-
Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Messsystem und ein Messverfahren zum Messen einer Menge eines von einer Probe desorbierten Fluids.
-
Stand der Technik
-
Zur Auslegung von Komponenten für bspw. Brennstoffzellensysteme ist es erforderlich, eine Aufnahmefähigkeit bzw. Sorption jeweiliger Komponenten, insbesondere eine Absorptions- bzw. Adsorptionsfähigkeit einer Probe, d.h. eines Materials bzw. eines Objekts für insbesondere Wasserstoff, zu kennen.
-
Da kein Werkstoff komplett „dicht“ gegenüber Wasserstoff ist, spielt die Aufnahmefähigkeit jeweiliger Komponenten eines Brennstoffzellensystems für Wasserstoff eine entscheidende Rolle für das System.
-
Sorptionsmessungen für Wasserstoff werden in der Regel mit einer Sorptionsschwebewaage, mittels einer Druckdifferenzmessung oder einem Gaschromatographen durchgeführt.
-
Bei der Sorptionsmessung mit Hilfe einer Sorptionswaage wird eine ungesättigte Probe in Wasserstoff gelagert und eine Gewichtszunahme der Probe bestimmt. Eine solche Sorptionsmessung kann zumeist nicht über eine Dauer durchgeführt werden, die benötigt würde, um eine vollständige Absorption zu erfassen. Zudem ist die Genauigkeit bezüglich einer tatsächlichen Absorption aufgrund von geringen Gewichtsänderungen mit sehr großen Messungenauigkeiten behaftet.
-
Eine Messung mittels eines Gaschromatographen erfordert eine bereits gesättigte Probe. Anschließend wird eine Desorption von Wasserstoff bei Entspannung ermittelt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
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.
-
Die vorgestellte Erfindung dient dazu eine Menge von durch eine Probe sorbiertem Fluid exakt zu ermitteln. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, eine Desorptionsrate bzw. eine Adsorptions/Absorptionsrate für Wasserstoff einer mit Wasserstoff gesättigten Probe exakt zu ermitteln.
-
Es wird somit in einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Messsystem zum Messen einer Menge eines von einer Probe desorbierten Fluids vorgestellt. Das Messsystem umfasst eine Messkammer, einen Katalysator, einen Sensor und eine Auswerteeinheit.
-
Der Katalysator ist in der Messkammer angeordnet und dazu konfiguriert, von der Probe desorbiertes Fluid chemisch umzusetzen.
-
Der Sensor ist dazu konfiguriert, eine Veränderung eines in der Messkammer anliegenden Drucks zu messen.
-
Die Auswerteeinheit ist dazu konfiguriert, anhand einer Differenz von durch den Sensor ermittelten Messwerten und einem Referenzwert auf eine Menge von durch die Probe desorbiertem Fluid zu schließen und die Menge auf einer Ausgabeeinheit auszugeben.
-
Das vorgestellte Messsystem basiert auf dem Prinzip, dass ein Katalysator verwendet wird, um eine von einer mit Fluid gesättigten Probe desorbierte Menge an Fluid chemisch umzusetzen. Dies bedeutet, dass eine Stoffmenge und/oder ein Aggregatszustand des desorbierten 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 Desorption, d.h. eine Desorption ohne katalytische Umsetzung erreicht werden könnte.
-
Insbesondere wird durch die katalytische Umsetzung eine Abreaktion von desorbiertem 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 Desorbieren des Fluids aus der Probe ermöglicht wird und eine Messdauer entsprechend minimiert wird.
-
Durch eine katalytische Umsetzung, die insbesondere eine Änderung eines Aggregatszustands eines desorbierten 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 Desorption des Fluids aus der Probe ermöglicht.
-
Anhand einer ermittelten Menge von durch eine Probe desorbiertem Fluid kann eine probenspezifische Sorptionskennzahl, insbesondere eine probenspezifische Sorptionsrate 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 ohne die Probe in der Messkammer gemessenen Wert ab. Anhand einer Differenz zwischen dem Referenzwert und jeweiligen ermittelten Messwerten kann auf eine Menge von durch die Probe desorbiertem Fluid geschlossen werden.
-
Durch die katalytische Umsetzung mittels des erfindungsgemäßen Katalysators wird eine Menge von desorbiertem Fluid insbesondere derart umgewandelt, dass sich eine Stoffmenge des Fluids nach der Umwandlung verringert oder erhöht, sodass bspw. aus einem Mol Fluid mehrere Mol katalytische Produkte entstehen. 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.
-
Es kann vorgesehen sein, dass der Sensor dazu konfiguriert ist, einen Absolutdruck und/oder eine Temperatur in der Messkammer zu messen.
-
Eine Absolutdruckmessung ermöglicht ein Erfassen einer durch eine Desorption von Fluid aus einer Probe bedingten Druckänderung, sodass anhand der Druckänderung auf eine Menge von desorbiertem 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.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Katalysator dazu konfiguriert ist, von der Probe desorbierten Wasserstoff als Fluid umzusetzen.
-
Der erfindungsgemäß vorgesehene Katalysator dient insbesondere zur Umsetzung von Wasserstoff, sodass eine Sorption von Wasserstoff aus einer Probe und, dadurch bedingt, eine Aufnahmefähigkeit der Probe für Wasserstoff bestimmt werden kann.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Katalysator dazu konfiguriert ist, von der Probe desorbierten Wasserstoff in Wasser umzusetzen.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 bzw. hält die Feuchtigkeit konstant, sodass die Druckänderung direkt auf die Umsetzung in Wasser anwendbar wird. 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.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Messsystem eine Anzahl poröser Trägerelemente umfasst, die mit dem Katalysator beschichtet sind.
-
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 desorbiertem Fluid erfolgt.
-
Bspw. können in der Messkammer des vorgestellten Messsystems mehrere Trägerelemente um eine jeweilige Probe herum angeordnet sein, sodass in mehreren Richtungen aus der Probe entweichendes Fluid möglichst schnelle umgesetzt wird und ein Gegendruck durch sich in der Umgebung der Probe ansammelndes Fluid minimiert wird.
-
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Messverfahren zum Messen einer Menge von durch eine Probe desorbiertem Fluid. Das Messverfahren umfasst einen Sättigungsschritt, bei dem die Probe mit dem Fluid gesättigt wird, einen Anordnungsschritt, bei dem die gesättigte Probe in einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Messsystems angeordnet wird, einen Messschritt, bei dem eine Druckänderung in dem Messsystem 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 desorbiertem Fluid ermittelt wird, und einen Ausgabeschritt, bei dem die in dem Auswerteschritt ermittelte Menge auf einer Ausgabeeinheit ausgegeben wird.
-
Das vorgestellte Messsystem dient insbesondere zur Durchführung des vorgestellten Messverfahrens.
-
Es kann vorgesehen sein, dass in dem Auswerteschritt eine Desorptionsrate des Objekts bestimmt wird, indem eine Menge von durch die Probe desorbiertem Fluid pro Zeiteinheit ermittelt wird.
-
Um eine vollständige Desorption einer Probe zu vermeiden und ein entsprechend kurzes Messverfahren zu ermöglichen, kann eine Desorptionsrate ermittelt werden, indem eine oder mehrere Messungen in einem vorgegebenen Zeitabschnitt durchgeführt werden. Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen katalytischen Umsetzung wird eine Veränderung eines Desorptionsverhaltens einer Probe über die Zeit hinweg minimiert, sodass eine Messung an einer gesättigten Probe mit einer Messung an einer nur teilweise gesättigten Probe vergleichbar ist.
-
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.
-
Es zeigen:
- 1 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messsystems,
- 2 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messverfahrens.
-
In 1 ist ein Messsystem 100 dargestellt. Das Messsystem 100 umfasst eine Messkammer 101, einen Katalysator 103, einen Sensor 105 und eine Auswerteeinheit 107.
-
Vorliegend dient das Messsystem 100 zum Messen einer Menge von durch eine Probe 109 desorbiertem Wasserstoff. Dazu wird die Probe 109 zunächst mit Wasserstoff gespült, bis diese mit Wasserstoff gesättigt ist. Anschließend wird die Probe 109 in die Messkammer 101 gelegt, sodass aus der Probe 109 desorbierter Wasserstoff zu dem Katalysator 103 diffundiert und dort katalytisch umgesetzt wird.
-
Vorliegend ist die Messkammer 101 mit dem Reaktanten Sauerstoff gefüllt, sodass der Katalysator 103 eine katalytische Umsetzung des von der Probe 109 desorbierten Wasserstoffs in Diwasserstoffmonoxid bewirkt. Entsprechend wird durch die katalytische Umsetzung eine Stoffmenge erhöht, da Diwasserstoffmonoxid eine höhere Stoffmenge aufweist als Wasserstoff. Die höhere Stoffmenge des Diwasserstoffmonoxids kann entsprechend besser von dem Sensor 105 erfasst werden als die desorbierte Menge an Wasserstoff.
-
Ferner bewirkt die katalytische Umsetzung des desorbierten Wasserstoffs durch den Katalysator 103 eine Minimierung von Wasserstoffpartialdruck in der Messkammer 101, sodass eine kontinuierliche Desorption von Wasserstoff aus der Probe 109 sichergestellt und beschleunigt wird.
-
Mittels eines optionalen Feuchteregulators 111, 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 Desorption von Wasserstoff aus der Probe 109 sichergestellt und beschleunigt wird.
-
Vorliegend ist der Sensor 105 ein Druck- und Temperatursensor, der ein Absorptionsverhalten bzw. ein Desorptionsverhalten der Probe 109 nicht beeinflusst und besonders robust sowie kostengünstig ist.
-
Durch eine Änderung des Katalysators 103 und/oder eines jeweiligen Reaktanten kann die Messkammer 101 auch zum Messen einer Menge von durch andere Proben desorbierten Fluiden verwendet werden.
-
Aufgrund der katalytischen Umsetzung des von der Probe 109 desorbierten Wasserstoffs wird eine Permeation von Wasserstoff aus der Messkammer 101 in eine Umgebung minimiert, sodass sehr lange Messzeiten ermöglicht werden.
-
In 2 ist ein Messverfahren 200 dargestellt.
-
Das Messverfahren 200 umfasst einen Sättigungsschritt 201, bei dem die Probe mit dem Fluid gesättigt wird, einen Anordnungsschritt 203, bei dem die gesättigte Probe in einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Messsystems angeordnet wird, einen Messschritt 205, bei dem eine Druckänderung in dem Messsystem mittels eines Sensors des Messsystems erfasst wird, einen Auswerteschritt 207, bei dem mittels einer Auswerteeinheit des Messsystems anhand von in dem Messschritt 205 ermittelten Messwerten eine Menge von durch die Probe desorbiertem Fluid ermittelt wird, und einen Ausgabeschritt 209, bei dem die in dem Auswerteschritt ermittelte Menge auf einer Ausgabeeinheit ausgegeben wird.
