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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Wasserstoffkonzentration in einem Gasgemisch, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Grundsätzlich ist es bekannt Wasserstoffsensoren einzusetzen, um in einem Gasgemisch, insbesondere in einem Gasgemisch, welches in einem Leitungselement strömt, die Wasserstoffkonzentration zu ermitteln. Insbesondere bei Brennstoffzellensystemen, welche zahlreiche wasserstoffführende Leitungen aufweisen, ist die Verwendung von derartigen Wasserstoffsensoren sinnvoll und an bestimmten Stellen eines solchen Brennstoffzellensystems aus Sicherheitsgründen unerlässlich. Dementsprechend spielt eine sehr hohe Zuverlässigkeit der Messung eine sehr große Rolle für die gute Funktionalität eines derartigen Wasserstoffsensors. Nun ist es jedoch aus Gasgemischen in Leitungselementen eines Brennstoffzellensystems bekannt, dass diese neben verschiedenen Gasen auch Flüssigkeiten mitführen können. Insbesondere im Bereich der Brennstoffzelle entstandenes Produktwasser oder zur Befeuchtung der Gasströme eingesetzter Wasserdampf, welcher in den Leitungselementen gegebenenfalls auskondensieren kann. Gelangt nun Flüssigkeit in den Bereich des Wasserstoffsensors, so kann dies zu einer Fehlfunktion führen und eine sichere und zuverlässige Messung kann nicht mehr gewährleistet werden.
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Aus dem Abstract
JP 2007 30 99 08 A ist ein Wasserstoffsensor bekannt, welcher insbesondere zum Einsatz in einem Brennstoffzellensystem ausgebildet ist. Der Wasserstoffsensor selbst ist dabei von einem gebogenen Abschirmelement umgeben, welches in Richtung des anströmenden Gasgemischs geschlossen und in Richtung des abströmenden Gasgemischs offen ausgebildet ist. Der Wasserstoffsensor ist in Strömungsrichtung des Gasgemischs im Inneren dieses Abschirmelements, also in Strömungsrichtung des Gasgemischs, vor dessen Öffnung angeordnet. Flüssiges Wasser, welches durch das Gasgemisch mitgerissen wird, wird so nicht oder nur selten in den Bereich des Wasserstoffsensors gelangen, sodass dieser durch das Abschirmelement vor der Anströmung mit Flüssigkeit geschützt wird.
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Nachteilig bei diesem Aufbau ist es, dass durch das Abschirmelement und den in den Strömungsweg des Gasgemischs in dem Leitungselement eingebrachten Aufbau aus Abschirmelement und Wasserstoffsensor ein vergleichsweise hoher Druckverlust erzeugt wird, welcher im Hinblick auf den damit verursachten Leistungsverlust beziehungsweise Wirkungsgradverlust eines solchen Systems höchst unerwünscht ist.
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Ferner ist es aus der
WO 2008/116474 A1 bekannt, einen Wasserstoffsensor mit einer Beheizung auszustatten, um gegebenenfalls in den Bereich des Wasserstoffsensors gelangendes flüssiges Wasser zu verdampfen und so eine Benetzung der sensitiven Oberfläche mit Wasser zu vermeiden. In einem der Aufbauten ist dabei die Integration in einen Wasserabscheider beschrieben, wobei auch hier eine Verbindung zu dem den Wasserstoffsensor aufweisenden Volumen und dem Leitungselement, in welchem das Gasgemisch strömt, in Strömungsrichtung des Gasgemisches nach dem Wasserstoffsensor angeordnet ist, um so die Benetzung mit flüssigem Wasser zu verhindern. Allerdings hat dieser Aufbau den Nachteil, dass durch die Integration des Wasserstoffsensors in den Bereich des Wasserabscheiders dieser genau an einer Stelle angeordnet wird, in der besonders viel Flüssigkeit anfällt, sodass auch hier die Maßnahme, die Öffnung in Strömungsrichtung des Gasstroms nach dem Sensor anzuordnen, gegebenenfalls nicht ausreichend ist. Außerdem erfordert der Aufbau einen Wasserabscheider, welcher beispielsweise in einem Abluftstrom eines Brennstoffzellensystems, welcher typischerweise keinen Wasserstoff aufweist, vollkommen unerwünscht ist. Da hier jedoch über einen Wasserstoffsensor sichergestellt werden soll, dass kein Wasserstoff an die Umgebung gelangt, ist gerade ein solcher Wasserstoffsensor hochrelevant für die Sicherheit.
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Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erfassung der Wasserstoffkonzentration in einem Gasgemisch gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, welches die genannten Nachteile vermeidet und einen einfachen, effizienten Aufbau bereitstellt, welcher ohne nennenswerte Energieverluste in der Lage ist, die Wasserstoffkonzentration in dem Gasgemisch sicher und zuverlässig zu detektieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung an.
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Durch die erfindungsgemäße Aufteilung des Leitungselements, in welchem das Gasgemisch strömt, in zwei parallel verlaufende Teilelemente wird erreicht, dass der Querschnitt, der für die Strömung zur Verfügung steht, nicht oder nicht wesentlich verringert wird. Der Wasserstoffsensor kann dann in einem der Teilelemente so angeordnet werden, dass dieser in Strömungsrichtung des Gasstroms wiederum vor der Verbindung zwischen den beiden Teilelementen angeordnet ist. Damit wird sicher und zuverlässig eine Anströmung von flüssigen Wassertröpfchen in den Bereich des Wasserstoffsensors verhindert, da dieser durch eine Trennwand zwischen den beiden Teilelementen vor einer direkten Anströmung geschützt wird, aber dennoch mit dem Gasvolumen in Verbindung steht. Der Aufbau kann so mit minimalem Energieeinsatz und minimalem baulichem Aufwand eine sichere und zuverlässige Detektion unabhängig von eventuellen Wasserabscheidern oder ähnlichen Komponenten gewährleisten.
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In einer weiteren besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es dabei vorgesehen, dass die beiden Teilelemente zusammen zumindest denselben durchströmbaren Querschnitt aufweisen, wie als Leitungselemente in seinem Bereich vor der Verbindung. Damit wird das Auftreten von Druckverlusten durch die Integration des Wasserstoffsensors in das Leitungselement sicher und zuverlässig vermieden.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass das eine Teilelement mit dem Wasserstoffsensor einen größeren durchströmbaren Querschnitt aufweist, als das andere Teilelement. Damit wird sichergestellt, dass in jedem Fall eine ausreichende Gasmenge durch die Verbindung von dem einen Teilelement in das andere Teilelement strömt. So kann in dem Volumen, in welchem der Wasserstoffsensor angeordnet ist und welches von der Verbindungsstelle aus stromaufwärts des Gasstroms liegt, dennoch eine ausreichende Gasmenge sichergestellt werden, da immer eine ausreichende Gasmenge durch die Verbindungsöffnung in den Bereich des Teilelements mit dem geringeren Druckverlust strömen wird. Die Vorrichtung erlaubt so also die sichere und zuverlässige Detektion von Wasserstoff in einem in einem Leitungselement strömenden Gasgemisch. Sie ist besonders geeignet, um zur Erfassung der Wasserstoffkonzentration in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt zu werden.
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Eine besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in dem Brennstoffzellensystem liegt wiederum in dem Einsatz zur Erfassung der Wasserstoffkonzentration in der Abluft des Brennstoffzellensystems.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ihrer Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird.
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Dabei zeigen:
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1 ein stark schematisiertes Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug; und
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2 eine Darstellung einer möglichen Ausführungsform der Vorrichtung zur Erfassung der Wasserstoffkonzentration.
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In der Darstellung der 1 ist ein sehr stark vereinfachtes Brennstoffzellensystem 1 dargestellt, welches beispielsweise in einem hier prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 2 angeordnet sein soll. Das Brennstoffzellensystem 1 dient dem Fahrzeug 2 insbesondere dazu, mit Hilfe einer Brennstoffzelle 3, welche beispielsweise als Stapel von PEM-Brennstoffzellen aufgebaut ist, elektrischen Strom über die hier angedeuteten Leitungen 4 an ein prinzipmäßig angedeutetes Bordnetz 5 des Fahrzeugs 2 zu liefern. Die elektrische Leistung kann dann in dem Fahrzeug 2 beispielsweise für Antriebszwecke und/oder für elektrische Nebenverbraucher in dem Fahrzeug 2 eingesetzt werden. Die Brennstoffzelle 3 besteht in an sich bekannter und üblicher Art aus einem Anodenraum 6 und einem Kathodenraum 7. Dem Anodenraum 6 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 8 zugeführt. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt über eine Rezirkulationsleitung 9 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 10, beispielsweise ein Wasserstoffgebläse, zurück in den Bereich des Anodenraums 6, in welchen der rezirkulierte Gasstrom, vermischt mit frischem Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 8, einströmt. Dieser Aufbau einer sogenannten Anodenrezirkulation ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Dem Kathodenraum 7 der Brennstoffzelle 3 wird über einen Luftfilter 11 und eine Luftfördereinrichtung 12 Luft als sauerstoffhaltiges Gas zugeführt. Die aus dem Kathodenraum 7 abströmende Abluft verlässt das Fahrzeug 2 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Abluftleitung 13. Im Bereich der Abluftleitung 13 könnten bei Bedarf weitere Komponenten, wie beispielsweise eine Turbine zur Rückgewinnung von Druckenergie und thermischer Energie in der Abluft, angeordnet sein. Zur Vereinfachung der 1 ist auf die Darstellung von derartigen Komponenten, welche für die Erfindung nicht wesentlich sind, hier verzichtet worden.
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Im Bereich der Rezirkulationsleitung 9 der Anodenrezirkulation und den Anodenraum 6 der Brennstoffzelle 3 reichert sich mit der Zeit inertes Gas, insbesondere Stickstoff sowie im Bereich des Anodenraums 6 entstehendes Wasser an. Um die Wasserstoffkonzentration in dem Kreislauf um den Anodenraum 6 nicht unter einen kritischen Wert abfallen zu lassen, zweigt aus der Rezirkulationsleitung 9 eine Ablassleitung 14 ab, welche auch gerne mit dem englischsprachigen Begriff „Purge-Leitung 14'' bezeichnet wird. In dieser Purge-Leitung 14 befindet sich ein steuerbares Ventil 15. Von Zeit zu Zeit und/oder wenn eine gemessene Wasserstoffkonzentration in der Rezirkulationsleitung 9 beziehungsweise dem Anodenraum 6 unterschritten wird, wird dieses Ventil 15 in der Purge-Leitung 14 geöffnet und die inerten Gase strömen in diesem Fall in den Bereich der zu dem Kathodenraum 7 zugeführten Luft ab. Diese Einleitung an dieser Stelle hat den Vorteil, dass Wasserstoff, welcher unweigerlich immer über die Purge-Leitung 14 bis zu einem gewissen Teil mit abströmen wird, im Bereich der Elektrokatalysatoren des Kathodenraums 7 abreagieren kann. Um nun sicherzustellen, dass in der Abluftleitung 13 keine oder keine kritische Wasserstoffkonzentration vorliegt, ist zumindest im Bereich dieser Abluftleitung 13 ein Wasserstoffsensor 16 vorgesehen, auf welchen später noch näher eingegangen wird. Neben dem hier beispielhaft dargestellten Wasserstoffsensor 16 sind auch andere Wasserstoffsensoren im Bereich des Brennstoffzellensystems 1 denkbar und üblich, beispielsweise ein Wasserstoffsensor zur Ermittlung der Wasserstoffkonzentration im Bereich der Rezirkulationsleitung 9. Für diesen gilt prinzipiell das später noch gesagte analog.
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Der Wasserstoffsensor 16 im Bereich der Abluftleitung 13 ist nun besonders kritisch, da ein Versagen dieses Wasserstoffsensors 16 unweigerlich zu einer gegebenenfalls sicherheitsrelevanten Emission von Wasserstoff entweder über die Purge-Leitung 14 oder eine Undichtheit zwischen dem Anodenraum 3 und dem Kathodenraum 7 an die Umgebung des Fahrzeugs 2 führen würde. Seine sichere und zuverlässige Funktionalität ist daher in jedem Fall zu gewährleisten. Nun ist es so, dass in der Abluftleitung 13 neben der an Sauerstoff abgereicherten Luft aus dem Kathodenraum 7 und den in die Purge-Leitung 14 eingetragenen Gasen typischerweise auch das in der Brennstoffzelle entstehende Produktwasser teils in gasförmiger und teils in feinverteilter flüssiger Form mitgerissen wird. Wie eingangs bereits erläutert wurde, ist diese in dem Gasstrom mitgerissene Flüssigkeit für den Wasserstoffsensor 16 besonders kritisch, insbesondere wenn diese Flüssigkeit die sensitive Oberfläche des Wasserstoffsensors 16 benetzt und so zu Fehlmessungen führt. Wird aufgrund einer solchen Fehlmessung eine sicherheitsrelevante Wasserstoffkonzentration der Abluftleitung 13 detektiert, kann es zu einer Notabschaltung des Brennstoffzellensystems 1 kommen, welche für den Nutzer des Fahrzeugs 2 außerordentlich ärgerlich ist, insbesondere wenn sie eigentlich nicht notwendig war, sondern lediglich durch einen Messfehler aufgrund eines mit Flüssigkeit benetzten Wasserstoffsensors 16 erfolgt ist.
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In der Darstellung der 2 ist nun eine Vorrichtung 17 zur Erfassung der Wasserstoffkonzentration in einem Gasgemisch zu erkennen. Diese soll beispielhaft wiederum im Bereich der Abluftleitung 13 angeordnet sein, welche neben dem Gasgemisch dampfförmiges und durch die Pfeile dargestelltes flüssiges Wasser in feinverteilten Tröpfchen mit sich führt. Die Vorrichtung 17 umfasst insbesondere den Wasserstoffsensor 16 mit seinem sensitiven Messbereich 18. Der Aufbau der Vorrichtung 17 ist nun so gestaltet, dass die Abluftleitung 13 sich in zwei Teilelemente 13.1 und 13.2 aufteilt, wobei in dem Teilelement 13.2 der sensitive Bereich 18 des Wasserstoffsensors 16 angeordnet ist. Die Vorrichtung 17 kann dabei bevorzugt in einem Bereich angeordnet sein, in dem sich der Querschnitt der Abluftleitung 13 ohnehin erweitert, wie hier durch den Abschnitt 13.3 angedeutet. Dies kann beispielsweise die Zusammenführung von mehreren Abluftleitungen 13, beispielsweise beim Einsatz von mehreren Brennstoffzellensystemen 1 in einem Fahrzeug 2 sein. Der Aufbau mit der Erweiterung des Querschnitts im Bereich 13.3 gegenüber dem Bereich 13.1 ist dabei jedoch rein beispielhaft zu verstehen. Für die Funktionalität der Vorrichtung 17 entscheidend ist der Aufbau mit den zwei Teilelementen 13.1 und 13.2. Diese laufen zumindest über eine gewisse Strömungslänge parallel zueinander. Eine Verbindung 19 zwischen den beiden Teilelementen 13.1 und 13.2 ist dabei in der durch den Pfeil A angedeuteten Strömungsrichtung des Gasgemischs nach dem Wasserstoffsensor 16 beziehungsweise dessen sensitivem Bereich 18 angeordnet. Der durchströmbare Querschnitt wird dabei für den Gasstrom nicht verringert, sondern bleibt zumindest gleich oder wird wie in der hier dargestellten Ausführungsform durch das zweite Teilelement 13.2 sogar vergrößert.
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Damit ist sichergestellt, dass der Gasstrom in der Abluftleitung 13 ohne zusätzliche Druckverluste durch die Konstruktion der Vorrichtung 17 das Leistungselement 13 durchströmen kann. Dadurch, dass die sensitive Oberfläche 18 des Wasserstoffsensors 16 von einem Teil der Wandung zwischen den Teilelementen 13.1 und 13.2 des Leitungselements 13 überdeckt wird, kann der sensitive Bereich 18 nicht unmittelbar von flüssigem Wasser angeströmt werden. Vielmehr wird eventuelles flüssiges Wasser in den beiden Teilelementen 13.1 und 13.2 des Leitungselements 13 in Strömungsrichtung A mit fortgerissen, sodass eine Benetzung des sensitiven Bereiches 18 sicher und zuverlässig unterbunden wird. Um dies in jedem Fall sicherzustellen, ist eine ausreichende Überdeckung des sensitiven Bereichs 18 des Wasserstoffsensors 16 mit der zwischen den Teilelementen 13.1 und 13.2 liegenden Wandung sicherzustellen. Der Abstand der Verbindung 19 zu dem sensitiven Bereich 18 sollte daher in bevorzugter Ausführungsform das zwei- bis dreifache des Durchmessers des sensitiven Bereichs 18 betragen.
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In der Darstellung der 2 ist außerdem zu erkennen, dass das Teilelement 13.1 seinen durchströmbaren Querschnitt in Richtung A nach der Verbindung 19 geringfügig verringert, während der Querschnitt des Teilelements 13.2 des Leitungselements 13 sich geringfügig vergrößert. Damit wird ein sicheres und zuverlässiges Einströmen des Gasgemischs durch die Verbindung 19 in den Bereich des Teilelements 13.2 mit dem Wasserstoffsensor 16 gewährleistet, sodass immer auch sichergestellt ist, dass das aktuell in dem Leitungselement 13 strömende Gasgemisch auch im Bereich des Wasserstoffsensors 16 vorliegt.
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Insgesamt ist dieser Aufbau sehr einfach und gewährleistet so mit minimalem Einsatz an Kosten und Bauraum eine bestmögliche Funktionalität des Wasserstoffsensors.
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Zusätzlich kann dieser außerdem, wie beispielsweise in der eingangs erwähnten
WO 2008/116474 A1 beschrieben, mit einer zusätzlichen Beheizung, beispielsweise einem elektrischen Heizer im Bereich der sensitiven Oberfläche
18, ausgerüstet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2007309908 A [0003]
- WO 2008/116474 A1 [0005, 0023]
