AT524543B1

AT524543B1 - Measuring device for determining a nitrogen and/or hydrogen flow

Info

Publication number: AT524543B1
Application number: ATA50211/2021A
Authority: AT
Inventors: Karanovic Dipl -Ing Stefan; Klug Dipl -Ing Dr Mba Andreas; Brunnhofer Dr Techn Georg; Krenn BSc Thomas
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2021-03-25
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2022-07-15
Also published as: AT524543A4

Abstract

Es sind Messvorrichtungen zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses mit einem Strömungsgehäuse (12), in dem ein Strömungskanal (10) ausgebildet ist, einem Differenzdrucksensor (20), über den eine Druckdifferenz im Strömungskanal (10) messbar ist, einem Feuchtigkeitssensor (62) und einem Dichtesensor (66), bekannt. Um eine solche Messvorrichtung unempfindlich gegen Wassertropfen im Fluidstrom zu machen, wird vorgeschlagen, dass an einem Fluidtrennbereich m Strömungsgehäuse (12) eine Abzweigung (46) ausgebildet ist, an der ein im Strömungsgehäuse (12) ausgebildeter Messkanal (54) vom Strömungskanal (10) abzweigt, an dessen begrenzender Gehäusewand (58) eine erste Anschlussöffnung (60) ausgebildet ist, an der der Feuchtigkeitssensor (62) angeschlossen ist und eine zweite Anschlussöffnung (64) ausgebildet ist, an der der Dichtesensor (66) angeschlossen ist.There are measuring devices for determining a nitrogen and/or hydrogen flow, with a flow housing (12) in which a flow channel (10) is formed, a differential pressure sensor (20) via which a pressure difference in the flow channel (10) can be measured, a humidity sensor ( 62) and a density sensor (66). In order to make such a measuring device insensitive to water droplets in the fluid flow, it is proposed that a branch (46) is formed in a fluid separation area in the flow housing (12), at which a measuring channel (54) formed in the flow housing (12) separates from the flow channel (10). branches off, on the delimiting housing wall (58) of which a first connection opening (60) is formed to which the moisture sensor (62) is connected and a second connection opening (64) is formed to which the density sensor (66) is connected.

Description

description

MESSVORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG EINES STICKSTOFF- UND/ODER WASSERSTOFFDURCHFLUSSES MEASURING DEVICE FOR DETERMINING A NITROGEN AND/OR HYDROGEN FLOW

[0001] Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses mit einem Strömungsgehäuse, in dem ein Strömungskanal ausgebildet ist, einem Differenzdrucksensor, über den eine Druckdifferenz im Strömungskanal messbar ist, einem Feuchtigkeitssensor und einem Dichtesensor. The invention relates to a measuring device for determining a nitrogen and / or hydrogen flow with a flow housing in which a flow channel is formed, a differential pressure sensor, via which a pressure difference in the flow channel can be measured, a humidity sensor and a density sensor.

[0002] Derartige Messvorrichtungen dienen zur exakten und schnellen Bestimmung eines Durchflusses in Brennstoffzellensystemen, wie beispielsweise eines Stickstoff- und Wasserstoffdurchflusses in Anodengaskreisläufen, oder auch in Verbrennungsmotoren, in denen Wasserstoff als Kraftstoff verwendet wird. Dabei kann der ermittelte Durchfluss sowohl zur Regelung der Brennstoffzelle beziehungsweise der Wasserstoffzufuhr zu einem Verbrennungsmotor als auch zur Analyse eines Brennstoffzellensystems oder einer Verbrennung im Motor dienen. Such measuring devices are used for the exact and rapid determination of a flow in fuel cell systems, such as a nitrogen and hydrogen flow in anode gas circuits, or in internal combustion engines in which hydrogen is used as a fuel. The determined flow rate can be used both to regulate the fuel cell or the hydrogen supply to an internal combustion engine and to analyze a fuel cell system or combustion in the engine.

[0003] Die Bestimmung des Durchflusses erfolgt üblicherweise durch eine Differenzdruck- und Dichtemessung, wobei zusätzlich eine Korrektur in Abhängigkeit der vorhandenen relativen Feuchte vorgenommen werden muss. Um genaue Messwerte zu liefern, müssen die verwendeten Sensoren bei der Messung von Gasgemischen möglichst unempfindlich gegen die Anwesenheit von Wasser beziehungsweise Wasserdampf und ein mögliches Gefrieren des Wassers sein beziehungsweise gegen die Anwesenheit von Wasser geschützt werden. Des Weiteren sind durch die Messung auftretende Druckverluste zu minimieren. [0003] The flow rate is usually determined by measuring the differential pressure and density, with an additional correction depending on the relative humidity present having to be made. In order to deliver precise measured values, the sensors used when measuring gas mixtures must be as insensitive as possible to the presence of water or water vapor and possible freezing of the water or be protected against the presence of water. Furthermore, the pressure losses that occur as a result of the measurement must be minimized.

[0004] Eine korrekte Differenzdruckmessung wird beispielweise mit Pitotrohren beziehungsweise Prandtirohren durchgeführt. Um hier zuverlässige Messwerte zu erhalten, sollte eine der vorhandenen Messöffnungen möglichst zur Strömung gerichtet sein, so dass ein Druck, bestehend aus dem Staudruck aufgrund der vorhandenen Strömungsgeschwindigkeit und dem statischen Druck zu einem Druckaufnehmer geleitet wird. Dieser misst entweder eine Druckdifferenz zu einem Druck, der über eine Druckmessöffnung an einer Position des Staurohres gemessen wird, die strömungsabgewandt oder senkrecht zur Strömung angeordnet ist und somit zumindest näherungsweise keinem Staudruck unterliegt. Entsprechend wird eine Druckdifferenz zum vorhandenen statischen Druck gemessen. Der Staudruck beziehungsweise dynamische Druck ist somit der Druck, den das strömende Medium durch seine Geschwindigkeit und seine Masse ausübt. Somit bildet die Druckdifferenz zumindest ein Maß für die kinetische Energie des strömenden Mediums. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto größer ist entsprechend der Staudruck, so dass dieser ein Maß für den Volumenstrom und/oder einer Geschwindigkeit darstellt. Die zur Strömung gerichtete Öffnung befindet sich üblicherweise in einem Bereich, in dem ein möglichst großer dynamischer Anteil des Druckes vorliegt. Dies ist bei laminaren Strömungen im mittleren Bereich eines Strömungskanals der Fall. Bei der Verwendung derartiger Differenzdrucksensorvorrichtungen besteht das Problem, dass diese für die Messung von Wasser enthaltenden Gasgemischen nicht geeignet sind, da gefrierendes Wasser die Druckmessöffnungen oder -kanäle verstopfen kann, so dass Messungen in Umgebungen wie dem Anodengaskreislauf einer Brennstoffzelle, in dem Wasser enthalten ist, fehlerbehaftet sind. A correct differential pressure measurement is carried out, for example, with Pitot tubes or Prandti tubes. In order to obtain reliable measured values here, one of the existing measurement openings should be directed towards the flow, so that a pressure consisting of the dynamic pressure due to the existing flow speed and the static pressure is routed to a pressure sensor. This either measures a pressure difference to a pressure which is measured via a pressure measurement opening at a position of the pitot tube which is arranged away from the flow or perpendicular to the flow and is therefore at least approximately not subject to any ram pressure. Accordingly, a pressure difference to the existing static pressure is measured. The back pressure or dynamic pressure is therefore the pressure exerted by the flowing medium due to its speed and mass. Thus, the pressure difference is at least a measure of the kinetic energy of the flowing medium. The higher the flow speed, the greater the dynamic pressure, so that this is a measure of the volume flow and/or a speed. The opening directed towards the flow is usually located in an area in which the largest possible dynamic component of the pressure is present. This is the case with laminar flows in the central area of a flow channel. When using such differential pressure sensor devices, there is the problem that they are not suitable for measuring gas mixtures containing water, since freezing water can clog the pressure measuring openings or channels, so that measurements in environments such as the anode gas circuit of a fuel cell, which contains water, are faulty.

[0005] Zur Bestimmung des Durchflusses ist neben der Verwendung solcher Differenzdrucksensorvorrichtungen zusätzlich die Messung der Dichte des Fluids über einen Dichtesensor notwendig. Dieser ist ebenfalls empfindlich gegen die Anwesenheit von Wasser, so dass ein Kontakt der Wassertropfen mit dem Sensor zu einer Verfälschung der Messergebnisse führt. In addition to using such differential pressure sensor devices, measuring the density of the fluid via a density sensor is also necessary to determine the flow rate. This is also sensitive to the presence of water, so that if the water droplets come into contact with the sensor, the measurement results will be falsified.

So wird in der AT 520416 A1 eine Messvorrichtung zum Detektieren einer Messgröße eines partikelbeladenen Fluids oder Aerosols vorgeschlagen, bei dem im Strömungskanal ein Separationsbereich ausgebildet wird, an dem der Gasstrom mittels eines Umlenkelementes in einen Teilstrom mit Partikeln und einen Teilstrom ohne darin enthaltene Partikel getrennt wird. Während die Flüssigkeits- oder Festpartikel aufgrund ihrer Trägheit geradeaus durch den Strömungskanal strömen, wird der andere Teilstrom in einen Messkanal umgelenkt und gelangt partikelfrei zu den For example, AT 520416 A1 proposes a measuring device for detecting a measured variable of a particle-laden fluid or aerosol, in which a separation area is formed in the flow channel, at which the gas flow is separated by means of a deflection element into a partial flow with particles and a partial flow without particles contained therein . While the liquid or solid particles flow straight through the flow channel due to their inertia, the other partial flow is deflected into a measuring channel and reaches the measuring channel free of particles

dort angeordneten Messgeräten, welche entsprechend vor den Partikeln geschützt werden. measuring devices arranged there, which are protected accordingly from the particles.

[0006] Problematisch ist jedoch, dass dieser Separationsbereich mit seinem Umlenkelement einen großen Druckverlust verursacht, der bei der Verwendung zur Messung der Durchflüsse an Brennstoffzellen zu einer Rückwirkung auf die Brennstoffzelle führen würde, wodurch Fehler bei der Beurteilung des Normalbetriebs entstehen. Entsprechend wird auch keine Anordnung zur Messung eines Durchflusses offenbart. It is problematic, however, that this separation area with its deflection element causes a large pressure loss, which would have an effect on the fuel cell when used to measure the flow rates in fuel cells, causing errors in the assessment of normal operation. Accordingly, no arrangement for measuring a flow rate is disclosed either.

[0007] Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoffund/oder Wasserstoffdurchflusses zur Verfügung zu stellen, die unempfindlich gegen das Vorhandensein von Wasser ist, und möglichst keine Rückwirkung auf die Brennstoffzelle oder den Verbrennungsmotor bei der Messung ausübt. The object is therefore to provide a measuring device for determining a nitrogen and/or hydrogen flow that is insensitive to the presence of water and, if possible, has no repercussions on the fuel cell or the internal combustion engine during the measurement.

[0008] Diese Aufgabe wird durch eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst. [0008] This object is achieved by a measuring device for determining a nitrogen and/or hydrogen flow with the features of main claim 1.

[0009] Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses weist ein Strömungsgehäuse auf, in dem ein Strömungskanal ausgebildet ist. Der Strömungskanal ist beispielsweise rohrförmig. Die Messvorrichtung weist einen Differenzdrucksensor auf, über den eine Druckdifferenz im Strömungskanal messbar ist. Dieser kann beispielsweise als Staurohr oder Düse ausgebildet werden. Des Weiteren weist die Messvorrichtung einen Feuchtigkeitssensor auf, über den die relative Feuchte des Gasstroms gemessen werden kann. Als Feuchtigkeitssensoren kann beispielsweise ein kapazitiver Dünnfilm-Polymersensor genutzt werden. Dessen Messwerte dienen zur Korrektur des gemessenen Drucks und der Dichte und damit des zu bestimmenden Durchflusses und geben darüber hinaus wichtige Anhaltspunkte zur Funktion der Brennstoffzelle. Des Weiteren ist in der Messvorrichtung ein Dichtesensor vorhanden, der beispielsweise als MEMS-Schwingsensor ausgeführt wird. Diese Dichtesensoren enthalten üblicherweise auch einen Temperatursensor. Bei diesen Sensoren ist die Stimmgabel vom Fluid umgeben und wird elektrisch in Schwingung versetzt. Durch die resultierende Resonanzfrequenz ist auf die Dichte des umgebenden Mediums zu schließen. Erfindungsgemäß ist an einem Fluidtrennbereich im Strömungsgehäuse eine Abzweigung ausgebildet, an der ein im Strömungsgehäuse ausgebildeter Messkanal vom Strömungskanal abzweigt. Entsprechend ist keine größere Einschnürung, die zu einem Druckverlust führen könnte, vorhanden. Dennoch strömen Partikel, wie Wassertropfen aufgrund ihrer Trägheit nicht in den abzweigenden Messkanal, sondern bewegen sich weiter auf gerader Bahn im Strömungskanal. An der begrenzenden Gehäusewand des Messkanals ist eine erste Anschlussöffnung ausgebildet, an der der Feuchtigkeitssensor angeschlossen ist und eine zweite Anschlussöffnung ausgebildet, an der der Dichtesensor angeschlossen ist, so dass sowohl der Feuchtesensor als auch der Dichtesensor vor Partikeln, wie Wassertropfen, weitestgehend geschützt ist, so dass beide Sensoren zuverlässige Messwerte liefern. Hinzu kommt, dass die gesamte Messvorrichtung sehr kompakt aufgebaut ist und das gesamte Strömungsgehäuse mit dem Strömungskanal, dem Messkanal und den entsprechenden Anschlussöffnungen sehr klein beispielsweise im 3D- Druck hergestellt werden kann. So ist auch eine nachträgliche Integration in bestehende Anodengaskreisläufe oder Wasserstoff beziehungsweise Stickstoff führende Leitungen möglich. The measuring device according to the invention for determining a nitrogen and/or hydrogen flow has a flow housing in which a flow channel is formed. The flow channel is tubular, for example. The measuring device has a differential pressure sensor, via which a pressure difference in the flow channel can be measured. This can be designed, for example, as a pitot tube or nozzle. Furthermore, the measuring device has a humidity sensor, via which the relative humidity of the gas flow can be measured. A capacitive thin-film polymer sensor, for example, can be used as a moisture sensor. Its measured values are used to correct the measured pressure and density and thus the flow rate to be determined, and also provide important information on the function of the fuel cell. Furthermore, a density sensor is present in the measuring device, which is embodied, for example, as a MEMS vibration sensor. These density sensors usually also contain a temperature sensor. In these sensors, the tuning fork is immersed in fluid and electrically vibrated. The density of the surrounding medium can be deduced from the resulting resonance frequency. According to the invention, a branch is formed at a fluid separation area in the flow housing, at which a measuring channel formed in the flow housing branches off from the flow channel. Accordingly, there is no major constriction that could lead to a pressure loss. Nevertheless, particles such as water droplets do not flow into the branching measuring channel due to their inertia, but continue to move on a straight path in the flow channel. A first connection opening, to which the humidity sensor is connected, and a second connection opening, to which the density sensor is connected, are formed on the limiting housing wall of the measuring channel, so that both the humidity sensor and the density sensor are largely protected from particles such as water drops. so that both sensors provide reliable readings. In addition, the entire measuring device has a very compact design and the entire flow housing with the flow channel, the measuring channel and the corresponding connection openings can be produced very small, for example using 3D printing. Subsequent integration into existing anode gas circuits or lines carrying hydrogen or nitrogen is also possible.

[0010] Die Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses ist dazu ausgebildet, entweder Stickstoff oder Wasserstoff oder eine Gasmischung aus Stickstoff und Wasserstoff zu messen. The measuring device for determining a nitrogen and/or hydrogen flow is designed to measure either nitrogen or hydrogen or a gas mixture of nitrogen and hydrogen.

[0011] Vorzugsweise ragt der Differenzdrucksensor in den Strömungskanal und weist zwei im Strömungskanal angeordnete Druckmessöffnungen auf, die mit einem Differenzdruckmessgerät fluidisch verbunden sind. The differential pressure sensor preferably protrudes into the flow channel and has two pressure measuring openings arranged in the flow channel, which are fluidically connected to a differential pressure measuring device.

[0012] Entsprechend kann der Differenzdrucksensor als Pitotrohr oder Prandtl-Staurohr ausgeführt werden, wobei die erste Druckmessöffnung zur Strömung weist und die andere DruckmessÖffnung entweder strömungsabgewandt oder senkrecht zur Strömung angeordnet ist, so dass an der zweiten Öffnung lediglich der statische Druck anliegt, wodurch die Differenz ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal darstellt. Ein solches Pitotrohr kann im 3D-Druck Accordingly, the differential pressure sensor can be designed as a Pitot tube or Prandtl pitot tube, with the first pressure measurement opening facing the flow and the other pressure measurement opening either facing away from the flow or arranged perpendicularly to the flow, so that only the static pressure is present at the second opening, whereby the Difference represents a measure of the flow velocity in the flow channel. Such a pitot tube can be 3D printed

einstückig mit dem Strömungsgehäuse hergestellt und so klein ausgeführt werden, dass der Druckverlust im Strömungskanal vernachlässigbar ist und nicht zu Rückwirkungen auf die Brennstoffzelle oder auch den Verbrennungsmotor führt. be made in one piece with the flow housing and made so small that the pressure loss in the flow channel is negligible and does not lead to repercussions on the fuel cell or the internal combustion engine.

[0013] Grundsätzlich können anstelle des Differenzdruckmessgerätes auch zwei Drucksensoren vorgesehen sein, wobei aus den Messwerten der beiden Drucksensoren eine Differenz gebildet wird. In principle, two pressure sensors can also be provided instead of the differential pressure measuring device, with a difference being formed from the measured values of the two pressure sensors.

[0014] Der Differenzdrucksensor ist vorzugsweise stromaufwärts des Fluidtrennbereiches im Strömungskanal angeordnet, so dass die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal und nicht die druckverlustbehaftete Strömungsgeschwindigkeit im Messkanal gemessen wird, wodurch Messfehler minimiert werden. The differential pressure sensor is preferably arranged upstream of the fluid separation region in the flow channel, so that the actual flow velocity in the flow channel and not the pressure-loss flow velocity in the measurement channel is measured, thereby minimizing measurement errors.

[0015] Vorzugsweise ist der Messkanal im Bereich der Abzweigung zumindest um 45°, vorzugsweise um 90°, zum Strömungskanal angestellt. Eine derartige Ablenkung führt dazu, dass die Partikel und Wassertropfen nicht in den Messkanal strömen, da die Trägheitskraft aufgrund der Masse dieser Teilchen größer ist als die treibende Strömungskraft in den Messkanal. [0015] Preferably, the measuring channel in the area of the branch is at least 45°, preferably 90°, to the flow channel. Such a deflection means that the particles and water droplets do not flow into the measuring channel, since the inertial force due to the mass of these particles is greater than the driving flow force into the measuring channel.

[0016] Im weiteren Verlauf ist stromabwärts der Abzweigung des Messkanals eine Umlenkung ausgebildet, von der aus sich der Messkanal im Wesentlichen parallel zum Strömungskanal erstreckt. Diese Umlenkung entspricht somit im Wesentlichen der Umlenkung des abzweigenden Messkanals vom Strömungskanal, jedoch in entgegengesetzter Richtung. So kann der Messkanal einstückig mit dem Strömungskanal hergestellt werden. Durch die parallele Strömungsführung wird auch der Platzbedarf minimiert. In the further course, a deflection is formed downstream of the junction of the measuring channel, from which the measuring channel extends essentially parallel to the flow channel. This deflection thus essentially corresponds to the deflection of the measuring channel branching off from the flow channel, but in the opposite direction. The measuring channel can thus be produced in one piece with the flow channel. The parallel flow guidance also minimizes the space requirement.

[0017] Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn unmittelbar stromaufwärts der Abzweigung eine Wölbung an einer Innenwand des Strömungskanals ausgebildet ist. Diese führt ebenfalls dazu, dass die in der Nähe der Abzweigung entlang strömenden Tropfen beziehungsweise Partikel von der Öffnung der Abzweigung weg weisend abgelenkt werden. Auf diese Weise werden auch Partikel mit einer noch geringeren Masse an der Öffnung der Abzweigung vorbeigeführt und somit zuverlässig eine Einströmung in den Messkanal verhindert, so dass die Partikel vom Dichtesensor und vom Feuchtesensor weggehalten werden. In addition, it is advantageous if a bulge is formed on an inner wall of the flow channel immediately upstream of the branch. This also has the effect that the drops or particles flowing along in the vicinity of the branch are deflected and pointing away from the opening of the branch. In this way, particles with an even lower mass are guided past the opening of the branch and thus reliably prevented from flowing into the measuring channel, so that the particles are kept away from the density sensor and the humidity sensor.

[0018] In einer bevorzugten Ausführungsform ist am Fluidtrennbereich der Strömungskanal in einen ersten Kanalabschnitt und einen zweiten kleineren Kanalabschnitt durch eine Trennwand getrennt, wobei der Messkanal am zweiten, kleineren Kanalabschnitt abzweigt. Die möglichst dünn auszuführende Trennwand verhindert oder vermindert zumindest eine Turbulenzbildung, die sich auf den Strömungskanal auswirkt und auch größere Partikel ungewollt ablenken könnte. So wird der Druckverlust minimiert und die Rückwirkung auf die Brennstoffzelle oder auch den Verbrennungsmotor reduziert. In a preferred embodiment, the flow channel is separated into a first channel section and a second, smaller channel section by a partition at the fluid separation area, with the measuring channel branching off at the second, smaller channel section. The partition wall, which is to be made as thin as possible, prevents or at least reduces the formation of turbulence, which affects the flow channel and could also unintentionally deflect larger particles. This minimizes the pressure loss and reduces the effect on the fuel cell or the combustion engine.

[0019] Vorzugsweise weist das Strömungsgehäuse eine Einlassöffnung auf, in die ein Wasserstoffstrom oder Stickstoffstrom aus einem Förderkanal eines Brennstoffzellensystems in die Messvorrichtung einströmt und eine Auslassöffnung auf, aus der der Wasserstoffstrom oder der Stickstoffstrom zurück in den Förderkanal des Brennstoffzellensystems strömt, so dass die gesamte Messvorrichtung einfach in ein bestehendes System durch Anschließen der Ein- und Auslassöffnung eingesetzt werden kann. The flow housing preferably has an inlet opening, into which a stream of hydrogen or nitrogen flows from a delivery channel of a fuel cell system into the measuring device, and an outlet opening, from which the stream of hydrogen or nitrogen flows back into the delivery channel of the fuel cell system, so that the entire Measuring device can easily be used in an existing system by connecting the inlet and outlet port.

[0020] In einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung führt von der zweiten Anschlussöffnung eine Leitung über den Dichtesensor zu einer Pumpe, über die der Wasserstoffstrom oder der Stickstoffstrom aus dem Messkanal über den Dichtesensor förderbar ist. Entsprechend kann kontinuierlich ein Gasstrom am Dichtesensor vorbeigeführt werden, so dass dieser zeitnah genaue Messergebnisse liefert. In a particularly preferred embodiment of the invention, a line leads from the second connection opening via the density sensor to a pump, via which the hydrogen stream or the nitrogen stream can be conveyed from the measuring channel via the density sensor. Accordingly, a gas stream can be continuously guided past the density sensor, so that it delivers precise measurement results in a timely manner.

[0021] In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist die Pumpe eine pulsationsfreie oder pulsationsarme Pumpe, beispielsweise3 eine Teslapumpe. Somit werden Druckpulsationen, die zu Dichtedifferenzen führen würden, zuverlässig vermieden oder zumindest minimiert. In a further embodiment, the pump is a pulsation-free or low-pulsation pump, for example a Tesla pump. In this way, pressure pulsations that would lead to density differences are reliably avoided or at least minimized.

[0022] Am Strömungsgehäuse ist vorteilhafterweise eine dritte Anschlussöffnung ausgebildet, in die die Leitung, in der die Pumpe angeordnet ist, mündet. Entsprechend kann der Gasstrom ein-A third connection opening is advantageously formed on the flow housing, into which the line in which the pump is arranged opens. Accordingly, the gas flow can

fach in den Strömungskanal zurückgeführt werden, so dass keine Entnahme erforderlich ist oder an den Systemleitungen zusätzliche Anschlüsse vorgenommen werden müssen. fold back into the flow channel, so that no extraction is necessary or additional connections have to be made to the system lines.

[0023] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die dritte Anschlussöffnung an der Gehäusewand des Messkanals ausgebildet ist, so dass der entnommene Gasstrom auch wieder dem Messkanal zugeführt wird. Entsprechend wird der gesamte dem Strömungskanal über den Messkanal entnommene Gasstrom gemeinsam wieder zurückgeführt, wodurch lediglich eine geringe Beeinflussung der Strömung entsteht, insbesondere, wenn der Messkanal stetig in den Strömungskanal übergeht, als in einem spitzen Winkel in diesem Zuströmbereich zum Strömungskanal angeordnet ist. It when the third connection opening is formed on the housing wall of the measuring channel, so that the extracted gas stream is fed back to the measuring channel is particularly advantageous. Accordingly, the entire gas flow taken from the flow channel via the measuring channel is returned together, which means that the flow is only slightly influenced, especially if the measuring channel merges steadily into the flow channel, as it is arranged at an acute angle in this inflow area to the flow channel.

[0024] Vorzugsweise ist der Feuchtesensor an der ersten Anschlussöffnung und der Dichtesensor an der zweiten Anschlussöffnung befestigt. So kann die gesamte Messvorrichtung vormontiert und als ein Teil eingebaut werden. Preferably, the humidity sensor is attached to the first connection opening and the density sensor is attached to the second connection opening. In this way, the entire measuring device can be preassembled and installed as one part.

[0025] Vorteilhaftweise ist der Differenzdrucksensor als Pitotrohr ausgebildet. Dieses kann sehr klein im 3D-Druck hergestellt werden und liefert je nach Ausführung über einen weiten Messbereich sehr genaue Messwerte. The differential pressure sensor is advantageously designed as a pitot tube. This can be produced on a very small scale using 3D printing and, depending on the design, delivers very precise measured values over a wide measuring range.

[0026] Des Weiteren sind am Strömungsgehäuse zwei Druckanschlussöffnungen ausgebildet, über die die Druckmessöffnungen des Pitotrohres mit dem Druckmessgerät fluidisch verbunden sind. So lässt sich das Druckmessgerät besonders einfach an der Messvorrichtung anordnen und somit ebenfalls integrieren. Furthermore, two pressure connection openings are formed on the flow housing, via which the pressure measuring openings of the pitot tube are fluidly connected to the pressure measuring device. In this way, the pressure measuring device can be arranged particularly easily on the measuring device and can therefore also be integrated.

[0027] Besonders bevorzugt ist es, wenn zumindest zwei Heizanschlussöffnungen am Strömungsgehäuse ausgebildet sind, die mit einem Heizkanal am Pitotrohr fluidisch verbunden sind, wodurch vorhandene Wassertropfen oder Eis aufgelöst werden kann, so dass Messfehler zuverlässig vermieden werden können. It is particularly preferred if at least two heating connection openings are formed on the flow housing, which are fluidically connected to a heating channel on the pitot tube, whereby existing water droplets or ice can be dissolved, so that measurement errors can be reliably avoided.

[0028] In einer hierzu weiterführenden Ausführung ist am Strömungsgehäuse eine erste Heizanschlussöffnung ausgebildet, über die Fluid in den Heizkanal strömt und eine zweite Heizanschlussöffnung ausgebildet, über die Fluid aus dem Heizkanal hinausströmt. Dieses Fluid ist insbesondere ein Heizfluid. Dabei kann zwischen den Heizanschlussöffnungen ein Wärmetauscher angeordnet werden, so dass dem Pitotrohr stetig ein warmer Fluidstrom zur Erwärmung im Kreislauf zugeführt werden kann. In a further embodiment of this, a first heating connection opening is formed on the flow housing, through which fluid flows into the heating channel, and a second heating connection opening is formed, through which fluid flows out of the heating channel. This fluid is in particular a heating fluid. In this case, a heat exchanger can be arranged between the heating connection openings, so that a warm fluid stream can be continuously supplied to the pitot tube for heating in the circuit.

[0029] Der Heizkanal ist dabei vorzugsweise zumindest abschnittsweise im Pitotrohr parallel zu den Druckmesskanälen angeordnet, so dass über die gesamte Höhe der Druckmesskanäle eine Aufheizung entsteht, durch die ein Einfluss von kondensierendem Wasser, Wassertropfen oder Eis zuverlässig verhindert werden kann. The heating channel is preferably arranged at least in sections in the pitot tube parallel to the pressure measuring channels, so that heating occurs over the entire height of the pressure measuring channels, through which an influence of condensing water, water drops or ice can be reliably prevented.

[0030] Es wird somit eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses geschaffen, die auch bei Anwesenheit von Wasser zuverlässige Messergebnisse liefert. Es wird sowohl ein Eindringen von Wasser in die Messkanäle vermieden, als auch vorhandenes Eis schnell abgetaut. Der vorhandene Druckverlust wird durch Minimierung der Strömungswiderstände verringert, so dass eine Rückwirkung auf einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle zuverlässig reduziert wird. Des Weiteren wird eine gute Auflösung der zu messenden Durchflüsse erreicht, so dass Messungen beispielsweise zwischen 10 und 1500l/min mit großer Genauigkeit durchgeführt werden können. Zusätzlich kann das Strömungsgehäuse mit dem Differenzdrucksensor und den Anschlüssen kostengünstig einstückig im 3D-Druckverfahren hergestellt und einfach in bestehende Anlagen integriert werden. [0030] A measuring device for determining a nitrogen and/or hydrogen flow is thus created, which also supplies reliable measuring results in the presence of water. Ingress of water into the measuring channels is avoided and existing ice is quickly thawed. The existing pressure loss is reduced by minimizing the flow resistance, so that any reaction on an internal combustion engine or a fuel cell is reliably reduced. Furthermore, a good resolution of the flow rates to be measured is achieved, so that measurements, for example, between 10 and 1500l/min can be carried out with great accuracy. In addition, the flow housing with the differential pressure sensor and the connections can be inexpensively manufactured in one piece using the 3D printing process and easily integrated into existing systems.

[0031] Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. An embodiment of a measuring device according to the invention for determining a nitrogen and / or hydrogen flow is shown in the figures and is described below.

[0032] Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung der Messvorrichtung mit schematisch dargestellten Sensoren. FIG. 1 shows a perspective view of the measuring device with sensors shown schematically.

[0033] Die Figur 2 zeigt eine Seitenansicht der Messvorrichtung aus Figur 1 mit schematisch dargestellten Sensoren und aufgeschnittener Strömungsgehäusewand. FIG. 2 shows a side view of the measuring device from FIG. 1 with the sensors shown schematically and the flow housing wall cut open.

[0034] Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses besteht aus einem Strömungskanal 10, der durch ein Strömungsgehäuse 12 mit einer Innenwand 14 radial begrenzt wird und durch den der Stickstoff- und/oder Wasserstoffstrom, beispielsweise aus einem Anodengaskreislauf einer PEM-Brennstoffzelle strömt. Entsprechend weist das Strömungsgehäuse 12 eine Einlassöffnung 16 auf, über die das Medium in die Messvorrichtung einströmt und eine Auslassöffnung 18 auf, über die das Medium den Strömungskanal 10 der Messvorrichtung wieder verlässt. Stromabwärts der Einlassöffnung 16 ragt in den Strömungskanal 10 ein Differenzdrucksensor 20, der in vorliegendem Ausführungsbeispiel als Pitotrohr 22 ausgebildet ist. Mittels des Pitotrohres 22 wird der dynamische Anteil des wirkenden Druckes beziehungsweise der Staudruck bestimmt, über den bei bekannter Dichte die mittlere Geschwindigkeit berechnet werden kann, welche wiederum mit dem Querschnitt des Strömungskanals in einen Durchfluss umgerechnet werden kann. Der Differenzdrucksensor 20 ist insbesondere als Differenzdrucksonde ausgebildet. The measuring device according to the invention for determining a nitrogen and/or hydrogen flow consists of a flow channel 10, which is radially delimited by a flow housing 12 with an inner wall 14 and through which the nitrogen and/or hydrogen flow, for example from an anode gas circuit of a PEM -Fuel cell flows. Correspondingly, the flow housing 12 has an inlet opening 16 through which the medium flows into the measuring device and an outlet opening 18 through which the medium leaves the flow channel 10 of the measuring device again. A differential pressure sensor 20 , which is designed as a pitot tube 22 in the present exemplary embodiment, protrudes into the flow channel 10 downstream of the inlet opening 16 . The dynamic component of the acting pressure or the dynamic pressure is determined by means of the Pitot tube 22, via which the average speed can be calculated when the density is known, which in turn can be converted into a flow rate using the cross section of the flow channel. The differential pressure sensor 20 is designed in particular as a differential pressure probe.

[0035] Das Pitotrohr 22 weist eine erste Druckmessöffnung 24 auf, die zur Strömung gerichtet ist, also über ihren gesamten Öffnungsquerschnitt orthogonal angeströmt wird. Bei der Ausführung des Pitotrohres 22 als Staurohr weist dieses eine zweite Druckmessöffnung 26 auf, die strömungsabgewandt angeordnet ist, jedoch in anderen Ausführungen auch einen Öffnungsquerschnitt aufweisen kann, der senkrecht zur Strömung liegt. In beiden Fällen liegt an der zweiten Druckmessöffnung 26 lediglich ein statischer Druck an, während an der ersten Druckmessöffnung 24 der Gesamtdruck, der aus dem statischen und dem dynamischen Anteil besteht, anliegt. Die gemessene Druckdifferenz ergibt entsprechend ein Maß für den dynamischen Anteil des Druckes beziehungsweise den Staudruck im Strömungskanal 10 und somit ein Maß für die Geschwindigkeit der Strömung im Strömungskanal 10. The pitot tube 22 has a first pressure measurement opening 24 which is directed towards the flow, ie the flow is orthogonal over its entire opening cross section. When the pitot tube 22 is designed as a pitot tube, it has a second pressure measurement opening 26 which is arranged away from the flow, but in other designs it can also have an opening cross section which is perpendicular to the flow. In both cases, only a static pressure is present at the second pressure measurement opening 26, while the total pressure, which consists of the static and the dynamic component, is present at the first pressure measurement opening 24. The measured pressure difference accordingly gives a measure of the dynamic part of the pressure or the dynamic pressure in the flow channel 10 and thus a measure of the speed of the flow in the flow channel 10.

[0036] Die erste Druckmessöffnung 24 führt in einen ersten, sich orthogonal zur Druckmessöffnung 24 und somit entlang der Länge des Pitotrohres 22 und orthogonal zur Mittelachse des Strömungskanals 10 erstreckenden Druckmesskanal 28, der an einer ersten Druckanschlussöffnung 29 am Strömungsgehäuse 12 endet, die mit einem Differenzdruckmessgerät 30 verbunden ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Drucktransmitter oder Druckmessumformer handeln, an dem der im Druckmesskanal 28 wirkende Druck in einer Messkammer wirkt, die durch eine Membran begrenzt ist, die durch den auf sie wirkenden Druck ausgelenkt wird, wobei die Auslenkung in eine Spannung umgewandelt wird, die wiederum ein Maß für den anliegenden Druck ist. The first pressure measurement opening 24 leads into a first pressure measurement duct 28, which extends orthogonally to the pressure measurement opening 24 and thus along the length of the pitot tube 22 and orthogonally to the central axis of the flow duct 10, which ends at a first pressure connection opening 29 on the flow housing 12, which is equipped with a Differential pressure gauge 30 is connected. This can be, for example, a pressure transmitter or pressure transducer on which the pressure acting in the pressure measuring channel 28 acts in a measuring chamber that is delimited by a membrane that is deflected by the pressure acting on it, with the deflection being converted into a voltage , which in turn is a measure of the applied pressure.

[0037] Die zweite Druckmessöffnung 26 führt in einen zweiten, sich ebenfalls orthogonal zur Druckmessöffnung 26 und somit entlang der Länge des Pitotrohres 22 und orthogonal zur Mittelachse des Strömungskanals 10 erstreckenden zweiten Druckmesskanal 32, der somit parallel zum ersten Druckmesskanal 28 verläuft und ebenfalls an einer Druckanschlussöffnung 33 mündet, die mit dem Differenzdruckmessgerät 30 verbunden ist. Bei Verwendung eines Drucktransmitters kann der Druck aus dem zweiten Druckmesskanal 28 beispielweise in eine zweite Messkammer geleitet werden, die ebenfalls durch die Membran begrenzt ist, jedoch an der gegenüberliegenden Seite der Membran wirkt, so dass die Auslenkung der Membran ein Maß für die anliegende Druckdifferenz ist. Selbstverständlich können aber auch andere Druckmessgeräte 30 verwendet werden. The second pressure measuring opening 26 leads into a second pressure measuring channel 32, which also extends orthogonally to the pressure measuring opening 26 and thus along the length of the pitot tube 22 and orthogonally to the central axis of the flow channel 10, which thus runs parallel to the first pressure measuring channel 28 and also at a Pressure port opening 33 opens, which is connected to the differential pressure gauge 30. When using a pressure transmitter, the pressure from the second pressure measuring channel 28 can be conducted, for example, into a second measuring chamber, which is also delimited by the membrane but acts on the opposite side of the membrane, so that the deflection of the membrane is a measure of the pressure difference present . Of course, other pressure gauges 30 can also be used.

[0038] Das Strömungsgehäuse 12 kann mit dem Pitotrohr 22 und den darin ausgestalteten Druckmesskanälen 28, 32 durch 3D-Druck hergestellt werden, wodurch Kanäle mit sehr kleinem Durchmesser realisierbar sind. Durch diese sehr kleinen Druckmessöffnungen 24, 26 und Druckmesskanäle 28, 32 wird der Strömungswiderstand im Strömungskanal 10 minimiert und die Wahrscheinlichkeit eines Eindringens von Wasser in die Druckmesskanäle 28, 32 deutlich reduziert, da die Oberflächenspannungen des Wassers überwunden werden müssten. Um jedoch auch eine Eisbildung an den Druckmessöffnungen 24, 26 oder in den Druckmesskanälen 28, 32 durch kondensierenden Wasserdampf und gefrierendes Wasser zu verhindern, wie es beispielsweise beim Ausschalten einer Brennstoffzelle im Wasserstoff-/Stickstoffgemisch auftreten kann, ist im Pitotrohr 22 zusätzlich zumindest ein Heizkanal 34 vorgesehen. The flow housing 12 can be produced with the pitot tube 22 and the pressure measurement channels 28, 32 configured therein by 3D printing, as a result of which channels with a very small diameter can be realized. These very small pressure measurement openings 24, 26 and pressure measurement channels 28, 32 minimize the flow resistance in the flow channel 10 and significantly reduce the probability of water penetrating into the pressure measurement channels 28, 32, since the surface tension of the water would have to be overcome. However, in order to prevent ice from forming on the pressure measurement openings 24, 26 or in the pressure measurement channels 28, 32 as a result of condensing water vapor and freezing water, as can occur, for example, when a fuel cell is switched off in the hydrogen/nitrogen mixture, there is also at least one heating channel in the pitot tube 22 34 provided.

[0039] Insbesondere in der Figur 2 ist zu erkennen, dass sich der Heizkanal 34 parallel zu den Druckmesskanälen 28, 32 erstreckt. Der Heizkanal 34 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Fluidheizkanal ausgebildet, in den über eine erste Heizanschlussöffnung 36 warmes Fluid in den Heizkanal 34 einströmt. Der Heizkanal 34 erstreckt sich durch das Strömungsgehäuse 12 in das Pitotrohr 22, wo sich der Heizkanal 34 zunächst parallel zu den Druckmesskanälen 28, 32 erstreckt und anschließend zu einer zweiten Heizanschlussöffnung 38 durch das Strömungsgehäuse 12 zurückgeführt wird. Die beiden Heizanschlussöffnungen 36, 38 sind über einen Wärmetauscher 40 miteinander verbunden, so dass das Heizfluid, welches aus der zweiten Heizanschlussöffnung 38 ausströmt im Wärmetauscher 40 erwärmt wird und zur ersten HeizanschlussÖffnung 36 und in den Heizkanal 34 strömt, wo es wieder abgekühlt wird und über die zweite Heizanschlussöffnung 38 erneut zum Wärmetauscher 40 strömt. Die auf diese Weise zugeführte Wärme wird im Staurohrkörper zu den Druckmesskanälen 28, 32 weitergeleitet und verhindert dort eine Eisbildung oder löst eine solche auf. It can be seen in particular in FIG. 2 that the heating channel 34 extends parallel to the pressure measuring channels 28 , 32 . In the present exemplary embodiment, the heating channel 34 is designed as a fluid heating channel, into which warm fluid flows via a first heating connection opening 36 . The heating channel 34 extends through the flow housing 12 into the pitot tube 22 where the heating channel 34 first extends parallel to the pressure measurement channels 28, 32 and then returns to a second heating port opening 38 through the flow housing 12. The two heating connection openings 36, 38 are connected to one another via a heat exchanger 40, so that the heating fluid which flows out of the second heating connection opening 38 is heated in the heat exchanger 40 and flows to the first heating connection opening 36 and into the heating channel 34, where it is cooled again and over the second heater port opening 38 flows to the heat exchanger 40 again. The heat supplied in this way is passed on in the pitot tube body to the pressure measuring channels 28, 32 and prevents or dissolves ice formation there.

[0040] Im weiteren Verlauf des Strömungskanals 10 ist ein Fluidtrennbereich am Strömungsgehäuse 12 ausgebildet. Dieser besteht aus einer Wölbung 44, die unmittelbar stromaufwärts einer Abzweigung 46 an der Innenwand 14 des Strömungsgehäuses 12 ausgebildet ist. In Strömungsrichtung betrachtet gleicher Höhe wie die Abzweigung 46 ist im Strömungskanal 10 eine dünne Trennwand 48 ausgebildet, die den Strömungskanal 10 in einen großen, ersten Kanalabschnitt 50 und einen kleinen, zweiten Kanalabschnitt 52 trennt, der lediglich einen geringen Ausschnitt am äußeren Rand des Strömungskanals 10 im Bereich der Wölbung 44 bildet. Die Abzweigung 46 erfolgt somit vom zweiten, kleineren Kanalabschnitt 52 aus und führt in einen Messkanal 54, der sich in diesem Bereich der Abzweigung 46 in einem Winkel von über 90° zur axialen Erstreckungsrichtung des Strömungskanals 10 erstreckt. Dies hat zur Folge, dass im Stickstoff- und/oder Wasserstoffstrom mitgeführte Partikel oder Wassertropfen zunächst durch die Wölbung in Richtung Mittelachse des Strömungskanals 10 umgelenkt werden. Partikel, die dennoch in den kleineren zweiten Kanalabschnitt 52 gelangen werden aufgrund ihrer Trägheit weiter geradeaus durch den zweiten Kanalabschnitt 52 strömen und nicht der über 90° zum Strömungskanal 10 angestellten Abzweigung 46 folgen. Die leichten Gasmoleküle gelangen jedoch aufgrund des vorhandenen Druckgefälles in den Messkanal 54, der im Folgenden innerhalb des Strömungsgehäuses 12 eine Umlenkung 56 von deutlich über 90° erfährt, so dass sich der Messkanal 54 im Folgenden allmählich einer zum Strömungskanal 10 paralleler Erstreckung annähern kann. An diesem im Strömungsgehäuse 12 ausgebildeten Messkanal 54 befindet sich in einer den Messkanal 54 begrenzenden Gehäusewand 58 eine erste Anschlussöffnung 60, an der ein Feuchtigkeitssensor 62 zur Messung der relativen Feuchte des geförderten Gasstroms befestigt werden kann, was lediglich schematisch dargestellt ist. Dieser Feuchtigkeitssensor 62 kann beispielsweise als kapazitiver Dünnfilm-Polymersensor ausgebildet werden. In the further course of the flow channel 10, a fluid separation area is formed on the flow housing 12. This consists of a bulge 44 which is formed immediately upstream of a branch 46 on the inner wall 14 of the flow housing 12 . A thin partition wall 48 is formed in the flow channel 10 at the same height as the junction 46 viewed in the direction of flow, which divides the flow channel 10 into a large, first channel section 50 and a small, second channel section 52, which only has a small section at the outer edge of the flow channel 10 in the area of the bulge 44 forms. The branch 46 thus takes place from the second, smaller channel section 52 and leads into a measuring channel 54 which extends in this area of the branch 46 at an angle of more than 90° to the axial direction of extent of the flow channel 10 . The consequence of this is that particles or water droplets carried along in the nitrogen and/or hydrogen stream are initially deflected by the curvature in the direction of the central axis of the flow channel 10 . Particles that nevertheless get into the smaller second channel section 52 will continue to flow straight ahead through the second channel section 52 due to their inertia and will not follow the branch 46 that is set at more than 90° to the flow channel 10 . Due to the existing pressure drop, however, the light gas molecules get into the measuring channel 54, which subsequently undergoes a deflection 56 of well over 90° within the flow housing 12, so that the measuring channel 54 can subsequently gradually approach an extent parallel to the flow channel 10. On this measuring channel 54 formed in the flow housing 12, in a housing wall 58 delimiting the measuring channel 54, there is a first connection opening 60, to which a humidity sensor 62 for measuring the relative humidity of the conveyed gas flow can be attached, which is only shown schematically. This humidity sensor 62 can be designed as a capacitive thin-film polymer sensor, for example.

[0041] Im weiteren Verlauf des Messkanals 54 ist in der Gehäusewand 58 eine zweite AnschlussÖffnung 64 ausgebildet. An dieser ist ein Dichtesensor 66 befestigt, der auch einen Temperatursensor enthält. Dieser Dichtesensor 66 kann beispielsweise als MEMS-Schwingsensor ausgebildet sein. Der Dichtesensor 66 wird durchströmt, wofür in einer Leitung 68, die vom Dichtesensor 66 beziehungsweise von der zweiten Anschlussöffnung 64 über den Dichtesensor 66 zu einer Pumpe 70 führt, die insbesondere als pulsationsfreie Teslapumpe ausgebildet ist und somit im Messkanal 54 ein zusätzliches Druckgefälle erzeugt, um den Wasserstoff- und/oder Stickstoffstrom zum Dichtesensor 66 zu fördern, ohne dabei Druckstöße zu erzeugen, die die Messergebnisse des Dichtesensors 66 verfälschen würden. A second connection opening 64 is formed in the housing wall 58 further along the measuring channel 54 . A density sensor 66, which also contains a temperature sensor, is attached to this. This density sensor 66 can be embodied as a MEMS vibration sensor, for example. Flow flows through density sensor 66, for which purpose in a line 68, which leads from density sensor 66 or from the second connection opening 64 via density sensor 66 to a pump 70, which is designed in particular as a pulsation-free Tesla pump and thus generates an additional pressure drop in measuring channel 54 in order to to promote the hydrogen and / or nitrogen flow to the density sensor 66 without generating pressure surges that would falsify the measurement results of the density sensor 66.

[0042] Die Leitung 68 führt im weiteren Verlauf stromabwärts der Pumpe 70 über eine dritte Anschlussöffnung 72 in der Gehäusewand 58 des Messkanals 54 in diesen, beziehungsweise mit diesem, in den Strömungskanal 10 zurück. Diese Einströmung erfolgt über einen sehr flachen Winkel, so dass Turbulenzen im Strömungskanal 10, die zu einem Druckverlust führen würden, vermieden werden. The line 68 leads further downstream of the pump 70 via a third connection opening 72 in the housing wall 58 of the measuring channel 54 into the latter, or back into the flow channel 10 with the latter. This inflow takes place over a very flat angle, so that turbulence in the flow channel 10, which would lead to a pressure loss, is avoided.

[0043] Mittels der über den Differenzdrucksensor 20 gemessenen Druckdifferenz und der daraus zu berechnenden Strömungsgeschwindigkeit, der über den Feuchtigkeitssensor 62 ermittelten relative Feuchte des Wasserstoff- und Stickstoffstroms sowie die mittels des Dichtesensors 66 [0043] By means of the pressure difference measured via the differential pressure sensor 20 and the flow rate to be calculated therefrom, the relative humidity of the hydrogen and nitrogen flow determined via the humidity sensor 62 and the density sensor 66

gemessenen Dichte kann nun in bekannter Weise kontinuierlich ein Durchfluss im Strömungskanal 10 berechnet werden. measured density, a flow in the flow channel 10 can now be continuously calculated in a known manner.

[0044] Die resultierenden Durchflusswerte liegen in kürzester Zeit mit sehr geringer Verzögerung und hoher Genauigkeit vor, da ein Einfluss von vorhandenen Partikeln oder Wassertropfen weitestgehend ausgeschlossen wird. Das Strömungsgehäuse kann mit dem Messkanal und dem Differenzdrucksensor einstückig im 3D-Druckverfahren hergestellt werden, so dass sehr kleine Querschnitte realisierbar sind. Eine Rückwirkung der Messvorrichtung auf die Brennstoffzelle oder den Verbrennungsmotor kann so weitestgehend ausgeschlossen werden, da Druckverluste fast vollständig vermieden werden. Die Messvorrichtung kann sowohl als stationäre, als auch als mobile Vorrichtung beispielswiese an Brennstoffzellen und zur Messung von Gasgemischen wie Wasserstoff und Stickstoff genutzt und auch nachträglich in bestehende Anlagen integriert werden. [0044] The resulting flow values are available in the shortest possible time with very little delay and high accuracy, since an influence of existing particles or water droplets is largely ruled out. The flow housing can be manufactured in one piece with the measuring channel and the differential pressure sensor using the 3D printing process, so that very small cross sections can be realized. A reaction of the measuring device on the fuel cell or the internal combustion engine can be ruled out as far as possible, since pressure losses are almost completely avoided. The measuring device can be used both as a stationary and as a mobile device, for example on fuel cells and for measuring gas mixtures such as hydrogen and nitrogen, and can also be subsequently integrated into existing systems.

[0045] Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist. Insbesondere können neben verschiedenen weiteren möglichen Formen des Strömungsgehäuses und des Messkanals auch unterschiedliche Ausführungen der verschiedenen Sensoren vorgesehen werden. It should be clear that the scope of protection is not limited to the described embodiments. In particular, in addition to various other possible forms of the flow housing and the measuring channel, different versions of the various sensors can also be provided.

Claims

patent claims

1. Measuring device for determining a nitrogen and / or hydrogen flow rate with a flow housing (12) in which a flow channel (10) is formed, a differential pressure sensor (20) via which a pressure difference in the flow channel (10) can be measured, a humidity sensor ( 62), and a density sensor (66), characterized in that a branch (46) is formed at a fluid separation area in the flow housing (12), at which a measuring channel (54) formed in the flow housing (12) branches off from the flow channel (10), a first connection opening (60) to which the moisture sensor (62) is connected and a second connection opening (64) to which the density sensor (66) is connected is formed on the limiting housing wall (58) thereof.

2. Measuring device for determining a nitrogen and/or hydrogen flow according to claim 1, characterized in that the differential pressure sensor (20) protrudes into the flow channel (10) and has two pressure measuring openings (24, 26) arranged in the flow channel (10) which a differential pressure gauge (30) are fluidically connected.

3. Measuring device for determining a nitrogen and/or hydrogen flow according to claim 1 or 2, characterized in that the differential pressure sensor (20) is arranged upstream of the fluid separation area in the flow channel (10).

4. Measuring device for determining a nitrogen and/or hydrogen flow according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring channel (54) in the region of the branch (46) is set at at least 45° to the flow channel (10).

5. Measuring device for determining a nitrogen and/or hydrogen flow rate according to claim 4, characterized in that a deflection (56) is formed downstream of the branch (46) of the measuring channel (54), from which the measuring channel (54) essentially extends extends parallel to the flow channel (10).

6. Measuring device for determining a nitrogen and/or hydrogen flow according to claim 4 or 5, characterized in that a bulge (44) is formed on an inner wall (14) of the flow channel (10) immediately upstream of the branch (46).

7. Measuring device for determining a nitrogen and/or hydrogen flow according to one of claims 4 to 6, characterized in that at the fluid separation area the flow channel (10) is divided into a first channel section (50) and a second, smaller channel section (52) by a partition ( 48) is separated, with the measuring channel (54) branching off at the second, smaller channel section (52).

8. Measuring device for determining a nitrogen and / or hydrogen flow according to any one of the preceding claims, characterized in that the flow housing (12) has an inlet opening (16) into which a hydrogen flow or nitrogen flow from a conveyor channel of a fuel cell system in the measuring

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11th 12th 13th 14th 15th 16th

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Austrian AT 524 543 B1 2022-07-15

direction and has an outlet opening (18) from which the hydrogen stream or the nitrogen stream flows back into the delivery channel of the fuel cell system.

Measuring device for determining a nitrogen and / or hydrogen flow according to any one of the preceding claims,

characterized in that

a line (68) leads from the second connection opening (64) via the density sensor (66) to a pump (70), via which the hydrogen stream or the nitrogen stream can be conveyed from the measuring channel (54) via the density sensor (66).

Measuring device for determining a nitrogen and / or hydrogen flow according to claim 9,

characterized in that

the pump (70) is a low-pulsation pump.

Measuring device for determining a nitrogen and / or hydrogen flow according to claim 9 or 10,

characterized in that

a third connection opening (72) is formed on the flow housing (12), into which the line (68) in which the pump (70) is arranged opens.

Measuring device for determining a nitrogen and / or hydrogen flow according to claim 11,

characterized in that

the third connection opening (72) is formed on the housing wall (58) of the measuring channel (54).

characterized in that

the humidity sensor (62) is attached to the first port (60) and the density sensor (66) is attached to the second port (64).

characterized in that

the differential pressure sensor (20) is designed as a pitot tube (22).

Measuring device for determining a nitrogen and / or hydrogen flow according to claim 14,

characterized in that

two pressure connection openings (29, 33) are formed on the flow housing (12), via which the pressure measuring openings (24, 26) of the pitot tube (22) are fluidly connected to the pressure gauge (30).

Measuring device for determining a nitrogen and / or hydrogen flow according to claim 14 or 15,

characterized in that

at least two heating connection openings (36, 38) are formed on the flow housing (12), which are fluidically connected to a heating channel (34) in the pitot tube (22).

Measuring device for determining a nitrogen and / or hydrogen flow according to claim 16,

characterized in that

a first heating connection opening (36) is formed on the flow housing (12) through which fluid flows into the heating channel (34) and a second heating connection opening (38) is formed through which fluid flows out of the heating channel (34).

18. Measuring device for determining a nitrogen and/or hydrogen flow according to claim 17, characterized in that the heating channel (34) is arranged at least in sections in the pitot tube (22) parallel to the pressure measuring channels (28, 32).

2 sheets of drawings