DE-102024132139-A1 - Sensorvorrichtung und Brennstoffzelle

Abstract

Offenbart ist eine Sensorvorrichtung, die ein Sensorgehäuse mit einem Sensor hat. Der Sensor ist in einem Messraum angeordnet. In dieser kann über eine Gehäuseöffnung Fluid ein- und ausströmen. Zwischen der Gehäuseöffnung und dem Messraum ist eine Labyrinth-Führung ausgebildet, womit das Fluid beim Einströmen umgelenkt wird.

Inventors

• Yannick Burkhardt

Assignees

• AST (ADVANCED SENSOR TECHNOLOGIES) INTERNATIONAL ASSET GMBH

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241105

Claims (10)

1. Sensorvorrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle (2), mit einem Sensorgehäuse (4), in dem ein Sensor (8) angeordnet ist, der mit einem Fluid, insbesondere der Brennstoffzelle (2), kontaktierbar ist, um Eigenschaften des Fluids zu erfassen, wobei im Sensorgehäuse (4) ein Messraum (12) vorgesehen ist, in dem der Sensor (8) zum Messen der Eigenschaften angeordnet ist, und wobei das Sensorgehäuse (4) eine Gehäuseöffnung (14) hat, die mit dem Messraum (12) derart verbunden ist, dass das Fluid in den Messraum (12) hin zum Sensor (8) und aus dem Messraum (12) weg vom Sensor (8) fließbar ist, wobei zumindest eine Labyrinth-Führung (14, 16, 18, 24) für das Fluid vorgesehen ist, die in Strömungsrichtung hin zum Messraum (12) gesehen der Gehäuseöffnung (14) vor- und/oder nachgelagert ist, um das Fluid beim Fließen hin in den Messraum (12) und beim Fließen weg vom Messraum (12) umzulenken.
2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Labyrinth-Führung (14, 16, 18, 24) eine Blende (24) im Messraum (12) hat, die zwischen dem Sensor (8) und der Gehäuseöffnung (14) angeordnet ist.
3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 2 , wobei die Blende (24) die Gehäuseöffnung (14) übergreift.
4. Sensorvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 , wobei die Blende (24) eine zum Sensor (8) weisende Blenden- oder Oberseite hat, die konvex ausgebildet ist, damit Fluid beim Abfließen zur Umfangswandung (18) des Messraums (12) und weg vom Sensor (8) gelenkt wird.
5. Sensorvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4 , wobei die Blende (24) eine vom Sensor (8) wegweisende Blenden- oder Unterseite hat, die konkav ausgebildet ist, damit Fluid beim Einströmen in den Messraum (12) in Richtung hin zu der oder einer Umfangswandung (18) des Messraums (12) und hin zu einer Bodenwandung (16) des Messraums (12), in der die Gehäuseöffnung (14) ausgebildet ist.
6. Sensorvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5 , wobei die oder eine Bodenwandung (16) des Sensors (8) den Messraum (12) nach außen hin abgrenzt, wobei die Bodenwandung (16) die Gehäuseöffnung (14) und zumindest einen die Gehäuseöffnung (14) begrenzenden Wandungsabschnitt (40, 42) hat, der zur Fluidführung eingesetzt ist und der abschnittsweise von der Blende (24) überdeckt und/oder übergriffen ist, so dass das Fluid zwischen der Blende (24) und den Wandungsabschnitt (40,42) fließbar ist.
7. Sensorvorrichtung nach Anspruch 6 , wobei die Bodenwandung (16) schalenförmig ausgebildet ist, wobei eine konkave Schaleninnenseite den Messraum (12) begrenzt und wobei die Bodenwandung (16) zumindest eine Durchgangsaussparung (48, 50) zum Abließen von in der Schaleninnenseite gesammelten Fluid hat.
8. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Leiterplatte (6) mit dem Sensor (8) vorgesehen ist, die den Messraum (12) begrenzt und gegenüberliegend zur Bodenwandung 16 angeordnet ist, wobei der Sensor (8) in den Messraum (12) kragt.
9. Brennstoffzelle mit einer Sensorvorrichtung (1), insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (1) in der Brennstoffzelle (2) angeordnet ist.
10. Brennstoffzelle nach Anspruch 9 , wobei diese eine Kathode (56) und eine Anode (58) aufweist, wobei stromabwärts von der Anode (58) ein Entlüftungsventil (64) zur gesteuerten Abführung von H 2 , N 2 und H 2 O (gasförmig) angeordnet ist, wobei die Sensorvorrichtung (1) im Strömungspfad zwischen dem Entlüftungsventil (64) und der Anode (58) angeordnet ist, wobei anhand der Messdaten der Sensorvorrichtung (1), insbesondere der H 2 -Konzentration ausgangsseitig der Anode (58), das Entlüftungsventil (64) von einer Steuereinheit (72) gesteuert ist, um eine H 2 Rückführung zur Anode (58) zu steuern.

Description

Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Messen zumindest einer Eigenschaft eines Fluids, insbesondere einer Brennstoffzelle. Außerdem betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit einer derartigen Sensorvorrichtung. Hintergrund der Erfindung Aus dem Stand der Technik sind Sensorvorrichtungen bekannt, die einen Sensor haben. Dieser ist mit einem Fluid in Kontakt bringbar, um zumindest eine Eigenschaft des Fluids zu messen, beispielsweise dessen Zusammensetzung. Ein derartiger Sensor kann Strömungsschwankungen wie auch hohen Strömungen ausgesetzt sein. Weiter kann das Fluid flüssige oder gasförmige Anteile von Feuchte aufweisen, welche zu einer Anreicherung von Flüssigkeit am bzw. im Sensor führt, beispielsweise durch Kondensation. Die Messwerterfassung eines vorrichtungstechnisch empfindlichen Sensors kann durch diese Einflüsse derart beeinträchtigt oder gestört werden, dass dies zu Falschmessungen führt. Offenbarung der Erfindung Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sensorvorrichtung zu schaffen, die vorrichtungstechnisch einfach ausgestaltet und robust ist. Außerdem liegt der Sensorvorrichtung die Aufgabe zugrunde eine Brennstoffzelle zu schaffen, bei der sicher und robust Messungen zumindest einer Eigenschaft eines Fluids der Brennstoffzelle durchführbar sind. Die Aufgabe hinsichtlich der Sensorvorrichtung wird gelöst gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Brennstoffzelle gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Erfindungsgemäß ist eine Sensorvorrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle oder Wasserstoff-Brennstoffzelle, vorgesehen. Diese hat ein Sensorgehäuse, in dem ein Sensor angeordnet ist. Der Sensor ist von einem Fluid kontaktierbar oder direkt kontaktierbar, um zumindest eine Eigenschaft des Fluids - insbesondere eines gasförmigen Anteils (falls ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch vorliegt) - zu messen oder zu erfassen. Im oder am Sensorgehäuse ist ein Messraum ausgebildet, in dem der Sensor angeordnet ist, um mit dem Fluid in Kontakt bringbar zu sein. Das Gehäuse weist eine Gehäuseöffnung auf, die mit dem Messraum verbunden ist, so dass das Fluid, insbesondere der Brennstoffzelle, in den Messraum hin zum Sensor und aus dem Messraum weg vom Sensor fließbar oder strömbar ist. Die Sensorvorrichtung kann eine Fluidumlenkung oder Umlenkung oder Führung oder Labyrinth-Führung für das Fluid haben. Diese kann in Strömungsrichtung hin zum Messraum gesehen der Gehäuseöffnung vor- und/oder nachgelagert und/oder durch die Gehäuseöffnung gebildet sein und/oder einen Teil der Sensorvorrichtung bilden. Mit der Labyrinth-Führung kann das Fluid beim Fließen hin in den Messraum und beim Fließen weg vom Messraum umgelenkt werden. Diese Lösung hat den Vorteil, dass auf vorrichtungstechnisch einfache Weise ein Eintrag von, insbesondere flüssigen, Fluidbestandteilen in den Messraum reduziert wird. In Brennstoffzellen tritt ein Gas-Flüssigkeitsgemisch auf, wobei die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung durch die Labyrinth-Führung es dem Flüssigkeitsanteil des Gemisches zumindest erschwert in den Messraum zu gelangen oder sogar ein Eintreten verhindert. Außerdem kann durch die Ausgestaltung der Sensorvorrichtung ein Abfluss von eingetragenen, insbesondere flüssigen, Fluidbestandteilen sowie im Messraum abgelagerten, insbesondere flüssigem, Kondensat aus dem Fluid aus dem Messraum verbessert geführt werden. Beides erweitert den Einsatzbereich des Sensors bzw. der Sensorvorrichtung, indem eine die Funktion störende Ansammlung von flüssigen Fluidbestandteilen und/oder Kondensat verhindert wird und sichergestellt wird, dass die Funktion nicht durch eingetragene und/oder im Nicht-Betrieb einsetzende Vereisung der flüssigen Bestandteile des Fluid verhindert wird. Weiterhin bewirkt die Labyrinth-Führung eine Bedämpfung der Dynamik des gasförmigen Fluidstromes oder Gasanteils und verhindert, dass flüssige Eintragung direkt im Messraum bzw. direkt auf den Sensorelementen auftrifft.. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten eines direkt auf den Sensor auftreffenden Flüssigkeitsanteils, insbesondere auf ein MEMS-Sensorelement oder einen MEMS-Sensor, können zu unbrauchbaren Messungen führen. Es wäre denkbar durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Sensorvorrichtung eine Sensitivität oder Empfindlichkeit des Sensors zu erhöhen oder einen empfindlicheren Sensor einzusetzen. Vorzugsweise ist der Sensor eingerichtet, eine H2-Konzentration im gasförmigen Fluid oder Gasanteil zu messen. Flüssige Anteile oder der Flüssigkeitsanteil des Fluid können insbesondere H2O-Anteile, insbesondere Tropfen, sein, welche am Verbauort der Sensorvorrichtung im Fluid (F Medium) auftreten können. Vorzugsweise sollen die flüssigen Anteile durch konstruktionsbedingte Maßnahmen außerhalb des Sensors oder der Sensorvorrichtung ein Flüssigwasserzufluss zwischen beispielsweise 5 bis 25 ml/min (ml = Milliliter, m