DE102009056331A1 - Wasserstoffsensor sowie Erfassungsverfahren einer Wasserstoffkonzentration - Google Patents

Wasserstoffsensor sowie Erfassungsverfahren einer Wasserstoffkonzentration Download PDF

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Abstract

Ein Wasserstoffsensor umfasst einen Träger mit einem ersten Temperatursensor, einem Heizelement sowie einer Auswerteeinheit. Weiterhin umfasst der Wasserstoffsensor eine Massenstromreduktionsvorrichtung mit der ein den ersten Temperatursensor und das Heizelement überströmender Gasmassenstrom reduzierbar ist. Mit der Auswerteeinheit ist aufgrund einer von dem ersten Temperatursensor erfassbaren ersten Temperatur eine Wasserstoffkonzentration in einem Gas oder Gasgemisch ermittelbar. Weiterhin sind ein Erfassungsverfahren einer Wasserstoffkonzentration mit dem Wasserstoffsensor sowie ein Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb beschrieben, das den Wasserstoffsensor aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wasserstoffsensor, ein Erfassungsverfahren einer Wasserstoffkonzentration mit dem Wasserstoffsensor sowie ein Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb, das den Wasserstoffsensor aufweist.
  • Wasserstoffsensoren messen einen Wasserstoffanteil in einem Gas oder Gasgemisch üblicherweise gemäß dem Prinzip der elektrochemischen Zelle oder es werden chemisch sensitive Schichten verwendet, beispielsweise ein Lundström-FET. Diese Messprinzipien eignen sich üblicherweise für die Detektion von Wasserstoff.
  • Ein besonderes Einsatzgebiet für Wasserstoffsensoren sind Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb. In diesen Kraftfahrzeugen sind Wasserstoffsensoren erforderlich, da Wasserstoff hochentzündlich ist. Daher ist es erforderlich, eine Konzentration an Wasserstoff in der Umgebung der Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb zu messen.
  • Üblicherweise besteht bei atmosphärischen Druck und einem Wasserstoffvolumenanteil zwischen 4 Vol.-% und 77 Vol.-% Explosionsgefahr. Diese kritischen Konzentrationen können insbesondere in einem Leckagefall beispielsweise des Wasserstofftanks oder einer Wasserstoffleitung auftreten. Aus diesem Grund sind Wasserstoffsensoren, die den Wasserstoffgehalt in der Umgebung überwachen, ein wesentlicher Bestandteil einer Sicherheitsarchitektur eines Kraftfahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb.
  • Ein Nachteil der eingangs genannten Wasserstoffsensoren mit elektrochemischer Zelle oder chemisch sensitiven Schichten ist, dass keiner dieser Sensoren die Anforderungen der Automobilindustrie im Hinblick auf Lebensdauer, Messbereich, Alterung, Querempfindlichkeit, Ansprechzeit, Messempfindlichkeit und Preis vollständig erfüllt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Optimierung eines Wasserstoffsensors im Hinblick auf den automobilen Einsatz im Vergleich zum Stand der Technik sowie das Bereitstellen eines Erfassungsverfahrens einer Wasserstoffkonzentration mit dem Wasserstoffsensor sowie eines Brennstoffzellenfahrzeugs mit dem Wasserstoffsensor.
  • Die obige Aufgabe wird gelöst durch einen Wasserstoffsensor gemäß Anspruch 1, ein Erfassungsverfahren einer Wasserstoffkonzentration mit dem erfindungsgemäßen Wasserstoffsensor gemäß Anspruch 6 sowie ein Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb gemäß Anspruch 11. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen sowie den Unteransprüchen.
  • Ein erfindungsgemäßer Wasserstoffsensor umfasst: einen Träger, an dem ein erster Temperatursensor, ein benachbart zu dem ersten Temperatursensor angeordnetes Heizelement sowie eine Auswerteeinheit angeordnet sind, und eine Massenstromreduktionsvorrichtung, so dass ein Gasmassenstrom, mit dem der erste Temperatursensor und das Heizelement überströmt werden, reduzierbar ist, wobei mit der Auswerteeinheit aufgrund einer von dem ersten Temperatursensor erfassbaren ersten Temperatur eine Wasserstoffkonzentration in einem Gas oder Gasgemisch ermittelbar ist.
  • Auf einem Träger sind ein erster Temperatursensor, ein Heizelement und eine Auswerteeinheit angeordnet. Der erste Temperatursensor und das Heizelement sind benachbart zueinander angeordnet. Mit dem Heizelement ist ein über dem Heizelement oder über dem Träger befindliches Gas oder Gasgemisch erwärmbar, während mit dem ersten Temperatursensor eine erste Temperatur erfassbar ist. Der erste Temperatursensor kann eine mäanderförmige Struktur aufweisen.
  • Aufgrund der erfassten ersten Temperatur und unter Berücksichtigung des erwärmten Heizelements ist mit der Auswerteeinheit eine Wasserstoffkonzentration in dem Gas oder Gasgemisch ermittelbar. Dies kann beispielsweise aufgrund eines in der Auswerteeinheit hinterlegten Kennfelds erfolgen, insbesondere aufgrund eines Wasserstoffkonzentrations-Temperatur-Kennfelds.
  • Der erste Temperatursensor und das Heizelement sind beispielsweise auf einer ersten Seite des Trägers angeordnet. Die Auswerteeinheit ist in diesem Fall auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite angeordnet. Insbesondere sind das Heizelement und der erste Temperatursensor auf einer rückseitengeätzten Siliziummembran als Träger in Mikrosystem-Bauweise (MEMS-Bauweise) integriert.
  • Weiterhin weist der Wasserstoffsensor eine Massenstromreduktionsvorrichtung auf. Mit der Massenstromreduktionsvorrichtung ist ein Gasmassenstrom reduzierbar, mit dem der erste Temperatursensor und das Heizelement überströmt werden. Wird der Wasserstoffsensor beispielsweise in einem Kraftfahrzeug verwendet, dann ist der Wasserstoffsensor aufgrund der Massenstromreduktionsvorrichtung nicht direkt in einer Hauptleitung montiert, sondern dem Wasserstoffsensor ist über die Massenstromreduktionsvorrichtung ein Anteil des Gasmassenstroms der Hauptleitung zuführbar. Auf diese Weise ist der Gasmassenstrom, mit dem der erste Temperatursensor und das Heizelement überströmt werden, reduziert. Weitere Eigenschaften der Massenstromreduktionsvorrichtung werden anhand der Beschreibung eines Erfassungsverfahrens einer Wasserstoffkonzentration verdeutlicht.
  • Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Wasserstoffsensors ist, dass dieser Wasserstoffsensor keine chemische Reaktion mit Wasserstoff benötigt, beispielsweise an sensitiven Schichten. Dies vereinfacht den Aufbau des Wasserstoffsensors im Vergleich zum Stand der Technik. Daher ist der erfindungsgemäße Wasserstoffsensor kostengünstiger im Vergleich zu den Wasserstoffsensoren gemäß Stand der Technik. Ein weiterer Vorteil ist ein grundsätzlich anderes Messverfahren, da mit der Temperatur eine physikalische Eigenschaft des Gases erfasst wird, im Gegensatz zu den Wasserstoffsensoren gemäß Stand der Technik, in denen aufgrund einer chemische Wechselwirkung der in einem Gas oder Gasgemisch enthaltenen Wasserstoff ermittelt wird.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Massenstromreduktionsvorrichtung eine an dem Träger angeordnete Leitung. Wie bereits oben dargelegt, kann der Wasserstoffsensor auf diese Weise entfernt von einem Hauptgasmassenstrom angeordnet werden, wenn er in einem Kraftfahrzeug verwendet wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Wasserstoffsensor einen an dem Träger angeordneten zweiten Temperatursensor auf. Der zweite Temperatursensor ist so auf dem Träger angeordnet, dass das Heizelement zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursensor angeordnet ist. Der zweite Temperatursensor kann ebenfalls eine mäanderförmige Struktur aufweisen, wie der erste Temperatursensor.
  • Durch die Verwendung eines zweiten Temperatursensors kann eine zweite Temperatur erfasst werden, was die Genauigkeit des Wasserstoffsensors erhöht. Der erste und zweite Temperatursensor sowie das Heizelement sind insbesondere so angeordnet, dass bei einem Überströmen des Wasserstoffsensors mit einem Gas oder Gasgemisch einer der Temperatursensoren in Strömungsrichtung des Gases oder Gasgemischs vor dem Heizelement angeordnet ist und der andere der Temperatursensoren in Strömungsrichtung hinter dem Heizelement.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die an dem Träger angeordnete Leitung sowohl um den ersten als auch um den zweiten Temperatursensor sowie das Heizelement angeordnet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass alle drei Elemente mit einem reduzierten Gasmassenstrom angeströmt werden können.
  • Besonders vorteilhaft ist weiterhin die Ausgestaltung der Massenstromreduktionsvorrichtung als Bypassleitung oder Sackloch, die einen Anteil eines Gasmassenstroms einer Hauptleitung zu dem Wasserstoffsensor leiten. Insbesondere ist der Anteil des Gasmassenstroms, der dem Wasserstoffsensor über die Massenstromreduktionsvorrichtung zugeführt wird, nicht größer als 2 kg/h. Zur Überprüfung dieses Massenstroms kann zusätzlich ein Massenstrommesser an der Massenstromreduktionsvorrichtung angeordnet sein.
  • Ein Erfassungsverfahren einer Wasserstoffkonzentration weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Wasserstoffsensors, insbesondere eines erfindungsgemäßen Wasserstoffsensors, umfassend: einen Träger, an dem ein erster Temperatursensor, ein benachbart zu dem ersten Temperatursensor angeordnetes Heizelement sowie eine Auswerteeinheit angeordnet sind, und eine Massenstromreduktionsvorrichtung, so dass ein Gasmassenstrom, mit dem der erste Temperatursensor und das Heizelement überströmt werden, reduzierbar ist, Überströmen des Wasserstoffsensors mit einem Gas oder Gasgemisch, wobei das Überströmen mit einem reduzierten Gasmassenstrom erfolgt, und Erwärmen des Heizelements, Erfassen und Übermitteln einer ersten Temperatur mittels des ersten Temperatursensors an die Auswerteeinheit, Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration aufgrund der erfassten und übermittelten ersten Temperatur unter Berücksichtigung des erwärmten Heizelements.
  • Ein Erfassungsverfahren einer Wasserstoffkonzentration verwendet den eingangs beschriebenen erfindungsgemäßen Wasserstoffsensor. Der Wasserstoffsensor wird mit einem Gas oder Gasgemisch überströmt. Das Überströmen erfolgt mit einem aufgrund einer Massenstromreduktionsvorrichtung reduzierten Gasmassenstrom. Die Massenstromreduktionsvorrichtung leitet beispielsweise einen Anteil eines Gasmassenstroms einer Hauptleitung zu dem Wasserstoffsensor. Der Anteil des zu dem Wasserstoffsensor geleiteten Gasmassenstroms ist insbesondere ≤ 2 kg/h.
  • Während der Wasserstoffsensor überströmt wird, wird das Heizelement erwärmt. Das Heizelement erwärmt sowohl den Gasmassenstrom als auch mindestens teilweise den Träger. Insbesondere findet eine Wärmeleitung von dem Heizelement zu dem ersten Temperatursensor statt. Zur Unterstützung dieser Wärmeleitung weist der Träger ein Material mit wärmeleitenden Eigenschaften wie beispielsweise Silizium auf. Der Träger kann auch aus einer Siliziummembran bestehen. Die Erwärmung des Gasmassenstroms erfolgt insbesondere mittels freier Konvektion.
  • Der erste Temperatursensor erfasst eine erste Temperatur und übermittelt diese an eine Auswerteeinheit des Wasserstoffsensors. Die erfasste erste Temperatur setzt sich, wie oben dargelegt, aus einer Wärmeleitungskomponente und einer Konvektionskomponente zusammen.
  • Ausgehend von der erfassten und übermittelten ersten Temperatur und unter Berücksichtigung des erwärmten Heizelements wird eine Wasserstoffkonzentration in dem Gas oder Gasgemisch in der Auswerteeinheit ermittelt. Beispielsweise wird die Wasserstoffkonzentration aus einem Kennfeld ermittelt, insbesondere aus einem Wasserstoffkonzentrations-Temperatur-Kennfeld.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Erfassungsverfahren sind die oben genannten Vorteile zu dem erfindungsgemäßen Wasserstoffsensor realisierbar. Insbesondere ist keine chemische Reaktion mit Wasserstoff an einer Sensoroberfläche erforderlich, um eine Wasserstoffkonzentration zu ermitteln.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Erfassungsverfahren die weiteren Schritte auf: Vergleichen der ermittelten Wasserstoffkonzentration mit einem vorgebbaren Wasserstoffkonzentrationsgrenzwert und Ausgeben eines Warnsignals bei Überschreiten des vorgebbaren Wasserstoffkonzentrationsgrenzwerts. Der Wasserstoffsensor wird beispielsweise in einem Kraftfahrzeug verwendet, wie oben ausgeführt. Das Erfassungsverfahren kann beispielsweise in einer Steuereinheit des Kraftfahrzeugs ausgeführt werden. Wird in diesem Fall ein vorgebbarer Wasserstoffkonzentrationsgrenzwert überschritten, kann das Erfassungsverfahren beispielsweise einem Fahrer des Kraftfahrzeugs das Überschreiten des Wasserstoffkonzentrationsgrenzwerts anzeigen. Zusätzlich oder alternativ kann eine Steuereinheit des Kraftfahrzeugs aufgrund des Warnsignals beispielsweise für ein Öffnen von Fenstern eines Fahrgastraums des Kraftfahrzeugs sorgen.
  • Vorteilhaft ist insbesondere, wenn der Wasserstoffkonzentrationsgrenzwert 2 Vol.-% beträgt. Wie eingangs erläutert, liegt die Explosionsgrenze bei Wasserstoff zwischen einer Konzentration von 4 Vol.-% und 77 Vol.-% bei atmosphärischem Druck. Ein Wasserstoffkonzentrationsgrenzwert von 2 Vol.-% bietet somit genug Abstand zu einem Explosionsgrenzwert von 4 Vol.-%.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren die weiteren Schritte auf: Erfassen und Übermitteln einer zweiten Temperatur mittels eines zweiten auf dem Träger angeordneten Temperaturfühlers an die Auswerteeinheit. Vorteilhafterweise wird die Wasserstoffkonzentration dann mittels einer Summe der erfassten ersten und zweiten Temperatur ermittelt. Auf diese Weise kann jeweils eine Messgenauigkeit des Wasserstoffsensors im Vergleich zur Verwendung eines einzelnen Temperatursensors verbessert werden.
  • Ein Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb weist einen erfindungsgemäßen Wasserstoffsensor auf. Auf diese Weise weist das Kraftfahrzeug die zu dem Wasserstoffsensor beschriebenen Vorteile auf. Insbesondere arbeitet der Wasserstoffsensor in dem Kraftfahrzeug gemäß dem oben beschriebenen Erfassungsverfahren, wobei das Erfassungsverfahren in einer Steuereinheit des Kraftfahrzeugs ausgeführt wird.
  • Der Wasserstoffsensor ist bevorzugt in einem Motorraum, einer Fahrgastzelle, in einer Tankumgebung oder in einer Abgasvorrichtung des Kraftfahrzeugs angeordnet. Die Anordnung erfolgt dabei jeweils mittels einer Massenstromreduktionsvorrichtung, so dass der Wasserstoffsensor in einem strömungsberuhigten Bereich angeordnet ist. Insbesondere ist der Massenstrom ≤ 2 kg/h. Vorteilhafterweise ist der Wasserstoffsensor an einer Bypassleitung, einem Sackloch oder in einem strömungsberuhigten Bereich angeordnet.
  • Im Folgenden erfolgt die detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wasserstoffsensors,
  • 2 einen schematischen Verfahrensablauf eines erfindungsgemäßen Erfassungsverfahrens,
  • 3 ein Diagramm der Wärmeübergangskoeffizienten von Wasserstoff über die Temperatur bei freier Konvektion und normiert auf Luft,
  • 4 ein Diagramm der Temperaturverläufe verschiedener Wasserstoffkonzentrationen in Abhängigkeit vom Massenstrom,
  • 5 ein Diagramm der Temperatur des Gases oder Gasgemischs in Abhängigkeit von der Wasserstoffkonzentration.
  • Ein erfindungsgemäßer Wasserstoffsensor wird beispielsweise in einem Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb verwendet. Der Wasserstoffsensor wird in dem Kraftfahrzeug in einem Motorraum, einer Fahrgastzelle, in einer Tankumgebung oder an einer Abgasvorrichtung angeordnet. Der Wasserstoffsensor kann mit einer Steuereinheit des Kraftfahrzeugs verbunden sein. Insbesondere ist der Wasserstoffsensor an einer Bypassleitung, einem Sackloch oder in einem strömungsberuhigten Bereich des Kraftfahrzeugs angeordnet.
  • In 1 ist ein erfindungsgemäßer Wasserstoffsensor 1 dargestellt. Der Wasserstoffsensor 1 weist als Träger 10 eine Siliziummembran auf. Auf dem Träger 10 sind ein erster 12 und ein zweiter Temperatursensor 14 angeordnet. Zwischen den beiden Temperatursensoren 12, 14 befindet sich ein Heizelement 16. Die Temperatursensoren können mäanderförmig ausgebildet sein. Der zweite Temperatursensor 14 befindet sich in einer Strömungsrichtung 20 eines Gases oder Gasgemischs vor dem Heizelement 16 während der erste Temperatursensor 12 in Strömungsrichtung 20 nach dem Heizelement 16 angeordnet ist.
  • Weiterhin weist der Wasserstoffsensor eine nicht dargestellte Massenstromreduktionsvorrichtung auf. Mit der Massenstromreduktionsvorrichtung ist der Gasmassenstrom reduzierbar, der über die Temperatursensoren 12, 14 und das Heizelement 16 strömt. Insbesondere ist der Gasmassenstrom auf einen Massenstrom ≤ 2 kg/h reduzierbar. Der Wasserstoffsensor 1 wird beispielsweise über die Massenstromreduktionsvorrichtung an einer Hauptleitung befestigt, wobei nur ein Anteil des Hauptgasmassenstroms dem Wasserstoffsensor durch die Massenstromreduktionsvorrichtung zugeführt wird. Die Massenstromreduktionsvorrichtung ist beispielsweise eine Leitung, die an dem Träger 10 angeordnet ist. Die Leitung kann beispielsweise eine Bypassleitung sein oder als ein Sackloch ausgebildet sein.
  • Das Erfassungsverfahren wird unter Bezugnahme auf 2 erläutert. In einem Schritt A erfolgt ein Bereitstellen eines Wasserstoffsensors, insbesondere des erfindungsgemäßen Wasserstoffsensors 1.
  • Das Überströmen des Wasserstoffsensors 1 mit einem aufgrund der Massenstromreduktionsvorrichtung reduzierten Gasmassenstrom erfolgt in einem Schritt B. Der Gasmassenstrom ist dabei insbesondere ≤ 2 kg/h. Zur Überprüfung des Gasmassenstroms in der Massenstromreduktionsvorrichtung kann diese beispielsweise einen Massenstrommesser aufweisen.
  • In Schritt B erfolgt zudem ein Erwärmen des Heizelements 16. Das Heizelement 16 erwärmt den Gasstrom über dem Wasserstoffsensor 1. Weiterhin wird auch der Träger 10 durch das Heizelement 16 erwärmt.
  • Der erste Temperatursensor 12 erfasst in einem Schritt C eine erste Temperatur und der zweite Temperatursensor 14 erfasst in einem Schritt D eine zweite Temperatur. Die erfassten Temperaturen werden an eine Auswerteeinheit übermittelt.
  • In einem Schritt D wird aufgrund der erfassten und übermittelten Temperatur und unter Berücksichtigung des erwärmten Heizelements eine Wasserstoffkonzentration in dem Gasgemisch ermittelt. Dies geschieht insbesondere in der Auswerteeinheit aufgrund einer Summe der ersten und zweiten erfassten Temperaturen.
  • Das Messprinzip des Wasserstoffsensors 1 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 erläutert. Das Messprinzip des Wasserstoffsensors 1 beruht insbesondere auf einem überlagerten Wärmetransport zwischen den Temperatursensoren 12, 14 und dem Heizelement 16. Die von den Temperatursensoren 12, 14 erfasste Temperatur setzt sich durch einen Anteil Wärmeleitung und einen Anteil Konvektion zusammen. Wärmeleitung tritt zwischen dem Heizelement 16 und den Temperatursensoren 12, 14 auf. Konvektion tritt zwischen dem Heizelement 16 bzw. einer dem Gas oder Gasgemisch zugewandten Oberfläche des Wasserstoffsensors 1 auf. Mittels der Massenstromreduktionsvorrichtung wird vorzugsweise eine freie Konvektion erreicht. Eine Kenngröße für einen Wärmeübergang an einer Grenzfläche ist der Wärmeübergangskoeffizient.
  • Rechnerisch kann der Wärmeübergangskoeffizient mittels der Formel
    Figure 00110001
    ermittelt werden. Dabei bedeuten:
  • α
    = Wärmeübergangskoeffizient
    g
    = Erdbeschleunigung
    L
    = charakteristische Länge (spezifisch für Aufbau, ist bei gleichbleibendem Aufbau konstant)
    ρ
    = Dichte
    TOber
    = absolute Temperatur des Heizers
    TGas
    = absolute Temperatur des Gases
    η
    = dynamische Viskosität
    Cp
    = Issentropenkoeffizient
    λ
    = Wärmeleitfähigkeit
  • Werden ausschließlich die gasabhängigen Parameter des Wärmeübergangskoeffizienten betrachtet, ergibt sich folgende vereinfachte Formel:
    Figure 00110002
  • Eine graphische Darstellung der Wärmeübergangskoeffizienten verschiedener Gase bei freier Konvektion aufgetragen über die Temperatur gemäß der obigen Formel und normiert auf Luft ist in 3 gezeigt. Da die Darstellung auf Luft normiert ist, beträgt der Wert X bei Luft immer 1. Ein Wert X für Wasserstoff (Hz) bewegt sich in Abhängigkeit von der Temperatur ungefähr zwischen X = 9 und X = 9,5. Somit führt Wasserstoff Wärme an der Oberfläche des Wasserstoffsensors ungefähr 9 bis 9,5-mal besser ab als Luft.
  • In 4 sind Temperaturverläufe für verschiedene Wasserstoff-Luft-Gemische in Abhängigkeit eines Massenstroms dargestellt. Die Wasserstoff-Luft-Gemische bewegen sich zwischen 0 Vol.-% Wasserstoff bis 5 Vol.-% Wasserstoff, jeweils in 0,5 Vol.-% Schritten. Die Temperatur entspricht der Summe der von den beiden Temperatursensoren erfassten Temperaturen. Aus 4 ist insbesondere ersichtlich, dass sich in einem Bereich bis zu einem Massenstrom von ungefähr 2 kg/h ein Plateau ausbildet, in dem die Temperaturverläufe annährend parallel verlaufen. Daher ist dieser Massenstrombereich bei der Messung besonders bevorzugt.
  • Ein Wasserstoffkonzentrations-Temperatur-Kennfeld ist in 5 dargestellt. Dieses Kennfeld ergibt sich bei einem Massenstrom von 0 kg/h aus 4 für Wasserstoffkonzentrationen zwischen 0 und 5 Vol.-%. Dieses Kennfeld kann beispielsweise in der Auswerteeinheit des Wasserstoffsensors 1 hinterlegt werden.
  • Ändert sich im Betrieb des Wasserstoffsensors die von den Temperatursensoren 12, 14 erfasste Temperatur, verändert sich auch die Summe der erfassten Temperaturen. Bei gleichbleibendem Massenstrom und gleichbleibender Heizleistung des Heizelements ist die veränderte Summentemperatur auf eine veränderte Zusammensetzung des Gases oder Gasgemischs zurückzuführen, beispielsweise auf eine erhöhte oder erniedrigte Wasserstoffkonzentration. Die zu der jeweiligen Temperatur dazugehörige Wasserstoffkonzentration ergibt sich entsprechend aus dem Kennfeld.
  • In einem weiteren Schritt E vergleicht die Auswerteeinheit die ermittelte Wasserstoffkonzentration mit einer vorgebbaren Wasserstoffkonzentration. Die vorgebbare Wasserstoffkonzentration beträgt insbesondere 2 Vol.-%. Bei Überschreiben der vorgebbaren Wasserstoffkonzentration wird in einem Schritt F ein Warnsignal beispielsweise an einen Fahrer des Kraftfahrzeugs ausgegeben. Alternativ oder zusätzlich kann aufgrund des ausgegebenen Warnsignals eine Steuervorrichtung des Kraftfahrzeugs ein Öffnen von Fenstern einer Fahrgastzelle veranlassen.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Wasserstoffsensor
    10
    Trägerteil
    12
    erster Temperatursensor
    14
    zweiter Temperatursensor
    16
    Heizelement
    20
    Strömungsrichtung

Claims (13)

  1. Wasserstoffsensor (1), umfassend: a) einen Träger (10), an dem ein erster Temperatursensor (12), ein benachbart zu dem ersten Temperatursensor angeordnetes Heizelement (16) sowie eine Auswerteeinheit angeordnet ist, und b) eine Massenstromreduktionsvorrichtung, so dass ein Gasmassenstrom, mit dem der erste Temperatursensor (12) und das Heizelement (16) überströmt werden, reduzierbar ist, wobei c) mit der Auswerteeinheit aufgrund einer von dem ersten Temperatursensor (12) erfassbaren ersten Temperatur eine Wasserstoffkonzentration in einem Gas oder Gasgemisch ermittelbar ist.
  2. Wasserstoffsensor (1) gemäß Anspruch 1, dessen Massenstromreduktionsvorrichtung eine an dem Träger (10) angeordnete Leitung ist.
  3. Wasserstoffsensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der einen an dem Träger (10) angeordneten zweiten Temperatursensor (14) aufweist, während der zweite Temperatursensor (14) so angeordnet ist, dass das Heizelement (16) zwischen dem ersten (12) und dem zweiten Temperatursensor (14) angeordnet ist.
  4. Wasserstoffsensor (1) gemäß Anspruch 3 in Kombination mit Anspruch 2, dessen an dem Träger (10) angeordnete Leitung um den ersten (12) und den zweiten Temperatursensor (14) sowie das Heizelement (16) angeordnet ist.
  5. Wasserstoffsensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Massenstromreduktionsvorrichtung eine Bypassleitung oder ein Sackloch ist, die einen Anteil eines Massenstroms einer Hauptleitung zu dem Wasserstoffsensor (1) leiten.
  6. Erfassungsverfahren einer Wasserstoffkonzentration, das die folgenden Schritte aufweist: a) Bereitstellen (A) eines Wasserstoffsensors (1), insbesondere eines Wasserstoffsensors (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend: a1) einen Träger (10), an dem ein erster Temperatursensor (12), ein benachbart zu dem ersten Temperatursensor (12) angeordnetes Heizelement (16) sowie eine Auswerteeinheit angeordnet ist, und a2) eine Massenstromreduktionsvorrichtung, so dass ein Gasmassenstrom, mit dem der erste Temperatursensor (12) und das Heizelement (16) überströmt werden, reduzierbar ist, b) Überströmen (B) des Wasserstoffsensors (1) mit einem Gas oder Gasgemisch, wobei das Überströmen mit einem reduzierten Gasmassenstrom erfolgt, und Erwärmen des Heizelements, c) Erfassen und Übermitteln (C) einer ersten Temperatur mittels des ersten Temperatursensors (13) an die Auswerteeinheit, d) Ermitteln (D) einer Wasserstoffkonzentration aufgrund der erfassten und übermittelten ersten Temperatur unter Berücksichtigung des erwärmten Heizelements (16).
  7. Erfassungsverfahren gemäß Anspruch 6, das die weiteren Schritte aufweist: e) Vergleichen (E) der ermittelten Wasserstoffkonzentration mit einem vorgebbaren Wasserstoffkonzentrationsgrenzwert und f) Ausgeben (F) eines Warnsignals bei Überschreiten des vorgebbaren Wasserstoffkonzentrationsgrenzwertes.
  8. Erfassungsverfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Wasserstoffkonzentrationsgrenzwert 2 Vol.-% beträgt.
  9. Erfassungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, das den weiteren Schritt aufweist: g) Erfassen und Übermitteln (G) einer zweiten Temperatur mittels eines zweiten auf dem Träger (10) angeordneten Temperatursensors (14) an die Auswerteeinheit.
  10. Erfassungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Schritt des Ermittelns der Wasserstoffkonzentration mittels einer Summe der erfassten ersten und zweiten Temperatur erfolgt.
  11. Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb, das einen Wasserstoffsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.
  12. Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 11, wobei der Wasserstoffsensor (1) in einem Motorraum, einer Fahrgastzelle, in einer Tankumgebung oder an einer Abgasvorrichtung des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
  13. Kraftfahrzeug gemäß einem der Ansprüche 11 bis 12, dessen Wasserstoffsensor (1) an einer Bypassleitung, einem Sackloch oder in einem strömungsberuhigten Bereich angeordnet ist.
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