Nanostrukturierte Wasserstoff-Sensoren 9. Workshop AiF - Brennstoffzellen-Allianz Dr. Dieter Ostermann, neo hydrogen sensors GmbH

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1 Nanostrukturierte Wasserstoff-Sensoren 9. Workshop AiF - Brennstoffzellen-Allianz Dr. Dieter Ostermann, neo hydrogen sensors GmbH

2 AGENDA 1 neo hydrogen sensors GmbH 2 Nanostrukturierte Wasserstoffsensoren 3 Anwendungen 4 Neue laterale Wasserstoffsensoren 5 Ausblick Seite 2/20

3 neo hydrogen sensors GmbH 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 Seite 3/20

4 Wasserstoff-Sensor-Elemente Unterschiedliche Packages... H2-Sensorelemente auf PCB-Board H2-Sensorelement NEO904 in DIL-Package Seite 4/20 H2-Sensorelemente Transfergemouldet (Muster)

5 H2-Sensor-Element: Aufbau Pt-Elektrode n-tiox Ti-Elektrode Schottky Ohmscher Kontakt Kontakt Ersatzschaltbild: Seite 5/20

6 H2-Sensor-Element: Betrieb ~ A c(h2) [%] t90 [s] t10 [s] 4 Vol-% 3,0 ± 0,6 3,4 ± 0,6 Seite 6/20

7 H2-Sensor-Element: Mechanismus Reaktionsmechanismus 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 Seite 7/20

8 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 Seite 8/20

9 H2-Sensor-Elemente im Überblick Nichtgeheizter, anorganischer, nanostrukturierter Sensor mit sehr kurzen Ansprech- und Abklingzeiten 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 (2009). Seite 9/20

10 Anwendungen für H2-Sensoren In folgenden Bereichen: Überwachung Elektrolyseure, Kathodenraum Brennstoffzelle,... Power2Gas H2 im Haushalt und Auto Formiergas-nutzende Betriebe Abfallwasserstoff Detektion von Bränden durch H2 Überwachung von H2-betriebenen Aggregaten und Batteriesystemen Seite 10/20

11 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 Wasserstoffspeichern, Elektrolyseuren und Brennstoffzellen * z.b. PV-Batteriespeicher; Bleisäure- oder Lithiumionenbatterien (aktuell keine Pflicht) Seite 11/20

12 Anwendung Energiespeicherung H2-Sensorsystem NEO954 Energiespeicherung serielle (Programmier-) Schnittstelle und digitale Datenausgabe Mikroprozessor: ATMEL "XMEGA 128A4U" Spannungsversorgung: 5-16V DC Signalausgang: 0..10V DC für 0..4% H 2 Seite 12/20 kapazitiver, digitaler Feuchte- und Temperatursensor: Sensirion SHT 11 Wasserstoffsensorelement NEO904 in DIL- Gehäuse mit Druckausgleichs-Membran

13 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 Seite 13/20

14 Anwendung Brandprävention Brandprävention Bisher Detektion von TF1-5 und TF8 (auch Schwelbränden) z.b. Detektion von TF4 und TF5 Integration in Brandmeldeanlagen Vermeidung von Fehlalarmen Schnellere Detektion von Bränden möglich Unterscheidung von Bränden möglich DIN EN 54-Norm mit Gassensoren in Vorbereitung Seite 14/20

15 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 Seite 15/20

16 Anwendung Gasüberwachung speziell Automotive Spannungsversorgung: 9-16V DC; CAN-Schnittstelle kapazitiver, digitaler Feuchteund Temperatursensor: Sensirion SHT 2x Seite 16/20 Wasserstoff-Sensorelement NEO906 in DIL- Gehäuse mit DruckausgleichsMembran

17 Nachteile der jetzigen Sensorelemente Folgende Nachteile haben die vertikalen H2-Sensoren: Herstellung über Nicht-Standardprozesse Aufbau von Lohnfertigern sehr schwer Maximale Produktionskapazität = 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 Chip Fehler bei Temperaturmessung bei wechselnden Temperaturen Komplizierte Physik der vertikalen Strukturen Erhöhter Aufwand bei der Kalibrierung der Sensoren Seite 17/20

18 Neuer lateraler Wasserstoffsensor ZIM-Projekt zur Entwicklung eines lateralen H2-Sensors Entwicklung eines H2-Sensors auf Siliziumbasis Aufbau von externen Lohnfertigern; keine Kapazitätsprobleme Sauerstoffsensor Bessere H2-Bestimmung in sauerstoffabgereicherter Luft Luftfeuchtigkeitssensor Bessere H2-Bestimmung bei ändernden Luftfeuchten Temperatursensor Bessere H2-Bestimmung bei ändernden Temperaturen Seite 18/20

19 Ausblick Entwicklungsschritte für 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 ( ) Aufbau eines Lohnfertigers, der diese Sensorelemente herstellt 04/2018 Seite 19/20

20 Dr. Dieter Ostermann Geschäftsführer neo hydrogen sensors GmbH Bussardweg 12 D Neuss Tel K N A H T U O Y U K O N Y A H T Seite 20/20