DE102021215053A1 - Fluid treatment device, fuel cell system and method for controlling or regulating such a fluid treatment device - Google Patents

Fluid treatment device, fuel cell system and method for controlling or regulating such a fluid treatment device Download PDF

Info

Publication number
DE102021215053A1
DE102021215053A1 DE102021215053.5A DE102021215053A DE102021215053A1 DE 102021215053 A1 DE102021215053 A1 DE 102021215053A1 DE 102021215053 A DE102021215053 A DE 102021215053A DE 102021215053 A1 DE102021215053 A1 DE 102021215053A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fluid
branch
control
unit
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102021215053.5A
Other languages
German (de)
Inventor
Akos Pinter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102021215053.5A priority Critical patent/DE102021215053A1/en
Priority to PCT/EP2022/080224 priority patent/WO2023126092A1/en
Publication of DE102021215053A1 publication Critical patent/DE102021215053A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04708—Temperature of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/14—Fuel cells with fused electrolytes
    • H01M2008/147—Fuel cells with molten carbonates

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Fluidaufbereitungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, mit zumindest einem Leitungssystem zu einem Führen eines Prozessfluids des Brennstoffzellensystems, wobei das Leitungssystem zumindest eine Verzweigung (14) in einen Fluidhauptzweig (16) und zumindest einem Fluidnebenzweig (18) aufweist, mit zumindest einer stromaufwärts der Verzweigung (14) angeordneten Fluidfördereinheit (20) zu einem Fördern des Prozessfluids durch den Fluidhauptzweig (16) und den Fluidnebenzweig (18) und mit zumindest einer Steuer- und/oder Regeleinheit (22) zu einem Steuern oder Regeln zumindest eines Strömungsparameters des Prozessfluids in dem Fluidhauptzweig (16) und/oder eines weiteren Strömungsparameters des Prozessfluids in dem Fluidnebenzweig (18).
Es wird vorgeschlagen, dass die Fluidfördereinheit (20) ein Stellglied zum Steuern oder Regeln des Strömungsparameters und/oder des weiteren Strömungsparameters mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit (22) ist.

Figure DE102021215053A1_0000
The invention is based on a fluid processing device for a fuel cell system, with at least one line system for guiding a process fluid of the fuel cell system, wherein the line system has at least one branch (14) in a main fluid branch (16) and at least one secondary fluid branch (18), with at least one fluid delivery unit (20) arranged upstream of the branch (14) for delivering the process fluid through the main fluid branch (16) and the secondary fluid branch (18) and with at least one control and/or regulating unit (22) for controlling or regulating at least one flow parameter of the Process fluids in the main fluid branch (16) and/or a further flow parameter of the process fluid in the secondary fluid branch (18).
It is proposed that the fluid delivery unit (20) is an actuator for controlling or regulating the flow parameter and/or the further flow parameter by means of the control and/or regulation unit (22).
Figure DE102021215053A1_0000

Description

Stand der TechnikState of the art

Es ist bereits eine Fluidaufbereitungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen worden, mit zumindest einem Leitungssystem zu einem Führen eines Prozessfluids des Brennstoffzellensystems, wobei das Leitungssystem zumindest eine Verzweigung in einen Fluidhauptzweig und zumindest einem Fluidnebenzweig aufweist, mit zumindest einer stromaufwärts der Verzweigung angeordneten Fluidfördereinheit zu einem Fördern des Prozessfluids durch den Fluidhauptzweig und den Fluidnebenzweig und mit zumindest einer Steuer- und/oder Regeleinheit zu einem Steuern oder Regeln zumindest eines Strömungsparameters des Prozessfluids in dem Fluidhauptzweig und/oder eines weiteren Strömungsparameters des Prozessfluids in dem Fluidnebenzweig, vorgeschlagen worden.A fluid processing device for a fuel cell system has already been proposed, with at least one line system for conducting a process fluid of the fuel cell system, the line system having at least one branch into a main fluid branch and at least one secondary fluid branch, with at least one fluid delivery unit arranged upstream of the branch for conveying the process fluids through the main fluid branch and the secondary fluid branch and with at least one control and/or regulating unit for controlling or regulating at least one flow parameter of the process fluid in the main fluid branch and/or another flow parameter of the process fluid in the secondary fluid branch.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Die Erfindung geht aus von einer Fluidaufbereitungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, mit zumindest einem Leitungssystem zu einem Führen eines Prozessfluids des Brennstoffzellensystems, wobei das Leitungssystem zumindest eine Verzweigung in einen Fluidhauptzweig und zumindest einem Fluidnebenzweig aufweist, mit zumindest einer stromaufwärts der Verzweigung angeordneten Fluidfördereinheit zu einem Fördern des Prozessfluids durch den Fluidhauptzweig und den Fluidnebenzweig und mit zumindest einer Steuer- und/oder Regeleinheit zu einem Steuern oder Regeln zumindest eines Strömungsparameters des Prozessfluids in dem Fluidhauptzweig und/oder eines weiteren Strömungsparameters des Prozessfluids in dem Fluidnebenzweig.The invention is based on a fluid processing device for a fuel cell system, with at least one line system for conducting a process fluid of the fuel cell system, the line system having at least one branch into a main fluid branch and at least one secondary fluid branch, with at least one fluid delivery unit arranged upstream of the branch for conveying the Process fluids through the main fluid branch and the secondary fluid branch and with at least one control and/or regulating unit for controlling or regulating at least one flow parameter of the process fluid in the main fluid branch and/or another flow parameter of the process fluid in the secondary fluid branch.

Es wird vorgeschlagen, dass die Fluidfördereinheit ein Stellglied zum Steuern oder Regeln des Strömungsparameters und/oder des weiteren Strömungsparameters mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit ist. Die Fluidfördereinheit umfasst vorzugsweise einen Ventilator oder einen Verdichter, alternativ eine Pumpe, zu einem Fördern des Prozessfluids. Die Angaben „stromaufwärts“ und „stromabwärts“ beziehen sich insbesondere auf eine von der Fluidfördereinheit vorgegeben Strömungsrichtung des Prozessfluids innerhalb des Leitungssystems. Die Fluidaufbereitungsvorrichtung ist insbesondere dazu vorgesehen, das Prozessfluid aufzubereiten und einer Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellensystems zuzuführen. Das Prozessfluid ist insbesondere ein sauerstoffhaltiges Fluid, insbesondere Umgebungsluft oder ein Industriegas, und/oder ein Brennstoff, der insbesondere Wasserstoff und/oder zumindest einen Kohlenwasserstoff umfasst. Der Strömungsparameter und/oder der weitere Strömungsparameter korreliert insbesondere mit einer Förderleistung der Fördereinheit. Beispielsweise ist der Strömungsparameter als Volumenstrom, als Massenstrom, als Stoffmengenstrom, als Strömungsgeschwindigkeit oder dergleichen ausgebildet. Besonders bevorzugt umfasst die Fluidfördereinheit zumindest einen Sensor, um den Strömungsparameter und/oder den weiteren Strömungsparameter direkt, beispielsweise mittels eines Flusssensors, oder indirekt, beispielweise mittels eines Softwaresensors, zu erfassen. Insbesondere bilden zumindest die Fluidfördereinheit, der Sensor und die Steuer- und/oder Regeleinheit einen Regelkreis zu einem Einstellen des Strömungsparameters und/oder des weiteren Strömungsparameters. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Steuer- und/oder Regeleinheit ein detailliertes Modell des Brennstoffzellensystems, beispielsweise einen digitalen Zwilling, um den Strömungsparameter und/oder den weiteren Strömungsparameter mittels der Fluidfördereinheit zu steuern.It is proposed that the fluid delivery unit is an actuator for controlling or regulating the flow parameter and/or the further flow parameter by means of the control and/or regulation unit. The fluid delivery unit preferably includes a fan or a compressor, alternatively a pump, for delivering the process fluid. The statements “upstream” and “downstream” relate in particular to a flow direction of the process fluid within the line system specified by the fluid delivery unit. The fluid processing device is provided in particular for processing the process fluid and feeding it to a fuel cell unit of the fuel cell system. The process fluid is in particular an oxygen-containing fluid, in particular ambient air or an industrial gas, and/or a fuel, which in particular comprises hydrogen and/or at least one hydrocarbon. The flow parameter and/or the further flow parameter correlates in particular with a delivery capacity of the delivery unit. For example, the flow parameter is in the form of a volume flow, a mass flow, a mass flow, a flow rate or the like. The fluid delivery unit particularly preferably comprises at least one sensor in order to record the flow parameter and/or the further flow parameter directly, for example by means of a flow sensor, or indirectly, for example by means of a software sensor. In particular, at least the fluid delivery unit, the sensor and the control and/or regulation unit form a control circuit for setting the flow parameter and/or the further flow parameter. Alternatively or additionally, the control and/or regulation unit includes a detailed model of the fuel cell system, for example a digital twin, in order to control the flow parameter and/or the further flow parameter by means of the fluid delivery unit.

Vorzugsweise umfasst die Fluidaufbereitungsvorrichtung ein Ventilelement in dem Fluidnebenzweig oder dem Fluidhauptzweig, um den weiteren Strömungsparameter unabhängig von dem Strömungsparameter einstellen zu können. Optional umfasst die Fluidaufbereitungsvorrichtung in dem Fluidnebenzweig und dem Fluidhauptzweig je ein Ventilelement, wobei in zumindest einem aktiven Betriebszustand der Fluidaufbereitungsvorrichtung eines der Ventilelemente, vorzugsweise das Ventilelement in dem Fluidhauptzweig, von einer Steuerung oder Regelung des Strömungsparameters und des weiteren Strömungsparameters ausgeschlossen ist. Insbesondere weist das von der Steuerung oder Regelung des Strömungsparameters und des weiteren Strömungsparameters ausgeschlossen Ventilelement, zumindest während eines Steuerns oder Regelns des Strömungsparameters und/oder des weiteren Strömungsparameters mittels der Fluidfördereinheit, einen fixierten, insbesondere maximalen, Öffnungsgrad auf. Alternativ sind die Ventilelemente Teil des Steuerns oder Regelns des Strömungsparameters und/oder des weiteren Strömungsparameters, wobei insbesondere bei einem maximalen Öffnungsgrad eines der Ventilelemente die Fluidfördereinheit eine Anpassung des Strömungsparameters und/oder des weiteren Strömungsparameters anpasst.The fluid treatment device preferably comprises a valve element in the secondary fluid branch or the main fluid branch in order to be able to set the further flow parameter independently of the flow parameter. The fluid treatment device optionally comprises a valve element in each of the secondary fluid branch and the main fluid branch, with one of the valve elements, preferably the valve element in the main fluid branch, being excluded from controlling or regulating the flow parameter and the other flow parameter in at least one active operating state of the fluid treatment device. In particular, the valve element excluded from the control or regulation of the flow parameter and the further flow parameter has a fixed, in particular maximum, degree of opening, at least during control or regulation of the flow parameter and/or the further flow parameter by means of the fluid delivery unit. Alternatively, the valve elements are part of the control or regulation of the flow parameter and/or the further flow parameter, with the fluid delivery unit adapting the flow parameter and/or the further flow parameter particularly when one of the valve elements is opened to its maximum extent.

Die Fluidaufbereitungsvorrichtung ist insbesondere dazu vorgesehen, das Prozessfluid für ein Hochtemperaturbrennstoffzellensystem, insbesondere für ein Festoxidbrennstoffzellensystem oder ein Schmelzkarbonatbrennstoffzellensystem aufzubereiten. Der Fluidhauptzweig ist insbesondere dazu vorgesehen, die Brennstoffzelleneinheit mit dem Prozessfluid zu versorgen. Der Fluidnebenzweig ist insbesondere dazu vorgesehen, eine Temperatur des Prozessfluids zu regulieren. Insbesondere umfasst die Fluidaufbereitungsvorrichtung in dem Fluidnebenzweig zumindest ein Heizelement, insbesondere ein elektrisches Heizelement, zu einem Erhitzen des in dem Nebenzweig befindlichen Prozessfluids. Die Fluidaufbereitungsvorrichtung umfasst vorzugsweise zumindest einen Wärmeübertrager, zu einem Wärmeübertrag, insbesondere ohne Massenaustausch, von dem Fluidnebenzweig auf den Fluidhauptzweig. Alternativ umfasst das Leitungssystem zumindest eine Mündungsstelle, an welcher der Fluidnebenzweig zu einer Rückspeisung des durch das Heizelement erhitzten Prozessfluids in den Fluidhauptzweig mündet.The fluid processing device is provided in particular to process the process fluid for a high-temperature fuel cell system, in particular for a solid oxide fuel cell system or a molten carbonate fuel cell system. The main fluid branch is provided in particular to supply the fuel cell unit with the process fluid. The fluid side Branch is intended in particular to regulate a temperature of the process fluid. In particular, the fluid treatment device in the secondary fluid branch comprises at least one heating element, in particular an electrical heating element, for heating the process fluid located in the secondary branch. The fluid treatment device preferably comprises at least one heat exchanger for heat transfer, in particular without mass exchange, from the secondary fluid branch to the main fluid branch. Alternatively, the line system comprises at least one outlet point at which the secondary fluid branch opens into the main fluid branch for a return feed of the process fluid heated by the heating element.

Unter einer „Steuer- und/oder Regeleinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Die Steuer- oder Regeleinheit umfasst insbesondere eine Fluidfördervorsteuerung und/oder einen Fluidförderregler zu einem Einstellen der Fluidfördereinheit. Die Steuer- oder Regeleinheit umfasst insbesondere Ventilregler zu einem Einstellen eines Ventilelements, insbesondere des in dem Fluidnebenzweig angeordneten Ventilelements. Die Steuer- oder Regeleinheit umfasst insbesondere eine Heizvorsteuerung und/oder einen Heizregler, zu einem Einstellen des Heizelements. Der Fluidförderregler, der Ventilregler und/oder der Heizregler umfassen/umfasst vorzugsweise ein Proportionalglied (P), ein Integralglied (I) und/oder ein Differentialglied (D). Der Fluidförderregler, der Ventilregler und/oder der Heizregler können/kann insbesondere als PID-Regler, als PD-Regler, als PI-Regler oder dergleichen ausgebildet sein. Die Fluidfördervorsteuerung, der Fluidförderregler, der Ventilregler, die Heizvorsteuerung und/oder der Heizregler können insbesondere softwaretechnisch und/oder hardwaretechnisch implementiert sein.A “control and/or regulation unit” is to be understood in particular as a unit with at least one electronic control system. “Control electronics” is to be understood in particular as a unit with a processor unit and with a memory unit and with an operating program stored in the memory unit. The control or regulation unit includes in particular a fluid delivery pre-control and/or a fluid delivery regulator for adjusting the fluid delivery unit. The control or regulating unit comprises, in particular, valve regulators for setting a valve element, in particular the valve element arranged in the secondary fluid branch. The control or regulating unit comprises in particular a heating pre-control and/or a heating regulator for setting the heating element. The fluid delivery controller, the valve controller and/or the heating controller preferably include/comprises a proportional element (P), an integral element (I) and/or a differential element (D). The fluid delivery controller, the valve controller and/or the heating controller can/can be designed in particular as a PID controller, a PD controller, a PI controller or the like. The fluid delivery pre-control, the fluid delivery controller, the valve controller, the heating pre-control and/or the heating controller can be implemented in particular with software and/or hardware.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Druckabfall des Prozessfluids in dem Leitungssystem vorteilhaft niedrig gehalten werden. Insbesondere kann eine Temperaturerhöhung des Prozessfluids durch die Fluidfördereinheit vorteilhaft gering gehalten werden. Insbesondere kann eine elektrische Leistungsaufnahme und insbesondere eine damit verbundene Hitzeentwicklung der Fluidfördereinheit vorteilhaft gering gehalten werden. Insbesondere kann eine Temperatur innerhalb eines Gehäuses der Fluidaufbereitungsvorrichtung vorteilhaft gering gehalten werden. Ferner kann auf zumindest eines der Ventilelemente verzichtet werden, wodurch die Fluidaufbereitungsvorrichtung insbesondere vorteilhaft kompakt ausgestaltet werden kann.The configuration according to the invention allows a pressure drop in the process fluid in the line system to be kept low in an advantageous manner. In particular, an increase in the temperature of the process fluid due to the fluid delivery unit can advantageously be kept low. In particular, an electrical power consumption and in particular an associated development of heat by the fluid delivery unit can advantageously be kept low. In particular, a temperature within a housing of the fluid treatment device can advantageously be kept low. Furthermore, at least one of the valve elements can be dispensed with, as a result of which the fluid treatment device can be designed in a particularly advantageous manner in a compact manner.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit zumindest einen Nebenzweigregler umfasst, der dazu vorgesehen ist, als Stellgröße ein Strömungssollverhältnis der Strömungsparameter auszugeben. Insbesondere ist der Nebenzweigregler dazu vorgesehen, einen Sollwert des weiteren Strömungsparameters im Verhältnis zu einem Gesamtströmungsparameter des Prozessfluids stromaufwärts der Verzweigung zu ermitteln. Der Gesamtströmungsparameter ist insbesondere die Summe des Strömungsparameters und des weiteren Strömungsparameters. Insbesondere ist der Nebenzweigregler dazu vorgesehen, das Strömungssollverhältnis in Abhängigkeit von einer Eintrittstemperatur des Prozessfluids in die Brennstoffzelleneinheit zu ermitteln. Vorzugsweise umfasst die Fluidaufbereitungsvorrichtung zumindest einen Eingangstemperatursensor zu einer Erfassung einer Eintrittstemperatur des Prozessfluids in die Brennstoffzelleneinheit. Besonders bevorzugt ist der Nebenzweigregler dazu vorgesehen, das Strömungssollverhältnis in Abhängigkeit von einer Abweichung der mit dem Eingangstemperatursensor erfassten Eintrittstemperatur von einem Sollwert der Eintrittstemperatur zu ermitteln. Ein Signalausgang des Nebenzweigreglers ist vorzugsweise mit einem Signaleingang der Fluidfördervorsteuerung, mit einem Signaleingang des Fluidförderreglers, mit einem Signaleingang des Ventilreglers und/oder mit einem Signaleingang der Heizvorsteuerung datentechnisch verbunden. Vorzugsweise umfasst die Fluidaufbereitungsvorrichtung zumindest einen Flusssensor, um den Gesamtströmungsparameter zu erfassen oder um den Gesamtströmungsparameter aus erfassten Teilströmen zu ermitteln. Die Steuer- oder Regeleinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, das Strömungssollverhältnis mit dem erfassten Gesamtströmungsparameter zu beaufschlagen, um einen Sollwert für den weiteren Strömungsparameter zu ermitteln. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Steuer- oder Regeleinheit vorteilhaft einfach gehalten werden. Insbesondere kann eine gegenseitige Abhängigkeit des Strömungsparameters und des weiteren Strömungsparameters vorteilhaft gering gehalten werden.It is also proposed that the open-loop and/or closed-loop control unit includes at least one secondary branch controller, which is provided to output a flow setpoint ratio of the flow parameters as a manipulated variable. In particular, the secondary branch controller is provided for determining a setpoint value of the further flow parameter in relation to an overall flow parameter of the process fluid upstream of the branch. The overall flow parameter is in particular the sum of the flow parameter and the further flow parameter. In particular, the secondary branch controller is provided to determine the flow setpoint ratio as a function of an inlet temperature of the process fluid into the fuel cell unit. The fluid treatment device preferably comprises at least one inlet temperature sensor for detecting an inlet temperature of the process fluid into the fuel cell unit. The auxiliary branch controller is particularly preferably provided for determining the flow target ratio as a function of a deviation of the inlet temperature detected by the inlet temperature sensor from a setpoint of the inlet temperature. A signal output of the secondary branch controller is preferably connected in terms of data technology to a signal input of the fluid delivery pilot control, to a signal input of the fluid delivery controller, to a signal input of the valve controller and/or to a signal input of the heating pilot control. The fluid treatment device preferably comprises at least one flow sensor in order to detect the total flow parameter or to determine the total flow parameter from detected partial flows. The open-loop or closed-loop control unit is provided, in particular, to apply the recorded overall flow parameter to the flow setpoint ratio in order to determine a setpoint for the further flow parameter. The control or regulating unit can advantageously be kept simple as a result of the configuration according to the invention. In particular, a mutual dependency of the flow parameter and the further flow parameter can advantageously be kept low.

Weiter wird vorgeschlagen, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit zumindest einen Speicher umfasst, in welchem zu einem Vorsteuern der Fluidfördereinheit zumindest ein Kennfeld der Fluidfördereinheit hinterlegt ist. Das Kennfeld wird insbesondere von einem Hersteller der Fluidfördereinheit ermittelt und in dem Speicher hinterlegt. Das Kennfeld gibt vorzugsweise eine Drehzahl der Fluidfördereinheit in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz des Prozessfluids über der Fluidfördereinheit und dem Gesamtströmungsparameter an. Vorzugsweise umfasst die Fluidaufbereitungsvorrichtung zumindest einen Drucksensor, insbesondere zwei unabhängige Drucksensoren, alternativ ein Differentialdrucksensor, zu einer Erfassung der Druckdifferenz des Prozessfluids über der Fluidfördereinheit. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Startpunkt zu einem Einstellen der Drehzahl der Fluidfördereinheit durch den Fluidförderregler vorteilhaft präzise und mit vorteilhaft wenig Rechenaufwand bestimmt werden.It is also proposed that the control and/or regulation unit comprises at least one memory in which at least one characteristic map of the fluid delivery unit is stored for pilot control of the fluid delivery unit. The characteristic map is determined in particular by a manufacturer of the fluid delivery unit and stored in the memory. The characteristic map preferably gives a rotational speed of the fluid delivery unit as a function of a pressure difference between the process fluid and the fluid delivery unit overall flow parameters. The fluid processing device preferably comprises at least one pressure sensor, in particular two independent pressure sensors, alternatively a differential pressure sensor, for detecting the pressure difference of the process fluid across the fluid delivery unit. Due to the configuration according to the invention, a starting point for setting the rotational speed of the fluid delivery unit can advantageously be determined precisely and with advantageously little computing effort by the fluid delivery controller.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass eine Vorsteuerung der Steuer- und/oder Regeleinheit für die Fluidfördereinheit, insbesondere die bereits genannte Fluidfördervorsteuerung, zumindest einen Tiefpass umfasst. Der Tiefpass ist insbesondere dazu vorgesehen, eine Geschwindigkeit einer zeitlichen Veränderung eines Einstellens der Drehzahl der Fluidfördereinheit zu begrenzen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Schwingungsverhalten des die Fluidfördervorsteuerung verwendeten Regelkreises vorteilhaft stark gedämpft werden.Furthermore, it is proposed that a pilot control of the control and/or regulation unit for the fluid delivery unit, in particular the aforementioned fluid delivery pilot control, includes at least one low-pass filter. The low-pass filter is provided in particular to limit a speed of a change over time of an adjustment of the rotational speed of the fluid delivery unit. As a result of the configuration according to the invention, an oscillation behavior of the control circuit used for the fluid delivery pilot control can advantageously be greatly damped.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Fluidaufbereitungsvorrichtung zumindest ein, insbesondere das bereits genannte, in dem Fluidnebenzweig angeordnetes Heizelement umfasst, wobei die Steuer- und/oder Regeleinheit zumindest einen, insbesondere den bereits genannten, Heizregler und eine, insbesondere die bereits genannte, Heizvorsteuerung zu einem Einstellen des Heizelements umfasst. Vorzugsweise umfasst die Fluidaufbereitungsvorrichtung zumindest einen Temperatursensor, der insbesondere stromaufwärts der Verzweigung und stromabwärts der Fluidfördereinheit angeordnet ist, um eine Fördertemperatur des Prozessfluids zu erfassen. Vorzugsweise ist der Heizregler dazu vorgesehen, in Abhängigkeit von der Fördertemperatur, einem Temperatur-Sollwert des Prozessfluids in dem Fluidnebenzweig stromabwärts des Heizelements und einem Sollwert oder Istwert des weiteren Strömungsparameters eine Heizsollleistung des Heizelements zu ermitteln. Vorzugsweise umfasst die Fluidaufbereitungsvorrichtung zumindest einen Nebenzweigtemperatursensor, der in dem Fluidnebenzweig stromabwärts des Heizelements angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Heizregler dazu vorgesehen, die Heizsollleistung des Heizelements in Abhängigkeit von dem Temperatur-Sollwert des Prozessfluids in dem Fluidnebenzweig stromabwärts des Heizelements und einer mit dem Nebenzweigtemperatursensor erfassten Temperatur anzupassen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Temperatur des Prozessfluids in dem Fluidnebenzweig vorteilhaft schnell temperiert werden. Insbesondere kann ein Finden eines stabilen Betriebspunkts bei einer extern vorgegebenen Änderung des weiteren Strömungsparameters vorteilhaft schnell gefunden werden.Furthermore, it is proposed that the fluid treatment device comprises at least one, in particular the already mentioned, heating element arranged in the secondary fluid branch, wherein the control and/or regulating unit combines at least one, in particular the already mentioned, heating regulator and one, in particular the already mentioned, heating pilot control into one Adjusting the heating element includes. The fluid treatment device preferably comprises at least one temperature sensor, which is arranged in particular upstream of the branch and downstream of the fluid delivery unit, in order to detect a delivery temperature of the process fluid. The heating controller is preferably provided to determine a heating setpoint power of the heating element as a function of the conveying temperature, a temperature setpoint of the process fluid in the secondary fluid branch downstream of the heating element and a setpoint or actual value of the further flow parameter. The fluid treatment device preferably comprises at least one auxiliary branch temperature sensor which is arranged in the auxiliary fluid branch downstream of the heating element. The heating controller is preferably provided to adjust the heating setpoint power of the heating element as a function of the temperature setpoint of the process fluid in the secondary fluid branch downstream of the heating element and a temperature detected by the secondary branch temperature sensor. Due to the configuration according to the invention, a temperature of the process fluid in the secondary fluid branch can advantageously be tempered quickly. In particular, a stable operating point can advantageously be found quickly in the event of an externally specified change in the further flow parameter.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Heizvorsteuerung zumindest einen Speicher umfasst, in welchem ein Kalorimetrieparameter des Prozessfluids hinterlegt ist, um eine, insbesondere die bereits genannte, Heizsollleistung des Heizelements abzuschätzen. Insbesondere ermittelt die Heizvorsteuerung eine zum Erhitzen des in dem Fluidnebenzweig befindlichen Prozessfluids voraussichtlich notwendige Wärmemenge mittels des Kalorimetrieparameters. In einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung ist in dem Speicher der Heizvorsteuerung insbesondere eine Rechenanweisung hinterlegt, welche einen stationären Zustand des Fluidnebenzweigs beschreibt. Insbesondere ist der Kalorimetrieparameter eine Wärmekapazität, insbesondere die spezifische Wärmekapazität, des Prozessfluids. In einer vorteilhaft präzisen Ausgestaltung berücksichtig die Heizvorsteuerung beispielsweise zusätzlich eine Wärmekapazität von Leitungswänden des Fluidnebenzweigs, eine Wärmekapazität des in dem Nebenfluidzweig angeordneten Ventilelements, eine Wärmekapazität von Sensoren in den Nebenfluidzweig, Wärmeverluste an die Umgebung, eine zeitliche Entwicklung oder dergleichen. Unter „schätzen“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere anhand eines, insbesondere vorgegebenen, mathematischen Modells berechnen verstanden werden, wobei das mathematische Modell insbesondere einen einem tatsächlichen Wert angenäherten Wert einer zu schätzenden Größe liefert. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann das Heizelement vorteilhaft präzise eingestellt werden.Furthermore, it is proposed that the heating pre-control comprises at least one memory in which a calorimetry parameter of the process fluid is stored in order to estimate a desired heating power of the heating element, in particular the already mentioned heating power. In particular, the heating pilot control uses the calorimetry parameter to determine a quantity of heat that is likely to be necessary for heating the process fluid located in the secondary fluid branch. In an advantageously simple configuration, in particular a calculation instruction is stored in the memory of the heating pilot control, which describes a stationary state of the secondary fluid branch. In particular, the calorimetry parameter is a heat capacity, in particular the specific heat capacity, of the process fluid. In an advantageously precise embodiment, the heating pilot control also takes into account, for example, a thermal capacity of line walls of the secondary fluid branch, a thermal capacity of the valve element arranged in the secondary fluid branch, a thermal capacity of sensors in the secondary fluid branch, heat losses to the environment, a development over time or the like. In this context, “estimate” is to be understood to mean calculating in particular using a mathematical model, in particular a predetermined one, with the mathematical model providing in particular a value of a variable to be estimated which is close to an actual value. Due to the configuration according to the invention, the heating element can advantageously be set precisely.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Fluidaufbereitungsvorrichtung zumindest ein, insbesondere das bereits genannte, in dem Fluidnebenzweig angeordnetes Ventilelement zu einem Einstellen des weiteren Strömungsparameters des in dem Fluidnebenzweig befindlichen Prozessfluids umfasst, wobei die Steuer- und/oder Regeleinheit zumindest einen, insbesondere den bereits genannten, Ventilregler zu einem Einstellen des Ventilelements in Abhängigkeit von einer effektiven Durchflussfläche des Ventilelements umfasst. Die effektive Durchflussfläche ist insbesondere gleich oder, insbesondere aufgrund eines Strömungsverhaltens des Prozessfluids, kleiner als eine bei einem gegebenen Öffnungsgrad des Ventilelements durch die Bauteile des Ventilelemente definierte minimale Durchflussfläche. Vorzugsweise ermittelt der Ventilregler die minimale Durchflussfläche als Stellgröße, um den weiteren Strömungsparameter einzustellen. Vorzugsweise ist in einem Speicher des Ventilreglers oder in einer Komponentensteuerung des Ventilelements eine Kalibrierungskurve hinterlegt, anhand derer der Öffnungsgrad und/oder eine absolute Position des Ventilelements in Abhängigkeit von der einzustellenden effektiven Durchflussfläche ermittelt wird. Vorzugsweise umfasst der Ventilregler eine Ventilvorsteuerung. Die Ventilvorsteuerung ermittelt die einzustellende effektive Durchflussfläche vorzugsweise anhand eines Modells des Ventilelements, insbesondere In Abhängigkeit von einem Verhältnis eines Eingangsdrucks und eines Ausgangsdrucks und/oder einer Temperaturänderung des Prozessfluids bei einem Durchströmen des Ventilelements. Alternativ ermittelt der Ventilregler den Öffnungsgrad unmittelbar als Stellgröße, um den weiteren Strömungsparameter einzustellen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann das Ventilelement vorteilhaft präzise eingestellt werden. Insbesondere kann aufgrund einer linearen Beziehung zwischen dem Strömungsparameter und der effektiven Durchflussfläche eine vorteilhaft stabile Regelung oder eine vorteilhafte genaue Steuerung des Ventilelements erreicht werden.Furthermore, it is proposed that the fluid treatment device comprises at least one valve element, in particular the valve element already mentioned, arranged in the secondary fluid branch for setting the further flow parameter of the process fluid located in the secondary fluid branch, with the control and/or regulating unit having at least one valve element, in particular the valve element already mentioned , valve controller for adjusting the valve element depending on an effective flow area of the valve element. The effective flow area is in particular equal to or, in particular due to a flow behavior of the process fluid, smaller than a minimum flow area defined by the components of the valve element for a given degree of opening of the valve element. The valve controller preferably determines the minimum flow area as a manipulated variable in order to set the further flow parameter. A calibration curve is preferably stored in a memory of the valve controller or in a component control of the valve element, on the basis of which the degree of opening and/or an absolute position of the valve element as a function of flow rate is determined from the effective flow area to be set. The valve controller preferably includes a valve pilot control. The valve pilot control preferably determines the effective flow area to be set using a model of the valve element, in particular depending on a ratio of an inlet pressure and an outlet pressure and/or a temperature change of the process fluid when flowing through the valve element. Alternatively, the valve controller determines the degree of opening directly as a manipulated variable in order to set the further flow parameter. The valve element can advantageously be adjusted precisely as a result of the design according to the invention. In particular, due to a linear relationship between the flow parameter and the effective flow area, an advantageously stable regulation or an advantageously precise control of the valve element can be achieved.

Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer, insbesondere der bereits genannten, Brennstoffzelleneinheit und mit zumindest einer erfindungsgemäßen Fluidaufbereitungsvorrichtung vorgeschlagen. Die Brennstoffzelleneinheit umfasst insbesondere zumindest eine Brennstoffzelle, vorzugsweise zumindest einen Stack von Brennstoffzellen. Die zumindest eine Brennstoffzelle ist vorzugsweise als Hochtemperaturbrennstoffzelle, insbesondere als Festoxidbrennstoffzelle oder Schmelzkarbonatbrennstoffzelle ausgebildet. Alternativ ist die zumindest eine Brennstoffzelle als Phosphorsäurebrennstoffzelle, als Polymerelektrolytbrennstoffzelle, als alkalische Brennstoffzelle oder dergleichen ausgebildet. Vorzugsweise sind bei einer Ausgestaltung mit mehreren Brennstoffzellen und/oder mit mehreren Stacks von Brennstoffzellen, diese fluidtechnisch parallel an der Fluidaufbereitungsvorrichtung angeschlossen. Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit zumindest einen Prozessfluidverteiler zu einem, insbesondere gleichmäßigem, Verteilen des von der Fluidaufbereitungsvorrichtung bereitgestellten Prozessfluids auf die einzelnen Brennstoffzellen und/oder Brennstoffzellenstacks. Die Brennstoffzelleneinheit ist zu einer elektrischen Energieerzeugung insbesondere dazu vorgesehen, ein sauerstoffhaltiges Fluid als Prozessfluid und einen Brennstoff als weiteres Prozessfluid zu einem Abgas als zusätzliches Prozessfluid umzusetzen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft energieeffizientes Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt werden.In addition, a fuel cell system is proposed with at least one fuel cell unit, in particular the fuel cell unit already mentioned, and with at least one fluid treatment device according to the invention. In particular, the fuel cell unit comprises at least one fuel cell, preferably at least one stack of fuel cells. The at least one fuel cell is preferably designed as a high-temperature fuel cell, in particular as a solid oxide fuel cell or molten carbonate fuel cell. Alternatively, the at least one fuel cell is designed as a phosphoric acid fuel cell, as a polymer electrolyte fuel cell, as an alkaline fuel cell or the like. In an embodiment with a plurality of fuel cells and/or with a plurality of stacks of fuel cells, these are preferably connected in parallel to the fluid processing device in terms of fluid technology. In particular, the fuel cell unit comprises at least one process fluid distributor for distributing, in particular uniformly, the process fluid provided by the fluid treatment device to the individual fuel cells and/or fuel cell stacks. The fuel cell unit is intended to generate electrical energy, in particular to convert an oxygen-containing fluid as the process fluid and a fuel as a further process fluid to form an exhaust gas as an additional process fluid. An advantageously energy-efficient fuel cell system can be made available as a result of the configuration according to the invention.

Weiter wird ein Verfahren zum Steuern oder Regeln einer erfindungsgemäßen Fluidaufbereitungsvorrichtung eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt die Steuer- und/oder Regeleinheit der Fluidfördereinheit ein Steuersignal übermittelt, um den Fluidparameter des Prozessfluids anzupassen. Die Steuer- und/oder Regeleinheit ist insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet, um das Verfahren auszuführen. Insbesondere übermittelt die Steuer- oder Regeleinheit Steuersignale an die Fluidfördereinheit, das Ventilelement in dem Nebenfluidzweig und/oder das Heizelement. Vorzugsweise übermittelt die Steuer- oder Regeleinheit Sollwerte, welche von einer internen Steuerung oder Regelung der Fluidfördereinheit, des Ventilelements oder dem Heizelement umgesetzt werden. Insbesondere ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit eine Solldrehzahl der Fluidfördereinheit mittels des Fluidfördervorsteuerung und dem Fluidförderregler in Abhängigkeit von dem Strömungsparameter, dem weiteren Strömungsparameter, einer Druckdifferenz über der Fluidfördereinheit, einer, insbesondere vorgegebenen, Luftnutzung durch die Brennstoffzelleneinheit, einer Abgastemperatur des Abgases der Brennstoffzelleneinheit und/oder weitere, dem Fachmann sinnvoll erscheinender Parameter des Brennstoffzellensystems. Insbesondere ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit mittels der Heizvorsteuerung und/oder dem Heizregler die Heizsollleitung des Heizelements in Abhängigkeit von dem weiteren Strömungsparameter, dem Gesamtströmungsparameter, der Eintrittstemperatur des Prozessfluids und/oder weitere, dem Fachmann sinnvoll erscheinender Parameter des Brennstoffzellensystems. Die Steuer- oder Regeleinheit ermittelt insbesondere mittels des Ventilreglers einen Sollwert der effektiven Durchflussfläche und/oder einen Sollwert des Öffnungsgrads des Ventilelements in Abhängigkeit von dem weiteren Strömungsparameter, dem Gesamtströmungsparameter, der Eintrittstemperatur des Prozessfluids, einer Temperatur des Prozessfluids in dem Fluidnebenzweig und/oder weitere, dem Fachmann sinnvoll erscheinender Parameter des Brennstoffzellensystems. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Fluidaufbereitungsvorrichtung vorteilhaft energieeffizient gesteuert oder geregelt werden. Insbesondere kann ein Erzeugen von Verlustwärme durch die Fluidfördereinheit vorteilhaft gering gehalten werden.A method for controlling or regulating a fluid processing device according to the invention of a fuel cell system is also proposed, wherein in at least one method step the control and/or regulating unit transmits a control signal to the fluid delivery unit in order to adjust the fluid parameter of the process fluid. The control and/or regulation unit is in particular specially programmed, designed and/or equipped to carry out the method. In particular, the control or regulating unit transmits control signals to the fluid delivery unit, the valve element in the secondary fluid branch and/or the heating element. The control or regulation unit preferably transmits target values, which are converted by an internal control or regulation of the fluid delivery unit, the valve element or the heating element. In particular, the control or regulating unit determines a setpoint speed of the fluid delivery unit by means of the fluid delivery pilot control and the fluid delivery controller as a function of the flow parameter, the other flow parameter, a pressure difference across the fluid delivery unit, an in particular predetermined air usage by the fuel cell unit, an exhaust gas temperature of the exhaust gas of the fuel cell unit and /or other parameters of the fuel cell system that appear reasonable to those skilled in the art. In particular, the control or regulating unit uses the heating pre-control and/or the heating regulator to determine the desired heating power of the heating element as a function of the additional flow parameter, the overall flow parameter, the inlet temperature of the process fluid and/or other parameters of the fuel cell system that appear reasonable to those skilled in the art. The control or regulating unit uses the valve controller in particular to determine a target value for the effective flow area and/or a target value for the degree of opening of the valve element as a function of the additional flow parameter, the overall flow parameter, the inlet temperature of the process fluid, a temperature of the process fluid in the secondary fluid branch and/or others , a parameter of the fuel cell system that appears reasonable to those skilled in the art. Due to the configuration according to the invention, the fluid treatment device can advantageously be controlled or regulated in an energy-efficient manner. In particular, generation of heat loss by the fluid delivery unit can advantageously be kept low.

Die erfindungsgemäße Fluidaufbereitungsvorrichtung, das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem und/oder das erfindungsgemäße Verfahren sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann die erfindungsgemäße Fluidaufbereitungsvorrichtung, das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem und/oder das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.The fluid treatment device according to the invention, the heat pump system according to the invention and/or the method according to the invention should/should not be limited to the application and embodiment described above. In particular, the fluid treatment device according to the invention, the heat pump system according to the invention and/or the method according to the invention can have a number of individual elements, components and units as well as method steps that differs from the number specified here to fulfill a function described herein. In addition, in the ranges of values given in this disclosure Values within the stated limits are also deemed to be disclosed and can be used as desired.

Figurenlistecharacter list

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages result from the following description of the drawing. In the drawings an embodiment of the invention is shown. The drawings, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into further meaningful combinations.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Fluidaufbereitungsvorrichtung,
  • 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Fluidaufbereitungsvorrichtung mit einem schematischen Informationsflussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 3 ein schematisches Informationsflussdiagramm einer Fluidfördervorsteuerung der erfindungsgemäßen Fluidaufbereitungsvorrichtung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • 4 ein schematisches Informationsflussdiagramm einer Heizvorsteuerung der erfindungsgemäßen Fluidaufbereitungsvorrichtung im Rahme des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell system according to the invention with a fluid processing device according to the invention,
  • 2 a schematic representation of the fluid treatment device according to the invention with a schematic information flow diagram of a method according to the invention,
  • 3 a schematic information flow diagram of a fluid delivery pilot control of the fluid treatment device according to the invention within the scope of the method according to the invention and
  • 4 a schematic information flow diagram of a heating pre-control of the fluid treatment device according to the invention as part of the method according to the invention.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 12. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 48, 50, hier beispielhaft zwei Brennstoffzelleneinheiten 48, 50. Die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 48, 50 umfasst vorzugsweise einen Stack von Brennstoffzellen, insbesondere von Festoxidbrennstoffzellen. Die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 48, 50 umfasst insbesondere zumindest eine Sauerstoffelektrode 54 zu einem direkten Kontakt mit einem sauerstoffhaltigen Fluid und zumindest eine Brennstoffelektrode 56 zu einem direkten Kontakt mit einem Brennstoff. Das sauerstoffhaltige Fluid ist insbesondere Luft und/oder ein Industriegas. Der Brennstoff umfasst insbesondere Wasserstoff und/oder zumindest ein Kohlenwasserstoff. 1 shows a fuel cell system 12. The fuel cell system 12 includes at least one fuel cell unit 48, 50, here by way of example two fuel cell units 48, 50. The at least one fuel cell unit 48, 50 preferably includes a stack of fuel cells, in particular solid oxide fuel cells. The at least one fuel cell unit 48, 50 includes in particular at least one oxygen electrode 54 for direct contact with an oxygen-containing fluid and at least one fuel electrode 56 for direct contact with a fuel. The oxygen-containing fluid is in particular air and/or an industrial gas. The fuel includes in particular hydrogen and/or at least one hydrocarbon.

Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Fluidaufbereitungsvorrichtung 10. Die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 ist insbesondere zu einer Aufbereitung von zumindest einem Prozessfluid des Brennstoffzellensystems 12 vorgesehen. Das Prozessfluid ist insbesondere das sauerstoffhaltige Fluid, der Brennstoff und/oder ein aus der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 48, 50 austretendes Abgas. Die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 umfasst zumindest ein Leitungssystem zu einem Führen des zumindest einen Prozessfluids des Brennstoffzellensystems 12. Das Leitungssystem umfasst insbesondere eine Sauerstoffleitungsabschnitt zu einem Führen des sauerstoffhaltigen Fluid. Das Leitungssystem umfasst insbesondere einen Brennstoffleitungsabschnitt zu einem Führen des Brennstoffs. Das Leitungssystem umfasst insbesondere einen Abgasleitungsabschnitt zu einem Führen des Abgases. Der Sauerstoffleitungsabschnitt ist vorzugsweise fluidtechnisch an einem Eingang der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 48, 50 zu der Sauerstoffelektrode 54 angeschlossen. Der Brennstoffleitungsabschnitt ist vorzugsweise fluidtechnisch an einem Eingang der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 48, 50 zu der Brennstoffelektrode 56 angeschlossen. Der Abgasleitungsabschnitt ist vorzugsweise fluidtechnisch an einem Ausgang der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 48, 50 von der Brennstoffelektrode 56 und an einem Ausgang der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 48, 50 von der Sauerstoffelektrode 54 angeschlossen.The fuel cell system 12 includes at least one fluid processing device 10. The fluid processing device 10 is provided in particular for processing at least one process fluid of the fuel cell system 12. The process fluid is in particular the oxygen-containing fluid, the fuel and/or an exhaust gas exiting from the at least one fuel cell unit 48, 50. The fluid processing device 10 includes at least one line system for guiding the at least one process fluid of the fuel cell system 12. The line system includes in particular an oxygen line section for guiding the oxygen-containing fluid. The line system includes in particular a fuel line section for guiding the fuel. In particular, the line system includes an exhaust gas line section for guiding the exhaust gas. The oxygen line section is preferably fluidically connected to an input of the at least one fuel cell unit 48, 50 to the oxygen electrode 54. The fuel line section is preferably fluidically connected to an input of the at least one fuel cell unit 48, 50 to the fuel electrode 56. The exhaust gas line section is preferably fluidically connected to an outlet of the at least one fuel cell unit 48, 50 from the fuel electrode 56 and to an outlet of the at least one fuel cell unit 48, 50 from the oxygen electrode 54.

Die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 umfasst vorzugsweise einen Reformer 58, der in dem Brennstoffleitungsabschnitt angeordnet ist. Die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 umfasst vorzugsweise einen Nachbrenner 60, der in dem Abgasleitungsabschnitt angeordnet ist. Die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 umfasst vorzugsweise zumindest einen Wärmeübertrager 62, zu einer Wärmeübertragung von dem Abgasleitungsabschnitt auf den Sauerstoffleitungsabschnitt. Der Wärmeübertrager 62 ist in dem Abgasleitungsabschnitt vorzugsweise stromabwärts des Nachbrenners 60 angeordnet. Die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 umfasst vorzugsweise einen weiteren Wärmeübertrager 64, zu einer Wärmeübertragung von dem Abgasleitungsabschnitt auf den Brennstoffleitungsabschnitt. Der weitere Wärmeübertrager 64 ist in dem Abgasleitungsabschnitt vorzugsweise stromabwärts des Nachbrenners 60 und insbesondere stromaufwärts des Wärmeübertragers 62 angeordnet. Der weitere Wärmeübertrager 64 ist in dem Brennstoffleitungsabschnitt vorzugsweise stromaufwärts des Reformers 58 angeordnet.The fluid processing device 10 preferably includes a reformer 58 which is arranged in the fuel line section. The fluid treatment device 10 preferably comprises an afterburner 60 which is arranged in the exhaust pipe section. The fluid processing device 10 preferably comprises at least one heat exchanger 62 for heat transfer from the exhaust gas line section to the oxygen line section. The heat exchanger 62 is preferably arranged downstream of the afterburner 60 in the exhaust pipe section. The fluid processing device 10 preferably includes a further heat exchanger 64 for heat transfer from the exhaust gas line section to the fuel line section. The further heat exchanger 64 is preferably arranged downstream of the afterburner 60 and in particular upstream of the heat exchanger 62 in the exhaust pipe section. The further heat exchanger 64 is preferably arranged upstream of the reformer 58 in the fuel line section.

Der Sauerstoffleitungsabschnitt weist zumindest eine Verzweigung 14 in einen Fluidhauptzweig 16 und zumindest einem Fluidnebenzweig 18 auf. Der Fluidhauptzweig 16 ist fluidtechnisch insbesondere an dem Eingang der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 48, 50 zu der Sauerstoffelektrode 54 angeschlossen. Insbesondere ist der Wärmeübertrager 62 in dem Fluidhauptzweig 16 angeordnet. Der Fluidnebenzweig 18 mündet vorzugsweise in den Abgasleitungsabschnitt, insbesondere stromaufwärts des weiteren Wärmeübertragers 64 und insbesondere stromabwärts des Nachbrenners 60. Alternativ mündet der Fluidnebenzweig 18 in den Fluidhauptzweig 16, insbesondere stromabwärts des Wärmeübertragers 62. Die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 umfasst zumindest eine stromaufwärts der Verzweigung 14 angeordnete Fluidfördereinheit 20 zu einem Fördern des sauerstoffhaltigen Fluids durch den Fluidhauptzweig 16 und den Fluidnebenzweig 18.The oxygen line section has at least one branch 14 into a main fluid branch 16 and at least one secondary fluid branch 18 . The main fluid branch 16 is fluidically connected in particular to the inlet of the at least one fuel cell unit 48, 50 to the oxygen electrode 54. In particular, the heat exchanger 62 is arranged in the main fluid branch 16 not. The secondary fluid branch 18 preferably opens into the exhaust pipe section, in particular upstream of the further heat exchanger 64 and in particular downstream of the afterburner 60. Alternatively, the secondary fluid branch 18 opens into the main fluid branch 16, in particular downstream of the heat exchanger 62. The fluid treatment device 10 comprises at least one fluid delivery unit arranged upstream of the branch 14 20 to convey the oxygen-containing fluid through the main fluid branch 16 and the secondary fluid branch 18.

Die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 umfasst zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit 22 zu einem Steuern oder Regeln zumindest eines Strömungsparameters des Prozessfluids in dem Fluidhauptzweig 16 und/oder eines weiteren Strömungsparameters des Prozessfluids in dem Fluidnebenzweig 18. Die Fluidfördereinheit 20 ist ein Stellglied zum Steuern oder Regeln des Strömungsparameters mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit 22. Optional umfasst die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 in dem Fluidhauptzweig 16 ein Hauptzweigventilelement 88. Die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 umfasst zumindest ein in dem Fluidnebenzweig 18 angeordnetes Ventilelement 44 zu einem Einstellen des weiteren Strömungsparameters. Die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 umfasst zumindest ein in dem Fluidnebenzweig 18 angeordnetes Heizelement 34. Das Heizelement 34 ist vorzugsweise stromabwärts des Ventilelements 44 angeordnet.The fluid processing device 10 comprises at least one control and/or regulating unit 22 for controlling or regulating at least one flow parameter of the process fluid in the main fluid branch 16 and/or a further flow parameter of the process fluid in the secondary fluid branch 18. The fluid delivery unit 20 is an actuator for controlling or regulating of the flow parameter by means of the control and/or regulating unit 22. Optionally, the fluid treatment device 10 comprises a main branch valve element 88 in the main fluid branch 16. The fluid treatment device 10 comprises at least one valve element 44 arranged in the secondary fluid branch 18 for setting the further flow parameter. The fluid treatment device 10 comprises at least one heating element 34 arranged in the secondary fluid branch 18 . The heating element 34 is preferably arranged downstream of the valve element 44 .

Die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 umfasst vorzugsweise einen Drucksensor 66, der in dem Leitungssystem stromaufwärts der Fluidfördereinheit 20 angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 einen weiteren Drucksensor 68, der in dem Leitungssystem stromabwärts der Fluidfördereinheit 20 und stromaufwärts der Verzweigung 14 angeordnet ist. Die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 umfasst vorzugsweise zumindest einen Flusssensor 70, der vorzugsweise der in dem Leitungssystem stromaufwärts der Fluidfördereinheit 20 angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 zumindest einen weiteren Flusssensor 72, der bevorzugt in dem Fluidhauptzweig 16 angeordnet ist, insbesondere stromaufwärts des Wärmeübertragers 62 und insbesondere stromaufwärts des optionalen Hauptzweigventilelements 88 angeordnet. Zusätzlich, alternativ zu dem Flusssensor 70 oder alternativ zu dem weiteren Flusssensor 72 umfasst die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 einen Nebenzweigflusssensor 74, der in dem Fluidnebenzweig 18 angeordnet ist, insbesondere stromaufwärts des Ventilelements 44. Die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 umfasst vorzugsweise zumindest einen Temperatursensor 76, der der in dem Leitungssystem vorzugsweise stromaufwärts der Verzweigung 14 und stromabwärts der Fluidfördereinheit 20 angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 zumindest einen Nebenzweigtemperatursensor 78, der in dem Fluidnebenzweig 18 stromabwärts des Heizelements 34 angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 zumindest einen Abgastemperatursensor 80, der in dem Abgasleitungsabschnitt stromabwärts des Ausgangs von der Sauerstoffelektrode 54 und insbesondere stromaufwärts des Nachbrenners 60 angeordnet ist. Alternativ ist der Abgastemperatursensor 80 in die Brennstoffzelleneinheit 48, 50 integriert. Vorzugsweise umfasst die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 zumindest einen Eingangstemperatursensor 82, der in dem Fluidhauptzweig 16 stromaufwärts des Eingangs zu der Sauerstoffelektrode 54 und insbesondere stromabwärts des Wärmeübertragers 62 angeordnet ist. Alternativ ist der Eingangstemperatursensor 82 in die Brennstoffzelleneinheit 48, 50 integriert. Die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 umfasst vorzugsweise zumindest einen Umgebungsdrucksensor 84, der insbesondere außerhalb des Leitungssystems und innerhalb eines das Leitungssystem umgebenden Gehäuses der Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 angeordnet ist. Die Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 umfasst vorzugsweise zumindest einen Umgebungstemperatursensor 86, der insbesondere außerhalb des Leitungssystems und innerhalb des das Leitungssystem umgebenden Gehäuses der Fluidaufbereitungsvorrichtung 10 angeordnet ist.The fluid treatment device 10 preferably includes a pressure sensor 66 which is arranged in the line system upstream of the fluid delivery unit 20 . The fluid treatment device 10 preferably includes a further pressure sensor 68 which is arranged in the line system downstream of the fluid delivery unit 20 and upstream of the branch 14 . The fluid treatment device 10 preferably comprises at least one flow sensor 70, which is preferably arranged in the line system upstream of the fluid delivery unit 20. The fluid treatment device 10 preferably comprises at least one further flow sensor 72, which is preferably arranged in the main fluid branch 16, in particular arranged upstream of the heat exchanger 62 and in particular arranged upstream of the optional main branch valve element 88. In addition, as an alternative to the flow sensor 70 or as an alternative to the further flow sensor 72, the fluid treatment device 10 includes a secondary branch flow sensor 74, which is arranged in the fluid secondary branch 18, in particular upstream of the valve element 44. The fluid treatment device 10 preferably includes at least one temperature sensor 76, which is the Line system is preferably arranged upstream of the branch 14 and downstream of the fluid delivery unit 20 . The fluid treatment device 10 preferably comprises at least one secondary branch temperature sensor 78 which is arranged in the fluid secondary branch 18 downstream of the heating element 34 . The fluid treatment device 10 preferably comprises at least one exhaust gas temperature sensor 80 which is arranged in the exhaust pipe section downstream of the outlet from the oxygen electrode 54 and in particular upstream of the afterburner 60 . Alternatively, the exhaust gas temperature sensor 80 is integrated into the fuel cell unit 48, 50. The fluid treatment device 10 preferably comprises at least one inlet temperature sensor 82 which is arranged in the main fluid branch 16 upstream of the inlet to the oxygen electrode 54 and in particular downstream of the heat exchanger 62 . Alternatively, the input temperature sensor 82 is integrated into the fuel cell unit 48, 50. The fluid treatment device 10 preferably comprises at least one ambient pressure sensor 84, which is arranged in particular outside the line system and inside a housing of the fluid treatment device 10 surrounding the line system. The fluid treatment device 10 preferably comprises at least one ambient temperature sensor 86, which is arranged in particular outside the line system and inside the housing of the fluid treatment device 10 surrounding the line system.

2 zeigt die Steuer- und/oder Regeleinheit 22 und einen Informationsfluss eines Verfahren 52 zum Steuern oder Regeln der Fluidaufbereitungsvorrichtung 10. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 22 umfasst vorzugsweise einen Strömungsregler 90 zu einer Vorgabe eines Hauptzweigsollwerts 92 des Strömungsparameters in dem Fluidhauptzweig 16. Der Strömungsregler 90 verarbeitet im Rahmen des Verfahrens 52 insbesondere eine Luftnutzung 94 der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 48, 50, einen Abgastemperatur-Sollwert 96 des von der Sauerstoffelektrode 54 kommenden Abgases und einen mit dem Abgastemperatursensor 80 erfassten Abgastemperatur-Istwert 98 des Abgases. 2 shows the control and / or regulation unit 22 and an information flow of a method 52 for controlling or regulating the fluid treatment device 10. The control and / or regulation unit 22 preferably includes a flow controller 90 for a specification of a main branch setpoint 92 of the flow parameter in the fluid main branch 16. The Within the scope of method 52, flow controller 90 processes, in particular, air usage 94 of the at least one fuel cell unit 48, 50, a setpoint exhaust gas temperature value 96 of the exhaust gas coming from oxygen electrode 54, and an actual exhaust gas temperature value 98 of the exhaust gas detected by exhaust gas temperature sensor 80.

Die Steuer- und/oder Regeleinheit 22 umfasst zumindest einen Nebenzweigregler 24, der dazu vorgesehen ist, als Stellgröße ein Strömungssollverhältnis 26 der Strömungsparameter auszugeben. Das Strömungssollverhältnis 26 ist insbesondere ein Sollverhältnis des weiteren Strömungsparameters zu einem von der Fluidfördereinheit 20 erzeugten Gesamtströmungsparameter, insbesondere zu der Summe aus dem Strömungsparameter und dem weiteren Strömungsparameter. Alternativ gibt der Nebenzweigregler 24 einen weiteren Sollwert des weiteren Strömungsparameters aus. Der Nebenzweigregler 24 verarbeitet im Rahmen des Verfahrens 52 insbesondere einen Eintrittstemperatur-Sollwert 100 des sauerstoffhaltigen Fluids bei einem Eintritt in die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 48, 50 und einen mit dem Eingangstemperatursensor 82 erfassten Eintrittstemperatur-Istwert 102 des sauerstoffhaltigen Fluids.The open-loop and/or closed-loop control unit 22 includes at least one secondary branch controller 24, which is provided to output a flow setpoint ratio 26 of the flow parameters as a manipulated variable. The target flow ratio 26 is in particular a target ratio of the further flow parameter to an overall flow parameter generated by the fluid delivery unit 20, in particular to the sum of the flow parameter and the further flow parameter. Alternatively, the secondary branch regulator 24 gives a further desired value for the further flow parameter out of. As part of method 52, secondary branch controller 24 processes, in particular, an inlet temperature setpoint 100 of the oxygen-containing fluid when it enters the at least one fuel cell unit 48, 50 and an actual inlet temperature value 102 of the oxygen-containing fluid that is detected by inlet temperature sensor 82.

Die Steuer- und/oder Regeleinheit 22 umfasst vorzugsweise eine Fluidfördervorsteuerung 32. Die Fluidfördervorsteuerung 32 verarbeitet im Rahmen des Verfahrens 52 insbesondere einen Gesamtströmung-Sollwert 104 des von der Fluidfördereinheit 20 erzeugten Gesamtströmungsparameters, einen mit dem weiteren Drucksensor 68 erfassten Ausgangsdruck-Istwert 106 der Fluidfördereinheit 20, einen mit dem Drucksensor 66 erfassten Eingangsdruck-Istwert 108 der Fluidfördereinheit 20. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 22 ermittelt den Gesamtströmungs-Sollwert 104 im Rahmen des Verfahrens 52 insbesondere als Summe des Hauptzweigsollwerts 92 mit einem Nebenzweigsollwert 112 des weiteren Strömungsparameters. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 22 ermittelt den Nebenzweigsollwert 112 im Rahmen des Verfahrens 52 insbesondere als Produkt aus dem Strömungssollverhältnis 26 und einem mit dem Flusssensor 70 erfassten Gesamtströmung-Istwert 110. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 22 umfasst insbesondere einen Fluidförderregler 114. Der Fluidförderregler 114 ist vorzugsweise als PID-Regler ausgebildet. Der Fluidförderregler 114 verarbeitet vorzugsweise den mit dem Flusssensor 70 erfassten Gesamtströmung-Istwert 110 und den Gesamtströmung-Sollwert 104. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 22 addiert eine Ausgabe der Fluidfördervorsteuerung 32 und des Fluidförderreglers 114 vorzugsweise zu einer Solldrehzahl 116 der Fluidfördereinheit 20. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 22 übergibt die ermittelte Solldrehzahl 116 insbesondere an eine interne Komponentensteuerung der Fluidfördereinheit 20.The control and/or regulating unit 22 preferably comprises a fluid delivery pilot control 32. As part of the method 52, the fluid delivery pilot control 32 processes in particular a total flow setpoint 104 of the total flow parameter generated by the fluid delivery unit 20, and an actual output pressure value 106 of the fluid delivery unit that is detected using the additional pressure sensor 68 20, an actual inlet pressure value 108 of fluid delivery unit 20 detected by pressure sensor 66. Control and/or regulating unit 22 determines total flow setpoint 104 as part of method 52, in particular as the sum of main branch setpoint 92 with a secondary branch setpoint 112 of the additional flow parameter. Control and/or regulation unit 22 determines secondary branch setpoint value 112 as part of method 52, in particular as the product of setpoint flow ratio 26 and a total flow actual value 110 detected by flow sensor 70. Control and/or regulation unit 22 includes, in particular, a fluid delivery controller 114. The fluid delivery controller 114 is preferably designed as a PID controller. The fluid delivery controller 114 preferably processes the total flow actual value 110 detected by the flow sensor 70 and the total flow setpoint 104. The control and/or regulating unit 22 preferably adds an output of the fluid delivery pilot control 32 and the fluid delivery controller 114 to a setpoint speed 116 of the fluid delivery unit 20. The Control and/or regulating unit 22 transfers determined setpoint speed 116, in particular to an internal component controller of fluid delivery unit 20.

Die Steuer- und/oder Regeleinheit 22 umfasst zumindest einen Ventilregler 46 zu einem Einstellen des Ventilelements 44. Der Ventilregler 46 verarbeitet insbesondere den Nebenzweigsollwert 112 und einen Nebenzweigistwert 118. Die Steuer- oder Regeleinheit 22 ermittelt den Nebenzweigistwert 118 insbesondere als Differenz von dem mit dem Flusssensor 70 erfassten Gesamtströmung-Istwert 110 und einem mit dem weiteren Flusssensor 72 erfassten Hauptzweigistwert des Strömungsparameters. Alternativ wird der Nebenzweigistwert 118 von dem Nebenzweigflusssensor 74 erfasst. Der Ventilregler 46 gibt insbesondere einen Öffnungsgrad-Sollwert 120 des Ventilelements 44 aus. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 22 übergibt den ermittelten Öffnungsgrad-Sollwert 120 insbesondere an eine interne Komponentensteuerung des Ventilelements 44. Das Einstellen des Ventilelements 44 erfolgt in Abhängigkeit von einer effektiven Durchflussfläche des Ventilelements 44. Alternativ erfolgt das Einstellen des Ventilelements 44 in Abhängigkeit von einer Ventilposition des Ventilelements 44.Control and/or regulating unit 22 comprises at least one valve controller 46 for setting valve element 44. Valve controller 46 processes, in particular, secondary branch setpoint value 112 and an auxiliary branch actual value 118. Control or regulating unit 22 determines secondary branch actual value 118, in particular as the difference between the Flow sensor 70 detected total flow actual value 110 and detected with the other flow sensor 72 main branch actual value of the flow parameter. Alternatively, the secondary branch actual value 118 is detected by the secondary branch flow sensor 74 . In particular, the valve controller 46 outputs a desired opening degree value 120 of the valve element 44 . The control and/or regulating unit 22 transfers the determined opening degree target value 120, in particular, to an internal component control of the valve element 44. The valve element 44 is adjusted as a function of an effective flow area of the valve element 44. Alternatively, the valve element 44 is adjusted as a function of a valve position of the valve element 44.

Die Steuer- und/oder Regeleinheit 22 umfasst zumindest einen Heizregler 36 zu einem Einstellen des Heizelements 34. Der Heizregler 36 ist insbesondere als PID-Regler ausgebildet. Der Heizregler 36 verarbeitet vorzugsweise einen Heizertemperatur-Sollwert 126 des sauerstoffhaltigen Fluids stromabwärts des Heizelements 34 und einen mit dem Nebenzweigtemperatursensor 78 erfassten Heizertemperatur-Istwert 124 des sauerstoffhaltigen Fluids. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 22 umfasst zumindest eine Heizvorsteuerung 38 zu einem Einstellen des Heizelements 34. Die Heizvorsteuerung 38 verarbeitet insbesondere den Heizertemperatur-Sollwert 126 und einen mit dem Temperatursensor 76 erfassten Fördertemperatur-Istwert 122 des sauerstoffhaltigen Fluids. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 22 addiert eine Ausgabe des Heizreglers 36 und der Heizvorsteuerung 38 vorzugsweise zu eine Heizsollleistung 42 des Heizelements 34. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 22 übergibt die ermittelte Heizsollleistung 42 insbesondere an eine interne Komponentensteuerung des Heizelements 34.The control and/or regulating unit 22 comprises at least one heating controller 36 for adjusting the heating element 34. The heating controller 36 is designed in particular as a PID controller. The heater controller 36 preferably processes a heater temperature setpoint 126 of the oxygen-containing fluid downstream of the heating element 34 and an actual heater temperature 124 of the oxygen-containing fluid detected with the auxiliary branch temperature sensor 78 . The control and/or regulating unit 22 comprises at least one heating pre-control 38 for setting the heating element 34. The heating pre-control 38 processes in particular the heater temperature setpoint 126 and an actual delivery temperature 122 of the oxygen-containing fluid detected by the temperature sensor 76. The control and/or regulating unit 22 preferably adds an output of the heating controller 36 and the heating pilot control 38 to a desired heating power 42 of the heating element 34. The control and/or regulating unit 22 transmits the determined desired heating power 42 in particular to an internal component control of the heating element 34.

3 zeigt die Fluidfördervorsteuerung 32. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 22 umfasst zumindest einen Speicher, in welchem zu einem Vorsteuern der Fluidfördereinheit 20 zumindest ein Kennfeld 28 der Fluidfördereinheit 20 hinterlegt ist. Insbesondere ermittelt die Fluidfördervorsteuerung 32 einen Drehzahl-Vorsteuerwert 127 mittels des Kennfelds 28 in Abhängigkeit von einem von der Fluidfördereinheit 20 erzeugten Gesamtstrom 128 und einer Druckdifferenz 130 über der Fluidfördereinheit 20. Die Fluidfördervorsteuerung 32 ermittelt die Druckdifferenz 130 insbesondere als Differenz des Ausgangsdruck-Istwerts 106 und des Eingangsdruck-Istwerts 108. Der Flusssensor 70 erfasst den Gesamtströmungsparameteter-Istwert 110 insbesondere als Volumenstrom, beispielsweise in Nl/min. Die Fluidfördervorsteuerung 32 umfasst insbesondere eine Umrechnungssektion 132. Die Umrechnungssektion 132 beaufschlagt den Gesamtströmungsparameter-Istwert 110 insbesondere mit einem Zeitumrechnungsfaktor 134, beispielweise 60 min/h, mit einem Volumenumrechnungsfaktor 136, beispielsweise 1000 m3/l, und mit einem Temperaturkorrektur 138 und/oder mit einer Druckkorrektur 140. Die Fluidfördervorsteuerung 32 ermittelt die Druckkorrektur 140 insbesondere als ein Verhältnis eines relevanten Drucks relativ zu einem Referenzdruck 142, insbesondere Standarddruck, d.h. 1013 mBar. Der relevante Druck ist insbesondere ein Maximum 144 aus einem Mindestdruck 146, beispielsweise 600 mBar, und einer Summe aus dem Eingangsdruck-Istwert 108 und einem mittels des Umgebungsdrucksensor 84 erfassten Gehäusedrucks 148 im Inneren des Gehäuses der Fluidaufbereitungsvorrichtung 10. Die Fluidfördervorsteuerung 32 ermittelt die Temperaturkorrektur 138 als ein Verhältnis einer mit dem Umgebungstemperatursensor 86 ermittelten Gehäusetemperatur 150 zu einer Referenztemperatur 152, insbesondere einer Standardtemperatur, d h. 273 K. Die Gehäusetemperatur 150 wird vor einem Bilden des Verhältnisses vorzugsweise mittels eines Temperaturumrechnungsfaktors 154 als absolute Temperatur ausgedrückt. 3 shows the fluid delivery pilot control 32. The control and/or regulating unit 22 comprises at least one memory in which at least one characteristic map 28 of the fluid delivery unit 20 is stored for pilot control of the fluid delivery unit 20. In particular, fluid delivery pre-control 32 determines a rotational speed pre-control value 127 using characteristic map 28 as a function of a total flow 128 generated by fluid delivery unit 20 and a pressure difference 130 across fluid delivery unit 20. Fluid delivery pre-control 32 determines pressure difference 130 in particular as the difference between actual output pressure value 106 and of the actual inlet pressure value 108. The flow sensor 70 detects the total flow parameter actual value 110 in particular as a volume flow, for example in Nl/min. The fluid delivery pre-control 32 includes, in particular, a conversion section 132. The conversion section 132 applies a time conversion factor 134, for example 60 min/h, a volume conversion factor 136, for example 1000 m 3 /l, and a temperature correction 138 and/or to the total flow parameter actual value 110 with a pressure correction 140. The fluid delivery pilot control 32 determines the pressure correction 140 in particular as a ratio of a relevant pressure relative to a reference pressure 142, in particular standard pressure, ie 1013 mbar. The relevant pressure is in particular a maximum 144 from a minimum pressure 146, for example 600 mbar, and a sum of the actual inlet pressure value 108 and a housing pressure 148 detected by means of the ambient pressure sensor 84 inside the housing of the fluid treatment device 10. The fluid delivery pilot control 32 determines the temperature correction 138 as a ratio with the ambient temperature sensor 86 determined housing temperature 150 to a reference temperature 152, in particular a standard temperature, i.e. 273 K. The housing temperature 150 is preferably expressed as an absolute temperature using a temperature conversion factor 154 before forming the ratio.

Die Fluidfördervorsteuerung 32 umfasst vorzugsweise eine Mach'sche Temperaturanpassungssektion 156. Insbesondere beaufschlagt die Mach'sche Temperaturanpassungssektion 156 den Gesamtstrom 128 mit einem Mach'schen Temperaturfaktor 160 vor einem Abgleich des Gesamtstroms 128 mit dem Kennfeld 28. Der Mach'sche Temperaturfaktor 160 ist insbesondere die Wurzel aus einem Verhältnis der Gehäusetemperatur 150 in Kelvin zu einer weiteren Referenztemperatur 158, insbesondere Raumtemperatur, beispielsweise 293 K. Vorzugsweise beaufschlagt die Mach'sche Temperaturanpassungssektion 156 eine von dem Kennfeld 28 abgeleitete Drehzahl mit einem zu dem Mach'schen Temperaturfaktor 160 inversen Temperaturfaktor 160'.The fluid delivery pre-control 32 preferably includes a Mach temperature adjustment section 156. In particular, the Mach temperature adjustment section 156 applies a Mach temperature factor 160 to the total flow 128 before a comparison of the total flow 128 with the map 28. The Mach temperature factor 160 is in particular the root of a ratio of the housing temperature 150 in Kelvin to a further reference temperature 158, in particular room temperature, for example 293 K. Mach's temperature adjustment section 156 preferably applies a speed derived from the characteristics map 28 with a temperature factor 160' which is the inverse of Mach's temperature factor 160 .

Die Fluidfördervorsteuerung 32 der Steuer- und/oder Regeleinheit 22 für die Fluidfördereinheit 20 umfasst zumindest einen Tiefpass 30. Der Tiefpass 30 filtert insbesondere den Drehzahl-Vorsteuerwert 127.Fluid delivery pre-control 32 of control and/or regulation unit 22 for fluid delivery unit 20 includes at least one low-pass filter 30. Low-pass filter 30 filters, in particular, speed pre-control value 127.

4 zeigt die Heizvorsteuerung 38. Die Heizvorsteuerung 38 umfasst zumindest einen Speicher, in welchem ein Kalorimetrieparameter 40 des Prozessfluids hinterlegt ist, um eine Heizsollleistung 42 des Heizelements 34 abzuschätzen. Insbesondere ermittelt die Heizvorsteuerung 38 eine voraussichtlich durch das Heizelement 34 zu erbringende Heizleitung in Abhängigkeit von einem kalorischen Modell des sauerstoffhaltigen Fluids in dem Fluidnebenzweig 18. Insbesondere beaufschlagt die Heizvorsteuerung 38 dem Nebenzweigsollwert 112 mit dem Zeitumrechnungsfaktor 134, dem Volumenumrechnungsfaktor 136, einer Normdichte 162 des sauerstoffhaltigen Fluids, beispielweise 1,292 kg/Nm3 für Luft als sauerstoffhaltiges Fluid, einer Differenz zwischen dem Fördertemperatur-Istwert 122 und dem Heiztemperatur-Sollwert 126 und dem Kalorimetrieparameter 40. Der Kalorimetrieparameter 40 ist insbesondere eine spezifische Wärmekapazität des sauerstoffhaltigen Fluids, beispielsweise 1004 J/kgK für Luft als sauerstoffhaltiges Fluid. 4 shows the heating pre-control 38. The heating pre-control 38 comprises at least one memory in which a calorimetry parameter 40 of the process fluid is stored in order to estimate a desired heating power 42 of the heating element 34. In particular, the heating pre-control 38 determines a heating line that is expected to be provided by the heating element 34 as a function of a caloric model of the oxygen-containing fluid in the fluid branch 18. In particular, the heating pre-control 38 applies the time conversion factor 134, the volume conversion factor 136, a standard density 162 of the oxygen-containing fluid to the secondary branch setpoint 112 Fluids, for example 1.292 kg/Nm 3 for air as the oxygen-containing fluid, a difference between the delivery temperature actual value 122 and the heating temperature setpoint 126 and the calorimetry parameter 40. The calorimetry parameter 40 is in particular a specific heat capacity of the oxygen-containing fluid, for example 1004 J/kgK for air as an oxygen-containing fluid.

Claims (9)

Fluidaufbereitungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, mit zumindest einem Leitungssystem zu einem Führen eines Prozessfluids des Brennstoffzellensystems, wobei das Leitungssystem zumindest eine Verzweigung (14) in einen Fluidhauptzweig (16) und zumindest einem Fluidnebenzweig (18) aufweist, mit zumindest einer stromaufwärts der Verzweigung (14) angeordneten Fluidfördereinheit (20) zu einem Fördern des Prozessfluids durch den Fluidhauptzweig (16) und den Fluidnebenzweig (18) und mit zumindest einer Steuer- und/oder Regeleinheit (22) zu einem Steuern oder Regeln zumindest eines Strömungsparameters des Prozessfluids in dem Fluidhauptzweig (16) und/oder eines weiteren Strömungsparameters des Prozessfluids in dem Fluidnebenzweig (18), dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidfördereinheit (20) ein Stellglied zum Steuern oder Regeln des Strömungsparameters und/oder des weiteren Strömungsparameters mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit (22) ist.Fluid processing device for a fuel cell system, with at least one line system for guiding a process fluid of the fuel cell system, wherein the line system has at least one branch (14) in a main fluid branch (16) and at least one secondary fluid branch (18), with at least one upstream of the branch (14) arranged fluid delivery unit (20) for delivering the process fluid through the main fluid branch (16) and the secondary fluid branch (18) and with at least one control and/or regulating unit (22) for controlling or regulating at least one flow parameter of the process fluid in the main fluid branch (16 ) and/or a further flow parameter of the process fluid in the secondary fluid branch (18), characterized in that the fluid delivery unit (20) has an actuator for controlling or regulating the flow parameter and/or the further flow parameter by means of the control and/or regulating unit (22) is. Fluidaufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (22) zumindest einen Nebenzweigregler (24) umfasst, der dazu vorgesehen ist, als Stellgröße ein Strömungssollverhältnis (26) der Strömungsparameter auszugeben.Fluid processing device according to claim 1 , characterized in that the control and/or regulating unit (22) comprises at least one secondary branch controller (24) which is provided for the purpose of outputting a desired flow ratio (26) of the flow parameters as a manipulated variable. Fluidaufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (22) zumindest einen Speicher umfasst, in welchem zu einem Vorsteuern der Fluidfördereinheit (20) zumindest ein Kennfeld (28) der Fluidfördereinheit (20) hinterlegt ist.Fluid processing device according to claim 1 or 2 , characterized in that the control and / or regulation unit (22) comprises at least one memory, in which a pre-control of the fluid delivery unit (20) at least one characteristic map (28) of the fluid delivery unit (20) is stored. Fluidaufbereitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fluidfördervorsteuerung (32) der Steuer- und/oder Regeleinheit (22) für die Fluidfördereinheit (20) zumindest einen Tiefpass (30) umfasst.Fluid treatment device according to one of the preceding claims, characterized in that a fluid delivery pilot control (32) of the control and/or regulating unit (22) for the fluid delivery unit (20) comprises at least one low-pass filter (30). Fluidaufbereitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein in dem Fluidnebenzweig (18) angeordnetes Heizelement (34), wobei die Steuer- und/oder Regeleinheit (22) zumindest einen Heizregler (36) und eine Heizvorsteuerung (38) zu einem Einstellen des Heizelements (34) umfasst.Fluid treatment device according to one of the preceding claims, characterized by at least one heating element (34) arranged in the secondary fluid branch (18), the control and/or regulating unit (22) having at least one heating regulator (36) and a heating pilot control (38) for setting the Includes heating element (34). Fluidaufbereitungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorsteuerung (38) zumindest einen Speicher umfasst, in welchem ein Kalorimetrieparameter (40) des Prozessfluids hinterlegt ist, um eine Heizsollleistung (42) des Heizelements (34) abzuschätzen.Fluid processing device according to claim 4 , characterized in that the heating pre-control (38) comprises at least one memory in which a calorimetry parameter (40) of the process fluid is stored in order to estimate a desired heating power (42) of the heating element (34). Fluidaufbereitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein in dem Fluidnebenzweig (18) angeordnetes Ventilelement (44) zu einem Einstellen des weiteren Strömungsparameters, wobei die Steuer- und/oder Regeleinheit (22) zumindest einen Ventilregler (46) zu einem Einstellen des Ventilelements (44) in Abhängigkeit von einer effektiven Durchflussfläche des Ventilelements (44) umfasst.Fluid treatment device according to one of the preceding claims, characterized by at least one valve element (44) arranged in the secondary fluid branch (18) for setting the further flow parameter, wherein the control and/or regulating unit (22) has at least one valve regulator (46) for setting the Includes valve element (44) depending on an effective flow area of the valve element (44). Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit (48, 50) und mit zumindest einer Fluidaufbereitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Fuel cell system with at least one fuel cell unit (48, 50) and with at least one fluid processing device according to one of the preceding claims. Verfahren zum Steuern oder Regeln einer Fluidaufbereitungsvorrichtung eines Brennstoffzellensystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt die Steuer- und/oder Regeleinheit (22) der Fluidfördereinheit (20) ein Steuersignal übermittelt, um den Fluidparameter des Prozessfluids anzupassen.Method for controlling or regulating a fluid processing device of a fuel cell system according to one of the preceding claims, wherein in at least one method step the control and/or regulating unit (22) transmits a control signal to the fluid delivery unit (20) in order to adapt the fluid parameter of the process fluid.
DE102021215053.5A 2021-12-28 2021-12-28 Fluid treatment device, fuel cell system and method for controlling or regulating such a fluid treatment device Pending DE102021215053A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021215053.5A DE102021215053A1 (en) 2021-12-28 2021-12-28 Fluid treatment device, fuel cell system and method for controlling or regulating such a fluid treatment device
PCT/EP2022/080224 WO2023126092A1 (en) 2021-12-28 2022-10-28 Fluid-processing device, fuel cell system, and method for controlling such a fluid-processing device in an open-loop or closed-loop manner

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021215053.5A DE102021215053A1 (en) 2021-12-28 2021-12-28 Fluid treatment device, fuel cell system and method for controlling or regulating such a fluid treatment device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102021215053A1 true DE102021215053A1 (en) 2023-06-29

Family

ID=84363047

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102021215053.5A Pending DE102021215053A1 (en) 2021-12-28 2021-12-28 Fluid treatment device, fuel cell system and method for controlling or regulating such a fluid treatment device

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102021215053A1 (en)
WO (1) WO2023126092A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018127409A1 (en) 2017-11-28 2019-06-06 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. STRATEGY / METHOD FOR CONTROLLING AN EQUATION-BASED COOLING SYSTEM
DE102018210188A1 (en) 2018-06-22 2019-12-24 Audi Ag Coolant regeneration with photovoltaics
DE102019219824A1 (en) 2019-12-17 2021-06-17 Robert Bosch Gmbh Fuel cell system and method for cooling a fuel cell

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103236555B (en) * 2012-11-05 2015-01-28 华中科技大学 Solid oxide fuel cell system and thermoelectricity synergic control method
DE102019212858A1 (en) * 2019-08-27 2021-03-04 Robert Bosch Gmbh Fuel cell system and method for operating a fuel cell system
DE102019212855A1 (en) * 2019-08-27 2021-03-04 Robert Bosch Gmbh Fuel cell system and method for operating a fuel cell system
CN113594506B (en) * 2021-06-18 2022-11-15 东风汽车集团股份有限公司 Temperature control method of fuel cell system and related apparatus

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018127409A1 (en) 2017-11-28 2019-06-06 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. STRATEGY / METHOD FOR CONTROLLING AN EQUATION-BASED COOLING SYSTEM
DE102018210188A1 (en) 2018-06-22 2019-12-24 Audi Ag Coolant regeneration with photovoltaics
DE102019219824A1 (en) 2019-12-17 2021-06-17 Robert Bosch Gmbh Fuel cell system and method for cooling a fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023126092A1 (en) 2023-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112007000808B4 (en) Fuel cell system and valve opening degree calculation method for the fuel cell system
DE112015003129T5 (en) A fuel cell system and method for controlling a fuel cell system
DE102008031969B4 (en) Method for operating a fuel cell system and correspondingly adapted fuel cell system
EP2187136A2 (en) Method for operating a system for transporting thermal energy through a liquid medium
DE102006044288A1 (en) Improved control of an electrically heatable expander thermostat in the thermal coolant circuit of fuel cell systems
EP2936003A1 (en) Method and devices for balancing a group of consumers in a fluid transport system
WO2021004715A1 (en) Fuel cell system with air-cooled compressor/turbine unit and method
DE102008021118A1 (en) Method and system for gas humidification control
DE102018207621B3 (en) Control valve for a radiator circuit, arrangement with the control valve and method for controlling a fluid flow in the assembly
DE102021215053A1 (en) Fluid treatment device, fuel cell system and method for controlling or regulating such a fluid treatment device
DE10247541B4 (en) Air distribution method and control for a fuel cell system
WO2019183658A1 (en) Conditioning device for regulating a gaseous or liquid fluid at a constant target temperature
EP2301100B1 (en) Method for temperature control in a fuel cell system and fuel cell system
DE102007007975B4 (en) Method and device for direct heating of a secondary liquid medium by an air-liquid medium heat exchanger with hot air as the primary medium
WO2003023288A1 (en) Central heating installation
WO2022266682A1 (en) Conditioning device for a test bench
DE102022203503A1 (en) Method for operating a fuel cell system and fuel cell system
DE10002860C2 (en) Heat meter for heat transfer media
JP4957273B2 (en) Steam supply device
WO2008031384A1 (en) Method and system for regulating/controlling a total air ratio of a reformer
DE102022103778A1 (en) Method for controlling a room temperature, heating system for controlling a room temperature and control device for use in a heating system
DE102022203498A1 (en) Peripheral device device for a fuel cell unit, fuel cell system with at least one fuel cell unit and at least one peripheral device device and method for operating a peripheral device device
EP4187163A1 (en) Method for operating a heating device
EP4015918A1 (en) Method and device for controlling a primary circuit of a heating installation
EP4273457A1 (en) Method, system and computer program product for controlling a heat and / or cold generator

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified