带有改善的冷启动的燃料电池系统的制作方法

本发明涉及一种燃料电池系统和一种用于运行该燃料电池系统的方法。

背景技术：

1、已知这样的车辆：在所述车辆中电力由具有燃料电池堆叠的燃料电池系统提供并且用于为驱动电机供电。在此，氢气与氧化剂、通常是来自环境空气的氧气催化化合成水，以便产生电力。环境空气借助空气输送系统或空气压缩系统输送给燃料电池堆叠的阴极路径。该燃料电池系统的废热借助冷却回路导出并且通过主车辆冷却器排出到周围环境。该冷却回路可以包括用于输送冷却剂的冷却剂泵。可以设置用于主车辆冷却器的循环的旁路，以便在低温情况下的启动阶段期间，尤其在环境温度低于0℃的情况下，尽可能快速加热燃料电池堆叠。快速加热使得不发生积水或积冰，积水或积冰会阻碍或阻止启动的继续进行。然而，当冷却剂至少在旁路中被加热到0℃以上时，结冰危险才消除。因此，当该冷却剂被泵入到燃料电池堆叠中时不导致冻结条件。

2、在根据现有技术冷起动时，冷却剂或者在外部被加热，或者通过燃料电池堆叠中的电化学反应加热。在两种情况下都使启动过程因此减慢。此外，堆叠的燃料电池由于低于0℃的持续冷却而需要提高。这通过在燃料电池中安装冰缓冲器、在燃料电池系统中安装加热器以及其他措施来进行。

技术实现思路

1、本发明的任务是，提出一种燃料电池系统，在所述燃料电池系统中改善冷启动并且同时在冷启动期间使冷却剂体积流量足以用于避免燃料电池堆叠内的过热部位，阻止冷却剂输入端和冷却剂输出端之间的过大温度差，并且同时防止围绕冷却剂输入端周围的区域由因流入的冷的冷却剂引起的温度下降而结冰。

2、这个任务通过具有权利要求1的特征的燃料电池系统解决。有利的实施方式和扩展方案可以由从属权利要求和下面的说明书得出。

3、提出一种燃料电池系统，所述燃料电池系统具有至少一个燃料电池、冷却设备、至少一个温度传感器、以及控制单元，其中，该冷却设备包括用于冷却剂的流动的冷却剂路径、冷却剂泵和排热设备，其中，所述控制单元与冷却剂泵和所述至少一个温度传感器耦合，其中，冷却剂路径与所述至少一个燃料电池的冷却剂输入端和冷却剂输出端连接，并且，所述至少一个温度传感器构造为用于，检测冷却剂输出端上的冷却剂的至少一个冷却剂出口温度或冷却剂输入端上的冷却剂的冷却剂入口温度。设置，所述控制单元构造为用于，检测冷却剂出口温度或冷却剂入口温度作为所测量的温度；在该燃料电池系统的启动阶段期间，辨识所测量的温度的第一上升阶段，在所述第一上升阶段中所测量的温度以第一上升速率持续上升；在辨识到第一上升阶段后监视所测量的温度上升到所测量的温度的平台期，在所述平台期中所测量的温度的上升速率最高相当于最大的第一上升速率的预确定部分；辨识跟随平台期的第二上升阶段，在所述第二上升阶段中，所测量的温度以超过平台期的上升速率的第二上升速率持续上升；以及在平台期期间，减少通过排热设备的冷却剂的输送体积流量和/或提高至少一个燃料电池中的电流和/或降低电池电压。

4、该燃料电池系统优选具有多个燃料电池，所述燃料电池组合成燃料电池堆叠。在用于机动车辆或载货车中的情况下特别有利的是，使用聚合物电解质膜(pem)燃料电池，在所述聚合物电解质膜燃料电池中，阳极通过薄膜与阴极分隔。替代地当然也可以实现燃料电池的其他形式，这些其他形式还可以包括固体氧化物燃料电池和直接甲醇燃料电池。

5、这些燃料电池可以在阴极侧与空气输送单元耦合，所述空气输送单元可以具有一个或多个压缩机，该压缩机将在燃料电池系统上游被加载压力的空气导入到阴极路径中。这个或这些压缩机可以通过电动马达运行，所述电动马达可以被供给以由燃料电池系统自身和/或外部电压源(例如缓冲蓄电池)提供的电压。附加地还可以设置有涡轮机，所述涡轮机在燃料电池上游布置在阴极路径中并且辅助所述一个或多个压缩机。在阳极侧进行来自氢气源的氢气的供应。

6、这些燃料电池的如此设计，使得所述燃料电池包括冷却剂输入端和冷却剂输出端。如果燃料电池组合成燃料电池堆叠，则这个燃料电池堆叠可以包括带有冷却剂输入端和冷却剂输出端的冷却剂路径。进入冷却剂输入端的冷却剂处于与燃料电池的热接通中，在那里至少部分吸收通过燃料电池过程生成的热量，并且通过冷却剂输出端离开燃料电池。如果所测量的温度高于或明显高于0℃，则可以输送其通过排热设备，所述排热设备例如以车辆冷却器的形式实施。所吸收的热量因此被导出到周围环境中。

7、至少一个温度传感器设置为用于，检测冷却剂输出端上或冷却剂输入端上的冷却剂的温度。这个温度可以是燃料电池内部是否存在结冰危险的指标。已经惊人地表明，以识别平台期的形式检测和分析评价冷却剂输出端上的冷却剂的温度是有意义的，以便改善冷启动。

8、在执行冷启动期间，由于因冷却剂的高粘度引起的低体积流量，冷却剂的温度起先不升高。然而，一旦该温度升高，就达到第一上升阶段。此时温度持续上升并且在其变化曲线中具有最大的第一上升速率，该上升速率例如在第一上升阶段的中间处达到。

9、在达到该第一上升阶段后，在温度变化曲线中寻找平台期。如果冷却剂的温度例如在限定的时间区间期间保持恒定或在特定的稳态范围内，则识别到平台期的开始。所测量的温度的上升速率在此明显低于最大的第一上升速率。该上升速率可以例如最高相当于最大的第一上升速率的25％，进一步例如10％，然而优选明显低于最大的第一上升速率。

10、一旦冷却剂出口温度或冷却剂入口温度再升高，就识别到平台期的结束。在这个平台期期间，燃料电池的加热梯度因冷的冷却剂的流入而急剧降低。因此不能排除负温度梯度。通过识别平台期可以改善加热梯度，其方式是，适配通过排热设备的冷却剂体积流量。因此，解冻过程明显加速。

11、体积流量可以例如通过操控冷却剂泵来影响。对此替代地或附加地，可以通过提高电流或降低电池电压来提高热输入。由此可以在启动阶段降低至少一个燃料电池的效率并且加速加热过程。

12、温度的检测可以扩展到燃料电池系统的元件的类似变量或其他变量的检测。原则上可以想到，也可以对阳极温度和/或阴极温度进行检测并且在辨识上升阶段方面进行评估。阳极温度或阴极温度的检测可以在燃料电池系统中已经执行，使得关于此的信息能够在控制单元中在本发明意义上被利用。此外，对冷却剂体积流量的检测也可以用作用于识别平台期的可能变量。在泵功率恒定的情况下，可以通过变化的粘度影响冷却剂体积流量，使得因此同样能够实现平台期的识别。

13、控制单元此外可以构造为用于，在平台期期间操控冷却剂泵，以便减少输送体积流量。该控制单元因此直接影响输送体积流量，并且可以直接在识别到平台期开始后改善燃料电池系统内部的加热梯度。该操控可以基于调节策略进行，在所述调节策略中考虑另外的参数，所述另外的参数还包括环境温度、至少一个燃料电池的使用寿命、使用时长或其他参数。

14、该控制单元还可以构造为用于，在平台期期间操控与排热设备并联布置的旁路的旁通阀，以便引导冷却剂路径中的冷却剂至少部分通过旁路。冷却剂的经引导通过旁路的部分因此不被导引通过排热设备并且因此也不在那里向外部排出热量。因此在冷启动期间直接通过打开旁路来提高加热梯度。

15、该控制单元可以构造为用于，通过如下方式识别平台期的开始：所测量的温度在预确定的时间区间最多上升一个预确定的第一温度差。该平台期的特点在于所测量的温度的在时间上平坦的变化曲线。所测量的温度在预确定的时间区间仅上升很小的程度，这里称为第一温度差。第一温度差越小，平台期越平坦。平台期的开始和结束可以通过过渡区域稳定衔接于第一或第二上升阶段。通过适配识别标准、测量频率和调节策略，过渡区域已经可以被识别。

16、该控制单元可以构造为用于，通过如下方式识别平台期的结束：所测量的温度在预确定的时间区间至少上升一个预确定的第二温度差。第二温度差可以基本上相当于第一温度差。然而完全可以想到，根据环境条件而定，第二温度差与第一温度差不同。因此有利的是，通过个别地适配的第二温度差来实现度对平台期结束的识别。

17、第一温度差和/或第二温度差可以处于1至3k的范围中。有利的可以是，如果时间区间处于0.1s，则将有关温度差大致限定为2k。这些变量(即温度差和时间区间)的个别适配在考虑燃料电池系统的构型的情况下进行，并且可以尤其通过试验系列形式的实践研究来求取。

18、控制单元可以构造为用于，根据冷却剂泵的初始转速、燃料电池系统的环境温度、由燃料电池系统引起的热输入和/或平台期的存在或时间长度，针对接下来的冷启动来适配冷却设备的调节。因此可以利用已经执行的伴随有对冷却剂出口温度或冷却剂入口温度的测量的冷启动来改善接下来的冷启动的输送体积流量和/或电流和电压的调节。因此，该燃料电池系统可以是自我学习的，以便改善冷启动的调节策略。此外可以因此更好地考虑老化效应和变化的环境条件。

19、本发明还涉及一种用于运行燃料电池系统的方法，所述方法具有以下步骤：将反应气体供应给至少一个燃料电池，借助冷却剂泵将冷却剂输送通过冷却设备的穿过至少一个燃料电池延伸的冷却剂路径。根据本发明，该方法包括：通过控制单元借助至少一个温度传感器检测所述至少一个燃料电池的冷却剂输出端上的冷却剂出口温度或冷却剂输入端上的冷却剂入口温度作为所测量的温度；辨识所测量的温度的第一上升阶段，在所述第一上升阶段中，所测量的温度以第一上升速率持续上升；在燃料电池系统的启动阶段期间，借助控制单元在辨识到第一上升阶段后监视所测量的温度上升到所测量的温度的平台期，在所述平台期中，所测量的温度的上升速率最高相当于最大的第一上升速率的预确定部分；辨识跟随平台期的第二上升阶段，在所述第二上升阶段中，所测量的温度以超过平台期上升速率的第二上升速率持续上升；以及在平台期期间，减少通过排热设备的冷却剂输送体积流量和/或提高至少一个燃料电池中的电流和/或降低电池电压。

20、该方法还可以具有以下步骤：在平台期期间控制单元操控与排热设备并联布置的旁路的旁通阀，以便引导冷却剂路径中的冷却剂至少部分通过旁路。

21、此外，该方法还可以包含以下步骤：控制单元根据冷却剂泵的初始转速、燃料电池系统的环境温度、由燃料电池系统引起的热输入和/或平台期的存在或时间长度，针对接下来的冷启动来适配对冷却设备的调节。