用于运行燃料电池系统的方法、控制器与流程

本发明涉及一种用于运行燃料电池系统的方法，尤其在冷启动或冷冻启动时。因此，所述方法尤其适合于运行移动应用中的燃料电池系统。此外，本发明还涉及一种设置为用于执行所述方法的步骤的控制器。

背景技术：

1、燃料电池将燃料，例如氢与氧转化为电能、热能和水。为了提高功率，通常将多个燃料电池连接成燃料电池堆并且通过贯穿燃料电池堆的供给通道被供给以反应气体。在燃料电池中的电化学过程时积累的热量借助冷却回路被导出并且经由冷却器、在移动应用中通常是车辆冷却器导出到周围环境中。冷却回路的冷却剂借助集成到冷却回路中的冷却剂泵通过穿过燃料电池堆的冷却剂供给通道被泵送。换向阀可以集成到冷却回路中以绕过冷却器。绕过冷却器例如在启动情况下可以是有利的。因为在启动情况下，尤其在周围环境温度低于0℃时，燃料电池堆应尽可能快速地被加热，以避免可能延迟或甚至阻止启动的水和/或冰聚积。当然，仅当冷却剂在进入到燃料电池堆中之前已安全加热超过0℃时才防止结冰危险。

2、为了在冷冻启动时加热冷却剂，可以利用与燃料电池中的电化学反应相关地积累的热量。替代地可以在外部加热冷却剂。然而，在这两种情况下，启动过程被延长。此外，由于燃料电池的低于0℃的持续冷却，必须采取措施以提高燃料电池的耐冰能力，例如通过燃料电池中的冰缓冲器和/或燃料电池系统中的加热器。

3、在冷冻启动期间，冷却剂体积流必须足够高，以避免局部的温度峰值、所谓的“热点”以及冷却剂的入口和出口温度之间的过大温度差。同时，冷却剂体积流必须足够低，以防止温度下降太多和从而在进入到燃料电池堆中时结冰。冷却剂体积流通过冷却剂泵的泵转速调节。该泵转速通常根据在燃料电池堆的入口和出口处的冷却剂温度来调节。在冷冻启动时由于冷却剂的高粘度，冷却剂温度的变化相对于燃料电池中的温度变化具有大的时间延迟。

技术实现思路

1、因此，本发明的任务是给出一种用于运行燃料电池堆的方法，在所述方法中，在冷启动或冷冻启动的情况下能够尽可能快速且可靠地检测燃料电池堆中的温度，以便能够根据该温度调整冷却剂泵的转速和从而调整通过燃料电池堆的冷却剂体积流。

2、为了解决该任务，提出具有权利要求1特征的方法。本发明的有利扩展方案可以由从属权利要求得出。此外，给出一种用于执行所述方法的控制器。

3、提出一种用于运行燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池堆，该燃料电池堆具有多个燃料电池并且被冷却通道穿过。在所述方法中，冷却通道通过冷却回路在使用冷却剂泵的情况下被加载以冷却剂。根据本发明，在冷启动或冷冻启动时，通过经由燃料电池堆的冷却剂的压差间接地检测燃料电池堆中的燃料电池的温度。根据间接地检测到的温度调节冷却剂泵的转速。

4、在燃料电池堆入口和出口处的冷却剂的温度不再用作用于检测燃料电池中的温度的参量，而是冷却剂的压力或经由燃料电池堆的冷却剂的压差用作用于检测燃料电池中的温度的参量。因为流经燃料电池堆的冷却通道的冷却剂的粘度随着燃料电池堆中的温度变化，所以可以由燃料电池堆的入口处的冷却剂压力与燃料电池堆的出口处的冷却剂压力之间的压差推导出燃料电池堆中的温度。

5、使用压差作为用于间接地检测燃料电池中的温度的参量具有以下优点：该压差基本上与燃料电池中的温度升高相反地走向、即减小，具体而言没有时间延迟。因此可以更快且更可靠地检测温度。

6、以这种方式，所提出的方法能够在冷启动或冷冻启动期间实现冷却剂泵的转速的改进调整。例如可以减小由于过高的冷却剂体积流而导致结冰的危险。通过减小的结冰危险又可以降低用于提高燃料电池耐冰能力的措施，使得降低成本。此外，可以实现更快的冷冻启动，因为不必为了避免温度差过大而减小冷却剂体积流。此外，可以消除由于温度差引起的泄漏，使得因此提高燃料电池系统的使用寿命。

7、考虑压差作为用于间接检测燃料电池堆中的温度变化的参量还具有以下优点：可以借助简单的压力传感器相对简单且成本低地检测压差。

8、优选地，因此为了检测经由燃料电池堆的冷却剂的压差借助多个压力传感器或借助一个差压传感器测量在燃料电池堆的入口和出口处的冷却剂的压力。压力传感器或差压传感器例如比体积流传感器在购买时明显更便宜。第一压力传感器可以布置在燃料电池堆的入口处并且第二压力传感器可以布置在燃料电池堆的出口处。压力传感器也可以与温度传感器组合，从而使用压力和温度传感器。因为温度传感器通常已经存在，所以可以以这种方式将传感器数量保持得少。

9、此外提出，在冷启动或冷冻启动期间连续地或逐步地提高冷却剂泵的转速，以便将经由燃料电池堆的冷却剂的压差保持基本恒定或保持在预定范围内。冷却剂泵的转速的提高导致冷却剂和从而燃料电池的快速加热。在此可以连续或逐步或者说逐级地提高泵转速。逐步提高具有以下优点：泵转速在冷启动或冷冻启动期间不太强烈地升高并且避免过高的泵转速。为此，在第一步骤中，一直提高泵转速，直至能够测量例如10mbar的预给定的最大压差。此后，将泵转速保持恒定一段时间，使得经由燃料电池堆的冷却剂的压差由于冷却剂的加热而又减小。如果该压差达到预给定的最小压差，例如5mbar，则在第二步骤中又提高泵转速，直至压差重新达到预给定的最大值。这可以一直重复，直至冷却剂温度达到其目标温度并且冷启动或冷冻启动结束。在泵转速逐步提高时，经由燃料电池堆的冷却剂的压差优选在预给定范围内具有锯齿状走势。

10、相反地，如果经由燃料电池堆的冷却剂的压差具有升高的走势和/或超过预给定的最大值，则必须降低冷却剂泵的转速。因为压差的相应走势是对于体积流过高的标志，使得存在结冰的危险。因为在体积流过高时，燃料电池就被冷却剂冷却而不是加热。

11、因此，作为扩展的措施提出，在冷启动或冷冻启动期间，如果经由燃料电池堆的冷却剂的压差显示升高的走势和/或上升超过预给定的最大值，则降低冷却剂泵的转速。以这种方式可以可靠地避免由冷却剂体积流导致的结冰。

12、根据另一优选的运行策略，在冷启动或冷冻启动期间，将冷却剂泵的转速保持恒定，以便降低经由燃料电池堆的冷却剂的压差。该走势相应于燃料电池的正常加热。同时，为了减小由于冷却液体积流过高而导致结冰的危险。如果压差要升高，则在这里也可以采取减小冷却液泵转速的对策。

13、在本发明的扩展方案中提出，确定第一阈值，该第一阈值限定经由燃料电池堆的冷却剂的初始的最小压差，并且在冷启动或冷冻启动的准备中一直提高冷却剂泵的转速，直至达到阈值。通过该措施确保可用的测量范围在冷启动或冷冻启动期间可供使用。因为在冷启动或冷冻启动期间燃料电池的温度快速升高，使得温度走势和从而压差的走势分别是非常陡峭的。因此，初始压差必须选择得足够高。因此，冷却剂泵的转速升高直至达到阈值。然而，为了由高的泵转速引起的高体积流不引起在燃料电池的入口区域中结冰，转速也不应选择得太高。因此，在冷启动或冷冻启动的准备中应达到、但不明显超过阈值。以这种方式一方面抵抗结冰，另一方面实现防止形成“热点”的足够高的冷却剂体积流。

14、例如，第一阈值例如可以为50mbar。在这种情况下，冷却剂如此循环，使得产生的热量良好地分布在燃料电池中。同时，冷却剂流如此小，使得避免在燃料电池的入口区域中结冰。

15、此外，优选地确定两个另外的阈值，这两个另外的阈值限定对于经由燃料电池堆的冷却剂的在冷启动或冷冻启动期间要达到的压差的范围。即在冷启动或冷冻启动结束时应达到位于之前确定的范围内的压差，该范围向下被第二阈值限制并且向上被第三阈值限制。例如可以为5mbar的第二阈值确保冷却剂体积流足够高，以便使冷却剂循环。较高的并且例如可以为15mbar的第三阈值构成参考值，如下面所描述地，能够实现第一阈值的适配。同样情况也适用于第二阈值。

16、因为根据本发明的一个优选实施方式，如果在冷启动或冷冻启动结束时经由燃料电池堆的冷却剂的压差位于要达到的压差范围外，则提高或降低第一阈值。即在低于第二阈值时提高第一阈值，并且在超过第三阈值时降低第一阈值，以便进入预给定的范围中。即第一阈值相应地被适配。该适配能够根据在冷启动或冷冻启动结束时经由燃料电池堆的冷却剂的压差和从而根据温度实现冷却剂泵的初始转速和从而通过燃料电池堆的冷却剂体积流的优化调整。

17、由于冷却剂的与温度强烈相关的粘度或者说由此引起的压差的大的变化范围，第一阈值对于每个初始温度可以是不同的。因此，优选地对于每个初始温度限定一个第一阈值。然后可以将该第一阈值保存在控制器中。此外，在确定第一阈值时可以考虑其它相关性，例如停机时长，对燃料电池必须是完全调温还是不完全调温取决于所述停机时长。

18、优选地，在冷启动或冷冻启动期间或在冷启动或冷冻启动之后分析评估压差的走势，并且在暂时停滞的走势的情况下降低第三阈值，使得该第三阈值接近第二阈值。停滞的走势能够在压力曲线图中识别为平台(plateau)。该平台表明结冰以及融化过程。这可以被视为冷却剂泵的初始转速太高的标志。通过降低第三阈值实现第一阈值的适配和从而实现冷却剂泵的初始转速的降低，使得在随后的冷启动或冷冻启动时结冰的危险最小化。

19、此外，优选地，至少一个阈值、优选所有阈值保存在控制器中，该控制器设置为用于执行所述方法的步骤。因此可以使所述方法很大程度上自动化。

20、此外，提出一种用于燃料电池系统的控制器，该控制器设置为用于执行根据本发明的方法的步骤。尤其可以借助控制器实施之前所描述的各种运行策略。为此可以在控制器中保存至少一个阈值。此外，可以借助控制器分析评估经由燃料电池堆的冷却剂的压差的走势。控制器从压力传感器或压差传感器获得所需的测量值。根据分析评估的结果可以借助控制器操控冷却剂泵，以便提高、降低冷却剂泵的转速或保持冷却剂泵的转速恒定。