TCD-5880-P2RW熱導(dǎo)氫氣傳感器在氫能源車應(yīng)用

-尾氣氫氣排放和H2泄漏監(jiān)測(cè)

隨著全球?qū)η鍧嵞茉春涂沙掷m(xù)交通工具的關(guān)注加劇，燃料電池車輛（FCVs）逐漸成為一種重要的替代方案。燃料電池通過(guò)氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，單一的排放物是水。然而，氫氣的高度易燃性使得氫氣泄漏成為一個(gè)重要的安 全隱患。因此，開(kāi)發(fā)有效的氫氣泄漏檢測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要。熱導(dǎo)原理氫氣傳感器因其高靈敏度和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力而在燃料電池車中得到了廣泛應(yīng)用。燃料電池系統(tǒng)和氫系統(tǒng)的布置區(qū)域應(yīng)為非封閉的空間，需保證空間的良好通風(fēng)性。當(dāng)發(fā)生氫氣泄漏時(shí)，可以利用自然風(fēng)和整車迎風(fēng)，及時(shí)快速地將氫氣排出，防止氫氣發(fā)生聚集、氫氣濃度超標(biāo)而產(chǎn)生危險(xiǎn)。

氫能源車中燃料電池及其工作原理：氫氣是燃料電池的主要燃料，經(jīng)過(guò)陰極極氧化后釋放的電子通過(guò)外部電路產(chǎn)生電流，而氫離子則通過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陽(yáng)極極，與氧氣結(jié)合形成水。燃料電池通常由以下幾個(gè)部分組成：負(fù)極：氫氣在此處被氧化，釋放出電子和氫離子。正極：氧氣在此處與氫離子和電子結(jié)合生成水。電解質(zhì)：允許氫離子通過(guò)，而阻止電子流動(dòng)。

氫氣是一種輕質(zhì)且高度易燃的氣體，其點(diǎn)燃能量非常低。在空氣中，氫氣的濃度在4%至75%之間均可形成爆炸性混合物。這使得氫氣泄漏的檢測(cè)和控制變得尤為重要。氫氣泄漏可能導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸，危及乘員和周圍環(huán)境的安 全。雖然氫氣本身不會(huì)對(duì)環(huán)境造成直接危害，但泄漏的氫氣可能影響燃料電池的效率和性能。燃料電池汽車運(yùn)行時(shí)，排水的同時(shí)也會(huì)排出少量的氫氣。為了降低排氫量，燃料電池系統(tǒng)中會(huì)安裝氫氣循環(huán)泵或引射器，將燃料電池系統(tǒng)氫出口中未反應(yīng)的氫氣循環(huán)至燃料電池系統(tǒng)氫入口，提升氫氣利用率，減少氫氣的損耗。燃料電池汽車在排氫時(shí)，為了保證安 全性，需要控制尾排中氫氣的濃度。

GB/T 24549-2020 燃料電池電動(dòng)汽車安 全要求（Fuel cell electric vehicles-Safety requirements）中4.安 全要求:

4.1整車安 全要求
4.1.1整車氫氣排放
按照GB/T 37154-2018中6.1怠速熱機(jī)狀態(tài)氫氣排放章節(jié)規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試，在進(jìn)行正GB/T 24549-2020常操作(包括啟動(dòng)和停機(jī))時(shí),任意連續(xù)3s內(nèi)的平均氫氣體積濃度應(yīng)不超過(guò)4%,且瞬時(shí)氫氣體積濃度不超過(guò)8%。

4.1.2整車氫氣泄漏
4.1.2.1車內(nèi)要求
4.1.2.1.1氫系統(tǒng)泄漏或滲透的氫燃料,不應(yīng)直接排到乘客艙、行李艙/貨艙,或者車輛中任何有潛在火源風(fēng)險(xiǎn)的封閉空間或半封閉空間。
4.1.2.1.2在安裝氫系統(tǒng)的封閉或半封閉的空間上方的適當(dāng)位置,應(yīng)至少安裝一個(gè)氫氣泄漏探測(cè)傳感器,能實(shí)時(shí)檢測(cè)氫氣的濃度,并將信號(hào)傳遞給氫氣泄漏報(bào)警裝置。
4.1.2.1.3在駕駛員容易識(shí)別的區(qū)域應(yīng)安裝氫氣泄漏報(bào)警提醒裝置,泄漏濃度與警告信號(hào)的級(jí)別由制造商根據(jù)車輛的使用環(huán)境和要求決定。
4.1.2.1.4當(dāng)封閉空間或半封閉空間中氫氣體積濃度達(dá)到或超過(guò)2.0%±1.0%時(shí),應(yīng)發(fā)出警告。
4.1.2.1.5當(dāng)封閉空間或半封閉空間中氫氣體積濃度達(dá)到或超過(guò)3.0%±1.0%時(shí),應(yīng)立即自動(dòng)關(guān)斷氫氣供應(yīng),如果車輛裝有多個(gè)儲(chǔ)氫氣瓶,允許僅關(guān)斷有氫泄漏部分的氫氣供應(yīng)。
4.1.2.1.6當(dāng)氫氣泄漏探測(cè)傳感器發(fā)生故障時(shí),如信號(hào)中斷、斷路、短路等,應(yīng)能向駕駛員發(fā)出故障警告信號(hào)。
4.1.2.2車外要求
對(duì)于M類車輛,按照附錄A在密閉空間內(nèi)進(jìn)行氫泄漏試驗(yàn),應(yīng)滿足任意時(shí)刻測(cè)得的氫氣體積濃度不超過(guò) 1%。

熱導(dǎo)氫氣傳感器工作原理及在氫能源車上應(yīng)用：

熱導(dǎo)氫氣傳感器基于不同氣體的熱導(dǎo)率差異來(lái)工作。氫氣的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于空氣，因此在氫氣存在的情況下，傳感器的熱導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化。在燃料電池車中熱導(dǎo)原理氫氣傳感器?被廣泛應(yīng)用于車輛的氫氣瓶艙、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)艙、氫化口艙和乘客艙，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)氫氣泄漏情況?。其高靈敏度和快速響應(yīng)的特點(diǎn)，使得車輛能夠在氫氣泄漏達(dá)到危險(xiǎn)水平之前及時(shí)發(fā)出警報(bào)，從而有效預(yù)防安 全事故。

• 熱導(dǎo)原理氫氣傳感器?優(yōu)點(diǎn)：熱導(dǎo)式傳感器可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較為快速的氫氣傳感（約在10秒內(nèi)）。它對(duì)于氫氣的檢測(cè)具有較寬的測(cè)量范圍，且在某些情況下能提供相對(duì)穩(wěn)定的性能?，而且壽命較長(zhǎng)，在10年以上。這種熱導(dǎo)氫傳感器還可以檢測(cè)高濃度的殘氫排放，而且達(dá)到很高的精度。催化燃燒的氫氣傳感器無(wú)法進(jìn)行殘氫氣檢測(cè)。
• 根據(jù)氫氣熱導(dǎo)率缺點(diǎn)：對(duì)高熱導(dǎo)率氣體（如氦、甲烷、一氧化碳等）會(huì)造成交叉敏感，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)低濃度（2000ppm以下）氫氣的準(zhǔn)確檢測(cè)。

熱導(dǎo)氫氣傳感器在氫能源燃料電池車中主要應(yīng)用于氫氣泄漏檢測(cè)和殘氫排放監(jiān)控?。

集成到氫能源車輛系統(tǒng)中：熱導(dǎo)氫傳感器，集成在燃料電池汽車中，用于監(jiān)測(cè)關(guān)鍵區(qū)域的氫含量，例如：
氫氣儲(chǔ)存罐：氫氣傳感器可以檢測(cè)儲(chǔ)氫罐中的泄漏，確保氫氣的安 全儲(chǔ)存。
燃料電池堆：監(jiān)測(cè)燃料電池堆內(nèi)的氫氣濃度有助于保持很好的運(yùn)行條件和安 全性。
車輛艙內(nèi)：傳感器可以放置在客艙內(nèi)，以檢測(cè)操作過(guò)程中可能發(fā)生的任何氫氣泄漏。以便在發(fā)生泄漏時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警。
氫氣傳感器集成到燃料電池汽車中，通過(guò)以下方式增強(qiáng)了安 全協(xié)議：
觸發(fā)警報(bào)：如果檢測(cè)到泄漏，系統(tǒng)可以觸發(fā)警報(bào)以提醒駕駛員并啟動(dòng)安 全措施。
自動(dòng)關(guān)閉：車輛可以自動(dòng)關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)，以防止進(jìn)一步釋放氫氣并降低風(fēng)險(xiǎn)。
數(shù)據(jù)記錄：持續(xù)監(jiān)控允許數(shù)據(jù)記錄，這對(duì)診斷和改進(jìn)安 全措施很有用。

二、氫能源車殘氫排放監(jiān)測(cè)：

在氫能源車輛的運(yùn)行過(guò)程中，殘氫排放也是一個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題。氫氣傳感器能夠：
監(jiān)測(cè)排放殘氫濃度：檢測(cè)車輛運(yùn)行后可能殘留的氫氣，確保其濃度在安 全范圍內(nèi)。
優(yōu)化排放控制：根據(jù)檢測(cè)到的殘氫濃度，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)或燃料電池的工作狀態(tài)，優(yōu)化氫氣的使用效率。

檢測(cè)氫氣泄漏的很有效方法是使用熱導(dǎo)氫氣傳感器。這些傳感器利用氫氣的獨(dú)特導(dǎo)熱特性，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的氫氣濃度。

熱導(dǎo)氫氣傳感器在燃料電池車中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在氫氣泄漏檢測(cè)、優(yōu)化燃料電池參數(shù)以及確保車輛安 全等方面?。熱導(dǎo)氫氣傳感器還具備高靈敏度和對(duì)氫氣的選擇性，能夠快速響應(yīng)和恢復(fù)，不受信號(hào)飽和影響，并且能夠適應(yīng)廣泛變化的環(huán)境流速。熱導(dǎo)原理氫氣傳感器也用于監(jiān)控燃料電池車的殘氫排放，在燃料電池車運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定量的殘氫。這些殘氫如果排放不當(dāng)，不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，還可能對(duì)車輛的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。通過(guò)安裝熱導(dǎo)原理氫氣傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)殘氫的排放情況，確保殘氫得到妥善處理，從而保護(hù)環(huán)境和車輛性能?。這些特性使得熱導(dǎo)氫氣傳感器在燃料電池車中的應(yīng)用更加可靠和穩(wěn)定?。

熱導(dǎo)原理氫氣傳感器在燃料電池車中的應(yīng)用，不僅提高了車輛的安 全性，還有助于保護(hù)環(huán)境和提升車輛性能。隨著燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展，熱導(dǎo)原理氫氣傳感器在燃料電池車中的應(yīng)用前景將更加廣闊。

TCD-5880-P2RW熱導(dǎo)氣體傳感器敏感元件技術(shù)參數(shù)規(guī)格（22℃和1 V電源）
參數(shù)                          類型*               單位                  符號(hào)                注釋
尺寸
裸模die尺寸                2.50 x 3.33        平方毫米
裸模厚度                     0.3                mm
膜厚                            1                    μm
重量                            0.72              克                     TO-5上的XEN-TCG3880
重量                            1.05                克                         XEN-TCG3880
輸出
真空中 在0毫巴            130             V/W            具體取決于生產(chǎn)批次
溫度系數(shù)（0 Pa）        -0.0            6%/K
空氣中在100 kPa         30             V/W                       無(wú)上部散熱器
空氣中在100 kPa         6              V/W                     上部散熱器為20μm
氦氣中在100 kPa         7             V/W
在空氣中，10 MPa         -13         %                 與輸出100 kPa相比的變化，R版本
氦氣中，10 MPa             2            %             與輸出100 kPa相比的變化，R版本
時(shí)間常數(shù)
在空氣中                     9             ms
真空中                         36         ms

穩(wěn)定性
短期                         10         ppm                                 1天，溫度良好+相對(duì)濕度穩(wěn)定
長(zhǎng)期                         1200      ppm                                 1年，溫度和相對(duì)濕度校正
熱電堆 

阻抗                         55                     千歐                         Rtp
有效靈敏度                 1.3                 mV/K                     Stp                     指加熱器的溫度
固有靈敏度                 2.4                 mV/K                 平均塞貝克系數(shù)0.2 mV/K，12根線
溫度系數(shù)                     0.05                 K
加熱器
阻抗                             0.6          千歐                 Rheat
溫度系數(shù)                     0.1             K                     加熱器電阻的
熱電阻
薄膜                         100             kK/W             真空輸出除以熱電堆靈敏度
溫度系數(shù)                    -0.11             K                 真空中
膜+氣體                     23             kK/W                 空氣中
溫度系數(shù)                 -0.08                 K         空氣中
Max.加熱電壓                                      Uheat
在空氣中                 2.5                 V
真空中                     1                     V
傳感器環(huán)境溫度                                                         不保證終身無(wú)保障
Min.限度                     -250                     ℃                 輸出信號(hào)可能沒(méi)有顯著變化
                                -250至-273             ℃                     輸出信號(hào)減少
Max.限度                     240                     ℃                     在類似設(shè)備上測(cè)試，時(shí)間短
加熱器Max.溫度             250                 ℃                 長(zhǎng)期無(wú)漂移，絕 對(duì) Max.額定值
Pt100                 B級(jí)         ± 0.3         0℃                             0℃時(shí)誤差