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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Leckage und einen Behälter mit einer Einrichtung zum Erkennen einer Leckage.
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Stand der Technik
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Das vorgestellte Verfahren kommt in Verbindung mit Behältern bzw. Behältnissen zum Einsatz, in denen ein Medium, insbesondere ein Gas, enthalten oder geführt ist. Bei undichten Stellen in der Außenhaut bzw. -wand des Behälters, was als Leckage bezeichnet wird, kann das Medium austreten. Unter einer Leckage, die auch als Leck bezeichnet wird, ist dabei ein Loch bzw. eine Öffnung in einem Gegenstand, in diesem Fall einem Behälter, zu verstehen, durch das bzw. die Feststoffe, Gase und Flüssigkeiten ein- und austreten können. Der durch die Leckage verursachte Austritt kann zu Fehlfunktionen oder gar einem Ausfall des Gesamtsystems führen sowie zudem eine gefährliche Beeinträchtigung von Mensch und Umwelt in der Umgebung des Behälters mit sich bringen. Als ein Beispiel für ein System, bei dem eine Leckage erkannt werden sollte, wird hierin ein Brennstoffzellensystem betrachtet.
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Ein Brennstoffzellensystem besteht aus einer bspw. in Kraftfahrzeugen eingesetzten galvanischen Zelle (Brennstoffzelle), bei der die chemische Energie eines zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie gewandelt wird, sowie den dazu notwendigen Komponenten zur Zu- und Abführung der Reaktanten und Reaktionsprodukte, zur Temperierung und zur Steuerung und Überwachung. Dieses stellt somit ein Energiewandlersystem dar, bei dem in vielen Fällen Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird, welcher mit Sauerstoff reagiert. Im Brennstoffzellensystem sind somit eine Vielzahl von Komponenten vorgesehen, in denen Wasserstoff gehalten und/oder geführt wird und die daher als Behälter im Sinne der Anmeldung zu sehen sind. Ein Austritt des Wasserstoffs aufgrund einer Leckage sollte vermieden werden, muss aber in jedem Fall umgehend erkannt werden, da Wasserstoff brennbar ist.
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Zur Messung der Wasserstofftemperatur in einem Brennstoffzellensystem werden gegenwärtig Sensoren verwendet, deren Temperaturfühler sich in direktem Kontakt mit dem Wasserstoffgas befinden. Dabei muss zum einen der Sensor wasserstoffverträglich sein und zum anderen muss die Verbindung zwischen Sensor und gasführender Leitung dicht sein.
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Zu beachten ist, dass Wasserstoff mit vielen Materialien unverträglich ist und z. B. bei bestimmten Metallen zur Versprödung führt. Aufgrund der geringen Molekülgröße und Viskosität von Wasserstoff ist es konstruktiv äußerst schwierig, die Verbindungsstellen hinreichend dicht zu bekommen. Zudem kann Wasserstoff durch das Sensorgehäuse selbst entweichen.
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Es besteht dabei zusätzlich die Gefahr, dass es durch Fertigungs- oder Einbaufehler zu einer sicherheitskritischen Freisetzung von Wasserstoff in die Umgebung kommen kann. Aufgrund dessen ist die Konstruktion und Fertigung eines verlässlichen, robusten und günstigen Temperatursensors sehr schwierig und teuer.
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Zur Überprüfung der Leckage von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem werden dagegen wasserstoffempfindliche Sensoren an einer möglichst weit oben im System liegenden Stelle plaziert. Bei einem Wasserstoffleck im System steigt der austretende Wasserstoff nach oben. Der Wasserstoffsensor kann dann den vorbeiströmenden Wasserstoff erkennen.
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Die Sensoren zur Erkennung eines Wasserstofflecks sind ebenfalls sehr teuer. Außerdem können diese Wasserstoff nur genau am Sensorort feststellen. Strömt Wasserstoff am Erfassungsbereich des Sensors vorbei, wird er nicht detektiert. Die Erkennung findet außerdem um die Zeit verzögert statt, die das Gas benötigt, um vom Leck zum Sensor vorzudringen.
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Die Druckschrift
US 5 763 765 beschreibt ein Verfahren zum Erkennen von Perforationen in einer Membran. Die Membran hat zwei entgegengesetzt gerichtete Oberflächen, von denen die erste Oberfläche einem ersten Gas, bspw. Wasserstoff, und die zweite Oberfläche einem zweiten Gas, bspw. Umgebungsluft, ausgesetzt ist. Die Membran trennt die beiden Gase voneinander. Sollte es aufgrund einer Perforation in der Membran zu einem Kontakt der beiden Gase kommen, so führt dies zu einer exothermen Reaktion, bei der Wärme freigesetzt wird, die mit einem Infrarotsensor erfasst wird.
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Aus der Druckschrift
US 2006/0238741 A1 ist ein Verfahren zum Visualisieren eines austretenden Gases bekannt, bei dem auf Basis einer Raman-Streuung eine Verschiebung der Wellenlänge eines Lasers, mit dem ein Gas bestrahlt wird, erfasst wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Behälter gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung. Hierin wird zudem die Verwendung einer Wärmebildkamera zum Erkennen eine Leckage in einem Behälter beschrieben.
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Der verwendete Sensor, in diesem Fall die Wärmebildkamera, erfasst gemäß dem vorgestellten Verfahren eine Temperaturänderung, insbesondere eine Verringerung der Temperatur, die aufgrund einer Leckage durch einen Austritt eines Gases aus einem Behälter heraus bedingt ist.
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Unter einem Behälter wird hierin ein Gegenstand verstanden, der in seinem Inneren einen Hohlraum aufweist und dazu eingerichtet ist, den Inhalt im Innenraum von der Umgebung zu trennen. Hierzu ist der Behälter zumindest abschnittsweise dicht gegenüber dem Medium, das in diesem aufgenommen ist. Behälter werden dazu verwendet, um Gegenstände, bspw. Gase oder Flüssigkeiten, für eine bestimmte Zeit aufzunehmen. Der Behälter kann eine oder mehrere Öffnungen zur Zufuhr und Abfuhr der in diesem aufzunehmenden Gegenstände haben. Ein Behälter im Sinne dieser Anmeldung ist somit auch eine Leitung oder ein Rohr, durch das ein Medium, bspw. ein Gas, geleitet wird. Die Seitenwände des Rohrs verhindern ein Austreten des Mediums in diesem Bereich.
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Eine Wärmebildkamera, die auch als Infrarotkamera bezeichnet wird, ist ein bildgebendes Gerät, das Infrarotstrahlen empfängt und auswertet. Somit ist eine Wärmebildkamera dazu in der Lage, die für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung im Infrarotbereich sichtbar zu machen.
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Das beschriebene neue Sensorprinzip arbeitet berührungslos und steht nicht in direktem Kontakt mit dem Wasserstoff. Aufwendige Konstruktionen zur Abdichtung und die Verwendung wasserstofffester Materialen sind daher nicht notwendig. Folglich erhöht sich die Sicherheit im Gesamtsystem, insbesondere da weniger potentielle Fehlerstellen gegeben sind. Außerdem kann der Sensor kostengünstiger gefertigt werden. Das Sensorprinzip ermöglicht in Ausgestaltung sowohl eine Messung der Wasserstofftemperatur als auch eine Erkennung eines Wasserstoffaustritts.
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Bei dem vorgestellten Verfahren ist eine Wärmebildkamera auf einen Behälter oder ggf. ein Gesamtsystem, bspw. ein Brennstoffzellensystem bzw. eine Brennstoffzelle, gerichtet. Dabei umfasst das Gesamtsystem mindestens einen Behälter, in dem Gas, insbesondere Wasserstoff, enthalten ist. Die Temperatur der wasserstoffführenden Teile kann direkt gemessen werden. Durch softwareseitige Korrektur um die Wärmeaufnahme der verwendeten Materialen kann damit direkt auf die Temperatur des Wasserstoffes geschlossen werden. Der Austritt von Wasserstoff führt zu einer konzentrierten Temperaturänderung des Gases und damit der Umgebung im Bereich des Austritts. Austretender Wasserstoff kann auf diese Weise durch die Wärmebildkamera direkt erkannt werden.
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Das Verfahren hat in Ausgestaltung zum einen den Vorteil, ausströmenden Wasserstoff überall im beobachteten System zu erkennen und nicht nur an einer Stelle. Zum anderen kann ein Wasserstoffaustritt frühzeitig direkt am Leck erkannt werden. Das System kann dann schneller reagieren und die austretende Wasserstoffmenge ist deutlich geringer als bei bisherigen Erkennungsmaßnahmen. Das vorgestellte Verfahren kann zudem auch verwendet werden, um generell das Austreten von unterschiedlichen Gasen zu detektieren. Voraussetzung dafür ist, dass das Gas eine Temperaturänderung durch Expansion erfährt. Dementsprechend kann zum Beispiel auch der Austritt von Methan als Bestandteil von Erdgas in CNG-Fahrzeugen detektiert werden. Falls in einem System mehrere unterschiedliche Gase geführt werden, ist auch eine Unterscheidung durch die unterschiedlichen Temperaturänderungen denkbar.
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Tritt bspw. Gas A aus, sieht die Wärmebildkamera an der Austrittsstelle eine andere Temperatur als bei Gas B. Das System kann dann entsprechend reagieren. So ist denkbar, dass bei Austritt eines explosiven Gases eine entsprechende Notreaktion durchgeführt wird, wohingegen der Austritt eines ungefährlichen Gases lediglich zu einer Fehlermeldung führt und die Verfügbarkeit des Systems gegeben bleibt. Die ausgelöste Reaktion ist somit abhängig von der Art des austretenden Gases. Voraussetzung dafür ist, dass die beiden Gase zu unterschiedlichen Temperaturänderungen führen und dass der Unterschied dazwischen groß genug ist, um mit einer Wärmebildkamera detektiert zu werden, so dass eine ausreichende Trennschärfe gegeben ist.
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Ebenso ist eine unterschiedliche Reaktion der Steuereinheit denkbar, wenn das brennbare Gas an der Leckagestelle in Brand geraten ist, also eine starke Erwärmung erkannt wird.
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Das vorgestellte Verfahren ist grundsätzlich einsetzbar in Systemen, in denen Gase geführt werden, deren Temperatur sich durch Expansion ändert.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Gasleitung mit einer herkömmlichen Einrichtung zum Messen einer Wasserstofftemperatur.
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2 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführung einer Anordnung mit einer Anzahl an Behältern und einer Wärmebildkamera.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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In 1 ist eine Gasleitung 10 dargestellt, in der Wasserstoff 12 geführt ist. Es ist weiterhin ein Sensor 14 gezeigt, der zur Messung der Temperatur des Wasserstoffs 12 dient. Da der Sensor 14 in direktem Kontakt zu dem Wasserstoff 12 stehen muss, ist es erforderlich, eine Öffnung 16 in der Wand der Gasleitung 10 vorzusehen, durch die der Sensor 16 ragt. So kann es zu undichten Stellen 18 am Übergang zwischen Wand der Gasleitung 10 und dem Sensor 14 im Bereich der Öffnung 16 kommen, was zu einem Austritt des Wasserstoffs 12 führen kann.
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2 zeigt in stark vereinfachter, schematischer Darstellung eine Anordnung 50, bspw. ein Brennstoffzellensystem, in der vier Behälter 52 vorgesehen sind. In diesen Behältern 52 ist bspw. Wasserstoff enthalten. Mindestens einer der Behälter 52 kann als Gasleitung ausgebildet sein, in der ein Gas, insbesondere Wasserstoff, geführt ist.
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Es ist nunmehr Aufgabe, einen Austritt von Wasserstoff aus einem der Behälter 52 festzustellen. Hierzu dient eine Wärmebildkamera 54, die Wärmebilder aufnimmt und auf diese Weise einen Austritt von Wasserstoff, was zu einer Abkühlung des Wasserstoffs in diesem Bereich führt, erkennt. Die Wärmebildkamera 54 ist mit einer Recheneinheit 58 verbunden. Diese ist in diesem Fall außerhalb der Anordnung 50 vorgesehen, kann jedoch auch innerhalb der Anordnung 50 angeordnet sein. Die Recheneinheit 58 wertet die empfangenen Bilddaten aus und leitet ggf. Maßnahmen ein. Diese können bspw. das Abgeben einer Warnung oder das Abschalten der Anordnung 50 umfassen.
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Bei der gezeigten Ausführung ist eine Wärmebildkamera 54 vorgesehen, die die vier Behälter 52 überwacht. Es können selbstverständlich auch mehr Wärmebildkameras 54 vorgesehen sein. Diese Wärmebildkamera 54 bzw. die Wärmebildkameras 54 kann bzw. können zumindest zum Teil innerhalb oder außerhalb der Anordnung 50 vorgesehen sein. So kann bspw. jedem Behälter 52 genau eine Wärmebildkamera 54 oder sogar auch mehr als eine Wärmebildkamera 54 zugeordnet sein. Die Wärmebildkameras 54 sind dabei vorzugsweise so anzuordnen und/oder auszurichten, dass sie kritische Stellen mit hoher Empfindlichkeit überwachen können. Bei der gezeigten Anordnung 50 hat der Behälter 52 rechts eine Leckage 60, die mit der Wärmebildkamera mittelbar über eine Temperaturänderung, in diesem Fall einen Abfall der Temperatur, erkannt wird.
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Grundsätzlich ist mindestens eine Wärmebildkamera vorgesehen, die zumindest ein Wärmebild aufnimmt. Eine Leckage kann dann anhand eines Wärmebilds erkannt werden, wenn ein Temperaturunterschied in einem Bereich, in dem die Leckage besteht, zu umliegenden Bereichen erkannt wird. Alternativ oder ergänzend kann eine Leckage auch anhand einer Reihe von insbesondere in zeitlicher Abfolge aufgenommener Wärmebilder erkannt werden. Die zeitliche Folge gestattet es zu erkennen, wenn es in einem Bereich, in dem eine Leckage vorliegt, im zeitlichen Rahmen der Aufnahme der Wärmebilder zu einer Temperaturänderung kommt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5763765 [0009]
- US 2006/0238741 A1 [0010]
