DE102008006931A1

DE102008006931A1 - Sensor zur Erfassung eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter und Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Sensor

Info

Publication number: DE102008006931A1
Application number: DE200810006931
Authority: DE
Inventors: Thomas Baur; Ralph Dr.-Ing. Fischer; Boris Dipl.-Ing. Stein (Fh)
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2009-08-13
Also published as: WO2009095186A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter, mit einem metallischen Gehäuse (2) mit einer Öffnung (3), aus der sich ein Element (5) erstreckt, welches aus einem Detektorelement (7) ausgebildet ist, das von einem dielektrischen Material (6) umgeben ist, wobei das dielektrische Material (6) von einer Lackschicht (11) umgeben ist. Die Erfindung betrifft auch ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Sensor.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter, mit einem metallischen Gehäuse mit einer Öffnung, aus der sich ein Element erstreckt, welches aus einem dielektrischen Material ausgebildet ist, in das ein Detektorelement eingebettet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Sensor.
Ein derartiger Sensor ist in einer beispielhaften Schnittdarstellung in 1 gezeigt. Der Sensor 1 umfasst das metallische Gehäuse 2 mit einer frontseitigen Öffnung 3, aus welcher sich ein stabförmiges Element 5 erstreckt, welches ein aus Messing ausgebildetes Detektorelement umfasst, das von dem dielektrischen Material 6, z. B. einer Kunststoffhülle, umgeben ist und somit in dieses eingebettet ist. In dem Gehäuse 2 ist des Weiteren eine Steuer- und Auswerteelektronik 8 angeordnet, welche mit dem Gehäuse 2 und mit dem Detektorelement 7 elektrisch kontaktiert ist.
Ein in 1 gezeigter Sensor wird auch in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt, um dort beispielsweise den Füllstand des Wassers in einem dem Brennstoffzellensystem zugeordneten Behälter detektieren zu können. Der Sensor 1 arbeitet gemäß dem kapazitiven Prinzip.
Das in dem Behälter des Brennstoffzellensystems befindliche Medium, dem dann auch der Sensor 1 ausgesetzt ist, enthält auch Ausschwemmungen aus dem System, wie Kohlestofffasern, Aluminate und Silikate. Diese setzen sich nach kurzer Zeit auf der Außenseite des stabförmigen Elements 5 ab und bilden dort einen dichten Belag. Dieser Belag ist durch die Bezugszeichen 9 und 10 gekennzeichnet.
Nachteilige Eigenschaften dieser Verschmutzungen, welche sich als Belag 9 und 10 niederschlagen, sind zum einen, dass sie in sich Wasser speichern können und zum zweiten, dass sie elektrisch leitfähig sind. Somit bildet die Verschmutzung in Form des Belags 9 bzw. 10 eine leitfähige Brücke zwischen dem stabförmigen Element 5 und dem metallischen Gehäuse 2, insbesondere dem vorderen Rand 4. Dadurch wird quasi eine Elektrode um die Spitze und somit dem stabförmigen Element 5 gebildet, so dass der Sensor 1 quasi kein Wasser in dem Behälter mehr erkennen kann und den Füllstand somit nicht oder falsch detektiert.
Ein weiterer Fühler zur Erfassung des Füllstands von in Behältern eingebrachten Medien ist aus der DE 100 21 059 B4 bekannt, welcher in ähnlicher Weise wie der in der 1 gezeigte Sensor 1 aufgebaut ist.
Des Weiteren ist aus der DE 38 12 687 A1 ein kapazitiver Sensor zum Bestimmen des Niveaus einer Flüssigkeit in einem Behälter bekannt. Bei diesem Sensor sind zwei Elektroden vorgesehen, welche aus Titan bestehen und jeweils mit einer Deckschicht aus Titandioxid umgeben sind.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor zu schaffen, mit dem die Füllstandserfassung auch in Medien, welche Ausschwemmungen aufweisen, präzise erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor, welcher die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, und ein Brennstoffzellensystem, welches die Merkmale nach Anspruch 8 aufweist, gelöst.
Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Erfassung eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter umfasst ein metallisches Gehäuse mit einer Öffnung, aus der sich ein Detektorelement erstreckt, welches von einem dielektrischen Material umgeben ist. Das dielektrische Material ist von einer Lackschicht umgeben.
Das dielektrische Material umfasst vorzugsweise eine keramische Schicht und eine darauf befindliche Lackschicht. Beide Schichten sind elektrische Isolatoren und wirken als Dielektrikum. Die Lackschicht weist sehr gute Anti-Hafteigenschaften auf, so dass sich Schmutzpartikel nur schwer anlagern können. Dadurch kann eine wesentlich verbesserte Funktionalität des Sensors im Hinblick auf die Füllstandsdetektion erreicht werden. Das Ausbilden von Verschmutzungen als Schicht auf dem als Elektrode ausgebildeten Element kann dadurch verhindert werden.
Vorzugsweise ist die Lackschicht ein Teflon^® (PTFE)-Lack oder ein anderer gleichermaßen geeigneter Polymerlack, der insbesondere perfluorierte Kunststoffe enthält.
Die keramische Schicht hat neben den sehr guten elektrisch isolierenden Eigenschaften auch die Wirkung eines Haftvermittlers für die Lackschicht auf dem Detektorelement, die dadurch besonders gut haftet. Die Oberfläche der keramischen Schicht zeigt eine ausreichende Oberflächenrauhigkeit, so dass sich Lackschicht in den Vertiefungen als Verankerungsstellen gut verankern kann. Weiterhin hat die keramische Schicht den Vorzug einer hohen mechanischen Stabilität. Da sich der Sensor mit diesen Schichten in einer bewegten Flüssigkeit befindet, die Partikel enthält, können diese tribologisch auf die Schicht einwirken. Im Falle einer tribologischen Belastung wird die mechanisch nicht stabile Polymerschicht nur bis zu den Spitzen der rauhen Keramikschicht abgetragen, so dass an diesen Stellen die äußerst stabile keramische Schicht an die Oberfläche tritt, die gegen weitere Abrasion besser schützt als die Lackschicht. Es konnte festgestellt werden, dass an diesen Stellen auch die Anti-Hafteigenschaften erhalten bleiben, da sich in den Vertiefungen der keramischen Schicht immer noch Reste der Lackschicht befinden, die auch an diesen beschädigten Abschnitten eine genügend hohe Anti-Hafteigenschaft bewirken. Durch diese Ausgestaltung kann bei einem spezifischen dielektrischen Material die Oberflächenstruktur ausgenutzt werden, um verbesserte Eigenschaften im Hinblick auf das Funktionsverhalten des Sensors und insbesondere im Hinblick auf die Anlagerung von Verschmutzungen, welche als Ausschwemmungen in der Flüssigkeit enthalten sind, erreichen zu können.
Besonders bevorzugt erweist es sich, wenn das dielektrische Material in der Keramikschicht eine Oxidkeramik ist. Gerade dieses Material hat eine Oberflächenstruktur, bei dem das Anlagern von Verschmutzungen unter Mitwirkung der Lackschicht nicht oder nur sehr gering auftritt und das Anhaften von Verschmutzungen somit deutlich reduziert werden kann. Darüber hinaus ist diese Ausgestaltung eines derartig spezifizierten dielektrischen Materials bestehend aus einer Oxidkeramik mit einer darauf ausgebildeten Lackschicht relativ einfach von Verschmutzungen zu befreien, beispielsweise durch einfaches Abspülen.
Darüber hinaus kann dadurch eine derartige Ausgestaltung des dielektrischen Materials, vorzugsweise mit einer Oxidkeramik, mit einer darauf aufgebrachten Lackschicht eine gegenüber der herkömmlichen Ausgestaltung mit einer Kunststoffhülle als weniger wasserstoffdurchlässig betrachtet werden.
Insbesondere enthält das dielektrische Material in der Keramikschicht eine Aluminium-Oxidkeramik oder eine Titan-Oxidkeramik. Beide spezifischen Ausgestaltungen einer Oxidkeramik sind besonders geeignet, um die Funktionalität des Sensors zu verbessern und die Anlagerung von Verschmutzungen zu verhindern.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst einen Behälter zur Aufnahme von Wasser, und einen erfindungsgemäßen Sensor oder eine vorteilhafte Ausgestaltung davon, welcher zur Füllstandsmessung in dem Behälter angeordnet ist. Insbesondere ist das Brennstoffzellensystem ein mobiles Brennstoffzellensystem, welches in einem Kraftfahrzeug angeordnet werden kann. Das Brennstoffzellensystem umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, vorzugsweise einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, wobei eine Brennstoffzelle vorzugsweise als PEM-Brennstoffstelle ausgebildet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Sensors; und
2 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors.
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 2 ist in einer Schnittdarstellung ein Sensor 1 gezeigt, welcher zur Erfassung eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter ausgebildet ist. Der Behälter und der Sensor 1 sind einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug zugeordnet, wobei die Flüssigkeit Wasser ist, und Verschmutzungen in Form von beispielsweise Kohlestofffasern und/oder Aluminate und/oder Silikate aufweisen kann.
Der Sensor 1 umfasst ein aus einem metallischen Material ausgebildetes Gehäuse 2, welches eine frontseitige Öffnung 3 (1) aufweist.
Aus dieser Öffnung erstreckt sich nach vorne ein stabförmiges Element 5, welches ein dielektrisches Material 6 aufweist, in welches ein Detektorelement 7 in Form einer Messingspitze integriert ist und von diesem dielektrischen Material 6 umgeben ist. Das stabförmige Element 5 stellt somit eine Elektrode dar. Im Gehäuse 2 ist des Weiteren eine Steuer- und Auswerteelektronik 8 angeordnet.
Das Detektorelement 7 ist durch das als eine Oxidkeramik ausgebildete dielektrische Material 6 umgeben, beziehungsweise außerhalb der Öffnung 3 in diese Oxidkeramik eingebettet. Die Oxidkeramik kann vorzugsweise eine Aluminium-Oxidkeramik oder eine Titan-Oxidkeramik sein.
Das dielektrische Material 6 ist darüber hinaus durch eine Lackschicht 11 bedeckt. Die Lackschicht 11 ist im Ausführungsbeispiel ein PTFE-(Teflon^®)-Lack.
Die Lackschicht 11 ist so auf dem dielektrischen Material 6 ausgebildet, dass die Oberflächenstruktur der Oxidkeramik zumindest bereichsweise durch die Oberflächenstruktur der aufgebrachten Lackschicht 11 dargestellt ist, ohne dass die Oxidkeramik durch die Lackschicht 11 durchgedrückt wäre und dann freigelegt wäre.
Durch die Ausgestaltung des Sensors 1 gemäß 2 kann die Ausbildung der Schicht beziehungsweise des Belags 9 und 10 zumindest wesentlich reduziert werden.

1: Sensor
2: Gehäuse
3: Öffnung
4: vorderer Rand
5: stabförmiges Element
6: dielektrisches Material
7: Detektorelement
8: Steuer- und Auswerteelektronik
9, 10: Belag
11: Lackschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10021059 B4 [0006]
- DE 3812687 A1 [0007]

Claims

Sensor zur Erfassung eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter, mit einem metallischen Gehäuse (2) mit einer Öffnung (3), aus der sich ein Element (5) erstreckt, welches ein Detektorelement (7) umfasst, das von einem dielektrischen Material (6) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material (6) von einer Lackschicht (11) umgeben ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackschicht (11) ein perfluorierter Polymerlack, insbesondere ein PTFE- oder Teflon^®-Lack ist.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material (6) eine Oberflächenrauhigkeit mit Vertiefungen als Verankerungsstellen für die aufgebrachte Lackschicht (11) aufweist.
Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackschicht (11) zumindest abschnittsweise nur in den Vertiefungen des dielektrischen Materials (6) vorhanden ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material (6) eine Oxidkeramik ist.
Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material (6) eine Aluminium-Oxidkeramik ist.
Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material (6) eine Titan-Oxidkeramik ist.
Brennstoffzellensystem mit einem Behälter zur Aufnahme von Wasser, und einem Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher zur Füllstandsmessung in dem Behälter angeordnet ist.