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 claim 1 and a device for operating a fuel cell system and a fuel cell system according to the independent claims are provided.

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.
According to a first aspect, a method is provided for determining a system state variable in a fuel cell system at successive evaluation times, the following steps being carried out at each current evaluation time:
  • - 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.
According to a further aspect, a device, in particular a control unit, is provided for operating a fuel cell system, with a current system state variable being determined in the fuel cell system, with the device being designed to cyclically carry out the following steps:
  • - 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.
Embodiments are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 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

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 1. Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Brennstoffzelleneinheit 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 2 weist eine Brennstoffzelle 3 zur Bereitstellung von elektrischer Energie auf. Die Brennstoffzelle 3 kann einer Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) entsprechen. Auch andere Zellentechnologien, wie beispielsweise PLFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell, MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell und PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell können entsprechend verwendet werden. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system 1. The fuel cell system 1 has a fuel cell unit 2. FIG. The fuel cell unit 2 has a fuel cell 3 for providing electrical energy. The fuel cell 3 may correspond to a solid oxide fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell). Other cell technologies such as PLFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell, MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell and PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell can also be used accordingly.

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 cathode 6 . An electrode 7 is arranged between the anode 5 and the cathode 6, the anode 5 being separated from the cathode 6 by an electrolyte.

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 cathode 6 of the fuel cell unit 2 via a supply line 8 . The oxidizing agent is introduced via a valve 9 and compressed by means of an oxidizing compressor 10 . The oxidation compressor 10 can be variably adjusted in order to specify an oxygen mass flow. The oxidation compressor 10 can be designed as a constantly operated compressor with a variably adjustable throttle valve in order to variably adjust the oxygen mass flow as one of the manipulated variables.

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 fuel cell unit 2 at the anode 5 via a fuel feed line 11 .

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 fuel cell unit 2 is preceded by a reformer device 12 . The reformer device 12 is connected to the fuel cell unit 2 or in particular to the anode 5 of the fuel cell 3 via the fuel supply line.

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 reformer device 12 is supplied with a mixture of natural gas or another reactant, in particular oxygen and/or steam, which is converted into the fuel gas-containing synthesis gas by reforming. The natural gas is compressed by a fuel compressor 13 and fed to the reformer device 12 via a fuel valve 14 . The fuel compressor 13 can be controlled variably in order to specify a fuel mass flow ṁ NG. The fuel compressor 13 can be designed as a constantly operated compressor with a variably adjustable throttle valve in order to variably adjust the fuel mass flow as one of the manipulated variables.

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 fuel compressor 13 through an exhaust gas recirculation system 15 .

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 exhaust gas recirculation 15 of the fuel cell system 1 enables exhaust gas from the fuel cell 3, in the case shown an anode exhaust gas, to be at least partially returned to the input side of the reformer device 12 for mixing with the natural gas and the other reactants. For this purpose, the exhaust gas recirculation 15 can have a recirculation compressor 16 which is provided for the recirculation of water-containing anode exhaust gas to the reformer device 12 . The recirculation compressor 16 can be controlled variably in order to specify a recirculation mass flow ṁ Recy. The recirculation compressor 16 can be designed as a constantly operated compressor with a variably adjustable throttle valve in order to variably adjust the recirculation mass flow as one of the manipulated variables.

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 reformer device 12 and partly in the fuel cell 3 . Furthermore, unused synthesis gas can be fed back into the fuel cell by the reformer device 12 via the exhaust gas recirculation system 15 , which increases the fuel efficiency of the fuel cell system 1 . The various alkanes of the natural gas are fed into the reformer device 12 together with the water vapor and reformed there. Depending on the composition of the natural gas, a different amount of steam is required for optimized reforming.

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 fuel cell system 1 is relevant for the operation of the fuel cell 3 . The state of the fuel cell system 1 is reflected in a system state variable, in particular in an oxygen-to-carbon ratio or in the fuel utilization rate of the fuel cell system 1 . Since the oxygen-to-carbon ratio or the fuel utilization rate cannot be measured directly or only with considerable effort, knowledge of the internal state of the fuel cell system 1 can help to operate it more effectively. For example, the system state variable can be determined as a function of the internal state of the fuel cell system 1 and used to control the operation of the fuel cell system 1 in a manner known per se.

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 fuel cell system 1, measured variables must be recorded cyclically as operating state variables, which indicate the current operating state of the fuel cell system 1.

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 fuel cell system 1 .

In 2 ist ein Funktionsschaltbild dargestellt, der ein Systemzustandsmodell 20 zur Bestimmung einer Systemzustandsgröße x(i), insbesondere in Form einer Systemzustandsgröße x(i) in Form eines Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnisses bzw. einer Kraftstoffausnutzungsrate angibt. Das Funktionsschaltbild zeigt ein hybrides Modell, mit dem der interne Systemzustand des Brennstoffzellensystems 1 ermittelt werden kann.In 2 a functional circuit diagram is shown which specifies a system state model 20 for determining a system state variable x (i) , in particular in the form of a system state variable x (i) in the form of an oxygen-to-carbon ratio or a fuel utilization rate. The functional diagram shows a hybrid model with which the internal system state of the fuel cell system 1 can be determined.

Das Systemzustandsmodell 20 hat einen rekursiven Charakter und weist Modellblöcke 21 auf, die zu aufeinanderfolgenden Auswertungszeitpunkten i-1, i, i+1 ausgeführt werden.The system status model 20 has a recursive character and has model blocks 21 which are executed at successive evaluation times i−1, i, i+1.

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 model block 21 receives as inputs a current operating state variable vector y(i+1) via the measured variables recorded at the current evaluation time and an internal state vector h (i) .

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 model block 21 is executed for each evaluation time i based on the inputs in order to determine a current system state variable x(i+1) for a subsequent evaluation time i+1 and to update the internal state vector h (i+1). .

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 system state model 20 includes a modeling block 22 that uses a physical model to determine a physically modeled system state variable x′. The physically modeled system state variable x' is determined using a physical model that depicts physical and/or chemical dependencies. This physical model determined based on the current operating variable vector y (i + 1) as the current temperature, the volumetric mass flow, gas composition, and the at least one manipulated variable and since the last evaluation time point to the current time of evaluation average volume of mass flow in the reformer apparatus 12 is a physically modeled system state variable x'.

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 block 23 . The current system state variable x(i) corresponds to an absolute specification of the system state of the fuel cell system 1.

Insbesondere kann im Fall von x' als Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis ϕ dieses gemäß folgendem aus dem Stand der Technik bekannten physikalischen Modell ermittelt werden. ϕ = K 2 m ˙ R e c y m ˙ R e c y m ˙ N G + K 1 m ˙ N G 2

Figure DE102020208540A1_0001
wobei K1, K2 zu parametrisierende Konstanten, ṁRecy einem Rückführungsmassenstrom und ṁNG einem Brennstoffmassenstrom angeben.In particular, in the case of x′ as the oxygen-carbon ratio φ, this can be determined according to the following physical model known from the prior art. ϕ = K 2 m ˙ R e c y m ˙ R e c y m ˙ N G + K 1 m ˙ N G 2
Figure DE102020208540A1_0001
where K1, K2 indicate constants to be parameterized, ṁ Recy indicate a recirculation mass flow and ṁ NG indicate a fuel mass flow.

Alternativ kann eine Kraftstoffausnutzungsrate FU gemäß folgendem aus dem Stand der Technik bekannten physikalischen Modell ermittelt werden: F U = K 3 K 4 m ˙ N G m ˙ R e c y ( m ˙ N G + K 4 ) + K 3 m ˙ N G 2

Figure DE102020208540A1_0002
wobei K3, K4 zu parametrisierenden Konstanten entsprechen.Alternatively, a fuel economy rate FU can be determined according to the following physical model known from the prior art: f u = K 3 K 4 m ˙ N G m ˙ R e c y ( m ˙ N G + K 4 ) + K 3 m ˙ N G 2
Figure DE102020208540A1_0002
where K3, K4 correspond to constants to be parameterized.

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 RNN unit 24 corresponds to a class of neural networks that are particularly well suited for processing temporal signal sequences and in particular for predicting temporal profiles. the RNN unit 24 can be configured, for example, as a GRU unit (GRU: Gated Recurrent Unit) or as an LSTM cell (Long-Short-Term-Memory) or as a variant thereof.

Der durch die RNN-Einheit 24 bestimmte aktuelle Interner-Zustands-Vektor 1.. T ( i )

Figure DE102020208540A1_0003
wird in einem optionalen Korrekturblock 25 verarbeitet, um eine Systemzustandsgrößenkorrektur K bereitzustellen und diese in dem Summierblock 23 der in dem vorangehenden Auswertungszeitpunkt i-1 ermittelten physikalisch modellierten Systemzustandsgröße x' zu addieren. Die Systemzustandsgrößenkorrektur K entspricht für obige physikalische Modell einer Korrekturgröße für das Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis ϕ oder einer Kraftstoffausnutzungsrate FU.The current internal state vector determined by the RNN unit 24 1.. T ( i )
Figure DE102020208540A1_0003
is processed in an optional correction block 25 in order to provide a system state variable correction K and to add this in the summing block 23 to the physically modeled system state variable x′ determined in the preceding evaluation time i−1. For the above physical model, the system state variable correction K corresponds to a correction variable for the oxygen-carbon ratio φ or a fuel utilization rate FU.

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 correction block 25 may be a fixed function that maps the internal state vector h (i) to the system state quantity correction K . The correction block 25 can be designed in particular as a neural network, preferably as a separate feed-forward neural network that assigns the current internal state vector h(i+1) to the system state variable correction K. In particular, in the case of an LSTM as the RNN unit 24, the correction block 25 can correspond to an “output gate” of the LSTM.

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 RNN unit 24 can also be designed to provide the system state variable correction K in addition to the current internal state vector h(i+1) , so that the correction block 25 can be omitted.

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 function block 21 has been calculated, the current system state variable x(i+1) is available at the output of the summing block 23 and the internal state vector h(i+1) is available at the output of the RNN unit 24 for the evaluation time i+1. In the calculation at a next evaluation time i+2, these are assumed as operating state variables together with the measured variables y(i+2) of the next evaluation time i+2.

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 RNN unit 24 using known training methods, for example based on a backpropagation method. For this purpose, for a number k of predefined evaluation times Tk to T and a measured system state variable x (T) at an evaluation time T, an assumed or measured system state variable x (Tk) at an evaluation point in time Tk, the operating state variable vectors y ( Tk...T) are provided as training variables and a corresponding recursive training method is carried out in a manner known per se in order to train the trainable parameters of the RNN.

5 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer GRU- Einheit als Beispiel einer RNN-Einheit 24. In der GRU- Einheit wird folgende Funktion ausgeführt: z t = σ g ( W z y t + U z h t + b z )

Figure DE102020208540A1_0004
r t = σ g ( W r y t + U r h t 1 + b r )
Figure DE102020208540A1_0005
h t = ( 1 z t ) ° h t 1 + z t ° t a n h ( W h y t + U h ( r t ° h t 1 ) + b h )
Figure DE102020208540A1_0006
z ( i + 1 ) = σ g ( W z y ( i + 1 ) + U z h ( i 1 ) + b z )
Figure DE102020208540A1_0007
r ( i + 1 ) = σ g ( W r y ( i + 1 ) + U r h ( i ) + b r )
Figure DE102020208540A1_0008
h ( i + 1 ) = ( 1 z ( i + 1 ) ) ° h ( i ) + z ( i + 1 ) ° t a n h ( W n y ( i + 1 ) + U h ( r t ° h ( i ) ) + b h )
Figure DE102020208540A1_0009
Wobei ht dem Interner-Zustands-Vektor, yt dem Betriebszustandsgrößenvektor, W, U, b Parametermatrizen bzw. Parametervektoren der GRU- Einheit und σg einer Sigmoid-Funktion entsprechen. 5 shows an exemplary representation of a GRU unit as an example of an RNN unit 24. The following function is carried out in the GRU unit: e.g t = σ G ( W e.g y t + u e.g H t + b e.g )
Figure DE102020208540A1_0004
right t = σ G ( W right y t + u right H t 1 + b right )
Figure DE102020208540A1_0005
H t = ( 1 e.g t ) ° H t 1 + e.g t ° t a n H ( W H y t + u H ( right t ° H t 1 ) + b H )
Figure DE102020208540A1_0006
e.g ( i + 1 ) = σ G ( W e.g y ( i + 1 ) + u e.g H ( i 1 ) + b e.g )
Figure DE102020208540A1_0007
right ( i + 1 ) = σ G ( W right y ( i + 1 ) + u right H ( i ) + b right )
Figure DE102020208540A1_0008
H ( i + 1 ) = ( 1 e.g ( i + 1 ) ) ° H ( i ) + e.g ( i + 1 ) ° t a n H ( W n y ( i + 1 ) + u H ( right t ° H ( i ) ) + b H )
Figure DE102020208540A1_0009
Where h t corresponds to the internal state vector, y t to the operating state variable vector, W, U, b to parameter matrices or parameter vectors of the GRU unit and σ g to a sigmoid function.

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 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 beschrieben. The system state variable x(i+1) determined in the evaluation for the current evaluation time i+1 is used to operate the fuel cell system. In particular, based on the system state variable, limit values for manipulated variables are defined, such as in 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.

In 4 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens, das mit dem Steuergerät 10 ausgeführt wird, beschrieben.In 4 a flowchart to illustrate the method that is executed with the control device 10 is described.

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 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 beschrieben. Hierbei werden die über das Modell ermittelten Werte für das Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis ϕ oder der Kraftstoffausnutzungsrate FU als Grenzwerte verwendet, die für die Wahl eines Betriebspunkts des Brennstoffzellensystems nicht überschritten bzw. unterschritten werden dürfen.In step S3, the operation of the fuel cell system is carried out based on the determined current system state variable x(i). A possible mode of operation is off, for example 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 described. Here, the values for the oxygen-carbon ratio φ or the fuel utilization rate FU determined via the model are used as limit values which must not be exceeded or fallen below when selecting an operating point of the fuel cell system.

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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]

Claims (11)

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)).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, an internal state of the fuel cell system (1) indicates at a previous evaluation time (i) and from the determined operating state variables (y (i+1) ) at the current evaluation time (i+1); and - operation (S3) of the fuel cell system (1) depending on the currently determined system state variable (x (i+1) ). Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln (S3) der aktuellen Systemzustandsgröße (x(i+1)) weiterhin abhängig von einem Verlauf der Betriebszustandsgrößen über mehrere zurückliegende Auswertungszeitpunkte durchgeführt wird.procedure after claim 1 , wherein the determination (S3) of the current system state variable (x (i+1) ) is also carried out as a function of a progression of the operating state variables over a number of past evaluation times. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Betriebszustandsgrößen mindestens eine der folgenden Größen umfassen: einen generierten Ausgangsstrom, eine Temperatur einer Brennstoffzelleneinheit (2) des Brennstoffzellensystems (1), einen oder mehrere Volumenströme und eine Brennstoffzusammensetzung am Eingang des Brennstoffzellensystems (1) und eine oder mehrere Stellgrößen, insbesondere Ventilstellgrößen zur Steuerung von Durchflüssen, umfassen oder von diesen abhängen.procedure after claim 1 or 2 , wherein the operating state variables include at least one of the following variables: a generated output current, a temperature of a fuel cell unit (2) of the fuel cell system (1), one or more volume flows and a fuel composition at the inlet of the fuel cell system (1) and one or more manipulated variables, in particular valve manipulated variables for controlling flows, include or depend on them. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das trainierte rekurrente neuronale Netzwerk ausgebildet ist, um abhängig von dem Interner-Zustands-Vektor (h(i)) zu dem vorangehenden Auswertungszeitpunkt (i) und von den Betriebszustandsgrößen (y(i+1)) zu dem aktuellen Auswertungszeitpunkt (i+1) eine Systemzustandsgrößenkorrektur (K) zu bestimmen, mit der eine mit den Betriebszustandsgrößen (y(i+1)) mithilfe eines physikalischen Modells modellierte Systemzustandsgröße (x') zu dem aktuellen Auswertungszeitpunkt (i+1) beaufschlagt wird, um die aktuelle Systemzustandsgröße (x(i+1)) zu ermitteln.Method according to one of the preceding claims, wherein the trained recurrent neural network is designed to, depending on the internal state vector (h (i) ) at the preceding evaluation time (i) and on the operating state variables (y (i+1) ) to determine a system state variable correction (K) at the current evaluation time (i+1) with which a system state variable (x') modeled with the operating state variables (y (i+1) ) using a physical model at the current evaluation time (i+1) is applied to determine the current system state variable (x (i + 1) ). Verfahren nach Anspruch 4, wobei das trainierte rekurrente neuronale Netzwerk die mithilfe des physikalischen Modells modellierte Systemzustandsgröße (x') zu dem aktuellen Auswertungszeitpunkt (i+1) berücksichtigt, um die Systemzustandsgrößenkorrektur (K) zu bestimmen.procedure after claim 4 , the trained recurrent neural network taking into account the system state variable (x′) modeled using the physical model at the current evaluation time (i+1) in order to determine the system state variable correction (K). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das trainierte rekurrente neuronale Netzwerk eine GRU-Einheit (24) oder eine LSTM-Einheit aufweist.A method according to any one of the preceding claims, wherein the trained recurrent neural network comprises a GRU unit (24) or an LSTM unit. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Brennstoffzellensystem (1) abhängig von der Systemzustandsgröße betrieben wird, indem Stellgrößen auf einen durch die aktuelle Systemzustandsgröße (x(i+1)) bestimmten Wert begrenzt werden.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , wherein the fuel cell system (1) is operated as a function of the system state variable in that manipulated variables are limited to a value determined by the current system state variable (x(i+1)). Vorrichtung, insbesondere Steuereinheit, zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), wobei eine aktuelle Systemzustandsgröße (x(i+1)) in dem Brennstoffzellensystem (1) ermittelt wird, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um zyklisch folgende Schritte auszuführen: - 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)).Device, in particular control unit, for operating a fuel cell system (1), wherein a current system state variable (x (i+1) ) is determined in the fuel cell system (1), wherein the device is designed to cyclically carry out the following steps: - determining (S2 ) of 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, an internal state of the fuel cell system (1) indicates at a previous evaluation time (i) and from the determined operating state variables (y (i+1) ) at the current evaluation time (i+1); and - operation (S3) of the fuel cell system (1) depending on the currently determined system state variable (x (i+1) ). Brennstoffzellensystem (1), umfassend: - eine Brennstoffzelle (3); - eine Reformatoreinrichtung (12); - eine Abgasrückführung (15); - eine Sensorik zur Messung von Messgrößen als Teil von Betriebszustandsgrößen; und - eine Vorrichtung nach Anspruch 8.Fuel cell system (1), comprising: - a fuel cell (3); - a reformer device (12); - An exhaust gas recirculation (15); - A sensor system for measuring measured variables as part of operating state variables; and - a device after claim 8 . Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.Computer program which is set up to carry out all the steps of a method according to one of Claims 1 until 7 to execute. Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.Electronic storage medium on which a computer program claim 10 is saved.
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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)
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