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Thermische Wasserstoffsensoren für den Automobilbereich

  • Für den sicheren Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs sind Sensoren wichtig, welche die Wasserstoffkonzentration im Fahrzeuginterieur kontinuierlich überwachen, um möglichen Entzündungen bzw. Explosionen vorzubeugen. Dafür wurden von verschiedenen nationalen und internationalen Instanzen bestimmte Kriterien definiert, die Wasserstoffsensoren für einen Einsatz in Brennstoffzellenfahrzeugen erfüllen müssen. Im Jahr 2020gab es noch keinen einzigen kommerziell erhältlichen Sensor, der alle diese Kriterien bedienen konnte. In der vorliegenden Arbeit wurde für zwei verschiedene Sensoren die Eignung des thermischen Wirkprinzips für 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. Für zwei dynamische Operationsmodi (gepulste Ströme und 3ω-Methode) wurden darauf aufbauend analytische Modelle basierend auf vereinfachten Sensorgeometrien entwickelt, um die Temperaturentwicklung des Sensorelements in Abhängigkeit der Zeit zu charakterisieren. Diese Studien wurden anschließend anhand von detaillierteren Modellen mithilfe von FEM-Simulationen ergänzt und spezifiziert. Darin konnte gezeigt werden, dass für den gepulsten Betrieb sowohl die Pulshöhe als auch die Zeitkonstante des gemessenen Widerstands- bzw. Temperaturpulses als Messgröße herangezogen werden kann. Beim 3ω-Betrieb konnte zudem eine starke Frequenzabhängigkeit dieser Widerstands- bzw. Temperaturcharakteristik beobachtet werden. Die analytischen und numerischen Studien wurden anschließend durch experimentelle Ergebnisse bestätigt. Im Hinblick auf die zuvor definierten Kriterien stellte sich heraus, dass die Auswertung der Zeitkonstante beim gepulsten Betrieb im Hinblick auf Sensitivität und Auflösungsgrenze der Auswertung der Pulshöhe deutlich unterlegen ist. Beim 3ω-Betrieb können durch die hochintegrierte Messumgebung deutlich höhere Genauigkeiten und Auflösungsgrenzen erzielt werden. Für den MEMS-Sensor wurde bei einer Anregungsfrequenz von 1 Hz mit 55 ppm die bislang geringste in der Literatur berichtete Auflösungsgrenze für einen thermischen Wasserstoffsensor erreicht. Der Leistungsverbrauch ist dabei im Vergleich zum Pulsbetrieb entsprechend des jeweiligen Tastgrads leicht bis mäßig erhöht, die Ansprechzeit wird bei beiden Operationsmodi maßgeblich durch die Sensorgeometrie beeinflusst. Die geometrischen Parameter der jeweiligen Sensoren haben ferner einen starken Einfluss auf die Sensitivität, womit die Divergenz in der Performance von MEMS-Chip und Drahtsensor erklärt werden kann. Es besteht ferner eine starke Temperatur- und Feuchtigkeitsabhängigkeit des Sensorsignals, welches bei beiden Operationsmodi indirekt proportional zur Wärmeleitfähigkeit des betrachteten Gasgemischs ist. Die Abhängigkeit vom definierten Umgebungsdruck ist lediglich für die Zeitkonstante relevant, bei der Pulshöhe besteht keine Druckabhängigkeit. Es konnte eine grundsätzliche Eignung des thermischen Messprinzips für den Einsatz eines Wasserstoffsensors im Automobilbereich festgestellt werden. Für eine Anwendung müssen allerdings Referenzsensoren für Temperatur, Feuchtigkeit und Druck implementiert werden und eine Kalibrierung in Abhängigkeit dieser Größen erfolgen. Der 3ωBetrieb ist aufgrund der höheren Genauigkeit zu bevorzugen. Während der MEMSSensor im Hinblick auf Sensitivität, Ansprechzeit und Leistungsaufnahme gut abschneidet, liegen die Vorteile des Mikrodrahtsensors in seiner Robustheit und der vergleichsweise einfachen Realisierbarkeit
  • For the safe operation of a fuel cell vehicle, sensors that continuously monitor the hydrogen concentration in the vehicle interior are crucial in order to prevent possible ignitions or explosions. For this purpose, various national and international institutions have defined certain criteria that hydrogen sensors must meet for being used in fuel cell vehicles. In 2020, there was not yet a single commercially available sensor that could serve all of these criteria. In the present work, the suitability of the thermal operating principle for the detection of hydrogen in the context of these safety criteria was investigated for two different sensors. Two relatively simple geometries, a MEMS sensor and a micro-wire sensor, were used to represent the one-dimensional and cylinder-symmetric case. Analytical models based on simplified sensor geometries were subsequently developed for two dynamic operation modes (pulsed currents and 3ω-method) to characterize the temperature response of the sensor element as a function of time. These studies were then extended and specified using more detailed models based on FEM simulations. In these studies, it was shown that for pulsed operation, both the pulse height and the time constant of the measured resistance or temperature pulse can be used as a measurand. For 3ω-operation, a strong frequency dependence of these resistance or temperature characteristics was also observed. The analytical and numerical studies were subsequently confirmed by experimental results. With respect to the previously defined criteria, the evaluation of the time constant during pulsed operation was found to be significantly inferior to the evaluation of the pulse height in terms of sensitivity and resolution limit. For 3ω-operation, significantly higher accuracies and resolution limits could be achieved due to the highly integrated measurement environment. For the MEMS sensor, at an excitation frequency of 1 Hz, the lowest resolution limit for a thermal hydrogen sensor reported in the literature to date was achieved at 55 ppm. The power consumption is slightly increased compared to the pulse mode according to the corresponding duty cycle. The response time is significantly influenced by the sensor geometry for both operation modes. Furthermore, the geometrical parameters of the individual sensors have a strong influence on the sensitivity, which can explain the divergence in the performance of the MEMS chip and the micro-wire sensor. There is also a strong temperature and humidity dependence of the sensor signal, which is indirectly proportional to the thermal conductivity of the gas mixture. The dependence on the ambient pressure is only relevant for the time constant, there is no pressure dependence for the pulse height. A fundamental suitability of the thermal measurement principle for the use of a hydrogen sensor in the automotive sector could be identified. However, for an application, reference sensors for temperature, humidity and pressure must be implemented and calibration must be performed as a function of these variables. The 3ω-operation is preferred due to its higher accuracy. While the MEMS sensor performs well in terms of sensitivity, response time and power consumption, the advantages of the microwire sensor are based on its robustness and the fact that the manufacturing process is comparably easy.

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Metadaten
Author:Dominik Berndt
URL / DOI:https://opus.bibliothek.uni-augsburg.de/opus4/frontdoor/deliver/index/docId/105227/file/Diss_Berndt.pdf
Place of publication:Regensburg
Referee:Achim Wixforth, Rupert SchreinerORCiDGND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of first Publication:2023
Title-awarding institution - Not OTHR:Universität Augsburg, Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät
Release Date:2024/03/28
Tag:Feuchtigkeitsabhängigkeit; thermischer Wasserstoffsensor
GND Keyword:Kraftfahrzeugtechnik; Brennstoffzellenfahrzeug; Wasserstoff; Gassensor; Sensortechnik
Institutes:Fakultät Angewandte Natur- und Kulturwissenschaften
Fakultät Angewandte Natur- und Kulturwissenschaften / Labor Mikrosensorik
research focus:Sensorik
Publication:Dissertation in Kooperation
Licence (German):Keine Lizenz - Es gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG