KMU-innovativ Heißgeprägte H2/O2-Sensoren für die In-situ-Überwachung und -Regelung von Wasserstoffprozessen (HEIS)

Problemstellung
Wasserstoff gilt als ein wichtiger Energieträger der Zukunft. Daher wird dieser künftig in großen Mengen produziert, transportiert, gespeichert und prozessiert. Diese Prozessschritte stellen hohe, sicherheitsrelevante Anforderungen an Sensorsysteme, die der Überwachung des geruchslosen, aber zündfähigen Gases und Regelung der Prozesse dienen. Handelsübliche H2-Sensoren kommen hierbei an ihre Grenzen bezüglich Ansprechverhalten, Vergiftungsanfälligkeit und v. a. Querempfindlichkeiten gegenüber Sauerstoff und Wasser. Ein robustes und schnelles Messprinzip ist die sogenannte Festkörperelektrolyt-Sensorik (FES). Diese kann jedoch bisher aufgrund von Rissbildungen während der Herstellung nicht in den entsprechend benötigten Sensorgeometrien realisiert werden.

Zielsetzung
Hier setzt das KMU-innovativ Projekt HEIS an: Mittels Heißprägen – einem Fertigungsverfahren, das üblicherweise zur Strukturierung von thermoplastischen Polymeren eingesetzt wird – soll ein neuartiger 3D-Strukturierungsprozess für die keramikbasierten FES entwickelt werden. So kann die Erzeugung feinster, funktionaler Strukturen mit hoher Stabilität ermöglicht werden. Basierend auf diesem Herstellungsverfahren ist ein neuer H2/O2-Sensor zu erarbeiten, der die O2-Querempfindlichkeit von H2-Messungen erstmalig in wechselnden Umgebungsbedingungen zuverlässig kompensiert. Der Messbereich für H2 wird dabei auf zwei Volumenprozent erweitert. Die Ansprechzeiten sollen bei unter 1 s für H2 und O2 liegen, während die Energieeffizienz durch die Miniaturisierung maximiert wird.

Vorgehensweise
Zu Beginn des Forschungsprojekts werden das Anforderungsprofil und das Systemkonzept erstellt sowie eine Auswahl der Materialen und Verfahren getroffen. Daran anschließend erfolgt die Entwicklung des neuen Herstellungsverfahrens. Bei diesem werden durch Heißprägen in Kombination mit ultrapräzisionsbearbeiteten Werkzeugen die mit funktionalen Strukturen bedruckten, keramischen und ungebrannten Folien (sog. Grünfolien) im µm-Bereich 3D-strukturiert. Für die H2- und O2-Messung werden die Sensoren zunächst separat voneinander entwickelt und später in einen einzigen Sensor überführt, der in der Lage ist, beide Gase simultan zu messen. Durch den nachfolgenden Ofenprozess, bei dem alle eingesetzten Materialien gemeinsam schrumpfen, kann die schädigende Rissbildung vermieden werden. Abschließend wird der kombinierte H2/O2-Sensor in einen Demonstrator integriert und dessen Funktionsfähigkeit umfassend getestet.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Der neuartige H2/O2-Sensor kann so den Anforderungen langjähriger In-situ-Überwachung und -Regelung unterschiedlichster zukünftiger Wasserstoffprozesse gerecht werden. Dies wird wiederum den Herstellungs- und Verbrennungsprozess von Wasserstoff sicherer und effizienter gestalten und kann in verschiedenen Bereichen, wie Elektrolyseuren, Blockheizkraftwerken und im Mobilitätssektor (Brennstoffzelle, Wasserstoffmotoren), weitere Anwendung finden.

• Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
• LAMTEC Meß- und Regeltechnik für Feuerungen GmbH & Co. KG