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Die Erfindung ist gebildet durch ein Verfahren zum Abschalten eines eine Brennstoffzellenvorrichtung aufweisenden Kraftfahrzeuges, umfassend die Schritte des Erfassens von Informationen über die Umgebung des abgestellten Kraftfahrzeuges mittels mindestens einem Sensor, Bestimmung, ob das Kraftfahrzeug sich in einer Garage oder in einem Carport befindet, und für den Fall, dass das Kraftfahrzeug sich in der Garage oder dem Carport befindet, Bestimmung, ob die innerhalb der Garage oder des Carports zu erwartende minimale Temperatur unterhalb eines Schwellenwertes liegt, und für den Fall, dass ein Unterschreiten des Schwellenwertes erwartet wird, Durchführen einer Konditionierung der Brennstoffzellenvorrichtung für einen zu erwartenden Froststart. Die Erfindung umfasst weiterhin ein Kraftfahrzeug.
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Brennstoffzellen werden für die Erzeugung elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion eingesetzt, bei der Wasserstoff kontrolliert mit Sauerstoff reagiert. Dafür weisen Brennstoffzellen einen komplexen Aufbau auf mit einer Membranelektrodenanordnung, auf deren einer Seite die Anode und auf deren anderer Seite die Kathode ausgebildet ist, wobei die Elektroden über Bipolarplatten mit den erforderlichen Reaktanten versorgt werden, wozu in dem Plattenkörper der Bipolarplatten Strömungskanäle ausgebildet sind. Um die in der Brennstoffzelle entstehende Wärme abführen zu können, verfügen die Bipolarplatten weiterhin über Leitungen für ein Kühlmittel. Sofern die durch eine Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung nicht ausreicht, besteht die Möglichkeit, mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zusammen zu fassen, der gemeinsam mit den zur Versorgung und Konditionierung der Reaktanten erforderlichen Nebenaggregaten wie Verdichter, Befeuchter, Ladeluftkühler, Rezirkulationsgebläse, Hauptwasserkühler und Umwälzpumpe die Brennstoffzellenvorrichtung bildet.
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Bei der Versorgung der Brennstoffzelle mit den Reaktanten werden diese über den Gaseinlasskanal in die Bipolarplatten geleitet, die eine Verteilung der Reaktanten bewirken soll, um die gesamte Fläche der Membranelektroden möglichst gleichmäßig zu versorgen und nicht verbrauchte Reaktanten über den Gasauslasskanal abzuleiten. Bei der elektrochemischen Reaktion entsteht aus den Edukten auch Produktwasser insbesondere auf der Kathodenseite, wobei aber durch Diffusion beziehungsweise Osmose Produktwasser auch auf die Anodenseite gelangt. Ein Flüssigwasseraustrag ist daher erforderlich, damit die Brennstoffzelle verlässlich und dauerhaft betrieben werden kann.
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Beim Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung wird also aus den Edukten Wasserstoff und Sauerstoff Produktwasser generiert, das durch ein geeignetes Wassermanagement genutzt wird, um den Feuchtegehalt in der Brennstoffzelle auf dem erforderlichen Niveau zu halten und insbesondere auch die der Brennstoffzelle zugeführten Edukte zu befeuchten. Ist die Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug angeordnet, ist die Brennstoffzellenvorrichtung naturgemäß einem häufigen Ortswechsel ausgesetzt mit variierenden Umgebungseinflüssen. Problematisch ist dabei, dass in der Brennstoffzelle vorliegendes Wasser nach deren Stopp bei einem nachfolgenden Neustart unter Frostbedingungen nicht als Flüssigwasser, sondern im gefrorenen Zustand vorliegen kann, so dass insbesondere auch die Kanäle in der Brennstoffzelle zu deren Versorgung mit den Edukten blockiert sind bzw. sein können. Es ist daher bekannt, nach dem Stopp der Brennstoffzellenvorrichtung im Rahmen der Abschaltprozedur die Brennstoffzelle zu trocknen und somit das Wasser aus dieser auszutragen. Diese Konditionierung der Brennstoffzellenvorrichtung verbraucht allerdings Energie und schränkt damit die Effizienz und damit auch die Reichweite des Kraftfahrzeuges ein.
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Die
DE 10 2014 219 750 A1 offenbart bei einem Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem eine Steuerung, die eine vorhergesagte Außentemperatur an einem Ort anzeigt und dem Brennstoffzellensystem befiehlt, bei einer reduzierten relativen Feuchtigkeit zu arbeiten, wenn die vorhergesagte Außentemperatur unter einem Schwellenwert liegt, um so vor dem Abschalten den Feuchtegehalt zu senken und die Konditionierung zu vereinfachen.
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Die
US 2010/0171588 A1 schlägt vor, bei einem Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, das auch ferngesteuert gestartet werden kann, zur Vermeidung gesundheitschädlicher Konzentrationen von Abgasen zu überprüfen, ob das Fahrzeug sich in einer Garage befindet und bedarfsweise das Garagentor mittels eines Funksignals zu öffnen.
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Die
DE 11 2007 002 603 T5 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einer Steuerungseinrichtung, die die Ausführung eines Normalbetriebes und eines Trocknungsbetriebes steuert, der den Wasserinhalt der Brennstoffzelle im Vergleich zum Normalbetrieb verkleinert, wobei der Trocknungsbetrieb vor einer Systemstoppanweisung ausgeführt wird, um den Wasserinhalt zu senken und so den Konditionierungsvorgang in kürzerer Zeit abzuschließen. Dabei wird ein Konditionierungsvorgang nicht durchgeführt, wenn an dem konkret gegebenen Ort keine Froststartbedingungen erwartet werden unter Auswertung der Umgebungsbedingungen des Ortes.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzellenvorrichtung zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Erkenntnis ausgenutzt und schließt diese mit ein, dass Fahrzeuge häufig nicht in ungeschützter Umgebung, sondern in Garagen oder Carports abgestellt werden, in denen ein anderes, besseres Abkühlverhalten gegeben ist und daher die Temperatur nicht soweit absinkt, dass zu einem gewünschten Neustart, nach Ablauf der Verweildauer, Froststartbedingungen gegeben sind, auch wenn Kraftfahrzeuge am Straßenrand oder auf einem freien Parkplatz davon betroffen wären. In der Garage oder dem Carport kann daher die Konditionierung für einen Froststart vermieden und dadurch Energie eingespart werden. Prinzipiell kann jeder Sensor eingesetzt werden, der geeignet ist, die Präsenz des Kraftfahrzeuges in einer Garage oder einem Carport zu detektieren. Bevorzugt ist dabei, wenn der Sensor ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Radar-Sensoren, Sonar-Sensoren, Lidar-Sensoren, GPS-Sensoren, optische Mustererkennungs-Sensoren, RF-Sensoren umfasst. Es kann dabei also auch ausgenutzt werden, dass das Kraftfahrzeug in vielen Fällen in einer zugeordneten Garage oder Carport abgestellt wird, nämlich am Wohnort oder am Arbeitsplatz, und dass dies das Erkennen der Garage oder des Carports erleichtert und sich zum Beispiel auch das Kraftfahrzeug beim Einfahren in die Garage oder das Carport anmelden oder den Kontakt zur Garage oder zum Carport bestätigen kann.
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Vorteilhaft ist auch, wenn in einer Kontrolleinheit Informationen über den geografischen Ort einschließlich von dessen Höhenlage, die Jahreszeit und das vorhergesagte Wetter einschließlich der vorhergesagten minimalen Außentemperatur gesammelt werden, und wenn unter Berücksichtigung der Wärme-Isolationswirkung der Garage oder des Carports durch die Kontrolleinheit die zu erwartende minimale Temperatur innerhalb der Garage oder Carports bestimmt wird.
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Dabei besteht auch die Möglichkeit, dass durch die Kontrolleinheit Informationen über den Temperaturverlauf in der Garage oder dem Carport zusammen mit den Informationen über die Jahreszeit und die Außentemperatur gespeichert und berücksichtigt werden. Dies kann insbesondere bei einem wiederholten Abstellen des Kraftfahrzeuges in der Garage oder dem Carport, insbesondere derselben Garage oder desselben Carports, berücksichtigt werden, also detaillierte Kenntnisse über die Garage oder das Carport und deren Temperaturverhalten beziehungsweise deren thermische Isolation bei der Bestimmung, ob der Schwellenwert unterschritten wird, genutzt werden.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich aus durch mindestens einen Sensor zur Bestimmung, ob das Kraftfahrzeug sich in einer Garage oder Carport befindet und eine Kontrolleinheit, die genutzt wird zum Sammeln von Informationen über die Außentemperatur und/oder die Jahreszeit und/oder die Höhenlage und/oder das Abkühlverhalten der Garage oder des Carports. Die Kontrolleinheit bestimmt dann die zu erwartende minimale Temperatur in der Garage oder dem Carport und veranlasst die Konditionierung bei einem zu erwartenden Froststart.
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Der Sensor kann dabei mehrfach vorgesehen sein in einer um einen Fahrzeugumfang des Kraftfahrzeuges verteilten Anordnung, einschließlich eines als Höhensensor nach oben gerichteten Sensors. Dabei ist der Höhensensor auf einer das Kraftfahrzeug nach oben begrenzenden Fläche angeordnet. Insbesondere diese Sensorausstattung ermöglicht eine Unterscheidung des Abstellens des Kraftfahrzeugs in einer Garage oder unter einem Carport.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines in einer Garage stehenden Kraftfahrzeuges in einer Draufsicht, und
- 2 die zeitabhängige Darstellung des Temperaturverhaltens der Brennstoffzellenvorrichtung während des Abkühlens, gezeigt für die Fälle einer guten und einer schlechten thermischen Isolation der Garage.
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Das in der 1 gezeigte Kraftfahrzeug 1 weist zur Bereitstellung elektrischer Energie eine Brennstoffzellenvorrichtung auf, die in der Regel zur Versorgung eines elektrischen Traktionsmotors genutzt wird. Das Kraftfahrzeug 1 kann aber auch als Hybrid-Fahrzeug ausgestaltet sein mit einem Verbrennungsmotor, oder die Brennstoffzellenvorrichtung kann bei einer hauptsächlich batterieelektrischen Versorgung des elektrischen Traktionsmotors zur Reichweitenverlängerung genutzt werden.
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Die Brennstoffzelle einer Brennstoffzellenvorrichtung umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran, die in einer Membranelektrodenanordnung zusammengefasst sind. Die Membran ist aus einem Polymer, vorzugsweise aus einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbonmembran gebildet sein.
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Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
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Dem Anodenraum einer Brennstoffzelle wird wasserstoffhaltiger Brennstoff zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Wasserstoff in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die Membran lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. Anodenseitig findet die folgende Reaktion statt: 2H2 → 4H+ + 4e-. Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
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Den Kathodenräumen einer Brennstoffzelle wird Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft zugeführt, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → H2O. Die in einer Brennstoffzelle stattfindende elektrochemische Reaktion führt somit zur Erzeugung von Produktwasser, das gefrieren kann, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung in dem Kraftfahrzeug 1 an einem Ort abgestellt wird, an dem Frostbedingungen gegeben sind oder vor dem Neustart auftreten, wobei man dann von Froststartbedingungen spricht. Zur Vermeidung von Beschädigungen an der Brennstoffzelle und zu deren sofortigen Nutzbarkeit bei einem gewünschten Neustart, wird daher die Brennstoffzelle zur Vorbereitung eines zu erwartenden Neustartes bei Frostbedingungen beim Abschalten konditioniert, wobei dies insbesondere die energie- und zeitintensive Trocknung umfasst.
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Aus Effizienzgründen ist es daher wünschenswert, dass eine Konditionierung nur dann erfolgt, wenn ein Froststart erwartet wird und begünstigende, einen Froststart vermeidende Bedingungen berücksichtigt werden.
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Dies geschieht bei dem in 1 gezeigten Kraftfahrzeug 1 indem diesem mindestens ein Sensor 2 zugewiesen ist zur Bestimmung, ob das Kraftfahrzeug 1 sich in einer Garage 3 befindet. Der Begriff Garage ist dabei weit zu verstehen und umfasst neben einer einfachen Garage 3 insbesondere auch Doppelgaragen, Tiefgaragen und Teilgaragen, die einen Schutz vor nachteiligen Umweltbedingungen bieten, aber unterschiedliche thermische Isolationswirkung haben und das Abkühlverhalten unterschiedlich beeinflussen; wie in 2 gezeigt für eine Garage 3 mit guter Isolierung (durchgezogene Linie) und einer Garage 3 mit schlechter Isolierung (gepunktete Linie). Die durch das Kraftfahrzeug 1 gewonnenen Erkenntnisse über das Abkühlverhalten beziehungsweise die thermische Isolation der Garage 3 können bedarfsweise auch anderen Kraftfahrzeugen 1 über übliche Kommunikationskanäle oder durch Bereitstellung in einer Cloud zugänglich gemacht werden, wobei die Speicherung in der Cloud die Abfrage durch das Kraftfahrzeug 1 auch dann ermöglicht, wenn kein direkter Kontakt oder Kommunikationskanal für die beteiligten Kraftfahrzeuge 1 zur Verfügung steht.
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Bei dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Sensor 2 mehrfach vorgesehen in einer um den Umfang des Kraftfahrzeuges 1 verteilten Anordnung und mindestens einem als Höhensensor 4 nach oben gerichteten Sensor 2. Der Höhensensor 4 ist auf einer das Kraftfahrzeug 1 nach oben begrenzenden Fläche 5 angeordnet ist, also insbesondere auf dem Dach, der Motorhaube oder dem Kofferraumdeckel. Der Sensor 2 ist dabei ausgewählt aus einer Gruppe, die Radar-Sensoren, Sonar-Sensoren, Lidar-Sensoren, GPS-Sensoren, optische Mustererkennungs-Sensoren, RF-Sensoren umfasst, wobei bei einer Mehrzahl verwendeter Sensoren 2 auch eine Kombination beliebiger Sensortypen möglich ist.
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Durch den Sensor 2, bzw. die Mehrzahl der Sensoren 2 einschließlich des Höhensensors 4, ist auch die Möglichkeit geschaffen zur Unterscheidung zwischen einer Garage 3 und einem Carport, also zwischen dem aus 2 ersichtlichen unterschiedlichen Abkühlverhalten unterschiedlicher Garagen 3 oder Garagentypen.
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Das Kraftfahrzeug 1 weist weiterhin eine Kontrolleinheit zum Sammeln von Informationen über die Außentemperatur und/oder die Jahreszeit und/oder die Höhenlage und/oder das Abkühlverhalten der Garage 3 auf, wobei die Kontrolleinheit zur Bestimmung der zu erwartenden minimalen Temperatur in der Garage 3 ausgebildet ist und zur Veranlassung einer Konditionierung bei einem zu erwartenden Froststart.
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Es ist also möglich, ein Verfahren zum Abschalten eines eine Brennstoffzellenvorrichtung aufweisenden Kraftfahrzeuges 1 durchzuführen, das die Schritte aufweist des Erfassens von Informationen über die Umgebung des abgestellten Kraftfahrzeuges 1 mittels mindestens einem Sensor 2, Bestimmung, ob das Kraftfahrzeug 1 sich in einer Garage 3 befindet, und für den Fall, dass das Kraftfahrzeug 1 sich in der Garage 3 befindet, Bestimmung, ob die innerhalb der Garage 3 zu erwartende minimale Temperatur unterhalb eines Schwellenwertes liegt, und für den Fall, dass ein Unterschreiten des Schwellenwertes erwartet wird, Durchführen einer Konditionierung der Brennstoffzellenvorrichtung für einen zu erwartenden Froststart, wobei durch die Kontrolleinheit Informationen über den geografischen Ort einschließlich von dessen Höhenlage, die Jahreszeit und das vorhergesagte Wetter einschließlich der vorhergesagten minimalen Außentemperatur gesammelt werden und unter Berücksichtigung der Wärme-Isolationswirkung der Garage 3 durch die Kontrolleinheit die zu erwartende minimale Temperatur innerhalb der Garage 3 bestimmt wird.
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Da Kraftfahrzeuge 1 häufig an vorgegebenen Orten abgestellt werden, wie in einer der Wohnung oder dem Wohnhaus zugeordneten Garage 3 oder einer Garage 3 am Arbeitsplatz, besteht auch die Möglichkeit einer verbesserten Informationssammlung dadurch, dass durch die Kontrolleinheit Informationen über den Temperaturverlauf in der Garage 3 zusammen mit den Informationen über die Jahreszeit und die Außentemperatur gespeichert und bei einem wiederholten Abstellen des Kraftfahrzeuges 1 in der Garage 3 bei der Bestimmung, ob der Schwellenwert unterschritten wird, berücksichtigt werden, also die bei einer vorherigen Nutzung der Garage 3 gewonnenen Informationen zu einer besseren Beurteilung der aktuellen Nutzung ausgewertet werden.
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Spezifische Eigenschaften der Garage 3 können auch berücksichtigt werden, wenn ein erstmaliger Besuch vorliegt, indem unter Berücksichtigung der Außentemperatur, die in der Regel aus einem dem Kraftfahrzeug 1 zugeordneten Außenthermometer bekannt ist, anhand des Temperaturverlaufes in der Garage 3 deren Wärme-Isolationswirkung bestimmt wird, also aus der anfänglichen Abkühlung über die daraus bestimmte Wärme-Isolationswirkung die weitere Abkühlung extrapoliert wird. Dies kann auch in der Kontrolleinheit bei der Bestimmung, ob der Schwellenwert unterschritten wird, bei einem wiederholten Abstellen des Kraftfahrzeuges 1 in derselben Garage 3 berücksichtigt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Sensor
- 3
- Garage
- 4
- Höhensensor
- 5
- Fläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014219750 A1 [0005]
- US 2010/0171588 A1 [0006]
- DE 112007002603 T5 [0007]
