DE10117586A1 - Verfahren zur vorbeugenden Explosionsgefahrerkennung - Google Patents

Verfahren zur vorbeugenden Explosionsgefahrerkennung

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Abstract

Das Verfahren dient zur vorbeugenden Explosionsgefahrerkennung, vorzugsweise in einem Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem. Hierbei ist vorgesehen, dass zu einer Explosivgas-Ermittlung eine gasspezifische Schallgeschwindigkeitsmessung erfolgt. Bei dem Explosivgas kann es sich um Wasserstoff handeln. DOLLAR A Eine hierzu vorgesehene Explosivgas-Ermittlungseinrichtung (10) dient zum Nachweis von Wasserstoff in einem Gasgemisch und ist vorzugsweise mit einer Steuereinheit (18) des Fahrzeugs operativ wirkverbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur vorbeugenden Explosionsgefahrerkennung, vorzugsweise in einem Fahrzeug, insbesondere mit einem Brennstoffzellensystem, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Fahrzeug mit einem explosiven Betriebsmittel, vorzugsweise Wasserstoff für ein Brennstoffzellensystem, entsprechend Oberbegriff des Anspruchs 13 sowie ein Brennstoffzellensystem, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 15.
Verfahren und Fahrzeuge sowie Brennstoffzellensysteme der hier angesprochenen Art sind bereits bekannt. Da beim Betrieb mit explosiven Betriebsmitteln, z. B. Wasserstoff bei Brennstoffzellensystemen explosiver Brennstoff zum Einsatz kommt, werden an selbige beziehungsweise an entsprechend ausgerüstete Fahrzeuge besondere Sicherheitsanforderungen in Bezug auf eine Explosionsgefahr gestellt. Insbesondere ist es notwendig, eine eventuell auftretende Wasserstoff-Leckage in einem Brennstoffzellensystem vorzeitig zu detektieren, damit entsprechende Sicherheitsmaßnahmen rechtzeitig getroffen werden können.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur vorbeugenden Explosionsgefahrerkennung in einem Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, das zur Ermöglichung der rechtzeitigen Einleitung von geeigneten Sicherheitsmaßnahmen ein ausreichend schnelles Ansprechverhalten aufweist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Fahrzeug und ein entsprechendes Brennstoffzellensystem anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zu einer Explosivgas- Ermittlung eine gasspezifische Schallgeschwindigkeitsmessung erfolgt. Mittels einer an sich bekannten, jedoch bisher nicht in Brennstoffzellensystemen durchgeführten Schallgeschwindigkeitsmessung kann vorteilhafterweise nahezu instantan und besonders präzise die jeweilige Schallgeschwindigkeit eines Gasgemisches, zum Beispiel eines Wasserstoff-Luft-Gasgemisches, gemessen werden. Dabei ist dieses Messverfahren im Vergleich zu anderen, gängigen Verfahren in zuverlässiger und verhältnismäßig einfacher Weise durchführbar, da zum Beispiel ein gegebenenfalls bei Auftreten eines explosiven Gases gefährliches Vorheizen von Messelementen, wie beispielsweise bei bekannten Halbleiter-Messverfahren, bei katalytischen Messverfahren oder bei Messverfahren zur Ermittlung der thermischen Leitfähigkeit eines Gasgemisches, nicht notwendig ist. Ferner kommt es vorteilhafterweise bei Schallgeschwindigkeitsmessungen zu keinen Alterungserscheinungen, wie zum Beispiel bei Reaktionsflächen zur Durchführung von katalytischen Messverfahren. Auch das ebenfalls zur Bestimmung von Gaskonzentrationen bekannte elektrochemische Messverfahren ist verhältnismäßig starken Alterungsprozessen unterworfen. Aufgrund seines schnellen und zuverlässigen Ansprechverhaltens eignet sich eine gasspezifische Schallgeschwindigkeitsmessung besonders zur Detektierung eines Explosivgases in Fahrzeugen, da selbige im Gegensatz zu stationären, kontinuierlich betriebenen Anlagen mobil sind und zeitvariabel in Betrieb genommen werden. Die erwähnten gängigen Messverfahren sind dagegen nachteilhafterweise lediglich mit Zeitverzögerung durchführbar und somit nicht zu einem Einsatz in einem Fahrzeug geeignet. Bei dem Explosivgas handelt es sich insbesondere um Wasserstoff.
Mit Vorteil wird die Konzentration wenigstens von Wasserstoff in einem Gasgemisch ermittelt. Da die Schallgeschwindigkeit eines Gasgemisches von den Konzentrationen der einzelnen Gaskomponenten abhängt, kann in präziser Weise mittels einer Schallgeschwindigkeitsmessung die Konzentration von Wasserstoff (Explosivgas) in einem Gasgemisch (zum Beispiel Wasserstoff-Luft-Gemisch) ermittelt werden.
Entsprechend einer möglichen Ausführungsvariante wird zur Ermittlung der gasspezifischen Schallgeschwindigkeit eine Laufzeitdifferenz bestimmt, die ein abgegebenes Schallsignal zum Durchqueren einer Messlänge benötigt. Dabei kann das Schallsignal von einem Lautsprecher abgegeben werden, wobei die Messlänge durch den Abstand zwischen dem Lautsprecher und einem beabstandeten Mikrofon oder auch zwischen zwei zueinander beabstandete Mikrofone definiert ist. Eine derartige Anordnung ist in verhältnismäßig einfacher Weise in einem Brennstoffzellensystem integrierbar.
Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante wird zur Ermittlung der gasspezifischen Schallgeschwindigkeit eine stehende Schallwelle mit einer konstanten Wellenlänge und mit einer konstanten Frequenz erzeugt. Auch mittels diesem alternativen Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit kann in zuverlässiger und insbesondere wenigstens zeitverzögerungsreduzierter (praktisch zeitverzögerungsfreier) Weise eine eventuelle Wasserstoff-Leckage in einem Brennstoffzellensystem ermittelt werden.
Mit Vorteil erfolgt die Ermittlung der gasspezifischen Schallgeschwindigkeit im Ultraschallbereich. Hierdurch werden gegebenenfalls störende Geräuschbelästigungen im Fahrzeug vermieden.
Vorteilhafterweise wird zur Ermittlung der gasspezifischen Schallgeschwindigkeit eine Temperatureinflussbereinigung durchgeführt. Da die Schallgeschwindigkeit durch eine relativ starke Querabhängigkeit von der jeweils vorliegenden Gastemperatur gekennzeichnet ist, ist es notwendig, zur Durchführung einer präzisen Schallgeschwindigkeitsmessung und somit Wasserstoffkonzentrationsermittlung einen derartigen Temperatureinfluss auf die Messergebnisse zu korrigieren.
Vorzugsweise wird zur Ermittlung der gasspezifischen Schallgeschwindigkeit eine Gaskomponenten-Einflussbereinigung durchgeführt. Da auch die jeweiligen Gaskomponenten in einem Gasgemisch die Schallgeschwindigkeit des Gasgemischs beeinflussen, ist eine entsprechende Einflussbereinigung vorteilhaft zur Erzielung korrekter Messergebnisse. Derartige Gaskomponenten können beispielsweise Wasserdampf (Schallgeschwindigkeit = 410 m/s) oder CO2 (Schallgeschwindigkeit = 258 m/s) sein, welche ebenfalls in einem Brennstoffzellensystem auftreten.
Mit Vorteil werden zur Ermittlung der gasspezifischen Schallgeschwindigkeit die Wasserdampf-Konzentration und die CO2-Konzentration im Gasgemisch bestimmt. In dieser Weise ist eine für ein Brennstoffzellensystem geeignete Gaskomponenten- Einflussbereinigung möglich.
Vorzugsweise erfolgt die Wasserdampf- und CO2-Konzentrationsbestimmung mittels eines Infrarot-Messverfahrens. Das an sich bekannte Infrarot-Messverfahren erlaubt derartige dreiatomige Gase (Wasserdampf, CO2) aufgrund der unterschiedlichen Absorptionsbanden von Wasserdampf und CO2 selektiv in Bezug auf ihre Konzentration in einem Gasgemisch zu messen.
Die Explosivgas-Ermittlung kann kontinuierlich oder gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante verzögerungszeitreduziert in definierten Zeitintervallen mittels einer Steuereinheit gesteuert erfolgen. Dabei können mittels der Steuereinheit gegebenenfalls zu treffende Sicherheitsmaßnahmen im Fahrzeug beziehungsweise im Brennstoffzellensystem in schneller und zuverlässiger Weise umgesetzt werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird ferner ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13 vorgeschlagen. Das Fahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Explosivgas-Ermittlungseinrichtung zur Messung von gasspezifischen Schallgeschwindigkeiten vorgesehen ist. Mittels eines derartigen Fahrzeugs lassen sich die in Bezug auf das Verfahren vorerwähnten Vorteile erzielen.
Die Explosivgas-Ermittlungseinrichtung ist vorteilhafterweise zum Nachweis von Wasserstoff in einem Gasgemisch vorgesehen und mit einer Steuereinheit des Fahrzeugs operativ wirkverbunden. In dieser Weise ist es möglich, ein effektiv und verzögerungszeitfreies beziehungsweise reduziertes Explosionsgefahrerkennungssystem in einem Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem zu schaffen.
Schließlich wird zur Lösung der Aufgabe ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15 vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine Explosivgas-Ermittlungseinrichtung zur Messung von gasspezifischen Schallgeschwindigkeiten aufweist. Die in Bezug auf das Verfahren und das Fahrzeug vorerwähnten Vorteile sind auch in einem solchen Brennstoffzellensystem realisierbar.
Dabei wird noch einmal herausgestellt, daß das erfindungsgemäße Verfahren zur vorbeugenden Explosionsgefahrerkennung zwar beispielhaft für den Betrieb eines Fahrzeuges mit einem Brennstoffzellenantrieb beschrieben ist, aber alternativ für sämtliche Fälle anwendbar ist, bei denen explosive Betriebsmittel verwendet werden. Besonders geeignet ist das Verfahren zum Detektieren eines Wasserstoffaustrittes an Fahrzeugen, die diesen als Betriebsmittel verwenden, z. B. direkt als Brennstoff in einem Verbrennungsmotor umsetzen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. In einer einzigen Figur ist eine erfindungsgemäße Explosivgas-Ermittlungseinrichtung anhand eines Blockschaltbildes dargestellt.
Die Figur zeigt in schematischer Darstellung eine allgemein mit 10 bezeichnete Explosivgas-Ermittlungseinrichtung 10, welche mit einer Steuereinheit 18 eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem (nicht dargestellt) wirkverbunden ist. Die Explosivgas-Ermittlungseinrichtung 10 enthält einen Lautsprecher 12 und zwei Mikrofone 14, 16. Der Lautsprecher 12 ist um eine Messlänge I, vom Mikrofon 14 beabstandet, welches seinerseits um eine Messlänge 12 vom Mikrofon 16 beabstandet ist. Die Steuereinheit 18 ist mittels zugeordneter Datenübertragungsleitungen (Doppelpfeile 20, 22, 24) jeweils mit dem Lautsprecher 12, dem Mikrofon 14 und dem Mikrofon 16 operativ verbunden. Ferner ist die Steuereinheit 18 mittels weiterer Datenübertragungsleitungen (Pfeile 26, 28) mit weiteren, nicht dargestellten Funktionseinheiten des Brennstoffzellensystems beziehungsweise des Fahrzeugs wirkverbunden.
Die Explosivgas-Ermittlungseinrichtung 10 dient dazu, gegebenenfalls aufgrund einer Leckage auftretenden Wasserstoff (Explosivgas) im Brennstoffzellensystem beziehungsweise im Fahrzeug zeitverzögerungsfrei beziehungsweise -reduziert nachzuweisen. Mittels der Steuereinheit 18 kann die Explosivgas-Ermittlungseinrichtung 10 in definierten Zeitintervallen zu Explosivgas-Ermittlungen aktiviert werden. Dabei können die Zeitintervalle mittels der Steuereinheit 18 auch in Abhängigkeit von Betriebsdaten des Brennstoffzellensystems beziehungsweise des Fahrzeugs (beispielsweise lastbetriebsabhängig) festgelegt werden. Vorzugsweise ist die Explosivgas-Ermittlungseinrichtung 10 in dem Brennstoffzellensystem integriert.
Das Messprinzip zur Ermittlung von Schallgeschwindigkeiten eines Gasgemisches ist an sich bekannt und beruht auf der Tatsache, dass die gasgemischspezifische Schallgeschwindigkeit von der Konzentration der einzelnen Gasgemischkomponenten abhängt. Beispielsweise beträgt unter Normbedingungen die Schallgeschwindigkeit von Luft 331 m/s und von Wasserstoff 1.286 m/s.
Die Schallgeschwindigkeit eines Gases berechnet sich zu:
c = √KRT.
Dabei wird mit c die Schallgeschwindigkeit, mit K der Isentropenexponent, R die spezielle Gaskonstante und mit T die Temperatur bezeichnet. Für rein zweiatomige Gase beträgt K = 1,41, für Gemische aus ein-, zwei- oder mehratomigen Gasgemischen hängt K dagegen von den Konzentrationen der einzelnen Gasgemischkomponenten ab. Eine spezielle mittlere Gaskonstante Rm eines Gasgemisches berechnet sich zu:
Rm = ξiRi.
Dabei ist ξi der Massenanteil der Komponente i und
Ri = Ra/Mi,
mit der allgemeinen Gaskonstanten Ra und der Molmasse Mi der Komponenten i. Der Isentropenexponent eines Gasgemisches berechnet sich zu:
K = 1 + Rm/cν m.
cν m ist die mittlere spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen und berechnet sich zu:
cν m = Σξicν i.
Die Schallgeschwindigkeit eines Gasgemisches lässt sich messtechnisch unterschiedlich ermitteln. Entsprechend einer ersten Ausführungsvariante wird eine Laufzeitdifferenz Δt, bestimmt, die ein mittels des Lautsprechers 12 abgegebenes Schallsignal benötigt, um die Messstrecke l1 (Distanz zwischen Lautsprecher 12 und Mikrofon 14) beziehungsweise um eine Messstrecke l2 (Distanz zwischen Mikrofon 14 und Mikrofon 16) zu durchqueren. Die Schallgeschwindigkeit ergibt sich dann zu:
c = l/Δt.
Alternativ kann in einer Messstrecke eine stehende Schallwelle mit einer konstanten Wellenlänge λ und einer konstanten Frequenz f erzeugt werden. Die Schallgeschwindigkeit ergibt sich dann zu:
c = λf.
Vorteilweise wird bei beiden alternativen Messmethoden zur Messung der Schallgeschwindigkeit weder das Gas beziehungsweise das Gasgemisch beheizt, noch wird chemische Reaktionswärme frei. Daher entsteht kein zusätzliches Sicherheitsrisiko in Bezug auf eine nicht erwünschte Selbstentzündung des Gases beziehungsweise des Gasgemisches aufgrund von zusätzlich in das Brennstoffzellensystem zugeführter Wärme. Ferner ergeben sich vorteilhafterweise keine Alterungserscheinungen bei Durchführung von Schallgeschwindigkeitsmessungen, wie sie zum Beispiel bei Messverfahren unter Verwendung von katalytischen Reaktionsflächen auftreten können.
Schallgeschwindigkeitsmessungen sind somit besonders geeignet, zeitverzögerungsfrei beziehungsweise -reduziert im Rahmen eines steuerbaren Sicherheitssystems eine präzise Detektierung von Explosivgasen (Wasserstoff) in einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug zu gewährleisten.

Claims (15)

1. Verfahren zur vorbeugenden Explosionsgefahrerkennung, vorzugsweise in einem Fahrzeug mit einem explosiven Betriebsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer Explosivgas-Ermittlung eine gasspezifische Schallgeschwindigkeitsmessung erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Explosivgas Wasserstoff ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration wenigstens von Wasserstoff in einem Gasgemisch ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der gasspezifischen Schallgeschwindigkeit (c) eine Laufzeitdifferenz (Δt) bestimmt wird, die ein abgegebenes Schallsignal zum Durchqueren einer Messlänge (l1, l2) benötigt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schallsignal von einem Lautsprecher (12) abgegeben wird und die Messlänge (l1, l2) durch den Abstand zwischen dem Lautsprecher (12) und einem beabstandeten Mikrofon (14) oder zwischen zwei zueinander beabstandeten Mikrofonen (14, 16) definiert ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der gasspezifischen Schallgeschwindigkeit (c) eine stehende Schallwelle mit einer konstanten Wellenlänge (λ) und mit einer konstanten Frequenz (f) erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der gasspezifischen Schallgeschwindigkeit (c) im Ultraschallbereich erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der gasspezifischen Schallgeschwindigkeit (c) eine Temperatureinflussbereinigung durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der gasspezifischen Schallgeschwindigkeit (c) eine Gaskomponenten-Einflussbereinigung durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der gasspezifischen Schallgeschwindigkeit (c) die Wasserdampf-Konzentration und die CO2-Konzentration im Gasgemisch bestimmt werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserdampf- und CO2-Konzentrationsbestimmung mittels eines Infrarot- Messverfahrens erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Explosivgas-Ermittlung kontinuierlich oder verzögerungszeitreduziert in definierten Zeitintervallen mittels einer Steuereinheit (18) gesteuert erfolgt.
13. Fahrzeug mit einem explosiven Betriebsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass eine Explosivgas-Ermittlungseinrichtung (10) zur Messung von gasspezifischen Schallgeschwindigkeiten (c) vorgesehen ist.
14. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Explosivgas-Ermittlungseinrichtung (10) zum Nachweis des explosiven Betriebsmittels, vorzugsweise Wasserstoff in einem Gasgemisch vorgesehen und mit einer Steuereinheit (18) des Fahrzeugs operativ wirkverbunden ist.
15. Brennstoffzellensystem, mit einem explosiven Betriebsmittel, vorzugsweise Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Explosivgas- Ermittlungseinrichtung (10) zur Messung von gasspezifischen Schallgeschwindigkeiten (c) aufweist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2012130194A1 (en) * 2011-04-01 2012-10-04 Prochaska Ales Device for measuring oxygen concentration in gas mixtures containing helium and/or hydrogen

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