Forschungsprojekt: Miniaturisiertes H2-Sensorik-System zur Sicherstellung der Akzeptanz von Brennstoffzellen-Antrieben; Teilvorhaben: Definition der anwendungsspezifischen Sensor-Anforderungen. Aufbau und Test von Funktionsdemonstratoren im Sensor-System-Gehäuse

Abstract

Mit Brennstoffzellen betriebene Fahrzeuge besitzen zukünftig Wasserstoffsensoren im Abgas, welche die Emission von Wasserstoff während des Betriebes überwachen. Ähnlich wie Wasserstoff-Leckage-Sensor, sind sie Teil des Sicherheitskonzeptes und Betriebsstrategie des Fahrzeugs. Um den harten und sicherheitsrelevanten Anforderungen im Abgas gerecht zu werden, wurde im Förderprojekt mit neuen Ansätzen und moderner Halbleitertechnologie robuste und dauerfeste Sensoren untersucht und aufgebaut. Im Rahmen des Förderprojektes wurden die technischen Anforderungen an den Sensor gesammelt und spezifiziert. Verschiedene Messkonzepte wurden erforscht und mit Hilfe von ersten Prototypen evaluiert. Die so erhaltenen Ergebnisse wurden mit dem Stand der Technik verglichen, bewertet und in ein konkretes Konzept umgesetzt. Im Gegensatz zum ursprünglich beabsichtigten Konzept zwei Wasserstoff-Sensoren zu kombinieren, wurde eine thermische Wasserstoff Sensor mit einem Feuchtesensor kombiniert, was hinsichtlich der Messgenauigkeit unter Applikationsbedingungen zielführende Performance zeigte. In mehreren Musterschleifen wurden die Sensor-Chips optimiert und in einem Halbleitergehäuse verbaut. Basierend auf dieser Integrationsebene wurden erste Belastungstest zur Dauerfestigkeit positiv abgeschlossen. Zeitgleich wurde ein Systemgehäuse mit Elektronik entworfen und getestet. Ein fahrzeugfähiger Demonstrator, auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse, wurde zu Projektende über Temperatur, Gaskonzentration, Feuchte, Druck und Strömung getestet. Bis auf wenige minimale Schwächen konnten speziell bei dem zentralen Punkt der Messgenauigkeit sämtliche Zielsetzungen des Gesamtkonzeptes erreicht werden. Mit dem Funktionsdemonstrator besteht nun die Möglichkeit zusammen mit der Fahrzeugindustrie weiterführende Untersuchungen und Industrialisierungsschritte durchzuführen. Datei-Upload durch TIB In the future, vehicles powered by fuel cells will have hydrogen sensors in the exhaust gas that monitor the emission of hydrogen during operation. Similar to hydrogen leakage sensors, they are part of the vehicle's safety concept and operation strategy. In order to meet the tough and safety-relevant requirements in the exhaust gas, robust and durable sensors were investigated and built in the funding project using new approaches and modern semiconductor technology. As part of the funding project, the technical requirements for the sensor were collected and specified. Various measurement concepts were researched and evaluated with the help of first prototypes. The results obtained in this way were compared with the state of the art, evaluated and implemented in a concrete concept. In contrast to the originally intended concept of combining two hydrogen sensors, a thermal hydrogen sensor was combined with a humidity sensor, which showed targeted performance in terms of measurement accuracy under application conditions. The sensor chips were optimized in several sample loops and installed in a semiconductor housing. Based on this level of integration, the first load tests for fatigue strength were successfully completed. At the same time, a system housing with electronics was designed and tested. A vehicle-capable demonstrator, based on the knowledge gained, was tested at the end of the project over temperature, gas concentration, humidity, pressure and flow. With the exception of a few minor weaknesses, all objectives of the overall concept could be achieved, especially with regard to the central point of measurement accuracy. With the function demonstrator, it is now possible to carry out further investigations and industrialization steps together with the automotive industry.