DE102013221876A1 - Kraftfahrzeug, Verfahren zur Regelung eines Füllstandes eines Wassertanks in einem ein Brennstoffzellensystem umfassenden Kraftfahrzeug und Verwendung von Signalen und/oder Daten eines Kraftfahrzustandes und/oder einer Kraftfahrzeugumgebung - Google Patents

Kraftfahrzeug, Verfahren zur Regelung eines Füllstandes eines Wassertanks in einem ein Brennstoffzellensystem umfassenden Kraftfahrzeug und Verwendung von Signalen und/oder Daten eines Kraftfahrzustandes und/oder einer Kraftfahrzeugumgebung Download PDF

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Max Eschenbach
Johannes Schmid
Jürgen Thyroff
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Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelten, Brennstoffzellen und einem ersten Wasserkühlkreislauf zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels umfasst, wobei der erste Wasserkühlkreislauf ein Wassertanksystem mit einem ersten Wassertank, einer zwischen dem ersten Wassertank und dem Brennstoffzellenstapel angeordneten ersten Wasserfördervorrichtung und einem zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem ersten Wassertank angeordneten Wasserabscheider umfasst, wobei das Brennstoffzellensystem ferner eine erste Steuervorrichtung umfasst und wobei die erste Steuervorrichtung eingerichtet ist, einen Füllstand des ersten Wassertanks in Abhängigkeit von Signalen und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung zu regeln.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein ein Brennstoffzellensystem umfassendes Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur energieeffizienten Regelung eines Füllstandes eines Wassertanks in dem Brennstoffzellensystem des Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner auch eine Verwendung von Signalen und/oder Daten eines Kraftfahrzeugzustandes und/oder einer Kraftfahrzeugumgebung in einem ein Brennstoffzellensystem umfassenden Kraftfahrzeug.
  • In Brennstoffzellen betriebenen oder ein Brennstoffzellensystem enthaltenden Kraftfahrzeugen wird durch die Brennstoffzellenreaktion Wasser erzeugt. Auf der anderen Seite wird Wasser auch dazu verwendet das Brennstoffzellensystem zu kühlen. Daher sind Brennstoffzellensysteme bekannt, die einen geschlossenen Kühlkreislauf umfassen, der gebildetes, dampfförmiges Wasser aus den Brennstoffzellen abführt, daraus flüssiges Wasser abscheidet und auf der anderen Seite das kondensierte Wasser wieder zum Kühlen verwendet. Eine Wasserabscheidung erfolgt dabei in Abhängigkeit bestimmter Brennstoffzellensystemparameter, wie dem pH-Wert des Wassers im Kühlkreislauf, einem Feststoffanteil im Wasser des Kühlkreislaufs und dergleichen. Das kondensierte Wasser wird dabei zumeist in einem Wassertank zwischengespeichert und bei Bedarf aus dem Wassertank gefördert. Sobald ein Füllstand des Wassers im Wassertank einen Sollwert unterschreitet, in der Regel 75% des Gesamtfüllvolumens des Wassertanks, wird Wasser abgeschieden. Die Wasserabscheidung ist damit nicht energetisch optimiert. Ein nicht optimiertes Kühlungsmanagement eines Kraftfahrzeug-Brennstoffzellensystems kann jedoch die subjektive Wahrnehmung eines Kraftfahrzeugnutzers im Hinblick auf akustische, thermische und energetische (Antriebsleistung) Aspekte, aufgrund der komplexen Interaktion mit der Fahrzeugbetriebsstrategie, stören.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein ein Brennstoffzellensystem umfassendes Kraftfahrzeug bereitzustellen, das sich durch eine energieeffizient gesteuerte Wasserabscheidung und Wasserspeicherung auszeichnet. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Regelung eines Füllstandes eines ersten Wassertanks in einem ein Brennstoffzellensystem umfassenden Kraftfahrzeug anzugeben, mittels dessen eine Abscheidungsrate an Wasser, ein Abscheidezeitpunkt oder auch eine Abführrate an Wasser energieeffizient gesteuert werden kann. Ferner ist es auch Aufgabe der Erfindung eine Verwendung von Signalen und/oder Daten eines Kraftfahrzeugzustandes und/oder einer Kraftfahrzeugumgebung in einem ein Brennstoffzellensystem umfassenden Kraftfahrzeug anzugeben.
  • Die Aufgabe wird bei einem Kraftfahrzeug erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Kraftfahrzeug ein Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelten, Brennstoffzellen und einem ersten Wasserkühlkreislauf zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels umfasst, wobei der erste Wasserkühlkreislauf ein Wassertanksystem mit einem ersten Wassertank, einer zwischen dem ersten Wassertank und dem Brennstoffzellenstapel angeordneten ersten Wasserfördervorrichtung und einem zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem ersten Wassertank angeordneten Wasserabscheider umfasst, und das Brennstoffzellensystem ferner eine erste Steuervorrichtung aufweist, wobei die erste Steuervorrichtung eingerichtet ist einen Füllstand des ersten Wassertanks in Abhängigkeit von Signalen und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung zu regeln. Eine Regulierung des Füllstandes des ersten Wassertanks, und damit auch eine Regulierung einer Abscheidungsrate an Wasser, sind für eine ausreichende Kühlung des Brennstoffzellensystems essentiell. Um Kühlwasser abzuscheiden umfasst der Wasserabscheider eine Kühlvorrichtung. Alternativ dazu kann eine Kühlvorrichtung auch im Wasserkühlkreislauf zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Wasserabscheider angeordnet sein. Erfindungsgemäß wird der Füllstand des ersten Wassertanks nicht in Abhängigkeit von Daten aus dem Brennstoffzellensystem, sondern mit anderen Worten basierend auf Signalen und Daten aus der Peripherie des Brennstoffzellensystems, gesteuert. Signale und Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung umfassen dabei aktuelle und aus der Historie bekannte und auch zukünftig zu erwartende Betriebszustandsdaten und Peripheriedaten des Kraftfahrzeugs. Da das Kraftfahrzeug einen entscheidenden Einfluss auf die beim Brennstoffzellensystem nachgefragte Leistung und damit auch auf eine Kühlleistung des Brennstoffzellensystems hat, kann durch Verwendung von Signalen und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung eine Regelung des Füllstandes des ersten Wassertanks vorausschauend und damit energieeffizient erfolgen. Der erste Wassertank ist damit immer ausreichend mit Wasser gefüllt, so dass jede, beim Brennstoffzellensystem angefragte, Leistung bedient werden kann, ohne dass das Brennstoffzellensystem einen Schaden durch mangelnde Kühlung erleidet. Einer Wasserabscheidung und Wasserspeicherung bei Fahrzeugzuständen, bei denen die Wasserabscheidung und Speicherung systembedingt nur ineffizient abläuft, beispielsweise unter Zuhilfenahme einer hohen Kühlerlüfterleistung, kann effektiv vorgebeugt werden. Ferner muss im Kraftfahrzeugbetrieb bei Erreichen eines Minimumfüllstandes im ersten Wassertank nicht, wie herkömmlich, ohne Berücksichtigung von Brennstoffzellensystemperipheriedaten durch Abkondensieren von Wasser der Füllstand im ersten Wassertank sofort geregelt werden. Hier bietet eine erfindungsgemäße Regelung des Füllstandes auf Basis von Signalen und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung den weiteren Vorteil, eine Wasserabscheidung zur Erhöhung des Füllstandes im ersten Wassertank auf einen späteren Zeitpunkt zu verschieben, wenn, gemäß der Kraftfahrzeugsprädiktion, kurz- bis mittelfristig ein Fahrzeugzustand erreichbar ist, der eine energieeffiziente und schnelle Erhöhung des Füllstandes im ersten Wassertank ermöglicht. Effektiv wird dadurch bei gegebenem Wassertankvolumen das Betriebsfenster vergrößert bzw. die minimal notwendige Füllstandsmenge im ersten Wassertank herabgesetzt, was die Flexibilität der Steuerung des Brennstoffzellensystems verbessert und somit eine Abscheidungsrate an Wasser, einen Abscheidezeitpunkt und eine Abführrate an Wasser nicht unter fest vorgegebenen Füllstandsparametern des Wassertanks, sondern in Abhängigkeit einer positiven Energiebilanz des Gesamtsystems vorsieht. Dadurch kann auch eine Reichweitenverlängerung des Kraftfahrzeugs bei gegebenem Tank- oder Batterieinhalt erzielt werden. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist im Einzelnen nicht beschränkt und umfasst auch autonome bzw. teilautonome Kraftfahrzeuge. Zu den teilautonomen Kraftfahrzeugen sind u. a. Kraftfahrzeuge mit Fahrerassistenz und/oder Geschwindigkeitsregelanlage (Tempomat) zu zählen.
  • Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung zum Inhalt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs umfasst dieses mindestens eine Navigationseinrichtung, wobei die Signale und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung durch die Navigationseinrichtung bereitgestellte Daten sind. Die Navigationseinrichtung muss keine permanente Einrichtung des Kraftfahrzeuges sein. Ausreichend ist, wenn das Navigationssystem zumindest temporär Daten an die erste Steuervorrichtung abgibt. Navigationsgestützte Parameter im Sinne der Erfindung sind solche, die Positions-, Strecken- und Verkehrsinformationen liefern. Durch die aus der Navigationseinrichtung erhaltenen Daten können kritische Positionen und zukünftig zu befahrende Zonen des Kraftfahrzeugs definiert und ermittelt werden, die beispielsweise eine hohe Leistung des Brennstoffzellensystems und damit auch eine hohe Kühlleistung und somit einen ausreichenden Füllstand im ersten Wassertank, erfordern. Eine Regelung des Füllstandes basierend auf navigationsgestützten Signalen und Daten ist damit zeitpunktoptimiert und energieeffizient. Beispielsweise kann über Positionsinformationen aus der Navigationseinrichtung das Einfahren in vordefinierte Zonen detektiert werden. Dadurch ist eine Anpassung der Wasserabscheidungs- und Speicherungsstrategie, die zu einer Erhöhung des Wasserfüllstandes im ersten Wassertank führt, an speziellen Fahrzeugpositionen möglich, z. B. beim Einfahren in Bergpässe über vorhandene Straßenverläufe, durch Ermittlung der Steigungen, Kurvenradien, Kurvenabfolgen, Höhenlagen und Längen des Anstiegs. Die Regulierung des Füllstandes und damit auch die Wasserabscheidung können somit so angepasst werden, dass sich am Ende eines Bergpasses der Füllstand auf einem unteren Niveau befindet. Somit muss während der Fahrt weniger Wasser abgeschieden werden, was in Steigungsfahrten das Kühlsystem des Brennstoffzellensystems entscheidend weniger belastet. Des Weiteren kann über Staumeldungen die Füllstandsregelung des ersten Wassertanks und damit die Wasserabscheidung in wenig oder kaum fließendem Verkehr bei heißen Außentemperaturen auf ein Minimum reduziert werden, um das akustisch wahrnehmbare Zuschalten des Fahrzeugkühlerlüfters zu minimieren. In kalten Jahreszeiten kann ferner durch eine höhere Abscheidungsrate, die Bildung von Kondensationswolken in Fahrzeugnähe vermindert oder gar unterbunden werden. Darüber hinaus können bei einer aktiven Zielführung der Navigationseinrichtung umfassende Informationen über zu durchfahrende Fahrstrecken sowie deren Verlauf zur Verfügung gestellt werden. Die dadurch mögliche Prädiktion des Wasserbedarfs zum Kühlen des Brennstoffzellensystems ermöglicht eine bedarfs- und energetisch-optimierte Wasserabscheidung und damit eine energieeffiziente Regelung des Füllstandes des ersten Wassertanks. Z. B. ist somit bekannt, wann das Fahrzeug sich in Streckenabschnitten mit hohem Leistungsbedarf befindet bzw. befinden wird, in denen die Wasserabscheidung reduziert werden kann, und wann sich das Fahrzeug in Streckenabschnitten befindet oder befinden wird, in denen die Wasserabscheidung energetisch günstiger ist. Eine Regelung des Füllstandes des ersten Wassertanks kann somit in Abhängigkeit eines gerade durchlaufenen und/oder zu erwartenden Strecken-Fahrzyklus unter Berücksichtigung der aus der Historie bekannten, der aktuellen und der zu erwartenden Fahrsituation, erfolgen.
  • Insbesondere vorteilhaft sind die durch die Navigationsvorrichtung bereitgestellten Daten Fahrstreckenparameter, wie z. B. Routenparameter, ein Streckenverlauf oder eine Zielführung, da sich hierdurch die zu erwartenden Bedarfe an Kühlmedium am besten einschätzen und zeitlich und energetisch optimiert steuern lassen.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Kraftfahrzeug mindestens einen Sensor umfasst, wobei die Signale und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung durch den Sensor bereitgestellte Daten sind. Geeignete Sensoren sind dabei solche, die operative Parameter, fahrzeugspezifische Sensorik oder Signale aus Eingabeelementen (Schalter) verwenden und umfassen beispielhaft Sensoren zur Bestimmung von Steigungen einer Fahrstrecke, Fahrdynamiksensoren, Querbeschleunigungssensoren, Sensoren zur Erkennung der Pedaldynamik, Sensoren zur Erkennung eines Überholmanövers, Fahrerlebnisschalter, Luftfeuchtigkeitssensoren, Sensoren für Sonneneinstrahlung, Temperatursensoren, Luftdrucksensoren, Geschwindigkeitsmesser, Sensoren zur Bestimmung des Massedurchflusses durch den Wasserkühlkreislauf, Erkennung für aerodynamische Klappen und ausfahrbare Heckspoiler. Des Weiteren kann die erste Steuervorrichtung auch eingerichtet sein, das Fahrverhalten zu analysieren und einem Kraftfahrzeugführer zuzuordnen. Eine Zuordnung zu einem Kraftfahrzeugführer kann aber auch durch eine Personenkennung, beispielsweise eine Schlüsselkodierung, ein Sitzmemory oder eine Gesichtserkennung, erfolgen. Aus den Daten für die Personenkennung und der daraus resultierenden Zuordnung des Fahrverhaltens zu einem bestimmten Kraftfahrzeugführer, können ebenfalls bestimmte Bedarfe für die aktuelle und die zukünftige Fahrstrecke vorhergesagt werden. Dies gilt auch für so genannte Pendlerstrecken, also Streckenverläufe, die sich öfters wiederholen. Durch sensorspezifische und auch kraftfahrzeugführerspezifische Signale und/oder Daten, ist eine verbesserte Prädiktion des Kühlwasserbedarfs möglich, so dass eine Wasserabscheidung und Füllstandsregelung des ersten Wassertanks energieeffizient erfolgen kann.
  • Insbesondere kann durch eine Kombination aus Personenerkennung, aktuellen Navigationseinrichtungsdaten und/oder gespeicherten Fahrstrecken der Wasserabscheidungsbedarf und damit eine Füllstandsregelung des ersten Wassertanks besonders gut prädiktiert und/oder optimiert werden.
  • Weiter vorteilhaft umfasst das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ferner mindestens eine Drahtloskommunikationsvorrichtung, wobei die Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung durch die Drahtloskommunikationsvorrichtung bereitgestellte Daten sind. Die Drahtloskommunikationsvorrichtung muss keine permanente Einrichtung des Kraftfahrzeuges sein. Ausreichend ist, wenn die Drahtloskommunikationsvorrichtung zumindest temporär Daten an die erste Steuervorrichtung abgibt. Durch die Verwendung von Daten einer Drahtloskommunikationsvorrichtung können Streckenparameter, Leistungs- und Zeitbedarfe, aufgrund eines angepassten Fahrverhaltens, gezielt ermittelt werden. Z. B. können so Events, Massenveranstaltungen und dergleichen, die örtlich im Umkreis der Fahrstrecke liegen, erkannt und eine Füllstandregelung des ersten Wassertanks in Abhängigkeit des zu erwartenden geänderten Fahrverhaltens, besonders gut geregelt werden. Durch die Drahtloskommunikationsvorrichtung bereitgestellte Daten umfassen aktuelle Daten, aus der Historie bekannte Daten und zukünftig zu erwartende Daten, wie z. B. Datumsangaben, LKW-Fahrverbote, Ferienzeiten, Stoßzeiten, Wettervorhersagen, Jahreszeiten, eine geographische Lage, GPS Daten und dergleichen. Beispielsweise kann durch Wetterdaten, wie z. B. Luftdruckdaten, Temperaturdaten, Luftfeuchtigkeitsdaten, Daten über die Sonneneinstrahlung und dergleichen beispielsweise ein aktueller und/oder zukünftiger Bedarf einer Klimaanlage und/oder eine zu erwartende Nachttemperatur bereitgestellt werden. Liegt die zu erwartende Nachttemperatur im Minustemperaturbereich, kann beispielsweise der Füllstand des ersten Wassertanks reduziert, bzw. der Wassertank komplett entleert werden, um einem Frostschaden im Kühlwasserkreislauf vorzubeugen Auch kann so zusätzlich, um Wasserpfützen und ggf. vereiste Stellen an einem vorgesehenen Kraftfahrzeugparkplatz zu vermeiden, eine Tankentleerung vor Erreichen des Kraftfahrzeugparkplatzes vorgenommen werden. Über die Einbeziehung von aktuellen und/oder prognostizierten Wetterdaten kann somit eine Füllstandsregulierung des ersten Wassertanks sehr effektiv und Schaden vorbeugend erfolgen. Beispielsweise kann eine Abscheidung von Wasser bei Regen bzw. hoher Luftfeuchtigkeit energieeffizienter durchgeführt werden. Auch die Bestimmung des Entleerzeitpunktes des Wassertanks, kann bedarfsgerecht an die Wetterbedingungen angepasst werden.
  • Weiter vorteilhaft ist die erste Steuervorrichtung ferner eingerichtet, einen Füllstand des ersten Wassertanks in Abhängigkeit von Signalen und/oder Daten des Brennstoffzellensystems zu regeln. Durch Berücksichtigung von Brennstoffzellensystemspezifischen Signalen und/oder Daten, wird eine zusätzliche Optimierung des Füllstandes des ersten Wassertanks ermöglicht. Geeignete Daten umfassen eine elektrische Leitfähigkeit, einen pH-Wert, einen Feststoffgehalt des Kühlwassers, eine Temperatur im Kühlwasserkreislauf, eine Förderleistung der ersten Wasserfördervorrichtung, aus dem Brennstoffzellensystem ausgeführtes Wasser und dergleichen.
  • Alternativ zu der vorhergehenden Weiterbildung kann das Brennstoffzellensystem auch eine zweite Steuervorrichtung umfassen, wobei das Wassertanksystem einen mit dem ersten Wassertank durch eine Wasserleitung verbundenen zweiten Wassertank umfasst, wobei der zweite Wassertank zwischen dem ersten Wassertank, dem Wasserabscheider und der ersten Wasserfördervorrichtung angeordnet ist, wobei die Wasserleitung eine zweite Wasserfördervorrichtung umfasst, und wobei die zweite Steuervorrichtung eingerichtet ist, einen Füllstand des zweiten Wassertanks in Abhängigkeit von Signalen und/oder Daten des Brennstoffzellensystems zu regeln. Durch die Verbindung des ersten Wassertanks mit dem zweiten Wassertank über die Wasserleitung sind sowohl der erste Wassertank als auch der zweite Wassertank zwischen dem Wasserabscheider und der ersten Wasserfördervorrichtung angeordnet. Somit wird dann, wenn in Abhängigkeit der Signale und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung die erste Steuervorrichtung den Füllstand des ersten Wassertanks erhöht, entsprechend Wasser aus dem zweiten Wassertank abgezogen. Durch die Senkung des Füllstandes im zweiten Wassertank wird dort ein Sollfüllstand unterschritten und sofort weiteres Wasser abgeschieden und dem zweiten Wassertank zugeführt. Der zweite Wassertank kann jedoch gerade bei geringeren Bedarfen an Wasser aus dem ersten Wassertank als zusätzliches Tankvolumen bedient werden, so dass eine Wasserabscheidung auf spätere, besonders energieoptimierte Zeitpunkte verlegt werden kann.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die zweite Wasserfördervorrichtung mindestens eine Pumpe und/oder eine Mammutpumpe und/oder eine Druckdifferenzen ausnutzende Wasserfördervorrichtung und/oder eine Wasserstrahlpumpe und/oder eine Pumpe mit Rückflussleitung. Hierdurch kann ein Wassertransport aus dem zweiten Wassertank in den ersten Wassertank leicht und mit nur geringem energetischen Aufwand, auch in Abhängigkeit einer Anordnung der Wassertanks zueinander, erfolgen.
  • Weiter vorteilhaft umfasst das Brennstoffzellensystem mindestens einen zweiten Kühlkreislauf. Dadurch wird eine effizientere und schnellere Wasserabscheidung erzielt.
  • Ferner vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuervorrichtung eingerichtet ist, einen Füllstand des ersten Wassertanks in Abhängigkeit von Signalen und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung zu senken oder anzuheben. Durch ein Anheben des Füllstandes des ersten Wassertanks kann das Brennstoffzellensystem auf zu erwartende Leistungsbedarfe optimal vorbereitet werden. Darüber hinaus können insbesondere eine Bildung von Wasserdampfwolken im Winter und Frostschäden im Wasserkühlkreislauf durch ein Senken des Füllstandes im ersten Wassertank minimiert werden. Insbesondere kann eine prädiktive Wassertankentleerung vorgenommen werden, beispielsweise außerhalb eines vorgesehenen Kraftfahrzeugparkplatzes, um dort Wasserpfützen zu vermeiden.
  • Ebenfalls wird auch ein Verfahren zur Regelung eines Füllstandes eines ersten Wassertanks in einem Kraftfahrzeug beschrieben. Das Kraftfahrzeug umfasst dabei ein Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelten, Brennstoffzellen und einen ersten Wasserkühlkreislauf zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels, wobei der erste Wasserkühlkreislauf ein Wassertanksystem mit einem ersten Wassertank, einer zwischen dem ersten Wassertank und dem Brennstoffzellenstapel angeordneten ersten Wasserfördervorrichtung und einem zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem ersten Wassertank angeordneten Wasserabscheider umfasst. Das Verfahren ist durch den Schritt des Regelns des Füllstandes des ersten Wassertanks in Abhängigkeit von Signalen und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung gekennzeichnet. Durch das Regeln des Füllstandes des ersten Wassertanks in Abhängigkeit von Signalen und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung kann eine Abscheidungsrate an Wasser und/oder ein Abscheidezeitpunkt und/oder eine Abführrate an Wasser energieeffizient gesteuert werden. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren umfassen Signale und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung aktuelle Signale und Daten, aus der Historie bekannte und zukünftig zu erwartende Betriebszustandsdaten und Peripheriedaten des Kraftfahrzeugs.
  • Es sei angemerkt, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren und seine Weiterbildungen für die Anwendung in dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug eignen. Es wird daher das erfindungsgemäße Verfahren betreffend ergänzend auf die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und dessen vorteilhafte Weiterbildungen Bezug genommen. Aus den vorstehend genannten Gründen, und die bereits beschriebenen Effekte und Vorteile, einbeziehend, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine energieoptimierte Wasserfüllstandsregelung im ersten Wassertank ausgeführt werden.
  • Die für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug dargestellten Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung eines Füllstandes eines ersten Wassertanks in einem ein Brennstoffzellensystem umfassenden Kraftfahrzeug.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden die Signale und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung durch eine Navigationseinrichtung und/oder einen Sensor und/oder eine Drahtloskommunikationsvorrichtung bereitgestellt. Dies ermöglicht eine besonders energieeffiziente Regelung des Füllstandes des ersten Wassertanks durch Prädiktion eines zu erwartenden Leistungs- und damit Kühlbedarfs des Brennstoffzellensystems.
  • Weiter vorteilhaft umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt des Regelns eines Füllstandes des ersten Wassertanks in Abhängigkeit von Signalen und/oder Daten des Brennstoffzellensystems. Hierdurch kann eine zusätzliche Optimierung des Füllstandes des ersten Wassertanks ermöglicht werden.
  • Weiter vorteilhaft umfasst das Brennstoffzellensystem eine zweite Steuervorrichtung und das Wassertanksystem einen mit dem ersten Wassertank durch eine Wasserleitung verbundenen zweiten Wassertank, wobei der zweite Wassertank zwischen dem ersten Wassertank, dem Wasserabscheider und der ersten Wasserfördervorrichtung angeordnet ist und wobei die Wasserleitung eine zweite Wasserfördervorrichtung umfasst. Durch die Verbindung des ersten Wassertanks mit dem zweiten Wassertank über die Wasserleitung sind sowohl der erste Wassertank als auch der zweite Wassertank zwischen dem Wasserabscheider und der ersten Wasserfördervorrichtung angeordnet. Diese Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch den Schritt des Regelns eines Füllstandes des zweiten Wassertanks in Abhängigkeit von Signalen und/oder Daten des Brennstoffzellensystems gekennzeichnet. Damit kann der zweite Wassertank bei geringeren Bedarfen an Wasser aus dem ersten Wassertank als zusätzliches Tankvolumen verwendet werden, so dass eine Wasserabscheidung zu späteren, besonders energieoptimierten Zeitpunkten, erfolgen kann.
  • Weiter vorteilhaft wird der Füllstand des ersten Wassertanks in Abhängigkeit des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung gesenkt oder angehoben. Damit kann nicht nur zu energie-optimierten Zeitpunkten durch ein entsprechendes Anheben des Füllstandes des ersten Wassertanks das Brennstoffzellensystem auf zu erwartende Leistungsbedarfe optimal vorbereitet, sondern auch insbesondere einer Bildung von Wasserdampfwolken im Winter und Frostschäden im Wasserkühlkreislauf durch ein Senken des Füllstandes im ersten Wassertank vorgebeugt werden.
  • Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine Verwendung von aktuellen, aus der Historie bekannten und zukünftig zu erwartenden Signalen und/oder Daten eines Kraftfahrzeugzustandes und/oder einer Kraftfahrzeugumgebung zur Regelung eines Füllstandes eines Wassertanks eines Brennstoffzellensystems beschrieben, wobei das Brennstoffzellensystem an oder in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist. Das Kraftfahrzeug umfasst erfindungsgemäß auch autonome oder teilautonome Kraftfahrzeuge, also solche, die beispielsweise eine Fahrerassistenz und/oder eine Geschwindigkeitsregelanlage (Tempomat) enthalten.
  • Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösungen sowie deren Weiterbildungen ergeben sich insbesondere folgende Vorteile:
    • – Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug zeichnet sich durch eine energieeffiziente Wasserabscheidung und damit Füllstandsregelung des ersten Wassertanks aus.
    • – Negative Wechselwirkungen mit der Betriebsstrategie übriger Komponenten des Kraftfahrzeuges werden verringert.
    • – Die Anzahl an kühlungsbedingten Störfällen bzw. Leistungseinschränkungen ist reduziert.
    • – Die Kraftfahrzeugakustik ist verbessert.
    • – Durch einen zweiten Wassertank kann ein zusätzliches Kühlwasservolumen bereitgestellt werden.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung,
  • 2 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung und
  • 3 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand von drei Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile der Brennstoffzellensysteme dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile.
  • Im Detail zeigt 1 ein Brennstoffzellensystem 10 für ein Kraftfahrzeug gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 1 mit mehreren, gestapelten Brennstoffzellen und einen ersten Wasserkühlkreislauf 2 zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 1. Der erste Wasserkühlkreislauf 2 umfasst ein Wassertanksystem mit einem ersten Wassertank 3, einer zwischen dem ersten Wassertank 3 und dem Brennstoffzellenstapel 1 angeordneten ersten Wasserfördervorrichtung 4 und einem zwischen dem Brennstoffzellenstapel 1 und dem ersten Wassertank 3 angeordneten Wasserabscheider 5.
  • Der Wasserabscheider 5 ist eingerichtet, aus dem Brennstoffzellenstapel 1 austretendes dampfförmiges Wasser auszukondensieren und umfasst hierzu eine Kühlvorrichtung. Auskondensiertes, flüssiges Wasser wird dann im ersten Wassertank 3 gespeichert, dessen Füllstand somit durch das Abscheiden von Wasser erhöht wird, und steht zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels 1 bereit.
  • Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 10 eine erste Steuervorrichtung 6. An die erste Steuervorrichtung 6 sind Einrichtungen angeschlossen, die Daten aus der Brennstoffzellenperipherie und damit Signale und/oder Date des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung, an die Steuervorrichtung 6 weiterleiten. Beispielhaft umfassen diese Einrichtungen eine Navigationseinrichtung A, einen Sensor B und eine Drahtloskommunikationsvorrichtung C. Andere oder zusätzliche Einrichtungen können vorgesehen sein. Auf Basis der von den Einrichtungen A, B und C bereitgestellten Signale und/oder Daten, also aktuellen, aus der Historie bekannten und zukünftig zu erwartenden Signalen und/der Daten des Kraftfahrzeugzustands und/oder der Kraftfahrzeugumgebung, ist die erste Steuervorrichtung 6 eingerichtet einen Füllstand des ersten Wassertanks 3 zu regeln.
  • Um einen Füllstand im ersten Wassertank 3 zu regeln, steuert die erste Steuervorrichtung 6 sowohl die Wasserabscheidung des Wasserabscheiders 5, also insbesondere die Kühlvorrichtung, als auch die erste Wasserfördervorrichtung 4. Durch geeignete Steuerung kann somit durch die erste Steuervorrichtung 6 der Füllstand im ersten Wassertank 3 angehoben oder gesenkt werden.
  • Die Wasserabscheidung erfolgt somit energieeffizient und findet in Abhängigkeit einer aus den Daten und Signalen der Einrichtungen A, B und C ermittelten Kraftfahrzeugszustandsprädiktion statt. Wird beispielsweise durch die Navigationseinrichtung A und/oder über äquivalente Daten aus dem Sensor B, ein Einfahren des Kraftfahrzeugs in einen Bergpass ermittelt, so kann, bei ausreichendem Füllstand im ersten Wassertank 3, eine weitere Wasserabscheidung durch den Wasserabscheider 5 z. B. nach Überschreiten des Bergpasses initiiert werden, wodurch bei der Steigungsfahrt das Kühlsystem des Brennstoffzellensystems 10 weniger belastet wird und die Wasserabscheidung und damit Füllstandsregelung des Wassertanks 3 auf einen späteren und damit energieoptimierten Zeitpunkt verschoben wird.
  • 2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 20 für ein Kraftfahrzeug gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 20 unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 10 aus 1 darin, dass der Wasserabscheider 13 keine Kühlvorrichtung umfasst. Eine Kühlvorrichtung 12 ist stattdessen im Kühlwasserkreislauf 2 zwischen dem Brennstoffzellenstapel 1 und dem Wasserabscheider 13 vorgesehen.
  • Als weiterer Unterschied zu dem Brennstoffzellensystem 10 aus 1 sind an die erste Steuervorrichtung 6 aus 2 weitere Einrichtungen, angeschlossen, die beispielsweise einen Temperatursensor X, ein pH-Messgerät Y und ein Feststoffmessgerät Z umfassen. Die Einrichtungen X, Y und Z liefern Daten des Brennstoffzellensystems 20 an die erste Steuervorrichtung 6. Durch Berücksichtigung der Brennstoffzellensystemspezifischen Signale und/oder Daten der Einrichtungen X, Y und Z, wird eine zusätzliche Optimierung des Füllstandes des ersten Wassertanks ermöglicht. 3 zeigt ein Brennstoffzellensystem 30 für ein Kraftfahrzeug gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 30 unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 10 aus 1 darin, dass das Wassertanksystem einen mit dem ersten Wassertank 3 durch eine Wasserleitung 11 verbundenen zweiten Wassertank 7 umfasst, wobei der zweite Wassertank 7 zwischen dem ersten Wassertank 3, dem Wasserabscheider 5 und der ersten Wasserfördervorrichtung 4 angeordnet ist. Mit anderen Worten sind somit der erste Wassertank 3 und der zweiten Wassertank 7 zwischen dem Wasserabscheider 5 und der ersten Wasserfördervorrichtung 4 angeordnet. Die Wasserleitung 11 umfasst eine zweite Wasserfördervorrichtung 9, mittels der Wasser aus dem ersten Wassertank 3 in den zweiten Wassertank 7 und umgekehrt befördert werden kann.
  • Das Brennstoffzellensystem 30 weist ferner eine zweite Steuervorrichtung 8 auf, die mit dem zweiten Wassertank 7 und der ersten Steuervorrichtung 6 in Verbindung steht. Die zweite Steuervorrichtung 8 ist mit zwei Einrichtungen verbunden, beispielsweise einem Temperatursensor X und einem pH-Messgerät Y. Die Einrichtungen X und Y liefern Daten des Brennstoffzellensystems 30 an die zweite Steuervorrichtung 8, die daraufhin den Füllstand des zweiten Wassertanks 7 in Abhängigkeit von Signalen und/oder Daten des Brennstoffzellensystems regelt.
  • Werden der ersten Steuervorrichtung 6 nun Daten und/oder Signale der Navigationseinrichtung A und/oder des Sensors B und/oder der Drahtloskommunikationsvorrichtung C zugeführt, die eine hohe, beim Brennstoffzellensystem 30 nachgefragte Leistung erwarten lassen, beispielsweise weil der bevorstehende Streckenverlauf einen Bergpass vorsieht, so kann, selbst wenn der Füllstand des ersten Wassertanks 3 für die dann zu erwartende hohe Kühlleistung des Systems nicht ausreicht, Wasser aus dem zweiten Wassertank 7 durch die zweite Wasserfördervorrichtung 9 über die Wasserleitung 11 in den ersten Wassertank 3 nachgefördert und eine erneute Wasserabscheidung durch den Wasserabscheider 5 auf einen energetisch günstigeren Zeitpunkt, also nach dem Durchfahren des Bergpasses, verschoben werden. Das Wassertankvolumen des ersten Wassertanks 3 wird damit um das Volumen des zweiten Wassertanks 7 vergrößert.
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellenstapel
    2
    erster Wasserkühlkreislauf
    3
    erster Wassertank
    4
    erste Wasserfördervorrichtung
    5
    Wasserabscheider
    6
    erste Steuervorrichtung
    7
    zweiter Wassertank
    8
    zweite Steuervorrichtung
    9
    zweite Wasserfördervorrichtung
    10, 20, 30
    Brennstoffzellensystem
    11
    Wasserleitung
    12
    Kühlvorrichtung
    13
    Wasserabscheider
    A
    Navigationseinrichtung
    B
    Sensor
    C
    Drahtloskommunikationsvorrichtung
    X
    Temperatursensor
    Y
    pH-Messgerät
    Z
    Feststoffmessgerät

Claims (15)

  1. Kraftfahrzeug umfassend ein Brennstoffzellensystem (10, 20, 30) mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel (1) gestapelten, Brennstoffzellen und einem ersten Wasserkühlkreislauf (2) zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels (1), wobei der erste Wasserkühlkreislauf (2) ein Wassertanksystem mit einem ersten Wassertank (3), einer zwischen dem ersten Wassertank (3) und dem Brennstoffzellenstapel (1) angeordneten ersten Wasserfördervorrichtung (4) und einem zwischen dem Brennstoffzellenstapel (1) und dem ersten Wassertank (3) angeordneten Wasserabscheider (5, 13) umfasst, wobei das Brennstoffzellensystem ferner eine erste Steuervorrichtung (6) umfasst und wobei die erste Steuervorrichtung (6) eingerichtet ist, einen Füllstand des ersten Wassertanks (3) in Abhängigkeit von Signalen und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung zu regeln.
  2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, ferner umfassend mindestens eine Navigationseinrichtung (A), wobei die Signale und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung durch die Navigationseinrichtung (A) bereitgestellte Daten, insbesondere Fahrstreckenparameter, sind.
  3. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens einen Sensor (B), wobei die Signale und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung durch den Sensor (B) bereitgestellte Daten sind.
  4. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens eine Drahtloskommunikationsvorrichtung (C), wobei die Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung durch die Drahtloskommunikationsvorrichtung (C) bereitgestellte Daten sind.
  5. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuervorrichtung (6) ferner eingerichtet ist, einen Füllstand des ersten Wassertanks (3) in Abhängigkeit von Signalen und/oder Daten des Brennstoffzellensystems (10, 20, 30) zu regeln.
  6. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (10, 20, 30) eine zweite Steuervorrichtung (8) und das Wassertanksystem einen mit dem ersten Wassertank (3) durch eine Wasserleitung (11) verbundenen zweiten Wassertank (7) umfasst, wobei der zweite Wassertank (7) zwischen dem ersten Wassertank (3), dem Wasserabscheider (5, 13) und der ersten Wasserfördervorrichtung (4) angeordnet ist, wobei die Wasserleitung (11) eine zweite Wasserfördervorrichtung (9) umfasst, und wobei die zweite Steuervorrichtung (8) eingerichtet ist, einen Füllstand des zweiten Wassertanks (7) in Abhängigkeit von Signalen und/oder Daten des Brennstoffzellensystems (10, 20) zu regeln.
  7. Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wasserfördervorrichtung (9) mindestens eine Pumpe und/oder eine Mammutpumpe und/oder eine Druckdifferenzen ausnutzende Wasserfördervorrichtung und/oder eine Wasserstrahlpumpe und/oder eine Pumpe mit Rückflussleitung umfasst.
  8. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (10, 20, 30) mindestens einen zweiten Kühlkreislauf umfasst.
  9. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuervorrichtung (6) eingerichtet ist, einen Füllstand des ersten Wassertanks (3) in Abhängigkeit von Signalen und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung zu senken oder anzuheben.
  10. Verfahren zur Regelung eines Füllstandes eines ersten Wassertanks (3) in einem Kraftfahrzeug umfassend ein Brennstoffzellensystem (10, 20, 30) mit mehreren zu einem Brennstoffzellenstapel (1) gestapelten Brennstoffzellen und einem ersten Wasserkühlkreislauf (2) zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels (1), wobei der erste Wasserkühlkreislauf (2) ein Wassertanksystem mit einem ersten Wassertank (3), einer zwischen dem ersten Wassertank (3) und dem Brennstoffzellenstapel (1) angeordneten ersten Wasserfördervorrichtung (4) und einem zwischen dem Brennstoffzellenstapel (1) und dem ersten Wassertank (3) angeordneten Wasserabscheider (5, 13) umfasst, gekennzeichnet durch den Schritt des Regelns des Füllstandes des ersten Wassertanks (3) in Abhängigkeit von Signalen und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Signale und/oder Daten des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung durch eine Navigationseinrichtung (A) und/oder einen Sensor (B) und/oder eine Drahtloskommunikationsvorrichtung (C) bereitgestellt werden.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das Verfahren den Schritt des Regelns eines Füllstandes des ersten Wassertanks (3) in Abhängigkeit von Signalen und/oder Daten des Brennstoffzellensystems (10, 20, 30) umfasst.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das Brennstoffzellensystem (10, 20, 30) eine zweite Steuervorrichtung (8) und das Wassertanksystem einen mit dem ersten Wassertank (3) durch eine Wasserleitung (11) verbundenen zweiten Wassertank (7) umfasst, wobei der zweite Wassertank (7) zwischen dem ersten Wassertank (3), dem Wasserabscheider (5, 13) und der ersten Wasserfördervorrichtung (4) angeordnet ist, wobei die Wasserleitung (11) eine zweite Wasserfördervorrichtung (9) umfasst, und wobei das Verfahren den Schritt des Regelns eines Füllstandes des zweiten Wassertanks (7) in Abhängigkeit von Signalen und/oder Daten des Brennstoffzellensystems (10, 20, 30) umfasst.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstand des ersten Wassertanks (3) in Abhängigkeit des Kraftfahrzeugzustandes und/oder der Kraftfahrzeugumgebung gesenkt oder angehoben wird.
  15. Verwendung von Signalen und/oder Daten eines Kraftfahrzeugzustandes und/oder einer Kraftfahrzeugumgebung zur Regelung eines Füllstandes eines Wassertanks (3) eines Brennstoffzellensystems (10, 20, 30), wobei das Brennstoffzellensystem (10, 20, 30) an oder in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist.
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