DE102018201815A1

DE102018201815A1 - Verfahren zur Detektion der Luftgüte

Info

Publication number: DE102018201815A1
Application number: DE102018201815.4A
Authority: DE
Inventors: Jochen Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2019-08-08
Also published as: WO2019154846A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Detektion der Luftgüte von Umgebungsluft (40) als Oxidationsmittel für ein Brennstoffzellensystem (12) eines Fahrzeuges (10) mit einem hybriden Energiesystem (11), umfassend das Brennstoffzellensystem (12) und einen weiteren Energiespeicher (14) mit mindestens einer rekuperierbaren Batterie (16) oder einer Anzahl von Superkondensatoren, wobei zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:a) Erfassung der Luftgüte der Umgebungsluft (40) mittels eines Luftgütesensors (18),b) Auswertung der Sensorwerte des Luftgütesensors (18) in einem Steuergerät (20),c) Anpassungen der Leistungen des Brennstoffzellensystems (12) (FCS = Fuel Cell System) und des weiteren, mindestens eine rekuperierbare Batterie (16) oder einer Anzahl von Superkondensatoren aufweisenden Energiesystems (14) an die aktuelle Umgebungssituation im Rahmen einer ersten Systemfunktion (22) undd) Anpassung und Optimierung weiterer Systemfunktionen (24, 26, 28, 30, 32) des Brennstoffzellensystems (12) des Fahrzeugs

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Detektion der Luftgüte von Umgebungsluft, die als Oxidationsmittel für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeuges, welches einen weiteren Energiespeicher aufweist, eingesetzt wird, sowie auf ein Fahrzeug.
Stand der Technik
Bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellensystem (FCS = Fuel Cell System) als Antriebsquelle, wird üblicherweise als Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft verwendet. Das Oxidationsmittel wird nicht im Fahrzeug in einem separaten Speicher mitgeführt und bevorratet. Die Umgebungsluft enthält jedoch Bestandteile, beispielsweise chemische Substanzen, Partikel oder auch Fasern, die für den Betrieb von Brennstoffzellensystemen (FCS = Fuel Cell System) von Nachteil sind und deshalb möglichst komplett eliminiert bzw. von der Menge her reduziert werden sollten.
Dabei handelt es sich insbesondere um chemische Substanzen, die gasförmig, dampfförmig oder als Aerosole vorliegen, welche die Brennstoffzelle durch verschiedene Mechanismen, so beispielsweise durch eine Blockierung des Platinkatalysators oder Schädigung einer PEM-Membran reversibel oder sogar irreversibel schädigen können. Hier sei auf Schwefelverbindungen oder Stickoxidverbindungen verwiesen.
Durch derartige Schädigungen kommt es während der Fahrt zur Verminderung des Wirkungsgrades durch Erhöhung der Verluste und damit zum Leistungsabfall des Brennstoffzellensystems. Sind die Schädigungen bzw. Alterung innerhalb der Komponenten innerhalb des Brennstoffzellensystems irreversibel, so bleibt die reduzierte Leistung aufgrund des Leistungsabfalls trotz Stillstandsphasen des Fahrzeugs erhalten. Sowohl reversible als auch insbesondere irreversible Schädigungen bzw. Alterungserscheinungen sind unerwünscht und führen zu Mehraufwand, beispielsweise einer anderen Auslegung, erhöhten Kosten und aufwendige Regenerationsmaßnahmen bzw. Regenerationsfunktionen, oder auch zu Unzufriedenheit des Kunden, der eine Änderung des Verhaltens des Fahrzeugantriebes bzw. eine Verbrauchserhöhung konstatieren muss.
Um die oben stehend aufgezählten unerwünschten Bestandteile der Umgebungsluft teilweise oder ganz herauszufiltern, werden meist kombinierte Filter eingesetzt. Diese umfassen eine mechanische oder strömungstechnische Partikelabscheidung, kombiniert mit einer chemischen Abscheidung, beispielsweise durch mehrlagige Filter mit Aktivkohle. Bei erhöhter Konzentration von Schadstoffen in Bezug auf die Brennstoffzelle, wird der Filter jedoch mehr belastet, muss früher ausgetauscht werden und/oder das Durchschlüpfen von unerwünschten Substanzen durch den Filter wird erhöht und lässt die Brennstoffzelle schneller altern bzw. schädigt diese stärker den obenstehend aufgeführten Folgen.
Diese Thematik wird dadurch verschärft, dass für die Herstellung von Brennstoffzellenstapeln aus Kostengründen möglichst viel teures Katalysatormaterial, beispielsweise Platin, eingespart werden soll, wodurch sich die Sensitivität gegenüber kritischen Luftverunreinigungen, die aus der Umgebungsluft stammen, noch erhöht.
Bei mobilen Anwendungen von Brennstoffzellen werden diese als Antrieb in Fahrzeugen eingesetzt. Neben dem Brennstoffzellensystem haben diese Fahrzeuge einen weiteren Energiespeicher, beispielsweise in Form einer Batterie, die auch rekuperationsfähig sein sollte. Darunter sind auch andere Varianten eines Speichers zu verstehen, beispielsweise ein Akkumulator, Supercaps, Hybrid-Supercaps, KERS, Schwungradspeicher und dergleichen mehr.
Energiesysteme mit Brennstoffzellensystem in mobilen Anwendungen ohne weiteren in der Regel elektrischen Energiespeicher sind zwar technisch denkbar, spielen aber aufgrund mehrerer bekannter Nachteile derzeit in Entwicklungen keine Rolle.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren bezieht sich auf mobile Brennstoffzellensysteme, die wechselnden Umgebungsbedingungen bzw. unterschiedlichen Umgebungsluft-Güten ausgesetzt sind. Das vorliegende Verfahren kann jedoch auch in stationären Brennstoffzellensystemen eingesetzt werden, die wechselnde Umgebungsbedingungen bzw. Umgebungsluft-Güten erfahren.
Darstellung der Erfindung
Höchste Schadstoffkonzentrationen in der Umgebungsluft treten beispielsweise in städtischen Tunneln auf, die häufig nicht optimal belüftet werden. Aufgrund der Messungen von Messstationen sind auch weitere lokale Bereiche bekannt, die eine erhöhte Schadstoffkonzentration aufweisen, insbesondere Ballungsgebiete oder Bereiche mit Industrieansiedlung mit hoher Emissionsintensität. Teilweise tritt nur sehr lokal bzw. tritt nur eine kurze Fahrzeit bzw. nur eine kurze Fahrstrecke unter erhöhter Schadstoffkonzentration in der Umgebungsluft auf.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Detektion der Luftgüte von Umgebungsluft als Oxidationsmittel für ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem als Antriebsquelle und mit einem mindestens eine rekuperierbare Batterie aufweisenden weiteren Energiespeicher vorgeschlagen, bei dem zumindest nachfolgende Verfahrensschritte durchlaufen werden:

a) Erfassung der Luftgüte der Umgebungsluft mittels eines Luftgütesensors,
b) Auswertung der Sensorwerte des Luftgütesensors in einem Steuergerät,
c) Anpassung der Leistungen des Brennstoffzellensystems (FCS = Fuel Cell System) und des weiteren, mindestens eine rekuperierbare Batterie aufweisenden Energiespeichers an die aktuelle Umgebungssituation im Rahmen einer ersten Systemfunktion und
d) Anpassung und Optimierung weiterer Systemfunktionen des Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs.

Der schlagende Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ist darin zu erblicken, dass durch dieses eine Luftgüte-abhängige Betriebsstrategie bereitgestellt wird. Das hybride Energiesystem eines Fahrzeugs kann dahingehend genutzt werden, dass bei schlechter Luftgüte mehr Energie aus der rekuperierbaren Batterie entnommen wird und gleichzeitig weniger Energie durch das Brennstoffzellensystem geliefert werden muss, so dass aufgrund erheblich verringerter detektierter Luftgüte weniger Lufteintrag in dieses erfolgt und damit der Schadstoffeintrag in das Luftsystem des Brennstoffzellensystems (FCS = Fuel Cell System), d. h. in den Luftfilter, den Brennstoffzellenstapel und weitere Komponenten des Luftsystems erheblich vermindert wird.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens umfassen die weiteren Systemfunktionen gemäß d) eine zweite Systemfunktion, wonach Regenerationsstrategien zur Verminderung des Alterns des Brennstoffzellenstapels implementiert werden. Gemäß der zweiten Systemfunktion können beispielsweise Regenerationsstrategien zur Verminderung des Alterns des Brennstoffzellenstapels in Abhängigkeit von der Luftgüte gesteuert beziehungsweise angestoßen werden. So erfolgt beispielsweise eine Regeneration des Brennstoffzellenstapels erst dann, wenn die Luftgüte eine ausreichend hohe Qualität aufweist.
Des Weiteren umfassen in vorteilhafter Weise die weiteren Systemfunktionen eine dritte Systemfunktion, wonach flexible Wechselintervalle für einen Luftfilter abhängig von der Qualität der Umgebungsluft ermittelt werden. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ist es durch die Abschätzung der Beladung des Luftfilters mit Schadstoffen entsprechend des Luftgütesignals möglich, bedarfsgerechte flexible Wechselintervalle zu ermitteln.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens umfassen die weiteren Systemfunktionen eine vierte Systemfunktion, wonach die Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems abhängig von der Qualität der Umgebungsluft optimiert wird. Gemäß der vierten Systemfunktion kann eine temporäre Absenkung der Luftüberschusszahl A kathodenseitig vorgenommen werden. Durch diese Maßnahme kann der Luftmassenstrom verkleinert werden, so dass eine Verringerung des Schadstoffeintrages in das Brennstoffzellensystem erfolgt. Bevorzugt wird die deutliche Absenkung der Luftüberschusszahl A für einen kurzzeitigen Zeitraum vorgenommen.
Ferner ist eine weitere Systemfunktion gemäß d) eine fünfte Systemfunktion, wonach eine Informationsweitergabe der durch den Luftgütesensor ermittelten Sensorwerte über beispielsweise eine Car-to-Car-Schnittstelle oder über eine Car-to-Infrastruktur-Schnittstelle an Fahrzeuge ohne Luftgütesensor erfolgt, oder dass Luftgütekarten entsprechend der ermittelten Sensorwerte aktualisiert werden.
Abschließend sei eine sechste Systemfunktion genannt, wonach eine temporäre Absenkung des Betriebsdruckes der Betriebstemperatur sowie der Feuchte in Abhängigkeit von der Luftgüte vorgenommen werden kann. In der Regel herrschen bei höheren Stack-Betriebstemperaturen auch höhere Betriebsdrücke, um eine ausreichende Befeuchtung zu erhalten. Diese höheren Drücke haben einen erhöhten Bedarf an Verdichterleistung zur Folge, die wiederum durch eine Quelle, sei es eine rekuperierbare Batterie, Supercaps oder Brennstoffzellen abgedeckt werden müssen. Durch eine Absenkung im Sinne der sechsten Systemfunktion der Betriebstemperatur beziehungsweise des Betriebsdruckes kann die Gesamtleistung der Zusatzverbraucher des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von der Luftgüte vorgenommen werden. Sowohl das Wassermanagement hinsichtlich der Feuchte als auch das thermische System haben keine hohe Dynamik, so dass hier eine temporäre Möglichkeit der Absenkung besteht, so zum Beispiel während einer Tunnelfahrt weniger Luftmassenstrom zuzulassen. Dadurch wiederum erfolgt eine Verringerung des Eintrags von Schadstoffen in den Brennstoffzellenstapel. Diese Verringerung kann auch hinsichtlich ihrer Zeitspanne ausgedehnt werden.
Zur Verwirklichung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann der Luftgütesensor einem gemeinsamen Luftfilter vorgeschaltet werden, über welchen einerseits die Umgebungsluft für das Brennstoffzellensystem (FCS = Fuel Cell System) entsprechend konditioniert wird und/oder andererseits ein Innenraumbelüftungssystem des Fahrzeuges mit Umgebungsluft versorgt wird. Dies bietet den Vorteil, dass nur ein Luftgütesensor sowohl für das Luftsystem des Brennstoffzellensystems als auch für die Innenraumbelüftung des Fahrzeugs erforderlich ist.
Der Luftgütesensor kann vor dem Luftfilter angeordnet werden, der Luftgütesensor kann andererseits auch hinter einer ersten Partikelabscheidung eines geteilten Filters und vor einer chemischen Filterstufe eines geteilten Filters eingebaut werden.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Fahrzeug mit einem hybriden Energiesystem, dessen elektrischer Antrieb entweder über ein Brennstoffzellensystem oder über einen, mindestens eine rekuperierbare Batterie aufweisenden Energiespeicher gespeist wird.
Vorteile der Erfindung
Die Vorteile des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens liegen darin, dass die vom Luftgütesensor erhaltenen Signale, die in einem Steuergerät oder bei vernetzten Fahrzeugen in einer Cloud oder einem Server erfasst und aufbereitet werden, zur Durchführung und/oder Optimierung weiterer Systemfunktionen, insbesondere für das Brennstoffzellensystem (FCS = Fuel Cell System) genutzt werden können. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren lässt sich abhängig von der ermittelten Luftgüte ein flexibles Wechselintervall und damit ein bedarfsgerechter Luftfilterwechsel durch Abschätzung der Beladung des Luftfilters für das Brennstoffzellensystem oder eines gemeinsamen Luftfilters, der für das Brennstoffzellensystem und ein Innenraumbelüftungssystem des Fahrzeugs eingesetzt wird, erfassen. Des Weiteren kann die chemische Aktivität des Filterteils näherungsweise diagnostiziert werden oder auf diese näherungsweise zurückgeschlossen werden.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann eine Luftgüte-abhängige Betriebsstrategie für den Betrieb eines Fahrzeuges mit einem Brennstoffzellensystem (FCS = Fuel Cell System) und einem mindestens eine rekuperierbare Batterie aufweisenden, weiteren Energiespeichers, insbesondere eines elektrischen Antriebs eines Fahrzeugs dargestellt werden.
Das hybride Energiesystem des Fahrzeuges kann derart genutzt werden, dass im Falle einer ermittelten schlechten Luftgüte mehr Energie aus der mindestens einen rekuperierbaren Batterie des weiteren Energiespeichers entnommen wird, wobei gleichzeitig weniger Energie aus dem Brennstoffzellensystem entnommen wird, dessen Lufteintrag demzufolge verringert wird und wodurch sich wiederum der Schadstoffeintrag in den mindestens einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems verringern lässt. Dies führt zu einer längeren Lebensdauer (insbesondere des Brennstoffzellenstapels) bei gleichbleibender Leistung des Brennstoffzellensystems und verlängert andererseits die Austauschintervalle für Komponenten des Luftsystems, das Bestandteil des Brennstoffzellensystems ist. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, in diesem Zusammenhang die Filterflächen des Luftfilters kleiner auszulegen.
Im Falle des Einsatzes eines kombinierten Luftfilters, der sowohl für die Konditionierung der Umgebungsluft als Oxidationsmittel für das Brennstoffzellensystem dient, als auch für die Innenraumbelüftung eingesetzt wird, kann lediglich ein Luftgütesensor für beide Belüftungssysteme eingesetzt werden.
Der Luftgütesensor ist für die Innenraumbelüftung von Fahrzeugen für mobile Applikationen bereits vorhanden und könnte davon ausgehend, nur mit begrenztem Aufwand angepasst werden.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann eine reversible Schädigung des mindestens einen Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems (FCS = Fuel Cell System) wirksam vermindert werden, was auf die Luftgüte-abhängige Betriebsstrategie des Fahrzeuges zurückzuführen ist. Dadurch können Leistungseinbußen vermieden werden bzw. Absenkungen des Wirkungsgrades, ferner kann eine Steigerung des Kraftstoffverbrauches des Brennstoffzellensystems, bei dem es sich in der Regel um gasförmigen Wasserstoff handelt, vermieden werden. Da bei der Luftgüte-abhängigen Betriebsstrategie der Schadstoffeintrag insgesamt in das Brennstoffstellensystem erheblich verringert wird, sind die Ausführungsintervalle für Regenerationsstrategien erheblich verlängert. Regenerationsfunktionen beziehungsweise Regenerationsstrategien sind durch Verfahren gegeben, die die Betriebszustände eines Brennstoffzellensystems derart verändern, dass reversible Schädigungen, beispielsweise hervorgerufen durch entsprechende chemische Substanzen, wieder gezielt rückgängig gemacht werden können. Dies würde im Standardbetrieb entweder nicht erfolgen oder viel längere Zeiträume beanspruchen. Im Rahmen der Regenerationsfunktionen beziehungsweise Regenerationsstrategien für ein Brennstoffzellensystem kann beispielsweise die Betriebstemperatur derart verändert werden, zum Beispiel durch Anheben der Temperatur, dass ein Heilungsprozess (recovery) unterstützt beziehungsweise beschleunigt wird. In diesem Zusammenhang ist der Luftgütesensor besonders bedeutsam, weil die entsprechende Regeneration des Brennstoffzellensystems bei einer guten Luftqualität prinzipiell besser abläuft als bei schlechter Luftqualität.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren vermindert darüber hinaus das Auftreten irreversibler Schädigungen des mindestens einen Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems durch die Luftgüte-abhängige Betriebsstrategie, wodurch die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems verlängert wird. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine Optimierung der Auslegung des jeweiligen Brennstoffzellensystems. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Betriebsweise des hybriden Energiesystems, umfassend ein Brennstoffzellensystem und einen mindestens eine rekuperierbare Batterie aufweisenden weiteren Energiespeicher kann die entsprechende Auslegung hinsichtlich einer Vorhalte beziehungsweise Reserve zur Berücksichtigung der Alterungseffekte über die Lebenszeit reduziert werden. Dies bedeutet, dass im Brennstoffzellenstapel die Gesamtfläche reduziert werden kann, was die Baugröße günstig beeinflusst. Des Weiteren kann die Gesamtmenge des eingesetzten Edelmetalls Platin reduziert werden. Durch eine derart optimierte Auslegung des Brennstoffzellenstapels kann ein deutlich größerer Kostenvorteil erzielt werden als durch eine mögliche Reduzierung von Filterflächen.
Figurenliste
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben:

Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Luftgütesensor, einem Steuergerät, einem Brennstoffzellensystem (FCS) und einem weiteren Energiespeicher mit mindestens einer rekuperierbaren Batterie,
- 2 einen Luftgütesensor, der dem Luftsystem des Brennstoffzellensystems vorgeschaltet ist,
- 3 einen Luftgütesensor, der dem Lufteinlass für ein Brennstoffzellensystem und für die Innenraumbelüftung eines Fahrzeuges vorgeschaltet ist,
- 4 die Darstellung der Verwendung des Signals des Luftgütesensors für verschiedene Funktionen im Steuergerät einer mobilen Applikation,
- 5 eine perspektivische Darstellung eines Luftgütesensors,
- 6 ein Luftgütesensor, der einen Filter mit Partikelabscheidung und mit chemischem Filterteil vorgeschaltet ist und
- 7 einen Luftgütesensor, der einer ersten Partikelabscheidung nachgeordnet ist, einem chemischen Filterteil vorgeschaltet ist eines geteilt ausgeführten Filters.

Ausführungsvarianten
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges 10 mit einem Brennstoffzellensystem 12 (FCS = Fuel Cell System).
In der Darstellung gemäß 1 umfasst das Fahrzeug 10 das Brennstoffzellensystem 12 sowie einen weiteren Energiespeicher 14, welcher mindestens eine rekuperierbare Batterie 16 aufweist, die im Fahrzeugboden des Fahrzeuges 10 integriert sein kann. Das Brennstoffzellensystem 12 und der weitere Energiespeicher 14 bilden ein hybrides Energiesystem 11 des Fahrzeugs 10. Ein Luftgütesensor 18 ist mit einem Steuergerät 20 verbunden. Im Steuergerät 20, welches die Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems 12 (FCS = Fuel Cell System) und des weiteren Energiespeichers 14 steuert, sind eine erste Systemfunktion 22, eine zweite Systemfunktion 24, eine dritte Systemfunktion 26, eine vierte Systemfunktion 28, eine fünfte Systemfunktion 30 sowie eine sechste Systemfunktion 32 und gegebenenfalls noch weitere Systemfunktionen implementiert. Der weitere Energiespeicher 14 umfasst mindestens eine rekuperierbare Batterie 16. Dem Brennstoffzellensystem 12 ist ein Brennstoffspeicher 34 zugeordnet, dessen Füllmenge ebenfalls durch das Steuergerät 20 des Fahrzeugs 10 erfasst werden kann. Bei vernetzten Fahrzeugen 10 kann die Datenerfassung auch über eine Cloud oder einen Server erfolgen.
Im vorliegenden Zusammenhang umfasst das hybride Energiesystem 11 das Brennstoffzellensystem sowie den Brennstoffspeicher 34 einerseits und den weiteren Energiespeicher 14 mit mindestens einer rekuperierbaren Batterie 16 andererseits. Die Komponenten Brennstoffzellensystem 12 und Brennstoffspeicher 34 stellen im vorliegenden Zusammenhang einen Energiespeicher dar.
2 zeigt in schematischer Weise die Anordnung eines Luftgütesensors 18 für den Lufteinlass für das Brennstoffzellensystem 12 (FCS = Fuel Cell System).
2 zeigt, dass Umgebungsluft 40 über einen Luftfilter 42 gefiltert wird in das Brennstoffzellensystem 12 gelangt. Der Zuluftseite des Luftfilters 42 ist der Luftgütesensor 18 vorgeschaltet. In Strömungsrichtung der Umgebungsluft 40 gesehen, kann hinter dem Luftfilter 42 ein Druckmesser 44 angeordnet sein; dieser ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Hinter dem Luftfilter 42 befindet sich ein Luftverdichter 46, dem optional ein Zwischenkühler 48 nachgeordnet sein kann. Diesem kann ebenfalls optional ein Luftbefeuchter 50 nachgeordnet sein, um die durch den Luftfilter 42 gereinigte Umgebungsluft gegebenenfalls zu befeuchten, bevor diese in den mindestens einen Brennstoffzellenstapel 52 des Brennstoffzellensystems 12 (FCS = Fuel Cell System) gelangt.
3 ist eine weitere Topologie für den Einsatz eines Luftgütesensors 18 für einen gemeinsamen Luftfilter 54 für ein Brennstoffzellensystem 12 (FCS) und ein Innenraumbelüftungssystem 60 eines Fahrzeuges 10 zu entnehmen.
Umgebungsluft 40 gelangt in einen gemeinsamen Luftfilter 54. Der Einlassseite des gemeinsamen Luftfilters 54 ist der Luftgütesensor 18 vorgeschaltet, der mit dem Steuergerät 20 verbunden ist. Dem gemeinsamen Luftfilter 54 gemäß der Topologie in 3 kann ebenfalls optional ein Druckmesser 44 nachgeschaltet sein. Im Strömungsweg der Umgebungsluft 40, die den gemeinsamen Luftfilter 54 passiert hat, befinden sich auf der Auslassseite des gemeinsamen Luftfilters 54 eine erste Luftklappe 56 sowie eine zweite Luftklappe 58. Diese werden ebenfalls mit dem Steuergerät 20 gesteuert. Über die erste Luftklappe 56 gelangt über den gemeinsamen Luftfilter 54 gereinigte Umgebungsluft 40 als Oxidationsmittel in das Brennstoffzellensystem 12; über die zweite Luftklappe 58 gelangt nach entsprechender Ansteuerung durch das Steuergerät 20 in das Fahrzeug 10 gereinigte Umgebungsluft 40 in das Innenraumbelüftungssystem 60 des Fahrzeugs 10.
Analog zum Aufbau des Brennstoffzellensystems 12 (FCS = Fuel Cell System) gemäß 2 umfasst das Brennstoffzellensystem 12 gemäß der Topologie in 3 einen Luftverdichter 46, der der ersten Luftklappe 56 stromab nachgeschaltet ist. Des Weiteren kann optional ein Zwischenkühler 48 vorhanden sein, mit dem die gereinigte Umgebungsluft 40 gekühlt wird; eine Befeuchtung zur Konditionierung der gereinigten Umgebungsluft 40 kann über einen Luftbefeuchter 50 erfolgen, der ebenfalls vorhanden sein kann. Entsprechend konditionierte und gereinigte Umgebungsluft 40 gelangt in den mindestens einen Brennstoffzellenstapel 52 des Brennstoffzellensystems (FCS = Fuel Cell System) hinein.
Wird die zweite Luftklappe 58 betätigt, so gelangt über den gemeinsamen Filter 4 gereinigte Umgebungsluft 40 über ein Gebläse 62 in einen Fahrzeuginnenraum 64 des Fahrzeugs 10. Dieser kann über einen Rezirkulationspfad 66 wieder mit dem Gebläse 62 verbunden sein, so dass dieses Umluft aus dem Fahrzeuginnenraum 64 bei geschlossener zweiter Luftklappe 58 im Fahrzeuginnenraum 64 des Fahrzeugs 10 umwälzt. In der in 3 dargestellten Topologie werden die Sensordaten des Luftgütesensors 18 sowohl für das Innenraumbelüftungssystem 60, als auch für das Brennstoffzellensystem 12 (FCS = Fuel Cell System) genutzt. Zusätzlich zu der oben genannten Funktion kommt noch die Steuerung der Belüftung des Fahrzeuginnenraumes 64 dazu.
4 zeigt ebenfalls in schematischer Weise das Steuergerät 20, in dem die Sensordaten des Luftgütesensor 18 zu einer Luftgüte-abhängigen Betriebsstrategie für die Energieversorgung eines Fahrzeuges 10 genutzt werden können. Das Steuergerät 20 gemäß 4 erhält die die Luftgüte repräsentierenden Sensorwerte über Luftgütesensor 18, der von der Umgebungsluft 40 passiert wird. In einer Erfassungseinheit 68 des Steuergerätes 20 werden die Sensorwerte erfasst und in einer Auswertung/Verarbeitungseinheit 70 weiter verarbeitet und den verschiedenen Systemfunktionen 22 bis 32 zur Verfügung gestellt.
Im Rahmen der ersten Systemfunktion 22 können beispielsweise die ausgewerteten Sensorwerte, die ein Maß für die Luftgüte der Umgebungsluft 40 darstellen, für eine optimierte Steuerung des Fahrzeugs 10 mit hybridem Energiesystem 11 eingesetzt werden. Bei dem in Rede stehenden Fahrzeug 10 handelt es sich um ein solches, welches einerseits das Brennstoffzellensystem 12 als Antriebsquelle nutzt und andererseits einen weiteren Energiespeicher 14 aufweist, welcher mindestens eine rekuperierbare Batterie 16 umfasst. Die ausgewerteten Sensorwerte werden dazu verwendet, die Steuerung der Leistungs- bzw. Energiequellen, d.h. die für Leistung bzw. Energie aus dem weiteren Energiespeicher 14 mit mindestens einer rekuperierbaren Batterie 16 entnommen wird und die für Leistung bzw. Energie durch das Brennstoffzellensystem 12 zur Verfügung gestellt wird, an die aktuelle Umgebungssituation angepasst. Beispielsweise kann bei einer Tunneldurchfahrt mit erheblich verminderter Luftqualität mehr Energie aus dem weiteren Energiespeicher 14 mit der mindestens einen rekuperierbaren Batterie 16 entnommen werden, wohingegen der Luftmassenstrom von Umgebungsluft 40 durch den mindestens einen Brennstoffzellenstapel 52 im Brennstoffzellensystems 12 (FCS = Fuel Cell System) während dieser Tunneldurchfahrt, bei der schlechte Luftqualität vorliegt, reduziert wird und damit ein erheblich verringerter Schadstoffeintrag in das Brennstoffzellensystem 12 auftritt. Die Aufteilung der Leistungen wird demnach innerhalb der ersten Systemfunktion 22 anhand einer Luftgüte-abhängigen Betriebsstrategie des hybriden Energiesystems des Fahrzeugs 10 benutzt.
Die in 4 beispielhaft dargestellte zweite Systemfunktion 24, umfasst eine Implementierung von Regenerationsstrategien zur Verminderung des Alterns des Brennstoffzellenstapels 52.
Die in 4 beispielhaft dargestellten Systemfunktionen 22 bis 32 umfassen darüber hinaus eine dritte Systemfunktion 26, wonach flexible Wechselintervalle für ein Luftfilter 42, 80, abhängig von der Qualität der Umgebungsluft 40, ermittelt werden. Dadurch lässt sich eine Diagnose- bzw. eine Lebensdauerabschätzung der eingesetzten Luftfilter 42, 80 ermitteln, so dass flexible Wechselzeiträume abhängig von der ermittelten Luftgüte von der Umgebungsluft 40 dargestellt werden können. Innerhalb einer weiteren, vierten Systemfunktion 28 verläuft die Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems 12 abhängig von der Qualität der Umgebungsluft 40 und wird abhängig von den erhaltenen und ausgewerteten Sensorwerten des Luftgütesensors 18 optimiert. Gemäß der vierten Systemfunktion 28 erfolgt eine temporäre Absenkung der Luftüberschusszahl λ kathodenseitig. Durch diese Maßnahme lässt sich insbesondere für kürzere Zeitspannen der Luftmassenstrom verringern, so dass eine Verringerung des Schadstoffeintrages in den Brennstoffzellenstapel möglich und dessen Alterung verzögert werden kann.
Darüber hinaus kann im Rahmen einer fünften Systemfunktion 30 eine Informationsweitergabe, beispielsweise über Car-to-Car-Schnittstellen oder über Car-to-Infrastruktur-Schnittstellen an Fahrzeuge 10, die ohne Luftgütesensor 18 ausgerüstet sind, erfolgen, oder es können Luftgütekarten aktualisiert werden, entsprechend der vom Luftgütesensor 18 entsprechenden Luftgütequalität, die im Steuergerät 20 des Fahrzeuges 10 nunmehr bekannt und gespeichert sind.
Gemäß einer sechsten Systemfunktion 32 kann eine temporäre Absenkung des Betriebsdrucks und der Betriebstemperatur vorgenommen werden. Bei höheren Brennstoffzellenstapel-Betriebstemperaturen herrschen in der Regel auch höhere Betriebsdrücke, beispielsweise, um eine ausreichende Befeuchtung aufrecht zu erhalten. Diese jedoch bedingen einen höheren Bedarf an Verdichterleistung, die durch eine Quelle, sei es eine rekuperierbare Batterie, die Brennstoffzelle selbst oder beispielsweise über Supercaps abgedeckt werden muss. Eine Absenkung der Betriebstemperatur beziehungsweise des Betriebsdruckes gemäß der hier vorgeschlagenen sechsten Systemfunktion 32 könnte die Gesamtleistung der Zusatzverbraucher des Brennstoffzellenstapels absenken. Diese Funktion kann in Abhängigkeit von der Luftgüte erfolgen. Sowohl das Wassermanagement als auch das thermische System haben keine hohe Dynamik, so dass hier eine temporäre Möglichkeit gegeben ist, zum Beispiel bei Tunneldurchfahrten, den Luftmassenstrom zu verringern und damit den Schadstoffeintrag in das Brennstoffzellensystem zu verringern. Diese sechste Systemfunktion kann gegebenenfalls auch über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden.
Dies bedeutet, dass durch die Luftgüte-abhängige Betriebsstrategie des hybriden Energiesystems 11 Fahrzeugs 10 eine Verminderung der Alterung des mindestens einen Brennstoffzellenstapels 52 des Brennstoffzellensystems 12 (FCS = Fuel Cell System) erreicht wird. Für den Fall, dass eine Regeneration des mindestens einen Brennstoffzellenstapels 52 des Brennstoffzellensystems 12 erforderlich ist, sind die Regenerationsfunktionen in der Regel nur dann durchzuführen, wenn eine vom Luftgütesensor 18 detektierte gute Luftqualität vorliegt.
Figur 5 zeigt beispielsweise einen Luftgütesensor 18.
Der Luftgütesensor 18 kann auf Basis eines Metalloxidsensors aufgebaut sein. Das Sensorelement des Luftgütesensors 18 kann unter anderem als MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) ausgeführt sein. Die Sensorwerte des Luftgütesensors 18 gemäß der schematischen Ansicht in 5 werden mittels des Steuergerätes 20 ausgewertet und für die in 4 dargestellten Systemfunktionen 22 bis 32 verwendet. Der Luftgütesensor 18 kann per Kabelbaum oder auch durch eine drahtlose Technologie mit dem Steuergerät 20 des Fahrzeugs 10 verbunden sein, oder bei vernetzten Fahrzeugen 10 mit einem Server oder einer Cloud.
Wird der Luftgütesensor 18 - wie in 5 beispielsweise dargestellt - in einem kombinierten System, vergleiche gemäß 2, eingesetzt, so kann dieser sowohl für das Innenraumbelüftungssystem 60 als auch für das Brennstoffzellensystem 12 genutzt werden.
Zusätzlich dazu kann die Steuerung des Innenraumbelüftungssystems 60 in Bezug auf den eingesetzten Umluftanteil und Frischluft von außen in Kombination mit der Steuerung des Brennstoffzellensystems 12 optimiert werden.
6 zeigt einen Luftgütesensor 18, der dem Luftfilter 42 für ein Brennstoffzellensystem 12 (FCS = Fuel Cell System) vorgeschaltet ist. Der Luftfilter 42 filtert die Umgebungsluft 40, bevor diese - nach Passage des Luftgütesensors 18 - in einen ersten Partikelabscheider 74 gelangt. Dem ersten Partikelabscheider 74 des Luftfilters 42 ist ein chemischer Filterteil 76 nachgeschaltet, an den sich wiederum ein zweiter Partikelabscheider 78 anschließt. Zum Unterschied zur Ausführungsvariante gemäß 6 ist in 7 ein geteilter Luftfilter 80 eingebaut. Der Luftgütesensor 18 befindet sich nun in diesem integriert hinter dem ersten Partikelabscheider 74. Die Umgebungsluft 40 tritt über die Zuluftseite 72 in den ersten Partikelabscheider 74 ein. Danach passiert die vorgereinigte Umgebungsluft 40 den Luftgütesensor 18, bevor die Umgebungsluft 40 in den chemischen Filterteil 76 des geteilten Luftfilters 80 eintritt. Dem chemischen Filterteil 76 ist analog zur Ausführungsvariante des Luftfilters 42 gemäß 6 ein zweiter Partikelabscheider 78 nachgeschaltet.
In der in 7 dargestellten Ausführungsvariante ist der Luftgütesensor 18 nach dem ersten Partikelabscheider 74 angeordnet und befindet sich vor dem chemischen Filterteil 76. Daher kann der Luftgütesensor 18 an sich vor Partikelverschmutzung geschützt werden, wodurch sich des Weiteren eine Bauraumreduzierung darstellen lässt.
Die in den 6 und 7 dargestellten Luftfilter 42, 80 lassen sich sowohl in der Systemtopologie gemäß 2 für ein Brennstoffzellensystem 12 als auch im Rahmen der Systemtopologie gemäß 3 als gemeinsamer Luftfilter 54 sowohl für die Umgebungsluftkonditionierung für das Brennstoffzellensystem 12 als auch für das Innenraumbelüftungssystem 60 einsetzen.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Verfahren zur Detektion der Luftgüte von Umgebungsluft (40) als Oxidationsmittel für ein Brennstoffzellensystem (12) (FCS = Fuel Cell System) eines Fahrzeuges (10) mit einem hybriden Energiesystem (11), umfassend das Brennstoffzellensystem (12) und einen weiteren Energiespeicher (14) mit mindestens einer rekuperierbaren Batterie (16) oder einer Anzahl von Superkondensatoren mit mindestens nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Erfassung der Luftgüte der Umgebungsluft (40) mittels eines Luftgütesensors (18), b) Auswertung der Sensorwerte des Luftgütesensors (18) in einem Steuergerät (20), c) Anpassungen der Leistungen des Brennstoffzellensystems (12) (FCS = Fuel Cell System) und des weiteren, mindestens eine rekuperierbare Batterie (16) oder einer Anzahl von Superkondensatoren aufweisenden Energiespeichers (14) an die aktuelle Umgebungssituation im Rahmen einer ersten Systemfunktion (22) und d) Anpassung und Optimierung weiterer Systemfunktionen (24, 26, 28, 30, 32) des Brennstoffzellensystems (12) des Fahrzeugs.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Systemfunktionen (24, 26, 28, 30, 32) eine zweite Systemfunktion (24) umfassen, gemäß derer Regenerationsstrategien zur Vermeidung des Alterns des Brennstoffzellenstapels (52) und/oder ein Rückgängigmachen reversibler Schädigungen abhängig von der Qualität der Umgebungsluft (40) implementiert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Systemfunktionen (24, 26, 28, 30, 32) eine dritte Systemfunktion (26) umfassen, wonach flexible Wechselintervalle für ein Luftfilter (42, 80) abhängig von der Qualität der Umgebungsluft (40) ermittelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Systemfunktionen (24, 26, 28, 30, 32) eine vierte Systemfunktion (28) umfassen, wonach die Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems (12) abhängig von der Qualität der Umgebungsluft (40) durch eine temporäre Absenkung des kathodenseitigen Luftüberschusses optimiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Systemfunktionen (24, 26, 28, 30, 32) eine fünfte Systemfunktion (30) umfassen, wonach eine Informationsweitergabe über eine Car-to-Car-Schnittstelle oder über Car-to-Infrastrukturschnittstellen an Fahrzeuge (10) ohne Luftgütesensor (18) erfolgt, oder Luftgütekarten aktualisiert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Systemfunktionen (24, 26, 28, 30, 32) eine sechste Systemfunktion (32) umfassen, wonach eine temporäre Absenkung der Betriebstemperatur und des Betriebsdruckes des Brennstoffzellensystems (12) zur Reduktion der Leistungsaufnahme von Zusatzverbrauchern und des Luftmassenstroms abhängig von der Luftgüte der Umgebungsluft (40) vorgenommen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftgütesensor (18) einem gemeinsamen Luftfilter (54) vorgeschaltet wird, über den das Brennstoffzellensystem (12) (FCS = Fuel Cell System) und/oder ein Innenraumbelüftungssystem (60) des Fahrzeugs (10) mit Umgebungsluft (40) versorgt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftgütesensor (18) vor dem Luftfilter (42, 54) angeordnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftgütesensor (18) hinter einem ersten Partikelabscheider (74) und vor einem chemischen Filterteil (76) eines geteilten Filters (80) eingebaut wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt b) die Auswertung der Sensordaten des Luftgütesensors (18) in einem Server oder einer Cloud erfolgt.
Fahrzeug (10) mit einem hybriden Energiesystem (11), wobei der elektrische Antrieb des Fahrzeugs (10) entweder über ein Brennstoffzellensystem (12) oder über einen weiteren Energiespeicher (14) mit mindestens einer rekuperierbaren Batterie (16) gespeist wird und welches gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 betrieben wird.