Sensoren eliminieren Funkenrisiko, erhöhen Sicherheit von Wasserstofffahrzeugen

Wasserstoff als saubere, erneuerbare Alternative zu fossilen Brennstoffen ist Teil einer nachhaltigen Energiezukunft und bereits sehr präsent. Doch anhaltende Bedenken bezüglich Entflammbarkeit haben die weitverbreitete Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle für Elektrofahrzeuge begrenzt. Frühere Fortschritte haben das Risiko minimiert, aber neue Forschung der University of Georgia schiebt dieses Risiko nun in den Rückspiegel.

Wasserstofffahrzeuge können viel schneller betankt werden und weiter fahren ohne Nachfüllen als heutige Elektrofahrzeuge, die Batteriestrom nutzen. Aber eine der letzten Hürden für Wasserstoffkraft ist die Sicherung einer sicheren Methode zur Detektion von Wasserstofflecks.

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

„Derzeit detektieren die meisten kommerziellen Wasserstoffsensoren die Änderung eines elektronischen Signals in aktiven Materialien bei Interaktion mit Wasserstoffgas, was potenziell eine Zündung von Wasserstoffgas durch elektrisches Funken induzieren kann“, sagte Tho Nguyen, Associate Professor. „Unsere funkenfreien optisch basierten Wasserstoffsensoren detektieren die Präsenz von Wasserstoff ohne Elektronik, was den Prozess viel sicherer macht.“

Wasserstoffkraft hat viele mehr Anwendungen als nur das Antrieben von Elektrofahrzeugen, daher sind entflammbarkeitsmindernde Technologien kritisch. Robuste Sensoren für Wasserstoffleckdetektion und Konzentrationskontrolle sind in allen Phasen der wasserstoffbasierten Wirtschaft wichtig, einschließlich Produktion, Distribution, Lagerung und Nutzung in der Erdölverarbeitung und -produktion, Düngemittel, metallurgische Anwendungen, Elektronik, Umweltwissenschaften und in gesundheits- und sicherheitsrelevanten Bereichen.

Die drei Schlüsselprobleme bei Wasserstoffsensoren sind Ansprechzeit, Empfindlichkeit und Kosten. Aktuelle Mainstream-Technologie für H2-optische Sensoren erfordert einen teuren Monochromator zur Aufzeichnung eines Spektrums, gefolgt von der Analyse eines Spektralverschiebungsvergleichs.

„Mit unseren intensitätsbasierten optischen Nanosensoren gehen wir von der Detektion von Wasserstoff bei ca. 100 Parts-per-Million auf 2 Parts-per-Million, bei Kosten von wenigen Dollar für einen Sensorschip“, sagte Tho. „Unsere Ansprechzeit von 0,8 Sekunden ist 20 % schneller als das beste verfügbare optische Gerät, das derzeit in der Literatur berichtet wird.“

Das neue optische Gerät basiert auf der Nanofabrikation einer Nanosphärenschablone, die mit einer Palladium-Kobalt-Legierungsschicht überzogen ist. Jegliches vorhandenes Wasserstoff wird schnell absorbiert und dann durch eine LED detektiert. Ein Siliziumdetektor zeichnet die Intensität des übertragenen Lichts auf.

Alle Metalle neigen dazu, Wasserstoff zu absorbieren, aber das Finden geeigneter Elemente mit einem richtigen Gleichgewicht in der Legierung und das Engineering der Nanostruktur, um subtile Änderungen in der Lichttransmission nach Wasserstoffabsorption zu verstärken, ermöglichte es ihnen, einen neuen Maßstab für Geschwindigkeit und Empfindlichkeit dieser Sensoren zu setzen.