EP3488480A1 - Geregelte gaskonditionierung für ein reaktionsgas einer brennstoffzelle - Google Patents

Geregelte gaskonditionierung für ein reaktionsgas einer brennstoffzelle

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EP3488480A1
EP3488480A1 EP17743004.8A EP17743004A EP3488480A1 EP 3488480 A1 EP3488480 A1 EP 3488480A1 EP 17743004 A EP17743004 A EP 17743004A EP 3488480 A1 EP3488480 A1 EP 3488480A1
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EP
European Patent Office
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reaction gas
controller
gas
fuel cell
variables
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17743004.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph KÜGELE
Stefan Jakubek
János KANCSÁR
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AVL List GmbH
Original Assignee
AVL List GmbH
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Publication date
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Publication of EP3488480A1 publication Critical patent/EP3488480A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the subject invention relates to a controlled gas conditioning for a reaction gas of a fuel cell and a method for controlling a gas conditioning for a fuel cell for operating the fuel cell.
  • Fuel cells are seen as the energy source of the future, especially for mobile use in vehicles of any kind.
  • PEMFC proton exchange membrane fuel cell
  • the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has emerged as one of the most promising technologies because they operate at low temperatures can offer high response times, has a high power density and can be operated emission-free (reactants only hydrogen and oxygen).
  • a fuel cell uses for the anode and for the cathode depending on a reaction gas, for example, oxygen 0 2 (or air) and hydrogen H 2 , which react electrochemically to generate electricity.
  • a reaction gas for example, oxygen 0 2 (or air) and hydrogen H 2 , which react electrochemically to generate electricity.
  • oxygen 0 2 or air
  • hydrogen H 2 which react electrochemically to generate electricity.
  • a conditioning of the reaction gases is not mandatory for operation of a fuel cell.
  • the big problem for the gas conditioning is that the mentioned four influencing factors are dependent on each other due to physical (eg thermodynamic) relationships and have non-linear behavior.
  • This problem is often circumvented by the fact that the components of the gas conditioning and the control concept for the gas conditioning are coordinated.
  • a fairly simple control based on maps, characteristics, characteristic points, etc., together with simple controllers (such as PI D controller) is sufficient for a large part.
  • simple controllers such as PI D controller
  • the parameters of the control are provided with correction factors as a function of the SoH. If you want to fully exploit the possibilities of a fuel cell, such a simple regulation of gas conditioning is often not sufficient.
  • (high) dynamic operation is understood to mean, in particular, a rapid response of the control, ie, that the control is able to follow also rapid changes in the setpoint variables of the control with the lowest possible control deviation.
  • (high) dynamic operation is understood to mean, in particular, a rapid response of the control, ie, that the control is able to follow also rapid changes in the setpoint variables of the control with the lowest possible control deviation.
  • the invention is based on the fact that the highly nonlinear and coupled multivariable system resulting from the mathematical modeling of the gas conditioning unit can be decoupled and linearized by applying the Lie derivatives.
  • a controller can then be designed using conventional linear control theory.
  • the gas conditioning unit can be accurately modeled with respect to the influencing variables, which is a prerequisite for an accurate, rapid control of the influencing variables.
  • FIG. 1 shows a test stand for a fuel cell with gas conditioning according to the invention
  • FIG. 2 shows the variation of the output variables with changing input variables of the coupled multivariable system
  • FIG. 3 shows a controller according to the invention with two degrees of freedom for the gas conditioning
  • the invention will be explained below with reference to FIG. 1 without restriction of generality using the example of a test bench 1 for a proton exchange membrane (PEMFC) fuel cell 2.
  • PEMFC proton exchange membrane
  • the fuel cell 2 could also be used as an electrical supply in a machine or plant. Gas conditioning and control would then be implemented in this machine or plant. If, in the following, the operation of a fuel cell 2 is discussed, it is therefore always understood to mean the operation of the fuel cell 2 on a test bench 1 and the real operation of the fuel cell 2 in a machine or installation.
  • the fuel cell 2 is constructed in the example of Figure 1 on the test bench 1 and is operated at the test stand 1.
  • the fuel cell 2 comprises a cathode C which is supplied with a first reaction gas, for example oxygen, also in the form of air, and an anode A, which is supplied with a second reaction gas, for example hydrogen H 2 .
  • the two reaction gases are separated from each other inside the fuel cell 2 by a polymer membrane. Between cathode C and anode A, an electrical voltage U can be tapped.
  • This basic structure and function of a fuel cell 2 are well known, which is why will not be discussed further here.
  • At least one reaction gas is conditioned in a gas conditioning unit 3.
  • the pressure p, the relative humidity ⁇ , the temperature T and the mass flow rh of the conditioned reaction gas are set - in FIG. 1 these four influencing variables are indicated at the inlet of the cathode C.
  • at least three, preferably all four, of these four influencing variables are conditioned.
  • “Conditioning” here means that the value of an influencing variable is regulated to a predefined value, a setpoint variable. For example, this influencing variable can be kept constant.
  • a moistening device 4 for moistening the reaction gas for adjusting a relative humidity ⁇ of the reaction gas
  • a tempering 5 for temperature control of the reaction gas to adjust a temperature T of the reaction gas
  • a mass flow controller 6 for controlling the mass flow rh of the reaction gas
  • a pressure control device 7 for controlling the Provided pressure p of the reaction gas.
  • a gas source 8 is provided for the reaction gas, which is connected to the gas conditioning unit 3 or is also arranged in the gas conditioning unit 3.
  • the gas source 8 is for example a pressure accumulator with compressed, dry reaction gas, for example air.
  • ambient air can also be treated as gas source 8 when using air, for example filtered, compressed, dried, etc.
  • the tempering device 5 is, for example, an electrical heating and cooling device or a heat exchanger.
  • a device as described in AT 516 385 A1 can also be used.
  • the moistening device 4 comprises a steam generator 9, a mass flow controller 10 for the steam and a mixing chamber 11.
  • a mass flow controller 10 for the water vapor and also as a mass flow controller 6 for the reaction gas, conventional, suitable, commercially available, controllable mass flow controller can be used.
  • the mixing chamber 11 the water vapor is mixed with the gas originating from the gas source 8 to form the conditioned reaction gas for the fuel cell 2.
  • a humidifier 4 water could be supplied to the gas from the gas source 8, for example injected.
  • a pressure control device 7 a back pressure valve is used in this example, which adjusts the pressure p of the reaction gas via the controllable opening cross-section.
  • the back pressure valve 7 is disposed in the gas conditioning unit 3 downstream of the fuel cell 2. This makes it possible to regulate the pressure in front of the fuel cell 2, whereby the Pressure control of any pressure losses in the other components of the gas conditioning unit 3 is unaffected.
  • reaction gas is in a reaction gas line 12 which is connected to the fuel cell 2, or to the cathode C or anode A of the fuel cell 2, therefore with a certain temperature T, a certain relative humidity ⁇ , a certain pressure p and a certain mass flow.
  • the moistening device 4, mass flow regulating device 6, tempering device 5 and pressure regulating device 7 can be controlled via a respective manipulated variable.
  • the manipulated variables are calculated by a control unit 15, in which a controller R is implemented.
  • the humidifier 4 via the mass flow controller 10 for the water vapor with the
  • the mass flow of gas and water vapor from the mixing chamber 1 1 is given by the total mass m in the
  • U denotes the internal energy and h the specific enthalpy of the gas (here and below marked by index G), the water vapor (here and in the following marked by index S) and the reaction gas (here and in the following without index) to the mixing chamber 1 1 and u, denotes the specific internal energy of the gas and the water vapor.
  • the specific enthalpy h of a gas is known to be the product of the specific heat capacity c p at constant pressure and the temperature T of the gas.
  • the latent heat r 0 is additively added.
  • the internal energy u, of a gas is the product of the specific heat capacity c v at constant volumes and the temperature T of the gas.
  • the latent heat r 0 is additively added. If one puts all this into the energy balance and one takes into account the mass balance one obtains the following system equation which describes the temperature dynamics of the gas conditioning unit 3.
  • R denotes in a known manner the gas constant for gas (index G), water vapor (index S) or for the Reaction gas (without index).
  • the volume V preferably designates not only the volume of the mixing chamber 1 1, but also the volumes of the piping in the gas conditioning unit 3.
  • the pressure p and the mass flow m of the reaction gas are also significantly influenced by the back pressure valve 7, which are modeled as follows can.
  • the relative humidity ⁇ is through
  • pw (T) denotes the saturation partial pressure, given for example by.
  • the parameters can be from Plant
  • T G, o and A 0 are predetermined offset quantities.
  • the non-linearity results from the system functions f (x), g (x) from the equation of state and the system function h (x) from the output equation, which are each dependent on the state vector x.
  • the model of the gas conditioning unit 3 is not only non-linear, but the individual
  • a controller For the coupled, non-linear, MIMO system, a controller must now be designed with which the gas conditioning unit 3 can be regulated. There are many possibilities for this, with a preferred controller design being described below.
  • the first step is the nonlinear, coupled multivariable system decoupled and linearized.
  • the output ie an output variable y j , is derived in time in the form, whereby
  • the degree of the jth output y denotes the following notation with the Lie derivatives.
  • Input v and the output variables in the output vector y of the multivariable system is decoupled and can be construed as a chain of integrators. If a new synthetic input variable Vj is integrated öj times after the time, the output variable yj of the multivariable system is obtained.
  • a well-known regulator R with two degrees of freedom (Two-Degree-of-Freedom (2DoF) controller), which consists of a
  • Feedforward controller FW and a Fe edback controller FB exists and is shown for example in Figure 3.
  • the feedforward controller is the reference variable behavior (trajectory tracking)
  • a new input value Vj of the decoupled, linear multivariable system 20 corresponds to the ö j th derivative of the output This results in the feedforward part of the controller R as derivatives of the setpoints Each setpoint of the setpoint vector
  • the feedback controller FB receives in a known manner a control error vector e as a deviation between the setpoints Setpoint vector and the current actual values
  • Back controller can be used to correct the error and there are sufficient methods known to determine such a controller.
  • a simple feedback controller FB will be described below.
  • the feedback controller FB sets to the relative degree and it will be the following
  • the controller parameters of the feedback controller FB can then be set,
  • desired poles are preferably placed to the left of the imaginary axis to ensure stability. In this way, the controller parameters can be determined.
  • the state variables x in the gas conditioning unit 3 can be measured, preferably at each sampling instant of the control.
  • the state variables x can also be estimated by an observer from the input quantities u and / or output quantities y, preferably again at each sampling instant of the control.
  • the state variables x can also be calculated in a different, simple way.
  • the non-linear multivariable system described above is diffe- rentially flat.
  • the state variables x can be simply calculated from the time course of the setpoint variables y dmd and do not have to be measured or estimated. This is indicated in Figure 3 by the index F at the state variables x.
  • the time course of the desired values for example, by the test run to be performed
  • the state variables x F can thus be calculated in advance offline from the time profile of the desired values and are then available for the control
  • a regulator R is designed as described above, which has a good reference variable behavior, and is stable and robust, that is essentially insensitive to disturbances. This is achieved, for example, mainly by the choice of the poles of the feedback controller FB.
  • an already parameterized controller R can also be used.
  • a temporal Sollierenverlauf for the output variables T, p, ⁇ , m serving as set values. This setpoint course may result from the actual operation of the fuel cell 2, may be predetermined or may be determined by a test run for testing the fuel cell 2 on a test bench.
  • a trajectory along which the fuel cell 2 and the gas conditioning should be performed can be calculated, for example, in a fuel cell control unit.
  • the fuel cell control unit also provides the operating points from the real operation before. Criteria for the trajectory are, for example, a rapid transition, wherein the transient course should not damage the fuel cell 2.
  • the state variables x F (t) can thus be calculated in advance offline from the time profile of the setpoint variables y d m d (t). Alternatively, the state variables x F (t) can also be calculated or measured online at each sampling instant of the control (that is, at each instant at which new manipulated variables are calculated).
  • the sampling time for the control is typically in the millisecond range, for example, the control is operated on a test bench 1 with 100 Hz (10 ms sampling time).
  • the gas conditioning unit 3 is then acted upon by the desired time course y dmd (t), for example according to the test run.
  • y dmd y dmd
  • the tempering device 5 Q [0 - 9kW], adjusting range of the mass flow control device 6
  • the poles of the feedback controller FB were for the outputs yj with relative
  • Fig.4 left is the predetermined setpoint course shown.
  • the input quantities u are shown, which are set by the controller R.
  • the left-hand diagram also shows the output quantities y calculated in the simulation.
  • the controller R calculates the combination of the new input variables v, which result in the input variables u, which must be set with the actuators of the gas conditioning unit 3, at each sampling instant.
  • the applications of the controlled gas conditioning unit 3 for the gas conditioning of a reaction gas of a fuel cell 2 are manifold.
  • the gas conditioning can in particular both on a test bench (stack or cell test stand), but also in a fuel cell system, for example in a vehicle (ship, train, plane, car, truck, bicycle, motorcycle, etc.), in a power plant (also in combined heat and power), in emergency power systems, in a handheld device, to any device in which fuel cell systems can be installed.
  • the gas conditioning can thus be used both in real operation of a fuel cell in a fuel cell system, but also on a test bed for testing or developing a fuel cell.
  • gas conditioning can also be used for other applications, for example for conditioning the intake air of an internal combustion engine, again in real operation or on a test bench. But it could also be used to condition gases in process technology, process engineering or medical technology. Similarly, gas conditioning could also be used in metrology to precisely condition a sample gas for accurate measurement.

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Abstract

Um die Einflussgrößen des Betriebs einer Brennstoffzelle genau und schnell regeln zu können ist vorgesehen, dass für die Regelung ein Regler (R) verwendet wird, der auf Basis eines Modells der Gaskonditioniereinheit (3) in Form eines gekoppelten, nichtlinearen Mehr- größensystems entworfen wurde, indem das gekoppelte, nichtlineare Mehrgrößensystem mittels Lie-Ableitungen entkoppelt und linearisiert wurde und der Regler (R) für das entkoppelte, lineare Mehrgrößensystem entworfen wurde, wobei der Regler (R) zu jedem Abtastzeitpunkt der Regelung anhand vorgegebener Sollgrößen (yj,dmd) die Stellgrößen (uG, uS, uN, Q) für zumindest drei vorhandene Aktuatoren der Einflussgrößen der Gaskonditioniereinheit (3) berechnet und zumindest diese drei Aktuatoren der Gaskonditioniereinheit (3) die berechneten Stellgrößen (uG, uS, uN, Q) zu jeden Abtastzeitpunkt der Regelung einstellen.

Description

Geregelte Gaskonditionierung für ein Reaktionsgas einer Brennstoffzelle
Die gegenständliche Erfindung betrifft eine geregelte Gaskonditionierung für ein Reaktionsgas einer Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Regelung einer Gaskonditionierung für eine Brennstoffzelle zum Betreiben der Brennstoffzelle. Brennstoffzellen werden als Energiequelle der Zukunft gesehen, insbesondere auch für die mobile Anwendung in Fahrzeugen beliebiger Art. Hierbei hat sich die Protonenaustausch- membran-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell oder PEMFC) als eine der vielversprechendsten Technologien herauskristallisiert, weil diese bei niedrigen Temperaturen betrieben werden kann, hohe Ansprechzeiten bietet, eine hohe Leistungsdichte aufweist und emissionsfrei (Reaktionspartner nur Wasserstoff und Sauerstoff) betrieben werden kann. Daneben gibt es allerdings noch eine Reihe anderer Brennstoffzellen Technologien, wie beispielsweise eine Alkalische Brennstoffzelle (AFC), eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), eine Direkt-Ethanol-Brennstoffzelle (DEFC), eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC), eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC), usw. Eine Brennstoffzelle verwendet für die Anode und für die Kathode je ein Reaktionsgas, z.B. Sauerstoff 02 (bzw. Luft) und Wasserstoff H2, die elektrochemisch reagieren um elektrischen Strom zu erzeugen. Der Aufbau und die Funktionen der verschiedenen Brennstoffzellen sind hinreichend bekannt, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird. Eine Konditionierung der Reaktionsgase ist für einen Betrieb einer Brennstoffzelle nicht zwingend erforderlich. Jedoch kann nur mit korrekter Gas- konditionierung die Haltbarkeit und Leistungsfähigkeit sowie Leistungsdichte erreicht werden, die für einen wirtschaftlichen und effizienten Einsatz von Brennstoffzellen, beispielsweise in einem Fahrzeug, notwendig sind. Dabei kann es abhängig vom Typ der Brennstoffzelle notwendig sein nur eines der Reaktionsgase oder beide Reaktionsgase zu konditionieren. Die korrekte Prozessführung einer Brennstoffzelle, was insbesondere die Gaskonditionierung inkludiert, ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit, Haltbarkeit und den sicheren Betrieb der Brennstoffzelle, insbesondere auch bei Einwirken von externen und internen Störungen. Allgemein führt eine fehlerhafte verfahrenstechnische Prozessführung bei Brennstoffzellen zu einem reversiblen oder irreversiblen Leistungsverlust (Degradation). Ein Indikator für die aktuelle Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle stellt der Gesundheitszustand (gängige Ab- kürzung SoH für Englisch State of Health) dar. Erreicht eine Brennstoffzelle einen definierten Wert des SoH (im Automobil typischerweise 80% der Dauerleistung im Neuzustand) spricht man von End-of-Service, was natürlich unerwünscht ist und vermieden werden soll.
Bei der Gaskonditionierung sind die Zustandsgrößen Druck, Temperatur und relativer Feuchtigkeit (p, T, rH), sowie der Massenstrom des Reaktionsgases entscheidend. Zum Beispiel führt ein zu geringer Massenstrom zu Reaktandenmangel, was sofort die Leistung negativ beeinflusst und je nach Dauer und Intensität irreversible Schäden an der Brennstoffzelle verursacht. Eine weitere wichtige Einflussgröße ist der Druck des Reaktionsgases. Zwar hat ein gewisser Druckgradient zwischen Anode und Kathode einen positiven Einfluss auf die Wirkungsweise, jedoch wird bei einem zu großen Differenzdruck die Membran und damit die Brennstoffzelle beschädigt. Ein weiteres Beispiel stellt die relative Feuchtigkeit des Reaktionsgases dar. In einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle ist es beispielsweise entscheidend, die Membran vor dem Austrocknen zu schützen, da nur eine hydrierte Membrane Wasserstoffkationen leitet und damit leistungsfähig ist. Jedoch muss gleichzeitig eine Blockade der Gaskanäle und des Diffusionspapiers durch zu viel Flüssigwasser, welche in Reaktandenunterversorgung resultiert, vermieden werden. Zusätzlich führt eine zyklische Be- und Entfeuchtung der Membrane zu mechanischen Stress für diese und damit wieder zu Rissen und Fehlstellen (Pin Holes) in der Membran, die ein direktes Durchtreten von Wasserstoff und Sauerstoff begünstigen. Beide Effekte haben folglich wieder einen negativen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und Gesundheitszustand einer Brennstoffzelle. Nicht zuletzt spielt auch die Temperatur eine Rolle. Neben der beschleunigten chemischen Zersetzung der Membrane bei hören Temperaturen sind die relative Feuchtigkeit und die Temperatur auch physikalisch gekoppelt, womit auch letztere die oben genannten Effekte herbeiführen kann. Die genannten Beispiele stellen nur ein Auszug der möglichen Effekte bei mangel- hafter Gaskonditionierung dar und sollen dem besseren Verständnis der Problematik dienen.
Das große Problem für die Gaskonditionierung ist, dass die genannten vier Einflussgrößen aufgrund physikalischer (z.B. thermodynamischer) Zusammenhänge voneinander abhängig sind und dazu nichtlineares Verhalten aufweisen. Dieses Problem umgeht man oftmals dadurch, dass die Komponenten der Gaskonditionierung sowie das Regelungskonzept für die Gaskonditionierung aufeinander abgestimmt sind. Dadurch ist eine recht einfache Regelung basierend auf Kennfeldern, Kennwerten, Kennpunkten, etc. zusammen mit einfachen Reglern (wie z.B. PI D-Regler) zu weiten Teilen ausreichend. Dabei ist es auch möglich, dass die Parameter der Regelung (Kennfelder, Kennwerte, Kennpunkte) in Abhängigkeit des SoH mit Korrekturfaktoren versehen werden. Will man die Möglichkeiten einer Brennstoffzelle voll ausschöpfen, ist eine derartig einfache Regelung der Gaskonditionierung oftmals nicht ausreichend. Insbesondere kann damit in der Regel kein (hoch)dynamischer Betrieb der Brennstoffzelle (am Prüfstand oder in der realen Anwendung) realisiert werden. Unter (hoch)dynamischen Betrieb wird dabei insbesondere ein rasches Ansprechverhalten der Regelung verstanden, d.h. dass die Regelung in der La- ge ist, auch schnellen Änderungen in den Sollgrößen der Regelung mit möglichst geringer Regelabweichung zu folgen. Vor allem bei der Entwicklung einer Brennstoffzelle auf einem Prüfstand, wo man die Brennstoffzelle in der Regel dynamischen Prüfläufen (im Sinne der Änderungsrate der Einflussgrößen, aber auch der Last der Brennstoffzelle) unterwerfen möchte, um das Verhalten der Brennstoffzelle zu prüfen oder zu verbessern ist dies ein Problem. Damit benötigt man für eine dynamische Regelung der Gaskonditionierung einen Regler, der in der Lage ist, die geregelten Größen schnell und genau und vor allem auch transient einstellen zu können.
Dazu finden sich in der Literatur verschiedene Ansätze zur Regelung der Gaskonditionierung einer Brennstoffzelle. Viele dieser Ansätze basieren auf einer mehr oder weniger starken Vereinfachung der thermodynamischen Zusammenhänge. Meistens werden nur zwei der genannten Einflussgrößen geregelt und für die anderen Einflussgrößen werden Annahmen getroffen. Dazu wird dann ein geeigneter Regler entworfen. In den meisten Fällen wird dabei der Druck oder die Feuchtigkeit geregelt. Ein Beispiel hierfür ist Damour C. et al.„A novel non-linear model-base control strategy to improve PEMFC water management - The flat- ness-based approach", Int. Journal of Hydrogen Energy 40 (2015), S.2371 -2376. Darin wird ein Regler für die relative Feuchtigkeit unter Verwendung der bekannten Theorie der diffe- rentiellen Flachheit auf Basis eines Modells der Membranfeuchtigkeit entworfen. Der flach- heitsbasierte Regler zeigt ein ausgezeichnetes Verhalten der Sollwertnachführung, eine hohe Störungsunterdrückung und eine hohe Stabilität. Trotzdem können damit nicht alle Ein- flussgrößen geregelt werden, was diesen Regler für die angedachte Regelung der Gaskonditionierung ungeeignet macht.
Es ist daher eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung eine geregelte Gaskonditionierung für ein Reaktionsgas einer Brennstoffzelle, und ein entsprechendes Regelverfahren dafür, anzugeben, die eine genaue und schnelle Regelung von Einflussgrößen des Betriebs der Brennstoffzelle ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Erfindung beruht darauf, dass das hochgradig nichtlineare und gekoppelte Mehrgrößensystem, das sich aus der mathematischen Modellierung der Gaskonditioniereinheit ergibt durch Anwendung der Lie-Ableitungen entkoppeln und linearisieren lässt. Für das dar- aus entstehende lineare, nicht gekoppelte Mehrgrößensystem kann dann mit herkömmlicher linearer Regelungstheorie ein Regler entworfen werden. Auf diese Weise kann die Gaskonditioniereinheit hinsichtlich der Einflussgrößen genau modelliert werden, was eine Voraussetzung für eine genaue, schnelle Regelung der Einflussgrößen darstellt. Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt
Fig.1 ein Prüfstand für eine Brennstoffzelle mit erfindungsgemäße Gaskonditionierung, Fig.2 den Verlauf der Ausgangsgrößen bei sich ändernden Eingangsgrößen des gekoppelten Mehrgrößensystems,
Fig.3 einen erfindungsgemäßen Regler mit zwei Freiheitsgraden für die Gaskonditionierung und
Fig.4 den Verlauf der Ausgangsgrößen bei sich ändernden Eingangsgrößen beim er- findungsgemäß entkoppelten Mehrgrößensystem.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig.1 ohne Beschränkung der Allgemeinheit am Beispiel eines Prüfstands 1 für eine Protonenaustauschmembran (PEMFC) Brennstoffzelle 2 erläutert. Selbstverständlich könnte die Brennstoffzelle 2 auch als elektrische Versorgung in einer Maschine oder Anlage eingesetzt werden. Die Gaskonditionierung und die Regelung dafür wären dann in dieser Maschine oder Anlage realisiert. Wenn im nachfolgenden vom Betrieb einer Brennstoffzelle 2 gesprochen wird, wird damit daher immer der Betrieb der Brennstoffzelle 2 auf einem Prüfstand 1 und der reale Betrieb der Brennstoffzelle 2 in einer Maschine oder Anlage verstanden.
Die Brennstoffzelle 2 ist im Beispiel nach Fig.1 am Prüfstand 1 aufgebaut und wird am Prüf- stand 1 betrieben. Wie hinreichend bekannt umfasst die Brennstoffzelle 2 eine Kathode C, der ein erstes Reaktionsgas, beispielsweise Sauerstoff, auch in Form von Luft, zugeführt wird und eine Anode A, der ein zweites Reaktionsgas, beispielsweise Wasserstoff H2, zugeführt wird. Die beiden Reaktionsgase sind im Inneren der Brennstoffzelle 2 durch eine Polymermembran voneinander getrennt. Zwischen Kathode C und Anode A kann eine elektrische Spannung U abgegriffen werden. Dieser grundlegende Aufbau und Funktion einer Brennstoffzelle 2 sind hinlänglich bekannt, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird.
Zumindest ein Reaktionsgas, in der Regel das Sauerstoff führende Reaktionsgas, insbesondere Luft, wird in einer Gaskonditioniereinheit 3 konditioniert. In der Gaskonditioniereinheit 3 wird der Druck p, die relative Feuchtigkeit φ, die Temperatur T und der Massenfluss rh des konditionierten Reaktionsgases eingestellt - in Fig.1 sind diese vier Einflussgrößen am Eingang der Kathode C angedeutet. Erfindungsgemäß werden dabei zumindest drei, vorzugsweise alle vier, dieser vier Einflussgrößen konditioniert.„Konditionieren" bedeutet dabei, dass der Wert einer Einflussgröße auf einen vorgegebenen Wert, eine Sollgröße, geregelt wird. Im Falle einer nicht mit der Gaskonditioniereinheit 3 konditionierten Einflussgröße kön- nen für diese Einflussgröße Annahmen getroffen werden, beispielsweise kann diese Einflussgröße konstant gehalten werden.
Zur Regelung dieser Einflussgrößen sind in der Gaskonditioniereinheit 3 entsprechende Ak- tuatoren vorgesehen. Insbesondere sind eine Befeuchtungseinrichtung 4 zum Befeuchten des Reaktionsgases zur Einstellung einer relativen Feuchtigkeit φ des Reaktionsgases, eine Temperiereinrichtung 5 zum Temperieren des Reaktionsgases zur Einstellung einer Temperatur T des Reaktionsgases, eine Massenflussregeleinrichtung 6 zum Regeln des Massenflusses rh des Reaktionsgas und eine Druckregeleinrichtung 7 zum Regeln des Druckes p des Reaktionsgases vorgesehen. Analog zu den zu konditionierenden Einflussgrößen sind zumindest drei dieser vier Einrichtungen, vorzugsweise alle vier, in der Gaskonditioniereinheit 3 vorgesehen. Selbstverständlich ist auch eine Gasquelle 8 für das Reaktionsgas vorgesehen, die mit der Gaskonditioniereinheit 3 verbunden ist oder ebenfalls in der Gaskonditioniereinheit 3 angeordnet ist.
Die Gasquelle 8 ist beispielsweise ein Druckspeicher mit komprimierten, trockenen Reakti- onsgas, beispielsweise Luft. Alternativ kann als Gasquelle 8 bei Verwendung von Luft auch Umgebungsluft aufbereitet, beispielsweise gefiltert, komprimiert, getrocknet, usw. werden.
Die Temperiereinrichtung 5 ist beispielsweise eine elektrische Heiz- und Kühleinrichtung oder ein Wärmetauscher. Als Temperiereinrichtung 5 kann auch eine Einrichtung wie in der AT 516 385 A1 beschrieben verwendet werden. Die Befeuchtungseinrichtung 4 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Wasserdampfgenerator 9, einen Massenflussregler 10 für den Wasserdampf und eine Mischkammer 1 1 . Als Massenflussregler 10 für den Wasserdampf, und auch als Massenflussregeleinrichtung 6 für das Reaktionsgas, können herkömmliche, geeignete, kommerziell erhältliche, regelbare Massenflussregler eingesetzt werden. In der Mischkammer 1 1 wird der Wasserdampf mit dem von der Gasquelle 8 stammenden Gas zum konditionierten Reaktionsgas für die Brennstoffzelle 2 gemischt.
Selbstverständlich sind auch andere Ausführungen einer Befeuchtungseinrichtungen 4 denkbar. Beispielsweise könnte Wasser dem Gas aus der Gasquelle 8 zugeführt, z.B. eingespritzt, werden. Als Druckregeleinrichtung 7 wird in diesem Beispiel ein Gegendruckventil verwendet, das über den regelbaren Öffnungsquerschnitt den Druck p des Reaktionsgases einstellt. Das Gegendruckventil 7 ist in der Gaskonditioniereinheit 3 stromabwärts der Brennstoffzelle 2 angeordnet. Das ermöglicht es, den Druck vor der Brennstoffzelle 2 zu regeln, womit die Druckregelung von allfälligen Druckverlusten in den anderen Komponenten der Gaskonditioniereinheit 3 unbeeinflusst bleibt.
Nach der Mischkammer 1 1 liegt das Reaktionsgas in einer Reaktionsgasleitung 12, die mit der Brennstoffzelle 2, bzw. mit der Kathode C oder Anode A der Brennstoffzelle 2, verbun- den ist daher mit einer bestimmten Temperatur T, einer bestimmten relativen Feuchtigkeit φ, einem bestimmten Druck p und einem bestimmten Massenfluss vor.
Dieser anhand der Fig.1 beschriebene Aufbau einer Gaskonditioniereinheit 3 ist allerdings nur beispielhaft und es sind natürlich andere Aufbauten der Gaskonditioniereinheit 3 und auch andere konkrete Ausführungen der Befeuchtungseinrichtung 4, Massenflussregelein- richtung 6, Temperiereinrichtung 5 und Druckregeleinrichtung 7 denkbar.
Um die Einflussgrößen regeln zu können, sind die Befeuchtungseinrichtung 4, Massenfluss- regeleinrichtung 6, Temperiereinrichtung 5 und Druckregeleinrichtung 7 über eine jeweilige Stellgröße regelbar. Die Stellgrößen werden dabei von einer Regelungseinheit 15, in der ein Regler R implementiert ist, berechnet. Im in Fig.1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Befeuchtungseinrichtung 4 über den Massenflussregler 10 für den Wasserdampf mit der
Stellgröße us, die Massenflussregeleinrichtung 6 mit der Stellgröße die Temperiereinrich
tung 5 mit der Stellgröße Q und die Druckregeleinrichtung 7 mit der Stellgröße geregelt.
Mit der Stellgröße wird der jeweilige Aktuator angesteuert, um eine Veränderung der Einflussgröße hervorzurufen. Für den Reglerentwurf des Reglers R zum Regeln der Gaskonditioniereinheit 3 ist zuerst ein Modell der Gaskonditioniereinheit 3 zu erstellen. Auch hierbei sind verschiedenste Modelle denkbar. Ein vorteilhaftes Modell wird nachfolgend beschrieben, wobei alle vier Einflussgrößen berücksichtigt werden. Dazu werden zuerst die Systemgleichungen für den Aufbau nach Fig.1 aufgestellt. Aus der Massenbilanz in der Mischkammer 1 1 ergibt sich
mit der Masse mG des Gases, dem Massenfluss des Gases in die Mischkammer 1 1 ,
dem Massenfluss des Gases mG out aus der Mischkammer 1 1 , dem Massenfluss des Wasserdampfes mS in in die Mischkammer 1 1 und dem Massenfluss des Wasserdampfes aus der Mischkammer 1 1 . Der Massenfluss von Gas und Wasserdampf aus der Mischkam- mer 1 1 ist gegeben durch mit der Gesamtmasse m in der
Gaskonditioniereinheit 3 und den Massen mG des Gases und ms des Wasserdampfes und dem Massenfluss des Reaktionsgases m . Dabei muss natürlich gelten
Aus der Energiebilanz der Gaskonditioniereinheit 3 folgt
Dabei bezeichnet U die innere Energie und h die spezifische Enthalpie des Gases (hier und im nachfolgenden markiert durch Index G), des Wasserdampfes (hier und im nachfolgenden markiert durch Index S) und des Reaktionsgases (hier und im nachfolgenden ohne Index) nach der Mischkammer 1 1 und u, bezeichnet die spezifische innere Energie des Gases und des Wasserdampfes. Die spezifische Enthalpie h eines Gases ist bekanntermaßen das Produkt aus der spezifischen Wärmekapazität cp bei konstanten Druck und der Temperatur T des Gases. Bei Wasserdampf kommt noch die latente Wärme r0 additiv hinzu. Die innere Energie u, eines Gases ist das Produkt aus der spezifischen Wärmekapazität cv bei konstan- ten Volumen und der Temperatur T des Gases. Bei Wasserdampf kommt noch die latente Wärme r0 additiv hinzu. Setzt man dass alles in die Energiebilanz ein und berücksichtig man die Massenbilanz erhält man die folgende Systemgleichung, die die Temperaturdynamik der Gaskonditioniereinheit 3 beschreibt.
Aus der thermodynamischen Zustandsgieichung für ein ideales Gas ergibt sich weiter
mit dem Druck p und der Temperatur T am Eingang der Brennstoffzelle 2. R bezeichnet in bekannter Weise die Gaskonstante für Gas (Index G), Wasserdampf (Index S) oder für das Reaktionsgas (ohne Index). Das Volumen V bezeichnet dabei vorzugsweise nicht nur das Volumen der Mischkammer 1 1 , sondern auch die Volumina der Verrohrung in der Gaskondi- tioniereinheit 3. Der Druck p und der Massenfluss m des Reaktionsgases werden auch maßgeblich vom Gegendruckventil 7 beeinflusst, das wie folgt modelliert werden kann.
Darin bezeichnet A den Öffnungsquerschnitt des Gegendruckventils 7 und p0 den Umgebungsdruck.
Die relative Feuchtigkeit φ wird durch
modelliert, wobei pw(T) den Sättigungs-Partialdruck bezeichnet, der beispielsweise durch gegeben ist. Die Parameter können beispielsweise aus Plant
Parameterization of Atmospheric Convection", Vol.1 , Imperial College Press,
2015 entnommen werden.
Zusätzlich wird noch die Dynamik der Aktuatoren in Abhängigkeit von den Stellgrößen us, uG, Q und uN in Form von Verzögerungsglieder I .Ordnung mit den Zeitkonstanten
modelliert:
Darin sind TG,o und A0 vorgegebene Offsetgrößen. Aus den obigen Systemgleichungen erkennt man, dass ein nichtlineares Mehrgrößensystem (MIMO, multiple input multiple Output) System der Form
vorliegt, mit dem Zustandsvektor x, Eingangsvektor u und Ausgangsvektor y wie folgt:
In Fig.1 ist zum besseren Verständnis angedeutet, wo diese Größen jeweils auftreten.
Die Nichtlinearitat ergibt sich aus den Systemfunktionen f(x), g(x) aus der Zustandsgleichung und der Systemfunktion h(x) aus der Ausgangsgleichung, die jeweils vom Zustandsvektor x abhängig sind. Das Modell der Gaskonditioniereinheit 3 ist aber nicht nur nichtlinear, sondern die einzelnen
Zustandsgieichungen sind auch mehrfach gekoppelt, wodurch die Stellgrößen us, uG, Q , uN des Eingangsvektors u den Ausgangsgrößen T, p, φ, m im Ausgangsvektor y nicht zugeordnet werden können. Damit werden mehrere Ausgangsgrößen beeinflusst, wenn man eine der Stellgrößen us, uG, Q , uN ändert. Das ist in Fig.2 dargestellt. In Fig.2 sind rechts die Stellgrößen us, uG, Q , uN über der Zeit t aufgetragen und links die Ausgangsgrößen des Ausgangsvektors y. Zu den Zeitpunkten 50s, 100s, 150s und 200s wurde jeweils eine der Stellgrößen us, uG, Q , uN geändert. Dabei änderten sich jeweils alle Ausgangsgrößen T, p, φ, m .
Für das gekoppelte, nichtlineare, MIMO System muss nun ein Regler entworfen werden, mit dem die Gaskonditioniereinheit 3 geregelt werden kann. Dazu gibt es viele Möglichkeiten wobei im Nachfolgenden ein bevorzugter Reglerentwurf beschrieben wird.
Als ersten Schritt wird das nichtlineare, gekoppelte Mehrgrößensystem entkoppelt und linearisiert. Dazu wird der Ausgang, d.h. eine Ausgangsgröße yj, in der Form zeitlich abgeleitet, wodurch sich
ergibt. Darin bezeichnen die bekannten Lie-Ableitungen der Systemfunktion h(x)
der Ausgangsgleichung bezüglich der Systemfunktionen Zustandsgieichung des gekoppelten, nichtlinearen Mehrgrößensystem. Die Lie-Ableitungen Lf und Lg sind dem- nach definiert als L
Aus dem Obigen folgt, dass eine Stellgröße u, keinen Einfluss auf die jeweilige zeitliche Ableitung der Ausgangsgröße y hat, wenn gilt Es wird daher der Ausgangsvektor
y für jede Ausgangsgröße y solange zeitlich abgeleitet, solange die Stellgröße u, einen Einfluss auf die Ausgangsgröße yj hat, also bis zur Ableitung. Mit wird dann der relative
Grad der j-ten Ausgangsgröße y bezeichnet, woraus sich die folgende Schreibweise mit den Lie-Ableitungen ergibt.
Darin bezeichnet bezeichnet die 5j-te zeitliche Ableitung.
Wenn das auf alle angewendet wird erhält man in allgemeiner Matrixschreibweise
mit der Entkoppelungsmatrix Vektor, der die zeitlichen Ableitungen der Aus
angsgrößen y enthält wird mit einem neuen synthetischen Eingangsvektor v gleichgesetzt,
Daraus folgt, dass der Zusammenhang zwischen dem neuen synthetischen
Eingang v und den Ausgangsgrößen im Ausgangsvektor y des Mehrgrößensystems entkoppelt ist und als Kette von Integratoren aufgefasst werden kann. Wird eine neue synthetische Eingangsgröße Vj öj-mal nach der Zeit integriert, erhält man die Ausgangsgröße yj des Mehrgrößensystems.
Wird nun noch ein neuer Zustandsvektor z definiert in der Form
dann erhält man ein neues Mehrgrößensystem als lineares, nicht gekoppeltes Zustands- raummodell gemäß
Auf das lineare, nicht gekoppelte Mehrgrößensystem der Form kann dann
beliebige lineare Regelungstheorie angewendet werden und ein beliebiger linearer Regler dazu entworfen werden.
Für die Regelung ist es ein angestrebtes Ziel, dass die eingestellten Ausgangsgrößen Vj den vorgegebenen Sollgrößen möglichst gut folgen (trajectory tracking). Die Regelung soll
dabei möglichst störunanfällig sein. Dazu bietet sich beispielsweise ein bekannter Regler R mit zwei Freiheitsgraden (Two-Degree-of-Freedom (2DoF) Regler) an, der aus einem
Feedforward Regler FW und einem Fe edback Regler FB besteht und z.B. in Fig.3 dargestellt ist. Dabei soll der Feedforward Regler das Führungsgrößenverhalten (trajectory tracking)
sicherstellen und der Feedback Regler FB das Ausregeln allfälliger Störungen.
Eine neue Eingangsgröße Vj des entkoppelten, linearen Mehrgrößensystems 20 entspricht der öj-ten Ableitung der Ausgangsgröße Damit ergibt sich der Feedforward Teil des Reglers R als Ableitungen der Sollgrößen Jede Sollgröße des Sollgrößenvektors
entsprechend ihres relativen Grades abgeleitet und additiv auf den Ausgang des Feedback Regler FB aufgeschaltet.
Der Feedback Regler FB erhält in bekannter Weise einen Regelfehlervektor e als Abweichung zwischen den Sollgrößen Sollgrößenvektor und den aktuellen Istwerten
der Ausgangsgrößen y Grundsätzlich kann ein beliebiger Feed
backregler zum Ausregeln des Fehlers verwendet werden und es sind hinreichende Metho- den bekannt, einen solchen Regler zu bestimmen. Ein einfacher Feedback Regler FB wird nachfolgend beschrieben.
Der Feedback Regler FB stellt auf den relativen Grad ab und es werden die folgenden
Fehlerteile definiert.
Damit kann eine neue Eingangsgröße Vj des entkoppelten, linearen Mehrgrößensystems 20 gemäß Fig.3 angeschrieben werden als
Für einen relativen Zwei kann man eine Analogie zu einem PID-Regler herstel
len, wobei Kj,o ein Integralanteil, ein Proportionalanteil und Kj,2 einen Differentialanteil bilden. Für einen relativen Grad 5j von Eins ergäbe sich ein Pl-Regler. Das ergibt in vektorieller Schreibweise
Die Reglerparameter des Feedback Reglers FB können anschließend festgelegt werden,
um ein gewünschtes Reglerverhalten zu erzielen. Auch hierfür gibt es verschiedene bekannte Ansätze, beispielsweise die Methode der Polvorgabe Dabei werden alle
gewünschten Pole vorzugsweise links der Imaginärachse gelegt, um die Stabilität zu sichern Auf diese Weise können die Reglerparameter bestimmt werden.
Für die oben beschriebene Linearisierung und Entkopplung des nichtlinearen, gekoppelten Mehrgrößensystems, gekennzeichnet durch , werden auch noch die Zustandsgroßen x benötigt, wie aus den Gleichungen ersichtlich und wie auch in Fig.3 angedeutet.
Dazu können die Zustandsgroßen x in der Gaskonditioniereinheit 3 gemessen werden, vorzugsweise zu jedem Abtastzeitpunkt der Regelung. Alternativ können die Zustandsgroßen x auch durch einen Beobachter aus den Eingangsgrößen u und/oder Ausgangsgrößen y geschätzt werden, vorzugsweise wieder zu jedem Abtastzeitpunkt der Regelung. Die Zustandsgroßen x können aber auch noch auf andere, einfache Weise berechnet werden.
Ein nichtlineares Mehrgrößensystem der allgemeinen Form hat die Eigenschaft
der differentiellen Flachheit, wenn es einen Vektor differentiell unabhängiger Ausgangsgrösodass die Zustandsgroßen x und die Eingangsgrößen u Funktionen
dieses als flach bezeichneten Ausgangs y und deren Ableitungen sind:
Daraus folgt, dass für jeden beliebigen zeitlichen Verlauf der Ausgangsgröße y(t) der zuge- hörige zeitliche Verlauf der Eingangsgrößen u(t) und der zeitliche Verlauf der Zustandsgrö- ßen x(t) einzig aus dem zeitlichen Verlauf der Ausgangsgröße y(t) berechnet werden kann, ohne die Differentialgleichungen des Mehrgrößensystem zu integrieren.
Es kann gezeigt werden, dass das oben beschriebene nichtlineare Mehrgrößensystem diffe- rentiell flach ist. Damit können die Zustandsgroßen x einfach aus dem zeitlichen Verlauf der Sollgrößen ydmd berechnet werden und müssen weder gemessen, noch geschätzt werden. Das ist in Fig.3 durch den Index F bei den Zustandsgroßen x angedeutet. Am Prüfstand 1 ist der zeitliche Verlauf der Sollgrößen beispielsweise durch den durchzuführenden Prüflauf
festgelegt und damit bekannt. Die Zustandsgroßen xF können damit offline aus dem zeitlichen Verlauf der Sollgrößen vorab berechnet werden und liegen dann für die Regelung
bei der Durchführung des Prüflaufs vor.
Für die Regelung der Gaskonditioniereinheit 3 für den Betrieb einer Brennstoffzelle 2 kann wie nachfolgend beschrieben vorgegangen werden.
Zuerst wird gegebenenfalls ein Regler R wie oben beschrieben entworfen, der ein gutes Führungsgrößenverhalten aufweist, sowie stabil und robust ist, also im Wesentlichen auch un- empfindlich gegen Störungen ist. Das wird beispielsweise hauptsächlich durch die Wahl der Pole des Feedback Reglers FB erzielt. Gegebenenfalls kann aber auch auf einen bereits parametrisierten Regler R zurückgegriffen werden. Für den Betrieb der Brennstoffzelle 2 wird ein zeitlicher Sollgrößenverlauf für die als Sollgrößen dienenden Ausgangsgrößen T, p, φ, m vorgegeben. Dieser Sollgrößenverlauf kann sich aus dem realen Betrieb der Brennstoffzelle 2 ergeben, kann vorgegeben sein oder kann durch einen Prüflauf zur Prüfung der Brennstoffzelle 2 auf einem Prüfstand festgelegt sein. Im realen Betrieb der Brennstoffzelle 2 in einer Maschine oder Anlage lässt sich beispielsweise beim Übergang von einem Arbeitspunkt auf einen neuen Arbeitspunkt eine Trajektorie berechnen, entlang derer die Brennstoffzelle 2 bzw. die Gaskonditionierung geführt werden sollte. Das kann beispielswei- se in einer Brennstoffzellensteuereinheit erfolgen. Die Brennstoffzellensteuereinheit gibt dabei auch die Arbeitspunkte aus dem realen Betrieb heraus vor. Kriterien für die Trajektorie sind z.B. ein schneller Übergang, wobei der transiente Verlauf die Brennstoffzelle 2 nicht beschädigen soll. Die Zustandsgroßen xF(t) können damit offline aus dem zeitlichen Verlauf der Sollgrößen ydmd(t) vorab berechnet werden. Alternativ können die Zustandsgroßen xF(t) auch online zu jedem Abtastzeitpunkt der Regelung (also zu jeden Zeitpunkt zu dem neue Stellgrößen berechnet werden) berechnet oder gemessen werden. Die Abtastzeit für die Regelung ist typischerweise im Millisekundenbereich, beispielsweise wird die Regelung auf einem Prüfstand 1 mit 100Hz (10ms Abtastzeit) betrieben. Die Gaskonditioniereinheit 3 wird daraufhin mit dem zeitlichen Sollgrößenverlauf ydmd(t), beispielsweise gemäß dem Prüflauf, beaufschlagt. Am Prüfstand 1 können dazu beispielsweise auch gewünschte Messungen an der Brennstoffzelle 2 durchgeführt werden, um das Verhalten der Brennstoffzelle 2 beim vorgegebenen Prüflauf zu ermitteln.
Ein solcher Prüflauf in Form eines vorgegebenen Sollgrößenverlaufs wurde simuliert
und das Ergebnis in der Fig.4 dargestellt. Für die Simulation wurden die folgenden Parame- ter angenommen: Stellbereich der Befeuchtungseinrichtung Stellbereich
der Temperiereinrichtung 5 Q =[0 - 9kW], Stellbereich der Massenflussregeleinrichtung 6
Stellbereich der Druckregeleinrichtung Regelbereich der
Temperatur T=[20 - 100°C], Regelbereich des Drucks Regelbereich der rela
tiven Feuchtigkeit φ=[0 - 100%] und Regelbereich des Massenflusses
Dazu wurden noch folgende Parameter definiert: Volumen V Temperatur des
Wasserdampfes Umgebungsdruck p0=1 bar, spezifischen Wärmekapazität des Gases spezifischen Wärmekapazität des Wasserdampfes
Die Pole des Feedback Reglers FB wurden für die Ausgangsgrößen yj mit relativem
In Fig.4 links ist der vorgegebene Sollgrößenverlauf dargestellt. Rechts davon sind die Eingangsgrößen u dargestellt, die vom Regler R eingestellt werden. Ebenfalls im linken Diagramm sind die in der Simulation berechneten Ausgangsgrößen y dargestellt. Man erkennt zum Einen, das hervorragende Führungsgrößenverhalten des Reglers, d.h., dass die Aus- gangsgrößen y den Sollgrößen ydmd ohne erkennbare Abweichungen folgen. Zum anderen ist aber auch ersichtlich, dass nun die einzelnen Ausgangsgrößen Vj entkoppelt voneinander eingestellt werden können. Eine Änderung einer Ausgangsgröße y lässt die anderen Ausgangsgrößen unberührt. Dazu berechnet der Regler R zu jedem Abtastzeitpunkt die Kombination der neuen Eingangsgrößen v, die die Eingangsgrößen u ergeben, die mit den Aktua- toren der Gaskonditioniereinheit 3 eingestellt werden müssen.
Die Erfindung wurde anhand der Regelung aller vier Einflussgrößen bzw. Ausgangsgrößen Vj, also Temperatur T, Druck p, relative Feuchtigkeit φ und Massenfluss m , erläutert. Es können allerdings auch nur drei dieser vier Einflussgrößen geregelt werden. Für die vierte, nicht geregelte Einflussgröße können dann entsprechende Annahmen getroffen werden, beispielsweise könnte diese vierte Einflussgröße konstant gehalten werden. Bei nur drei geregelten Einflussgrößen würde sich die Dimension der obigen Systemgleichungen um eins verringern. Der grundsätzliche Ansatz zur Entkoppelung und Linearisierung des gekoppelten, nichtlinearen Mehrgrößensystems wäre dadurch allerdings nicht betroffen, ebenso nicht der beschrieben Ansatz des Reglerentwurfs. Es könnte aber auch einfach die der vierten, nicht geregelten Einflussgrößen entsprechende Sollgröße gemäß der Annahmen vorgegeben werden. So könnte diese Sollgröße im vorgegebenen Sollgrößenverlauf ydmd(t) beispielsweise konstant gehalten werden.
Die Anwendungen der geregelten Gaskonditioniereinheit 3 zur Gaskonditionierung eines Reaktionsgases einer Brennstoffzelle 2 sind vielfältig. Die Gaskonditionierung kann insbe- sondere sowohl auf einem Prüfstand (Stack oder Zellenprüfstand), aber auch in einem Brennstoffzellensystem, beispielsweise in einem Fahrzeug (Schiff, Zug, Flugzeug, PKW, LKW, Fahrrad, Motorrad, etc.), in einem Kraftwerk (auch in Kraft-Wärme-Koppelungen), in Notstromanlagen, in einem Handheld Gerät, bis zu jeglichem Gerät in dem Brennstoffzellensysteme eingebaut werden können, eingesetzt werden. Die Gaskonditionierung kann damit sowohl im realen Betrieb einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem, aber auch auf einem Prüfstand zum Prüfen oder Entwickeln einer Brennstoffzelle eingesetzt werden.
Die Gaskonditionierung ist grundsätzlich auch für andere Anwendungen verwendbar, beispielsweise für die Konditionierung der Ansaugluft einer Verbrennungskraftmaschine, ebenfalls wieder im realen Betrieb oder auf einem Prüfstand. Es könnte damit aber auch Gase in der Prozesstechnik, Verfahrenstechnik oder Medizintechnik konditioniert werden. Ebenso könnte die Gaskonditionierung auch in der Messtechnik verwendet werden, um ein Messgas für eine genaue Messung exakt zu Konditionieren.

Claims

Patentansprüche
1 . Geregelte Gaskonditionierung für ein Reaktionsgas einer Brennstoffzelle (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasquelle (8) für ein Reaktionsgas der Brennstoffzelle (2), eine Befeuchtungseinrichtung (4) zum Befeuchten des Reaktionsgases zur Einstellung einer relativen Feuchtigkeit (φ) des Reaktionsgases, eine Temperiereinrichtung (5) zum Temperieren des Reaktionsgases zur Einstellung einer Temperatur (T) des Reaktionsgases, eine Massen- flussregeleinrichtung (6) zum Regeln des Massenflusses ( m ) des Reaktionsgases und eine Druckregeleinrichtung (7) zum Regeln des Druckes (p) des Reaktionsgases vorgesehen sind, dass eine Regelungseinheit (15) mit einem Regler (R) vorgesehen ist, der Stellgrößen
(uG, US, UN, Q ) für zumindest drei Aktuatoren aus der Gruppe der Befeuchtungseinrichtung
(4), der Temperiereinrichtung (5), der Massenflussregeleinrichtung (6) und der Druckregeleinrichtung (7) berechnet, um damit einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf von zumindest drei zugehörigen Einflussgrößen auf den Betrieb der Brennstoffzelle (2) aus der Gruppe der relativen Feuchtigkeit (φ), der Temperatur (T), des Massenflusses (m ) und des Drucks (p) des Reaktionsgases in einer Reaktionsgasleitung (12) einzustellen, dass der Regler (R) auf Basis eines Modells der Gaskonditioniereinheit (3) in Form eines gekoppelten, nichtlinearen ;
Mehrgrößensystems der Form entworfen ist, indem der Regler (R) für
das mittels Lie-Ableitungen entkoppelte und linearisierte Mehrgrößensystem entworfen wird.
2. Verfahren zur Regelung einer Gaskonditioniereinheit (3) für eine Brennstoffzelle (2) zum Betreiben der Brennstoffzelle (2), dadurch gekennzeichnet, dass für die Regelung ein Regler (R) verwendet wird, der auf Basis eines Modells der Gaskonditioniereinheit (3) in Form eines gekoppelten, nichtlinearen Mehrgrößensystems der Form
entworfen wurde, indem das gekoppelte, nichtlineare Mehrgrößensystem mittels Lie- Ableitungen entkoppelt und linearisiert wurde und der Regler (R) für das entkoppelte, lineare Mehrgrößensystem entworfen wurde, wobei der Regler (R) zu jedem Abtastzeitpunkt der
Regelung aus vorgegebenen die Stellgrößen für zumindest
drei vorhandene Aktuatoren der Gaskonditioniereinheit (3) aus der Gruppe einer Befeuchtungseinrichtung (4) zum Befeuchten des Reaktionsgases zur Einstellung einer relativen Feuchtigkeit (φ) des Reaktionsgases, einer Temperiereinrichtung (5) zum Temperieren des Reaktionsgases zur Einstellung einer Temperatur (T) des Reaktionsgases, einer Massen- flussregeleinrichtung (6) zum Regeln des Massenflusses (m ) des Reaktionsgases und einer Druckregeleinrichtung (7) zum Regeln des Druckes (p) des Reaktionsgases berechnet und dass zumindest diese drei Aktuatoren der Gaskonditioniereinheit (3) die berechneten Stell- großen zu jeden Abtastzeitpunkt der Regelung einstellen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Ausgangsgröße (Vj) des gekoppelten, nichtlinearen Mehrgrößensystems gemäß ihrem relativen Grad (5j) in der
Form zeitlich abgeleitet wird, wobei Lie-Ableitung
bezeichnet, dass die zeitlichen Ableitungen der Ausgangsgrößen (yj) mit neuen Ein-
gangsgrößen v, gleichgesetzt werden, woraus ein lineares, nicht gekoppeltes Zustands- raummodell der Form abgeleitet werden kann, mit definiteren Matrizen Ac und 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (R) für das lineare, nicht gekoppelte Zustandsraummodell der Form entworfen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler (R) mit zwei Freiheitsgraden mit einem Feedforward Regler (FW) und einem Feedback Regler (FB) entworfen wird, wobei die Ausgänge des Feedforward Reglers (FW) und des Feedback Reglers (FB) zu den neuen Eingangsgrößen (v) addiert werden und sich der Feedforward Teil aus den zeitlichen Ableitungen der Sollgrößen (Vj.dmd) ergeben, und der Feedback Teil den Fehler (e) zwischen den aktuellen Istwerten der Ausgangsgrößen (yj) und den Werten der Sollgrößen (Vj.dmd) ausregelt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Fehleranteile
Parametern des Feedback Reglers (FB), die festgelegt werden, um ein gewünschtes Reglerverhalten des Feedback Reglers (FB) zu erzielen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Eigenschaft der differentiellen Flachheit des nichtlinearen, gekoppelten Mehrgrößensystems
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