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. Im Ergebnis des Projektes steht die erfolgreiche Entwicklung gasdichter keramischer Membranen, die Realisierung eines vollkeramischen Sensoraufbaus mittels Laserlöttechnologie sowie der Aufbau funktionsfähiger Demonstratoren als neuartige keramische Sensorplattform für Wasserstoffanwendungen. As the energy transition progresses, the demand for sensor applications for hydrogen management spanning production, refueling, and other hydrogen technology uses - is set to rise sharply. When sensors are deployed in components for hydrogen production, transport, storage, and utilization, their materials are subjected to significant stress caused by hydrogen corrosion and diffusion. At the same time, they must offer robust insulation and thermal stability to meet safety requirements. With current technology, particularly regarding low-pressure sensors based on metallic or silicon diaphragms, extensive measures are required to enhance sensor safety and reliability. Even specialized techniques - such as applying a gold coating to a flush-mounted corrugated diaphragm- cannot provide complete protection; they merely delay hydrogen diffusion into the transmission medium. Since diffusion intensifies with rising temperatures and applied pressures, the manufacturing process for the pressure-sensing elements must be specifically tailored to each application. Ceramic materials - characterized by exceptional impermeability and chemical inertness toward hydrogen, and already used in applications such as medical pressure sensor diaphragms - have so far played only a minor role in hydrogen technology. Consequently, the partners in this joint project set out to develop all-ceramic solutions for low-pressure sensor applications (up to 2.5 bar) within the context of electrochemical hydrogen production and fuel cell processing. The project involved developing two design concepts for hydrogen pressure sensors and comparing their suitability for specific applications: i) a sensor comprising a ceramic diaphragm and a ceramic base body, both manufactured separately and subsequently joined in a gas-tight manner using special glass solders via laser beam soldering. The key advantage of this structural design lies in the exclusive use of hydrogen-tight ceramics and glass solders, ensuring both high operational reliability and durability. ii) A sensor comprising a ceramic membrane and a base body made of a special polymer ceramic, where the base body is manufactured via injection molding with the simultaneous integration of the membrane. This design concept employs a particularly simple and time-efficient manufacturing technology, enabling significant cost reductions. The project has successfully resulted in the development of gas-tight ceramic membranes, the realization of an all-ceramic sensor assembly using laser soldering technology, and the construction of functional demonstrators serving as a novel ceramic sensor platform for hydrogen applications.