DE102010004626A1

DE102010004626A1 - Device for determining concentration of alcohol content, of alcoholic-water-mixture in fuel cell in e.g. cleaning system, of motor vehicle, has resistive component determining temperature dependent electrical characteristics

Info

Publication number: DE102010004626A1
Application number: DE201010004626
Authority: DE
Inventors: Gregor Dr. 54292 Hoogers; Thorsten 66955 Knierim; Alexander Dr. 66955 Dyck
Original assignee: Fwb Kunststofftechnik 66955 GmbH; FWB KUNSTSTOFFTECHNIK GmbH
Current assignee: Fwb Kunststofftechnik 66955 GmbH; FWB KUNSTSTOFFTECHNIK GmbH
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2011-07-21

Abstract

The device (1) has a resistive component (7) including a contact surface (8) for electrically and thermal contacting a fluid-mixture and supplied with electric voltage for heating the fluid-mixture. The resistive component is connected with a measuring device for determining temperature dependent electrical characteristics of the resistive component. The resistive component is retained in a housing (2) that forms a passage volume for influencing a flow of the fluid-mixture, where the passage volume is aligned in a region of the resistive component. An independent claim is also included for a method for determining concentration of a component of a fluid-mixture.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer Komponente einer Flüssigkeits-Mischung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Komponente einer Flüssigkeits-Mischung.The invention relates to a device for determining the concentration of a component of a liquid mixture according to the preamble of claim 1 and to a method for determining the concentration of a component of a liquid mixture.

Flüssige Brennstoffe für Brennstoffzellen bestehen regelmäßig aus einer Mischung von Flüssigkeitskomponenten. Für einen optimalen Betrieb einer Brennstoffzelle unter verschiedenen Lastbedingungen ist es notwendig, die Konzentration von Flüssigkeitskomponenten des Brennstoffs gezielt einstellen zu können. Um eine Regelung der Konzentration des Brennstoffs zu ermöglichen, wird ein Sensor zur Bestimmung der Konzentration benötigt.Liquid fuels for fuel cells regularly consist of a mixture of liquid components. For optimal operation of a fuel cell under different load conditions, it is necessary to be able to set the concentration of liquid components of the fuel targeted. In order to enable a regulation of the concentration of the fuel, a sensor is needed to determine the concentration.

Eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC = Direkt Methanol Fuel Cell) verwendet als flüssigen Brennstoff eine Flüssigkeits-Mischung, umfassend Methanol und Wasser. Ebenso sind Brennstoffzellen bekannt, die wenigstens einen anderen ein oder mehrwertigen Alkohol wie Ethanol, Glykol, Isopropanol oder eine Mischung aus Alkoholen umfassend Methanol, Ethanol, Glykol, oder Isopropanol als Brennstoff verwenden. Die Alkohol-Wasser-Mischung wird dabei im Überschuss entlang der Anodenseite einer protonenleitenden Polymermembran geleitet und dort zu Kohlendioxid umgesetzt. Zum wirtschaftlichen Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff in einem Kreislauf geführt. Um eine optimale Konzentration von Alkohol in dem Brennstoff sicherzustellen, ist stromaufwärts der Membran eine Mischvorrichtung zum Zusetzen von Alkohol in den Brennstoff vorgesehen. Durch das Führen des Brennstoffs im Kreislauf reichert sich Kohlendioxid in dem Brennstoff an, das teilweise in dem flüssigen Brennstoff gelöst ist und teilweise in der Form von Gasblasen vorliegt. Eine Bestimmung der Alkoholkonzentration in dem Brennstoff mittels des Sensors muss unabhängig von dem im Brennstoff vorhandenen Kohlendioxid zuverlässig funktionieren.A Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) uses as liquid fuel a liquid mixture comprising methanol and water. Likewise known are fuel cells which use at least one other monohydric or polyhydric alcohol, such as ethanol, glycol, isopropanol or a mixture of alcohols comprising methanol, ethanol, glycol or isopropanol as fuel. The alcohol-water mixture is passed in excess along the anode side of a proton-conducting polymer membrane and converted there to carbon dioxide. For economical operation of the fuel cell, the fuel is circulated. In order to ensure an optimum concentration of alcohol in the fuel, a mixing device for adding alcohol to the fuel is provided upstream of the membrane. By circulating the fuel, carbon dioxide accumulates in the fuel, which is partially dissolved in the liquid fuel and partially in the form of gas bubbles. Determining the concentration of alcohol in the fuel by means of the sensor must function reliably regardless of the carbon dioxide present in the fuel.

Sensoren zur direkten Bestimmung der Konzentration einer Flüssigkeitskomponente in einer Flüssigkeit, insbesondere zur Bestimmung der Alkoholkonzentration in einer flüssigen Alkohol-Wasser-Mischung, sind auch außerhalb des Gebiets der Brennstoffzellen von großem Interesse. Insbesondere besteht ein Bedarf zur Bereitstellung eines Sensors zur Bestimmung der Konzentration von als Frostschutzmittel verwendeten Alkoholen in Wassersystemen von Kraftfahrzeugen.Sensors for directly determining the concentration of a liquid component in a liquid, in particular for determining the alcohol concentration in a liquid alcohol-water mixture, are also of great interest outside the field of fuel cells. In particular, there is a need to provide a sensor for determining the concentration of alcohols used as antifreeze in automotive water systems.

Eine bekannte Methode zur Bestimmung der Konzentration eines Brennstoffs in einer Flüssigkeits-Mischung ist die Bestimmung der Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit oder des Siedepunkts der Flüssigkeits-Mischung, die in charakteristischer Weise von der jeweiligen Konzentration der Komponenten der Flüssigkeits-Mischung abhängt.A known method for determining the concentration of a fuel in a liquid mixture is the determination of the heat capacity, thermal conductivity or boiling point of the liquid mixture, which characteristically depends on the particular concentration of the components of the liquid mixture.

DE 201 22 320 U1 beschreibt einen Flusssensor zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit einer Flüssigkeit in einem Rohrabschnitt. Der Flusssensor umfasst einen ersten Temperatursensor, einen elektrischen Widerstand und einen zweiten Temperatursensor, die gemeinsam auf einer an einer Außenseite des Rohrabschnitts angebrachten Platine angeordnet sind und jeweils in thermischem Kontakt zu der Rohraußenseite stehen. Der erste Temperatursensor ist stromaufwärts des elektrischen Widerstands, der zweite Temperatursensor stromabwärts des elektrischen Widerstands angeordnet, so dass jeweils eine Temperatur der Rohraußenseite stromaufwärts bzw. stromabwärts des Widerstands bestimmbar ist. Der elektrische Widerstand dient zum Einbringen einer Wärmemenge in das Rohr und die in dem Rohr geführte Flüssigkeit, wobei die Bewegung der Flüssigkeit zu einer Temperaturdifferenz zwischen den stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Temperatursensoren führt, aus der auf die Bewegungsgeschwindigkeit bzw. den Volumenstrom der Flüssigkeit geschlossen wird. Nachteilig ist, dass zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit zwei Temperatursensoren notwendig sind, so dass systematische Abweichungen der mittels der Temperatursensoren bestimmten Temperaturen zu einer falschen Bestimmung der Temperaturdifferenz und somit zu Fehlern in den ermittelten Flusswerten führen. Weiter ist nachteilig, dass das Verfahren nur bei unveränderlicher Temperatur und Wärmekapazität der Flüssigkeit eine zuverlässige Bestimmung der Fließgeschwindigkeit zulässt. Zeitliche Änderungen der Wärmekapazität, beispielsweise bedingt durch eine Konzentrationsänderung eines Flüssigkeitsgemisches, führen zu einer durch das Verfahren nicht erkennbaren Verfälschung der bestimmten Fließgeschwindigkeiten. DE 201 22 320 U1 describes a flow sensor for determining the flow rate of a liquid in a pipe section. The flow sensor comprises a first temperature sensor, an electrical resistor and a second temperature sensor, which are arranged together on a mounted on an outer side of the pipe section board and are each in thermal contact with the pipe outside. The first temperature sensor is arranged upstream of the electrical resistance, the second temperature sensor downstream of the electrical resistance, so that in each case a temperature of the pipe outside upstream or downstream of the resistor can be determined. The electrical resistance serves to introduce a quantity of heat into the tube and the liquid guided in the tube, the movement of the liquid leading to a temperature difference between the upstream and downstream temperature sensors, from which reference is made to the movement speed or the volume flow of the liquid. The disadvantage is that two temperature sensors are necessary for determining the flow rate of the liquid, so that systematic deviations of the temperatures determined by means of the temperature sensors lead to an incorrect determination of the temperature difference and thus to errors in the determined flow values. Another disadvantage is that the method allows reliable determination of the flow rate only at constant temperature and heat capacity of the liquid. Temporal changes in the heat capacity, for example, due to a change in concentration of a liquid mixture, lead to a not recognizable by the method distortion of the specific flow rates.

DE 199 48 908 C2 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Alkoholkonzentration in einer mit einem Alkohol/Wasser-Gemisch als Brennstoff betriebenen Brennstoffzelle, bei dem der Brennstoff mit konstanter Fließgeschwindigkeit durch eine Heizstrecke gefördert wird und eine Temperatur des Brennstoffs jeweils zu Beginn und am Ende der Heizstrecke bestimmt wird. Die Heizstrecke umfasst eine elektrisch betriebene Schlauchheizung, die ein elektrisches Widerstandsbauteil ausbildet und durch Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom eine definierte Wärmemenge in den Brennstoff einleitet. Aus den gemessenen Temperaturen wird die spezifische Wärmekapazität des Brennstoffs und aus dieser die Alkoholkonzentration des Brennstoffs berechnet. Weiter wird ein Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung zur Bestimmung der Alkoholkonzentration des Brennstoffs mit diesem Verfahren beschrieben. Nachteilig an dem beschriebenen Verfahren ist, dass eine konstante Fließgeschwindigkeit des Brennstoffs mit hoher Genauigkeit einzuhalten ist, da bereits geringe Abweichungen der Fließgeschwindigkeit zu einer von dem tatsächlichen Wert abweichenden, ermittelten Alkoholkonzentration führen. Entsprechend ist es notwendig, zur Förderung des Brennstoffs ein diesen Ansprüchen genügendes Pumpsystem zu verwenden, was zu hohen Kosten führt. Die mit dem Verfahren ermittelte Alkoholkonzentration ist von der absoluten Fließgeschwindigkeit des Brennstoffs abhängig, so dass das Vorsehen eines Sensors zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit zur genauen Bestimmung der Alkoholkonzentration notwendig ist. Weiter sind zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens zwei Temperatursensoren notwendig, jeweils einer am Beginn und am Ende der Heizstrecke. Dies führt neben erhöhten Kosten für die Bereitstellung von zwei Temperatursensoren bei für den jeweiligen Sensor spezifischen Abweichungen der gemessenen Temperatur von der tatsächlichen Temperatur auch zu falsch ermittelten Temperaturdifferenzen, wodurch sich unmittelbar eine fehlerhafte Bestimmung der Brennstoffkonzentration ergibt. Die Heizstrecke zur Erwärmung des Brennstoffs erstreckt sich zur Gewährleistung einer ausreichenden Erwärmung über eine relativ große Distanz, so dass die Vorrichtung insgesamt großen Bauraum beansprucht. Weiter wird über die gesamte Erstreckung der Heizstrecke ein relativ großes Volumen des Brennstoffs erwärmt, was einen entsprechend großen Energieeintrag notwendig macht. DE 199 48 908 C2 describes a method for determining the alcohol concentration in a fuel cell operated with an alcohol / water mixture fuel cell in which the fuel is conveyed at a constant flow rate through a heating path and a temperature of the fuel is determined at the beginning and at the end of the heating section. The heating section comprises an electrically operated hose heating, which forms an electrical resistance component and initiates a defined amount of heat in the fuel by applying an electric current. From the measured temperatures, the specific heat capacity of the fuel and from this the alcohol concentration of the fuel is calculated. Further, a fuel cell system having a device for determining the alcohol concentration of the fuel by this method described. A disadvantage of the method described is that a constant flow rate of the fuel must be maintained with high accuracy, since even small deviations of the flow rate lead to a deviating from the actual value, determined alcohol concentration. Accordingly, it is necessary to use a pump system satisfying these requirements to promote the fuel, which leads to high costs. The alcohol concentration determined by the method is dependent on the absolute flow rate of the fuel, so it is necessary to provide a sensor for determining the flow rate for accurate determination of the alcohol concentration. Next, two temperature sensors are necessary to carry out the method described, one at the beginning and at the end of the heating section. This leads, in addition to increased costs for the provision of two temperature sensors for deviations of the measured temperature from the actual temperature, which are specific for the respective sensor, also to incorrectly determined temperature differences, which immediately results in an erroneous determination of the fuel concentration. The heating section for heating the fuel extends to ensure sufficient heating over a relatively large distance, so that the device claimed a large overall space. Next, a relatively large volume of the fuel is heated over the entire extent of the heating, which makes a correspondingly large energy input necessary.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Komponente einer Flüssigkeits-Mischung anzugeben, die eine zuverlässige Bestimmung der Konzentration ermöglicht.It is the object of the invention to provide an apparatus and a method for determining the concentration of a component of a liquid mixture, which enables a reliable determination of the concentration.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer Komponente einer Flüssigkeits-Mischung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Komponente einer Flüssigkeits-Mischung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.This object is achieved by a device for determining the concentration of a component of a liquid mixture having the features of claim 1 and by a method for determining the concentration of a component of a liquid mixture having the features of claim 5.

Das mit der Flüssigkeits-Mischung in thermischen Kontakt bringbare elektrische Widerstandsbauteil ermöglicht vorteilhaft eine zuverlässige Ermittlung von Temperaturdifferenzen der Flüssigkeits-Mischung, da eine Temperaturdifferenz durch zeitlich aufeinanderfolgende Messung von temperaturabhängigen elektrischen Eigenschaften desselben Widerstandsbauteils bestimmt wird und somit systematische Abweichungen zwischen zwei getrennten Temperatursensoren keine Rolle spielen. Die Verwendung des Widerstandsbauteils zur Erwärmung der Flüssigkeits-Mischung ermöglicht eine zuverlässige Dosierung der eingebrachten Wärmemenge. Die Vorrichtung weist vorteilhaft einen sehr raumsparenden Aufbau auf, da sowohl zur Temperaturmessung als auch zur Erwärmung der Flüssigkeits-Mischung nur ein Bauteil benötigt wird. Auf das Vorsehen einer Mehrzahl von Temperatursensoren kann vorteilhaft verzichtet werden. Es versteht sich, dass gleichwohl eine Anordnung von mehreren Widerstandsbauteilen möglich ist, falls dies gewünscht ist. Vorzugsweise erfolgt eine Bestimmung der Konzentration des Brennstoffs bei relativ zu dem Widerstandsbauteil unbewegter oder nur wenig bewegter Flüssigkeits-Mischung.The electrical resistance component which can be brought into thermal contact with the liquid mixture advantageously makes it possible to reliably determine temperature differences of the liquid mixture, since a temperature difference is determined by temporally successive measurement of temperature-dependent electrical properties of the same resistance component and thus systematic deviations between two separate temperature sensors are irrelevant , The use of the resistance component to heat the liquid mixture allows a reliable metering of the amount of heat introduced. The device advantageously has a very space-saving design, since only one component is needed both for temperature measurement and for heating the liquid mixture. The provision of a plurality of temperature sensors can advantageously be dispensed with. It is understood, however, that an arrangement of several resistance components is possible, if desired. Preferably, a determination of the concentration of the fuel is carried out at relatively stationary or only slightly moving liquid mixture relative to the resistance component.

In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung weist das Widerstandsbauteil ein einzelnes, flächig oder in Form eines mäandernden, drahtförmigen Leiters ausgebildetes, elektrisch kontaktierbares Bauteil auf. In einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung weist das Widerstandsbauteil zwei separat elektrisch kontaktierbare Teile auf, die vorzugsweise jeweils als mäandernde, eine gemeinsame Fläche überdeckende drahtförmige Leiter ausgebildet sind. Dies ermöglicht vorteilhaft das gleichzeitige Erwärmen der angrenzenden Flüssigkeits-Mischung durch Beaufschlagen des ersten Leiters mit einem elektrischen Strom und das Messen einer Temperatur der Flüssigkeits-Mischung im Bereich der erwärmten Fläche durch Messung eines elektrischen Widerstands des zweiten Leiters.In a first preferred embodiment, the resistance component has a single, sheet-like or in the form of a meandering, wire-shaped conductor formed, electrically contactable component. In a further, likewise preferred embodiment, the resistance component has two separately electrically contactable parts, which are preferably designed in each case as a meandering, a common surface covering wire-shaped conductor. This advantageously allows simultaneous heating of the adjacent liquid mixture by impinging the first conductor with an electric current and measuring a temperature of the liquid mixture in the region of the heated surface by measuring an electrical resistance of the second conductor.

Vorzugsweise ist das Widerstandsbauteil in einem von der Flüssigkeits-Mischung durchströmbaren Gehäuse aufgenommen. Dies ermöglicht vorteilhaft ein Umströmen des Widerstandsbauteils mit der Flüssigkeits-Mischung, so dass ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Widerstandsbauteil und der Flüssigkeits-Mischung hergestellt ist. Auf dem Widerstandsbauteil niedergeschlagene oder bei einem Erwärmen der ruhenden Flüssigkeits-Mischung auf dem Widerstandsbauteil entstandene Kohlendioxid-Gasblasen, die eine Messung der Brennstoffkonzentration wegen der dadurch veränderten Wärmeübertragung beeinflussen können, sind durch ein anschließendes Umströmen des Widerstandsbauteils durch die Flüssigkeits-Mischung leicht entfernbar. Durch eine lösbare Aufnahme des Widerstandsbauteils in dem Gehäuse ist dieses vorteilhaft zu Reparatur- oder Wartungszwecken austauschbar. Vorteilhaft ist das Widerstandsbauteil als standardisierter elektrischer Widerstand ausgebildet, besonders bevorzugt durch einen kommerziell erhältlichen 10 Ohm-Platin-Widerstand (Pt-10-Widerstand), einen 50 Ohm-Platin-Widerstand (Pt-50-Widerstand), oder beides, wobei für jeden der genannten Widerstände eine charakteristische Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands mit hoher Genauigkeit bekannt ist. Wenn das Widerstandsbauteil zwei separat kontaktierbare elektrische Leiter aufweist, ist vorzugsweise ein erster Leiter als Pt-10-Widerstand und ein zweiter Leiter als Pt-50-Widerstand ausgebildet.Preferably, the resistance component is accommodated in a housing through which the liquid mixture can flow. This advantageously makes it possible to flow around the resistance component with the liquid mixture, so that good thermal contact is established between the resistance component and the liquid mixture. Carbon dioxide gas bubbles deposited on the resistive member or resulting from heating the quiescent liquid mixture on the resistive member, which may affect a measurement of fuel concentration due to the heat transfer thereby changed, are easily removed by subsequent circulation of the resistive member through the liquid mixture. By releasably receiving the resistance component in the housing, this is advantageously exchangeable for repair or maintenance purposes. Advantageously, the resistance component is designed as a standardized electrical resistance, more preferably by a commercially available 10 ohm platinum resistor (Pt-10 resistor), a 50 ohm platinum resistor (Pt-50 resistor), or both, where for each of said resistors is known to have a characteristic temperature dependence of the electrical resistance with high accuracy. If the resistance component has two separately contactable electrical conductors, a first conductor is preferably a Pt-10 resistor and a second conductor formed as a Pt-50 resistor.

Zweckmäßig weist das elektrische Widerstandsbauteil eine Kontaktfläche zur thermischen Kontaktierung der Flüssigkeits-Mischung auf. Vorzugsweise bildet die Kontaktfläche selbst den elektrischen Widerstand aus und ist bevorzugt durch die Oberfläche eines senkrecht zu der Kontaktfläche dünnen, metallischen Leiters, insbesondere eines Platin-Leiters, ausgebildet. Es versteht sich, dass eine Beschichtung der Kontaktfläche zur chemischen Passivierung, elektrischen Isolation und/oder Beeinflussung der Strömungseigenschaften und der Anlagerung von Gasblasen vorgesehen sein kann. Vorzugsweise sind elektrische Leitungen zur Kontaktierung des Widerstandsbauteils in einem von der Kontaktfläche entfernten Bereich angeordnet. Eine Anlagerung von Gasblasen an den elektrischen Leitungen führt so vorteilhaft nicht zu einer Beeinflussung des thermischen Kontakts zwischen der Kontaktfläche und der Flüssigkeits-Mischung. Es versteht sich, dass die Kontaktfläche durch einen oder vorzugsweise zwei jeweils mäandernd angeordnete, drahtförmige elektrische Leiter ausgebildet sein kann bzw. von diesen überdeckbar ist, um eine elektrisch beheizbare Kontaktfläche auszubilden.Suitably, the electrical resistance component has a contact surface for thermal contacting of the liquid mixture. The contact surface itself preferably forms the electrical resistance and is preferably formed by the surface of a metallic conductor which is thin relative to the contact surface, in particular a platinum conductor. It is understood that a coating of the contact surface for chemical passivation, electrical insulation and / or influencing the flow properties and the addition of gas bubbles may be provided. Preferably, electrical lines for contacting the resistance component are arranged in a region remote from the contact area. An accumulation of gas bubbles on the electrical leads so advantageous does not affect the thermal contact between the contact surface and the liquid mixture. It is understood that the contact surface can be formed by one or preferably two meandering arranged, wire-shaped electrical conductor or can be covered by these to form an electrically heatable contact surface.

In einer bevorzugten Ausgestaltung bildet das Gehäuse ein zur Beeinflussung einer Strömung der Flüssigkeits-Mischung im Bereich des Widerstandsbauteils angepasstes Durchtrittsvolumen aus. Hierdurch lässt sich insbesondere durch Einstellen des Strömungswiderstands im Bereich der Kontaktfläche des Widerstandsbauteils die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeits-Mischung und damit das Ablöseverhalten von Angelagerten Gasblasen vorteilhaft beeinflussen. Zweckmäßig weist das Durchtrittsvolumen in einem Bereich nahe der Kontaktfläche einen niedrigen Strömungswiderstand auf, um einen Durchtritt der Flüssigkeits-Mischung und damit ein Entfernen von Gasblasen zu erleichtern, während das Durchtrittsvolumen in von der Kontaktfläche abgewandten Bereichen einen im Vergleich dazu erhöhten Strömungswiderstand aufweist.In a preferred embodiment, the housing forms an adapted to influence a flow of the liquid mixture in the region of the resistance component passage volume. As a result, in particular by adjusting the flow resistance in the region of the contact surface of the resistance component, the flow velocity of the liquid mixture and thus the detachment behavior of stored gas bubbles can be advantageously influenced. Expediently, the passage volume has a low flow resistance in a region near the contact surface in order to facilitate passage of the liquid mixture and thus removal of gas bubbles, while the passage volume in regions remote from the contact surface has a flow resistance which is increased in comparison thereto.

Vorteilhaft ist die Kontaktfläche zu einer Hauptströmungsrichtung der Flüssigkeits-Mischung wenigstens überwiegend parallel ausgerichtet. Dies führt vorteilhaft zu einem verbesserten Ablösen von Gasblasen von der Kontaktfläche. Besonders bevorzugt weist ein Normalenvektor der Kontaktfläche wenigstens überwiegend in eine Richtung vertikal nach oben. Gasblasen werden so insbesondere bei ruhender Flüssigkeits-Mischung durch die gegenüber der Flüssigkeits-Mischung geringere Dichte in eine Richtung weg von der Kontaktfläche aufgetrieben.Advantageously, the contact surface is at least predominantly aligned parallel to a main flow direction of the liquid mixture. This advantageously leads to improved detachment of gas bubbles from the contact surface. Particularly preferably, a normal vector of the contact surface at least predominantly in a direction vertically upward. Gas bubbles are thus distended in a direction away from the contact surface, in particular when the liquid mixture is at rest, due to the lower density compared to the liquid mixture.

Zweckmäßig ist das Gehäuse als Kunststoff-Spritzgußteil ausgebildet. Dies ermöglicht eine hohe mechanische und chemische Stabilität des Gehäuses sowie, bedingt durch die hohe erreichbare Fertigungsgenauigkeit und Oberflächenqualität von Spritzgußteilen, sehr gute fluiddynamische Eigenschaften des Gehäuses.Suitably, the housing is designed as a plastic injection molded part. This allows a high mechanical and chemical stability of the housing and, due to the high achievable manufacturing accuracy and surface quality of injection molded parts, very good fluid dynamic properties of the housing.

Besonders bevorzugt ist eine Vorrichtung zum Entfernen von Gasblasen aus der Flüssigkeits-Mischung stromaufwärts des Widerstandsbauteils vorgesehen. Gasblasen aus Kohlendioxid können so vorteilhaft bereits vor einer Anlagerung an das Widerstandsbauteil aus der Flüssigkeits-Mischung entfernt werden. Als besonders vorteilhaft hat sich das Vorsehen einer Gasdiffusionsmembran zum Entfernen von Kohlendioxid herausgestellt.Particularly preferred is a device for removing gas bubbles from the liquid mixture upstream of the resistance component is provided. Gas bubbles of carbon dioxide can be removed from the liquid mixture so advantageous already before an addition to the resistance component. The provision of a gas diffusion membrane for removing carbon dioxide has proved to be particularly advantageous.

Zweckmäßig ist eine Auswerteelektronik zur Auswertung von ermittelten elektrischen Eigenschaften des Widerstandsbauteils vorgesehen. Die Vorrichtung bildet somit ein autonomes, individuell austauschbares Bauelement. Zweckmäßig umfasst die Auswerteelektronik einen Analog/Digital-Wandler sowie eine Speichermöglichkeit zur Speicherung von das jeweilige Widerstandsbauteil charakterisierenden Daten. Dabei kann es sich insbesondere um Kalibrationsdaten, Daten zur Korrektur gemessener Werte in Abhängigkeit von der absoluten Temperatur, der spezifischen Wärmekapazität der verwendeten Flüssigkeits-Mischung, der Löslichkeit von Kohlendioxid oder anderen Fremdbestandteilen in der Flüssigkeits-Mischung sowie Daten betreffend die Strömungseigenschaften des Gehäuses und der Anordnung des Widerstandsbauteils in dem Gehäuse handeln.Expediently, an evaluation unit is provided for evaluating determined electrical properties of the resistance component. The device thus forms an autonomous, individually replaceable component. Expediently, the evaluation electronics comprise an analog / digital converter and a storage facility for storing data characterizing the respective resistance component. This may in particular calibration data, data for the correction of measured values as a function of the absolute temperature, the specific heat capacity of the liquid mixture used, the solubility of carbon dioxide or other impurities in the liquid mixture and data concerning the flow characteristics of the housing and the Arrangement of the resistance component in the housing act.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen der Konzentration eines Brennstoffs in einer Flüssigkeits-Mischung umfasst die Schritte: Einbringen einer vorbestimmten Wärmemenge in die Flüssigkeits-Mischung mittels eines elektrischen Widerstandsbauteils, und Bestimmen einer Temperaturerhöhung der Flüssigkeits-Mischung mittels des Widerstandsbauteils.The inventive method for determining the concentration of a fuel in a liquid mixture comprises the steps of: introducing a predetermined amount of heat into the liquid mixture by means of an electrical resistance component, and determining an increase in temperature of the liquid mixture by means of the resistance component.

Zweckmäßig umfasst das Bestimmen der Temperaturerhöhung ein Bestimmen einer ersten Temperatur der Flüssigkeits-Mischung mittels des Widerstandsbauteils vor dem Einbringen der Wärmemenge und ein Bestimmen einer zweiten Temperatur der Flüssigkeits-Mischung mittels des Widerstandsbauteils nach dem Einbringen der Wärmemenge. Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur jeweils unmittelbar vor dem Erwärmen bzw. nach dem Erwärmen der Flüssigkeits-Mischung, zweckmäßig unmittelbar am Ende des Erwärmens der Flüssigkeits-Mischung, um Einflüsse durch Flüssigkeitsbewegungen und Wärmeverluste auszuschließen.Suitably, determining the temperature increase comprises determining a first temperature of the liquid mixture by means of the resistive component prior to introducing the amount of heat and determining a second temperature of the liquid mixture by means of the resistive component after the introduction of the amount of heat. The determination of the first temperature and the second temperature preferably takes place immediately before the heating or after the heating of the liquid mixture, expediently immediately at the end of the heating of the liquid mixture, in order to exclude influences due to liquid movements and heat losses.

Das Einbringen der vorbestimmten Wärmemenge umfasst vorzugsweise ein Beaufschlagen des Widerstandsbauteils mit einer konstanten elektrischen Stromstärke während einer vorbestimmten Zeitdauer. Ein gleichmäßiger, reproduzierbarer Wärmeeintrag ist so vorteilhaft sichergestellt. Es versteht sich, dass alternativ hierzu auch eine Beaufschlagung des Widerstandsbauteils mit einer konstanten elektrischen Spannung während einer vorbestimmten Zeitdauer erfolgen kann. The introduction of the predetermined amount of heat preferably comprises applying the resistance component with a constant electrical current for a predetermined period of time. A uniform, reproducible heat input is ensured so advantageous. It goes without saying that, alternatively, it is also possible for the resistance component to be acted upon with a constant electrical voltage during a predetermined period of time.

Zweckmäßig umfasst das Bestimmen einer Temperatur mittels des Widerstandsbauteils ein Messen des elektrischen Widerstands des Widerstandsbauteils. Eine vorteilhafte Messmethode umfasst dabei ein Anlegen einer kleinen, konstanten Stromstärke an das Widerstandsbauteil und eine Messsung der über dem Widerstandsbauteil abfallenden elektrischen Spannung, um so den temperaturabhängigen elektrischen Widerstand des Widerstandsbauteils zu bestimmen.Suitably, determining a temperature by means of the resistance component comprises measuring the electrical resistance of the resistance component. In this case, an advantageous measuring method comprises applying a small, constant current intensity to the resistance component and measuring the voltage drop across the resistance component so as to determine the temperature-dependent electrical resistance of the resistance component.

Vorzugsweise ist die Flüssigkeits-Mischung relativ zu dem Widerstandsbauteil während der Durchführung des Verfahrens wenigstens überwiegend unbewegt. Ein ungewünschter Abtransport von Wärmemenge durch eine Bewegung der Flüssigkeits-Mischung ist so vorteilhaft ausgeschlossen. Gemäß einer weiteren, ebenfalls zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens ist die Flüssigkeits-Mischung mit einer konstanten, fest gewählten Geschwindigkeit bewegt.Preferably, the liquid mixture is at least predominantly stationary relative to the resistance component during the implementation of the method. An unwanted removal of heat by movement of the liquid mixture is so advantageous excluded. According to another, likewise expedient embodiment of the method, the liquid mixture is moved at a constant, fixed speed.

Vorteilhaft umfasst das Verfahren ein Entfernen von Gasblasen aus der Flüssigkeits-Mischung stromaufwärts des Widerstandsbauteils. Ein Entfernen von Gasblasen kann dabei insbesondere mittels einer Gasdiffusionsmembran erfolgen.Advantageously, the method comprises removing gas bubbles from the liquid mixture upstream of the resistive component. A removal of gas bubbles can be effected in particular by means of a gas diffusion membrane.

Erfindungsgemäß erfolgt eine Verwendung der Vorrichtung bzw. des Verfahrens zur Bestimmung des Methanolgehalts in einem aus einer Methanol-Wasser-Mischung gebildeten Brennstoff einer Brennstoffzelle.According to the invention, use is made of the device or of the method for determining the methanol content in a fuel of a fuel cell formed from a methanol-water mixture.

Bei einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Verwendung der Vorrichtung bzw. des Verfahrens erfolgt eine Bestimmung des Alkoholgehalts in einem Wassersystem eines Kraftfahrzeugs. Insbesondere bei Wassersystemen wie einem Kühlsystem für Verbrennungsmotoren oder einem Reinigungssystem kann so vorteilhaft eine Konzentration von als Frostschutzmittel verwendetem Alkohol in dem Wassersystem automatisiert erfasst und gegebenenfalls auf Grundlage der ermittelten Werte durch Hinzufügen von Frostschutzmittel korrigiert werden.In a further, likewise preferred use of the device or the method, the alcohol content in a water system of a motor vehicle is determined. In particular, in water systems such as a cooling system for internal combustion engines or a cleaning system so advantageously a concentration of used as antifreeze alcohol in the water system can be detected automatically and optionally corrected on the basis of the determined values by adding antifreeze.

Unabhängig von dem Vorstehenden betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Flüssigkeitskomponente in einer Flüssigkeits-Mischung, umfassend die Schritte: Einbringen einer ersten vorbestimmten Wärmemenge in die mit einer ersten Fließgeschwindigkeit bewegte Flüssigkeits-Mischung mittels eines Widerstandsbauteils, Messung einer ersten Temperaturerhöhung der Flüssigkeits-Mischung mittels des Widerstandsbauteils, Einbringen einer zweiten vorbestimmten Wärmemenge in die mit einer zweiten Fließgeschwindigkeit bewegte Flüssigkeits-Mischung mittels des Widerstandsbauteils, und Messung einer zweiten Temperaturerhöhung der Flüssigkeits-Mischung mittels des Widerstandsbauteils. Überraschend hat sich gezeigt, dass die Temperaturerhöhung der Flüssigkeits-Mischung auch bei einer Bewegung der Flüssigkeit mit konstanter Geschwindigkeit im Bereich des Widerstandsbauteils zu einer für die Konzentration der Flüssigkeitskomponenten charakteristischen Temperaturerhöhung führt, wobei die Temperaturerhöhung bei gegebener Konzentration eine funktionale Abhängigkeit von der konstanten Geschwindigkeit zeigt. Durch Ermittlung der Temperaturerhöhung bei zwei verschiedenen, vorbekannten Geschwindigkeiten kann so zuverlässig auf die Konzentration der Flüssigkeitskomponenten geschlossen werden.Regardless of the foregoing, another aspect of the invention relates to a method for determining the concentration of a liquid component in a liquid mixture, comprising the steps of: introducing a first predetermined amount of heat into the liquid mixture moved at a first flow rate by means of a resistive component, measuring a first one Increasing the temperature of the liquid mixture by means of the resistance component, introducing a second predetermined quantity of heat into the liquid mixture moved at a second flow rate by means of the resistance component, and measuring a second temperature increase of the liquid mixture by means of the resistance component. Surprisingly, it has been shown that the temperature increase of the liquid mixture leads to a temperature increase characteristic of the concentration of the liquid components even with a movement of the liquid at a constant speed in the region of the resistance component, wherein the temperature increase at a given concentration shows a functional dependence on the constant velocity , By determining the temperature increase at two different, known speeds can be concluded so reliably on the concentration of the liquid components.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Flusseigenschaften einer ein Messvolumen durchströmenden Flüssigkeit, umfassend die Schritte: Einbringen einer vorbestimmten Wärmemenge in die Flüssigkeit mittels eines elektrischen Widerstandsbauteils, und Bestimmen einer Temperaturerhöhung der Flüssigkeit mittels des Widerstandsbauteils. Durch den vorstehend beschriebenen funktionalen Zusammenhang zwischen der Temperaturerhöhung und der Flüssigkeitsgeschwindigkeit kann bei bekannter Konzentration der Flüssigkeitskomponenten aus der gemessenen Temperaturerhöhung auf Flusseigenschaften, insbesondere auf die Flüssigkeitsgeschwindigkeit, geschlossen werden.A further aspect of the invention relates to a method for determining the flow properties of a liquid flowing through a measuring volume, comprising the steps of introducing a predetermined amount of heat into the liquid by means of an electrical resistance component, and determining a temperature increase of the liquid by means of the resistance component. As a result of the above-described functional relationship between the temperature increase and the liquid velocity, it can be concluded from the measured temperature increase on the flow properties, in particular the liquid velocity, for a known concentration of the liquid components.

Zweckmäßig erfolgt vor dem Einbringen der Wärmemenge in die Flüssigkeit eine Bestimmung der Wärmekapazität der Flüssigkeit. Dies kann vorteilhaft durch Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens bei ruhender Flüssigkeit erfolgen.It is expedient to determine the heat capacity of the liquid before introducing the amount of heat into the liquid. This can be done advantageously by using the method described above with a quiescent liquid.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, umfassend eine Umsetzungsvorrichtung zur chemischen Umsetzung eines Brennstoffs, eine Mischvorrichtung zum Mischen von Flüssigkeitskomponenten des Brennstoffs, und eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Konzentration wenigstens einer Flüssigkeitskomponente des Brennstoffs, wobei die Messeinrichtung ein mit dem Brennstoff in thermischen Kontakt bringbares, elektrisches Widerstandsbauteil umfasst, wobei das Widerstandsbauteil zur Erwärmung des Brennstoffs mit einem elektrischen Strom beaufschlagbar ist, und wobei das Widerstandsbauteil mit einer Messvorrichtung zur Bestimmung temperaturabhängiger elektrischer Eigenschaften des Widerstandsbauteils verbindbar ist. Vorteilhaft wird so ein Brennstoffzellensystem geschaffen, welches zuverlässig eine optimale Einstellung der Brennstoffkonzentration insbesondere in Abhängigkeit von einer momentan an dem Brennstoffzellensystem anliegenden Last ermöglicht.A further aspect of the invention relates to a fuel cell system, comprising a conversion device for the chemical conversion of a fuel, a mixing device for mixing liquid components of the fuel, and a measuring device for determining the concentration of at least one liquid component of the fuel, wherein the measuring device in thermal contact with the fuel can be brought, electric resistance component, wherein the resistance member for heating the fuel is acted upon by an electric current, and wherein the resistance component is connectable to a measuring device for determining temperature-dependent electrical properties of the resistance component. Advantageously, such a fuel cell system is provided, which reliably enables an optimal adjustment of the fuel concentration, in particular as a function of a load currently applied to the fuel cell system.

Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem weiter einen die Umsetzungsvorrichtung, die Mischvorrichtung und die Messeinrichtung verbindenden geschlossenen Brennstoffkreislauf. Dies ermöglicht vorteilhaft die Umsetzung von in einem ersten Durchlauf der Umsetzungsvorrichtung nicht chemisch umgesetztem Brennstoff in weiteren Durchläufen, was zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit des Brennstoffzellensystems beiträgt.Preferably, the fuel cell system further comprises a closed fuel circuit connecting the conversion device, the mixing device and the measuring device. This advantageously makes it possible to implement fuel that is not chemically converted in a first pass of the conversion device in further passes, which contributes to improved fuel cell system efficiency.

Vorzugsweise ist die Messeinrichtung stromaufwärts einer Pumpe für den Brennstoff angeordnet. Eine gleichmäßige, mittels der Pumpenleistung einstellbare Durchströmung der Messeinrichtung ist so vorteilhaft realisiert.Preferably, the measuring device is arranged upstream of a pump for the fuel. A uniform, adjustable by means of the pump power flow through the measuring device is realized so advantageous.

Bevorzugt umfasst das Brennstoffzellensystem weiter eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Mischvorrichtung, wobei die Steuerungseinrichtung zur Verarbeitung von Daten der Messeinrichtung ausgebildet ist. Die Steuerungseinrichtung überwacht zweckmäßig zur Bestimmung einer optimalen Konzentration des Brennstoffs die Zellspannung und die Lastspannung des Brennstoffzellensystems.Preferably, the fuel cell system further comprises a control device for controlling the mixing device, wherein the control device is designed for processing data of the measuring device. The control device expediently monitors the cell voltage and the load voltage of the fuel cell system in order to determine an optimum concentration of the fuel.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Darstellung eines Ausführungsbeispiels sowie aus den abhängigen Ansprüchen.Further advantages and features of the invention will become apparent from the following description of an embodiment and from the dependent claims.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.A preferred embodiment of the invention will be explained below with reference to the accompanying figures.

1 zeigt in einer schematischen Querschnittsdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer Komponente, insbesondere eines Brennstoffs, einer Flüssigkeits-Mischung. 1 shows a schematic cross-sectional representation of a first embodiment of a device according to the invention for determining the concentration of a component, in particular a fuel, a liquid mixture.

2 zeigt in einer schematischen Ansicht Teile einer Auswerteelektronik für die Vorrichtung aus 1. 2 shows in a schematic view parts of a transmitter for the device 1 ,

Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 ist vorliegend Teil eines Kreislaufsystems für einen durch eine Flüssigkeits-Mischung aus Methanol und Wasser gebildeten Brennstoff für eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle. Die Vorrichtung 1 dient einer Bestimmung der Konzentration von Methanol in dem Brennstoff und umfasst ein von dem Brennstoff durchströmbares Gehäuse 2. Das Gehäuse 2 weist eine Eintrittsöffnung 3 und eine Austrittsöffnung 4 für den Brennstoff auf. Sowohl die Eintrittsöffnung 3 als auch die Austrittsöffnung 4 sind jeweils als im Querschnitt kreisförmige Öffnung ausgebildet und jeweils von einem als Anschlußstück für einen Zuleitungs- bzw. Ableitungsschlauch ausgebildeten Teil des Gehäuses 2 umschlossen. Strömungslinien des Brennstoffs sind in 1 schematisch durch gepunktete Pfeillinien 5 dargestellt. Weiter sind in 1 schematisch Strömungslinien von in dem Brennstoff gelösten Kohlendioxid-Gasblasen durch gestrichelte Pfeillinien 6 dargestellt. Das Gehäuse 2 weist etwa mittig einen bauchigen Bereich auf, in dem ein elektrisches Widerstandsbauteil 7 aufgenommen ist. Das Widerstandsbauteil 7 ist von der Flüssigkeits-Mischung umströmbar und dient sowohl einer definierten Aufwärmung der Flüssigkeits-Mischung als auch einer Temperaturmessung der Flüssigkeits-Mischung, wie nachstehend noch näher erläutert wird.In the 1 illustrated device 1 is presently part of a circulatory system for a fuel formed by a liquid mixture of methanol and water for a direct methanol fuel cell. The device 1 serves to determine the concentration of methanol in the fuel and comprises a housing through which the fuel can flow 2 , The housing 2 has an inlet opening 3 and an exit opening 4 for the fuel. Both the entrance opening 3 as well as the outlet opening 4 are each formed as a circular cross-section opening and each of a trained as a connector for a Zuleitungs- or discharge hose part of the housing 2 enclosed. Streamlines of the fuel are in 1 schematically by dotted arrow lines 5 shown. Next are in 1 schematically flow lines of dissolved in the fuel carbon dioxide gas bubbles by dashed arrow lines 6 shown. The housing 2 has approximately in the middle a bulbous area in which an electrical resistance component 7 is included. The resistance component 7 is surrounded by the liquid mixture and serves both a defined heating of the liquid mixture and a temperature measurement of the liquid mixture, as will be explained in more detail below.

Das Widerstandsbauteil 7 umfasst eine Kontaktfläche 8, die in unmittelbarem thermischem Kontakt zu der Flüssigkeits-Mischung steht und die vorliegend durch eine dünne Platin-Schicht ausgebildet ist, die auf ein Keramiksubstrat 9 aufgebracht ist. Die Platin-Schicht ist derart ausgebildet, dass sie bei einer Temperatur von 0 Grad Celsius einen elektrischen Widerstand von 10 Ohm aufweist und somit einem standardisierten Platin-10-Widerstand entspricht. Die temperaturabhängige Änderung des elektrischen Widerstands eines solchen Platin-10-Widerstands ist mit hoher Genauigkeit bekannt und ermöglicht daher durch Messung des elektrischen Widerstands eine genaue Temperaturbestimmung. Ein hierzu alternatives, ebenfalls erfindungsgemäßes Widerstandsbauteil 7 umfasst ein Keramiksubstrat 9, auf dem zur Ausbildung der Kontaktfläche 8 zwei dünne, drahtförmige Leiter angebracht sind. Die Leiter sind derart mäandernd angeordnet, dass die Kontaktfläche 8 im Wesentlichen gleichmäßig mit den Leitern belegt ist. Die Leiter sind unabhängig voneinander elektrisch kontaktierbar, um ein im Wesentlichen gleichzeitiges Erwärmen der Kontaktfläche mittels des ersten Leiters und eine Temperaturmessung mittels des zweiten Leiters zu ermöglichen.The resistance component 7 includes a contact surface 8th which is in direct thermal contact with the liquid mixture and which is presently formed by a thin platinum layer deposited on a ceramic substrate 9 is applied. The platinum layer is designed such that it has an electrical resistance of 10 ohms at a temperature of 0 degrees Celsius and thus corresponds to a standardized platinum 10 resistance. The temperature-dependent change in the electrical resistance of such a platinum-10 resistor is known with high accuracy and therefore allows by measuring the electrical resistance accurate temperature determination. An alternative, also inventive resistance component 7 includes a ceramic substrate 9 on which to form the contact surface 8th two thin, wire-shaped conductors are attached. The conductors are arranged meandering in such a way that the contact surface 8th is substantially evenly occupied with the conductors. The conductors are independently electrically contactable to allow substantially simultaneous heating of the contact surface by the first conductor and temperature measurement by the second conductor.

Elektrische Leitungen 10 zur Verbindung des Widerstandsbauteils 7 mit einer Auswerteelektronik 11 sind auf einer der Kontaktfläche 8 abgewandten Seite des Widerstandsbauteils 7 angeordnet. Dies bietet den Vorteil, dass Gasblasen, die das Widerstandsbauteil 7 umströmen und sich an den im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung erstreckenden Leitungen 10 anlagern einen thermischen Kontakt zwischen der Kontaktfläche 8 und der Flüssigkeits-Mischung nicht beeinflussen.Electric lines 10 for connecting the resistance component 7 with an evaluation electronics 11 are on one of the contact surface 8th opposite side of the resistance component 7 arranged. This offers the advantage that gas bubbles, which is the resistance component 7 flow around and at the substantially transverse to the flow direction extending lines 10 attach a thermal contact between the contact surface 8th and do not affect the fluid mixture.

Die Kontaktfläche 8 ist derart angeordnet, dass ein Normalenvektor der Kontaktfläche 8 im Wesentlichen senkrecht nach oben zeigt. Dies bietet den Vorteil, dass in der Flüssigkeits-Mischung vorhandene Gasblasen bedingt durch die Schwerkraft in einem oberen Bereich des Gehäuses und damit von der Kontaktfläche 8 entfernt geführt werden. Auch bei unbewegter Flüssigkeits-Mischung entfernen sich bedingt durch den Auftrieb Gasblasen von der Kontaktfläche 8.The contact surface 8th is arranged such that a normal vector of the contact surface 8th in the Essentially pointing vertically upwards. This offers the advantage that in the liquid mixture existing gas bubbles due to gravity in an upper region of the housing and thus of the contact surface 8th be guided away. Even with immobile liquid mixture remove due to the buoyancy gas bubbles from the contact surface 8th ,

Oberhalb der Kontaktfläche 8 weist das Gehäuse eine im Wesentlichen Kegelförmige Ausbauchung auf. Gegenüberliegend ist unterhalb des Widerstandsbauteils 7 im Bereich der Leitungen 10 eine weitere Ausbauchung vorgesehen, so dass in diesen Bereichen ein der Flüssigkeits-Mischung zur Verfügung stehender, durchströmbarer Querschnitt gegenüber der Eintrittsöffnung 3 bzw. der Austrittsöffnung 4 zumindest nicht verkleinert ist. Die Ausbauchungen dienen jeweils der Lenkung einer Strömung der Flüssigkeits-Mischung, wobei die Position des Widerstandsbauteils 7 derart gewählt ist, dass ein Strömungswiderstand oberhalb der Kontaktfläche 8 geringer ist als im Bereich der Leitungen 10. Dies führt zu einer bevorzugten Vorbeileitung der Flüssigkeits-Mischung entlang der Kontaktfläche 8.Above the contact surface 8th the housing has a substantially conical bulge. Opposite is below the resistance component 7 in the area of the lines 10 provided a further bulge, so that in these areas of the liquid mixture available, permeable cross-section with respect to the inlet opening 3 or the outlet opening 4 at least not reduced. The bulges each serve to direct a flow of the liquid mixture, wherein the position of the resistance component 7 is chosen such that a flow resistance above the contact surface 8th less than in the area of the lines 10 , This leads to a preferred bypassing the liquid mixture along the contact surface 8th ,

Die in 2 dargestellte Auswerteelektronik 11 umfasst eine Spannungsquelle 12, die eine Betriebsspannung für die Auswerteelektronik 11 bildet, einen Controller 13 zur Steuerung von Messungen und Verarbeitung von Messdaten, eine Stromquelle 14 zur Beaufschlagung des Widerstandsbauteils 7 mit einer konstanten Stromstärke, einen Analog/Digital-Wandler 15 zur Umwandlung von gemessenen analogen Spannungswerten in digitale Werte, eine Referenzspannungsquelle 16, einen Kommunikationsprozessor 17 und eine Signalschnittstelle 18.In the 2 shown evaluation 11 includes a voltage source 12 that supplies an operating voltage for the transmitter 11 forms, a controller 13 for controlling measurements and processing of measurement data, a power source 14 for loading the resistance component 7 with a constant current, an analog / digital converter 15 for converting measured analog voltage values into digital values, a reference voltage source 16 , a communications processor 17 and a signal interface 18 ,

Die Erfindung kann beispielsweise wie folgt ausgeführt werden: Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der durch die Flüssigkeits-Mischung gebildete Brennstoff in einem Kreislaufsystem mittels einer Pumpe bewegt. Um eine Methanol-Konzentration in der Flüssigkeits-Mischung bestimmen zu können, wird die Vorrichtung 1 wie folgt verwendet: Zunächst wird die Bewegung der Flüssigkeits-Mischung zur Ruhe gebracht, so dass die Flüssigkeits-Mischung insbesondere im Bereich des Widerstandsbauteils 7 im Wesentlichen unbewegt ist. Danach wird eine erste Temperatur der Flüssigkeits-Mischung durch Messung des elektrischen Widerstands der als Platin-50-Widerstand ausgebildeten Kontaktfläche 8 bestimmt. Dies erfolgt durch ein Anlegen einer kleinen, konstanten Stromstärke mittels der Stromquelle 14 an das Widerstandsbauteil 7 und Messung einer über dem Widerstandsbauteil 7 abfallenden Spannung. Anschließend wird durch Anlegen einer demgegenüber größeren Stromstärke die Flüssigkeits-Mischung mittels des Widerstandsbauteils 7 erwärmt, wobei eine definierte Wärmemenge in die Flüssigkeits-Mischung eingebracht wird. Durch anschließendes anlegen einer wiederum kleinen Stromstärke an das Widerstandsbauteil 7 mittels der Stromquelle 14 wird eine zweite, nun erhöhte Temperatur der Flüssigkeits-Mischung gemessen. Aus der Differenz der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur lässt sich, bedingt durch die von der Konzentration von Methanol in der Flüssigkeits-Mischung abhängige Wärmekapazität der Flüssigkeits-Mischung, die Konzentration von Methanol bestimmen.For example, the invention may be practiced as follows: In operation of the fuel cell, the fuel formed by the liquid mixture is moved in a circulatory system by means of a pump. In order to determine a methanol concentration in the liquid mixture, the device 1 as follows: First, the movement of the liquid mixture is brought to rest, so that the liquid mixture in particular in the region of the resistance component 7 is essentially unmoved. Thereafter, a first temperature of the liquid mixture is measured by measuring the electrical resistance of the formed as platinum-50-resistance contact surface 8th certainly. This is done by applying a small, constant current through the power source 14 to the resistance component 7 and measuring one over the resistive device 7 declining voltage. Subsequently, by applying a contrast greater current strength, the liquid mixture by means of the resistance component 7 heated, wherein a defined amount of heat is introduced into the liquid mixture. By subsequently applying a small current again to the resistance component 7 by means of the power source 14 a second, now elevated temperature of the liquid mixture is measured. From the difference between the first temperature and the second temperature, it is possible to determine the concentration of methanol due to the heat capacity of the liquid mixture, which is dependent on the concentration of methanol in the liquid mixture.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 20122320 U1 [0006]
DE 19948908 C2 [0007]

Claims

Device for determining the concentration of a component of a liquid mixture, comprising an electrical resistance component which can be brought into thermal contact with the liquid mixture ( 7 ), wherein the resistance component ( 7 ) is acted upon for heating the liquid mixture with an electric current, characterized in that the resistance component ( 7 ) with a measuring device for determining temperature-dependent electrical properties of the resistance component ( 7 ) is connectable.

Device according to claim 1, characterized in that the resistance component ( 7 ) in a housing through which the liquid mixture can flow ( 2 ) and that the housing ( 2 ) for influencing a flow of the liquid mixture in the region of the resistance component ( 7 ) forms adapted passage volume.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the electrical resistance component ( 7 ) a contact surface ( 8th ) for thermal contacting of the liquid mixture, and in that electrical lines ( 10 ) for contacting the resistance component ( 7 ) in one of the contact surface ( 8th ) are arranged away.

Device according to claim 3, characterized in that the contact surface ( 8th ) is at least predominantly aligned parallel to a main flow direction of the liquid mixture.

Method for determining the concentration of a component of a liquid mixture, comprising the steps of: introducing a predetermined amount of heat into the liquid mixture by means of an electrical resistance component ( 7 ), and determining a temperature increase of the liquid mixture by means of the resistance component ( 7 ).

The method of claim 5, wherein determining the temperature increase comprises determining a first temperature of the liquid mixture by means of the resistance component. 7 ) before introducing the amount of heat and determining a second temperature of the liquid mixture by means of the resistance component ( 7 ) after the introduction of the amount of heat.

A method according to claim 5 or 6, characterized in that the introduction of the predetermined amount of heat, an application of the resistance component ( 7 ) at a constant electric current for a predetermined period of time.

Method according to one of claims 5 to 7, characterized in that the liquid mixture relative to the resistance component ( 7 ) is at least predominantly unmoved.

Use of the device according to one of Claims 1 to 4 and / or of the method according to one of Claims 5 to 8 for determining the alcohol content in a fuel mixture formed from an alcohol-water mixture for use in a fuel cell.

Use of the device according to one of Claims 1 to 4 and / or of the method according to one of Claims 5 to 8 for determining the concentration of antifreeze or corrosion protection components in a cooling system.