Los átomos de hidrógeno son extremadamente pequeños y, debido a esta propiedad, pueden incluso penetrar materiales sólidos en un proceso conocido como permeación. Con el tiempo, los transmisores de presión dejan de funcionar debido a este proceso. Sin embargo, su vida útil se puede optimizar.
En los transmisores de presión piezorresistivos , el chip sensor está envuelto en un fluido, generalmente aceite. Esta sección, a su vez, está rodeada por una membrana de acero muy delgada, de 15 a 50 μm de espesor. Debido a la minúscula dimensión atómica del hidrógeno, el gas puede difundirse a través de la red cristalina de los metales (ver infografía). Con el tiempo, este gas penetrante conduce a un desplazamiento cero ya no tolerable en la señal que surge y la membrana de acero se dobla hacia afuera. Por tanto, el sensor de presión se vuelve inutilizable.
Resumen de las propiedades del hidrógeno
Infographic: malachy120///AdobeStock
Los sensores de presión entran en contacto con el hidrógeno en una amplia gama de aplicaciones, ya sea en la monitorización de los propios depósitos de hidrógeno, en submarinos o en el sector de la automoción.. Especialmente en el último caso, el hidrógeno se utiliza cada vez más en el desarrollo de sistemas de propulsión alternativos. Muchos fabricantes llevan varios años trabajando en modelos que incorporan pilas de combustible y algunas ciudades ya han optado por los autobuses de hidrógeno en el transporte público. Las ventajas no deben descartarse, ya que solo se requieren hidrógeno y oxígeno como materiales de origen. A través de una reacción química, se produce energía en forma de electricidad, sin que se generen gases de escape (el producto de combustión es vapor de agua). Además, el hidrógeno, a diferencia de los combustibles fósiles, está disponible en cantidades inagotables. El desarrollo ya está muy avanzado y ahora hay modelos que consumen solo 3 litros de hidrógeno en 100 kilómetros, mientras que distancias de hasta 700 kilómetros con un tanque lleno son, en parte, ya posibles.
En esta rama son necesarios transmisores de presión de alto rendimiento y alta precisión , que monitorean los tanques de hidrógeno de los vehículos. Más específicamente, se debe controlar la presión y la temperatura dentro del tanque de hidrógeno del vehículo. Aquí pueden surgir presiones de hasta 700 bar, pero también debe cubrirse un amplio rango de temperatura. Es imperativo, por supuesto, que los transmisores de presión utilizados cumplan con su función durante un período de tiempo prolongado con la precisión requerida. Para optimizar la vida útil de los sensores en aplicaciones de hidrógeno, se deben considerar varios factores que influyen:
- Rango de presión: el flujo de gas a través de la membrana del sensor es proporcional a la raíz cuadrada de la presión del gas. Una presión diez veces menor aumenta la vida útil del sensor en aproximadamente 3 veces.
- Temperatura: el flujo de gas a través de la membrana del sensor aumenta a temperaturas más altas y depende de la constante del material.
- Espesor de la membrana: el flujo de gas es inversamente proporcional al espesor de la membrana. El uso de una membrana de 100 μm en lugar de una de 50 μm de espesor duplica la vida útil del sensor.
- Área de la membrana: el flujo de gas es directamente proporcional al área de la superficie de la membrana (el cuadrado del diámetro de la membrana). Con una membrana de Ø 13 mm en lugar de una de Ø 18,5 mm, la vida útil del sensor se duplica.
Dado que pueden producirse altas presiones y amplias fluctuaciones de temperatura dentro de los tanques de hidrógeno de los vehículos, estos dos factores no pueden influir en la vida útil de los sensores. Los factores del grosor de la membrana y el área de la membrana también prometen un remedio limitado. Aunque la vida útil puede mejorarse con estos factores, todavía no es la óptima.
Recubrimiento de oro: la solución más eficaz
La permeabilidad del oro es 10.000 veces menor que la del acero inoxidable. Con el revestimiento de oro (0,1 a 1 μm) de una membrana de acero de 50 μm, la permeación de hidrógeno se puede suprimir de forma significativamente más eficaz que duplicando el grosor de la membrana a 100 μm. En el primer escenario, el tiempo para que se acumule un volumen crítico de gas hidrógeno en el interior del sensor de presión se puede aumentar en un factor de 10 a 100, mientras que en el segundo ejemplo solo en un factor de dos. El requisito previo para ello es una soldadura optimizada y sin huecos, así como un recubrimiento prácticamente libre de defectos.
Imagen 1: Ejemplo de un transmisor de presión con revestimiento de oro
Debido a estas propiedades del oro con respecto a la permeabilidad del hidrógeno, STS utiliza membranas de acero inoxidable recubiertas de oro como estándar en aplicaciones de hidrógeno.
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Imagen 1: Ejemplo de un transmisor de presión con revestimiento de oro
