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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem und ein Messverfahren zum Messen einer Menge eines durch eine Probe strömenden Fluids.
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Stand der Technik
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Zur Auslegung von Komponenten für bspw. Brennstoffzellensysteme ist es erforderlich, eine Gasdurchlässigkeitsrate, d.h. eine Permeationsrate jeweiliger Materialien, wie bspw. Kunststoffmaterialien, insbesondere Elastomeren, Thermoplasten und Duroplasten gegenüber relevanten Fluiden, insbesondere Wasserstoff, zu kennen.
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Da kein Werkstoff komplett „dicht“ gegenüber Wasserstoff ist, spielt ein Permeationskoeffizient jeweiliger Komponenten eine entscheidende Rolle für eine Gesamtdichtheit eines jeweiligen Systems.
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In vielen Normen, wie bspw. ASTM, DIN und ISO, wird eine Bestimmung der Gasdurchlässigkeitsrate von Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und deren Gemischen in Bezug auf Verpackungsfolien beschrieben. Von einigen kommerziellen Anbietern werden Wasserstoffpermeationsmessungen angelehnt an eine der genannten Normen angeboten.
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Im Kern basieren alle Normen auf einem zwei-Kammern Prinzip, bei dem eine Versorgungskammer mit Prüfgas befüllt bzw. durchströmt wird und eine Messkammer ein permeiertes Prüfgas gemessen wird. Zwischen den beiden Kammern wird eine Probe bzw. ein Prüfling, in den genannten Normen eine Kunststofffolie mit einer Dicke von üblicherweise 2,5 pm, eingespannt. Die Messung des permeierten Gases erfolgt entweder nach der Differenzdruckmethode oder mit einem für das Messgas selektivem Sensor.
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Ein weiterer Messaufbau, der in kanadischen Normen angeführt wird, basiert auf einer Messung eines permeierten Volumens über eine Kapillare, wobei die Messung bei sehr hohen Drücken erfolgt, was einen verhältnismäßig großen Permeationsstrom bedingt. Dies erleichtert eine volumetrische Bestimmung. Eine Übertragung auf andere Druckbereiche ist jedoch nicht direkt möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Messsystem und ein Messverfahren zum Messen einer Menge eines von einer Probe desorbierten Fluids mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Messsystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient dazu eine Menge von durch eine Probe strömendem Fluid exakt zu ermitteln. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, eine Permeationsrate für Wasserstoff einer Probe eines Materials exakt zu ermitteln.
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Es wird somit in einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Messsystem zum Messen einer Menge eines durch eine Probe strömenden Fluids vorgestellt. Das Messsystem umfasst eine Messkammer, eine Versorgungskammer, einen Katalysator, einen Sensor und eine Auswerteeinheit.
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Die Versorgungskammer ist mit einem Fluid gefüllt.
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Zwischen der Versorgungskammer und der Messkammer ist eine Aufnahme zum Aufnehmen einer Probe angeordnet.
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Der Katalysator ist in der Messkammer angeordnet und dazu konfiguriert, durch die Probe strömendes Fluid katalytisch umzusetzen.
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Der Sensor ist dazu konfiguriert, eine Veränderung eines in der Messkammer anliegenden Drucks zu messen.
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Die Auswerteeinheit ist dazu konfiguriert, anhand einer Differenz von durch den Sensor ermittelten Messwerten und einem Referenzwert auf eine Menge von durch die Probe geströmtem Fluid zu schließen und die Menge auf einer Ausgabeeinheit auszugeben.
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Unter einem Durchströmen bzw. Permeieren eines Fluids durch eine Probe ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Vorgang zu verstehen, bei dem ein Fluid von der Probe aufgenommen, durch die Probe hindurch transportiert und von der Probe abgegeben wird.
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Das vorgestellte Messsystem basiert auf dem Prinzip, dass ein Katalysator verwendet wird, um eine durch eine Probe strömende bzw. permeierte Menge an Fluid chemisch umzusetzen. Dies bedeutet, dass eine Stoffmenge und/oder ein Aggregatszustand des permeierten Fluids unter Verwendung des Katalysators verändert wird. Bei einer geschlossenen Messkammer führt dies zu einer deutlich stärkeren Änderung eines Absolutdrucks in der Messkammer als es durch eine reine Permeation ohne katalytische Umsetzung erreicht werden könnte.
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Insbesondere wird durch die katalytische Umsetzung eine Abreaktion von permeiertem Fluid erreicht und eine Konzentration des Fluids in der Messkammer reduziert bzw. minimiert. Entsprechend bewirkt die katalytische Umsetzung durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Katalysator eine maximal mögliche Partialdruckdifferenz für das Fluid, sodass ein vollständiges Ausströmen des Fluids aus der Probe ermöglicht wird und eine Messdauer entsprechend minimiert wird.
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Durch eine katalytische Umsetzung, die insbesondere eine Änderung eines Aggregatszustands eines permeierten Fluids von einem gasförmigen Zustand in einen flüssigen Zustand bedingt, kann ein Partialdruckgefälle für das Fluid in der Messkammer maximiert werden. Aufgrund des Partialdruckgefälles wird ein Gleichgewicht zwischen in der Messkammer befindlichem Fluid und in der Probe befindlichem Fluid vermieden und entsprechend eine vollständige Abgabe des Fluids aus der Probe ermöglicht.
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Anhand einer ermittelten Menge von durch eine Probe strömendem bzw. permeiertem Fluid kann eine probenspezifische Permeationskennzahl, insbesondere eine probenspezifische Permeationsrate bestimmt werden. Dazu gleicht die erfindungsgemäß vorgesehene Auswerteeinheit, die bspw. ein Prozessor bzw. ein Computer oder jeder weitere technisch geeignete Schaltkreis sein kann, einen bzw. mehrere durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Sensor ermittelte Messwerte mit einem Referenzwert, wie bspw. einem in der Versorgungskammer gemessenen Druck ab. Anhand einer Differenz zwischen dem Referenzwert und den jeweiligen ermittelten Messwerten kann auf eine Menge an durch die Probe permeiertem Fluid geschlossen werden.
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Durch die katalytische Umsetzung mittels des erfindungsgemäßen Katalysators wird eine Menge von permeiertem Fluid insbesondere derart umgewandelt, dass sich eine Stoffmenge des Fluids nach der Umwandlung erhöht, sodass bspw. aus einem Mol Fluid mehrere Mole katalytisches Produkt entsteht. Entsprechend kann nach der katalytischen Umsetzung mehr Stoffmenge von dem Sensor erfasst werden, sodass ein optimiertes Signal/Rausch Verhältnis erzeugt und eine Messgenauigkeit von durch den Sensor ermittelten Messwerten maximiert wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Messsystem einen Versorgungskammersensor umfasst, der in der Versorgungskammer angeordnet und dazu konfiguriert ist, einen Druck in der Versorgungskammer zu messen, wobei die Auswerteeinheit dazu konfiguriert ist, eine durch die Probe bedingte Leckage an Fluid zu bestimmen, indem ein von dem Sensor in der Messkammer ermittelter Messwert von einem durch den Versorgungskammersensor ermittelten Messwert abgezogen wird.
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Eine Druckdifferenz zwischen der Messkammer und der Versorgungskammer kann eine Menge an während einer Permation durch eine Probe entwichene Menge an Fluid aufzeigen. Entsprechend kann eine ermittelte Permeationskennzahl anhand einer entwichenen Menge an Fluid validiert oder ggf. korrigiert werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Sensor dazu konfiguriert ist, einen Absolutdruck und/oder eine Temperatur in der Messkammer zu messen.
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Eine Absolutdruckmessung ermöglicht ein Erfassen einer durch eine Permeation von Fluid durch eine Probe bedingten Druckänderung, sodass anhand der Druckänderung auf eine Menge von permeiertem Fluid geschlossen werden kann. Da sich ein von einer Menge an Fluid bedingter Druck in Abhängigkeit der Temperatur ändert, kann ein Temperatursensor vorgesehen sein, um verschiedene Druckmessungen zu vergleichen bzw. hinsichtlich einer Temperaturdifferenz zu korrigieren.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Katalysator dazu konfiguriert ist, durch die Probe permeierten Wasserstoff als Fluid umzusetzen.
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Der erfindungsgemäß vorgesehene Katalysator dient insbesondere zur Umsetzung von Wasserstoff, sodass eine Permeation von Wasserstoff durch eine Probe und, dadurch bedingt, eine Durchlässigkeit der Probe für Wasserstoff bestimmt werden kann.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Katalysator dazu konfiguriert ist, von der Probe permeierten Wasserstoff in Wasser umzusetzen.
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Zum Umsetzen von Wasserstoff kann der Katalysator bspw. Platin und/oder Kupfer umfassen. Dabei erfolgt die Umsetzung des Wasserstoffs bspw. zu Diwasserstoffmonoxid, insbesondere zu flüssigem Wasser.
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Optional kann der erfindungsgemäß vorgesehene Katalysator einen oder mehrere Kondensationskerne, wie bspw. Staub-, Salz- oder Rußpartikel umfassen, die eine Überführung von gasförmigen Diwasserstoffmonoxid bzw. Wasserdampf in flüssiges Wasser bedingen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Messkammer mit einem Reaktanten gefüllt ist, der durch den Katalysator mit dem Fluid zu einem chemischen Produkt umsetzbar ist.
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Zum katalytischen Umsetzen eines Fluids kann ein Reaktant erforderlich sein. Bspw. eignet sich Sauerstoff als Reaktant zum katalytischen Umsetzen von Wasserstoff, da durch eine katalytische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff Diwasserstoffmonoxid entsteht.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Messsystem einen in der Messkammer angeordneten Feuchteregulator umfasst.
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Ein Feuchtregulator, wie bspw. eine Menge Salz zur Aufnahme von Wasser, bewirkt eine Reduktion von frei in der Messkammer zirkulierendem Wasser und senkt entsprechend einen Partialdruck von Wasserdampf. Entsprechend ermöglicht ein Feuchteregulator eine kontinuierliche Abreaktion von Wasserstoff in Wasser und, dadurch bedingt eine vollständige Desorption von in einer Probe absorbiertem bzw. adsorbiertem Wasserstoff, was zu einer vollständigen Permation von Wasserstoff durch die Probe beiträgt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Messsystem eine Anzahl poröser Trägerelemente umfasst, die mit dem Katalysator beschichtet sind.
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Poröse Trägerelemente, wie bspw. Keramiken, Steine, Ziegel, Papier, Pappe oder Zement, stellen eine große Oberfläche zur Präsentation des erfindungsgemäß vorgesehenen Katalysators bereit, sodass bei einem vorgegebenen, insbesondere minimalen Volumen der Messkammer eine maximale bzw. bestmögliche Umsetzung von permeiertem Fluid erfolgt.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Messverfahren zum Messen einer Menge von durch eine Probe desorbiertem Fluid. Das Messverfahren umfasst einen Anordnungsschritt, bei dem eine Probe in einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Messsystems angeordnet wird, einen Messschritt, bei dem eine Druckänderung in der Messkammer mittels eines Sensors des Messsystems erfasst wird, einen Auswerteschritt, bei dem mittels einer Auswerteeinheit des Messsystems anhand von in dem Messschritt ermittelten Messwerten eine Menge von durch die Probe geströmtem Fluid ermittelt wird, einen Ausgabeschritt, bei dem die in dem Auswerteschritt ermittelte Menge auf einer Ausgabeeinheit ausgegeben wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messsystems,
- 2 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messverfahrens.
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In 1 ist ein Messsystem 100 dargestellt. Das Messsystem 100 umfasst eine Messkammer 101, eine Versorgungskammer 103, einen Katalysator 105, einen Sensor 107, eine Auswerteeinheit 109 und eine Aufnahme 111 zum Aufnehmen einer Probe 113.
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Vorliegend dient das Messsystem 100 zum Messen einer Menge von durch die Probe 113 strömendem bzw. von der Probe 113 permeiertem Wasserstoff. Dazu wird die Probe 113 in der Aufnahme 111 zwischen der Versorgungskammer 103 und der Messkammer 101 angeordnet und aus der Versorgungskammer 103 mit Wasserstoff beströmt.
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Wasserstoff, der aus der Versorgungskammer 103 durch die Probe 113 in die Messkammer 101 gelangt, strömt zu dem Katalysator 105 und wird dort katalytisch bzw. chemisch umgesetzt.
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Um einen Partialdruck für Wasserstoff in der Versorgungskammer 103 konstant zu halten, umfasst diese einen Einlass 115 und einen Auslass 117, sodass, bei unterschreiten eines Schwellenwerts, Wasserstoff durch den Einlass 115 in die Versorgungskammer 103 gefördert und, bei überschreiten eines Schwellenwerts, Wasserstoff durch den Auslass 117 aus der Versorgungskammer 103 abgeführt werden kann. Entsprechend umfasst die Versorgungskammer 103 einen Versorgungskammersensor 119 zum Erfassen eines in der Versorgungskammer 103 anliegenden Drucks und, optional, einer in der Versorgungskammer 103 anliegenden Temperatur.
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Vorliegend ist die Messkammer 101 mit dem Reaktanten Sauerstoff gefüllt, sodass der Katalysator 105 eine katalytische Umsetzung des durch die Probe 113 strömenden Wasserstoffs in Diwasserstoffmonoxid bewirkt. Entsprechend wird durch die katalytische Umsetzung eine messbare Stoffmenge erhöht, da Diwasserstoffmonoxid eine höhere Stoffmenge aufweist als Wasserstoff. Die höhere Stoffmenge des Diwasserstoffmonoxids kann entsprechend besser von dem Sensor 107 erfasst werden als die in die aus der Probe 113 strömende Menge an Wasserstoff.
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Ferner bewirkt die katalytische Umsetzung der aus der Probe 113 strömende Menge an Wasserstoff durch den Katalysator 105 eine Minimierung des Wasserstoffpartialdrucks in der Messkammer 101, sodass eine kontinuierliche Durchströmung der Probe 113 mit Wasserstoff aus der Versorgungskammer 103 sichergestellt und beschleunigt wird.
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Mittels eines optionalen Feuchteregulators 121, wie bspw. einem Salzblock, kann flüssiges Diwasserstoffmonoxid gebunden werden, sodass auch ein Partialdruck des katalytischen Produkts in der Messkammer 101 minimiert wird und, dadurch bedingt, eine kontinuierliche Durchströmung der Probe 113 mit Wasserstoff aus der Versorgungskammer 103 sichergestellt und beschleunigt wird.
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Vorliegend ist der Sensor 107 ein Druck- und Temperatursensor, der ein Permeationsverhalten der Probe 113 nicht beeinflusst und besonders robust sowie kostengünstig ist.
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Durch eine Änderung des Katalysators 105 und/oder eines jeweiligen Reaktanten kann die Messkammer 101 auch zum Messen einer Menge von durch andere Proben permeierten Fluiden verwendet werden.
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Aufgrund der katalytischen Umsetzung des durch die Probe 113 strömenden Wasserstoffs wird eine Leckage von Wasserstoff aus der Messkammer 101 in eine Umgebung minimiert, sodass sehr lange Messzeiten ermöglicht werden.
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In 2 ist ein Messverfahren 200 dargestellt.
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Das Messverfahren 200 umfasst einen Anordnungsschritt 201, bei dem eine Probe 113 in einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Messsystems angeordnet wird,
einen Messschritt 203, bei dem eine Druckänderung in der Messkammer 101 mittels eines Sensors 107 des Messsystems 100 erfasst wird, einen Auswerteschritt 205, bei dem mittels einer Auswerteeinheit 109 des Messsystems 100 anhand von in dem Messschritt 203 ermittelten Messwerten eine Menge von durch die Probe 113 geströmtem Fluid ermittelt wird, und einen Ausgabeschritt 207, bei dem die in dem Auswerteschritt 205 ermittelte Menge auf einer Ausgabeeinheit ausgegeben wird.
