neo hydrogen sensors GmbH / Nanostrukturierte Wasserstoff … · 2016. 7. 6. · -Sensor-Elemente im Überblick Quelle: L. Boon-Brett et. al., "Identifying performance gaps in hydrogen

Nanostrukturierte Wasserstoff-Sensoren9. Workshop AiF - Brennstoffzellen-Allianz 21.06.2016

Dr. Dieter Ostermann, neo hydrogen sensors GmbH

Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 2/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016

AGENDA

neo hydrogen sensors GmbH

Anwendungen

Neue laterale Wasserstoffsensoren

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4

Nanostrukturierte Wasserstoffsensoren2

Ausblick5


Wer wir sind ... Produktionsgesellschaft als Spin-off der ODB-Tec GmbH & Co.KG

Technologie wurde nach 10jähriger F&E-Tätigkeit exklusiv auslizenziert

Sitz im Bussardweg 12, Neuss / Düsseldorf

Geschäftsgebiet: Produktion und Vertrieb von

H2-Sensorsystemen für die Industrie, fürs Automobil

und zur Brandmeldung

Sensorsysteme auf Basis nanostrukturierter H2-Sensorelemente

neo hydrogen sensors GmbH


Wasserstoff-Sensor-Elemente

H2-Sensorelemente auf PCB-Board

H2-Sensor-element „NEO904“ inDIL-Package

H2-Sensor-elementeTransfer-gemouldet(Muster)

Unterschiedliche Packages ...


Ti-Elektrode

n-TiOx

Pt-Elektrode

OhmscherKontakt

SchottkyKontakt

H2-Sensor-Element: Aufbau

Ersatzschaltbild:


H2-Sensor-Element: Betrieb

c(H2) [%] t90 [s] t10 [s]

4 Vol-% 3,0 ± 0,6 3,4 ± 0,6

A~


H2-Sensor-Element: Mechanismus

1. O2-Moleküle adsorbieren an der TiOx-Oberfläche (nanoporös)

a) Nimmt Elektron aus dem TiOx – Leitungsband (O2--Akzeptormolekül)

2. H2-Moleküle adsorbieren und dissoziieren an der Pt-Elektrode

a) Protonen diffundieren durch das Pt in das TiOx (Dotierung/„Spillover")

b) Protonen bilden mit den O2--Molekülen OH-Gruppen und geben ein Elektron an das TiOx – Leitungsband ab

c) Heiße Verbrennung von H2 und O2 am Pt wird unterbunden

Reaktionsmechanismus


H2-Sensor-Element: Mechanismus

Mess-Signal aus Reaktion Leitfähigkeit des Devices ist abhängig von H2- Konzentration

Phasenverschiebung zwischen Anregungsspannung & Signalstrom als

weitere Messgröße

Leitfähigkeit vom Device ändert sich auch durch Feuchte & Temperatur

– Temperatur- und Luftfeuchtekompensation entscheidend

– Vorausgesetzt die Sauerstoffkonzentration ist konstant


H2-Sensor-Elemente im Überblick

Quelle: L. Boon-Brett et. al., "Identifying performance gaps in hydrogen safety sensor technology for automotive and stationary applications", International Journal of Hydrogen Energy Band 0, S. 1-12. (2009).

Nichtgeheizter, anorganischer, nanostrukturierter Sensor mit sehr kurzen

Ansprech- und Abklingzeiten


Anwendungen für H2-Sensoren

In folgenden Bereichen:

Überwachung Elektrolyseure, Kathodenraum Brennstoffzelle, ...

Detektion von Bränden durch H2

Formiergas-nutzende Betriebe

Abfallwasserstoff

Power2Gas → H2 im Haushalt und Auto

Überwachung von H2-betriebenen Aggregaten und Batteriesystemen


Anwendung Energiespeicherung

Energiespeicherung Überwachung von Batteriespeichern*

Alle Bereiche, in denen H2 in Zukunft als Energieträger eingesetzt wird

(Auto-Tiefgarage, ….)

– Überwachung von Elektrolyseuren

– Überwachung vom Kathodenraum der Brennstoffzellen

• H2-Messung in Sauerstoffatmosphäre

– Überwachung von Leckagen in Wasserstoff-

speichern, Elektrolyseuren und Brennstoffzellen* z.B. PV-Batteriespeicher; Bleisäure- oder Lithiumionenbatterien (aktuell keine Pflicht)


Anwendung Energiespeicherung

EnergiespeicherungMikroprozessor:ATMEL "XMEGA 128A4U"

kapazitiver, digitalerFeuchte- und Temperatursensor:„Sensirion SHT 11“

Wasserstoffsensorelement„NEO904“ in DIL- Gehäuse mit Druckausgleichs-Membran

Spannungsversorgung: 5-16V DCSignalausgang: 0..10V DC für 0..4% H2

serielle (Programmier-)Schnittstelle und digitale Datenausgabe

H2-Sensorsystem NEO954


Anwendung in Gasverarbeitung

Gasverarbeitung

Betriebsüberwachung bei Formiergas-nutzenden Unternehmen, u.a.

Härtereien, …

Überwachung bei Abfall-Wasserstoff in der Industrie, u.a.

– Galvanik-Anodisierbetriebe (Beize und Anodisierung)

– Reinigungsanlagen (z.B. Alu-Beize)

– PVC-Herstellung


Anwendung Brandprävention

Brandprävention Bisher Detektion von TF1-5 und TF8 (auch Schwelbränden)

Integration in Brandmeldeanlagen

– Vermeidung von Fehlalarmen

– Schnellere Detektion von Bränden möglich

– Unterscheidung von Bränden möglich

– DIN EN 54-Norm mit Gassensoren in Vorbereitung

z.B. Detektion von TF4 und TF5


Anwendung Gasüberwachung

Gasüberwachung

Überwachung von Stadtgas (~50% H2) in einzelnen Ländern

Power-to-gas → In Zukunft bis zu 14% H2 im Erdgas

Anwendung 1: Erdgas-beheizte Gebäude → H2-Leckagesensoren

Anwendung 2: H2 in Motoren und Brenner → H2 in Erdgas-Sensor


Anwendung Gasüberwachung

speziell Automotive

kapazitiver, digitaler Feuchte- und Temperatursensor:„Sensirion SHT 2x“

Wasserstoff-Sensorelement„NEO906“ in DIL- Gehäuse mit Druckausgleichs-Membran

Spannungsversorgung: 9-16V DC; CAN-Schnittstelle


Herstellung über Nicht-StandardprozesseAufbau von Lohnfertigern sehr schwerMaximale Produktionskapazität = 5.000 Stück/Jahr

Deutliche Querempfindlichkeit zu O2 bei c(O2) < 10 Vol.-%Fehler bei sauerstoffabgereicherter Luft

Aktuelle Feuchtigkeitssensoren sind „zu gut“Physikalische Änderung in der Struktur durch Wasser dauert oft lange

Temperatursensor nicht auf dem ChipFehler bei Temperaturmessung bei wechselnden Temperaturen

Komplizierte Physik der vertikalen StrukturenErhöhter Aufwand bei der Kalibrierung der Sensoren

Nachteile der jetzigen Sensorelemente

Folgende „Nachteile“ haben die vertikalen H2-Sensoren:


Entwicklung eines H2-Sensors auf SiliziumbasisAufbau von externen Lohnfertigern; keine Kapazitätsprobleme

SauerstoffsensorBessere H2-Bestimmung in sauerstoffabgereicherter Luft

Luftfeuchtigkeitssensor

Bessere H2-Bestimmung bei ändernden Luftfeuchten Temperatursensor

Bessere H2-Bestimmung bei ändernden Temperaturen

Neuer lateraler Wasserstoffsensor

ZIM-Projekt zur Entwicklung eines lateralen H2-Sensors


Entwicklungsschritte für 2016-2018 Automobilsensorsystem-Muster in Q3/2016

Transfergemouldete Sensoren in Q4/2016

DIN EN54-genormte Brandversuche mit Sensorsystemen Q4/2016

Optimierung Gesamtsystem hinsichtlich Technik, Qualität und Kosten 2017

ZIM-Projekt Entwicklung und Herstellung von lateralen Multi-Sensoren, die

auf Standardprozessen basieren (2016-2018)

Aufbau eines Lohnfertigers, der diese Sensorelemente herstellt 04/2018

Ausblick


Dr. Dieter Ostermann Geschäftsführer

neo hydrogen sensors GmbHBussardweg 12D-41468 Neuss Tel. 02131-20 90 [email protected] THAN

K YOUTHAN

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YOU

mailto:[email protected]

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