DE102020208540A1 - Method and device for operating a fuel cell system using machine learning methods - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein computer-implementiertes Verfahren zum Ermitteln einer Systemzustandsgröße (x(i+1)) in einem Brennstoffzellensystem (1) zu aufeinanderfolgenden Auswertungszeitpunkten, wobei zu jedem aktuellen Auswertungszeitpunkt (i+1) folgende Schritte ausgeführt werden:- Ermitteln (S2) von einer oder mehrerer Betriebszustandsgrößen (y(i+1)) des Brennstoffzellensystems (1) zu dem aktuellen Auswertungszeitpunkt (i+1);- Ermitteln (S3) einer aktuellen Systemzustandsgröße (x(i+1)) mithilfe eines trainierten rekurrenten neuronalen Netzwerks abhängig von einem Interner-Zustands-Vektor (h(i)) des rekurrenten neuronalen Netzwerks, der einen internen Zustand des Brennstoffzellensystems (1) angibt, zu einem vorangehenden Auswertungszeitpunkt (i), und von den ermittelten Betriebszustandsgrößen (y(i+1)) zu dem aktuellen Auswertungszeitpunkt (i+1); und- Betreiben (S3) des Brennstoffzellensystems (1) abhängig von der aktuell ermittelten Systemzustandsgröße (x(i+1)).The invention relates to a computer-implemented method for determining a system state variable (x(i+1)) in a fuel cell system (1) at successive evaluation times, the following steps being carried out at each current evaluation time (i+1): - determining (S2) one or more operating state variables (y(i+1)) of the fuel cell system (1) at the current evaluation time (i+1);- determining (S3) a current system state variable (x(i+1)) using a trained recurrent neural network depending on an internal state vector (h(i)) of the recurrent neural network, which indicates an internal state of the fuel cell system (1) at a previous evaluation time (i), and on the determined operating state variables (y(i+1) ) at the current evaluation time (i+1); and - operating (S3) the fuel cell system (1) depending on the currently determined system state variable (x(i+1)).
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme, insbesondere SOFC-Systeme (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit Erdgas. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Ermitteln eines Systemzustands einer Reformatoreinrichtung zur Aufbereitung der im Erdgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe in wasserstoffreiches Gas.The invention relates to fuel cell systems, in particular SOFC systems (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) for operating a fuel cell system with natural gas. In particular, the present invention relates to determining a system state of a reformer device for processing the hydrocarbons contained in the natural gas into hydrogen-rich gas.
Technischer HintergrundTechnical background
Herkömmliche Brennstoffzellensysteme, die auf Erdgasbasis betrieben werden, weisen eine Reformatoreinrichtung auf, die verwendet wird, um längerkettige Kohlenwasserstoffe, die im Erdgas enthalten sind, in wasserstoffreiches Gas umzuwandeln. Das wasserstoffreiche Gas wird dann in dem sogenannten Brennstoffzellenstack mit Luftsauerstoff oxidiert, um elektrische Energie zu erzeugen.Conventional fuel cell systems that operate on natural gas include a reformer device that is used to convert longer chain hydrocarbons contained in natural gas into a hydrogen-rich gas. The hydrogen-rich gas is then oxidized with atmospheric oxygen in the so-called fuel cell stack to generate electrical energy.
Der zum Umwandeln der Kohlenwasserstoffe in Erdgas verwendete Reformatoreinrichtung wird neben dem Erdgas auch Abgas aus den Kathoden des Brennstoffzellenstacks rückgeführt. Dabei kann die Abgasrückführungsrate variabel eingestellt werden.In addition to the natural gas, exhaust gas from the cathodes of the fuel cell stack is also recirculated to the reformer device used to convert the hydrocarbons into natural gas. The exhaust gas recirculation rate can be set variably.
Durch die Abgasrückführung weist das Brennstoffzellensystem ein stark nichtlineares Verhalten auf, das durch einen inneren Systemzustand des Brennstoffzellensystems bestimmt ist. Dieser innere Systemzustand hängt maßgeblich von dem Verlauf des Betriebs des Brennstoffzellensystems ab. Der innere Systemzustand des Brennstoffzellensystems wird durch mindestens eine Systemzustandsgröße angegeben, die ein Sauerstoff-zu-Kohlenstoffverhältnis an einem bestimmten Punkt des Brennstoffzellensystems, insbesondere eingangsseitig der Reformatoreinrichtung, und/oder eine Brennstoffausnutzungsrate umfassen kann. Insbesondere ist die Systemzustandsgröße die Grundlage einer Betriebsart, insbesondere einer Steuerung bzw. Regelung des Brennstoffzellensystems.Due to the exhaust gas recirculation, the fuel cell system has a highly non-linear behavior that is determined by an internal system state of the fuel cell system. This internal system state depends significantly on the course of the operation of the fuel cell system. The internal system state of the fuel cell system is specified by at least one system state variable, which can include an oxygen-to-carbon ratio at a specific point in the fuel cell system, in particular on the input side of the reformer device, and/or a fuel utilization rate. In particular, the system state variable is the basis of an operating mode, in particular a control or regulation of the fuel cell system.
Diese Systemzustandsgröße kann jedoch nicht online gemessen werden, sondern lassen sich nur durch eine ausgiebige Vermessung der Gaszusammensetzungen bestimmen. Diese Messungen sind zeitaufwendig und können nicht für Abschätzungen des inneren Systemzustands im laufenden Betrieb verwendet werden. Die physikalische Modellierung des Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnisses und der Kraftstoffausnutzungsrate ist möglich, aber derzeit aufgrund der Komplexität und langen Berechnungsdauer nicht für die Anwendung im laufenden Betrieb, und insbesondere nicht für die Anwendung in einer Regelung geeignet. Exakte Messungen sind ebenfalls nicht in Echtzeit möglich.However, this system state variable cannot be measured online, but can only be determined by extensive measurement of the gas compositions. These measurements are time-consuming and cannot be used for on-the-fly estimations of the internal system state. Physical modeling of the oxygen-to-carbon ratio and the fuel economy rate is possible, but currently not suitable for on-line application due to the complexity and long calculation time, and in particular not suitable for use in closed-loop control. Exact measurements are also not possible in real time.
In aktuellen Brennstoffzellensystemen wird die Systemzustandsgröße in Form des Sauerstoff-zu-Kohlenstoffverhältnisses und des Kraftstoffausnutzungsgrads ermittelt, um das Brennstoffzellensystem zu betreiben. Die Systemzustandsgröße wird mithilfe eines ungenauen physikalischen Modells bestimmt. Daher geben diese den aktuellen Systemzustand der Reformatoreinrichtung nur ungenau an.In current fuel cell systems, the system state variable in the form of the oxygen-to-carbon ratio and the fuel efficiency is determined in order to operate the fuel cell system. The system state variable is determined using an imprecise physical model. Therefore, they only indicate the current system status of the reformer device imprecisely.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Reformatoreinrichtung gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.According to the invention, a method for operating a fuel cell system with a reformer device according to
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further developments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Systemzustandsgröße in einem Brennstoffzellensystem zu aufeinanderfolgenden Auswertungszeitpunkten vorgesehen, wobei zu jedem aktuellen Auswertungszeitpunkt folgende Schritte ausgeführt werden:
- - Ermitteln von einer oder mehrerer Betriebszustandsgrößen des Brennstoffzellensystems zu dem aktuellen Auswertungszeitpunkt;
- - Ermitteln einer aktuellen Systemzustandsgröße mithilfe eines trainierten rekurrenten neuronalen Netzwerks abhängig von einem Interner-Zustands-Vektor des rekurrenten neuronalen Netzwerks, der einen internen Zustand des Brennstoffzellensystems angibt, zu einem vorangehenden Auswertungszeitpunkt, und von den ermittelten Betriebszustandsgrößen zu dem aktuellen Auswertungszeitpunkt; und
- - Betreiben des Brennstoffzellensystems abhängig von der aktuell ermittelten Systemzustandsgröße.
- - Determination of one or more operating state variables of the fuel cell system at the current evaluation time;
- - Determining a current system state variable using a trained recurrent neural network depending on an internal state vector of the recurrent neural network, which indicates an internal state of the fuel cell system, at a previous evaluation time, and from the determined operating state variables at the current evaluation time; and
- - Operation of the fuel cell system depending on the currently determined system state variable.
Zum Steuern eines Brennstoffzellensystems mit Abgasrückführung ist die Kenntnis eines inneren Systemzustands in Form einer Systemzustandsgröße, wie z.B. eines Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnisses und/oder die Kraftstoffnutzungsrate, notwendig. Diese Größen können jedoch nur basierend auf Messungen der Gaszusammensetzungen von von der Brennstoffzelle zugeführten Gasen bestimmt werden. Solche Messungen sind jedoch aufwändig und nicht während des Betriebs der Brennstoffzelle durchführbar. Die Systemzustandsgröße, nämlich das Sauerstoff-zu-Kohlenstoffverhältnis und die Kraftstoffnutzungsrate, sind physikalisch modellierbar, jedoch ist diese Modellierung für eine zuverlässige Regelung des Brennstoffzellensystems zu ungenau. Exakte Messungen sind möglich, aber teuer. Insbesondere zur Steuerung bzw. Regelung des Brennstoffzellensystems ist es notwendig, die Systemzustandsgröße zu kennen.Controlling a fuel cell system with exhaust gas recirculation requires knowledge of an internal system state in the form of a system state variable, such as an oxygen-to-carbon ratio and/or the fuel utilization rate. However, these variables can only be determined based on measurements of the gas compositions of gases supplied by the fuel cell. However, such measurements are complex and cannot be carried out while the fuel cell is in operation. The system state variable, namely the oxygen-to-carbon ratio and the fuel utilization rate, can be modeled physically, but this modeling is too imprecise for a reliable control of the fuel cell system. Exact measurements are possible, but expensive. In particular for controlling or regulating the fuel cell system, it is necessary to know the system state variable.
Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, die Systemzustandsgröße, nämlich das Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis oder die Kraftstoffnutzungsrate, mithilfe eines rekurrenten neuronalen Netzes zu ermitteln. Dazu sollen als Betriebszustandsgrößen in dem Brennstoffzellensystem vorliegende Messgrößen, wie beispielsweise eine Temperatur, Volumenmassenströme, Gaszusammensetzung des zugeführten Erdgases und dergleichen sowie Ventilstellgrößen verwendet werden.An idea of the above method is to find the system state variable, namely the oxygen-to-carbon ratio or the fuel utilization rate, using a recurrent neural network. For this purpose, measured variables that are present in the fuel cell system, such as temperature, volumetric mass flows, gas composition of the supplied natural gas and the like, as well as valve manipulated variables, are to be used as operating state variables.
Mithilfe eines an sich bekannten physikalischen Modells kann die Systemzustandsgröße modelliert werden. Jedoch kommt es aufgrund von Toleranzen der Betriebszustandsgrößen und aufgrund von Ungenauigkeiten des physikalischen Modells zu Abweichungen der Schätzung der Systemzustandsgröße, die sich akkumulieren und gegebenenfalls zu einer erheblichen Ungenauigkeit bei der Schätzung des internen Systemzustands des Brennstoffzellensystems führen. Daher wird gemäß obigem Verfahren vorgeschlagen, das physikalische Modell mithilfe eines rekurrenten neuronalen Netzwerks zu präzisieren.The system state variable can be modeled using a physical model that is known per se. However, because of tolerances in the operating state variables and because of inaccuracies in the physical model, there are deviations in the estimation of the system state variable, which accumulate and possibly lead to considerable inaccuracy in the estimation of the internal system state of the fuel cell system. Therefore, according to the above method, it is proposed to make the physical model more precise using a recurrent neural network.
Die Kombination mit dem physikalischen Modell ermöglicht es, das rekurrente neuronale Netz mit einer geringeren Anzahl von Trainingsdatensätzen zu trainieren. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da die Bestimmung des Systemzustands eines Brennstoffzellensystems sehr aufwendig ist und nur für eine geringe Anzahl von Referenzmessungen zum Zwecke des Trainings des rekurrenten neuronalen Netzes möglich ist.The combination with the physical model makes it possible to train the recurrent neural network with a smaller number of training data sets. This is particularly advantageous since determining the system state of a fuel cell system is very complex and is only possible for a small number of reference measurements for the purpose of training the recurrent neural network.
Die Verwendung des physikalischen Modells erlaubt die Nutzung der Kenntnis über bekannte physikalische Zusammenhänge zur Bestimmung eines Systemzustands des Brennstoffzellensystems. Die so ermittelte Systemzustandsgröße kann dann durch einen Korrektureingriff des trainierten rekurrenten neuronalen Netzes präzisiert werden. Das so gebildete hybride Modell ermöglicht es, auch bei einem Training des rekurrenten neuronalen Netzes mit wenigen Trainingsdatensätzen gute Vorhersagen des Systemzustands des Brennstoffzellensystems. Insgesamt ermöglicht das obige Verfahren das Bereitstellen eines Systemzustands anhand der Systemzustandsgröße, der ansonsten nur sehr ungenau physikalisch modellierbar wäre, so dass eine Steuerung oder eine Regelung des Brennstoffzellensystems basierend auf der Systemzustandsgröße in verbesserter Weise durchgeführt werden kann.The use of the physical model allows the use of knowledge about known physical relationships to determine a system state of the fuel cell system. The system state variable determined in this way can then be made more precise by a corrective intervention of the trained recurrent neural network. The hybrid model formed in this way makes it possible to make good predictions of the system state of the fuel cell system even when training the recurrent neural network with few training data sets. Overall, the above method makes it possible to provide a system state based on the system state variable, which could otherwise only be physically modeled very imprecisely, so that the fuel cell system can be controlled or regulated in an improved manner based on the system state variable.
Weiterhin kann das Ermitteln der aktuellen Systemzustandsgröße weiterhin abhängig von einem Verlauf der Betriebszustandsgrößen über mehrere zurückliegende Auswertungszeitpunkte durchgeführt werden.Furthermore, the determination of the current system state variable can continue to be carried out as a function of a progression of the operating state variables over a number of past evaluation times.
Es kann vorgesehen sein, dass die Betriebszustandsgrößen mindestens eine der folgenden Größen umfassen: einen generierten Strom, eine Temperatur einer Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellensystems, einen oder mehrere Volumenströme und eine Brennstoffzusammensetzung am Eingang des Brennstoffzellensystems und eine oder mehrere Stellgrößen, insbesondere Ventilstellgrößen zur Steuerung von Durchflüssen, umfassen oder von diesen abhängen.It can be provided that the operating state variables include at least one of the following variables: a generated current, a temperature of a fuel cell unit of the fuel cell system, one or more volume flows and a fuel composition at the inlet of the fuel cell system and one or more manipulated variables, in particular valve manipulated variables for controlling flow rates, include or depend on them.
Gemäß einer Ausführungsform kann das trainierte rekurrente neuronale Netzwerk ausgebildet sein, um abhängig von dem Interner-Zustands-Vektor des rekurrenten neuronalen Netzwerks zu dem vorangehenden Auswertungszeitpunkt und von den Betriebszustandsgrößen zu dem aktuellen Auswertungszeitpunkt eine Systemzustandsgrößenkorrektur zu bestimmen, mit der eine mit den Betriebszustandsgrößen mithilfe eines physikalischen Modells modellierte Systemzustandsgröße zu dem aktuellen Auswertungszeitpunkt beaufschlagt wird, um die aktuelle Systemzustandsgröße zu ermitteln.According to one embodiment, the trained recurrent neural network can be designed to determine a system state variable correction depending on the internal state vector of the recurrent neural network at the previous evaluation time and on the operating state variables at the current evaluation time, with which one with the operating state variables using a physical model modeled system state variable is applied to the current evaluation time to determine the current system state variable.
Insbesondere kann das trainierte rekurrente neuronale Netzwerk die mithilfe des physikalischen Modells modellierte Systemzustandsgröße zu dem aktuellen Auswertungszeitpunkt berücksichtigen, um die Systemzustandsgrößenkorrektur (K) zu bestimmen.In particular, the trained recurrent neural network can take into account the system state variable modeled using the physical model at the current evaluation time in order to determine the system state variable correction (K).
Weiterhin kann das trainierte rekurrente neuronale Netzwerk eine GRU-Einheit oder eine LSTM-Einheit aufweisen.Furthermore, the trained recurrent neural network can have a GRU unit or an LSTM unit.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem abhängig von der aktuellen Systemzustandsgröße betrieben werden, wobei insbesondere eine oder mehrere der Größen ein Rückführungsmassenstrom, ein Brennstoffmassenstrom und ein Sauerstoffmassenstrom als Stellgrößen variabel abhängig von der aktuellen Systemzustandsgröße eingestellt werden.According to one embodiment, the fuel cell system can be operated as a function of the current system state variable, with one or more of the variables a recirculation mass flow, a fuel mass flow and an oxygen mass flow being set variably as manipulated variables depending on the current system state variable.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere Steuereinheit, zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vorgesehen, wobei eine aktuelle Systemzustandsgröße in dem Brennstoffzellensystem ermittelt wird, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um zyklisch folgende Schritte auszuführen:
- - Ermitteln von einer oder mehrerer Betriebszustandsgrößen des Brennstoffzellensystems zu einem aktuellen Auswertungszeitpunkt;
- - Ermitteln einer aktuellen Systemzustandsgröße mithilfe eines trainierten rekurrenten neuronalen Netzwerks abhängig von einem Interner-Zustands-Vektor des rekurrenten neuronalen Netzwerks, der einen internen Zustand des Brennstoffzellensystems zu einem vorangehenden Auswertungszeitpunkt angibt, und von den Betriebszustandsgrößen zu dem aktuellen Auswertungszeitpunkt; und
- - Betreiben des Brennstoffzellensystems abhängig von der aktuell ermittelten Systemzustandsgröße.
- - Determination of one or more operating state variables of the fuel cell system at a current evaluation time;
- - Determining a current system state variable using a trained recurrent neural network depending on an internal state vector of the recurrent neural network, which indicates an internal state of the fuel cell system at a previous evaluation time, and on the operating state variables at the current evaluation time; and
- - Operation of the fuel cell system depending on the currently determined system state variable.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, umfassend eine Brennstoffzelle; eine Reformatoreinrichtung; eine Abgasrückführung; eine Sensorik zur Messung von Messgrößen als Betriebszustandsgrößen; und die obige Vorrichtung.According to a further aspect, a fuel cell system is provided, comprising a fuel cell; a reformer device; an exhaust gas recirculation; a sensor system for measuring measured variables as operating state variables; and the above device.
Figurenlistecharacter list
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems; -
2 eine schematische Funktionsdarstellung zur Ermittlung des Systemzustands des Brennstoffzellensystems; -
3 eine beispielhafte Darstellung einer GRU-Einheit als eine RNN-Einheit; und -
4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Ermitteln der Systemzustandsgröße des Brennstoffzellensystems.
-
1 a schematic representation of a fuel cell system; -
2 a schematic functional representation for determining the system state of the fuel cell system; -
3 an example representation of a GRU entity as an RNN entity; and -
4 a flowchart to illustrate the method for determining the system state variable of the fuel cell system.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of Embodiments
Die Brennstoffzelle 3 weist eine Anode 5 und eine Kathode 6 auf. Zwischen der Anode 5 und der Kathode 6 ist eine Elektrode 7 angeordnet, wobei die Anode 5 von der Kathode 6 durch einen Elektrolyten getrennt ist.The fuel cell 3 has an anode 5 and a
Der Kathode 6 der Brennstoffzelleneinheit 2 ist über eine Zuleitung 8 ein Oxidationsmittel, insbesondere Luft oder Sauerstoff, zuführbar. Das Oxidationsmittel wird über ein Ventil 9 eingeleitet und mittels eines Oxidations-Verdichters 10 komprimiert. Der Oxidations-Verdichter 10 ist variabel einstellbar, um einen Sauerstoffmassenstrom vorzugeben. Der Oxidations-Verdichter 10 kann als konstant betriebener Verdichter mit einem variabel einstellbaren Drosselventil ausgebildet sein, um den Sauerstoffmassenstrom als eine der Stellgrößen variabel einzustellen.An oxidizing agent, in particular air or oxygen, can be supplied to the
Zur Bereitstellung von elektrischer Energie wird der Brennstoffzelleneinheit 2 an der Anode 5 ein brennstoffhaltiges Synthesegas, insbesondere ein wasserstoffhaltiges Synthesegas, über eine Brennstoffzuleitung 11 zugeführt.To provide electrical energy, a fuel-containing synthesis gas, in particular a hydrogen-containing synthesis gas, is fed to the
Zur Erzeugung des brennstoffhaltigen Synthesegases ist der Brennstoffzelleneinheit 2 eine Reformatoreinrichtung 12 vorgeschaltet. Die Reformatoreinrichtung 12 ist über die Brennstoffzuleitung mit der Brennstoffzelleneinheit 2 bzw. insbesondere der Anode 5 der Brennstoffzelle 3 verbunden.To generate the fuel-containing synthesis gas, the
Zur Erzeugung des brenngashaltigen Synthesegases wird der Reformatoreinrichtung 12 ein Gemisch aus Erdgas oder einem weiteren Reaktanten, insbesondere Sauerstoff und/oder Wasserdampf, zugeführt, welches durch eine Reformierung in das brenngashaltige Synthesegas übergeführt wird. Das Erdgas wird durch einen Brennstoffverdichter 13 komprimiert und über ein Brennstoffventil 14 der Reformatoreinrichtung 12 zugeführt. Der Brennstoffverdichter 13 ist variabel ansteuerbar, um einen Brennstoffmassenstrom ṁNG vorzugeben. Der Brennstoffverdichter 13 kann als konstant betriebener Verdichter mit einem variabel einstellbaren Drosselventil ausgebildet sein, um den Brennstoffmassenstrom als eine der Stellgrößen variabel einzustellen.To generate the fuel gas-containing synthesis gas, the
Stromabwärts des Brennstoffverdichters 13 wird dem Erdgas durch eine Abgasrückführung 15 ein weiterer Reaktant Wasser, insbesondere in Form von Wasserdampf, beigemischt.A further reactant, water, in particular in the form of steam, is added to the natural gas downstream of the
Die Abgasrückführung 15 des Brennstoffzellensystems 1 ermöglicht, Abgas aus der Brennstoffzelle 3, im gezeigten Fall ein Anodenabgas, zumindest teilweise zur Vermischung mit dem Erdgas und dem weiteren Reaktanten an die Eingangsseite der Reformatoreinrichtung 12 zurückzuführen. Dazu kann die Abgasrückführung 15 einen Rückführungsverdichter 16 aufweisen, der zur Rückführung von wasserhaltigem Anodenabgas zur Reformatoreinrichtung 12 vorgesehen ist. Der Rückführungsverdichter 16 ist variabel ansteuerbar, um einen Rückführungsmassenstrom ṁRecy vorzugeben. Der Rückführungsverdichter 16 kann als konstant betriebener Verdichter mit einem variabel einstellbaren Drosselventil ausgebildet sein, um den Rückführungsmassenstrom als eine der Stellgrößen variabel einzustellen.The
Während der Reformierung werden langkettige Alkane vollständig und Methan zu einem Teil in der Reformatoreinrichtung 12 und zu einem weiteren Teil in der Brennstoffzelle 3 reformiert. Ferner kann unbenutztes Synthesegas durch die Reformatoreinrichtung 12 über die Abgasrückführung 15 in die Brennstoffzelle zurückgeführt werden, was einen Brennstoffnutzungsgrad des Brennstoffzellensystems 1 erhöht. Die verschiedenen Alkane des Erdgases werden zusammen mit dem Wasserdampf in die Reformatoreinrichtung 12 geleitet und dort reformiert. Je nach Zusammensetzung des Erdgases wird für eine optimierte Reformierung eine unterschiedliche Wasserdampfmenge benötigt. During the reforming, long-chain alkanes are reformed completely and methane is partly reformed in the
Ebenso sind die Konzentrationen im Synthesegas abhängig von der Zusammensetzung des verwendeten Erdgases.The concentrations in the synthesis gas also depend on the composition of the natural gas used.
Für den Betrieb der Brennstoffzelle 3 ist ein interner Zustand des Brennstoffzellensystems 1 relevant. Der Zustand des Brennstoffzellensystems 1 spiegelt sich in einer Systemzustandsgröße, insbesondere in einem Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis bzw. in der Kraftstoffausnutzungsrate des Brennstoffzellensystems 1, wider. Da das Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis bzw. die Kraftstoffnutzungsrate nicht oder nur mit erheblichem Aufwand direkt messbar sind, kann eine Kenntnis über den internen Zustand des Brennstoffzellensystems 1 helfen, dieses effektiver zu betreiben. So kann beispielsweise die Systemzustandsgröße abhängig von dem internen Zustand des Brennstoffzellensystems 1 ermittelt werden und für eine Regelung des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 in an sich bekannter Weise verwendet werden.An internal state of the
Zur Ermittlung der Systemzustandsgröße, die als Kenngröße für den Systemzustand des Brennstoffzellensystems 1 dient, müssen zyklisch Messgrößen als Betriebszustandsgrößen erfasst werden, die den aktuellen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1 angeben.In order to determine the system state variable, which is used as a parameter for the system state of the
So können beispielsweise mithilfe des Temperatursensors, eines Volumenmassenstromsensors und eines Gaszusammensetzungssensors Betriebszustände des Brennstoffzellensystems, als eine Temperaturangabe, eine oder mehrere Volumenstromangaben und eine Brenngaszusammensetzung, erfasst werden, die es ermöglichen, ausgehend von einem internen Zustand die Systemzustandsgröße zu ermitteln. Weiterhin können die Betriebszustandsgrößen eine oder mehrere zur Ansteuerung des Brennstoffzellensystems bereitgestellte Stellgrößen, insbesondere Ventilstellgrößen zur Steuerung von Durchflüssen und dergleichen umfassen.For example, using the temperature sensor, a volumetric mass flow sensor and a gas composition sensor, operating states of the fuel cell system can be detected as a temperature indication, one or more volume flow indications and a fuel gas composition, which make it possible to determine the system state variable based on an internal state. Furthermore, the operating state variables can include one or more manipulated variables provided for controlling the fuel cell system, in particular valve manipulated variables for controlling flow rates and the like.
Der durch die Systemzustandsgröße bestimmte Systemzustand kann zwar durch ein physikalisches Modell abhängig von den Betriebszustandsgrößen bestimmt werden, jedoch sind die gemessenen Betriebszustandsgrößen und/oder das physikalische Modell fehlerbehaftet, so dass es durch die Modellbildung zu einer Akkumulation von Fehlern kommen kann, die eine Vorhersage des Systemzustands des Brennstoffzellensystem 1 erschweren.Although the system state determined by the system state variable can be determined by a physical model as a function of the operating state variables, the measured operating state variables and/or the physical model are subject to errors, so that modeling an accumulation of errors that make it difficult to predict the system state of the
In
Das Systemzustandsmodell 20 hat einen rekursiven Charakter und weist Modellblöcke 21 auf, die zu aufeinanderfolgenden Auswertungszeitpunkten i-1, i, i+1 ausgeführt werden.The
Der Modellblock 21 erhält in jedem Auswertungszeitpunkt i als Eingänge einen aktuellen Betriebszustandsgrößenvektor y(i+1) über die in dem aktuellen Auswertungszeitpunkt erfassten Messgrößen und einen Interner-Zustands-Vektor h(i).At each evaluation time i, the
Alternativ können auch mehrere in n zurückliegenden Auswertungszeitpunkten ermittelte Interner-Zustands-Vektoren h(i-n...i-1) berücksichtigt werden. Alternatively, a number of internal state vectors h(in...i-1) determined in the n previous evaluation times can also be taken into account.
Die Funktion des Modellblocks 21 wird für jeden Auswertungszeitpunkt i basierend auf den Eingängen ausgeführt, um für einen darauffolgenden Auswertungszeitpunkt i+1 eine aktuelle Systemzustandsgröße x(i+1) zu ermitteln und den Interner-Zustands-Vektor h(i+1) zu aktualisieren.The function of the
Im Detail umfasst das Systemzustandsmodell 20 einen Modellierungsblock 22, der ein physikalisches Modell zur Ermittlung einer physikalisch modellierten Systemzustandsgröße x' anwendet. Die physikalisch modellierten Systemzustandsgröße x' wird mit einem physikalischen Modell ermittelt, das physikalische und/oder chemische Abhängigkeiten abbildet. Dieses physikalische Modell ermittelt basierend auf dem aktuellen Betriebsgrößenvektor y(i+1), wie der aktuellen Temperatur, des Volumenmassenstroms, der Gaszusammensetzung sowie der mindestens einen Stellgröße und dem seit dem letzten Auswertungszeitpunkt bis zu dem aktuellen Auswertungszeitpunkt gemittelten Volumenmassenstrom in die Reformatoreinrichtung 12 eine physikalisch modellierte Systemzustandsgröße x'.In detail, the
Die durch den Modellierungsblock ermittelte physikalisch modellierte Systemzustandsgröße x' wird einem Summierblock 23 zugeführt. Die aktuelle Systemzustandsgröße x(i) entspricht einer absoluten Angabe des Systemzustands des Brennstoffzellensystems 1.The physically modeled system state variable x′ determined by the modeling block is supplied to a summing
Insbesondere kann im Fall von x' als Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis ϕ dieses gemäß folgendem aus dem Stand der Technik bekannten physikalischen Modell ermittelt werden.
Alternativ kann eine Kraftstoffausnutzungsrate FU gemäß folgendem aus dem Stand der Technik bekannten physikalischen Modell ermittelt werden:
Die physikalisch modellierte Systemzustandsgröße x' wird ebenso wie der aktuelle Betriebszustandsgrößenvektor y(i+1) und dem zuletzt ermittelten Interner-Zustands-Vektor h(i) einer RNN-Einheit 24 (RNN: recurrent neural network) zugeführt, in der ein aktueller Interner-Zustands-Vektor h(i+1) ermittelt wird. Die RNN-Einheit 24 entspricht einer Klasse von neuronalen Netzwerken, die besonders gut für die Verarbeitung zeitlicher Signalfolgen und insbesondere für die Vorhersage von zeitlichen Verläufen geeignet sind. Die RNN-Einheit 24 kann beispielsweise als eine GRU-Einheit (GRU: Gated Recurrent Unit) oder als LSTM-Zelle (Long-Short-term-Memory) oder als eine Variante davon ausgebildet sein.The physically modeled system state variable x', like the current operating state variable vector y(i+1) and the last determined internal state vector h (i ), is supplied to an RNN unit 24 (RNN: recurrent neural network), in which a current internal -state vector h (i+1) is determined. The
Der durch die RNN-Einheit 24 bestimmte aktuelle Interner-Zustands-Vektor
Der Korrekturblock 25 kann eine festgelegte Funktion sein, die den Interner-Zustands-Vektor h(i) der Systemzustandsgrößenkorrektur K zuordnet. Der Korrekturblock 25 kann insbesondere als neuronales Netz, vorzugsweise als separates Feed-forward neuronales Netz ausgebildet sein, dass den aktuellen Interner-Zustands-Vektor h(i+1) der Systemzustandsgrößenkorrektur K zuordnet. Insbesondere kann der Korrekturblock 25 im Falle eines LSTM als RNN-Einheit 24 einem „output gate“ des LSTM entsprechen.The
Alternativ kann die RNN-Einheit 24 auch ausgebildet sein, um zusätzlich zu dem aktuellen Interner-Zustands-Vektor h(i+1) die Systemzustandsgrößenkorrektur K bereitzustellen, so dass das Vorsehen des Korrekturblocks 25 entfallen kann.Alternatively, the
Nach der Berechnung des Funktionsblocks 21 steht am Ausgang des Summierblocks 23 die aktuelle Systemzustandsgröße x(i+1) und am Ausgang der RNN- Einheit 24 der Interner-Zustands-Vektor h(i+1) für den Auswertungszeitpunkt i+1 zur Verfügung. Diese werden bei der Berechnung zu einem nächsten Auswertungszeitpunkt i+2 als Betriebszustandsgrößen zusammen mit den Messgrößen y(i+2) des nächsten Auswertungszeitpunkt i+2 angenommen.After the
Ein Training einer GRU- Einheit als Beispiel für die RNN-Einheit 24 erfolgt mithilfe an sich bekannter Trainingsverfahren, beispielsweise basierend auf einem Backpropagation-Verfahren. Dazu werden für eine Anzahl k vorgegebener Auswertungszeitpunkte T-k bis T und einer gemessenen Systemzustandsgröße x(T) zu einem Auswertungszeitpunkt T einer angenommenen oder gemessenen Systemzustandsgröße x(T-k) zu einem Auswertungszeitpunkt T-k, die zu den Auswertungszeitpunkten T-k...T erfassen Betriebszustandsgrößenvektoren y(T-k...T) als Trainingsgrößen vorgesehen und ein entsprechendes rekursives Trainingsverfahren in an sich bekannter Weise durchgeführt, um die trainierbaren Parameter des RNN zu trainieren.A GRU unit is trained as an example for the
Die in der Auswertung der für den aktuellen Auswertungszeitpunkt i+1 ermittelte Systemzustandsgröße x(i+1) wird zum Betrieb des Brennstoffzellensystem genutzt. Insbesondere werden basierend auf der Systemzustandsgröße Grenzwerte für Stellgrößen definiert, wie z.B. in
In
In Schritt S1 werden die Betriebszustandsgrößen in kurzen Abtastraten von z.B. <1 s, vorzugsweise von weniger als 0,5s gemessen und ggfs. gemeinsam mit den Stellgrößen als Betriebszustandsgrößenvektor bereitgestellt.In step S1, the operating state variables are measured at short sampling rates of, for example, <1 s, preferably less than 0.5 s, and if necessary made available together with the manipulated variables as an operating state variable vector.
In Schritt S2 wird mithilfe des hybriden Modells die aktuelle Systemzustandsgröße für den aktuellen Auswertungszeitpunkt i+1 aus den Betriebszustandsgrößen und dem zuletzt ermittelten Interner-Zustands-Vektor ermittelt.In step S2, the current system state variable for the current evaluation time i+1 is determined from the operating state variables and the last determined internal state vector using the hybrid model.
In Schritt S3 wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems basierend auf der ermittelten aktuellen Systemzustandsgröße x(i) durchgeführt. Eine mögliche Betriebsweise ist beispielsweise aus
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent Literature Cited
- M. Carre et al., „Feed-forward control of a solid oxide fuel cell system with anode offgas recycle“, Journal of Power Sources 282 (2015) [0054]M. Carre et al., "Feed-forward control of a solid oxide fuel cell system with anode offgas recycle", Journal of Power Sources 282 (2015) [0054]
- M.- Carre et al., „Feed-forward control of a solid oxide fuel cell system with anode offgas recycle“, Journal of Power Sources 282 (2015), Seiten 498-510 [0058]M.-Carre et al., "Feed-forward control of a solid oxide fuel cell system with anode offgas recycle", Journal of Power Sources 282 (2015), pages 498-510 [0058]
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M.- Carre et al., „Feed-forward control of a solid oxide fuel cell system with anode offgas recycle", Journal of Power Sources 282 (2015), Seiten 498-510 |
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