Titel

Überwachungsverfahren und Überwachungssystem für Brenngas Die Erfindung betrifft ein Überwachungsverfahren für Brenngas, insbesondere

Wasserstoff, nach dem Oberbegriff von Anspruch lsowie ein Überwachungssystem für Brenngas, insbesondere Wasserstoff, nach dem Oberbegriff von Anspruch 4. Stand der Technik

In mobilen Anwendungen werden immer häufig Brennstoffzellensysteme zur Energieversorgung eingesetzt. Ein bekanntes Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstack, der vorzugsweise aus mehreren Brennstoffzellen gebildet ist und elektrische Energie auf Grundlage einer Reaktion zwischen einem auf Wasserstoff basierenden Brenngas (beispielsweise reinem

Wasserstoff oder einem Wasserstoffreformat) und einem Oxidationsmittel- zufuhrgas (beispielsweise reinem Sauerstoff oder sauerstoffhaltiger Luft) erzeugt. Dafür wird häufig eine Anode des Brennstoffzellenstacks Wasserstoff zugeführt, während einer Kathode des Brennstoffzellenstacks Luft zugeführt wird. Die

Hauptanwendung des Brennstoffzellensystems ist die Lieferung von elektrischer Energie an ein Hochvolt-Bordnetz eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges. Der Wasserstoff, der der Anode zugeführt wird, ist üblicherweise in mobilen Anwendungen in einem Hochdrucktank bei einem Druck von 350 bar bzw. 700 bar gespeichert. Der Hochdrucktank ist über fluidtechnische

Verbindungen mit einem Anodenraum der Anode verbunden. Ein Fluidsystem weist solche fluidtechnischen Verbindungen und den Hochdrucktank auf. Für eine Regulierung des Fluidsystems sind u. a. Gasstromregulierungselemente in den fluidtechnischen Verbindungen angeordnet, beispielsweise in Form von Drosselklappen oder Ventilen, wobei das Fluidsystem die Gasstromregulierungs- elemente auch umfasst.

Kommt es zu einer Undichtigkeit des Fluidsystems, wodurch beispielsweise Wasserstoff in die Umgebung außerhalb des Fluidsystems entweicht kann, kann beispielsweise bei Austritt von Wasserstoff, ein zündfähiges Gemisch entstehen, das unter einem Funken zur Verbrennung oder Explosion führen kann. Dies stellt ein erhebliches Gefahrenpotenzial in technischen Anwendungen dar. Um das Gefahrenpotenzial, das durch Austritt von Wasserstoff durch ein defektes Gas- stromregulierungselement oder durch eine defekte fluidtechnischer Verbindung entsteht, zu minimieren, werden bekannterweise Sensoren eingesetzt, um die Dichtigkeit des Fluidsystems zu überwachen bzw. solche Leckage zu erkennen, damit entsprechende Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden können. Die Überwachung/Detektion einer Leckage des Wasserstoffs ist eine

Grundvoraussetzung zum Betrieb von Brennstoffzellen.

Zum Messen der Konzentration des Wasserstoffs werden aktuell Sensoren mit verschiedenen chemischen und elektrischen Messprinzipien angewendet. Diese Sensoren, beispielsweise Lambdasonde, messen die Konzentration des

Wasserstoffs lokal an der Stelle, an der die Sensoren verbaut sind. Zur sicheren Überwachung von Wasserstoff muss das Luft-Wasserstoffgemisch noch durch zusätzliche Maßnahmen, z. B. Gehäuseform, Luftführung usw., an diese Stelle gelenkt werden.

Aktuell werden hauptsächlich Halbleiter-Sensoren verwendet, die einen direkten Kontakt zur chemisch aktiven Sensorschicht (chemisch aktive Schicht weist Halbleiter auf) zum Brennstoff benötigen, um ein Messergebnis zu erzeugen. Nachteilig hat sich bei diesen Halbleiter-Sensoren herausgestellt, dass diese eine notwendige, hohe Betriebstemperatur erfordern, was mit hohem

Kostenaufwand verbunden ist. Außerdem benötigen derartige Halbleiter- Sensoren eine lange Erholzeit (recovery period), wodurch die Einsatzfähigkeit beeinträchtigt ist. Des Weiteren weisen die zugehörigen Messverfahren eine hohe Fehleralarmhäufigkeit auf. Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung sieht ein Überwachungsverfahren mit sämtlichen Merkmalen des Anspruches 1 sowie ein Überwachungssystem mit sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruches 4 vor. Hierbei hat es sich als vorteilhaft

herausgestellt, dass bekannte Nachteile aus dem Stand der Technik zumindest teilweise überwunden werden. Insbesondere ist das erfindungsgemäße

Überwachungssystem und Verfahren für Brenngas besonders praktisch und effektiv einsetzbar. Unter Brenngas wird im Sinne dieser Erfindung insbesondere Wasserstoff verstanden. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen angegeben. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten die Merkmale und Details, die im

Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Überwachungsverfahren

beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem

erfindungsgemäßen Überwachungssystem und jeweils umgekehrt, sodass

bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets

wechselseitig Bezug genommen wird, bzw. werden kann. Die Erfindung sieht ein Überwachungsverfahren für Brenngas vor, wobei das

Brenngass aus einem Fluidsystem, insbesondere zumindest einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, austreten kann, wobei zumindest ein

Überwachungssystem zum Einsatz kommen kann, das über Ultraschallwellen die Konzentration des Brenngases in der Umgebung des Fluidsystems überwacht. Dabei kann insbesondere eine Stoffkonzentration in Vol.-%, ppm oder auch Mol.-% gemessen werden.

Grundsätzlich sind Gemische aus Brenngas mit Luft und damit dem in ihr enthaltenen Sauerstoff bei bestimmten, stofftypischen Mischungsverhältnissen explosionsfähig. Diese Mischungsverhältnisse bestimmen den Explosionsbereich, der durch seine zwei

Explosionsgrenzen, der oberen und der unteren Explosionsgrenze, beschrieben wird. Die Explosionsgrenzen des Wasserstoffs in der Luft liegen im Bereich von ca. 4,1 bis 75 % (in Vol.-%). Durch das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren kann das Brenngas in einem Messbereich von 0 bis 4 % (in Vol.-%), insbesondere von 0,1 bis 0,5 % (in Vol.-%), über Ultraschallwellen überwacht werden. Das Brenngas kann nämlich bereits mit einer sehr geringen Konzentration in der Luft durch das

Überwachungsverfahren erkannt werden. Sobald das Brenngas aus dem Fluidsystem austritt, kann ein Austritt eine Leckage des Fluidsystems zeitnah detektiert werden. Dadurch wird eine sehr hohe Sicherheit für das Fluidsystem gewährleistet.

Das Brenngas ist einfach zu detektieren (gemeint ist: zu überwachen und/oder zu messen) aufgrund des hohen Dichteunterschieds zu den anderen Bestandteilen der Luft. Der Austritt die Leckage des Brenngases aus dem Fluidsystem wird durch Ultraschallwellen über eine inhomogene Dichteverteilung und/oder eine abweichende Dichte der Luft in der Umgebung des Fluidsystems erkannt.

Außerdem kann ein großflächiger Bereich auf einmal durch die (im Verfahren ausgesendeten) Ultraschallschallwellen abgedeckt werden, sodass der

Austritt die Leckage des Brenngases insbesondere aus dem gesamten

Fluidsystem großflächig und auf einmal sicher detektiert werden kann. Eine

lokale Konzentrationsveränderung ist bereits bei einer Entstehung der lokalen

Konzentrationsveränderung des Brenngases in der Umgebung des Fluidsystems durch das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren über Ultraschallwellen somit erkennbar. Die Verwendung von Ultraschallwellen ermöglicht zudem noch eine schnelle und zuverlässige Überwachung des Brenngases in der Umgebung des Fluidsystems.

Vorteilhaft können Ultraschallwellen über das Überwachungssystem mit einer festen Frequenz ausgesendet und empfangen werden, wobei die Ultraschallwellen einen Schallkegel bilden und der Schallkegel einen Erfassungsbereich bildet, wobei im Erfassungsbereich das aus dem Fluidsystem ausgetretene Brenngas überwacht wird. Dieser Erfassungsbereich durchdringt dabei den zu überwachenden Bereich und deckt das Fluidsystem vollständig ab, sodass die Leckage des Brenngases großflächig in der Umgebung des Fluidsystems überwacht wird. Dadurch kann eine erhöhte

Konzentration des Brenngases und/oder eine Leckage des Fluidsystems wesentlich sicherer und frühzeitig erkannt werden.

Bevorzugt weist das Überwachungsverfahren zumindest einen der folgenden Schritte auf:

a) Aussenden von Ultraschallwellen durch das Überwachungssystem, derart, dass Ultraschallwellen an einer ersten Grenze einer Brenngasblase als ein erstes Echo teilweise reflektiert werden, durch die erste Grenze der Brenngasblase teilweise durchdringen, an einer zweiten Grenze der Brenngasblase als ein zweites Echo teilweise reflektiert werden, durch die zweite Grenze der Brenngasblase teilweise durchdringen, wobei ein Reflexionselement vorgesehen ist, das derart im Fluidsystem angeordnet wird, dass die durch die zweite Grenze der Brenngasblase durchgedrungenen Ultraschallwellen am Reflexionselement als ein drittes Echo reflektiert werden,

b) Empfangen des ersten Echos durch das Überwachungssystem,

c) Empfangen des zweiten Echos durch das Überwachungssystem;

d) Empfangen des dritten Echos durch das Überwachungssystem.

Durch den Austritt des Brenngases aus dem Fluidsystem bildet sich eine

inhomogene Dichteverteilung des Brenngases. Damit wird die Konzentration des Brenngases lokal an der Leckage oder Austrittstelle erhöht und eine

Brenngasblase mit erhöhter Konzentration gebildet. Durch das

erfindungsgemäße Überwachungsverfahren wird die Brenngasblase mit erhöhter Konzentration des Brenngases über Ultraschallwellen erkannt bzw. detektiert.

Die Erfindung sieht ebenfalls ein Überwachungssystem für Brenngas vor, wobei das Brenngas aus einem Fluidsystem, insbesondere zumindest einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, austritt, und das Überwachungssystem über Ultraschallwellen die Konzentration des Brenngases in der Umgebung des Fluidsystems überwachbar ist. Eine Leckage des Fluidsystems bildet lokal eine Erhöhung der Konzentration des Brenngases in der Umgebungsluft, sodass eine Brennstoffblase gebildet wird. Dadurch entsteht sozusagen eine inhomogene Dichteverteilung des Brenngases in der Umgebung des Fluidsystems. Über Ultraschallwellen durch das Überwachungssystem kann eine lokale Brenngasblase, die sich direkt an der Leckage bildet, festgestellt werden. Eine lokale Konzentrationsveränderung kann nämlich bereits bei einer Entstehung der lokalen Konzentrationsveränderung des Brenngases in der Umgebung des Fluidsystems über Ultraschallwellen erkannt werden.

Vorteilhaft weist das Überwachungssystem eine Kontrolleinheit und zumindest einen Ultraschallsensor auf, der insbesondere zugleich als Sender und Empfänger dient. Somit kann durch den Einsatz von nur einem Ultraschallsensor bereits das

erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden. Auch ist es denkbar, dass das Überwachungssystem zumindest einen Ultraschall-Durchflussmesser zur

Überwachung des Brenngases aufweist. Diese Sensoren sind preiswert und besonders praktisch einsetzbar für die erforderliche Messung.

Ein solcher Ultraschallsensor erkennt die Konzentration des Brenngases,

insbesondere des Wasserstoffs, über die inhomogene Dichteverteilung und/oder die abweichende Dichte der Luft. Der Ultraschallsensor hat eine lange

Lebenszeit und ist praktisch einsetzbar. Außerdem verbraucht der

Ultraschallsensor geringe Energie. Ferner kann eine Leckage des Brenngases aus dem Fluidsystems zuverlässig, schnell und großflächig detektiert werden, unabhängig von dem verwendeten Brenngas. Insbesondere verursacht der

Ultraschallsensor/die Ultraschallwellen keine sekundäre Umweltverschmutzung.

Der Ultraschallsensor kann insbesondere zugleich als Ultraschallwellen

emittierender Sender und Ultraschallwellen empfangender Empfänger dienen.

Ein Ultraschall-Durchflussmesser (USD oder UDM) misst die Geschwindigkeit eines strömenden Mediums (Gas, Flüssigkeit) mithilfe akustischer Wellen. Die akustische Durchflussmessung bietet einige Vorzüge gegenüber anderen

Messverfahren. Das Fehlen von sich bewegenden mechanischen Teilen

verringert den Wartungsaufwand und erhöht die maximale Nutzungsdauer. Eine genaue Messung über eine weite Messspanne zählt zu den weiteren positiven

Eigenschaften der Durchflussmessung. Hier kommt vorzugsweise das

Ultraschall-Laufzeit-Verfahren zum Einsatz. Die Kontrolleinheit berechnet über die Laufzeit der zurückgeworfenen Schallwellen die Konzentration des

Brenngases in der Luft.

Durch Ultraschallwellen, die auf eine potenziell leckbehaftete Komponente

(Ventil, Anschlussstellen, etc.) des Fluidsystems und/oder Ansammlungsstellen des Brenngases gerichtet sind, kann die Leckage schon bei der Entstehung erkannt werden und nicht erst, wenn sich eine genügend große Menge an

Brenngas (direkt) beim Ultraschallsensor gebildet hat.

Vorzugsweise umfasst das Überwachungssystem zumindest zwei

Ultraschallsensoren, wobei der erste Ultraschallsensor als Sender und der zweite Ultraschallsensor als Empfänger dient. Somit kann der Sender räumlich getrennt vom Empfänger angeordnet werden, um die reflektierten Wellen optimal

empfangen zu können.

Vorzugsweise weist das Überwachungssystem eine Sammelvorrichtung für das Brenngas, insbesondere in Form einer Haube, auf. Das Brenngas weist eine geringere Dichte als Luft auf, sodass das Brenngas immer nach oben steigt, wenn das Brenngas aus dem Fluidsystem in die Umgebung austritt, unabhängig von oberen, seitlichen oder unteren Positionen der Leckage am Fluidsystem. Die Sammelvorrichtung ist zweckmäßig und dient dazu, das ausgetretene Brenngas zu sammeln. Dadurch wird vermieden, dass nur ein Teil des ausgetretenen Brenngases überwacht wird. Durch die Sammelvorrichtung wird sichergestellt, dass das austretende Brenngas in der

Umgebung des Fluidsystems vollständig überwachbar ist.

Die Sammelvorrichtung ist vorzugsweise oberhalb des Fluidsystems, das auf einem Träger insbesondere eines Fahrzeuges angeordnet ist, anordbar. Dadurch, dass das ausgetretene Brenngas nach oben steigt und sich ansammelt, ist eine solche

Anordnung zwischen der Sammelvorrichtung und dem Fluidsystem besonders effektiv.

Die Sammelvorrichtung kann insbesondere seitlich einen Lufteinlass und/oder

Luftauslass aufweisen. Der Lufteinlass und/oder Luftauslass ist/sind eine zusätzliche Sicherheitsmaßnahme. Hierdurch wird vermieden, dass das ausgetretene Brenngas sich in einem geschlossenen System immer mehr ansammelt, bis sich ein

explosionsfähiges Gemisch bildet. Durch den Lufteinlass und/oder Luftauslass kann das ausgetretene Brenngas effektiv aus der Umgebung des Fluidsystems rausgeführt werden, sodass ein Explosionsgefahr im Vornherein vermieden wird.

Die Sammelvorrichtung kann insbesondere eine Entlüftung aufweisen, die

insbesondere oberhalb des Fluidsystems anordbar ist. Diese Entlüftung könnte als Ventil, Drosselklappe oder dergleichen ausgebildet sein. Diese Entlüftung bietet eine weitere Sicherheitsmaßnahme, so dass es bei einer erhöhten Konzentration des Brenngases entlüftet wird und kein explosionsfähiges Gemisch gebildet wird. Zum Beispiel kann die Entlüftung so ausgeführt sein, dass die Entlüftung betätigt wird, sobald die Konzentration des Brenngases über einem Schwellwert liegt. Dabei soll der Schwellwert kleiner als die untere Explosionsgrenze des Brenngases sein. Im Fall von Wasserstoff, kann der Schwellwert ca. 1% sein.

Der Ultraschallsensor, der insbesondere mittig oberhalb des Fluidsystems anordbar ist, kann an der Sammelvorrichtung angeordnet sein. Durch die Anordnung des Ultraschallsensors an der Sammelvorrichtung und insbesondere mittig oberhalb des Fluidsystems, erfasst der Ultraschallsensor einen großen und wesentlichen Erfassungsbereich, der das ganze Fluidsystem abdeckt.

Vorzugsweise kann eine Vielzahl von Ultraschallsensoren vorgesehen sein, die als Array miteinander verschaltbar sind. Dieses führt dazu, dass ein Schallkegel der Ultraschallwellen auch während des Betriebs abwechselnd auf die zu überwachenden Komponenten (Ventil, Anschlussstellen, etc.) und

Ansammlungsstellen des Fluidsystems gelenkt werden kann.

Vorzugsweise kann zumindest ein Sensor für Temperatur und/oder Feuchtigkeit und/oder Kohlendioxid in der Umgebung des Fluidsystems vorgesehen sein. Temperatur, Feuchtigkeit und Kohlendioxid sind Störgrößen, die die

Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwellen beeinflussen. Die Luftfeuchtigkeit lässt die Schallgeschwindigkeit geringfügig zunehmen. Ebenfalls nimmt die Schallgeschwindigkeit mit erhöhter Temperatur zu. Die Schallgeschwindigkeit für ein wasserstofffreies Luftvolumen ist eindeutig über die Temperatur und

Luftfeuchtigkeit bestimmbar. Wenn der Ultraschallsensor eine davon

abweichende Schallgeschwindigkeit misst, kann das vorhandene Brenngas (Wasserstoffgas) in der Luft dafür verantwortlich sein.

Vorteilhaft kann dieses Überwachungssystem durch ein erfindungsgemäßes Überwachungsverfahren betrieben werden. Vorzugsweise umfasst die Erfindung auch ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Überwachungssystem und/oder Fluidsystem.

In allen Brennstoffzellensystemen, bei denen eine Konzentration (Leckage) des Brenngases, insbesondere Wasserstoff, gemessen werden muss, kann das erfindungsgemäß Überwachungssystem und Überwachungsverfahren

Anwendung finden. Außerdem kann das Überwachungssystem ohne spezielle Gehäuseform, Luftführung des Fluidsystems in verschieden Anwendungsgebieten, z. B. in Off-Highway Brennstoffzellensysteme,

Brennstoffzellen von Fahrzeugen, Laboraufbauten, einsatzfähig sein.

Auch zur Überwachung von anderen Gasen, welche unterschiedliche Dichten aufweisen, kann das erfindungsgemäß Überwachungssystem und

Überwachungsverfahren eingesetzt werden.

Um Wiederholungen bezüglich weiterer Vorteile des erfindungsgemäßen Überwachungssystems zu vermeiden, wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens verwiesen und es wird vollumfänglich auf diese zurückgegriffen. Dies gilt auch umgekehrt für das Überwachungsverfahren, sodass bezüglich weiterer Vorteile des

erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens, auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Überwachungssystem verwiesen und es vollumfänglich auf diese zurückgegriffen wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele:

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in den Figuren schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den

Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher

Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich, als auch in verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Überwachungssystems

Fig.2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Fahrzeuges mit dem erfindungsgemäßen Überwachungssystem und/oder

Fluidsystem. In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben

Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.

In Figur 1 ist schematisch ein Überwachungssystem 1 gezeigt. Das

Überwachungssystem 1 weist einen Ultraschallsensor 2, eine Kontrolleinheit 3 und eine Sammelvorrichtung 4 auf, wobei der Ultraschallsensor 2 mit der Kontrolleinheit 3 in Wirkverbindung steht. Die Sammelvorrichtung 4 ist oberhalb eines Fluidsystems 10 angeordnet, wobei das Fluidsystem 10 mit Brenngas 10.2 gefüllt ist. Das Fluidsystem ist auf einem Träger 20 angeordnet. Der

Ultraschallsensor 2 ist mittig oberhalb des Fluidsystems 10 an der

Sammelvorrichtung 4 angeordnet, wobei der Ultraschallsensor 2

Ultraschallwellen in einer festen Frequenz aussendet und empfängt. Die Ultraschallwellen bilden einen Schallkegel, wobei der Schallkegel einen

Erfassungsbereich 2.1 bildet, der lokale Leckage 10.1 insbesondere des ganzen Fluidsystems 10 abdeckt. Die Sammelvorrichtung 4 weist seitlich einen

Lufteinlass 4.1 und einen Luftauslass 4.2 auf, sodass das ausgetretene

Brenngas 10.2 aus dem Fluidsystem 10 wieder durch Luftzuführung

ausgetauscht wird. Dadurch kann eine Entstehung eines Explosionsgemisches aus dem Brenngas 10.2 vermieden werden. Ferner weist die Sammelvorrichtung eine Entlüftung 4.3 auf, die oberhalb des Fluidsystems 10 angeordnet ist.

Figur 2 zeigt schematisch ein Fahrzeug 21 mit dem erfindungsgemäßen Überwachungssystem 1. Das Fluidsystem 10 ist auf einem Träger 20 des Fahrzeuges 21 angeordnet. Dabei fungiert die Motorhaube des Fahrzeuges 21 als Sammelvorrichtung 4 für das Brenngasl0.2. An der Sammelvorrichtung 4 ist ein Ultraschallsensor 2 angeordnet, der Ultraschallwellen mit fester Frequenz aussendet und empfängt, wobei die Ultraschallwellen einen Schallkegel bilden, der einen Erfassungsbereich 2.1 bildet. Der Erfassungsbereich 2.1 deckt alle möglichen Leckage 10.1 des Fluidsystems 10 ab. Zur Belüftung und/oder Kühlung des Fluidsystems 10 kann die Fahrtluft um das Fahrzeug 21 genutzt werden.