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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Sensor, einen Kanal mit einem derartigen Sensor und ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Kanal.
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Stand der Technik
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Sensoren zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration in einem Kanal eines Brennstoffzellensystems sind üblicherweise außerhalb des Kanals angeordnet, um von den schwierigen Messbedingungen innerhalb des Kanals entkoppelt zu sein. Hierfür ist es zumeist nötig einen Heizvorgang vor der jeder Inbetriebnahme des Sensors vorzusehen, um Feuchtigkeit, die den Messvorgang beeinflussen könnte, zu vermeiden
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Nachteilig an den Vorrichtungen im Stand der Technik ist insbesondere der Aufwand, der vor jeder Inbetriebnahme anfällt, um einen Einfluss von Feuchtigkeit auf den Messvorgang zu vermeiden.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen alternativen Sensor bereitzustellen, welcher sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass auf einen Heizvorgang vor der Inbetriebnahme eines Messvorgangs mit dem Sensor verzichtet werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen Kanal mit einem derartigen Sensor bereitzustellen. Darüber hinaus besteht eine weitere Aufgabe darin, ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Kanal bereitzustellen.
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Die erste Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung einer Wasserstoffkonzentration in einem Kanal eines Brennstoffzellensystems,
wobei der Sensor ein Sensorgehäuse, einen Messraum, wobei der Messraum im Sensorgehäuse angeordnet ist, und einen Messraumkanal, wobei der Messraumkanal den Messraum fluidisch mit der Umgebung des Sensors verbindet,
wobei der Sensor derart montierbar ist, dass sich der Messraum in dem Kanal befindet, umfasst.
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Indem der Sensor derart montierbar ist, dass sich der Messraum in dem Kanal befindet, kann auf einen separaten Heizvorgang vor der Inbetriebnahme des Sensors verzichtet werden, weil die Strömung im Kanal dazu genutzt werden kann, um den Sensor aufzuheizen. Hierdurch wird eine negative Beeinflussung des Messvorgangs durch die Feuchtigkeit auch ohne einen separaten Heizvorgang vor der Inbetriebnahme des Sensors vermieden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn es sich bei dem Sensor um einen thermischen Sensor handelt. Mit anderen Worten umfasst das Sensor ein Heizelement sowie einen Temperaturfühler, die insbesondere innerhalb des Messeraums angeordnet sind. In Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration im Messraum, lässt sich bei einem Heizvorgangs mittels des Heizelements ein Temperaturverlauf mittels des Temperaturfühlers ermitteln, aus dem sich die Wasserstoffkonzentration im Messraum ermitteln lässt. Diese Messvorgang basiert hauptsächlich auf der hohen Wärmekapazität von Wasserstoff im Vergleich zu den anderen Bestandteilen des Gases, in dessen Wasserstoffkonzentration es zu ermitteln gilt.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn sich bei dem Kanal um einen Abgaskanal eines Brennstoffzellensystems handelt. Ferner ist es vorteilhaft, wenn es sich bei dem Brennstoffzellensystem, um ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug handelt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Messraumkanal den Messraum fluidisch mit der Umgebung des Sensorgehäuses verbindet.
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Darüber hinaus ist der bevorzugt, wenn der Sensor derart montierbar ist, dass der Messraumkanal und/oder das Sensorgehäuse im Kanal angeordnet sind.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Sensor derart montierbar ist, dass der Messraumkanal den Messraum fluidisch mit dem Kanal verbindet.
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Es ist besonders bevorzugt, wenn der Messraum durch den Messraumkanal fluidisch mit dem Kanal verbindbar ist.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Messraumkanal durch eine Membran verschlossen ist und dass die Membran gasdurchlässig und flüssigkeitsundurchlässig ist. Hierdurch wird der Eintritt von Flüssigkeit aus dem Kanal in den Messraum zuverlässig vermieden, wodurch die feuchte innerhalb des Messraums weiter reduziert wird.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Membran stoffschlüssig mit dem Sensorgehäuse, beispielsweise mittels Kleben oder Schweißen, verbunden oder befestigt ist. Insbesondere ist die Verbindung oder die Befestigung derart ausgebildet, dass ein Bypassstrom an der Membran vorbei, in den Messraum verhindert wird. Hierdurch wird der Eintritt von Flüssigkeit in den Messraum verhindert.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Sensor derart montierbar ist, dass die Membran im Kanal angeordnet ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Messraumkanal in eine Messraumöffnung mündet und dass die Messraumöffnung an der Oberfläche des Sensorgehäuses angeordnet ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messraumöffnung durch die Membran verschlossen ist. Hierdurch wird ein Eindringen von Flüssigkeit in den Messraumkanal verhindert. Gleichzeitig ist die Membran an der Oberfläche des Sensorgehäuses angeordnet und ist dadurch, wenn der Sensor im Kanal angeordnet ist, derart angeordnet, dass die Strömung innerhalb des Kanals die Membran säubert und Flüssigkeitstropfen wegbläst. Darüber hinaus ist die Montage oder Befestigung der Membran bei dieser Anordnung der Membran besonders einfach.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Strömungsbeeinflussungsgeometrie, die die Strömung im Kanal beeinflusst, umfasst.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Strömungsbeeinflussungsgeometrie von der Messraumöffnung aus gesehen, entgegen der Strömungsrichtung der Strömung im Kanal angeordnet ist, wenn der Sensor montiert ist.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Strömungsbeeinflussungsgeometrie integral, insbesondere einteilig mit dem Sensorgehäuse ausgebildet ist. Dies stellt eine äußerst kostengünstige Lösung dar.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Strömungsbeeinflussungsgeometrie direkt an die Messraumöffnung grenzt.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn die Strömungsbeeinflussungsgeometrie derart ausgebildet ist, dass wenn der Sensor montiert ist, die Strömung im Kanal auf die Messraumöffnung und/oder auf die Membran gelenkt wird. Dadurch wir die Messraumöffnung und/oder die Membran durch die Strömung sauber gehalten.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Strömungsbeeinflussungsgeometrie derart ausgebildet ist, dass wenn der Sensor montiert ist, die Strömungsbeeinflussungsgeometrie aus der Strömung im Kanal eine turbulente Strömung erzeugt. Dadurch wir die Messraumöffnung und/oder die Membran durch die Strömung sauber gehalten.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Messraumkanal geradlinig, verwinkelt oder als Labyrinth ausgebildet ist.
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Während eine geradlinige Ausbildung besonders günstig und einfach, insbesondere bei einer Fertigung mittels Kunststoffspritzguss, ist, ist eine verwinkelte Ausbildung oder eine Ausbildung als Labyrinth besonders hilfreich, um den Eintritt einer Flüssigkeit in den Messraum, insbesondere bei einer beschädigten oder nicht vorgesehenen Membran zu verhindern.
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Die Aufgabe bezüglich des Kanals, wird durch einen Kanal für ein Brennstoffzellensystem, mit einem erfindungsgemäßen Sensor, wobei der Sensor in dem Kanal angeordnet ist. Vorzugsweise befindet sich der Sensor teilweise oder vollständig im Kanal. Ferner ist es bevorzugt, wenn sich die Messraumöffnung im Kanal befindet. Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn sich der Messraumkanal vollständig oder teilweise im Kanal befindet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich das Sensorgehäuse teilweise oder vollständig im Kanal befindet. Ferner ist es bevorzugte, wenn es sich bei dem Kanal um einen Abgaskanal handelt. Darüber hinaus ist der Kanal vorzugsweise kreisförmig oder weist einen kreisrunden Querschnitt auf.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Kanal auf einem Metall, insbesondere Edelstahl, oder einem Kunststoff hergestellt ist.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn der Messraumkanal den Messraum fluidisch mit dem Kanal verbindet.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse, der Messraum, der Messraumkanal, die Membran und/oder die Messraumöffnung durch einen Flächenschwerpunktsvektor geschnitten ist, wobei der Flächenschwerpunktsvektor durch den Flächenschwerpunkt eines Kanalquerschnitts des Kanals verläuft, wobei der Kanalquerschnitt in einer Ebene liegt, die senkrecht zur Längsrichtung des Kanals verläuft, und den Sensor schneidet, und dass der Flächenschwerpunktsvektor die Ebene senkrecht schneidet. Ferner ist es besonders bevorzugt, wenn der Flächenschwerpunktsvektor mindestens eine, zwei, drei, vier oder fünf der folgenden Bestandteile des Sensors schneidet: Das Sensorgehäuse, der Messraum, der Messraumkanal, die Membran und die Messraumöffnung.
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Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn der Flächenschwerpunktsvektor beabstandet zu mindestens eine, zwei, drei, vier oder fünf der folgenden Bestandteile des Sensors verläuft: Das Sensorgehäuse, der Messraum, der Messraumkanal, die Membran und die Messraumöffnung. Mit anderen Worten sind die Bestandteile des Sensors entweder durch den Vektor geschnitten oder zu diesem beabstandet angeordnet. Mit beabstandet angeordnet ist gemeint, dass das Bestandteil nicht vom dem Vektor geschnitten ist. Mit der Längsrichtung ist insbesondere die Strömungsrichtung des Gases innerhalb des Kanals, in die das Gas strömen kann, oder die Erstreckungsrichtung des Kanals gemeint.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn sich bei dem Kanal um einen Abgaskanal eines Brennstoffzellensystems handelt. Ferner ist es vorteilhaft, wenn es sich bei dem Brennstoffzellensystem, um ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug handelt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor derart in dem Kanal angeordnet ist, dass der Flächenschwerpunktsvektor eine weitere Ebene, in der die Membran oder die Messraumöffnung angeordnet ist, in einem Winkel von 70° bis 110° schneidet.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor derart angeordnet ist, dass die Membran zumindest teilweise der Strömungsrichtung entgegengesetzt ist. Mit anderen Worten ist der Sensor derart angeordnet, dass die Membran der Strömung im Kanal zugewandt ist. Durch diese Anordnung ist es möglich, dass die Strömung die Membran säubert oder Tropfen auf der Membran entfernt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor an einer Kanalwand des Kanals befestigt ist. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Sensor mittels einer Gewindepaarung, umfassend ein Außengewinde an Sensorgehäuse und ein Innengewinde in der Kanalwand, befestigt ist. Auf diese Weise ist die Montage des Sensors besonders einfach und zeitsparend.
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Ferner ist es besonders bevorzugt, wenn das Sensorgehäuse eine thermische Isolation an der Befestigungsstelle des Sensors mit der Kanalwand aufweist. Auf diese Weise wird ein Abkühlen des Sensors durch die Temperatur der Kanalwand vermieden. Dies trägt dazu bei, dass sich keinerlei Tropfen am Sensor oder dem Sensorgehäuse ansammeln.
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Eines der vorherigen Ausführungsbeispiele oder ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor sich durch eine Öffnung in der Kanalwand von Außerhalb des Kanals in den Kanal hineinerstreckt. Auf diese Weise ist es möglich, dass der Sensor an die Kanalwand angeflanscht ist. Die Aufgabe bezüglich des Brennstoffzellensystems wird durch ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Kanal gelöst. Hierdurch wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen, welches auf einen separaten Arbeitsvorgang vor der Inbetriebnahme des Sensors verzichten kann.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn es sich bei dem Brennstoffzellensystem, um ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug handelt.
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Darüber hinaus ist es besonders bevorzugt, ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem, und
- 2 einen Kanal mit einem Sensor, und
- 3 einen Kanal mit einem Sensor.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 2. Es handelt sich um ein Kraftfahrzeug 1 mit Elektroantrieb. Das Brennstoffzellensystem 2 umfasst einen Kanal 3a mit einem erfindungsgemäßen Sensor 4a, der als thermischer Sensor 4a ausgebildet ist, um die Wasserstoffkonzentration im Kanal 3a zu ermitteln.
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Die 2 zeigt eine Schnittansicht, die senkrecht zum Strömungsverlauf innerhalb des Kanals 3a und senkrecht zur Erstreckungsrichtung Kanals verläuft. Mit anderen Worten ist der Kanalquerschnitt dargestellt, der in einer Ebene liegt, die senkrecht zur Längsrichtung des Kanals 3a verläuft. Es handelt sich um die X-Y-Ebene. Der Kanal 3a weist einen kreisförmigen Querschnitt auf, dessen Flächenschwerpunkt 3c sich in der Mitte des kreisförmigen Querschnitt des Kanals 3a befindet. Ferner weist der Kanal 3a eine Kanalwand 3b, hergestellt aus Edelstahl, mit konstanter Wandstärke auf. Ferner ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Sensor 4b zur Ermittlung der Wasserstoffkonzentration dargestellt, der sich außerhalb des Kanals 3a befindet und an der Kanalwand 3b befestigt ist. Der Sensor 4b ist durch eine Öffnung in der Kanalwand 3b fluidisch mit dem Kanal 3a gekoppelt. Da sich der Sensor 4b außerhalb des Kanals 3a befindet, ist der Sensor 4b weitestgehend von der Temperatur der Strömung im Kanal 3a entkoppelt.
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Die 3 zeigt denselben kreisförmigen Kanal 3a aus 2, jedoch mit einem erfindungsgemäßen Sensor 4a, der an der Kanalwand 3b befestigt ist und sich von außerhalb des Kanals 3a bis zum Inneren des Kanals 3a durch eine Öffnung in der Kanalwand 3b erstreckt. Bei der Ansicht handelt es sich um einen Längsschnitt durch den Kanal 3a in der Z-Y-Ebene. Der Kanal 3a erstreckt sich in Z-Richtung, wodurch auch die Strömung innerhalb des Kanals 3a in Z-Richtung verläuft. Bei dem hier dargestellten Sensor 4a handelt es sich um den Sensor 4a, der in der 1 dargestellt ist. Der Sensor 4a ist mittels eines hier nicht näher dargestellten Gewindes an der Kanalwand 3b befestigt und weist ferner eine Elastomerdichtung auf, um ein Entweichen des Gases innerhalb des Kanals zu verhindern. Der Sensor 4a umfasst einen Sensorgehäuse 6, in welchem ein Messraum untergebracht ist. Im Messraum sind ein Heizelement und ein Temperaturfühler untergebracht, um die Konzentration von Wasserstoff im Messraum zu messen. Der Messraum ist mittels eines Messraumkanals, der in eine Messraumöffnung mündet, fluidisch mit dem Kanal gekoppelt. Die Messraumöffnung ist an der Oberfläche des Sensorgehäuses 6 angeordnet und durch eine Membran 5 verdeckt. Die Membran 5 ist gasdurchlässig und flüssigkeitsundurchlässig ausgebildet. Das Sensorgehäuse 6 besteht aus einem Werkstoff, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Die Ausführungsbeispiele der 1 und 3 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Brennstoffzellensystem
- 3a
- Kanal
- 3b
- Kanalwand
- 3c
- Flächenschwerpunkt
- 4a
- Sensor
- 4b
- Sensor
- 5
- Membran
- 6
- Sensorgehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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