DE102022118113A1 - Wasserstoffsensor - Google Patents

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DE102022118113A1 DE102022118113.8A DE102022118113A DE102022118113A1 DE 102022118113 A1 DE102022118113 A1 DE 102022118113A1 DE 102022118113 A DE102022118113 A DE 102022118113A DE 102022118113 A1 DE102022118113 A1 DE 102022118113A1
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heater
hydrogen
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Rainer Markus Schaller
Klaus Elian
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Infineon Technologies AG
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Abstract

Offenbart wird ein Wasserstoffsensor (100) mit einem Gehäuse (101), welches eine Kavität (102) umfasst und eine Durchgangsöffnung (103) von der Kavität (102) zu einem Gasanschluss des Wasserstoffsensors (100) oder einer Umgebung aufweist, mit einem in der Kavität (102) angeordneten ersten Wasserstoffsensorelement (104) zur Messung eines Wasserstoffgehalts in der Kavität (102), mit einem ersten Sorptionselement (105) zur Sorption von Wasser und/oder Wasserdampf, insbesondere ein Adsorptionselement (105) zur Adsorption von Wasser und/oder Wasserdampf, und mit einem ersten Heizer (106) zum Ausheizen des ersten Sorptionselements (105), wobei das erste Sorptionselement (105) offenporig ist und in der Durchgangsöffnung (103) angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wasserstoffsensor.
  • Hintergrund
  • Fossile Energieträger werden zunehmend durch umweltfreundliche Kraftstoffe, welcher auch als „Green Fuel“ bezeichnet werden, ersetzt. Beispielsweise wird mithilfe von Windkraftanlagen erzeugter Wasserstoff, welcher auch als grüner Wasserstoff bezeichnet wird, als Energieträger für den Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendet. Insbesondere kommen Brennstoffzellen zum Einsatz, um aus dem grünen Wasserstoff wieder Strom für Antriebsmotoren zu erzeugen. In diesem Zusammenhang werden Sensoren benötigt, um den Wasserstoffgehalt in gasführenden Leitungen bestimmen zu können. Ebenso besteht ein Bedarf an Sensoren, mit denen ungewollt austretendes Wasserstoffgas, welches zur Erzeugung von Knallgas führen kann, detektiert werden kann.
  • In der US 2006/219552 A1 wird ein Gassensor beschrieben. Der bekannte Gassensor umfasst Wände, die eine Gasdetektion, begrenzen und eine Einführungsöffnung aufweisen, durch die ein zu beobachtendes Gas in die Gasdetektionskammer eingeführt wird. Weiter umfasst der bekannte Gassensor ein Messelement, das in der Gasdetektionskammer angeordnet ist und die Konzentration eines im zu beobachtenden Gas enthaltenen Subjektgases misst. Ebenso ist ein Heizelement vorgesehen, das mindestens einen Teil der Wände bildet, wobei der Teil der Gasdetektionskammer zugewandt ist. Das Heizelement ist gegenüber der Gasreflexionskammer angeordnet. Weiter umfasst der bekannte Gassensor einen ersten Entfeuchter, der Wasser in reversibler Weise absorbiert und an einem Teil der Wände angeordnet ist, der sich in Bezug auf das Messelement gegenüber der Einführungsöffnung befindet.
  • Wasserstoffsensor
  • Es besteht ein Bedarf an einem Wasserstoffsensor, mit welchem ein Wasserstoffgehalt mit höherer Betriebssicherheit bestimmt werden kann.
  • Hiervon ausgehend wird ein Wasserstoffsensor gemäß Hauptanspruch vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Vorgeschlagen wird ein Wasserstoffsensor mit einem Gehäuse, welches eine Kavität umfasst und eine Durchgangsöffnung von der Kavität zu einem Gasanschluss des Wasserstoffsensors oder einer Umgebung aufweist, mit einem in der Kavität angeordneten ersten Wasserstoff Sensorelement zur Messung eines Wasserstoffgehalts in der Kavität, mit einem ersten Sorptionselement zur Sorption von Wasser und/oder Wasserdampf, und mit einem ersten Heizer zum ausheizen des ersten Sorptionselements, wobei das erste Sorptionselement Offenporig ist und in der Durchgangsöffnung angeordnet ist.
  • Bei dem ersten Sorptionselement kann es sich insbesondere um ein Absorptionselement zur Absorption von Wasser und/oder Wasserdampf handeln. Das erste Sorptionselement ist so in der Durchgangsöffnung angeordnet, dass es diese möglichst vollständig verschließt. Ein Gastransport von der Umgebung oder einem Gasanschluss des Wasserstoffsensors zur Kavität ist bevorzugt nur durch die Poren des ersten Sorptionselements möglich.
  • Mit dem vorgeschlagenen Wasserstoffsensor wird eine Beeinflussung des Wasserstoffsensorelements durch eintretendes Wasser und oder eintretenden Wasserdampf in die Kavität weitgehend verhindert. Insbesondere kann Wasser und Wasserdampf sicherer mit dem Sorptionselement gebunden werden.
  • In Ausführungsbeispielen trägt eine Porengröße des ersten Sorptionselements weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 10 µm, bevorzugt weniger als 1 um. Je geringer die Porengröße desto sicherer kann erreicht werden, dass nur der Wasserstoff in die Kavität gelangt.
  • In Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dem ersten Sorptionselement um ein Sorptionselement aus Zeolith. Zeolith lässt sich gut verarbeiten. Darüber hinaus kann es einfach erwärmt werden, wodurch sorbiertes Wasser bzw. sorbierter Wasserdampf wieder abgegeben werden kann. Somit ist eine Regeneration des Sorptionselements einfach möglich.
  • Weitere Ausführungsbeispiele sehen vor, dass die Durchgangsöffnung mit einer gasdurchlässigen Membran abgedeckt ist. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass unerwünschte Fremdpartikel in oder an das Sorptionselement gelangen.
  • Der Wasserstoffsensor kann weiter ein Temperatursensorelement umfassen. Mit dem Temperatursensorelement kann beispielsweise der erste Heizer gesteuert werden. Insbesondere kann das Temperatursensorelement eine genauere Messung des Wasserstoffsensorelements ermöglichen.
  • Weitere Ausgestaltungen können vorsehen, dass der Wasserstoffsensor ein zweites Wasserstoffsensorelement, ein zweites Sorptionselement und einen zweiten Heizer zum ausheizen des zweiten Absorptionselements aufweist, wobei der Wasserstoffsensor eine Schaltung zum abwechselnden heizen des ersten Heizers und des zweiten Heizers aufweist. Insbesondere kann der Wasserstoffsensor in diesem Fall abwechselnd mit dem ersten Wasserstoffsensorelement und dem zweiten Wasserstoffsensorelement betrieben werden. Eines der Sorptionselemente kann dabei regeneriert werden und das andere Sorptionselement kann bei dem messenden Wasserstoffsensorelement Wasser bzw. Wasserdampf binden.
  • In Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass der erste Heizer das erste Wasserstoffsensorelement ist. Mit anderen Worten kann durch Ansteuerung des ersten Wasserstoffsensorelements dieses so sehr erhitzt werden, dass mit der generierten Wärme das erste Sorptionselement regeneriert werden kann.
  • Der Wasserstoffsensor kann insbesondere einen Leadframe oder eine Leiterplatte umfassen. Der erste Heizer und oder das erste Sorptionselement können auf dem Leadframe bzw. der Leiterplatte angeordnet sein. Dies kann die Herstellung des Wasserstoffsensors vereinfachen.
  • Der erste Heizer kann insbesondere im Leadframe bzw. der Leiterplatte ausgebildet sein. Auf diese Weise muss kein zusätzlicher gesonderter Heizer bereitgestellt werden.
  • In Varianten kann vorgesehen sein, dass die Durchgangsöffnung zu einer Änderung einer Strömungsrichtung von der Umgebung bzw. im Gasanschluss zur Kavität von mehr als 80°, insbesondere mehr als 160° führt. Auf diese Weise kann das Risiko reduziert werden, dass das Wasserstoffsensorelement nur von einer laminaren Strömung umfasst wird und zu einem ungenauen Messergebnis führt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Beispiele des Wasserstoffsensors werden nun anhand der Figuren näher erläutert. Dabei illustriert
    • 1 einen Wasserstoffsensor;
    • 2 den in der 1 gezeigten Wasserstoffsensor;
    • 3 einen Wasserstoffsensor;
    • 4 einen Wasserstoffsensor;
    • 5 ein Wasserstoffsensor;
    • 6 einen Wasserstoffsensor;
    • 7 einen Wasserstoffsensor; und
    • 8 einen Wasserstoffsensor.
  • Der in der 1 dargestellte Wasserstoffsensor 100 weist ein Gehäuse 101 auf. In dem Gehäuse ist eine Kavität 102 vorgesehen. Eine Durchgangsöffnung 103 führt von der Kavität 102 zu einem Gasanschluss (nicht dargestellt) des Wasserstoffsensors 100 bzw. zur Umgebung. In der Kavität 102 ist ein erstes Wasserstoffsensorelement 104 zur Messung eines Wasserstoffgehalts in der Kavität 102 angeordnet. Weiter ist ein erstes Sorptionselement 105 zur Sorption von Wasser und/oder Wasserdampf vorgesehen. Das erste Sorptionselement ist offenporig. Das erste Sorptionselement ist in der Durchgangsöffnung 103 angeordnet. Das Sorptionselement kann folglich wie in der 1 angedeutet bewirken, dass nur der Wasserstoff durch das erste Sorptionselement 105 hindurchtreten kann
  • Die Porengröße des ersten Sorptionselements 105 kann insbesondere kleiner 1 mm, bevorzugt kleiner 10 pm, insbesondere bevorzugt kleiner 1 µm sein.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das erste Sorptionselement 105 Zeolith. Dieses Material hat sich als besonders geeignet für die Sorption von Wasser und/oder Wasserdampf gezeigt.
  • Der Wasserstoffsensor 100 umfasst weiter ein hier nicht dargestelltes Temperatursensorelement.
  • Ebenso weist der Wasserstoffsensor 100 einen Leadframe 107, 108 auf. Dieser erlaubt die Verbindung mit den ersten Heizer 106 sowie dem Wasserstoffsensorelement 104 und dem Temperatursensorelement, wie es durch Bondingdrähte dargestellt ist.
  • In der 2 ist der Wasserstoffsensor 100 dargestellt, wenn mittels des Heizers 106 das erste Sorptionselement 105 regeneriert wird. Angedeutet ist, dass der Wasserdampf bzw. das Wasser aus dem Sorptionselement 105 und/oder der Kavität 102 ausgetrieben wird.
  • In der 3 ist ein weiterer Wasserstoffsensor 300 gezeigt. Der Wasserstoffsensor 300 weist wieder ein Gehäuse 301, welches eine Kavität 302 umfasst und eine Durchgangsöffnung 303 von der Kavität 302 zu einem Gasanschluss des Wasserstoffsensors 300 oder einer Umgebung aufweist, auf.
  • Weiter ist in der Kavität 302 ein erstes Wasserstoffsensorelement 304 zur Messung eines Wasserstoffgehalts in der Kavität 302 vorgesehen. Ferner wird ein erstes Sorptionselement 305 bereitgestellt, mit welchem Wasser und/oder Wasserdampf sorbiert werden kann, damit er nicht in die Kavität 302 gelangt. Das Sorptionselement 305 ist dabei auf einem Träger 309 angeordnet und mit einer Dichtung 309 gegen das Gehäuse 301 abgedichtet.
  • Ein erster Heizer 306 kann wie in Bezug auf 1 und 2 erläutert zum ausheizen des ersten Sorptionselements 305 verwendet werden. Das erste Sorptionselement 305 ist offenporig, sodass Gas durch das Sorptionselement nach links und rechts entweichen und anschließend in die Kavität 302 gelangen kann.
  • In der 4 ist ein Wasserstoffsensor 400 mit einem Gehäuse 401, welches eine Kavität 402 umfasst und eine Durchgangsöffnung 403 von der Kavität 402 zu einem Gasanschluss des Wasserstoffsensors 400 oder einer Umgebung aufweist, dargestellt.
  • Der Wasserstoffsensor 400 ist mit einem in der Kavität 402 angeordneten ersten Wasserstoffsensorelement 404 zur Messung eines Wasserstoffgehalts in der Kavität 402, einem ersten Sorptionselement 405 zur Sorption von Wasser und/oder Wasserdampf und einem ersten Heizer 406 zum ausheizen des ersten Sorptionselements 405 versehen.
  • Das erste Sorptionselement 405 ist offenporig und in der Durchgangsöffnung 403 angeordnet.
  • Weiter ist die Durchgangsöffnung 403 mit einer gasdurchlässigen Membran 411 abgedeckt, sodass größere Partikel nicht an das Sorptionselement 405 gelangen können, sodass dieses besser geschützt ist.
  • Die elektrischen Komponenten können dabei mit einem Leadframe 407, 408 elektrisch verbunden werden, damit der Wasserstoffsensor 400 ausgelesen werden kann.
  • 5 zeigt einen Wasserstoffsensor 500 mit einem Gehäuse 501, welches eine Kavität 502 umfasst und eine Durchgangsöffnung 503 von der Kavität 502 zu einem Gasanschluss des Wasserstoffsensors 500 oder einer Umgebung aufweist, mit einem in der Kavität 502 angeordneten ersten Wasserstoffsensorelement 504 zur Messung eines Wasserstoffgehalts in der Kavität 502, mit einem ersten Sorptionselement 505 zur Sorption von Wasser und/oder Wasserdampf, und mit einem ersten Heizer 5 und 6 zum ausheizen des ersten Sorptionselements 505.
  • Weiter weist der Wasserstoffsensor 500 ein zweites Wasserstoffsensorelement 514, ein zweites Sorptionselement 513 und einen zweiten Heizer 516 zum ausheizen des zweiten Sorptionselements 515 auf. Das zweite Wasserstoffsensorelement 514 ist dabei in einer zweiten Kavität 512 angeordnet. Der Aufbau des Wasserstoffsensors 500 kann insbesondere spiegelsymmetrisch sein. Der Wasserstoffsensor 500 kann eine Schaltung zum abwechselnden heizen des ersten Heizers 506 und des zweiten Heizers 516 aufweisen. Auf diese Weise kann das erste Sorptionselement 505 regeneriert werden, während mit dem zweiten Wasserstoffsensorelement 514 gemessen wird. Alternativ kann das zweite Sorptionselement 515 regeneriert werden, wenn mit dem ersten Wasserstoffsensorelement 504 gemessen wird. Folglich kann der Wasserstoffsensor 500 ein kontinuierliches Messen des Wasserstoffgehalts ermöglichen.
  • Über am Leadframe 507, 508 ausgebildete Kontakte kann der Wasserstoffsensor 500 ausgelesen und gesteuert werden.
  • 6 zeigt ein weiteres Beispiel eines Wasserstoffsensors 600. Der Wasserstoffsensor 600 weist wiederum ein Gehäuse 601 mit einer Kavität 602 und einer Durchgangsöffnung 603 auf. In der Kavität 602 ist ein erstes Wasserstoffsensorelement 604 angeordnet. Ein Heizer 606 ist unmittelbar oberhalb des Leadframes 607 angeordnet und wird von diesem getragen. Auf dem Heizer 606 befindet sich ein erstes Sorptionselement 605. Zu messendes Gas gelangt wiederum durch die Durchgangsöffnung 603 durch das erste Sorptionselement 605 in die Kavität 602, wobei im Messgas eventuell vorhandener Wasserdampf sorbiert wird.
  • Die Anschlussleitungen zu den Kontakten des Leadframes 607, 608 sind zur Vereinfachung nicht dargestellt.
  • In der 7 ist ein weiterer Wasserstoffsensor 700 dargestellt. Die Elemente 707, 701,705, 704, 702, 703 und 708 entsprechen in ihrer Funktion den Elementen 607, 601, 605, 604, 602, 603 und 608, wie sie in der 6 dargestellt worden sind. Im Unterschied zum Wasserstoffsensor 600 ist beim Wasserstoffsensor 700 das erste Sorptionselement 705 im Gehäuse 701 eingebettet. Zudem ist der erster Heizer 706 zum ausheizen des ersten Sorptionselements 705 als Teil des Leadframes 707 ausgestattet.
  • Schließlich stellt auch die 8 ein Wasserstoffsensor 800 da. Die Elemente 807, 801, 806, 805, 804, 802, 803 und 808 entsprechen den Elementen 707, 701, 706, 705, 704, 702, 703 und 708 des in der 7 dargestellten Wasserstoffsensors 700. Allerdings wird im vorliegenden Fall das erste Sorptionselement 805 direkt vom Leadframe 807 getragen und ist nicht direkt im Gehäuse 81 eingebettet.
  • Einige Ausführungsbeispiele werden durch die nachfolgenden Beispiele definiert:
    • Beispiel 1. Wasserstoffsensor (100) mit einem Gehäuse (101), welches eine Kavität (102) umfasst und eine Durchgangsöffnung (103) von der Kavität (102) zu einem Gasanschluss des Wasserstoffsensors (100) oder einer Umgebung aufweist, mit einem in der Kavität (102) angeordneten ersten Wasserstoffsensorelement (104) zur Messung eines Wasserstoffgehalts in der Kavität (102), mit einem ersten Sorptionselement (105) zur Sorption von Wasser und/oder Wasserdampf, insbesondere ein Adsorptionselement (105) zur Adsorption von Wasser und/oder Wasserdampf, und mit einem ersten Heizer (106) zum Ausheizen des ersten Sorptionselements (105), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sorptionselement (105) offenporig ist und in der Durchgangsöffnung (103) angeordnet ist.
    • Beispiel 2. Wasserstoffsensor (100) nach Beispiel 1, wobei eine Porengröße des ersten Sorptionselements (105) kleiner als 1 mm, insbesondere kleiner als 10 um, insbesondere kleiner als 1 um ist.
    • Beispiel 3. Wasserstoffsensor (100) nach Beispiel 1 oder 2, wobei das erste Sorptionselement (105) Zeolith umfasst.
    • Beispiel 4. Wasserstoffsensor (400) nach einem der Beispiele 1 bis 3, wobei die Durchgangsöffnung (103) mit einer gasdurchlässigen Membran (411) abgedeckt ist.
    • Beispiel 5. Wasserstoffsensor (100) nach einem der Beispiele 1 bis 4, wobei der Wasserstoffsensor (100) ein Temperatursensorelement umfasst.
    • Beispiel 6. Wasserstoffsensor (500) nach einem der Beispiele 1 bis 5, mit einem zweiten Wasserstoffsensorelement (514), mit einem zweiten Sorptionselement (515), und mit einem zweiten Heizer (516) zum Ausheizen des zweiten Sorptionselements (515), wobei der Wasserstoffsensor (500) eine Schaltung zum abwechselnden Heizen des ersten Heizers (506) und des zweiten Heizers (516) aufweist.
    • Beispiel 7. Wasserstoffsensor (100) nach einem der Beispiele 1 bis 6, wobei der erste Heizer (106) das erste Wasserstoffsensorelement (514) ist.
    • Beispiel 8. Wasserstoffsensor (100) nach einem der Beispiele 1 bis 7, wobei der Wasserstoffsensor (100) einen Leadframe (107, 108) oder eine Leiterplatte umfasst.
    • Beispiel 9. Wasserstoffsensor (600) nach Beispiel 8, wobei der erste Heizer (606) und/oder das erste Sorptionselement (606) auf dem Leadframe (607) bzw. der Leiterplatte angeordnet sind.
    • Beispiel 10. Wasserstoffsensor (700) nach Beispiel 8 oder 9, wobei der erste Heizer (706) im Leadframe (707) bzw. der Leiterplatte ausgebildet ist.
    • Beispiel 11. Wasserstoffsensor (700) nach einem der Beispiele 1 bis 10, wobei die Durchgangsöffnung (703) zu einer Änderung einer Strömungsrichtung von der Umgebung zur Kavität (702) von mehr als 80°, insbesondere mehr als 160° führt.
  • Obgleich in dieser Beschreibung spezifische Ausführungsbeispiele illustriert und beschrieben wurden, werden Personen mit üblichem Fachwissen erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierung als Substitution für die spezifischen Ausführungsbeispiele, die in dieser Beschreibung gezeigt und beschrieben sind, ohne von dem Umfang der gezeigten Erfindung abzuweichen, gewählt werden können. Es ist die Intention, dass diese Anmeldung alle Adaptionen oder Variationen der spezifischen Ausführungsbeispiele, die hier diskutiert werden, abdeckt. Daher ist es beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente der Ansprüche beschränkt ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2006219552 A1 [0003]

Claims (11)

  1. Wasserstoffsensor (100) mit einem Gehäuse (101), welches eine Kavität (102) umfasst und eine Durchgangsöffnung (103) von der Kavität (102) zu einem Gasanschluss des Wasserstoffsensors (100) oder einer Umgebung aufweist, mit einem in der Kavität (102) angeordneten ersten Wasserstoffsensorelement (104) zur Messung eines Wasserstoffgehalts in der Kavität (102), mit einem ersten Sorptionselement (105) zur Sorption von Wasser und/oder Wasserdampf, insbesondere ein Adsorptionselement (105) zur Adsorption von Wasser und/oder Wasserdampf, und mit einem ersten Heizer (106) zum Ausheizen des ersten Sorptionselements (105), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sorptionselement (105) offenporig ist und in der Durchgangsöffnung (103) angeordnet ist.
  2. Wasserstoffsensor (100) nach Patentanspruch 1, wobei eine Porengröße des ersten Sorptionselements (105) kleiner als 1 mm, insbesondere kleiner als 10 um, insbesondere kleiner als 1 um ist.
  3. Wasserstoffsensor (100) nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei das erste Sorptionselement (105) Zeolith umfasst.
  4. Wasserstoffsensor (400) nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, wobei die Durchgangsöffnung (103) mit einer gasdurchlässigen Membran (411) abgedeckt ist.
  5. Wasserstoffsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, wobei der Wasserstoffsensor (100) ein Temperatursensorelement umfasst.
  6. Wasserstoffsensor (500) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, mit einem zweiten Wasserstoffsensorelement (514), mit einem zweiten Sorptionselement (515), und mit einem zweiten Heizer (516) zum Ausheizen des zweiten Sorptionselements (515), wobei der Wasserstoffsensor (500) eine Schaltung zum abwechselnden Heizen des ersten Heizers (506) und des zweiten Heizers (516) aufweist.
  7. Wasserstoffsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, wobei der erste Heizer (106) das erste Wasserstoffsensorelement (514) ist.
  8. Wasserstoffsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, wobei der Wasserstoffsensor (100) einen Leadframe (107, 108) oder eine Leiterplatte umfasst.
  9. Wasserstoffsensor (600) nach Patentanspruch 8, wobei der erste Heizer (606) und/oder das erste Sorptionselement (606) auf dem Leadframe (607) bzw. der Leiterplatte angeordnet sind.
  10. Wasserstoffsensor (700) nach Patentanspruch 8 oder 9, wobei der erste Heizer (706) im Leadframe (707) bzw. der Leiterplatte ausgebildet ist.
  11. Wasserstoffsensor (700) nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, wobei die Durchgangsöffnung (703) zu einer Änderung einer Strömungsrichtung von der Umgebung zur Kavität (702) von mehr als 80°, insbesondere mehr als 160° führt.
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