用于控制燃料电池系统的干燥过程的方法与流程

本发明涉及一种根据独立方法权利要求所述的用于尤其在关断燃料电池系统时、优选在为燃料电池系统的启动、尤其是冷启动做准备时控制燃料电池系统的干燥过程的方法。此外，本发明涉及一种相应的控制单元和一种相应的计算机程序产品。

背景技术：

1、在车辆、所谓的燃料电池车辆中，驱动能量主要通过一个或者多个燃料电池系统提供，在所述车辆中，通常将来自环境空气的氧气用作氧化剂并且将氢气用作还原剂或燃料，以便在燃料电池中反应成水并且因此通过电化学转换来提供电功率。通常，燃料电池系统包括多个燃料电池，所述燃料电池合并成堆垛。在移动式燃料电池系统中，具有挑战性的是，在世界范围相关的所有条件下并且在车辆的不同长度的停机时间的情况下，系统的启动应当：

2、在功能方面实现，并且

3、在此达到对系统的使用寿命的要求。

4、在所谓的冷启动(也被称为冻结启动)的情况下，尤其是如下目标成为焦点：尽可能快速地将堆垛从冻结区中带出(温度>0℃)，以便产生的水在堆垛中的关键部位处不冻结。在有故障的冻结启动的情况下，不仅堆垛可能受到严重不可逆的损伤，而且系统可能不能启动，即在冻结启动的情况下，必须尽可能快速地将车辆带到“温暖的”环境中。通常重要的是，在启动之前或在启动开始时，该堆垛包含多少水。有利地，水的该量应位于误差范围内，以便堆垛一方面可以使在启动时产生的水仍然存入到该堆垛的能够存储的部件中(例如膜片、气体扩散层等)中，而不由于冻结的水造成阻塞。另一方面，该堆垛也不应被完全干燥，使得不能够实现膜片的质子传导能力并且该膜片由于过于干燥的状态而受到损伤。因此，相对于启动前置的状态和运行类型是至关重要的，以便保证用于再次启动的已经做出准备的措施，例如：

5、在关断系统时对堆垛的干燥方法，和/或

6、在系统的停机状态中的清扫过程。

7、对阴极路径的干燥可以例如借助空气压缩系统(用于对堆垛的“吹扫”)在限定的时间内执行。

技术实现思路

1、本发明提出：一种具有根据独立方法权利要求的特征的用于尤其在关断燃料电池系统时、优选在为燃料电池系统的启动、尤其是冷启动或冻结启动做准备时控制燃料电池系统的干燥过程的方法。此外，本发明提出具有并列权利要求的特征的相应的控制单元和相应的计算机程序。在此，在本发明的不同实施方式和/或方面的背景下描述的特征和细节，当然也在根据本发明的其他实施方式和/或方面的背景下适用，相应地反之亦然，从而在对各个实施方式和/或方面的公开内容方面始终相互援引或能够相互援引。

2、根据第一方面，本发明提出：用于尤其在关断燃料电池系统时、优选在为燃料电池系统的启动、尤其是冷启动做准备时控制燃料电池系统的干燥过程的方法。

3、该方法具有下述步骤：

4、引入燃料电池系统的干燥过程，或者换言之，接通空气压缩系统，用于对燃料电池系统的阴极系统(包括在堆垛中的阴极路径和/或阴极空间)和/或阳极系统(包括在堆垛中的阳极路径和/或阳极空间)的吹扫，

5、将燃料电池系统的至少一个功能系统中的至少一个运行参数调整到恒定的水平或调整为恒定值，

6、在燃料电池系统的至少一个功能系统中、尤其是在燃料电池系统的阴极系统和/或阳极系统中监控燃料电池系统的堆垛的至少一个排出温度，

7、分析处理所述至少一个排出温度、尤其是所述至少一个排出温度的梯度，

8、根据所述分析处理，确定用于结束干燥过程的终止时间点，

9、并且尤其是，在所确定的终止时间点结束干燥过程。

10、根据本发明的方法的步骤可以以预给定的顺序或者以改变的顺序执行。根据本发明的方法的步骤可以同步地、至少部分同时地和/或相继地进行。

11、优选地，在本发明的意义上的燃料电池系统可以用于移动应用，例如在车辆、尤其是燃料驱动的车辆中使用。在本发明意义上的燃料电池系统可以用作用于车辆的主能量供应装置。但是，同时也能够考虑，在本发明意义上的燃料电池系统可以是车辆的、例如混合动力车辆的辅助驱动器和/或助力驱动器。此外，在本发明意义上的燃料电池系统可以用于静止应用、例如在发电机中使用。

12、在此，在本发明意义上的燃料电池系统可以具有一个或者多个堆垛，所述堆垛分别具有多个堆叠的燃料电池和与此相关的功能系统，所述功能系统包括：介质系统(空气系统或阴极系统、燃料系统或阳极系统、冷却系统)以及电系统。优选地，在本发明意义上的燃料电池系统可以包括多个模块，所述模块呈具有多个堆叠的燃料电池的单个堆垛的形式。

13、在本发明意义上的至少一个功能系统可以包括介质系统(包含：空气系统或阴极系统、燃料系统或阳极系统、冷却系统)以及电系统。

14、本发明提出，以优化的方式控制燃料电池系统的干燥过程并且尤其在匹配的时间窗口中结束该干燥过程，以便可以实现下述优点，优选使得：

15、堆垛不在过于潮湿的状态下被关断，

16、由此可以减少、甚至完全避免在冷启动和/或冻结启动的情况下的问题，所述问题可能导致系统部件的退化、损坏和/或功能性故障的危险；

17、堆垛的膜片不变得过于干燥，

18、由此可以降低、甚至完全避免例如由于膜片的收缩和/或稀疏化造成的膜片的退化、从阳极到阴极的燃料扩散、在阴极中的燃料浓度增加和/或不必要的燃料消耗的危险；

19、燃料电池系统的关断的持续时间不过长，即以时间优化的方式实现燃料电池系统的关断，

20、由此可以实现对后驱动时间(postdrive-zeit)的优化和在关断该系统时的不期望的振动的减少、所谓的nvh。

21、在此，本发明的构思在于，根据在阳极路径中的、尤其是在堆垛输出端上的温度和/或在阴极路径中的、尤其是在堆垛输出端上的温度，控制干燥过程的持续时间。

22、优选地，本发明可以设置对燃料电池系统的功能系统中的恒定的堆垛运行条件的调整，所述功能系统包括：

23、空气系统或阴极系统，

24、冷却系统，

25、燃料系统或阳极系统，和/或

26、电系统。

27、尤其是，该监控可以包括：

28、可以随着时间的推移检测在阴极路径中的和/或在阳极路径中的温度(尤其是指输出温度)，并且可以根据时间将所述温度表示为函数或轨迹。

29、尤其是，该分析处理可以包括：

30、可以在一阶导数或梯度方面分析处理在阴极路径中的和/或在阳极路径中的温度、尤其是所述温度的函数或轨迹，其中，尤其是，可以将所述分析处理至少部分地或者完全地转移到外部计算单元、例如云上。

31、尤其是，对终止时间点的确定可以包括：

32、根据所述分析处理选择当前的干燥过程的匹配的持续时间。

33、此外，可以通过结合另外的标准，例如对阻抗和/或电压的(一个或者多个轨迹的)分析处理，对该方法进行细化和/或可信度检验。

34、此外，在该方法中可以设置，在调整至少一个运行参数时，将下述参数中的至少一个参数调整到恒定的水平或调整为恒定的值：

35、燃料电池系统的阴极系统中的至少一个运行参数，

36、其中，尤其是，阴极系统中的至少一个运行参数至少具有空气质量流、在阴极路径中的压力水平和/或阴极入口温度；

37、燃料电池系统的冷却系统中的至少一个运行参数，

38、其中，尤其是，冷却系统中的至少一个运行参数至少具有在堆垛入口上的冷却剂的温度和/或在堆垛入口与堆垛出口之间的冷却剂的温度差；

39、燃料电池系统的阳极系统中的至少一个运行参数，

40、其中，尤其是，阳极系统中的至少一个运行参数至少具有在阳极路径中的压力水平；

41、和/或

42、燃料电池系统的电系统中的至少一个运行参数，

43、其中，尤其是，电系统中的至少一个运行参数至少具有电流和/或电流密度。

44、通过这种方式，可以在堆垛上和/或在堆垛中调设尽可能恒定的条件，使得在阴极路径中和/或在阳极路径中的输出温度、尤其是所述输出温度的导数或梯度可以对于干燥过程的进展或对于系统中的剩余湿气进行说明。在干燥过程中或在对阴极系统和/或阳极系统吹扫时，在阴极路径中并且也在阳极路径中排出湿气或水滴，并且因此也到达在堆垛下游的温度传感器。通过该湿气的汽化，产生冷却效果(在相关范围中，水的蒸发焓为41至45kj/mol)，由此，传感器显示温度的下降。在此，在堆垛输入端上的温度大于在堆垛输出端上的温度。如果输入条件不改变或者不明显改变，并且如果只有少量燃料或者只有经预调温的燃料被配量到阳极回路中，则冷却剂又可以具有比在堆垛输出端上的温度更高的温度，在堆垛输出端上的温度也会趋向于接近该更高的温度。在干燥过程开始时，给膜片、气体扩散层、通道或双极板的完整的表面良好地供给湿气或以水润湿。随着干燥的进展，未结合的并且因此能够容易运走的水越来越多地减少。在阴极路径和阳极路径中的气体质量流将越来越少的水滴从堆垛中导出，并且在堆垛下游的湿气减少。由此，汽化也减弱，并且在堆垛输出端上的温度梯度也随之减小。因此，如果在堆垛输出端上的温度梯度下降、例如下降到小于能够应用的阈值，或如果输出温度再次升高，则该干燥过程已充分执行。继续干燥会过分强烈地干燥膜片，可能会导致增加的退化、导致从阳极到阴极的不期望的燃料运输、导致不必要的燃料消耗、导致不必要的时间需求并且导致在关断系统时的不必要的颤动。

45、有利地，在调整至少一个运行参数时，可以同时地、至少部分地在相同时间或者相继地调整不同功能系统的至少一个运行参数，通过这种方式，可以以灵活的方式实现对干燥过程的控制。

46、优选地，在引入干燥过程之前，可以执行至少一个准备步骤，以便尤其将燃料电池系统的至少一个功能系统中的至少一个运行参数调设到期望的水平或者使所述至少一个运行参数至少接近期望的水平。通过这种方式，在引入干燥过程之后，可以在系统中相对快速地调设恒定的条件并且可以以节省时间的方式执行所述方法。

47、另外能够考虑，在执行所述方法时，使用至少一个运行参数的不同参数组，和/或在执行所述方法时，尤其按顺序地、优选在具有瞬时过渡的情况下、在不进行分析处理的情况下使用至少一个运行参数的不同值。通过这种方式，可以实现干燥过程的逐级的执行，该干燥过程可以以对于该堆垛温和的方式运行。

48、如上所述，在监控至少一个排出温度时，可以检测：

49、燃料电池系统的阴极系统中的排出温度和/或

50、阳极系统中的排出温度。

51、在阴极系统(包括通向和/或穿过堆垛的阴极路径)中的和/或在阳极系统(包括通向和/或穿过堆垛的阳极路径)中的温度、尤其是输出温度可以对于干燥过程的进展进行说明，以便确定干燥过程的改进的终止时间点。

52、有利地，在分析处理至少一个排出温度时，可以至少对温度函数的一阶导数和/或对温度函数的至少两个点之间的温度差进行分析处理。下降的且随着干燥过程的时间推移而接近零值的梯度，可以是用于干燥过程的充分进展的标志并且因此是用于干燥过程的匹配的终止时间点的标志。通过监控温度差，可以将该方法的结果细化。

53、优选地，在分析处理至少一个排出温度时，可以监控下降到低于至少一个阈值，所述阈值尤其是用于温度函数的梯度的阈值。这可以构成在计算方面简单且可靠的方法，以便确定干燥过程的充分进展并且因此确定干燥过程的匹配的终止时间点。

54、另外可以设置，如果在监控至少一个排出温度时检测燃料电池系统的阴极系统中的排出温度和阳极系统中的排出温度(在堆垛输出端上的反应物路径的两个排出温度)，

55、则在确定用于结束干燥过程的终止时间点时，考虑在时间上晚些的下降到低于阈值作为中止条件，和/或

56、在首个下降到低于阈值之后，调设直到干燥过程结束为止最多允许经过的、用于等待在时间上晚些的下降到低于阈值的预限定的等待时间。

57、因此，该干燥过程可以以可变的方式执行，提供经细化的结果，并且以匹配或及时的方式结束。

58、此外能够考虑，在确定用于结束干燥过程的终止时间点时，根据所述分析处理使用理论上确定的时间点，其中，优选的是：

59、将终止时间点确定为理论上确定的时间点，或者

60、将终止时间点确定为具有另外的(或加上另外的)补偿时间的理论上确定的时间点。

61、在第一种情况下，可以实现该方法的快速的执行。在后一种情况下，还可以补偿来自对在堆垛中的热动力参量的分析处理和/或三维分布的可能的不确定性。

62、此外能够考虑，在终止时间点结束干燥过程之后，执行至少一个另外的关断过程，所述至少一个另外的关断过程包括例如：

63、泄放(bleed-down)过程和/或

64、清扫过程。

65、通过这种方式，除了经优化的干燥过程之外，可以将燃料电池系统的关断过程与另外的有利措施组合。

66、为了还进一步细化该方法，可以设置，除了监控和分析处理至少一个排出温度之外，监控并且分析处理燃料电池系统的至少一个另外的运行参数，所述至少一个另外的运行参数包括：

67、阻抗，

68、燃料电池系统的电压，和/或

69、燃料电池系统的电池单体的电压。

70、因此，该方法可以与另外的触发器或诊断或监控功能组合。通过将多个标准组合，还可以更稳健地适配该干燥方法的持续时间。

71、此外能够考虑，如果监控并且分析处理燃料电池系统的多个运行参数，

72、则在确定用于结束干燥过程的终止时间点时，考虑至少两个、优选四个运行参数，或者

73、在确定用于结束干燥过程的终止时间点时，使用运行参数的品质函数，该品质函数尤其将运行参数的值标准化、加权和/或根据可用性相关联。

74、在第一种情况下，可以实现该方法的经细化的且同时相对快速的执行。在后一种情况下，该方法可以提供特别稳健且可靠的结果。

75、有利地，可以以如上所述的方式运行的方法，可以至少部分地、尤其是对于：分析处理和/或确定的部分，通过外部计算单元、尤其是云执行。

76、另外，该方法可以至少部分地通过燃料电池系统的控制单元执行，所述部分包括引入、调整和/或监控。

77、相应的控制单元提供本发明的另一方面。在控制单元的存储器单元中可以保存有呈代码形式的计算机程序，在通过控制单元的计算单元实施所述代码时，该计算机程序执行可以以如上所述的方式运行的方法。借助该控制单元，可以实现与在上文中在根据本发明的方法的背景下所描述的优点相同的优点。在当前情况下，完全援引这些优点。

78、控制单元可以与在阴极系统的和/或阳极系统的堆垛输出端上的温度传感器通信连接，以便例如查询和/或获得输出温度。控制单元可以相应地操控在燃料电池系统的功能系统中的执行器，以便相应地执行该方法。

79、此外，控制单元可以与外部计算单元通信连接，以便将一些方法步骤和/或计算完全地或者部分地转移到外部计算单元上。

80、根据另一方面，本发明提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括指令，所述指令在通过计算机(例如控制单元的计算单元)实施该计算机程序产品时促使该计算机执行以如上所述的方式运行的方法。借助该计算机程序产品，可以实现与在上文中在根据本发明的方法和/或根据本发明的控制单元的背景下所描述的优点相同的优点。在当前情况下，完全援引这些优点。