DE102008020102A1 - Anordnung und Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung der Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellenstapel - Google Patents

Anordnung und Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung der Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellenstapel Download PDF

Info

Publication number
DE102008020102A1
DE102008020102A1 DE102008020102A DE102008020102A DE102008020102A1 DE 102008020102 A1 DE102008020102 A1 DE 102008020102A1 DE 102008020102 A DE102008020102 A DE 102008020102A DE 102008020102 A DE102008020102 A DE 102008020102A DE 102008020102 A1 DE102008020102 A1 DE 102008020102A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
water
amount
control
arrangement
control unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102008020102A
Other languages
English (en)
Inventor
Brian D. Ypsilanti Rutkowski
Shazad Mahmood Troy Butt
Scott Michael New Hudson Sabin
Mujeeb Ismael Leonard Ijaz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Motor Co
Original Assignee
Ford Motor Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ford Motor Co filed Critical Ford Motor Co
Publication of DE102008020102A1 publication Critical patent/DE102008020102A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04328—Temperature; Ambient temperature of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04335—Temperature; Ambient temperature of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04358—Temperature; Ambient temperature of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/045—Humidity; Ambient humidity; Water content of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/04507—Humidity; Ambient humidity; Water content of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664—Failure or abnormal function
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664—Failure or abnormal function
    • H01M8/04686—Failure or abnormal function of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Fuzzy Systems (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Eine Steuer- bzw. Regelanordnung (100) zum Steuern bzw. Regeln der Wassermenge in wenigstens einem durch einen Brennstoffzellenstapel (114) geleiteten Fluidstrom weist eine Befeuchtungsanordnung (108, 134), einen Sensor (110, 136) und eine Steuer- bzw. Regeleinheit (120) auf. Die Befeuchtungsanordnung (108, 134) ist zur Befeuchtung des Fluidstroms betreibbar. Der Sensor (110, 136) ist stromabwärts der Befeuchtungsanordnung (108, 134) angeordnet und dahingehend ausgebildet, wenigstens eine Eigenschaft des Fluidstroms zu messen, welche die Wassermenge in dem Fluidstrom indiziert. Die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) ist dahingehend ausgebildet, ein Signal von dem Sensor (110, 136) zu empfangen und mittels des Signals eine Differenz zwischen einer Wassermenge in dem Fluidstrom und einer Wassersollmenge zu bestimmen. Die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) kann dahingehend betrieben werden, die Befeuchtungsanordnung (108, 134) so zu steuern bzw. zu regeln, dass die Wassermenge in dem Fluidstrom basierend auf der Differenz gesteuert bzw. geregelt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zur Überwachung der Feuchtigkeitsmenge in einem Brennstoffzellenstapelsystem und insbesondere auf eine Anordnung und ein Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung der Wassermenge in Luft- und Wasserstoffströmen, die durch einen Brennstoffzellenstapel geleitet werden.
  • Es ist bekannt, mehrere Brennstoffzellen zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels miteinander zu verbinden. In Brennstoffzellenstapeln wird durch Umwandlung von in Wasserstoff und Sauerstoff enthaltenen chemischen Stoffen elektrische Energie erzeugt. Bekannt ist auch, dass die Membranen der einzelnen Brennstoffzellen feucht gehalten werden müssen, um Schäden an den Membranen zu verhüten. Bei konventionellen Anordnungen wird Wasser über den Luft- und den Wasserstoffstrom zugeführt, um zu gewährleisten, dass die Membranen feucht gehalten werden. Während es wichtig ist, zu gewährleisten, dass die Membranen feucht gehalten werden, ist es aber auch wichtig, nicht zu viel Wasser über den Luft- und Wasserstoffstrom zuzuführen, da zu viel Wasser dazu führen kann, dass die Membranen verstopfen und ein effizienter Betrieb der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel beeinträchtigt wird.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine dahingehend ausgebildete Anordnung und ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen, dass gewährleistet ist, dass dem Luft- und dem Wasserstoffstrom eine geeignete Menge an Feuchtigkeit zugeführt wird, bevor diese Ströme den Membranen einer Brennstoffzelle zugeführt werden. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Zuführung von Wasser zum Luft- und zum Wasserstoffstrom um ein diagnostisches Bauteil zu ergänzen. Mittels eines solchen diagnostischen Bauteils könnten Schäden an dem Brennstoffzellenstapelsystem verhütet werden, indem bei Erkennung eines Fehlers entweder das System vollständig abgeschaltet oder ein Benutzer über den Fehler benachrichtigt wird.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Steuer- bzw. Regelanordnung zur Steuerung bzw. Regelung der Wassermenge in wenigstens einem Fluidstrom, zum Beispiel einem Luftstrom oder einem Wasserstoffstrom, der durch einen Brennstoffzellenstapel geleitet wird, bereitgestellt. Die Anordnung weist eine Befeuchtungsanordnung, einen Sensor und eine Steuer- bzw. Regeleinheit auf. Die Befeuchtungsanordnung ist stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels angeordnet und kann zum Befeuchten des Fluidstroms betrieben werden. Der Sensor ist stromabwärts der Befeuchtungsanordnung angeordnet und ist dahingehend ausgebildet, wenigstens eine Eigenschaft des Fluidstroms zu messen. Die wenigstens eine Eigenschaft des Wassers zeigt die Wassermenge in dem Fluidstrom an. Die Steuer- bzw. Regeleinheit ist dahingehend ausgebildet, ein Signal von dem Sensor zu empfangen und mittels des Signals eine Differenz zwischen einer Wassermenge in dem Fluidstrom und einer Sollwassermenge zu bestimmen. Die Steuer- bzw. Regeleinheit ist zur Steuerung bzw. Regelung der Befeuchtungsanordnung betreibbar, um basierend auf der ermittelten Differenz die Wassermenge in dem Fluidstrom zu steuern bzw. zu regeln.
  • Durch Steuerung bzw. Regelung der dem Fluidstrom hinzuzugebenden bzw. zu entziehenden Wassermenge sorgt die Steuer- bzw. Regeleinheit dafür, dass dem Brennstoffzellenstapel eine für einen einwandfreien Betrieb geeignete Feuchtigkeitsmenge zugeführt wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Steuer- bzw. Regelanordnung zur Steuerung bzw. Regelung der Wassermenge in einem ersten und einem zweiten Fluidstrom, die durch einen Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem geleitet werden, sowie zum Detektieren von Fehlern in dem Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Die Anordnung weist eine erste Befeuchtungsanordnung, eine zweite Befeuchtungsanordnung, einen ersten Sensor, einen zweiten Sensor und eine Steuer- bzw. Regeleinheit auf. Die erste Befeuchtungsanordnung ist zur Befeuchtung des ersten Fluidstroms vorgesehen, während die zweite Befeuchtungsanordnung ist zur Befeuchtung des zweiten Fluidstroms vorgesehen ist. Der erste Sensor ist dahingehend ausgebildet, wenigstens eine erste Eigenschaft des ersten Fluidstroms zu messen. Die wenigstens eine erste Eigenschaft des ersten Fluidstroms zeigt die Wassermenge in dem ersten Fluidstrom an. Der zweite Sensor ist dahingehend ausgebildet, wenigstens eine zweite Eigenschaft des zweiten Fluidstroms zu messen. Die wenigstens eine zweite Eigenschaft des zweiten Fluidstroms zeigt die Wassermenge in dem zweiten Fluidstrom an. Die Steuer- bzw. Regeleinheit ist dahingehend ausgebildet, ein erstes Signal von dem ersten Sensor und ein zweites Signal von dem zweiten Sensor zu empfangen. Zur Steuerung bzw. Regelung der Wassermenge in dem ersten und dem zweiten Fluidstrom steuert bzw. regelt die Steuer- bzw. Regeleinheit die erste und die zweite Befeuchtungsanordnung unabhängig und detektiert, ob die erste und die zweite Befeuchtungsanordnung die Wassermenge in dem ersten und dem zweiten Fluidstrom auf einen vorausbestimmte Betrag gesteuert bzw. geregelt haben.
  • Indem die Vorrichtung detektiert, ob die erste und die zweite Befeuchtungsanordnung die Wassermenge nach dem Steuern bzw. Regeln der Wassermenge in dem ersten und zweiten Fluidstrom in dem ersten und dem zweiten Fluidstrom auf einen vorausbestimmten Betrag gesteuert bzw. geregelt haben, kann die Anordnung Schäden an dem Brennstoffzellenstapel, die dadurch entstehen, dass die Fluidströme zu viel oder zu wenig Wasser aufweisen, abmildern oder verhüten. Außerdem kann mittels einer solchen Fehlerdetektion der Benutzer auf ein Problem im Gesamtsystem hingewiesen werden, wodurch Wartungskosten möglichst gering gehalten werden können. Überdies kann die Fehlerdetektion das automatische Abschalten der Anordnung ermöglichen, wenn ein Fehler detektiert wurde.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung der Wassermenge in dem ersten und dem zweiten Fluidstrom, die durch die erste bzw. die zweite Befeuchtungsanordnung und durch einen Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem geleitet werden, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Befeuchten des ersten und des zweiten Fluidstroms, ein Messen wenigstens einer Eigenschaft des Wassers in dem ersten Fluidstrom, welche die Wassermenge in dem ersten Fluidstrom anzeigt, ein Messen wenigstens einer zweiten Eigenschaft des Wassers in dem zweiten Fluidstrom, welche die Wassermenge in dem zweiten Fluidstrom anzeigt, ein Bestimmen einer ersten Differenz zwischen einer Wassermenge in dem ersten Fluidstrom und einer Wassersollmenge, ein Bestimmen einer zweiten Differenz zwischen einer Wassermenge in dem zweiten Fluidstrom und einer zweiten Sollmenge, das Steuern und Regeln der Wassermenge in dem ersten Fluidstrom basierend auf der ersten Differenz und ein Steuern bzw. Regeln der Wassermenge in dem zweiten Fluidstrom basierend auf der zweiten Differenz.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eignen sich zur Anwendung in jedem beliebigen System, in dem die Brennstoffzellentechnik zum Einsatz kommt. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein System mit geschlossener Regelschleife vorgesehen sein, um zu gewährleisten, dass den Membranen einer Brennstoffzelle Feuchtigkeit zugeführt wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine beispielhafte Brennstoffzellenstapelfeuchtigkeitssteuer- bzw. -regelanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ein Flussdiagramm zur Steuerung bzw. Regelung der Wassermenge, die einem Luftstrom und einem Wasserstoffstrom gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugegeben wird, und
  • 3 eine alternative Ausführungsform einer Brennstoffzellenstapelfeuchtigkeitssteuer- und -regelanordnung zur Steuerung bzw. Regelung der Wassermenge, die einem Luftstrom und einem Wasserstoffstrom zugegeben wird.
  • 1 zeigt eine beispielhafte Brennstoffzellenstapelfeuchtigkeitssteuer- bzw. -regelanordnung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung 100 kann in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug oder einem beliebigen anderen Fahrzeug vorgesehen sein, bei dem elektrische Spannung zum Antrieb eines Elektromotors verwendet wird.
  • Ein erster Fluidstrom, der Luft enthält, wird einem Luftmassensensor 104 zugeführt. Die durch den Luftmassensensor 104 strömende Luft kann trockene Luft sein, oder sie kann einen hohen Wassergehalt aufweisen. Der Luftmassensensor 104 misst die Menge und Dichte der Luft im Fluidstrom. Ein Luftkompressor 106 komprimiert den Luftstrom.
  • Eine erste Befeuchtungsanordnung 108 ist dahingehend ausgebildet, dem Luftstrom Wasser hinzuzufügen. Ein erster Sensor 110 misst den Taupunkt im Luftstrom. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der erste Sensor 110 als kapazitiver komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter-Messfühler CMOS (CMOS = Complementary Metal-Oxide Semiconductor sensing element) ausgebildet sein. Der Taupunkt ist im Wesentlichen eine Funktion der relativen Feuchte und der Temperatur. Der erste Sensor 110 kann dahingehend ausgebildet sein, eine beliebige Anzahl an Eigenschaften zu messen, die mit der Bestimmung der Wassermenge in der Luft in Beziehung stehen. Nachdem der erste Sensor 110 den Taupunkt in der Luft gemessen hat, misst ein Temperatursensor 112 die Temperatur der Luft. Die befeuchtete Luft wird von einem Brennstoffzellenstapel 114 aufgenommen.
  • Die erste Befeuchtungsanordnung 108 weist einen Wassereinspritzer 116 und einen Befeuchter 118 auf. Der Wassereinspritzer 116 kann von einer Steuer- bzw. Regeleinheit 120 mittels eines ersten pulsbreitenmodulierten Signals gesteuert bzw. geregelt werden. Der Wassereinspritzer 116 kann als solenoidbetätigtes oder als anderes Ventil ausgebildet sein und die Wassermenge, die dem Befeuchter 118 gemäß dem ersten pulsbreitenmodulierten Signal zugeführt wird, steuern bzw. regeln.
  • Gemäß einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Wassereinspritzdüse 116 zwischen dem Luftmassensensor 104 und dem Luftkompressor 106 angeordnet sein. Dabei kann beispielsweise das Wasser direkt durch die Wassereinspritzdüse 116 in den Kompressor 106 eingespritzt werden, wobei dann die Vorrichtung 100 keinen Befeuchter 118 aufweist.
  • An den Wassereinspritzer 116 ist eine Wasserpumpe 124 angeschlossen. Ein Wasserbehälter 122 versorgt den Wassereinspritzer 116 über die Wasserpumpe 124 mit Wasser. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann dem Wasserbehälter 122 über den Brennstoffzellenstapel 114 Wasser zugeführt werden. Dieses kann beispielsweise von dem Brennstoffzellenstapel 114 aus einer Verbindung von Chemikalien aus dem Luftstrom und dem Wasserstoffstrom erzeugt werden. Das Wasser kann dem Wasserbehälter 122 über einen Auslass des Brennstoffzellenstapels 114 zugeführt werden.
  • Ein Tank 130 mit komprimiertem Wasserstoff liefert einen zweiten, komprimierten Wasserstoff enthaltenden Fluidstrom zur Verwendung durch den Brennstoffzellenstapel 114. Ein Tankventil 131 steuert bzw. regelt den in die Anordnung 100 eintretenden Wasserstoffstrom. Der Wasserstoffstrom wird durch einen Druckregler 132 reguliert. Eine zweite Befeuchtungsanordnung 134 ist dahingehend ausgebildet, dem Wasserstoffstrom Wasser hinzuzufügen.
  • Die zweite Befeuchtungsanordnung 134 weist einen Wassereinspritzer 140 und einen Befeuchter 142 auf. Der Wassereinspritzer 140 kann von der Steuer- bzw. Regeleinheit 120 mittels eines zweiten pulsbreitenmodulierten Signals gesteuert bzw. geregelt werden. Der Wassereinspritzer 140 kann als solenoidbetätigtes oder als anderes Ventil ausgebildet sein und die Wassermenge steuern bzw. regeln, die dem Befeuchter 142 gemäß dem zweiten pulsbreitenmodulierten Signal zugeführt wird. Der Befeuchter 142 führt dem Wasserstoffstrom gemäß der von dem Wassereinspritzer 140 empfangenen Wassermenge Wasser zu. Die Wasserpumpe 124 ist an den Wassereinspritzer 140 angeschlossen. Der Wasserbehälter 122 versorgt den Wassereinspritzer 140 über die Wasserpumpe 124 mit Wasser.
  • Der zweite Sensor 136 misst den Taupunkt im Wasserstoffstrom. Beispielsweise kann der zweite Sensor 136 als CMOS-Messfühler ausgebildet sein. Der Taupunkt ist im Wesentlichen eine Funktion der relativen Feuchtigkeit zur Temperatur. Der zweite Sensor 136 kann dahingehend ausgebildet sein, eine beliebige Anzahl von Eigenschaften zu messen, welche die Wassermenge in dem Wasserstoffstrom betreffen. Ein Temperatursensor 138 misst die Temperatur des Wasserstoffs. Der Brennstoffzellenstapel 114 kann den befeuchteten Wasserstoffstrom aufnehmen.
  • Der Brennstoffzellenstapel 114 weist eine Anzahl von Brennstoffzellen (nicht dargestellt) auf, die Energie zum Antreiben eines Elektromotors erzeugen. Im Allgemeinen wandeln die einzelnen Brennstoffzellen Sauerstoff aus dem Luftstrom und Wasserstoff aus dem Wasserstoffstrom unter Entstehung von Wasser um, wobei elektrische Energie erzeugt wird. Durch die Umwandlung von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser in den einzelnen Brennstoffzellen erzeugt der Brennstoffzellenstapel 114 elektrische Spannung bzw. elektrischen Strom, nachfolgend "Stapelstrom" genannt. Mittels des Stapelstroms kann ein an den Brennstoffzellenstapel 114 angeschlossener Elektromotor (nicht dargestellt) angetrieben werden. Über einen Stromsensor (nicht dargestellt) kann der Brennstoffzellenstapel 114 den Stapelstrom betreffende Informationen an die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 weitergeben. Der Stromsensor kann zwischen die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 und eine elektrische Verbindung des Brennstoffzellenstapels 114 gekoppelt sein. Eine Information, welche die Zeitdauer betrifft, während der der Brennstoffzellenstapel 114 in Betrieb war, kann definiert werden als die Zeit seit Beginn (time since start). Die Zeit seit Beginn basiert auf der Zeitspanne, während der das Tankventil 131 und der Tank 130 geöffnet waren.
  • Die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 weist einen Nur-Lese-Speicher (ROM) 50 und einen KAM-Speicher (Keep Alive Memory) 152 auf. Das ROM 150 weist eine erste Vorwärtssteuerungstabelle (feed forward table) (nicht dargestellt) und eine zweite Vorwärtssteuerungstabelle (nicht dargestellt) auf. Der KAM-Speicher 152 kann als Direktzugriffsspeicher (RAM) ausgebildet sein. Die erste und die zweite Vorwärtssteuerungstabelle enthalten abgebildete bzw. tabellarische Werte (mapped values), die von der Steuer- bzw. Regeleinheit 120 dahingehend eingesetzt werden, die dem Luft- und dem Wasserstoffstrom zuzugebende bzw. zu entziehende Wassermenge zu steuern bzw. zu regeln. Die abgebildeten Werte sind vorausbestimmte Werte und basieren auf stationären Zuständen zum Erreichen von Sollbefeuchtungstaupunkten.
  • Während eines Betriebs unter bekannten Bedingungen oder in einem ersten Modus kann die Anordnung 100 die abgebildeten Werte der ersten Vorwärtssteuerungstabelle dahingehend verwenden, die Wassermenge in den Luftströmen zu steuern bzw. zu regeln. Nach dem Start kann sich die Anordnung 100 im ersten Modus befinden. Die erste Vorwärtssteuerungstabelle basiert auf einer Funktion der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur im Luftstrom. Beispielsweise kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 mittels der ersten Vorwärtssteuerungstabelle die Wassermenge im Luftstrom basierend auf bestimmten Betriebsbedingungen steuern, ohne dabei den Luftmassenstrom und die Temperatur zu überwachen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Anordnung 100 in einem System ohne Rückführung (open loop system) betrieben werden. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 den Massenstrom und die Temperatur des Luftstroms überwachen, so dass ein System mit geschlossener Regelschleife (closed loop system) vorliegt. Wenn der gemessene Luftmassenstrom und die gemessene Temperatur Werten entsprechen, die in der ersten Vorwärtssteuerungstabelle definiert sind, steuert bzw. regelt die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 die Wassermenge im Luftstrom durch Steuern bzw. Regeln der Durchflussmenge des Wassereinspritzers 116 mittels des ersten pulsbreitenmodulierten Signals.
  • Für den Wasserstoffstrom setzt die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 die abgebildeten Werte der zweiten Vorwärtssteuerungstabelle zum Justieren der Wassermenge im Wasserstoffstrom ein. Die zweite Vorwärtssteuerungstabelle basiert auf einer Funktion des durch den Brennstoffzellenstapel 114 erzeugten Stapelstroms (gemessen über den Stromsensor) und der Temperatur im Wasserstoffstrom. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 mittels der zweiten Vorwärtssteuerungstabelle die Wassermenge im Wasserstoffstrom basierend auf bestimmten Betriebsbedingungen steuern bzw. regeln, ohne dabei den Stapelstrom und die Temperatur zu überwachen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Anordnung 100 in einem System mit offener Regelschleife betrieben werden. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 den Stapelstrom und die Temperatur im Wasserstoffstrom überwachen, so dass ein System mit geschlossener Regelschleife gegeben ist. Wenn der Stapelstrom und die Temperatur Werten entsprechen, die in der zweiten Vorwärtssteuerungstabelle definiert sind, steuert bzw. regelt die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 die Wassermenge im Wasserstoffstrom mittels des zweiten pulsbreitenmodulierten Signals durch Steuern bzw. Regeln einer Ventildurchflussmenge des Wassereinspritzers 140.
  • Während des Betriebs der Anordnung 100 im ersten Modus und in einem System mit geschlossener Regelschleife kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 weiterhin über den ersten Sensor 110 und den zweiten Sensor 136 den Taupunkt im Luft- und im Wasserstoffstrom überwachen, um zu gewährleisten, dass die gewünschten Taupunkte basierend auf den vorausbestimmten Werten der ersten und der zweiten Vorwärtssteuerungstabelle erreicht werden. Werden die gewünschten Taupunkte nicht erreicht und detektiert die Steuer- bzw. Regeleinheit über den ersten Sensor 110 und/oder den zweiten Sensor 136, dass der gewünschte Taupunkt nicht in einem vorausbestimmten Bereich liegt, schaltet die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 die Vorrichtung 100 ab, um Schäden an dem Brennstoffzellenstapel 114 zu verhüten. Beispielsweise kann es sein, dass die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 Fehlercodes auslöst und die Anordnung 100 abschaltet, wenn sich der gewünschte Taupunkt nicht innerhalb von 30% bis 50% des gewünschten Taupunktniveaus befindet. Im Allgemeinen kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 alle empfangenen Eingangsdaten überwachen und Fehlercodes setzen, wenn irgendeines der Eingangsdaten, die von dem Luftmassensensor, dem ersten und zweiten Sensor 118 und 136, dem Lufttemperatursensor 112, dem Wasser stofftemperatursensor 138 und dem Brennstoffzellenstapel 114 empfangen werden, einen nicht ordnungsgemäßen Betrieb anzeigt.
  • Wenn die gemessene Temperatur des Luftstroms und des Wasserstoffstroms größer ist als ein programmierbarer Schwellenwert, kann sich die Anordnung 100 u. U. in einem zweiten Modus befinden. In dem zweiten Modus kann es erforderlich sein, einen Solltaupunkt an einem Einlass zum Brennstoffzellenstapel 114 zu erreichen. Ein solcher Solltaupunkt ist u. U. nicht erreichbar, wenn die Anordnung 100 weiterhin ausschließlich in dem ersten Modus betrieben werden soll, da die Vorwärtssteuerungstabellen u. U. nicht die entsprechenden zum Erreichen des Solltaupunktes erforderlichen Luftströmungs- und Stapelstromgeschwindigkeiten enthalten. Zwar werden bei der Anordnung 100 beim Betrieb in dem zweiten Modus zur Regelung der Wassermenge im Luft- und im Wasserstoffstrom ggf. weiterhin die Vorwärtssteuerungstabellen des ersten Modus eingesetzt; gleichwohl lassen sich im zweiten Modus zusätzlich die Wassereinspritzer 116 und 140 kontrollieren, so dass eine größere Präzision hinsichtlich der Wassermenge, die dem Luft- und dem Wasserstoffstrom hinzuzufügen oder zu entziehen ist, erzielt werden kann.
  • In dem zweiten Modus kann die Anordnung 100 die Wassermenge im Luftstrom basierend auf einem ersten Solltaupunkt und die Wassermenge im Wasserstoffstrom basierend auf einem zweiten Solltaupunkt unabhängig steuern bzw. regeln. Die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 weist einen Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler) 154 auf. Der PID-Regler 154 kann es der Anordnung 100 ermöglichen, den ersten und den zweiten Solltaupunkt im Luft- bzw. im Wasserstoffstrom effektiv zu erreichen. Zum Erreichen des ersten und zweiten Solltaupunktes können auch andere Arten von Steuer- bzw. Regeleinheiten bzw. Reglern, wie z. B. Vorlauf-Verzögerungs-Regler (lead/lag controller) eingesetzt werden. Welche Art von Steuer- bzw. Regeleinheit in einem konkreten Fall jeweils zur Anwendung kommt, kann von den zu erfüllenden Entwicklungskriterien einer bestimmten Anwendung abhängen.
  • Der erste Solltaupunkt ist definiert als Funktion der Stapelkühlmitteltemperatur, der Zeit seit Beginn und des Stapelstroms des Brennstoffzellenstapels 114. Der Brennstoffzellenstapel 114 sendet den Stapelstrom und die Stapelkühlmitteltemperatur betreffende Signale an die Steuer- bzw. Regeleinheit 120. Beim Betrieb im zweiten Modus ermittelt die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 eine erste Differenz. Die erste Differenz ist die Differenz zwischen dem ersten Solltaupunkt und dem ersten gemessenen Taupunkt, wie von dem ersten Sensor 110 gemessen. Der PID-Regler 154 bestimmt eine erste Differenzrate und ein erstes Differenzintegral. Die erste Differenzrate ist definiert als die Differenz zwischen der ersten Differenz und einer vorherigen Differenz, dividiert durch einen Delta_Zeit-Wert. Die vorherige Differenz für die erste Differenzrate ist der letzte bekannte Differenzwert, der vor Berechnung der ersten Differenz berechnet wurde. Der Delta_Zeit-Wert kann auf einen vorausbestimmten Zeitwert gesetzt werden, der die Zeit zwischen den Softwareausführungsschleifen repräsentiert. Beispielsweise kann der Delta_Zeit-Wert auf 100 ms gesetzt werden. Zur Erfüllung der Entwicklungskriterien einer bestimmten Anwendung können jeweils verschiedene Delta_Zeit-Werte gewählt werden. Das erste Differenzintegral ist definiert als die Aufsummierung aller vorangegangenen ersten Differenzmessungen und der letzten Berechnung der ersten Differenz.
  • Bei dem PID-Regler 154 skalieren eine Proportionalverstärkung mit der ersten Differenz, eine Integralverstärkung mit dem ersten Differenzintegral und eine Differentialverstärkung mit der ersten Differenzrate. Nach der Skalierung des Proportionalterms, des Integralterms und des Differentialterms durch den PID-Regler 154 summiert dieser die Terme auf, um einen endgültigen PID-Korrekturwert zu bestimmen. Basierend auf dem endgültigen PID-Korrekturwert kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 das erste pulsbreitenmodulierte Signal justieren und die Durchflussmenge des Wassereinspritzers 116 entsprechend regeln.
  • Der zweite Solltaupunkt ist definiert als Funktion der Stapelkühlmitteltemperatur, der Zeit seit Beginn und des Stapelstroms des Brennstoffzellenstapels 114. Bei einem Betrieb der Anordnung 100 im zweiten Modus bestimmt die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 eine zweite Differenz. Die zweite Differenz ist die Differenz zwi schen dem zweiten Solltaupunkt und dem zweiten gemessenen Taupunkt, wie von dem zweiten Sensor 136 gemessen. Der PID-Regler 154 bestimmt eine zweite Differenzrate und ein zweites Differenzintegral. Die zweite Differenzrate ist definiert als die Differenz zwischen der zweiten Differenz und einer vorherigen Differenz, dividiert durch den Delta_Zeit-Wert. Die vorherige Differenz für die zweite Differenzrate ist der letzte bekannte Differenzwert, der vor der Berechnung der zweiten Differenz berechnet wurde. Der Delta_Zeit-Wert kann auf einen vorausbestimmten Zeitwert gesetzt werden, der die Zeit zwischen den Softwareausführungsschleifen repräsentiert. Beispielsweise kann der Delta_Zeit-Wert auf 100 ms gesetzt werden. Zur Erfüllung der Entwicklungskriterien einer bestimmten Anwendung können jeweils verschiedene Delta_Zeit-Werte gewählt werden. Der zweite Solltaupunkt ist definiert als die Fehlerrate im Zeitablauf. Das zweite Differenzintegral ist definiert als die Aufsummierung aller vorangegangenen zweiten Differenzwerte und der letzten Berechnung der zweiten Differenz.
  • Bei dem PID-Regler 154 skalieren eine Proportionalverstärkung mit der zweiten Differenz, eine Integralverstärkung mit dem zweiten Differenzintegral und eine Differentialverstärkung mit der zweiten Differenzrate. Nach der Skalierung des Proportionalterms, des Integralterms und des Differentialterms durch den PID-Regler 154 summiert dieser die Terme auf, um einen endgültigen PID-Korrekturwert zu bestimmen. Basierend auf dem endgültigen PID-Korrekturwert kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 das zweite pulsbreitenmodulierte Signal justieren und die Durchflussmenge des Wassereinspritzers 140 regeln.
  • Die Anordnung 100 kann auch in einem dritten Modus betrieben werden. In dem dritten Modus können Informationen bzgl. der dem Luft- und dem Wasserstoffstrom zuzugebenden oder zu entziehenden Wassermenge aktualisiert (updated) (oder gelernt) und gespeichert werden. Die Anordnung 100 kann gleichzeitig in dem ersten Modus, in dem zweiten Modus und in dem dritten Modus betrieben werden. Zur Kompensation von Rauschen in der Anordnung 100 kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 die Durchflussrate der Wassereinspritzer 116 und 140 justieren. Zu einem Rauschen kann es beispielsweise kommen, wenn die Wassereinspritzer 116 und 140 individuelle Formabweichungen hinsichtlich der Mindest impulsdauer aufweisen. Zur Berücksichtigung und zum Lernen solcher Abweichungen im Zeitablauf wird ggf. eine adaptive Zelle (adaptive cell) benötigt. Im Allgemeinen wartet die Anordnung 100 eine vorausbestimmte Zeitdauer, bevor sie das Lernen solcher Abweichungen ermöglicht. Zur Vermeidung der Durchführung von Korrekturen bei transienten Zuständen ist die Anordnung 100 bei einem Betrieb im dritten Modus dahingehend ausgebildet, Hardwarekorrekturen langsam zu lernen.
  • Der KAM-Speicher 152 weist eine erste KAM-Tabelle (nicht dargestellt) und eine zweite KAM-Tabelle (nicht dargestellt) auf. Die erste KAM-Tabelle speichert im Laufe der Zeit eingelernte Werte, die das Ausmaß der Steuerung bzw. Regelung der Wassermenge im Luftstrom betreffen. Die eingelernten Werte werden im KAM-Speicher gespeichert und bleiben nach Eintreten des Schlüssel-Aus-Zustands (oder wenn die Anordnung 100 ausgeschaltet ist) in der ersten KAM-Tabelle verfügbar. Die zweite KAM-Tabelle speichert im Laufe der Zeit eingelernte Werte, die das Ausmaß der Steuerung bzw. Regelung der Wassermenge im Wasserstoffstrom betreffen. Die eingelernten Werte werden im KAM-Speicher gespeichert und bleiben nach Eintreten des Schlüssel-Aus-Zustands (oder wenn die Anordnung 100 ausgeschaltet ist) in der zweiten KAM-Tabelle verfügbar.
  • Der PID-Regler 154 stellt eine Integralkorrektur für die erste und die zweite KAM-Tabelle zum Speichern eingelernter Werte zur Verfügung. Da der Integralterm für den PID-Regler 154 die Korrektur (bzw. den Korrekturwert), die (bzw. der) dahingehend benötigt wird, die Differenz zwischen dem Soll- und dem gemessenen Taupunkt auf Null zu bringen, speichert, repräsentiert der Integralterm den Betrag, den die Anordnung 100 lernen (oder adaptieren) und beim nächsten Mal, wenn eine ähnliche Reihe von Bedingungen vorliegt, anwenden sollte. Die erste und die zweite KAM-Tabelle können jeweils einen Einzelwert oder multiple Punkte als Funktion der Luftdurchflussmenge oder des Stapelstroms lernen. Im Falle der ersten Vorwärtssteuerungstabelle, die auf der Luftdurchflussmenge basiert, kann die erste KAM-Tabelle adaptiv Punkte als Funktion der Luftdurchflussmenge lernen und die Wassermenge im Luftstrom entsprechend steuern bzw. regeln. Im Falle der zweiten Vorwärtssteuerungstabelle, die auf dem Stapelstrom basiert, kann die zweite KAM-Tabelle adaptiv Punkte als Funktion des Stapelstroms lernen und die Wassermenge im Wasserstoffstrom entsprechend steuern bzw. regeln. Im Allgemeinen sollten die erste und die zweite KAM-Tabelle klein genug sein, um schnell zu lernen, dabei aber groß genug, um verschiedene Systemfehler zu korrigieren.
  • Bei einem Betrieb der Anordnung 100 im zweiten und im dritten Modus kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 weiterhin den Taupunkt im Luft- und im Wasserstoffstrom über den ersten Sensor 110 und/oder den zweiten Sensor 136 überwachen, um zu gewährleisten, dass die gewünschten Taupunkte erreicht werden. Wenn z. B. die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 über den ersten Sensor 110 und/oder den zweiten Sensor 136 detektiert, dass der gewünschte Taupunkt nicht innerhalb eines vorausbestimmten Bereichs liegt, kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 detektieren, dass ein Fehler aufgetreten ist und die Anordnung 100 abschalten, um Schäden an dem Brennstoffzellenstapel 114 zu vermeiden. Beispielsweise kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 einen Fehlercode auslösen und die Anordnung 100 abschalten oder in einen Notlaufmodus schalten, wenn sich die gemessenen Taupunkte nicht innerhalb von 30% bis 50% des gewünschten Taupunktniveaus befinden.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm 200 zur Steuerung bzw. Regelung der dem Luft- und dem Wasserstoffstrom hinzugefügten Wassermenge. In Schritt 202 liest die Steuer- bzw. Regeleinheit 200 Eingangsdaten ein, welche den Luftmassenstrom, den Stapelstrom des Brennstoffzellenstapels 114, die Zeit seit Beginn, die Stapeltemperatur des Brennstoffzellenstapels 114, die gemessenen Taupunkte des Luft- und des Wasserstoffstroms sowie die Temperatur des Luft- und des Wasserstoffstroms betreffen. In Schritt 204 kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 die gemäß Schritt 202 empfangenen Signale validieren und filtern.
  • In Schritt 206 wird die Anordnung 100 im Regelsystem des ersten Modus betrieben, und die erste Vorwärtssteuerungstabelle im ROM 150 regelt mittels der Strömungsrate des Luftstroms die Wassermenge im Luftstrom durch Regeln des Wassereinspritzers 116. Die zweite Vorwärtssteuerungstabelle im ROM 150 regelt mittels des Stapelstroms des Brennstoffzellenstapels 114 die Wassermenge im Wasserstoffstrom durch Regeln des Wassereinspritzers 142. Die erste und die zweite Vorwärtssteuerungstabelle definieren im Wesentlichen die Durchflussrate für die Wassereinspritzer 116 und 140. Im Allgemeinen befindet sich die Anordnung 100, wenn sie zum ersten Mal hochgefahren wird, im ersten Betriebsmodus.
  • In Schritt 208 kann die Anordnung 100 anfänglich weiterhin im ersten Modus betrieben werden; zum Erreichen der Solltaupunkts kann es jedoch erforderlich sein, die Wassermenge im Luft- und im Wasserstoffstrom zu kontrollieren. Hierzu werden die Solltaupunkte am Einlass des Brennstoffzellenstapels 114 gemessen. Wenn sich die Anordnung 100 im ersten Betriebsmodus befindet, kann es sein, dass die erste und die zweite Vorwärtssteuerungstabelle die Wassermenge im Luft- und im Wasserstoffstrom nicht effektiv kontrolliert, um die Solltaupunkte zu erreichen. Wenn die Temperatur im Luft- und Wasserstoffstrom größer ist als programmierbare Schwellwerte, wechselt die Anordnung 100 ggf. in den zweiten Modus. Bei dem Betrieb im zweiten Modus stellt die Anordnung 100 eine zusätzliche Steuerung bzw. Regelung der Wasserdurchflussrate im Luft- und im Wasserstoffstrom zur Verfügung und sorgt für die Bereitstellung von Durchflussraten, die durch die erste und zweite Vorwärtssteuerungstabelle des ersten Modus nicht bereitgestellt werden können.
  • In dem zweiten Modus bestimmt die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 die erste Differenz. Weiterhin kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 die Wasserdurchflussraten im Luftstrom durch Skalieren der ersten Differenz, der ersten Differenzrate und des ersten Differenzintegrals mit den Verstärkungen des PID-Reglers 152 steuern bzw. regeln. Die skalierten Verstärkungen des PID-Reglers 152 werden summiert und der PID-Regler 152 erzeugt einen endgültigen PID-Korrekturwert. Der endgültige PID-Korrekturwert dient zur Steuerung bzw. Regelung des Wassereinspritzers 116. Zum Erreichen des zweiten Solltaupunkts kann der Wassereinspritzer 140 die in den Wasserstoffstrom eingegebene Wassermenge erhöhen oder vermindern.
  • In dem zweiten Modus bestimmt die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 die zweite Differenz. Ferner kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 die Wasserströmungsraten im Wasserstoffstrom durch Skalieren der zweiten Differenz, der zweiten Differenzrate und des zweiten Differenzintegrals mit den Verstärkungen des PID-Reglers 152 regeln. Die skalierten Verstärkungen des PID-Reglers 152 werden summiert, und der PID-Regler 152 generiert einen endgültigen PID-Korrekturwert. Der endgültige PID-Korrekturwert dient zur Regelung des Wassereinspritzers 140. Zum Erreichen des zweiten Solltaupunkts kann der Wassereinspritzer 140 die in den Wasserstoffstrom gegebene Wassermenge erhöhen oder vermindern.
  • In Schritt 210 kann die Anordnung 100 in den dritten Modus wechseln und Informationen bzgl. des Ausmaßes der Regelung der Wassermenge im Luft- und im Wasserstoffstrom im KAM-Speicher 152 speichern. Die erste KAM-Tabelle enthält gespeicherte eingelernte Werte, die mit der Wassermenge im Luftstrom im Zusammenhang stehen. Die erste KAM-Tabelle kann einen einzelnen Datenpunkt oder mehrere Datenpunkte speichern, die sich auf eine Funktion der Luftdurchflussrate beziehen. Die erste KAM-Tabelle kann die Wassermenge im Luftstrom basierend auf eingelernten Luftströmungspunkten steuern bzw. regeln.
  • Die zweite KAM-Tabelle enthält gespeicherte eingelernte Werte, die mit der Wassermenge im Wasserstoffstrom im Zusammenhang stehen. Die zweite KAM-Tabelle kann einen einzelnen Datenpunkt oder mehrere Datenpunkte speichern, die sich auf eine Funktion des Stapelstroms beziehen. Die zweite KAM-Tabelle kann die Wassermenge im Wasserstoffstrom basierend auf den eingelernten Stapelstrompunkten steuern bzw. regeln. Die eingelernten Luftdurchflussraten und Stapelstromdaten in der ersten und zweiten KAM-Tabelle ergänzen die vorausbestimmten Strömungsgeschwindigkeiten und Stapelstromdaten in der ersten und zweiten Vorwärtssteuerungstabelle und ermöglichen eine verbesserte Steuerung bzw. Regelung der Wassermenge im Luft- und im Wasserstoffstrom.
  • In Schritt 212 bestimmt die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 die Impulsdauer der ersten und zweiten pulsbreitenmodulierten Signale, die an die Wassereinspritzer 116 und 142 gesendet werden. Basierend auf der Länge der Impulsdauer im ersten und zweiten pulsbreitenmodulierten Signal können die Wassereinspritzer 116 und 142 die Wassermenge im Luft- und im Wasserstoffstrom erhöhen. Die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 bestimmt die Länge der Impulsdauer durch Berechnen der Gesamtwasserdurchflussmenge, wie von der Steuer- bzw. Regeleinheit 120 bestimmt, wenn sich die Anordnung 100 im ersten, zweiten und dritten Modus befindet. Zum Beispiel kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 zur Bestimmung der Impulsdauer des ersten pulsbreitenmodulierten Signals zur Steuerung bzw. Regelung der Wassermenge im Luftstrom die Wasserdurchflussrate, wie von der ersten Vorwärtssteuerungstabelle im ersten Modus bestimmt, die Wasserdurchflussrate, die dem endgültigen PID-Korrekturwert entspricht und die Wasserdurchflussrate, die einer eingelernten Luftströmungsrate entspricht, aufsummieren.
  • Die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 bestimmt die Länge der Impulsdauer für das erste pulsbreitenmodulierte Signal durch Aufsummieren der Wasserdurchflussrate, so wie diese von der zweiten Vorwärtssteuerungstabelle im ersten Modus bestimmt wurde, der Wasserdurchflussrate, die dem endgültigen PID-Korrekturwert beim Betrieb der Anordnung 100 im zweiten Modus entspricht, und der Wasserdurchflussrate, die einer gelernten Luftmenge beim Betrieb der Anordnung 100 im dritten Modus zur Regelung und Steuerung der Wassermenge im Luftstrom entspricht.
  • Die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 bestimmt die Länge der Impulsdauer des zweiten pulsbreitenmodulierten Signals durch Aufsummieren der Wasserdurchflussrate, so wie diese von der zweiten Vorwärtssteuerungstabelle im ersten Modus bestimmt wurde, der Wasserdurchflussrate, die dem endgültigen PID-Korrekturwert beim Betrieb der Anordnung 100 im zweiten Modus entspricht, und der Wasserdurchflussrate, die einem gelernten Stapelstromwert beim Betrieb der Anordnung 100 im dritten Modus zur Regelung bzw. Steuerung der Wassermenge im Wasserstoffstrom entspricht.
  • 3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Brennstoffzellenstapelanordnung 300 zur Steuerung bzw. Regelung der Wassermenge in einem Luftstrom.
  • Der Luftmassensensor 104 misst die Durchflussrate des Luftstroms und sendet ein Signal an die Steuer- bzw. Regeleinheit 120, das der gemessenen Durchflussrate entspricht. Hinter dem Luftkompressor 106 ist eine Zwischenkühlervorrichtung 302 zur Regulierung der Temperatur des Luftstroms angeordnet.
  • Ein Membranbefeuchter 304 nimmt den regulierten Luftstrom von der Zwischenkühlervorrichtung 302 auf und fügt dem Strom Wasser hinzu, um der Luft Feuchtigkeit hinzuzufügen. Der Membranbefeuchter 304 weist Material auf, das Wasser aus dem Abgassystem absorbiert (z. B. aus dem von dem Brennstoffzellenstapel 114 abgeführten Wasserstrom). Im Allgemeinen weist der Abgasstrom einen hohen Wassergehalt auf. Das Material des Membranbefeuchters 304 ist so beschaffen, dass Wasser aus dem befeuchteten Luftstrom, der aus dem Brennstoffzellenstapel 114 austritt, in den eindringenden Luftstrom geleitet werden kann (z. B. in den von dem Luftkompressor 106 bereitgestellten Luftstrom). Mittels der Zwischenkühlervorrichtung 302 kann die Ladetemperatur des Luftstroms (z. B. des von dem Luftkompressor 106 aufgenommenen Luftstroms) verringert werden, um Schäden an den Membranen (nicht dargestellt) in dem Brennstoffzellenstapel zu verhüten.
  • Das Bypassventil 306 ist elektrisch an die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 gekoppelt und dahingehend ausgebildet, das erste pulsbreitenmodulierten Signal zu empfangen. Mittels Steuerung des Bypassventils 306 durch die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 kann die durch den Membranbefeuchter 304 geleitete Luftmenge gesteuert bzw. geregelt werden.
  • Je mehr Luft durch das Bypassventil geleitet wird, desto weniger Wasser wird dem Luftstrom zugegeben. Je weniger Luft durch das Bypassventil 306 geleitet wird, desto mehr Wasser wird dem Luftstrom zugegeben. Die Wasserdurchflussrate im Membranbefeuchter 304 ist im Wesentlichen konstant. Statt die durch den Membranbefeuchter 304 geleitete Wassermenge zu steuern bzw. zu regeln, ist die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 dahingehend ausgebildet, die durch den Membranbefeuchter 304 geleitete Luftmenge zu steuern bzw. zu regeln.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Bypassventil 306 zwischen der Zwischenkühlervorrichtung 302 und dem Membranbefeuchter 304 angeordnet sein. Beispielsweise kann dabei das Bypassventil 306 als ein Dreiwegeventil ausgebildet sein, mittels dessen die Luft vollständig von dem Befeuchter 304 hinweggeleitet werden kann. In einer ersten Stellung kann sich das Bypassventil 306 in einem offenen Modus befinden, in dem zugelassen wird, dass die gesamte Luftmenge im Strom durch den Befeuchter strömt. In einer zweiten Stellung kann sich das Bypassventil 306 in einem Bypassmodus befinden, in dem die Luft daran gehindert wird, in den Befeuchter 304 einzudringen. In einer dritten Stellung kann sich das Bypassventil 306 in einer Zwischenstellung befinden, in der ein Teil des Luftstroms von dem Befeuchter 304 hinweggeleitet und der verbleibende Teil der Luft in den Befeuchter 304 geleitet wird. Welche Art von Ventil 306 in einem konkreten Fall jeweils verwendet und an welcher Stelle das Ventil 306 angeordnet wird, kann von den zu erfüllenden Entwicklungskriterien einer bestimmten Anwendung abhängen.
  • Der erste Sensor 110 misst den Taupunkt im Luftstrom. Der Temperatursensor 112 misst die Temperatur der Luft, nachdem der erste Sensor 110 den Taupunkt in der Luft gemessen hat. Ein Einlass des Brennstoffzellenstapels 114 nimmt die befeuchtete Luft auf und führt den einzelnen Membranen in dem Brennstoffzellenstapel 114 Wasser zu. Der Brennstoffzellenstapel 114 führt dem Membranbefeuchter 304 Wasser zu. Das Wasser wird von dem Brennstoffzellenstapel 114 durch Verbindung des Sauerstoffs im Luftstrom mit dem Wasserstoff erzeugt. Durch eine solche Verbindung wird zugleich elektrische Energie bereitgestellt, die von einem Elektromotor (nicht dargestellt) zum Antrieb eines Fahrzeugs verwendet werden kann. Der Brennstoffzellenstapel 114 führt das Wasser dem Membranbefeuchter 304 zu. Der Membranbefeuchter 304 verwendet das von dem Brennstoffzellenstapel 114 erzeugte Wasser, um dem Luftstrom Feuchtigkeit zuzuführen.
  • Wie unter Bezugnahme auf die in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen der Erfindung erläutert, ist auch die Anordnung 300 dahingehend ausgebildet, in dem ersten, zweiten oder dritten Modus betrieben zu werden. Daher kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 die Wassermenge im Luftstrom durch Kontrolle der mittels des Bypassventils 306 durch den Membranbefeuchter 304 geleiteten Luftmenge steuern bzw. regeln. Beispielsweise können bei einem Betrieb im ersten Modus die erste und die zweite Vorwärtssteuerungstabelle weiterhin die gemessenen Luftmengen dahingehend verwenden, es der Steuer- bzw. Regeleinheit 120 zu ermöglichen, die Wassermenge in dem Luftstrom zu steuern. Der einzige Unterschied der Anordnung 300 im Vergleich zu der Anordnung 100 ist, dass die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 die durch den Membranbefeuchter 304 geleitete Luftmenge steuert bzw. regelt.
  • Bei einem Betrieb in dem zweiten Modus kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 das Bypassventil 120 basierend auf dem endgültigen PID-Korrekturwert steuern bzw. regeln. Mittels eines solchen Wertes kann das Bypassventil ggf. besser gesteuert bzw. geregelt werden. In entsprechender Weise kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 bei einem Betrieb in dem dritten Modus Werte adaptieren und lernen, die Steuerungs- bzw. Regelungswerten bei Steuerung bzw. Regelung mittels des Bypassventils 306 entsprechen. Die bei der Anwendung mit der Anordnung 300 eingesetzte Steuer- bzw. Regelstrategie entspricht der Steuer- bzw. Regelstrategie der Anordnung 100.
  • In 3 ist dargestellt, dass der Luftstrom in die Anordnung 300 implementiert ist. Die Anordnung 100 kann aber auch so ausgebildet sein, sie für ein Zuleiten von Wasser in einen Wasserstoffstrom zusätzlich einen Membranbefeuchter aufweist. Gemäß einer derartigen Ausführungsform können außerdem ein weiterer Taupunktsensor sowie ein weiterer Temperatursensor vorgesehen sein. Die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 kann die Menge des durch den Membranbefeuchter geleiteten frischen Wasserstoffs mittels eines weiteren Bypassventils steuern bzw. regeln. Zur Kontrolle des Bypassventils kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 120 die gleiche Steuer- und Regelstrategie verwenden, wie unter Bezugnahme auf 1 und 2 erläutert. Mittels einer solchen Kontrolle des Bypassventils kann die durch den Membranbefeuchter geleitete Wasserstoffmenge erhöht oder verringert werden, wodurch die dem Wasserstoffstrom zugesetzte Wassermenge erhöht oder verringert wird.

Claims (28)

  1. Steuer- bzw. Regelanordnung (100) zum Steuern bzw. Regeln der Wassermenge in wenigstens einem durch einen Brennstoffzellenstapel (114) geleiteten Fluidstrom, gekennzeichnet durch: eine stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels (114) angeordnete und zur Befeuchtung des Fluidstroms betreibbare Befeuchtungsanordnung (108); einen Sensor (110), der stromabwärts der Befeuchtungsanordnung (108) angeordnet und dahingehend ausgebildet ist, wenigstens eine Eigenschaft des Fluidstroms zu messen, welche die Wassermenge in dem Fluidstrom anzeigt, und eine Steuer- bzw. Regeleinheit (120), die dahingehend ausgebildet ist, ein Signal von dem Sensor (110) zu empfangen und das Signal dahingehend zu verwenden, eine Differenz zwischen einer Wassermenge in dem Fluidstrom und einer Wassersollmenge zu bestimmen, wobei die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) dahingehend betrieben werden kann, die Befeuchtungsanordnung (108) zu steuern bzw. zu regeln, um die Wassermenge in dem Fluidstrom basierend auf der Differenz zu steuern bzw. zu regeln.
  2. Steuer- und Regelanordnung (100) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: eine zweite Befeuchtungsanordnung (134), die dahingehend betrieben werden kann, einen zweiten Fluidstrom zu befeuchten, der durch den Brennstoffzellenstapel (114) geleitet wird.
  3. Steuer- und Regelanordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch: einen Wasserstofftank (130), der dahingehend betrieben werden kann, den zweiten Fluidstrom mit Wasserstoff zu beaufschlagen.
  4. Steuer- und Regelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch: eine zweite Temperaturmessvorrichtung (138), die dahingehend betrieben werden kann, die Temperatur des zweiten Fluidstroms zu messen und die gemessene Temperatur an die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) zu übermitteln.
  5. Steuer- und Regelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch: einen zweiten Sensor (136), der dahingehend ausgebildet ist, wenigstens eine Eigenschaft des zweiten Fluidstroms zu messen, welche die Wassermenge in dem zweiten Fluidstrom indiziert.
  6. Steuer- und Regelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) dahingehend ausgebildet ist, ein zweites Signal von dem zweiten Sensor (136) zu empfangen und das zweite Signal dahingehend zu verwenden, eine zweite Differenz zwischen einer Wassermenge in dem zweiten Fluidstrom und der Wassersollmenge zu bestimmen, wobei die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) dahingehend betrieben werden kann, die zweite Befeuchtungsanordnung (134) zu steuern bzw. zu regeln, um die Wassermenge in dem zweiten Fluidstrom basierend auf der zweiten Differenz zu steuern bzw. zu regeln.
  7. Steuer- und Regelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) eine zweite Steuer- bzw. Regeleinheit bzw. einen zweiten Regler (154) aufweist, die bzw. der dahingehend ausgebildet ist, die zweite Differenz, eine Rate des zweiten Differenzsignals und ein Integral der zweiten Differenz mit mehreren die zweite Steuer- bzw. Regeleinheit bzw. den zweiten Regler (154) betreffenden Verstärkungen zu skalieren, um einen endgültigen Korrekturwert zu erzeugen.
  8. Steuer- und Regelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Befeuchtungsanordnung (134) wenigstens ein zweites Wasserventil (140) aufweist, das zur Steuerung bzw. Regelung der dem zweiten Fluidstrom gemäß der zweiten Differenz hinzugefügten Wassermenge betrieben werden kann.
  9. Steuer- und Regelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) dahingehend ausgebildet ist, durch Bestimmen, ob die zweite Befeuchtungsanordnung (134) die Wassermenge in dem zweiten Fluidstrom gemäß der Steuerung durch die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) basierend auf der zweiten Differenz um eine vorausbestimmte Menge gesteuert bzw. geregelt hat, Fehler zu detektieren.
  10. Steuer- und Regelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) einen Nur-Lese-Speicher ROM (150) aufweist, der dahingehend betrieben werden kann, vorausbestimmte Informationen bezüglich der dem zweiten Fluidstrom hinzuzufügenden Wassermenge zu speichern.
  11. Steuer- und Regelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) einen Erhaltungsspeicher KAM (152) aufweist, der dahingehend betrieben werden kann, adaptiv die dem zweiten Fluidstrom hinzuzufügende Wassermenge zu lernen, und zwar durch Speichern neuer Informationen, welche die dem zweiten Fluidstrom hinzuzufügende Wassermenge betreffen und die nicht im ROM des Erhaltungsspeichers KAM (152) gespeichert sind.
  12. Steuer- und Regelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungsanordnung (108) wenigstens einen zum Hinzugeben von Wasser zu dem Fluidstrom ausgebildeten Wassereinspritzer (116) aufweist.
  13. Steuer- und Regelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch: ein Bypassventil (116), das in Wirkverbindung zu der Steuer- bzw. Regeleinheit (120) steht, um die dem Fluidstrom hinzugefügte Wassermenge zu steuern bzw. zu regeln.
  14. Steuer- und Regelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch: wenigstens einen Luftmassensensor (104), der dahingehend betrieben werden kann, die Luftmenge in dem Fluidstrom zu detektieren und den Luftmassenstrom an die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) zu übermitteln.
  15. Steuer- und Regelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch: eine erste Temperaturmessvorrichtung (112), die dahingehend betrieben werden kann, die Temperatur des Fluidstroms zu messen und die gemessene Temperatur an die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) zu übermitteln.
  16. Steuer- und Regelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungsanordnung (108) wenigstens ein Wasserventil (116) aufweist, das dahingehend betrieben werden kann, die dem Fluidstrom gemäß der Differenz hinzugefügte Wassermenge zu steuern bzw. zu regeln.
  17. Steuer- und Regelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) dahingehend ausgebildet ist, durch Bestimmen, ob die zweite Befeuchtungsanordnung (134) die Wassermenge in dem zweiten Fluidstrom gemäß der Steuerung bzw. Regelung durch die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) basierend auf der Differenz um eine vorausbestimmte Menge gesteuert bzw. geregelt hat, Fehler in der Befeuchtungsanordnung (134) zu detektieren.
  18. Steuer- und Regelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) einen ersten Regler (154) aufweist, der dahingehend ausgebildet ist, dass bei ihm die erste Differenz, eine Rate der ersten Differenz und ein Integral der ersten Differenz mit mehreren Verstärkungen skaliert werden, um einen endgültigen Korrekturwert zu erzeugen.
  19. Steuer- und Regelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) ein ROM (152) aufweist, das dahingehend betrieben werden kann, vorausbestimmte Informationen bzgl. der dem Fluidstrom hinzuzufügenden Wassermenge zu speichern.
  20. Steuer- und Regelanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) einen Erhaltungsspeicher KAM (152) aufweist, der dahingehend betrieben werden kann, adaptiv die dem zweiten Fluidstrom hinzuzufügende Wassermenge zu lernen, und zwar durch Speichern neuer Informationen, welche die dem zweiten Fluidstrom hinzuzufügende Wassermenge betreffen und nicht im ROM des Erhaltungsspeichers (152) gespeichert sind.
  21. Verfahren zum Steuern und Regeln der Wassermenge in einem ersten und einem zweiten Fluidstrom, die durch eine erste und eine zweite Befeuchtungsanordnung (108, 134) und einen Brennstoffzellenstapel (114) in einem Brennstoffzellensystem geleitet werden, mit folgenden Schritten: Befeuchten des ersten und des zweiten Fluidstroms; Messen wenigstens einer Eigenschaft des Wassers in dem ersten Fluidstrom, welche die Wassermenge in dem ersten Fluidstrom anzeigt; Messen wenigstens einer zweiten Eigenschaft des Wassers in dem zweiten Fluidstrom, welche die Wassermenge in dem zweiten Fluidstrom anzeigt; Bestimmen einer ersten Differenz zwischen einer Wassermenge in dem ersten Fluidstrom und einer ersten Wassersollmenge; Bestimmen einer zweiten Differenz zwischen einer Wassermenge in dem zweiten Fluidstrom und einer zweiten Sollmenge; Steuern bzw. Regeln der Wassermenge in dem ersten Fluidstrom basierend auf der ersten Differenz; und Steuern bzw. Regeln der Wassermenge in dem zweiten Fluidstrom basierend auf der zweiten Differenz.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch den Schritt eines Detektierens von Fehlern in dem Brennstoffzellensystem durch Bestimmen, ob der Schritt des Steuerns bzw. Regelns der Wassermenge in dem ersten Fluidstrom um eine vorausbestimmte Menge nicht ausgeführt wurde.
  23. Verfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch den Schritt eines Detektierens von Fehlern in dem Brennstoffzellensystem durch Bestimmen, ob der Schritt des Steuerns bzw. Regelns der Wassermenge in dem zweiten Fluidstrom um eine vorausbestimmte Menge nicht ausgeführt wurde.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, gekennzeichnet durch den Schritt eines Speicherns vorausbestimmter Informationen bezüglich der dem ersten und zweiten Fluidstrom hinzuzufügenden Wassermenge in einem ROM (150) bei Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, gekennzeichnet durch den Schritt eines adaptiven Lernens der dem ersten und zweiten Fluidstrom hinzuzufügenden Wassermenge durch Speichern neuer, die Wassermenge betreffender Informationen in einem Erhaltungsspeicher KAM (152).
  26. Steuer- bzw. Regelanordnung (100) zum Steuern bzw. Regeln der Wassermenge in einem ersten und einem zweiten Fluidstrom, die durch einen Brennstoffzellenstapel (114) in einem Brennstoffzellensystem geleitet werden, und zum Detektieren von Fehlern in dem Brennstoffzellensystem, gekennzeichnet durch: eine erste zum Befeuchten des ersten Fluidstroms betreibbare Befeuchtungsanordnung, eine zweite zum Befeuchten des zweiten Fluidstroms betreibbare Befeuchtungsanordnung, einen ersten Sensor, der dahingehend ausgebildet ist, wenigstens eine erste Eigenschaft des Fluidstroms zu messen, welche die Wassermenge in dem ersten Fluidstrom anzeigt, einen zweiten Sensor, der dahingehend ausgebildet ist, wenigstens eine zweite Eigenschaft des Fluidstroms zu messen, welche die Wassermenge in dem zweiten Fluidstrom anzeigt, und eine Steuer- bzw. Regeleinheit (120), die dahingehend ausgebildet ist, ein erstes Signal von dem ersten Sensor und ein zweites Signal von dem zweiten Sensor zum empfangen, um die erste und die zweite Befeuchtungsanordnung unabhängig zu steuern bzw. zu regeln um die Wassermenge im ersten und im zweiten Fluidstrom zu steuern bzw. zu regeln und um zu detektieren, ob die erste und die zweite Befeuchtungsanordnung die Wassermenge im ersten und im zweiten Fluidstrom um eine vorausbestimmte Menge in Reaktion auf die die Wassermenge im ersten und im zweiten Fluidstrom unabhängig steuernde Steuer- bzw. Regeleinheit (120) gesteuert bzw. geregelt haben.
  27. Steuer- bzw. Regelanordnung (300) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) dahingehend ausgebildet ist, eine erste Differenz zwischen einer Wassermenge im ersten Fluidstrom und einer ersten Wassersollmenge gemäß dem ersten Signal zu bestimmen und eine zweite Differenz zwischen einer Wassermenge im zweiten Fluidstrom und einer zweiten Wassersollmenge gemäß dem zweiten Signal zu bestimmen.
  28. Steuer- bzw. Regelanordnung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- bzw. Regeleinheit (120) einen Proportional-Integral-Differential-(PID-)Regler (154) aufweist, der dahingehend ausgebildet ist, die Wassermenge in dem ersten und dem zweiten Fluidstrom gemäß der ersten und der zweiten Differenz zu regeln.
DE102008020102A 2007-06-18 2008-04-22 Anordnung und Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung der Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellenstapel Pending DE102008020102A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/764,249 US8178249B2 (en) 2007-06-18 2007-06-18 Fuel cell humidity control system and method
US11/764,249 2007-06-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102008020102A1 true DE102008020102A1 (de) 2008-12-24

Family

ID=40030949

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102008020102A Pending DE102008020102A1 (de) 2007-06-18 2008-04-22 Anordnung und Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung der Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellenstapel

Country Status (2)

Country Link
US (1) US8178249B2 (de)
DE (1) DE102008020102A1 (de)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008060791A1 (de) * 2008-12-05 2010-06-10 Liebherr-Aerospace Lindenberg Gmbh Energiesystem
WO2011035826A1 (de) * 2009-09-25 2011-03-31 Daimler Ag Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems
DE102012218636A1 (de) 2012-10-12 2014-04-17 Robert Bosch Gmbh Ermittlung der Brennstoffzellen-Eingangsfeuchte über Drucksensoren und eine massenstromabhängige Steuerung des Befeuchter-Bypasses
DE102017112052A1 (de) * 2017-06-01 2018-12-06 Amazonen-Werke H. Dreyer Gmbh & Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Taubedeckungsgrades einer landwirtschaftlichen Fläche und landwirtschaftliche Verteilmaschine
WO2023247114A1 (de) * 2022-06-22 2023-12-28 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem, fahrzeug mit brennstoffzellensystem sowie verfahren

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007044759A1 (de) * 2007-09-19 2009-04-09 Daimler Ag Verfahren und Vorrichtung zur Bildung eines Befeuchtungssollwertes einer Brennstoffzelleneinheit
US8318381B2 (en) * 2008-06-19 2012-11-27 Motorola Mobility Llc Device and method for enhanced air circulation
JP5737593B2 (ja) * 2012-03-19 2015-06-17 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US20130252116A1 (en) * 2012-03-21 2013-09-26 GM Global Technology Operations LLC Model Based Approach For In-Situ WVTD Degradation Detection In Fuel Cell Vehicles
JP5947152B2 (ja) * 2012-08-27 2016-07-06 本田技研工業株式会社 燃料電池の運転方法
US9172103B2 (en) * 2013-01-15 2015-10-27 GM Global Technology Operations LLC Transient inlet relative humidity estimation via adaptive cathode humidification unit model and high frequency resistance
WO2014209858A1 (en) * 2013-06-24 2014-12-31 Nuvera Fuel Cells, Inc. Fuel cell air flow method and system
US10593971B1 (en) * 2018-11-06 2020-03-17 Nuvera Fuel Cells, LLC Methods and systems for controlling water imbalance in an electrochemical cell
CN110165244B (zh) * 2019-05-16 2021-04-09 苏州市华昌能源科技有限公司 燃料电池的温湿度控制系统及温湿度控制方法
AT524477B1 (de) * 2020-10-20 2022-08-15 Avl List Gmbh Verfahren zur Ermittlung der relativen Feuchte an einem Kathodeneingang eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems
CN113659177B (zh) * 2021-08-23 2023-06-06 中国汽车工程研究院股份有限公司 一种燃料电池测试台加湿装置与基于迭代学习的控制方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6451464B1 (en) * 2000-01-03 2002-09-17 Idatech, Llc System and method for early detection of contaminants in a fuel processing system
US6706430B2 (en) * 2001-05-03 2004-03-16 General Motors Corporation Electronic by-pass of fuel cell cathode gas to combustor
US6777120B2 (en) * 2001-05-23 2004-08-17 General Motors Corporation Relative humidity sensor with compensation for changes in pressure and gas composition
JP4806139B2 (ja) * 2001-07-05 2011-11-02 本田技研工業株式会社 燃料電池の加湿システム
DE10146943B4 (de) * 2001-09-24 2017-05-24 General Motors Llc ( N. D. Ges. D. Staates Delaware ) Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem
JP3659582B2 (ja) * 2001-11-20 2005-06-15 本田技研工業株式会社 燃料循環式燃料電池システム
DE10209808B4 (de) * 2002-03-06 2005-11-24 General Motors Corporotion, Detroit Wasservernebelungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zur Befeuchtung eines einem Brennstoffzellensystem zugeführten Gasstromes
KR100527469B1 (ko) * 2003-10-10 2005-11-09 현대자동차주식회사 연료 전지 스택의 온도/습도 제어장치 및 방법
US8202661B2 (en) * 2006-06-27 2012-06-19 Fuelcell Energy, Inc. Method and system for recovering high power output operation of high temperature fuel cells using a rapid load recovery procedure

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008060791A1 (de) * 2008-12-05 2010-06-10 Liebherr-Aerospace Lindenberg Gmbh Energiesystem
WO2011035826A1 (de) * 2009-09-25 2011-03-31 Daimler Ag Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems
DE102012218636A1 (de) 2012-10-12 2014-04-17 Robert Bosch Gmbh Ermittlung der Brennstoffzellen-Eingangsfeuchte über Drucksensoren und eine massenstromabhängige Steuerung des Befeuchter-Bypasses
WO2014056811A1 (de) 2012-10-12 2014-04-17 Robert Bosch Gmbh Ermittlung der brennstoffzellen-eingangsfeuchte über drucksensoren und eine massenstromabhängige steuerung des befeuchter-bypasses
DE102017112052A1 (de) * 2017-06-01 2018-12-06 Amazonen-Werke H. Dreyer Gmbh & Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Taubedeckungsgrades einer landwirtschaftlichen Fläche und landwirtschaftliche Verteilmaschine
WO2023247114A1 (de) * 2022-06-22 2023-12-28 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem, fahrzeug mit brennstoffzellensystem sowie verfahren

Also Published As

Publication number Publication date
US8178249B2 (en) 2012-05-15
US20080311438A1 (en) 2008-12-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008020102A1 (de) Anordnung und Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung der Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellenstapel
DE102008047389B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Online-Bestimmung und Verfahren zum Steuern der relativen Feuchtigkeit eines Reaktandenstroms in einem Brennstoffzellenstapel
DE112006003292B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verwendung des Brennstoffzellelsystems in einem beweglichen Gegenstand
DE102010053632B4 (de) Brennstoffzellenbetriebsverfahren zur Sauerstoffabreicherung bei Abschaltung
DE112008003019B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE10065460B4 (de) System und Verfahren zur Steuerung des Feuchtigkeitsniveaus einer Brennstoffzelle
DE10262331B4 (de) Brennstoff-zirkulierendes Brennstoffzellensystem
DE112004000811T5 (de) Betriebssteuerung für ein Brennstoffzellensystem
DE102017103056A1 (de) Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren für selbiges
DE112009005381T5 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Feuchtigkeitszuständen einzelner Zellen in einer Brennstoffzelle, Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Feuchtigkeitszuständen einzelner Zellen in einer Brennstoffzelle, und Brennstoffzellensystemen
DE102009020225B4 (de) Verfahren zum Verringern und Steuern der Stromabgabe eines Brennstoffzellenstapels
DE102014100751A1 (de) Gegenmaßnahmen bei Luftflussfehlern in einem Brennstoffzellensystem
DE102015103981A1 (de) Steuerung eines Brennstoffzellensystems unter Verwendung eines abgeleiteten Luftmassenflusses
DE102012218636A1 (de) Ermittlung der Brennstoffzellen-Eingangsfeuchte über Drucksensoren und eine massenstromabhängige Steuerung des Befeuchter-Bypasses
WO2006007940A1 (de) Abschaltprozedur für brennstoffzellensysteme
DE10253281A1 (de) Elektrochemisches Zelldruckregulationssystem und Verfahren zum Einsatz desselben
DE102013216844A1 (de) Brennstoffzellensystem-Aktivierungsverfahren und Brennstoffzellensystem
EP1632004A1 (de) Anordnung und verfahren zur drahtlosen versorgung eines feldgerätes in einer verfahrenstechnischen anlage mit elektrischer energie
DE102018209431A1 (de) Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung und Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
WO2016116185A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems sowie brennstoffzellensystem
DE102005038455B4 (de) Verfahren zur Ermittlung und/oder Einstellung des Oxidator-Volumenstroms bei einem Brennstoffzellensystem
WO2024089015A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, steuergerät
WO2008034454A1 (de) Rezirkulationsanordnung für eine anodenseitige gasversorgung in einer brennstoffzellenvorrichtung sowie brennstoffzellenvorrichtung für den mobilen einsatz
DE102004053237A1 (de) Steuergerät sowie Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
WO2004082054A1 (de) Anordnung und verfahren zur drahtlosen versorgung eines feldgerätes in einer verfahrenstechnischen anlage mit elektrischer energie

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R016 Response to examination communication