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
1
3
4
Nanostrukturierte Wasserstoffsensoren2
Ausblick5
Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 3/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
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
Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 4/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
Wasserstoff-Sensor-Elemente
H2-Sensorelemente auf PCB-Board
H2-Sensor-element „NEO904“ inDIL-Package
H2-Sensor-elementeTransfer-gemouldet(Muster)
Unterschiedliche Packages ...
Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 5/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
Ti-Elektrode
n-TiOx
Pt-Elektrode
OhmscherKontakt
SchottkyKontakt
H2-Sensor-Element: Aufbau
Ersatzschaltbild:
Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 6/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
H2-Sensor-Element: Betrieb
c(H2) [%] t90 [s] t10 [s]
4 Vol-% 3,0 ± 0,6 3,4 ± 0,6
A~
Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 7/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
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
Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 8/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
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
Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 9/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
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
Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 10/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
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
Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 11/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
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)
Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 12/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
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
Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 13/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
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
Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 14/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
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
Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 15/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
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
Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 16/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
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
Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 17/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
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:
Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 18/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
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
Dr. Dieter Ostermann, neoxid GmbH / 16Seite 19/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
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, neoxid GmbH / 16Seite 20/20 © neo hydrogen sensors GmbH, All rights reserved. Proprietary and confidential. June 2016
Dr. Dieter Ostermann Geschäftsführer
neo hydrogen sensors GmbHBussardweg 12D-41468 Neuss Tel. 02131-20 90 [email protected] THAN
K YOUTHAN
K
YOU
mailto:[email protected]
Folie 1Folie 2Folie 3Folie 4Folie 5Folie 6Folie 7Folie 8Folie 9Folie 10EnergiespeicherungFolie 12GasverarbeitungBrandpräventionErdgas-ÜberwachungFolie 16Folie 17Folie 18Ausblick2Thank_you