AT524543A4 - Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses - Google Patents

Abstract

Es sind Messvorrichtungen zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses mit einem Strömungsgehäuse (12), in dem ein Strömungskanal (10) ausgebildet ist, einem Differenzdrucksensor (20), über den eine Druckdifferenz im Strömungskanal (10) messbar ist, einem Feuchtigkeitssensor (62) und einem Dichtesensor (66), bekannt. Um eine solche Messvorrichtung unempfindlich gegen Wassertropfen im Fluidstrom zu machen, wird vorgeschlagen, dass an einem Fluidtrennbereich m Strömungsgehäuse (12) eine Abzweigung (46) ausgebildet ist, an der ein im Strömungsgehäuse (12) ausgebildeter Messkanal (54) vom Strömungskanal (10) abzweigt, an dessen begrenzender Gehäusewand (58) eine erste Anschlussöffnung (60) ausgebildet ist, an der der Feuchtigkeitssensor (62) angeschlossen ist und eine zweite Anschlussöffnung (64) ausgebildet ist, an der der Dichtesensor (66) angeschlossen ist.

Description

Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/ oder

Wasserstoffdurchflusses

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses mit einem Strömungsgehäuse, in dem ein Strömungskanal ausgebildet ist, einem Differenzdrucksensor, über den eine Druckdifferenz im Strömungskanal

messbar ist, einem Feuchtigkeitssensor und einem Dichtesensor.

Derartige Messvorrichtungen dienen zur exakten und schnellen Bestimmung eines Durchflusses in Brennstoffzellensystemen, wie beispielsweise eines Stickstoff- und Wasserstoffdurchflusses in Anodengaskreisläufen, oder auch in Verbrennungsmotoren, in denen Wasserstoff als Kraftstoff verwendet wird. Dabei kann der ermittelte Durchfluss sowohl zur Regelung der Brennstoffzelle beziehungsweise der Wasserstoffzufuhr zu einem Verbrennungsmotor als auch zur Analyse

eines Brennstoffzellensystems oder einer Verbrennung im Motor dienen.

Die Bestimmung des Durchflusses erfolgt üblicherweise durch eine Differenzdruck- und Dichtemessung, wobei zusätzlich eine Korrektur in Abhängigkeit der vorhandenen relativen Feuchte vorgenommen werden muss. Um genaue Messwerte zu liefern, müssen die verwendeten Sensoren bei der Messung von Gasgemischen möglichst unempfindlich gegen die Anwesenheit von Wasser beziehungsweise Wasserdampf und ein mögliches Gefrieren des Wassers sein beziehungsweise gegen die Anwesenheit von Wasser geschützt werden. Des Weiteren sind durch die

Messung auftretende Druckverluste zu minimieren.

Eine korrekte Differenzdruckmessung wird beispielweise mit Pitotrohren beziehungsweise Prandtirohren durchgeführt. Um hier zuverlässige Messwerte zu erhalten, sollte eine der vorhandenen Messöffnungen

möglichst zur Strömung gerichtet sein, so dass ein Druck, bestehend aus

dem Staudruck aufgrund der vorhandenen Strömungsgeschwindigkeit und dem statischen Druck zu einem Druckaufnehmer geleitet wird. Dieser misst entweder eine Druckdifferenz zu einem Druck, der über eine Druckmessöffnung an einer Position des Staurohres gemessen wird, die strömungsabgewandt oder senkrecht zur Strömung angeordnet ist und somit zumindest näherungsweise keinem Staudruck unterliegt. Entsprechend wird eine Druckdifferenz zum vorhandenen statischen Druck gemessen. Der Staudruck beziehungsweise dynamische Druck ist somit der Druck, den das strömende Medium durch seine Geschwindigkeit und seine Masse ausübt, Somit bildet die Druckdifferenz zumindest ein Maß für die kinetische Energie des stirömenden Mediums. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto größer ist entsprechend der Staudruck, so dass dieser ein Maß für den Volumenstrom und/oder einer Geschwindigkeit darstellt, Die zur Strömung gerichtete Öffnung befindet sich üblicherweise in einem Bereich, in dem ein möglichst großer dynamischer Anteil des Druckes vorliegt. Dies ist bei laminaren Strömungen im mittleren Bereich eines Strömungskanals der Fall. Bei der Verwendung derartiger Differenzdrucksensorvorrichtungen besteht das Problem, dass diese für die Messung von Wasser enthaltenden Gasgemischen nicht geeignet sind, da gefrierendes Wasser die Druckmessöffnungen oder -kanäle verstopfen kann, so dass Messungen in Umgebungen wie dem Anodengaskreislauf einer Brennstoffzelle, in dem

Wasser enthalten ist, fehlerbehaftet sind.

Zur Bestimmung des Durchflusses ist neben der Verwendung solcher Differenzdrucksensorvorrichtungen zusätzlich die Messung der Dichte des Flulds über einen Dichtesensor notwendig. Dieser ist ebenfalls empfindlich gegen die Anwesenheit von Wasser, so dass ein Kontakt der Wassertropfen mit dem Sensor zu einer Verfälschung der Messergebnisse führt.

So wird in der AT 520416 A1 eine Messvorrichtung zum Detektieren einer

Messgröße eines partikelbeladenen Fluids oder Aerosols vorgeschlagen,

bei dem im Strömungskanal ein Separationsbereich ausgebildet wird, an dem der Gasstrom mittels eines Umlenkelementes in einen Teilstrom mit Partikeln und einen Teilstrom ohne darin enthaltene Partikel getrennt wird. Während die Flüssigkeits- oder Festpartikel aufgrund ihrer Trägheit geradeaus durch den Strömungskanal strömen, wird der andere Teilstrom in einen Messkanal umgelenkt und gelangt partikelfrei zu den dort angeordneten Messgeräten, welche entsprechend vor den Partikeln

geschützt werden.

Problematisch ist jedoch, dass dieser Separationsbereich mit seinem Umlenkelement einen großen Druckverlust verursacht, der bei der Verwendung zur Messung der Durchflüsse an Brennstoffzellen zu einer Rückwirkung auf die Brennstoffzelle führen würde, wodurch Fehler bei der Beurteilung des Normalbetriebs entstehen. Entsprechend wird auch keine

Anordnung zur Messung eines Durchflusses offenbart.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses zur Verfügung zu stellen, die unempfindlich gegen das Vorhandensein von Wasser ist, und möglichst keine Rückwirkung auf die Brennstoffzelle oder den

Verbrennungsmotor bei der Messung ausübt.

Diese Aufgabe wird durch eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses mit den Merkmalen des

Hauptanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoffund/oder Wasserstoffdurchflusses weist ein Strömungsgehäuse auf, in dem ein Strömungskanal ausgebildet ist. Der Strömungskanal ist beispielsweise rohrförmig. Die Messvorrichtung weist einen Differenzdrucksensor auf, über den eine Druckdifferenz im

Strömungskanal messbar ist. Dieser kann beispielsweise als Staurohr oder

Düse ausgebildet werden. Des Weiteren weist die Messvorrichtung einen Feuchtigkeitssensor auf, über den die relative Feuchte des Gasstroms gemessen werden kann. Als Feuchtigkeitssensoren kann beispielsweise ein kapazitiver Dünnfilm-Polymersensor genutzt werden. Dessen Messwerte dienen zur Korrektur des gemessenen Drucks und der Dichte und damit des zu bestimmenden Durchflusses und geben darüber hinaus wichtige Anhaltspunkte zur Funktion der Brennstoffzelle. Des Weiteren ist in der Messvorrichtung ein Dichtesensor vorhanden, der beispielsweise als MEMS- Schwingsensor ausgeführt wird. Diese Dichtesensoren enthalten üblicherweise auch einen Temperatursensor. Bei diesen Sensoren ist die Stimmgabel vom Fluid umgeben und wird elektrisch in Schwingung versetzt. Durch die resultierende Resonanzfrequenz ist auf die Dichte des umgebenden Mediums zu schließen. Erfindungsgemäß ist an einem Fluidtrennbereich im Strömungsgehäuse eine Abzweigung ausgebildet, an der ein im Strömungsgehäuse ausgebildeter Messkanal vom Strömungskanal abzweigt. Entsprechend ist keine größere Einschnürung, die zu einem Druckverlust führen könnte, vorhanden. Dennoch strömen Partikel, wie Wassertropfen aufgrund ihrer Trägheit nicht in den abzweigenden Messkanal, sondern bewegen sich weiter auf gerader Bahn im Strömungskanal. An der begrenzenden Gehäusewand des Messkanals ist eine erste Anschlussöffnung ausgebildet, an der der Feuchtigkeitssensor angeschlossen ist und eine zweite Anschlussöffnung ausgebildet, an der der Dichtesensor angeschlossen ist, so dass sowohl der Feuchtesensor als auch der Dichtesensor vor Partikeln, wie Wassertropfen, weitestgehend geschützt ist, so dass beide Sensoren zuverlässige Messwerte liefern. Hinzu kommt, dass die gesamte Messvorrichtung sehr kompakt aufgebaut ist und das gesamte Strömungsgehäuse mit dem Strömungskanal, dem Messkanal und den entsprechenden Anschlussöffnungen sehr klein beispielsweise im 3DDruck hergestellt werden kann. So ist auch eine nachträgliche Integration in bestehende Anodengaskreisläufe oder Wasserstoff beziehungsweise

Stickstoff führende Leitungen möglich.

Die Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses ist dazu ausgebildet, entweder Stickstoff oder Wasserstoff oder eine Gasmischung aus Stickstoff und Wasserstoff zu

MESSEN.

Vorzugsweise ragt der Differenzdrucksensor in den Strömungskanal und weist zwei im Strömungskanal angeordnete Druckmessöffnungen auf, die mit einem Differenzdruckmessgerät fluidisch verbunden sind. Entsprechend kann der Differenzdrucksensor als Pitotrohr oder PrandtliStaurohr ausgeführt werden, wobei die erste Druckmessöffnung zur Strömung weist und die andere Druckmessöffnung entweder strömungsabgewandt oder senkrecht zur Strömung angeordnet ist, so dass an der zweiten Öffnung lediglich der statische Druck anliegt, wodurch die Differenz ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal darstellt. Ein solches Pitotrohr kann im 3D-Druck einstückig mit dem Strömungsgehäuse hergestellt und so klein ausgeführt werden, dass der Druckverlust im Strömungskanal vernachlässigbar ist und nicht zu Rückwirkungen auf die Brennstoffzelle oder auch den

Verbrennungsmotor führt.

Grundsätzlich können anstelle des Differenzdruckmessgerätes auch zwei Drucksensoren vorgesehen sein, wobei aus den Messwerten der beiden

Drucksensoren eine Differenz gebildet wird.

Der Differenzdrucksensor ist vorzugsweise stromaufwärts des Fluidtrennbereiches im Strömungskanal angeordnet, so dass die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit im Strömungskanal und nicht die druckverlustbehaftete Strömungsgeschwindigkeit im Messkanal gemessen

wird, wodurch Messfehler minimiert werden.

Vorzugsweise ist der Messkanal im Bereich der Abzweigung zumindest um

45°, vorzugsweise um 90°, zum Strömungskanal angestellt. Eine derartige

Ablenkung führt dazu, dass die Partikel und Wassertropfen nicht in den Messkanal strömen, da die Trägheitskraft aufgrund der Masse dieser

Teilchen größer ist als die treibende Strömungskraft in den Messkanalı.

Im weiteren Verlauf ist stromabwärts der Abzweigung des Messkanals eine Umlenkung ausgebildet, von der aus sich der Messkanal im Wesentlichen parallel zum Strömungskanal erstreckt. Diese Umlenkung entspricht somit im Wesentlichen der Umlenkung des abzweigenden Messkanals vom Strömungskanal, jedoch in entgegengesetzter Richtung. So kann der Messkanal einstückig mit dem Strömungskanal hergestellt werden. Durch

die parallele Strömungsführung wird auch der Platzbedarf minimiert.

Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn unmittelbar stromaufwärts der Abzweigung eine Wölbung an einer Innenwand des Strömungskanals ausgebildet ist. Diese führt ebenfalls dazu, dass die in der Nähe der Abzweigung entlang strömenden Tropfen beziehungsweise Partikel von der Öffnung der Abzweigung weg weisend abgelenkt werden. Auf diese Weise werden auch Partikel mit einer noch geringeren Masse an der Öffnung der Abzweigung vorbeigeführt und somit zuverlässig eine Einströmung in den Messkanal verhindert, so dass die Partikel vom Dichtesensor und vom

Feuchtesensor weggehalten werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist am Huidtrennbereich der Strömungskanal in einen ersten Kanalabschnitt und einen zweiten kleineren Kanalabschnitt durch eine Trennwand getrennt, wobei der Messkanal am zweiten, kleineren Kanalabschnitt abzweigt. Die möglichst dünn auszuführende Trennwand verhindert oder vermindert zumindest eine Turbulenzbildung, die sich auf den Strömungskanal auswirkt und auch größere Partikel ungewollt ablenken könnte. So wird der Druckverlust minimiert und die Rückwirkung auf die Brennstoffzelle oder

auch den Verbrennungsmotor reduziert.

Vorzugsweise weist das Strömungsgehäuse eine Einlassöffnung auf, in die ein Wasserstoffstrom oder Stickstoffstrom aus einem Förderkanal eines Brennstoffzellensystems in die Messvorrichtung einströmt und eine Auslassöffnung auf, aus der der Wasserstoffstrom oder der Stickstoffstrom zurück in den Förderkanal des Brennstoffzellensystems strömt, so dass die gesamte Messvorrichtung einfach in ein bestehendes System durch

Anschließen der Ein- und Auslassöffnung eingesetzt werden kann.

In einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung führt von der zweiten Anschlussöffnung eine Leitung über den Dichtesensor zu einer Pumpe, über die der Wasserstoffstrom oder der Stickstoffstrom aus dem Messkanal über den Dichtesensor förderbar ist. Entsprechend kann kontinuierlich ein Gasstrom am Dichtesensor vorbeigeführt werden, so

dass dieser zeitnah genaue Messergebnisse liefert.

In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist die Pumpe eine pulsationsfreie oder pulsationsarme Pumpe, beispielsweise3 eine Teslapumpe. Somit werden Druckpulsationen, die zu Dichtedifferenzen

führen würden, zuverlässig vermieden oder zumindest minimiert.

Am Strömungsgehäuse ist vorteilhafterweise eine dritte Anschlussöffnung ausgebildet, in die die Leitung, in der die Pumpe angeordnet ist, mündet. Entsprechend kann der Gasstrom einfach in den Strömungskanal zurückgeführt werden, so dass keine Entnahme erforderlich ist oder an den Systemleitungen zusätzliche Anschlüsse vorgenommen werden

müssen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die dritte Anschlussöffnung an der Gehäusewand des Messkanals ausgebildet ist, so dass der entnommene Gasstrom auch wieder dem Messkanal zugeführt wird. Entsprechend wird der gesamte dem Strömungskanal über den Messkanal entnommene

Gasstrom gemeinsam wieder zurückgeführt, wodurch lediglich eine

geringe Beeinflussung der Strömung entsteht, insbesondere, wenn der Messkanal stetig in den Strömungskanal übergeht, als in einem spitzen

Winkel in diesem Zuströmbereich zum Strömungskanal angeordnet ist.

Vorzugsweise ist der Feuchtesensor an der ersten Anschlussöffnung und der Dichtesensor an der zweiten Anschlussöffnung befestigt. So kann die

gesamte Messvorrichtung vormontiert und als ein Teil eingebaut werden.

Vorteilhaftweise ist der Differenzdrucksensor als Pitotrohr ausgebildet. Dieses kann sehr klein im 3D-Druck hergestellt werden und liefert je nach

Ausführung über einen weiten Messbereich sehr genaue Messwerte.

Des Weiteren sind am Strömungsgehäuse zwei Druckanschlussöffnungen ausgebildet, über die die Druckmessöffnungen des Pitotrohres mit dem Druckmessgerät fluidisch verbunden sind. So lässt sich das Druckmessgerät besonders einfach an der Messvorrichtung anordnen und

somit ebenfalls integrieren.

Besonders bevorzugt ist es, wenn zumindest zwei Heizanschlussöffnungen am Strömungsgehäuse ausgebildet sind, die mit einem Heizkanal am Pitotrohr fluidisch verbunden sind, wodurch vorhandene Wassertropfen oder Eis aufgelöst werden kann, so dass Messfehler zuverlässig vermieden

werden können.

In einer hierzu weiterführenden Ausführung ist am Strömungsgehäuse eine erste Heizanschlussöffnung ausgebildet, über die Fluid in den Heizkanal strömt und eine zweite Heizanschlussöffnung ausgebildet, über die Fluid aus dem Heizkanal hinausströmt. Dieses Fluid ist insbesondere ein Heizfluid. Dabei kann zwischen den Heizanschlussöffnungen ein Wärmetauscher angeordnet werden, so dass dem Pitotrohr stetig ein

warmer Fluidstrom zur Erwärmung im Kreislauf zugeführt werden kann.

Der Heizkanal ist dabei vorzugsweise zumindest abschnittsweise im Pitotrohr parallel zu den Druckmesskanälen angeordnet, so dass über die gesamte Höhe der Druckmesskanäle eine Aufheizung entsteht, durch die ein Einfluss von kondensierendem Wasser, Wassertropfen oder Eis

zuverlässig verhindert werden kann.

Es wird somit eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoffund/oder Wasserstoffdurchflusses geschaffen, die auch bei Anwesenheit von Wasser zuverlässige Messergebnisse liefert. Es wird sowohl ein Eindringen von Wasser in die Messkanäle vermieden, als auch vorhandenes Eis schnell abgetaut. Der vorhandene Druckverlust wird durch Minimierung der Strömungswiderstände verringert, so dass eine Rückwirkung auf einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle zuverlässig reduziert wird. Des Weiteren wird eine gute Auflösung der zu messenden Durchflüsse erreicht, so dass Messungen beispielsweise zwischen 10 und 1500l/min mit großer Genauigkeit durchgeführt werden können. Zusätzlich kann das Strömungsgehäuse mit dem Differenzdrucksensor und den Anschlüssen kostengünstig einstückig im 3D-Druckverfahren hergestellt und einfach in bestehende Anlagen

integriert werden.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses ist in den

Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung der Messvorrichtung mit

schematisch dargestellten Sensoren. Die Figur 2 zeigt eine Seitenansicht der Messvorrichtung aus Figur 1 mit

schematisch dargestellten Sensoren und aufgeschnittener

Strömungsgehäusewand.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoffund/oder Wasserstoffdurchflusses besteht aus einem Strömungskanal 10, der durch ein Strömungsgehäuse 12 mit einer Innenwand 14 radial begrenzt wird und durch den der Stickstoff- und/oder Wasserstoffstrom, beispielsweise aus einem Anodengaskreislauf einer PEM-Brennstoffzelle strömt. Entsprechend weist das Strömungsgehäuse 12 eine Einlassöffnung 16 auf, über die das Medium in die Messvorrichtung einströmt und eine Auslassöffnung 18 auf, über die das Medium den Strömungskanal 10 der Messvorrichtung wieder verlässt. Stromabwärts der Einlassöffnung 16 ragt in den Strömungskanal 10 ein Differenzdrucksensor 20, der in vorliegendem Ausführungsbeispiel als Pitotrohr 22 ausgebildet ist. Mittels des Pitotrohres 22 wird der dynamische Anteil des wirkenden Druckes beziehungsweise der Staudruck bestimmt, über den bei bekannter Dichte die mittlere Geschwindigkeit berechnet werden kann, welche wiederum mit dem Querschnitt des Strömungskanals in einen Durchfluss umgerechnet werden kann. Der Differenzdrucksensor 20 ist insbesondere

als Differenzdrucksonde ausgebildet.

Das Pitotrohr 22 weist eine erste Druckmessö6öffnung 24 auf, die zur Strömung gerichtet ist, also über ihren gesamten Öffnungsquerschnitt orthogonal angeströmt wird. Bei der Ausführung des Pitotrohres 22 als Staurohr weist dieses eine zweite Druckmessöffnung 26 auf, die strömungsabgewandt angeordnet ist, Jedoch in anderen Ausführungen auch einen Öffnungsquerschnitt aufweisen kann, der senkrecht zur Strömung liegt. In beiden Fällen liegt an der zweiten Druckmessöffnung 26 lediglich ein statischer Druck an, während an der ersten Druckmessöffnung 24 der Gesamtdruck, der aus dem statischen und dem dynamischen Anteil besteht, anliegt. Die gemessene Druckdifferenz ergibt entsprechend ein Maß für den dynamischen Anteil des Druckes beziehungsweise den Staudruck im Strömungskanal 10 und somit ein Maß

für die Geschwindigkeit der Strömung im Strömungskanal 10.

Die erste Druckmessöffnung 24 führt in einen ersten, sich orthogonal zur Druckmessöffnung 24 und somit entlang der Länge des Pitotrohres 22 und orthogonal zur Mittelachse des Strömungskanals 10 erstreckenden Druckmesskanal 28, der an einer ersten Druckanschlussöffnung 29 am Strömungsgehäuse 12 endet, die mit einem Differenzdruckmessgerät 30 verbunden ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Drucktransmitter oder Druckmessumformer handeln, an dem der im Druckmesskanal 28 wirkende Druck in einer Messkammer wirkt, die durch eine Membran begrenzt ist, die durch den auf sie wirkenden Druck ausgelenkt wird, wobei die Auslenkung in eine Spannung umgewandelt

wird, die wiederum ein Maß für den anliegenden Druck ist.

Die zweite Druckmessö6öffnung 26 führt in einen zweiten, sich ebenfalls orthogonal zur Druckmessöffnung 26 und somit entlang der Länge des Pitotrohres 22 und orthogonal zur Mittelachse des Strömungskanals 10 erstreckenden zweiten Druckmesskanal 32, der somit parallel zum ersten Druckmesskanal 28 verläuft und ebenfalls an einer Druckanschlussöffnung 33 mündet, die mit dem Differenzdruckmessgerät 30 verbunden ist. Bei Verwendung eines Drucktransmitters kann der Druck aus dem zweiten Druckmesskanal 28 beispielweise in eine zweite Messkammer geleitet werden, die ebenfalls durch die Membran begrenzt ist, Jedoch an der gegenüberliegenden Seite der Membran wirkt, so dass die Auslenkung der Membran ein Maß für die anliegende Druckdifferenz ist. Selbstverständlich

können aber auch andere Druckmessgeräte 30 verwendet werden.

Das Strömungsgehäuse 12 kann mit dem Pitotrohr 22 und den darin ausgestalteten Druckmesskanälen 28, 32 durch 3D-Druck hergestellt werden, wodurch Kanäle mit sehr kleinem Durchmesser realisierbar sind. Durch diese sehr kleinen Druckmessöffnungen 24, 26 und Druckmesskanäle 28, 32 wird der Strömungswiderstand im Strömungskanal 10 minimiert und die Wahrscheinlichkeit eines

Eindringens von Wasser in die Druckmesskanäle 28, 32 deutlich reduziert,

da die Oberflächenspannungen des Wassers überwunden werden müssten. Um jedoch auch eine Eisbildung an den Druckmessöffnungen 24, 26 oder in den Druckmesskanälen 28, 32 durch kondensierenden Wasserdampf und gefrierendes Wasser zu verhindern, wie es beispielsweise beim Ausschalten einer Brennstoffzelle im Wasserstoff-/Stickstoffgemisch auftreten kann, ist im Pitotrohr 22 zusätzlich zumindest ein Heizkanal 34

vorgesehen.

Insbesondere in der Figur 2 ist zu erkennen, dass sich der Heizkanal 34 parallel zu den Druckmesskanälen 28, 32 erstreckt. Der Heizkanal 34 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Fluidheizkanal ausgebildet, in den über eine erste Heizanschlussöffnung 36 warmes Fluid in den Heizkanal 34 einströmt. Der Heizkanal 34 erstreckt sich durch das Strömungsgehäuse 12 in das Pitotrohr 22, wo sich der Heizkanal 34 zunächst parallel zu den Druckmesskanälen 28, 32 erstreckt und anschließend zu einer zweiten Heizanschlussöffnung 38 durch das Strömungsgehäuse 12 zurückgeführt wird. Die beiden Heizanschlussöffnungen 36, 38 sind über einen Wärmetauscher 40 miteinander verbunden, so dass das Heizfluid, welches aus der zweiten Heizanschlussöffnung 38 ausströmt im Wärmetauscher 40 erwärmt wird und zur ersten Heizanschlussöffnung 36 und in den Heizkanal 34 strömt, wo es wieder abgekühlt wird und über die zweite Heizanschlussöffnung 38 erneut zum Wärmetauscher 40 strömt. Die auf diese Weise zugeführte Wärme wird im Staurohrkörper zu den Druckmesskanälen 28, 32 weitergeleitet und verhindert dort eine

Eisbildung oder löst eine solche auf.

Im weiteren Verlauf des Strömungskanals 10 ist ein Fluidtrennbereich am Strömungsgehäuse 12 ausgebildet. Dieser besteht aus einer Wölbung 44, die unmittelbar stromaufwärts einer Abzweigung 46 an der Innenwand 14 des Strömungsgehäuses 12 ausgebildet ist. In Strömungsrichtung

betrachtet gleicher Höhe wie die Abzweigung 46 ist im Strömungskanal 10

eine dünne Trennwand 48 ausgebildet, die den Strömungskanal 10 in

einen großen, ersten Kanalabschnitt 50 und einen kleinen, zweiten Kanalabschnitt 52 trennt, der lediglich einen geringen Ausschnitt am äußeren Rand des Strömungskanals 10 im Bereich der Wölbung 44 bildet. Die Abzweigung 46 erfolgt somit vom zweiten, kleineren Kanalabschnitt 52 aus und führt in einen Messkanal 54, der sich in diesem Bereich der Abzweigung 46 in einem Winkel von über 90° zur axialen Erstreckungsrichtung des Strömungskanals 10 erstreckt. Dies hat zur Folge, dass im Stickstoff- und/oder Wasserstoffstrom mitgeführte Partikel oder Wassertropfen zunächst durch die Wölbung in Richtung Mittelachse des Strömungskanals 10 umgelenkt werden. Partikel, die dennoch in den kleineren zweiten Kanalabschnitt 52 gelangen werden aufgrund ihrer Trägheit weiter geradeaus durch den zweiten Kanalabschnitt 52 strömen und nicht der über 90° zum Strömungskanal 10 angestellten Abzweigung 46 folgen. Die leichten Gasmoleküle gelangen jedoch aufgrund des vorhandenen Druckgefälles in den Messkanal 54, der im Folgenden innerhalb des Strömungsgehäuses 12 eine Umlenkung 56 von deutlich über 90° erfährt, so dass sich der Messkanal 54 im Folgenden allmählich einer zum Strömungskanal 10 paralleler Erstreckung annähern kann. An diesem im Strömungsgehäuse 12 ausgebildeten Messkanal 54 befindet sich in einer den Messkanal 54 begrenzenden Gehäusewand 58 eine erste Anschlussöffnung 60, an der ein Feuchtigkeitssensor 62 zur Messung der relativen Feuchte des geförderten Gasstroms befestigt werden kann, was lediglich schematisch dargestellt ist. Dieser Feuchtigkeitssensor 62 kann beispielsweise als kapazitiver Dünnfilm-Polymersensor ausgebildet

werden.

Im weiteren Verlauf des Messkanals 54 ist in der Gehäusewand 58 eine zweite Anschlussöffnung 64 ausgebildet. An dieser ist ein Dichtesensor 66 befestigt, der auch einen Temperatursensor enthält. Dieser Dichtesensor 66 kann beispielsweise als MEMS-Schwingsensor ausgebildet sein. Der Dichtesensor 66 wird durchströmt, wofür in einer Leitung 68, die vom

Dichtesensor 66 beziehungsweise von der zweiten Anschlussöffnung 64

über den Dichtesensor 66 zu einer Pumpe 70 führt, die insbesondere als pulsationsfreie Teslapumpe ausgebildet ist und somit im Messkanal 54 ein zusätzliches Druckgefälle erzeugt, um den Wasserstoff- und/oder Stickstoffstrom zum Dichtesensor 66 zu fördern, ohne dabei Druckstöße zu erzeugen, die die Messergebnisse des Dichtesensors 66 verfälschen

würden.

Die Leitung 68 führt im weiteren Verlauf stromabwärts der Pumpe 70 über eine dritte Anschlussöffnung 72 in der Gehäusewand 58 des Messkanals 54 in diesen, beziehungsweise mit diesem, in den Strömungskanal 10 zurück. Diese Einströmung erfolgt über einen sehr flachen Winkel, so dass Turbulenzen im Strömungskanal 10, die zu einem Druckverlust führen

würden, vermieden werden.

Mittels der über den Differenzdrucksensor 20 gemessenen Druckdifferenz und der daraus zu berechnenden Strömungsgeschwindigkeit, der über den Feuchtigkeitssensor 62 ermittelten relative Feuchte des Wasserstoff- und Stickstoffstroms sowie die mittels des Dichtesensors 66 gemessenen Dichte kann nun in bekannter Weise kontinuierlich ein Durchfluss im

Strömungskanal 10 berechnet werden.

Die resultierenden Durchflusswerte liegen in kürzester Zeit mit sehr geringer Verzögerung und hoher Genauigkeit vor, da ein Einfluss von vorhandenen Partikeln oder Wassertropfen weitestgehend ausgeschlossen wird. Das Strömungsgehäuse kann mit dem Messkanal und dem Differenzdrucksensor einstückig im 3D-Druckverfahren hergestellt werden, so dass sehr kleine Querschnitte realisierbar sind. Eine Rückwirkung der Messvorrichtung auf die Brennstoffzelle oder den Verbrennungsmotor kann so weitestgehend ausgeschlossen werden, da Druckverluste fast vollständig vermieden werden. Die Messvorrichtung kann sowohl als stationäre, als auch als mobile Vorrichtung beispielswiese an

Brennstoffzellen und zur Messung von Gasgemischen wie Wasserstoff und

Stickstoff genutzt und auch nachträglich in bestehende Anlagen integriert

werden.

Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist. Insbesondere können neben verschiedenen weiteren möglichen Formen des Strömungsgehäuses und des Messkanals auch unterschiedliche Ausführungen der verschiedenen

Sensoren vorgesehen werden.

Claims (18)

PATENTANSPRÜCHE

1. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses mit einem Strömungsgehäuse (12), in dem ein Strömungskanal (10) ausgebildet ist, einem Differenzdrucksensor (20), über den eine Druckdifferenz im Strömungskanal (10) messbar ist, einem Feuchtigkeitssensor (62), und einem Dichtesensor (66), dadurch gekennzeichnet, dass an einem Fluidtrennbereich im Strömungsgehäuse (12) eine Abzweigung (46) ausgebildet ist, an der ein im Strömungsgehäuse (12) ausgebildeter Messkanal (54) vom Strömungskanal (10) abzweigt, an dessen begrenzender Gehäusewand (58) eine erste Anschlussöffnung (60) ausgebildet ist, an der der Feuchtigkeitssensor (62) angeschlossen ist und eine zweite Anschlussöffnung (64) ausgebildet ist, an der der Dichtesensor

(66) angeschlossen ist.

2, Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdrucksensor (20) in den Strömungskanal (10) ragt und zwei im Strömungskanal (10) angeordnete Druckmessö6öffnungen (24, 26) aufweist, die mit einem

Differenzdruckmessgerät (30) fluidisch verbunden sind.

3. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder

Wasserstoffdurchflusses nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Differenzdrucksensor (20) stromaufwärts des

Fluidtrennbereiches im Strömungskanal (10) angeordnet ist.

4. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (54) im Bereich der Abzweigung (46) zumindest um

45° zum Strömungskanal (10) angestellt ist.

5. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Abzweigung (46) des Messkanals (54) eine Umlenkung (56) ausgebildet ist, von der aus sich der Messkanal

(54) im Wesentlichen parallel zum Strömungskanal (10) erstreckt.

6. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar stromaufwärts der Abzweigung (46) eine Wölbung (44) an einer Innenwand (14) des Strömungskanals (10)

ausgebildet ist.

7. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Fluidtrennbereich der Strömungskanal (10) in einen ersten Kanalabschnitt (50) und einen zweiten kleineren Kanalabschnitt (52) durch eine Trennwand (48) getrennt ist, wobei der Messkanal

(54) am zweiten, kleineren Kanalabschnitt (52) abzweigt.

8. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsgehäuse (12) eine Einlassöffnung (16) aufweist, in die ein Wasserstoffstrom oder Stickstoffstrom aus einem Förderkanal eines Brennstoffzellensystems in die Messvorrichtung einströmt und eine Auslassöffnung (18) aufweist, aus der der Wasserstoffstrom oder der Stickstoffstrom zurück in den

Förderkanal des Brennstoffzellensystems strömt.

9. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der zweiten Anschlussöffnung (64) eine Leitung (68) über den Dichtesensor (66) zu einer Pumpe (70) führt, über die der Wasserstoffstrom oder der Stickstoffstrom aus dem Messkanal (54) über den Dichtesensor (66) förderbar ist.

10. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass

die Pumpe (70) eine pulsationsarme Pumpeist.

11. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass am Strömungsgehäuse (12) eine dritte Anschlussöffnung (72) ausgebildet ist, in die die Leitung (68), in der die Pumpe (70)

angeordnet ist, mündet.

12. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Anschlussöffnung (72) an der Gehäusewand (58) des

Messkanals (54) ausgebildet ist.

13. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtigkeitssensor (62) an der ersten Anschlussöffnung (60) befestigt ist und der Dichtesensor (66) an der zweiten

Anschlussöffnung (64) befestigt ist.

14. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

der Differenzdrucksensor (20) als Pitotrohr (22) ausgebildet ist.

15. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass am Strömungsgehäuse (12) zwei Druckanschlussöffnungen (29, 33) ausgebildet sind, über die die Druckmessöffnungen (24, 26) des Pitotrohres (22) mit dem Druckmessgerät (30) fluidisch

verbunden sind.

16. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder

Wasserstoffdurchflusses nach Anspruch 14 oder 15,

dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest zwei Heizanschlussöffnungen (36, 38) am Strömungsgehäuse (12) ausgebildet sind, die mit einem Heizkanal (34) im Pitotrohr (22) fluidisch verbunden sind.

17. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass am Strömungsgehäuse (12) eine erste Heizanschlussöffnung (36) ausgebildet ist, über die Fluid in den Heizkanal (34) strömt und eine zweite Heizanschlussöffnung (38) ausgebildet ist, über die

Fluid aus dem Heizkanal (34) hinaus strömt.

18. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Stickstoff- und/oder Wasserstoffdurchflusses nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkanal (34) zumindest abschnittsweise im Pitotrohr (22)

parallel zu den Druckmesskanälen (28, 32) angeordnet ist.