Die WK-Potenzial-Initiative

Der ambitionierte Ausbau der erneuerbaren Energien ist klima- und energiepolitisch notwendig. Damit gewinnt der Ausbau der Wasserstofftechnologie große Bedeutung, da Wasserstoff als Speichermedium der diskontinuierlich erzeugten Wind- und Solarenergie einer der entscheidenden Energieträger der Zukunft ist. Jedoch gibt es Sicherheitsaspekte, da Wasserstoff-Luft-Gemische ab einem Wasserstoffgehalt von vier Prozent explosiv sind. Benötigt wird ein Messsystem, um im Störfall entweichenden Wasserstoff sicher und schnell detektieren zu können. Die auf dem Markt zugänglichen Wasserstoffsensoren können durch hohe Kosten und hohen Strombedarf die Nachfrage nach einem effizienten und gleichzeitig hochempfindlichen Messsystem nicht decken. Die Humboldt-Universität Berlin (Institut für Chemie) und zwei weitere Firmen entwickeln derzeit einen Halbleitersensor, der nicht nur kostengünstig in Herstellung und Betrieb ist, sondern eine sichere Detektion schon bei sehr niedrigen Wasserstoffkonzentrationen von 100ppm und bis weit oberhalb der Explosionsgrenze in Luft ermöglicht.
 

Die Ziele

Ziel des Projekts LENAS ist die Entwicklung eines neuartigen hochempfindlichen und kostengünstigen Wasserstoffsensors. Da der Sensor im Gegensatz zu herkömmlichen Messsystemen bei Raumtemperatur arbeitet, werden durch extrem geringen Energieverbrauch ein Batteriebetrieb und künftig eine energieautarke Betriebsweise ermöglicht.
 

Das Projekt

Schichtstruktur

Im Projekt LENAS wird ein neuartiges Sensorprinzip (Superionic Hydrogen Sensor) erarbeitet, das auf der Silizium-Halbleitertechnologie basiert. Vom physikalischen Prinzip her ist der Superionic Hydrogen Sensor ein Silizium-Feldeffektbauelement. Auf dem Gate-Isolator ist eine dünne Schicht (150 nm) des Superionenleiters LaF3 abgeschieden, die mit dem Gatemetall Palladium ein wasserstoffsensitives elektrochemisches System bildet. Palladium hat ein hohes Lösungsvermögen für Wasserstoffatome, während die Lanthanfluoridschicht die Wirkung der elektronischen Austauschvorgänge noch verstärkt. Schon sehr geringe H2-Konzentrationsänderungen erzeugen eine variable Spannung am Palladium-Gate, die sicher detektiert werden kann.

Der Sensor selbst wird in ein leicht handhabbares elektronisches Messsystem eingebettet, das Umwelteinflüssen gegenüber weitestgehend unempfindlich ist. Somit kann er einem breiten Anwendungsspektrum dienen, was nicht zuletzt durch seine Fähigkeit bedingt ist, Wasserstoffkonzentrationen, die unter 0,01 Prozent in der Luft liegen, genauso sicher wie Konzentrationen von 1,6 Prozent und höher innerhalb weniger Sekunden sicher zu detektieren.
 

Die Partner

• Humboldt-Universität Berlin, Institut für Chemie, AK Chemische Sensoren, 12489 Berlin ( https://www.hu-berlin.de/de/forschung/szf/forschungsmanagement/veroeffentlichungen/spektrum/moritz2311.pdf (PDF, 243kB, File does not meet accessibility standards))
• ACI Analytical Control Instruments GmbH, 12489 Berlin (www.aci-berlin.com)
• Swissbit Germany AG, 12681 Berlin (www.swissbit.com)

Kontakt

Priv.-Doz. Dr. sc. nat. Werner Moritz
Humboldt-Universität zu Berlin
Institut für Chemie
AK Chemische Sensoren
Brook-Taylor-Straße 2
12489 Berlin
Tel.: 030-2093-5566
Fax: 030-2093-5559
E-Mail: Werner.Moritz[at]rz.hu-berlin.de


Laufzeit: 01.03.2011-31.05.2013