TCD-5880-P2RW热导氢气传感器在氢能源车应用
-尾气氢气排放和H2泄漏监测
随着全球对清洁能源和可持续交通工具的关注加剧，燃料电池车辆（FCVs）逐渐成为一种重要的替代方案。燃料电池通过氢气和氧气的电化学反应产生电能，单一的排放物是水。然而，氢气的高度易燃性使得氢气泄漏成为一个重要的安 全隐患。因此，开发有效的氢气泄漏检测系统至关重要。热导原理氢气传感器因其高灵敏度和实时监测能力而在燃料电池车中得到了广泛应用。燃料电池系统和氢系统的布置区域应为非封闭的空间，需保证空间的良好通风性。当发生氢气泄漏时，可以利用自然风和整车迎风，及时快速地将氢气排出，防止氢气发生聚集、氢气浓度超标而产生危险。
氢能源车中燃料电池及其工作原理：氢气是燃料电池的主要燃料，经过阴极极氧化后释放的电子通过外部电路产生电流，而氢离子则通过电解质到达阳极极，与氧气结合形成水。燃料电池通常由以下几个部分组成：负极：氢气在此处被氧化，释放出电子和氢离子。正极：氧气在此处与氢离子和电子结合生成水。电解质：允许氢离子通过，而阻止电子流动。
氢气是一种轻质且高度易燃的气体，其点燃能量非常低。在空气中，氢气的浓度在4%至75%之间均可形成爆炸性混合物。这使得氢气泄漏的检测和控制变得尤为重要。氢气泄漏可能导致火灾或爆炸，危及乘员和周围环境的安 全。虽然氢气本身不会对环境造成直接危害，但泄漏的氢气可能影响燃料电池的效率和性能。燃料电池汽车运行时，排水的同时也会排出少量的氢气。为了降低排氢量，燃料电池系统中会安装氢气循环泵或引射器，将燃料电池系统氢出口中未反应的氢气循环至燃料电池系统氢入口，提升氢气利用率，减少氢气的损耗。燃料电池汽车在排氢时，为了保证安 全性，需要控制尾排中氢气的浓度。
GB/T 24549-2020 燃料电池电动汽车安 全要求（Fuel cell electric vehicles-Safety requirements）中4.安 全要求:
4.1整车安 全要求
4.1.1整车氢气排放
按照GB/T 37154-2018中6.1怠速热机状态氢气排放章节规定的试验方法进行测试，在进行正GB/T 24549-2020常操作(包括启动和停机)时,任意连续3s内的平均氢气体积浓度应不超过4%,且瞬时氢气体积浓度不超过8%。
4.1.2整车氢气泄漏
4.1.2.1车内要求
4.1.2.1.1氢系统泄漏或渗透的氢燃料,不应直接排到乘客舱、行李舱/货舱,或者车辆中任何有潜在火源风险的封闭空间或半封闭空间。
4.1.2.1.2在安装氢系统的封闭或半封闭的空间上方的适当位置,应至少安装一个氢气泄漏探测传感器,能实时检测氢气的浓度,并将信号传递给氢气泄漏报警装置。
4.1.2.1.3在驾驶员容易识别的区域应安装氢气泄漏报警提醒装置,泄漏浓度与警告信号的级别由制造商根据车辆的使用环境和要求决定。
4.1.2.1.4当封闭空间或半封闭空间中氢气体积浓度达到或超过2.0%±1.0%时,应发出警告。
4.1.2.1.5当封闭空间或半封闭空间中氢气体积浓度达到或超过3.0%±1.0%时,应立即自动关断氢气供应,如果车辆装有多个储氢气瓶,允许仅关断有氢泄漏部分的氢气供应。
4.1.2.1.6当氢气泄漏探测传感器发生故障时,如信号中断、断路、短路等,应能向驾驶员发出故障警告信号。
4.1.2.2车外要求
对于M类车辆,按照附录A在密闭空间内进行氢泄漏试验,应满足任意时刻测得的氢气体积浓度不超过 1%。
热导氢气传感器工作原理及在氢能源车上应用：
热导氢气传感器基于不同气体的热导率差异来工作。氢气的热导率远高于空气，因此在氢气存在的情况下，传感器的热导率会发生变化。在燃料电池车中热导原理氢气传感器被广泛应用于车辆的氢气瓶舱、燃料电池发动机舱、氢化口舱和乘客舱，用于实时检测氢气泄漏情况。其高灵敏度和快速响应的特点，使得车辆能够在氢气泄漏达到危险水平之前及时发出警报，从而有效预防安 全事故。
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热导原理氢气传感器优点：热导式传感器可在大范围内实现较为快速的氢气传感（约在10秒内）。它对于氢气的检测具有较宽的测量范围，且在某些情况下能提供相对稳定的性能，而且寿命较长，在10年以上。这种热导氢传感器还可以检测高浓度的残氢排放，而且达到很高的精度。催化燃烧的氢气传感器无法进行残氢气检测。
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根据氢气热导率缺点：对高热导率气体（如氦、甲烷、一氧化碳等）会造成交叉敏感，难以实现对低浓度（2000ppm以下）氢气的准确检测。
热导氢气传感器在氢能源燃料电池车中主要应用于氢气泄漏检测和残氢排放监控。
集成到氢能源车辆系统中：热导氢传感器，集成在燃料电池汽车中，用于监测关键区域的氢含量，例如：
氢气储存罐：氢气传感器可以检测储氢罐中的泄漏，确保氢气的安 全储存。
燃料电池堆：监测燃料电池堆内的氢气浓度有助于保持很好的运行条件和安 全性。
车辆舱内：传感器可以放置在客舱内，以检测操作过程中可能发生的任何氢气泄漏。以便在发生泄漏时能够及时报警。
氢气传感器集成到燃料电池汽车中，通过以下方式增强了安 全协议：
触发警报：如果检测到泄漏，系统可以触发警报以提醒驾驶员并启动安 全措施。
自动关闭：车辆可以自动关闭燃料电池系统，以防止进一步释放氢气并降低风险。
数据记录：持续监控允许数据记录，这对诊断和改进安 全措施很有用。
二、氢能源车残氢排放监测：
在氢能源车辆的运行过程中，残氢排放也是一个需要关注的问题。氢气传感器能够：
监测排放残氢浓度：检测车辆运行后可能残留的氢气，确保其浓度在安 全范围内。
优化排放控制：根据检测到的残氢浓度，调整发动机或燃料电池的工作状态，优化氢气的使用效率。
检测氢气泄漏的很有效方法是使用热导氢气传感器。这些传感器利用氢气的独特导热特性，能够实时监测环境中的氢气浓度。
热导原理氢气传感器在燃料电池车辆的泄漏检测和残氢排放监测中发挥着至关重要的作用。通过实时监测氢气浓度，这些传感器能够有效提高燃料电池车辆的安 全性和可靠性。随着技术的不断进步，热导原理氢气传感器将在未来的燃料电池车辆中扮演更加重要的角色，为实现可持续交通提供保障。
热导氢气传感器在燃料电池车中的应用主要体现在氢气泄漏检测、优化燃料电池参数以及确保车辆安 全等方面。热导氢气传感器还具备高灵敏度和对氢气的选择性，能够快速响应和恢复，不受信号饱和影响，并且能够适应广泛变化的环境流速。热导原理氢气传感器也用于监控燃料电池车的残氢排放，在燃料电池车运行过程中，会产生一定量的残氢。这些残氢如果排放不当，不仅会对环境造成污染，还可能对车辆的性能产生负面影响。通过安装热导原理氢气传感器，可以实时监测残氢的排放情况，确保残氢得到妥善处理，从而保护环境和车辆性能。这些特性使得热导氢气传感器在燃料电池车中的应用更加可靠和稳定。
热导原理氢气传感器在燃料电池车中的应用，不仅提高了车辆的安 全性，还有助于保护环境和提升车辆性能。随着燃料电池技术的不断发展，热导原理氢气传感器在燃料电池车中的应用前景将更加广阔。
TCD-5880-P2RW热导气体传感器敏感元件技术参数规格（22℃和1 V电源）
参数 类型* 单位 符号 注释
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
输出
真空中 在0毫巴 130 V/W 具体取决于生产批次
温度系数（0 Pa） -0.0 6%/K
空气中在100 kPa 30 V/W 无上部散热器
空气中在100 kPa 6 V/W 上部散热器为20μm
氦气中在100 kPa 7 V/W
在空气中，10 MPa -13 % 与输出100 kPa相比的变化，R版本
氦气中，10 MPa 2 % 与输出100 kPa相比的变化，R版本
时间常数
在空气中 9 ms
真空中 36 ms
稳定性
短期 10 ppm 1天，温度良好+相对湿度稳定
长期 1200 ppm 1年，温度和相对湿度校正
热电堆
阻抗 55 千欧 Rtp
有效灵敏度 1.3 mV/K Stp 指加热器的温度
固有灵敏度 2.4 mV/K 平均塞贝克系数0.2 mV/K，12根线
温度系数 0.05 K
加热器
阻抗 0.6 千欧 Rheat
温度系数 0.1 K 加热器电阻的
热电阻
薄膜 100 kK/W 真空输出除以热电堆灵敏度
温度系数 -0.11 K 真空中
膜+气体 23 kK/W 空气中
温度系数 -0.08 K 空气中
Max.加热电压 Uheat
在空气中 2.5 V
真空中 1 V
传感器环境温度 不保证终身无保障
Min.限度 -250 ℃ 输出信号可能没有显著变化
-250至-273 ℃ 输出信号减少
Max.限度 240 ℃ 在类似设备上测试，时间短
加热器Max.温度 250 ℃ 长期无漂移，绝 对 Max.额定值
Pt100 B级 ± 0.3 0℃ 0℃时误差
