TCD-5880-P2RW熱導氫氣傳感器在氫能源車應用

-尾氣氫氣排放和H2泄漏監(jiān)測

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)過陰極極氧化后釋放的電子通過外部電路產(chǎn)生電流，而氫離子則通過電解質(zhì)到達陽極極，與氧氣結合形成水。燃料電池通常由以下幾個部分組成：負極：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合生成水。電解質(zhì)：允許氫離子通過，而阻止電子流動。

氫氣是一種輕質(zhì)且高度易燃的氣體，其點燃能量非常低。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和控制變得尤為重要。氫氣泄漏可能導致火災或爆炸，危及乘員和周圍環(huán)境的安 全。雖然氫氣本身不會對環(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。燃料電池汽車運行時，排水的同時也會排出少量的氫氣。為了降低排氫量，燃料電池系統(tǒng)中會安裝氫氣循環(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，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怠速熱機狀態(tài)氫氣排放章節(jié)規(guī)定的試驗方法進行測試，在進行正GB/T 24549-2020常操作(包括啟動和停機)時,任意連續(xù)3s內(nèi)的平均氫氣體積濃度應不超過4%,且瞬時氫氣體積濃度不超過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險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位置,應至少安裝一個氫氣泄漏探測傳感器,能實時檢測氫氣的濃度,并將信號傳遞給氫氣泄漏報警裝置。
4.1.2.1.3在駕駛員容易識別的區(qū)域應安裝氫氣泄漏報警提醒裝置,泄漏濃度與警告信號的級別由制造商根據(jù)車輛的使用環(huán)境和要求決定。
4.1.2.1.4當封閉空間或半封閉空間中氫氣體積濃度達到或超過2.0%±1.0%時,應發(fā)出警告。
4.1.2.1.5當封閉空間或半封閉空間中氫氣體積濃度達到或超過3.0%±1.0%時,應立即自動關斷氫氣供應,如果車輛裝有多個儲氫氣瓶,允許僅關斷有氫泄漏部分的氫氣供應。
4.1.2.1.6當氫氣泄漏探測傳感器發(fā)生故障時,如信號中斷、斷路、短路等,應能向駕駛員發(fā)出故障警告信號。
4.1.2.2車外要求
對于M類車輛,按照附錄A在密閉空間內(nèi)進行氫泄漏試驗,應滿足任意時刻測得的氫氣體積濃度不超過 1%。

熱導氫氣傳感器工作原理及在氫能源車上應用：

熱導氫氣傳感器基于不同氣體的熱導率差異來工作。氫氣的熱導率遠高于空氣，因此在氫氣存在的情況下，傳感器的熱導率會發(fā)生變化。在燃料電池車中熱導原理氫氣傳感器?被廣泛應用于車輛的氫氣瓶艙、燃料電池發(fā)動機艙、氫化口艙和乘客艙，用于實時檢測氫氣泄漏情況?。其高靈敏度和快速響應的特點，使得車輛能夠在氫氣泄漏達到危險水平之前及時發(fā)出警報，從而有效預防安 全事故。

• 熱導原理氫氣傳感器?優(yōu)點：熱導式傳感器可在大范圍內(nèi)實現(xiàn)較為快速的氫氣傳感（約在10秒內(nèi)）。它對于氫氣的檢測具有較寬的測量范圍，且在某些情況下能提供相對穩(wěn)定的性能?，而且壽命較長，在10年以上。這種熱導氫傳感器還可以檢測高濃度的殘氫排放，而且達到很高的精度。催化燃燒的氫氣傳感器無法進行殘氫氣檢測。
• 根據(jù)氫氣熱導率缺點：對高熱導率氣體（如氦、甲烷、一氧化碳等）會造成交叉敏感，難以實現(xiàn)對低濃度（2000ppm以下）氫氣的準確檢測。

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

集成到氫能源車輛系統(tǒng)中：熱導氫傳感器，集成在燃料電池汽車中，用于監(jiān)測關鍵區(qū)域的氫含量，例如：
氫氣儲存罐：氫氣傳感器可以檢測儲氫罐中的泄漏，確保氫氣的安 全儲存。
燃料電池堆：監(jiān)測燃料電池堆內(nèi)的氫氣濃度有助于保持很好的運行條件和安 全性。
車輛艙內(nèi)：傳感器可以放置在客艙內(nèi)，以檢測操作過程中可能發(fā)生的任何氫氣泄漏。以便在發(fā)生泄漏時能夠及時報警。
氫氣傳感器集成到燃料電池汽車中，通過以下方式增強了安 全協(xié)議：
觸發(fā)警報：如果檢測到泄漏，系統(tǒng)可以觸發(fā)警報以提醒駕駛員并啟動安 全措施。
自動關閉：車輛可以自動關閉燃料電池系統(tǒng)，以防止進一步釋放氫氣并降低風險。
數(shù)據(jù)記錄：持續(xù)監(jiān)控允許數(shù)據(jù)記錄，這對診斷和改進安 全措施很有用。

二、氫能源車殘氫排放監(jiān)測：

在氫能源車輛的運行過程中，殘氫排放也是一個需要關注的問題。氫氣傳感器能夠：
監(jiān)測排放殘氫濃度：檢測車輛運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)檢測到的殘氫濃度，調(diào)整發(fā)動機或燃料電池的工作狀態(tài)，優(yōu)化氫氣的使用效率。

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

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

TCD-5880-P2RW熱導氣體傳感器敏感元件技術參數(shù)規(guī)格（22℃和1 V電源）
參數(shù)                          類型*               單位                  符號                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+相對濕度穩(wěn)定
長期                         1200      ppm                                 1年，溫度和相對濕度校正
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                                                         不保證終身無保障
Min.限度                     -250                     ℃                 輸出信號可能沒有顯著變化
                                -250至-273             ℃                     輸出信號減少
Max.限度                     240                     ℃                     在類似設備上測試，時間短
加熱器Max.溫度             250                 ℃                 長期無漂移，絕 對 Max.額定值
Pt100                 B級         ± 0.3         0℃                             0℃時誤差