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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren nach Gattung des unabhängigen Verfahrensanspruchs sowie einem System nach Gattung des unabhängigen Systemanspruchs.
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Stand der Technik
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Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei diesen Antriebstypen wird die chemische Reaktionsenergie einer Reaktion zwischen einem Anoden- und einem Kathodengas in elektrische Energie umgewandelt, die schließlich als Bewegungsenergie genutzt wird. Als Kathodengas wird in Brennstoffzellenantrieben in der Regel sauerstoffhaltige Frischluft eingesetzt. Die Luft wird aus der Umgebung angesaugt und vor der Zuführung zur Brennstoffzelle gefiltert. Die Luftfiltration dient dabei sowohl dem Schutz der Brennstoffzellenkomponenten, insbesondere dem Katalysatormaterial der Brennstoffzelle, als auch dem Schutz der übrigen Komponenten des Brennstoffzellensystems vor schädlichen Partikeln, schädlichen Dämpfen, Aerosolen und gasförmigen Verunreinigungen etc. aus der angesaugten Luft.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs sowie ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen 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 System und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem Hauptanspruch dient u. a. zur Reduzierung der Aufnahme von Schadstoffen aus der Umgebungsluft in ein Brennstoffzellensystem. Hierbei ist der Vorteil des Verfahrens insbesondere darin zu sehen, dass durch die verminderte Schadstoffaufnahme sowohl reversible, als auch irreversible Schädigungen der Brennstoffzellensystemkomponenten, insbesondere der Membran einer Brennstoffzelle auf ein Minimum reduziert werden können. Durch reversible Schädigungen des Brennstoffzellensystems kommt es während des Betriebs eines Brennstoffzellenfahrzeugs zu einer Verminderung des Wirkungsgrades und damit zum Leistungsabfall des Systems. Durch Regenerationsmaßnahmen können die reversiblen Schädigungen des Brennstoffzellensystems gezielt behoben werden. Im Falle einer irreversiblen Schädigung bleibt dieser Leistungsabfall trotz Stillstands-Phasen und Regenerationsfunktionen erhalten. Durch eine Reduzierung der Aufnahme von Schadstoffen kann demnach nicht nur das gewünschte Fahrverhalten, insbesondere der Fahrzeugantrieb längere Zeit aufrecht erhalten werden, sondern auch die Kosten und/oder der Aufwand für etwaige Regenerationsmaßnahmen auf ein Minimum reduziert werden. Zwar wird auch die als Kathodengas verwendete sauerstoffhaltige Frischluft vor der Verwendung gefiltert, jedoch wird der Filter bei erhöhter Schadstoffkonzentration mehr belastet und muss daher früher ausgetauscht werden, was wiederum unnötige Kosten verursacht oder zu Fehlfunktionen des Filters führen, sofern dieser nicht getauscht wird. Zudem soll in Brennstoffzellensystemen heutiger Brennstoffzellenfahrzeuge zunehmend Katalysatormaterial eingespart werden, was die Sensitivität heutiger Brennstoffzellensysteme gegenüber kritischen Luftverunreinigungen weiter erhöht. Auch der ansonst erforderliche Vorhalt bei der Auslegung des Stacks d. h. wieviel Reserve wegen Alterungs-/Degradations-Effekten eingebaut wird, wirkt sich signifikant negativ auf die Systemkosten aus.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reduzierung der Aufnahme von Schadstoffen aus der Umgebungsluft in ein Brennstoffzellensystem kann vorzugsweise in einem Fahrzeug, insbesondere einem Brennstoffzellenfahrzeug, wie bspw. einem KFZ, Kran oder einem Gabelstapler, zum Einsatz kommen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt in einem ersten Schritt zunächst ein Erkennen von lokalen Bereichen einer erhöhten Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft, welches vorzugsweise zeitlich vor einer Lokalisierung des Brennstoffzellensystems innerhalb eines der betreffenden lokalen Bereiche erfolgt. Bereiche mit einer erhöhten Schadstoffkonzentration treten insbesondere bei erhöhtem Verkehrsaufkommen, wie beispielsweise in Staus bzw. bei schlechtem Luftaustausch in Tunneln oder dergleichen auf, können aber auch durch die geographische Lage oder aktuelle klimatische Bedingungen, Bauarbeiten und dergleichen bedingt sein. Das Erkennen von lokalen Bereichen einer erhöhten Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft kann insbesondere mittels der Ermittlung von Daten erfolgen, die entweder direkt oder indirekt ablaufen kann. So stellt z. B. ein Tunnel einen einfachen Fall der Erkennung für das erfindungsgemäße Verfahren dar, da der Tunnel seine Geodaten nicht ändert, wobei diese in der Regel im Vorfeld bekannt sind und die Position des Fahrzeugs ebenfalls bekannt ist. Auch ist die Schadstoffkonzentration im Tunnel meist erhöht, so dass auch eine Regulierungsmaßnahme besonders sinnvoll erscheint. Bei einer direkten Ermittlung können die Daten beispielsweise direkt gemessen werden und im einfachsten Fall zumindest teilweise anhand von an dem Brennstoffzellensystem angeordneten Sensoren ermittelt werden, wohingegen bei einer indirekten Ermittlung bereits gemessene Daten lediglich empfangen werden. Nach einem Erkennen von lokalen Bereichen mit einer erhöhten Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft erfolgt gegenständlich das Erstellen einer Prognose in Abhängigkeit der erkannten Bereiche mit erhöhter Schadstoffkonzentration. Das Erstellen einer Prognose findet hierbei zumindest zeitlich vor und/oder während einer Lokalisierung des Brennstoffzellensystems innerhalb eines der erkannten lokalen Bereiche statt und betrifft vorzugsweise eine Abschätzung über eine Verweildauer des Brennstoffzellensystems innerhalb eines erkannten Bereichs mit erhöhter Schadstoffkonzentration bzw. eine Abschätzung über eine Dauer bis zu einer Lokalisierung des Systems innerhalb des betreffenden Bereichs. Vorteilhafterweise ist das Erstellen zumindest einer ersten Prognose bereits abgeschlossen, bevor das Brennstoffzellensystem innerhalb des Bereichs mit erhöhter Schadstoffkonzentration lokalisiert ist. Nach dem Erstellen einer Prognose, erfolgt schließlich ein Anpassen des Betriebs des Brennstoffzellensystems durch ein Umschalten zwischen zumindest einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten, von dem ersten verschiedenen Betriebsmodus in Abhängigkeit der aktuellen Position des Brennstoffzellensystems. Die Anpassung des Betriebs erfolgt hierbei zeitlich zumindest vor und/oder während und/oder nach einer Lokalisierung des Brennstoffzellensystems innerhalb eines der erkannten lokalen Bereiche. Für einen besonders effizienten Betrieb findet die Umschaltung von einem ersten in einen von dem ersten verschiedenen zweiten Betriebsmodus vorzugsweise unmittelbar vor einer Lokalisierung des Brennstoffzellensystems innerhalb eines Bereichs mit verminderter Luftqualität statt. Neben einer Anpassung des Betriebsmodus in Abhängigkeit der aktuellen Position des Brennstoffzellensystems, ist es auch denkbar, die Anpassung zusätzlich in Abhängigkeit der Prognose durchzuführen. Die Anpassung des Betriebs des Brennstoffzellensystems von einem ersten in einen zweiten Betriebsmodus führt gegenständlich vorzugsweise zu einer Verminderung der Aufnahme von Schadstoffen aus der Umgebungsluft, so dass zumindest der Schritt einer ersten Anpassung des Betriebs vorteilhafterweise vor einer Lokalisierung des Brennstoffzellensystems in dem erkannten Bereich mit erhöhter Schadstoffkonzentration erfolgt. Gegenständlich wird unter einem ersten Betriebsmodus vorzugsweise ein Betrieb verstanden, bei dem die notwendige Antriebsenergie zumindest teilweise, vorzugsweise hauptsächlich, insbesondere vollständig von einer Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird. Unter einem zweiten Betriebsmodus wird erfindungsgemäß hingegen ein Betriebsmodus verstanden, bei dem die nötige Antriebsenergie nur noch in reduzierter Form, vorzugsweise gar nicht mehr von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird, sondern vorteilhafterweise von einer anderen Energiequelle. Im Rahmen der Erfindung ist erkannt worden, dass Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb zusätzlich auch eine andere Energiequelle, vorzugsweise einen elektrischen Energiespeicher beinhalten können und somit ein hybrides System nutzen können. Ein elektrischer Energiespeicher kann, beispielsweise als (wiederaufladbare) Batterie, Akkumulator, Supercap, hybrid Supercap, oder Schwungradspeicher und dergleichen gebildet sein. Durch einen zumindest reduzierten Betrieb des Brennstoffzellensystems während der Lokalisierung in einem Bereich mit erhöhter Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft, kann zumindest eine Reduzierung der Aufnahme der Umgebungsluft und damit eine Minimierung der Aufnahme von Schadstoffen ermöglicht werden. Vorzugsweise kann eine Aufnahme von Luft aus der Umgebung in einem Bereich mit erhöhter Schadstoffkonzentration vollständig unterbunden werden. Im Rahmen einer Ausführung des erfindungsgemäßen Systems in einem Brennstoffzellenfahrzeug, kann das Fahrzeug beispielsweise bis zu einer Lokalisierung in einem Bereich mit erhöhter Schadstoffkonzentration in einem ersten Betriebsmodus betrieben werden, in der die notwendige Bewegungsenergie vollständig von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird. Sobald das Fahrzeug nun den betreffenden Bereich erreicht hat, kann vorteilhafter Weise von einem ersten in einen zweiten Betriebsmodus umgeschaltet werden, wobei das Fahrzeug in einem zweiten Betriebsmodus vorteilhafterweise vollständig von einer anderen Energiequelle, vorzugsweise einem elektrischen Energiespeicher versorgt wird, der keine Umgebungsluft benötigt. Sobald das Fahrzeug dann den Bereich mit erhöhter Schadstoffkonzentration in der Umgebungsluft durchquert hat, kann wieder von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus umgeschaltet werden und das Fahrzeug somit wieder vollständig von der Brennstoffzelle und der vorhandenen Umgebungsluft gespeist werden.
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Um einen besonders effizienten und vorausschauenden Schutz eines Brennstoffzellensystems zu gewährleisten, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Erkennen von lokalen Bereichen mit einer erhöhten Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft vorzugsweise anhand aktueller Navigationsdaten und/oder Streckendaten und/oder Daten von Luftmessstationen und/oder kartographischen Daten für Luftqualität erfolgt, wobei das Erkennen insbesondere zeitlich derart vorausschauend erfolgt, dass gewünschte Vorkehrungen für eine Anpassung des Betriebs des Brennstoffzellensystems vorgenommen werden können. Im Gegensatz zu einer direkten Datenermittlung mittels unmittelbar an dem Brennstoffzellensystem bzw. unmittelbar an dem mobilen System (gemeint sind u.a.: Fahrzeuge, KFZ, Kran, Gabelstapler etc.) angeordneten Sensoren, kann über eine indirekte Ermittlung mittels Navigationsdaten, Streckendaten, Daten von Luftmessstationen und kartographischen Daten und dergleichen eine deutlich frühere Erkennung von Bereichen erhöhter Schadstoffkonzentrationen erzielt werden, wodurch auch eine längere Vorbereitungszeit gewährleistet wird, um nötige Vorkehrungen zur Reduzierung der Aufnahme von Schadstoffen aus der Umgebungsluft in ein Brennstoffzellensystem zu treffen. Neben den genannten Daten können relevante Daten zur Erkennung von lokalen Bereichen mit einer erhöhten Schadstoffkonzentration beispielsweise auch von Fahrzeug zu Fahrzeug bzw. von Fahrzeug zu Brennstoffzellensystem übertragen werden. Wahlweise kann diese Art der Datenübertragung an die aktuelle Verkehrssituation angepasst sein, so dass ein Fahrzeug beispielsweise nur bei einem erhöhten Fahrzeugaufkommen und einer hierdurch bedingten erhöhten Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft frühzeitig vor dem Erreichen eines Gebietes verminderter Luftqualität gewarnt wird. Auf diese Weise bleibt noch genügend Zeit, um etwaige Vorkehrungen zu treffen, wie eine Vorkonditionierung des Fahrzeugs bzw. des Antriebssystems und dergleichen.
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Betreffend den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Fahrzeug, kann im Hinblick auf die Erkenntnis, dass Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb zusätzlich auch eine andere Energiequelle, vorzugsweise einen elektrischen Energiespeicher beinhalten und somit ein hybrides System nutzen können, erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das Anpassen des Betriebs des Brennstoffzellensystems durch Umschalten zwischen zumindest einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten, von dem ersten verschiedenen Betriebsmodus vorzugsweise im Hinblick auf einen Ladezustand eines elektrischen Energiespeichers erfolgt. Dies ist insbesondere deshalb wichtig, weil sichergestellt werden muss, dass ein neben dem Brennstoffzellensystem vorhandener Energiespeicher einen ausreichenden Ladezustand aufweist, um die notwendige Bewegungsenergie während der Lokalisierung des Fahrzeugs innerhalb des Bereiches mit verminderter Luftqualität zur Verfügung stellen zu können. So kann ein elektrischer Energiespeicher vorzugsweise nur soweit ausgelastet werden, dass er eine fortwährende Versorgung während der Lokalisierung des Systems innerhalb des Bereichs verminderter Luftqualität gewährleisten kann. Vorzugsweise kann auch vor der Lokalisierung innerhalb des betreffenden Bereichs ein gewünschter Ladezustand hergestellt werden. Das Einstellen eines gewünschten Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers kann zudem auch unter Berücksichtigung weiterer Größen, wie der Temperatur, dem Alter bzw. dem Zustand des Energiespeichers erfolgen. Vorteilhafterweise kann der Energiespeicher über verschiedene Mechanismen, wie beispielsweise mittels eines Generators und/oder mittels Rekuperation und dergleichen geladen werden. Um auf zuverlässige Weise einen ausreichenden Ladezustand eines Energiespeichers zu gewährleisten, kann vorzugsweise eine zyklische Überwachung des Ladezustands des Energiespeichers vorgesehen sein, insbesondere gepaart mit einer sofortigen Anpassung des Betriebs des Brennstoffzellensystems im Falle, dass der Ladezustand des Energiespeichers einen kritischen Zustand erreicht. Alternativ kann der Ladezustand eines Energiespeichers auch im Vorhinein auf einen maximalen Wert angehoben werden.
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Im Hinblick auf das Erstellen einer Prognose kann erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die erstellte Prognose vorzugsweise zumindest eine Abschätzung hinsichtlich einer zeitlichen Dauer bis zu einer erfolgenden Lokalisierung des Brennstoffzellensystems innerhalb eines der erkannten lokalen Bereiche und/oder eine Abschätzung hinsichtlich einer Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems innerhalb eines der erkannten lokalen Bereiche mit einer erhöhten Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft umfasst. Eine möglichst exakte Kenntnis der zeitlichen Dauer bis zu einer erfolgenden Lokalisierung des Brennstoffzellensystems bzw. einer Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems innerhalb eines Bereichs verminderter Luftqualität, ist insbesondere für eine Abschätzung der nötigen Ladekapazität des Energiespeichers vorteilhaft, der zur Bereitstellung der nötigen Energie während der Lokalisierung des Systems in dem Bereich verminderter Luftqualität vorgesehen ist. Hierbei kann die Dauer bis zu einer Lokalisierung insbesondere auch dazu genutzt werden, den betreffenden Energiespeicher gegebenenfalls bis zu einer gewünschten Ladekapazität zu laden. Hierbei ist es ferner auch vorteilhaft, wenn die erstellte Prognose eine zeitliche Abschätzung der benötigten Dauer des Ladevorgangs und/oder der Dauer anderer vorzunehmender Vorkonditionierungen umfasst.
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Für eine möglichst exakte Abschätzung der nötigen Ladekapazität des Energiespeichers ist es im Rahmen der Erfindung ferner denkbar, dass das Erstellen einer Prognose, eine Abschätzung eines Leistungsbedarfs und/oder eine Abschätzung eines Energiebedarfs des Brennstoffzellensystems während des Einsatzes in einem der erkannten lokalen Bereiche mit erhöhter Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft umfasst, wobei zur Abschätzung eines Leistungsbedarfs und/oder eines Energiebedarfs vorzugsweise streckenbezogene Daten und/oder verkehrsbezogene Daten und/oder fahrzeugspezifische Daten verwendet werden. Als streckenbezogene Daten können beispielsweise die Länge der Strecke bzw. die Steigung der Strecke vorgesehen sein. Als verkehrsbezogene Daten können beispielsweise die Verkehrsdichte bzw. die Geschwindigkeitsbegrenzung dienen. Als fahrzeugbezogene Daten können ferner die Beladung des Fahrzeugs, der Fahrstil des Fahrers, der Automatisierungsgrad des Fahrzeugs und dergleichen herangezogen werden. Alternativ oder kumulativ zu dem Erstellen einer Prognose hinsichtlich eines Leistungsbedarfs bzw. eines Energiebedarfs während eines Einsatzes des Systems in einem Gebiet mit verminderter Luftqualität, kann das Erstellen einer Prognose auch hinsichtlich einer Abschätzung eines Leistungsbedarfs und/oder Energiebedarfs des Brennstoffzellensystems bis zu einer Lokalisierung des Systems innerhalb eines der erkannten lokalen Bereiche erfolgen. Letzteres ist insbesondere im Hinblick auf eine Aufladung eines Energiespeichers vorteilhaft.
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Alternativ oder kumulativ zu einer Aufladung eines Energiespeichers ist es ferner denkbar, dass vor einer Lokalisierung eines Brennstoffzellensystems innerhalb eines Bereichs mit verminderter Luftqualität, ein in dem Brennstoffzellensystem angeordnetes Reservoir mit sauberer sauerstoffhaltiger Frischluft befüllt wird. Das Reservoir könnte insbesondere dazu verwendet wird, das System während der Lokalisierung innerhalb des Bereichs verminderter Luftqualität mit sauberer Frischluft zu versorgen. In einer besonders platzsparenden Anordnung kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die saubere sauerstoffhaltige Frischluft unter hohem Druck in das Reservoir gefüllt wird. Alternativ können in einem Brennstoffzellenfahrzeug auch mit Sauerstoff bzw. mit sauerstoffhaltiger Frischluft befüllte Reservebehälter angeordnet sein. Ebenso, wie eine Prognose eine Abschätzung eines Leistungsbedarfs und/oder eine Abschätzung eines Energiebedarfs des Brennstoffzellensystems während des Einsatzes in einem der erkannten lokalen Bereiche mit erhöhter Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft bzw. eine Abschätzung eines Leistungs- und/oder Energiebedarfs bis zum Erreichen eines betreffenden Bereichs umfassen kann, um eine möglichst exakte Abschätzung der nötigen Ladekapazität eines Energiespeichers treffen zu können, kann eine entsprechende Prognose dazu verwendet werden, eine möglichst exakte Abschätzung der nötigen sauberen sauerstoffhaltigen Luftmenge treffen zu können.
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Für den Fall, dass eine Abschätzung und/oder Prognose nicht genau bzw. nur ungenau eintrifft (z.B. aufgrund unvorhergesehener Ereignisse), kann gegenständlich vorgesehen sein, die Vorkonditionierung des Brennstoffzellensystems weiter aufrecht zu erhalten. Alternativ kann in einem solchen Fall auch eine erneute Abschätzung bzw. Prognose vorgenommen werden.
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Im Hinblick auf ein Anpassen des Betriebs des Brennstoffzellensystems kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass beim Anpassen zwischen mehreren Betriebsmodi, vorzugsweise mehr als zwei Betriebsmodi umgeschaltet wird, wobei die Umschaltung insbesondere transient erfolgt. Mittels einer transienten Umschaltung wird insbesondere ein schonendes Schaltverhalten gewährleistet, indem das Übertragungsverhalten bzw. die Dynamik der verwendeten Energiespeicher und -wandler berücksichtigt wird. Eine Umschaltung zwischen mehr als zwei Betriebsmodi kann insbesondere deshalb vorteilhaft sein, da auf diese Weise eine Optimierung des Systemwirkungsgrades einer Brennstoffzelle erreicht werden kann. So kann beispielsweise neben einem ersten Betriebsmodus, bei dem die notwendige Antriebsenergie zumindest teilweise oder vorzugsweise vollständig von einer Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird und einem zweiten Betriebsmodus, bei dem die notwendige Antriebsenergie zumindest teilweise oder vorzugsweise ausschließlich von eine anderen Energiequelle zur Verfügung gestellt wird, zumindest ein weiterer Betriebsmodus vorgesehen sein, der beispielsweise bei einer moderaten Luftverschmutzung angewendet werden kann. In diesem dritten Betriebsmodus kann die Luftaufnahme in das Brennstoffzellensystem vorzugsweise temporär reduziert sein. Vorteilhafterweise ist die Luftaufnahme hierbei nur so stark reduziert, dass das System seinen maximalen Wirkungsgrad erreicht. Die übrige Energie kann in diesem Fall auch von der anderen Energiequelle zur Verfügung gestellt werden.
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Um einen zuverlässigen, dauerhaften und ständig optimierten Systemschutz vor Schadstoffen aus der Umgebungsluft zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die einzelnen Schritte des Verfahrens während des Betriebs einer Brennstoffzelle zyklisch wiederholt werden. Vorzugsweise erfolgen die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens hierbei in kurzen Abständen aufeinander, so dass auch auf kurzfristige Änderungen hinsichtlich einer Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft bzw. hinsichtlich kurzfristiger Änderungen betreffend die Dauer einer Lokalisierung innerhalb eines Bereichs verminderter Luftqualität reagiert werden kann.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein System zur Reduzierung der Aufnahme von Schadstoffen aus der Umgebungsluft in ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs. Hierbei ist gegenständlich vorgesehen, dass das System zumindest eine Erkennungseinheit zur Erkennung von lokalen Bereichen mit einer erhöhten Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft, zumindest eine Verarbeitungseinheit zur Erstellung einer Prognose in Abhängigkeit der erkannten Bereiche mit erhöhter Schadstoffkonzentration (in der Umgebungsluft) sowie zumindest eine Steuereinheit zur Anpassung des Betriebs des Brennstoffzellensystems durch ein Umschalten zwischen zumindest einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten, von dem ersten verschiedenen Betriebsmodus in Abhängigkeit der aktuellen Position des Brennstoffzellensystems aufweist. Damit bringt das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind. Das erfindungsgemäße System kann entweder in ein mobiles System oder in das Brennstoffzellensystem selbst integriert sein. Um eine flexible, unkomplizierte und effiziente Kommunikation der einzelnen Systemeinheiten zu gewährleisten, können die einzelnen Systemkomponenten vorzugsweise drahtlos auf Server-bzw. Cloud-Basis und/oder via Internet kommunizieren. Für einen besonders energieeffizienten Betrieb kann das System ferner als lernende Einheit gebildet sein und anhand von gesammelten Daten und Erfahrungswerten Parameter verändern und so den Betrieb des Systems anpassen. Vorzugsweise weist das System ein Aufnahmeelement, wie z. B. einen Ansaugstutzen für die Umgebungsluft auf, um diese Umgebungsluft (als Kathodengas) weiter (gereinigt durch ein Filtersystem) an das Brennstoffzellensystem leiten zu können.
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Ferner ist im Rahmen der Erfindung vorteilhafter Weise ebenfalls vorgesehen, dass das System eine erste Energieeinheit und eine zweite Energieeinheit aufweist, wobei die erste Energieeinheit vorzugsweise eine Brennstoffzelle zur Energieversorgung umfasst und für einen Betrieb gemäß einem ersten Betriebsmodus vorgesehen ist und die zweite Energieeinheit einen elektrischen Energiespeicher zur Energieversorgung umfasst und für einen Betrieb gemäß einem zweiten Betriebsmodus vorgesehen ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reduzierung der Aufnahme von Schadstoffen aus der Umgebungsluft in ein Brennstoffzellensystem.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reduzierung der Aufnahme von Schadstoffen aus der Umgebungsluft in ein Brennstoffzellensystem. Das Verfahren umfasst die Schritte 2 bis 18 bzw. 18'. Hierbei erfolgen die Schritte 2 bis 10 vorzugsweise in einem ersten Zustand A (die Schritte 2-10 können zumindest tlw. auch stattfinden, wenn sich das Brennstoffzellensystem bereits in einem Gebiet verminderter Luftqualität befindet - so bspw. die Erhöhung des Ladezustands der Batterie gemäß Schritt 8) vor einer Lokalisierung des Brennstoffzellensystems innerhalb eines Bereichs mit erhöhter Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft, wohingegen die Schritte 12 bis 14 in einem zweiten Zustand B während einer Lokalisierung des Brennstoffzellensystems innerhalb des betreffenden Bereichs stattfinden. Die Schritte 16 bis 18 bzw. 18' erfolgen schließlich in einem dritten Zustand C nach Lokalisierung des Brennstoffzellensystems innerhalb eines Bereichs verminderter Luftqualität.
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Vor einer Lokalisierung des Brennstoffzellensystems innerhalb eines Bereichs mit erhöhter Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft erfolgt zunächst in Schritt 2 ein Erkennen 2 von lokalen Bereichen mit einer erhöhten Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft. Das Erkennen 2 der betreffenden Bereiche kann hierbei insbesondere mittels der Ermittlung von Daten erfolgen, die entweder direkt oder indirekt ablaufen kann. Bei einer direkten Ermittlung können die Daten beispielsweise direkt gemessen werden und im einfachsten Fall zumindest teilweise anhand von an dem Brennstoffzellensystem angeordneten Sensoren ermittelt werden, wohingegen bei einer indirekten Ermittlung bereits gemessene Daten lediglich empfangen werden. Für einen effizienten und vorausschauenden Schutz eines Brennstoffzellensystems kann das Erkennen von lokalen Bereichen mit einer erhöhten Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft vorzugsweise anhand aktueller Navigationsdaten und/oder Streckendaten und/oder Daten von Luftmessstationen und/oder kartographischen Daten für Luftqualität und dergleichen erfolgen.
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Nach einem Erkennen 2 von lokalen Bereichen mit einer erhöhten Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft erfolgt in den Schritten 4 bis 8 das Erstellen einer Prognose 4, 6, 8 in Abhängigkeit der erkannten Bereiche. Das Erstellen einer Prognose 4, 6, 8 beinhaltet hierbei zunächst die in Schritt 4 erfolgende Abschätzung 4 über eine Verweildauer des Brennstoffzellensystems innerhalb eines erkannten Bereichs mit erhöhter Schadstoffkonzentration bzw. die Abschätzung 4 einer Dauer bis zu einer Lokalisierung des Systems innerhalb eines betreffenden Bereichs. Eine möglichst exakte Kenntnis der zeitlichen Dauer bis zu einer erfolgenden Lokalisierung des Brennstoffzellensystems ist besonders wichtig, um entsprechende Vorbereitungsmaßnahmen zu treffen. Auch die Kenntnis der zeitlichen Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems innerhalb eines Bereichs verminderter Luftqualität, ist insbesondere für eine Abschätzung einer nötigen Ladekapazität eines vorzugsweise neben der Brennstoffzelle in dem System angeordneten Energiespeichers vorteilhaft. Der elektrische Energiespeicher ist hierbei vorzugsweise zur Bereitstellung der nötigen Energie während der Lokalisierung des Systems in dem Bereich verminderter Luftqualität vorgesehen.
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Nach der in Schritt 4 erfolgenden Abschätzung 4 hinsichtlich einer Verweildauer einer Lokalisierung innerhalb eines Bereichs verminderter Luftqualität sowie einer Abschätzung 4 bis zu einer Lokalisierung in dem betreffenden Bereich, erfolgt vorzugsweise in Schritt 6 eine Abschätzung 6 eines Leistungsbedarfs bzw. Energiebedarfs des Brennstoffzellensystems während des Einsatzes in einem der erkannten lokalen Bereiche (bspw. in einem Tunnel) mit erhöhter Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft bzw. eine vorzugsweise Abschätzung 6 eines Leistungsbedarfs bzw. Energiebedarfs bis zum Erreichen eines betreffenden Bereichs. Diese Abschätzung 6 ermöglicht eine besonders exakte Abschätzung hinsichtlich einer nötigen Ladekapazität eines zusätzlich angeordneten elektrischen Energiespeichers und berücksichtigt vorzugsweise streckenbezogene Daten, wie die Länge der Strecke bzw. die Steigung der Strecke und/oder verkehrsbezogene Daten wie die Verkehrsdichte bzw. die Geschwindigkeitsbegrenzung und/oder fahrzeugspezifische Daten wie beispielsweise die Beladung des Fahrzeugs, der Fahrstil des Fahrers, der Automatisierungsgrad des Fahrzeugs und dergleichen.
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In Schritt 8 wird schließlich der aktuelle Ladezustand eines zusätzlich angeordneten elektrischen Energiespeichers ermittelt und gegebenenfalls bis zu einer nötigen Ladekapazität geladen, wobei die Ermittlung 8 der nötigen Ladekapazität insbesondere auf der in den Schritten 4 und 6 erfolgten Abschätzung basiert. Der Energiespeicher sollte hierbei vorzugsweise mindestens über einen ausreichenden Ladezustand verfügen, um die notwendige Bewegungsenergie während der Lokalisierung des Fahrzeugs innerhalb des Bereiches mit verminderter Luftqualität ganz oder auch nur anteilig zur Verfügung stellen zu können. Das Einstellen eines gewünschten Ladezustands des Energiespeichers kann zudem auch unter Berücksichtigung weiterer Größen, wie der Temperatur, dem Alter bzw. dem Zustand des Energiespeichers erfolgen. Vorteilhafterweise kann der Energiespeicher zur Aufladung über verschiedene Mechanismen, wie beispielsweise mittels eines Generators und/oder mittels Rekuperation und dergleichen geladen werden.
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In Schritt 10 erfolgt schließlich ein Anpassen 10 des Betriebs des Brennstoffzellensystems durch ein Umschalten von einem ersten Betriebsmodus in einen zweiten, von dem ersten verschiedenen Betriebsmodus in Abhängigkeit der aktuellen Position des Brennstoffzellensystems, wobei die tatsachliche Lokalisierung des Brennstoffzellensystems als Trigger für das Umschalten dient. In dem ersten Betriebsmodus wird die notwendige Antriebsenergie hierbei teilweise oder vollständig von einer Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt. In dem zweiten Betriebsmodus wird die nötige Antriebsenergie dagegen teilweise oder vollständig von dem elektrischen Energiespeicher zur Verfügung gestellt.
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Auch während einer Lokalisierung des Brennstoffzellensystems innerhalb eines Bereichs mit erhöhter Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft (z.B. im Tunnel, Stau, Baustelle und dgl.), findet gemäß Schritt 12 vorzugsweise eine Ermittlung 12 des aktuellen Ladezustands des elektrischen Energiespeichers statt. Wird hierbei ein kritischer Ladezustand des Energiespeichers ermittelt, so findet in Schritt 14 ein erneutes Umschalten 14, hier dann von einem zweiten Betriebsmodus in einen ersten Betriebsmodus statt, wobei in diesem Fall eine erhöhte Aufnahme von Schadstoffen aus der Umgebungsluft in das Brennstoffzellensystem in Kauf genommen werden muss. Verfügt der elektrische Energiespeicher hingegen über eine ausreichende Ladekapazität, wird das System weiterhin in dem zweiten Betriebsmodus betrieben.
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Nach einer Lokalisierung des Brennstoffzellensystems aus einem Bereich mit erhöhter Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft, findet in Schritt 16 schließlich ein Umschalten 16 von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus statt, sofern das Brennstoffzellensystem während der Lokalisierung innerhalb des Bereichs verminderter Luftqualität nicht aus Gründen einer unzureichenden Ladekapazität des elektrischen Energiespeichers bereits in den ersten Betriebsmodus umgeschaltet 14 werden musste.
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In einem optionalen letzten Schritt 18 bzw. 18' speichert das System die während des Betriebs ermittelten Daten auf einem lokalen und/oder externen Speicher, um für einen besonders energieeffizienten Betrieb anhand von den gesammelten Daten und Erfahrungswerten als lernende Einheit Parameter zu verändern und so den Betrieb des Systems anzupassen.
