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Apparatus and method for determining the conductivity of a cooling medium of a fuel cell system Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Kühlmediums eines Brennstoffzellensystems, umfassend eine vom Kühlmedium durchströmte Brennstoffzelle (1) mit elektrischen Polen (2, 3) und einen Wechselrichter (4) zur Umwandlung des von der Brennstoffzelle (1) erzeugten Gleichstroms in Wechselstrom, wobei mindestens mit dem Kühlmedium in Verbindung stehende Teile der Brennstoffzelle (1) zum Potentialausgleich mit einem elektrischen Masseanschluss (5) verbunden sind, wobei zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Kühlmediums zwischen dem Masseanschluss (5) und einem der beiden Pole (2, 3) der Brennstoffzelle (1) ein Widerstandsmesselement (6) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsmesselement (6) als integraler Bestandteil des mit den Polen (2, 3) der Brennstoffzelle (1) elektrisch verbundenen Wechselrichters (4) ausgebildet ist.Device for determining the conductivity of a cooling medium of a fuel cell system, comprising a fuel cell (1) through which the cooling medium flows and having electrical poles (2, 3) and an inverter (4) for converting the direct current generated by the fuel cell (1) into alternating current, at least with Parts of the fuel cell (1) that are connected to the cooling medium are connected to an electrical ground connection (5) for equipotential bonding, whereby to determine the conductivity of the cooling medium between the ground connection (5) and one of the two poles (2, 3) of the fuel cell (1 ) a resistance measuring element (6) is provided, characterized in that the resistance measuring element (6) is designed as an integral part of the inverter (4) electrically connected to the poles (2, 3) of the fuel cell (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Kühlmediums eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for determining the conductivity of a cooling medium of a fuel cell system according to the preamble of patent claim 1.

Ein derartiges Brennstoffzellensystem ist aus der US 2002/0192521 A1 bekannt. Es umfasst zunächst regelmäßig eine von einem Kühlmedium durchströmte Brennstoffzelle mit elektrischen Polen, wobei der Begriff Brennstoffzelle im Folgenden synonym mit dem Fachausdruck Brennstoffzellenstack verwendet wird, der aus einer Vielzahl hintereinander geschalteter Brennstoffeinzelzellen besteht. Darüber hinaus umfasst das System einen Wechselrichter zur Umwandlung des von der Brennstoffzelle erzeugten Gleichstroms in Wechselstrom. Zur Vermeidung von Potentialdifferenzen sind insbesondere die mit dem Kühlmedium in Verbindung stehenden Teile der Brennstoffzelle und vorzugsweise auch der Wechselrichter regelmäßig mit einem gleichen elektrischen Masseanschluss verbunden, d. h. diese sind beispielsweise mit ihren metallischen Gehäusen bzw. Rahmenteilen an einem gemeinsamen metallischen Gehäuse elektrisch angebunden.Such a fuel cell system is from the US 2002/0192521 A1 known. Initially, it regularly comprises a fuel cell with electrical poles through which a cooling medium flows, wherein the term fuel cell is used below synonymously with the technical term fuel cell stack, which consists of a multiplicity of fuel cells arranged one behind the other. In addition, the system includes an inverter for converting the direct current generated by the fuel cell into alternating current. To avoid potential differences, the parts of the fuel cell that are in communication with the cooling medium, and preferably also the inverters, are regularly connected to the same ground electrical connection, ie they are electrically connected, for example, to their metallic housings or frame parts on a common metallic housing.

Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstacks hängt unter anderem von der Leitfähigkeit des Kühlmediums ab. Ist die von der vorhandenen Ionenanzahl abhängige Leitfähigkeit des Kühlmedium groß, kommt es schlimmstenfalls zu einem Kurzschluss im Stack, denn das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle bedingt eine elektrische Trennung der unterschiedlich gepolten Polplatten des Stacks. Diese elektrische Trennung ist bei hoher Leitfähigkeit des Kühlmediums, das ja zwischen den Polplatten strömt, nicht mehr gewährleistet.The efficiency of a fuel cell or a fuel cell stack depends inter alia on the conductivity of the cooling medium. If the conductivity of the cooling medium, which depends on the existing number of ions, is high, a short circuit in the stack occurs at worst, because the operating principle of the fuel cell requires electrical separation of the differently polarized pole plates of the stack. This electrical separation is no longer guaranteed with high conductivity of the cooling medium, which indeed flows between the pole plates.

Beim Betrieb eines Brennstoffzellensystems ist also auf die Leitfähigkeit des Kühlmediums zu achten, da diese entweder zumindest den Wirkungsgrad verschlechtert, oder, wie erläutert, sogar zum Totalausfall des Stacks führt.When operating a fuel cell system, it is therefore important to pay attention to the conductivity of the cooling medium, since this either at least impairs the efficiency, or, as explained, even leads to total failure of the stack.

Aus diesem Grund ist bei der Lösung nach der US 2002/0192521 A1 zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Kühlmediums zwischen dem Masseanschluss und einem der beiden Pole der Brennstoffzelle ein Widerstandsmesselement vorgesehen.For this reason, in the solution after the US 2002/0192521 A1 to determine the conductivity of the cooling medium between the ground terminal and one of the two poles of the fuel cell, a resistance measuring element is provided.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmediums auf eine möglichst einfache Weise bestimmen zu können, um einen verschlechterten Betrieb oder gar einen Ausfall des Brennstoffzellensystems zu vermeiden.The object of the invention is to be able to determine the electrical conductivity of the cooling medium in the simplest possible way in order to avoid deteriorated operation or even failure of the fuel cell system.

Diese Aufgabe ist mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.This object is achieved with a device of the type mentioned by the features listed in the characterizing part of patent claim 1.

Nach der Erfindung ist somit vorgesehen, dass das Widerstandsmesselement als integraler Bestandteil des mit den Polen der Brennstoffzelle elektrisch verbundenen Wechselrichters ausgebildet ist.According to the invention it is thus provided that the resistance measuring element is formed as an integral part of the inverter electrically connected to the poles of the fuel cell.

Wie bereits erwähnt, ist zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Kühlmediums zwischen dem Masseanschluss und einem der beiden Pole der Brennstoffzelle ein Widerstandsmesselement vorgesehen. Da zur Messung des Widerstandes ein einfaches Widerstandsmessgerät ausreicht, das darüber hinaus auch nicht selbst mit dem Kühlmedium in Kontakt gebracht werden muss, verringert sich der konstruktive und damit auch der finanzielle Aufwand erheblich. Da der gemessene Widerstandswert im übrigen im reziproken Verhältnis zur elektrischen Leitfähigkeit steht, kann diese unmittelbar aus dem Widerstandswert ermittelt bzw. errechnet werden.As already mentioned, a resistance measuring element is provided for determining the conductivity of the cooling medium between the ground connection and one of the two poles of the fuel cell. Since a simple ohmmeter is sufficient to measure the resistance, which in addition also does not have to be brought into contact with the cooling medium itself, the constructional and thus also the financial outlay is considerably reduced. Moreover, since the measured resistance value is in reciprocal relation to the electrical conductivity, it can be determined or calculated directly from the resistance value.

Die Maßgabe, ein Widerstandsmesselement zu verwenden, umfasst dabei im übrigen sowohl die Möglichkeit, ein ohmsches Widerstandsmessgerät als auch ein sogenanntes Impedanzmessgerät zu verwenden. Ersteres Gerät kommt dann zum Einsatz, wenn die Widerstandsermittlung auf Basis eines aufgeprägten Gleichstromes erfolgt; das zweite Gerät kommt dementsprechend in Betracht, wenn die Widerstandsermittlung auf Basis eines aufgeprägten Wechselstromes erfolgt, was selbstverständlich auch möglich ist.The proviso to use a resistance measuring element includes, moreover, both the possibility of using an ohmic resistance measuring device and a so-called impedance measuring device. The first device is used when the resistance determination is based on an impressed direct current; the second device is accordingly considered when the resistance determination is based on an impressed alternating current, which of course is also possible.

Bezüglich der Stromaufbringung sei noch angemerkt, dass diese insbesondere bei einer Betriebsunterbrechung erforderlich ist, da in diesem Fall keine oder zumindest nur eine geringe Potentialdifferenzen zwischen dem Masseanschluss und den beiden Polen der Brennstoffzelle herrscht. Während des Betriebes des Brennstoffzellensystems kann dagegen beispielsweise zwischen dem Masseanschluss und einem der beiden Pole auch eine geringe Wechselspannung aufgeprägt werden. Die Leitfähigkeit des Kühlmediums läßt sich dann mittels des erwähnten Impedanzmessgerätes bestimmen.With regard to the current application, it should also be noted that this is necessary in particular in the event of an interruption in operation, since in this case there is no or at least only a small potential difference between the ground connection and the two poles of the fuel cell. By contrast, during operation of the fuel cell system, for example, a low alternating voltage can also be impressed between the ground connection and one of the two poles. The conductivity of the cooling medium can then be determined by means of the mentioned impedance meter.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Advantageous developments emerge from the dependent claims.

Der Vollständigkeit halber wird auch noch auf die EP 1 223 631 A2 hingewiesen, bei der aber nicht der Widerstand des Kühlmediums, sondern die zwischen einem Pol der Brennstoffzelle und dem Masseanschluss während des Betriebs der Zelle anliegende Spannung gemessen wird.The sake of completeness is also on the EP 1 223 631 A2 is pointed out, but in which not the resistance of the cooling medium, but the voltage applied between a pole of the fuel cell and the ground terminal during operation of the cell voltage is measured.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Kühlmediums eines Brennstoffzellensystems einschließlich ihrer vorteilhaften Weiterbildungen wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The device according to the invention for determining the conductivity of a cooling medium of a fuel cell system including its advantageous developments is explained in more detail below with reference to the drawing of an embodiment.

Es zeigtIt shows

1 schematisch eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Brennstoffzellenstack, Wechselrichter und Widerstandsmesselement. 1 schematically an embodiment of the device according to the invention with fuel cell stack, inverter and resistance measuring element.

In der einzigen 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Kühlmediums eines Brennstoffzellensystems schematisch dargestellt. Diese Vorrichtung umfasst eine vom Kühlmedium durchströmte Brennstoffzelle 1 (hier als sogenannter PEM-Brennstoffzellenstack ausgebildet) mit elektrischen Polen 2, 3 und einen mit diesen Polen 2, 3 elektrisch verbundenen Wechselrichter 4 zur Umwandlung des von der Brennstoffzelle 1 erzeugten Gleichstroms in Wechselstrom. Zum Potentialausgleich sind mindestens mit dem Kühlmedium in Verbindung stehende Teile der Brennstoffzelle 1 bzw. des Brennstoffzellensystems und vorzugsweise der Wechselrichter 4 (gepunktete Linie) mit einem gleichen elektrischen Masseanschluss 5 verbunden. Dieser kann, wie dargestellt, als Erdung oder auch (nicht dargestellt) als ein gemeinsames Gehäuse der Brennstoffzelle und vorzugsweise des Wechselrichters ausgebildet sein.In the only one 1 the device according to the invention for determining the conductivity of a cooling medium of a fuel cell system is shown schematically. This device comprises a fuel cell through which the cooling medium flows 1 (designed here as a so-called PEM fuel cell stack) with electrical poles 2 . 3 and one with these poles 2 . 3 electrically connected inverter 4 for the conversion of the fuel cell 1 generated direct current into alternating current. For potential equalization are at least connected to the cooling medium parts of the fuel cell 1 or the fuel cell system and preferably the inverter 4 (dotted line) with a same electrical ground connection 5 connected. This can, as shown, be designed as a ground or (not shown) as a common housing of the fuel cell and preferably of the inverter.

Weiterhin ist vorgesehen, dass zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Kühlmediums zwischen dem Masseanschluss 5 und einem der beiden Pole 2, 3 der Brennstoffzelle 1 ein Widerstandsmesselement 6 vorgesehen ist bzw. dass die Bestimmung der Leitfähigkeit des Kühlmediums mittels eines zwischen dem Masseanschluss 5 und einem der beiden Pole 2, 3 der Brennstoffzelle 1 vorgesehenen Widerstandsmesselement 6 erfolgt.Furthermore, it is provided that for determining the conductivity of the cooling medium between the ground terminal 5 and one of the two poles 2 . 3 the fuel cell 1 a resistance measuring element 6 is provided or that the determination of the conductivity of the cooling medium by means of a between the ground terminal 5 and one of the two poles 2 . 3 the fuel cell 1 provided resistance measuring element 6 he follows.

Wesentlich für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nun, dass das Widerstandsmesselement 6 als integraler Bestandteil des mit den Polen 2, 3 der Brennstoffzelle 1 elektrisch verbundenen Wechselrichters 4 ausgebildet ist.Essential for the device according to the invention is now that the resistance measuring element 6 as an integral part of the poles 2 . 3 the fuel cell 1 electrically connected inverter 4 is trained.

Wie bereits erwähnt, kann dabei das Widerstandsmesselement 6 wahlweise als ohmsches Widerstandsmessgerät (bei Gleichstrom) oder als Impedanzmessgerät (bei Wechselstrom) ausgebildet sein.As already mentioned, while the resistance measuring element 6 optionally be designed as ohmic resistance meter (in DC) or as an impedance meter (in AC).

Wie ferner eingangs erwähnt, sind Widerstandsmesselemente konstruktiv wesentlich einfacher als Leitfähigkeitssensoren an der Vorrichtung vorzusehen, insbesondere gemäß der erfindungsgemäßen Ausbildung, bei der das Widerstandsmesselement 6 als integraler Bestandteil des Wechselrichters 4 ausgebildet ist; wobei diesbezüglich anzumerken bleibt, dass natürlich auch in diesem Fall das Widerstandsmesselement 6 zwischen dem Masseanschluss 5 und einem der beiden Pole 2, 3 angeordnet ist (in diesem Fall ist die gepunktet dargestellte Verbindung zwingend), da die Pole 2, 3 ja stets elektrisch unmittelbar mit dem Wechselrichter 4 verbunden sind.As also mentioned in the beginning, resistance measuring elements are structurally much simpler to provide than conductivity sensors on the device, in particular according to the embodiment of the invention, in which the resistance measuring element 6 as an integral part of the inverter 4 is trained; in this regard, it should be noted that, of course, in this case, the resistance measuring element 6 between the ground connection 5 and one of the two poles 2 . 3 is arranged (in this case, the dotted connection is mandatory), since the poles 2 . 3 yes always electrically directly with the inverter 4 are connected.

Bezüglich des Kühlmediums ist vorteilhaft vorgesehen, dass hierzu eine elektrisch leitende Flüssigkeit, vorzugsweise deionisiertes Wasser, verwendet wird. Steigt die Anzahl der im Wasser vorhandenen Ionen an, erhöht sich die Leitfähigkeit auf einen vordefinierten Leitfähigkeitsschwellwert. Dies wird z. B. bei einer routinemässigen Betriebsunterbrechung festgestellt. Eine entsprechend ausgebildete Sicherheitsschaltung sorgt dann zur Gewährleistung eines regulären, fehlerfreien und wirkungsgradoptimierten Betriebes dafür, dass der Betrieb der Vorrichtung mindestens solange unterbrochen ist, bis frisch deionisiertes Wasser nachgefüllt und der Widerstandswert wieder einen hinreichend hohen Wert erreicht hat.With regard to the cooling medium, it is advantageously provided that an electrically conductive liquid, preferably deionized water, is used for this purpose. If the number of ions present in the water increases, the conductivity increases to a predefined conductivity threshold value. This is z. B. found during a routine business interruption. An appropriately trained safety circuit then ensures to ensure a regular, error-free and efficiency-optimized operation that the operation of the device is interrupted at least until freshly deionized water refilled and the resistance value has reached a sufficiently high value again.

Wie erwähnt, kann die Leitfähigkeitsmessung schließlich aber auch per Impedanzmessung (bei aufgeprägtem Wechselstrom) während des Betriebs erfolgen.As mentioned above, the conductivity measurement can finally also be done by impedance measurement (with impressed alternating current) during operation.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Brennstoffzellefuel cell
22
Polpole
33
Polpole
44
Wechselrichterinverter
55
Masseanschlussground connection
66
WiderstandsmesselementResistance measuring element

Claims (5)

Vorrichtung zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Kühlmediums eines Brennstoffzellensystems, umfassend eine vom Kühlmedium durchströmte Brennstoffzelle (1) mit elektrischen Polen (2, 3) und einen Wechselrichter (4) zur Umwandlung des von der Brennstoffzelle (1) erzeugten Gleichstroms in Wechselstrom, wobei mindestens mit dem Kühlmedium in Verbindung stehende Teile der Brennstoffzelle (1) zum Potentialausgleich mit einem elektrischen Masseanschluss (5) verbunden sind, wobei zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Kühlmediums zwischen dem Masseanschluss (5) und einem der beiden Pole (2, 3) der Brennstoffzelle (1) ein Widerstandsmesselement (6) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsmesselement (6) als integraler Bestandteil des mit den Polen (2, 3) der Brennstoffzelle (1) elektrisch verbundenen Wechselrichters (4) ausgebildet ist.Device for determining the conductivity of a cooling medium of a fuel cell system, comprising a fuel cell through which the cooling medium flows ( 1 ) with electrical poles ( 2 . 3 ) and an inverter ( 4 ) for converting the fuel cell ( 1 ) generated in DC, wherein at least with the cooling medium in communication related parts of the fuel cell ( 1 ) for equipotential bonding with an electrical ground connection ( 5 ) to determine the conductivity of the cooling medium between the ground terminal ( 5 ) and one of the two poles ( 2 . 3 ) of the fuel cell ( 1 ) a resistance measuring element ( 6 ), characterized in that the resistance measuring element ( 6 ) as an integral part of the poland ( 2 . 3 ) of the fuel cell ( 1 ) electrically connected inverter ( 4 ) is trained. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Masseanschluss (5) als Gehäuse mindestens der Brennstoffzelle (1) und vorzugsweise des Wechselrichters (4) ausgebildet ist. Apparatus according to claim 1, characterized in that the ground connection ( 5 ) as a housing of at least the fuel cell ( 1 ) and preferably the inverter ( 4 ) is trained. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium eine elektrisch leitende Flüssigkeit, vorzugsweise deionisiertes Wasser, vorgesehen ist.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the cooling medium is an electrically conductive liquid, preferably deionized water, is provided. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsmesselement (6) wahlweise als ohmsches Widerstandsmessgerät oder als Impedanzmessgerät ausgebildet ist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the resistance measuring element ( 6 ) is designed either as ohmic resistance measuring device or as an impedance measuring device. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewährleistung eines regulären, fehlerfreien Betriebs eine Sicherheitsschaltung vorgesehen ist, die bei Überschreiten einer vordefinierten Leitfähigkeit des Kühlmediums eine Betriebsunterbrechung bewirkt.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that to ensure a regular, error-free operation, a safety circuit is provided which causes a service interruption when a predefined conductivity of the cooling medium is exceeded.
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