Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmessvorrichtung zur zeitabhängigen Messung lokaler Konzentrationen von spezifischen Fluiden in Fluidgemischen gegenüber Referenzfluiden, beispielsweise zur Messung von Strömungseigenschaften, wie Geschwindigkeiten von Fluidgemischen in Brennstoffzellensystemen.

Zur Verbesserung der Steuerung und Regelung werden in Gasströmen bzw. feuchtigkeitshaltigen Fluidströmen von Brennstoffzellen Messungen von Strömungseigenschaften wie insbesondere einer Strömungsgeschwindigkeit bzw. einem Massestrom durchgeführt, um einen Durchsatz an Reaktionsgasen im Zusammenhang mit einer abgegebenen Leistung der Brennstoffzellen zu überwachen. Hierzu sind verschiedene Strömungssensortypen, insbesondere solche mit bewegten Teilen bekannt, aber auch berührungslose Sensoren unter Verwendung von Ultraschall oder ähnliches.

Problematisch an den meisten Messtechniken ist eine genaue Erfassung von Strömungseigenschaften unter stark veränderlichen Zuständen wie Druckschwankungen, die insbesondere durch eine Pulsation eines Injektors für Brennstoffgas im Brennstoffzellensystem auftreten. Solche Pulsationen werden in verschiedenen Abschnitten eines Brennstoffzellensystems unterschiedlich absorbiert, reflektiert oder weitergeleitet, weshalb bereits eine Strömungsgeschwindigkeitsmessung vor und nach einem Brennstoffzellenstapel mit herkömmlichen Sensortypen eine messtechnische Herausforderung darstellen kann. Diese Herausforderung wächst mit zunehmender Komplexität der Messziele, wie etwa einer Untersuchung des Strömungsverhaltens eines Fluidgemisches in einem Strömungsquerschnitt oder einer Verteilung desselben über Streckenabschnitte in einem Systemkreislauf.

Für andere Messziele wie eine Konzentrationsmessung ist ferner eine Sensorvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem aus dem Patent AT523373B1 bekannt, das auf dieselbe Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung zurückgeht und dessen Inhalt durch Bezugnahme hierin miteingebunden ist. Aufbauend auf diesem Sensortyp, der einen konzentrationsabhängigen Partialdruck an einer Membran erfasst, bestehen weitere Anwendungsmöglichkeiten, die einem Bedarf an verbesserten Messtechniken für verschiedene Messanforderungen eines Brennstoffzellensystems begegnen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strömungsmessvorrichtung zu schaffen, die eine alternative, insbesondere verbesserte Messtechnik zur Messung eines Strömungsverhaltens von Fluidgemischen mit variablen lokalen Stoffkonzentrationen ermöglicht.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Strömungsmessvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Strömungsmessvorrichtung weist zur zeitabhängigen Messung lokaler Konzentrationen von spezifischen Fluiden in Fluidgemischen gegenüber Referenzfluiden folgende Merkmale auf: wenigstens einen Referenz-Strömungskanal, der ein Referenzfluid führt; einen Mess-Strömungskanal, der ein Fluidgemisch führt; eine erste Sensoreinheit zur Erfassung einer Konzentration eines spezifischen Fluids in dem Fluidgemisch, die zwischen dem wenigstens einen Referenz-Strömungskanal und dem Mess-Strömungskanal angeordnet ist und mit dem Referenzfluid und dem Fluidgemisch in Kontakt steht; und eine erste Messeinheit zur Messung eines Ausgabewertes, der von der ersten Sensoreinheit entsprechend der erfassten Konzentration ausgegebenen wird. Erfindungsgemäß weist ferner die Strömungsmessvorrichtung insbesondere wenigstens eine zweite Sensoreinheit zur Erfassung einer Konzentration desselben spezifischen Fluids in demselben Fluidgemisch, die strömungsabwärts von der ersten Sensoreinheit beabstandet in dem Mess-Strömungskanal, zwischen dem Referenz-Strömungskanal und dem Mess-Strömungskanal, angeordnet ist und mit dem Referenzfluid und dem Fluidgemisch in Kontakt steht; wenigstens eine zweite Messeinheit zur Messung eines Ausgabewertes, der von der zweiten Sensoreinheit entsprechend der erfassten Konzentration ausgegebenen wird; und eine Zeitauswertungseinheit zur Auswertung von Zeitabständen, die Korrelationen zwischen einem jeweiligen Verlauf der Ausgabewerte aus den Sensoreinheiten überwacht und einen Zeitabstand von Korrelationen erfasst, deren Verlauf zuerst an einer und danach an einer anderen von der ersten Sensoreinheit und der wenigstens zweiten Sensoreinheit auftritt.

Somit sieht die Erfindung erstmals eine Strömungsmessung basierend auf Konzentrationsmessungen und einer zeitbezogenen Auswertung der erfassten Konzentrationsänderungen vor. Da die erfindungsgemäße Strömungsmessvorrichtung auf Konzentrationsmessungen basiert, können Vorteile erzielt werden, die durch Sensoren mit bewegten Teilen oder anderen Strömungssensoren nicht darstellbar sind, wie nachfolgend erläutert.

Basierend auf einem Zeitvergleich zwischen charakteristischen Änderungen wie z.B. Wendepunkte in korrelierenden Verläufen der lokalen Konzentrationsmessungen lassen sich Bewegungen von Inhomogenitäten in einer Strömung eines Gas- oder Fluidgemisches orten und nachvollziehen. So kann nicht nur eine Strömungsgeschwindigkeit durch einen Strömungsquerschnitt gemessen werden, sondern unter Bereitstellung einer entsprechenden Sensorpositionierung auch ein Ausbreitungsverhalten des Fluidgemisches in Bezug zu deinem Durchmesser des Strömungsquerschnitts.

Bei komplexeren Auswertungen der Messdaten bietet die erfindungsgemäße Strömungsmessvorrichtung sogar eine Erfassungsgrundlage um eine Unterscheidung von Durchmischungszuständen zu treffen oder um eine Messung in Bezug auf eine lokale Strömungsdynamik eines Gasgemisch durchzuführen. In idealisierten Messaufbauten lässt sich durch die erfindungsgemäße Strömungsmessvorrichtung auch die Reynoldszahl für laminare oder turbulente Strömung bestimmen.

In Bezug auf die Anwendung der erfindungsgemäßen Strömungsmessvorrichtung an einem Brennstoffzellensystem bietet eine durch diese Messtechnik verbesserte Kenntnis der Fluiddynamik unter Betriebsbedingungen in dem Brennstoffzellensystem die Möglichkeit einer Optimierung des Strömungsdesigns und der Steuerung und Regelung, insbesondere bezüglich einer effizienten Dosierung des Brennstoffgases, oder einer Spülfunktion und eines darauffolgenden Betriebs.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die erste und die zweite Sensoreinheit eine elektrochemische Konzentrationszelle zur Erfassung eines Partialdrucks des spezifischen Fluids in dem Fluidgemisch umfassen, aufweisend eine gasdichte, für Protonen permeable Membran und jeweils einen Elektrodenabschnitt zu beiden Seiten der Membran, wobei ein Elektrodenabschnitt zu dem Fluidgemisch freiliegend angeordnet ist, und der andere Elektrodenabschnitt zu dem Referenzfluide freiliegend angeordnet ist. Dadurch wird ein bevorzugter Sensortyp in der Strömungsmessvorrichtung eingesetzt. Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die erste und die zweite Messeinheit eine elektrische Spannung messen, die unter dem Partialdruck zwischen einer niedrigeren Konzentration des spezifischen Fluids in dem Fluidgemisch und einer höheren Konzentration desselben spezifischen Fluids in dem zugeordneten Referenzfluid zwischen den Elektrodenabschnitten entsteht. Dadurch wird eine etablierte Signalwandlung und Verarbeitung in der Strömungsmessvorrichtung ermöglicht.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Strömungsmessvorrichtung ferner eine dritte Sensoreinheit zur Erfassung einer Konzentration desselben spezifischen Fluids in dem Fluidgemisch; eine vierte Sensoreinheit zur Erfassung einer Konzentration desselben spezifischen Fluids in dem vierten Fluidgemisch, die strömungsabwärts von der dritten Sensoreinheit beabstandet in dem Mess- Strömungskanals angeordnet ist; eine dritte Messeinheit zur Messung eines Ausgabewertes, der von der dritten Sensoreinheit entsprechend der erfassten Konzentration ausgegebenen wird; und eine vierte Messeinheit zur Messung eines Ausgabewertes, der von der vierten Sensoreinheit entsprechend der erfassten Konzentration ausgegebenen wird; wobei die dritte Sensoreinheit und die vierte Sensoreinheit in Bezug zu einem Durchmesser des Strömungsquerschnitts des Mess- Strömungskanals an einer unterschiedlichen Position, insbesondere an einer zentraleren oder weniger zentralen Position, als derjenigen der ersten Sensoreinheit und/oder der zweiten Sensoreinheit angeordnet sind. Dadurch steigt die Auflösung an auswertbaren Messdaten, insbesondere in einer weiteren räumlichen Dimension quer zur Strömung.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Zeitauswertungseinheit Korrelationen zwischen einem jeweiligen Verlauf der Ausgabewerte aus den Sensoreinheiten überwachen und einen Zeitabstand von Korrelationen erfassen, deren Verlauf zuerst an der ersten oder dritten Sensoreinheit und danach an der zweiten oder vierten Sensoreinheit, und/oder zuerst an der dritten oder vierten Sensoreinheit und danach an der ersten oder zweiten Sensoreinheit auftritt. Hierdurch werden Rückschlüsse auf das Strömungsverhalten in unterschiedlichen Richtungen möglich.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können mehrere Referenz- Strömungskanäle, die das Referenzfluid führen, in der Strömungsmessvorrichtung angeordnet sein. Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können an wenigstens einem Referenz-Strömungskanal mehrere, insbesondere mehr als zwei, in Strömungsrichtung des Mess-Strömungskanals beabstandete Sensoreinheiten angeordnet sein.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können an wenigstens einem Referenz-Strömungskanal mehrere, insbesondere mehr als zwei Sensoreinheiten, die sich in der jeweiligen Position in Bezug zu dem Durchmesser des Strömungsquerschnitts des Mess-Strömungskanals unterscheiden, vorzugsweise verstellbar, angeordnet sein.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können wenigstens ein Referenz- Strömungskanal und/oder die in Kontakt mit diesem angeordneten Sensoreinheiten in einem Winkel zu der Strömungsrichtung des Mess-Strömungskanals geneigt, vorzugsweise verstellbar, angeordnet sein.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann wenigstens ein Referenz- Strömungskanal ringförmig innerhalb des Strömungsquerschnitts des Mess- Strömungskanals ausgebildet sein. Dieses Strömungsdesign hat einen geringeren Strömungswiderstand.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Mess-Strömungskanal als ein Zirkulationskanal ausgebildet sein, in dem das Fluidgemisch zirkuliert, wobei der ersten Sensoreinheit und der zweiten Sensoreinheit und/oder der dritten Sensoreinheit und der vierten Sensoreinheit definiert beabstandete Positionen entlang einer Zirkulationsstrecke innerhalb des Zirkulationskanals zugeordnet sind. Auf diese Weise können bestimmte lokale Bereiche eines Systems mit Kreisläufen gemessen und überwacht werden.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Mess-Strömungskanal zumindest als ein Abschnitt eines Anodenkreislaufs der Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet sein, wobei das Fluidgemisch ein Anodenabgas und ein zuführbares Brennstoffgas enthält; und die Sensoreinheiten können anhand einer Konzentration von Wasserstoff als das spezifische Fluid inhomogene Zustände des Fluidgemischs entlang der Zirkulationsstrecke durch den Mess-Strömungskanals erfassen. Dadurch werden die Vorteile der Erfindung auf das Anwendungsgebiet der Brennstoffzellentechnik und insbesondere deren Regelung der Wasserstoffzuführung übertragen. Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Strömungsmessvorrichtung an einem Brennstoffzellensystem verwendet werden, zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit in einem Anodenkreislauf der Brennstoffzellenvorrichtung basierend auf der Messung lokaler Konzentrationen von Wasserstoff als das spezifische Fluid in einem Anodenabgas und einem zuführbaren Brennstoffgas, die als ein gemeinsames Fluidgemisch in dem Anodenkreislauf zirkulieren; wobei mittels der ersten Sensoreinheit eine lokale Konzentration von Wasserstoff in dem Fluidgemisch innerhalb des Mess-Strömungskanals, der als ein Abschnitt des Anodenkreislaufs ausgebildet ist, gegenüber dem Brennstoffgas als das Referenzfluid in dem Referenz-Strömungskanal gemessen wird; und mittels der zweiten Sensoreinheit eine lokale Konzentration von Wasserstoff in dem Fluidgemisch innerhalb des Mess- Strömungskanals strömungsabwärts von der ersten Sensoreinheit gegenüber dem Brennstoffgas als das Referenzfluid in dem Referenz-Strömungskanal gemessen wird; wobei die Zeitauswertungseinheit, die Korrelationen zwischen einem jeweiligen Verlauf der Ausgabewerte aus den Sensoreinheiten überwacht und einen Zeitabstand von Korrelationen erfasst, und die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidgemischs basierend auf dem erfassten Zeitabstand (At/S) der Korrelationen in Bezug zu einem Abstand der Sensoreinheiten entlang einer Zirkulationsstrecke (S) bestimmt.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Strömungsmessvorrichtung an einer Brennstoffzellenvorrichtung verwendet werden, zur Messung einer Geschwindigkeitsverteilung des Fluidgemischs in Bezug zu einem Strömungsquerschnitt in einem Anodenkreislauf der Brennstoffzellenvorrichtung basierend auf der Messung lokaler Konzentrationen von Wasserstoff als das spezifische Fluid in einem Anodenabgas und einem zuführbaren Brennstoffgas, die als ein gemeinsames Fluidgemisch in dem Anodenkreislauf zirkulieren; wobei mittels der ersten Sensoreinheit und/ oder der zweiten Sensoreinheit eine lokale Konzentration von Wasserstoff in dem Fluidgemisch innerhalb des Mess-Strömungskanals, der als ein Abschnitt des Anodenkreislaufs ausgebildet ist, gegenüber dem Brennstoffgas als das Referenzfluid in dem Referenz-Strömungskanal gemessen wird; und mittels der dritten Sensoreinheit und/ oder der vierten Sensoreinheit eine lokale Konzentration von Wasserstoff in dem Fluidgemisch in Bezug zu dem Durchmesser des Strömungsquerschnitts des Anodenkreislaufs an einer unterschiedlichen Position als derjenigen der ersten Sensoreinheit und/oder der zweiten Sensoreinheit gemessen wird; wobei die Zeitauswertungseinheit, die Korrelationen zwischen einem jeweiligen Verlauf der Ausgabewerte aus den Sensoreinheiten überwacht und einen Zeitabstand von Korrelationen erfasst, und die Geschwindigkeitsverteilung des Fluidgemischs basierend auf dem erfassten Zeitabstand der Korrelationen zwischen der ersten Sensoreinheit und der dritten Sensoreinheit und/oder der zweiten Sensoreinheit und der vierten Sensoreinheit in Bezug zu einem Abstand der jeweiligen Sensoreinheiten entlang eines Durchmessers des Strömungsquerschnitts bestimmt.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Strömungsmessvorrichtung an einer Brennstoffzellenvorrichtung verwendet werden, zur Messung einer Durchmischung des Fluidgemischs (M) basierend auf der Messung lokaler Konzentrationen von Stickstoff als das spezifische Fluid, insbesondere nach einem Stickstoff- Spülvorgang in einem Anodenkreislauf der Brennstoffzellenvorrichtung, in dem ein Anodenabgas und ein zuführbares Brennstoffgas als gemeinsames Fluidgemisch zirkulieren; wobei mittels der ersten Sensoreinheit und der dritten Sensoreinheit eine lokale Konzentration von Stickstoff in dem Fluidgemisch innerhalb des Mess- Strömungskanals, der als ein Abschnitt des Anodenkreislaufs ausgebildet ist, gegenüber dem Brennstoffgas als das Referenzfluid in dem Referenz-Strömungskanal gemessen wird; und mittels der zweiten Sensoreinheit und der vierten Sensoreinheit eine lokale Konzentration von Stickstoff in dem Fluidgemisch strömungsabwärts und in Bezug zu dem Durchmesser des Strömungsquerschnitts des Anodenkreislaufs an einer unterschiedlichen Position als derjenigen der ersten Sensoreinheit und/oder der dritten Sensoreinheit gemessen wird; wobei die Zeitauswertungseinheit, die Korrelationen zwischen einem jeweiligen Verlauf der Ausgabewerte aus den Sensoreinheiten überwacht und einen Zeitabstand von Korrelationen erfasst, und die Durchmischung des Stickstoffs in dem Fluidgemisch basierend auf erfassten Zeitabständen der Korrelationen zwischen der ersten Sensoreinheit (31 ) und der dritten Sensoreinheit sowie zwischen der zweiten Sensoreinheit und der vierten Sensoreinheit in Bezug zu einem Abstand der jeweiligen Sensoreinheiten entlang eines Durchmessers des Strömungsquerschnitts, als auch auf erfassten Zeitabständen der Korrelationen zwischen der ersten Sensoreinheit und der zweiten Sensoreinheit sowie zwischen der dritten Sensoreinheit und der vierten Sensoreinheit in Bezug zu einem Abstand der jeweiligen Sensoreinheiten entlang einer Zirkulationsstrecke bestimmt.

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 schematisch:

Fig. 1A eine schematische Darstellung der Strömungsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, an der zwei in Strömungsrichtung be- abstandet lokale Konzentrationsmessungen vorgenommen werden;

Fig. 1 B ein Diagramm, das einen Verlauf von Ausgabewerten einer elektrischen Spannung aus den Sensoreinheiten aus Fig. 1A in Reaktion auf eine gemessene Konzentrationsschwankung eines durchströmenden Fluidgemisches zeigt;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer idealisierten Fluiddynamik eines strömenden Gasgemisches, infolge einer Reibung an Wänden eines Strömungsdurchmessers;

Fig. 3 eine schematische Darstellung zum Verständnis einer Abhängigkeit der Messwerte von einer zentraleren oder weniger zentralen Sensorposition in Bezug auf einen Durchmesser des Strömungsquerschnitts;

Fig. 4A eine schematische Darstellung der Strömungsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, an der vier lokale Konzentrationsmessungen vorgenommen werden, die sowohl in Strömungsrichtung als auch in Richtung des Durchmessers des Strömungsquerschnitts voneinander beabstandet sind;

Fig. 4B ein Diagramm, das einen Verlauf von Ausgabewerten einer elektrischen Spannung aus den Sensoreinheiten aus Fig. 4A in Reaktion auf eine gemessene Konzentrationsschwankung eines durchströmenden Fluidgemisches zeigt;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Strömungsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, an der sechs lokale Konzentrationsmessungen vorgenommen werden, wobei an einem Referenz- Strömungskanal Sensoreinheiten an gleicher Position bezüglich der Strömungsrichtung und zur Richtung des Durchmessers des Strömungsquerschnitts versetzt angeordnet sind; Fig. 6 eine schematische Darstellung der Strömungsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, an der acht lokale Konzentrationsmessungen vorgenommen werden, wobei ein Referenz-Strömungskanal und die daran angeordneten Sensoreinheiten bezüglich einer Neigung zur der Strömungsrichtung und/oder einer Position in Richtung des Durchmessers des Strömungsquerschnitts schwenkbar und/oder gelagert und einstellbar ist; und

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Strömungsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einer koaxialen bzw. konzentrischen Anordnung von Sensoreinheiten in einem runden Strömungsquerschnitt.

Figur 1A zeigt eine Strömungsmessvorrichtung 100 mit einem Mess-Strömungskanal 20, durch den ein Fluidgemisch M strömt, an dem Messungen vorgenommen werden sollen. Direkt benachbart zu einer Wand des Mess-Strömungskanal 20 ist ein Referenz-Strömungskanal 10 angeordnet, in dem ein Referenzfluid R eingeschlossen oder strömend bereitgestellt ist. Zwischen dem Referenz-Strömungskanal 10 und dem Mess-Strömungskanal 20 sind Öffnungen für eine erste Sensoreinheit 31 und eine zweite Sensoreinheit 32 vorgesehen, sodass diese sowohl mit dem Referenzfluid R als auch mit dem Fluidgemisch M in Kontakt gelangen.

Jede der beiden Sensoreinheiten 31 , 32 weist eine Membran 50 auf, welche für Moleküle der betreffenden Fluide undurchlässig ist, jedoch für Protonen durchlässig bzw. permeabel ist, sodass diese effektiv als Ladungsträger durch die Membran 50 hindurch diffundieren können. Auf beiden gegenüberliegenden Seiten jeder Membran 50 ist eine Elektrode 60 angeordnet, die einerseits mit der Membran 50 und andererseits mit dem Referenzfluid R oder dem Fluidgemisch M in Kontakt steht. Wenn sich die Konzentration eines spezifischen Fluids, wie zum Beispiel Wasserstoff, in dem Referenzfluid R von dem Fluidgemisch M unterscheidet, entsteht an der Membran 50 ein Partialdruck, unter dem Protonen aus demjenigen Fluid mit der höheren Konzentration, insbesondere dem Referenzfluid R, durch die Membran 50 zu dem anderen Fluid mit der geringeren Konzentration, insbesondere dem Fluidgemisch M diffundieren. Dabei bildet sich zwischen den beiden Seiten der Membran 50 eine elektrische Spannung aus, welche über die beiden Elektroden 60 abgegriffen werden kann. Eine Spannung zwischen den Elektroden 60 korreliert mit einer Konzentrationsdifferenz zwischen den betreffenden Fluiden bzw. mit einer Konzentration des spezifischen Fluids in dem Fluidgemisch in Bezug zu dem Referenzfluid, das eine bekannte Konzentration bzw. eine konstante Konzentration in einem erwartungsgemäßen Konzentrationsbereich aufweist.

Eine erste Messeinheit 41 und eine zweite Messeinheit 42 sind als Spannungsmesser ausgebildet, welche die auftretende Spannung zwischen den beiden Elektroden 60 zu beiden Seiten der Membran 50 an der ersten Sensoreinheit 31 bzw. der zweiten Sensoreinheit 32 messen. Die Messdaten, die aus den Messeinheiten 41 , 42 entstehen, werden einer Zeitauswertungseinheit (nicht dargestellt) zur Datenverarbeitung im Sinne einer Überwachung und Ermittlung von konzentrationsbasiert erfassten Strömungsparametern zugeführt.

In einem Anwendungsbeispiel wird die Strömungsmessungsvorrichtung 100 in einem Brennstoffzellensystem (nicht dargestellt) eingesetzt, um beispielsweise eine Strömungsgeschwindigkeit eines Fluidgemischs in einem Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems zu messen. Dazu werden lokale Konzentrationen von Wasserstoff in dem zirkulierenden Fluidgemisch in Strömungsrichtung beabstandet oder an unterschiedlichen Abschnitten des Brennstoffzellensystems erfasst. Das Fluidgemisch M in dem Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems besteht unter anderem aus einem Anodenabgas, das aus einem Anodenabschnitt von Brennstoffzellen austritt, und welches neben einem unverbrauchten Anteil von Wasserstoff auch Feuchtigkeit umfasst, weshalb dieses in der vorliegenden Offenbarung zutreffender als ein Fluid bezeichnet wird. Ferner umfasst das Fluidgemisch M eine zu dosierende Menge an Brennstoffgas, das aus einem Tank in den Anodenkreislauf zugeführt wird. Das zugeführte Brennstoffgas weist eine hohe Konzentration von Wasserstoff oder im Wesentlichen reinen Wasserstoff auf. Das Brennstoffgas wird auch als das Referenzfluid R verwendet, welches in den Referenz-Strömungskanal 10 eingeleitet wird. Der Mess-Strömungskanal 20 steht mit einem Abschnitt des Anodenkreislaufs in Verbindung, oder ist als ein Abschnitt desselben ausgebildet.

Wie in dem Diagramm aus Fig. 1 B gezeigt ist, wird ein in dem Mess-Strömungskanal 20 von links nach rechts wandernder Volumenanteil des zirkulierenden Fluidgemisches M, der eine lokale Konzentrationsabweichung aufweist, beim Durchströmen des Mess-Strömungskanals 20 in Form von aufeinanderfolgenden, charakteristischen Schwankungen lokal erfasster Wasserstoffkonzentrationen von gleicher Größenordnung und gleichem Profil messbar. Dabei werden die charakteristischen Schwankungen zuerst an der ersten Sensoreinheit 31 und danach an der zweiten Sensoreinheit 32 erfasst. Ein Zeitabstand At zwischen solchen korrelierenden Schwankungen der Ausgabewerte X1 und X2 bzw. einer ausgegebenen Spannung der ersten Sensoreinheit 31 und der zweiten Sensoreinheit 32 dient im Verhältnis zu einem bekannten Abstand der betreffenden Sensoreinheiten 31 , 32 entlang einer Zirkulationsstrecke S des Fluidgemischs M zur Ermittlung einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluidgemischs M.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer idealisierten Fluiddynamik eines strömenden Gasgemisches, wobei infolge einer Reibung an Wänden eines Strömungsdurchmessers eine parabolisch dargestellte Ausbreitungsgrenze bzw. eine schnellere Strömungsgeschwindigkeit in einem zentralen Bereich als in einem äußeren Bereich des Strömungsquerschnitts zu erwarten ist. Basierend auf dieser Erkenntnis verhält sich auch eine theoretische bzw. idealisierte Grenze eines messbaren Konzentrationsunterschieds AC zwischen zwei inhomogenen Volumenanteilen eines gemeinsamen, von links nach rechts zirkulierenden Gas- oder Fluidgemischs. Demnach ist es für die Genauigkeit oder auch für die Erlangung weiterer strömungsbezogener Informationen von Bedeutung, an welcher Position sich die Sensoreinheiten in Bezug auf einen Strömungsquerschnitt untereinander befinden, wie anhand von Fig. 3 dargestellt ist.

Fig. 4A zeigt schematisch eine Ausführungsform der Strömungsmessvorrichtung 100, die der vorhergehenden Erkenntnis Rechnung trägt. Hierbei sind neben der ersten Sensoreinheit 31 und der zweiten Sensoreinheit 32 auf gleicher Höhe der Strömungsrichtung bzw. Zirkulationsstrecke S jeweils eine dritte Sensoreinheit 33 und eine vierte Sensoreinheit 34 in einer zentraleren Lage bezüglich des Durchmessers D des Strömungsquerschnitts angeordnet. So können an unterschiedlichen Querschnittspositionen lokale Konzentrationsmessungen vorgenommen werden, welche Aufschluss über das Strömungsverhalten von lokalen Volumina mit unterschiedlicher Konzentration eines spezifischen Gases oder Fluides, oder auch das Strömungsverhalten des gemeinsamen, zirkulierenden Gas- oder Fluidgemischs zulassen.

Zur Bestimmung weiterer Strömungseigenschaften, bei denen eine Ausbreitung oder ein Profil einer Geschwindigkeitsverteilung im Strömungsquerschnitt mit zu berücksichtigen ist, wird von der Strömungsmessvorrichtung 100 in Fig. 4A zusätzlich zu der zuvor genannten Erfassung von Konzentrationsschwankungen entlang der Zirkulationsstrecke S durch den Mess-Strömungskanal 20 auch eine Erfassung von Konzentrationsschwankungen entlang einer Richtung des Durchmessers D des Strö- mungsquerschnitts für eine weitere Auswertung von Messdaten zur Verfügung gestellt.

Wie in dem Diagramm aus Fig. 4B gezeigt ist, wird ein in dem Mess-Strömungskanal 20 von links nach rechts wandernder Volumenanteil des zirkulierenden Fluidgemisches M, der eine lokale Konzentrationsabweichung AC aufweist, beim Durchströmen des Mess-Strömungskanals 20 durch aufeinanderfolgende, charakteristische Schwankungen lokal erfasster Wasserstoffkonzentrationen anhand der Ausgabewerte X1 , X2, X3, X4 der vier Sensoreinheiten 31 , 32, 33, 34 erfasst. Die von dieser Ausführungsform der Strömungsmessvorrichtung 100 ausgegebenen Verläufe korrelieren sowohl in Zeitabständen At/S in Bezug auf die Strömungsgeschwindigkeit entlang der Strömungsrichtung bzw. Zirkulationsstrecke S als auch, senkrecht dazu Betrachtet, in Zeitabständen At/D in Bezug auf die Richtung des Durchmessers D des Strömungsquerschnitts.

Je nach Anwendung an einem Endprodukt wie einem Brennstoffzellensystem oder zur Produktentwicklung in einem Laborbetrieb auf einem Prüfstand, können in der Strömungsmessvorrichtung 100 auch mehr Sensoreinheiten in abgestuften Positionen zu relevanten Strömungsbereichen vorgesehen sein, wodurch eine Auflösung an Messdaten erhöht wird, und die Möglichkeiten an komplexeren Auswertungen zur Bestimmung weiterer Strömungsparameter, einer Strömungseigenschaft wie der Reynoldszahl, oder einem Maß der Durchmischung des Fluidgemischs M erweitert wird.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Strömungsmessvorrichtung 100 mit sechs Sensoreinheiten 31 , 32, 33A, 33B, 34A, 34B, wobei an demselben Referenz- Strömungskanal 10 in einer zentralen Position zum Strömungsquerschnitt jeweils benachbarte Sensoreinheiten 33A, 33B und 34A, 34B an gleicher Position bezüglich der Strömungsrichtung S an unterschiedlichen Seiten des Referenz- Strömungskanals 10, und somit versetzt zur Richtung des Durchmessers D des Strömungsquerschnitts, angeordnet sind. Diese Ausführungsform zeigt, dass nicht zwangsweise für jede Position von Sensoreinheiten 33B, 34B in Bezug auf den Strömungsquerschnitt jeweils ein weiterer eigener Referenz-Strömungskanals 10 zum Kontakt des Referenzfluids R mit den Sensoreinheiten 33B, 34B erforderlich ist, sondern bei entsprechender Ausgestaltung und Anordnung der Sensoreinheiten 33B, 34B konstruktive Einsparungen an einer Leitungsstruktur der Referenz- Strömungskänale 10 realisiert werden können. Für komplexere Messaufbauten sieht eine Ausführungsform der der Strömungsmessvorrichtung 100 aus Fig. 6 eine Konstruktion vor, bei der einer der Referenz- Strömungskänale 10 beweglich, insbesondere schwenkbar in Bezug zur Strömungsrichtung bzw. Zirkulationsrichtung S und/oder auch verschiebbar in Bezug zum Durchmesser D des Strömungsquerschnitts an einer Wand des Mess- Strömungskanals 20 gelagert ist. Darüber hinaus weist der betreffende Referenz- Strömungskanal 10 jeweils drei gegenüberliegend angeordnete Sensoreinheiten 33A, 33B, 34A, 34B, 35A, 35B auf, welche die auswertbare Messinformationsdichte zu lokal erfassten Konzentrationen eines spezifischen Fluids erhöhen. Insbesondere unter Erfassung und Berücksichtigung eines weiteren Positionsparameters entlang eines Schwenkwinkels oder einer Positionsverschiebung zusammen mit den Messdaten stellt diese Ausführungsform nochmals weitere auswertbare Informationen für Rückschlüsse auf eine Fluiddynamik des untersuchten Fluidgemisches M zur Verfügung.

Fig. 7 zeigt eine weitere strömungsoptimierte Ausführungsform der Strömungsmessvorrichtung 100, welche sich insbesondere für kreisrunde Strömungsquerschnitte des Mess-Strömungskanals 20 eignet. Dabei sind eine erste Sensoreinheit 31 und eine zweite Sensoreinheit 32 in einer Wand des Mess-Strömungskanals 20 angeordnet, wobei der zugeordnete Referenz-Strömungskanal 10 außerhalb davon eine die Wand umströmende Zuführung des Referenzfluids R bereitstellt. Die dritte Sensoreinheit 33 und die vierte Sensoreinheit 34 sind hingegen an Außenseiten und Innenseiten von ringförmigen Referenz-Strömungskanälen 10 angeordnet, die koaxial zueinander bzw. konzentrisch zu dem Strömungsquerschnitt angeordnet sind.

Bei dem Anwendungsbeispiel an einem Brennstoffzellensystem kann die Strömungsmessungsvorrichtung 100 vergleichsweise einen Konzentrationsunterschied eines spezifschen Fluids wie z.B. Wasserstoff zwischen dem Referenzfluid R, das z.B. als das Brennstoffgas bereitgestellt ist, und dem Fluidgemisch M, welches das zirkulierende Fluidgemisch in einem bestimmten Abschnitt des Anodenkreislaufs ist, messen. Anderenfalls kann die Strömungsmessungsvorrichtung 100 vergleichsweise einen Konzentrationsunterschied eines spezifschen Fluids wie z.B. Sauerstoff oder Stickstoff zwischen dem Referenzfluid R, das z.B. als Luftsauerstoff bzw. Stickstoffgas, das zur Spülfunktion bereitgestellt wird, messen. Alternativ kann das Referenzfluid R auch als reines Sauerstoffgas bereitgestellt sein, insbesondere unter Laborbedingungen bzw. in einem Prüfstandbetrieb, wobei die vergleichsweise Konzentra- tionsmessung umso genauer ist, je höher die Konzentration des spezifischen Fluids bzw. Sauerstoffs in dem Referenzfluid R ist.

Ferner kann beispielsweise durch die Strömungsmessungsvorrichtung 100 nach einem Spülvorgang des Anodenkreislaufs mit Stickstoff eine Ausbreitung und Durchmischung desselben bestimmt werden. Basierend auf diesen Informationen kann eine Steuerung des Betriebs während und nach dem Spülvorgang optimiert werden, wobei eine zu hohe Stickstoffkonzentration an der Anode verhindert und eine Wiederherstellung von Betriebskonzentrationen des Wasserstoffs sichergestellt werden kann. Dabei hängt die Funktionalität der Strömungsmessungsvorrichtung 100 in Bezug auf Stickstoff von der Temperatur ab, sodass sich eine derartige Bestimmung einer Stickstoffkonzentration bevorzugt für eine Brennstoffzelle vom SOFC Typ mit hohen Betriebstemperaturen im Anodenkreislauf eignet.

Für Brennstoffzellen vom PEM Typ lassen sich die Konzentrationsmessungsvorrichtung 100 oder die Konzentrationsmessungsvorrichtung 200 auch durch indirekte Messmethodik bzw. nach einem Ausschlusskriterium nutzen, wobei alle Bestandteile im Anodenkreislauf, die nicht Wasser, Wasserstoff oder Sauerstoff sind, als der verbleibende Bestandteil an Stickstoff erfasst werden.

Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

10 Referenz-Strömungskanal

20 Mess-Strömungskanal

31 erste Sensoreinheit

32 zweite Sensoreinheit

33 dritte Sensoreinheit

34 vierte Sensoreinheit

35 fünfte Sensoreinheit

41 erste Messeinheit

42 zweite Messeinheit

43 dritte Messeinheit

44 vierte Messeinheit

45 fünfte Messeinheit

50 Membran

60 Elektrode

100 Strömungsmessvorrichtung

M Fluidgemisch

R Referenzfluid

D Durchmesser

S Zirkulationsstrecke

AC Konzentrationsunterschied

U Spannung zwischen Elektroden t Zeit

At Zeitabstand

X1 Ausgabewert erste Sensoreinheit

X2 Ausgabewert zweite Sensoreinheit

X3 Ausgabewert dritte Sensoreinheit X4 Ausgabewert vierte Sensoreinheit r Radius z Strömungsrichtung