DE10102247C1 - Verfahren zur Qualitätskontrolle von Kühlmittel für Brennstoffzellensysteme und Verwendung einer Überwachungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle der Qualität des Kühlmittels für Brennstoffzellensysteme und die Verwendung einer Überwachungsvorrichtung, wobei vorgeschlagen wird, den Isolationswiderstand des Laststromkreises des Brennstoffzellensystems zu messen und zu überwachen. Es hat sich gezeigt, daß zwischen dem gemessenen Isolationswiderstand und der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels ein funktioneller, eindeutiger Zusammenhang besteht, so daß eine eigene Messung der elektrischen Leitfähigkeit durch entsprechende Sensorik und Auswertung bei vorliegender Erfindung entfallen kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle der Quali­ tät des Kühlmittels, wie Kühlwasser für Brennstoffzellensyste­ me, und die Verwendung einer Überwachungsvorrichtung.

Ein derartiges Verfahren ist aus der EP 0 043 941 B1 bekannt. Dort wird der Fremdionengehalt von Wasser mit Hilfe einer Leitfähigkeitsmessung kontinuierlich überwacht, wobei das Was­ ser vor der Messung auf eine Temperatur zwischen 0 und 5°C ge­ kühlt wird. In diesem Temperaturbereich hat sich eine stark erhöhte, relative Leitfähigkeit (bezogen auf Reinstwasser) im Vergleich zu einer Messung bei Umgebungstemperatur oder höhe­ ren Temperaturen herausgestellt.

Diese bekannte Qualitätskontrolle findet auch bei Brennstoff­ zellensystemen Anwendung, bei denen die Fremdionenkonzentrati­ on im Kühlwasser einen bestimmten Wert nicht überschreiten sollte. Hierzu mißt ein Leitfähigkeitssensor die elektrische Leitfähigkeit des Kühlwassers. Der Einsatz eines derartigen Leitfähigkeitssensors ist jedoch mit zusätzlichem Aufwand und Kosten verbunden. Bei den auftretenden Temperaturen besteht zudem ein schlechtes Signal-/Rausch-Verhältnis. Eine vorherige Abkühlung des Kühlwassers zur Messung der Leitfähigkeit, wie in der EP 0 043 941 B1 vorgeschlagen, würde die Kosten und den Aufwand weiter erhöhen.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist deshalb, eine Qualitätskon­ trolle für Kühlmittel, wie Kühlwasser für Brennstoffzellensysteme, anzugeben, die ohne zusätzlichen Aufwand und Kosten, je­ doch mit hoher Zuverlässigkeit arbeitet.

Diese Aufgabe wir erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch die Verwendung einer Überwachungsvorrichtung gemäß Anspruch 6 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen erge­ ben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Be­ schreibung.

Erfindungsgemäß wird der Isolationswiderstand des Laststrom­ kreises des Brennstoffzellensystems gemessen und überwacht. Es hat sich nämlich gezeigt, daß der Isolationswiderstand in Zu­ sammenhang mit der Qualität des Brennstoffzellenkühlmittels (-wassers) und damit mit der elektrischen Leitfähigkeit dieses Kühlmittels steht. Da in der Regel aus Sicherheitsgründen die Isolation der Laststromleitungen bei Brennstoffzellensystemen überwacht wird, kann mittels der Erfindung ohne zusätzlichen Aufwand aus der Isolationswiderstandsüberwachung ein Rückschluß auf die Kühlmittel(-wasser)qualität des Brennstoff­ zellensystems gezogen werden.

Eine geeignete Methode zur Überwachung des Isolationswider­ standes eines Laststromkreises eines Brennstoffzellensystems ist in der DE-195 03 749 C1 offenbart. Dort wird vorgeschla­ gen, das brennstoffzellen- oder batteriegespeiste Energiever­ sorgungsnetz eines Fahrzeuges als IT-Netz auszuführen, bei dem die mit dem Laststromkreis verknüpften Verbraucher niederohmig mit der Fahrzeugkarosserie elektrisch verbunden sind. Die Laststromkreisleitungen sind dabei vorzugsweise symmetrisch auf ein Potential oberhalb bzw. unterhalb des Potentials der Fahrzeugkarosserie gelegt und mit der Fahrzeugkarosserie hoch­ ohmig verbunden. Mittels einer Meßbrückenabgleichstufe und ei­ ner meßsignalaufbereitenden Trennverstärkerstufe lassen sich Schadensfälle (beispielsweise Schäden im Brennstoffzellensta­ pel oder Kurzschluß von der Laststromleitung zur Karosserie) detektieren. Die Implementierung einer Isolationswiderstands­ überwachung ist in dem genannten Dokument DE 195 03 749 C1 ausführlich beschrieben. Das folgende beschränkt sich auf die für die vorliegende Erfindung relevanten Details, so daß für nähere Einzelheiten bezüglich der Isolationswiderstandsüberwa­ chung auf die genannte Druckschrift ausdrücklich verwiesen wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein unterer Schwellenwert des Isolationswiderstandes des Last­ stromkreises des Brennstoffzellensystems festgelegt und bei Unterschreiten dieses Wertes der fällige Kühlmittelaustausch angezeigt. Die Anzeige erfolgt mittels eines optischen, eines akustischen oder eines kombinierten Signals.

In einer weiteren Ausgestaltung wird ein weiterer, vorzugswei­ se unterhalb des erstgenannten liegender Schwellenwert des I­ solationswiderstandes festgelegt und bei Unterschreiten dieses Schwellenwertes das gesamte Brennstoffzellensystem abgeschal­ tet. In diesem Fall hat die Kühlmittelqualität derart dras­ tisch abgenommen, daß das Kühlmittel(-wasser) für einen wei­ teren Gebrauch im Brennstoffzellensystem nicht mehr geeignet ist. Der zugehörige Schwellenwert des Isolationswiderstandes kann größer oder gleich demjenigen Schwellenwert sein, bei dem ein Schadensfall durch Kurzschluß, Leckströme oder Schäden im Brennstoffzellenstapel vorliegt.

Durch unterschiedliche Wahl der Schwellenwerte des Isolations­ widerstandes zum einen für die Qualitätskontrolle des Kühlmit­ tels, zum anderen für die Isolationskontrolle der Laststrom­ leitungen kann die Art des auftretenden Fehlers oder Schadens unterschieden werden, d. h. unterschiedliche Anzeigen für ab­ nehmende Kühlwasserqualität und für schlechte oder fehlende I­ solation der Leitungen realisiert werden.

Weiterhin können der Isolationswiderstand und die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels(-wassers) im Brennstoffzellen­ system in Abhängigkeit voneinander gemessen werden und, anhand des ermittelten Zusammenhangs jedem gemessenen Wert des Isola­ tionswiderstandes der zugehörige Wert der elektrischen Leitfähigkeit zugeordnet werden. Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei einem vorgegebenen System ein fester Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlwassers und dem Isola­ tionswiderstand des Brennstoffzellensystems besteht, wobei sich dieser Zusammenhang in etwa wie eine 1/x-Funktion ver­ hält.

Für einzelne oder für eine Klasse von Brennstoffzellensystemen läßt sich somit ein Zusammenhang zwischen Isolationswiderstand und elektrischer Leitfähigkeit ermitteln und eine entsprechen­ de Funktion aufstellen. Das Überschreiten der elektrischen Leitfähigkeit über bestimmte Schwellenwerte entspricht dann dem Unterschreiten des Isolationswiderstandes unter entspre­ chend anderen Schwellenwerten. Diese Transformation kann folg­ lich in einfacher Weise erfolgen, so daß bisherige Methoden zur Qualitätskontrolle des Kühlwassers, die mittels der Mes­ sung der elektrischen Leitfähigkeit arbeiten, schnell auf das erfindungsgemäße Verfahren transformiert werden können.

Anhand der beigefügten Figur soll ein Ausführungsbeispiel die Erfindung und deren Vorteile näher erläutern.

Die einzige Figur zeigt den funktionellen Zusammenhang zwi­ schen Isolationswiderstand und elektrischer Leitfähigkeit bei einem Brennstoffzellensystem.

Bei einem Brennstoffzellensystem für den Kraftfahrzeugantrieb kann, wie die Erfindung gezeigt hat, der Isolationswiderstand des Laststromkreises des Brennstoffzellensystems in Abhängig­ keit von der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlwassers ermit­ telt und in Form der beigefügten Figur graphisch aufgetragen werden. Die Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Kühl­ flüssigkeit mittels eines Leitfähigkeitssensors ist dem Fach­ mann hinreichend bekannt. Die Messung des Isolationswiderstan­ des ist, wie bereits erwähnt, in der DE 195 03 749 C1 ausführ­ lich beschrieben. Um Wiederholungen zu vermeiden, sei an dieser Stelle ausdrücklich auf den Inhalt dieses Dokuments hinge­ wiesen.

Es hat sich gezeigt, daß für verschiedene gleichartige Brenn­ stoffzellensysteme sich ein funktioneller Zusammenhang zwi­ schen dem Isolationswiderstand und der elektrischen Leitfähig­ keit ableiten läßt, der durch folgende Funktion:

y = 639,04 x^-0,7221

bei den in der Figur angegebenen Dimensionsverhältnissen wie­ dergegeben werden kann.

Der Isolationswiderstand ist in der Figur mit kOhm, die elekt­ rische Leitfähigkeit mit µS/cm angegeben. Dieser funktionelle Zusammenhang stellt, wie aus der Figur ersichtlich, eine gute Annäherung an die realen Verhältnisse (Meßpunkte) dar. Somit ist eine eindeutige Zuordnung der elektrischen Leitfähigkeit zu entsprechenden Werten des Isolationswiderstandes möglich. Es können folglich bekannte, obere Schwellenwerte für die e­ lektrische Leitfähigkeit, oberhalb derer Kühlwasser auszutau­ schen oder gar das System abzuschalten ist, in entsprechende untere Schwellenwerte für den Isolationswiderstand transfor­ miert werden. Wird der Isolationswiderstand des Brennstoffzel­ lensystems überwacht, was aus Sicherheitsgründen in der Regel der Fall ist, können die Meßergebnisse direkt für die Quali­ tätskontrolle des eingesetzten Kühlmittels weiterverwendet werden, so daß eine eigene Sensorik mit nachgeschalteter Aus­ wertung entfallen kann.

Die Erfindung läßt sich besonders vorteilhaft und kostengüns­ tig bei Brennstoffzellenantrieben für Fahrzeuge realisieren und in bestehende Systeme integrieren.

Claims (6)

1. Verfahren zur Kontrolle der Qualität des Kühlmittels für Brennstoffzellensysteme, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolationswiderstand des Laststromkreises des Brenn­ stoffzellensystems gemessen und überwacht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein unterer Schwellenwert des Isolationswiderstandes festgelegt und bei Unterschreiten dieses Wertes der fällige Kühlmit­ telaustausch angezeigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein unterer Schwellenwert des Isolationswiderstandes fest­ gelegt und bei Unterschreiten dieses Wertes das Brennstoffzel­ lensystem abgeschaltet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Isolationswiderstand und die elektrische Leitfähigkeit des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von­ einander gemessen werden und daß anhand des ermittelten Zu­ sammenhangs zum jeweils gemessenen Isolationswiderstand die zugehörige, elektrische Leitfähigkeit ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3 und nach An­ spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwellenwert für den Isolationswiderstand anhand des ermittelten Zusammenhangs zwischen Isolationswiderstand und elektrischer Leitfähigkeit festgelegt wird.

6. Verwendung einer Vorrichtung zur Überwachung des Isolati­ onswiderstands eines Laststromkreises eines Brennstoffzellen­ systems zur Kontrolle der Qualität des Kühlmittels für dieses Brennstoffzellensystem.