstoffzellen und Wasserstoffspeicher) bevorzugt, da sie bei brennbaren Werten ein klares Signal liefern. 

Für die frühzeitige Leckageerkennung und Langzeitüberwachung (z. B. Wasserstoffpipelines oder geschlossene Räume) sind Metalloxidsensoren aufgrund ihrer Empfindlichkeit bei niedrigen Konzentrationen die beste Option.

Detektionsprinzip von katalytischen Sensoren

Katalytische Sensoren wandeln die Wärme, die bei der Verbrennung von brennbarem Gas (katalytische Verbrennung) an einem Edelmetallkatalysator entsteht, in ein elektrisches Signal um. Der Sensor besteht aus einem Detektorelement und einem Temperaturkompensator. Die beiden Elemente bilden eine Wheatstone-Brückenschaltung und werden durch Anlegen einer definierten Spannung betrieben, die die Pt-Drahtspule auf 300 bis 500 °C erhitzt.  Das Detektorelement besteht aus Aluminiumoxid, das mit einem Edelmetallkatalysator (Pt oder Pd) beschichtet ist, der auf eine 20 - 30 μm kugelförmige Pt-Drahtspule aufgebracht und gesintert wird.

Der Temperaturkompensator besteht aus Aluminiumoxid ohne Edelmetallkatalysator, das ebenfalls kugelförmig auf eine Pt-Drahtspule gesintert wird.

Durch diesen Aufbau steigt die Temperatur aufgrund der Gasverbrennung bei Vorhandensein von brennbarem Gas nur im Sensorelement (höherer Widerstand) an, und der Widerstand beider Elemente ändert sich in ähnlicher Weise, um die Umgebungstemperatur zu kompensieren.

Die Temperaturänderung des Elements durch Gasverbrennung kann auch dann mit hoher Genauigkeit gemessen werden, wenn sich die Temperatur in einem weiten Bereich von -40 bis +100 °C ändert.  Die durch Gasverbrennung am Detektorelement erzeugte Wärmemenge ΔH ist proportional zur Gaskonzentration C und der Verbrennungswärme Q, wie in Gleichung (1) gezeigt, und ihr Wert wird durch den Verbrennungswirkungsgrad (katalytische Kapazität) K des Detektorelements bestimmt.

Katalytische Wasserstoffsensoren für industrielle Anwendungen

Der katalytische Wasserstoffsensor TGS6A10 (H2)

Dieser Sensor ist "Fuel Cell Electrical Vehicle" (FCEV)-konform und bietet:

• Maximale Sicherheit
• Schnelle Inbetriebnahme
• Eine schnelle Reaktionszeit
• Lange Lebensdauer des Sensors
• Hohe Haltbarkeit
• Resistenz gegen Siloxanvergiftung

Gekennzeichnet durch geringen Stromverbrauch, geringe Größe, geringes Gewicht und niedrige Kosten, behält der TGS6A10 seinen Messbereich von 0 bis 4 Vol.-% wartungsfrei für mehr als 15 Jahre, selbst unter extremen Bedingungen, wie sie im Automobilbereich zu finden sind.

TGS6812-D00 – für die Detektion von Wasserstoff, Methan und Flüssiggas

Der katalytische Gassensor TGS6812-D00 kann Wasserstoffkonzentrationen von bis zu 100 % UEG erfassen. Dieser Sensor zeichnet sich durch eine hohe Genauigkeit, eine gute Haltbarkeit und Stabilität, ein schnelles Ansprechverhalten und eine lineare Kennlinie aus. Der TGS6812-D00 kann nicht nur Wasserstoff, sondern auch brennbare Gase, wie Methan und Flüssiggas, erkennen und ist damit eine hervorragende Lösung für die Überwachung von Gaslecks in stationären Brennstoffzellensystemen, die brennbare Gase in Wasserstoff umwandeln.

Der Sensor verfügt über ein spezielles Filtermaterial in der Sensorkappe, das seine Querempfindlichkeit gegenüber organischen Dämpfen reduziert. Darüber hinaus ist der TGS6812-D00 auch resistent gegen Silikonverbindungen in rauen Umgebungen.

Im Einsatz im TOYOTA MIRAI

Der TGS6A10, ein von New Cosmos hergestellter Sensor, der zur Figaro H₂-Sensorfamilie gehört, ist bereits an Bord des neuesten wasserstoffbetriebenen Fahrzeugs von TOYOTA, dem MIRAI, im Einsatz und erfüllt die strengen Leistungs- und Qualitätsstandards von TOYOTA sowie GTR-13 (Global Technical Regulation No. 13 on Safety of Hydrogen and Fuel Cell Vehicles), den Sicherheitsstandard für FCEV-Sensoren.

Das Sensormodul kann von interessierten Kunden unter der Produktbezeichnung CSD-05 (mit PWM Ausgang) oder CSD-04 (mit CAN Schnittstelle) erworben werden.

Detektionsprinzip von Metalloxid-Halbleitersensoren (MOX)

Zinndioxid (SnO₂), ein Metalloxid, verändert seine Leitfähigkeit unter dem Einfluss von Gas. Naoyoshi Taguchi machte sich diese Eigenschaft zunutze und entwickelte den auf Zinndioxid basierenden "Figaro-Sensor".

Zinndioxid-Sensoren machen sich den Effekt zunutze, dass Sauerstoffdefekte im Kristallgitter des Materials wie eine n-Dotierung wirken. Sauerstoffmoleküle aus der Umgebungsluft werden an der Partikeloberfläche adsorbiert und es bilden sich Sauerstoffionen, die mit brennbaren Gasen reagieren können. Wenn Moleküle eines reduzierenden Gases wie Wasserstoff (H₂) oder Kohlenmonoxid (CO) mit der Oberfläche des Sensorelements, SnO₂, in Kontakt kommen, reagieren sie mit dem adsorbierten Sauerstoff und die zuvor durch den Sauerstoff gebundenen Elektronen stehen als freie Ladungsträger im Material wieder zur Verfügung. Der elektrische Leitwert des Sensors steigt und dies kann in einer Widerstandsänderung gemessen werden. Eine einfache elektrische Schaltung kann die Änderung der Leitfähigkeit in ein elektrisches Ausgangssignal umwandeln, das proportional zur Gaskonzentration ist.  

Metalloxid-Halbleitersensoren (MOS) werden beheizt, um ihre Empfindlichkeit und Selektivität bei der Detektion von Gasen zu erhöhen. Das Heizelement im Inneren des Sensors hält eine optimale Temperatur aufrecht, um die Adsorption und Reaktion von Gasmolekülen auf der Oberfläche des Metalloxid-Sensors zu erleichtern. Unterschiedliche Gase erfordern unterschiedliche Temperaturen für eine optimale Detektion (z. B. CO bei ~250 °C, Methan bei ~500 °C).  Die Heizung reduziert auch Störungen durch Feuchtigkeit und verhindert die Ansammlung von nicht gasförmigen Verunreinigungen wie Öl und Staub, die die Gasadsorption beeinträchtigen können.

TGS2616-C00 und TGS2616-C01 – für die Detektion von Wasserstoff

Beide MOS-Sensoren haben eine hohe Selektivität gegenüber Wasserstoff, aber der TGS 2616-C01 ist speziell für Anwendungen konfiguriert, bei denen Acetylen, ein Störgas, vorhanden sein könnte, z. B. bei der Wartung von Transformatoröl. Das Sensorelement besteht aus einer Metalloxid-Halbleiterschicht, die auf einem Aluminiumoxidsubstrat eines Sensorchips gebildet ist, zusammen mit einer integrierten Heizung. Diese ist in einem Standard-TO-5-Gehäuse untergebracht.