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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung, die geeignet und dazu vorgesehen ist, mit Wasserstoff in Kontakt zu sein. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Sensorvorrichtung, welche Bestandteil eines Brennstoffzellensystems, eines Wasserstoff-Hochdruckspeichersystems, eines Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystems oder eines Wasserstoff-Verteilersystems sein kann. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Sensorvorrichtung.
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Stand der Technik
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Typischerweise weisen Baukomponenten in beispielsweise Brennstoffzellensystemen oder Hochdruckspeichersystemen eine hohe mechanische Stabilität auf. Neben der mechanischen Stabilität ist es oftmals auch erforderlich, dass eine hohe Medienbeständigkeit vorhanden ist. Insbesondere in Brennstoffzellensystemen, Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystemen, in Wasserstoff-Hochdruckspeichersystemen oder auch in Wasserstoff-Verteilersystemen ist eine hohe Wasserstoffbeständigkeit erforderlich.
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Das Dokument
DE 10 2012 219 061 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einem Wasserstoffdrucktank, aus dem Wasserstoff zur Versorgung zumindest einer Anode des Brennstoffzellensystems entnehmbar ist. Für eine hohe Lebensdauer des Brennstoffzellensystems bzw. des Wasserstoffdrucktanks ist daher für die Baukomponenten des Brennstoffzellensystems und des Wasserstoffdrucktanks eine hohe Wasserstoffbeständigkeit notwendig.
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Insbesondere Sensorvorrichtungen müssen für eine sichere und zuverlässige Funktionsweise eine hohe Wasserstoffbeständigkeit aufweisen. Aktuell in Verwendung befindliche Werkstoffe für Sensormembranen bei Sensorvorrichtungen sind beispielsweise ausscheidungshärtende martensitische rostfreie Stähle (Maraging-Stähle, z.B. 1.4542). Diese zeichnen sich jedoch durch eine hohe Anfälligkeit gegenüber Wasserstoffversprödung aus, was die Anwendung sicherheitstechnisch aufwändig macht. Zudem zeigt diese Werkstoffklasse eine hohe Wasserstoffpermeation, was zu einer Beeinträchtigung der mechanischen Werkstoffeigenschaften und zu einer Beeinflussung des Messsignales der Sensorvorrichtung führen kann.
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Alternativ zu den Maraging-Stählen werden häufig nichtrostende austenitische Edelstähle verwendet. Diese weisen jedoch vergleichsweise geringe Festigkeiten auf. Zur Verwendung als Sensormembranen in Sensorvorrichtungen sind somit höhere Dicken notwendig. Die durch den anliegenden Druck erreichbaren elastischen Verformungen sind bei der Verwendung höherer Membrandicken relativ klein. Die Messung des Drucksignals auf Basis der geringen elastischen Verformung kann dann nicht unmittelbar zu einer Druckmessung mit ausreichender Genauigkeit verwendet werden.
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Stahlwerkstoffe können unter Wasserstoffatmosphäre und mechanischer Beanspruchung eine Degradation der mechanischen Eigenschaften zeigen, was als Wasserstoffversprödung bezeichnet wird. Die Versprödungsneigung ist neben Faktoren wie beispielsweise der Mikrostruktur (z.B. ferritisch, martensitisch, austenitisch) und der Festigkeit auch vom Wasserstoffeintrag in den Werkstoff bzw. die Komponente abhängig. Eine Möglichkeit, die Wasserstoffversprödung zu minimieren, besteht darin, den Wasserstoffeintrag in das Material zu unterbinden bzw. zu behindern.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass auf eine einfache Weise ein Wasserstoffeintrag in die Vorrichtung und das Risiko einer Wasserstoffversprödung minimiert werden kann.
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Dazu weist die Sensorvorrichtung zum Kontaktieren von Wasserstoff eine Sensormembran auf, die dazu vorgesehen ist, mit einer Wasserstoffatmosphäre in Kontakt zu kommen. Darüber hinaus umfasst die Sensormembran wenigstens einen rostfreien oder nicht-rostenden Stahl oder einen Nickelbasislegierungen umfassenden Stahl und die Sensormembran weist eine Wasserstoff-Schutzschicht auf.
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Durch die Wasserstoff-Schutzschicht erhält die Sensorvorrichtung einen Schutz gegenüber Wasserstoffversprödung. Weiterhin werden so die mechanischen Eigenschaften der Sensorvorrichtung erhalten, so dass eine zuverlässige und genaue Funktionsweise der Sensorvorrichtung erzielt wird.
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In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der rostfreie oder nicht-rostende Stahl martensitische Stähle wie beispielsweise 1.4542, 1.4418, 1.4034 umfasst.
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Vorteilhafterweise umfasst die Wasserstoff-Schutzschicht Aluminiumoxid oder Siliziumoxid.
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So kann in einfacher Weise durch die Wahl der Werkstoffe eine Wasserstoffversprödung der Sensorvorrichtung minimiert werden.
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Außerdem sind solche Werkstoffe geeignet, welche durch eine hohe elastische ohne plastische Deformation als Reaktion auf anliegende Drücke eine geringere Membrandicke ermöglichen. Höhere elastische Verformungen führen zu einer genaueren und einfacheren Messung des Drucks.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Wasserstoff-Schutzschicht eine Dicke d zwischen 0,1 µm bis 5 µm aufweist.
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Weiterhin wird gemäß der Erfindung die Verwendung der Sensorvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen.
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Weiterhin wird gemäß der Erfindung die Verwendung der Sensorvorrichtung für ein Wasserstoff-Hochdruckspeichersystem vorgeschlagen.
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Weiterhin wird gemäß der Erfindung die Verwendung der Sensorvorrichtung für ein Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem vorgeschlagen.
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Weiterhin wird gemäß der Erfindung die Verwendung der Sensorvorrichtung für ein Wasserstoff-Verteilersystem, vorgeschlagen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung zum Kontaktieren von Wasserstoff, aufweisend die Verfahrensschritte:
- a) Fertigen einer Sensorvorrichtung aus stangenförmigem, blech- oder plattenförmigem Rohmaterial,
- b) Erzeugen einer Wasserstoff-Schutzschicht auf der Sensorvorrichtung durch Aufbringen von Aluminium und/oder Silizium,
- c) Aussetzen der Sensorvorrichtung einer Atmosphäre wie beispielsweise Luft in einer Temperaturspanne zwischen 450 Grad Celsius und 1100 Grad Celsius und einer Zeitspanne zwischen 0,5 Stunden und 3 Stunden zur Wärmebehandlung der Sensorvorrichtung zur Bildung von Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung zum Kontaktieren von Wasserstoff, aufweisend die Verfahrensschritte
- a) Fertigen einer Sensorvorrichtung aus stangenförmigem, blech- oder plattenförmigem Rohmaterial,
- b) Erzeugen einer Wasserstoff-Schutzschicht auf der Sensorvorrichtung durch Aufbringen von Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid mittels CVD (chemical vapor deposition oder auch chemische Gasphasenabscheidung).
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung zum Kontaktieren von Wasserstoff, aufweisend die Verfahrensschritte
- a) Fertigen einer Sensorvorrichtung aus stangenförmigem, blech- oder plattenförmigem Rohmaterial,
- b) Erzeugen einer Wasserstoff-Schutzschicht auf der Sensorvorrichtung durch Aufbringen von Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid mittels PVD (physical vapor deposition oder auch physikalische Gasphasenabscheidung).
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung zum Kontaktieren von Wasserstoff, aufweisend die Verfahrensschritte
- a) Fertigen einer Sensorvorrichtung aus stangenförmigem, blech- oder plattenförmigem Rohmaterial,
- b) Erzeugen einer Wasserstoff-Schutzschicht auf der Sensorvorrichtung durch Aufbringen von Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid mittels Tauchbeschichtung.
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So kann die Sensorvorrichtung auf einfache Weise mit einer Schutzschicht versehen werden, welche die Sensorvorrichtung vor Wasserstoffversprödung und vor mechanischen Beschädigungen, bedingt durch den Kontakt mit Wasserstoff, schützt. Weiterhin kann so auch eine optimale und zuverlässige Funktionsweise der Sensorvorrichtung erzielt werden.
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Zeichnungen
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zum Kontaktieren von Wasserstoff und die Anwendung in einem Brennstoffzellensystem, einem Wasserstoff-Hochdruckspeichersystem, einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem und einem Wasserstoff-Verteilersystem gezeigt. Es zeigt in
- 1 ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung zum Kontaktieren von Wasserstoff in vereinfachter schematischer Ansicht,
- 2 die Verwendung des Ausführungsbeispiels aus der 1 in einem Brennstoffzellensystem, einem Wasserstoff-Hochdruckspeichersystem, einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem und einem Wasserstoff-Verteilersystem in vereinfachter schematischer Ansicht,
- 3 Ablaufplan eines Verfahrens zur Herstellung einer Sensorvorrichtung zum Kontaktieren von Wasserstoff.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung 1 zum Kontaktieren von Wasserstoff in vereinfachter schematischer Ansicht. Die Sensorvorrichtung 1 weist ein Sensorelementgehäuse 10 mit einer Sensormembran 11 auf, die dazu vorgesehen ist, an einer druckbeaufschlagten Seite 18 mit Wasserstoff in Kontakt zu kommen. An dieser druckbeaufschlagten Seite 18 ist eine Wasserstoff-Schutzschicht 20 ausgebildet.
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Der Druck des Mediums, hier Wasserstoff, führt bei der Sensormembran 11 zu einer elastischen Verformung. Auf der Sensormembran 11 ist zudem eine aufgeglaste elektrische Trennschicht 16 mit getrennten Baugruppenelementen 14 angeordnet, wie beispielsweise eine Wheatstone-Brücke, bei der die elastische Verformung in eine Widerstandsänderung umgesetzt wird, welche einem Druck zugeordnet werden kann. Auf diese Weise ist eine Druckerfassung über die Sensorvorrichtung 1 möglich.
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Die Sensormembran 11 umfasst wenigstens einen rostfreien oder nicht-rostenden Stahl oder einen Nickelbasislegierungen umfassenden Stahl. Der rostfreie oder nicht-rostende Stahl könnte beispielsweise martensitische Stähle wie 1.4542, 1.4418 oder 1.4034 umfassen.
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Weiterhin weist die Sensormembran 11 die Wasserstoff-Schutzschicht 20 auf. Diese umfasst Aluminiumoxid oder Siliziumoxid. Weiterhin weist die Wasserstoff-Schutzschicht 20 eine Dicke d zwischen 0,1 µm bis 5 µm auf.
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Die Sensorvorrichtung 1 wird zum Einsatz in einem Brennstoffzellensystem 70, einem Wasserstoff-Hochdruckspeichersystem 71, einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem 72 oder einem Wasserstoff-Verteilersystem 73 verwendet (siehe 2).
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren 500 zum Herstellen einer Sensorvorrichtung 1 zum Kontaktieren von Wasserstoff mit den Verfahrensschritten
- a) Fertigen 50 einer Sensorvorrichtung 1 aus stangenförmigem, blech- oder plattenförmigem Rohmaterial,
- b) Erzeugen 51 einer Wasserstoff-Schutzschicht 20 auf der Sensorvorrichtung 1 durch Aufbringen von Aluminium und/oder Silizium,
- c) Aussetzen 52 der Sensorvorrichtung 1 einer Atmosphäre wie beispielsweise Luft in einer Temperaturspanne zwischen 450 Grad Celsius und 1100 Grad Celsius und einer Zeitspanne zwischen 0,5 Stunden und 3 Stunden zur Wärmebehandlung der Sensorvorrichtung 1 zur Bildung von Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren 500 zum Herstellen einer Sensorvorrichtung 1 zum Kontaktieren von Wasserstoff mit den Verfahrensschritten
- a) Fertigen 50 einer Sensorvorrichtung 1 aus stangenförmigem, blech- oder plattenförmigem Rohmaterial,
- b) Erzeugen 51 einer Wasserstoff-Schutzschicht 20 auf der Sensorvorrichtung 1 durch Aufbringen von Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid mittels CVD (chemical vapor deposition oder auch chemische Gasphasenabscheidung).
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Dabei wird ein Ausgangsmaterial, das für die Herstellung der Wasserstoff-Schutzschicht benötigt wird, erhitzt und bei meist reduziertem Druck durch chemische Reaktion an dem Ausgangsmaterial an der Sensormembran 11 die Wasserstoff-Schutzschicht 20 gebildet.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren 500 zum Herstellen einer Sensorvorrichtung 1 zum Kontaktieren von Wasserstoff mit den Verfahrensschritten
- a) Fertigen 50 einer Sensorvorrichtung 1 aus stangenförmigem, blech- oder plattenförmigem Rohmaterial,
- b) Erzeugen 51 einer Wasserstoff-Schutzschicht 20 auf der Sensorvorrichtung 1 durch Aufbringen von Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid mittels PVD (physical vapor deposition oder auch physikalische Gasphasenabscheidung).
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Mittels physikalischer Verfahren wird das für die Wasserstoff-Schutzschicht verwendete Material in die Gasphase überführt und an die Sensorvorrichtung 1, insbesondere die Sensormembran 11, gebracht und durch Kondensation wird die Wasserstoff-Schutzschicht auf der Sensormembran 11 gebildet.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren 500 zum Herstellen einer Sensorvorrichtung 1 zum Kontaktieren von Wasserstoff mit den Verfahrensschritten
- a) Fertigen 50 einer Sensorvorrichtung 1 aus stangenförmigem, blech- oder plattenförmigem Rohmaterial,
- b) Erzeugen 51 einer Wasserstoff-Schutzschicht 20 auf der Sensorvorrichtung 1 durch Aufbringen von Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid mittels Tauchbeschichtung.
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Die Tauchbeschichtung ist eine mögliche Form einer CVD (chemical vapor deposition oder auch chemische Gasphasenabscheidung), wobei hier die Sensorvorrichtung 1 in eine Lösung getaucht wird und sich durch chemische Reaktion die Wasserstoff-Schutzschicht auf der Sensorvorrichtung 1 verfestigt und bildet.
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3 zeigt einen möglichen Ablaufplan des zuvor genannten Verfahrens 500 mit den Verfahrensschritten 50, 51, 52.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012219061 A1 [0003]
