Lebensdaueroptimierung von Drucktransmittern mit Wasserstoff-Kontakt

Wasserstoff-Atome sind sehr klein. Durch diese Eigenschaft durchdringen sie auch feste Materialien. Diesen Vorgang nennt man Permeation. Mit der Zeit werden Drucktransmitter durch diesen Prozess funktionsunfähig. Die Lebensdauer kann aber optimiert werden.

Bei piezoresistiven Druckmessumformern wird der Sensor-Chip von einer Flüssigkeit, meistens Öl, umschlossen. Dieser Bereich ist wiederum von einer sehr dünnen, 15 bis 50 μm dicken Stahlmembran abgeschlossen. Aufgrund der geringen Atomgrössse von Wasserstoff kann das Gas durch das Kristallgitter von Metallen diffundieren (siehe Infografik). Mit der Zeit führt das eingedrungene Gas dazu, dass es zu einer nicht mehr tolerierbaren Signalnullpunktverschiebung kommt und sich die Stahlmembran nach aussen wölbt. Der Drucksensor ist somit unbrauchbar.

Übersicht: Die Eigenschaften von Wasserstoff

Drucksensoren kommen bei einer Vielzahl Anwendungen in Kontakt mit Wasserstoff, sei es bei der Überwachung von Wasserstofftanks selbst, U-Booten oder der Automobilbranche. Gerade bei Letzterer kommt Wasserstoff bei der Entwicklung alternative Antriebsformen verstärkt zum Einsatz. Viele Hersteller arbeiten seit einigen Jahren an Modellen mit Brennstoffzellen, einige Städte setzen im öffentlichen Nahverkehr bereits auf Wasserstoffbusse. Die Vorteile sind nicht von der Hand zu weisen: Als Ausgangsstoffe werden lediglich Wasserstoff und Sauerstoff benötigt. Durch eine chemische Reaktion wird Energie in Form von Strom erzeugt. Dabei entstehen keinerlei Abgase (das Verbrennungsprodukt ist Wasserdampf). Darüber hinaus ist Wasserstoff im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen in unerschöpflichen Mengen vorhanden. Die Entwicklung ist schon weit vorangeschritten, so gibt es Modelle, die auf 100 Kilometer lediglich 3 Liter Wasserstoff verbrauchen. Strecken von bis zu 700 Kilometer mit einer Tankfüllung sind zum Teil schon möglich.

Dafür sind leistungsstarke, hochpräzise Drucktransmitter nötig, die die Wasserstofftanks in den Fahrzeugen überwachen. Konkret müssen Druck und Temperatur im Wasserstofftank des Fahrzeugs überwacht werden. Dabei kommt es zu Drücken von bis zu 700 bar. Auch ein grosser Temperaturbereich muss abgedeckt werden. Natürlich ist es unabdinglich, dass die eingesetzten Drucktransmitter ihren Dienst über einen lagen Zeitraum mit der geforderten Präzision verrichten. Um die Lebensdauer des Sensors in Anwendungen mit Wasserstoff zu optimieren, gilt es verschiedene beeinflussende Faktoren zu beachten:

• Druckbereich: Der Gasstrom durch die Sensor-Membran ist proportional zur Quadratwurzel des Gasdrucks. Ein zehnmal tieferer Druck erhöht die Lebensdauer des Sensors um rund 3 Mal.
• Temperatur: Der Gasfluss durch die Sensor-Membran nimmt bei höheren Temperaturen zu und hängt von der Materialkonstante ab.
• Membranstärke: Der Gasfluss ist umgekehrt proportional zur Membrandicke. Die Verwendung einer 100 μm anstelle einer 50 μm dicken Membran verdoppelt die Lebensdauer des Sensors.
• Membranfläche: Der Gasfluss ist direkt proportional zur Membranoberfläche (das Quadrat des Membrandurchmessers). Mit einem Ø 13 mm anstelle einer Ø 18,5 mm Membran verdoppelt sich die Lebensdauer des Sensors.

Da bei Wasserstofftanks in Fahrzeugen sowohl hohe Drücke als auch grosse Temperaturschwankungen auftreten können, lässt sich die Lebensdauer der Sensoren nicht über diese zwei Faktoren beeinflussen. Auch die Faktoren Membranstärke und Membranfläche versprechen nur bedingt Abhilfe. Zwar lässt sich die Lebensdauer durch diese Faktoren verbessern, aber noch nicht optimal.

Wir haben eine gratis Infografik zum Thema für Sie zusammengestellt:

Goldbeschichtung: Die effektivste Lösung

Die Permeabilität von Gold ist um 10’000 niedriger als die von rostfreiem Stahl. Durch eine Goldbeschichtung (0.1 bis 1 μm) einer 50 μm Stahlmembran kann die Wasserstoff-Permeation deutlich effektiver unterdrückt werden als durch eine Verdoppelung der Membrandicke auf 100 μm. Im ersten Fall kann die Zeit, bis sich ein kritisches Wasserstoffgasvolumen im Inneren des Drucksensors sammelt, um den Faktor 10 bis 100 verlängert werden, im zweiten Fall nur um den Faktor zwei. Voraussetzung dafür ist eine möglichst Kanalfreie und optimierte Schweissung sowie eine weitgehend fehlerfreie Beschichtung.

Aufgrund dieser Eigenschaften von Gold hinsichtlich der Permeabilität durch Wasserstoff verwendet STS für Wasserstoff-Applikationen standardmässig mit Gold beschichtete Edelstahlmembranen.