Sensoren eliminieren das Risiko von Funkenbildung in Wasserstofffahrzeugen

Wasserstoff als saubere, erneuerbare Alternative zu fossilen Brennstoffen ist Teil einer nachhaltigen Energiezukunft, und zwar bereits heute. Allerdings haben anhaltende Bedenken hinsichtlich der Entflammbarkeit die weit verbreitete Verwendung von Wasserstoff als Energiequelle für Elektrofahrzeuge eingeschränkt. Frühere Fortschritte haben das Risiko minimiert, aber neue Forschungsergebnisse der University of Georgia stellen dieses Risiko jetzt in den Rückspiegel.

Wasserstofffahrzeuge können viel schneller tanken und ohne Nachtanken weiter fahren als heutige Elektrofahrzeuge, die Batteriestrom verwenden. Aber eine der letzten Hürden für den Wasserstoffantrieb ist die Sicherstellung einer sicheren Methode zur Erkennung von Wasserstofflecks.

Eine neue Studie dokumentiert einen kostengünstigen, funkenfreien, optisch basierten Wasserstoffsensor, der empfindlicher – und schneller – als frühere Modelle ist.

„Im Moment erkennen die meisten kommerziellen Wasserstoffsensoren die Änderung eines elektronischen Signals in aktiven Materialien bei Wechselwirkung mit Wasserstoffgas, was möglicherweise eine Wasserstoffgaszündung durch elektrische Funkenbildung induzieren kann“, sagte Tho Nguyen, außerordentlicher Professor. „Unsere funkenfreien Wasserstoffsensoren auf optischer Basis erkennen das Vorhandensein von Wasserstoff ohne Elektronik und machen den Prozess viel sicherer.“

Wasserstoffkraft hat viel mehr Anwendungen als nur den Antrieb von Elektrofahrzeugen, daher sind entflammbarkeitsmindernde Technologien von entscheidender Bedeutung. Robuste Sensoren für die Erkennung von Wasserstofflecks und die Konzentrationskontrolle sind in allen Phasen der wasserstoffbasierten Wirtschaft wichtig, einschließlich Produktion, Verteilung, Speicherung und Nutzung in der Erdölverarbeitung und -produktion, Düngemittel, metallurgischen Anwendungen, Elektronik, Umweltwissenschaften und im Gesundheitswesen und sicherheitsrelevante Bereiche.

Die drei Hauptprobleme im Zusammenhang mit Wasserstoffsensoren sind Reaktionszeit, Empfindlichkeit und Kosten. Die derzeitige Mainstream-Technologie für optische H2-Sensoren erfordert einen teuren Monochromator, um ein Spektrum aufzuzeichnen, gefolgt von der Analyse eines Spektralverschiebungsvergleichs.

„Mit unseren intensitätsbasierten optischen Nanosensoren gehen wir von der Erkennung von Wasserstoff bei etwa 100 Teilen pro Million auf 2 Teile pro Million zu einem Preis von wenigen Dollar für einen Sensorchip“, sagte Tho. „Unsere Reaktionszeit von 0,8 Sekunden ist 20 % schneller als die des besten verfügbaren optischen Geräts, über das derzeit in der Literatur berichtet wird.“

Das neue optische Gerät beruht auf der Nanofabrikation einer Nanosphärenschablone, die mit einer Palladium-Kobalt-Legierungsschicht bedeckt ist. Vorhandener Wasserstoff wird schnell absorbiert und dann von einer LED erkannt. Ein Siliziumdetektor zeichnet die Intensität des durchgelassenen Lichts auf.

Alle Metalle neigen dazu, Wasserstoff zu absorbieren, aber die Suche nach den geeigneten Elementen mit der richtigen Balance in der Legierung und die Konstruktion der Nanostruktur zur Verstärkung subtiler Änderungen in der Lichtdurchlässigkeit nach der Wasserstoffabsorption ermöglichten es ihnen, einen neuen Maßstab dafür zu setzen, wie schnell und empfindlich diese Sensoren sein können.