DE102021209653A1

DE102021209653A1 - Überwachung eines Ionenfilters für einen Brennstoffzellen-Kühlkreislauf

Info

Publication number: DE102021209653A1
Application number: DE102021209653.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Bedau; De-Niang Maria Peymandar
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2021-09-02
Filing date: 2021-09-02
Publication date: 2023-03-02
Also published as: WO2023031179A3; WO2023031179A2; CN117882222A; EP4374442A2

Abstract

Die Wirksamkeit eines Ionenfilters wird mithilfe von mindestens zwei Leitfähigkeitssensoren, die stromaufwärts und stromabwärts des Ionenfilters angeordnet sind, dadurch überwacht, dass aus ihren Messwerten eine charakteristische Größe bestimmt wird, die mit der Wirksamkeit des Ionenfilters korreliert, und bei deren Abweichen von einem vorgegebenen Wert oder Intervall ein Signal ausgegeben wird. Dadurch wird eine zustandsorientierte Instandhaltung, beispielsweise bei Anwendung in einem Kühlkreislauf eines Brennstoffzellensystems, ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Überprüfung der Wirksamkeit eines Ionenfilters. Insbesondere kann dadurch seine Beladung und/oder seine voraussichtliche Restlebensdauer ermittelt werden, wodurch eine zustandsorientierte Instandhaltung (sogenanntes Condition Based Maintenance) ermöglicht wird.
Ionenfilter dienen zur Entionisierung von Wasser oder anderen Flüssigkeiten und werden bei bestimmten industriellen Prozessen eingesetzt, bei denen eine zu hohe Ionenkonzentration der Flüssigkeit den Prozess stört oder sogar verhindert. Ein Beispiel hierfür sind Prozesse, die ein Kühlverfahren verwenden, und bei denen das Kühlmittel mit Komponenten in Berührung kommt, die bei zu hoher Ionenkonzentration Schaden nehmen, beispielsweise schneller korrodieren. Eine hohe Ionenkonzentration ist in der Regel mit erhöhter Leitfähigkeit verbunden, die ebenfalls den Prozess bzw. die Prozessanlage schädigen kann.
Ein Ionenfilter hat eine begrenzte Nutzungsdauer. Mit zunehmender Einsatzdauer verringert sich seine Wirksamkeit, da seine Beladung durch Aufnahme von herausgefilterten Ionen steigt, d.h. die Flüssigkeit wird nicht mehr ausreichend entionisiert, so dass die Leitfähigkeit des Kühlmediums ansteigt.
Ein typischer Anwendungsfall sind Brennstoffzellen, die bevorzugt mit Wasser gekühlt werden und für viele Anlagen als Energiequelle eingesetzt werden, in zunehmendem Maß auch für Kraftfahrzeuge oder Schienenfahrzeuge. Das Kühlmedium kommt dabei direkt mit der Zellenspannung in Kontakt und wirkt auch als Isoliermedium, es darf daher nur eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Durch den Ionenfilter, der meist als Ionentauscher arbeitet, wird eine Leitfähigkeit im Bereich von ca. 5 - 15 pS/cm, vorzugsweise ca. 10pS/cm erreicht. Diese geringe Leitfähigkeit ist für den Betrieb eines flüssigkeitsgekühlten Brennstoffzellen-Stacks erforderlich; bei anderen Anwendungsfällen für Ionenfilter können die Anforderungen geringer sein und Leitfähigkeiten bis 50 pS/cm ausreichend sein. Der Brennstoffzellen-Stack besteht aus mehreren Membranen, Bipolar- und Kühlplatten. Die chemische Energie aus dem Treibstoff Wasserstoff wird an der Membran in elektrische Energie umgewandelt. Da die Kühl- und Bipolarplatten in Reihe geschaltet sind, besteht das Risiko eines Kurzschlusses, wenn die Leitfähigkeit des Kühlmediums zu hoch ist. Aus diesem Grund ist der Einsatz von Ionenfiltern im Brennstoffzellensystem essenziell.
Um die geringe Leitfähigkeit des Kühlwassers sicherzustellen, werden die Ionenfilter in relativ kurzen und festen Intervallen, die vom Hersteller vorgegeben werden, getauscht. Dies ist mit Kosten und Standzeiten verbunden, die den Betriebsablauf stören. Dies gilt auch bei anderen Einsatzzwecken von Ionenfiltern.
Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung sieht vor, einen Ionenfilter hinsichtlich seiner Wirksamkeit zu überwachen. Die Wirksamkeit, d.h. die Filterwirkung des Ionenfilters und damit die mögliche verbleibende Nutzungsdauer ist vor allem von seiner tatsächlichen Einsatzdauer, also beispielsweise der Betriebsdauer der Brennstoffzelle, abhängig. Durch die Ermittlung des tatsächlichen Zustands kann auf die kurzen und festen Tauschintervalle verzichtet werden, stattdessen kann der Ionenfilter so lange verwendet werden, wie er die im jeweiligen Anwendungsfall geforderte Wirksamkeit noch aufweist. Durch die Erfindung ist also eine zustandsorientierte Instandhaltung (condition based maintenance) möglich.
Eine Anordnung zur Ermittlung der Wirksamkeit eines Ionenfilters umfasst mindestens zwei Leitfähigkeitssensoren, wobei der erste Leitfähigkeitssensor in Strömungsrichtung vor dem Ionenfilter angeordnet ist und der zweite Leitfähigkeitssensor in Strömungsrichtung nach dem Ionenfilter angeordnet ist. Eine Auswerteeinheit ist vorgesehen, die aus den Messwerten beider Leitfähigkeitssensoren eine charakteristische Größe ermitteln kann, die mit der Wirksamkeit des Ionenfilters korreliert. Wenn diese von einem vorgegebenen Wert oder Intervall abweicht, insbesondere wenn sie einen ersten unteren oder oberen Schwellwert unterschreitet, wird ein Signal, d.h. eine elektrische oder elektronische Information erzeugt, dass die Wirksamkeit des Ionenfilters nicht mehr ausreichend ist. Das Signal zeigt dann
einen notwendigen Wechsel des Ionenfilters an.
Es können mehrere erlaubte Intervalle und/oder mehrere untere und/oder obere Schwellwerte vorgegeben sein, die mit unterschiedlichen Restwirksamkeiten bzw. Beladungen korrelieren, und mit denen unterschiedliche Warnstufen bezüglich der Dringlichkeit des Wechsels verknüpft sind. Es werden dabei vorzugsweise unterschiedliche Signale je nach Warnstufe erzeugt. Dadurch kann der Filterwechsel besser in den Betriebsablauf integriert werden.
Beispielsweise kann die Auswerteeinheit die Differenz zwischen den Messwerten des ersten und zweiten Leitfähigkeitssensors oder davon abgeleiteten Größen als charakteristische Größe bestimmen.
Die Leitfähigkeitssensoren können die Leitfähigkeit eines Kühlmediums, beispielsweise Wasser, messen. Der zweite Leitfähigkeitssensor kann vor oder hinter der zu kühlenden Komponente angeordnet sein. Wird ein Sensor zwischen dem Ionenfilter und der zu kühlenden Komponente, insbesondere einer Brennstoffzelle, angeordnet, kann mithilfe von dessen Messwert sichergestellt werden, dass die Leitfähigkeit ausreichend niedrig für den Betrieb der Brennstoffzelle ist.
Vorteilhaft ist eine Anordnung mit drei Leitfähigkeitssensoren, die beispielsweise vor dem Ionenfilter, zwischen dem Ionenfilter und der zu kühlenden Komponente und nach der zu kühlenden Komponente angeordnet sind. Mehrere Leitfähigkeitssensoren sind auch dann vorteilhaft, wenn mehrere Ionenfilter in einem Flüssigkeitsstrom überwacht werden sollen, da dann der Zustand einzelner Ionenfilter individuell ermittelt werden kann.
Ferner kann einer der beiden Leitfähigkeitssensoren oder ein zusätzlicher Leitfähigkeitssensor ausreichend direkt vor einer Komponente, insbesondere vor der zu kühlenden Komponente, angeordnet sein, und anhand seines Messwerts kann bestimmt werden, ob das flüssige Medium, insbesondere das Kühlmedium, eines ausreichend niedrige Leitfähigkeit hat, um die Komponente nicht zu schädigen. Hierzu ist die Ausgabe eines entsprechenden Signals durch die Auswerteeinheit vorgesehen.
Die Leitfähigkeitssensoren können eine Datenschnittstelle aufweisen, über die sie an eine Steuerung angeschlossen sind, beispielsweise eine Steuerung der zu kühlenden Komponente oder eine übergeordnete Steuerung. Der Anschluss an die Steuerung kann direkt oder indirekt, insbesondere über die Auswerteeinheit, erfolgen. Dadurch ist eine verbesserte Einbindung in den Gesamtprozess mit einem umfassenden Diagnosesystem möglich. Dadurch ergeben sich weitere Möglichkeiten eines Verfahrens zur Abtastung und Zwischenspeicherung der Messwerte, die in der übergeordneten Steuerung nach Maßgabe des Betriebs- und Wartungs-/Instandhaltungskonzeptes gut angepasst werden können.
Bei Verwendung in einem Fahrzeug können die Leitfähigkeitssensoren in einfacher Weise durch dessen Bordnetz versorgt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteinheit die ermittelte charakteristische Größe und/oder die Messwerte der Leitfähigkeitssensoren und/oder das Signal an ein außerhalb des Fahrzeugs befindliches System wie eine übergeordnete zentrale Einheit, beispielsweise ein Flottenmanagementsystem, weitergeben. Alternativ oder zusätzlich kann ein Fahrerdisplay vorhanden sein, d.h. eine dem Fahrer während der Fahrt sichtbare Anzeigevorrichtung, die die Messwerte, die charakteristische Größe und/oder das Signal, anzeigen.
Bei dem Verfahren zur Überwachung der Wirksamkeit eines Ionenfilters wird die Leitfähigkeit des ihn durchströmenden flüssigen Mediums vor und hinter dem Ionenfilter gemessen. Die Messwerte werden an eine Auswerteeinheit übermittelt. Aus den Messwerten wird eine charakteristische Größe berechnet, die mit der Wirksamkeit des Ionenfilters korreliert. Die charakteristische Größe wird mit einem vorgegebenen Wert oder Intervall verglichen, und es wird ein Signal ausgegeben, wenn sie von diesem Wert in vorbestimmter Weise abweicht oder außerhalb des vorgegebenen Intervalls liegt.
Die im Zusammenhang mit der Anordnung beschriebenen möglichen Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für das Verfahren. So ist es beispielsweise vorteilhaft, mehrere vorgegebene Schwellwerte oder Intervalle zu verwenden, bei deren Unter- oder Überschreiten unterschiedliche Signale ausgegeben werden. Dadurch kann bei einem nur moderaten Nachlassen der Wirksamkeit des Ionenfilters eine Vorwarnung ausgegeben werden, und bei einer weiteren Erhöhung der Beladung mit weiter nachlassender Wirksamkeit können weitere Warnstufen signalisiert werden. Der Austausch des Ionenfilter kann dann zu einer Zeit erfolgen, zu der der Betrieb der gesamten Anlage möglichst wenig beeinträchtigt wird, weil über den erforderlichen Tausch eines Filters am Ende seiner Nutzbarkeit frühzeitig benachrichtigt wird.
Mit der Anordnung und dem Verfahren werden eine prädiktive Überwachung und eine zustandsorientierte Instandhaltung ermöglicht. Der Austausch des Ionenfilters erfolgt nach rechtzeitiger Benachrichtigung erst bei Nachlassen der Wirksamkeit bzw. Ende der Nutzbarkeit und nicht mehr pauschal nach einem fest vorgegebenen statischen Zeitintervall ohne Bezug auf die Betriebsstunden des Ionenfilters. Gleichzeitig ist sichergestellt, dass der Ionenfilter nur so lange benutzt wird, wie seine Wirksamkeit bei der jeweiligen Anwendung ausreichend ist, und Schädigungen werden vermieden. Zudem werden die Serviceprozesse optimiert und die Lagerhaltungskosten für die Ionenfilter, die der Betreiber vorhalten muss, verringert. Durch die Verwendung von mindestens zwei Leitfähigkeitssensoren kann der Zustand des Ionenfilters sehr genau und unabhängig von Umgebungseinflüssen ermittelt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem Ionenfilter
2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit zwei Ionenfiltern

1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Kühlkreislauf mit einer Leitung 1, durch die Wasser als Kühlmedium strömt, und einer Brennstoffzelle 2 als zu kühlende Komponente. Der Kühlkreislauf weist ein Absperrorgan, z.B. ein Ventil 3, sowie weitere Komponenten auf, die aus Gründen Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Beispielweise können ein Wärmetauscher, eine Kühlmittelpumpe und weitere Ventile, Leitungen und Verzweigungen an geeigneter Stelle vorhanden sein. Die gesamte Anordnung kann in einem Brennstoffzellen-Container untergebracht sein.
Der Kühlkreislauf weist einen Partikelfilter 4 und einen Ionenfilter 5 auf, um das Kühlwasser vor der Brennstoffzelle ausreichend zu reinigen und zu entionisieren. Ein erster Leitfähigkeitssensor 6 ist in Strömungsrichtung vor dem Ionenfilter 5 angeordnet, ein zweiter Leitfähigkeitssensor 7 ist stromabwärts zum Ionenfilter angeordnet. Im dargestellten Beispiel ist er auch stromabwärts zur Brennstoffzelle 2 angeordnet, er kann aber auch zwischen dem Ionenfilter 5 und der Brennstoffzelle 2 angeordnet sein.
Eine Auswerteeinheit 8 ist mit beiden Leitfähigkeitssensoren verbunden und erhält deren Messwerte. Die Auswerteinheit berechnet aus diesen eine charakteristische Größe, die mit der Filterwirkung des Ionenfilters korreliert. Beispielsweise ist die charakteristische Größe die Differenz L1 - L2 der gemessenen Leitfähigkeiten L1 des ersten Sensors und L2 des zweiten Sensors. Die Auswerteeinheit vergleicht diese charakteristische Größe mit einem vorgegebenen ersten unteren Schwellwert S1 und einem zweiten unteren Schwellwert S2, wobei S2 < S1 ist. Die Schwellwerte sind vorzugsweise in der Auswerteeinheit gespeichert. Wenn die berechnete Differenz kleiner als S1 ist, wird ein beispielsweise optisches und/oder akustisches Signal bzw. eine entsprechende Diagnoseinformation als Vorwarnsignal ausgegeben, da die Wirksamkeit des Ionenfilters aufgrund seiner Betriebsstunden nachgelassen hat. Wenn die berechnete Differenz kleiner als S2 ist, wird ebenfalls beispielsweise ein optisches und/oder akustisches Signal bzw. eine entsprechende weitere Diagnoseinformation als ein Warnsignal ausgegeben, da die Wirksamkeit des Ionenfilters aufgrund seiner Betriebsstunden noch stärker verringert ist und ein Austausch erforderlich ist.
Das dargestellte System ist für ein Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb vorgesehen, und das Signal wird dem Fahrer an einem Fahrerdisplay 12 angezeigt und/oder an ein Flottenmanagementsystem 13 außerhalb des Fahrzeugs weitergegeben.
Die Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet sich von 1 durch einen zweiten Ionenfilter 10 und durch einen weiteren Leitfähigkeitssensor 11. Der weitere Leitfähigkeitssensor 11 ist stromabwärts zum zweiten Ionenfilter 10 angeordnet, der zweite Leitfähigkeitssensor 7 ist nach dem ersten Ionenfilter 5 und vor der Brennstoffzelle 2 angeordnet. Wie oben kann die Auswerteeinheit 8 aus den Messwerten des ersten und des weiteren Sensors die kombinierte Wirksamkeit beider Ionenfilter 5, 10 ermitteln. Ferner kann der Zustand des ersten Ionenfilters anhand der Messwerte des ersten und des zweiten Leitfähigkeitssensors 6, 7 ermittelt werden. Analog kann der Zustand des zweiten Ionenfilters 10 anhand der Messwerte des zweiten Leitfähigkeitssensors 7 und des weiteren Leitfähigkeitssensors 11 ermittelt werden. Zusätzlich kann die Auswerteeinheit 8 anhand des Messwerts des zweiten Leitfähigkeitssensors 7 prüfen, ob das Kühlwasser eine ausreichend niedrige Leitfähigkeit hat, um die Brennstoffzelle nicht zu schädigen. Die beim ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Weitergabe des Signals an ein Fahrerdisplay und/oder ein Flottenmanagementsystem ist ebenso möglich, aber aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.

Claims

Anordnung zur Überwachung der Wirksamkeit eines Ionenfilters (5), wobei der Ionenfilter (5) von einem flüssigen Medium durchströmbar ist, - mit einem ersten Leitfähigkeitssensor (6), der in Strömungsrichtung vor dem Ionenfilter angeordnet ist - mit einem zweiten Leitfähigkeitssensor, der (7) in Strömungsrichtung nach dem Ionenfilter angeordnet ist - mit einer Auswerteeinheit (8), die ausgebildet ist, - mithilfe von Messwerten der beiden Leifähigkeitssensoren (6, 7) eine charakteristische Größe zu bestimmen, die mit der Wirksamkeit des Ionentauschers (5) korreliert, und - bei Abweichen der charakteristischen Größe von einem vorgegebenen Wert oder Intervall ein Signal auszugeben.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Auswerteeinheit (8) ausgebildet ist, unterschiedliche Signale je nach Wert der charakteristischen Größe abzugeben.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium ein Kühlmedium für eine zu kühlende Komponente, insbesondere für eine Brennstoffzelle (2) ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Leitfähigkeitssensor (7) stromaufwärts zu der zu kühlenden Komponente (2) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeitssensoren (6, 7) eine Datenschnittstelle aufweisen zum direkten oder indirekten Anschluss an eine Steuerung der zu kühlenden Komponente (2) oder an eine übergeordnete Steuerung.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung in einem Kraftfahrzeug oder einem Schienenfahrzeug angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, die charakteristische Größe und/oder die gemessenen Leitfähigkeitswerte und/oder das Signal an eine übergeordnete zentrale Einheit außerhalb des Fahrzeugs, insbesondere ein Flottenmanagementsystem, (13) zu übermitteln.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung in einem Kraftfahrzeug oder einem Schienenfahrzeug angeordnet ist und eine Anzeigevorrichtung für die charakteristische Größe und/oder für die gemessenen Leitfähigkeitswerte und/oder für das Signal an einem Fahrerdisplay (12) vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Leitfähigkeitssensor (11) vorgesehen ist.
Verfahren zur Überwachung der Wirksamkeit eines Ionenfilters, bei dem - der Ionenfilter (5) von einem flüssigen Medium durchströmt wird - die Leitfähigkeit des flüssigen Mediums in Strömungsrichtung vor dem Ionenfilter (5) und in Strömungsrichtung nach dem Ionenfilter (5) gemessen wird, - eine Auswerteeinheit (8) mithilfe der gemessenen Leitfähigkeiten eine charakteristische Größe ermittelt, die mit der Wirksamkeit des Ionenfilters (5) korreliert, und - bei Abweichen der charakteristischen Größe von einem vorgegebenen Wert oder Intervall ein Signal ausgibt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Werte oder Intervalle vorgegeben sind, denen jeweils unterschiedliche auszugebende Signale zugeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeit eines Kühlmediums für eine Komponente (2), insbesondere für eine Brennstoffzelle, gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeit in Strömungsrichtung vor dem Ionenfilter (5) mit einem ersten Leitfähigkeitssensor (6) gemessen wird und in Strömungsrichtung nach dem Ionenfilter (5) mit einem zweiten Leitfähigkeitssensor (7) gemessen wird und - die Differenz zwischen den Messwerten des ersten und zweiten Leitfähigkeitssensors ermittelt wird und - bei Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts für diese Differenz ein Signal ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Leitfähigkeitssensor (7) in einem Kühlkreislauf vor einer Brennstoffzelle (2) angeordnet ist und bei Überschreiten eines Schwellwerts durch den Messwert des zweiten Leitfähigkeitssensors (7) ein Signal ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenfilter (5) in einem Kühlkreislauf vor einer Brennstoffzelle (2) angeordnet ist und die ermittelte charakteristische Größe und/oder die gemessenen Leitfähigkeitswerte und/oder das Signal an eine übergeordnete zentrale Einheit, insbesondere ein Flottenmanagementsystem (13), übermittelt eswerden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenfilter (5) in einem Kraftfahrzeug oder einem Schienenfahrzeug angeordnet ist und eine Anzeigevorrichtung für die charakteristische Größe und/oder die gemessenen Leitfähigkeitswerte und/oder das Signal an einem Fahrerdisplay (12) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeit des flüssigen Mediums mit mindestens einem weiteren Leitfähigkeitssensor (11) gemessen wird und dessen Messwert für die Bestimmung der charakteristischen Größe und/oder die Leitfähigkeit des Mediums verwendet wird.
Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Kühlmittelkreislauf und einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1-8.
Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1-8, 17.