CN114945490A - 采用co2警告系统的方法和电动车辆以及传感器系统对于所述电动车辆的用途 - Google Patents

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Abstract

一种用于增大包括燃料电池系统和蓄电池的电动车辆的周围环境的安全性的方法，其中所述车辆被配置成即使在所述车辆熄火并处于停泊情况中时仍通过来自所述燃料电池系统的动力为所述蓄电池充电并在此操作期间例如产生CO2，其中所述方法包括以下步骤：提供传感器系统，所述传感器系统具有进气口并且被配置成对所述车辆的所述周围环境中的CO2水平升高发出警告；将所述传感器系统安装在所述车辆上，使得所述进气口在所述车辆的车厢外部；当所述传感器系统评估出所述车辆的所述周围环境中的CO2水平升高并超过预定阈值水平时提供警报。

Description

采用CO2警告系统的方法和电动车辆以及传感器系统对于所 述电动车辆的用途
技术领域
本发明涉及在一种方法中和在一种具有燃料电池系统的电动车辆中用于增大安全性的CO2警告系统。
背景技术
使用甲醇与水的混合物来作为燃料的燃料电池系统会产生大量的二氧化碳CO2。为了产生氢气H2，将甲醇CH3OH与水H2O的混合物催化转换成氢气H2和CO2。CO2经过燃料电池并通过排气系统释放到环境中。尽管CO2通常引起环境上的关注，但只要其不充满车辆的车厢便不存在与其相关联的风险。
为了提供乘客的安全性，US20016/103111公开使用CO2传感器来测量轿车的车厢内部的CO2浓度。德国专利DE4014499中公开了在使用加热器时将CO2传感器作为车厢内部的安全措施。
人已广泛地关注到环境中的二氧化碳CO2水平的增大。德国专利文档DE4216232中公开了一种用于住宅的常规传感器设备，使得当超过阈值时自动打开窗户。
US9202316描述具有传感器系统的混合车辆，所述传感器系统包括具有放置在车辆外部的进气口的CO2传感器且将车辆的AC系统调节成再循环模式以防止CO2水平升高的不良空气被吸收到车厢中。此传感器系统只有在检测到汽车内部有儿童而驾驶员不在时才工作。对于正常停泊汽车来说，传感器系统不启动。
等效于Wo2017046146的韩国专利申请KR20130027803A和欧洲专利申请EP3349999公开在车辆车厢内部用于根据车厢内部的CO2浓度来调节空调的CO2传感器。
由于与车辆相关的人的安全性得到持续关注，因此一直需要做出改进。因此，将需要提供与由来自燃料电池的电驱动的车辆(尤其是消耗甲醇的燃料电池驱动型车辆)相关的更高程度的安全性。
发明内容
目标是提供对此技术的改进。确切来说，目标是为由以酒精(任选地甲醇)作为一部分燃料的燃料电池系统驱动的车辆提供改进的安全性测量。这些和更多的目标是利用在权利要求书中和下文更详细地描述的系统和方法来达成。确切来说，所述目标是利用具有CO2警告功能的传感器系统来达成，所述传感器系统在车辆的燃料电池系统为蓄电池充电且在充电过程期间产生CO2时使用。
当由来自燃料电池系统的动力电驱动的车辆停泊在车库或其他封闭空间中，车辆通常熄火。因此，来自燃料电池系统的废气水平增大的风险很低。然而，已观察到对于具有混合电动力系统(包括燃料电池系统以及蓄电池)的车辆来说，当车辆停泊时燃料电池也在产生电，即当车辆停泊而非行驶时通过来自燃料电池的电动力为蓄电池充电的情况。使用酒精(例如甲醇)作为燃料的燃料电池系统会产生大量的CO2，其取代车辆周围的氧气并且另外氧气被消耗掉。如果车辆停泊在没有充分通风的封闭车库中，则存在CO2水平增大且对应地O2水平减小的风险。
在车库的通风系统位于高于地面的高度处且没有空气循环的情况下尤其如此，原因在于CO2比空气重且可积聚在地面附近。后者意味着宠物和儿童暴露于增大的CO2水平的风险最高。
与具有内燃机的车辆相比，燃料电池对蓄电池的充电是安静的，因此在此过程期间不会经历立即警觉，如果内燃机正在运行且产生废气情况将有所不同，原因在于来自发动机的噪声将引起封闭空间中的人的注意。此外，来自内燃机的排气的气味将引起空间中的人的警觉，而从燃料电池系统释放的CO2没有气味。
因此，为了提供安全性的提高，燃料电池驱动车辆配备有传感器系统，所述传感器系统具有CO2传感器和O2传感器中的至少一者，以对应地测量车辆周围环境(例如车库)中的CO2浓度和O2浓度中的至少一者。
另一选择为或另外，车库本身配备有包括CO2传感器和/或O2传感器的传感器系统。
然而，具有CO2传感器和/或O2传感器的车辆的实施方案是更全面的技术解决方案，原因在于无论车辆是否停泊其皆会对浓度进行测量。如果CO2的浓度水平增大到高于预定CO2阈值和/或O2的浓度减小到低于预定O2阈值，则发出警报。
简单来说，警报是引起注意的语音或光信号。在更先进的技术解决方案中，所述警报内含发送到远程装置(例如手机)的无线信号，所述远程装置任选地具有安装在无线远程装置上的发出所述警报的对应计算机应用。例如，所述警报可提示用户打开车库或停止燃料电池的操作。任选地，计算机应用向用户指示CO2和/或O2浓度水平。作为另一指示，所述应用可通过将无线远程命令从远程装置上的应用发送到车辆的燃料电池系统的控制单元来提示用户停止车辆的燃料电池的操作。任选地，远程装置上的计算机应用还指示蓄电池的充电状态以作为用户做出是否停止燃料电池为蓄电池充电的决策的判断标准，以防止超出CO2和/或O2的阈值水平。
在切实可行的实施方案中，车辆包括传感器系统，所述传感器系统包括CO2传感器或O2传感器或包括这两者，其中传感器系统具有在车辆的车厢外部的进气口以使所述进气口通向车辆周围环境中的大气。所述传感器系统被配置成测量来自进气口的气体的CO2水平和/或O2水平并且对应地例如相对于阈值评估来自进气口的气体中的CO2和/或O2浓度。当CO2和/或O2浓度超过预定阈值水平时，传感器提供警报。
在切实可行的实施方案中，术语“传感器系统”包括进气口、对来自进气口的气体的感测机构、CO2水平和O2水平中的至少一者的评估功能以及阈值控制与警报生成功能。传感器系统可分离成几个组件，这些组件不处于车辆上的完全相同的位置上。例如，视觉警报发出单元设置在汽车的外侧上，而传感器位于汽车内且从外部看不到。
为了检测地面附近的CO2的临界水平，鉴于CO2比空气重，CO2传感器的进气口可布置在从定位有车辆的地面测量时低于0.7m或甚至低于0.5m的高度处。对于有轮子的车辆来说，从传感器到地面的距离也是从传感器到轮子的最低点的水平高度的距离。
如已提及，如果车辆除燃料电池系统之外还包括蓄电池并且所述车辆被配置成在熄火和停泊情况期间也通过来自燃料电池的动力为蓄电池充电，则对CO2水平升高发出警告的传感器系统尤为重要。
因此，于在燃料电池驱动车辆中安装所述传感器系统之前，首先确定车辆是否包括会在动力产生期间产生大量CO2的燃料电池系统是有利的。在一些情形中，如果确实如此，则警告CO2水平升高的传感器系统仅需安装到车辆上或安装到车辆中。
确切来说，可在安装传感器系统之前着重确定车辆是否包括燃料电池系统以及蓄电池，并且确切来说确定车辆是否被配置成在熄火和停泊情况期间也通过来自燃料电池的动力为蓄电池充电。接着，可确认地决定仅将传感器系统安装到车辆。
车辆的燃料电池系统包括燃料电池，通常包括多个燃料电池，任选地包括燃料电池堆叠体。在本文中，术语燃料电池用于单个燃料电池以及多个燃料电池，通常燃料电池堆叠体。燃料电池包括阳极侧和阴极侧以及位于所述阳极侧与所述阴极侧之间的质子交换膜，在操作期间，所述质子交换膜将氢离子从阳极侧穿过所述膜输送到阴极侧。
例如，燃料电池是在高温下操作的类型。术语“高温”是燃料电池技术领域中常用和理解的术语，并且指的是120℃以上的操作温度，与在较低温度下(例如在70℃下)操作的低温燃料电池形成对比。例如，燃料电池在120℃至200℃的温度范围内操作。
例如，燃料电池系统中的燃料电池是在高于120℃下操作的高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEM)，HT-PEM燃料电池与低温PEM燃料电池不同，所述低温PEM燃料电池在低于100℃的温度下(例如在70℃下)操作。HT-PEM燃料电池的正常操作温度处于120℃至200℃的范围内，例如处于160℃至185℃的范围内。HT-PEM燃料电池中的聚合物电解质膜PEM是无机酸型的，通常是聚合物薄膜，例如掺杂有磷酸的聚苯并咪唑。HT-PEM燃料电池的优点在于承受相对高的CO浓度并且因此不需要转化炉与燃料电池堆叠体之间的PrOx反应器，这就是为何可使用简单、轻量且便宜的转化炉，这能将系统的总体大小和重量最小化同时达到提供紧凑的燃料电池系统的目的，尤其是对于汽车行业来说。
在切实可行的实施方案中，使用酒精来作为燃料电池的燃料的一部分，例如甲醇与水的混合物。在加热的转化炉中，将燃料催化反应成用于燃料电池的合成气以向燃料电池的阳极侧提供所需的氢气。对于转化炉中的催化反应来说，在导管连接到转化炉的汽化器中将所提供的液体燃料汽化。为了将转化炉加热到适当的催化转换温度(例如在220℃至280℃的范围内)，提供转化炉燃烧器并且所述转化炉燃烧器与转化炉热接触以将热量传送到转化炉内部的催化剂。转化炉燃烧器包括燃烧器腔室，所述燃烧器腔室通过燃烧阳极废气或燃料或燃烧阳极废气和燃料两者来提供烟道气。例如，转化炉燃烧器在320℃至600℃范围内的温度下提供烟道气，从转化炉燃烧器提供。转化炉包括在转化炉壳体内部的催化剂，所述转化炉壳体具有转化炉壁。例如，来自转化炉燃烧器的烟道气沿着转化炉壁通行并且会加热所述转化炉壁。在所述实施方案中，燃烧器腔室与转化炉壁流体流动连通以使来自燃烧器腔室的烟道气朝向并沿着转化炉壁流动以将热量从烟道气传送到转化炉壁。
作为燃料电池中的氧气源，通常使用空气并且将空气提供到阴极侧。在此种情形中，提供空气供应以将空气供应到阴极侧。任选地，在进入燃料电池之前，空气被空气加热系统加热以提高空气的温度。空气为燃料电池提供氧气。空气中的其他气体仅流过所述系统并再次被排放出去。
通常，在燃料电池系统中，冷却剂是乙二醇型的。然而，对于寒冷地区的汽车来说，乙二醇对于起动而言并不是最好的，这是为何要优选其他液体。所述其他液体的实例包括合成油。
所述燃料电池系统通常配备有一个或多个氧气传感器，所述氧气传感器用于控制燃料电池系统的操作。此意味着所述传感器可用于也测量环境中的氧气水平的目的，使得无需再安装氧气传感器。
一些燃料电池系统具有专用起动燃烧器。所述起动燃烧器的名字已指示，其是在燃料电池系统的起动期间使用而不是在燃料电池系统的稳定的电产生状态期间使用。在所述燃料电池系统中，所述氧气传感器的典型位置位于用于控制适当起动燃烧条件的起动燃烧器的下游。然而，一旦燃料电池系统处于稳定的电产生状态中，则不必再使用氧气传感器。然而，接着可使用氧气传感器来测量所汲取的空气中的氧气水平。因此，在一些实施方案中，实施燃料电池系统的氧气传感器以使作为传感器系统的警报系统感测车辆周围环境中的氧气水平。
还可使用燃料电池系统的其他O2传感器来进行所述测量。例如，如果在燃料电池的阴极侧上游的流动路径中设置所述O2传感器，则测量能反映出车辆周围空气中的O2浓度。
作为另一替代方案，将氧气传感器安装到燃料电池系统的进口，此乃一种简单的技术解决方案，原因在于已赋予燃料电池系统的吸收功能而不需要安装额外组件来适当测量O2水平。此外或另一选择为，CO2传感器可安装在所述位置处。
各个方面
在下文中，呈现一些相关方面作为发明内容，所述相关方面实现以上目标中的至少一者并且任选地与本文中的说明的其他方面组合。
方面1.一种增大具有燃料电池系统的电动车辆的周围环境的安全性的方法，所述方法包括
-提供传感器系统，所述传感器系统被配置成对所述车辆的所述周围环境中的CO2水平升高发出警告，所述传感器系统包括二氧化碳CO2传感器和氧气O2传感器中的至少一者；所述传感器系统具有进气口，所述传感器系统被配置成对应地测量来自所述进气口的气体中的CO2和O2水平中的至少一者；
-将所述传感器系统安装在所述车辆上，使得所述进气口在所述车辆的车厢外部以使所述进气口通向所述车辆周围的环境中的空气；
-接着使用所述传感器系统来相对于阈值评估来自所述进气口的气体中的CO2浓度和O2浓度中的至少一者并在所述浓度超过预定阈值水平时提供警报。
方面2.根据方面1所述的方法，其中所述方法包括将所述传感器系统的所述进气口布置在与地面相距低于0.5m的高度处。
方面3.根据方面1或2所述的方法，其中所述方法包括确定所述车辆是否包括在动力产生操作期间产生CO2的燃料电池系统，并且确认仅将所述传感器系统安装到所述车辆。
方面4.根据方面3所述的方法，其中所述方法包括在安装所述传感器系统之前确定所述车辆是否包括燃料电池系统以及蓄电池；以及确定所述车辆是否被配置成在熄火和停泊情况期间也通过来自所述燃料电池系统的动力为所述蓄电池充电，并且确认仅将所述传感器安装到所述车辆。
方面5.根据任何前述方面所述的方法，其中所述方法包括提供与所述传感器系统无线通信的远程装置，所述远程装置被编程为从所述传感器系统接收无线警报信号并将此指示给所述远程装置的用户。
方面6.一种包括燃料电池系统的车辆，其中所述燃料电池系统被配置成在处于电产生操作中时产生二氧化碳CO2，所述车辆还包括传感器系统，所述传感器系统被配置成对所述车辆的周围环境中的CO2水平升高发出警告，所述传感器系统包括CO2传感器和O2传感器中的至少一者；所述传感器系统具有在所述车辆的车厢外部的进气口以使所述进气口通向所述车辆周围的环境中的大气；其中所述传感器系统被配置成测量来自所述进气口的气体中的CO2浓度和O2浓度中的至少一者并且相对于阈值评估来自所述进气口的气体中的浓度并在所述浓度超过预定阈值水平时提供警报。
方面7.根据方面6所述的车辆，其中所述传感器系统的所述进气口布置在与地面相距低于0.5m的高度处。
方面8.根据方面7所述的车辆，其中所述车辆包括燃料电池系统以及蓄电池，并且其中所述车辆被配置成在熄火和停泊情况期间也通过来自所述燃料电池系统的动力为所述蓄电池充电。
方面9.根据方面6至8中任一项所述的车辆，其中所述车辆包括高温聚合物电解质膜HT-PEM燃料电池来作为所述燃料电池系统的一部分，所述燃料电池被配置成在120℃至200℃范围内的温度下操作，并且其中所述车辆被配置成向所述燃料电池提供汽化燃料，其中所述燃料是酒精与水的混合物。
方面10.传感器系统在燃料电池驱动车辆上的用途，用于提高防所述车辆的周围环境中的CO2暴露量增大的安全性，所述传感器系统包括CO2传感器和O2传感器中的至少一者，所述传感器用于对应地测量CO2浓度和O2浓度中的至少一者，其中所述传感器系统包括对测量到CO2或O2浓度超出预定阈值水平的事件的警报功能。
附图说明
将在图中描述本发明的实施方案，在图中：
图1是具有CO2传感器的车辆
图2是更详细的传感器。
具体实施方式
图1图解说明车辆1，所述车辆1含有燃料电池3(通常是多个燃料电池，例如燃料电池堆叠体)和蓄电池2，所述蓄电池2与燃料电池电互连以在行驶期间使燃料电池3为蓄电池2充电，其中燃料电池3和蓄电池2具有作为混合动力供应系统的作用。
然而，任选地，还可在停泊期间通过燃料电池3所产生的电动力为蓄电池2充电，以在下一次起动车辆1时已给蓄电池2充分地充电。
有利的是，燃料电池3是高温聚合物电解质膜(HT-PEM)燃料电池。通常，高温燃料电池在120℃至200℃的温度范围内操作并且因此也产生热量。例如，燃料电池3在170℃至185℃的温度下操作。通过对应地调整穿过燃料电池的冷却线路中的冷却剂流来将此操作温度维持恒定。例如，燃料电池的冷却剂入口处的冷却剂的温度处于160℃至175℃的范围内。
除了燃料电池3之外，燃料电池系统4还包括转化炉与对应转化炉燃烧器的组合以及温度调节系统，所述温度调节系统包括冷却线路。另外，提供动力管理系统。从燃料箱5提供燃料。例如，燃料箱5含有酒精(任选地甲醇)，于在转化炉中进行催化变换之前将水添加到酒精以将其作为氢燃料提供到燃料电池。
例如，在转化炉中，将甲醇CH3OH与水H2O的混合物催化转换成氢气H2和CO2。接着，将H2与CO2的混合物作为所谓的合成气供应到燃料电池3(通常是燃料电池堆叠体)的阳极侧。
吸收来自环境的空气并以增大的压力(通常通过使用压缩机)将所述空气供应到燃料电池3的阴极侧，以为与氢的反应提供必要的氧气以在氢离子H+已从阳极侧经过所述膜到达阴极侧之后产生水。
任选地，氧气传感器设置在进入燃料电池系统的阴极侧之前的空气流动路径中。
来自催化燃料的CO2穿过燃料电池3并通过车辆1的排气孔6离开系统。在封闭环境中，此CO2由于取代必需的氧气因而可对封闭空间内部的人和动物造成危险。
作为安全性措施，在传感器系统中设置传感器7，所述传感器系统具有进口8，所述进口8被设置成与周围环境流动连接以从所述环境吸取空气。任选地，为了提供高的安全性程度，进口8设置成接近地面9，例如与地面相距近于0.7或甚至与地面9相距近于0.5cm。
例如，提供图2中所图解说明的传感器7，图2更详细地示出车辆1的后部。
如果CO2水平升高到高于预定CO2阈值和/或如果氧气水平减小到低于预定O2阈值，则例如以语音11的形式发出警报。另外或另一选择为，将无线信号10发送到例如另一警报站和/或远程装置(诸如手机)以进行预防性测量。
如上文所提及，传感器系统任选地使用燃料电池系统的氧气传感器以使得不必安装专用的额外O2传感器。而是，来自燃料电池系统的O2传感器的输出信号分支为控制功能，所述控制功能被编程为于在所汲取的空气中所测量到的O2浓度降低到低于预定O2阈值水平的情形中引发警报。
参考编号
1 车辆
2 蓄电池
3 燃料电池
4 燃料电池系统
5 箱
6 车辆的排气孔
7 传感器
8 传感器的进口
9 地面
10 无线警报信号
11 音频警报。

Claims (9)

1.一种增大具有燃料电池系统以及蓄电池的电动车辆的周围环境的安全性的方法，其中所述车辆被配置成在熄火和停泊情况期间也通过来自所述燃料电池系统的动力为所述蓄电池充电，其中所述燃料电池系统被配置成在处于产生电的操作中时产生二氧化碳CO2，所述方法包括
-提供传感器系统，所述传感器系统被配置成对在所述车辆的所述周围环境中的CO2水平升高发出警告，所述传感器系统包括二氧化碳CO2传感器和氧气O2传感器中的至少一者；所述传感器系统具有进气口，所述传感器系统被配置成对应地测量来自所述进气口的气体中的CO2水平和O2水平中的至少一者；
-将所述传感器系统安装在所述车辆上，使得所述进气口在所述车辆的车厢外部以使所述进气口通向所述车辆周围的环境中的空气；
-接着使用所述传感器系统来相对于阈值评估来自所述进气口的气体中的CO2浓度和O2浓度中的至少一者，并在所述浓度超过所述车辆的所述周围环境的预定阈值水平时通过提供警报来对所述车辆的所述周围环境中的CO2水平升高警告。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括将所述传感器系统的所述进气口布置在与地面相距低于0.5m的高度处。
3.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述方法包括提供与所述传感器系统无线通信的远程装置，所述远程装置被编程为从所述传感器系统接收无线警报信号并将此指示给所述远程装置的用户。
4.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述传感器系统包括CO2传感器。
5.一种包括燃料电池系统以及蓄电池的车辆，其中所述车辆被配置成在熄火和停泊情况期间也通过来自所述燃料电池系统的电力为所述蓄电池充电，其中所述燃料电池系统被配置成在处于产生电的操作中时会产生二氧化碳CO2，所述车辆还包括传感器系统，所述传感器系统被配置成在所述车辆处于所述停泊情况中并且所述燃料电池系统正在产生用于为所述蓄电池充电的电时对所述车辆的周围环境中的CO2水平升高发出警告，所述传感器系统包括CO2传感器和O2传感器中的至少一者；所述传感器系统具有在所述车辆的车厢外部的进气口以使所述进气口通向所述车辆周围环境中的大气；其中所述传感器系统被配置成测量来自所述进气口的气体中的CO2浓度和O2浓度中的至少一者并相对于所述周围环境的阈值评估来自所述进气口的气体的所述浓度并在所述浓度超过预定阈值水平时通过提供警报来对所述车辆的所述周围环境中的CO2水平升高发出警告。
6.根据权利要求5所述的车辆，其中所述传感器系统的所述进气口布置在与地面相距低于0.5m的高度处。
7.根据权利要求5或6所述的车辆，其中所述车辆包括高温聚合物电解质膜HT-PEM燃料电池来作为所述燃料电池系统的一部分，所述燃料电池被配置成在120℃至200℃范围内的温度下操作，并且其中所述车辆被配置成向所述燃料电池提供汽化燃料，其中所述燃料是酒精与水的混合物。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的车辆，其中所述传感器系统包括CO2传感器。
9.传感器系统在燃料电池驱动型车辆中的用途，用于当在熄火和停泊情况期间燃料电池系统为蓄电池充电时增大防所述车辆的周围环境的CO2暴露量增大的安全性，所述传感器系统包括CO2传感器和O2传感器中的至少一者以用于在所述停泊情况期间对应地测量CO2浓度和O2浓度中的至少一者，其中所述传感器系统包括对测量到CO2或O2浓度超出所述周围环境的预定阈值水平的事件的警报功能。
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