Produkt-Neuheit

Einleitung

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.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass Wasserstoffmoleküle kleiner und leichter sind als viele andere Gase, was bedeutet, dass sie schneller und flexibler austreten.

Einige Anwendungsbeispiele für den Einsatz von Wasserstoff:

Brennstoffzelle im Verkehrssektor
Ein Stromgenerator, das durch die chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff kontinuierlich Strom erzeugt.
Lastkraftwagen und Transporter verbrauchen auf langen Strecken viel Energie. Eine wasserstoffbetriebene Brennstoffzelle mit hoher Reichweite kann als Alternative zu einem reinen Batteriespeicher dienen. Neben Transportflotten eignen sich wasserstoffbetriebene Fahrzeuge auch für den Nahverkehr wie Busse und Müllfahrzeuge, die beide täglich eine kalkulierbare Strecke zurücklegen und in der Regel zum selben Betriebshof zurückkehren, was das Tanken mit Wasserstoff am Ende des Tages erleichtert. Es wird erwartet, dass Wasserstoffzüge eine wachsende Rolle bei der Dekarbonisierung des Schienenverkehrs spielen werden, da sie im Vergleich zu batterieelektrischen Alternativen keine Emissionen, einen leisen Betrieb und eine hohe Reichweite bieten. Deutschland hat 2018 den weltweit ersten kommerziellen wasserstoffbetriebenen Zug, den Alstom Coradia iLint, in Betrieb genommen und seitdem weitere Einheiten gebaut, um das Einsatzgebiet zu erweitern. In vielen europäischen Ländern laufen Versuche und die Infrastruktur wird entwickelt, um den Betrieb in größerem Maßstab vorzubereiten.

Im Einsatz im neuen TOYOTA MIRAI
Der FCS-H20, 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. Der FCS-H20 kann von Automotive-Kunden unter der Produktbezeichnung CSD-02/04 erworben werden.

Wasserstoff-Tankstellen
Diese Stationen dienen der Betankung von Fahrzeugen mit Brennstoffzellen- oder Wasserstoffmotoren. Der Wasserstoff wird entweder vor Ort durch Elektrolyse erzeugt oder vor Ort in gasförmiger oder flüssiger Form transportiert und unter Druck (typischerweise 350-700 bar) gespeichert. Vor dem Betanken wird das Gas auf -40 Grad Celsius abgekühlt und dann durch eine gasdichte Zapfpistole/Dichtung in den Tank des Fahrzeugs gepresst.

Sensoren werden in Wasserstofftankstellen installiert, um auf Lecks zu überwachen, da Wasserstoff einen großen Entflammbarkeitsbereich (4–75 % in Luft) aufweist, was eine frühzeitige Erkennung unerlässlich macht, um eine Entzündung zu vermeiden. Der Sensor ist in einem explosionsgeschützten Gehäuse untergebracht, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Da Wasserstoff ein geringes Atomgewicht hat und schnell diffundiert, spielt die Konstruktion der Detektoreinheit eine entscheidende Rolle für eine effektive Lecksuche.

Um die Leistung zu optimieren, führte New Cosmos, Japan, Wasserstoffdiffusionsexperimente und CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) durch. Basierend auf diesen Erkenntnissen entwickelten sie den Diffusionsgaswarnkopf KD-12 mit einem Display, der für die konsistente und genaue Detektion von Wasserstoff ausgelegt ist (Abbildung (a)).
Neben fest installierten Sensoren, die den Wasserstoffgehalt in Lagertanks, Rohrleitungen und Zapfbereichen kontinuierlich überwachen und im Falle eines Lecks Zwangsbelüftungen auslösen und den Betankungsbetrieb automatisch abschalten können, werden auch tragbare Gasdetektoren mit Konzentrationsanzeige täglich eingesetzt, um an verschiedenen Ventilen und Rohrverbindungen nach Wasserstofflecks zu suchen (Bild (b)).

Brennstoffzellensysteme für Privathaushalte
Brennstoffzellensysteme, sogenannte Mikro-KWK-Brennstoffzellen (Combined Heat and Power), sind bereits im Einsatz und erzeugen Strom und Wärme aus Wasserstoff oder Erdgas für Privathaushalte in Ländern wie Japan, Italien, Deutschland, den Niederlanden und Großbritannien. Mit dem Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur und sinkenden Kosten könnten diese Systeme eine größere Rolle bei nachhaltigen Energielösungen für zu Hause spielen.

Klimafreundliche Industrieproduktion
Große Teile der Industrie nutzen nach wie vor fossile Brennstoffe und stoßen hohe CO2-Emissionen aus. Ein Beispiel: Bei der Stahl-, Glas- und Ammoniakproduktion wird Kohle oder Erdgas für den Betrieb ihrer Fabriken verwendet. Wasserstoff kann diese traditionellen Kraftstoffe ersetzen und so die Treibhausgasemissionen wie CO2 erheblich reduzieren.

Wasserstoff kann auch auf andere Weise eingesetzt werden: als alternativer Rohstoff zu Erdgas in vielen chemischen Prozessen, als Kältemittel in Kraftwerken aufgrund seiner hohen Wärmekapazität und bei der Herstellung von kohlenstoffneutralen synthetischen Kraftstoffen (E-Fuels) oder nützlichen Chemikalien wie Methanol und synthetischem Methan, indem er mit abgeschiedenem CO₂ kombiniert wird

Optionen für den Figaro-Wasserstoffsensor
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.

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.

(1) ΔH∝ K・C・Q

Die Abbildung zeigt die Gasempfindlichkeitseigenschaften des Sensors für brennbare Gase.


Katalytische Wasserstoffsensoren für industrielle Anwendungen
Der katalytische Wasserstoffsensor FCS-H20 (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 FCS-H20 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.

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.


TGS 2616-C00 und TGS 2616-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.

Sensitivitätseigenschaften:
Die Abbildung auf der rechten Seite zeigt typische Sensitivitätsmerkmale, die unter Standardtestbedingungen gemessen wurden. Die Y-Achse zeigt das Widerstandsverhältnis des Sensors Rs/Ro, wobei Rs und Ro wie folgt definiert sind:

Rs = Sensorwiderstand in verschiedenen Gasen und Konzentrationen
Ro = Sensorwiderstand in 100 ppm Wasserstoff











Für weitere Informationen zu den oben genannten Sensoren klicken Sie bitte auf die folgenden Links:

TGS 6812
CGM 6812 Vorkalibriertes Modul
TGS 2616-C01
TGS 2616-C00