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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Bestimmen eines Wasserstoffgehalts eines Probengases und ein entsprechendes Verfahren.
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Stand der Technik
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Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Wasserstoff kann mittels beispielsweise Elektrolyse hergestellt werden und Strom aus erneuerbaren Quellen in chemischer Form speichern sowie stofflich in unterschiedlichsten Anwendungen genutzt werden. Wasserstoff ist Ausgangsstoff für die Herstellung hochwertiger synthetischer Kohlenwasserstoffe, zum Beispiel synthetisches Methangas oder synthetische Kraftstoffe. Somit ist das Wissen um den volumetrischen Anteil von Wasserstoff in Gasen von elementarer Bedeutung um:
- – Verfahrenstechnische Syntheseprozesse exakt durchführen zu können (Stöchiometrie);
- – Explosionsfähige Gasgemische frühzeitig erkennen zu können (Wasserstoff ist ab 4 Vol.% explosionsfähig, Knallgaseffekt);
- – Produkte aufgrund mangelnder Wasserstoffverträglichkeit vor Beschädigung zu schützen, beispielsweise ein Tank eines Erdgasfahrzeuges ist auf maximal 2 Volumenprozent [Vol.%] Wasserstoff limitiert. Mit anderen Worten wäre ein sicherer Transport des Erdgases durch den Tank nicht mehr gewährleitstet.
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Heutige Wasserstoffsensoren sind insbesondere nicht langzeitstabil und müssen regelmäßig, beispielsweise circa alle 90 Tage, neu geprüft und/oder justiert werden. Ursächlich begründet liegt dies in dem Umstand, dass ein wasserstoffhaltiges Probengas eine Oberfläche des Wasserstoffsensors durch Beiprodukte zersetzt und/oder verstopft bzw. die katalytischen Oberflächen durch Katalysatorgifte funktionsunfähig werden. Derzeit bekannte Wasserstoffsensoren können die hier beschriebenen funktionseinschränkenden Nachteile nicht selbständig erkennen. Dies hat zur Folge, dass der Wasserstoffsensor die verminderte Reaktionsfläche zum Detektieren von Wasserstoff nicht erfassen kann und dies als geringere Wasserstoffkonzentration interpretiert. Dies hat zur Folge, dass Wasserstoffsensoren regelmäßig mit einem Probengas, welches einen definierten, also vorbekannten, Wasserstoffanteil aufweist, regelmäßig justiert bzw. kalibriert werden müssen.
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Weiter sind heutige Wasserstoffsensoren in der Regel auf der Basis katalytischer Prozesse aufgebaut, welche bei höheren Temperaturen stattfinden und deshalb ein Heizelement benötigen. In batteriebetriebenen Geräten ist dies sehr nachteilig, da der Wasserstoffsensor insbesondere von der Leistungsfähigkeit der Batterie abhängt. Ferner beschleunigen Heizelemente die Zersetzung der oben beschriebenen Oberflächen der Wasserstoffsensoren.
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Des Weiteren sind Forschungsansätze bekannt, aus dem zum Wasserstoffionenfluss zugehörigen elektrischen Strom auf die Wasserstoffkonzentration zu schließen. Das heißt, die transportierte elektrische Ladung in Coulomb wird ausgewertet. Damit kann die absolute Menge an Wasserstoff in einem Probengas bestimmt werden, nicht jedoch der prozentuale Anteil in Volumenprozent [Vol.%]. Um den prozentualen Anteil bestimmen zu können, müsste der Anfangsdruck und das Volumen des Probenraumes bekannt sein. Handel es sich um eine offene Probenkammer und wird aus dem Stromfluss auf die Wasserstoffkonzentration geschlossen, ist die Sensoranordnung wiederum nicht wartungsfrei, da äußere fremde Gase die Membran verschmutzen und somit den Stromfluss der Sensoranordnung stören. Die Verschmutzung wird jedoch durch die Sensoranordnung, wie bereits oben beschrieben, nicht erkannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Sensoranordnung zum Bestimmen eines Wasserstoffgehalts eines Probengases nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Verfahren nach Anspruch 9.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht insbesondere darin, den Wasserstoffgehalt eines Probengases zu bestimmen, ohne dass eine regelmäßige Wartung der Sensoranordnung erforderlich ist. Des Weiteren erfordert die hier beschriebene Sensoranordnung kein Heizelement, so dass die Sensoranordnung auch in Applikationen mit limitierter Stromversorgung eingesetzt werden kann.
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Die Wartungsfreiheit der Sensoranordnung ist insbesondere dadurch gegeben, dass ein Zusetzen der Membran durch Beiprodukte in dem Probengas den zu erfassenden Messwert, also eine Erhöhung des Wasserstoffgehalts des Probengases (Partialdruckerhöhung) nicht beeinflusst. Die erste Kammer und die zweite Kammer sind hierbei fluidisch über die Membran miteinander verbunden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Erhöhung des Wasserstoffgehalts des Probengases eine Partialdruckerhöhung des Wasserstoffs. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Partialdruckerhöhung in der zweiten Kammer besonderes einfach durch Messgeräte bestimmt werden kann, wobei sich der Druck in der ersten Kammer reduziert.
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Des Weiteren ist eine Wartungsfreiheit der Sensoranordnung insbesondere dadurch gegeben, dass ein Zusetzen der Membran durch insbesondere Beiprodukte in dem Probengas den zu erfassenden Partialdruck nicht beeinflusst. Wird die Membran durch Beiprodukte verschmutzt, wird lediglich ein Messzeitraum verlängert, da es dann entsprechend länger dauert, bis der Wasserstoff bzw. Wasserstoffionen durch die „Restmembran“ (freiliegenden Flächen der Membran) transportiert ist. Eine Auswerteelektronik erkennt das Ende der Messung daran, dass kein weiterer Druckanstieg erfolgt.
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Das definierte Messzyklen auch bei verschmutzter Membran eingehalten werden, ist per Design der Sensoranordnung festzulegen. Das heißt, durch die Konfiguration und/oder die Fläche der Membran im Verhältnis zum Volumen der ersten und der zweiten Kammer der Sensoranordnung. Ist die Membran so stark verschmutzt, dass die Messung einen definierten Messzeitraum überschreitet, kann eine Auswerteeinheit der Sensoranordnung dies erkennen und an eine übergeordnete Steuereinheit ein Signal geben bzw. selbst Maßnahmen einleiten und beispielsweise die Sensoranordnung ausschalten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung basiert die Partialdruckerhöhung auf einer Rekombination der in die zweite Kammer gewanderten Wasserstoffionen zu Wasserstoff. Da die Anzahl der rekombinierten Wasserstoffe proportional zu den durch die Membran gewanderten Wasserstoffionen und somit der Partialdruckerhöhung ist, ist insbesondere ein besonders genaues Bestimmen der Partialdruckerhöhung des Wasserstoffs in der zweiten Kammer möglich.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung, ist die Membran eine Polymer Exchange Membran (PEM). Die Polymer Exchange Membran (PEM), beispielsweise Nafion, ist für Wasserstoffionen durchlässig, wenn Spannung an die Elektroden der Membran angelegt wird. Hierbei ist vorteilhaft, dass der Wasserstoffionenfluss proportional zu einem angelegten elektrischen Strom (Faraday-Konstante) an der Membran ist. Ferner ist diese Art von Membran dafür bekannt, dass sie ausschließlich für Wasserstoff durchlässig ist. Somit kann insbesondere ein besonders selektives und genaues Bestimmen des Wasserstoffgehalts des Probengases gewährleistet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die erste Kammer und die zweite Kammer volumengleich und ein Anfangsdruck des Probengases ist derart vorbestimmt, dass die Erhöhung des Wasserstoffgehalts des Probengases in der zweiten Kammer in Volumenprozent messbar ist. Ferner weisen die erste Kammer und die zweite Kammer gleiche Bedingungen insbesondere hinsichtlich Druck und Temperatur auf. Dies ermöglicht vorteilhafterweise ein besonders genaues Bestimmen des Wasserstoffgehalts des Probengases. Somit ist ein besonders genaues Bestimmen des Wasserstoffgehalts in dem Probengas möglich, da die Messung in Volumenprozent von der Partialdruckerhöhung des Wasserstoffs in der zweiten Kammer abhängig ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die erste Kammer und die zweite Kammer jeweils Einlassventile und Auslassventile auf. Hierbei ist vorteilhaft das durch gleichzeitiges Öffnen der jeweiligen Einlassventile und Auslassventile die erste Kammer und die zweite Kammer beispielsweise mit dem gleichen Probengas durchspült werden können, wobei durch gleichzeitiges Schließen der jeweiligen Einlassventile und Auslassventile der ersten und der zweiten Kammer insbesondere gewährleistet werden kann, dass sich gleiche Mengen des Probengases in der ersten Kammer und der zweiten befinden. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass die erste Kammer und die zweite Kammer insbesondere volumengleich sind und sich das Probengas in den beiden Kammern zu gleichen Lagerbedingungen befindet.
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Ferner können nach abgeschlossener Messung die erste Kammer und die zweite Kammer durch Öffnen der Einlass- und Auslassventile mittels eines Gases durchspült und gereinigt werden. Weiter vorteilhaft können die erste und die zweite Kammer durch die Einlass- und Auslassventile mittels eines Spülgases von Verunreinigungen befreit werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die zweite Kammer einen Drucksensor auf. Durch den Drucksensor kann besonders vorteilhaft insbesondere die Partialdruckerhöhung in der zweiten Kammer der Sensoranordnung gemessen werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Drucksensor zusätzlich mit der ersten Kammer verbunden. Somit können insbesondere sehr kleine Wasserstoffkonzentrationsunterschiede zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer besonders einfach und kostengünstig bestimmt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung schaltet sich bei Überschreiten eines vorgegebenen Messzeitraums die Sensoranordnung aus. Alternativ wird ein Anlegen der Spannung an den Elektroden beendet, wenn keine Erhöhung des Wasserstoffgehalts des Probengases in der zweiten Kammer bestimmt wird. Das heißt, dass insbesondere die Bestimmung des Wasserstoffgehalts des Probengases durch Verstopfen der hier beschriebenen Membran nicht unnötigerweise in die Länge gezogen wird. Sondern nach Erreichen des vorgegebenen Messzeitraums beispielsweise die Sensoranordnung zum Energiesparen ausgeschaltet werden kann.
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Merkmale zum Bestimmen des Wasserstoffgehalts des Probengases mit der Sensoranordnung sind ebenso für das Verfahren offenbart und umgekehrt. Das heißt, dass das hier beschriebene Verfahren mittels der hier beschriebenen Sensoranordnung ausgeführt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung zum Erläutern einer Sensoranordnung zum Bestimmen eines Wasserstoffgehalts eines Probengases und ein entsprechendes Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung zum Erläutern einer Sensoranordnung zum Bestimmen eines Wasserstoffgehalts eines Probengases und ein entsprechendes Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung zum Erläutern einer Sensoranordnung zum Bestimmen eines Wasserstoffgehalts eines Probengases und ein entsprechendes Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 bezeichnet Bezugszeichen S1 eine Sensoranordnung zum Bestimmen eines Wasserstoffgehalts eines Probengases P1. Die Sensoranordnung S1 weist eine erste Kammer K1 und eine zweite Kammer K2 auf, wobei die erste Kammer K1 und die zweite Kammer K2 jeweils das Probengas P1 aufweisen. Das in der ersten Kammer K1 und in der zweiten Kammer K2 befindliche Probengas P1 wurde jeweils durch Einlassventile EV1, EV2 und Auslassventile AV1, AV2 sowie entsprechenden Leitungen zugeführt.
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Wie in der 1 gezeigt, sind die erste Kammer K1 und die zweite Kammer K2 über eine Membran M1 fluidisch miteinander verbunden. Die Membran M1 umfasst Elektroden E1, die zur Anlegung einer Spannung vorgesehen sind. Die Membran M1 ist für Wasserstoffionen des Probengases P1 durchlässig.
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Die in der 1 gezeigte Membran M1 funktioniert derart, dass durch Anlegen der Spannung an die Elektroden E1 die Wasserstoffionen des Probengases P1 von der ersten Kammer K1 in die zweite Kammer K2 wandern, wodurch eine Erhöhung des Wasserstoffgehalts des Probengases P1 in der zweiten Kammer K2 einstellbar ist. Insbesondere kann es sich bei der Erhöhung des Wasserstoffgehalts des Probengases P1 um eine Partialdruckerhöhung des Wasserstoffgehalts handeln. Ferner basiert die Partialdruckerhöhung auf einer Rekombination der in der zweiten Kammer K2 gewanderten Wasserstoffionen zu Wasserstoff.
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Die in der 1 gezeigte Membran M1 kann insbesondere eine Polymer Exchange Membrane sein (PEM). Ferner zeigt das Bezugszeichen D1 der 1 einen Drucksensor. Der Drucksensor D1 misst insbesondere die Partialdruckerhöhung des von der ersten Kammer K1 durch die Membran M1 in die zweite Kammer K2 gewanderten Wasserstoffs. Das Bestimmen beziehungsweise das Messen der Partialdruckerhöhung in der zweiten Kammer kann insbesondere in Volumenprozent erfolgen.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung zum Erläutern einer Sensoranordnung zum Bestimmen eines Wasserstoffgehalts eines Probengases und ein entsprechendes Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In der 2 ist eine schematische Darstellung der Sensoranordnung S1 wie in 1 gezeigt mit dem Unterschied, dass der in der 1 gezeigte Drucksensor D1 zusätzlich mit der ersten Kammer K1 der Sensoranordnung S1 verbunden ist. Hierbei kann insbesondere die Funktionsweise der Sensoranordnung S1 gleich der Sensoranordnung S1 der 1 sein. Vorteilhaft an der in der 2 gezeigten Ausführungsform der Sensoranordnung S1 ist insbesondere, dass beispielsweise sehr kleine Druckunterschiede, insbesondere hinsichtlich einer Druckdifferenz zwischen der ersten Kammer K1 und der zweiten Kammer K2 detektiert beziehungsweise bestimmt werden können.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien, Anordnungen und Geometrien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009030180 A1 [0002]
- DE 102011109304 A1 [0003]
