Warum Wärmeleitfähigkeitssensoren gute Wasserstoffleckdetektoren sind

Von schweren Lastkraftwagen über Busse und Autos bis hin zu Flugzeugen und Schiffen erfreut sich aus Wasserstoff erzeugter Strom aus verschiedenen Gründen zunehmender Beliebtheit, z. B. wegen der Emissionsfreiheit, der schnellen Betankung, der großen Reichweite und der hohen Effizienz. Im Vergleich zu den Treibhausgasen, die herkömmliche, auf fossilen Brennstoffen basierende Verbrennungsmotoren (ICE) ausstoßen, produzieren Wasserstoff-Brennstoffzellen nur Wasserdampf als Abgasemission. Obwohl die Kosten und die Infrastruktur nach wie vor Hürden für die Einführung darstellen, verbessern technologische Fortschritte die Effizienz weiter, während das zunehmende Streben nach Dekarbonisierung weiterhin Interesse und Investitionen in Wasserstoff als saubere Alternative zu fossilen Brennstoffen weckt.

Mit der weit verbreiteten Einführung von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen besteht ein enormer Bedarf an der Erkennung von Wasserstofflecks in diesen Systemen. Leckagen sind in Wasserstoffsystemen vor allem deshalb üblich, weil Wasserstoffmoleküle extrem klein sind und ein hohes Diffusionsvermögen haben, so dass sie durch Materialien und Dichtungen entweichen können. Darüber hinaus kann Wasserstoff zu Wasserstoffversprödung führen, einem Prozess, bei dem er Materialien wie Stahl mit der Zeit infiltriert und schwächt, was wiederum mehr Möglichkeiten für Lecks schafft. Wasserstoff ist außerdem leicht entzündlich und ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, das schnell zu einer gefährlichen und riskanten Situation führen kann. Es muss sofort erkannt werden, wann und wo immer ein Leck auftritt.

Es gibt zwar zahlreiche Methoden zum Aufspüren von Wasserstofflecks, z. B. elektrochemische Sensoren und katalytische Perlensensoren, aber die wirksamste und genaueste Methode ist die Erkennung durch Wärmeleitfähigkeitssensoren (TCD). Dabei werden die thermischen Eigenschaften von Wasserstoff beim Durchgang durch den Sensor genau gemessen und mit den thermischen Eigenschaften von Luft verglichen.

Bemerkenswerte Merkmale von HLD-Sensoren

Zu den Hauptmerkmalen, die TCD-Sensoren, insbesondere Wasserstofflecksensoren (HLD), für die Erkennung von Gaslecks attraktiv machen, gehören Stabilität unter unterschiedlichen Bedingungen wie Stößen und Vibrationen, schnelle Reaktionszeiten von weniger als 2 Sekunden, hohe Genauigkeit und hohe Empfindlichkeit. Der Sensor HLD-111-111-001 (Abbildung 1) von Honeywell Sensing & Productivity Solutions setzt moderne Kompensationsalgorithmen ein, um geringe Wasserstoffleckagen zu erkennen und 10 Jahre lang ohne manuelle Eingriffe präzise Ergebnisse zu liefern.

Abbildung 1: Der Honeywell-Sensor HLD-111-111-001 nutzt die Wärmeleitfähigkeitserkennung zur zuverlässigen und genauen Überwachung von Wasserstofflecks. (Bildquelle: Honeywell Sensing & Productivity Solutions)

Außerdem sind TCD-basierte HLD-Sensoren weniger anfällig für Verunreinigungen durch Chemikalien, die andere Sensortechnologien stören könnten. Im Gegensatz zu chemischen Sensoren, die mit der Zeit an Leistungsfähigkeit verlieren, oder katalytischen Sensoren, die anfällig für Verunreinigungen durch Verbindungen wie Schwefel sind, verwenden HLD-Sensoren keine reaktiven Materialien, was zu einer wesentlich längeren Lebensdauer und höheren Zuverlässigkeit führt.

TCD-Sensoren haben außerdem eine Anlaufzeit von weniger als einer Sekunde und einen Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +85°C (-40°F bis +185°F).

Die wichtigsten Vorteile von TCD-Sensoren als Wasserstoffleckdetektoren

Der Einsatz von Wärmeleitfähigkeitssensoren zur Erkennung von Wasserstofflecks hat mehrere Vorteile. Sie gewährleisten nicht nur ein hohes Maß an Genauigkeit, sondern auch eine lange Betriebsdauer. Die HLD-Sensoren wurden so entwickelt, dass sie bis zu 10 Jahre lang ohne manuelle Eingriffe und Kalibrierung funktionieren, was die Wartungskosten und Ausfallzeiten reduziert. Im Gegensatz zu anderen Gassensoren benötigen HLD-Sensoren auf der Grundlage der Wärmeleitfähigkeit keinen Sauerstoff, um eine effiziente und stabile Messung zu ermöglichen. HLD-Sensoren können in einer inerten oder sauerstoffarmen Atmosphäre arbeiten, in der andere Sensortypen, wie z. B. katalytische Kügelchen, versagen würden.

HLD-Sensoren haben auch sehr schnelle Reaktionszeiten, die für die Sicherheit in Anwendungen wie Automobil- oder Brennstoffzellensystemen entscheidend sind. Dank ihrer hohen Empfindlichkeit und Genauigkeit können diese Sensoren sehr kleine Wasserstofflecks erkennen, bevor sie ein Sicherheitsrisiko darstellen. Die schnelle Erkennung von Leckagen ermöglicht rasche Abhilfemaßnahmen und verhindert die Eskalation einer gefährlichen Situation. Darüber hinaus sind sie zuverlässig und langlebig für harte Industriebedingungen und unterstützen Wasserstoffsicherheitsstandards und Industrievorschriften.

Und schließlich sind sie aufgrund ihrer einfacheren Konstruktion kostengünstiger und können unter Verwendung von Halbleitersensoren in großen Stückzahlen hergestellt werden, was sie zu einer wirtschaftlichen Option für einen breiten Einsatz macht.

Typische HLD-Anwendungen

Typische Anwendungen für TCD-Sensoren sind Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs), Wasserstofftankstellen, Wasserstoffgeneratoren, industrielle Anwendungen wie chemische Verarbeitung, Metallraffination und Halbleiterherstellung, Wasserstoffspeicherung und -verteilung sowie Schiffsanwendungen.

Wie andere Elektrofahrzeuge nutzen auch FCEVs Strom für den Antrieb von Elektromotoren, den sie mithilfe einer mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle erzeugen. Folglich können Wasserstofflecks im Kraftstoffsystem ein Sicherheitsrisiko darstellen und die Effizienz des Fahrzeugs verringern. Durch die kontinuierliche Überwachung der Wasserstofftanks, Pipelines und Brennstoffzellenstapel des FCEV erkennen die HLD-Sensoren Lecks, um gefährliche Situationen zu vermeiden und die Effizienz des Wasserstoffkraftstoffs zu erhalten (Abbildung 2).

Abbildung 2: TCD-basierte HLD-Sensoren, die in mit Brennstoffzellen betriebenen Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, verhindern gefährliche Situationen wie Lecks und erhalten die Effizienz des Wasserstoffkraftstoffs. (Bildquelle: Honeywell Sensing & Productivity Solutions)

Ebenso sind wasserstoffbetriebene E-Fahrzeuge auf Hochdrucktanks und Tankstellen angewiesen, bei denen Lecks ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen können. Die TCDs stellen sicher, dass die Hersteller von Elektrofahrzeugen durch die kontinuierliche Überwachung der Betankungsinfrastruktur auf Leckagen das Zündrisiko mindern können. Gleichzeitig erhöht die Platzierung dieser Sensoren an Wasserstoffzapfsäulen und -speichern die Betriebseffizienz und -sicherheit, wodurch Ausfallzeiten minimiert werden und das Vertrauen der Verbraucher in die Wasserstoffbetankungsinfrastruktur gestärkt wird.

Ebenso sind Wasserstoffgeneratoren für die Vor-Ort-Erzeugung von Wasserstoff in industriellen, medizinischen und energetischen Anwendungen unerlässlich. Zur Sicherheit der Benutzer in der Umgebung dieser Generatoren sind HLD-Sensoren an wichtigen Stellen angebracht, um minimale Lecks zu erkennen und Gefahren wie Gasansammlungen, Feuer oder Explosionen zu verhindern (Abbildung 3).

Abbildung 3: Wasserstoffgeneratoren verwenden HLD-Sensoren für die Benutzersicherheit. (Bildquelle: Honeywell Sensing & Productivity Solutions)

Auch andere Industriezweige wie die chemische Verarbeitung, die Metallveredelung, die Halbleiterherstellung und die Lagerlogistik nutzen die Vorteile der Wasserstoffkraft. So werden z. B. Wasserstoff-Brennstoffzellen-Gabelstapler aufgrund ihrer schnellen Betankungsmöglichkeit und ihrer Emissionsfreiheit zunehmend in Lagern eingesetzt. Die Sicherheit am Arbeitsplatz wird durch die Platzierung von HLD-Sensoren an wichtigen Stellen und die Echtzeitüberwachung auf Leckagen im Bereich von Gabelstaplern und Tankstellen gewährleistet (Abbildung 4). Durch den Einsatz von HLD-Sensoren können Lagerbetreiber den sicheren Betrieb von wasserstoffbetriebenen Gabelstaplern gewährleisten und gleichzeitig die betriebliche Effizienz aufrechterhalten und kostspielige Ausfallzeiten verhindern.

Abbildung 4: HLD-Sensoren gewährleisten den sicheren Betrieb von wasserstoffbetriebenen Gabelstaplern. (Bildquelle: Honeywell Sensing & Productivity Solutions)

Bereitstellung einer sensiblen, stabilen und zuverlässigen Lösung

Die Sensoren der HLD-Serie von Honeywell Sensing & Productivity Solutions nutzen Techniken zur Messung der Wärmeleitfähigkeit und bieten hohe Empfindlichkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit für viele Anwendungen in unterschiedlichen Branchen, darunter die Automobilindustrie, das Transportwesen, die industrielle Sicherheit und die Hausenergieversorgung. Diese Sensoren enthalten einen proprietären Algorithmus zur Kompensation von Faktoren wie Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit, der genaue Messwerte in einem breiten Spektrum von Betriebsbedingungen gewährleistet. Dadurch können sie Lecks bis zu 50 ppm (parts per million) mit einer Genauigkeit von ±10% aufspüren, und zwar innerhalb von zwei Sekunden. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften verhindern HLD-Sensoren auch falsche Messwerte aufgrund des Vorhandenseins anderer Umweltgase wie Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffe.

Der HLD-Sensor kann an die Anforderungen der Anwendung angepasst werden, z. B. für leichte Anwendungen und mit Hilfsausgang. Die Lösungen können auf genaue Spezifikationen zugeschnitten werden, um die Markteinführung zu beschleunigen, die Gesamtsystemkosten zu senken und die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Die HLD-Sensoren sind auch in einem robusten Polycarbonat-Gehäuse für Schutz und Benutzerfreundlichkeit mit einer Brandschutzklasse von UL94V0 und einem Schutzgrad von IP67 sowie in einer Version ohne Gehäuse (nur Leiterplatte) für die kundenspezifische Integration erhältlich.

Fazit

Wasserstoff erfreut sich in vielen Branchen zunehmender Beliebtheit als vielversprechende saubere Energiealternative zur Erreichung nachhaltiger Energieziele, da er die Treibhausgasemissionen und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern kann. Honeywell Sensing & Productivity Solutions unterstützt diesen Übergang durch seine hochpräzise und zuverlässige HLD-Sensorserie, die Sicherheitsbedenken ausräumt und das Vertrauen der Kunden in Wasserstoff-Brennstoffzellen stärkt.