DE102022212850A1

DE102022212850A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Überprüfung der Konzentration wenigstens eines chemischen Elements in einem Gas

Info

Publication number: DE102022212850A1
Application number: DE102022212850.8A
Authority: DE
Inventors: Dennis Robin Wittmaier; Franz Sebastian Krueger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-11-30
Filing date: 2022-11-30
Publication date: 2024-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Überprüfung der Konzentration wenigstens eines chemischen Elements in einem Gas, mit einem Sensorelement (25), das mit einem definierten Volumenstrom des Gases beaufschlagbar ist, wobei von einer Hauptleitung (12) für das Gas über einen Abzweig (15) eine Nebenleitung (14) in Richtung zu dem Sensorelement (25) führt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Überprüfung der Konzentration wenigstens eines chemischen Elements in einem Gas, die insbesondere beim Betrieb von Brennstoffzelleneinrichtungen eingesetzt werden kann, um die Konzentration eines für die Brennstoffzelleneinrichtung beim Betrieb schädlichen Elements, wie Schwefel, zu detektieren. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren, das insbesondere mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Konzentration des wenigstens einen chemischen Elements im Gas detektiert.
Stand der Technik
Im Zusammenhang mit Brennstoffzelleneinrichtungen, die beispielsweise in Fahrzeugen eingesetzt werden können, ist es erforderlich, zur Vermeidung von Beschädigungen oder Vorschädigungen der Brennstoffzelleneinrichtung den Gehalt von die Brennstoffzellen potentiell schädigenden chemischen Elementen, beispielsweise Schwefel, in dem für den Betrieb notwendigen Gas zu detektieren. Hierzu sind aus dem Stand der Technik bereits diverse Sensorelemente bekannt.
Die DE 10 2015 207 167 A1 zeigt eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, bei der von einem Hauptstrang für das Gas ein Nebenstrang abgezweigt, wobei das Gas im Nebenstrang einem Sensorelement zugeführt wird. Wesentlich dabei ist, dass im Abzweig zu dem Sensorelement ein Dosierventil angeordnet ist, um den Volumenstrom bzw. Druck im Nebenstrang in Richtung zum Sensorelement zu steuern bzw. regeln.
Insbesondere im Zusammenhang mit Sensorelementen unter Nutzung von chemischen Prüfstoffen, die ab einer bestimmten Konzentration eines zu detektierenden Elements im Gas, wie Schwefel, einen Farbumschlag aufweisen, ist es bekannt, dass diese Sensorelemente lediglich dazu ausgebildet sind, mit einem relativ geringen Volumenstrom bzw. Druck an Gas durchströmt werden können, damit die Sensorelemente ordnungsgemäß arbeiten.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überprüfung der Konzentration wenigstens eines chemischen Elements in einem Gas mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie vorrichtungstechnisch besonders einfach ausgebildet bzw. umsetzbar ist und beispielsweise keine zusätzlichen Bauelemente, wie eine Pumpe bzw. eine Strömungsdrossel o.ä. benötigt.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine Ventil- bzw. Drosseleinrichtung zur Beeinflussung des Volumenstroms in Richtung eines mittels wenigstens eines chemischen Prüfstoffs arbeitenden Sensorelements in dem Nebenstrang dadurch auszubilden, dass die Ventil- bzw. Drosseleinrichtung im Hauptstrang, von dem der Nebenstrang abgezweigt wird, prinzipiell den gleichen Aufbau aufweist wie das Sensorelement im Nebenstrang. Insbesondere im Zusammenhang mit aus chemischen Prüfstoffen in Partikelform bestehenden Schüttungen im Sensorelement lässt sich dadurch durch Bereitstellen einer definierten Schüttung im Hauptstrang der gewünschte Volumenstrom im Nebenstrang bzw. die gewünschte Druckdifferenz am Hauptstrang einstellen.
Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen ist es daher bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überprüfung der Konzentration wenigstens eines chemischen Elements in einem Gas mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen, dass das Sensorelement dazu ausgebildet ist, mittels einer aus Partikeln bestehenden Schüttung wenigstens eines chemischen Prüfstoffs die Konzentration des wenigstens einen chemischen Elements in dem Gas zu detektieren, dass die Hauptleitung in Strömungsrichtung des Gases betrachtet nach dem Abzweig für die Nebenleitung einen Kalibrierabschnitt aufweist, dass in dem Kalibrierabschnitt der gleiche wenigstens eine chemische Prüfstoff angeordnet ist wie in dem Sensorelement, und dass der Kalibrierabschnitt dazu ausgebildet ist, einen Volumenstrom des Gases in der Hauptleitung zur Beeinflussung des Volumenstroms in der Nebenleitung durch eine definierte Menge und/oder Anordnung des wenigstens einen chemischen Prüfstoffs einzustellen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überprüfung der Konzentration wenigstens eines chemischen Elements in einem Gas sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Das Gas, das durch den Nebenstrang das Sensorelement beaufschlagt, kann für den Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung weiterverwendet werden, wenn die Nebenleitung über einen weiteren Abzweig nach dem Kalibrierabschnitt wieder in die Hauptleitung zurückgeführt ist. Dadurch treten insbesondere auch keine Gasverluste auf, sodass das Gas aus dem Nebenstrang bzw. der Nebenleitung vollständig für die Brennstoffzellen zur Verfügung steht.
Zur Einstellung des Volumenstroms in dem Nebenstrang bzw. der Nebenleitung ist es vorgesehen, dass der Volumenstrom in dem Kalibrierabschnitt der Hauptleitung durch eine Variation einer Querschnittsfläche des Kalibrierabschnitts und/oder durch eine Variation einer Schütthöhe des wenigstens einen chemischen Prüfstoffs in dem Kalibrierabschnitt einstellbar ist.
Wie bereits erwähnt, ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Sensorelement dazu ausgebildet ist, mittels eines Farbumschlags des wenigstens einen chemischen Prüfstoffs die Konzentration von Schwefel im Gas zu detektieren.
Weiterhin umfasst die Erfindung auch eine Brennstoffzelleneinrichtung mit einer soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Brennstoffzelleneinrichtung ist bevorzugt als unter Verwendung von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) ausgebildet.
Weiterhin umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zur Überprüfung der Konzentration wenigstens eines chemischen Elements in einem Gas, insbesondere mittels einer soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Verfahren ein Sensorelement umfasst, das mit einem definierten Volumenstrom des Gases beaufschlagt wird, wobei ein Hauptstrang des Gases durch eine Hauptleitung geleitet wird, und wobei von dem Hauptstrang ein Nebenstrang abgezweigt wird, der zum Sensorelement geführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mittels einer aus Partikeln aus wenigstens einem chemischen Prüfstoff bestehenden Schüttung des Sensorelements die Konzentration des wenigstens einen chemischen Elements im Gas detektiert wird, und dass das Gas im Hauptstrang nach einem Abzweig für den Nebenstrang durch einen Kalibrierabschnitt durchgeleitet wird, wobei der Volumenstrom des Gases im Hauptstrang durch den Kalibrierabschnitt zur Beeinflussung des Volumenstroms des Gases durch den Nebenstrang durch eine definierte Menge und/oder Anordnung desselben wenigstens einen chemischen Prüfstoffs in dem Kalibrierabschnitt eingestellt wird, der auch bei dem Sensorelement verwendet wird.
Bevorzugt ist es darüber hinaus in Analogie der oben beschriebenen Vorrichtung, dass das Gas, das durch den Nebenstrang strömt, nach dem Durchströmen wieder über einen zusätzlichen Abzweig, der nach dem Kalibierabschnitt angeordnet ist, in den Hauptstrang zurückgeführt wird.
Die Einstellung des Volumenstroms durch den Kalibrierabschnitt erfolgt durch eine Änderung der Querschnittsfläche des Kalibrierabschnitts und/oder eine Veränderung der Schütthöhe des wenigstens einen chemischen Prüfstoffs in dem Kalibrierabschnitt.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet vorzugsweise Verwendung zur Erfassung der Konzentration von Schwefel in einer Brennstoffzelleneinrichtung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überprüfung der Konzentration wenigstens eines chemischen Elements in einem Gas als Bestandteil einer Brennstoffzelleneinrichtung.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist eine Vorrichtung 10 zur Überprüfung der Konzentration wenigstens eines chemischen Elements in einem Gas stark vereinfacht dargestellt. Die Vorrichtung 10 ist insbesondere Teil einer Brennstoffzelleneinrichtung 100, wie sie beispielsweise zum Antrieb eines nicht dargestellten Fahrzeugs Verwendung oder im Bereich stationärer Anlagen findet. Bevorzugt ist darüber hinaus, dass die Brennstoffzelleneinrichtung 100 unter Verwendung von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) ausgebildet ist.
Für den ordnungsgemäßen Betrieb der Brennstoffzellen bzw. der Brennstoffzelleneinrichtung 100 ist es erforderlich, dass die Brennstoffzellen (nicht dargestellt) mit einem Gas betrieben werden, in dem bestimmte Konzentrationen von Schadstoffen nicht überschritten werden. Insbesondere ist ein zu hoher Schwefelgehalt schädlich für den Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung 100.
Zur Detektion des Schwefelgehalts im Gas, welches beispielsweise Erdgas, H₂, CO, CO₂ oder CH₄ ist, weist die Vorrichtung 10 eine Hauptleitung 12 zur Ausbildung eines Hauptstrangs 11 für das Gas auf, von der eine Nebenleitung 14 zur Ausbildung eines Nebenstrangs 13 für das Gas im Bereich eines ersten Abzweigs 15 abzweigt. Die Nebenleitung 14 wird darüber hinaus über einen zweiten Abzweig 16 wieder in die Hauptleitung 12 eingeleitet. Die Strömungsrichtung des Gases ist in der 1 durch Strömungspfeile 17 gekennzeichnet.
Zwischen den beiden Abzweigen 15, 16 ist ein Kalibrierabschnitt 20 in der Hauptleitung 12 bzw. dem Hauptstrang 11 angeordnet. Weiterhin ist in der Nebenleitung 14 bzw. dem Nebenstrang 13 ein Sensorelement 25 zur Detektion des angesprochenen chemischen Elements (Schwefel) im Gas angeordnet. Das Sensorelement 25 umfasst, wie aus dem Stand der Technik an sich bekannt, wenigstens einen chemisches Prüfstoff PS in Partikelform, insbesondere in Form eines sogenannten Adsorbers, wobei die Partikel als Schüttung 26 in dem Sensorelement 25 angeordnet sind, und wobei der wenigstens eine chemische Prüfstoff PS von dem Gas durchströmt wird. Ab einer bestimmten Konzentration des zu detektierenden chemischen Elements wird dies durch einen Farbumschlag der Partikel des chemischen Prüfstoffs PS angezeigt.
Das soweit beschriebene Sensorelement 25 ist dazu ausgebildet, lediglich mit einem bestimmten maximalen Volumenstrom bzw. Druck beaufschlagt zu werden, um ordnungsgemäß zu arbeiten. Um die ordnungsgemäße Funktion des Sensorelements 25 zu gewährleisten, dient der Kalibrierabschnitt 20 in der Hauptleitung 12 bzw. dem Hauptstrang 11.
Der Kalibrierabschnitt 20 weist hierzu eine Schüttung 28 aus Partikeln auf, die aus dem gleichen wenigstens einen chemischen Prüfstoff PS bestehen wie die Partikel im Sensorelement 25. Auch die Partikelgrößen im Sensorelement 25 und im Kalibierabschnitt 20 sind vorzugsweise identisch, so dass für das Sensorelement 25 und den Kalibierabschnitt 20 eine gleiche Charge an chemischem Prüfstoff PS verwendet werden kann. Eine Einstellung des Druckverlusts bzw. der Durchflussmenge durch den Kalibrierabschnitt 20 im Hauptstrang 11 dient der Einstellung der Durchflussmenge bzw. des Drucks beim Durchströmen des Gases durch das Sensorelement 25 im Nebenstrang 13.
Hierzu ist es vorgesehen, den Volumenstrom in dem Nebenstrang 13 durch den Kalibrierabschnitt 20 dadurch einzustellen, dass die Schüttung 26 in dem Kalibrierabschnitt 20 dieselbe Schütthöhe H aufweist wie die Schütthöhe h des chemischen Prüfstoffs PS in dem Sensorelement 25. Die Beeinflussung des Druckverlusts bzw. der Durchflussmenge an Gas in dem Kalibrierabschnitt 20 lässt sich dadurch einstellen, dass die Querschnittsfläche A in dem Kalibrierabschnitt 20 derart angepasst wird, dass sich in dem Nebenstrang 13 bzw. in dem Sensorelement 25 die gewünschte, einen Maximalwert nicht übersteigende Durchflussmenge des Gases ergibt.
Alternativ kann es auch vorgesehen sein, bei einer vorgegebenen Größe der Querschnittsfläche A im Kalibrierabschnitt 20 den Druckverlust bzw. die Durchflussmenge in dem Kalibrierabschnitt 20 durch eine Variation der Schütthöhe H des wenigstens einen chemischen Prüfstoffs PS im Kalibrierabschnitt 20 einzustellen, da der Druckverlust des Gases im Kalibrierabschnitt 20 proportional zur Schütthöhe H ist.
Die soweit beschriebene Vorrichtung 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere wird erwähnt, dass der Kalibierabschnitt 20 beispielsweise in Form eine in die Hauptleitung 12 einsetzbaren Moduls o.ä. Baugruppe ausgebildet sein kann, um das Handling zu erleichtern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015207167 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (10) zur Überprüfung der Konzentration wenigstens eines chemischen Elements in einem Gas, mit einem Sensorelement (25), das mit einem definierten Volumenstrom des Gases beaufschlagbar ist, wobei von einer Hauptleitung (12) für das Gas über einen Abzweig (15) eine Nebenleitung (14) in Richtung zu dem Sensorelement (25) führt, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (25) dazu ausgebildet ist, mittels einer aus Partikeln bestehenden Schüttung (26) wenigstens eines chemischen Prüfstoffs (PS) die Konzentration des wenigstens einen chemischen Elements in dem Gas zu detektieren, dass die Hauptleitung (12) in Strömungsrichtung des Gases betrachtet nach dem Abzweig (15) für die Nebenleitung (14) einen Kalibrierabschnitt (20) aufweist, dass in dem Kalibrierabschnitt (20) der gleiche wenigstens eine chemische Prüfstoff (PS) angeordnet ist wie in dem Sensorelement (25), und dass der Kalibrierabschnitt (20) dazu ausgebildet ist, einen Volumenstrom des Gases in der Hauptleitung (12) zur Beeinflussung des Volumenstroms in der Nebenleitung (14) durch eine definierte Menge und/oder Anordnung des wenigstens einen chemischen Prüfstoffs (PS) einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenleitung (14) über einen weiteren Abzweig (16) nach dem Kalibrierabschnitt (20) wieder in der Hauptleitung (12) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom in der Hauptleitung (12) durch eine Variation einer Querschnittfläche (A) des Kalibierabschnitts (20) und/oder eine Variation einer Schütthöhe (H) des wenigstens einen chemischen Prüfstoffs (PS) in dem Kalibrierabschnitt (20) einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (25) dazu ausgebildet ist, mittels eines Farbumschlags des wenigstens einen chemischen Prüfstoffs (PS) die Konzentration von Schwefel im Gas zu detektieren.
Brennstoffzelleneinrichtung (100) mit einer Vorrichtung (10), die nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinrichtung (100) unter Verwendung von Festoxid-Brennstoffzellen ausgebildet ist.
Verfahren zur Überprüfung der Konzentration wenigstens eines chemischen Elements in einem Gas, insbesondere mittels einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Sensorelement (25), das mit einem definierten Volumenstrom des Gases beaufschlagt wird, wobei ein Hauptstrang (11) des Gases durch eine Hauptleitung (12) geleitet wird, und wobei von dem Hauptstrang (11) ein Nebenstrang (13) abgezweigt wird, der zum Sensorelement (25) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer aus Partikeln aus wenigstens einem chemischen Prüfstoff (PS) bestehenden Schüttung (26) des Sensorelements (25) die Konzentration des wenigstens einen chemischen Elements in dem Gas detektiert wird, und dass das Gas im Hauptstrang (11) nach einem Abzweig (15) für den Nebenstrang (13) durch einen Kalibrierabschnitt (20) durchgeleitet wird, wobei der Volumenstrom des Hauptstrangs (11) durch den Kalibrierabschnitt (20) zur Beeinflussung des Volumenstroms durch den Nebenstrang (13) durch eine definierte Menge und/oder Anordnung desselben wenigstens einen chemischen Prüfstoffs (PS) in dem Kalibrierabschnitt (20) eingestellt wird, der auch bei dem Sensorelement (25) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenstrang (13) das Sensorelement (25) durchströmt und nach dem Durchströmen wieder in den Hauptstrang (13) nach dem Kalibrierabschnitt (20) zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des Gases durch den Kalibierabschnitt (20) durch eine Änderung einer Querschnittsfläche (A) des Kalibrierabschnitts (20) und/oder eine Veränderung einer Schütthöhe (H) des wenigstens einen chemischen Prüfstoffs (PS) im Kalibrierabschnitt (20) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Brennstoffzelleneinrichtung (100) zur Erfassung der Konzentration von Schwefel verwendet wird.