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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer Wasserstoffkonzentration nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung in einem Brennstoffzellensystem.
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Vorrichtungen zur Erfassung von Wasserstoff bzw. Wasserstoffsensoren sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie funktionieren häufig nach sehr aufwändigen und störanfälligen Mechanismen, um vorhandenen Wasserstoff zu erfassen und in gegebenenfalls sicherheitskritischen Situationen eine entsprechende Warnmeldung zu generieren. Die Kosten und die Störanfälligkeit derartiger Sensoren, insbesondere wenn sie in feuchten Umgebungen mit sehr stark schwankenden Temperaturen betrieben werden, beispielsweise im Bereich von mit Wasserstoff angetriebenen Fahrzeugen, macht ihren Einsatz sehr unwirtschaftlich und wenig zuverlässig. Dies ist ein erheblicher Nachteil, da eine Fehlfunktion, bei welcher beispielsweise eine Undichtheit an einem Wasserstoffsystem nicht erkannt wird, zu zündbaren oder gar explosiven Gemischen in der Umgebung des Wasserstoffsystems führen können, was ein erhebliches Sicherheitsrisiko ist.
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Vor allem bei Brennstoffzellensystemen, und hier insbesondere bei Brennstoffzellensystemen, welche für Fahrzeugantriebe eingesetzt werden, stellt dies einen gravierenden Nachteil dar. Da bei derartigen Brennstoffzellensystemen die Wasserstoffsensoren typischerweise im Abluftstrang angeordnet sind, um beispielsweise Undichtheiten in der Brennstoffzelle selbst durch mit der Abluft austretenden Wasserstoff zu erkennen, sind jedoch genau diese Sensoren starken Temperaturschwankungen und hoher Feuchtigkeit ausgesetzt. Die herkömmlichen Wasserstoffsensoren, beispielsweise auf der Basis eines Hybridbildners oder dergleichen, haben sich deshalb als ungeeignet erwiesen.
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Aus der
EP 1 990 858 B1 ist beispielsweise ein Brennstoffzellensystem mit einem Abgassystem bekannt. In dem Abgassystem ist dabei ein Wasserstoffsensor vorgesehen, welcher mit einem Steuergerät in Verbindung steht. Der Sensor ist sehr einfach und effizient aufgebaut und vergleichsweise unanfällig gegenüber Störungen. Er verfügt dabei über zwei Temperatursensoren in Form je eines temperaturabhängigen elektrischen Widerstands. Diese beiden Temperatursensoren bilden zwei Messstrecken aus, welche mit demselben Gas in Verbindung stehen. Eine der Messstrecken ist dabei mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet, die andere nicht. Tritt nun beispielsweise in der Abluft des Brennstoffzellensystems eine hohe Wasserstoffkonzentration auf, dann wird der Wasserstoff an dem katalytisch aktiven Material reagieren und somit wird sich der eine Temperatursensor stärker erwärmen als der andere. Durch eine kontinuierliche Überwachung der Temperatur im Bereich der Temperatursensoren kann so auf eine kritische Wasserstoffkonzentration zurückgeschlossen werden, zumindest auf einen Anteil von Wasserstoff, welcher entsprechend kritisch sein kann, beispielsweise wenn ein zündfähiges Gemisch mit der Abluft entsteht.
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Eine weitere vergleichbare Möglichkeit ist auch aus der
DE 10 2010 053 366 A1 bekannt, welche jedoch anstelle der Temperatursensoren, welche hinsichtlich des elektrischen Widerstands empfindlich sind, Thermoelemente verwendet, die aus zwei unterschiedlichen Materialien bestehen und im Falle einer Temperaturänderung durch den Seebeck-Effekt eine thermisch induzierte Spannung abgeben. Auch hier erfolgt die Auswertung über ein entsprechendes Steuergerät, sodass vergleichbar wie im zuvor genannten Stand der Technik, permanent beide Sensoren hinsichtlich ihrer Temperatur überwacht werden müssen.
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Die beschriebenen Vorrichtungen sind zwar hinsichtlich ihres Aufbaus im Bereich des Wasserstoffgases einfach, erfordern jedoch eine kontinuierliche Überwachung der Temperaturen, welche je nach Ausführung der Steuerungselektronik ebenfalls störanfällig sein kann und gegebenenfalls aufwändig ist. Außerdem erfordert sie typischerweise eine Spannungsversorgung, kann also nur dann entsprechende Messwerte erzeugen, wenn Energie zur Messung zur Verfügung steht.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zur Erfassung einer Wasserstoffkonzentration basierend auf zwei Temperatursensoren anzugeben, welche diese Nachteile vermeidet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht es, ähnlich wie die Aufbauten aus dem Stand der Technik, vor, dass zwei Temperatursensoren verwendet werden, von denen einer beispielsweise an seiner Oberfläche mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet ist. Wenn beide Temperatursensoren in demselben Gasstrom angeordnet sind, führt dies dazu, dass beispielsweise immer dann, wenn Wasserstoff vorliegt, sich an dem einen Temperatursensor eine andere Temperatur einstellt als an dem anderen Temperatursensor. Liegt kein Wasserstoff vor, haben beide dieselbe Temperatur. Erfindungsgemäß werden als Temperatursensoren nun Thermoelemente verwendet. Anders als im Stand der Technik sind diese Thermoelemente nicht mit einer entsprechenden Auswerteelektronik verbunden, sondern sind lediglich untereinander elektrisch verbunden, und zwar so, dass das eine Material des einen Thermoelements mit dem anderen Material des anderen Thermoelements und umgekehrt verbunden ist. Diese Verbindung, welche auch als umgekehrte oder antiparallele Verschaltung der beiden Thermoelemente bezeichnet werden könnte, weist nun im Bereich einer der Verbindungen eine Einrichtung zur Strom- oder Spannungsmessung auf. Haben beide Thermoelemente dieselbe Temperatur, dann wird sich die entstehende Thermospannung aufheben, da das jeweils eine Material des einen Thermoelements ja elektrisch mit dem jeweils anderen Material des anderen Thermoelements verbunden ist. In der Folge stellt sich in der Verbindung, in welcher gemessen wird, weder eine Spannung noch ein Stromfluss ein. Das System befindet sich in einem neutralen Zustand.
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Kommt nun in dem Gasstrom oder in dem Gasvolumen, in dem gemessen werden soll, Wasserstoff vor, so wird dieser insbesondere zusammen mit Sauerstoff, wenn es sich beispielsweise um die Abluft eines Brennstoffzellensystems handelt, im Bereich des katalytisch aktiven Materials abreagieren. An dem Thermoelement, welches beispielsweise mit dem katalytisch aktiven Material beschichtet ist oder mit einem Element, welches das katalytisch aktive Material aufweist, in wärmeleitender Verbindung steht, wird sich dann eine höhere Temperatur einstellen. Diese Veränderung in der Temperatur, welche an dem zweiten Thermoelement nicht stattfindet, führt letztlich dazu, dass die thermisch induzierte Spannung an dem ersten Thermoelement sich verändert, während diejenige an dem zweiten Thermoelement praktisch unverändert bleibt. Im Endeffekt wird somit ein Ladungsausgleich stattfinden, sodass sich in der Verbindung mit der Messeinrichtung eine Spannung erfassen lässt bzw. ein Strom fließt. Dieser Ladungsausgleich im Bereich der einen Verbindung mit der Messeinrichtung zeigt also an, dass Wasserstoff vorliegt. Damit ist ein außerordentlich einfacher und effizienter Sensor geschaffen worden, welcher insbesondere bei der Wahl geeigneter Messinstrumente ohne zusätzliche äußere Leistung auskommt und sicher und zuverlässig die Anwesenheit von Wasserstoff anzeigen kann.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass in einer der Verbindungen eine Spannungsmesseinrichtung angeordnet ist. Eine solche Spannungsmesseinrichtung hat gegenüber einer Messeinrichtung zur Erfassung von Strom dabei den Vorteil, dass über die Spannungsmesseinrichtung eine Spannung gemessen werden kann, welche unmittelbar von den beiden im Bereich der Thermoelemente erzeugten Thermospannungen abhängt. Damit kann eine Kalibrierung stattfinden, sodass die gemessene Spannung in der Verbindung einer bestimmten Wasserstoffkonzentration zugeordnet werden kann, da die Wasserstoffkonzentration und die gemessene Spannung in einem – typischerweise proportionalen – Zusammenhang zueinander stehen.
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Als Materialien für die Thermoelemente sind dabei unterschiedliche Materialien denkbar. Sehr verbreitete und damit kostengünstige Paarungen sind beispielsweise Nickel-Chrom als erste Legierung und Nickel als zweite Legierung, oder Eisen-Kupfer als erste Legierung und Nickel als zweite Legierung. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind diese Materialien für die beiden Thermoelemente vorgesehen. Weitere Materialien wie beispielsweise Platin-Rhodium als erstes Material und Platin als zweites Material sind prinzipiell natürlich ebenfalls denkbar, wobei dann aufgrund der Anwesenheit von Platin und dessen katalytischer Wirkung in Verbindung mit Wasserstoff und Sauerstoff darauf zu achten ist, dass eine entsprechende Beschichtung beispielsweise des nicht katalytisch aktiven Thermoelements mit einer Abschirmschicht vorgesehen wird, welche die Materialpaarung von dem Wasserstoff abschirmt, ohne eine große Wärmekapazität aufzuweisen. In diesem Fall wäre dann anstelle einer Beschichtung das andere Thermoelement direkt sowohl Thermoelement als auch Katalysator.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfach, kostengünstig und sehr robust. Sie ist insbesondere geeignet, um die Anwesenheit von Wasserstoff beispielsweise in Luft festzustellen, um so einen Alarm generieren zu können, falls eine zündfähige oder gar explosive Mischung von Wasserstoff und Sauerstoff vorliegt.
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Aufgrund ihres einfachen, kostengünstigen und sehr robusten Aufbaus, sowie aufgrund der Tatsache, dass keine Steuerungselektronik notwendig ist, welche mit externer Leistung versorgt werden muss, kann die Vorrichtung insbesondere bei Fahrzeuganwendungen von Wasserstoff eingesetzt werden, vorzugsweise zur Erfassung der Wasserstoffkonzentration in einem Brennstoffzellensystem, und hier besonders bevorzugt in einem Brennstoffzellensystem, welches in einem Fahrzeug zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ihrer Verwendung ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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2 eine Prinzipdarstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer möglichen Ausführungsform.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen, welches rein beispielhaft ausgestaltet und in einem Fahrzeug 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst dabei eine Brennstoffzelle 3, welche insbesondere als Stapel von sogenannten PEM-Brennstoffzellen aufgebaut ist. Rein beispielhaft ist dabei ein gemeinsamer Anodenraum 4 und ein gemeinsamer Kathodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels dargestellt, zwischen welchen eine protonenleitende Membran 6 angedeutet ist. Dem Kathodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels 3 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 7 zugeführt. Die Luftfördereinrichtung 7 ist über eine gemeinsame Welle mit einer Turbine 8 und einer elektrischen Maschine 9 verbunden. Dieser Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader bezeichnet. Über die elektrische Maschine 9 kann die Luftfördereinrichtung 7 entsprechend angetrieben werden. Sie fördert dann die verdichtete Luft zu dem Kathodenraum 5, wobei die Luft vorher einen optionalen Gas/Gas-Befeuchter 10 durchströmen kann, in dem sie von feuchter Abluft entsprechend befeuchtet wird. Der Gas/Gas-Befeuchter 10 kann dazu für Wasserdampf durchlässige Membranen aufweisen. Die mit der Feuchte aus der Brennstoffzelle 3 bzw. dem Kathodenraum 5 beladene Abluft strömt wiederum durch den Gas/Gas-Befeuchter 10, bevor sie durch die Turbine 8 in die Umgebung abgegeben wird. In ihr enthaltene thermische Energie und Druckenergie wird im Bereich der Turbine 8 zumindest teilweise zurückgewonnen und kann den Antrieb der Luftfördereinrichtung 7 unterstützen. Für den Fall, dass im Bereich der Turbine 8 mehr Leistung vorhanden ist als von der Luftfördereinrichtung 7 aktuell benötigt wird, kann die elektrische Maschine 9 auch generatorisch betrieben werden. Der Einsatz dieses sogenannten ETC (Electric Turbo Charger) ist dabei in dem Brennstoffzellensystem 1 rein beispielhaft zu verstehen.
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Der Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird mit Wasserstoff als Brennstoff versorgt. Dieser Wasserstoff stammt aus einem Druckgasspeicher 11 und wird über eine Druckregel- und Dosiereinrichtung 12 auf dem geeigneten Druckniveau zur Verfügung gestellt. Anschließend gelangt der Wasserstoff in an sich bekannter Weise über eine sogenannte Rezirkulationsleitung 13 mit einer Rezirkulationsfördereinrichtung 14 zurück und wird dem Anodenraum 4 mit frischem Wasserstoff vermischt erneut zugeführt. Dieser Aufbau wird auch als Anodenkreislauf bzw. Anodenloop bezeichnet. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 14, welche hier beispielhaft als Gebläse angedeutet ist, kann genauso gut in Form einer Gasstrahlpumpe oder auch als Kombination von Gebläse oder Gasstrahlpumpe ausgebildet sein. Mit der Zeit reichert sich im Bereich des Anodenkreislaufs inertes Gas und Wasser an. Dieses kann beispielsweise über eine Ablassleitung 15 mit einem Ablassventil 16, einem sogenannten Drain- und Purgeventil 16, abgelassen werden. Das feuchte Gas gelangt dann in den Bereich der Abluft und wird mit der Abluft verdünnt über die Turbine 8 in die Umgebung abgegeben.
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Nun ist bei einem derartigen Brennstoffzellensystem 1 eine zu hohe Wasserstoffkonzentration in der Abluft kritisch. Dies kann beispielsweise dann auftreten, wenn Wasserstoff über das Abblasventil 16 aus dem Anodenkreislauf abgelassen wird, während sehr wenig Luft durch den Kathodenraum 5 gefördert wird. Eine solche Situation ist einem Steuergerät 17 jedoch typischerweise bekannt und wird nach Möglichkeit vermieden. Von daher sind vor allem dann hohe Wasserstoffkonzentrationen in der Abluft zu befürchten, wenn eine Undichtheit des Systems vorliegt, beispielsweise wenn eine oder mehrere der Membranen 6 undicht sind und Wasserstoff direkt aus dem Anodenraum 4 in den Kathodenraum 5 und mit der Abluft in die Umgebung gelangen kann. Um in solchen Situationen entsprechend reagieren zu können, ist in der Abluft des Brennstoffzellensystems 1 eine Vorrichtung 18 zur Erfassung der Wasserstoffkonzentration angeordnet. Diese Vorrichtung 18 zur Erfassung der Wasserstoffkonzentration steht beispielsweise mit dem bereits erwähnten Steuergerät 17 des Brennstoffzellensystems 1 und/oder des Fahrzeugs 2 in Verbindung und kann bei Bedarf eine Warnmeldung generieren oder das Brennstoffzellensystem 1 im Notfall abschalten.
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Der Aufbau der Vorrichtung 18 zur Erfassung der Wasserstoffkonzentration ist in der Darstellung der 2 näher dargestellt. Die Vorrichtung 18 umfasst zwei Temperatursensoren 19, 20, von welchen einer mit einem katalytisch aktiven Material versehen, beispielsweise beschichtet ist. In der Darstellung der 2 ist dies der links dargestellte Temperatursensor 19. Beide Temperatursensoren 19, 20 sind dabei als Thermoelemente 19, 20 ausgebildet. Diese Thermoelemente bestehen prinzipbedingt aus zwei unterschiedlichen Materialien, welche an einer Kontaktstelle miteinander verbunden sind, beispielsweise durch Verschweißen. Typische Materialkombinationen können beispielsweise Nickel-Chrom/Nickel (sogenannter „Typ K”) oder Eisen-Kupfer/Nickel (sogenannter „Typ J”) sein. Auch andere Materialkombinationen wie beispielsweise Platin-Rhodium/Platin (sogenannter „Typ S”) sind grundlegend denkbar.
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In dem Ausführungsbeispiel der 2 sollen beispielhaft zwei Typ K Thermoelemente 19, 20 eingesetzt werden, welche jeweils mit einer entsprechenden thermisch leitenden Umhüllung 21 versehen sind, wobei die Umhüllung des Thermoelements 19 eine katalytische Beschichtung 22 aufweist. Die Thermoelemente 19, 20 sind dabei in umgekehrter Verschaltung miteinander verbunden. Bei dem Thermoelement 19 mit der katalytischen Beschichtung 22 ist beispielsweise das untere mit 23 bezeichnete Material Nickel-Chrom, während das untere mit 24 bezeichnete Material Nickel ist. Bei dem anderen nicht mit dem katalytisch aktiven Material 22 beschichteten Thermoelement 20 wäre dementsprechend das unten angeordnete Material 24 in der Darstellung der 2 Nickel und das unten angeordnete Material Nickel-Chrom. Dies ist in der Darstellung der Figur durch das Hinzufügen der Zeichen Ni für Nickel und Cr für Chrom im Bereich der jeweiligen Materialien 23, 24 angedeutet. Nun sind die Materialien 23 und 24 der beiden Thermoelemente 19, 20 mit dem jeweils anderen Material 23, 24 des anderen Thermoelements 20, 19 entsprechend verbunden. So ist in der Darstellung der 2 beispielsweise unten eine mit 25 gekennzeichnete erste elektrische Verbindung zu erkennen, welche das eine Material 23 mit dem anderen Material 24 der beiden Thermoelemente 19, 20 verbindet. Vergleichbares gilt für die obere mit 26 bezeichnete elektrische Verbindung. In einer der elektrischen Verbindungen 25, 26, in diesem Fall in der oberen elektrischen Verbindung 26, befindet sich nun ein mit M bezeichnetes Messgerät, welches entweder einen fließenden Strom oder insbesondere eine Spannung erfasst. Wenn kein Wasserstoff vorliegt, wird nun im Bereich beider Thermoelemente 19, 20 dieselbe Temperatur gemessen, da diese beide in demselben Gasstrom bzw. Abluftstrom des Brennstoffzellensystems 1 angeordnet sind. Dabei ist darauf zu achten, dass sie dieselbe Umströmung mit dem Volumen der Abluft erfahren, sodass keine unterschiedlichen Abkühlungseffekte oder dergleichen auftreten, welche die Messung beeinflussen könnten.
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Wenn von beiden Thermoelementen 19, 20 also dieselbe Thermospannung erzeugt wird, lässt sich kein Strom bzw. keine Spannung in der elektrischen Verbindung 26 messen. Das Messgerät M schlägt nicht aus. Wenn nun Wasserstoff im Bereich der beiden Thermoelemente 19, 20 vorliegt, dann wird der Wasserstoff im Bereich des Thermoelements 19 an der auf seiner Umhüllung 21 angebrachten katalytischen Beschichtung 22 mit dem Restsauerstoff in der Abluft der Brennstoffzelle 3 reagieren. Die dabei entstehende Wärme sorgt dafür, dass am Thermoelement 19 eine andere Thermospannung entsteht, als am Thermoelement 20. Dieser Unterschied in den Thermospannungen führt zu einem messbaren Ergebnis im Bereich des Messgeräts M, beispielsweise zu einem Stromfluss oder insbesondere zu einer Spannung. Schlägt das Messgerät M also an, dann ist Wasserstoff im Bereich der Abluft des Brennstoffzellensystems 1 vorhanden. Wird dabei insbesondere die Spannung erfasst, so lässt sich der erfasste Spannungswert einer entsprechenden Wasserstoffkonzentration zuordnen, um so unmittelbar aus der erfassten Spannung die Konzentration an Wasserstoff ablesen zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1990858 B1 [0004]
- DE 102010053366 A1 [0005]
