DE102020123975A1 - Device and measuring method for the spatially resolved in-situ detection of liquid water on a support structure and its use in a fuel cell stack and in plate heat exchanger applications - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung offenbart eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten in-situ Erfassung von Fluiden, insbesondere Flüssigwasser auf einer Trägerstruktur, umfassend mindestens drei Wandler-Elemente, die auf der Trägerstruktur aufgebraucht und / oder angeordnet sind, eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung der Wandler-Elemente und eine Signalverarbeitungseinheit zur Auswertung aufgenommener Signale durch die Wandler-Elemente, sowie ein Messverfahren, welches die erfindungsgemäße Anordnung nutzt. Die Aufgabe Fluide ortsaufgelöst und kontinuierlich auf einer Trägerstruktur im Betrieb detektieren zu können, wird dadurch gelöst, dass die Wandler-Elemente untereinander Transmissionspfade ausbilden und damit einen Messbereich zur Erfassung von Fluiden auf der Trägerstruktur abdecken, wobei die Ansteuereinheit jeweils ein Wandler-Element der mindestens drei Wandler-Elemente als einen Sender ansteuert und transmittierte Signale durch die jeweils anderen Wandler-Elemente aufzeichnet, wobei die Signalverarbeitungseinheit die Signale der Wandler-Elemente tomographisch auswertet und eine ortsaufgelöste Verteilung des Fluides auf der Trägerstruktur ausgibt.The invention discloses a device for the spatially resolved in-situ detection of fluids, in particular liquid water, on a support structure, comprising at least three transducer elements which are used up and/or arranged on the support structure, a control unit for controlling the transducer elements and a signal processing unit for Evaluation of signals recorded by the converter elements, and a measurement method which uses the arrangement according to the invention. The task of being able to detect fluids in a spatially resolved and continuous manner on a support structure during operation is achieved in that the converter elements form transmission paths among themselves and thus cover a measuring range for detecting fluids on the support structure, with the control unit each having a converter element of the at least controls three converter elements as a transmitter and records transmitted signals through the respective other converter elements, the signal processing unit tomographically evaluating the signals of the converter elements and outputting a spatially resolved distribution of the fluid on the support structure.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten in-situ Erfassung von Fluiden, insbesondere Flüssigwasser auf einer Trägerstruktur, umfassend mindestens drei Wandler-Elemente, die auf der Trägerstruktur aufgebraucht und / oder angeordnet sind, eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung der Wandler-Elemente und eine Signalverarbeitungseinheit zur Auswertung aufgenommener Signale durch die Wandler-Elemente.The invention relates to a device for the spatially resolved in-situ detection of fluids, in particular liquid water, on a support structure, comprising at least three transducer elements which are used up and/or arranged on the support structure, a control unit for controlling the transducer elements and a signal processing unit for Evaluation of signals recorded by the converter elements.
Die Erfindung betrifft auch ein Messverfahren, welches die erfindungsgemäße Anordnung nutzt.The invention also relates to a measurement method that uses the arrangement according to the invention.
Die Erfindung betrifft ebenso die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Brennstoffzelle oder in einem Brennstoffzellenstapel, sowie in einem Wärmeübertrager, beispielsweise für die Lebensmittelindustrie oder in einer Meerwasser-Entsalzungsanlage.The invention also relates to the use of the device according to the invention in a fuel cell or in a fuel cell stack and in a heat exchanger, for example for the food industry or in a seawater desalination plant.
Lamb-Wellen gehören zu den akustischen Oberflächenwellen, die sich über weite Distanzen auf Oberflächen ausbreiten. Lamb-Wellen sind Schwingungen einer Platte, bei denen Auslenkungen sowohl in Ausbreitungsrichtung (longitudinal) als auch senkrecht (transversal) zu ihr vorkommen. Daher sind Lamb-Wellen gemischte Druck- und Scherwellen. Abhängig von der Anregungsfrequenz treten Lamb-Wellen in mindestens zwei Basismoden auf, einem symmetrischen und einem antisymmetrischen Mode. Bei symmetrischen Lamb-Wellen bewegt sich an einer Position der Platte zugleich die Ober- und Unterseite von der Plattenmitte weg (oder auf diese zu), die Schwingungsmoden werden mit S0, S1, S2, usw. bezeichnet; bei antisymmetrischen Lamb-Wellen bewegt sich an einer Stelle zugleich die Oberseite von der Plattenmitte weg und die Unterseite zur Plattenmitte hin (also beide nach oben oder beide nach unten), die Schwingungsmoden werden mit A0, A1, A2, usw. bezeichnet. Lamb-Wellen sind dispersiv, d. h. ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ist abhängig von der Anregungsfrequenz und der Plattendicke. Die Gruppen- und Phasengeschwindigkeiten werden in Dispersionsdiagrammen dargestellt. Lamb-Wellen werden häufig zur zerstörungsfreien Prüfung von Platten und / oder plattenartigen Strukturen verwendet. Durch die Verwendung der Lamb-Wellendämpfung, Geschwindigkeits- und Modenumwandlung können Informationen über die Größen und Positionen vorhandener Defekte erhalten werden. Das ermöglicht großflächige plattenartige Strukturen wie Flugzeugrümpfe, Schiffsrümpfe, Rohrbögen und Druckbehälter von Kernreaktoren, schnell auf strukturelle Mängel wie Ablösungen, Delaminierungen und Korrosionen zu untersuchen.Lamb waves belong to the acoustic surface waves that propagate over long distances on surfaces. Lamb waves are vibrations of a plate in which deflections occur both in the direction of propagation (longitudinal) and perpendicular (transverse) to it. Therefore, Lamb waves are mixed pressure and shear waves. Depending on the excitation frequency, Lamb waves appear in at least two basic modes, a symmetric and an antisymmetric mode. In the case of symmetrical Lamb waves, the upper and lower sides of the plate move away from (or towards) the center of the plate at the same time, the vibration modes are denoted by S0, S1, S2, etc.; in antisymmetric Lamb waves, the upper side moves away from the center of the plate and the lower side moves towards the center of the plate at the same time (i.e. both upwards or both downwards), the vibration modes are denoted by A0, A1, A2, etc. Lamb waves are dispersive, i. H. their speed of propagation depends on the excitation frequency and the plate thickness. The group and phase velocities are shown in dispersion diagrams. Lamb waves are often used for non-destructive testing of plates and/or plate-like structures. By using Lamb wave attenuation, velocity and mode conversion, information about the sizes and locations of existing defects can be obtained. This allows large-area plate-like structures such as aircraft fuselages, ship hulls, elbows and pressure vessels of nuclear reactors to be quickly inspected for structural defects such as delamination, delamination and corrosion.
Lamb-Wellen haben in der zerstörungsfreien Prüfung und im Structural health monitoring (SHM) große Bedeutung erlangt und werden in vielen verschiedenen Bereichen für die Herstellung und die Inspektion im Betrieb (in-situ) angewendet. Als Structural health monitoring wird ein automatisches Überwachungsverfahren bezeichnet, welches kontinuierlich oder periodisch durchgeführt wird, um den Zustand eines Objektes zu bestimmen und zu überwachen und um damit Schäden, z. B. Risse oder Verformungen, frühzeitig zu erkennen und Gegenmaßnahmen einleiten zu können.Lamb waves have gained great importance in non-destructive testing and structural health monitoring (SHM) and are applied in many different areas for manufacturing and in-situ inspection. Structural health monitoring is an automatic monitoring process that is carried out continuously or periodically in order to determine and monitor the condition of an object and thus prevent damage, e.g. B. cracks or deformations, and to be able to initiate countermeasures.
Da sich Lamb-Wellen in einer Platte mit mehreren gleichzeitig existierenden Moden ausbreiten, die jeweils unterschiedliche Dispersionseigenschaften und auch unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber unterschiedlichen Defekten aufweisen, ist es von praktischem Interesse, einen bestimmte Mode auszunutzen, um ein entsprechendes tomographisches Bild zu erzeugen, um einen bestimmten Defekt, der in der zu untersuchenden Platte vorhanden ist, zu lokalisieren, wie z. B. eine Dickenverdünnung aufgrund von Oberflächenkorrosion.Since Lamb waves propagate in a plate with several co-existing modes, each with different dispersion properties and also different sensitivity to different defects, it is of practical interest to exploit a specific mode to generate a corresponding tomographic image to a specific Locate a defect present in the disk to be examined, e.g. B. a thickness thinning due to surface corrosion.
In „Damage Identification in Composites based on Hilbert Energy Spectrum and Lamb wave tomography algorithm“, IEEE Sensors Journal, Vol. 19, No. 23, Dezember 1, 2019, werden beispielsweise eine Anordnung und ein Verfahren beschrieben, welche auf der Grundlage des Hilbert-Spektrums und der Lamb-Wellen-Tomographie eine Schadensortung in Verbundwerkstoffen erlaubt. Dafür wird ein Sensor mit kreisförmig angeordneten Sensorelementen verwendet, die gleichmäßig auf der Verbundplatte angeordnet sind, wobei jedes Sensorelement abwechselnd als Aktuator wirkt, um eine Lamb-Welle zu erzeugen. Die anderen Sensorelemente sind für die Erfassung des Antwortsignals verantwortlich. Durch die Verwendung des Hilbert-Energiespektrums und das Anwenden eines Wahrscheinlichkeitsabbildungsalgorithmus wird der Schadensort der Schädigung in der Verbundplatte berechnet.In "Damage Identification in Composites based on Hilbert Energy Spectrum and Lamb wave tomography algorithm", IEEE Sensors Journal, Vol. 19, No. 23, December 1, 2019, an arrangement and a method are described, for example, which allow damage location in composite materials on the basis of the Hilbert spectrum and Lamb wave tomography. For this purpose, a sensor with sensor elements arranged in a circle is used, which are arranged evenly on the composite panel, with each sensor element acting alternately as an actuator in order to generate a Lamb wave. The other sensor elements are responsible for detecting the response signal. By using the Hilbert energy spectrum and applying a probability mapping algorithm, the damage location of the damage in the composite panel is calculated.
Die Methode der Lamb-Wellen-Ausbreitung und die Ausnutzung deren Eigenschaften soll nunmehr für ein gänzlich neues Anwendungsgebiet genutzt werden.The method of Lamb wave propagation and the exploitation of its properties should now be used for a completely new area of application.
Im Fokus steht nicht mehr die Detektion von Defekten innerhalb einer zu untersuchenden Platte. Vielmehr sollen die vorbenannten und aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren für eine ortsaufgelöste Detektion von Fluiden, z. B. Milch oder Wasser, insbesondere Flüssigwasser, verwendet werden. Wasser ist die einzige chemische Verbindung auf der Erde, die in der Natur als Flüssigkeit, als Festkörper und als Gas vorkommt. Die Bezeichnung Wasser oder Flüssigwasser wird dabei für den flüssigen Aggregatzustand verwendet. Im festen Zustand spricht man von Eis, im gasförmigen Zustand von Wasserdampf.The focus is no longer on the detection of defects within a panel to be examined. Rather, the aforementioned methods known from the prior art for a spatially resolved detection of fluids, e.g. As milk or water, especially liquid water, can be used. Water is the only chemical compound on earth that occurs naturally as a liquid, solid and gas. The term water or liquid water is used for the liquid state of aggregation. Im tight state one speaks of ice, in the gaseous state of water vapor.
Wasser kann in einigen Anwendungen gewünscht, störend oder gänzlich unerwünscht sein. In Abhängigkeit von der Anwendung ist es beispielsweise vorteilhaft zu detektieren, wo sich Wasser oder kein Wasser befindet.Water can be desirable, disruptive, or totally undesirable in some applications. For example, depending on the application, it is advantageous to detect where there is water or no water.
Das Wassermanagement in Brennstoffzellen ist beispielsweise entscheidend für deren Performanz, Effizienz und Lebensdauer (siehe: Li, Hui, et al. „A review of water flooding issues in the proton exchange membrane fuel cell.“ Journal of Power Sources 178.1 (2008): 103-117).Water management in fuel cells, for example, is crucial for their performance, efficiency and service life (see: Li, Hui, et al. "A review of water flooding issues in the proton exchange membrane fuel cell." Journal of Power Sources 178.1 (2008): 103 -117).
Der Brennstoffzelle kommt bei der Umstellung auf erneuerbare Energien eine besondere Bedeutung zu, da sie sowohl für stationäre als auch mobile Anwendungen geeignet ist, dezentral genutzt werden kann, umweltfreundlich ist und einen hohen elektrischen Wirkungsgrad aufweist und somit für die Speicherung und Verteilung von Energie aus regenerativen Quellen von besonderem Interesse ist.The fuel cell is of particular importance in the transition to renewable energies, as it is suitable for both stationary and mobile applications, can be used decentrally, is environmentally friendly and has a high electrical efficiency and is therefore suitable for storing and distributing energy from renewable sources sources of particular interest.
Sammelt sich beispielsweise Flüssigwasser in den Kanälen der Brennstoffzelle kommt es zu einer Ungleichverteilung der Reaktionsedukte und die Performanz sinkt. Für eine Regelung der Feuchte, ist eine Detektion/Messung von Flüssigwasser in der Brennstoffzelle im Betrieb (in situ) erforderlich.For example, if liquid water collects in the channels of the fuel cell, the reaction educts are distributed unevenly and the performance drops. In order to control humidity, liquid water must be detected/measured in the fuel cell during operation (in situ).
Eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle 1 (proton exchange membrane), besteht aus einer Membran 2, auf der auf beiden Seiten Elektroden 3 mit einem Katalysator aufgebracht sind (siehe
Die von einer Zelle erzeugte Spannung beträgt je nach angeschlossener Last zwischen einem halben und etwa einem Volt. Durch die elektrische Serienschaltung mehrerer Einzelzellen zu einem sogenannten Stack (Stapel) kann diese Spannung auf einen nutzbaren Wert erhöht werden. Brennstoffzellenstapel bestehen aus fünf (Labormaßstab) bis mehreren hundert Einzelzellen. Bei einem bipolaren Stackaufbau 8 stehen Einzelzellen 1 jeweils durch eine gemeinsame Bipolarplatte 6 miteinander in elektrischem Kontakt (siehe
Die Eigenschaften eines Brennstoffzellenstapels hängen von einer Vielzahl von Parametern ab. Zum einen von den Eigenschaften der einzelnen Komponenten, aus denen er zusammengesetzt ist. Zum anderen haben die Betriebsparameter, mit denen der Stapel gefahren wird, einen entscheidenden Einfluss. Dazu zählen unter anderem folgende Parameter: Das Flowfield in den Bipolarplatten hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung der Brennstoffzelle. Die Reaktionsgase sollen möglichst an jeder Stelle und gleichmäßig an der Membran in ausreichendem Maß zur Verfügung stehen. Daher spielt auch das Wassermanagement bei aktuellen Membranen eine entscheidende Rolle. Die Protonenleitfähigkeit der Membran und damit die Leistung des Stapels steigen proportional zum Wassergehalt der Membran. Deshalb muss die Membran feucht gehalten werden, sie darf nicht austrocknen. Der Wassergehalt der Membran kann zum Beispiel über die Befeuchtung der Reaktionsgase erhöht werden. Andererseits darf die Zelle nicht zu feucht werden, damit aufgrund von in den porösen Strukturen stehendem Wasser die Diffusion der Edukte zum Reaktionsort nicht eingeschränkt wird. Für eine Steigerung der Zell-/System-Effizienz und eine Erhöhung der Lebensdauer ist es von entscheidender Bedeutung, den Wasserhaushalt in den Zellen eines Brennstoffzellenstapels optimal einzustellen. Eine naheliegende und standardmäßig eingesetzte Lösung ist das periodische/kontinuierliche Ausblasen von Wassertropfen durch Aufprägen erzwungener Konvektion, also der Erhöhung des Luftvolumenstroms. Diese Lösung nimmt jedoch eine Zunahme des Energieverbrauchs durch das für die Konvektion erforderliche Gebläse in Kauf und verringert folglich den Systemwirkungsgrad.The properties of a fuel cell stack depend on a large number of parameters. On the one hand by the properties of the individual components from which it is composed. On the other hand, the operating parameters with which the stack is run have a decisive influence. These include the following parameters: The flow field in the bipolar plates has a significant impact on the performance of the fuel cell. The reaction gases should be available in sufficient quantities at every point and evenly on the membrane. Therefore, water management also plays a crucial role in current membranes. The proton conductivity of the membrane and thus the performance of the stack increases in proportion to the water content of the membrane. Therefore, the membrane must be kept moist, it must not dry out. The water content of the membrane can be increased, for example, by humidifying the reaction gases. On the other hand, the cell must not become too humid so that the diffusion of the reactants to the reaction site is not restricted due to water standing in the porous structures. In order to increase the cell/system efficiency and increase the service life, it is of crucial importance to optimally adjust the water balance in the cells of a fuel cell stack. An obvious and standard solution is the periodic/continuous blowing out of water droplets by applying forced convection, i.e. increasing the air volume flow. However, this solution entails an increase in energy consumption due to that required for convection Liche fan in purchase and consequently reduces the system efficiency.
Eine detaillierte Messung der Wasserverteilung einer Zelle innerhalb eines Zellenstapels ist bisher nicht möglich, um die Wasserverteilung abhängig von Materialeigenschaften, der Geometrie und von Betriebsparametern zu verstehen. Stände ein Messsystem zur Verfügung, welches In-situ, d. h. im Realbetrieb die Wasserverteilung lokal in einer Zelle oder einem Zellenstapel erfassen könnte, könnten damit Maßnahmen für ein optimales Wassermanagement entwickelt werden und es besteht eine perspektivische Möglichkeit aktiv und gezielt auf die Wasserverteilung in den Kanälen der Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellenstapel zu reagieren.A detailed measurement of the water distribution of a cell within a cell stack has not yet been possible in order to understand the water distribution as a function of material properties, geometry and operating parameters. If a measuring system were available, which in-situ, i. H. If the water distribution could be recorded locally in a cell or a cell stack in real operation, measures for optimal water management could be developed and there is a perspective possibility of reacting actively and specifically to the water distribution in the channels of the fuel cell or the fuel cell stack.
Bestehende Ansätze zur direkten Erfassung von Flüssigwasser können bisher nur im Labor (Ex-situ_Messung) angewendet werden, da sie entweder eine Veränderung der Zellstruktur erfordern, um eine optische Zugänglichkeit für optische Messungen zu ermöglichen oder nur in Stapeln mit wenigen Zellen eingesetzt werden, insbesondere wenn die Verfahren basierend auf ionisierender Strahlung beruhen. Diese Verfahren erlauben also keine In-situ Messung für einen Brennstoffzellenstapel oder in anderen Anwendungsbereichen, in denen Fluide an schwer zugänglichen Stellen detektiert werden sollen.Existing approaches for direct detection of liquid water can so far only be applied in the laboratory (ex situ_measurement) since they either require a modification of the cell structure to allow optical accessibility for optical measurements or are only used in stacks with few cells, especially when the methods are based on ionizing radiation. These methods therefore do not allow in-situ measurement for a fuel cell stack or in other areas of application in which fluids are to be detected in places that are difficult to access.
Ein anderer Anwendungsbereich in dem die Lokalisierung von Wasser eine Rolle spielt, ist in MeerwasserEntsalzungsanlagen, insbesondere im Bereich der Wärmeübertrager, an denen der mit Salz angereicherte Wasserdampf kondensiert bzw. an denen das zugeführte Wasser verdampft. Die für die Kondensation bzw. die Verdampfung zur Verfügung stehende Fläche des Wärmeübertragers sollte möglichst groß sein. Fehlstellen an denen kein Wasserdampf mehr kondensiert bzw. verdampft, sollten daher frühzeitig detektierbar sein, indem Informationen über wasserfreie Stellen auf dem Wärmeübertrager ortsaufgelöst erfasst werden.Another area of application in which the localization of water plays a role is in seawater desalination plants, particularly in the area of heat exchangers, where the water vapor enriched with salt condenses or where the water supplied evaporates. The area of the heat exchanger available for condensation or evaporation should be as large as possible. Defects where water vapor no longer condenses or evaporates should therefore be detectable at an early stage by spatially resolved information about water-free areas on the heat exchanger being recorded.
Eine weitere Anwendung, bei der die Lokalisierung von Fluiden eine wichtige Rolle spielt, ist in (Platten- )Wärmeübertragern in der Lebensmittelindustrie. Insbesondere in der milchverarbeitenden Industrie wird Milch in Wärmeübertragern erhitzt, um mikrobielle Risiken auszuschließen und die Produkthaltbarkeit zu verlängern. Während der Erhitzung denaturieren und agglomerieren Proteine bzw. fallen Salze an der wärmeübertragenden Wand aus. Diese Ablagerungen heißen Fouling und reduzieren den Wärmeübergang, wodurch die vorgegebene Produkterhitzung nur dann garantiert werden kann, wenn die Temperatur des Erhitzungsmediums sukzessive erhöht wird. Dies kann aber durch Anbrennen zur Minderung der Produktqualität und der Sensorik führen. Wünschenswert wäre es daher die Stellen ortsaufgelöst zu detektieren, an denen kein Fluid, z. B. Milch, aufgrund von Fouling mehr erhitzt werden kann, um entsprechende Gegenmaßnahmen zu treffen.Another application where the localization of fluids plays an important role is in (plate) heat exchangers in the food industry. In the milk processing industry in particular, milk is heated in heat exchangers to eliminate microbial risks and extend product shelf life. During heating, proteins denature and agglomerate or salts precipitate on the heat-transferring wall. These deposits are called fouling and reduce heat transfer, which means that the specified product heating can only be guaranteed if the temperature of the heating medium is gradually increased. However, this can lead to a reduction in product quality and sensory properties due to burning. It would therefore be desirable to detect the locations in a spatially resolved manner where no fluid, e.g. B. milk, due to fouling can be heated more to take appropriate countermeasures.
Es ist daher wünschenswert und somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Anordnung bzw. Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, die es ermöglicht, Fluide, wie Wasser, insbesondere Flüssigwasser, ortsaufgelöst und kontinuierlich auf einer Trägerstruktur im Betrieb detektieren zu können. Diese Anordnung soll insbesondere für die Erfassung von Flüssigwasser in einer Brennstoffzelle oder in einem Brennstoffzellenstapel geeignet sein oder für die Detektion von Fehlstellen an einer Wärmeübertragerstruktur, wie sie beispielsweise in einer Meerwasser-Entsalzungsanlage oder in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden.It is therefore desirable and therefore the object of the present invention to specify an arrangement or device and a method that make it possible to detect fluids, such as water, in particular liquid water, in a spatially resolved and continuous manner on a carrier structure during operation. This arrangement should be particularly suitable for detecting liquid water in a fuel cell or in a fuel cell stack or for detecting defects in a heat exchanger structure, such as those used in a seawater desalination plant or in the food industry.
Die Aufgabe wird anordnungsseitig durch eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Erfassung von Fluiden, insbesondere Flüssigwasser, auf einer Trägerstruktur gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Die Vorrichtung umfasst mindestens drei Wandler-Elemente, die auf der Trägerstruktur angebracht und / oder angeordnet sind, eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung der Wandler-Elemente und eine Signalverarbeitungseinheit zur Auswertung aufgenommener Signale durch die Wandler-Elemente, wobei die Wandler-Elemente untereinander Transmissionspfade ausbilden und damit einen Messbereich zur Erfassung von Fluiden, insbesondere Flüssigwasser, auf der Trägerstruktur aufspannen und abdecken, wobei die Ansteuereinheit jeweils ein Wandler-Element der mindestens drei Wandler-Elemente als einen Aktuator ansteuert und transmittierte Signale durch die anderen Wandler-Elemente aufzeichnet, wobei die Signalverarbeitungseinheit die Signale der Wandler-Elemente tomographisch auswertet und eine ortsaufgelöste Verteilung des Fluides, insbesondere des Flüssigwassers, auf der Trägerstruktur ausgibt.On the assembly side, the object is achieved by a device for the spatially resolved detection of fluids, in particular liquid water, on a support structure according to independent claim 1 . The device comprises at least three converter elements which are attached and/or arranged on the support structure, a control unit for controlling the converter elements and a signal processing unit for evaluating signals picked up by the converter elements, with the converter elements forming transmission paths among themselves and thus spanning and covering a measuring range for detecting fluids, in particular liquid water, on the support structure, with the control unit respectively controlling one converter element of the at least three converter elements as an actuator and recording transmitted signals through the other converter elements, the signal processing unit tomographically evaluates the signals of the transducer elements and outputs a spatially resolved distribution of the fluid, in particular the liquid water, on the support structure.
Bevorzugt sind auf der Trägerstruktur mehr als drei Wandler-Elemente ausgebildet, wobei unter der Trägerstruktur plattenähnliche Strukturen verstanden werden, deren Dicke gering gegenüber der flächigen Ausdehnung der Struktur selbst ist. Die Trägerstruktur kann in Abhängigkeit von der Verwendung auch ein Wärmeübertrager sein oder eine andere flächige Struktur. Die Wandler-Elemente sind auf der Trägerstruktur aufgebracht oder darauf angeordnet. Je mehr Wandler-Elemente auf der Trägerstruktur ausgebildet sind, desto besser wird der Messbereich, der durch die Transmissionspfade der Wandler-Elemente aufgespannt wird, abgedeckt. Als Transmissionspfad wird die Strecke zwischen einem ersten Wandler-Element und einem anderen Wandler-Element bezeichnet, auf dem sich die von dem ersten Wandler-Element ausgesendete Lamb-Welle zu dem anderen Wandler-Element ausbreitet. Bei n Wandler-Elementen ergeben sich dementsprechend (n-1)*n Transmissionspfade, z. B. bei n=4 Wandler-Elementen ergeben sich 3*4=12 Transmissionspfade, die das Messgebiet bzw. den Messbereich auf der Trägerstruktur aufspannen (siehe beispielsweise
Die Auswertung der durch die Signalverarbeitungseinheit aufgenommenen Messsignale erlaubt eine ortsaufgelöste Bestimmung von Fluiden, insbesondere Flüssigwasser, auf der Trägerstruktur bzw. kann auch eine Aussage getroffen werden, wo sich kein Fluid befindet. Für die Auswertung werden dabei tomographische Verfahren genutzt. Eine Möglichkeit ist das klassische Vorgehen zur tomographischen Rekonstruktion. Dabei werden die zu untersuchenden Moden/Mode durch Frequenzfilterung oder Unterscheidung aufgrund der Laufzeit voneinander getrennt und Signalmerkmale, wie Amplitude, Phase/Laufzeit, Dispersion extrahiert. Gegebenenfalls erfolgt eine Differenzmessung zur Kalibrierung (mit/ohne Fluid). Für die tomographische Rekonstruktion wird je nach gewählter Anordnung ein Grid aufgestellt in dem jedes Pixel einen bestimmten Wert für beispielsweise Dämpfung oder Schallgeschwindigkeit hat. Mit den gemessenen Laufzeiten bzw. Dämpfungen kann dann entsprechend der Transmissionspfade ein Gleichungssystem aufgestellt werden. Dieses wird gelöst, um die ortsaufgelöste Schallgeschwindigkeit oder Dämpfung zu bestimmen. Über eine Kalibrierung kann dieser Wert in eine Fluidbelegung überführt werden. Die Kalibrierung kann dabei für jede Fluidbelegung gemacht werden oder aus Stützstellen (geflutet und komplett leer) interpoliert werden.The evaluation of the measurement signals recorded by the signal processing unit allows a spatially resolved determination of fluids, in particular liquid water, on the support structure or a statement can also be made as to where there is no fluid. Tomographic methods are used for the evaluation. One possibility is the classic procedure for tomographic reconstruction. The modes to be examined are separated from one another by frequency filtering or differentiation based on transit time, and signal characteristics such as amplitude, phase/transit time, and dispersion are extracted. If necessary, a differential measurement is carried out for calibration (with/without fluid). For the tomographic reconstruction, depending on the selected arrangement, a grid is set up in which each pixel has a specific value for, for example, attenuation or the speed of sound. A system of equations can then be set up according to the transmission paths with the measured propagation times or attenuations. This is solved to determine the spatially resolved sound velocity or attenuation. This value can be converted into a fluid allocation via a calibration. The calibration can be made for each fluid occupancy or interpolated from interpolation points (flooded and completely empty).
In einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur ortsaufgelösten Erfassung von Fluiden bzw. Flüssigwasser auf einer Trägerstruktur sind die Wandler-Elemente an einer Peripherie der Trägerstruktur aufgebracht und so angeordnet, dass die gesamte Fläche der Trägerstruktur vom Messbereich der Wandler-Elemente erfasst wird.In a variant of the device according to the invention for the spatially resolved detection of fluids or liquid water on a support structure, the converter elements are attached to a periphery of the support structure and arranged such that the entire surface of the support structure is covered by the measuring area of the converter elements.
Unter der Peripherie der Trägerstruktur ist insbesondere ein Randbereich der Trägerstruktur zu verstehen, der noch unmittelbar zur Trägerstruktur gehört, aber nicht unmittelbar für die Funktionalität der Struktur in einer konkreten Anwendung benötigt wird bzw. sich unvorteilhaft auswirken würde. Das Aufbringen und die Anordnung der Wandler-Elemente erfolgen derart, dass eine möglichst große Fläche durch die zwischen den Wandler-Elementen aufgespannten Transmissionspfade abgedeckt und erfassbar ist.The periphery of the support structure is to be understood in particular as an edge region of the support structure which still belongs directly to the support structure but is not directly required for the functionality of the structure in a specific application or would have an unfavorable effect. The transducer elements are applied and arranged in such a way that the largest possible area is covered and detectable by the transmission paths spanned between the transducer elements.
In einer anderen Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Wandler-Elemente aus piezoelektrischen Macro-Fiber Composites (MFCs) zur Erzeugung von Lamb-Wellen ausgebildet.In another variant of the device according to the invention, the transducer elements are made from piezoelectric macro-fiber composites (MFCs) for generating Lamb waves.
Ein Wandler-Element aus piezoelektrischen MFCs besteht aus rechteckigen Piezo-Keramikstäben, die zwischen Schichten aus Klebstoff, Elektroden und Polyimidfilm eingebettet sind. Die Elektroden sind in einem ineinandergreifenden Muster an der Folie befestigt, wodurch die MFC-Struktur der angelegten Spannung direkt auf die bandförmigen Stäbe und von diesen übertragen wird. Der MFC kann auch als dünne, oberflächenkonforme Platte auf verschiedene Arten von Strukturen aufgebracht, z. B. geklebt, oder in die Trägerstruktur eingebettet werden. Wenn eine Spannung angelegt wird, erzeugt er Schwingungen, die sogenannten Lamb-Wellen. Besonders vorteilhaft an den MFCs ist ihre besonders dünne Bauform, welche eine Integration z. B. in einen Brennstoffzellenstapel ermöglicht, sowie die besonders hohe Bandbreite, welche eine optimale Einstellung des Arbeitspunktes ermöglicht.A piezoelectric MFC transducer element consists of rectangular piezo ceramic rods sandwiched between layers of adhesive, electrodes and polyimide film. The electrodes are attached to the foil in an interdigitated pattern, whereby the MFC structure of the applied voltage is transmitted directly to and from the ribbon rods. The MFC can also be applied as a thin, surface-conforming plate to various types of structures, e.g. B. glued, or embedded in the support structure. When a voltage is applied, it generates oscillations called Lamb waves. A particular advantage of the MFCs is their particularly thin design, which allows integration, e.g. B. in a fuel cell stack, as well as the particularly high bandwidth, which allows optimal adjustment of the operating point.
In einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Wandler-Elemente aus Interdigitalwandlern aus piezoelektrischem Material gebildet zur Erzeugung von Lamb-Wellen. Die Interdigitalwandler (interdigital transducers-IDT) weisen eine kammartige Elektrodenstruktur auf, die sehr vorteilhafte Eigenschaften bezüglich der Modenselektivität aufweist. Die IDTs bestehen aus piezoelektrischem Material, beispielsweise Polyvinylidendifluorid (PVDF), welches sehr flexibel und preiswert ist.In a further variant of the device according to the invention, the converter elements are formed from interdigital converters made of piezoelectric material for generating Lamb waves. The interdigital transducers (interdigital transducers-IDT) have a comb-like electrode structure that has very advantageous properties in terms of mode selectivity. The IDTs are made of piezoelectric material such as polyvinylidene difluoride (PVDF), which is very flexible and inexpensive.
In einer anderen weiteren Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Wandler-Elemente aus Piezoscheiben gebildet zur Erzeugung von Lamb-Wellen. Kleine Piezoscheiben werden auf die Trägerstruktur geklebt. Diese Variante ist sehr günstig und einfach realisierbar.In another further variant of the device according to the invention, the converter elements are formed from piezoelectric discs for generating Lamb waves. Small piezo discs are glued to the support structure. This variant is very cheap and easy to implement.
In einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Wandler-Elemente auf einer Seite der Trägerstruktur und / oder auf beiden Seiten der Trägerstruktur angeordnet. Im einfachsten Fall sind die Wandler-Elemente auf einer Seite der plattenähnlichen Trägerstruktur angebracht. Für die Modentrennung und Unterscheidung der Effekte unter und über der Trägerstruktur ist es auch möglich, zusätzlich unterhalb der Trägerstruktur, also auf der gegenüberliegenden Seite der Trägerstruktur, ebenfalls Wandler-Elemente anzubringen.In a variant of the device according to the invention, the converter elements are arranged on one side of the support structure and/or on both sides of the support structure. In the simplest case, the transducer elements are attached to one side of the plate-like support structure. For mode separation and differentiation of the effects below and above the support structure, it is also possible to additionally attach converter elements below the support structure, that is to say on the opposite side of the support structure.
In einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Wandler-Elemente als Transmitter und Receiver, sogenannte Transceiver, oder getrennt als Transmitter oder Receiver ausgebildet und betreibbar.In a further variant of the device according to the invention, the converter elements are designed and operable as transmitters and receivers, so-called transceivers, or separately as transmitters or receivers.
Die Aufgabe wird ebenfalls durch ein Messverfahren gelöst, welches die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt, wobei das Messverfahren folgende Schritte aufweist:
- a) Ansteuern eines ersten Wandler-Elementes mit einem elektrischen Signal mittels der Ansteuereinheit, wobei das Wandler-Element entsprechend seiner Richtcharakteristik eine Lamb-Welle auf der Trägerstruktur aussendet,
- b) Empfangen der Lamb-Welle durch mindestens die weiteren Wandler-Elemente, welche die Lamb-Welle wieder in ein elektrisches Signal umwandeln und von der Signalverarbeitungseinheit erfasst werden,
- - Wiederholen der Schritte a) und b) bis alle Wandler-Elemente auf der Trägerstruktur eine Lamb-Welle ausgesendet haben,
- - abschließend Verarbeiten und Auswerten der transmittierten elektrischen Signale der Wandler-Elemente durch die Signalverarbeitungseinheit, wobei die Signalverarbeitungseinheit eine tomographische Rekonstruktion der Verteilung des Fluides, insbesondere des Flüssigwassers, auf der Trägerstruktur vornimmt.
- a) Controlling a first converter element with an electrical signal by means of the control unit, wherein the converter element emits a Lamb wave on the support structure according to its directional characteristic,
- b) receiving the Lamb wave by at least the other converter elements, which convert the Lamb wave back into an electrical signal and are detected by the signal processing unit,
- - Repeat steps a) and b) until all transducer elements on the support structure have emitted a Lamb wave,
- - finally processing and evaluating the transmitted electrical signals of the transducer elements by the signal processing unit, wherein the signal processing unit performs a tomographic reconstruction of the distribution of the fluid, in particular the liquid water, on the support structure.
Die Wandler-Elemente sind vorzugsweise an der Peripherie der Trägerstruktur angeordnet. Das hat den Vorteil, dass sich die Lamb-Welle, die sich aufgrund der elektrischen Ansteuerung eines Wandler-Elementes durch die Ansteuereinheit in bzw. auf der Trägerstruktur ausbreitet, einen möglichst großen Bereich der Trägerstruktur erfasst/abdeckt. Die Lamb-Welle weist verschiedene Moden auf, wie bereits beschrieben wurde. Für die Detektion von Fluiden, insbesondere Flüssigwasser, werden zunächst die S0 und A0 Mode genutzt, da diese in einem bestimmten Frequenzbereich gut auseinanderzuhalten sind. Auch höhere Moden können genutzt werden, wenn die unterschiedlichen Beiträge im Frequenzbereich voneinander trennbar sind. Die angeregte und vom Wandler-Element ausgesendete Lamb-Welle wird von allen anderen Wandler-Elementen empfangen und detektiert, indem im jeweiligen Wandler-Element ein elektrisches Signal erzeugt wird, welches von der Signalverarbeitungseinheit erfasst wird. Ein Messzyklus, welcher aus den Schritten a) und b) besteht, wird solange wiederholt, bis alle Wandler-Elemente auf der Trägerstruktur eine Lamb-Welle ausgesendet haben, die von den jeweils anderen Wandler-Elementen erfasst werden. Abschließend werden die transmittierten elektrischen Signale der Wandler-Elemente durch die Signalverarbeitungseinheit verarbeitet und ausgewertet. Ist ein Fluid, insbesondere Flüssigwasser auf der Trägerstruktur vorhanden, so ist dies durch eine Veränderung im Signalverlauf gegenüber einer Trägerstruktur ohne Fluid oder vollständig mit Fluid erkennbar, bzw. es ist erkennbar wo sich kein Fluid befindet, wenn ansonsten überall Fluid ist. Diese Signalveränderungen werden für die tomographische Rekonstruktion der Verteilung des Fluides, insbesondere des Flüssigwassers auf der Trägerstruktur genutzt. Dazu wird der Messbereich örtlich diskreditiert und jedem Pixel ein Wert für Dämpfung bzw. Schallgeschwindigkeit zugeordnet. Die Transmissionspfade können als Linienintegrale durch das Messgebiet aufgefasst werden. Folglich kann ein Gleichungssystem aufgestellt werden, welches die Dämpfung bzw. Schallgeschwindigkeit entlang des Transmissionspfades beschreibt. Durch die Lösung des Gleichungssystems erhält man die ortsverteilte Dämpfung oder Schallgeschwindigkeit, welche mit Hilfe einer Kalibrierfunktion oder über ein Modell in die Fluid-/Wasserauflage überführt werden kann.The transducer elements are preferably arranged on the periphery of the support structure. This has the advantage that the Lamb wave, which propagates in or on the support structure due to the electrical control of a transducer element by the control unit, covers/covers the largest possible area of the support structure. The Lamb wave has different modes as already described. For the detection of fluids, especially liquid water, the S0 and A0 modes are used first, as these can be easily distinguished in a specific frequency range. Higher modes can also be used if the different contributions in the frequency range can be separated from one another. The Lamb wave that is excited and emitted by the converter element is received and detected by all other converter elements by generating an electrical signal in the respective converter element, which signal is detected by the signal processing unit. A measurement cycle, which consists of steps a) and b), is repeated until all transducer elements on the support structure have emitted a Lamb wave, which is detected by the other transducer elements. Finally, the transmitted electrical signals from the transducer elements are processed and evaluated by the signal processing unit. If a fluid, in particular liquid water, is present on the support structure, this can be identified by a change in the signal curve compared to a support structure without fluid or completely with fluid, or it can be identified where there is no fluid if there is fluid everywhere else. These signal changes are used for the tomographic reconstruction of the distribution of the fluid, in particular the liquid water, on the support structure. For this purpose, the measuring range is locally discredited and each pixel is assigned a value for attenuation or sound velocity. The transmission paths can be viewed as line integrals through the measurement area. Consequently, a system of equations can be set up which describes the attenuation or sound velocity along the transmission path. By solving the system of equations, one obtains the spatially distributed damping or speed of sound, which can be transferred to the fluid/water layer using a calibration function or a model.
In einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Messverfahrens werden die Wandler-Elemente nacheinander, in einer definierten Reihenfolge durch die Ansteuereinheit angesteuert. Diese Variante ist weniger komplex, weniger fehleranfällig und reproduzierbar.In a first variant of the measuring method according to the invention, the converter elements are controlled one after the other in a defined order by the control unit. This variant is less complex, less error-prone and reproducible.
In einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Messverfahrens werden die Wandler-Elemente randomisiert durch die Ansteuereinheit angesteuert. Diese Variante weist eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Dämpfung oder Schallgeschwindigkeit aufgrund anderer Einflüsse, wie Temperatur, Druck etc. auf.In another variant of the measurement method according to the invention, the converter elements are controlled in a randomized manner by the control unit. This variant is less sensitive to fluctuations in attenuation or sound velocity due to other influences such as temperature, pressure, etc.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Messverfahrens erfolgt die tomographische Rekonstruktion der Verteilung des Fluides, insbesondere des Flüssigwassers auf der Trägerstruktur mittels zuvor aufgenommener Kalibrierdaten, oder mittels einer modellbasierten numerischen Simulation, oder mittels eines künstlichen neuronalen Netzes.In a further variant of the measurement method according to the invention, the tomographic reconstruction of the distribution of the fluid, in particular the liquid water on the support structure, is carried out using previously recorded calibration data, or using a model-based numerical simulation, or using an artificial neural network.
Die Verwendung von Kalibrierdaten für die tomographische Rekonstruktion der Verteilung des Fluides hat den Vorteil, dass diese Variante eine eindeutige physikalische Entsprechung des Ist-Zustandes der Fluidverteilung darstellt, einfach zu handhaben und daher nachvollziehbar, praktikabel sowie echtzeitfähig ist. Bei der modellbasierten numerischen Simulation oder Full wave inversion ist zwar potenziell eine sehr genaue Rekonstruktion und hohe Ortsauflösung erreichbar, da mehr Informationen aus dem Signal genutzt werden als bei den zuvor aufgenommenen Kalibrierdaten, jedoch ist diese Variante sehr zeitaufwendig, nicht echtzeitfähig und setzt eine sehr genaue Modellierung voraus. Bei der Verwendung eines neuronalen Netzes ist eine sehr schnelle und potenziell genaue Rekonstruktion bei sehr geringem Zeitaufwand zum Zeitpunkt der Messung möglich, die auch echtzeitfähig ist, jedoch ist die Erstellung von Trainingsdatensätzen zunächst sehr aufwendig.The use of calibration data for the tomographic reconstruction of the distribution of the fluid has the advantage that this variant represents a clear physical equivalent of the actual state of the fluid distribution, is easy to handle and is therefore comprehensible, practicable and real-time capable. With model-based numerical simulation or full wave inversion, a very precise reconstruction and high spatial resolution can potentially be achieved, since more information from the signal is used than with the previously recorded calibration data, but this variant is very time-consuming, not real-time capable and requires a very precise modeling ahead. When using a neural network, a very fast and potentially accurate reconstruction is possible with very little time expenditure at the time of the measurement, which is also real-time capable, but the creation of training data sets is initially very complex.
In einer besonders vorteilhaften Weise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur ortsaufgelösten Erfassung von Flüssigwasser auf einer Trägerstruktur in einer Brennstoffzelle oder in einem Brennstoffzellenstapel verwendet, wobei die Trägerstruktur als eine Bipolarplatte in dem Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist und die Verteilung des Flüssigwassers auf der Bipolarplatte mittels der Wandler-Elemente, die auf der Bipolarplatte angeordnet sind, mittels tomographischer Rekonstruktion ortsaufgelöst bestimmbar ist.In a particularly advantageous manner, the device according to the invention is used for the spatially resolved detection of liquid water on a support structure in a fuel cell or in a fuel cell stack, the support structure being designed as a bipolar plate in the fuel cell stack and the liquid water being distributed on the bipolar plate by means of the converter elements , which are arranged on the bipolar plate, can be determined in a spatially resolved manner by means of tomographic reconstruction.
Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es, Flüssigwasser in einer Brennstoffzelle bzw. in einem Brennstoffzellenstapel in-situ zu detektieren. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass diese Messung im Betrieb der Brennstoffzelle erfolgen kann und keine Modifikationen am Design der Brennstoffzelle vorgenommen werden müssen, um die Wasserverteilung optisch visualisieren zu können. Bisher musste das im Fokus der Untersuchungen stehende Flowfield einen optischen Zugang bspw. durch Acrylglas aufweisen, um die Flüssigwasserverteilung zu untersuchen. Dies ist mit der Erfindung nicht mehr notwendig. Der Einsatz von MFCs oder IDTs oder Piezoscheibchen ist kostengünstig und wirkt sich nicht nachteilig auf die Performance und Effizienz der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels aus. Durch die erfindungsgemäße Lösung können die Untersuchungen wesentlich vereinfacht werden, so dass auch eine nachfolgende Modellerstellung bspw. für Simulationen des Flowfields deutlich vereinfacht werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung und dem Verfahren lassen sich numerische Modelle für die Entstehung und den Abtransport von Flüssigwasser im Betrieb eines Brennstoffzellenstapels einfach erstellen und validieren, die Optimierung der Betriebsparameter (Stoffströme) eines Brennstoffzellenstapels sowie die Optimierung der Flowfield-Struktur hinsichtlich der Ausbildung von Flüssigwasser (bzw. der Zweiphasenströmung aus Wasser und Wasserdampf) wird möglich.The solution according to the invention makes it possible to detect liquid water in a fuel cell or in a fuel cell stack in situ. It is particularly advantageous that this measurement can take place during operation of the fuel cell and that no modifications have to be made to the design of the fuel cell in order to be able to visually visualize the water distribution. Until now, the flow field, which is the focus of the investigations, had to have an optical access, e.g. through acrylic glass, in order to examine the liquid water distribution. This is no longer necessary with the invention. The use of MFCs or IDTs or piezo disks is inexpensive and does not have a negative effect on the performance and efficiency of the fuel cell or fuel cell stack. The investigations can be significantly simplified by the solution according to the invention, so that subsequent model creation, for example for simulations of the flow field, can also be significantly simplified. With the arrangement and the method according to the invention, numerical models for the formation and removal of liquid water in the operation of a fuel cell stack can be easily created and validated, the optimization of the operating parameters (material flows) of a fuel cell stack and the optimization of the flow field structure with regard to the formation of liquid water ( or the two-phase flow of water and steam) becomes possible.
In einer weiteren vorteilhaften Weise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur ortsaufgelösten Erfassung von Flüssigwasser auf einer Trägerstruktur in einer Meerwasser-Entsalzungsanlage verwendet, wobei die Trägerstruktur als eine Platte in einem Wärmeübertrager der Meerwasser-Entsalzungsanlage ausgebildet ist und die Verteilung des Flüssigwassers auf der Platte mittels der Wandler-Elemente, die auf der Platte aufgebracht und angeordnet sind, mittels tomographischer Rekonstruktion ortsaufgelöst bestimmbar ist, wobei Fehlstellen auf der Platte des Wärmeübertragers an denen kein Wasser mehr kondensiert oder verdampft, detektiert werden können.In a further advantageous manner, the device according to the invention is used for the spatially resolved detection of liquid water on a support structure in a seawater desalination plant, the support structure being designed as a plate in a heat exchanger of the seawater desalination plant and the liquid water being distributed on the plate by means of the converter - Elements that are applied and arranged on the plate can be determined in a spatially resolved manner by means of tomographic reconstruction, whereby defects on the plate of the heat exchanger where no more water condenses or evaporates can be detected.
Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es, den Zustand von schwer zugänglichen Oberflächen zu überwachen, indem bei einem Wärmeübertrager in einer Meerwasser-Entsalzungsanlage überwacht wird, ob flächig überall noch Wasser kondensieren oder verdampfen kann, oder aufgrund von Ablagerungen der Wirkungsgrad der Anlage beeinträchtigt wird.The solution according to the invention makes it possible to monitor the condition of hard-to-reach surfaces by monitoring a heat exchanger in a seawater desalination plant to determine whether water can still condense or evaporate over the entire surface or whether the efficiency of the plant is impaired due to deposits.
In einer anderen vorteilhaften Weise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur ortsaufgelösten Erfassung von Fluiden auf einem Plattenwärmeübertrager in der Lebensmittelindustrie, insbesondere für die Erfassung von Milch bzw. Stellen am Plattenwärmeübertrager, an denen keine Milch mehr erhitzt werden kann, verwendet.In another advantageous way, the device according to the invention is used for the spatially resolved detection of fluids on a plate heat exchanger in the food industry, in particular for the detection of milk or points on the plate heat exchanger where milk can no longer be heated.
Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es, den Zustand von schwer zugänglichen Oberflächen in derartigen Anlagen der Lebensmittelindustrie zu überwachen, indem bei einem Wärmeübertrager überwacht wird, ob flächig überall noch Milch erhitzt werden kann, oder aufgrund von Fouling der Wärmeübergang auf die Milch oder andere zu erhitzende Flüssigkeiten reduziert wird.The solution according to the invention makes it possible to monitor the condition of surfaces that are difficult to access in such systems in the food industry by monitoring a heat exchanger to determine whether milk can still be heated all over the surface, or the heat transfer to the milk or other liquids to be heated due to fouling is reduced.
Die erfindungsgemäße Lösung kann in jeglicher Wärmeübertragerstruktur Anwendung finden, in der Fluide oder Stellen an denen kein Fluid vorhanden ist, detektiert werden sollen.The solution according to the invention can be used in any heat exchanger structure in which fluids or locations where no fluid is present are to be detected.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird auch als Sensor zur Detektion von Flüssigwasser in einem Brennstoffzellenstapel oder zur Detektion von Fehlstellen in Plattenwärmeübertragern an denen kein Fluid mehr anliegt, bezeichnet.The device according to the invention is also referred to as a sensor for detecting liquid water in a fuel cell stack or for detecting faults in plate heat exchangers where there is no longer any fluid present.
Die Erfindung soll nachfolgend an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using some exemplary embodiments.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen
-
1 Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik; -
2 Aufbau eines Brennstoffzellenstapels nach dem Stand der Technik; -
3 Transmissionspfade für verschiedene Anordnungen der Wandler-Elemente auf der Trägerstruktur; -
4 Trägerstruktur mit peripher angeordneten Wandler-Elementen zur Detektion von Flüssigwasser gemäß der Erfindung; -
5 Modifizierter Brennstoffzellenstapel zur Detektion von Flüssigwasser; -
6 Modifizierter Wärmeübertrager in einer Meerwasser-Entsalzungsanlage zur Detektion von Fehlstellen, an denen kein Wasser mehr verdampft bzw. modifizierter Plattenwärmeübertrager in der Lebensmittelindustrie zur Detektion von Fouling-Stellen auf selbigem.
-
1 Structure of a PEM fuel cell according to the prior art; -
2 Structure of a fuel cell stack according to the prior art; -
3 transmission paths for different arrangements of the transducer elements on the support structure; -
4 Support structure with peripherally arranged transducer elements for the detection of liquid water according to the invention; -
5 Modified fuel cell stack for detection of liquid water; -
6 Modified heat exchanger in a seawater desalination plant to detect defects where water no longer evaporates or modified plate heat exchanger in the food industry to detect fouling spots on the same.
Die
Die Lamb-Wellen (Moden S0 und/oder A0) breiten sich über die Trägerstruktur 13, für den Fall der Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel 8 über die Bipolarplatte 6 (
Um von den empfangenen Signalen auf eine Fluidbelegung, insbesondere Flüssigwasserbelegung auf der Bipolarplatte 6 zu schließen, ist eine Kalibrierung notwendig. Dafür gibt es verschiedene Ansätze:
- 1) Für die Kalibrierung wird das Verfahren nach „Messung“ mindestens für den Zustand ohne Flüssigwasser auf der Trägerstruktur bzw. Bipolarplatte und gegebenenfalls für den Zustand der komplett gefluteten Trägerstruktur bzw. Brennstoffzelle durchgeführt und die aufgenommenen Signale gespeichert. Während der späteren Messung werden die Signale mit diesen beiden Kalibriersignalen verglichen. Beispielsweise kann dabei die Amplitude der S0 Mode ausgewertet werden. Um auf die Wasserauflage zu schließen wird eine lineare Regression mittels der beiden im Kalibrierexperiment ermittelten Amplituden der S0 Mode durchgeführt.
- 2) Es kann auch eine modellbasierte Kalibrierung genutzt werden. Die Schallausbreitung entlang des Transmissionspfades auf der Trägerstruktur bzw. Bipolarplatte wird mittels numerischer Simulation modellhaft abgebildet. Während der Messung erfolgt eine Optimierung der Modellparameter, beispielsweise mittels der Full wave inversion Methode. Aus den Modellparametern kann die Wasserauflage bestimmt werden.
- 3) Eine dritte Möglichkeit ist die Verwendung eines künstlichen neuronalen Netzes (KNN). In Experimenten werden mehrere Szenarien mit bekannter Wasserauflage eingestellt und die entsprechenden Signale gespeichert. Durch ein neuronales Netz kann der Zusammenhang von Wasserauflage und dem komplexen Signalverlauf mittels Lernstichprobe abgebildet werden. Zum Zeitpunkt der Messung wird dem KNN das gemessene Signal vorgegeben und es wird die Wasserauflage ausgegeben.
- 1) For the calibration, the procedure according to "measurement" is carried out at least for the state without liquid water on the support structure or bipolar plate and, if necessary, for the state of the completely flooded support structure or fuel cell and the recorded signals are saved. During the subsequent measurement, the signals are compared with these two calibration signals. For example, the amplitude of the S0 mode can be evaluated. In order to deduce the water layer, a linear regression is carried out using the two amplitudes of the S0 mode determined in the calibration experiment.
- 2) A model-based calibration can also be used. The propagation of sound along the transmission path on the support structure or bipolar plate is modeled using numerical simulation. During the measurement, the model parameters are optimized, for example using the full wave inversion method. The water layer can be determined from the model parameters.
- 3) A third option is to use an artificial neural network (ANN). In experiments, several scenarios with a known water level are set and the corresponding signals are saved. A neural network can be used to map the connection between the water surface and the complex signal curve using a training sample. At the time of the measurement, the measured signal is given to the ANN and the water level is output.
Flüssigwasser entlang des Transmissionspfades 14 zwischen zwei Wandler-Elementen 11 hat Einfluss auf verschiedene physikalische Eigenschaften der Lamb-Wellenausbreitung. Mögliche Eigenschaften sind die Dämpfung, die Schallgeschwindigkeit, die Dispersion oder die Streuung/Reflexion der Lamb-Wellen. Diese Eigenschaften können anhand der Signalparameter, wie maximale Amplitude der Moden, Energie der Moden, Ankunftszeitpunkt der Moden oder der spektralen Zusammensetzung der Moden im zeitlichen Verlauf bestimmt werden, so dass sich eine integrale Messung der Flüssigwasserauflage entlang eines Transmissionspfades 14 ergibt.Liquid water along the
Die Berechnung der Flüssigwasserauflage erfolgt dann entsprechend der jeweiligen Kalibrierstrategie.The liquid water layer is then calculated according to the respective calibration strategy.
Die ortsaufgelöste Bestimmung der Verteilung des Flüssigwassers 12 auf der Trägerstruktur 13 wird dadurch möglich, dass für die Messungen der Wasserauflage zahlreiche Transmissionspfade 14 unter verschiedenen Winkeln aufgespannt werden. D. h. ein Wandler-Element 11 wirkt als Aktuator und die jeweils anderen wirken als Empfänger, im nächsten Schritt wirkt ein anderes Wandler-Element 11 als Aktuator und die anderen wirken wiederum als Empfänger, bis alle Wandler-Elemente 11 einmal Aktuator waren. Es ist aber nicht zwingend erforderlich, dass alle Wandler-Elemente Aktuatoren sind; bei beispielsweise n Wandler-Elementen können 1 bis n Wandler-Elemente Sender von Lamb-Wellen sein, die sequentiell angesteuert werden. Die auf verschiedenen Pfaden 14 ermittelten Parameter können anschließend für eine tomographische Rekonstruktion der Flüssigwasserverteilung genutzt werden, um die ortsaufgelöste Verteilung des Wassers 12 zu ermitteln.The spatially resolved determination of the distribution of the
Es ist natürlich auch möglich die Messung nur entlang eines Transmissionspfades, also auf einer Linie zwischen zwei Wandler-Elementen durchzuführen. Aus dieser Messung lässt sich zum einen ermitteln, ob und zum anderen auch wieviel Wasser sich auf der Trägerstruktur entlang des Transmissionspfades befindet.Of course, it is also possible to carry out the measurement only along a transmission path, ie on a line between two transducer elements. On the one hand, this measurement can be used to determine whether and on the other hand how much water is on the carrier structure along the transmission path.
Es ist besonders vorteilhaft die Erfindung in Brennstoffzellenstapeln 8 einzusetzen, da damit Erkenntnisse erlangt werden können, unter welchen Voraussetzungen/Umständen/Randbedingungen überhaupt Wasser wann und wo in Brennstoffzellen entsteht. Mit den Erkenntnissen können Designanpassungen vorgenommen werden oder es können Parametersätze für den Betrieb von Brennstoffzellenstapel oder andere Betriebsparameter abgeleitet werden, wo sich die Bildung von Wasser in einer Anordnung nachteilig auswirken kann. Als Konsequenz lassen sich daraus Maßnahmen ableiten, Wasserbildung an einigen Stellen zu verhindern bzw. ggf. auch zu fördern.It is particularly advantageous to use the invention in
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als Vereisungssensor in einem Brennstoffzellenstapel 8 verwendet werden. Bei der Verwendung von Brennstoffzellen (BSZ) in Regionen mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, kann es durch gefrierendes Flüssigwasser im Flowfield 7 der Brennstoffzelle 1 zu Beschädigungen kommen. Daher muss beim Ausschalten der BSZ sichergestellt werden, dass kein Flüssigwasser in den Kanälen der BSZ verbleibt. Dies kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung leicht erfolgen.In a further exemplary embodiment, the device according to the invention can be used as an icing sensor in a
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ebenfalls festgestellt werden, ob sich Eis in den Flowfields 7 des Brennstoffzellenstapels 8 befindet, da sich durch Eisauflage ebenfalls die Übertragungseigenschaften der BSZ ändern. Dies erlaubt es geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten, um einen optimalen Betrieb der BSZ zu gewährleisten.The device according to the invention can also be used to determine whether there is ice in the flow fields 7 of the
Ein weiteres Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt die Verwendung in einer Meerwasser-Entsalzungsanlage dar (
Ein weiteres Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt die Verwendung in einem Plattenwärmeübertrager 16 für die Lebensmittelindustrie dar. Diese Art von Plattenwärmeübertragern 16 werden in sehr vielen Bereichen wie Kühlanlagen und Prozessanlagen in der Lebensmittelindustrie usw. verwendet. Die zu detektierenden Fluide 12 können demnach nicht nur Flüssigwasser sein, sondern auch Milch o. ä. Bei diesem Ausführungsbeispiel, ähnlich zur Verwendung in einer Meerwasserentsalzungsanlage wird die örtliche Verteilung des Fluides 12 indirekt genutzt, um ortsaufgelöst Fehlstellen auf der Wärmeübertragerstruktur 13, 16 zu detektieren, an denen aufgrund von Verschmutzungen eben gerade kein Fluid 12 mehr vorhanden ist und die Struktur 13, 16 passiviert ist.
- Im Fall 1) wird ein Medium 1 auf der Platte verdampft und liegt vorher als Rieselfilm auf der Platte vor, wie es in Meerwasserentsalzungsanlagen der Fall ist, wobei ein Phasenwechsel von gasförmig zur flüssig stattfindet.
- In case 1), a medium 1 is vaporized on the plate and is previously present on the plate as a falling film, as is the case in seawater desalination plants, with a phase change from gaseous to liquid taking place.
Im Fall 2) wird Medium 1 auf der Platte kondensiert, wobei ebenfalls ein Phasenwechsel stattfindet.In case 2) medium 1 is condensed on the plate, whereby a phase change also takes place.
Im Fall 3) wird Medium 1 gekühlt oder erhitzt, wobei kein Phasenwechsel stattfindet.In case 3), medium 1 is cooled or heated, with no phase change taking place.
Bei allen Fällen kann Fouling auftreten. Dabei kommt es zum reduzierten Wärmeübergang. Mit der vorliegenden Erfindung kann dies einfach und zuverlässig detektiert werden und es können entsprechende Gegenmaßnahmen getroffen werden.In all cases, fouling can occur. This leads to reduced heat transfer. With the present invention, this can be detected easily and reliably and appropriate countermeasures can be taken.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Brennstoffzellefuel cell
- 22
- Membranmembrane
- 33
- Elektrode (Kathode bzw. Anode) mit KatalysatorElectrode (cathode or anode) with catalyst
- 44
- MEA - Membran-Elektroden-EinheitMEA - membrane electrode assembly
- 55
- Gasdiffusionslagegas diffusion layer
- 66
- Bipolarplattebipolar plate
- 77
- Kanalstrukturen, flow fieldChannel structures, flow field
- 88th
- Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
- 99
- Angeschlossene Lastconnected load
- 1010
- Peripherie der TrägerstrukturPeriphery of the support structure
- 1111
- Wandler-Elementtransducer element
- 1212
- Fluid, insbesondere Flüssigwasser oder MilchFluid, especially liquid water or milk
- 1313
- Trägerstruktursupport structure
- 1414
- Transmissionspfadtransmission path
- 1515
- Transceivertransceivers
- 1616
- Plattenwärmeübertragerplate heat exchanger
- 1717
- Strömungsrichtung Medium 1Flow direction medium 1
- 1818
-
Strömungsrichtung Medium 2Flow
direction medium 2
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