AT524858B1 - Erstellungsverfahren für eine Erstellung wenigstens eines System- Einzelmodells für ein Brennstoffzellensystem zur Modellierung von Zusammenhängen von System-Eingangsparametern und System-Ausgangsparametern - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Erstellungsverfahren für eine Erstellung wenigstens eines System-Einzelmodells (SEM) für ein Brennstoffzellensystem (100) zur Modellierung von Zusammenhängen von System-Eingangsparametern (SEP) und System-Ausgangsparametern (SAP), aufweisend die folgenden Schritte: - Erstellen einer generischen Systemstruktur (GSS) für das Brennstoffzellensystem (100) mit wenigstens zwei variierbaren System-Eingangsparametern (SEP) und wenigstens einem Komponentenmodell (KM) einer Komponente (K) des Brennstoffzellensystems (100), - Parametrisieren des wenigstens einen Komponentenmodells (KM) mit Komponentendaten (KD), - Vorgeben von Rahmenbedingungen (RB) für den wenigstens einen System- Eingangsparameter (SEP) zur Abgrenzung einer Versuchsumgebung (VU), - Durchführen einer ersten Simulationsreihe in der Versuchsumgebung (VU) mittels der generischen Systemstruktur (GSS) zur Erzeugung von simulierten System- Ausgangsparametern (SAP) als Simulationsergebnisse, - Erstellen eines Vor-Systemmodells (VSM) für einen Zusammenhang zwischen den wenigstens zwei System-Eingangsparametern (SEP) und wenigstens einem System-Ausgangsparameter (SAP) auf Basis der durchgeführten ersten Simulationsreihe, - Durchführen wenigstens einer weiteren Simulationsreihe mittels der generischen Systemstruktur (GSS) zur Erzeugung von weiteren simulierten System- Ausgangsparametern (SAP) zum Füllen der Versuchsumgebung (VU) mit weiteren Simulationsergebnissen, wobei die Veränderungsrichtung der wenigstens zwei System- Eingangsparameter (SEP) ausgehend von der ersten Simulationsreihe gewählt wird, - Erstellen von wenigstens einem System-Einzelmodell (SEM) für einen Zusammenhang zwischen wenigstens einem System-Eingangsparameter (SEP) und wenigstens einem System-Ausgangsparameter (SAP) auf Basis der der durchgeführten Simulationsreihen.

Description

Beschreibung

ERSTELLUNGSVERFAHREN FÜR EINE ERSTELLUNG WENIGSTENS EINES SYSTEM-EINZELMODELLS FÜR EIN BRENNSTOFFZELLENSYSTEM ZUR MODELLIERUNG VON ZUSAMMENHANGEN VON SYSTEM-EINGANGSPARAMETERN UND SYSTEM-AUSGANGSPARAMETERN

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Erstellungsverfahren für eine Erstellung wenigstens eines System-Einzelmodells für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Optimierungsverfahren für eine Optimierung einer Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems und Computerprogrammprodukte zur Durchführung des Erstellungsverfahrens beziehungsweise des Optimierungsverfahrens.

[0002] Es ist bekannt, dass bei der Konstruktion und Entwicklung von Brennstoffzellensystemen diese hinsichtlich ihrer Betriebsweise optimiert werden sollen. Hierfür werden üblicherweise empirische Zusammenhänge genutzt, welche auf der Erfahrung der jeweiligen Entwickler basieren. Eine gezielte und insbesondere algorithmisch gestützte Optimierung dieser Entwicklung, aber auch der Betriebsweise der Brennstoffzellensysteme, ist bisher nicht möglich. Dies beruht insbesondere auf der Tatsache, dass für eine solche Optimierung physikalische Zusammenhänge notwendig wären, deren Optimierung in der Modellierung einen sehr hohen Rechen- und Zeitaufwand mit sich bringen würde. Die Verwendung von linearisierten Modellzusammenhängen scheitert üblicherweise am Fehlen solcher linearisierten Zusammenhänge.

[0003] Es ist somit 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 modellbasierte Auslegung und/oder Optimierung eines Brennstoffzellensystems zu ermöglichen.

[0004] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch ein Erstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Optimierungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen eines der Ansprüche 13 oder 14. 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 Erstellungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Optimierungsverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0005] Erfindungsgemäß wird ein Erstellungsverfahren vorgeschlagen für eine Erstellung we-

nigstens eines System-Einzelmodells für ein Brennstoffzellensystem zur Modellierung von Zu-

sammenhängen von System-Eingangsparametern und System-Ausgangsparametern. Ein solches Erstellungsverfahren weist die folgenden Schritte auf:

- Erstellen einer generischen Systemstruktur für das Brennstoffzellensystem mit wenigstens zwei variierbaren System-Eingangsparametern und wenigstens einem Komponentenmodell für eine Komponente des Brennstoffzellensystems,

- Parametrisieren des wenigstens einen Komponentenmodells mit Komponentendaten,

- Vorgeben von Rahmenbedingungen für den wenigstens einen System-Eingangsparameter zur Abgrenzung einer Versuchsumgebung,

- Durchführen einer ersten Simulationsreihe in der Versuchsumgebung mittels der generischen Systemstruktur zur Erzeugung von simulierten System-Ausgangsparametern als Simulationsergebnisse,

- Erstellen eines Vor-Systemmodells für einen Zusammenhang zwischen den wenigstens zwei System-Eingangsparametern und wenigstens einem System-Ausgangsparameter auf Basis der durchgeführten ersten Simulationsreihe,

- Durchführen wenigstens einer weiteren Simulationsreihe mittels der generischen Systemstruktur zur Erzeugung von weiteren simulierten System-Ausgangsparametern zum Füllen der Ver-

suchsumgebung mit weiteren Simulationsergebnissen, wobei die Veränderungsrichtung der wenigstens zwei System-Eingangsparameter ausgehend von der ersten Simulationsreihe gewählt wird,

- Erstellen von wenigstens einem System-Einzelmodell für einen Zusammenhang zwischen wenigstens einem System-Eingangsparameter und wenigstens einem System-Ausgangsparameter auf Basis der durchgeführten Simulationsreihen.

[0006] Der erfindungsgemäße Kerngedanke ist darauf gerichtet, dass ein Simulationsmodell als System-Einzelmodell erstellt werden soll. Dieses kann später einer Simulation von Einzelzusammenhängen zwischen System-Eingangsparametern und System-Ausgangsparametern zugrunde gelegt werden. Eine besonders vorteilhafte Nutzung eines auf diese Weise erstellten SystemEinzelmodells wird später noch mit Bezug auf das Optimierungsverfahren näher erläutert.

[0007] Für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Erstellungsverfahrens wird zuerst eine generische Systemstruktur erstellt. Die generische Systemstruktur kann auch als generische Systemarchitektur bezeichnet werden und beinhaltet wenigstens ein Komponentenmodell einer Komponente. Somit bildet die generische Systemstruktur die reale Struktur des Brennstoffzellensystems ab. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel ausgestattet sein, wobei in den Zufuhrleitungen zum Beispiel eine Reformervorrichtung und/oder eine CO2-Abscheidevorrichtung und/oder eine Wärmetauschervorrichtung als Komponenten angeordnet sind. Auch ist möglicherweise eine Rezirkulationsvorrichtung zur Rezirkulation von Abgasen aus dem Brennstoffzellenstapel als weitere Komponente vorgesehen. Hier kann nun für jede der einzelnen Komponenten ein eigenes Komponentenmodell in der generischen Systemstruktur vorgesehen werden. Ein Komponentenmodell kann dabei insbesondere ein physikalisches Simulationsmodell und/oder ein semi-physikalisches Simulationsmodell sein oder ein solches aufweisen. Um entsprechende Zusammenhänge in diesem Komponentenmodell darlegen zu können und die generische Systemstruktur anschließend für die Durchführung von Simulationsreihen nutzen zu können, wird bei einem erfindungsgemäßen Erstellungsverfahren eine Parametrisierung der Komponentenmodelle durchgeführt. Hierfür werden Komponentendaten, also beispielsweise bekannte Zusammenhänge zwischen Eingangsparametern an der jeweiligen Komponente und Ausgangsparametern an der jeweiligen Komponente, verwendet. Somit können die einzelnen Komponentenmodelle mit den Komponentendaten parametrisiert und damit einsatzfähig für die nachfolgende Durchführung der Simulationsreihen gemacht werden.

[0008] Neben der Parametrisierung der Komponentenmodelle wird anschließend noch die Versuchsumgebung abgegrenzt. Die Versuchsumgebung kann auch als Design Space bezeichnet werden und dient dazu, die Rahmenbedingungen für die durchzuführenden Simulationsreihen zu definieren. So sind beispielsweise Minimalwerte und/oder Maximalwerte vorgebbar, um die maximalen und minimalen Grenzen für die Versuchsumgebung vorzugeben. Es wird also ein Versuchsrahmen zur Verfügung gestellt, welchen die Simulationsreihen bei deren Durchführung nicht verlassen sollen und/oder verlassen dürfen.

[0009] Sobald diese Schritte vollendet sind, kann die auf diese Weise erstellte, parametrisierte und abgegrenzte generische Systemstruktur nun für die Durchführung der Simulationsreihen eingesetzt werden. Dabei wird in einem ersten Schritt eine einzige, erste Simulationsreihe durchgeführt, welche insbesondere auf einer geringen Anzahl von Stützstellen für die einzelnen SystemEingangsparameter und System-Ausgangsparameter basiert. Beispielsweise kann eine geringe Anzahl von zum Beispiel ein bis vier Stützstellen für die Zusammenhänge zwischen den SystemEingangsparametern und System-Ausgangsparametern bei dieser ersten Simulationsreihe eingesetzt werden. Somit wird ein Zusammenhang erstellt, zwischen den wenigstens zwei SystemEingangsparametern und dem wenigstens einen System-Ausgangsparameter, welcher am Ende der ersten Simulationsreihe nun als Vor-Systemmodell zusammengefasst werden kann. In einem anschließenden zweiten Schritt wird wenigstens eine weitere Simulationsreihe durchgeführt. Dabei wird auf die Simulationsergebnisse der ersten Simulationsreihe zurückgegriffen und/oder diese zumindest berücksichtigt. Dies erfolgt insbesondere dahingehend, dass bei der Veränderung der System-Eingangsparameter bei der Durchführung der wenigstens einen weiteren Simulationsreihe die Richtung der Veränderung auf Basis der ersten Simulationsreihe gewählt wird.

Somit werden insbesondere die Schrittweiten und damit die Veränderungsschritte der SystemEingangsparameter bei der wenigstens einen weiteren Simulationsreihe variiert und die Veränderungsrichtung auf Basis der Informationen aus der ersten Simulationsreihe so gewählt, dass aktiv ein noch mit Simulationsergebnissen zu füllender Abschnitt des Versuchsraums mit den zu erwartenden Simulationsergebnissen der weiteren Simulationsreihe abgedeckt wird, sodass dementsprechend ein deutlich geringerer Aufwand bei der Durchführung der wenigstens einen weiteren Simulationsreihe erfolgen muss. Dieses Wählen der Richtung der Veränderung der wenigstens zwei Systemparameter bei der wenigstens einen weiteren Simulationsreihe auf Basis der ersten Simulationsreiche kann auch als Active Design of Experiment bezeichnet werden. Die auf diese Weise erzielbare Reduktion der notwendigen Einzelversuche der wenigstens einen weiteren Simulationsreihe, führt zu einem entscheidenden Vorteil eines erfindungsgemäßen Erstellungsverfahrens, nämlich des deutlich reduzierten Rechenaufwands und entsprechenden Zeitaufwands.

[0010] Als abschließender Schritt wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wenigstens ein System-Einzelmodell erstellt. Dieses bezieht sich auf den Zusammenhang von wenigstens einem System-Eingangsparameter und wenigstens einem System-Ausgangsparameter. Hierfür wird insbesondere vorher vorgegeben oder ausgewählt, welche System-Eingangsparameter oder welche System-Ausgangsparameter bei dem Erstellungsverfahren und der später noch zu erfolgenden Optimierung oder Konstruktionsunterstützung beim Brennstoffzellensystem tatsächlich relevant sind. So sind beispielsweise Systemparameter, welche sich mit der Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems, deren Haltbarkeit oder der Lebensdauer einzelner Komponenten beschäftigen, Systemparameter von Interesse, sodass für diese das System-Einzelmodell jeweils spezifisch erstellt werden kann.

[0011] Als Endergebnis eines erfindungsgemäßen Erstellungsverfahrens liegt also wenigstens ein System-Einzelmodell, vorzugsweise mehrere System-Einzelmodelle vor, welche einen algorithmischen, insbesondere empirischen, Zusammenhang zwischen den System-Eingangsparametern und den System-Ausgangsparametern zur Verfügung stellen. Wie bereits aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, ist hierfür keine oder nur eine sehr geringe Kenntnis über die physikalischen Zusammenhänge notwendig und durch die Verwendung eines Active Design of Experiment ist der notwendige Aufwand für die Durchführung der Berechnung und der entsprechende Zeitaufwand deutlich reduziert.

[0012] Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Erstellungsverfahren nach der Durchführung der wenigstens einen weiteren Simulationsreihe die Anzahl der Simulationsergebnisse mit einer Mindestanzahl verglichen wird und bei Unterschreiten der Mindestanzahl wenigstens eine zusätzliche weitere Simulationsreihe durchgeführt wird. Somit kann sichergestellt werden, dass die Datenbasis für das abschließende Erstellen des wenigstens einen System-Einzelmodells eine Mindestgröße überschreitet. Sozusagen die Auflösung der einzelnen Simulationsreihen kann durch eine Definition einer Mindestanzahl der einzelnen Simulationsergebnisse auf eine Mindestauflösung vorgegeben werden. Hier kann es sich um eine Erstellungsiteration handeln, welche sicherstellt, dass bei der Erstellung des wenigstens einen System-Einzelmodells vorgegebene Mindeststandards eingehalten werden.

[0013] Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Erstellungsverfahren nach der Durchführung der wenigstens einen weiteren Simulationsreihe die Verteilung der Simulationsergebnisse mit einer Vorgabeverteilung verglichen wird, wobei bei einer Abweichung von der Vorgabeverteilung wenigstens eine zusätzliche weitere Simulationsreihe durchgeführt wird. Eine Vorgabeverteilung kann beispielsweise die Gleichmäßigkeit der Simulationsergebnisse und deren Verteilung über die Versuchsumgebung berücksichtigen. Auch kann geprüft werden, ob in besonderen Regionen von hohem Interesse, beispielsweise in den Randbereichen der Versuchsumgebung, eine ausreichende Dichte an Simulationsergebnissen vorliegt. Diese Iteration zur möglichst gleichmäßigen und genauen Abdeckung der Versuchsumgebung wird bei dem nächsten Durchlauf der wenigstens einen weiteren Simulationsreihe eine mögliche, noch fehlende Abdeckung einzelner Abschnitte der Versuchsumgebung entsprechend berücksichtigen.

[0014] Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Erstellungsverfahren bei der Erstellung des wenigstens einen System-Einzelmodells ein neuronales Netz eingesetzt wird. Dabei kann es sich sowohl um die Verwendung eines neuronalen Netzes für das System-Einzelmodell als auch für die Erstellung des System-Einzelmodells handeln. Dies erlaubt es, deutlich einfacher und schneller, insbesondere jedoch in automatisierter oder teilautomatisierter Weise, das erfindungsgemäße Erstellungsverfahren durchzuführen. Als Alternativen zur Einführung von künstlicher Intelligenz in Form von einem oder mehreren neuronalen Netzen, sind selbstverständlich auch Polynomansätze im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Auch eine Kombination von algorithmischen Zusammenhängen in Form von Polynomansätzen und neuronalen Netzen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich.

[0015] Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Erstellungsverfahren aus wenigstens einem System-Eingangsparameter und/oder wenigstens einem System-Ausgangsparameter wenigstens ein System-Zusatzparameter ermittelt wird. So kann beispielsweise aus einem Volumenstrom als System-Eingangsparameter und einem entstehenden Druckverlust als System-Ausgangsparameter eine Verdichterleistung als System-Zusatzparameter ermittelt werden. Selbstverständlich kann ein solcher System-Zusatzparameter auch als Eingangsparameter oder Ausgangsparameter des Brennstoffzellensystems ausgebildet sein. Auf diese Weise wird es möglich, zusätzliche Informationen über das Brennstoffzellensystem in das System-Einzelmodell zu integrieren oder sogar ebenfalls einem noch nachfolgenden Optimierungsverfahren zugrunde zu legen.

[0016] Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Erstellungsverfahren als das wenigstens eine Komponentenmodell ein physikalisches und/oder ein semi-physikalisches Modell verwendet wird. Auch Kombinationen solcher Komponentenmodelle sind selbstverständlich denkbar. Auch ist es möglich, dass das Komponentenmodell zumindest teilweise als empirisches Komponentenmodell ausgebildet ist. Die Verwendung physikalischer und/oder semi-physikalischer Modelle wird insbesondere durch eine Parametrisierung mit Komponentendaten in Form der später noch erläuterten Testdaten kombiniert.

[0017] Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Erstellungsverfahren beim Erstellen der generischen Systemstruktur wenigstens ein Optimierungsziel berücksichtigt wird. Somit kann ein später noch durchzuführendes Optimierungsverfahren bereits beim Erzeugen und Erstellen der generischen Systemstruktur berücksichtigt werden. Damit wird sichergestellt, dass ein später zu erzielendes Optimierungsziel auch tatsächlich durch die generische Systemstruktur mit abgedeckt wird. Auch ist auf diese Weise sichergestellt, dass eine Reduktion der generischen Systemstruktur auf das später gewünschte Optimierungsziel möglich wird, sodass beim Durchlauf des erfindungsgemäßen Erstellungsverfahrens eine entsprechende weitere Reduktion des Durchlaufaufwandes möglich wird. Ein solches Optimierungsziel kann zum Beispiel die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellensystems und/oder einzelner Komponenten sein. Auch ein Wirkungsgrad, in elektrischer und/oder thermischer Sichtweise, kann als Optimierungsziel vorgegeben werden. Jedoch sind auch abstraktere Optimierungsziele, wie zum Beispiel die Reduktion der Serviceintervalle des Brennstoffzellensystems, als Optimierungsziel wählbar.

[0018] Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Erstellungsverfahren für das Parametrisieren des wenigstens einen Komponentenmodells vorhandene Testdaten des Brennstoffzellensystems verwendet werden. Insbesondere dann, wenn das Brennstoffzellensystem bereits als Testsystem auf einem Prüfstand im Betrieb ist, können diese Prüfstanddaten als Testdaten für die Parametrisierung des Komponentenmodells eingesetzt werden. Alternativ oder in Kombination können selbstverständlich auch Testdaten aus der Literatur und/ oder aus der empirischen Erfahrung des jeweiligen Konstrukteurs eingesetzt werden.

[0019] Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Erstellungsverfahren wenigstens eine Nebenbedingung vorgegeben wird. Beispiele für eine solche Nebenbedingung können maximale Druckdifferenzen in Komponenten, maximale Temperaturgrenzen oder maximale Umsetzungsraten sein. Die Nebenbedingungen bilden also zusätzliche, insbesondere

absolute Rahmenbedingungen für das Brennstoffzellensystem aus, welche damit auch Rahmenbedingungen für die einzelnen System-Eingangsparameter und/oder System-Ausgangsparameter darstellen können. Solche Nebenbedingungen können sich auch mit Bezug auf die bereits erläuterten System-Zusatzparameter definieren lassen.

[0020] Wie bereits angedeutet, ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Opti-

mierungsverfahren für eine Optimierung einer Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems. Ein

solches Optimierungsverfahren weist die folgenden Schritte auf:

- Vorgeben eines Optimierungsziels,

- Durchführen einer numerischen Optimierung an wenigstens einem Systemeinzelmodell, welches durch ein erfindungsgemäßes Erstellungsverfahren erstellt worden ist,

- Erstellen eines Betriebskennfeldes auf Basis des Optimierungsergebnisses.

[0021] Liegt ein System-Einzelmodell für den bereits erläuterten Zusammenhang zwischen System-Eingangsparametern und System-Ausgangsparametern vor, so kann anhand dieses System-Einzelmodells nun eine numerische Optimierung durchgeführt werden. Wird ein Optimierungsziel, beispielsweise ein möglichst schonender Betrieb einer Komponente eines Brennstoffzellensystems, für die Verlängerung der Lebensdauer dieser Komponente vorgegeben, so kann mittels eines numerischen Optimierungsverfahrens das System-Einzelmodell verwendet werden, um durch Simulation mit entsprechender Variation von ein oder mehreren System-Eingangsparametern sicherzustellen, dass die Lebensdauer entsprechend optimiert wird. Im Ergebnis sind ein oder mehrere Betriebspunkte erkennbar, welche für jeden Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems eine in Sicht des Optimierungsziels optimierte Betriebsweise des Brennstoffzellensystems vorgeben. Ein solches Betriebskennfeld als optimiertes Betriebskennfeld kann dem späteren Betrieb des Brennstoffzellensystems zu Grunde gelegt werden, um das Optimierungsziel auch im tatsächlichen Betrieb des Brennstoffzellensystems zu erreichen. Ein solches Betriebskennfeld dient damit einem einfachen Kontrollzusammenhang, welcher in steuernder und/oder regelnder Weise beim Betrieb des Brennstoffzellensystems eingesetzt werden kann. Die Kennfelder, welche im Betrieb eingesetzt werden, benötigen also nicht mehr das System-Einzelmodell oder einen anderweitigen Simulationszusammenhang. Vielmehr kann in kostengünstiger, einfacher und vor allem rechenarmer Weise der Betrieb des Brennstoffzellensystems in optimierter Weise mit dem erstellten Betriebskennfeld durchgeführt werden.

[0022] Vorteile kann es weiter mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Optimierungsverfahren die numerische Optimierung lokal optimierte Betriebspunkte erzeugt, wobei anschließend eine globale Optimierung, aufbauend auf die lokal optimierten Betriebspunkte, das Kennfeld glättet.. So kann beispielsweise über die gesamte Temperaturspanne im Betrieb eines Brennstoffzellensystems für jede Betriebstemperatur ein lokal optimierter Betriebspunkt definiert werden. Dies kann jedoch dazu führen, dass bei benachbarten Temperaturbereichen sehr große Unterschiede in den hierfür optimierten Betriebspunkten bestehen. Dies würde beim Einsatz eines solchen Kennfeldes dazu führen, dass bei geringen Schwankungen der Betriebstemperatur große Kontrollschwankungen die Folge wären. Um nun sicherzustellen, dass bei einer lokalen Optimierung der Betriebspunkte auch im realen Betrieb die Schwankungsbreite die Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems nicht beeinträchtigt und/oder die Kontrolle einfach und kostengünstig möglich ist, kann nun eine globale Optimierung über diese lokale Optimierung gelegt werden. So kann beispielsweise die Glattheit des Kennfeldes die Sprunghaftigkeit einzelner lokaler Betriebspunkte als globale Optimierung wieder ausgleichen. Der Ubergang zwischen benachbarten Betriebspunkten im Betrieb des Brennstoffzellensystems wird auf diese Weise erleichtert.

[0023] Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Optimierungsverfahren vor der Durchführung der numerischen Optimierung ein Erstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Ein Erstellungsverfahren wird somit in das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren integriert. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Optimierungsverfahren dieser Ausführungsform die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Erstellungsverfahren erläutert worden sind.

[0024] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms auf einem Computer diesen veranlassen, ein erfindungsgemäßes Erstellungsverfahren oder ein erfindungsgemäßes Optimierungsverfahren auszuführen. Damit bringen erfindungsgemäße Computerprogrammprodukte die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Erstellungsverfahren und ein erfindungsgemäßes Optimierungsverfahren erläutert worden sind.

[0025] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

[0026] Fig. 1 eine Darstellung eines Teils eines Brennstoffzellensystems,

[0027] Fig. 2 ein erster Schritt eines erfindungsgemäßen Erstellungsverfahrens, [0028] Fig. 3 ein weiterer Schritt eines erfindungsgemäßen Erstellungsverfahrens, [0029] Fig. 4 ein weiterer Schritt eines erfindungsgemäßen Erstellungsverfahrens, [0030] Fig. 5 ein weiterer Schritt eines erfindungsgemäßen Erstellungsverfahrens, [0031] Fig. 6 ein weiterer Schritt eines erfindungsgemäßen Erstellungsverfahrens,

[0032] Fig. 7 eine Möglichkeit eines Ablaufs eines erfindungsgemäßen Erstellungsverfahrens und

[0033] Fig. 8 eine Möglichkeit eines Ablaufs eines erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens.

[0034] In der Figur 1 ist schematisch ein Teil eines Brennstoffzellensystems 100 dargestellt. Hier ist schematisch ein Brennstoffzellenstapel 110 mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt als Komponente K vorgesehen. Uber Zuführabschnitte können dem Anodenabschnitt und dem Kathodenabschnitt die jeweiligen Zuführgase zum Brennstoffzellenstapel 110 zugeführt werden. Hier ist als weitere Komponente K ein Rezirkulationsabschnitt 140 vorgesehen. Auch ist eine Reformervorrichtung 120 als zusätzliche Komponente K und eine CO2 Abscheidevorrichtung 130 als weitere Komponente K vorgesehen. Selbstverständlich sind noch weitere Komponenten und Zusatzbauteile möglich oder notwendig, um das Brennstoffzellensystem 100 zu komplettieren.

[0035] Basierend auf den Grundkomponenten K des Brennstoffzellensystems 100 kann nun bei einem erfindungsgemäßen Erstellungsverfahren eine generische Systemstruktur GSS gemäß der Figur 2 erstellt werden. Diese weist hier für die vier Komponenten Kin Form des Brennstoffzellenstapels 110, der Reformervorrichtung 120, der CO2 Abscheidevorrichtung 130 und der Rezirkulationsvorrichtung 140 vier entsprechend einzelne und spezifische Komponentenmodelle KM auf. Auch sind hier beispielshaft drei System-Eingangsparameter SEP und zwei System-Ausgangsparameter SAP dargestellt.

[0036] Sobald die generische Systemstruktur GSS in dieser Weise erstellt worden ist, können nun die einzelnen Komponentenmodelle KM mit Komponentendaten KD parametrisiert werden. Diese Parametrisierung ist in der Figur 3 dargestellt und erfolgt insbesondere mit Testdaten, welche auf einem Prüfstand mit einem realen Brennstoffzellensystem 100 ermittelt worden sind. Jedoch ist auch die Verwendung von Daten aus dem empirischen Wissen, Computersimulationen wie zum Beispiel aus CFD Simulationen oder aus der Literatur im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich.

[0037] Gemäß der Figur 4 ist nun dargestellt, wie die Versuchsumgebung VU weiter definiert werden kann. So können einzelne Rahmenbedingungen RB als Maximalwerte und Minimalwerte spezifisch für die einzelnen System-Eingangsparameter SEP vorgegeben werden, um den Design Space zu schließen.

[0038] Sobald nun die generische Systemstruktur GSS bereit ist, kann eine erste Simulationsreihe durchgeführt werden, wobei auf Basis der entstehenden Simulationsergebnisse nun gemäß

der Figur 5 ein Vor-Systemmodell VSM erstellt wird. Dabei handelt es sich um einen quantitativen Modellzusammenhang, welcher insbesondere der nachfolgenden weiteren Simulationsreihe zugrunde gelegt werden kann. Wird nun wenigstens eine weitere Simulationsreihe an der generischen Systemstruktur GSS durchgeführt, können eine Vielzahl von weiteren Simulationsergebnissen die Versuchsumgebung VU weiter auffüllen. Sobald eine ausreichende Anzahl an Stützpunkten beziehungsweise Simulationsergebnissen und eine entsprechend gewünschte Verteilungsdichte der Simulationsergebnisse über die Versuchsumgebung VU erreicht worden ist, können nun, dargestellt in der Figur 6, zwei oder mehrere (siehe dargestellte Punkte) System-Einzelmodelle SEM erstellt werden. Diese System-Einzelmodelle SEM dienen anschließend einer möglichen Optimierung im numerischen Optimierungsverfahren.

[0039] Die Figuren 7 und 8 zeigen mögliche Durchläufe in schematischer Weise, welche von einem Erstellungsverfahren in der Figur 7 und einem Optimierungsverfahren in der Figur 8 eingenommen werden können. Die Figur 8 zeigt zusätzlich noch die optionale Definition von Nebenbedingungen vor der Durchführung der numerischen Optimierung. Auch können Computerprogrammprodukte diese einzelnen Schritte der Figuren 7 und 8 auf einem Computer ausführen und somit die bereits erläuterten Wirkungen zur Verfügung stellen.

[0040] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

BEZUGSZEICHENLISTE

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel

120 Reformervorrichtung

130 CO2 Abscheidevorrichtung

140 Rezirkulationsvorrichtung K Komponente

VSM Vor-Systemmodell SEM System-Einzelmodell SEP System-Eingangsparameter

SAP System-Ausgangsparameter

GSS _ generische Systemstruktur KM Komponentenmodell

KD Komponentendaten

RB Rahmenbedingungen

VU Versuchsumgebung

Claims (14)

Patentansprüche

1. Erstellungsverfahren für eine Erstellung wenigstens eines System-Einzelmodells (SEM) für ein Brennstoffzellensystem (100) zur Modellierung von Zusammenhängen von System-Eingangsparametern (SEP) und System-Ausgangsparametern (SAP), aufweisend die folgenden Schritte:

- Erstellen einer generischen Systemstruktur (GSS) für das Brennstoffzellensystem (100) mit wenigstens zwei varlierbaren System-Eingangsparametern (SEP) und wenigstens einem Komponentenmodell (KM) einer Komponente (K) des Brennstoffzellensystems (100),

- Parametrisieren des wenigstens einen Komponentenmodells (KM) mit Komponentendaten (KD),

- Vorgeben von Rahmenbedingungen (RB) für den wenigstens einen System-Eingangsparameter (SEP) zur Abgrenzung einer Versuchsumgebung (VU),

- Durchführen einer ersten Simulationsreihe in der Versuchsumgebung (VU) mittels der generischen Systemstruktur (GSS) zur Erzeugung von simulierten System-Ausgangsparametern (SAP) als Simulationsergebnisse,

- Erstellen eines Vor-Systemmodells (VSM) für einen Zusammenhang zwischen den wenigstens zwei System-Eingangsparametern (SEP) und wenigstens einem System-Ausgangsparameter (SAP) auf Basis der durchgeführten ersten Simulationsreihe,

- Durchführen wenigstens einer weiteren Simulationsreihe mittels der generischen Systemstruktur (GSS) zur Erzeugung von weiteren simulierten System-Ausgangsparametern (SAP) zum Füllen der Versuchsumgebung (VU) mit weiteren Simulationsergebnissen, wobei die Veränderungsrichtung der wenigstens zwei System-Eingangsparameter (SEP) ausgehend von der ersten Simulationsreihe gewählt wird,

- Erstellen von wenigstens einem System-Einzelmodell (SEM) für einen Zusammenhang zwischen wenigstens einem System-Eingangsparameter (SEP) und wenigstens einem System-Ausgangsparameter (SAP) auf Basis der der durchgeführten Simulationsreihen.

2. Erstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Durchführung der wenigstens einen weiteren Simulationsreihe die Anzahl der Simulationsergebnisse mit einer Mindestanzahl verglichen wird und bei Unterschreiten der Mindestanzahl wenigstens eine zusätzliche weitere Simulationsreihe durchgeführt wird.

3. Erstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Durchführung der wenigstens einen weiteren Simulationsreihe die Verteilung der Simulationsergebnisse mit einer Vorgabeverteilung verglichen wird, wobei bei einer Abweichung von der Vorgabeverteilung wenigstens eine zusätzliche weitere Simulationsreihe durchgeführt wird.

4. Erstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erstellung des wenigstens einen System-EinzelModellls (SEM) ein neuronales Netz eingesetzt wird.

5. Erstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus wenigstens einem System-Eingangsparameter (SEM) und/oder wenigstens einem System-Ausgangsparameter (SAP) wenigstens ein System-Zusatzparameter ermittelt wird.

6. Erstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als das wenigstens eine Komponentenmodell (KM) ein physikalisches und/oder ein semi-physikalisches Modell verwendet wird.

7. Erstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erstellen der generischen Systemstruktur (GSS) wenigstens ein Optimierungsziel berücksichtigt wird.

8. Erstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Parametrisieren des wenigstens einen Komponentenmodells (KM) vorhandene Testdaten des Brennstoffzellensystems (100) verwendet werden.

9. Erstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Nebenbedingung vorgegeben wird.

10. Optimierungsverfahren für eine Optimierung einer Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend die folgenden Schritte: - Vorgeben eines Optimierungsziels, - Durchführen einer nummerischen Optimierung an wenigstens einem System-Einzelmodell (SEM), welches durch ein Erstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 erstellt worden ist, - Erstellen eines Betriebs-Kennfeldes auf Basis des Optimierungsergebnisses.

11. Optimierungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die numerische Optimierung lokal optimierte Betriebspunkte erzeugt, wobei anschließend eine globale Optimierung aufbauend auf die lokal optimierten Betriebspunkte das Kennfeld glättet.

12. Optimierungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung der numerischen Optimierung ein Erstellungsverfahren mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 durchgeführt wird.

13. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms auf einem Computer diesen veranlassen, ein Erstellungsverfahren mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.

14. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms auf einem Computer diesen veranlassen, ein Optimierungsverfahren mit den Merkmalen eines der Ansprüche 10 bis 12 auszuführen.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen