CN109690850A - 用于燃料电池的反应气体的受控制的气体调节装置 - Google Patents
用于燃料电池的反应气体的受控制的气体调节装置 Download PDFInfo
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Abstract
为了能够准确且快速地控制燃料电池的运行的影响变量而规定，为所述控制使用控制器(R)，该控制器基于以耦合的非线性的多变量系统形式的气体调节单元(3)的模型设计，其方式为，所述耦合的非线性的多变量系统借助李导数解耦并且线性化并且该控制器(R)被设计用于所述耦合的非线性的多变量系统，其中，控制器(R)在所述控制的任一扫描时刻根据预先给定的额定变量(yj,dmd)计算用于气体调节单元(3)的影响变量的存在的至少三个执行器的操纵变量(uG、uS、uN、)并且气体调节单元(3)的至少这三个执行器在所述控制的扫描时间调节所述计算出的操纵变量(uG、uS、uN、)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的反应气体的受控制的气体调节装置和一种用于控制燃料电池的气体调节装置以运行燃料电池的方法。
背景技术
燃料电池被视为未来的能源，尤其是也用于任意类型的车辆中的移动式应用。在此，质子交换膜燃料电池(PEMFC)已经成为极具前景的技术之一，因为其能够在低温下运行、高速的响应时间、具有高的功率密度并且能够无排放(反应物只有氢气和氧气)地运行。但是此外还有一系列其它的燃料电池技术，例如碱性燃料电池(AFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、直接乙醇燃料电池(DEFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。对于阳极和对于阴极，燃料电池各使用一种反应气体，例如氧气O2(或空气)和氢气H2，所述反应气体发生电化学反应以产生电流。不同燃料电池的结构和功能是充分已知的，因此在这里不进行详述。对燃料电池的运行来说，对反应气体的调节不是强制性必要的。但是只有借助准确的气体调节才能实现经济且高效地使用燃料电池(例如在车辆中)所需的耐用性和性能以及功率密度。在此，根据燃料电池的类型可能必要的是，仅调节所述反应气体的其一或者调节两种反应气体。燃料电池的正确的过程控制(这尤其包括气体调节)对于燃料电池的性能、耐用性和安全运行至关重要，尤其在受到外部和内部干扰作用的情况下也是如此。通常，对燃料电池的错误的方法技术方面的过程控制导致可逆或不可逆的功率损失(降级)。健康状态(通用英文缩写SoH：State of Health)构成对于燃料电池的当前性能的指示器。如果燃料电池达到了SoH的限定值(汽车中典型地为全新状态下连续功率的80％)，则称为服务结束(End-of-Service)，这当然是不符合期望的并且应该避免。
在气体调节的情况下，状态变量即反应气体的压力、温度和相对湿度(p、T、rH)以及质量流量是至关重要的。
例如，过低的质量流量导致反应物不足，这会立即对性能产生消极影响并且根据持续时间和强度的不同会对燃料电池造成不可逆的损害。一个另外的重要的影响变量是反应气体的压力。虽然阳极和阴极之间的一定的压力梯度对作用方式具有积极影响，但是在压差过大的情况下膜并且因此燃料电池会被损坏。一个另外的例子是反应气体的相对湿度。例如在质子交换膜燃料电池中至关重要的是，保护所述膜免于干燥，因为只有氢化膜传导氢阳离子并因此性能好。但是，同时必须避免由于过多的液态水导致气体通道的和扩散纸的阻塞，所述阻塞导致反应物供应不足。附加地，膜的循环加湿和除湿导致对于它们的机械应力并且由此又导致膜中的裂缝和缺陷(小孔)，所述裂缝和缺陷有利于氢气和氧气的直接通过。两种效应因此又对燃料电池的性能和健康状态产生消极影响。尤其是温度也起着重要作用。除了高温下膜的加速化学分解之外，相对湿度和温度也物理耦合，由此后者也能够产生上述效果。所述各示例仅为在气体调节不足的情况下部分可能出现的效果并且应当有助于更好地理解该问题。
气体调节的大的难题在于，所述四个影响变量基于物理(例如热力学)关系是彼此相关的并且为此具有非线性的特性。该问题通常通过如下方式规避：将气体调节装置的部件以及用于气体调节的控制方案相互协调。由此，基于特性场、特性值、特性点等的相当简单的控制与用于另外的部件的简单的控制器(例如PID控制器)共同作用就足够了。在此也可能的是，根据SoH为控制参数(特性场、特性值、特性点)设置修正因子。
如果希望充分利用燃料电池的可能性，这种类型的对气体调节的简单控制通常是不充分的。尤其是通常无法由此实现燃料电池(在试验台上或者在真实应用中)的(高)动态运行。在此，尤其是将(高)动态运行理解为控制的快速响应特性，即：控制能够以尽可能小的控制偏差跟随控制的额定变量中的快速变化。特别是在试验台上开发燃料电池的情况下这是一个难题，在那里，人们通常希望对燃料电池进行动态的试验运行(在影响变量的变化率的意义中，但也包括在燃料电池的载荷的意义中)，以便测试或改进燃料电池的特性。
因此需要用于对气体调节进行动态控制的控制器，其能够快速且准确地调节受控制的变量，并且尤其是也能够瞬时地调节。
对此，在文献中可以找到用于控制燃料电池的气体调节的不同解决方案。其中的许多解决方案基于对热力学关系的或多或少强烈的简化。大多数情况下仅控制所述影响变量的其中两个影响变量并且对于其它影响变量进行假设。于是为此设计合适的控制器。在大多数情况下，在此对压力或湿度进行控制。对此的一个示例是Damour C.等发表于2015年第40期Int.Journal of Hydrogen Energy期刊上的A novel non-linear model-basecontrol strategy to improve PEMFC water management–The flatness-basedapproach，第2371-2376页。其中基于膜湿度模型在使用已知的微分平坦理论的情况下设计了一种用于相对湿度的控制器。该基于平坦的控制器表现出了进行额定值跟踪的出色特性、高的干扰抑制和高稳定性。但是并非所有影响变量都能够由此被控制，这使得所述控制器不适用于设想的对气体调节的控制。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提出一种用于燃料电池的反应气体的受控制的气体调节装置和一种相应的对此的控制方法，所述气体调节装置和方法能够实现对燃料电池的运行的影响变量的准确且快速的控制。
根据本发明，该任务通过各独立权利要求的特征解决。本发明基于：从对气体调节单元的数学建模中得到的高阶非线性耦合的多变量系统能够通过应用李导数解耦和线性化。对于从中产生的线性非耦合多变量系统于是能够借助传统的线性控制理论设计控制器。以这种方式对气体调节单元在影响变量的方面准确建模，这构成对于准确且快速地控制影响变量的前提条件。
附图说明
下面参考图1至图4详细地阐述本发明，各附图示例性地、示意性地和非局限性地示出本发明有利的构造方案。在附图中：
图1示出用于燃料电池的具有根据本发明的气体调节装置的试验台，
图2示出在耦合的多变量系统的输入变量发生变化的情况下输出变量的曲线，
图3示出根据本发明的、具有两个自由度的、用于所述气体调节装置的控制器，以及
图4示出在根据本发明解耦的多变量系统中在输入变量发生变化的情况下输出变量的曲线。
具体实施方式
下面参考图1并且不局限于一般性地以用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)2的试验台1为例阐述本发明。当然，燃料电池2也可能用作机器或设备中的电供应装置。气体调节装置和对此的控制装置于是也可能在该机器或者设备中实现。因此，如果下面述及燃料电池2的运行，则始终理解为燃料电池2在试验台1上的运行以及燃料电池2在机器或设备中的真实运行。
在根据图1的示例中，燃料电池2构造在试验台1上并且在试验台1上运行。如已充分已知的那样，燃料电池2包括阴极C和阳极A，向所述阴极输送第一反应气体(例如氧气，亦或以空气的形式)，向所述阳极输送第二反应气体、例如氢气H2。这两种反应气体在燃料电池2内部通过高分子膜相互隔离。在阴极C和阳极A之间能够截取电压U。燃料电池2的该基本结构和功能是充分已知的，因此在这里不对其进行详述。
至少一种反应气体(通常是输送氧气的反应气体、尤其是空气)在气体调节装置单元3中被调节。在气体调节单元3中设定被调节的反应气体的压力p、相对湿度温度T和质量流量——在图1中，这四个影响变量在阴极C的输入端上示出。根据本发明，在此对这四个影响变量的至少三个(优选所有四个)影响变量进行调节。在此，“调节”意味着，将影响变量的值调整至预先给定的值(额定值)。在未借助气体调节装置单元3进行调节的影响变量的情况下，能够对该影响变量进行假设：例如能够将该影响变量保持恒定。
为了控制这些影响变量，在气体调节单元3中设置有相应的执行器。尤其是设置有用于润湿反应气体以调节反应气体的相对湿度的湿润装置4、用于对反应气体进行调温以调节反应气体的温度T的调温装置5、用于控制反应气体的质量流量的质量流量控制装置6和用于控制反应气体的压力p的压力控制装置7。类似于待调节的影响变量，在气体调节单元3中设置有这四个装置中的三个(优选所有四个)装置。当然也为反应气体设置有气体源8，其与气体调节单元3相连接或者同样设置在气体调节装置单元3中。
气体源8例如是具有压缩的干燥反应气体(例如空气)的蓄压器。作为替选，在使用空气的情况下也能够将周围空气作为空气源8进行处理，例如过滤、压缩、干燥等。
调温装置5例如是电加热和冷却装置或者热交换器。也能够使用如在AT 516 385A1中描述的装置作为调温装置5。
在本实施例中，润湿装置4包括蒸汽发生器9、用于蒸汽的质量流量控制器10和混合室11。能够使用传统的、适合的、可商购的并且可控制的质量流量控制器作为用于蒸汽的质量流量控制器10(并且也作为用于反应气体的质量流量控制器6)。在混合室11中将蒸汽与来自气体源8的气体混合至用于燃料电池2的经过调节的反应气体中。
当然，也可以考虑润湿装置4的其它实施方案。例如能够将水输送(注入)至来自气体源8的气体中。
在本示例中使用背压阀作为压力控制装置7，其经由可控制的开口横截面调节反应气体的压力p。背压阀7在气体调节单元3中设置在燃料电池2下游。这能够实现在燃料电池2上游对压力进行控制，由此使对气体调节装置单元3的其它部件中的可能的压力损失的压力控制不受影响。
因此，在混合室11的下游，在与燃料电池2(或者说与燃料电池2的阴极C或阳极A)相连接的反应气体管路12中存在具有确定的温度T、确定的相对湿度确定的压力p和确定的质量流量的反应气体。
但是，该根据图1描述的气体调节单元13的结构仅是示例性的并且当然也可以考虑气体调节单元3的其它结构以及也可以考虑润湿装置4的、质量流量控制装置6的、调温装置5的和压力控制装置7的其它的具体的实施方案。
为了能够控制影响变量，润湿装置4、质量流量控制装置6、调温装置5和压力控制装置7能够经由相应的操纵变量来控制。在此，所述操纵变量由在其中实施了控制器R的控制单元15计算。在图1示出的实施例中，借助操纵变量uS经由用于蒸汽的质量流量控制器10控制润湿装置4，借助操纵变量uG控制质量流量控制装置6，借助操纵变量Q控制调温装置5并且借助操纵变量uN控制压力控制装置7。借助所述操纵变量操控相应的执行器，以引起影响变量的变化。
对于用于控制气体调节单元3的控制器R的控制器设计，首先可创建气体调节单元3的模型。在此也可以考虑极不同的模型。下面将描述一个有利的模型，其中考虑到了所有四个影响变量。为此，首先针对根据图1的结构建立系统方程。
由混合室11中的质量平衡中得出：
其中，mG为气体的质量，为进入混合室11中的气体的质量流量，为流出混合室11的气体的质量流量，为进入混合室11中的蒸汽的质量流量，并且为流出混合室11的蒸汽的质量流量。流出混合室11的气体和蒸汽的质量流量通过得出，其中，为气体调节单元3中的总质量，mG为气体的质量，mS为蒸汽的质量，并且为反应气体的质量流量。在此，当然必须适用m＝mG+mS。
由气体调节单元3的能量平衡得出
在此，U表示内能并且h表示气体(在这里和在下面通过脚注G标记)的、蒸汽(在这里和在下面通过脚注S标记)的和在混合室11下游的反应气体(在这里和在下面无脚注)的比焓，并且ui表示气体的和蒸汽的比内能。众所周知，气体的比焓h是在恒压下的比热容cp与气体温度T的乘积。在蒸汽的情况下再加上潜热r0。气体的内部能量ui是在恒定容积下的比热容cv与气体温度T的乘积。在蒸汽的情况下再加上潜热r0。如果把这全部加入到能量平衡中并且考虑质量平衡，则得到以下描述气体调节单元3的温度动力学的系统方程。
此外，从用于理想气体的热动力学状态方程中得到
pV＝(mGRG+mSRS)T
其中，燃料电池2的输入端上的压力p和温度T以已知的方式表示用于气体(脚注G)、蒸汽(脚注S)或者用于反应气体(无脚注)的气体常数。在此，容积V优选不仅表示混合室11的容积，而且也表示在气体调节单元3中的套管的容积。反应气体的压力p和质量流量也决定性地受到背压阀7的影响，该背压阀能够通过如下方式建模。
其中，A表示背压阀7的开口横截面并且p0表示周围环境压力。
相对湿度通过
建模，在此，pW(T)表示饱和分压，其例如通过给定。参数pm、C1、C2例如能够从Plant R.S.等所著的、于2015年由帝国学院出版社出版的《大气对流参数化(Parameterization of Atmospheric Convection)》第1卷中得知。
附加地，执行器的动力根据呈1阶延迟单元形式的操纵变量uS、uG、和uN并借助时间常数τ1，τ2，τ3，τ4建模：
其中，TG,0和A0是预先给定的偏移变量。
从以上各系统方程中看到，非线性多变量系统(MIMO,multiple input multipleoutput)以如下系统的形式存在，
y＝h(x)
其中，状态矢量x、输入矢量u和输出矢量y如下：
为了更易于理解，在图1中示出所述变量相应出现的位置。
所述非线性由来自状态方程的系统函数f(x)、g(x)和来自输出方程的系统函数h(x)得到，所述函数分别与状态矢量x有关。
但是，气体调节单元3的模型不仅是非线性的，而且所述各个状态方程也多次耦合，由此，输入矢量u的操纵变量uS、uG、uN不能被关联于输出矢量y中的输出变量T、p、因此，如果改变操纵变量uS、uG、uN之一，则会影响多个输出变量。这在图2中示出。
在图2右侧示出随着时间t变化的操纵变量uS、uG、uN并且在左侧示出输出矢量y的输出变量。在时间点50s、100s、150s和200s上分别改变了所述操纵变量uS、uG、uN之一。在此，所有的输出变量T、p、分别发生了变化。
对于所述耦合的非线性MIMO系统现在仅须设计一个控制器，借助该控制器能够控制气体调节单元3。对此存在多种可能性，其中，下面将描述一种优选的控制器设计方案。
作为第一步将所述非线性的耦合的多变量系统
y＝h(x)
解耦并且线性化。为此将输出值(即输出变量yj)以的形式在时间上求导，由此得到
其中，Lfh和Lgh表示输出方程的系统函数h(x)关于所述耦合的非线性多变量系统的状态方程的系统函数f(x)和g(x)的已知的李导数。所述李导数Lfh和Lgh因此定义为和
从上述内容可知，如果则操纵变量ui对于输出变量yj的相应的时间导数不具有影响。因此，只要操纵变量ui对输出变量yj有影响，则为每个输出变量yj的输出矢量y一直在时间上求导，即直至第δj阶导数。于是用δj表示第j个输出变量yj的相对阶数，由此得到下面借助李导数的表达式。
其中，表示第δj阶李导数并且(δj)表示第δj阶时间导数。如果将这应用到所有j＝1，……，m的输出变量上，则借助解耦矩阵J(x)以通常的矩阵表达式得到
包含输出变量y的第δj阶时间导数的矢量等于新的合成的输入矢量v，即由此得到v＝l(x)+J(x)u。从中得出，在所述新的合成输入矢量v和多变量系统的输出矢量y中的输出变量之间的关联是解耦的并且能够被理解为积分器链。如果新的合成输入变量vj根据时间进行δj次积分，则获得多变量系统的输出变量yj。
如果现在还将新的状态矢量z以如下形式限定
则根据
得到新的多变量系统作为线性的非耦合状态空间模型，其中并且以及(δj×δj)矩阵并且(δj×1)矢量
于是能够将任意的线性控制理论应用到所述形式的线性非耦合多变量系统上并且能够为此设计任意的线性控制器。
对于所述控制所追求的一个目标是，经调节的输出变量yj尽可能良好地跟随预先给定的额定变量yj,dmd(轨迹跟踪，trajectory tracking)。在此，所述控制应尽可能不受干扰。为此例如提供一种已知的具有两个自由度的控制器R(Two-Degree-of-Freedom(2DoF)控制器)，其由前馈控制器FW和反馈控制器FB组成并且例如在图3中示出。在此，前馈控制器FW确保控制变量特性(轨迹跟踪)并且反馈控制器FB确保校正可能的干扰。
所述解耦的线性多变量系统20的新的输入变量vj对应于输出变量yj的第δj阶导数。由此得到控制器R的前馈部分作为额定变量yj,dmd的第δj阶导数。额定变量矢量ydmd的每个额定变量yj,dmd根据其相对阶数δj被求导并且添加地接入到反馈控制器FB的输出上。
反馈控制器FB以已知的方式获得控制误差矢量e作为在额定变量矢量ydmd中的额定变量yj,dmd与输出变量y的当前实际值之间的偏差，即ej(t)＝yj(t)–yj,dmd(t)。原则上能够将任意的反馈控制器用于校正误差并且已知足够的方法以确定这种控制器。下面将描述一种简单的反馈控制器FB。
反馈控制器FB基于相对阶数δj并且限定以下误差部分
由此能够将根据图3的所述解耦的线性多变量系统20的新的输入变量vj表达为
对于相对阶数δj为2的情况能够建立与PID控制器的类比，其中，Kj,0构成积分部分，Kj,1构成比例部分并且Kj,2构成微分部分。对于相对阶数δj为1的情况则可能得到PI控制器。
这以如下矢量表达式得到
其中包括上述限定的矩阵Ac、Bc并且并且
紧接着能够确定反馈控制器FB的控制器参数Kj，以实现期望的控制器特性。对此也有已知的不同的解决方案，例如用于(Ac-BcK)的极点配置方法。在此，所有期望的极点优选放置在假想轴的左侧，以确保稳定性。以这种方式能够确定控制器参数Kj。
对于非线性耦合多变量系统的上述线性化和解耦(其特征在于图3中的Σ-1)也还需要状态变量x，如从各等式中可以看到的并且也如图3中所示的那样。
为此能够在气体调节单元3中测量所述状态变量x，优选在所述控制的每个扫描时刻进行测量。作为替选，状态变量x也能够通过观察者从输入变量u和/或输出变量y中估算，优选也是在所述控制的扫描时刻进行估算。但是，状态变量x也还能够以其它的简单方式进行计算。
如果存在微分独立(differentiell)的输出变量y＝(y1,…,ym)的矢量，则通常形式的非线性多变量系统具有微分平坦的特性，使得状态变量x和输入变量y是该被平坦地表示的输出y及其导数的函数：
y＝F(x)
从中得出，对于输出变量y(t)的任意每个时间曲线来说，输入变量u(t)的配属的时间曲线和状态变量x(t)的时间曲线唯一能够由输出变量y(t)的时间曲线计算出，而不必对多变量系统的微分方程进行积分。
能够表明的是，上述非线性多变量系统是微分平坦的。由此，状态变量x能够简单地由额定变量ydmd的时间曲线计算出并且既不必测量，也不必或估算。这在图3中通过状态变量x的脚注F示出。在试验台1上，额定变量ydmd的时间曲线例如通过待执行的测试运行确定并且由此是已知的。由此，状态变量xF能够从额定变量ydmd的时间曲线中事先离线计算出并且然后在执行测试运行的情况下可用于所述控制。
对于用于燃料电池2的运行的气体调节单元3的控制而言，能够如下述的那样进行。
首先，必要时如上述的那样设计控制器R，该控制器具有良好的控制变量特性，并且是稳定且耐用的，亦即基本上对于干扰是不敏感的。这例如主要通过选择反馈控制器FB的极点而实现。但是，可选地也能够使用已参数化的控制器R。对于燃料电池2的运行而言，预先给定用于用作额定变量的输出变量T、p、的时间上的额定变量曲线ydmd(t)。该额定变量曲线ydmd(t)能够从燃料电池2的实际运行中得出，能够被预先给定或者能够通过用于在试验台上测试燃料电池2的测试运行确定。在燃料电池2在机器或者设备中的真实运行中，例如能够在从一个工作点过渡到一个新的工作点的情况下计算轨迹，燃料电池2或者说气体调节装置应当沿着该轨迹被引导。这例如能够在燃料电池控制单元中进行。在此，该燃料电池控制单元也从真实运行中规定所述工作点。轨迹的标准例如是快速的过渡，其中，该瞬时曲线不应损坏燃料电池2。状态变量xF(t)由此能够从额定变量ydmd(t)的时间曲线中事先离线计算。作为替选，状态变量xF(t)也能够在控制的每个扫描时刻(即在每个计算新的操纵变量的时刻)被在线计算或者测量。用于所述控制的扫描时间典型地在毫秒范围内，例如所述控制在试验台1上以100Hz(10ms扫描时间)运行。随即借助时间上的额定变量曲线ydmd(t)(例如根据测试运行)对气体调节单元3进行加载。对此，在试验台1上例如也能够执行对燃料电池2的期望的测量，以便确定在预先给定的测试运行的情况下燃料电池2的特性。
这种以预先给定的额定变量曲线ydmd(t)形式的测试运行已进行了模拟并且结果在图4中示出。对于该模拟假设了以下参数：润湿装置4的调节范围uS＝[0-30kgh-1]、调温装置5的调节范围质量流量控制装置6的调节范围uG＝[4-40kgh-1]、压力控制装置7的调节范围uN＝[0-2cm2]、温度的控制范围T＝[20-100℃]、压力的控制范围p＝[1.1-3bar]、相对湿度的控制范围和质量流量的控制范围此外还限定了以下参数：容积V＝14137cm3、蒸汽的温度TS＝141℃、环境压力p0＝1bar、气体比热容cp,G＝1.04kJkg-1K-1、蒸汽比热容cp,S＝1.89kJkg-1K-1。反馈控制器FB的极点已对于具有相对阶数δj＝2的输出变量yj确定为在s1＝-1，s2,3＝-8±1j上并且对于具有相对阶数δj＝1的输入变量yj确定在s1,2＝-5上。
在图4左侧示出所述预先给定的额定变量曲线ydmd(t)。其右侧示出各输入变量u，所述输入变量由控制器R调节。同样地在左边的图表中示出在模拟中计算的输出变量y。一方面看到控制器的突出的控制变量特性，即输出变量y无明显偏差地跟随额定变量ydmd。但是另一方面也能够看到，现在各个输出变量yj能够彼此解耦地调节。一个输出变量yj的变化不使其它输出变量的变化受影响。为此，控制器R在每个扫描时刻计算各新的输入变量v的组合，所述新的输入变量得到输入变量u，其必须借助气体调节单元3的执行器进行调节。
本发明已根据对所有四个影响变量或者说输出变量yj(即温度T、压力p、相对湿度和质量流量)的控制进行了阐述。但是也能够仅控制这四个影响变量的三个变量。对于第四个未控制的影响变量于是能够采取相应的假设，例如可能使该第四个影响变量保持恒定。在仅控制三个影响变量的情况下，上述系统方程的元可能会减少一个元。但是用于对所述解耦的非线性多变量系统进行解耦和线性化的原理性解决方案可能不会因此被涉及到，所述的控制器设计方案同样不会被涉及到。但是也可能简单地根据假设预先给定与未受控制的第四个影响变量相应的操纵变量。因此该额定变量可能在预先给定的额定变量曲线ydmd(t)中例如保持恒定。
所述受控制的气体调节单元3的用于对燃料电池2的反应气体进行气体调节的应用是多方面的。该气体调节装置尤其是不仅能够在试验台上(堆栈或电池试验台)、而且也能够在燃料电池系统中、例如在运输工具(船、火车、飞机、载客汽车、载重汽车、自行车、摩托车等)中、在发电厂中(也在热电联供系统中)、在应急电源设备中、在手持设备中、直至在其中能够安装燃料电池系统的任何设备中应用。因此，所述气体调节装置不仅能够在燃料电池系统中的燃料电池的真实运行中、而且也能够在用于测试或者开发燃料电池的试验台上应用。
所述气体调节装置原则上也能够用于其他应用，例如用于调节内燃机的进气，同样也包括在真实运行中或者在试验台上。但是借助其也可能在工艺技术、方法技术或医疗技术中对气体进行调节。同样地，所述气体调节装置也能够应用在测量技术中，以便精确地调节用于准确测量的测量气体。
Claims (7)
1.用于燃料电池(2)的反应气体的受控制的气体调节装置，其特征在于，设置有用于所述燃料电池(2)的反应气体的气体源(8)、用于润湿反应气体以调节反应气体的相对湿度的润湿装置(4)、用于对反应气体进行调温以调节反应气体的温度(T)的调温装置(5)、用于控制反应气体的质量流量的质量流量控制装置(6)和用于控制反应气体的压力(p)的压力控制装置(7)，设置有控制单元(15)，所述控制单元具有控制器(R)，所述控制器计算用于由润湿装置(4)、调温装置(5)、质量流量控制装置(6)和压力控制装置(7)构成的组中的至少三个执行器的操纵变量以便由此调节由在反应气体管路(12)中的反应气体的相对湿度温度(T)、质量流量和压力(p)构成的组中的关于燃料电池(2)运行的至少三个相关的影响变量的预先给定的时间曲线，所述控制器(R)基于气体调节单元(3)的以形式的、耦合的非线性的多变量系统形式的模型进行设计，其方式为：控制器(R)设计用于借助李导数解耦和线性化的所述多变量系统。
2.用于控制用于燃料电池(2)的气体调节单元(3)以运行燃料电池(2)的方法，其特征在于，使用控制器(R)用于所述控制，所述控制器基于气体调节单元(3)的以形式的、耦合的非线性的多变量系统形式的模型进行设计，其方式为：借助李导数将所述耦合的非线性的多变量系统解耦和线性化并且将控制器(R)设计用于解耦和线性化的多变量系统，控制器(R)在所述控制的任一扫描时间点上由预先给定的额定变量(yj,dmd)计算用于气体调节单元(3)的由用于润湿反应气体以调节反应气体的相对湿度的润湿装置(4)、用于对反应气体进行调温以调节反应气体的温度(T)的调温装置(5)、用于控制反应气体的质量流量的质量流量控制装置(6)和用于控制反应气体的压力(p)的压力控制装置(7)构成的组中的至少三个存在的执行器的操纵变量并且气体调节单元(3)的至少这三个执行器在所述控制的任一扫描时刻调节所述计算出的操纵变量
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述解耦的非线性的多变量系统的每个输出变量(yj)根据其相对阶数(δj)以的形式在时间上求导，其中，表示第δj阶李导数，使输出变量(yj)的第δj阶时间导数与新的输入变量vi相等，由此能够推导出形式的线性的非耦合的状态空间模型，该状态空间模型包括限定的矩阵Ac和Bc和新的状态矢量
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述控制器(R)设计用于所述形式的线性的非耦合的状态空间模型。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，设计具有两个自由度的控制器(R)，该控制器具有前馈控制器(FW)和反馈控制器(FB)，其中，将前馈控制器(FW)的和反馈控制器(FB)的输出相加为所述新的输入变量(v)并且前馈部分由额定变量(yj,dmd)的第δj阶时间导数得到，并且反馈部分校正在输出变量(yj)的当时实际值和额定变量(yj,dmd)的值之间的误差(e)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，误差部分根据定义，由此得到其中包括所述限定的矩阵Ac和Bc和具有反馈控制器(FB)参数的矩阵K，所述参数确定用于实现反馈控制器(FB)的期望的控制器特性。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其特征在于，借助所述非线性的耦合的多变量系统的微分平坦的特性根据由额定变量(yj,dmd)的时间曲线事先计算状态变量x的时间曲线。
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