@phdthesis{Berndt, author = {Berndt, Dominik}, title = {Thermische Wasserstoffsensoren f{\"u}r den Automobilbereich}, address = {Regensburg}, abstract = {F{\"u}r den sicheren Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs sind Sensoren wichtig, welche die Wasserstoffkonzentration im Fahrzeuginterieur kontinuierlich {\"u}berwachen, um m{\"o}glichen Entz{\"u}ndungen bzw. Explosionen vorzubeugen. Daf{\"u}r wurden von verschiedenen nationalen und internationalen Instanzen bestimmte Kriterien definiert, die Wasserstoffsensoren f{\"u}r einen Einsatz in Brennstoffzellenfahrzeugen erf{\"u}llen m{\"u}ssen. Im Jahr 2020gab es noch keinen einzigen kommerziell erh{\"a}ltlichen Sensor, der alle diese Kriterien bedienen konnte. In der vorliegenden Arbeit wurde f{\"u}r zwei verschiedene Sensoren die Eignung des thermischen Wirkprinzips f{\"u}r die Detektion von Wasserstoff im Kontext dieser Sicherheitskriterien untersucht. Dabei wurden mit einem MEMS-Sensor und einem Mikrodrahtsensor zwei vergleichsweise einfache Geometrien herangezogen, welche den eindimensionalen und zylindersymmetrischen Fall abbilden sollen. F{\"u}r zwei dynamische Operationsmodi (gepulste Str{\"o}me und 3ω-Methode) wurden darauf aufbauend analytische Modelle basierend auf vereinfachten Sensorgeometrien entwickelt, um die Temperaturentwicklung des Sensorelements in Abh{\"a}ngigkeit der Zeit zu charakterisieren. Diese Studien wurden anschließend anhand von detaillierteren Modellen mithilfe von FEM-Simulationen erg{\"a}nzt und spezifiziert. Darin konnte gezeigt werden, dass f{\"u}r den gepulsten Betrieb sowohl die Pulsh{\"o}he als auch die Zeitkonstante des gemessenen Widerstands- bzw. Temperaturpulses als Messgr{\"o}ße herangezogen werden kann. Beim 3ω-Betrieb konnte zudem eine starke Frequenzabh{\"a}ngigkeit dieser Widerstands- bzw. Temperaturcharakteristik beobachtet werden. Die analytischen und numerischen Studien wurden anschließend durch experimentelle Ergebnisse best{\"a}tigt. Im Hinblick auf die zuvor definierten Kriterien stellte sich heraus, dass die Auswertung der Zeitkonstante beim gepulsten Betrieb im Hinblick auf Sensitivit{\"a}t und Aufl{\"o}sungsgrenze der Auswertung der Pulsh{\"o}he deutlich unterlegen ist. Beim 3ω-Betrieb k{\"o}nnen durch die hochintegrierte Messumgebung deutlich h{\"o}here Genauigkeiten und Aufl{\"o}sungsgrenzen erzielt werden. F{\"u}r den MEMS-Sensor wurde bei einer Anregungsfrequenz von 1 Hz mit 55 ppm die bislang geringste in der Literatur berichtete Aufl{\"o}sungsgrenze f{\"u}r einen thermischen Wasserstoffsensor erreicht. Der Leistungsverbrauch ist dabei im Vergleich zum Pulsbetrieb entsprechend des jeweiligen Tastgrads leicht bis m{\"a}ßig erh{\"o}ht, die Ansprechzeit wird bei beiden Operationsmodi maßgeblich durch die Sensorgeometrie beeinflusst. Die geometrischen Parameter der jeweiligen Sensoren haben ferner einen starken Einfluss auf die Sensitivit{\"a}t, womit die Divergenz in der Performance von MEMS-Chip und Drahtsensor erkl{\"a}rt werden kann. Es besteht ferner eine starke Temperatur- und Feuchtigkeitsabh{\"a}ngigkeit des Sensorsignals, welches bei beiden Operationsmodi indirekt proportional zur W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit des betrachteten Gasgemischs ist. Die Abh{\"a}ngigkeit vom definierten Umgebungsdruck ist lediglich f{\"u}r die Zeitkonstante relevant, bei der Pulsh{\"o}he besteht keine Druckabh{\"a}ngigkeit. Es konnte eine grunds{\"a}tzliche Eignung des thermischen Messprinzips f{\"u}r den Einsatz eines Wasserstoffsensors im Automobilbereich festgestellt werden. F{\"u}r eine Anwendung m{\"u}ssen allerdings Referenzsensoren f{\"u}r Temperatur, Feuchtigkeit und Druck implementiert werden und eine Kalibrierung in Abh{\"a}ngigkeit dieser Gr{\"o}ßen erfolgen. Der 3ωBetrieb ist aufgrund der h{\"o}heren Genauigkeit zu bevorzugen. W{\"a}hrend der MEMSSensor im Hinblick auf Sensitivit{\"a}t, Ansprechzeit und Leistungsaufnahme gut abschneidet, liegen die Vorteile des Mikrodrahtsensors in seiner Robustheit und der vergleichsweise einfachen Realisierbarkeit}, subject = {Kraftfahrzeugtechnik}, language = {de} } @misc{Sterner, author = {Sterner, Michael}, title = {Vom Klimaschutz zum Wasserstoff in Verkehr und Industrie - jetzt regional handeln}, series = {Kick-Off Workshop: HyExpert Wasserstoffmodellregion Fichtelgebirge, Wunsiedel, 22.09.2020}, journal = {Kick-Off Workshop: HyExpert Wasserstoffmodellregion Fichtelgebirge, Wunsiedel, 22.09.2020}, language = {de} } @misc{Sterner, author = {Sterner, Michael}, title = {Wasserstoff - Energietr{\"a}ger der Zukunft}, series = {BBA Forum, Passau 24.11.2020}, journal = {BBA Forum, Passau 24.11.2020}, language = {de} } @misc{Sterner, author = {Sterner, Michael}, title = {Wasserstoff als zentraler Baustein der Energiewende in S{\"u}ddeutschland: Powerto- Gas und der rechtliche Rahmen}, series = {1. Wasserstofftag S{\"u}ddeutschland, Um 29.10.2020}, journal = {1. Wasserstofftag S{\"u}ddeutschland, Um 29.10.2020}, language = {de} } @misc{Sterner, author = {Sterner, Michael}, title = {Die Grenzen des Wasserstoff-Hypes}, series = {1. Mitteldeutscher Wasserstoffkongress, 2. November 2021, Leuna CCE Kulturhaus}, journal = {1. Mitteldeutscher Wasserstoffkongress, 2. November 2021, Leuna CCE Kulturhaus}, language = {de} } @misc{Sterner, author = {Sterner, Michael}, title = {The role of green H 2 + Power-to-X in the German Energy Transition}, series = {First Brazilian-German Green Hydrogen Congress, Brasilia 06.10.2020}, journal = {First Brazilian-German Green Hydrogen Congress, Brasilia 06.10.2020}, language = {en} } @misc{Sterner, author = {Sterner, Michael}, title = {Megathema Wasserstoff: Power-to-X im Kontext der Energiewende und des Klimaschutzes in Deutschland}, series = {IRES Symposium, Berlin 18.11.2020}, journal = {IRES Symposium, Berlin 18.11.2020}, language = {de} } @misc{Sterner, author = {Sterner, Michael}, title = {Die Rolle von Wasserstoff in allen Sektoren}, series = {Sektoren{\"u}bergreifende Erkenntnisse zu PtX Fachforum "Wasserstoff Technologie, Prozesssicherheit und Regionalentwicklung", Kurt-Schwabe-Institut f{\"u}r Mess- und Sensortechnik Meinsberg e.V.) Meinsberg, 23.9.2020}, journal = {Sektoren{\"u}bergreifende Erkenntnisse zu PtX Fachforum "Wasserstoff Technologie, Prozesssicherheit und Regionalentwicklung", Kurt-Schwabe-Institut f{\"u}r Mess- und Sensortechnik Meinsberg e.V.) Meinsberg, 23.9.2020}, language = {de} } @misc{Sterner, author = {Sterner, Michael}, title = {Gr{\"u}ner Wasserstoff - wo wir ihn brauchen f{\"u}r die Klimaneutralit{\"a}t}, series = {Energiewendeforum Wasserstoff (Gr{\"u}ner Strom Label e. V.), Bonn, 21. September 2021}, journal = {Energiewendeforum Wasserstoff (Gr{\"u}ner Strom Label e. V.), Bonn, 21. September 2021}, language = {de} }