WO2006039901A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung der leitfähigkeit eines kühlmediums eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bestimmung der leitfähigkeit eines kühlmediums eines brennstoffzellensystems Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining the conductivity of a cooling medium of a fuel cell system according to the preamble of patent claims 1 and 7.
  • such a fuel cell system regularly comprises a fuel cell with electrical poles through which a cooling medium flows, the term fuel cell being used interchangeably below with the technical term fuel cell stack, which consists of a multiplicity of fuel cells arranged in succession.
  • the system comprises an inverter electrically connected to said poles of the stack for converting the direct current generated by the fuel cell into alternating current.
  • the parts of the fuel cell which are in communication with the cooling medium, and preferably also the inverters are regularly connected to the same ground electrical connection, ie. H. these are, for example, electrically connected to their metallic housings or frame parts on a common metallic housing.
  • the efficiency of a fuel cell or a fuel cell stack depends inter alia on the conductivity of the cooling medium. If the conductivity of the cooling medium depends on the existing number of ions, the worst case scenario is a short circuit in the stack, because the functional principle of the fuel cell requires electrical separation of the differently polarized pole plates of the stack. This electrical separation is no longer guaranteed with high conductivity of the cooling medium, which indeed flows between the pole plates. During operation of a fuel cell system, it is thus necessary to pay attention to the conductivity of the cooling medium, since it either at least reduces the efficiency or, as explained, even leads to total failure of the stack.
  • the electrical conductivity of the cooling medium is measured or checked, for example, once a day with a conductivity meter. For example, it should not exceed 5 ⁇ S / cm.
  • the object of Er ⁇ invention is to determine the electrical conductivity of the cooling medium in a different, as simple as possible to be able to avoid a deteriorated operation or even a failure of the fuel cell system.
  • a resistance measuring element for determining the conductivity of the cooling medium between the ground connection and one of the two poles of the fuel cell. Since a simple resistance measuring device is sufficient for the measurement of the resistance, which, in addition, does not have to be brought into contact with the cooling medium itself, the constructive and thus also the financial outlay is considerably reduced. Incidentally, since the measured resistance value is in reciprocal relation to the electrical conductivity, it can be determined or calculated directly from the resistance value.
  • the proviso to use a resistance measuring element includes, moreover, both the possibility of using an ohmic resistance measuring device and a so-called impedance measuring device. The first device is used when the resistance is determined on the basis of an impressed direct current; the second device is accordingly considered when the resistance determination is based on an impressed alternating current, which of course is also possible.
  • the device according to the invention for determining the conductivity of a cooling medium of a fuel cell system including its advantageous developments, is explained in more detail below with reference to the drawing of an exemplary embodiment.
  • FIG 1 shows schematically an embodiment variant of the device according to the invention with fuel cell stack, inverter and resistance measuring element.
  • the device according to the invention for determining the conductivity of a cooling medium of a fuel cell system is shown schematically.
  • the device comprises a fuel cell 1 through which the cooling medium flows (here designed as a so-called PEM fuel cell stack) with electrical poles 2, 3 and an inverter 4 electrically connected to these poles 2, 3 for converting the direct current generated by the fuel cell 1 into alternating current ⁇ selstrom.
  • parts of the fuel cell 1 or of the fuel cell system which are at least connected to the cooling medium and, preferably, the inverter 4 (dotted line) are connected to a same ground electrical connection 5.
  • This can, as shown, be designed as a grounding or also (not shown) as a common housing of the fuel cell and preferably of the inverter.
  • a resistance measuring element 6 is provided for determining the conductivity of the cooling medium between the ground connection 5 and one of the two poles 2, 3 of the fuel cell 1, or that the determination the conductivity of the cooling medium is effected by means of a provided between the ground terminal 5 and one of the two poles 2, 3 of the fuel cell 1 fuel cell resistance measuring element 6.
  • the resistance measuring element 6 can optionally be designed as an ohmic resistance measuring device (for direct current) or as an impedance measuring device (for alternating current).
  • resistance measuring elements are structurally much simpler than conductivity sensors to be provided on the device, especially according to an advantageous development in which the resistance measuring element 6 is designed as an integral component of the inverter 4; It should be noted in this regard that, of course, in this case as well, the resistance measuring element 6 is arranged between the ground terminal 5 and one of the two poles 2, 3 (in this case, the dotted connection is compelling), since the poles 2 3 are always electrically connected directly to the inverter 4.
  • an electrically conductive liquid preferably deionized water, is used for this purpose. If the number of ions present in the water increases, the conductivity increases to a predefined conductivity threshold value. This is z. B.
  • the conductivity measurement can, however, also be carried out by means of impedance measurement (with impressed alternating current) during operation.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Kühlmediums eines Brennstoffzellensystems, umfassend eine vom Kühlmedium durchströmte Brennstoffzelle (1) mit elektrischen Polen (2, 3) und einen mit diesen Polen (2, 3) elektrisch verbundenen Wechselrichter (4) zur Umwandlung des von der Brennstoffzelle (1) erzeugten Gleichstroms in Wechselstrom, wobei mindestens mit dem Kühlmedium in Verbindung stehende Teile der Brennstoffzelle (1) zum Potentialausgleich mit einem gleichen elektrischen Masseanschluss (5) verbunden sind. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Kühlmediums zwischen dem Masseanschluss (5) und einem der beiden Pole (2, 3) der Brennstoffzelle (1) ein Widerstandsmesselement (6) angeordnet ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Kühlmediums eines Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Kühlmediums eines Brenn¬ stoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und 7.
Ein derartiges Brennstoffzellensystem umfasst zunächst regel¬ mäßig eine von einem Kühlmedium durchströmte Brennstoffzelle mit elektrischen Polen, wobei der Begriff Brennstoffzelle im Folgenden synonym mit dem Fachausdruck Brennstoffzellenstack verwendet wird, der aus einer Vielzahl hintereinander geschal¬ teter Brennstoffeinzelzellen besteht. Darüber hinaus umfasst das System einen mit den genannten Polen des Stacks elektrisch verbundenen Wechselrichter zur Umwandlung des von der Brenn¬ stoffzelle erzeugten Gleichstroms in Wechselstrom. Zur Vermei¬ dung von Potentialdifferenzen sind insbesondere die mit dem Kühlmedium in Verbindung stehenden Teile der Brennstoffzelle und vorzugsweise auch der Wechselrichter regelmäßig mit einem gleichen elektrischen Masseanschluss verbunden, d. h. diese sind beispielsweise mit ihren metallischen Gehäusen bzw. Rah¬ menteilen an einem gemeinsamen metallischen Gehäuse elektrisch angebunden.
Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoff¬ zellenstacks hängt unter anderem von der Leitfähigkeit des Kühlmediums ab. Ist die von der vorhandenen Ionenanzahl abhän¬ gige Leitfähigkeit des Kühlmedium groß, kommt es schlimmsten¬ falls zu einem Kurzschluss im Stack, denn das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle bedingt eine elektrische Trennung der un¬ terschiedlich gepolten Polplatten des Stacks . Diese elektri¬ sche Trennung ist bei hoher Leitfähigkeit des Kühlmediums, das ja zwischen den Polplatten strömt, nicht mehr gewährleistet. Beim Betrieb eines Brennstoffzellensystems ist also auf die Leitfähigkeit des Kühlmediums zu achten, da diese entweder zu¬ mindest den Wirkungsgrad verschlechtert, oder, wie erläutert, sogar zum Totalausfall des Stacks führt.
Bei bekannten Vorrichtungen der eingangs genannten Art wird daher beispielsweise einmal pro Tag mit einem Leitfähigkeits- messgerät die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmediums gemes¬ sen bzw. überprüft. Diese sollte beispielsweise nicht mehr als 5 μS/cm betragen.
Da derartige Geräte zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit kostenintensiv sind und ein erheblicher zusätzlicher konstruk¬ tiver Aufwand erforderlich ist, um diese Vorrichtungen am Brennstoffzellensystem vorzusehen, besteht die Aufgabe der Er¬ findung darin, die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmediums auf eine andere, möglichst einfache Weise bestimmen zu können, um einen verschlechterten Betrieb oder gar einen Ausfall des Brennstoffzellensystems zu vermeiden.
Diese Aufgabe ist mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführ¬ ten Merkmale gelöst. Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 7 aufgeführten Merkmale gelöst.
Nach der Erfindung ist somit vorgesehen, dass zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Kühlmediums zwischen dem Masseanschluss und einem der beiden Pole der Brennstoffzelle ein Widerstands¬ messelement vorgesehen ist. Da zur Messung des Widerstandes ein einfaches Widerstandsmessgerät ausreicht, das darüber hin¬ aus auch nicht selbst mit dem Kühlmedium in Kontakt gebracht werden muss, verringert sich der konstruktive und damit auch der finanzielle Aufwand erheblich. Da der gemessene Wider¬ standswert im Übrigen im reziproken Verhältnis zur elektri¬ schen Leitfähigkeit steht, kann diese unmittelbar aus dem Wi¬ derstandswert ermittelt bzw. errechnet werden. Die Maßgabe, ein Widerstandsmesselement zu verwenden, umfasst dabei im Übrigen sowohl die Möglichkeit, ein ohmsches Wider- standsmessgerät als auch ein sogenanntes Impedanzmessgerät zu verwenden. Ersteres Gerät kommt dann zum Einsatz, wenn die Wi¬ derstandsermittlung auf Basis eines aufgeprägten Gleichstromes erfolgt; das zweite Gerät kommt dementsprechend in Betracht, wenn die Widerstandsermittlung auf Basis eines aufgeprägten Wechselstromes erfolgt, was selbstverständlich auch möglich ist.
Bezüglich der Stromaufbringung sei noch angemerkt, dass diese insbesondere bei einer Betriebsunterbrechung erforderlich ist, da in diesem Fall keine oder zumindest nur eine geringe Poten¬ tialdifferenzen zwischen dem Masseanschluss und den beiden Polen der Brennstoffzelle herrscht. Während des Betriebes des Brennstoffzellensystems kann dagegen beispielsweise zwischen dem Masseanschluss und einem der beiden Pole auch eine geringe Wechselspannung aufgeprägt werden. Die Leitfähigkeit des Kühl¬ mediums läßt sich dann mittels des erwähnten Impedanzmessgerä¬ tes bestimmen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Leitfähig¬ keit eines Kühlmediums eines Brennstoffzellensystems ein¬ schließlich ihrer vorteilhaften Weiterbildungen wird nachfol¬ gend anhand der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungs- beispiels näher erläutert.
Es zeigt
Figur 1 schematisch eine AusführungsVariante der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung mit Brennstoffzellenstack, Wechselrichter und Widerstandsmesselement.
In der einzigen Figur 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Kühlmediums eines Brennstoffzellensystems schematisch dargestellt. Diese Vor- richtung umfasst eine vom Kühlmedium durchströmte Brennstoff¬ zelle 1 (hier als sogenannter PEM-Brennstoffzellenstack ausge¬ bildet) mit elektrischen Polen 2, 3 und einen mit diesen Polen 2, 3 elektrisch verbundenen Wechselrichter 4 zur Umwandlung des von der Brennstoffzelle 1 erzeugten Gleichstroms in Wech¬ selstrom. Zum Potentialausgleich sind mindestens mit dem Kühl¬ medium in Verbindung stehende Teile der Brennstoffzelle 1 bzw. des Brennstoffzellensystems und vorzugsweise der Wechsel¬ richter 4 (gepunktete Linie) mit einem gleichen elektrischen Masseanschluss 5 verbunden. Dieser kann, wie dargestellt, als Erdung oder auch (nicht dargestellt) als ein gemeinsames Ge¬ häuse der Brennstoffzelle und vorzugsweise des Wechselrichters ausgebildet sein.
Wesentlich für die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das er¬ findungsgemäße Verfahren ist nun, dass zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Kühlmediums zwischen dem Masseanschluss 5 und einem der beiden Pole 2, 3 der- Brennstoffzelle 1 ein Widerstandsmesselement 6 vorgesehen ist bzw. dass die Bestim¬ mung der Leitfähigkeit des Kühlmediums mittels eines zwischen dem Masseanschluss 5 und einem der beiden Pole 2, 3 der Brenn¬ stoffzelle 1 vorgesehenen Widerstandsmesselement 6 erfolgt.
Wie bereits erwähnt, kann dabei das Widerstandsmesselement 6 wahlweise als ohmsches Widerstandsmessgerät (bei Gleichstrom) oder als Impedanzmessgerät (bei Wechselstrom) ausgebildet sein.
Wie ferner eingangs erwähnt, sind Widerstandsmesselemente kon¬ struktiv wesentlich einfacher als Leitfähigkeitssensoren an der Vorrichtung vorzusehen, zumal gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung, bei der das Widerstandsmesselement 6 als inte¬ graler Bestandteil des Wechselrichters 4 ausgebildet ist; wo¬ bei diesbezüglich anzumerken bleibt, dass natürlich auch in diesem Fall das Widerstandsmesselement 6 zwischen dem Massean¬ schluss 5 und einem der beiden Pole 2, 3 angeordnet ist (in diesem Fall ist die gepunktet dargestellte Verbindung zwin¬ gend) , da die Pole 2, 3 ja stets elektrisch unmittelbar mit dem Wechselrichter 4 verbunden sind. Bezüglich des Kühlmediums ist vorteilhaft vorgesehen, dass hierzu eine elektrisch leitende Flüssigkeit, vorzugsweise de¬ ionisiertes Wasser, verwendet wird. Steigt die Anzahl der im Wasser vorhandenen Ionen an, erhöht sich die Leitfähigkeit auf einen vordefinierten Leitfähigkeitsschwellwert. Dies wird z. B. bei einer routinemässigen Betriebsunterbrechung festge¬ stellt. Eine entsprechend ausgebildete Sicherheitsschaltung sorgt dann zur Gewährleistung eines regulären, fehlerfreien und wirkungsgradoptimierten Betriebes dafür, dass der Betrieb der Vorrichtung mindestens solange unterbrochen ist, bis frisch deionisiertes Wasser nachgefüllt und der Widerstands¬ wert wieder einen hinreichend hohen Wert erreicht hat.
Wie erwähnt, kann die Leitfähigkeitsmessung schließlich aber auch per Impedanzmessung (bei aufgeprägtem Wechselstrom) wäh¬ rend des Betriebs erfolgen.
Besugszeichenliste
1 Brennstoffzelle
2 Pol
3 Pol
4 Wechselrichter
5 • Masseanschluss
6 Widerstandsmesselement

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Kühlme- diums eines BrennstoffZellensystems, umfassend eine vom Kühlmedium durchströmte Brennstoffzelle (1) mit elektrischen Polen (2, 3) und einen mit diesen Polen (2, 3) elektrisch verbundenen Wech¬ selrichter (4) zur Umwandlung des von der Brennstoffzelle (1) erzeugten Gleichstroms in Wechselstrom, wobei mindestens mit dem Kühlmedium in Verbindung stehende Teile der Brennstoffzelle (1) zum Potentialausgleich mit einem elektrischen Masseanschluss (5) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Kühlmediums zwi¬ schen dem Masseanschluss (5) und einem der beiden Pole (2, 3) der Brennstoffzelle (1) ein Widerstandsmesselement (6) vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Masseanschluss (5) als Gehäuse mindestens der Brennstoffzelle (1) und vorzugsweise des Wechselrichters (4) ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium eine elektrisch leitende Flüssigkeit, vorzugsweise deionisiertes Wasser, vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsmesselement (6) wahlweise als ohmsches Widerstandsmessgerät oder als Impedanzmessgerät ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewährleistung eines regulären, fehlerfreien Be¬ triebs eine Sicherheitsschaltung vorgesehen ist, die bei Überschreiten einer vordefinierten Leitfähigkeit des Kühl- mediums eine Betriebsunterbrechung bewirkt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsmesselement (6) als integraler Bestand¬ teil des Wechselrichters (4) ausgebildet ist.
7. Verfahren zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Kühlmedi¬ ums eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Bestimmung der Leitfähigkeit des Kühlmediums mit¬ tels eines zwischen dem Masseanschluss (5) und einem der beiden Pole (2, 3) der Brennstoffzelle (1) vorgesehenen Wi¬ derstandsmesselement (6) erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Leitfähigkeit während einer routi¬ nemäßigen Betriebsunterbrechung des Brennstoffzellensystems erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Leitfähigkeit während des Betriebs des Brennstoffzellensystems erfolgt.
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AL Designated countries for regional patents

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