AT528200A4 - Regelungsverfahren für eine Regelung wenigstens eines Betriebsparameters eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens zwei Brennstoffzellenstapeln - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren für eine Regelung wenigstens eines Betriebsparameters (BP) eines Brennstoffzellensystems (100) mit wenigstens zwei Brennstoffzellenstapeln (110), die Brennstoffzellenstapel (110) jeweils aufweisend einen Brennstoffabschnitt (120) und einen Luftabschnitt (130), wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind: - Vorgeben eines Soll-Wertes (SW) für den zu regelnden Betriebsparameter (BP), - Vorgeben einer Stellposition (SP) eines für wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel (110) gemeinsamen Aktuators (140) zur Anpassung des zu regelnden Betriebsparameters (BP) auf Basis des vorgegebenen Soll-Wertes (SW) für die wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel (110), - Erfassen jeweils wenigstens eines Stapel-Ist-Wertes (STI) des zu regelnden Betriebsparameters (BP) für jeden Brennstoffzellenstapel (110), - Bestimmen eines gemeinsamen System-Ist-Wertes (SYI) für die wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel (110) auf Basis der erfassten Stapel-Ist-Werte (STI) mittels einer Kombinationsbeziehung (KB) zwischen den erfassten Stapel-Ist-Werten (STI) und dem gemeinsamen System-Ist-Wert (SYI), - Bestimmen einer Regelungsabweichung (RA) des bestimmten System-Ist-Wertes (SYI) von dem vorgegebenen Soll-Wert (SW), - Anpassen der vorgegebenen Stellposition (SP) auf Basis der Regelungsabweichung (RA).

Description

Regelungsverfahren für eine Regelung wenigstens eines Betriebsparameters

eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens zwei Brennstoffzellenstapeln

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren für eine Regelung wenigstens eines Betriebsparameters eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens zwei

Brennstoffzellenstapeln.

Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme, insbesondere für Situationen mit großen Lastanforderungen, mit mehreren Brennstoffzellenstapeln ausgestattet werden sollen. Dabei können wenigstens zwei, insbesondere jedoch eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln, modulweise zusammengefügt werden, um ein entsprechend großes und leistungsfähiges Brennstoffzellensystem auszubilden. Insbesondere wird ein solches komplexes und leistungsfähiges Brennstoffzellensystem eingesetzt bei Anforderungen im maritimen Bereich, bei großen stationären Stromerzeugungsanla-

gen oder ähnlichen Einsatzgebieten.

Ein Nachteil der bekannten Systeme liegt insbesondere im notwendigen aufwendigen Regelungsverfahren. Bei einzelnen kompakten Brennstoffzellensystemen mit einem einzigen Brennstoffzellenstapel kann eine einfache Regelungsschleife eingesetzt werden. Wird beispielsweise der Druck auf der Luftseite im Luftabschnitt des Brennstoffzellenstapels geregelt, so wird hierfür ein Stellwert vorgegeben, ein entsprechender Aktuator, beispielsweise in Form eines Luftverdichters, mit einer Stellposition versehen und auf diese Weise eine Drucksituation eingestellt. Die sich einstellende Drucksituation kann dann von einem Drucksensor, beispielsweise am Stapeleingang des Brennstoffzellenstapels auf der Luftseite erfasst werden, und dieser

aktuelle gemessene Ist-Wert in die Regelschleife zurückgeführt werden.

Bei den großen, leistungsfähigen und entsprechend komplexen Brennstoffzellensystemen mit einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln ist ein solches einfaches Ausbilden einer Regelungsschleife nicht möglich. Vielmehr ist üblicherweise ein gemeinsamer Aktuator, beispielsweise in Form eines ansaugenden Luftverdichters vorgesehen, welcher anschließend den Luftstrom auf die Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln verteilt. Für jeden Brennstoffzellenstapel ist entsprechend ein spezifischer Stapelsensor vorgesehen, welcher für jeden Brennstoffzellenstapel spezifisch einen ak-

tuellen Ist-Wert für die Drucksituation auf der jeweiligen Luftseite am jeweiligen

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Regelung auch von komplexen und leistungsfähigen Brennstoffzellensystemen mit einer Vielzahl von Brennstoff-

zellenstapel zu gewährleisten.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Regelungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 13, eine Regelungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt, der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bezie-

hungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß dient ein Regelungsverfahren der Regelung wenigstens eines Betriebsparameters eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens zwei Brennstoffzellenstapeln. Jeder dieser Brennstoffzellenstapel ist im Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffabschnitt und einem Luftabschnitt ausgestattet. Das Regelungsver-

fahren der vorliegenden Erfindung zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

- Vorgeben eines Soll-Wertes für den zu regelnden Betriebsparameter,

Brennstoffzellenstapel,

- Erfassen jeweils wenigstens eines Stapel-Ist-Wertes des zu regelnden Be-

triebsparameters für jeden Brennstoffzellenstapel,

- Bestimmen eines gemeinsamen System-Ist-Wertes für die wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel auf Basis der erfassten Stapel-Ist-Werte mittels einer Kombinationsbeziehung zwischen den erfassten Stapel-Ist-Werten und

dem gemeinsamen System-Ist-Wert,

- Bestimmen einer Regelungsabweichung des bestimmen System-Ist-Wer-

tes von dem vorgegebenen Soll-Wert,

- Anpassen der vorgegebenen Stellposition auf Basis der Regelungsabwei-

chung.

Ein erfindungsgemäßes Regelungsverfahren basiert grundsätzlich auf der Systematik einer Regelungsschleife, welche auch als Feedback Loop bezeichnet werden kann. Für diese Regelungsschleife ist als Ausgangspunkt ein Soll-Wert vorgegeben, welcher beispielsweise einen Soll-Druckwert auf der Luftseite im Luftabschnitt aller Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems darstellt. Bei einem komplexen und leistungsfähigen Brennstoffzellensystem kann zum Beispiel ein gemeinsamer Verdichter Luft aus der Umgebung ansaugen und entsprechend über Leitungen aufgeteilt auf die einzelnen Brennstoffzellenstapel verteilen. Die jeweilige, sich einstellende Drucksituation wird für jeden Brennstoffzellenstapel einzeln, beispielsweise an einem Eingangsabschnitt des Luftabschnitts mittels jeweils eines spezifischen Drucksensors erfasst. Somit wird der durch einen gemeinsamen Aktuator in Form des luftansaugenden Verdichters erzeugte Luftstrom zu einer Vielzahl von Rückkopplungswerten in Form von Stapel-Ist-Werten, also in Form von spezifischen für den jeweiligen Brennstoffzellenstapel eindeutigen Druckwerten auf der Eingangsseite des Luft-

abschnitts führen.

Das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist insbesondere als PEM-Brenn-

stoffzellensystem ausgebildet, wenngleich dieses auch als SOFGC-System ausgebil-

det sein kann.

Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht nun darauf, dass in intelligenter und zielgerichteter Weise ein Zusammenführen der einzelnen Stapel-Ist-Werte erfolgt. Dieses Zusammenführen dient einem Bestimmen eines einzigen und gemeinsamen System-Ist-Wertes an Stelle der Vielzahl der Stapel-Ist-Werte, wobei anschließend der System-Ist-Wert als einziger und gemeinsamer Rückkopplungsparameter zur Bestimmung der Regelungsabweichung und der anschließenden Anpassung der Stell-

position führt.

Dabei ist es entscheidend, dass in zielgerichteter Weise die Zusammenführung und Kombination der einzelnen Stapel-Ist-Werte zu dem gemeinsamen System-Ist-Wert erfolgt. Für diese gezielte und nachvollziehbare Kombination ist erfindungsgemäß die Kombinationsbeziehung vorgesehen. Die Kombinationsbeziehung ist insbesondere ein algorithmischer Zusammenhang, welcher damit einen vorhersagbaren algorithmischen Zusammenhang zwischen den einzelnen Stapel-Ist-Werten und dem SystemIst-Wert darstellt. So kann beispielsweise ein einfacher algorithmischer Zusammenhang oder ein komplexer funktioneller Zusammenhang die Stapel-Ist-Werte als Funktionseingangswerte verwenden und auf deren Basis einen einzigen gemeinsamen

System-Ist-Wert durch Kombination erzeugen.

Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die Kombinationsbeziehung neben einer rein algorithmischen Ausgestaltung auch andere Ausgestaltungsformen aufweisen kann. Beispielsweise ist hier auch eine künstliche Intelligenz einsetzbar, aber auch die Ver-

wendung von Simulationsmodulen ist grundsätzlich denkbar.

Erfindungsgemäß wird es nun also möglich, aus einer Vielzahl von einzelnen stapelspezifischen Stapel-Ist-Werten automatisiert mittels einer Kontrollvorrichtung in Form eines Computers einen einzigen gemeinsamen System-Ist-Wert zur Verfügung zu stellen, welcher aufgrund einer gezielt vordefinierten Kombinationsbeziehung eine aussagekräftige Information über die aktuelle Betriebssituation hinsichtlich des zu regelnden Betriebsparameters darstellt. Damit erfolgt ein Kombinieren der Komplexität aller einzelnen Stapel-Ist-Werte zu einem gemeinsamen System-Ist-Wert, welcher

anschließend in der üblichen Weise einer einfachen und effizienten

werden.

Es ist noch darauf hinzuweisen, dass das erfindungsgemäße Regelungsverfahren in keiner Weise limitiert ist hinsichtlich der Anzahl der Brennstoffzellenstapel. Auch kann das Regelungsverfahren selbstverständlich nicht nur für einen einzelnen Betriebsparameter, sondern für eine Vielzahl von Betriebsparametern separat oder kombiniert eingesetzt werden. Nicht zuletzt, wie dies später noch näher erläutert wird, können auch mehrere unterschiedliche Kombinationsbeziehungen für einen zu regelnden Betriebsparameter verwendet werden und zum Beispiel entsprechend schaltbar für unterschiedliche Situationen beim Betrieb des Brennstoffzellensystems

ausgestaltet sein.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei der Ausbildung der Kombinationsbeziehung diese frei und damit insbesondere unabhängig von der Bestimmung eines arithmetischen Mittelwertes ausgebildet ist. Auch wenn der arithmetische Mittelwert grundsätzlich auch eine Möglichkeit für eine Kombinationsbeziehung darstellen würde, stellt er doch nur in geringem Maße die tatsächliche Betriebssituation in einem komplexen Brennstoffzellensystem dar. Insbesondere sind daher komplexere und näher an der Realität liegende Kombinationsbeziehungen bevorzugt. Insbesondere gilt dies mit Bezug auf die gewünschte Regelungssituation und die später noch näher erläuterten Beispiele der Kombinationsbeziehungen, beispielsweise eine Gewichtung als Teil der Kombinationsbeziehung, eine Auswahl eines Maximums und/oder eine Aus-

wahl eines Minimums bezüglich der Stapel-Ist-Werte.

innerhalb des Regelungsverfahrens ab.

Ebenfalls Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren die Kombinationsbeziehung die Stapel-Ist-Werte gewichtet und daraus einen gewichteten Mittelwert des System-Ist-Wertes bestimmt. Eine solche gewichtete Kombinationsbeziehung ist mit besonderen Vorteilen versehen. Dabei kann die Gewichtung unterschiedlichen Zusammenhängen oder Vorgaben folgen. So sind beispielsweise physikalische Zusammenhänge in einer vorgegebenen und damit vordefinierten Gewichtung abbildbar. Beispielsweise können unterschiedliche reale an den Komponenten vorhandene Rohrlängen berücksichtigt werden, der damit entstehende und berechenbare Druckverlust in die Gewichtung einberechnet werden. Auch ist es möglich, unterschiedliche Brennstoffzellenstapel generell zu priorisieren und/oder in Abhängigkeit von einer aktuellen Betriebssituation oder Alterungssituation zu priorisieren. Mit anderen Worten wird es auf diese Weise möglich durch die gezielte und feste Vorgaben oder auch variable Anpassungen während des Betriebs für die Gewichtungsfaktoren eine kalibrierte Anpassung an die Betriebssituation des Brennstoffzellensystems durchzuführen. Auch eine Variabilität der Gewichtungsfaktoren, wie auch eine Schaltbarkeit unterschiedlicher Gewichtungsfaktoren, ist hier grund-

sätzlich denkbar.

Weitere Vorteile sind ebenfalls erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren die Gewichtung der Stapel-Ist-Werte wenigstens eine der folgenden

Gewichtungsgrundlagen aufweist:

- Priorisierung des jeweiligen Brennstoffzellenstapels,

zellenstapels.

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Auch ist es möglich, dass die Gewichtungsgrundlagen miteinander kombiniert werden. Die Priorisierung eines Brennstoffzellenstapels kann beispielsweise auf unterschiedlichen Gewichtungsinformationen beruhen. So können zum Beispiel unterschiedliche Alterungszustände der Brennstoffzellenstapel erfasst werden und entsprechend stärker gealterte Brennstoffzellenstapel mit anderen Gewichtungsfaktoren versehen werden. Beispielsweise kann ein Alterungseffekt an einem Brennstoffzellenstapel zu einer Reduktion der Dicke der Membran in die einzelnen Brennstoffzellen führen. Auf diese Weise gealterte Brennstoffzellen werden entsprechend anfälliger gegenüber Überdruck sein. So kann hinsichtlich einer Druckregelung dieser Alterungszustand und die erhöhte Anfälligkeit der Druckdifferenzen berücksichtigt werden und entsprechend ein auf diese Weise gealterter Brennstoffzellenstapel mit einem höheren und damit priorisierenden Gewichtungsfaktor versehen werden als weniger stark gealterte Brennstoffzellenstapel. Dies erlaubt es gezielt Rücksicht zu nehmen auf eine tatsächliche Alterungssituation und damit die Regelungssituation anzupassen. Selbstverständlich können auch andere Priorisierungsgrundlagen, beispielsweise die Leistungsfähigkeit, der Schaltzustand, die Lastanforderung oder Ähnliches für die Priorisierung einzelner oder mehrerer Brennstoffzellenstapel verwendet werden. Auch ist es möglich, für diese Gewichtung grundsätzlich vorab ein Kalibrierungsverfahren durchzuführen. Ein solches Kalibrierungsverfahren kann beispielsweise auf einem Prüfstand durchgeführt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass für Fertigungsunterschiede einzelner Komponenten, beispielsweise einzelner Ventile, Drosselklappen oder Ähnliches, ein tatsächliches Vermessen der jeweiligen Komponente bei der Montage des Brennstoffzellensystems stattfindet. In einem solchen Fall kann auf Basis dieser Messergebnisse bei der Montage des Brennstoffzellensystems bei der Gewichtung die tatsächliche Fertigungstoleranz der tatsächlich verbauten Komponente in der Gewichtung berücksichtigt und damit Einfluss in das Regelungsverfahren finden. Mit anderen Worten wird durch das Kalibrieren die Re-

gelung an spezifische Fertigungstoleranzen angepasst.

Darüber hinaus bringt es Vorteile mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Re-

gelungsverfahren die Kombinationsbeziehung ein Minimum der erfassten Stapel-Ist-

erreicht.

Zusätzlich kann es auch von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren die Kombinationsbeziehung ein Maximum der erfassten Stapel-IstWerte als System-Ist-Wert bestimmt. Dabei kann es sich ähnlich dem voranstehenden Absatz ebenfalls um eine Sondersituation in der Regelung handeln. Auch diese kann schaltbar mit einer beispielsweise gewichtet ausgebildeten Kombinationsbeziehung kombiniert werden. Ein Maximum für die Bestimmung des System-Ist-Wertes ist insbesondere dann sinnvoll, wenn eine Obergrenze auf keinen Fall überschritten werden darf. Wie bereits weiter oben erläutert worden ist, kann dies zum Beispiel für eine Drucksituation gelten, wenn für eine maximale Sicherheit eine Beschädigung von druckempfindlichen Membranen in einem Brennstoffzellensystem vermieden werden soll. Hier wird sichergestellt, dass immer der Brennstoffzellenstapel für die Regelung als System-Ist-Wert verwendet wird, welches bereits den höchsten erfassten Stapel-Ist-Wert aufweist und dementsprechend am nächsten an der nicht zu

überschreitenden Schwelle liegt.

Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren für den Schritt des Bestimmens des System-Ist-Wertes eine Auswahl aus wenigstens zwei unterschiedlichen Kombinationsbeziehungen erfolgt. Wie

bereits mehrfach erläutert worden ist, können je nach Regelungsziel unterschiedliche

dere auch variabel unterschiedliche Regelungsziele berücksichtigen.

So kann es von Vorteil sein, wenn bei einem Regelungsverfahren gemäß dem voranstehenden Absatz die Auswahl der Kombinationsbeziehung auf Basis wenigstens ei-

nes der folgenden Einflussfaktoren erfolgt:

- Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels und/oder des Brennstoffzel-

lensystems,

- Alterungszustand des Brennstoffzellenstapels und/oder des Brennstoffzel-

lensystems,

- Lastanforderung an den Brennstoffzellenstapel und/oder das Brennstoffzel-

lensystem, - Regelungsziel bei der Regelung des Betriebsparameters.

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Die Auswahl erfolgt als Teil des Regelungsverfahrens insbesondere automatisch mittels der Regelungsvorrichtung und berücksichtigt dabei einen oder mehrere der genannten Einflussfaktoren. Der Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels kann dabei insbesondere unterschieden werden zwischen statische und dynamische Betriebszustände, beispielsweise beim Anfahren oder Abfahren des Brennstoffzellensystems und/oder eines einzelnen Brennstoffzellenstapels. Wie bereits mehrfach angedeutet, kann auch der Alterungszustand berücksichtigt werden, um beispielsweise Schutzmechanismen beim Regeln eines Betriebsparameters für unterschiedliche Brennstoffzellenstapel unterschiedlich zu gewichten. Auch die aktuelle Lastanforderung kann Einfluss auf die Auswahl der Kombinationsbeziehung nehmen, wenn beispielsweise bei Teillast ein einzelner Brennstoffzellenstapel nicht betrieben oder

sogar vollständig ausgeschalten werden soll. Nicht zuletzt kann auch das

Regelungsziel einen Einflussparameter bilden. Beispielsweise kann es für verschiedene Betriebssituationen oder Betriebsparameter von Vorteil sein, wenn ein besonders schnelles Regeln stattfindet. Andere Betriebsparameter können entsprechend mit einer möglichst genauen Regelung und damit einer Reduktion des Regelungsfehlers als Regelungsziel vorgegeben sein. In allen Fällen ist selbstverständlich auch eine Kombination unterschiedlicher Einflussfaktoren denkbar, sodass eine beliebige Komplexität mit einer beliebigen Anzahl von Kombinationsbeziehungen automatisier-

ten Einfluss in ein erfindungsgemäßes Regelungsverfahren nehmen kann.

Weiter von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren wenigstens zwei unterschiedliche Kombinationsbeziehungen verwendet werden, um auf Basis der erfassten Stapel-Ist-Werte mit jeder Kombinationsbeziehung einen eigenen System-Ist-Wert zu bestimmen, wobei die bestimmten System-Ist-Werte insbesondere als System-Ist-Vektor ausgegeben werden. Darunter ist zu verstehen, dass die Auswahl hinsichtlich der Kombinationsbeziehung erst bei der Auswahl hinsichtlich des zu verwendenden System-Ist-Wertes erfolgt. Mit anderen Worten wird ein ausführendes Computerprogramm bei dieser Ausführungsform immer automatisch alle vorhandenen Kombinationsbeziehungen parallel auswerten und entsprechend für jede Kombinationsbeziehung immer für jede Situation auch einen dazu spezifischen System-Ist-Wert bestimmen. All diese System-Ist-Werte werden nun gesammelt vorzugsweise in einem System-Ist-Vektor weitergegeben, sodass anschließend für die weitere Regelung und insbesondere das Bestimmen der Regelungsabweichung nur noch aus dem vorhandenen System-Ist-Vektor ausgewählt werden muss. Hinsichtlich der Geschwindigkeit eines solchen Regelungsverfahrens können Vorteile erzielt werden, da die Auswahl nicht mehr von der Abarbeitung der Kombinationsbeziehung abhängt, sondern ausschließlich von der Auswahl einer be-

reits bestimmten Anzahl unterschiedlicher System-Ist-Werte im System-Ist-Vektor.

Darüber hinaus bringt es Vorteile mit sich, wenn bei einem Regelungsverfahren gemäß dem voranstehenden Absatz eine der unterschiedlichen Kombinationsbeziehungen einen Mittelwert der erfassten Stapel-Ist-Werte als System-Ist-Wert bestimmt. Auch wenn es sich bei einem arithmetischen Mittelwert nur um eine bedingt sinnvolle Verwendung bei einer Kombinationsbeziehung handelt, kann sie jedoch immer eine sinnvolle Rückfallposition darstellen. So ist es beispielsweise möglich, dass der oder

die erzeugten System-Ist-Werte für die unterschiedlichen Kombinationsbeziehungen

Weitere Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren dieses für wenigstens einen der folgenden Betriebsparameter

des Brennstoffzellensystems eingesetzt wird: - Druck im Luftabschnitt, - Druck im Brennstoffabschnitt, - Massenstrom auf der Luftseite, - Temperatur eines Kühlfluids.

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Insbesondere sind hier Betriebsparameter zu betrachten, welche auch als gemeinsame Betriebsparameter oder geteilte Betriebsparameter bezeichnet werden können. Darunter sind Betriebsparameter zu verstehen, auf die in gemeinsamer Weise über einen gemeinsamen Aktuator Einfluss genommen werden kann. Dies kann beispielsweise ein Kühlmittelkreislauf sein, welcher für alle Brennstoffzellenstapel verwendet wird. Auch ist es möglich, den bereits erläuterten Verdichter für das Ansaugen von Außenluft, aber auch ein Regelungsventil für die Zufuhr von Brennstoff als solche gemeinsamen oder geteilten Betriebsparameter zu verstehen.

Ebenfalls von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren dieses für wenigstens zwei unterschiedliche Betriebsparameter durchgeführt wird, wobei insbesondere für jeden Betriebsparameter eine spezifische Kombinationsbeziehung eingesetzt wird. Damit wird ersichtlich, dass bei komplexen Brennstoffzellensystemen auch mehrere unterschiedliche, geteilte oder gemeinsame Betriebsparameter vorhanden sein können. Bevorzugt ist es demnach, wenn für alle geteilten oder gemeinsamen Betriebsparameter das erfindungsgemäße Regelungs-

verfahren parallel durchgeführt werden kann, sodass für die jeweils spezifischen

Betriebsparameter mit spezifischen Kombinationsbeziehungen die erfindungsgemä-

ßen Vorteile einheitlich für das gesamte Brennstoffzellensystem erzielt werden kön-

nen.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens auszuführen. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Rege-

lungsverfahren erläutert worden sind.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Regelungsvorrichtung für eine Regelung wenigstens eines Betriebsparameters eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens zwei Brennstoffzellenstapeln. Die Brennstoffzellenstapel weisen jeweils einen Brennstoffabschnitt und einen Luftabschnitt auf. Eine solche Regelungsvorrichtung zeichnet sich aus durch ein Vorgabemodul für ein Vorgeben eines SollWertes für den zu regelnden Betriebsparameter. Weiter ist ein Stellmodul für ein Vorgeben eines Stellmoduls eines für wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel gemeinsamen Aktuators zur Anpassung des zu regelnden Betriebsparameters auf Basis des vorgegebenen Soll-Wertes für die wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Mit Hilfe eines Erfassungsmoduls ist ein Erfassen jeweils wenigstens eines Stapel-Ist-Wertes des zu regelnden Betriebsparameters für jeden Brennstoffzellenstapel möglich. Die Regelungsvorrichtung weist weiter ein Bestimmungsmodul für ein Bestimmen eines gemeinsamen System-Ist-Wertes für die wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel auf Basis der erfassten Stapel-Ist-Werte mittels einer Kombinationsbeziehung zwischen den erfassten Stapel-Ist-Werten und dem gemeinsamen SystemIst-Wert auf. Weiter ist ein Abweichungsmodul vorgesehen für ein Bestimmen einer Regelungsabweichung des bestimmten System-Ist-Wertes von dem vorgegebenen Soll-Wert. Abschließend dient ein Anpassungsmodul einem Anpassen der vorgegebenen Stellposition auf Basis der Regelungsabweichung. Das Vorgabemodul, das Erfassungsmodul, das Bestimmungsmodul, das Abweichungsmodul und/oder das Anpassungsmodul sind für die Ausführung eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens ausgebildet. Damit bringt auch eine erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungs-

gemäßes Regelungsverfahren erläutert worden sind.

erläutert worden sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus-

führungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Einzelnen erläutert sind.

Es zeigen schematisch:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

Fig. 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung,

Fig. 3 ein möglicher Ablauf einer Kombinationsbeziehung,

Fig. 4 ein möglicher Ablauf einer weiteren Kombinationsbeziehung,

Fig. 5 ein möglicher Ablauf einer weiteren Kombinationsbeziehung,

Fig. 6 eine mögliche Nutzung mehrerer Kombinationsbeziehungen und

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung.

In Figur 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt, welches hier der Einfachheit halber mit zwei Brennstoffzellenstapeln 110 dargestellt ist. Bei leistungsfähigen und großen Brennstoffzellensystemen 100 sind insbesondere deutlich mehr separate Brennstoffzellenstapel 110 vorgesehen, welche insbesondere identisch, aber auch unterschiedlich hinsichtlich ihrer Größe und Leistungsfähigkeit zur Verfügung gestellt sein können. Jeder einzelne Brennstoffzellenstapel 110 lässt sich für die Betriebsweise in einen Luftabschnitt 130 und einen Brennstoffabschnitt 120 unterteilen. Für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 erfolgt nun eine Zufuhr von Brennstoffzuführgas BZG über einen gemeinsamen Brennstoffzuführabschnitt 122 und eine entsprechende Aufteilung auf alle Brennstoffabschnitte 120 aller Brennstoffzellenstapel 110. In ähnlicher Weise erfolgt auch eine Zufuhr von Zuluft ZL durch einen gemeinsamen Luftzuführabschnitt 132 und entsprechend eine Aufnahme auf Abluft AL über einen verzweigten Teil eines Luftabführabschnitts 134 von allen Luft-

abschnitten 130 aller Brennstoffzellenstapel 110.

Bei der Figur 1 ist schematisch Bezug genommen auf eine Regelung einer Drucksituation auf der Luftseite für alle Luftabschnitte 130 aller Brennstoffzellenstapel 110. Um den Luftdruck für die Zuluft ZL aller Luftabschnitte 130 aller Brennstoffzellenstapel 110 einzustellen, ist ein gemeinsamer Verdichter für die Ansaugung von Umgebungsluft dementsprechend als gemeinsamer Aktuator 140 vorgesehen. Mittels einer Stellposition SP, welche zum Beispiel in Form einer Drehzahl oder einer Leistungsabnahme, an den Verdichter vorgegeben wird, kann dieser gemeinsame Aktuator 140 betrieben werden und entsprechend dieser Stellposition SP, welche auch Stellvorgabe genannt werden kann, nun Zuluft ZL aus der Umgebung ansaugen und auf diese Weise eine Drucksituation in aufgeteilter Weise an jedem Brennstoffzellenstapel 110 und dort an den Zufuhrabschnitten zu dem jeweiligen Luftabschnitt 130 er-

zeugen.

In der Figur 1 ist nun für jeden Einzelabschnitt in der Zufuhr zu den einzelnen Brennstoffzellenstapeln 110 ein separater Stapelsensor 112 vorgesehen, sodass nun für jeden Luftabschnitt 130 jedes Brennstoffzellenstapels 110 separat ein spezifischer Druckwert als Stapel-Ist-Wert STI erfasst werden kann. Diese einzelnen Druckwerte unterscheiden sich naturgemäß und hängen zum Beispiel von den unterschiedlichen Rohrleitungslängen, Druckverlusten, Alterungssituationen oder weiteren physikali-

schen oder variablen Parametern ab. Die unterschiedlichen Werte und damit die

unterschiedlichen Stapel-Ist-Werte STI werden nun an eine Regelungsvorrichtung 10

weitergegeben und entsprechend dort verarbeitet. Mögliche Ausgestaltungen der Re-

gelungsvorrichtung 10 sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt und nehmen

Bezug auf die Darstellung der Figur 1.

So zeigt die Figur 2 eine besonders einfache Ausgestaltung einer Regelungsvorrichtung 10 für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind auch hier wieder nur zwei Stapel-Ist-Werte STI angegeben, wobei bei realen und leistungsfähigen Brennstoffzellensystemen 100 deutlich mehr, beispielsweise zehn, fünfzehn oder auch mehr Stapel-Ist-Werte STI Eingang in die Regelungsvorrichtung 10 finden können. Mit Hilfe des Erfassungsmoduls 30 werden die einzelnen Stapel-Ist-Werte STI erfasst und an das Bestimmungsmodul 40 weitergegeben. Im Bestimmungsmodul 40 erfolgt nun das Kombinieren und das Reduzieren der Komplexität, in dem mit Hilfe der Kombinationsbeziehung KB aus der Vielzahl der einzelnen Stapel-Ist-Werte STI ein einzelner System-Ist-Wert SYI erzeugt wird. Dieser System-Ist-Wert SYI wird nun in bekannter Weise einer Regelungsschleife zugrunde gelegt und damit in der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung über das Abrechnungsmodul 50 nun eine Regelungsabweichung RA bestimmt. Für diese Bestimmung ist es erforderlich einen Vergleich mit dem vorgegebenen Soll-Wert SW vom Vorgabemodul 20 durchzuführen und entsprechend mit Hilfe des Anpassungsmoduls 60 nun die Stellposition SP anzufassen. Das Stellmodul 70 kann nun die angepasste Stellposition SP an den entsprechenden

Aktuator 140 weitergeben.

Nimmt man die Ausführungsform der Figur 2 und wendet diese auf die Figur 1 an, so führt dies nun dazu, dass unterschiedliche Druckwerte als unterschiedliche StapelIst-Werte STI in die Regelungsvorrichtung 10 eingebracht werden. Aus diesen unterschiedlichen Druckwerten wird ein gemeinsamer und kombinierter Druckwert als System-Ist-Wert SYI erzeugt und entsprechend die Regelungsabweichung RA als Druckdifferenz zwischen dem System-Ist-Wert SYI und dem Soll-Wert SW bestimmt. Auf dieser Basis wird nun, beispielsweise bei einer negativen Regelungsabweichung RA und damit einem Unterschreiten des Soll-Drucks, eine neue Stellposition SP vorgegeben, welche bei diesem Beispiel zu einer Erhöhung der Drehzahl am Verdichter in Form des gemeinsamen Aktuators 140 führen wird. Damit startet die Regelungs-

schleife von neuem und über das Feedback der sich nun neu einstellende Stapel-Ist-

gen.

Die Figur 3 zeigt eine Möglichkeit einer Ausgestaltung einer Kombinationsbeziehung KB. Diese ist hier als gewichteter Mittelwert ausgebildet. Ausgehend von hier nun vier unterschiedlichen Stapel-Ist-Werten STI, welche mit beispielhaften Werten 5, 3, 4 und 8 versehen sind, erfolgt nun ein Einbringen in die gewichtete Kombinationsbeziehung KB. Von links nach rechts sind unterschiedliche Gewichtungsfaktoren als Multiplikatoren angesehen, sodass für den ersten Stapel-Ist-Wert STI ein Gewichtungsfaktor von 0,5, für den zweiten Stapel-Ist-Wert STI ebenfalls ein Gewichtungsfaktor von 0,5, für den dritten Stapel-Ist-Wert STI ein Gewichtungsfaktor von 0,75 und für den letzten Stapel-Ist-Wert STI ein Gewichtungsfaktor von 1 vorgesehen ist. Diese Gewichtungsfaktoren können als fest vorgegebene Priorisierung, aber auch variabel ausgebildet sein, um entsprechend automatisiert auf unterschiedliche Situationen der Regelung und/oder des Brennstoffzellensystem 100 Rücksicht zu nehmen. Durch die Multiplikation mit den Gewichtungsfaktoren ergeben sich die Zwischenwerte 2,5, 1,53 und 8, welche anschließend aufaddiert und durch die Gesamtsumme der Gewichtung, hier 2,75, geteilt werden. Als gewichteter Mittelwert bildet sich nun 5,091 aus, welcher als System-Ist-Wert SYI bestimmt und entsprechend

ausgegeben wird.

Die Figur 4 zeigt eine andere Kombinationsbeziehung KB. Hier wird eine Minimumfunktion eingesetzt, welche in der Lage ist, aus den hier beispielhaft vorgesehenen vier Stapel-Ist-Werten STI den Minimalwert 3 auszuwählen und entsprechend als

System-Ist-Wert SYI zu bestimmen und auszugeben.

Auch die Figur 5 zeigt eine weitere Möglichkeit einer Kombinationsbeziehung KB, wobei hier eine Maximalfunktionalität vorgesehen ist. Bei dieser Maximalfunktionalität wird aus allen Stapel-Ist-Werten STI der Maximalwert, hier in Form des Wertes 8,

ausgewählt und entsprechend als System-Ist-Wert SYI bestimmt und ausgegeben.

Die Figur 6 zeigt noch, wie unterschiedliche Kombinationsbeziehungen KB auch gemeinsam verwendet werden können. Dies kann zum Beispiel durch eine Schaltbarkeit vorgesehen sein, sodass je nach äußerem Einflussfaktor oder Regelungsziel nun genau eine der grundsätzlich vorhandenen Kombinationsbeziehungen KB ausge-

wählt und entsprechend der Erläuterung zu den Figuren 3, 4 und 5 durchgeführt

weichung RA ausgewählt und bestimmt werden.

Die Figur 7 zeigt eine Variante, welche die Ausführungsform der Figur 6 miteinschließt. Hier greift das Bestimmungsmodul 40 nun auf eine Datenbank mit unterschiedlichen Kombinationsbeziehungen KB zu und wählt zum Beispiel eine einzelne Kombinationsbeziehung KB schaltbar aus. Auch ist es möglich, dass gemäß der Figur 6 alle Kombinationsbeziehungen KB gleichzeitig ausgewählt und angewendet werden, sodass entsprechend hier ein System-Ist-Vektor SYIV gemäß der Figur 6

bestimmt und ausgegeben wird.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste

10 Regelungsvorrichtung 20 Vorgabemodul

30 Erfassungsmodul

40 Bestimmungsmodul 50 Abweichungsmodul 60 Anpassungsmodul

70 Stellmodul

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 112 Stapelsensor

120 Brennstoffabschnitt

122 Brennstoffzuführabschnitt 124 Brennstoffabführabschnitt 130 Luftabschnitt

132 Luftzuführabschnitt

134 Luftabführabschnitt

140 Aktuator

BZG Brennstoffzuführgas BAG Brennstoffabgas

ZL Zuluft

AL Abluft

BP Betriebsparameter

SW Soll-Wert

SP Stellposition

ST! Stapel-Ist-Wert

SYI! System-Ist-Wert

SYIV System-Ist-Vektor

RA Regelungsabweichung

KB Kombinationsbeziehung

Claims (15)

Patentansprüche

1. Regelungsverfahren für eine Regelung wenigstens eines Betriebsparameters (BP) eines Brennstoffzellensystems (100) mit wenigstens zwei Brennstoffzellenstapeln (110), die Brennstoffzellenstapel (110) jeweils aufweisend einen Brennstoffabschnitt (120) und einen Luftabschnitt (130), wobei die folgenden

Schritte vorgesehen sind:

- Vorgeben eines Soll-Wertes (SW) für den zu regelnden Betriebsparameter (BP),

- Vorgeben einer Stellposition (SP) eines für wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel (110) gemeinsamen Aktuators (140) zur Anpassung des zu regelnden Betriebsparameters (BP) auf Basis des vorgegebenen Soll-

Wertes (SW) für die wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel (110),

- Erfassen jeweils wenigstens eines Stapel-Ist-Wertes (STI) des zu regelnden Betriebsparameters (BP) für jeden Brennstoffzellenstapel (110),

- Bestimmen eines gemeinsamen System-Ist-Wertes (SYI) für die wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel (110) auf Basis der erfassten Stapel-Ist-Werte (STI) mittels einer Kombinationsbeziehung (KB) zwischen den erfassten Stapel-Ist-Werten (STI) und dem gemeinsamen SystemIst-Wert (SY'),

- Bestimmen einer Regelungsabweichung (RA) des bestimmten System-

Ist-Wertes (SYI) von dem vorgegebenen Soll-Wert (SW),

- Anpassen der vorgegebenen Stellposition (SP) auf Basis der Rege-

lungsabweichung (RA).

2. Regelungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für alle Brennstoffzellenstapel (110) des Brennstoffzellensystems (100) jeweils

wenigstens ein Stapel-Ist-Wert (STI) erfasst wird.

4. Regelungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtung der Stapel-Ist-Werte (STI) wenigstens eine der folgenden Gewichtungsgrundlagen aufweist:

- Priorisierung des jeweiligen Brennstoffzellenstapels (110)

- Aufbau und/oder Anordnung der Komponenten des jeweiligen Brenn-

stoffzellenstapels (110),

5. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombinationsbeziehung (KB) ein Minimum der erfassten Stapel-Ist-Werte (STI) als System-Ist-Wert (SYI) bestimmt.

6. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombinationsbeziehung (KB) ein Maximum der erfassten Stapel-Ist-Werte (STI) als System-Ist-Wert (SYI) bestimmt.

7. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Schritt des Bestimmens des System-Ist-Wertes (SYI) eine Auswahl aus wenigstens zwei unterschiedlichen Kombinationsbeziehungen (KB) erfolgt.

8. Regelungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Kombinationsbeziehung (KB) auf Basis wenigstens eines der fol-

genden Einflussfaktoren erfolgt:

- Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels (110) und/oder des Brenn-

stoffzellensystems (100),

- Alterungszustand des Brennstoffzellenstapels (110) und/oder des

Brennstoffzellensystems (100),

Brennstoffzellensystem (100), - Regelungsziel bei der Regelung des Betriebsparameters (BP).

9. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei unterschiedliche Kombinationsbeziehungen (KB) verwendet werden, um auf Basis der erfassten Stapel-Ist-Werte (STI) mit jeder Kombinationsbeziehung (KB) einen eigenem System-Ist-Wert (SYl) zu bestimmen, wobei die bestimmten System-Ist-Werte (SYI) insbeson-

dere als System-Ist-Vektor (SYIV) ausgegeben werden.

10. Regelungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine der unterschiedlichen Kombinationsbeziehungen (KB) einen Mittelwert der erfassten Stapel-Ist-Werte (STI) als System-Ist-Wert (SYI) bestimmt.

11. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es für wenigstens einen der folgenden Betriebsparameter (BP) des Brennstoffzellensystems (100) eingesetzt wird:

- Druck im Luftabschnitt (130)

- Druck im Brennstoffabschnitt (120) - Massenstrom auf der Luftseite (130) - Temperatur eines Kühlfluids

12. Regelungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es für wenigstens zwei unterschiedliche Betriebsparameter (BP) durchgeführt wird, wobei insbesondere für jeden Betriebsparame-

ter (BP) eine spezifische Kombinationsbeziehung (KB) eingesetzt wird.

13. Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines Regelungsver-

fahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen.

14. Regelungsvorrichtung (10) für eine Regelung wenigstens eines Betriebspara-

meters (BP) eines Brennstoffzellensystems (100) mit wenigstens zwei

Brennstoffzellenstapeln (110), die Brennstoffzellenstapel (110) jeweils aufweisend einen Brennstoffabschnitt (120) und einen Luftabschnitt (130), gekennzeichnet durch ein Vorgabemodul (20) für ein Vorgeben eines Soll-Wertes (SW) für den zu regelnden Betriebsparameter (BP), ein Stellmodul (70) für ein Vorgeben einer Stellposition (SP) eines für wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel (110) gemeinsamen Aktuators (140) zur Anpassung des zu regelnden Betriebsparameters (BP) auf Basis des vorgegebenen Soll-Wertes (SW) für die wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel (110), ein Erfassungsmodul (30) für ein Erfassen jeweils wenigstens eines Stapel-Ist-Wertes (STI) des zu regelnden Betriebsparameters (BP) für jeden Brennstoffzellenstapel (110), ein Bestimmungsmodul (40) für ein Bestimmen eines gemeinsamen System-IstWertes (SYI) für die wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel (110) auf Basis der erfassten Stapel-Ist-Werte (STI) mittels einer Kombinationsbeziehung (KB) zwischen den erfassten Stapel-Ist-Werten (STI) und dem gemeinsamen System-Ist-Wert (SY]), ein Abweichungsmodul (50) für ein Bestimmen einer Regelungsabweichung (RA) des bestimmten System-Ist-Wertes (SYI) von dem vorgegebenen Soll-Wert (SW) und ein Anpassungsmodul (60) für ein Anpassen der vorgegebenen Stellposition (SP) auf Basis der Regelungsabweichung (RA), wobei das Vorgabemodul (20), das Erfassungsmodul (30), das Bestimmungsmodul (40), das Abweichungsmodul (50) und/oder das Anpassungsmodul (60) für eine Ausführung eines Regelungsverfahrens mit den Merkmalen

eines der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet sind.

15. Brennstoffzellensystem (100) mit wenigstens zwei Brennstoffzellenstapeln (110), die Brennstoffzellenstapel (110) jeweils aufweisend einen Brennstoffabschnitt (120) und einen Luftabschnitt (130), jeder Brennstoffabschnitt (120) aufweisend eine Brennstoffzuführabschnitt (122) für eine Zufuhr von Brennstoffzuführgas (BZG) und einen Brennstoffabführabschnitt (124) für eine Abfuhr von Brennstoffabgas (BAG), jeder Luftabschnitt (130) aufweisend einen Luftzuführabschnitt (132) für eine Zufuhr von Zuluft (ZL) und einen Luftabführabschnitt (134) für eine Abfuhr von Abluft (AL), gekennzeichnet durch eine Regelungsvorrichtung (10) mit den Merkmalen des Anspruchs 14 für eine

Regelung wenigstens eines Betriebsparameters (BP).