DE102019102880A1

DE102019102880A1 - Verfahren zum Bestimmen des Beladungszustands eines Filterelements eines Filtersystems, Filtersystem und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102019102880A1
Application number: DE102019102880.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Harenbrock
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2018-02-21
Filing date: 2019-02-06
Publication date: 2019-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Beladungszustands eines Filterelements (12) eines Filtersystems (10) zum Entfernen wenigstens eines Schadstoffs aus einer Fluidströmung, umfassend wenigstens die Schritte: Erfassen einer Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems (10), Erfassen eines Massenstromwerts der Fluidströmung während eines laufenden Betriebs des Filtersystems (10), Erfassen einer aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs an dem Filterelement (12) mittels eines mathematischen Modells des Filtersystems (10), wobei wenigstens die Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems (10) und/oder der Massenstromwert der Fluidströmung als Eingangsgröße des mathematischen Modells verwendet werden, sowie Bestimmen eines Beladungszustands des Filterelements (12) durch kumulatives Berechnen der aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs über der Zeit.
Die Erfindung betrifft ferner ein Filtersystem (10) und ein Brennstoffzellensystem (100) mit einem Filtersystem (10) sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens zum Bestimmen des Beladungszustands eines Filterelements (12).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Beladungszustands eines Filterelements eines Filtersystems zum Entfernen zumindest eines Schadstoffs aus einer Fluidströmung, insbesondere einer Luftströmung einer Kathodengaszuführung eines Brennstoffzellensystems, sowie ein Filtersystem und ein Brennstoffzellensystem mit einem Filtersystem. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens zum Bestimmen des Beladungszustands eines Filterelements.
Stand der Technik
Brennstoffzellensysteme erfordern gereinigte Luft als Kathodengas am Einlass eines Brennstoffzellenstapels, um Degradation und Vergiften des Katalysators der Brennstoffzellen zu vermeiden. Schädliche Gase wie NO, NO₂, SO₂ und NH₃ werden deshalb üblicherweise durch Adsorption mit einem Filtersystem entfernt.
Aus US 2005 0235615 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem in der Kathodengaszuführung eines Brennstoffzellenstacks ein Filterelement angeordnet ist, wobei auch eine gasadsorbierende Funktion vorgesehen sein kann. Diese Konfiguration erlaubt zwar einen grundlegenden Schutz des Brennstoffzellenstacks, der Nutzer erhält jedoch keinerlei Information über den Beladungsgrad des Filterelements, so dass das Filterelement, basierend auf worst case Annahmen, in festen Wechselintervallen auszutauschen ist. Im Zweifelsfall wird das Filterelement daher in seiner Kapazität nicht voll ausgenutzt.
Es sind ferner Lösungen bekannt, die einem solchen Filterelement nachgeschaltet Gassensoren für o.g. Gase aufweisen, die einen Durchbruch, d.h. eine erschöpfte Adsorptionskapazität, detektieren können. Nachteilig sind solche Gassensoren teuer und erhöhen die Systemkomplexität.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Bestimmen des Beladungszustands eines Filterelements eines Filtersystems, insbesondere eines Filtersystems eines Brennstoffzellensystems, anzugeben, das es erlaubt, den Beladungszustand des Filterelements ohne Einsatz eines Beladungssensors zu bestimmen, um die Kapazität des Filterelements bei sicherem Betrieb des Brennstoffzellensystems möglichst vollständig ausnutzen zu können, ohne die Systemkomplexität zu erhöhen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Filtersystem sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem Filtersystem zu schaffen, die es erlauben, die Kapazität des Filtersystems bei sicherem Betrieb des Brennstoffzellensystems möglichst vollständig auszunutzen.
Weitere Aufgaben sind, ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens zum Bestimmen des Beladungszustands eines Filterelements eines Filtersystems anzugeben, das es erlaubt, die Kapazität des Filtersystems bei sicherem Betrieb des Brennstoffzellensystems möglichst vollständig auszunutzen.
Die vorgenannte Aufgabe wird nach einem Aspekt der Erfindung gelöst von einem Verfahren zum Bestimmen des Beladungszustands eines Filterelements eines Filtersystems zum Entfernen wenigstens eines Schadstoffs aus einer Fluidströmung, ohne Verwendung eines Beladungssensors. Es umfasst wenigstens die Schritte: Erfassen einer Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems, Erfassen eines Massenstromwerts der Fluidströmung während eines laufenden Betriebs des Filtersystems, Erfassen einer aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs an dem Filterelement mittels eines mathematischen Modells des Filtersystems, wobei wenigstens die Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems und/oder der Massenstromwert der Fluidströmung als Eingangsgröße des mathematischen Modells verwendet werden, sowie Bestimmen eines Beladungszustands des Filterelements durch kumulatives Berechnen der aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs über der Zeit.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine weitere Aufgabe gelöst von einem Filtersystem mit wenigstens einem Filterelement zum Entfernen wenigstens eines Schadstoffs aus einer Fluidströmung, umfassend wenigstens einen Massenstromsensor, wobei ein Beladungszustand des Filterelements aus einer kumulativen Berechnung einer aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs über der Zeit mit einem Verfahren wie vorstehend beschrieben bestimmbar ist.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine weitere Aufgabe gelöst von einem Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel mit wenigstens einer Brennstoffzelle, umfassend eine Anodengaszuführung, eine Kathodengaszuführung, ein Filtersystem mit wenigstens einem Filterelement zum Entfernen wenigstens eines Schadstoffs aus einer Luftströmung in die Kathodengaszuführung, einen Massenstromsensor, ein Datenverarbeitungssystem, wobei ein Beladungszustand des Filterelements aus einer kumulativen Berechnung der aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs über der Zeit mit einem Verfahren wie vorstehend beschrieben bestimmbar ist.
Nach einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird eine weitere Aufgabe gelöst von einem Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens zum Bestimmen des Beladungszustands eines Filterelements eines Filtersystems zum Entfernen wenigstens eines Schadstoffs aus einer Fluidströmung, wenn das Verfahren auf einem Datenverarbeitungssystem ausgeführt wird, umfassend wenigstens die Schritte: Erfassen einer Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems, Erfassen eines Massenstromwerts der Fluidströmung während eines laufenden Betriebs des Filtersystems, Erfassen einer aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs an dem Filterelement mittels eines mathematischen Modells des Filtersystems, wobei wenigstens die Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems und/oder der Massenstromwert der Fluidströmung als Eingangsgröße des mathematischen Modells verwendet werden, sowie Bestimmen eines Beladungszustands des Filterelements durch kumulatives Berechnen der aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs über der Zeit.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Es wird ein Verfahren zum Bestimmen des Beladungszustands eines Filterelements eines Filtersystems ohne Verwendung eines Beladungssensors vorgeschlagen, zum Entfernen wenigstens eines Schadstoffs aus einer Fluidströmung, welches wenigstens die Schritte umfasst: Erfassen einer Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems, Erfassen eines Massenstromwerts der Fluidströmung während eines laufenden Betriebs des Filtersystems, Erfassen einer aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs an dem Filterelement mittels eines mathematischen Modells des Filtersystems, wobei wenigstens die Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems und/oder der Massenstromwert der Fluidströmung als Eingangsgröße des mathematischen Modells verwendet werden, sowie Bestimmen eines Beladungszustands des Filterelements durch kumulatives Berechnen der aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs über der Zeit.
Vorteilhaft kann mit dem innovativen Verfahren ein Filtersystem mit einem Filterelement zum Entfernen wenigstens eines Schadstoffs aus einer Fluidströmung so betrieben werden, dass ohne Sensoren für den Beladungszustand (z.B. Durchbruchdetektion durch Gassensoren, Differenzdruckmessung o.ä.) die Beladungsrate des Filterelements so gut bestimmt werden kann, dass das Filterelement rechtzeitig vor einem Durchbruch durch übermäßige Beladung gewechselt werden kann. Von einem Durchbruch des Filterelements wird bei der Gasadsorption gesprochen, wenn die volle Adsorptionskapazität des Filterelements erreicht ist und weiter auftreffende Gase ohne Adsorption durch das Filterelement strömen können. Partikelbeladungen hingegen äußern sich durch einen stetig zunehmenden Durchströmungswiderstand, d.h. erhöhten Differenzdruck. Brennstoffzellensysteme beispielsweise erfordern gereinigte Luft am Einlass eines Brennstoffzellenstapels, um Degradation und Vergiften des Katalysators der Brennstoffzellen zu vermeiden. Schädliche Gase wie NO, NO₂, SO₂ und NH₃ werden deshalb durch Adsorption mit einem Filtersystem entfernt, dessen Filterelement Aktivkohle, insbesondere imprägnierte Aktivkohle, umfasst. Üblicherweise wird die Aktivkohlemenge, die nötig ist, um ein vorgegebenes Wartungsintervall einzuhalten, so bestimmt, dass die Aktivkohlemenge auf der Basis einer spezifischen Adsorptionsfähigkeit pro Gramm Aktivkohle und einer worst case Konzentration an Gasen berechnet wird. Es ist sinnvoll, diese Filterelemente nur zu wechseln, wenn die volle Abscheidekapazität ausgeschöpft ist, da hierdurch Ressourcen eingespart werden können, was nicht zuletzt die Wirtschaftlichkeit erhöht.
Die tatsächliche Abscheiderate des Filters hängt sehr stark davon ab, wie hoch die lokale Konzentration Schadstoffen tatsächlich in den Gebieten ist, wo das Brennstoffzellensystem betrieben wird, also wo beispielsweise ein Fahrzeug gefahren wird. Der Beladezustand von Adsorbentien kann im Gegensatz zu üblichen Partikelfiltern, bei denen beispielsweise ein Druckabfall nach dem Filter gemessen werden kann, nicht direkt mit Sensoren gemessen werden. Ein Feld an zusätzlichen Sensoren könnte lediglich stromabwärts des Brennstoffzellensystems messen, wie hoch die Konzentration an Gasen noch ist, um daraus einen Durchbruch des Filterelements zu bestimmen. Dieser Durchbruch könnte aber auch erst dann bestimmt werden, wenn er tatsächlich erfolgt ist. Eine solch teure und unzureichende Lösung kann mit dem innovativen Verfahren vermieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt den Beladungszustand des Filterelements beispielsweise auf der Basis von klimatischen Daten aus der Umgebung des Filtersystems, welche die aktuellen Konzentrationen an Gasen und/oder auch Partikeln in der Umgebung mit hoher Auflösung angeben. Zusammen mit der Information über den aktuellen Massenstrom der Fluidströmung, insbesondere einer Luftströmung aus dem laufenden Betrieb des Filtersystems, können die Gesamtmenge an adsorbiertem Gas und damit der Beladezustand des Filterelements bestimmt werden. Der aktuelle Massenstrom kann über einen üblichen Luftmassensensor bestimmt werden. Alternativ ist es auch möglich, aus der Drehzahl eines Laders oder Ventilators auf den Luftmassenstrom zu schließen.
Auf diese Weise kann eine bedarfsgesteuerte Wartung des Filterelements, also nur dann, wenn es tatsächlich beladen ist, durchgeführt werden. Dabei kann ein Grenzwert für den Beladungszustand, beispielsweise 90%, angegeben werden, bei Erreichen oder Überschreiten dessen wird ein Signal mit einer Aufforderung zur Wartung ausgegeben.
Unter „Schadstoff“ können hierbei sowohl feste, d.h. bestimmte Partikelfraktionen, oder aber auch gasförmige Verunreinigungen (bspw. NO, NO₂, SO₂ und NH₃) verstanden werden. Die vorliegende Erfindung erfasst beide.
Zur Berechnung des Beladungszustands kann dabei ein mathematisches Modell des Filtersystems benutzt werden, welches die Abscheiderate für den Schadstoff, also beispielsweise ein Gas oder eine Partikelsorte, als Funktion des tatsächlichen Massenstroms, der mit Durchflusssensoren gemessen werden kann, und von Umgebungsparametern, wie Gaskonzentration, Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder ähnlichen Werten, angibt. Die Umgebungsparameter können dabei als hochaufgelöste Luftqualitätsdaten, beispielsweise von allgemein verfügbaren meteorologischen Daten, oder über zusätzliche Sensoren in der Umgebung des Filtersystems zur Verfügung stehen.
Bei dem mathematischen Modell kann es sich je nach Anzahl der Eingangsgrößen um eine Kennlinie (2D) handeln, ferner kann es ein statisches Kennfeld (3D) sein oder, bei noch mehr Eingangsgrößen, ein multidimensionales Modell. Solche Modelle können entweder durch (numerische) Simulation oder durch komplexe Versuchsreihen mit Parametervariation gewonnen werden. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass, wenn die Konzentration des Schadstoffs in der Umgebungsluft bekannt ist, ferner der aktuelle Volumenstrom durch das Filtersystem bekannt ist, sich bei bekanntem Abscheideverhalten (dies beschreibt das mathematische Modell) die Abscheideleistung und damit der Beladungszustand des Filterelements berechnen lässt, so dass eine sehr präzise Vorhersage über den Beladungszustand getroffen werden kann, ohne Sensoren zur mittelbaren oder unmittelbaren Beladungsmessung einzusetzen.
Aus der aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs an dem Filterelement kann dann durch Integration über die Zeit der kumulierte Beladungszustand des Filterelements bestimmt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann dann nach Erreichen oder Überschreiten eines Grenzwerts des Beladungszustands ein Signal, insbesondere zu einer Wartung des Filterelements ausgegeben werden. Auf diese Weise kann das Filterelement rechtzeitig vor Erreichen eines Durchbruchs des Filterelements, wenn es mit dem Schadstoff überladen ist, ausgetauscht werden, um zu verhindern, dass der Betrieb beeinträchtigt, beispielsweise ein Katalysator bzw. Katalysatorschicht einer Elektrode geschädigt wird.
Nach einem erfolgten Austausch des Filterelements kann das erfindungsgemäße Verfahren erneut gestartet werden. Der Berechnungswert, der den Beladungszustand des Filterelements angibt, wird hierbei zurückgesetzt, so dass der Beladungszustand des Filterelements durch kumulatives Berechnen der aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs über der Zeit erneut durchgeführt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das mathematische Modell des Filtersystems als Eingangsgrößen ferner eine Abscheiderate des Filterelements in Abhängigkeit einer Konzentration des Schadstoffs und/oder des Beladungszustands des Filterelements umfassen. Die Abscheiderate hängt in der Regel sensitiv von der Konzen-tration des Schadstoffs, also beispielsweise von Gasen, wie NO, NO₂, SO₂ und NH₃, ab. Auch der bereits vorhandene Beladungszustand des Filterelements kann empfindlich in die Abscheiderate eingehen. Deshalb ist es von Vorteil, wenn diese Abhängigkeit der Abscheiderate bekannt ist und in die Berechnung der aktuellen Abscheiderate eingehen kann.
Ferner können Umgebungsparameter berücksichtigt werden, insbesondere ein Temperaturwert und/oder ein Feuchtigkeitswert. Umgebungsparameter, wie Temperaturen und/oder Luftfeuchte, können die Abscheiderate von Medien auf Filterelementen stark beeinflussen, so dass deren Erfassung und Berücksichtigung in einer numerischen Bestimmung der Abscheiderate erheblich eingehen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Beladungszustand des Filterelements bei einer Kathodengaszuführung eines stationären oder mobilen Brennstoffzellensystems oder bei einem Innenraumluftfilter, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bestimmt werden. Insbesondere bei empfindlichen Systemen, wie der Kathodengaszuführung, also der Luftzuführung eines Brennstoffzellensystems, ist die Kenntnis des Beladungszustands des Filterelements vorteilhaft, um vor einem Durchbruch des Filterelements rechtzeitig das Filterelement austauschen zu können, und so eine Schädigung des Katalysators zu vermeiden. Auch bei einem Innenraumluftfilter ist es wichtig, ihn rechtzeitig vor der vollen Beladung wechseln zu können, um so die volle Leistung des Filtersystems und damit des Innenraumluftaustauschs zu erhalten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Schadstoff Partikel und/oder ein oder mehrere Gase umfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Bestimmung der Abscheiderate und damit des Beladungszustands von Filterelementen für Partikel und/oder Gase eingesetzt werden. So können die unterschiedlichen Filterarten rechtzeitig vor einer vollen Beladung durch den Schadstoff getauscht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Abscheiderate des Schadstoffs eine Abscheiderate für Partikel und/oder eine Adsorptionsrate ein oder mehrerer Gase umfassen. Günstigerweise kann so die Anlagerung von Partikeln und/oder Gasen bestimmt werden. Gerade Gase können nach voller Beladung des Filterelements das Filterelement ungehindert durchströmen, so dass stromabwärts des Filters die Konzentration an schädlichen Gasen wie stromaufwärts herrscht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die aktuelle Abscheiderate über das mathematische Modell des Filtersystems auf einem lokalen Datenverarbeitungssystem oder in einem Datennetzwerk, insbesondere einer Cloud-Umgebung, bestimmt werden. Je nach Ausgestaltung und Anwendung des Filtersystems können die Abscheiderate und damit der Beladungszustand des Filterelements über das Kennfeld in einem lokalen Datenverarbeitungssystem, wie beispielsweise einem Steuergerät, erfolgen. Jedoch ist es auch möglich, gerade für komplexere Simulationsmodelle die Berechnung in einem Datennetzwerk, beispielsweise einer Cloud-Umgebung, durchzuführen. Dies kann insbesondere von Vorteil sein, wenn die nötigen Umgebungsdaten, wie Konzentration an Schadstoff oder Temperatur oder Feuchtigkeitsdaten, bereits in der Cloud-Umgebung vorliegen. Damit können diese Werte in die Berechnung der Abscheiderate einfach mit einbezogen werden. Gemäß dieser Ausführungsform handelt es sich um ein computerimplementiertes Verfahren. Damit lässt sich günstig eine effiziente und schnelle Bestimmung des Beladungszustands des Filterelements erreichen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Signal, das auf das Erreichen oder Überschreiten eines Grenzwerts des Beladungszustands hinweist, insbesondere zur Wartung des Filterelements, das Ausgeben einer Nachricht an einen Service Provider und/oder an eine App eines mobilen Datenverarbeitungssystems umfassen. Auf diese Weise kann das Filterelement rechtzeitig vor Erreichen eines Durchbruchs des Filterelements, wenn es mit dem Schadstoff überladen ist, ausgetauscht werden, um zu verhindern, dass der Betrieb beeinträchtigt, beispielsweise der nachfolgende Katalysator geschädigt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Konzentration des Schadstoffs anhand von aktuellen Wetterdaten und/oder Wettervorhersagen und/oder Positionswerten des Filtersystems bestimmt werden. Meteorologische Daten beinhalten häufig hoch aufgelöste Konzentrationswerte für unterschiedliche Gase. Diese können dann zweckmäßig als Eingabegröße für das mathematische Modell dienen. Positionswerte des Filtersystems beschreiben den aktuellen Ort, so dass indirekt über diese beispielsweise lokale meteorologische Daten zu gewünschten Konzentrationswerten für verschiedene Schadstoffe bezogen werden können. In diesem Zusammenhang könnte ein Patentanspruch den folgenden Wortlaut aufweisen: Filtersystem, umfassend eine Positionserfassungsvorrichtung zur Bestimmung einer aktuellen Position des Filtersystems, wobei unter Verwendung der Position eine Konzentration des Schadstoffs bestimmbar ist.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Filtersystem mit wenigstens einem Filterelement zum Entfernen wenigstens eines Schadstoffs aus einer Fluidströmung, welches wenigstens einen Massenstromsensor umfasst. Dabei ist ein Beladungszustand des Filterelements aus einer kumulativen Berechnung einer aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs über der Zeit mit einem Verfahren wie vorstehend beschrieben bestimmbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt den Beladungszustand des Filterelements beispielsweise auf der Basis von klimatischen Daten aus der Umgebung des Filtersystems, welche die aktuellen Konzentrationen an Gasen und/oder auch Partikeln in der Umgebung mit hoher Auflösung angeben. Zusammen mit der Information über den aktuellen Massenstrom der Fluidströmung, insbesondere einer Luftströmung aus dem laufenden Betrieb des Filtersystems, können die Gesamtmenge an adsorbiertem Gas und damit der Beladezustand des Filterelements bestimmt werden.
Auf diese Weise kann eine bedarfsgerechte Wartung des Filterelements, also nur dann, wenn es tatsächlich beladen ist, durchgeführt werden. Dabei kann ein Grenzwert für den Beladungszustand, beispielsweise 90%, angegeben werden, bei Erreichen oder Überschreiten dessen wird ein Signal mit einer Aufforderung zur Wartung ausgegeben.
Zur Berechnung des Beladungszustands wird dabei ein mathematisches Modell des Filtersystems benutzt, welches die Abscheiderate für den Schadstoff, also beispielsweise ein Gas oder eine Partikelfraktion, als Funktion des tatsächlichen Massenstroms, der mit Durchflusssensoren gemessen werden kann, und von Umgebungsparametern, wie Gaskonzentration, Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder ähnlichen Werten, angibt. Die Umgebungsparameter können dabei als hochaufgelöste Luftqualitätsdaten, beispielsweise von meteorologischen Daten, oder über zusätzliche Sensoren in der Umgebung des Filtersystems zur Verfügung stehen. Als mathematisches Modell kann ein statisches Kennfeld oder auch ein mehrdimensionales Modell in der Form eines physikalischen Simulationsmodells für die Adsorptionsfähigkeit des Filterelements über der Zeit, abhängig vom Beladungszustand des Filterelements eingesetzt werden. Das mathematische Modell kann wahlweise durch Parametertabellen abgebildet werden, deren Zwischenwerte durch eine beteiligte Computerinfrastruktur interpolierbar sind und/oder in Form von Gleichungssystemen vorliegen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Filtersystem eine Positionserfassungsvorrichtung zur Bestimmung einer aktuellen Position des Filtersystems umfassen, wobei anhand der Position eine Konzentration des Schadstoffs bestimmbar ist. Meteorologische Daten beinhalten häufig hoch aufgelöste Konzentrationswerte für unterschiedliche Gase. Positionswerte des Filtersystems liefern den aktuellen Ort und damit über beispielsweise meteorologische Daten auch die gewünschten Konzentrationswerte für verschiedene Schadstoffe. Diese können dann zweckmäßig als Eingabegröße für das Kennfeld dienen.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel mit wenigstens einer Brennstoffzelle, umfassend eine Anodengaszuführung, eine Kathodengaszuführung, ein Filtersystem mit wenigstens einem Filterelement zum Entfernen wenigstens eines Schadstoffs aus einer Luftströmung in die Kathodengaszuführung, einen Massenstromsensor, und ein Datenverarbeitungssystem. Dabei ist ein Beladungszustand des Filterelements aus einer kumulativen Berechnung der aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs über der Zeit mit einem Verfahren wie vorstehend beschrieben bestimmbar.
Brennstoffzellensysteme beispielsweise erfordern gereinigte Luft am Einlass eines Brennstoffzellenstapels, um Degradation und Vergiften des Katalysators zu vermeiden. Schädliche Gase, wie NO, NO₂, SO₂ und NH₃, werden deshalb durch Adsorption mit einem Filtersystem entfernt, dessen Filterelement Aktivkohle umfasst. Die tatsächliche Abscheiderate des Filters hängt sehr stark davon ab, wie hoch die Konzentration tatsächlich in den Gebieten ist, wo das Brennstoffzellensystem betrieben wird, also wo beispielsweise ein Fahrzeug gefahren wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt den Beladungszustand des Filterelements beispielsweise auf Basis von klimatischen Daten aus der Umgebung des Filtersystems, welche die aktuellen Konzentrationen an Gasen und/oder auch Partikeln in der Umgebung mit hoher Auflösung angeben. Zusammen mit der Information über den aktuellen Massenstrom der Fluidströmung, insbesondere einer Luftströmung aus dem laufenden Betrieb des Filtersystems, können die Gesamtmenge an adsorbiertem Gas und damit der Beladezustand des Filterelements bestimmt werden.
Auf diese Weise kann eine bedarfsgerechte Wartung des Filterelements, also nur dann, wenn es tatsächlich beladen ist, durchgeführt werden. Dabei kann ein Grenzwert für den Beladungszustand, beispielsweise 90%, angegeben werden, bei Erreichen oder Überschreiten dessen wird ein Signal mit einer Aufforderung zur Wartung ausgegeben.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines Verfahrens zum Bestimmen des Beladungszustands eines Filterelements eines Filtersystems zum Entfernen wenigstens eines Schadstoffs aus einer Fluidströmung, ohne Verwendung eines Beladungssensors, umfassend wenigstens ein computerlesbares Speichermedium mit darauf gespeicherten Programmcodeanweisungen, die von einem Datenverarbeitungssystem ausführbar sind, wobei das Verfahren wenigstens die Schritte umfasst: Erfassen einer Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems, Erfassen eines Massenstromwerts der Fluidströmung während eines laufenden Betriebs des Filtersystems, Erfassen einer aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs an dem Filterelement mittels eines mathematischen Modells des Filtersystems, wobei wenigstens die Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems und/oder der Massenstromwert der Fluidströmung als Eingangsgröße des mathematischen Modells verwendet werden, sowie Bestimmen eines Beladungszustands des Filterelements durch kumulatives Berechnen der aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs über der Zeit.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, Beschreibung und Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen beispielhaft:

1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
2 einzelne Prozessphasen beim Betreiben eines Filtersystems mit einem Filterelement zum Entfernen wenigstens eines Schadstoffs aus einer Fluidströmung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 weist einen Brennstoffzellenstapel 102 mit einer Reihe von Brennstoffzellen 104 auf. Eine Anodengaszuführung 30 führt den Brennstoffzellen 104 beispielsweise Wasserstoff zu, eine Kathodengaszuführung 20 führt Luft zu. Die Luft wird mit einem Lader 18 komprimiert in den Brennstoffzellenstapel 102 geleitet. Eine Abgasleitung 40 führt von dem Brennstoffzellenstapel 102 Abgas, das im Wesentlichen aus Wasserdampf besteht, ab.
Rohluft wird über eine Rohluftzuführung 13 über ein Filtersystem 10 mit wenigstens einem Filterelement 12 zum Entfernen wenigstens eines Schadstoffs, wie Partikel und/ oder ein oder mehrere Gase, aus einer Luftströmung in die Kathodengaszuführung 20 geleitet. Gase können beispielsweise NO, NO₂, SO₂ und NH₃ umfassen. Diese Gase müssen von dem Brennstoffzellenstapel 102 ferngehalten werden, da die Gase schädlich auf den Katalysator in den Brennstoffzellen 104 wirken. Deshalb ist es zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 wichtig, dass in der Kathodengaszuführung 20 ein Filtersystem 10 angeordnet ist, welches diese Gase durch Adsorption zuverlässig herausfiltert.
Der Luftmassenstrom wird über einen Massenstromsensor 14 in der Kathodengaszuführung 20 bestimmt. Die Rohluftzuführung weist einen Temperatursensor 22 und einen Feuchtigkeitssensor 24 auf. Diese Sensoren 22, 24 sind optional, ihre Daten können zusammen mit den Massenstromwerten in einem Datenverarbeitungssystem 200, beispielsweise einem Steuergerät, verarbeitet werden. Das Steuergerät kann zusätzlich Umweltdaten über einen Eingang 202 erhalten und weist eine Ausgabeeinheit 204 auf, welche Daten graphisch darstellen oder auch an ein Netzwerk weiterleiten kann.
Der Beladungszustand des Filterelements 12 kann aus einer kumulativen Berechnung der aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs über der Zeit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt werden. Gemäß dem beschriebenen Verfahren wird eine Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems 10 bestimmt und dem Steuergerät 200 über den Kanal 202 zugeführt. Weiter wird über den Luftmassensensor 14 der aktuelle Massenstromwert der Luftströmung während des laufenden Betriebs des Filtersystems 10 bestimmt. Aus diesen Werten kann mittels eines Kennfelds des Filtersystems 10, bei dem wenigstens die Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems 10 und/oder der Massenstromwert der Fluidströmung als Eingangsgröße des Kennfelds verwendet werden, eine aktuelle Abscheiderate des Schadstoffs, beispielsweise eine Adsorptionsrate für bestimmte Gase wie NO, NO₂, SO₂ und NH₃, an dem Filterelement 12 bestimmt werden. Der tatsächliche Beladungszustand des Filterelements 12 kann dann durch kumulatives Berechnen der aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs über der Zeit bestimmt werden.
Nach Erreichen oder Überschreiten eines Grenzwerts des Beladungszustands kann dann ein Signal über die Ausgabeeinheit 204, insbesondere zu einer Wartung des Filterelements 12 ausgegeben werden. Alternativ ist es auch möglich, dass das Signal, welches über die Ausgabeeinheit 204 ausgegeben wird, insbesondere eine Nachricht an einen Service Provider und/oder an eine App eines mobilen Datenverarbeitungssystems umfasst.
Es ist denkbar, dass die aktuelle Abscheiderate über das Kennfeld des Filtersystems 10 auf einem lokalen Datenverarbeitungssystem 200 wie in 1 dargestellt wird, aber auch, dass sie in einem Datennetzwerk, insbesondere einer Cloud-Umgebung bestimmt wird. Dazu können die aktuellen Messwerte wie Luftmassenstromwerte an das Datennetzwerk übertragen werden.
In einem einfachen Fall ist es möglich, dass das Kennfeld des Filtersystems 10 eine Abscheiderate des Filterelements 12 in Abhängigkeit einer Konzentration des Schadstoffs und/oder des Beladungszustands des Filterelements 12 umfasst. In einem komplexeren Kennfeld können jedoch als Eingangsgrößen des Kennfelds des Filtersystems 10 zur Bestimmung der aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs Umgebungsparameter, insbesondere ein Temperaturwert und/oder ein Feuchtigkeitswert, verwendet werden. Dieses Ausführungsbeispiel ist in 1 dargestellt, wo Temperaturwerte mit dem Temperatursensor 22 und Feuchtigkeitswerte mit dem Feuchtigkeitssensor 24 erfasst und in dem Steuergerät 200 verarbeitet werden.
Das Kennfeld des Filtersystems 10 kann statt als statisches Kennfeld als numerisches Simulationsmodell ausgebildet sein, welches eine aktuelle Abscheiderate in Abhängigkeit der Konzentration des Schadstoffs, des Massenstromwerts der Fluidströmung, des Beladungszustands des Filterelements 12 und/oder wenigstens eines Umgebungsparameters, insbesondere eines Temperaturwerts und/oder Feuchtigkeitswerts bestimmen kann. Mithilfe eines numerischen Simulationsmodells können beispielsweise Zwischenwerte genauer bestimmt werden.
Die Konzentration des Schadstoffs kann anhand von aktuellen Wetterdaten und/oder Wettervorhersagen und/oder Positionswerten des Filtersystems 10 bestimmt werden. Dazu ist es zweckmäßig, eine Positionserfassungsvorrichtung zur Bestimmung einer aktuellen Position des Filtersystems vorzusehen, wobei aus der Position über den Zugriff auf entsprechende Umgebungsparameter in Datenbanken eine Konzentration des Schadstoffs bestimmt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann eingesetzt werden, den Beladungszustand des Filterelements 12 bei einer Kathodengaszuführung eines stationären oder mobilen Brennstoffzellensystems 100, wie in 1 dargestellt, zu bestimmen. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, mit dem Verfahren den Beladungszustand eines Innenraumluftfilters, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, zu bestimmen.
Das Verfahren kann auf einem Datenverarbeitungssystem 200, wie beispielsweise einem Steuergerät 200 oder in einem Datennetzwerk, wie einer Cloud-Umgebung, als computerimplementiertes Verfahren realisiert sein. Zur Durchführung des computerimplementierten Verfahrens kann zweckmäßigerweise ein Computerprogrammprodukt implementiert sein, welches wenigstens ein computerlesbares Speichermedium mit darauf gespeicherten Programmcodeanweisungen umfasst, wobei die von dem Datenverarbeitungssystem 200 ausführbaren Programmcodeanweisungen bewirken, dass das computerimplementierte Verfahren auf dem Datenverarbeitungssystem 200 ausgeführt wird.
In 2 sind einzelne Prozessphasen beim Betreiben eines Filtersystems 10 mit einem Filterelement 12 zum Entfernen wenigstens eines Schadstoffs aus einer Fluidströmung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
In einer Startphase S100 weist das Filterelement 12 die volle Adsorptionskapazität für den Schadstoff, beispielsweise Gase, wie NO, NO₂, SO₂ und NH₃, auf. Der Beladungszustand des Filterelements 12 ist minimal. Die Adsorptionskapazität ist typischerweise proportional der eingesetzten Masse an Adsorbermaterial innerhalb des Filterelements 12.
In der Betriebsphase S102 adsorbiert das Filterelement 12 beispielsweise als Schadstoff Gase, wodurch die ursprüngliche Adsorptionskapazität abnimmt. Der Beladungszustand des Filterelements 12 nimmt zu. Die Beladung hängt von der lokalen Konzen-tration an Gasen und dem Luftmassenstrom ab, der durch das Filterelement 12 strömt. Die Gaskonzentration kann eine am Ort des Filtersystems 12 gemessene Gaskonzentration sein oder eine Konzentration, welche aus Umgebungsdaten wie meteorologischen Daten am Ort des Filtersystems, folgt. Die Umgebungsdaten können beispielsweise über ein Datennetzwerk für die Berechnung bereitgestellt werden, S104. Die Adsorptionskapazität bestimmt sich dann aus der ursprünglichen Adsorptionskapazität, welche durch die Masse an adsorbiertem Gas reduziert wird. Die Größe der Reduktion der Adsorptionskapazität und damit der Erhöhung des Beladungszustands ist abhängig beispielsweise von der Konzentration an Gasen und dem Luftmassenstrom durch das Filterelement 12.
In der Betriebsphase S102 umfasst das Verfahren zur Bestimmung des Beladungszustands des Filterelements 12 mit dem Schadstoff wenigstens die Schritte: Bestimmen einer Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems 10, Bestimmen eines Massenstromwerts der Fluidströmung während eines laufenden Betriebs des Filtersystems 10, Bestimmen einer aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs an dem Filterelement 12 mittels eines Kennfelds des Filtersystems 10, wobei wenigstens die Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems 10 und/oder der Massenstromwert der Fluidströmung als Eingangsgröße des Kennfelds verwendet werden, sowie Bestimmen eines Beladungszustands des Filterelements 12 durch kumulatives Berechnen der aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs über der Zeit.
Wird eine Schwelle als Grenzwert, beispielsweise 90%, für den Beladungszustand erreicht oder überschritten, kann in der Wartungsphase S106 ein Signal ausgegeben werden, so dass das Filterelement 12 rechtzeitig gewechselt werden kann. Das Signal kann lokal ausgegeben oder auch über ein Datennetzwerk beispielsweise auf eine App eines mobilen Datensystems weitergeleitet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20050235615 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Bestimmen des Beladungszustands eines Filterelements (12) eines Filtersystems (10) zum Entfernen wenigstens eines Schadstoffs aus einer Fluidströmung, ohne Verwendung eines Beladungssensors, umfassend wenigstens die Schritte - Erfassen einer Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems (10), - Erfassen eines Massenstromwerts der Fluidströmung während eines laufenden Betriebs des Filtersystems (10), - Erfassen einer aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs an dem Filterelement (12) mittels eines mathematischen Modells des Filtersystems (10), wobei wenigstens die Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems (10) und/oder der Massenstromwert der Fluidströmung als Eingangsgröße des mathematischen Modells verwendet werden, - Bestimmen eines Beladungszustands des Filterelements (12) durch kumulatives Berechnen der aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs über der Zeit, - wobei nach Erreichen oder Überschreiten eines Grenzwerts des Beladungszustands ein Signal, insbesondere zu einer Wartung des Filterelements (12) ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das mathematische Modell des Filtersystems (10) als Eingangsgrößen ferner eine Abscheiderate des Filterelements (12) in Abhängigkeit einer Konzentration des Schadstoffs und/oder des Beladungszustands des Filterelements (12) und/oder Umgebungsparameter, insbesondere ein Temperaturwert und/oder ein Feuchtigkeitswert, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beladungszustand des Filterelements (12) bei einer Kathodengaszuführung eines stationären oder mobilen Brennstoffzellensystems (100) oder bei einem Innenraumluftfilter, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abscheiderate des Schadstoffs eine Abscheiderate für Partikel und/oder eine Adsorptionsrate oder mehrere Gase umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktuelle Abscheiderate mittels des mathematischen Modells des Filtersystems (10) auf einem lokalen Datenverarbeitungssystem (200) oder in einem Datennetzwerk, insbesondere einer Cloud-Umgebung, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei bevorzugt das Signal, das auf das Erreichen oder Überschreiten eines Grenzwerts des Beladungszustands hinweist, insbesondere zur Wartung des Filterelements (12), das Ausgeben einer Nachricht an einen Service Provider und/oder an eine App eines mobilen Datenverarbeitungssystems umfassen kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konzentration des Schadstoffs anhand von aktuellen Wetterdaten und/oder Wettervorhersagen und/oder unter Verwendung von Positionswerten des Filtersystems (10) bestimmt wird.
Filtersystem (10) mit wenigstens einem Filterelement (12) zum Entfernen wenigstens eines Schadstoffs aus einer Fluidströmung, umfassend wenigstens einen Massenstromsensor (14), wobei ein Beladungszustand des Filterelements (12) aus einer kumulativen Berechnung einer aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs über der Zeit mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche bestimmbar ist.
Brennstoffzellensystem (100) mit einem Brennstoffzellenstapel (102) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (104), umfassend - eine Anodengaszuführung (30), - eine Kathodengaszuführung (20), - ein Filtersystem (10) mit wenigstens einem Filterelement (12) zum Entfernen wenigstens eines Schadstoffs aus einer Luftströmung in die Kathodengaszuführung (20), - einen Massenstromsensor (14), - ein Datenverarbeitungssystem (200), wobei ein Beladungszustand des Filterelements (12) aus einer kumulativen Berechnung der aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs über der Zeit mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bestimmbar ist.
Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines Verfahrens zum Bestimmen des Beladungszustands eines Filterelements (12) eines Filtersystems (10) zum Entfernen wenigstens eines Schadstoffs aus einer Fluidströmung, ohne Verwendung eines Beladungssensors, umfassend wenigstens ein computerlesbares Speichermedium mit darauf gespeicherten Programmcodeanweisungen, die von einem Datenverarbeitungssystem (200) ausführbar sind, wobei das Verfahren wenigstens folgende Schritte umfasst: - Erfassen einer Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems (10), - Erfassen eines Massenstromwerts der Fluidströmung während eines laufenden Betriebs des Filtersystems (10), - Erfassen einer aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs an dem Filterelement (12) mittels eines mathematischen Modells des Filtersystems (10), wobei wenigstens die Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung des Filtersystems (10) und/oder der Massenstromwert der Fluidströmung als Eingangsgröße des mathematischen Modells verwendet werden, - Bestimmen eines Beladungszustands des Filterelements (12) durch kumulatives Berechnen der aktuellen Abscheiderate des Schadstoffs über der Zeit - wobei nach Erreichen oder Überschreiten eines Grenzwerts des Beladungszustands ein Signal, insbesondere zu einer Wartung des Filterelements (12) ausgegeben wird.