DE102008010711A1 - Fuel cell system operating method for vehicle, involves designing control such that gas pressure of fuel and oxidant are coupled with each other by coupling control, and modifying gas flow rate without influence of gas pressure - Google Patents

Fuel cell system operating method for vehicle, involves designing control such that gas pressure of fuel and oxidant are coupled with each other by coupling control, and modifying gas flow rate without influence of gas pressure Download PDF

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Abstract

The method involves detecting and determining mass flow rate of gas, and controlling the gas mass flow rate in gas mass flow rate-control path to a reference variable according to control algorithm. A fuel control path, an oxidant control path and the gas mass flow rate-control path are provided with respective control algorithms in a control circuit. A control is designed in the control circuit such that gas pressure of fuel e.g. hydrogen, and oxidant e.g. air, are coupled with each other by a coupling control. The gas flow rate is modified without influence of the corresponding gas pressure. An independent claim is also included for a fuel cell system with a control arrangement for controlling a gas pressure value of gaseous fuel and gaseous oxidant in respective guide paths of a fuel cell.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen und ein Brennstoffzellensystem mit einer Regleranordnung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 13 genannten Merkmalen.The The invention relates to a method for operating a fuel cell system with the features mentioned in the preamble of claim 1 and a Fuel cell system with a controller arrangement with the in the preamble of claim 13 mentioned features.

Die Brennstoffzellen sind bekannterweise eine vielversprechende, zukunftsweisende Form der Energiewandlung. In verschiedenen Bereichen könnten sich in nicht allzu ferner Zukunft völlig neue Produkte etablieren. Das Grundprinzip der Brennstoffzelle basiert auf der Oxidation des Brennstoffes auf elektrochemischem Wege in einer galvanischen Zelle. Dabei wird chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt, welche sich auf vielfältige Weise nutzen lässt. Möglich ist beispielsweise der Antrieb eines Fahrzeuges mithilfe eines Elektromotors oder die Bordstromversorgung, die bereits in einer Vorserienreife vorliegen.The Fuel cells are known to be a promising, forward-looking Form of energy conversion. In different areas could in the not too distant future completely new products establish. The basic principle of the fuel cell is based on the Oxidation of the fuel by electrochemical means in a galvanic Cell. This chemical energy is directly into electrical energy converted, which can be used in many ways. For example, it is possible to drive a vehicle using an electric motor or the on-board power supply already in a pre-production license.

Die erreichbaren Wirkungsgrade einer Brennstoffzelle liegen weit über denen der herkömmlichen Energiewandlungstechnologien. Die Forderung nach Reduzierung des Energieverbrauches durch effizientere Energiewandlungs-Technologien lässt sich damit erfüllen.The achievable efficiencies of a fuel cell are well above those of conventional energy conversion technologies. The Demand for reduction of energy consumption by more efficient Energy conversion technologies can be fulfilled.

Für den Einsatz im Sub-Megawatt-Bereich hat sich Wasserstoff als sinnvoller Energieträger herausgestellt. Dieser wird mit Sauerstoff, zum Beispiel aus der Luft zu Wasser oxidiert. Der Wasserstoff kann dabei auf verschiedenen Wegen bereitgestellt werden. Er kann zum Beispiel in Reinform gespeichert oder durch Reformierung von Kohlenwasserstoffen erzeugt werden.For The use of sub-megawatts of hydrogen has made more sense Energy carrier exposed. This is with oxygen, for example, from the air to water oxidized. The hydrogen can be provided in different ways. He can for Example stored in pure form or by reforming of hydrocarbons be generated.

Die beiden Reaktionspartner sind meist räumlich voneinander getrennt, wobei die Trennung so gestaltet ist, dass sie nicht elektrisch leitfähig ist. Die bei der Reaktion frei werdenden Elektronen werden somit gezwungen, sich durch einen elektrischen Stromkreis von der Anode zur Kathode zu bewegen, wodurch sie Arbeit verrichten können.The both reactants are usually spatially separated separated, wherein the separation is designed so that they are not electrical is conductive. The released electrons in the reaction are thus forced to move through an electrical circuit from the anode to the cathode, causing them to do work can.

Bei der Brennstoffzellen-Reaktion entsteht reines Wasser, welches vornehmlich an der Kathode anfällt und mit dem Abgas abgeführt wird. Je nach Betriebstemperatur kann das Wasser in flüssiger oder gasförmiger Form beziehungsweise in einem Gemisch aus beidem vorliegen.at The fuel cell reaction produces pure water, which is primarily accumulates at the cathode and removed with the exhaust gas becomes. Depending on the operating temperature, the water can be in liquid or gaseous form or in a mixture of both available.

Zur technischen Umsetzung von leistungsfähigen Brennstoffzellen auf Basis von Polymermembranen gibt es zurzeit zwei vielversprechende Technologien.to technical implementation of high-performance fuel cells On the basis of polymer membranes, there are currently two promising ones Technologies.

Zum einen ist es die bekannte Niedertemperaturbrennstoffzelle, deren Funktionsfähigkeit durch ein sulfoniertes Fluorpolymer (Nafion o. a.) gewährleistet wird. Die Protonenleitung ist hierbei von dem Wassergehalt des Polymermaterials abhängig. Dadurch ist die Betriebstemperatur bei Atmosphärendruck auf unter 100°C limitiert. Für diesen Typ ist daher ein entsprechendes Wassermanagement notwendig. Meist müssen die Reaktionsgase sogar befeuchtet werden, um ein Austrocknen der Membran zu vermeiden. Ein zu hoher Anteil an Wasser in flüssiger Form kann jedoch die Versorgung mit Reaktionsgasen stören.To the it is the well-known low-temperature fuel cell, whose Functionality through a sulfonated fluoropolymer (Nafion, etc.). The proton line is dependent on the water content of the polymer material. As a result, the operating temperature is at atmospheric pressure limited to below 100 ° C. For this guy is therefore a corresponding water management necessary. Most need The reaction gases are even moistened to dry out the To avoid membrane. Too much water in liquid However, shape can interfere with the supply of reaction gases.

Der zweite Typ ist die so genannte Hochtemperatur-Polymermembran-Brennstoffzelle. Dabei handelt es sich im Grunde um eine phosphorsaure Brennstoffzelle mit einer Betriebstemperatur von ca. 160°C. Da der Protonenleitungsmechanismus hier vom Wasser unabhängig ist, wird keine Mindestfeuchte der Membran benötigt. Kritisch ist jedoch bei diesem Typ der Brennstoffzelle das Auftreten von Wasser in flüssiger Form. In diesem Fall besteht die Gefahr des Austragens von Phosphorsäure aus der Polymermembran und damit einer Schädigung der Brennstoffzelle. Insbesondere bei Kaltstarts kann dies der Fall sein.Of the second type is the so-called high-temperature polymer membrane fuel cell. This is basically a phosphoric acid fuel cell with an operating temperature of approx. 160 ° C. As the proton conduction mechanism Here is independent of the water, no minimum moisture the membrane needed. Critical, however, is in this type the fuel cell the appearance of water in liquid Shape. In this case, there is a risk of discharging phosphoric acid from the polymer membrane and thus damage to the fuel cell. This can be the case in particular with cold starts.

Die Trennung der beiden Reaktionspartner in der Brennstoffzelle erfolgt oft durch eine sehr dünne Elektrolytmembran, die aufgrund von Druckunterschieden zwischen den Gasdrücken von Luft und Wasserstoff sehr leicht zerstört sein kann. Die flüssig betriebenen Brennstoffzellen weisen keine solch bedeutende Druckdifferenzempfindlichkeit auf, sind jedoch mit anderen Nachteilen behaftet.The Separation of the two reactants in the fuel cell takes place often due to a very thin electrolyte membrane due to of pressure differences between the gas pressures of air and hydrogen can be destroyed very easily. The liquid operated Fuel cells do not have such significant pressure differential sensitivity but have other disadvantages.

Der Regelung der Gasdrücke (von Wasserstoff und Luft) und des Luftmassenstromes kommt daher im Brennstoffzellensystem eine besondere Bedeutung zu, da mit diesen Größen die erreichbare Dynamik des Gesamtsystems beeinflusst wird und gleichzeitig eine maximale Druckdifferenz zwischen den Gasen für die Brennstoffzelle vorgegeben ist. Die Forderung nach der Verkopplung der durch das physikalische System nicht gekoppelten Größen Wasserstoff- und Luftdruck sowie deren Entkopplung von dem Luftmassenstrom lassen die Anwendung einer Verkopplungsregelung sinnvoll erscheinen, die beispielsweise in Konigorski U.: Ausgangsgrößenverkopplung bei linearen Mehrgrößensystemen. at Automatisierungstechnik 47 (1999) 4 S. 165–170 vorgestellt ist.The regulation of the gas pressures (of hydrogen and air) and of the air mass flow is therefore of particular importance in the fuel cell system, since these variables influence the achievable dynamics of the overall system and at the same time prescribe a maximum pressure difference between the gases for the fuel cell. The requirement for the coupling of the non-coupled by the physical system variables hydrogen and air pressure and their decoupling from the air mass flow make the application of a coupling control sense, for example, in Konigorski U .: Output variable coupling for linear multivariable systems. at Automatisierungstechnik 47 (1999) 4 pp. 165-170 is presented.

Die DE 10 2006 005 175 offenbart eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren, mit dem der Differenzdruck zwischen Kathode und Anode einer Brennstoffzelle kontrolliert wird. Es wird eine Vorrichtung zur Kontrolle des Differenzdrucks zwischen einem Anodenbereich und einem Kathodenbereich einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung einen Differenzdrucksensor zur Messung des Differenzdrucks zwischen Anodenbereich und Kathodenbereich, ein erstes Stellglied zur Steuerung des Zuflusses von Brennstoff in den Anodenbereich und eine Kontrolleinrichtung zur Regelung und/oder Steuerung des ersten Stellglieds aufweist, wobei die Kontrolleinrichtung zur Regelung und/oder Steuerung des ersten Stellglieds auf Basis des Signals des Differenzdrucksensors ausgebildet ist. Diese Art der Regelung kann keine sehr schnelle Regelung der Gasdrücke gewährleisten und ist vor allem mit einer Restabweichung behaftet, die sich als eine Ungenauigkeit der Regelung zeigt, die von einer möglichen Druckdifferenz vorsorglich abzuziehen ist, wodurch die Dynamik und die Effizienz einer Brennstoffzelle verringert werden.The DE 10 2006 005 175 discloses an apparatus and corresponding method for controlling the differential pressure between the cathode and anode of a fuel cell. It is proposed a device for controlling the differential pressure between an anode region and a cathode region of a fuel cell, wherein the Vor a differential pressure sensor for measuring the differential pressure between the anode region and the cathode region, a first actuator for controlling the inflow of fuel into the anode region and a control device for controlling and / or controlling the first actuator, wherein the control device for controlling and / or controlling the first actuator is formed on the basis of the signal of the differential pressure sensor. This type of control can not ensure very rapid control of the gas pressures and is particularly subject to a residual deviation, which manifests itself as an inaccuracy of the control, which must be deducted as a precaution of a possible pressure difference, whereby the dynamics and efficiency of a fuel cell can be reduced.

Die DE 10 2005 018 070 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, das einen Sauerstoffsensor zum Messen der Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenabgas von dem Brennstoffzellenstapel verwendet. Ein Controller liefert ein Signal, das einen Kompressor antreibt, der Luft an einen Kathodeneingang des Stapels liefert, so dass der Kompressor den gewünschten Sauerstoff bereitstellt, um das gewünschte Kathodenlambda zu erreichen. Bei einer Ausführungsform verwendet das Brennstoffzellensystem auch einen Luftdurchflussmesser, der die Menge an Luft, die an den Kompressor angelegt wird, misst. Der Controller vergleicht den an den Stapel angelegten Sauerstoffeingang mit dem von dem Stapel ausgegebenen Sauerstoff zu Diagnosezwecken, wie beispielsweise der Bestimmung der Anwesenheit von Lecks. Ein Temperatursensor kann verwendet werden, um die Temperatur des Kathodenaustrags zu messen, und ein Drucksensor kann verwendet werden, um den Druck des Kathodenaustrags zu messen, um dadurch den Wasserdampf in dem Kathodenaustrag zu kompensieren.The DE 10 2005 018 070 A1 discloses a fuel cell system using an oxygen sensor for measuring the oxygen concentration in the cathode exhaust gas from the fuel cell stack. A controller provides a signal that drives a compressor that delivers air to a cathode input of the stack so that the compressor provides the desired oxygen to reach the desired cathode lambda. In one embodiment, the fuel cell system also uses an air flow meter that measures the amount of air that is applied to the compressor. The controller compares the oxygen input to the stack with the oxygen output from the stack for diagnostic purposes, such as determining the presence of leaks. A temperature sensor may be used to measure the temperature of the cathode effluent and a pressure sensor may be used to measure the pressure of the cathode effluent to thereby compensate for the water vapor in the cathode effluent.

DE 11 2005 000 587 T5 offenbart ein Brennstoffzellensystem, das ein Druckregulierungsmittel zum Regeln des Druckes des Brenngases aufweist. DE 11 2005 000 587 T5 discloses a fuel cell system having a pressure regulating means for controlling the pressure of the fuel gas.

DE 101 19 377 B4 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, bei dem im Kathodenraum zumindest kurzfristig ein Überdruck gegenüber dem Anodenraum erzeugt wird, um Wasser aus dem Kathodenraum in den Anodenraum zu drücken. DE 101 19 377 B4 discloses a method for operating a fuel cell, in which an overpressure relative to the anode space is generated in the cathode space, at least for a short time, in order to force water out of the cathode space into the anode space.

DE 102 97 104 T5 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem geregelten Brennstoffzufuhrsystem und einem geregelten Oxidationsmittelzufuhrsystem, die von einer Steuerung so gesteuert werden, dass eines der Zufuhrsysteme in Abhängigkeit von der Dynamik des anderen gesteuert wird, wobei vor allem die Massenströme des Brennstoffs und des Oxidationsmittels in Abhängigkeit von dem Laststrom der Brennstoffzelle geregelt werden. Es wird auch die Verwendung von Differenzialgleichungen zur Beschreibung und zum Ausbilden von Simulations-Modellen beschrieben. Die vorgeschlagenen Lösungen haben jedoch nicht zum Ziel, eine Druckdifferenz zwischen dem Brennstoff- und dem Oxidationsmittel zu regeln, diese auszugleichen oder auf einem konstanten Wert zu halten, wodurch eine empfindliche Polymermembran höheren Druckdifferenzen ausgesetzt sein kann, die sie zerstören könnten. Das gekoppelte dynamische Regeln der Massenströme des Brennstoff- und des Oxidationsmittels kann zwar einen gewissen ausgleichenden Einfluss auf die Druckdifferenz ausüben, es ist jedoch nicht direkt gleichbedeutend, dass durch zwei aneinander gekoppelt geregelte Massenströme der beteiligten Gase große Druckdifferenzen in einem sich dynamisch ändernden System ausgeschlossen werden. Da als die auslösende Regelgröße eine Messgröße jeweils des anderen beteiligten Gases dient, gibt das System bereits vor, dass das Einregeln des Massenstroms des zu regelnden beteiligten Gases nur mit einer Verzögerung ausgeführt sein kann, wodurch immer jeweils eine deutliche Druckdifferenz unvermeidbar ist. DE 102 97 104 T5 describes a method of operating a fuel cell system having a regulated fuel delivery system and a controlled oxidant delivery system controlled by a controller to control one of the delivery systems in dependence on the dynamics of the other, particularly the mass flows of the fuel and the oxidant in dependence be controlled by the load current of the fuel cell. It also describes the use of differential equations to describe and build simulation models. The proposed solutions, however, are not intended to regulate, balance or maintain a pressure differential between the fuel and the oxidant, whereby a sensitive polymer membrane may be exposed to higher pressure differences that could destroy it. Although the coupled dynamic control of the mass flows of the fuel and the oxidizing agent can exert a certain compensatory effect on the pressure difference, it is not directly equivalent that be excluded by two mutually coupled mass flows of the gases involved large pressure differences in a dynamically changing system , Since the measuring variable used in each case is the other participating gas as the triggering control variable, the system already specifies that the regulation of the mass flow of the gas to be controlled can be carried out only with a delay, whereby a clear pressure difference is always unavoidable.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Brennstoffdruck und den Oxidationsmitteldruck einer gasförmig betriebenen Brennstoffzelle jeweils so miteinander gekoppelt zu regeln, dass sie unter allen Betriebsbedingungen in einem großen dynamischen Betriebsbereich eine möglichst konstante vorgegebene und vorgebbare Druckdifferenz untereinander aufweisen. Ferner gehört es zur Aufgabe der Erfindung, den Druck des Luftgasgemischs von den Änderungen des Luftmassenstroms zu entkoppeln.Of the Invention is therefore based on the object, the fuel pressure and the oxidant pressure of a gaseous operated Fuel cell each coupled so coupled together that They under all operating conditions in a large dynamic Operating range as constant as possible and given have predetermined pressure difference between them. Furthermore belongs It is an object of the invention, the pressure of the air mixture of to decouple the changes in the air mass flow.

Für den erfindungsgemäßen Reglerentwurf wird ein lineares, zeitinvariantes System der Luft- und Wasserstoffstrecken des Brennstoffzellensystems

Figure 00050001
zugrunde gelegt, das hier beispielhaft in vektorieller Form beschrieben ist. Zusammengefasst sind die obigen Differenzial-Gleichungen in einer Kurzform dargestellt: x .LW = ALW·xLW + BLW·uLW yLW = CLW·xLW wobei die verwendeten Systemgrößen wie folgt aufzuschlüsseln sind:
ALW Systemmatrix, BLW Eingangsmatrix, CLW Ausgangsmatrix, xLW n-dimensionaler Zustandsvektor, uLW = [uKomp, UDK, uRV] der Eingangsvektor und yLW = [pL, m . pW] der Ausgangsvektor.For the controller design according to the invention is a linear, time-invariant system of the air and hydrogen routes of the fuel cell system
Figure 00050001
which is described here by way of example in vector form. In summary, the above differential equations are shown in a short form: x. LW = A LW .x LW + B LW · u LW y LW = C LW .x LW where the system sizes used are to be broken down as follows:
A LW system matrix, B LW input matrix, C LW output matrix, x LW n-dimensional state vector, u LW = [u comp , U DK , u RV ] the input vector and y LW = [p L , m. p W ] the output vector.

Die vorliegende Erfindung geht von einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Regelung der Gasdruckwerte eines gasförmigen Brennstoffs und eines gasförmigen Oxidationsmittels in den jeweiligen Zufuhrstrecken einer Brennstoffzelle aus, wobei die Gasdruckwerte des verwendeten Brenngases, vorzugsweise Wasserstoffs, und des verwendeten Oxidierungsmittels, vorzugsweise der/des Luft/Sauerstoffs, physikalisch nicht aneinander gekoppelt sind.The The present invention relates to a method for operating a Fuel cell system with a regulation of the gas pressure values of a gaseous Fuel and a gaseous oxidant in the respective supply lines of a fuel cell, wherein the Gas pressure values of the fuel gas used, preferably hydrogen, and the oxidizing agent used, preferably the air / oxygen, physically not coupled to each other.

Dadurch, dass

  • – der Gasdruck des Brennstoffs in einer Brennstoffregelstrecke nach einem ersten Regelalgorithmus auf eine vorgegebene erste Führungsgröße geregelt wird;
  • – der Gasdruck des Oxidationsmittels in einer Oxidationsmittelregelstrecke nach einem zweiten Regelalgorithmus auf eine vorgegebene zweite Führungsgröße geregelt wird;
  • – der Gasmassenstrom wenigstens eines der beiden Gase direkt oder indirekt erfasst und ermittelt wird, und nach einem dritten Regelalgorithmus auf eine dritte vorgegebene veränderbare Führungsgröße in einer Gasmassenstrom-Regelstrecke geregelt wird;
  • – die Brennstoffregelstrecke, die Oxidationsmittelregelstrecke und die Gasmassenstrom-Regelstrecke mit ihren jeweiligen Regelalgorithmen in einen sie alle umfassenden Regelkreis einbezogen werden,
und in diesem umfassenden Regelkreis eine Regelung derart ausgeführt wird, dass der Gasdruck des Brennstoffs und des Oxidationsmittels durch eine Verkopplungsregelung aneinander gekoppelt werden und die Änderungen des Gasmassenstroms (m .L) wenigstens eines der beiden Gase keinen Einfluss auf den korrespondierenden Gasdruck (pL) ausüben, sind die Aufgaben der vorliegenden Erfindung gelöst.As a result of that
  • - The gas pressure of the fuel in a fuel control path is controlled according to a first control algorithm to a predetermined first reference variable;
  • - The gas pressure of the oxidizing agent is controlled in an oxidant control system according to a second control algorithm to a predetermined second reference variable;
  • - The gas mass flow of at least one of the two gases is detected directly or indirectly and determined, and is controlled by a third control algorithm to a third predetermined variable command variable in a gas mass flow system;
  • - The fuel control line, the oxidant control system and the gas mass flow control system with their respective control algorithms are included in a comprehensive them all control loop,
and in that extensive loop feedback control is carried out such that the gas pressure of the fuel and the oxidizing agent are coupled to one another by a Verkopplungsregelung and the changes of the gas mass flow (m. L) of at least one of the two gases will not affect the corresponding gas pressure (p L) exercise, the objects of the present invention are achieved.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung wird die Regelung in dem umfassenden Regelkreis als eine rückgekoppelte Regelung einer oder mehrerer zusammengesetzter Regelungsarten mit einem Mehrgrößenregler ausgeführt. Es sind hierbei verschiedenartige bekannte Regelkreisanwendungen einsetzbar, kaskadierbar und in einer beliebigen Komplexität in Beziehung zueinander einsetzbar.According to one further embodiment of the method according to the present invention the control in the comprehensive control loop is fed back as one Regulation of one or more composite types of control executed a multi-variable controller. It Various types of known control loop applications can be used here, cascadable and in any complexity in relation used with each other.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung wird die Regelung in dem umfassenden Regelkreis als eine Zustandsregelung im Zustandsraum mit einer Zustandsrückführung ausgeführt. Es ist bekannt, dass die Zustandsregelung in der Lage ist, eine oder mehrere zu regelnden Parametergrößen besonders genau und besonders dynamisch regeln zu können. Ferner ist dadurch – wie oben erwähnt – eine Verkopplung physikalisch ungekoppelter Parametergrößen möglich. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, die Regelabweichungen der Parametergrößen sehr gering zu halten, wodurch eine maximale Druckdifferenz zwischen Brennstoff und Oxidationsmittel effizienter auf einen höheren zulässigen Wert geregelt sein kann, ohne die mechanische Unversehrtheit einer Elektrolyt-Membrane zu gefährden.In a preferred embodiment of the method according to the present Invention will be the regulation in the comprehensive control loop as a State control in the state space with a state feedback executed. It is known that the state regulation in is capable of one or more parameter parameters to be controlled to be able to regulate precisely and particularly dynamically. Further is characterized - as mentioned above - a Coupling of physically uncoupled parameter sizes possible. This makes it possible according to the invention the control deviations of the parameter sizes are very high to keep low, creating a maximum pressure difference between Fuel and oxidizer more efficient at a higher permissible value can be regulated without the mechanical To endanger the integrity of an electrolyte membrane.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der Zustandsregelung der Brennstoffregelstrecke und der Oxidationsmittelregelstrecke in dem erfindungsgemäßen umfassenden Regelkreis ein lineares, zeitinvariantes System von Gleichungen zugrunde gelegt.In a particularly preferred embodiment of the present invention is the state control of the fuel control path and the oxidant control system in the comprehensive control circuit according to the invention a linear, time-invariant system of equations.

Die Zustandsrückführung wird in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung so geregelt, dass eine Verkopplungsbedingung erfüllt ist, die eine Gleichheit der Gasdrücke (pW = pL) des Brennstoffs und des Oxidationsmittels bewirkt.The state feedback is controlled in a preferred embodiment of the method of the present invention so that a coupling condition is met, which causes an equality of the gas pressures (p W = p L ) of the fuel and the oxidizing agent.

Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Zustandsrückführung so geregelt, dass eine Verkopplungsbedingung erfüllt ist, die eine vorgegebene Druckdifferenz (Δp) der Gasdrücke des Brennstoffs (pW) und des Oxidationsmittels (pL) bewirkt und der Gasdruck des Brennstoffs um diese vorgegebene Druckdifferenz höher als der Gasdruck des Oxidationsmittels geregelt wird.According to still another aspect of the present invention, the state feedback is controlled so as to satisfy a coupling condition that causes a predetermined pressure difference (Δp) of the gas pressures of the fuel (p W ) and the oxidant (p L ) and the gas pressure of the fuel therearound predetermined pressure difference is regulated higher than the gas pressure of the oxidizing agent.

Vorzugsweise liegt die vorgegebene Druckdifferenz zwischen dem Druck des Brennstoffs und des Oxidationsmittels in einem Bereich zwischen 0,1 und 0,5 bar, noch bevorzugter im Wesentlichen bei 0,2 bar. Diese Druckdifferenz ist vorzugsweise zum Betrieb einer gasförmig arbeitenden Brennstoffzelle erforderlich.Preferably is the predetermined pressure difference between the pressure of the fuel and the oxidizing agent in a range between 0.1 and 0.5 bar, more preferably substantially at 0.2 bar. This pressure difference is preferably for operating a gaseous working Fuel cell required.

Erfindungsgemäß werden gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung die den jeweiligen Gasdruck vorgebende erste und zweite Führungsgröße in einem vorbestimmten Verhältnis aneinander gekoppelt.According to the invention according to a further embodiment of the present invention Invention the first and second prescribing the respective gas pressure Command variable in a predetermined Relationship coupled together.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden der Luftmassenstrom und der Gasdruck des Oxidationsmittels jeweils so geregelt, dass der Gasdruck des Oxidationsmittels unabhängig von dem Luftmassenstrom ist.In a further preferred embodiment of the present invention become the air mass flow and the gas pressure of the oxidizing agent each regulated so that the gas pressure of the oxidant independently from the mass air flow.

Das lineare, zeitinvariante System von Gleichungen ist in einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung als ein vektorielles Gleichungssystem

Figure 00070001
beschrieben, das ohne ein D-Glied auskommt.The linear, time-invariant system of equations is in a preferred further embodiment of the present invention as a vectorial system of equations
Figure 00070001
described, which manages without a D-member.

In dem umfassenden erfindungsgemäßen Regelkreis ist die Führungsgenauigkeit der wenigstens einen Führungsgröße gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgebbar und wird durch wenigstens einen Zustandsparameter eines Filters eingestellt.In The comprehensive control circuit according to the invention is the guidance accuracy of the at least one reference variable according to a further embodiment of the present invention Invention predetermined by at least one state parameter of a Filters set.

Da die Erfassung der Zustandsparameter einer Zustandsregelung oft sehr aufwendig sein kann, wird in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach vorliegender Erfindung parallel zu dem umfassenden Regelkreis eine Beobachterregelstrecke betrieben, wobei die Ausgänge des umfassenden Regelkreises und der Beobachterregelstrecke verglichen werden und das Ergebnis des Vergleichs zu dem Eingang der Beobachterregelstrecke zugeführt wird. Die Ausführung der Beobachterregelstrecke kann in einer bekannten Art und Weise gestaltet sein.There the detection of the state parameters of a state control often very may be complicated, is in a preferred embodiment of Method of the present invention in parallel with the comprehensive Control circuit operated an observer system, the outputs of the comprehensive control loop and the observer control path and the result of the comparison to the entrance of the observer route is supplied. The execution of the Observer Rig can be designed in a known manner.

Nach einem weiteren Aspekt vorliegender Erfindung geht die vorliegende Erfindung von einem Brennstoffzellensystem mit einer Regleranordnung zur Regelung der Gasdruckwerte eines gasförmigen Brennstoffs und eines gasförmigen Oxidationsmittels in den jeweiligen Zufuhrstrecken einer Brennstoffzelle aus, wobei die Gasdruckwerte des verwendeten Brennstoffs, vorzugsweise Wasserstoffs, und des verwendeten Oxidierungsmittels, vorzugsweise der/des Luft/Sauerstoffs, physikalisch nicht aneinander gekoppelt sind.To Another aspect of the present invention is the present Invention of a fuel cell system with a regulator assembly for Control of the gas pressure values of a gaseous fuel and a gaseous oxidizing agent in the respective ones Supply lines of a fuel cell, wherein the gas pressure values the fuel used, preferably hydrogen, and the one used Oxidizing agent, preferably the air / oxygen, physically not coupled to each other.

Dadurch, dass das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mithilfe einer Zustandsrückführung derart geregelt ist, dass eine Verkopplungsbedingung erfüllt ist, bei der der jeweilige Druck oder der Partialdruck des Oxidationsmittels und des Brennstoffs einander gleich sind, und der Druck des Oxidationsmittels keine Abhängigkeit von dem Oxidationsmittelmassenstrom aufweist, sind die Aufgaben der vorliegenden Erfindung gelöst.Thereby, that the fuel cell system according to the invention so regulated by means of a state feedback is that a coupling condition is met, in which the respective pressure or the partial pressure of the oxidizing agent and the fuel are equal to each other, and the pressure of the oxidant no dependence on the oxidant mass flow has, the objects of the present invention are achieved.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beträgt die Druckdifferenz zwischen dem Druck oder dem Partialdruck des Oxidationsmittels und des Brennstoffs 0,1 bis 0,5 bar und noch bevorzugter im Wesentlichen 0,2 bar. Dieser Wert ist durch die mechanische Belastbarkeitsgrenze der verwendeten Elektrolyt-Membrane vorgegeben, das heißt sowohl von dem verwendeten Polymer-Material als auch von den geometrischen Abmessungen, insbesondere der Membrandicke abhängig.According to one further embodiment of the present invention the pressure difference between the pressure or the partial pressure of the Oxidant and the fuel 0.1 to 0.5 bar and more preferably essentially 0.2 bar. This value is due to the mechanical load limit specified the electrolyte membrane used, that is from both the polymer material used and the geometric ones Dimensions, in particular the membrane thickness dependent.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist ferner in einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung Mittel auf, die das Betreiben des Verfahrens nach einem der oben beschriebenen Verfahrensmerkmale ermöglichen.The has fuel cell system according to the invention further in a preferred embodiment of the present invention Means on the operation of the procedure according to one of the above allow described method features.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the others, in the subclaims mentioned features.

Die erfindungsgemäße Verkoppelungsregelung der Gasdrücke des Brennstoffs und des Oxidationsmittels ermöglicht eine sehr schnelle und genaue, gekoppelte Druck-Regelung der beiden Gase, so dass eine zwischen den Gasdrücken geforderte Druckdifferenz sehr genau eingehalten werden kann. Dadurch wird zum einen die Elektrolyt-Polymermembrane gegen eine mechanische Zerstörung infolge zu großer Druckdifferenz effizient geschützt und zum anderen kann eine Brennstoffzelle durch das Ermöglichen einer größeren Druckdifferenz effizienter betrieben werden, um beispielsweise einen besseren Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung zu erreichen.The Coupling control of the gas pressures according to the invention of the fuel and the oxidizing agent allows one very fast and accurate, coupled pressure control of the two gases, such that a pressure difference required between the gas pressures can be met very accurately. As a result, on the one hand, the electrolyte-polymer membrane against mechanical destruction due to excessive Pressure difference efficiently protected and on the other hand a fuel cell by enabling a larger one Pressure difference can be operated more efficiently, for example, a to achieve better efficiency in energy conversion.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below in embodiments the accompanying drawings explained. Show it:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Regelkreises zum gekoppelten Regeln der Gasdrücke des Brennstoffs und des Oxidationsmittels und entkoppelten Regeln des Massenstroms des Oxidationsmittels mit einer Zustandsrückführung; 1 a schematic representation of an embodiment of the invention control loop for the coupled control of the gas pressures of the fuel and the oxidizing agent and decoupled rules of the mass flow of the oxidizing agent with a state feedback;

2A einen simulierten Signalverlauf der aneinander gekoppelten Gasdrücke und des von den beiden Gasdrücken entkoppelten Massenstroms eines der Gase bei Änderung eines gekoppelten Gasdruckes; 2A a simulated waveform of the coupled gas pressures and the decoupled from the two gas mass flow of one of the gases when changing a coupled gas pressure;

2B einen simulierten Signalverlauf der aneinander gekoppelten Gasdrücke und des von den beiden Gasdrücken entkoppelten Massenstroms eines der Gase bei Änderung des entkoppelten Massenstromes, und 2 B a simulated signal curve of the gas pressures coupled to one another and the mass flow of one of the gases decoupled from the two gas pressures when the decoupled mass flow changes, and

3A, 3B, 3C und 3D eine nichtlineare Gesamtsimulation mit einer PI-Verkoppelungsregelung. 3A . 3B . 3C and 3D a non-linear total simulation with a PI coupling control.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Regelkreises zum gekoppelten Regeln der Gasdrücke des Brennstoffs und des Oxidationsmittels und entkoppeltem Regeln des Massenstroms des Oxidationsmittels mit einer Zustandsrückführung. 1 shows a schematic representation of an inventive embodiment of the control loop for the coupled control of the gas pressures of the fuel and the oxidant and decoupled control of the mass flow of the oxidation by means of a state feedback.

Das Schema zeigt ein Zustandsreglersystem mit einer Zustandsrückführung mit einem Führungsvektor wLW = [pLWsoll m .LSoll], einer Reglermatrix R und einer Vorfiltermatrix F.The scheme shows a state controller system with state feedback with a routing vector w LW = [p LWsoll m. LSoll ], a regulator matrix R and a prefilter matrix F.

Die Verkopplung der Gasdrücke wird mit T2 = [1 0 –1] definiert. Die transformierte Ausgangsmatrix lautet folglich C ~LW = [C1LW T2CLW]T = [C1LW C ~2LW]T. The coupling of the gas pressures is defined as T 2 = [1 0 -1]. The transformed output matrix is consequently C ~ LW = [C 1LW T 2 C LW ] T = [C 1LW C ~ 2EV ] T ,

Durch Wahl der Eigenwerte λRi zur Bestimmung der Dynamik des geschlossenen Regelkreises und durch die Auswertung der Gleichungen C ~2LWRiI – A)–1 BLW pi = 0, i = 1, ..., m und VRi = (λRiI – ALW)–1 BLW pi erhält man m linear unabhängige Rechtseigenvektoren VRi, und Parametervektoren pi. Die Überprüfung der notwendigen und hinreichenden Bedingung für die Existenz einer verkoppelnden Zustandsregelung Rang [VR1NC1] = nmit NC1 als Lösung der Gleichung C1LWNC1 = 0 stellt ferner sicher, dass die ersten beiden Ausgangsgrößen Luftdruck und Luftmassenstrom durch ihre jeweiligen Führungsgrößen steuerbar sind.By choosing the eigenvalues λ Ri to determine the dynamics of the closed loop and by evaluating the equations C ~ 2EV Ri I - A) -1 B LW p i = 0, i = 1, ..., m and V Ri = (λ Ri I - A LW ) -1 B LW p i one obtains m linear independent property vectors V Ri , and parameter vectors p i . The review of the necessary and sufficient condition for the existence of a coupling state control Rank [V R1 N C1 ] = n with N C1 as the solution of the equation C 1LW N C1 = 0 further ensures that the first two output variables air pressure and air mass flow can be controlled by their respective reference variables .

Bei der Bestimmung der Parametervektoren können hierbei die verbleibenden Freiheitsgrade zur Entkopplung des Luftdruckes von dem Luftmassenstrom genutzt werden. Die Wahl der restlichen n – m Parametervektoren muss dann erfindungsgemäß so erfolgen, dass alle Rechtseigenvektoren untereinander linear unabhängig sind, das heißt also Rang VR = n gilt. Aus den Rechtseigenvektoren und den Parametervektoren kann dann die Reglermatrix berechnet werden zu: R = [p, ..., pn][VR1, ..., VRn] When determining the parameter vectors, the remaining degrees of freedom for decoupling the air pressure from the air mass flow can be used here. The choice of the remaining n-m parameter vectors must then be made in accordance with the invention such that all rights vector vectors are linearly independent of one another, that is to say that rank V R = n holds. From the right-eigenvectors and the parameter vectors, the controller matrix can then be calculated to: R = [p, ..., p n ] [V R1 , ..., V rn ]

Das Vorfilter F wird erfindungsgemäß durch Auswertung der Gleichung [BLW, VR1][F ~, M]T = 0bestimmt. Zur Einstellung der Führungsgenauigkeit wird das Filter zusätzlich durch eine Beziehung F = F ~·Q mit Q = [C1LW(BLWR – ALW)–1 BLWF ~]–1 modifiziert. Es lässt sich mit dem Vorgetragenen eine bevorzugte erfindungsgemäße Führungsübertragungsfunktion GwLW(s) = CLW(sI – ALW + BLWR)–1 BLWF berechnen.The pre-filter F according to the invention by evaluation of the equation [B LW , V R1 ] [F ~, M] T = 0 certainly. In order to adjust the guiding accuracy , the filter is additionally modified by a relationship F = F ~ · Q with Q = [C 1LW (B LW R - A LW ) -1 B LW F ~] -1 . A preferred guide transfer function G wLW (s) = C LW (sI-A LW + B LW R) -1 B LW F can be calculated with what has been said.

Das in 1 dargestellte Integrationsglied 20 ist Teil der Regelstrecke. Dieses gibt das Verhalten der Gasdrücke und des Luftmassentromes wieder.This in 1 illustrated integration element 20 is part of the controlled system. This reflects the behavior of the gas pressures and the mass air flow.

2A zeigt einen simulierten Signalverlauf der aneinander gekoppelten Gasdrücke und eines von den beiden Gasdrücken entkoppelten Massenstroms eines der Gase bei Änderung eines gekoppelten Gasdruckes mit der Führungsgröße w1 = PLWSoll. 2A shows a simulated waveform of the coupled gas pressures and a decoupled from the two gas mass flow of one of the gases when changing a coupled gas pressure with the reference variable w1 = P LWSoll .

Wenn der Sollwert wenigstens eines der beiden Gasdrücke sprunghaft verändert wird, folgen die jeweiligen Gasdrücke dem Sollweitsprung mit nahezu gleicher Dynamik. Gleichzeitig bleibt der Massenstrom der Luft konstant.If the setpoint of at least one of the two gas pressures leaps and bounds is changed, follow the respective gas pressures the Sollweitsprung with almost the same dynamics. At the same time remains the mass flow of the air is constant.

2B zeigt einen simulierten Signalverlauf der aneinander gekoppelten Gasdrücke und des von den beiden Gasdrücken entkoppelten Massenstroms eines der Gase, vorzugsweise der Luft, bei Änderung des entkoppelten Massenstromes mit der Führungsgröße w1 = m .LSoll. 2 B shows a simulated waveform of the coupled gas pressures and decoupled from the two gas mass flow of one of the gases, preferably the air, when changing the decoupled mass flow with the reference variable w1 = m. LSoll .

In diesen drei übereinander korrespondierend angeordneten Diagrammen ist dargestellt, dass eine Veränderung des Massenstroms der Luft keinen Einfluss auf die Gasdrücke des Wasserstoffs und der Luft ausübt.In these three arranged one above the other corresponding Diagrams shows that a change in mass flow the air does not affect the gas pressures of hydrogen and the air exerts.

3A, 3B, 3C und 3D zeigt eine nichtlineare Gesamtsimulation einer erfindungsgemäßen bevorzugten Ausgestaltung mit einer PI-Verkoppelungsregelung. 3A . 3B . 3C and 3D shows a non-linear total simulation of a preferred embodiment according to the invention with a PI-Verkoppelungsregelung.

Für die Integration des Reglers in eine nichtlineare Simulation des gesamten Brennstoffzellensystems ist der Verkopplungsregler durch einen Integralanteil erweitert worden, um Störungen und Nichtlinearitäten auszugleichen. 3A bis 3D zeigen das Ergebnis einer so gestellten Simulation.For the integration of the controller in a non-linear simulation of the entire fuel cell system, the coupling controller has been extended by an integral component in order to compensate for disturbances and nonlinearities. 3A to 3D show the result of such a simulation.

Es ist erkennbar, dass die Gasdrücke des Wasserstoffs pW und der Luft pL den jeweiligen korrespondierenden Sollwertsprüngen in 3A nahezu synchron folgen. In der vorliegenden bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegen die Gasdrücke der Luft und des Wasserstoffs vorzugsweise zwischen 2 und 3 bar.It can be seen that the gas pressures of the hydrogen p W and the air p L the respective corresponding setpoint jumps in 3A follow almost synchronously. In the present preferred embodiment of the present invention, the gas pressures of the air and the hydrogen are preferably between 2 and 3 bar.

Die Druckdifferenz Δp in 3B zeigt bei Störungen oder Sollwertsprüngen nur sehr geringe Abweichungen von dem vorgegebenen Sollwert, der hierbei vorzugsweise in der vorliegenden Ausgestaltung 0,2 bar beträgt und zu der mechanischen Festigkeit der verwendeten Elektrolyt-Polymermembran korrespondiert.The pressure difference Δp in 3B shows in case of faults or setpoint jumps only very small deviations from the predetermined setpoint, which in this case is preferably 0.2 bar in the present embodiment and corresponds to the mechanical strength of the electrolyte-polymer membrane used.

Die wesentlichen Störungen auf die jeweilige Druckregelung werden auf der Luftseite durch Luft-Massenstromänderungen und auf der Wasserstoffseite durch zyklisches Öffnen des Ablassventils uPV (auch oft engl. Purge-Ventil genannt) verursacht. An dem zeitlichen Verlauf des in 3C dargestellten Luftmassenstromes m .L ist seine angestrebte Entkopplung von dem in 3A korrespondierend dargestellten Luftdruck pL deutlich erkennbar.The main disturbances to the respective pressure control are on the air side by air mass flow changes and on the hydrogen side by cyclically opening the drain valve u PV (often called engl. Purge valve) caused. At the time course of in 3C shown air mass flow m. L is its intended decoupling of the in 3A Correspondingly represented air pressure p L clearly visible.

In 3D sind die Stellgrößen der wichtigen Stellglieder relativ in %-Werten korrespondierend zu den über ihnen angeordneten Signaldiagrammen dargestellt. Hierbei zeigt die durchgehende Linie den relativen Verlauf der Reglerventil-Stellgröße uRV, die gestrichelte Linie den relativen Verlauf einer Drosselklappen-Stellgröße uDK, die gepunktete Linie zeigt den relativen Verlauf der Ablassventil-Stellgröße uPV und die strichpunktierte Linie zeigt den relativen Verlauf der Kompressor-Stellgröße uKomp.In 3D the manipulated variables of the important actuators are shown relative in% values corresponding to the signal diagrams arranged above them. Here, the solid line shows the relative course of the control valve manipulated variable u RV , the dashed line shows the relative course of a throttle control variable u DK , the dotted line shows the relative course of the discharge valve manipulated variable u PV and the dashed line shows the relative course of the Compressor control variable u Comp .

Die vorangehenden Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind lediglich beispielhaft und nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend auszulegen. Die vorliegende Erfindungslehre kann leicht auf andere Anwendungen übertragen werden. Die Beschreibung des Ausführungsbeispiels ist zur Veranschaulichung vorgesehen und nicht, um den Schutzbereich der Patentansprüche einzuschränken. Viele Alternativen, Modifikationen und Varianten sind für einen durchschnittlichen Fachmann offensichtlich, ohne dass er hierfür den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verlassen müsste, der in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist.The previous embodiments of the present invention are by way of example only, and not to be construed as limiting the present invention. The present invention can easily be applied to other applications become. The description of the embodiment is by way of illustration provided and not to the scope of the claims limit. Many alternatives, modifications and Variants are obvious to one of ordinary skill in the art without that he is the scope of the present invention would have to leave the, in the following claims is defined.

1010
ZustandsrückführungsreglerState feedback controller
1212
Regelstreckecontrolled system
2020
Integrationsglied, IntegralanteilIntegrator, integral component
AA
Systemmatrixmatrix
BB
Eingangsmatrixinput matrix
CC
Ausgangsmatrixoutput matrix
m .m.
Massenstrom-ÄnderungMass flow change
RR
Reglermatrixknob matrix
ΔpAp
Druckdifferenzpressure difference
pL p L
Luftdruck, OxidationsmitteldruckAir pressure, Oxidant pressure
pW p W
Wasserstoffdruck, BrennstoffdruckHydrogen pressure, fuel pressure
pLSoll p LSoll
Sollwert des Luftdrucks, des Oxidationsmitteldruckssetpoint the air pressure, the oxidant pressure
pWSoll p WSoll
Sollwert des Wasserstoffdrucks, des Brennstoffdruckssetpoint the hydrogen pressure, the fuel pressure
uRV u RV
Reglerventil-StellgrößeRegulator valve control variable
uDK u DK
Drosselklappen-StellgrößeThrottle manipulated variable
uPV u PV
Ablassventil-StellgrößeDrain valve manipulated variable
uKomp u comp
Kompressor-StellgrößeCompressor control value
ww
Führungsgrößecommand variable
xx
Zustandsgrößestate variable
yy
Ausgangsgrößeoutput
Indizesindices
LL
Luftair
WW
Wasserstoffhydrogen
LWLW
Luft und Wasserstoffair and hydrogen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • - DE 102005018070 A1 [0013] DE 102005018070 A1 [0013]
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (15)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Regelung der Gasdruckwerte eines gasförmigen Brennstoffs und eines gasförmigen Oxidationsmittels in den jeweiligen Zufuhrstrecken einer Brennstoffzelle, wobei die Gasdruckwerte des verwendeten Brenngases, vorzugsweise Wasserstoffs, und des verwendeten Oxidierungsmittels, vorzugsweise der/des Luft/Sauerstoffs, physikalisch nicht aneinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass – der Gasdruck des Brennstoffs in einer Brennstoffregelstrecke nach einem ersten Regelalgorithmus auf eine vorgegebene erste Führungsgröße geregelt wird; – der Gasdruck des Oxidationsmittels in einer Oxidationsmittelregelstrecke nach einem zweiten Regelalgorithmus auf eine vorgegebene zweite Führungsgröße geregelt wird; – der Gasmassenstrom wenigstens eines der beiden Gase direkt oder indirekt erfasst und ermittelt wird, und nach einem dritten Regelalgorithmus in einer Gasmassenstrom-Regelstrecke auf eine dritte vorgegebene veränderbare Führungsgröße geregelt wird; – die Brennstoffregelstrecke, die Oxidationsmittelregelstrecke und eine Gasmassenstrom-Regelstrecke mit ihren jeweiligen Regelalgorithmen in einen sie alle umfassenden Regelkreis einbezogen werden, – und in diesem umfassenden Regelkreis eine Regelung derart ausgeführt wird, dass der Gasdruck des Brennstoffs und des Oxidationsmittels durch eine Verkopplungsregelung aneinander gekoppelt werden und die Änderungen des Gasmassenstroms (m .L) wenigstens eines der beiden Gase keinen Einfluss auf den korrespondierenden Gasdruck (pL) ausüben.A method for operating a fuel cell system with a regulation of the gas pressure values of a gaseous fuel and a gaseous oxidant in the respective supply lines of a fuel cell, wherein the gas pressure values of the fuel gas used, preferably hydrogen, and the oxidant used, preferably the / the air / oxygen, physically not together are coupled, characterized in that - the gas pressure of the fuel is controlled in a fuel control line according to a first control algorithm to a predetermined first reference variable; - The gas pressure of the oxidizing agent is controlled in an oxidant control system according to a second control algorithm to a predetermined second reference variable; - The gas mass flow of at least one of the two gases is detected directly or indirectly and determined, and is controlled by a third control algorithm in a gas mass flow system controlled to a third predetermined variable command variable; - The fuel control line, the oxidant control system and a gas mass flow control system with their respective control algorithms are included in a comprehensive them all loop, and in this comprehensive control loop, a control is performed such that the gas pressure of the fuel and the oxidant are coupled by a coupling control together and the changes of the gas mass flow (m. L) of at least one of the two gases do not exert any influence on the corresponding gas pressure (p L). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung in dem umfassenden Regelkreis als eine rückgekoppelte Regelung einer oder mehrerer zusammengesetzter Regelungsarten mit einem Mehrgrößenregler ausgeführt wird.Method according to claim 1, characterized in that that the regulation in the comprehensive control loop as a feedback Regulation of one or more composite types of control a multi-variable controller is executed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung in dem umfassenden Regelkreis als eine Zustandsregelung im Zustandsraum mit einer Zustandsrückführung (R) ausgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the control in the comprehensive control loop as a state control in the state space with a state feedback (R) is executed. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsregelung der Brennstoffregelstrecke und der Oxidationsmittelregelstrecke in dem umfassenden Regelkreis ein lineares, zeitinvariantes System von Gleichungen zugrunde gelegt wird.Method according to claim 3, characterized that the state control of the fuel control path and the oxidant control system in the comprehensive control loop a linear, time-invariant system is based on equations. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsrückführung so geregelt wird, dass eine Verkopplungsbedingung erfüllt ist, die eine Gleichheit der Gasdrücke (pW = pL) des Brennstoffs und des Oxidationsmittels bewirkt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the state feedback is controlled so that a coupling condition is met, which causes an equality of the gas pressures (p W = p L ) of the fuel and the oxidizing agent. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsrückführung so geregelt wird, dass eine Verkopplungsbedingung erfüllt ist, die eine vorgegebene Druckdifferenz (Δp) der Gasdrücke des Brennstoffs (pW) und des Oxidationsmittels (pL) bewirkt und der Gasdruck des Brennstoffs um diese vorgegebene Druckdifferenz höher als der Gasdruck des Oxidationsmittels geregelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the state feedback is controlled so that a coupling condition is met, which causes a predetermined pressure difference (Δp) of the gas pressures of the fuel (p W ) and the oxidant (p L ) and the gas pressure of Fuel is regulated by this predetermined pressure difference higher than the gas pressure of the oxidant. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Druckdifferenz vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,1 und 0,5 bar, bevorzugter bei 0,2 bar liegt.Method according to Claim 6, characterized that the predetermined pressure difference preferably in a range between 0.1 and 0.5 bar, more preferably at 0.2 bar. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den jeweiligen Gasdruck vorgebende erste und zweite Führungsgröße in einem vorbestimmten Verhältnis aneinander gekoppelt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the respective gas pressure predetermining first and second reference variable in one predetermined ratio are coupled together. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassenstrom und der Gasdruck des Oxidationsmittels jeweils so geregelt werden, dass der Gasdruck des Oxidationsmittels unabhängig von dem Luftmassenstrom ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the air mass flow and the gas pressure of the oxidizing agent are each controlled so that the gas pressure of Oxidizing agent is independent of the air mass flow. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das lineare, zeitinvariante System von Gleichungen als ein vektorielles Gleichungssystem
Figure 00160001
beschrieben ist.
Method according to one of the preceding claims 4 to 9, characterized in that the linear, time-invariant system of equations as a vectorial system of equations
Figure 00160001
is described.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem umfassenden Regelkreis die Führungsgenauigkeit der wenigstens einen Führungsgröße vorgebbar ist und durch einen wenigstens einen Zustandsparameter eines Filters (F) eingestellt wird.Method according to one of the preceding claims 4 to 10, characterized in that in the comprehensive control loop the guidance accuracy of the at least one reference variable can be predetermined and by at least one state parameter a filter (F) is set. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem umfassenden Regelkreis eine Beobachterregelstrecke betrieben wird, wobei die Ausgänge des umfassenden Regelkreises und der Beobachterregelstrecke verglichen werden und das Ergebnis des Vergleichs dem Eingang der Beobachterregelstrecke zugeführt wird.Method according to one of the preceding claims 4 to 11, characterized in that parallel to the comprehensive Control circuit is operated by a observer, wherein the Outputs of the comprehensive control circuit and the observer control system be compared and the result of the comparison the receipt of the Observer control line is supplied. Brennstoffzellensystem mit einer Regleranordnung zur Regelung der Gasdruckwerte eines gasförmigen Brennstoffs und eines gasförmigen Oxidationsmittels in den jeweiligen Zufuhrstrecken einer Brennstoffzelle, wobei die Gasdruckwerte des verwendeten Brennstoffs, vorzugsweise Wasserstoffs, und des verwendeten Oxidierungsmittels, vorzugsweise der/des Luft/Sauerstoffs, physikalisch nicht aneinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem mithilfe einer Zustandrückführung (R) derart geregelt ist, dass eine Verkopplungsbedingung erfüllt ist, bei der der jeweilige Druck oder der Partialdruck des Oxidationsmittels (pL) und des Brennstoffs (pW) einander gleich sind, und der Druck des Oxidationsmittels keine Abhängigkeit von dem Oxidationsmittelmassenstrom (m .L) aufweist.Fuel cell system with a regulator arrangement for controlling the gas pressure values of a gaseous fuel and a gaseous oxidant in the respective supply lines of a fuel cell, wherein the gas pressure values of the fuel used, preferably hydrogen, and the oxidant used, preferably the / the air / oxygen, are not physically coupled to each other characterized in that the fuel cell system is controlled by state feedback (R) so as to satisfy a coupling condition in which the respective pressure or partial pressure of the oxidant (p L ) and the fuel (p W ) are equal to each other, and Pressure of the oxidizing agent has no dependence on the oxidant mass flow ( m.L ). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen dem Druck oder dem Partialdruck des Luftgasgemischs und des Wasserstoffgases zwischen 0,1 bis 0,5 bar beträgt, bevorzugter im Wesentlichen 0,2 bar beträgt.Fuel cell system according to claim 13, characterized characterized in that the pressure difference between the pressure or the partial pressure of the air-gas mixture and the hydrogen gas between 0.1 to 0.5 bar, more preferably substantially 0.2 bar is. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem Mittel aufweist, die das Betreiben des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ermöglichen.Fuel cell system according to one of the claims 13 to 14, characterized in that the fuel cell system Having means for operating the method according to one of Claims 1 to 12 allow.
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