Verbundprojekt: Heißgeprägte H2/O2-Sensoren für die In-situ-Überwachung und -Regelung von Wasserstoffprozessen - HEIS; in der Fördermaßnahme KMU-innovativ: Produktionsforschung Im Programm: Neue Fertigungstechnologien und Prozessketten

Abstract

Im Rahmen des Projekts wurde ein neuartiger Herstellungsprozess für Festkörperelektrolyt-Sensoren (FES) auf Basis eines Heißprägeverfahrens erforscht und entwickelt. Ziel war die Realisierung eines kombinierten H₂/O₂-Sensors zur gleichzeitigen Messung von Wasserstoff und Sauerstoff auf einem Sensorelement. Durch die intelligente Verknüpfung potentiometrischer Wasserstoffmessung und amperometrischer Sauerstoffmessung soll die bekannte Sauerstoff-Querempfindlichkeit der Wasserstoffmessung kompensiert und damit die Überwachung von Wasserstoffprozessen deutlich verbessert werden. Die Entwicklung adressiert den steigenden Bedarf an robusten und in höheren Stückzahlen herstellbaren Sensorlösungen für Anwendungen in der Wasserstoffwirtschaft, insbesondere in Elektrolyseuren, Power-to-Gas-Anlagen und wasserstoffbasierten Verbrennungsprozessen. Hierzu wurde ein innovatives Sensordesign mit einem neuartigen Fertigungsansatz kombiniert, der auf bedruckten keramischen Grünfolien, Siebdrucktechnik sowie einer dreidimensionalen Strukturierung mittels Heißprägen basiert. Im Projektverlauf wurden eine Simulationsumgebung für thermo- und strömungsmechanische FEM-Analysen, mehrere Messstände zur sensorischen und thermischen Charakterisierung sowie eine Laborelektronik zur Vermessung der Sensorelemente aufgebaut. Darüber hinaus wurde ein neues Fertigungsverfahren erfolgreich entwickelt und ein Patent für das Heißprägeverfahren zur 3D-Strukturierung keramischer Grünfolien angemeldet. Mit den hergestellten Sensorelementen konnte eine Wasserstoffmessung im Bereich von 0 bis 90 Vol.-% (WLD-Verfahren) sowie eine potentiometrische H₂-Messung im Bereich von 0 bis 100 ppm erfolgreich nachgewiesen werden. Die amperometrische Sauerstoffmessung zeigte bei 0,3 und 21 Vol.-% O₂ eine grundsätzliche Funktionalität. Aufgrund unerwarteter Herausforderungen bei der Auswahl und Anpassung geeigneter Grünfolien sowie der erforderlichen Material- und Prozessoptimierung konnten nicht alle geplanten Arbeiten zur detaillierten Charakterisierung der Sensoren abgeschlossen werden. Dennoch belegen die erzielten Ergebnisse die technische Machbarkeit des entwickelten Konzepts und das hohe Potenzial des neuen Fertigungsverfahrens. Die Fortführung der Arbeiten im Rahmen eines Folgeprojekts erscheint sinnvoll, um die Sensorcharakterisierung abzuschließen und die Technologie zur Marktreife weiterzuentwickeln.