WO2006047802A1 - Vorrichtung und verfahren zur messung an ein trägergas - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur messung an ein trägergas Download PDF

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Ron Behar
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Volker Peinecke
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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for measuring zu ⁇ least one parameter from the group temperature, relative humidity and Ae ⁇ rosolgehalt a carrier gas, in which a vaporizable liquidLe ⁇ is introduced.
  • the air generated in an air conditioning system should have predetermined values for temperature and humidity, wherein the occurrence of aerosols (mist, water droplets) should be avoided.
  • the state variables of the operating means for example the state parameters of the air supplied to the cathode side of PEM fuel cells, humidified and possibly compressed air and / or those of the anode fuel gas supplied to the side, wherein the determination of the parameters should take place as far as possible in real time.
  • the occurrence of aerosols, Wasser ⁇ droplets and wall films is undesirable, so that the state parameters of the air and the fuel gases must be continuously measured before entering the fuel cell in order to derive timely appropriate data for the control of the system can.
  • the cooled air In an overdose of water, the cooled air is already saturated with water and reached the evaporation equilibrium. The remainder of the water is liquid and can act as an aerosol or wall film in the supply lines as well as in the fuel cell itself.
  • the object of the invention is to propose an apparatus and a method for measuring at least one parameter from the group temperature, relative humidity and aerosol content of a carrier gas, which is as simple as possible and also useful under extreme conditions such as a supersaturated carrier gas statements about the state variables of Carrier gas supplies.
  • the carrier gas mixed with the vaporisable liquid is supplied to at least three temperature sensors arranged one behind the other in the flow direction of the carrier gas, that the temperature measured values of the individual temperature sensors are detected, and that from the temperature measured values at least one parameter from the group temperature, relative humidity and aerosol content of the carrier gas at the exit end of the measuring section is calculated of the individual temperature sensors and at least one thermodynamically derived or determined by disposable measurements KFl, KF2, KF3 of Trä ⁇ .
  • the temperature of the carrier gas at the exit end of the measuring section to be determined, for example, already from the course of the temperature measured values of the individual temperature sensors to the outlet-side temperature, namely when at least the last two temperature measured values in the range of the measuring accuracy indicate the same measured values and the temperature measured value lying in the flow direction is lower. Then, this temperature also corresponds to the actual temperature of the carrier gas, since, due to the temperature profile, saturation of the carrier gas with the vaporizable liquid can be excluded (see FIG. 2).
  • the data from, for example, at least one thermodynamically derived map KF1, KF2, KF3 of the carrier gas must be taken into account in addition to the temperature measured values obtained in the measuring section.
  • thermodynamics dry temperature values T theo * of the carrier gas are calculated and stored in the first characteristic field KFl after adiabatic compression without the addition of the vaporizable liquid.
  • the data of this characteristic field can be derived directly thermodynamically, it being possible to make use of the formulas known from thermodynamics:
  • the isentropic exponent or adiabatic coefficient K has the value 1.4 for example for air as the carrier gas
  • the parameters calculated from the temperature measurements and the thermodynamically derived maps are corrected by means of a correction map KF corr , which determines the heat capacity of the measuring section , the response of the temperature sensors, the heat losses of the measuring section and the heat losses of the the upstream of the measuring section components (eg those of a compressor) taken into account.
  • KF corr determines the heat capacity of the measuring section , the response of the temperature sensors, the heat losses of the measuring section and the heat losses of the the upstream of the measuring section components (eg those of a compressor) taken into account.
  • the temperature and the pressure of the carrier gas are measured before introduction of the vaporizable liquid and taken into account in the calculation of the characteristic diagrams.
  • the vaporizable liquid can be introduced into the carrier gas, for example by injection. However, it is also possible to moisten the carrier gas by sweeping over a liquid surface or a porous body saturated with the liquid. Furthermore, it is possible that the liquid is added to the carrier gas by permeative or pervaporative transport through a membrane.
  • the carrier gas on the cathode side is a gaseous oxidizing agent or gas containing a gaseous oxidizing agent, preferably compressed or uncompressed air or oxygen-enriched air, and on the anode side a fuel gas, preferably hydrogen or a hydrogen-containing gas. Both gas streams must be moistened were ⁇ so that water is supplied as a vaporizable liquid.
  • a further temperature measurement of the carrier gas prior to its compression and optionally a Temperatur ⁇ measurement of the water can be carried out prior to its introduction.
  • the individual temperature measurements in the measurement path are made essentially simultaneously, so that a direct and simultaneous calculation of the desired state variables is possible.
  • At least three temperature sensors in the measuring section can be used for the simultaneous determination of the parameters temperature, relative humidity and aerosol content of the carrier gas, their temperature measured values recorded and the desired parameters calculated on the basis of at least two maps KFl, KF2, KF3.
  • a valid temperature measurement for example, on the output side of the measuring path two of, for example, three sensors can show the same temperature, and the third, preceding sensor has a lower one Identify temperature. It follows that on the output side of the measuring section no aerosols are present and the temperature measurement is valid. From the valid temperature measurement it is possible, for example, to calculate the moisture correctly using the thermodynamically derived characteristics of KF1 and KF2. In the case of rising temperature in the direction of flow, it is also possible to infer the presence of aerosols on the input side of the measuring section.
  • a device for measuring at least one parameter from the group of temperature, relative humidity and aerosol content of a carrier gas, into which an evaporable liquid can be introduced, is characterized in that at least three in the flow direction of the measuring tube in a flowed through by the carrier gas measuring tube Carrier gases are arranged Tempe ⁇ arranged successive temperature sensors, which are in communication with an evaluation, wherein the evaluation device has a memory unit for storing thermodynamically derived or determined by single measurements Kenn ⁇ fields KFl, KF2, KF3 and possibly a correction map KF corr .
  • FIG. 1 shows a device according to the invention for measuring state parameters of a carrier gas in a sectional representation
  • FIG. 2 shows a diagram with the temperature profile in 0 C at the individual measuring points of the measuring device according to FIG. 1 for different amounts of injected water;
  • FIG. 4 shows the device according to the invention according to FIG. 1 in conjunction with a PEM fuel cell.
  • the measuring tube can have a thermal insulation.
  • the device 1 shown in FIG. 1 for measuring at least one parameter in a carrier gas has a measuring tube 2 through which the carrier gas flows, in which four temperature sensors S1 to S4 arranged successively in the flow direction (arrows 3) of the carrier gas are provided at corresponding measuring points MS1 to MS4 are. To improve the informative value of the measuring arrangement, more than four sensors can also be used.
  • the Input side of the measuring tube 2 is marked with ME, the output side with MA gekenn ⁇ .
  • the measuring tips 4 of the temperature sensors protrude into the interior of the measuring tube 2 and deliver their measuring signals to an evaluation device (not shown here).
  • the measured values of the sensors S1 to S4 which result at the measuring points MS1 to MS4 are shown in FIG. 2, wherein measuring sequences marked by the letters A to K are shown for eleven different quantities of water.
  • the calculation of the outlet temperature, the relative humidity and the Aerosol ⁇ content of the carrier gas is based on the maps KFl, KF2 and KF3 and possibly taking into account the correction map K K0n -.
  • temperature readings in the measuring system can also be observed in the flow direction as well as falling temperature readings.
  • Temperature corresponds to calculated temperature (T theo ) after adiabatic compression and after complete evaporation of the metered water
  • the real temperature of the gas phase of the carrier gas is measured with these if the cooling limit temperature GT has not already been reached everywhere.
  • the map KF3 is used to identify the GT. If the outlet-side temperatures are even higher than those in the direction of flow, the cooling limit temperature GT has evidently not yet been reached.
  • the moisture is dissipated.
  • the evaporated water quantity is derived from the difference between the "adiabatic temperature” (temperature after compression without addition of water) and the measured “wet temperature” (temperature after compression with addition of water) and converted into the absolute or relative gas moisture.
  • the maps KFl and KF2 are used.
  • the Ablei ⁇ device is valid if aerosols do not already occur at all measuring points, so at least two of the output-side measuring points show the same Tem ⁇ peraturmesshong and the preceding measuring point indicates a lower temperature.
  • the detection of wall films is at least empirically also possible since, when the cooling limit temperature GT is reached, a wall film is usually present in all measuring points in the area on the entrance side. However, the location of the occurrence and the type of wall film are dependent on the components used and their geometry.
  • FIG. 3 shows the temperature measured values T in 0 C for the measuring points MS1 to MS4 as a function of the metered amount of water in g / s, wherein a Lucasmassen ⁇ stream of 75g / s and a water temperature of 62 ° C was selected.
  • the cathode-side input of a fuel cell 5 is a measuring device 1 according to the invention with a Measuring tube 2 upstream, for example, five temperature sensors Sl to S5.
  • a corresponding Messvorrich ⁇ device 1 be connected upstream with measuring tube 2.
  • the temperature sensors in the measuring tube 2 are arranged equidistantly and can also be attached in the form of a measuring grid which covers the measuring tube cross-section in order to measure the temperature measurement over the measuring tube cross-section.
  • the temperature sensors S 1 to S 5 are connected to an evaluation device 6, which has a storage unit 7 for storing the thermodynamically derived maps KF 1, KF 2, KF 3 and possibly a correction map KFk 0n -.
  • a further temperature measurement T L of the carrier gas can take place prior to entry into the compressor 8 upstream of the measuring tube 2. Furthermore, it is also possible to measure the inlet temperature T w of the metered water, which is fed before, into or after the compressor 8. The temperatures T L and T w can be taken into account in the generation of the maps.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are not only applicable to fuel cells, but everywhere where carrier gases are humidified.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von zumindest einem Parameter aus der Gruppe Temperatur, relative Feuchte und Aerosolgehalt eines Trägergases, in welches eine verdampfbare Flüssigkeit eingebracht wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das mit der verdampfbaren Flüssigkeit versetzte Trägergas einer Messtrecke mit zumindest drei in Strömungsrichtung des Trägergases hintereinander angeordneten Temperatursensoren zugeführt wird, dass die Temperaturmesswerte der einzelnen Temperatursensoren erfasst werden und dass aus den Temperaturmesswerten der einzelnen Temperatursensoren und zumindest einem thermodynamisch abgeleiteten oder durch Einmalmessungen bestimmten Kennfeld (KF1, KF2, KF3) des Trägergases zumindest ein Parameter aus der Gruppe Temperatur, relative Feuchte und Aerosolgehalt des Trägergases am austrittsseitigen Ende der Messstrecke berechnet wird.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR MESSUNG AN EIN TRÄGERGAS
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von zu¬ mindest einem Parameter aus der Gruppe Temperatur, relative Feuchte und Ae¬ rosolgehalt eines Trägergases, in welches eine verdampfbare Flüssigkeit einge¬ bracht wird.
Bei vielen technischen Anwendungen, bei welchen Trägergase befeuchtet wer¬ den, ist es erforderlich die aktuellen Zustandsgrößen des Gases, beispielsweise die aktuelle Temperatur der Gasphase, die relative Feuchte und/oder den Aero¬ solgehalt genau zu kennen, so dass entsprechende Messungen vorgenommen werden müssen. So soll beispielsweise die in einer Klimaanlage erzeugte Luft vorgegebene Werte für Temperatur und Feuchtigkeit aufweisen, wobei das Auf¬ treten von Aerosolen (Nebel, Wassertröpfchen) vermieden werden soll.
Beispielsweise ist es für einen störungsfreien, stabilen Betrieb von Brennstoffzel¬ len notwendig, die Zustandsgrößen der Betriebsmittel zu kennen, beispielweise die Zustandsparameter der der Kathodenseite von PEM-Brennstoffzellen zuge¬ führten, befeuchteten und ggf. komprimierten Luft und/oder jene des der Ano¬ denseite zugeführten Brenngases, wobei die Bestimmung der Parameter mög¬ lichst in Echtzeit erfolgen soll. Dabei ist das Auftreten von Aerosolen, Wasser¬ tröpfchen und Wandfilmen unerwünscht, so dass die Zustandsparameter der Luft bzw. des Brenngase vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle laufend gemessen werden müssen, um rechtzeitig entsprechende Daten für die Steuerung des Systems ableiten zu können.
Im Gesamtsystem einer Brennstoffzelle treten eine Reihe physikalischer Phäno¬ mene auf, welche einer Messung nicht einfach zugängig sind. Durch das Einbrin¬ gen von Wasser in verdichtete, heiße Luft, kühlt diese ab und die relative Feuchte nimmt stark zu. Aerosole treten dann auf, wenn die zugemessene Was¬ sermenge überdosiert wurde oder wenn das Temperatur/Verdampfungs-Gleich¬ gewicht noch nicht erreicht wurde. Beim Auftreten von Aerosolen wird allerdings die Temperaturmessung verfälscht, so dass nur eine scheinbare Temperatur an Stelle der Temperatur des Trägergases gemessen wird. Durch ein "Beschießen" des Temperatursensors mit Aerosolteilchen, wird die Temperatur im Vergleich zur tatsächlichen Temperatur der Gasphase immer zu niedrig angezeigt, wobei als unteres Limit die Kühlgrenztemperatur GT anzusehen ist. In diesem übersät- tigten Bereich sind auch herkömmliche Feuchtemessungen schwierig bis unmög¬ lich, da die verwendeten Sensoren geflutet bzw. benetzt werden können.
Durch die angeführten Messprobleme können z.B. in Brennstoffzellensystemen folgende Probleme auftreten:
- Bei einer unvollständigen Verdampfung des Wassers im Kompressor ist die heiße Luft noch nicht mit Wasser gesättigt und das Verdampfungsgleich¬ gewicht noch nicht erreicht. Der Rest des Wassers ist flüssig, was zu Aero¬ solen und Wandfilmen in den Zuleitungen sowie in der Brennstoffzelle selbst führen kann, wenn es auf dem Weg zur Brennstoffzelle nicht noch teilweise oder komplett verdampft.
- Bei einer Überdosierung von Wasser ist die gekühlte Luft schon mit Wasser gesättigt und das Verdampfungsgleichgewicht erreicht. Der Rest des Was¬ sers ist flüssig und kann als Aerosol oder Wandfilm störend in den Zulei¬ tungen sowie in der Brennstoffzelle selbst wirken.
- Die benötigte Messtechnik ist nicht verfügbar. Es existieren keine Feuchte¬ sensoren für aerosolhaltige Gase und auch keine brauchbaren Tempera¬ tursensoren, da deren Messwerte - wie oben angeführt durch Aerosolbe- schuss - stark verfälscht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von zumindest einem Parameter aus der Gruppe Temperatur, relative Feuchte und Aerosolgehalt eines Trägergases vorzuschlagen, welches möglichst einfach realisierbar ist und auch unter extremen Bedingungen wie einem übersättigten Trägergas brauchbare Aussagen über die Zustandsgrößen des Trägergases lie¬ fert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das mit der ver¬ dampfbaren Flüssigkeit versetzte Trägergas einer Messtrecke mit zumindest drei in Strömungsrichtung des Trägergases hintereinander angeordneten Tempera¬ tursensoren zugeführt wird, dass die Temperaturmesswerte der einzelnen Tem¬ peratursensoren erfasst werden, sowie dass aus den Temperaturmesswerten der einzelnen Temperatursensoren und zumindest einem thermodynamisch abgelei¬ teten oder durch Einmalmessungen bestimmten Kennfeld KFl, KF2, KF3 des Trä¬ gergases zumindest ein Parameter aus der Gruppe Temperatur, relative Feuchte und Aerosolgehalt des Trägergases am austrittsseitigen Ende der Messstrecke berechnet wird.
Im einfachsten Fall, beispielsweise wenn nur die Temperatur des Trägergases am austrittsseitigen Ende der Messstrecke bestimmt werden soll, kann z.B. bereits aus dem Verlauf der Temperaturmesswerte der einzelnen Temperatursensoren auf die austrittsseitige Temperatur geschlossen werden, nämlich dann, wenn zumindest die beiden letzten Temperaturmesswerte im Bereich der Messgenau¬ igkeit die selben Messwerte anzeigen und der in Strömungsrichtung davor lie¬ gende Temperaturmesswert niedriger ist. Dann entspricht diese Temperatur auch der tatsächlichen Temperatur des Trägergases, da aufgrund des Temperaturver¬ laufs eine Sättigung des Trägergases mit der verdampfbaren Flüssigkeit ausge¬ schlossen werden kann (siehe Fig. 2).
Bei allen anderen Anwendungen, bei welchen die relative Feuchte und/oder das Vorhandensein von Aerosolen bestimmt werden soll, müssen neben den in der Messstrecke gewonnenen Temperaturmesswerten die Daten aus beispielsweise zumindest einem thermodynamisch abgeleiteten Kennfeld KFl, KF2, KF3 des Trägergases berücksichtigt werden.
Beispielsweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im ersten Kennfeld KFl Trocken-Temperaturwerte Ttheo* des Trägergases nach adiabatischer Verdichtung ohne Zusatz der verdampfbaren Flüssigkeit berechnet und abgespeichert werden. Die Daten dieses Kennfeldes können direkt thermodynamisch abgeleitet werden, wobei auf die aus der Thermodynamik bekannten Formeln zurückgegriffen wer¬ den kann:
KFl: Temperaturerhöhung (ΔT = T2 - Ti) T2/T1 = (p2/Pi)exp[(κ-l)/κ]
(der Isentropenexponent bzw. Adiabatenkoeffizient K hat beispielsweise für Luft als Trägergas den Wert 1,4 )
Im zweiten Kennfeld KF2 werden Nass-Temperaturwerte Ttheo des Trägergases nach adiabatischer Verdichtung mit Zusatz der verdampfbaren Flüssigkeit und deren vollständigen Verdampfung, sowie im dritten Kennfeld KF3 Grenz-Tempe- raturwerte GT des Trägergases nach adiabatischer Verdichtung bei Sättigung mit der verdampfbaren Flüssigkeit berechnet. In vorteilhafter Weise können alle Kennfelder thermodynamisch berechnet werden, sodass in vielen Fällen keine Anpassung oder Kalibrierung im Hinblick auf die jeweilige System-Hardware er¬ forderlich ist.
Insbesondere bei sehr kleinen Gasmengen, wo Abkühleffekte und Wärmeverluste berücksichtigt werden müssen, kann es von Vorteil sein, wenn die aus den Tem¬ peraturmesswerten und den thermodynamisch abgeleiteten Kennfeldern berech¬ neten Parameter mit Hilfe eines Korrekturkennfeldes KFkorr korrigiert werden, welches die Wärmekapazität der Messstrecke, das Ansprechverhalten der Tem¬ peratursensoren, die Wärmeverluste der Messstrecke und die Wärmeverluste der der Messstrecke vorgeschalteten Komponenten (z.B. jene eines Kompressors) berücksichtigt.
Es ist allerdings auch möglich, die Daten für die Kennfelder KFl, KF2, KF3 für eine konkrete Anwendung oder einen bestimmten Bauteil (beispielsweise für ei¬ nen Kompressor oder eine Gruppe baugleicher Brennstoffzellen) durch eine Ein¬ malmessung zu bestimmen, sodass dann im späteren Betrieb des Bauteils ledig¬ lich auf die Kennfelddaten und die Messwerte der einzelnen Temperatursensoren zurückgegriffen werden muss.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Temperatur und der Druck des Trägergases vor der Einbringung der verdampfbaren Flüssig¬ keit gemessen und bei der Berechnung der Kennfelder berücksichtigt wird.
Die verdampfbare Flüssigkeit kann in das Trägergas beispielsweise durch Ein¬ spritzen eingebracht werden. Es ist allerdings auch möglich, das Trägergas durch Überstreichen einer Flüssigkeitsoberfläche oder eines mit der Flüssigkeit gesät¬ tigten, porösen Körpers zu befeuchten. Weiters ist es möglich, dass die Flüssig¬ keit durch permeativen oder pervaporativen Transport durch eine Membran dem Trägergas zugesetzt wird.
Im Zusammenhang mit PEM-Brennstoffzellen ist das Trägergas kathodenseitig ein gasförmiges Oxidationsmittel oder ein ein gasförmiges Oxidationsmittel ent¬ haltendes Gas, vorzugsweise verdichtete oder unverdichtete Luft oder mit Sauer¬ stoff angereicherte Luft, und anodenseitig ein Brenngas, vorzugsweise Wasser¬ stoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas. Beide Gasströme müssen befeuchtet wer¬ den, sodass Wasser als verdampfbare Flüssigkeit zugeführt wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann eine weitere Temperaturmessung des Trägergases vor dessen Kompression und gegebenenfalls eine Temperatur¬ messung des Wassers vor dessen Einbringung durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß erfolgen die einzelnen Temperaturmessungen in der Messstre¬ cke im Wesentlichen gleichzeitig, so dass eine unmittelbare und gleichzeitige Berechnung der gewünschten Zustandsgrößen möglich ist.
Beispielsweise können zur gleichzeitigen Bestimmung der Parameter Temperatur, relative Feuchte und Aerosolgehalt des Trägergases zumindest drei Tempera¬ tursensoren in der Messtrecke eingesetzt, deren Temperaturmesswerte erfasst und die gewünschten Parameter auf der Basis zumindest zweier Kennfelder KFl, KF2, KF3 berechnet werden. Für eine gültige Temperaturmessung können bei¬ spielsweise ausgangsseitig der Messstrecke zwei von z.B. drei Sensoren die glei¬ che Temperatur zeigen, und der dritte, voran liegende Sensor eine niedrigere Temperatur ausweisen. Daraus folgt, dass ausgangsseitig der Messstrecke keine Aerosole vorliegen und die Temperaturmessung gültig ist. Aus der gültigen Tem¬ peraturmessung kann z.B. mit Hilfe der thermodynamisch abgeleiteten Kennfel¬ der KFl und KF2 die Feuchte richtig berechnet werden. Bei in Strömungsrichtung ansteigender Temperatur kann zudem auf ein Vorliegen von Aerosolen eingangs- seitig der Messstrecke geschlossen werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von zumindest einem Parame¬ ter aus der Gruppe Temperatur, relative Feuchte und Aerosolgehalt eines Träger¬ gases, in welches eine verdampfbare Flüssigkeit einbringbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass in einem vom Trägergas durchströmten Messrohr zumindest drei in Strömungsrichtung des Trägergases hintereinander angeordnete Tempe¬ ratursensoren angeordnet sind, welche mit einer Auswerteeinrichtung in Verbin¬ dung stehen, wobei die Auswerteeinrichtung eine Speichereinheit zur Ablage von thermodynamisch abgeleiteten oder durch Einmalmessungen bestimmten Kenn¬ feldern KFl, KF2, KF3 sowie ggf. eines Korrekturkennfeldes KFkorr aufweist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen und Diagrammen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Zustandspa- rametem eines Trägergases in einer Schnittdarstellung;
Fig. 2 ein Diagramm mit dem Temperaturverlauf in 0C an den einzelnen Messstellen der Messvorrichtung gemäß Fig. 1 für unterschiedliche Mengen an eingespritztem Wasser;
Fig. 3 den Temperaturverlauf in 0C an mehreren Messstellen in Abhängig¬ keit der eingespritzten Wassermenge in g/s; sowie
Fig. 4 die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 im Zusammen¬ hang mit einer PEM-Brennstoffzelle.
Um einen Wärmeverlust nach außen bzw. einen Temperatureinfluss von außen zu vermeiden - was vor allem bei kleinen Durchflüssen von Bedeutung ist - kann das Messrohr eine thermische Isolierung aufweisen.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 zur Messung zumindest eines Parameters in einem Trägergas weist ein vom Trägergas durchströmtes Messrohr 2 auf, in welchem beispielsweise vier in Strömungsrichtung (Pfeile 3) des Trägergases hintereinander angeordnete Temperatursensoren Sl bis S4 an entsprechenden Messstellen MSl bis MS4 vorgesehen sind. Zur Verbesserung der Aussagekraft der Messanordnung können auch mehr als vier Sensoren verwendet werden. Die Eingangsseite des Messrohres 2 ist mit ME, die Ausgangsseite mit MA gekenn¬ zeichnet. Die Messspitzen 4 der Temperatursensoren ragen in das Innere des Messrohres 2 und geben ihre Messsignale an eine hier nicht weiter dargestellte Auswerteeinrichtung ab.
Die sich an den Messstellen MSl bis MS4 ergebenden Messwerte der Sensoren Sl bis S4 sind in Fig. 2 dargestellt, wobei durch die Buchstaben A bis K gekenn¬ zeichnete Messverläufe für elf unterschiedliche Wassermengen dargestellt sind. Die Berechnung der Austrittstemperatur, der relativen Feuchte und des Aerosol¬ gehaltes des Trägergases erfolgt auf der Basis der Kennfelder KFl, KF2 und KF3 und ggf. unter Berücksichtigung des Korrekturkennfeldes Kk0n-. Im Unterschied zum dargestellten Beispiel kann man bei kleinen Gasmengen bzw. kleinen Mas¬ senströmen - durch Temperaturverluste im Messsystem - auch in Strömungs¬ richtung fallende Temperaturmesswerte beobachten.
"A" (Dosierung von "null" Wasser)
- Temperaturen:
- alle vier Temperaturen an den Messstellen MSl bis MS2 sind gleich
- Temperaturniveau ist maximal
- Temperatur entspricht in etwa der berechneten Temperatur (Ttheo*) nach adiabatischer Verdichtung
- Wasserzustand:
- kein Wasser dosiert
"B" (Dosierung von etwas Wasser)
- Temperaturen:
- alle vier Temperaturen sind gleich
- Temperaturniveau ist abgesenkt
- Temperatur entspricht berechneter Temperatur (Ttheo) nach adiabati¬ scher Verdichtung und nach vollständiger Verdampfung des dosier¬ ten Wassers
- Wasserzustand:
- dosiertes Wasser ist vollständig verdampft
"C" (Dosierung von etwas mehr Wasser als bei "B")
- Verhalten wie bei "B"
- Temperaturen:
- alle vier Temperaturen sind gleich
- Temperatumiveau ist weiter abgesenkt
- Temperatur entspricht Ttheo
- Wasserzustand:
- dosiertes Wasser ist vollständig verdampft
"D" ( Dosierung von etwas mehr Wasser als bei "C")
- Temperaturen:
- Temperaturniveau ist weiter abgesenkt - Temperatur MSl beginnt abzufallen => Kühlung durch Aerosol-be- schuss !
- die anderen drei Temperaturen MS2 bis MS4 sind gleich
- Temperatur bei MS2 bis MS4 entspricht Ttheo
- Wasserzustand:
- dosiertes Wasser ist bei MSl noch nicht vollständig verdampft
- dosiertes Wasser ist bei MS2 bis MS4 vollständig verdampft (nach¬ verdampft)
"E" (Dosierung von etwas mehr Wasser als bei "D")
- Verhalten wie bei "D"
- Temperaturen:
- Temperaturniveau ist weiter abgesenkt
- Temperatur MSl fällt stärker ab
- die anderen drei Temperaturen MS2 bis MS4 sind noch gleich
- Temperatur bei MS2 bis MS4 entspricht Ttheo
- Wasserzustand:
- dosiertes Wasser ist bei MSl nicht vollständig verdampft
- dosiertes Wasser ist bei MS2 bis MS4 vollständig verdampft (nach¬ verdampft)
"F" (Dosierung von etwas mehr Wasser als bei "E")
- Temperaturen:
- Temperaturniveau ist weiter abgesenkt
- Temperatur bei MSl fällt auf die Kühlgrenztemperatur GT ab (Mini¬ mum wird erreicht)
- die anderen drei Temperaturen MS2 bis MS4 sind noch gleich
- Temperatur bei MS2 bis MS4 entspricht Ttheo
- Wasserzustand:
- dosiertes Wasser ist bei MSl nicht vollständig verdampft
- dosiertes Wasser ist bei MS2 bis MS4 vollständig verdampft (nach¬ verdampft)
"G" ^Dosierung von etwas mehr Wasser als bei "F")
- Temperaturen:
- Temperaturniveau ist weiter abgesenkt, außer bei MSl
- MSl bleibt bei GT
- Temperatur MS2 beginnt auch abzufallen
- die anderen zwei Temperaturen MS3 und MS4 sind noch gleich
- Temperatur bei MS2 und MS4 entspricht Ttheo
- Wasserzustand:
- dosiertes Wasser ist bei MSl und MS2 nicht vollständig verdampft
- dosiertes Wasser ist bei MS3 und MS4 vollständig verdampft (nach¬ verdampft)
"H" (Dosierung von etwas mehr Wasser als bei "G")
- Temperaturen:
- Temperaturniveau ist weiter abgesenkt, ausser bei MSl
- MSl bleibt bei GT
- Temperatur MS2 fällt noch stärker ab - Temperatur MS3 beginnt auch abzufallen
- nur Temperatur bei MS4 entspricht noch Ttheo
- Wasserzustand:
- dosiertes Wasser ist bei MSl bis MS3 nicht vollständig verdampft
- dosiertes Wasser ist nur bei MS4 noch vollständig verdampft (nach¬ verdampft)
"I" (Dosierung von etwas mehr Wasser als bei "H")
- Temperaturen:
- Temperaturniveau ist weiter abgesenkt, außer bei MSl
- MSl bleibt bei GT
- Temperatur MS2 fällt auch auf GT ab
- Temperatur MS3 fällt stärker ab
- Temperatur bei MS4 ist noch "stabil" und entspricht Ttheo
- Wasserzustand:
- dosiertes Wasser ist bei MSl bis MS3 nicht vollständig verdampft
- dosiertes Wasser ist nur bei MS4 noch vollständig verdampft (nach¬ verdampft)
"J" (Dosierung von etwas mehr Wasser als bei "I")
- Temperaturen:
- Temperaturniveau ist weiter abgesenkt, ausser bei MSl und MS2
- MSl und MS2 bleiben bei GT
- Temperatur MS3 fällt auf GT ab
- Temperatur MS4 beginnt auch "abzusinken" und entspricht nicht mehr Ttheo
- Wasserzustand:
- dosiertes Wasser ist überall (bei MSl bis MS4) nicht mehr vollständig verdampft
"K" (Dosierung von etwas mehr Wasser als bei "J")
- Temperaturen:
- Temperaturniveau ist weiter abgesenkt, außer bei MSl bis MS3
- alle Temperaturen erreichen GT
- Wasserzustand
- dosiertes Wasser ist überall (bei MSl bis MS4) nicht mehr vollständig verdampft
Im Folgenden sind Beispiele für die Auswertung des Temperaturverlaufs unter Berücksichtigung der "typischen Temperaturverläufe" und der Kennfelder KFl bis KF3 angeführt:
- Temperaturmessung:
Bei mindestens zwei gleichen Temperaturmesswerten im austrittsseitigen Bereich des Messrohrs 2, z.B. an den Messstellen MS3 und MS4, wird mit diesen die reale Temperatur der Gasphase des Trägergases gemessen, wenn nicht bereits überall die Kühlgrenztemperatur GT erreicht wurde. Zur Identifikation der GT wird das Kennfeld KF3 verwendet. Wenn die austrittsseitigen Temperaturen noch höher sind als die in Strö¬ mungsrichtung voran liegenden, wurde die Kühlgrenztemperatur GT offen¬ sichtlich noch nicht erreicht.
- Feuchtemessung:
Aus der Gasphasen-Temperatur wird die Feuchte abgeleitet. Dabei wird aus der Differenz zwischen der "adiabatischen Temperatur" (Temperatur nach Kompression ohne Wasserzugabe) und der gemessenen "Nass-Temperatur" (Temperatur nach Kompression mit Wasserzugabe) die verdampfte Was¬ sermenge abgeleitet und in die absolute oder relative Gasfeuchte umge¬ rechnet. Verwendet werden dabei die Kennfelder KFl und KF2. Die Ablei¬ tung ist dann gültig, wenn nicht bereits an allen Messstellen Aerosole auf¬ treten, also mindestens zwei der ausgangsseitigen Messstellen gleiche Tem¬ peraturmesswerte zeigen und die davor liegende Messstelle eine niedrigere Temperatur anzeigt.
- Aerosol-Nachweis:
Aus dem Temperaturverlauf an den Messstellen kann auf das Vorhanden¬ sein von Aerosolen sowie den Ort des Auftretens geschlossen werden. Wenn der Temperaturverlauf nicht mehr konstant ist (sondern über die Messstre¬ cke ansteigend), dann sind Aerosole vorhanden. Diese Aussage ist nur gül¬ tig, wenn nicht bereits überall die Kühlgrenztemperatur GT erreicht wurde. Zur Identifikation der GT kann das Kennfeld KF3 verwendet werden.
- Wandfilm-Nachweis:
Der Nachweis von Wandfilmen ist zumindest empirisch ebenfalls möglich, da bei Erreichen der Kühlgrenztemperatur GT bei allen Messstellen üblicher¬ weise im eintrittsseitigen Bereich ein Wandfilm vorliegt. Der Ort des Auf¬ tretens und die Art des Wandfilms sind allerdings von den verwendeten Komponenten und deren Geometrie abhängig.
Fig. 3 zeigt die Temperaturmesswerte T in 0C für die Messstellen MSl bis MS4 in Abhängigkeit der zugemessenen Wassermenge in g/s, wobei ein Luftmassen¬ strom von 75g/s und eine Wassertemperatur von 62°C gewählt wurde. Beim Überschreiten von ca. 1,35 g/s H2O ist die Ausbildung von Aerosolen, bei der Überschreiten von ca. 2,0 g/s H2O ist die Ausbildung von Wandfilmen erkennbar, was durch separate optische Messungen verifiziert wurde.
In der schematischen Abbildung gemäß Fig. 4 ist dem kathodenseitigen Eingang einer Brennstoffzelle 5 eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 mit einem Messrohr 2 mit beispielsweise fünf Temperatursensoren Sl bis S5 vorgeschaltet. Wie strichliert dargestellt, kann zur Befeuchtung des Brenngases (H2) auch dem anodenseitigen Eingang der Brennstoffzelle 5 eine entsprechende Messvorrich¬ tung 1 mit Messrohr 2 vorgeschaltet sein. Die Temperatursensoren im Messrohr 2 sind äquidistant angeordnet und können auch in Form eines Messgitters ange¬ bracht sein, welches den Messrohrquerschnitt abdeckt, um die Temperaturmes¬ sung über den Messrohrquerschnitt zu mittein. Die Temperatursensoren Sl bis S5 stehen mit einer Auswerteeinrichtung 6 in Verbindung, welche eine Spei¬ chereinheit 7 zur Ablage der thermodynamisch abgeleiteten Kennfelder KFl, KF2, KF3 sowie ggf. eines Korrekturkennfeldes KFk0n- aufweist.
Eine weitere Temperaturmessung TL des Trägergases kann vor dem Eintritt in den dem Messrohr 2 vorgeschalteten Kompressor 8 erfolgen. Weiters ist es mög¬ lich auch die Eintrittstemperatur Tw des zugemessenen Wassers zu messen, wel¬ ches vor dem, in den oder nach dem Kompressor 8 zugeführt wird. Die Tempe¬ raturen TL und Tw können bei der Erstellung der Kennfelder berücksichtigt wer¬ den.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind nicht nur bei Brennstoffzellen anwendbar, sondern überall wo Trägergase be¬ feuchtet werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Messung von zumindest einem Parameter aus der Gruppe Temperatur, relative Feuchte und Aerosolgehalt eines Trägergases, in wel¬ ches eine verdampfbare Flüssigkeit eingebracht wird, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das mit der verdampfbaren Flüssigkeit versetzte Trägergas einer Messtrecke mit zumindest drei in Strömungsrichtung des Trägergases hintereinander angeordneten Temperatursensoren zugeführt wird, dass die Temperaturmesswerte der einzelnen Temperatursensoren erfasst werden und dass aus den Temperaturmesswerten der einzelnen Temperatursenso¬ ren und zumindest einem thermodynamisch abgeleiteten oder durch Ein¬ malmessungen bestimmten Kennfeld (KFl, KF2, KF3) des Trägergases zu¬ mindest ein Parameter aus der Gruppe Temperatur, relative Feuchte und Aerosolgehalt des Trägergases am austrittsseitigen Ende der Messstrecke berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Kennfeld (KFl) Trocken-Temperaturwerte des Trägergases nach adiabati¬ scher Verdichtung ohne Zusatz der verdampfbaren Flüssigkeit, im zweiten Kennfeld (KF2) Nass-Temperaturwerte des Trägergases nach adiabatischer Verdichtung mit Zusatz der verdampfbaren Flüssigkeit und deren vollständi¬ gen Verdampfung, sowie im dritten Kennfeld (KF3) Grenz-Temperaturwerte des Trägergases nach adiabatischer Verdichtung bei Sättigung mit der ver¬ dampfbaren Flüssigkeit berechnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den Temperaturmesswerten und den thermodynamisch abgeleiteten Kennfeldern berechneten Parameter mit Hilfe eines Korrekturkennfeldes (KFkorr) korrigiert werden, welches die Wärmekapazität des Messstrecke, das Ansprechverhalten der Temperatursensoren, die Wärmeverluste der Mess¬ strecke und die Wärmeverluste der der Messstrecke vorgeschalteten Kom¬ ponenten berücksichtigt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur und der Druck des Trägergases vor der Einbringung der verdampfbaren Flüssigkeit gemessen und bei der Berechnung der Kennfelder berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verdampfbare Flüssigkeit durch Einspritzen der Flüssigkeit in das Trägergas, durch Überstreichen einer Flüssigkeitsoberfläche oder eines mit der Flüssigkeit gesättigten Körpers oder durch permeativen oder pervapo- rativen Transport der Flüssigkeit durch eine Membran zugesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägergas ein Brenngas für eine Brennstoffzelle, vorzugsweise Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas, verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägergas ein gasförmiges Oxidationsmittel oder ein ein gasförmi¬ ges Oxidationsmittel enthaltendes Gas, vorzugsweise Luft oder mit Sauer¬ stoff angereicherte Luft, verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, dass das Träger¬ gas verdichtet oder unverdichtet der Messstrecke zugeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als verdampfbare Flüssigkeit Wasser verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Temperaturmessung des Trägergases vor dessen Kompression und ggf. eine Temperaturmessung des Wassers vor dessen Einbringung durch¬ geführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichzeitigen Bestimmung der Parameter Temperatur, relative Feuchte und Aerosolgehalt des Trägergases zumindest drei Temperatursen¬ soren in der Messtrecke eingesetzt, deren Temperaturmesswerte erfasst und die gewünschten Parameter auf der Basis zumindest zweier Kennfelder (KFl, KF2, KF3) berechnet werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Temperaturmessungen in der Messstrecke im Wesentli¬ chen gleichzeitig erfolgen.
13. Vorrichtung (1) zur Messung von zumindest einem Parameter aus der Gruppe Temperatur, relative Feuchte und Aerosolgehalt eines Trägergases, in welches eine verdampfbare Flüssigkeit einbringbar ist, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass in einem vom Trägergas durchströmten Messrohr (2) zumindest drei in Strömungsrichtung (3) des Trägergases hintereinander angeordnete Temperatursensoren (Sl, S2, S3, S4, S5) angeordnet sind, welche mit einer Auswerteeinrichtung (6) in Verbindung stehen, wobei die Auswerteeinrichtung (6) eine Speichereinheit (7) zur Ablage von thermody- namisch abgeleiteten oder durch Einmalmessungen bestimmten Kennfel¬ dern (KFl, KF2, KF3) aufweist.
14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (6) eine Speichereinheit (7) zur Ablage eines Korrek¬ turkennfeldes (KFkorr) aufweist.
15. Vorrichtung (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren (Sl, S2, S3, S4, S5) im Messrohr (2) äqui- distant angeordnet sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeich¬ net, dass die einzelnen Temperatursensoren (Sl, S2, S3, S4, S5) in Form eines Messgitters angeordnet sind, welches den Messrohrquerschnitt ab¬ deckt.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeich¬ net, dass Messrohre (2) mit Temperatursensoren (Sl, S2, S3, S4, S5) dem kathodenseitigen Eingang und/oder dem anodenseitigen Eingang einer Brennstoffzelle (5) vorgeschaltet sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeich¬ net, dass das Messrohr (2) eine thermische Isolierung aufweist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20020110714A1 (en) * 1998-09-08 2002-08-15 Craig Andrews Gas humidification device for operation, testing, and evaluation of fuel cells

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