解決方案與產(chǎn)品應(yīng)用
氫能中的氣體傳感器應(yīng)用
更新時間：2024-11-06 17:23:45
應(yīng)用介紹
氫能作為一種替代能源,，被認為是破解能源危機,，構(gòu)建清潔低碳,、安全高效現(xiàn)代能源體系的新密碼,。氫能的開發(fā)與利用正在引發(fā)一場深刻的能源革命,。在2024年《政府工作報告》中,，“加快前沿新興氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展”這一重要任務(wù)被明確提出,。據(jù)預測,，到2060年我國氫能消費規(guī)模將達到近8600萬噸，產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達到4.6萬億元,。
氫能是一種二次能源,，它是通過天然氣重整、電解水,、太陽能光合作用,、生物制氫等其它能源制取的，而不像煤,、石油和天然氣等可以直接從地下開采,、幾乎完全依靠化石燃料。
根據(jù)生產(chǎn)方式和對環(huán)境影響的不同,，氫氣又可以分為灰氫,、藍氫和綠氫：
灰氫是通過化石燃料（如煤炭、石油,、天然氣）直接燃燒產(chǎn)生的氫氣,，這個過程伴隨著大量的二氧化碳排放，因此碳排放量大,，但制備成本低,。
藍氫也是利用化石燃料（主要是天然氣）生產(chǎn)的氫氣，但與灰氫不同的是,，藍氫在生產(chǎn)過程中采用了碳捕捉和碳封存技術(shù),，這有助于降低碳排放強度，使得藍氫的碳排放量低于灰氫,。
綠氫則完全不同,，它是通過使用可再生能源（如太陽能、風能,、水能）來分解水制取的氫氣,。在生產(chǎn)過程中，綠氫基本上不產(chǎn)生任何碳排放,，因此被認為是最清潔的氫能源,。
氫氣出現(xiàn)在生活中的場景
工業(yè)領(lǐng)域：氫氣是化工和鋼鐵等行業(yè)的重要原料，也可以用于煉油,、化肥,、冶金等工業(yè)過程中。隨著碳中和的要求,，工業(yè)領(lǐng)域的氫氣將逐步從化石燃料制取轉(zhuǎn)向可再生能源制取,，實現(xiàn)低碳化。
交通領(lǐng)域：氫能可以通過燃料電池或氫內(nèi)燃機轉(zhuǎn)化為動力,，驅(qū)動汽車,、公交車,、卡車、火車,、船舶,、飛機等交通工具。氫能在交通領(lǐng)域的優(yōu)勢是清潔低碳,、續(xù)航里程長、加氫時間短等,。
建筑領(lǐng)域：氫能可以與天然氣混合,，通過現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)輸送到建筑終端，用于供暖,、熱水,、烹飪等。氫能也可以通過燃料電池為建筑提供電力和熱力,，實現(xiàn)熱電聯(lián)供,，提高能源效率和可靠性。
電力領(lǐng)域：氫能可以作為一種新型的儲能形式,，解決可再生能源的間歇性和不穩(wěn)定性問題,。通過電解水制取氫氣，并以高壓氣態(tài),、低溫液態(tài)或固態(tài)材料等形式儲存下來,；在用電高峰期或突發(fā)事件時，再將儲存的氫通過燃料電池或氫氣透平裝置進行發(fā)電,，并入公共電網(wǎng)或分布式網(wǎng)絡(luò),。
目前較多的應(yīng)用：
燃料電池H2純度檢測
燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，它是按電化學原理,，即原電池工作原理,，等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，因而實際過程是氧化還原反應(yīng),。在實際應(yīng)用過程中需要監(jiān)控參與反應(yīng)的H2的純度來保證反應(yīng)的順利進行,。我們提供了型號為MTCS2601的傳感器。
描述：
MTCS2601傳感器由一個帶有四個 MEMS 技術(shù)實現(xiàn)的 Ni-Pt 電阻器的微機械熱導率傳感器構(gòu)成,。該傳感器安裝在微型 SMD 封 裝中,，卷帶或托盤包裝供貨。這款 MEMS TC 傳感器與簡單的低功耗 CMOS 標準集成電路相結(jié)合,，非常適用于要求超低功耗,、 使用壽命長且無需維護的 OEM 氣體探測器應(yīng)用。該設(shè)備可測量空氣中二或三種氣體的混合物或準二元混合物中的氣體濃度,，例 如空氣中的二氧化碳,、氬氣或氟利昂等熱導率較低的氣體，或諸如氫氣，氦氣或甲烷等具有較高熱導率的氣體,。
特點：
1. MEMS 物理傳感原理穩(wěn)定可靠,，無化學反應(yīng)，基于熱導率變化工作
2. 量程為 100 ppm 至 100％,，具體取決于應(yīng)用和氣體的熱導率
3. 無化學反應(yīng),，表示濃度的線性信號無磁滯
4. 在同一硅芯片上將補償與加熱電阻匹配出色的溫度補償。
5. 傳感器體積小至< 0.1 cm3
6. 物理電阻傳感原理工作,，傳感器耐用且平均故障間隔時間（MTBF）長,，可承受高強度沖擊 (>1000 G)
7. 基于 MEMS 的硅傳感器集成電阻大（如 250 歐姆）而加熱質(zhì)量小，因此傳感器的工作功耗極低（<8mw）
8. 響應(yīng)速度快,，電子帶寬大,，響應(yīng)時間短至< 50 ms
H2運輸、存儲,、應(yīng)用中泄露檢測
氫原子（H）是世界上最輕的原子,。通常被稱為氫氣的是2個氫原子結(jié)合而成的氣態(tài)氫分子（H2）。正因為它非常小所以很容易泄露和擴散,，而且無色無味,，人們很難察覺其泄露與否。
爆炸濃度范圍廣,，爆炸下限4.0vol%,、爆炸上限75.6vol％。爆炸范圍是一般的可燃性氣體（甲烷,、丙烷,、異丁烷）的4倍，因此氫氣十分危險,。
工業(yè)場所一般要求燃氣在空氣中達到一定含量就發(fā)出報警信號,，低報一般要求在5%LEL~25%LEL，如果有高報,，就設(shè)定在50%LEL,。（GB15322.1-2019里面4.3.1.8有說明，氫氣100%LEL對應(yīng)4%vol）,。
制氫機這一塊又有另外的標準,，要求氫氣在空氣中的含量達到0.4%vol就要發(fā)出報警信號，達到1.6%vol就要停機,。（GB/T31138-2022里面6.4.9有說明）
因此對于H2泄露的報警要求至少要在4000PPM前就要進行報警?。?！
在整個使用H2的過程中需要添加下面的傳感器來對H2的泄露進行及時,、有效的探測預警,，避免安全事故發(fā)生，其中對于H2泄露我們可以提供從幾百ppm 到幾萬ppm濃度檢測方案,，以下TGS6812 TGS2616 H2-BF均可以實現(xiàn),。
催化燃燒TGS6812
原理：催化燃燒式氣體傳感器由對可燃氣體進行反應(yīng)的檢測片（D）和不與可燃氣體進行反應(yīng)的補償片（C）2個元件構(gòu)成。如果存在可燃氣體的話,，只有檢測片可以燃燒,，因此檢測片溫度上升使檢測片的電阻增加。
相反,，因為補償片不燃燒,，其電阻不發(fā)生變化（圖1）。這些元件組成惠斯通電橋回路（圖2）,，不存在可燃氣體的氛圍中,，可以調(diào)整可變電阻（VR）讓電橋回路處于平衡狀態(tài),。
然后,，當氣體傳感器暴露于可燃氣體中時，只有檢測片的電阻上升,，因此電橋回路的平衡被打破,，這個變化表現(xiàn)為不均衡電壓（Vout）而可以被檢測出來。此不均衡電壓與氣體濃度之間存在圖3所示的比例關(guān)系,，因此可以通過測定電壓而檢出氣體濃度,。
TGS6812-D00是催化燃燒式的氣體傳感器，可以檢測100%LEL水平 的氫氣,，此傳感器具有精度高,，耐久性與穩(wěn)定性好，快速響應(yīng),、線性輸出的特點,，不僅可監(jiān)測氫氣，還可以用于檢測甲烷與LP氣體,。這對于固定式燃料電池將氫氣作為可燃氣體時的泄漏檢測是個非常優(yōu)秀的方案,。
TGS6812-D00的蓋帽內(nèi)有吸附劑，對有機蒸汽的交叉靈敏度很低,。此外,，此傳感器對硅化合物的耐受性更佳，更適應(yīng)惡劣環(huán)境,。
特點：
線性輸出
使用壽命長
對酒精靈敏度低
對氫氣,、甲烷與LP等物質(zhì)有較高靈敏度
半導體TGS2616
原理：當氧化錫粒子在數(shù)百度的溫度下暴露在氧氣中時，氧氣捕捉粒子中的電子后,，吸附于粒子表面,。結(jié)果,，在氧化錫粒子中形成電子耗盡層。由于氣體傳感器使用的氧化錫粒子一般都很小,，因此在空氣中整個粒子都將進入電子耗盡層的狀態(tài),。這種狀態(tài)稱為容衰竭（volume depletion）。相反,，把粒子中心部位未能達到耗盡層的狀態(tài)稱為域衰竭（regional depletion）,。使氧氣分壓從零（flat band開始按照小（[O-](Ⅰ)）→中（[O-](Ⅱ)）→大（[O-](Ⅲ)））的順序上升時,，能帶結(jié)構(gòu)與電子傳導分布的變化如下圖所示（[O-]：吸附的氧氣濃度）,。在容衰竭（volume depletion）狀態(tài)下，電子耗盡層的厚度變化結(jié)束,，產(chǎn)生費米能級轉(zhuǎn)換pkT,，電子耗盡狀態(tài)往前推進則pkT增大，后退則pkT縮小,。
TGS2616-C00 用于檢測氫氣的氣體傳感器
TGS2616-C01 內(nèi)含全新開發(fā)的敏感素子,，受酒精等干擾氣體的影響極小，而對氫氣具有較高的選擇性,。
特點 ：
對氫氣具有高選擇性
體積小,、功耗低
應(yīng)用電路簡單
電化學H2-BF
原理：氫氣和氧氣在工作電極和對電極上發(fā)生相應(yīng)的氧化還原反 應(yīng)并釋放電荷形成電流，產(chǎn)生的電流大小與氫氣濃度成正比,，通過測試電流大小即可判定氫氣濃度的高低,。
特點：低功耗、高精度,、高靈敏度,、線性范圍寬、抗干擾能力強,、優(yōu)異的重復性和穩(wěn)定性,。
不同原理傳感器對比情況
未來會出現(xiàn)在高濃度中H2中檢測低濃度氧氣傳感器會被研發(fā)出來，對于這個技術(shù)難題在不久的將來會實現(xiàn),。
