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(shí)間：2024-11-06 17:23:45
應(yīng)用介紹
氫能作為一種替代能源，被認(rèn)為是破解能源危機(jī)，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(chǎng)深刻的能源革命。在2024年《政府工作報(bào)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(yù)測(cè)，到2060年我國(guó)氫能消費(fèi)規(guī)模將達(dá)到近8600萬(wàn)噸，產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到4.6萬(wàn)億元。
氫能是一種二次能源，它是通過(guò)天然氣重整、電解水、太陽(yáng)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(duì)環(huán)境影響的不同，氫氣又可以分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫：
灰氫是通過(guò)化石燃料（如煤炭、石油、天然氣）直接燃燒產(chǎn)生的氫氣，這個(gè)過(guò)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(lán)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(lán)氫在生產(chǎn)過(guò)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(qiáng)度，使得藍(lán)氫的碳排放量低于灰氫。
綠氫則完全不同，它是通過(guò)使用可再生能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能）來(lái)分解水制取的氫氣。在生產(chǎn)過(guò)程中，綠氫基本上不產(chǎn)生任何碳排放，因此被認(rèn)為是最清潔的氫能源。
氫氣出現(xiàn)在生活中的場(chǎng)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(guò)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(shí)現(xiàn)低碳化。
交通領(lǐng)域：氫能可以通過(guò)燃料電池或氫內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)汽車、公交車、卡車、火車、船舶、飛機(jī)等交通工具。氫能在交通領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)是清潔低碳、續(xù)航里程長(zhǎng)、加氫時(shí)間短等。
建筑領(lǐng)域：氫能可以與天然氣混合，通過(guò)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(guò)燃料電池為建筑提供電力和熱力，實(shí)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(chǔ)能形式，解決可再生能源的間歇性和不穩(wěn)定性問(wèn)題。通過(guò)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(chǔ)存下來(lái)；在用電高峰期或突發(fā)事件時(shí)，再將儲(chǔ)存的氫通過(guò)燃料電池或氫氣透平裝置進(jìn)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(cè)
燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，它是按電化學(xué)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(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因而實(shí)際過(guò)程是氧化還原反應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要監(jiān)控參與反應(yīng)的H2的純度來(lái)保證反應(yīng)的順利進(jìn)行。我們提供了型號(hào)為MTCS2601的傳感器。
描述：
MTCS2601傳感器由一個(gè)帶有四個(gè) MEMS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的 Ni-Pt 電阻器的微機(jī)械熱導(dǎo)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(jiǎn)單的低功耗 CMOS 標(biāo)準(zhǔn)集成電路相結(jié)合，非常適用于要求超低功耗、 使用壽命長(zhǎng)且無(wú)需維護(hù)的 OEM 氣體探測(cè)器應(yīng)用。該設(shè)備可測(cè)量空氣中二或三種氣體的混合物或準(zhǔn)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(dǎo)率較低的氣體，或諸如氫氣，氦氣或甲烷等具有較高熱導(dǎo)率的氣體。
特點(diǎn)：
1. MEMS 物理傳感原理穩(wěn)定可靠，無(wú)化學(xué)反應(yīng)，基于熱導(dǎo)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(dǎo)率
3. 無(wú)化學(xué)反應(yīng)，表示濃度的線性信號(hào)無(wú)磁滯
4. 在同一硅芯片上將補(bǔ)償與加熱電阻匹配出色的溫度補(bǔ)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(shí)間（MTBF）長(zhǎng)，可承受高強(qiáng)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(shí)間短至< 50 ms
H2運(yùn)輸、存儲(chǔ)、應(yīng)用中泄露檢測(cè)
氫原子（H）是世界上最輕的原子。通常被稱為氫氣的是2個(gè)氫原子結(jié)合而成的氣態(tài)氫分子（H2）。正因?yàn)樗浅Ｐ∷院苋菀仔孤逗蛿U(kuò)散，而且無(wú)色無(wú)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(xiǎn)。
工業(yè)場(chǎng)所一般要求燃?xì)庠诳諝庵羞_(dá)到一定含量就發(fā)出報(bào)警信號(hào)，低報(bào)一般要求在5%LEL~25%LEL，如果有高報(bào)，就設(shè)定在50%LEL。（GB15322.1-2019里面4.3.1.8有說(shuō)明，氫氣100%LEL對(duì)應(yīng)4%vol）。
制氫機(jī)這一塊又有另外的標(biāo)準(zhǔn)，要求氫氣在空氣中的含量達(dá)到0.4%vol就要發(fā)出報(bào)警信號(hào)，達(dá)到1.6%vol就要停機(jī)。（GB/T31138-2022里面6.4.9有說(shuō)明）
因此對(duì)于H2泄露的報(bào)警要求至少要在4000PPM前就要進(jìn)行報(bào)警！！！
在整個(gè)使用H2的過(guò)程中需要添加下面的傳感器來(lái)對(duì)H2的泄露進(jìn)行及時(shí)、有效的探測(cè)預(yù)警，避免安全事故發(fā)生，其中對(duì)于H2泄露我們可以提供從幾百ppm 到幾萬(wàn)ppm濃度檢測(cè)方案，以下TGS6812 TGS2616 H2-BF均可以實(shí)現(xiàn)。
催化燃燒TGS6812
原理：催化燃燒式氣體傳感器由對(duì)可燃?xì)怏w進(jìn)行反應(yīng)的檢測(cè)片（D）和不與可燃?xì)怏w進(jìn)行反應(yīng)的補(bǔ)償片（C）2個(gè)元件構(gòu)成。如果存在可燃?xì)怏w的話，只有檢測(cè)片可以燃燒，因此檢測(cè)片溫度上升使檢測(cè)片的電阻增加。
相反，因?yàn)檠a(bǔ)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?xì)怏w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(dāng)氣體傳感器暴露于可燃?xì)怏w中時(shí)，只有檢測(cè)片的電阻上升，因此電橋回路的平衡被打破，這個(gè)變化表現(xiàn)為不均衡電壓（Vout）而可以被檢測(cè)出來(lái)。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(guò)測(cè)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(cè)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(diǎn)，不僅可監(jiān)測(cè)氫氣，還可以用于檢測(cè)甲烷與LP氣體。這對(duì)于固定式燃料電池將氫氣作為可燃?xì)怏w時(shí)的泄漏檢測(cè)是個(gè)非常優(yōu)秀的方案。
TGS6812-D00的蓋帽內(nèi)有吸附劑，對(duì)有機(jī)蒸汽的交叉靈敏度很低。此外，此傳感器對(duì)硅化合物的耐受性更佳，更適應(yīng)惡劣環(huán)境。
特點(diǎn)：
線性輸出
使用壽命長(zhǎng)
對(duì)酒精靈敏度低
對(duì)氫氣、甲烷與LP等物質(zhì)有較高靈敏度
半導(dǎo)體TGS2616
原理：當(dāng)氧化錫粒子在數(shù)百度的溫度下暴露在氧氣中時(shí)，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(gè)粒子都將進(jìn)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(dá)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(shí)，能帶結(jié)構(gòu)與電子傳導(dǎo)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(fèi)米能級(jí)轉(zhuǎn)換pkT，電子耗盡狀態(tài)往前推進(jìn)則pkT增大，后退則pkT縮小。
TGS2616-C00 用于檢測(cè)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(duì)氫氣具有較高的選擇性。
特點(diǎn) ：
對(duì)氫氣具有高選擇性
體積小、功耗低
應(yīng)用電路簡(jiǎn)單
電化學(xué)H2-BF
原理：氫氣和氧氣在工作電極和對(duì)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(guò)測(cè)試電流大小即可判定氫氣濃度的高低。
特點(diǎn)：低功耗、高精度、高靈敏度、線性范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、優(yōu)異的重復(fù)性和穩(wěn)定性。
不同原理傳感器對(duì)比情況
未來(lái)會(huì)出現(xiàn)在高濃度中H2中檢測(cè)低濃度氧氣傳感器會(huì)被研發(fā)出來(lái)，對(duì)于這個(gè)技術(shù)難題在不久的將來(lái)會(huì)實(shí)現(xiàn)。
