WO2023131489A1 - Messsystem und messverfahren zum messen einer menge eines durch eine probe strömenden fluids - Google Patents

Messsystem und messverfahren zum messen einer menge eines durch eine probe strömenden fluids Download PDF

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WO2023131489A1
WO2023131489A1 PCT/EP2022/085891 EP2022085891W WO2023131489A1 WO 2023131489 A1 WO2023131489 A1 WO 2023131489A1 EP 2022085891 W EP2022085891 W EP 2022085891W WO 2023131489 A1 WO2023131489 A1 WO 2023131489A1
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measuring
sample
fluid
chamber
sensor
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PCT/EP2022/085891
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Inventor
Susanna Baesch
Dominik GIERSCH
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/082—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample
    • G01N15/0826—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow

Definitions

  • the present invention relates to a measuring system and a measuring method for measuring an amount of a fluid flowing through a sample.
  • a gas permeability rate i.e. a permeation rate of the respective materials, such as plastic materials, in particular elastomers, thermoplastics and duroplastics, with respect to relevant fluids, in particular hydrogen.
  • all standards are based on a two-chamber principle, in which a supply chamber is filled with test gas or flows through it and a measuring chamber is measured with a permeated test gas. Between the two chambers is a sample or a test piece, in the standards mentioned a Plastic film with a thickness of usually 2.5 pm clamped. The permeated gas is measured either using the differential pressure method or with a sensor that is selective for the measurement gas.
  • Another measurement setup cited in Canadian standards is based on measurement of a permeated volume through a capillary, where the measurement is made at very high pressures, resulting in a relatively large permeation flow. This facilitates a volumetric determination. However, direct transfer to other print areas is not possible.
  • the invention presented is used to precisely determine a quantity of fluid flowing through a sample.
  • the invention presented is used to precisely determine a permeation rate for hydrogen in a sample of a material.
  • a measuring system for measuring a quantity of a fluid flowing through a sample.
  • the measuring system includes a measuring chamber, a supply chamber, a catalyst, a sensor and an evaluation unit.
  • the supply chamber is filled with a fluid.
  • a receptacle for receiving a sample is arranged between the supply chamber and the measuring chamber
  • the catalyst is positioned in the measurement chamber and configured to catalytically convert fluid flowing through the sample.
  • the sensor is configured to measure a change in a pressure present in the measuring chamber.
  • the evaluation unit is configured to use a difference between measured values determined by the sensor and a reference value to conclude a quantity of fluid that has flowed through the sample and to output the quantity on an output unit.
  • a fluid flowing through or permeating through a sample is to be understood as a process in which a fluid is taken up by the sample, transported through the sample and released by the sample.
  • the measurement system presented is based on the principle that a catalyst is used to chemically convert a quantity of fluid flowing or permeating through a sample. This means that an amount of substance and/or an aggregate state of the permeated fluid is changed using the catalyst. With a closed measurement chamber, this leads to a significantly greater change in absolute pressure in the measurement chamber than could be achieved by pure permeation without catalytic conversion.
  • a reaction of permeated fluid is achieved by the catalytic conversion and a concentration of the fluid in the measuring chamber is reduced or minimized.
  • the catalytic conversion by the catalyst provided according to the invention causes a maximum possible partial pressure difference for the fluid, so that a complete Escape of the fluid from the sample is made possible and a measurement time is minimized accordingly.
  • a partial pressure gradient for the fluid in the measuring chamber can be maximized by a catalytic conversion, which in particular causes a change in the physical state of a permeated fluid from a gaseous state to a liquid state. Because of the partial pressure drop, an equilibrium between the fluid in the measuring chamber and the fluid in the sample is avoided and the fluid can be released completely from the sample.
  • a sample-specific permeation index in particular a sample-specific permeation rate, can be determined on the basis of a determined quantity of fluid flowing or permeated through a sample.
  • the evaluation unit provided according to the invention which can be a processor or a computer or any other technically suitable circuit, for example, compares one or more measured values determined by the sensor provided according to the invention with a reference value, such as a pressure measured in the supply chamber . Based on a difference between the reference value and the respective measured values determined, a quantity of fluid permeated through the sample can be inferred.
  • the catalytic conversion using the catalyst according to the invention converts an amount of permeated fluid in such a way that the amount of substance of the fluid increases after the conversion, so that, for example, several moles of catalytic product are formed from one mole of fluid.
  • more substance quantity can be detected by the sensor after the catalytic conversion, so that an optimized signal/noise ratio is generated and a measuring accuracy of measured values determined by the sensor is maximized.
  • the measuring system comprises a supply chamber sensor, which is arranged in the supply chamber and is configured to measure a pressure in the supply chamber, with the evaluation unit being configured to determine a pressure caused by the sample determine leakage of fluid by subtracting a reading determined by the sensor in the measuring chamber from a reading determined by the supply chamber sensor.
  • a pressure difference between the measurement chamber and the supply chamber can indicate an amount of fluid that has escaped during permeation through a sample.
  • a determined permeation index can be validated or possibly corrected using an escaped quantity of fluid.
  • An absolute pressure measurement enables a pressure change caused by a permeation of fluid through a sample to be detected, so that a quantity of permeated fluid can be inferred from the pressure change. Since a pressure caused by a quantity of fluid changes depending on the temperature, a temperature sensor can be provided in order to compare different pressure measurements or to correct them with regard to a temperature difference.
  • the catalyst provided according to the invention serves in particular to convert hydrogen, so that a permeation of hydrogen through a sample and, as a result, a permeability of the sample to hydrogen can be determined.
  • the catalyst can, for example, comprise platinum and/or copper.
  • the hydrogen is converted, for example, into dihydrogen monoxide, in particular into liquid water.
  • the catalyst provided according to the invention can optionally include one or more condensation cores, such as dust, salt or soot particles, which cause gaseous dihydrogen monoxide or water vapor to be converted into liquid water.
  • a reactant may be required to catalytically convert a fluid.
  • oxygen is suitable as a reactant for the catalytic conversion of hydrogen, since a catalytic reaction of hydrogen with oxygen produces dihydrogen monoxide.
  • a moisture regulator such as a quantity of salt to absorb water, causes a reduction in the water circulating freely in the measuring chamber and correspondingly lowers a partial pressure of water vapor.
  • a humidity regulator enables a continuous reaction of hydrogen in water and, as a result, a complete desorption of hydrogen absorbed or adsorbed in a sample, which contributes to a complete permeation of hydrogen through the sample.
  • Porous support elements such as ceramics, stones, bricks, paper, cardboard or cement, provide a large surface for the presentation of the catalyst provided according to the invention, so that with a predetermined, in particular minimal, volume of the measuring chamber, the maximum or best possible conversion of permeated fluid takes place .
  • the presented invention relates to a measurement method for measuring an amount of fluid desorbed by a sample.
  • the Measuring method comprises an arrangement step, in which a sample is arranged in a possible configuration of the presented measuring system, a measuring step, in which a pressure change in the measuring chamber is detected by means of a sensor of the measuring system, an evaluation step, in which an evaluation unit of the measuring system uses in a quantity of fluid flowing through the sample is determined from the measured values determined in the measuring step, an output step in which the quantity determined in the evaluation step is output on an output unit.
  • FIG. 1 shows a possible embodiment of the measuring system according to the invention
  • FIG. 2 shows a possible embodiment of the measuring method according to the invention.
  • the measuring system 100 comprises a measuring chamber 101, a supply chamber 103, a catalytic converter 105, a sensor 107, an evaluation unit 109 and a receptacle 111 for receiving a sample 113.
  • the measuring system 100 is used to measure a quantity of hydrogen flowing through the sample 113 or permeated by the sample 113 .
  • the sample 113 is arranged in the receptacle 111 between the supply chamber 103 and the measuring chamber 101 and hydrogen flows from the supply chamber 103 .
  • Hydrogen which reaches the measuring chamber 101 from the supply chamber 103 through the sample 113, flows to the catalyst 105 and is catalytically or chemically converted there.
  • the supply chamber 103 In order to keep a partial pressure for hydrogen in the supply chamber 103 constant, it comprises an inlet 115 and an outlet 117, so that if a threshold value is not reached, hydrogen is conveyed through the inlet 115 into the supply chamber 103 and if a threshold value is exceeded, hydrogen is conveyed through the Outlet 117 can be discharged from the supply chamber 103.
  • the supply chamber 103 includes a supply chamber sensor 119 for detecting a pressure present in the supply chamber 103 and, optionally, a temperature present in the supply chamber 103 .
  • the measuring chamber 101 is filled with the reactant oxygen, so that the catalyst 105 causes a catalytic conversion of the hydrogen flowing through the sample 113 into dihydrogen monoxide. Accordingly, a measurable amount of substance is increased by the catalytic conversion, since dihydrogen monoxide has a higher amount of substance than hydrogen. The higher amount of dihydrogen monoxide can correspondingly be better detected by the sensor 107 than the amount of hydrogen flowing out of the sample 113 .
  • the catalytic conversion of the amount of hydrogen flowing out of the sample 113 by the catalyst 105 minimizes the hydrogen partial pressure in the measuring chamber 101 so that a continuous flow of hydrogen from the supply chamber 103 through the sample 113 is ensured and accelerated.
  • Liquid dihydrogen monoxide can be bound by means of an optional humidity regulator 121, such as a salt block, so that a partial pressure of the catalytic product in the measuring chamber 101 is minimized and, as a result, a continuous flow of hydrogen from the supply chamber 103 through the sample 113 is ensured and is accelerated.
  • an optional humidity regulator 121 such as a salt block
  • the senor 107 is a pressure and temperature sensor that does not affect the permeation behavior of the sample 113 and is particularly robust and inexpensive.
  • the measurement chamber 101 can also be used to measure an amount of fluids permeated by other samples.
  • a measurement method 200 is shown in FIG.
  • the measuring method 200 comprises an arrangement step 201, in which a sample 113 is arranged in a possible embodiment of the presented measuring system, a measuring step 203, in which a pressure change in the measuring chamber 101 is detected by means of a sensor 107 of the measuring system 100, an evaluation step 205 in which a quantity of fluid that has flowed through the sample 113 is determined by means of an evaluation unit 109 of the measuring system 100 on the basis of measured values determined in the measuring step 203, and an output step 207 in which the quantity determined in the evaluation step 205 is output on an output unit.

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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Messsystem (100) zum Messen einer Menge eines durch eine Probe (113) strömenden Fluids. Das Messsystem (100) umfasst eine Messkammer (101), eine Versorgungskammer (103), einen Katalysator (105), einen Sensor (107) und eine Auswerteeinheit (109). Die Versorgungskammer (103) ist mit einem Fluid gefüllt. Zwischen der Versorgungskammer (103) und der Messkammer (101) ist eine Aufnahme (111) zum Aufnehmen einer Probe (113) angeordnet, wobei der Katalysator (103) in der Messkammer (101) angeordnet und dazu konfiguriert ist, durch die Probe (113) strömendes Fluid katalytisch umzusetzen, wobei der Sensor (107) dazu konfiguriert ist, eine Veränderung eines in der Messkammer (101) anliegenden Drucks zu messen, wobei die Auswerteeinheit (107) dazu konfiguriert, anhand einer Differenz von durch den Sensor (105) ermittelten Messwerten und einem Referenzwert auf eine Menge von durch die Probe (109) geströmtem Fluid zu schließen und die Menge auf einer Ausgabeeinheit auszugeben.

Description

Beschreibung
Titel
Messsystem und Messverfahren zum Messen einer Menge eines durch eine Probe strömenden Fluids
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem und ein Messverfahren zum Messen einer Menge eines durch eine Probe strömenden Fluids.
Stand der Technik
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.
Da kein Werkstoff komplett „dicht“ gegenüber Wasserstoff ist, spielt ein Permeationskoeffizient jeweiliger Komponenten eine entscheidende Rolle für eine Gesamtdichtheit eines jeweiligen Systems.
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.
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.
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.
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 strömendem Fluid exakt zu ermitteln. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, eine Permeationsrate für Wasserstoff einer Probe eines Materials exakt zu ermitteln.
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. Die Versorgungskammer ist mit einem Fluid gefüllt.
Zwischen der Versorgungskammer und der Messkammer ist eine Aufnahme zum Aufnehmen einer Probe angeordnet
Der Katalysator ist in der Messkammer angeordnet und dazu konfiguriert, durch die Probe strömendes Fluid katalytisch 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 geströmtem Fluid zu schließen und die Menge auf einer Ausgabeeinheit auszugeben.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Katalysator dazu konfiguriert ist, durch die Probe permeierten Wasserstoff als Fluid umzusetzen.
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.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Katalysator dazu konfiguriert ist, von der Probe permeierten 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. 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.
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 permeiertem Fluid erfolgt.
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.
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:
Figur 1 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messsystems,
Figur 2 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messverfahrens.
In Figur 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.
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.
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. 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.
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.
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.
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.
Vorliegend ist der Sensor 107 ein Druck- und Temperatursensor, der ein Permeationsverhalten der Probe 113 nicht beeinflusst und besonders robust sowie kostengünstig ist. 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.
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.
In Figur 2 ist ein Messverfahren 200 dargestellt.
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.

Claims

Ansprüche
1 . Messsystem (100) zum Messen einer Menge eines durch eine Probe (113) strömenden Fluids, wobei das Messsystem (100) umfasst:
- eine Messkammer (101),
- eine Versorgungskammer (103),
- einen Katalysator (105),
- einen Sensor (107),
- eine Auswerteeinheit (109), wobei die Versorgungskammer (103) mit einem Fluid gefüllt ist, wobei zwischen der Versorgungskammer (103) und der Messkammer (101) eine Aufnahme (111) zum Aufnehmen einer Probe (113) angeordnet ist, wobei der Katalysator (103) in der Messkammer (101) angeordnet und dazu konfiguriert ist, durch die Probe (113) strömendes Fluid katalytisch umzusetzen, wobei der Sensor (107) dazu konfiguriert ist, eine Veränderung eines in der Messkammer (101) anliegenden Drucks zu messen, wobei die Auswerteeinheit (107) dazu konfiguriert, anhand einer Differenz von durch den Sensor (105) ermittelten Messwerten und einem Referenzwert auf eine Menge von durch die Probe (109) geströmtem Fluid zu schließen und die Menge auf einer Ausgabeeinheit auszugeben.
2. Messsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (100) einen Versorgungskammersensor (119) umfasst, der in der Versorgungskammer (103) angeordnet und dazu konfiguriert ist, einen Druck in der Versorgungskammer (103) zu messen, wobei die Auswerteeinheit (109) dazu konfiguriert ist, eine durch die Probe (113) bedingt Leckage an Fluid zu bestimmen, indem ein von dem Sensor (107) in der Messkammer (101) ermittelter Messwert von einem durch den Versorgungskammersensor (119) ermittelten Messwert abgezogen wird. Messsystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (107) dazu konfiguriert ist, einen Absolutdruck und/oder eine Temperatur in der Messkammer (101) zu messen. Messsystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (105) dazu konfiguriert ist, durch die Probe (113) permeierten Wasserstoff als Fluid umzusetzen. Messsystem (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (103) dazu konfiguriert ist, durch die Probe (113) permeierten Wasserstoff in Wasser umzusetzen. Messsystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (101) mit einem Reaktanten gefüllt ist, der durch den Katalysator (105) mit dem Fluid zu einem chemischen Produkt umsetzbar ist. Messsystem (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktant Sauerstoff umfasst. Messsystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (100) einen in der Messkammer (101) angeordneten Feuchteregulator (121) umfasst. Messsystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (100) eine Anzahl poröser Trägerelemente umfasst, die mit dem Katalysator (105) beschichtet sind. Messverfahren (200) zum Messen einer Menge von durch eine Probe (113) desorbiertem Fluid, wobei das Messverfahren (200) umfasst:
- einen Anordnungsschritt (201), bei dem eine Probe (113) in einem Messsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 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,
- einen Ausgabeschritt (207), bei dem die in dem Auswerteschritt (205) ermittelte Menge auf einer Ausgabeeinheit ausgegeben wird. Messverfahren (200) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Auswerteschritt (205) eine Desorptionsrate der Probe (113) bestimmt wird, indem eine Menge von durch die Probe (113) permeiertem Fluid pro Zeiteinheit ermittelt wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102014224175A1 (de) * 2014-07-09 2016-01-14 Hyundai Motor Company Verfahren und vorrichtung zum detektieren von fehlern einer membran-elektroden-anordnung einer brennstoffzelle
KR20170040143A (ko) * 2017-03-20 2017-04-12 (주) 팝스 전기자동차 배터리 충전용 연료전지 시스템

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