原创 氢能中的气体传感器应用

氢能作为一种替代能源，被认为是破解能源危机，构建清洁低碳、安全高效现代能源体系的新密码。氢能的开发与利用正在引发一场深刻的能源革命。在2024年《政府工作报告》中，“加快前沿新兴氢能产业发展”这一重要任务被明确提出。据预测，到2060年我国氢能消费规模将达到近8600万吨，产业规模将达到4.6万亿元。

氢能是一种二次能源，它是通过天然气重整、电解水、太阳能光合作用、生物制氢等其它能源制取的，而不像煤、石油和天然气等可以直接从地下开采、几乎完全依靠化石燃料。

根据生产方式和对环境影响的不同，氢气又可以分为灰氢、蓝氢和绿氢：

灰氢是通过化石燃料（如煤炭、石油、天然气）直接燃烧产生的氢气，这个过程伴随着大量的二氧化碳排放，因此碳排放量大，但制备成本低。

蓝氢也是利用化石燃料（主要是天然气）生产的氢气，但与灰氢不同的是，蓝氢在生产过程中采用了碳捕捉和碳封存技术，这有助于降低碳排放强度，使得蓝氢的碳排放量低于灰氢。

绿氢则完全不同，它是通过使用可再生能源（如太阳能、风能、水能）来分解水制取的氢气。在生产过程中，绿氢基本上不产生任何碳排放，因此被认为是最清洁的氢能源。

氢气出现在生活中的场景

工业领域：氢气是化工和钢铁等行业的重要原料，也可以用于炼油、化肥、冶金等工业过程中。随着碳中和的要求，工业领域的氢气将逐步从化石燃料制取转向可再生能源制取，实现低碳化。

交通领域：氢能可以通过燃料电池或氢内燃机转化为动力，驱动汽车、公交车、卡车、火车、船舶、飞机等交通工具。氢能在交通领域的优势是清洁低碳、续航里程长、加氢时间短等。

建筑领域：氢能可以与天然气混合，通过现有的天然气管网输送到建筑终端，用于供暖、热水、烹饪等。氢能也可以通过燃料电池为建筑提供电力和热力，实现热电联供，提高能源效率和可靠性。

电力领域：氢能可以作为一种新型的储能形式，解决可再生能源的间歇性和不稳定性问题。通过电解水制取氢气，并以高压气态、低温液态或固态材料等形式储存下来；在用电高峰期或突发事件时，再将储存的氢通过燃料电池或氢气透平装置进行发电，并入公共电网或分布式网络。

目前较多的应用：

燃料电池H2纯度检测

燃料电池是一种能量转化装置，它是按电化学原理，即原电池工作原理，等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应。在实际应用过程中需要监控参与反应的H2的纯度来保证反应的顺利进行。我们提供了型号为MTCS2601的传感器。

描述：

MTCS2601传感器由一个带有四个 MEMS 技术实现的 Ni-Pt 电阻器的微机械热导率传感器构成。该传感器安装在微型 SMD 封 装中，卷带或托盘包装供货。这款 MEMS TC 传感器与简单的低功耗 CMOS 标准集成电路相结合，非常适用于要求超低功耗、 使用寿命长且无需维护的 OEM 气体探测器应用。该设备可测量空气中二或三种气体的混合物或准二元混合物中的气体浓度，例 如空气中的二氧化碳、氩气或氟利昂等热导率较低的气体，或诸如氢气，氦气或甲烷等具有较高热导率的气体。

特点：

1. 1. MEMS 物理传感原理稳定可靠，无化学反应，基于热导率变化工作
2. 2. 量程为 100 ppm 至 100％，具体取决于应用和气体的热导率
3. 3. 无化学反应，表示浓度的线性信号无磁滞
4. 4. 在同一硅芯片上将补偿与加热电阻匹配出色的温度补偿。
5. 5. 传感器体积小至< 0.1 cm3
6. 6. 物理电阻传感原理工作，传感器耐用且平均故障间隔时间（MTBF）长，可承受高强度冲击 (>1000 G)
7. 7. 基于 MEMS 的硅传感器集成电阻大（如 250 欧姆）而加热质量小，因此传感器的工作功耗极低（<8mw）
8. 8. 响应速度快，电子带宽大，响应时间短至< 50 ms

H2运输、存储、应用中泄露检测

氢原子（H）是世界上最轻的原子。通常被称为氢气的是2个氢原子结合而成的气态氢分子（H2）。正因为它非常小所以很容易泄露和扩散，而且无色无味，人们很难察觉其泄露与否。

爆炸浓度范围广，爆炸下限4.0vol%、爆炸上限75.6vol％。爆炸范围是一般的可燃性气体（甲烷、丙烷、异丁烷）的4倍，因此氢气十分危险。

工业场所一般要求燃气在空气中达到一定含量就发出报警信号，低报一般要求在5%LEL~25%LEL，如果有高报，就设定在50%LEL。（GB15322.1-2019里面4.3.1.8有说明，氢气100%LEL对应4%vol）。

制氢机这一块又有另外的标准，要求氢气在空气中的含量达到0.4%vol就要发出报警信号，达到1.6%vol就要停机。（GB/T31138-2022里面6.4.9有说明）

因此对于H2泄露的报警要求至少要在4000PPM前就要进行报警！！！

在整个使用H2的过程中需要添加下面的传感器来对H2的泄露进行及时、有效的探测预警，避免安全事故发生，其中对于H2泄露我们可以提供从几百ppm 到几万ppm浓度检测方案，以下TGS6812 TGS2616 H2-BF均可以实现。

催化燃烧TGS6812

原理：催化燃烧式气体传感器由对可燃气体进行反应的检测片（D）和不与可燃气体进行反应的补偿片（C）2个元件构成。如果存在可燃气体的话，只有检测片可以燃烧，因此检测片温度上升使检测片的电阻增加。
相反，因为补偿片不燃烧，其电阻不发生变化（图1）。这些元件组成惠斯通电桥回路（图2），不存在可燃气体的氛围中，可以调整可变电阻（VR）让电桥回路处于平衡状态。
然后，当气体传感器暴露于可燃气体中时，只有检测片的电阻上升，因此电桥回路的平衡被打破，这个变化表现为不均衡电压（Vout）而可以被检测出来。此不均衡电压与气体浓度之间存在图3所示的比例关系，因此可以通过测定电压而检出气体浓度。

TGS6812-D00是催化燃烧式的气体传感器，可以检测100%LEL水平 的氢气，此传感器具有精度高，耐久性与稳定性好，快速响应、线性输出的特点，不仅可监测氢气，还可以用于检测甲烷与LP气体。这对于固定式燃料电池将氢气作为可燃气体时的泄漏检测是个非常优秀的方案。

TGS6812-D00的盖帽内有吸附剂，对有机蒸汽的交叉灵敏度很低。此外，此传感器对硅化合物的耐受性更佳，更适应恶劣环境。

特点：

线性输出

使用寿命长

对酒精灵敏度低

对氢气、甲烷与LP等物质有较高灵敏度

半导体TGS2616

原理：当氧化锡粒子在数百度的温度下暴露在氧气中时，氧气捕捉粒子中的电子后，吸附于粒子表面。结果，在氧化锡粒子中形成电子耗尽层。由于气体传感器使用的氧化锡粒子一般都很小，因此在空气中整个粒子都将进入电子耗尽层的状态。这种状态称为容衰竭（volume depletion）。相反，把粒子中心部位未能达到耗尽层的状态称为域衰竭（regional depletion）。使氧气分压从零（flat band开始按照小（[O-](Ⅰ)）→中（[O-](Ⅱ)）→大（[O-](Ⅲ)））的顺序上升时，能带结构与电子传导分布的变化如下图所示（[O-]：吸附的氧气浓度）。在容衰竭（volume depletion）状态下，电子耗尽层的厚度变化结束，产生费米能级转换pkT，电子耗尽状态往前推进则pkT增大，后退则pkT缩小。

TGS2616-C00 用于检测氢气的气体传感器

TGS2616-C01 内含全新开发的敏感素子，受酒精等干扰气体的影响极小，而对氢气具有较高的选择性。

特点 ：

对氢气具有高选择性

体积小、功耗低

应用电路简单

电化学H2-BF

原理：氢气和氧气在工作电极和对电极上发生相应的氧化还原反 应并释放电荷形成电流，产生的电流大小与氢气浓度成正比，通过测试电流大小即可判定氢气浓度的高低。

特点：低功耗、高精度、高灵敏度、线性范围宽、抗干扰能力强、优异的重复性和稳定性。

不同原理传感器对比情况

未来会出现在高浓度中H2中检测低浓度氧气传感器会被研发出来，对于这个技术难题在不久的将来会实现。