对用于燃料电池冷却回路的离子过滤器的监测

本发明涉及一种用于检验离子过滤器的有效性的装置和方法。由此尤其能够确定离子过滤器的负载和/或预期的剩余使用寿命，由此实现基于状态的维护(所谓的Condition Based Maintenance，状态检修)。

离子过滤器用于对水或其他液体进行去离子处理，并且在确定的工业流程中使用，在这些工业流程中，液体的过高的离子浓度干扰甚至阻碍流程的进行。对此的示例为使用冷却工艺的流程，其中，冷却剂与部件接触，这些部件在离子浓度过高时损坏、例如更快地被腐蚀。高离子浓度通常导致传导率升高，这同样可能对流程或流程设施造成损害。

离子过滤器具有有限的使用。随着使用时间的增长，离子过滤器的有效性越低，因为离子过滤器的负载由于吸收过滤出来的离子而升高，即液体不再充分地被去离子，从而使冷却介质的传导率增加。

典型的应用情况是燃料电池，燃料电池优选通过水冷却，并且可用作多种设施的能量源，并且越来越多地用于机动车辆或轨道车辆。冷却介质在此与电池电压直接接触，并且也作为绝缘介质起作用，因此其仅允许具有低导电率。通过通常被用作离子交换器的离子过滤器实现约5-15μS/cm、优选约10μS/cm的范围中的传导率。液体冷却的燃料电池堆的运行需要这种低传导率；在离子过滤器的其他应用情况中要求可能较低，并且不超过50μS/cm的传导率可能就足够了。燃料电池堆由多个膜、双极板和冷却板组成。氢燃料的化学能在薄膜上转化为电能。由于冷却板和双极板串联连接，因此如果冷却介质的传导率过高，则存在短路的风险。出于该原因，在燃料电池系统中使用离子过滤器是必要的。

为了确保冷却水的低传导率，以制造商预设的相对较短的并且固定的间隔更换离子过滤器。这与成本和干扰运行的中断时间相关。这也适用于离子过滤器的其他用途。

本发明所要解决的技术问题在于避免上述缺点。

该技术问题通过具有权利要求1的特征的装置和具有权利要求9的特征的方法解决。

本发明的有利设计方案在从属权利要求中给出。

本发明规定，在离子过滤器的有效性方面对离子过滤器进行监测。有效性、即离子过滤器的过滤效果，以及可能的剩余使用寿命首先取决于离子过滤器实际使用时间、即例如燃料电池的运行时间。通过确定实际状态，可以省去短的并且固定的更换周期，取而代之的是，只要离子过滤器在相应的应用情况中仍具有所需的有效性就可以一直使用。通过本发明实现了基于状态的维护(状态检修)。

用于确定离子过滤器的有效性的装置包括至少两个传导率传感器，其中，第一传导率传感器沿着流动方向布置在离子过滤器之前，并且第二传导率传感器沿着流动方向布置在离子过滤器之后。设置有分析单元，该分析单元能够由两个传导性传感器的测量值中确定特征量，该特征量与离子过滤器的有效性相关。如果该特征量偏离了预设的值或者区间、尤其是低于第一下阈值或者上阈值，则产生信号、即离子过滤器的有效性不再足够的电的或者电子的信息。信号随即显示需要更换离子过滤器。

可以预设多个允许的区间和/或多个下阈值和/或上阈值，它们与不同的剩余有效性或负载相关，并且与更换的紧迫性方面的警告等级相关联。在此优选根据警告等级产生不同的信号。由此使过滤器的更换能够更好地集成到运行过程中。

分析单元例如可以将第一和第二传导率传感器的测量值之间的差或者由此推导出的量确定为特征量。

传导率传感器可以测量冷却介质、例如水的传导率。第二传导率传感器可以布置在待冷却的部件的前面或后面。如果传感器布置在离子过滤器和待冷却的部件、尤其是燃料电池之间，则能够借助该传感器的测量值确保传导率足够低，以使燃料电池运行。

有利的是布置三个传导率传感器，这三个传导率传感器例如分别布置在离子过滤器的前面、离子过滤器和待冷却的部件之间以及待冷却的部件的后面。如果应当对液体流中的多个离子过滤器进行监测，多个传导率传感器是有利的，因为可以确定各个单独的离子过滤器的状态。

此外，两个传导率传感器中的一个导率传感器或者附加的传导率传感器可以足够直接地布置在部件、尤其是待冷却的部件前方，并且通过其测量值能够确定液态的介质、尤其是冷却介质是否具有不损坏部件的足够低的传导率。为此规定通过分析单元输出相应的信号。传导率传感器可以具有数据接口，传导率传感器通过该数据接口与控制装置、例如待冷却的部件的控制装置或者上级的控制装置连接。与控制装置的连接可以直接或间接地、尤其是通过分析单元实现。由此使得能够更好地融入具有全面的诊断系统的整体流程中。由此产生了用于探测和暂存测量值的方法的其他可行性，这些可能性能够根据运行方案和维护方案/保养方案的规定良好地在上级的控制装置中进行适配。

当在车辆中使用时，传导率传感器可以以简单的方式由车辆的车载电网供电。备选地或者附加地，分析单元可以将所确定的特征量和/或传导率传感器的测量值和/或信号传输至位于车辆外部的系统、例如上级的中央单元、例如队列管理系统(Flottenmanagementsystem)。备选地或者附加地可以提供驾驶员显示器，即在驾驶期间为驾驶员提供能看到的显示装置，该显示装置显示测量值、特征量和/或信号。

在用于监测离子过滤器的有效性的方法中，测量流经离子过滤器的液态的介质在离子过滤器之前和之后的传导率。测量值被传输至分析单元。由测量值计算与离子过滤器的有效性相关的特征量。将特征量与预设的值或区间进行比较，并且在特征量以预定方式偏离该值或者位于预设的区间之外时输出信号。

与所述装置结合地描述的可能的设计方案实质上也适用于所述方法。因此例如有利的是，使用多个预设的阈值或区间，在超过或者低于这些阈值或区间时输出不同的信号。因此可以在离子过滤器的过滤效果仅适度地降低时发出预先警告，并且在负载进一步增加并且有效性进一步降低时信号化地表示其它警告等级。离子过滤器的更换随即可以在使整个设备的运行尽可能少地被影响的时间进行，因为在过滤器使用寿命结束时提前通知需要更换。

通过所述装置和所述方法实现了预测性的监测和基于状态的维护。在及时进行通知之后，只有当离子过滤器的有效性降低或者无法继续使用时才进行更换，并且总地在固定预设的静态时间间隔之后也不再进行更换，而不考虑离子过滤器的运行时间。同时确保的是，离子过滤器仅在其有效性足够用于相应的应用并且避免损害的情况下使用。此外，还优化了维护流程，并且降低了运营商所需库存的离子过滤器的存储成本。通过使用至少两个传导率传感器能够非常准确地并且与环境影响无关地确定离子过滤器的状态。

以下借助实施例详细阐述本发明。在附图中：

图1示出了具有离子过滤器的第一实施例；

图2示出了具有离子过滤器的第二实施例。

图1示出了具有管路1和作为待冷却的部件的燃料电池2的冷却回路的局部区域，作为冷却介质的水流过管路1。冷却回路具有锁闭元件、例如阀3，以及为清晰起见未示出的其他部件。例如可在适当的位置存在热交换器、冷却剂泵和其他阀、管路和分支。整个装置可以安设在燃料电池容器中。

冷却回路具有颗粒过滤器4和离子过滤器5，以对燃料电池前的冷却水进行充分的清洁和去离子。第一传导率传感器6沿着流动方向布置在离子过滤器5之前，第二传导率传感器7布置在离子过滤器的下游。在所示的示例中，第二传导率传感器也布置在燃料电池2的下游，然而也可以布置在离子过滤器5和燃料电池2之间。

分析单元8与两个传导率传感器连接，并且接收两个传导率传感器的测量值。分析单元由这些测量值计算出与离子过滤器的过滤效果相关的特征量。特征量例如是第一传感器的所测量的传导率L1与第二传感器的所测量的传导率L2的差L1-L2。分析单元将该特征量与预设的第一下阈值S1和第二下阈值S2进行比较，其中，S2

所示的系统设置用于具有燃料电池驱动装置的车辆(或称为交通工具)，并且信号在驾驶员显示器12上显示给驾驶员，和/或传输至车辆之外的队列管理系统13。

按照图2的实施方式与图1的区别在于，第二离子过滤器10和其他传导率传感器11。其他传导率传感器11布置在第二离子过滤器10的下游，第二传导率传感器7布置在第一离子过滤器5之后并且布置在燃料电池2的之前。如上所述，分析单元8可以由第一传感器和其他传感器的测量值确定两个离子过滤器5、10的结合的有效性。此外可以根据第一和第二传导率传感器6、7的测量值确定第一离子过滤器的状态。类似地可以通过第二传导率传感器7和其他传导率传感器11的测量值确定第二离子过滤器10的状态。附加地，分析单元8可以根据第二传导率传感器7的测量值检查冷却水的传导率是否足够低，以防止燃料电池受损。在第一实施例所述的将信号传输至驾驶员显示器和/或队列管理系统同样是可行的，然而为清晰起见未示出。