H2-DruckSens
Wasserstofftaugliche Drucksensorik aus keramischen Sensorkörpern mit hochempfindlichen Sensorschichten

Das Projekt ist dem BMWi-Programm „Innovationen für die Energiewende“ angegliedert und befasst sich mit der Entwicklung von wasserstofftauglichen Drucksensoren. Mit Hilfe keramischer Sensorkörper und hochempfindlicher dehnungssensitiver Dünnschichten sollen Drucksensoren entwickelt werden, die bestens für Anwendungen mit Wasserstoff, einem Schlüsselelement der Energiewende, geeignet sind.

Das Projekt ist ein Dreierverbund eines Drucksensorherstellers, eines Keramikentwicklers und der Forschungsgruppe Sensorik und Dünnschichttechnik der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes unter der Leitung von Prof. Schultes.

Problemstellung

Wasserstoff gilt als vielversprechender Kandidat zur Ablösung fossiler Brennstoffe und ist daher eines der zentralen Elemente zur Lösung der Energiewende.
Für Anwendungen wie beispielsweise wasserstoffbetriebene Fahrzeuge mit Brennstoffzelle ist es zwingend erforderlich den Druck des komprimierten Wasserstoffgases zu bestimmen. Bei der Druckmessung von Wasserstoff kommt es allerdings zu zwei grundlegenden Problemen: Wasserstoffdiffusion und Wasserstoffversprödung.
Die mobilen Wasserstoffmoleküle können bei üblichen Drucksensoren mit medienberührenden metallischen Verformungskörpern leicht durch diesen diffundieren und Versprödungen hervorrufen, die zum Sensorausfall führen können. Gelangt der Wasserstoff bis zur Sensorschicht, kann es zur Veränderung der elektrischen Messwiderstände und infolgedessen zu einer Signaldrift kommen. Üblicherweise werden daher nicht versprödende austenitische Stähle (z.B. 1.4404, 1.4435) eingesetzt und die Sensorkörper mit Diffusionsbarrieren (z.B. Goldschicht) versehen. Zu einer Signaldrift der Sensoren kann es dennoch kommen, vor allem bei erhöhten Temperaturen.

Zielsetzung

Durch die Kombination von resistenten keramischen Verformungskörpern mit sehr geringer Permeationsrate für Wasserstoff und hochsensitiven Dünnschichten sollen zuverlässige, ausfallsichere Drucksensoren speziell für Wasserstoffanwendungen entstehen.

Vorgehen

Anstelle von Stahl sollen keramische Materialien für die Verformungskörper zum Einsatz kommen. Zusammen mit Keramikexperten und einem Sensorhersteller werden Verformungskörper entwickelt, die einerseits geringe Permeationsraten für Wasserstoff aufweisen und anderseits gute mechanische Eigenschaften besitzen, was für den Einsatz als Sensorkörper essentiell ist.
Im nächsten Schritt werden die Keramikkörper mit dehnungssensitiven Dünnschichten versehen, sodass die Dehnung des Verformungskörpers in ein druckproportionales elektrisches Signal gewandelt werden kann. Hierbei kommen hochempfindliche gesputterte Schichten mit einer Dicke von nur ca. 100 nm zum Einsatz. Die hohe Dehnungsempfindlichkeit der Schichten erlaubt es, die mechanischen Spannungen in der Keramik gering zu dimensionieren und dennoch ein ausreichend hohes Sensorsignal zu erzielen. Um die Anfälligkeit der Sensorschichten gegenüber Wasserstoff ebenfalls so gering wie möglich zu halten, werden die Schichten separat untersucht und für den Einsatz mit Wasserstoff optimiert. Mittels keramik-gerechter Verbindungstechnik und der Anbindung einer Sensorelektronik entstehen schließlich zuverlässige und hochpräzise Drucksensoren, die bestens für das Medium Wasserstoff geeignet sind.

Projektbearbeitung: Dennis Wachter, M. Sc.; Maximilian Mathis, M. Sc.
Projektleitung: Prof. Dr. Günter Schultes
Laufzeit: 01.07.2020 – 30.09.2022
Gefördert von: BMWi

Abschlussbericht
Category: Multimodal Smart Sensing

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