Keramik-H2-Sensor; Entwicklung einer keramischen Drucksensorplattform für das Wasserstoffmanagement im Bereich der nachhaltigen und intelligenten Mobilität, Energieversorgung und industriellen Stoffwirtschaft der Zukunft

Abstract

Im Zuge der Energiewende wird der Bedarf an Sensorapplikationen für das Wasserstoff-Management von der Herstellung bis zur Betankung und weiteren Anwendungen im Rahmen der Wasserstofftechnologie sprunghaft ansteigen. Beim Einsatz der Sensoren in den Komponenten der Wasserstoffherstellung, des Transportes, der Speicherung und der Nutzung unterliegen die Materialien durch Wasserstoffkorrosion und Wasserstoffdiffusion einer hohen Belastung. Sie müssen aber gleichzeitig isolationsfest und temperaturstabil sein, um den sicherheits-technischen Anforderungen zu genügen. Beim Stand der Technik sind vor allem im Bereich der Niederdrucksensoren auf der Basis metallischer oder Si-Druckmembranen besonders aufwändige Maßnahmen zur Steigerung von Sicherheit und Zuverlässigkeit der Sensoren notwendig. Einen vollständigen Schutz können auch z.B. spezielle Methoden der Au-Beschichtung der frontbündigen Wellmembran nicht bieten, damit wird lediglich eine Verzögerung der Wasserstoffdiffusion in das Übertragungsmedium erreicht. Die Diffusion verstärkt sich noch durch eine Erhöhung der Temperatur und des anliegenden Druckes, so dass für jeden Anwendungsfall eine gesonderte Anpassung der Herstellungstechnologie der Drucksensorelemente erfolgen muss. Keramische Materialien, die sich durch eine besondere Dichtigkeit und Reaktionsträgheit gegenüber Wasserstoff auszeichnen und bereits z.B. als Membranen in Drucksensoren für die Medizintechnik Anwendung finden, spielen bislang in der Wasserstofftechnik nur eine untergeordnete Rolle. Deshalb haben sich die Partner im Verbundprojekt die Aufgabe gestellt, vollkeramische Lösungen für dieses spezielle Sensortechnik für Niederdruckanwendungen bis 2,5 bar im Bereich der elektrochemischen Wasserstofferzeugung bzw. -verarbeitung in Brennstoffzellen zu entwickeln. Im Projekt wurden für Wasserstoff-Drucksensoren folgende zwei Aufbaukonzepte entwickelt und hinsichtlich ihrer Applikationseignung verglichen: i) Sensor aus keramischer Membran und keramischem Grundkörper, die beide separat gefertigt und anschließend mit Spezialglasloten durch Laserstrahllöten gasdicht verbunden werden. Der wesentliche Vorteil dieses Aufbaukonzeptes besteht in der ausschließlichen Verwendung von wasserstoffdichten Keramiken und Glasloten, was sowohl eine hohe Funktionssicherheit als auch Langlebigkeit bietet ii) Sensor aus einer keramischen Membran und einem Grundkörper aus einer speziellen Polymerkeramik, wobei die Herstellung des Grundkörpers durch Spritzguss unter gleichzeitiger Einbindung der Membran erfolgt. Dieses Aufbaukonzept weist eine besonders einfache und zeitsparende Herstellungstechnologie auf, was eine erhebliche Kostenreduktion ermöglicht Es handelt sich um die Version 1 des Abschlussberichtes zum gleichnamigen Forschungsvorhaben. Version 2 wird nach Projektabschluss der Partner mit verlängerter Laufzeit zum 30.06.2026 veröffentlicht. In the course of the energy transition, the need for sensor applications for hydrogen management from production to refueling and other applications in the context of hydrogen technology will increase dramatically. When the sensors are used in the components of hydrogen production, transport, storage and use, the materials are subject to high stress due to hydrogen corrosion and hydrogen diffusion. At the same time, however, they must be insulation-proof and temperature-stable in order to meet the safety-related requirements. Given the state of the art, particularly complex measures are necessary to increase the safety and reliability of the sensors, especially in the area of low-pressure sensors based on metallic or Si pressure membranes. Special methods of Au coating the front-flush corrugated membrane, for example, cannot offer complete protection; this only results in a delay in the diffusion of hydrogen into the transmission medium. The diffusion is further increased by an increase in the temperature and the applied pressure, so that the manufacturing technology of the pressure sensor elements must be adapted separately for each application. Ceramic materials, which are characterized by a particular tightness and inertness towards hydrogen and are already used, for example, as membranes in pressure sensors for medical technology, have so far only played a minor role in hydrogen technology. That's why the partners in the joint project have set themselves the task of developing all-ceramic solutions for this special sensor technology for low-pressure applications up to 2.5 bar in the area of electrochemical hydrogen production and processing in fuel cells. In the project, the following two design concepts were developed for hydrogen pressure sensors and compared with regard to their suitability for applications: i) Sensor made of ceramic membrane and ceramic base body, both of which are manufactured separately and then connected in a gas-tight manner using special glass solders using laser beam soldering. The main advantage of this design concept is the exclusive use of hydrogen-tight ceramics and glass solders, which offers both high functional reliability and longevity ii) Sensor made of a ceramic membrane and a base body made of a special polymer ceramic, the base body being manufactured by injection molding with simultaneous integration of the membrane. This design concept features a particularly simple and time-saving manufacturing technology, which enables significant cost reductions. This is version 1 of the final report for the research project of the same name. Version 2 will be published after the partners have completed the project with an extended term until June 30, 2026.