DE102021103897A1 - Gassensor mit einem hohlraum und einer gasdurchlassstruktur mit einem selektiv gasdurchlässigem element - Google Patents

Gassensor mit einem hohlraum und einer gasdurchlassstruktur mit einem selektiv gasdurchlässigem element Download PDF

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Abstract

Ein Gassensor (10) umfasst einen Hohlraum (11), eine zwischen dem Hohlraum (11) und dem Außenraum angeordnete Gasdurchlassstruktur (12), welche ein selektiv gasdurchlässiges Element (12A) enthält, wobei der Hohlraum (11) mit Ausnahme der Gasdurchlassstruktur (12) hermetisch abgeschlossen ist, und ein oder mehrere Sensorelemente (13), welche konfiguriert sind, das Vorhandensein von einem oder mehreren Gasen in dem Hohlraum zu detektieren.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Gassensor und die Verwendung desselben zur Detektion von Gasen, insbesondere von Wasserstoff.
  • HINTERGRUND
  • Auf dem Gebiet der Elektromobilität gewinnt die Brennstoffzelle zunehmend an Bedeutung. Für ihren Betrieb kommt in erster Linie Wasserstoff zur Anwendung. Ein mit Wasserstoffgas (H2) betriebenes Brennstoffzellensystem weist neben einer Brennstoffzelle einen oder mehrere Wasserstoffspeicher auf. Derartige Wasserstoffspeicher können, beispielsweise bei einem Einsatz in einem Kraftfahrzeug, als Zylinder ausgebildet sein, in denen der Wasserstoff unter einem erhöhten Druck von ca. 700 bar gespeichert ist. Sofern in dem Kraftfahrzeug mehrere derartige Wasserstoffspeicher angeordnet sind, kann eine Reichweite des Kraftfahrzeugs entsprechend ausgelegt werden.
  • Für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug kommt dem Sicherheitsaspekt eine besondere Bedeutung zu. Da gasförmiger Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft in einem weiten Zündbereich auch bei geringer Zündenergie exotherm reagiert (Knallgasreaktion), ist es extrem wichtig, das Vorhandensein von Wasserstoff außerhalb der Wasserstoffspeicher und der Brennstoffzelle, Zu- und Ableitungen sicher und zuverlässig zu detektieren.
  • Aus diesen und anderen Gründen besteht die Notwendigkeit der vorliegenden Offenbarung.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft einen Gassensor, umfassend einen Hohlraum, eine zwischen dem Hohlraum und dem Außenraum angeordnete Gasdurchlassstruktur, welche ein selektiv gasdurchlässiges Element enthält, wobei der Hohlraum mit Ausnahme der Gasdurchlassstruktur hermetisch abgeschlossen ist, und ein oder mehrere Sensorelemente, welche konfiguriert sind, das Vorhandensein von einem oder mehreren Gasen in dem Hohlraum zu detektieren.
  • Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft die Verwendung eines Gassensors nach dem ersten Aspekt zur Detektion von Wasserstoff, insbesondere bei einem Behälter oder bei Leitungen, in welchen gasförmiger Wasserstoff aufbewahrt oder transportiert wird, in einer Brennstoffzelle, insbesondere an einer Einlassöffnung und/oder einer Auslassöffnung der Brennstoffzelle, im Fahrgastraum eines mit einer Brennstoffzelle betriebenen Kraftfahrzeugs, oder allgemein zur Leckdetektion, insbesondere von aus einem der vorstehend genannten Einrichtungen austretendem Wasserstoff.
  • Figurenliste
  • Ein Gassensor gemäß der Offenbarung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander wiedergegeben. Identische Bezugszeichen können identische Komponenten bezeichnen. Gleiche Referenznummern bezeichnen entsprechende gleiche oder ähnliche Teile.
    • 1 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels für einen Gassensor mit einer von einer Stützstruktur getragenen Membran als selektiv gasdurchlässiges Element.
    • 2 enthält 2A bis 2C und zeigt Ausführungsbeispiele von Gasdurchlassstrukturen und die in ihnen enthaltenen Stützstrukturen und selektiv gasdurchlässigen Elemente.
    • 3 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels für einen Gassensor mit einer von einer Stützstruktur getragenen Membran als selektiv gasdurchlässiges Element und im Gehäuse angeordneten mit der Membran verbundenen elektrischen Durchkontaktierungen.
    • 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Gassensor, welcher in einem TO-artigen Gehäuse untergebracht ist, in einer seitlichen Querschnittsansicht (A) und einer perspektivischen Draufsicht (B).
    • 5 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels für einen Gassensor, welcher auf der Basis eines MEMS-Chips aufgebaut ist.
    • 6 zeigt zur Illustration eines differentiellen Messprinzips eine seitliche Querschnittsansicht eines der 1 entsprechenden Ausführungsbeispiels für einen Gassensor.
    • 7 zeigt zur Illustration eines auf der Auslenkung der Membran beruhenden Messprinzips eine seitliche Querschnittsansicht eines der 1 entsprechenden Ausführungsbeispiels für einen Gassensor.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt werden, in denen die Offenbarung praktiziert werden kann. Dabei wird eine richtungsweisende Terminologie wie „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „führend“, „nachlaufend“ usw. in Bezug auf die Ausrichtung der zu beschreibenden Figur(en) verwendet. Da die Bestandteile von Ausführungsformen in verschiedenen Orientierungen positioniert werden können, wird die Richtungsbezeichnung zur Veranschaulichung verwendet und ist in keiner Weise einschränkend. Es ist zu verstehen, dass auch andere Ausführungsformen verwendet und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass der Umfang der vorliegenden Offenbarung überschritten wird. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht einschränkend zu verstehen, und der Umfang der vorliegenden Offenbarung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.
  • Es ist zu beachten, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
  • Wie in dieser Beschreibung verwendet, bedeuten die Begriffe „geklebt“, „befestigt“, „verbunden“, „gekoppelt“ und/oder „elektrisch verbunden/elektrisch gekoppelt“ nicht, dass die Elemente oder Schichten direkt miteinander kontaktiert werden müssen; zwischen den „geklebten“, „befestigten“, „verbundenen“, „gekoppelten“ und/oder „elektrisch verbundenen/elektrisch gekoppelten“ Elementen können Zwischenelemente oder -schichten vorgesehen werden. Gemäß der Offenbarung können die oben genannten Begriffe jedoch optional auch die spezifische Bedeutung haben, dass die Elemente oder Schichten direkt miteinander kontaktiert werden, d. h. dass keine Zwischenelemente oder -schichten zwischen den „geklebten“, „befestigten“, „verbundenen“, „gekoppelten“ und/oder „elektrisch verbundenen/elektrisch gekoppelten“ Elementen vorgesehen sind.
  • Ferner kann das Wort „über“, das in Bezug auf ein Teil, ein Element oder eine Materialschicht verwendet wird, die „über“ einer Oberfläche gebildet oder angeordnet ist, hierin bedeuten, dass das Teil, das Element oder die Materialschicht „indirekt“ auf der implizierten Oberfläche angeordnet (z. B. platziert, gebildet, abgeschieden usw.) wird, wobei ein oder mehrere zusätzliche Teile, Elemente oder Schichten zwischen der implizierten Oberfläche und dem Teil, dem Element oder der Materialschicht angeordnet werden. Das Wort „über“, das in Bezug auf ein Teil, ein Element oder eine Materialschicht verwendet wird, das/die „über“ einer Oberfläche gebildet oder angeordnet ist, kann jedoch optional auch die spezifische Bedeutung haben, dass das Teil, das Element oder die Materialschicht „direkt auf“, z.B. in direktem Kontakt mit der implizierten Oberfläche, angeordnet (z.B. platziert, geformt, abgeschieden usw.) wird.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gassensors gemäß der vorliegenden Offenbarung.
  • Der Gassensor 10 gemäß 1 enthält einen Hohlraum 11, eine zwischen dem Hohlraum 11 und dem Außenraum angeordnete Gasdurchlassstruktur 12, welche ein selektiv gasdurchlässiges Element 12A enthält, wobei der Hohlraum 11 mit Ausnahme der Gasdurchlassstruktur 12 hermetisch abgeschlossen ist, und ein in dem Hohlraum 11 angeordnetes Sensorelement 13, welches konfiguriert ist, das Vorhandensein von einem oder mehreren Gasen zu detektieren.
  • Ein Anwendungsfall betrifft die Druckmessung eines einzelnen Gases wie Wasserstoff (H2), zu welchem Zweck das selektiv gasdurchlässige Element 12A für den selektiven Durchtritt von Wasserstoff konfiguriert ist.
  • Der Gassensor 10 kann ein Gehäuse 14 aufweisen, an welchem die Gasdurchlassstruktur 12 befestigt ist und welches zusammen mit der Gasdurchlassstruktur 12 den Hohlraum 11 umschließt. Das Gehäuse 14 kann zum Beispiel wie gezeigt eine Grundplatte 14A und Seitenwände 14B aufweisen, welche an der Grundplatte 14A angebracht und insbesondere integral oder einstückig mit der Grundplatte 14A ausgeführt sein können. Das Gehäuse 14 kann aus einem Halbleiter wie Silizium, aus Glas, Keramik, oder einem Metall hergestellt sein. Das Gehäuse 14 selbst ist hermetisch von dem Außenraum abgeschlossen.
  • Die Gasdurchlassstruktur 12 weist ein selektiv gasdurchlässiges Element 12A in der Form einer Membran, welche an einer Stützstruktur 12B befestigt ist. Beide sind im Randbereich über ein Dichtelement 15 mit oberen Oberflächen der Seitenwände 14B des Gehäuses 14 verbunden. Die Stützstruktur 12B kann beispielsweise wie gezeigt so ausgeführt sein, dass sie eine regelmäßige, etwa matrixförmige, Anordnung von Öffnungen 12B.1 aufweist, durch die ein selektiver Gasfluss von dem Außenraum in den Hohlraum 11 und umgekehrt stattfinden kann, wie durch die bidirektionalen Pfeile angedeutet ist. Durch diese Anordnung wird erreicht dass ein Gleichgewichtszustand des zu messenden Gases zwischen dem Hohlraum 11 und dem Außenraum hergestellt wird.
  • Wie weiter unten noch gezeigt werden wird, kann das selektiv gasdurchlässige Element 12A eine gänzlich andere Struktur aufweisen als die einer Membran wie im Ausführungsbeispiele der 1. Insbesondere kann das selektiv gasdurchlässige Element 12A auch eine nicht-zusammenhängende Struktur aufweisen.
  • Das selektiv gasdurchlässige Element 12A kann ein Material aufweisen, so dass es für den Durchlass von Wasserstoff selektiv ist. Das selektiv gasdurchlässige Element 12A kann beispielsweise ein Material enthalten, welches eines oder mehr aus einer Gruppe ist, welche Graphen, ein Metall, ein poröses Material, eine dünne Metallschicht, Pd(-Schicht), Ni(-Schicht), Ti(-Schicht), PTFE(-Schicht), und PMMA(-Schicht) enthält.
  • Das Sensorelement 13 misst das Vorhandensein des zu messenden Gases in dem Hohlraum 11. Dies kann auf verschiedene Weise und mittels verschiedener Messgrößen erfolgen. Das Sensorelement 13 kann beispielsweise direkt den in dem Hohlraum 11 herrschenden Druck messen und dementsprechend einen Drucksensor aufweisen. Es ist aber ebenso möglich andere Messgrößen zu bestimmen und aus diesen den im Hohlraum 11 herrschenden Druck abzuleiten. Demzufolge kann das Sensorelement 13 beispielsweise einen thermischen Leitfähigkeitssensor, einen Schallgeschwindigkeitssensor, einen Pellistor, einen katalytischen Sensor, einen gasselektiven Sensor, einen nicht-gasselektiven Sensor, einen induktiven Sensor, einen kapazitiven Sensor, einen resistiven Sensor, einen optischen Sensor, oder einen magnetischen Sensor aufweisen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Hohlraum 11 im Ausgangszustand evakuiert ist, so dass er in einem Messzustand 100% des zu messenden Gases, also beispielsweise H2, enthält. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Hohlraum 11 im Ausgangszustand mit einem anderen Gas wie beispielsweise Stickstoff (N2) bei einem Druck von beispielsweise 0.5 bar befüllt wird. Das führt dazu, dass in einem Messzustand die H2-Konzentration sich verdoppelt, wodurch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei der Messung verbessert werden kann.
  • Bekanntermaßen kann ein Sensorelement ein fehlerhaftes Messverhalten zeigen oder sogar mit der Zeit gänzlich ausfallen. Deshalb kann insbesondere vorgesehen sein, dass zwei oder sogar mehr als zwei Sensorelemente angeordnet werden. Diese können zumindest teilweise auf den gleichen Messprinzipien beruhen, also gleiche Parameter messen. Sie können aber auch zumindest teilweise verschiedene Parameter messen.
  • Das Sensorelement 13 kann unabhängig von seiner Funktionsweise einen mikro-elektro-mechanischen Sensorchip (MEMS-Chip) aufweisen, wie es in 1 andeutungsweise dargestellt ist. Ein solcher MEMS-Chip 13 kann in üblicher Bauweise aus einem Halbleiter aus Silizium gefertigt sein, welcher einen Grundkörper 13.1 und eine zwischen oberen Randabschnitten des Grundkörpers 13.1 angeordnete Membran 13.2 aufweist. Für den Fall dass das Gehäuse 14 ein Halbleitermaterial wie Silizium aufweist, kann der MEMS-Sensor mindestens teilweise in der Grundplatte 14A des Gehäuses 14 ausgebildet sein.
  • Des Weiteren kann ein elektrischer Kontaktanschluss des Sensorelements 13 mittels eines Bonddrahts 19 mit einer auf einer oberen Oberfläche der Grundplatte 14A des Gehäuses 14 aufgebrachten elektrischen Kontaktfläche 16 verbunden sein. Diese wiederum kann über eine elektrische Durchführung 17 mit einer auf einer unteren Oberfläche der Grundplatte 14A aufgebrachte elektrische Kontaktfläche 18 verbunden sein.
  • 2 enthält 2A bis 2C und zeigt Ausführungsbeispiele von Gasdurchlassstrukturen und die in ihnen enthaltenen Stützstrukturen und selektiv gasdurchlässigen Elemente.
  • 2A enthält zwei Ausführungsformen, die in zwei Teilbildern dargestellt sind und zeigt darin jeweils in einem seitlichen Querschnitt eine Gasdurchlassstruktur 22 mit einer Stützstruktur 22B und ein von der Stützstruktur 22B getragenes selektiv gasdurchlässiges Element 22A. Die Stützstruktur 22B kann eine Mikrosiebstruktur aufweisen, welche eine regelmäßige, insbesondere matrixförmige, Anordnung von Öffnungen 22B.1 aufweist, durch die ein selektiver Gasfluss von dem Außenraum in den Hohlraum und umgekehrt stattfinden kann. Die Mikrosiebstruktur kann aus einem Metall, einem Halbleiter wie Silizium oder einem Polymer hergestellt sein. Das selektiv gasdurchlässige Element 22A ist dabei in Form einer Membran auf eine untere Oberfläche der Stützstruktur aufgebracht. Die Herstellung kann derart erfolgen, dass die Membran als in den Öffnungen 22B.1 freistehender Film mit einer Dicke ≤ 20 nm erzeugt wird. Es ist ebenso prinzipiell möglich das selektiv gasdurchlässige Material nur in den Öffnungen 22B.1 anzuordnen, so dass es eine Mehrzahl von nicht-zusammenhängenden Bereichen aufweist.
  • 2B enthält zwei Ausführungsformen, deren erste links in zwei Teilbildern in einem seitlichen Querschnitt und einer perspektivischen Darstellung und deren zweite rechts in einem Teilbild in einem seitlichen Querschnitt dargestellt ist und zeigt darin jeweils eine dünne Gasdurchlassstruktur 32, bei welcher die Stützstruktur 32B als Volumenstruktur ausgebildet ist und einen Hauptkörper 32B.1 aufweist, welcher beispielsweise aus einem Polymer hergestellt sein kann. Der Hauptkörper 32B.1 kann in einen Rahmenkörper 32B.2 eingefasst sein, welcher aus einem Metall hergestellt sein kann. Das selektiv gasdurchlässige Element 32A ist in der linken Ausführungsform auf der oberen Oberfläche der Stützstruktur 32B und in der rechten Ausführungsform auf ihrer unteren Oberfläche aufgebracht.
  • 2C zeigt eine Gasdurchlassstruktur 22 ähnlich der des rechten Teilbilds von 2A, bei der allerdings die Stützstruktur 22B eine gekrümmte Form aufweist und das selektiv gasdurchlässige Element 22A in Form einer Membran auf der konvex gekrümmten Oberfläche der Stützstruktur 22B aufgebracht ist. Die gekrümmte Stützstruktur 22B kann verhindern dass Wassertröpfchen in die Öffnungen 22B.1 der Stützstruktur 22B eindringen.
  • 3 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels für einen Gassensor mit einer von einer Stützstruktur getragenen Membran als selektiv gasdurchlässiges Element und im Gehäuse angeordneten mit der Membran verbundenen elektrischen Durchkontaktierungen.
  • Der Gassensor 30 gemäß 3 entspricht im Wesentlichen dem Gassensor 10 der 1. Über diese Ausführungsform hinaus weist das Gehäuse 14 des Gassensors 30 elektrische Durchführungen 39 auf, welche mit der Membran 12A und mit zusätzlichen elektrischen Kontaktflächen auf der unteren Oberfläche des Gehäuses 14 verbunden sind. Mit dieser Anordnung kann die Membran 12A mit einem elektrischen Strom beschickt und somit beheizt werden. Auf diese Weise kann die Bildung unerwünschter Produkte auf der Membran oder der Stützstruktur durch beispielsweise katalytische Verbrennung unterdrückt werden.
  • 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Gassensor, welcher in einem TO-artigen Gehäuse untergebracht ist, in einer seitlichen Querschnittsansicht (A) und einer perspektivischen Draufsicht (B).
  • Der Gassensor 40 gemäß 4 enthält einen Hohlraum 41, eine zwischen dem Hohlraum 41 und dem Außenraum angeordnete Gasdurchlassstruktur 42, welche ein selektiv gasdurchlässiges Element 42A enthält, wobei der Hohlraum 41 mit Ausnahme der Gasdurchlassstruktur 42 hermetisch abgeschlossen ist, und ein in dem Hohlraum 41 angeordnetes Sensorelement 43, welches konfiguriert ist, das Vorhandensein von einem oder mehreren Gasen zu detektieren.
  • Der Gassensor 40 weist außerdem ein Gehäuse 44 auf, an welchem die Gasdurchlassstruktur 42 befestigt ist und welches zusammen mit der Gasdurchlassstruktur 42 den Hohlraum 41 umschließt. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein TO-artiges Gehäuse 44 vorgesehen, welches eine Grundplatte 44A und ein zylindrisches Gehäuseteil 44B aufweist, welches an der Grundplatte 44A angebracht ist, wobei beide Gehäuseteile aus Metall gefertigt sein können. Das Gehäuse 44 selbst ist hermetisch von dem Außenraum abgeschlossen. Die Gasdurchlassstruktur 42 ist an der Unterseite von oberen horizontalen Abschnitten des zylindrischen Gehäuseteils 44B angebracht und kann eine Stützstruktur 42B und eine daran befestigte selektiv gasdurchlässige Membran 42A aufweisen. Es kann auch vorgesehen sein, die Membran 42A ohne Stützstruktur direkt an dem zylindrischen Gehäuseteil 44B zu befestigen. Die Membran 44A kann beispielsweise durch eine Graphenschicht gegeben sein und kann - wie in 4B gezeigt - auch freitragend, d.h. ohne Stützstruktur, angebracht werden.
  • 5 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels für einen Gassensor, welcher auf der Basis eines MEMS-Chips aufgebaut ist.
  • Der Gassensor 50 gemäß 5 weist als tragendes Bauteil einen MEMS-Chip 53 auf, welcher hier die Rolle des Sensorelements 53 einnimmt, welches konfiguriert ist, das Vorhandensein von einem oder mehreren Gasen zu detektieren. Der MEMS-Chip 53 kann in üblicher Bauweise aus einem Halbleiter aus Silizium gefertigt sein, welcher einen Grundkörper 53.1 und eine zwischen oberen Randabschnitten des Grundkörpers 53.1 angeordnete Membran 53.2 aufweist. Oberhalb der Membran 53.2 ist eine Gasdurchlassstruktur 52 angeordnet, welche ein selektiv gasdurchlässiges Element 52A enthält, wobei zwischen der Membran 53.2 des MEMS-Chips 53 und der Gasdurchlassstruktur 52 ein Hohlraum 51 gebildet ist. Die Gasdurchlassstruktur 52 kann - wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen beschrieben - eine Durchgangslöcher 52B.1 enthaltende Stützstruktur 52B aufweisen, an welcher das selektiv gasdurchlässige Element 52A angebracht ist, welches wiederum durch eine selektiv gasdurchlässige Membran gegeben sein kann. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Hohlraum 51 mit Ausnahme der Gasdurchlassstruktur 52 hermetisch abgeschlossen. Der MEMS-Sensor 53 kann auf einem Basissubstrat 44 aufgebracht sein.
  • 6 zeigt zur Illustration eines Messprinzips eine seitliche Querschnittsansicht eines der 1 entsprechenden Ausführungsbeispiels für einen Gassensor.
  • Der Gassensor 60 gemäß 6 kann im Aufbau identisch mit dem Gassensor 10 der 1 sein und hat somit dieselben Bezugszeichen erhalten, wobei das Sensorelement 13 durch einen Drucksensor gegeben ist. Das Messprinzip beruht darauf dass zusätzlich zur Messung des in dem Hohlraum 11 herrschenden Drucks durch das eingeströmte H2 auch der Druck außerhalb des Gassensors 60 gemessen wird. Zu diesem Zweck ist ein Drucksensor 65 vorgesehen, welcher den Außendruck misst und ein Messergebnis bereitstellt, welches zur Bestimmung der H2-Konzentration verwendet wird, wie an folgendem Beispiel gezeigt wird.
  • Außerhalb des Gassensors
    • Absolutdruck Poutside = 1 bar
    • Partialdruck pH2 = 0.1 bar
  • Innerhalb des Gassensors
    • 100% H2
    • Partialdruck PH2 = 0.1 bar
    • → Absolutdruck Pinside = 0.1 bar
  • Partialdruck innerhalb und außerhalb des Hohlraums ist gleich p gas_xy /P outside = % gas_xy
    Figure DE102021103897A1_0001
    → pH2/Poutside = %H2
    → 0.1 bar/1 bar = 10%H2
  • Berechnungen dieser Art können in einer mit dem Gassensor60 und dem Sensor 55 verbundenen Auswerteschaltung (ASIC-Chip) durchgeführt werden.
  • 7 zeigt zur Illustration eines auf der Auslenkung der Membran beruhenden Messprinzips eine seitliche Querschnittsansicht eines der 1 entsprechenden Ausführungsbeispiels für einen Gassensor.
  • Der Gassensor 70 gemäß 7 kann im Aufbau ähnlich dem Gassensor 10 der 1 sein und hat somit dieselben Bezugszeichen erhalten, wobei jedoch das Sensorelement 13 weggelassen wurde und durch ein geeignetes anderes Sensorelement (nicht dargestellt) gegeben sein kann. Das Messprinzip beruht darauf dass eine infolge der Druckdifferenz zwischen innen und außen erfolgte Auslenkung der Membran 12A in den Hohlraum 11 gemessen wird, welche durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Diese Auslenkung kann auf verschiedenste Art und Weise gemessen werden, insbesondere elektrisch wie beispielsweise induktiv, kapazitiv, oder resistiv, etwa durch piezoresistive Elemente, die in der Membran 12A integriert sein können. Sie kann auch optisch detektiert werden, etwa durch eine Laufzeitmessung eines optischen Impulses von einem optischen Sende-/Empfangs-Sensor zu der Membran und zurück. In ähnlicher Weise kann auch eine Laufzeitmessung eines Schallimpulses zum Einsatz kommen. Schließlich kann die Auslenkung auch magnetisch gemessen werden, etwa durch Verwendung einer weichmagnetischen Membran und Messung ihrer Auslenkung durch einen magnetischen Sensor.
  • Weiter oben wurde bereits erwähnt, dass generell auch mehrere Sensorelemente angeordnet werden können, um die Zuverlässigkeit der Messung zu verbessern. Am Beispiel der 7 kann z.B. das Sensorelement 13 wie in 1 verwendet werden, um wie bereits oben beschrieben das Vorhandensein von H2 in dem Hohlraum 11 zu detektieren, etwa durch eine Druckmessung, und zusätzlich kann beispielsweise durch eine der oben beschriebenen Methoden eine Auslenkung der Membran 12A gemessen werden.
  • Ebenfalls weiter oben wurden die verschiedenen Möglichkeiten der Verwendung eines hier beschriebenen Gassensors angesprochen. Generell kann ein derartiger Gassensor zur Detektion verschiedener Gase, insbesondere jedoch von Wasserstoff verwendet werden. Die Sensoren können in oder an jeder Art von Behältern oder Leitungen angebracht werden, in welchen gasförmiger Wasserstoff aufbewahrt oder transportiert wird, um solchermaßen beispielsweise Leckdetektion durchzuführen. Ein wichtiger Anwendungsbereich ist der einer Brennstoffzelle und hier insbesondere an einer Einlassöffnung und/oder einer Auslassöffnung oder im Fahrgastraum eines mit einer Brennstoffzelle betriebenen Kraftfahrzeugs.
  • Ein weiterer Vorteil des Gassensors der vorliegenden Offenbarung besteht in der Lösung des Problem der sogenannten Sensorvergiftung. Ein herkömmlicher Sensor zeigt dabei ein scheinbar korrektes Signal an z.B. 0% Wasserstoff. Dieser Wert entspricht im Falle einer „Vergiftung“ aber nicht der tatsächlichen H2-Konzentration, denn das Sensormesselement wird durch ein Vergiftungsgas, z.B. H2S, aus der Umgebung in seiner Funktion beeinträchtigt, was passieren kann, wenn beispielsweise die katalytische Verbrennung gehemmt ist und das Vergiftungsgas nahezu ungehindert in den Sensor eindringen kann. Durch die Ausgabe eines plausiblen Werts besteht dabei aber Gefahr einen explosiven Schwellwert nicht zu erkennen. Da der Zustand von außen nicht erkennbar ist, kann auch keine Warnung davor erfolgen.
  • Bei einem Gassensor gemäß der vorliegenden Offenbarung kann hingegen keine Vergiftung der Messzelle eintreten, da die Umgebungsatmosphäre bis auf den Wasserstoff gänzlich aus der Zelle ausgeschlossen wird. Dies ist ein wesentliches Merkmal zur Erreichung der funktionalen Sicherheit des Bauelements.
  • BEISPIELE
  • Im Folgenden werden Vorrichtungen und Verfahren gemäß der Offenbarung anhand von Beispielen erläutert.
  • Beispiel 1 ist ein Gassensor, umfassend einen Hohlraum, eine zwischen dem Hohlraum und dem Außenraum angeordnete Gasdurchlassstruktur, welche ein selektiv gasdurchlässiges Element enthält, wobei der Hohlraum mit Ausnahme der Gasdurchlassstruktur hermetisch abgeschlossen ist, und ein oder mehrere Sensorelemente, welche konfiguriert sind, das Vorhandensein von einem oder mehreren Gasen in dem Hohlraum zu detektieren.
  • Beispiel 2 ist ein Gassensor nach Beispiel 1, bei welchem das selektiv gasdurchlässige Element ein Material enthält, welches eines oder mehr aus einer Gruppe ist, welche Graphen, ein poröses Material, ein Metall, eine dünne Metallschicht, Pd(-Schicht), Ni(-Schicht), Ti(-Schicht), PTFE(-Schicht), und PMMA(-Schicht) enthält.
  • Beispiel 3 ist ein Gassensor nach Beispiel 1 oder 2, bei welchem das selektiv gasdurchlässige Element für den Durchlass von Wasserstoff selektiv ist.
  • Beispiel 4 ist ein Gassensor nach einem der vorherigen Beispiele, bei welchem die Gasdurchlassstruktur eine Stützstruktur aufweist, mit welcher das selektiv gasdurchlässige Element verbunden ist.
  • Beispiel 5 ist ein Gassensor nach Beispiel 4, bei welchem die Stützstruktur eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, die von dem selektiv gasdurchlässigen Element bedeckt oder befüllt sind.
  • Beispiel 6 ist ein Gassensor nach einem der vorherigen Beispiele, bei welchem das selektiv gasdurchlässige Element zusammenhängend ist.
  • Beispiel 7 ist ein Gassensor nach Beispiel 6, bei welchem das selektiv gasdurchlässige Element eine Membran aufweist.
  • Beispiel 8 ist ein Gassensor nach einem der Beispiele 1 bis 5, bei welchem das selektiv gasdurchlässige Element nicht zusammenhängend ist.
  • Beispiel 9 ist ein Gassensor nach Beispiel 8, bei welchem das selektiv gasdurchlässige Element eine Mehrzahl von nicht zusammenhängenden Bereichen aufweist.
  • Beispiel 10 ist ein Gassensor nach Beispiel 8 oder 9, soweit rückbezogen auf Anspruch 4, bei welchem die Mehrzahl der nicht zusammenhängenden Bereiche in einer entsprechenden Mehrzahl von Öffnungen der Stützstruktur angeordnet ist.
  • Beispiel 11 ist ein Gassensor nach einem der vorherigen Beispiele, bei welchem das Sensorelement einen mikro-elektro-mechanischen Sensor (MEMS) aufweist.
  • Beispiel 12 ist ein Gassensor nach einem der vorherigen Beispiele, bei welchem das Sensorelement einen oder mehr aus einer Gruppe aufweist, welche enthält einen Drucksensor, einen thermischen Leitfähigkeitssensor, einen Schallgeschwindigkeitssensor, einen Pellistor, einen katalytischen Sensor, einen gasselektiven Sensor, einen nicht-gasselektiven Sensor, einen induktiven Sensor, einen kapazitiven Sensor, einen resistiven Sensor, einen optischen Sensor, oder einen magnetischen Sensor.
  • Beispiel 13 ist ein Gassensor nach einem der vorherigen Beispiele, bei welchem das Gehäuse aus einem Material hergestellt ist, welches eines oder mehr aus einer Gruppe ist, welche enthält einen Halbleiter, Silizium, Glas, Keramik, oder ein Metall.
  • Beispiel 14 ist eine Verwendung eines Gassensors nach einem der Beispiele 1 bis 13 zur Detektion von Wasserstoff.
  • Beispiel 15 ist eine Verwendung eines Gassensors nach Beispiel 14 bei einem Behälter oder bei Leitungen, in welchen gasförmiger Wasserstoff aufbewahrt oder transportiert wird.
  • Beispiel 16 ist eine Verwendung eines Gassensors nach einem der Beispiele 1 bis 13 in einer Brennstoffzelle.
  • Beispiel 17 ist eine Verwendung eines Gassensors nach Beispiel 16, wobei der Gassensor an einer Einlassöffnung und/oder einer Auslassöffnung der Brennstoffzelle angebracht ist.
  • Beispiel 18 ist eine Verwendung eines Gassensors nach einem der Beispiele 1 bis 13 im Fahrgastraum eines mit einer Brennstoffzelle betriebenen Kraftfahrzeugs.
  • Beispiel 19 ist eine Verwendung eines Gassensors nach einem der Beispiel 1 bis 13 zur Leckdetektion.
  • Obwohl hier spezifische Ausführungsformen illustriert und beschrieben wurden, werden diejenigen, die sich in der Kunst gewöhnlich auskennen, es zu schätzen wissen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder gleichwertigen Implementierungen können die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen ersetzen, ohne dass der Umfang der vorliegenden Offenbarung überschritten wird. Dieser Antrag soll alle Anpassungen oder Variationen der hier besprochenen spezifischen Ausführungsformen abdecken. Es ist daher beabsichtigt, dass diese Offenbarung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt wird.

Claims (19)

  1. Gassensor (10), umfassend einen Hohlraum (11); eine zwischen dem Hohlraum (11) und dem Außenraum angeordnete Gasdurchlassstruktur (12), welche ein selektiv gasdurchlässiges Element (12A) enthält, wobei der Hohlraum (11) mit Ausnahme der Gasdurchlassstruktur (12) hermetisch abgeschlossen ist; und ein oder mehrere Sensorelemente (13), welche konfiguriert sind, das Vorhandensein von einem oder mehreren Gasen in dem Hohlraum (11) zu detektieren.
  2. Gassensor (10) nach Anspruch 1, bei welchem das selektiv gasdurchlässige Element (12A) ein Material enthält, welches eines oder mehr aus einer Gruppe ist, welche enthält Graphen, ein Metall, eine dünne Metallschicht, Pd, Ni, Ti, PTFE, und PMMA.
  3. Gassensor (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das selektiv gasdurchlässige Element (12A) für den Durchlass von Wasserstoff selektiv ist.
  4. Gassensor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem die Gasdurchlassstruktur (12) eine Stützstruktur (12B) aufweist, mit welcher das selektiv gasdurchlässige Element (12A) verbunden ist.
  5. Gassensor (10) nach Anspruch 4, bei welchem die Stützstruktur (12B) eine Mehrzahl von Öffnungen (12B.1) aufweist, die von dem selektiv gasdurchlässigen Element (12A) bedeckt oder befüllt sind.
  6. Gassensor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem das selektiv gasdurchlässige Element (12A) zusammenhängend ist.
  7. Gassensor (10) nach Anspruch 6, bei welchem das selektiv gasdurchlässige Element (12A) eine Membran (12A) aufweist.
  8. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das selektiv gasdurchlässige Element nicht zusammenhängend ist.
  9. Gassensor nach Anspruch 8, bei welchem das selektiv gasdurchlässige Element eine Mehrzahl von nicht zusammenhängenden Bereichen aufweist.
  10. Gassensor nach Anspruch 8 oder 9, soweit rückbezogen auf Anspruch 4, bei welchem die Mehrzahl der nicht zusammenhängenden Bereiche in einer entsprechenden Mehrzahl von Öffnungen der Stützstruktur angeordnet ist.
  11. Gassensor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem das Sensorelement (13) einen mikro-elektro-mechanischen Sensor (MEMS) aufweist.
  12. Gassensor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem das Sensorelement (13) einen oder mehr aus einer Gruppe aufweist, welche enthält einen Drucksensor, einen thermischen Leitfähigkeitssensor, einen Schallgeschwindigkeitssensor, einen Pellistor, einen katalytischen Sensor, einen gasselektiven Sensor, einen nicht-gasselektiven Sensor, einen induktiven Sensor, einen kapazitiven Sensor, einen resistiven Sensor, einen optischen Sensor, oder einen magnetischen Sensor.
  13. Gassensor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem das Gehäuse aus einem Material hergestellt ist, welches eines oder mehr aus einer Gruppe ist, welche enthält einen Halbleiter, Silizium, Glas, Keramik, oder ein Metall.
  14. Verwendung eines Gassensors nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Detektion von Wasserstoff.
  15. Verwendung eines Gassensors nach Anspruch 14 bei einem Behälter oder bei Leitungen, in welchen gasförmiger Wasserstoff aufbewahrt oder transportiert wird.
  16. Verwendung eines Gassensors nach einem der Ansprüche 1 bis 13 bei einer Brennstoffzelle.
  17. Verwendung eines Gassensors nach Anspruch 16, wobei der Gassensor an einer Einlassöffnung und/oder einer Auslassöffnung der Brennstoffzelle angebracht ist.
  18. Verwendung eines Gassensors nach einem der Ansprüche 1 bis 13 im Fahrgastraum eines mit einer Brennstoffzelle betriebenen Kraftfahrzeugs.
  19. Verwendung eines Gassensors nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Leckdetektion, insbesondere von Wasserstoff.
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