AT526001B1

AT526001B1 - Verfahren zur Kontrolle eines Betriebs eines mobilen Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: AT526001B1
Application number: ATA50204/2022A
Authority: AT
Inventors: Aldrian Dipl -Ing David; Schenk Dipl -Ing Dr Techn Alexander
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2023-12-15
Also published as: AT526001A1; DE102023107913A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren (20) zur Kontrolle eines Betriebs eines mobilen Brennstoffzellen-systems (14), wobei das Verfahren (20) durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: (a) kontinuierliches Ermitteln zumindest eines Neigungswinkels (α, β), in dem das Brennstoffzellensystem (14) gegenüber einer vordefinierten Bezugslage (2) des Brennstoffzellensystems (14) geneigt ist, (b) Bestimmen einer neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie zum Reduzieren oder Vermeiden einer Wasseransammlung in zumindest einem Abschnitt des Brennstoffzellensystems (14) in Abhängigkeit von dem er-mittelten zumindest einen Neigungswinkel (α, β), und (c) Betreiben des Brennstoffzellensystems (14) unter Verwendung der neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie, für eine vorbestimmte Betriebszeit, wobei die Betriebszeit von dem zumindest einen Neigungswinkel (α, β) abhängig ist.

Description

Beschreibung

VERFAHREN ZUR KONTROLLE EINES BETRIEBS EINES MOBILEN BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle eines Betriebs eines mobilen Brennstoffzellensystems, ein mobiles Brennstoffzellensystem mit einem Steuergerät zur Kontrolle eines Betriebs eines Brennstoffzellensystems, ein Fahrzeug mit einer Antriebseinheit, welche das Brennstoffzellensystem umfasst.

[0002] Es ist bekannt, dass es beim Betrieb von Brennstoffzellensystemen zu einer Ansammlung von Wasser in den Brennstoffzellensystemen kommen kann. Insbesondere bei einer Ansammlung von Wasser in kritischen Bereichen in den Brennstoffzellensystemen kann es zu einer Einschränkung der Funktionsfähigkeit, insbesondere Leistungsfähigkeit, bis hin zu einer Beschädigung der Brennstoffzellensysteme kommen.

[0003] Um dies zu verhindern, sind aus dem Stand der Technik Konstruktionen von Brennstoffzellensystemen bekannt, die eine Ansammlung von Wasser in kritischen Bereichen der Brennstoffzellensysteme vermeiden sollen. Dazu können beispielsweise Abflüsse vorgesehen werden, deren Nutzung bzw. Betätigung ein Entfernen des angesammelten Wassers ermöglicht. Ferner ist es bekannt, Brennstoffzellensystem mit einem Inertgas oder Wasserstoff zu spülen, wodurch ebenfalls Wasser entfernt werden kann.

[0004] Verfahren zum Erkennen bzw. Vermeiden von Wasseransammlungen in Brennstoffzellensystemen sind beispielsweise aus der EP 3021405 A1, der US 2009142633 A1 und der JP 2021174671 A bekannt.

[0005] Der Nachteil der bekannten Lösungen ist, dass diese vergleichsweise aufwändig sind und oftmals erst eingesetzt werden bzw. zum Zug kommen, wenn sich bereits Wasser in einem kritischen Bereich angesammelt hat. Demgegenüber wäre eine einfache Lösung wünschenswert, mit der eine kritischen Ansammlung von Wasser in dem Brennstoffzellensystem bereits zuvor verhindert oder zumindest reduziert werden kann.

[0006] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise, eine Möglichkeit zum Verhindern von kritischer Wasseransammlung in mobilen Brennstoffzellensystemen zur Verfügung zu stellen.

[0007] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein mobiles Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen mobilen Brennstoffzellensystem und- dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bzgl. der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

[0008] Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Kontrolle eines Betriebs eines mobilen Brennstoffzellensystems vorgesehen. Dabei weist das Verfahren die folgenden Schritte auf:

[0009] (a) kontinuierliches Ermitteln zumindest eines Neigungswinkels, in dem das Brennstoffzellen-system gegenüber einer vordefinierten Bezugslage des Brennstoffzellensystems geneigt ist,

[0010] (b) Bestimmen einer neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie zum Reduzieren oder Vermeiden einer Wasseransammlung in zumindest einem Abschnitt des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von dem ermittelten zumindest einen Neigungswinkel, und

[0011] (c) Betreiben des Brennstoffzellensystems unter Verwendung der neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie für eine vorbestimmte Betriebszeit, wobei die Betriebszeit von dem zumindest einen Neigungswinkel abhängig ist.

[0012] Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es somit in Abhängigkeit von einem Neigungswinkel des mobilen Brennstoffzellensystems eine darauf angepasste Betriebsstrategie zu bestimmen, welche eine Wasseransammlung in zumindest einem Abschnitt des Brennstoffzellensystems reduziert oder verhindert. Dabei kann der Neigungswinkel des Brennstoffzellensystems gegenüber der vordefinierten Bezugslage als Indikator für ein Risiko bzw. eine Gefahr einer Ansammlung von Wasser in einem Bereich oder mehreren Bereichen des Brennstoffzellensystems angesehen werden. Insoweit kann die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie diesem Risiko bzw. dieser Gefahr gegensteuern.

[0013] Bei dem Abschnitt kann es um einen kritischen Abschnitt bzw. Bereich handeln, in dem es, insbesondere in Abhängigkeit von dem jeweiligen Neigungswinkel, erfahrungsgemäß bzw. konstruktiv bedingt zu einer Ansammlung von Wasser kommen kann und/oder eine Wasseransammlung für die Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems kritisch sein kann. Der zumindest eine Abschnitt kann sich insbesondere in einem oder mehreren Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln des Brennstoffzellensystems befinden. Durch die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie kann insbesondere eine Fluidströmung in dem Brennstoffzellensystem eingestellt, ganz besonders verändert werden. Durch diese Einstellung der zumindest einen Fluidströmung kann demgemäß der Betrieb des Brennstoffzellensystems an den zumindest einen ermittelten Neigungswinkel angepasst werden, wobei die zumindest eine Fluidströmung derart an den zumindest einen ermittelten Neigungswinkel angepasst wird, dass die Wasseransammlung vermieden oder zumindest reduziert wird. Dass die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie zumindest eine Fluidströmung innerhalb des Brennstoffzellensystems einstellt bedeutet dabei insbesondere, dass wenigstens ein innerhalb des Brennstoffzellensystems strömendes Fluid in seiner Strömung, bspw. ob es strömt, seine Strömungsgeschwindigkeit, seine Durchflussmenge, seine Strömungsrichtung oder dergleichen, eingestellt wird. Beim laufenden Betrieb des Brennstoffzellensystems wird die Fluidströmung also verändert. Bei dem Fluid kann es sich beispielsweise um Wasser, Brennstoff, wie Wasserstoff, Luft usw. handeln. Die Einstellung bzw. Veränderung der zumindest einen Fluidströmung kann den Betrieb des Brennstoffzellensystems derart beeinflussen, dass eine Wasseransammlung reduziert oder vermieden werden kann. Wie später näher erläutert wird, kann die Einstellung der zumindest einen Fluidströmung insbesondere durch entsprechende Anderung oder Vorgabe eines oder mehrerer Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems erfolgen.

[0014] Dass das Brennstoffzellensystem mobil ist kann insbesondere bedeuten, dass es Teil eines Fahrzeugs ist. Insbesondere kann es Teil eines Antriebssystems des Fahrzeugs sein. Das Fahrzeug kann beispielsweise als ein Landfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Luftfahrzeug, eine beliebige Kombination der vorgenannten oder dergleichen sein. Es kann sich also bei dem Fahrzeug beispielsweise um einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen, eine Baumaschine, ein Schiff, ein Flugzeug oder dergleichen handeln. Für die Fortbewegung in Fahrzeugen ist charakteristisch, dass sich die Neigungswinkel der Fahrzeuge gegenüber einer festen Bezugsebene, und damit auch des darin verbauten Brennstoffzellensystems und seiner Brennstoffzellen, ändert, beispielsweise bei Steigungen oder Gefällen auf einer Straße bei einem Straßenfahrzeug, bei Wellengang bei einem Schiff oder beim Starten, Landen, Turbulenzen oder Flugmanövern bei einem Flugzeug.

[0015] Als Kontrolle im Sinne der Erfindung wird ein Steuern und/oder Regeln des Betriebs des mobilen Brennstoffzellensystems verstanden. Das Steuern kann dabei insbesondere in einem einmaligen oder mehrmaligen, insbesondere im Wesentlichen voneinander unabhängigen, Durchlauf der Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen. Ein Regeln kann demgegenüber insbesondere anhand eines kontinuierlich oder in festgelegten Zeitabschnitten gemessenen Neigungswinkels erfolgen. Dabei kann der Neigungswinkel zum Regeln des Betriebs des Brennstoffzellensystems durch eine kontinuierlich angepasste neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie verwendet werden.

[0016] Für die Ermittlung des Neigungswinkels ist ein festes Bezugssystem vorgesehen. Deshalb wird der zumindest eine Neigungswinkel des Brennstoffzellensystems gegenüber einer vordefinierten Bezugslage des Brennstoffzellensystems ermittelt, insbesondere durch einen oder mehrere Sensoren gemessen. Die vordefinierte Bezugslage kann eine Lotrichtung, eine Horizontale, eine Kombination mehrerer von einem der vorgenannten oder eine Bezugsebene sein, die sich unabhängig von der relativen Lage des mobilen Brennstoffzellensystems dieser gegenüber nicht verändert, also feststehend ist. Die Bezugsebene kann insbesondere als eine Schnittebene durch ein Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem bestimmt werden, wenn das Fahrzeug sich in einer als neutral für eine Einbauposition des Brennstoffzellensystems angesehenen Stellung gegenüber dem Boden befindet. Die Bezugsebene kann sich zumindest aus zwei senkrecht zueinander stehenden Horizontalen zusammensetzen, die jeweils entlang unterschiedlicher Achsen eines kartesischen Koordinatensystems verlaufen.

[0017] Aufgrund der typischerweise festen Einbauposition des Brennstoffzellensystems kann der Neigungswinkel zwischen einer Komponente des Fahrzeugs oder direkt zwischen dem Brennstoffzellensystem und der Bezugsebene gemessen werden. Mit anderen Worten kann ein entsprechender Sensor für die Messung des zumindest einen Neigungswinkels an oder in dem Brennstoffzellensystem selbst oder an einer anderen Komponente des Fahrzeugs sitzen. Durch die feste Einbauposition in dem Fahrzeug korrelieren die Neigungen von Brennstoffzellensystem und der Komponente miteinander und können über entsprechende Verhältnisse bzw. Funktionen zwischen diesen wechselseitig umgerechnet werden. Demnach kann der zumindest eine Sensor ein Sensor in oder unmittelbar an dem Brennstoffzellensystem sein. Ein solcher Sensor kann zusätzlich zum Fahrzeug hinzugefügt werden. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch ein typischerweise am Fahrzeug bereits vorhandener Sensor benutzt werden, wie beispielsweise ein Sensor für ABS, ESP usw. oder eine Kombination daraus, um den zumindest einen Neigungswinkel zu ermitteln. Für die Messung kann ansonsten jeder beliebige, aus dem Stand der Technik bekannte Neigungssensor verwendet werden.

[0018] Vorteilhafterweise kann beim Betreiben des Brennstoffzellensystems unter Verwendung der zumindest einen neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie Wasser aus zumindest einem Bereich des Brennstoffzellensystems ausgeschieden werden. Dies ist dann vorteilhaft, wenn sich trotz der erfindungsgemäß ermöglichten vorausschauenden Anpassung der Betriebsstrategie zur Vermeidung von Wasseransammlungen in einem (kritischen) Abschnitt Wasser angesammelt hat. So kann das angesammelte Wasser effektiv ausgeschieden werden.

[0019] Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Verfahrensschritt (c) für eine vorbestimmte Betriebszeit ausgeführt wird, wobei die Betriebszeit von dem zumindest einen Neigungswinkel abhängig ist. Die vorbestimmte Betriebszeit kann beispielsweise aber auch anhand einer bestimmten Dauer vordefiniert sein, damit die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie nicht dauerhaft aufrechterhalten wird, sondern nur dann, wenn kurzfristig eine kritische Situation hinsichtlich möglicher Wasseransammlung besteht. Denn unter Umständen kann die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie beispielsweise die Leistung und/oder Effizienz des Brennstoffzellensystems reduzieren oder andere Maßnahmen einschließen, die dauerhaft eine übervorsichtige Betriebsstrategie in Abhängigkeit von dem zumindest einen Neigungswinkel nicht wünschenswert erscheinen lassen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Betriebszeit durch höherrangige, andere Betriebsstrategien vorbestimmt ist bzw. beendet werden kann. Das bedeutet, dass sobald eine andere Betriebsstrategie vom Fahrer des Fahrzeugs abgefragt wird bzw. vom Fahrzeug abgerufen wird, etwa eine höhere Leistung, diese der neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie als neue Betriebsstratege vorsehen kann. Erfindungsgemäß ist die Betriebszeit aber von dem zumindest einen Neigungswinkel abhängig gemacht und der Verfahrensschritt (a) wird kontinuierlich wiederholt.

[0020] Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie bei Veränderung des zumindest einen Neigungswinkels um einen vorbestimmten Mindestwert angepasst wird. Dazu kann der zumindest eine Neigungswinkel kontinuierlich gemessen werden. So kann die Betriebszeit beispielsweise durch die Bedingung vorbestimmt sein, dass der zumindest eine Neigungswinkel größer als ein vorbestimmter Wert bleibt oder den vorbestimmten Min-

destwert nicht überschreitet. Wird der vorbestimmte Mindestwert überschritten, läuft die Betriebszeit ab. Damit wird die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie auch nicht mehr zum Betrieb des Brennstoffzellensystems genutzt und das Brennstoffzellensystem kann eine andere Betriebsstrategie, beispielsweise maximale Effizienz, Leistung oder eine Kombination aus den vorgenannten einsetzen. Auch kann die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie neu bestimmt werden oder, mit anderen Worten, das Verfahren erneut durchlaufen werden, wenn der zumindest eine Neigungswinkel sich um mehr als den vorbestimmten Wert geändert hat.

[0021] Es kann außerdem vorgesehen sein, dass zwei Neigungswinkel ermittelt werden und zum Bestimmen der neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie verwendet werden. Dabei kann ein erster Neigungswinkel zwischen einer ersten Achse des Brennstoffzellensystems und einer Bezugsebene oder einer ersten Horizontalen der vordefinierten Bezugslage und ein zweiter Neigungswinkel zwischen einer senkrecht zu der ersten Achse stehenden zweiten Achse und der Bezugsebene oder einer zweiten Horizontalen (die insbesondere senkrecht zur ersten Horizontalen sein kann) der vordefinierten Bezugslage bestimmt werden. Dies ermöglicht eine feinere Abstimmung der neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie, weil abhängig von der Neigung des Brennstoffzellensystems gegenüber der ersten Achse oder der zweiten Achse festgestellt werden kann, in welchen Abschnitten des Brennstoffzellensystems sich, insbesondere situationsbedingt, betriebsbedingt oder konstruktiv bedingt, Wasser sammeln kann. Dabei können die beiden Neigungswinkel auch zu einem kombinierten Neigungswinkelwert, beispielsweise einem Mittelwert, zusammengefasst werden und zur Bestimmung der neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie genutzt werden. Schließlich kann die Neigung des Brennstoffzellenstapels durch beide Neigungswinkel in die unterschiedlichen Achsrichtungen genau angegeben werden.

[0022] Insbesondere kann die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie eine Vorgabe eines Betriebsparameters oder mehrerer Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems umfassen. So kann die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie auf einfache Art und Weise durch eine entsprechende Steuervorrichtung, insbesondere eine Bestimmungseinheit der Steuervorrichtung, bestimmt werden.

[0023] Der eine Betriebsparameter oder die mehreren Betriebsparameter können dabei vorteilhafterweise eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems, eine Eingangsfeuchtigkeit an einer Kathode des Brennstoffzellensystems, ein Fluiddruck (oder Mediendruck) innerhalb des Brennstoffzellensystems und/oder ein elektrischer Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems sein. So kann die neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie beispielsweise eine Erhöhung der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle umfassen. Dies sorgt für eine Verringerung des Flüssigwassers an der Kathode. Ferner beispielsweise kann die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie eine Verringerung der Eingangsfeuchte an der Kathode umfassen. Auch kann die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie alternativ oder zusätzlich eine Verringerung des Fluid- bzw. Mediendrucks, insbesondere des Drucks von Luft und/oder dem verwendeten Brennstoff, umfassen. Auch eine Verringerung der maximalen Stapelstromstärke als elektrischen Betriebsparameter zur Begrenzung der maximalen Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems kann von der neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie umfasst sein. Durch die einzelnen der vorgenannten beispielhaften Maßnahmen kann einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander im Rahmen der neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie eine Reduzierung des Risikos einer kritischen Wasseransammlung in dem Brennstoffzellensystem erzielt werden. Dabei sind die Maßnahmen nicht auf die zuvor beispielhaft aufgezählten Maßnahmen beschränkt.

[0024] So kann die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie ferner oder alternativ eine in Abhängigkeit von dem zuvor ermittelten zumindest einen Neigungswinkel bestimmte Stöchiometrie im Betrieb des Brennstoffzellensystems umfassen. Insbesondere kann die Stöchiometrie an der Kathode verändert, ganz besonders erhöht werden. Dies kann temporär, gepulst, insbesondere mit Pulsweitenmodulation, oder dauerhaft (zumindest solange der zumindest eine Neigungswinkel groß ist) erfolgen.

[0025] Vorteilhaft ist zudem, wenn die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie einen in Abhängigkeit von dem zuvor ermittelten zumindest einen Neigungswinkel bestimmten Spülvorgang

im Betrieb des Brennstoffzellensystems umfasst. Ziel ist dabei insbesondere die Erhöhung der Wasserstoffkonzentration bzw. Verringerung der Wasserkonzentration an der Anode, um die Kondensation von Dampf zu verringern. Dabei kann die Betriebsstrategie beispielsweise den Zeitpunkt des Spülvorgangs, die Dauer des Spülvorgangs, die Menge des Fluids für den Spülvorgang, das verwendete Fluid, insbesondere Inertgas oder Wasserstoff, und/oder zu spülende Abschnitte des Brennstoffzellensystems bestimmen. So lässt sich der aufwändige Spülvorgang derart einsetzen, dass er nur dann und auch nur in einem solchen Ausmaß angewendet wird, wie es angesichts des zumindest einen Neigungswinkels und damit dem Risiko der Wasseransammlung in kritischen Abschnitten des Brennstoffzellensystems auch notwendig ist.

[0026] Vorteilhaft ist ferner, wenn die Betriebsstrategie eine in Abhängigkeit von dem zuvor ermittelten zumindest einen Neigungswinkel bestimmte Abflussbetätigung im Betrieb des Brennstoffzellensystems umfasst. Mit der Betätigung oder Aktivierung des Abflusses ist gemeint, dass Wasser durch einen oder mehrere Abflüsse gezielt aus dem Brennstoffzellensystem abgeleitet wird. Dabei kann die Betriebsstrategie beispielsweise eines oder mehrere von dem Zeitpunkt der Abflussbetätigung, der Dauer dieser Betätigung und der Menge des abzulassenden Wassers bestimmen.

[0027] Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Verfahren für ermittelte Neigungswinkel von zumindest 5 ° ausgeführt wird. Darunter hat sich gezeigt, dass das Risiko einer Wasseransammlung vergleichsweise gering ist, sodass das Anpassen der Betriebsstrategie zugunsten der Vermeidung möglicher kritischer Wasseransammlungen im Brennstoffzellensystem solche Nachteile für den Betrieb nach sich ziehen kann, wie etwa eine verringerte Leistung oder verringerte Effizienz, die nicht angemessen gegenüber dem geringen Risiko einer Wasseransammlung erscheinen. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren für ermittelte Neigungswinkel von zumindest 8 ° und ganz besonders von zumindest 10 ° ausgeführt wird. Auch ist es vorteilhaft, wenn das Verfahren für ermittelte Neigungswinkel von bis zu 30 °, ganz besonders bis zu 25 ° und ferner ganz besonders bis zu 20 ° ausgeführt wird, da Neigungswinkel über diesem Bereich auf falschen Sensormessungen beruhen können oder im Betrieb von mobilen Brennstoffzellensystemen, beispielsweise in Fahrzeugen, gar nicht erst auftreten oder zumindest ein allenfalls nur sehr kurzer Zustand sind.

[0028] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mobiles Brennstoffzellensystem mit einer Steuervorrichtung zum Steuern eines Betriebs eines Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem weist auf:

[0029] (a) zumindest einen Sensor zum Ermitteln zumindest eines Neigungswinkels, in dem das Brennstoffzellensystem gegenüber einer vordefinierten Bezugslage des Brennstoffzellensystems geneigt ist,

[0030] (b) eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen einer neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie zum Reduzieren oder Vermeiden einer Wasseransammlung in zumindest einem Abschnitt des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit des von dem zumindest einen Sensor ermittelten zumindest einen Neigungswinkels, und

[0031] (c) eine Betriebseinheit zum Betreiben des Brennstoffzellensystems unter Verwendung der von der Bestimmungseinheit bestimmten neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie.

[0032] Damit bringt ein erfindungsgemäßes mobiles Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren erläutert worden sind. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet bzw. ausgebildet sein.

[0033] Das Brennstoffzellensystem kann neben der Steuervorrichtung selbstverständlich an sich bekannte Komponenten wie Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstapel, Kühler, Brennstofftank usw. aufweisen.

[0034] In dem mobilen Brennstoffzellensystem können die Bestimmungseinheit und die Betriebs-

einheit in der Steuervorrichtung implementiert sein. Die Einheiten können dabei beispielsweise jeweils durch einen separaten Computerprogrammcode oder gemeinsam durch einen gemeinsamen Computerprogrammcode und/oder durch separate oder gemeinsame Funktionseinheiten eines Computers implementiert sein. Möglich ist auch, dass die beiden Einheiten in einer gemeinsamen Einheit implementiert sind. Die Steuervorrichtung kann insbesondere einen oder mehrere Computer umfassen oder durch den einen oder mehrere Computer gebildet sein, welcher oder welche die einzelnen Einheiten aufweisen können.

[0035] Der zumindest eine Sensor kann ein Sensor des mobilen Brennstoffzellensystems sein bzw. sich innerhalb des mobilen Brennstoffzellensystems befinden oder aber alternativ sich auBerhalb des mobilen Brennstoffzellensystems befinden. Insoweit gehört der zumindest eine Sensor jedoch zu dem mobilen Brennstoffzellensystem, weil der Sensor den zumindest einen Neigungswinkel ermittelt und der Bestimmungseinheit bereitstellt. Der zumindest eine Sensor ist also zumindest drahtgebunden oder drahtlos mit dem Brennstoffzellensystem, insbesondere der Steuervorrichtung, verbunden.

[0036] Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist zudem auch ein Fahrzeug mit einem Antriebssystem, welches ein erfindungsgemäßes mobiles Brennstoffzellensystem umfasst oder aus einem solchen gebildet ist. Insoweit stellt das mobile Brennstoffzellensystem also allein oder mit einer oder mehreren anderen Antriebsarten den Antrieb bzw. die Antriebsfunktionalität des Fahrzeugs bereit.

[0037] Es kann ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, vorgesehen sein.

[0038] Das Computerprogrammprodukt kann dabei ein Computerprogramm an sich oder ein Produkt, etwa ein computerlesbarer Datenspeicher, sein, auf dem ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens gespeichert sein kann.

[0039] Weitere Vorteil, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschreiben sind. Es zeigen schematisch:

[0040] Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs in einer Bezugslage,

[0041] Fig. 2 einen weiteren Längsschnitt des Fahrzeugs der Fig. 2, wobei das Fahrzeug gegenüber der Bezugslage aus Fig. 1 geneigt ist,

[0042] Fig. 3 einen Querschnitt des Fahrzeugs aus Fig. 2 bei der Neigung gegenüber der Bezugslage, und

[0043] Fig. 4 eine Prinzipskizze einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, welches von dem Fahrzeug der Fig. 1 bis 3 ausgeführt wird.

[0044] Identische oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren 1 bis 4 jeweils mit demselben Bezugszeichen bezeichnet.

[0045] Die Figur 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eines Landfahrzeugs, ganz besonders eines Personenkraftwagens, auf einer Straße 1. Das Fahrzeug 10 weist für seinen Antrieb ein Antriebssystem 12 auf, welches durch ein mobiles Brennstoffzellensystem 14 gebildet ist. Das Brennstoffzellensystem 14 wird als mobil bezeichnet, weil es sich zusammen mit dem Fahrzeug 10 fortbewegt bzw. fährt.

[0046] Das Brennstoffzellensystem 14 verfügt ferner über eine Steuervorrichtung 16, die ihrerseits über eine Bestimmungseinheit und eine Betriebseinheit verfügen kann, deren Funktionen später näher erläutert werden und die hier nicht explizit gezeigt sind. Zudem weist das Fahrzeug 10 zumindest einen Sensor 18 auf, der sich in der Fig. 1 beispielhaft in dem mobilen Brennstoffzellensystem 14 befindet, jedoch alternativ auch außerhalb des Brennstoffzellensystems 14, aber dennoch im oder am Fahrzeug 10 angeordnet sein kann, solange eine Datenübertragung der

Messwerte des Sensors 18 an die Steuervorrichtung 16 sichergestellt ist.

[0047] In der Fig. 1 ist eine vordefinierte Bezugslage 2 des Fahrzeugs 10, insbesondere des Brennstoffzellensystems 14, in Form einer horizontalen Bezugsebene 2 eingezeichnet. Die Bezugsebene 2 ist hier als parallel zu der im Wesentlichen waagerechten Straße 1 definiert, auf der das Fahrzeug 10 sich befindet. Das Fahrzeug 10, insbesondere das Brennstoffzellensystem 14, weist ferner ein (orts)festes Koordinatensystem mit den Koordinaten bzw. Achse x, y, z entlang der Länge, Höhe und Breite des Fahrzeugs 10 auf.

[0048] Fig. 2 zeigt das Fahrzeug 10 nun auf einer Straße 1 mit Steigung. Alternativ kann es sich auch um eine Straße 1 mit Gefälle handeln. Die fest definierte Bezugsebene 2 ist hier dieselbe. Allerdings zeigt sich anhand des ortsfesten Koordinatensystems, dass das Fahrzeug 10 aufgrund der Steigung der Straße 1 relativ gegenüber der Bezugsebene 2 geneigt ist, nämlich um die Steigung der Straße 1 an dieser Stelle. Ein erster Neigungswinkel a des Fahrzeugs 10 zwischen der x-Koordinate und der Bezugsebene 2 und damit des darin verbauten Brennstoffzellensystems 14 kann durch den Sensor 18 erfasst werden.

[0049] Fig. 3 zeigt anhand des Fahrzeugs 10 quer zur Ansicht der Fig. 2, dass das Brennstoffzellensystem 14 auch in einem zweiten Neigungswinkel ß zwischen der y-Koordinate und der Bezugsebene 2 gegenüber der Bezugsebene 2 geneigt ist, also wenn die Straße 1 quer zur Fahrtrichtung schief ist. Der Sensor 18 kann auch diesen zweiten Neigungswinkel ß erfassen.

[0050] Fig. 4 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens 20, die anhand der von dem Sensor 18 gemessenen Neigungswinkel a, ß eine neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie zum Reduzieren oder Vermeiden einer Wasseransammlung in zumindest einem Abschnitt des Brennstoffzellensystems 14 bestimmt.

[0051] Dazu erfolgt in einem ersten Verfahrensschritt 22 des Verfahrens 20 mittels des Sensors 18 das Ermitteln der Neigungswinkel a, ß, in denen das Brennstoffzellensystem 14 gegenüber der Bezugsebene 2 des Brennstoffzellensystems 14 geneigt ist. Daraufhin erfolgt ein zweiter Verfahrensschritt 24 zum Bestimmen der neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie, durch welche zumindest eine Fluidströmung innerhalb des Brennstoffzellensystems 14 in Abhängigkeit von den ermittelten Neigungswinkeln a, ß eingestellt wird. Dazu überträgt der Sensor 18 die gemessenen Neigungswinkel a, Bß an die Bestimmungseinheit der Steuervorrichtung 16. Schließlich erfolgt im dritten Verfahrensschritt 26 das Betreiben des Brennstoffzellensystems 14 durch die Betriebseinheit der Steuervorrichtung 16 unter Verwendung der neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie, sodass Wasseransammlungen in zumindest einem Abschnitt des Brennstoffzellensystems 14 abhängig von den ermittelten Neigungswinkeln a, ß, ganz besonders bei großen Neigungswinkeln a, ß im Bereich von bspw. 15 bis 19 °, vermieden werden können. Wie anhand der Fig. 4 angedeutet ist werden die Verfahrensschritte 20 dabei, insbesondere in Form eines Regelkkreises, wiederholt.

[0052] Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Straße

2 Bezugslage, Bezugsebene 10 Fahrzeug

12 Antriebssystem

14 Brennstoffzellensystem 16 Steuervorrichtung

18 Sensor

20 Verfahren

22 erster Verfahrensschritt 24 zweiter Verfahrensschritt 26 dritter Verfahrensschritt

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren (20) zur Kontrolle eines Betriebs eines mobilen Brennstoffzellensystems (14), wobei das Verfahren (20) die folgenden Schritte aufweist:

(a) kontinuierliches Ermitteln zumindest eines Neigungswinkels (a, ß), in dem das Brennstoffzellensystem (14) gegenüber einer vordefinierten Bezugslage (2) des Brennstoffzellensystems (14) geneigt ist,

(b) Bestimmen einer neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie zum Reduzieren oder Vermeiden einer Wasseransammlung in zumindest einem Abschnitt des Brennstoffzellensystems (14) in Abhängigkeit von dem ermittelten zumindest einen Neigungswinkel (a, ß), und

(c) Betreiben des Brennstoffzellensystems (14) unter Verwendung der neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie für eine vorbestimmte Betriebszeit, wobei die Betriebszeit von dem zumindest einen Neigungswinkel (a, ß) abhängig ist.

2, Verfahren (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie ein Einstellen zumindest einer Fluidströmung innerhalb des Brennstoffzellensystems (14) umfasst.

3. Verfahren (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betreiben des Brennstoffzellensystems (14) unter Verwendung der zumindest einen neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie Wasser aus zumindest einem Bereich des Brennstoffzellensystems (14) ausgeschieden wird.

4. Verfahren (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie bei Veränderung des zumindest einen Neigungswinkels (a, ß) um einen vorbestimmten Mindestwert angepasst wird.

5. Verfahren (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Neigungswinkel (a, ß) ermittelt und zum Bestimmen der neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie verwendet werden.

6. Verfahren (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie eine Vorgabe eines Betriebsparameters 0der mehrerer Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems (14) umfasst.

7. Verfahren (20) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Betriebsparameter oder die mehreren Betriebsparameter eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems (14), eine Eingangsfeuchtigkeit an einer Kathode des Brennstoffzellensystems (14), ein Fluiddruck innerhalb des Brennstoffzellensystems (14) und/oder ein elektrischer Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems (14) sind.

8. Verfahren (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie eine in Abhängigkeit von dem zuvor ermittelten zumindest einen Neigungswinkel (a, B) bestimmte Stöchiometrie im Betrieb des Brennstoffzellensystems (14) umfasst.

9. Verfahren (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die neigungswinkelabhängige Betriebsstrategie einen in Abhängigkeit von dem zuvor ermittelten zumindest einen Neigungswinkel (a, ßB) bestimmten Spülvorgang im Betrieb des Brennstoffzellensystems (14) umfasst.

10. Verfahren (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsstrategie eine in Abhängigkeit von dem zuvor ermittelten zumindest einen Neigungswinkel (a, ß) bestimmte Abflussbetätigung im Betrieb des Brennstoffzellensystems (14) umfasst.

11. Verfahren (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (20) für ermittelte Neigungswinkel (a, ß) im Bereich von zumindest 5 ° ausgeführt wird.

12. Mobiles Brennstoffzellensystem (14) mit einer Steuervorrichtung (16) zum Steuern eines Betriebs eines Brennstoffzellensystems (14), wobei das Brennstoffzellensystem (14) zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 eingerichtet ist und gekennzeichnet ist durch:

(a) zumindest einen Sensor (18) zum Ermitteln zumindest eines Neigungswinkels (a, ß), in dem das Brennstoffzellensystem (14) gegenüber einer vordefinierten Bezugslage (2) des Brennstoffzellensystems (14) geneigt ist,

(b) eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen einer neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie zum Reduzieren oder Vermeiden einer Wasseransammlung in zumindest einem Abschnitt des Brennstoffzellensystems (14) in Abhängigkeit des von dem zumindest einen Sensor (18) ermittelten zumindest einen Neigungswinkels (a, ß), und

(c) eine Betriebseinheit zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (14) unter Verwendung der von der Bestimmungseinheit bestimmten neigungswinkelabhängigen Betriebsstrategie.

13. Fahrzeug (10) mit einem Antriebssystem (12), welches ein mobiles Brennstoffzellensystem (14) gemäß Anspruch 13 umfasst.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen