DE102022203498A1

DE102022203498A1 - Peripheriegerätevorrichtung für eine Brennstoffzelleneinheit, Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit und zumindest einer Peripheriegerätevorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Peripheriegerätevorrichtung

Info

Publication number: DE102022203498A1
Application number: DE102022203498.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Fritsch; Marius Dorner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2023-10-12
Also published as: CN116895798A

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Peripheriegerätevorrichtung (10) für eine Brennstoffzelleneinheit (12), mit einer Kühlgaszufuhreinheit (14) zur Zufuhr von Kühlgas (16) in die Brennstoffzelleneinheit (12), mit einer Sensoreinheit (18) zur Detektion einer Kathodenabgastemperatur (20) eines Kathodenabgases (22) der Brennstoffzelleneinheit (12) und mit einer Steuer- und/oder Regeleinheit (24) zur Steuerung der Kühlgaszufuhreinheit (14).
Es wird vorgeschlagen, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (24) dazu vorgesehen ist, im Falle einer Änderung zumindest eines Betriebsparameters (26) der Brennstoffzelleneinheit (12) einen durch die Kühlgaszufuhreinheit (14) eingespeisten Kühlgasmassenstrom (28) zum Erreichen einer Soll-Kathodenabgastemperatur (30) des Kathodenabgases (22) dynamisch vorzusteuern.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits eine Peripheriegerätevorrichtung für eine Brennstoffzelleneinheit, mit einer Kühlgaszufuhreinheit zur Zufuhr von Kühlgas in die Brennstoffzelleneinheit, mit einer Sensoreinheit zur Detektion einer Kathodenabgastemperatur eines Kathodenabgases der Brennstoffzelleneinheit und mit einer Steuer- und/oder Regeleinheit zur Steuerung der Kühlgaszufuhreinheit, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Peripheriegerätevorrichtung für eine Brennstoffzelleneinheit, mit einer Kühlgaszufuhreinheit zur Zufuhr von Kühlgas in die Brennstoffzelleneinheit, mit einer Sensoreinheit zur Detektion einer Kathodenabgastemperatur eines Kathodenabgases der Brennstoffzelleneinheit und mit einer Steuer- und/oder Regeleinheit zur Steuerung der Kühlgaszufuhreinheit.
Es wird vorgeschlagen, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen ist, im Falle einer Änderung zumindest eines Betriebsparameters der Brennstoffzelleneinheit einen durch die Kühlgaszufuhreinheit eingespeisten Kühlgasmassenstrom zum Erreichen einer Soll-Kathodenabgastemperatur des Kathodenabgases dynamisch vorzusteuern.
Die Brennstoffzelleneinheit umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, vorzugsweise einen Stack aus Brennstoffzellen und/oder einen Verbund mehrerer Stacks aus Brennstoffzellen. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelle und/oder sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit als Hochtemperaturbrennstoffzellen ausgebildet. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit dazu vorgesehen, einen Brennstoff unter Zuführung eines Oxidans in einem elektrochemischen Wandlungsprozess zu einer elektrischen Energiegewinnung umzusetzen. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Brennstoffelektrode, insbesondere eine Anode, welche vorzugsweise während des Wandlungsprozesses zu einem direkten Kontakt mit dem Brennstoff vorgesehen ist. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Oxidanselektrode, insbesondere eine Kathode, welche vorzugsweise während des Wandlungsprozesses zu einem direkten Kontakt mit dem Oxidans vorgesehen ist. Ohne darauf beschränkt zu sein, umfasst die Brennstoffzelleneinheit beispielsweise zumindest eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (MCFC) und/oder besonders bevorzugt zumindest eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC). Alternativ könnte die Peripheriegerätevorrichtung für eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC), mit einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), einer Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), einer alkalischen Brennstoffzelle (AFC) oder dergleichen vorgesehen sein.
Unter einer „Peripheriegerätevorrichtung“ soll eine Vorrichtung verstanden werden, welche zumindest eine mit der Brennstoffzelleneinheit verbundene Einheit aufweist, welche einen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit ermöglicht und/oder unterstützt. Die Peripheriegerätevorrichtung weist hierzu zumindest die Kühlgaszufuhreinheit, die Sensoreinheit und die Steuer- und/oder Regeleinheit auf. Die Peripheriegerätevorrichtung kann darüber hinaus weitere Einheiten und/oder Elemente umfassen. Ohne darauf beschränkt zu sein, kann die Peripheriegerätevorrichtung beispielsweise eine Brennstoffzufuhrleitung, eine Luftzufuhrleitung, eine Abgasleitung, eine Rezirkulationsleitung, ein Förderelement zu einer Förderung des Brennstoffs, des Oxidans und/oder des Abgases, eine Brennereinheit, eine Reformereinheit, ein Wärmeübertragerelement zu einer Abgaswärmerückgewinnung und/oder weitere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Zusatzelemente zu einem Betrieb zumindest einer Brennstoffzelleneinheit, insbesondere einer Hochtemperaturbrennstoffzelleneinheit, umfassen.
Die Kühlgaszufuhreinheit ist zur Zufuhr von Kühlgas in die Brennstoffzelleinheit, und zwar vorzugsweise über eine Kathodenzufuhrleitung der Brennstoffzelleneinheit vorgesehen. Vorzugsweise ist die Kühlgaszufuhreinheit als eine Gebläseeinheit ausgebildet und umfasst zumindest ein Gebläse und zumindest einen mit der Steuereinheit verbundenen Frequenzumrichter, über welchen eine Gebläseantriebsfrequenz des Gebläses und damit der eingespeiste Kühlgasmassenstrom einstellbar ist. Alternativ könnte die Kühlgaszufuhreinheit beispielsweise auch ein unter Druck stehendes Reservoir an Kühlgas und ein Regelventil zur Regelung des Kühlgasmassenstroms umfassen. Es sind zudem weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Arten von Kühlgaszufuhreinheiten denkbar. Vorzugsweise enthält das Kühlgas zugleich auch das für elektrochemische Reaktionen innerhalb der Brennstoffzelleneinheit erforderliche Oxidans, beispielsweise Sauerstoff. Bei dem Kühlgas kann es sich beispielsweise um Luft handeln. Die Luft kann die in der Erdatmosphäre typische Zusammensetzung aus Sauerstoff, Stickstoff und Spurengasen aufweisen. Denkbar ist auch, dass es sich bei dem Kühlgas um ein Gas und/oder ein Gasgemisch mit einer gegenüber der in der Erdatmosphäre typischen Zusammensetzung von Luft abweichenden Zusammensetzung, beispielsweise um Luft mit einem erhöhten Sauerstoffgehalt oder um reinen Sauerstoff, handelt. Ferner könnte es sich bei dem Kühlgas auch um ein von Luft und/oder reinem Sauerstoff verschiedenes Gas und/oder Gasgemisch handeln. Vorzugsweise ist eine Zusammensetzung des Kühlgases an eine Art und/oder Betriebsweise der Brennstoffzelleinheit angepasst.
Unter einem Betriebsparameter der Brennstoffzelleneinheit soll ein Parameter verstanden werden, welcher einen Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinheit charakterisiert. Bei dem Betriebsparameter kann es sich, ohne darauf beschränkt zu sein, beispielsweise um einen in einem Betriebszustand der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellten elektrischen Strom und/oder um eine bereitgestellte elektrische Spannung und/oder um eine bereitgestellte elektrische Leistung der Brennstoffzelleneinheit und/oder um eine Gaszusammensetzung eines zum Betrieb der Brennstoffzelleneinheit verwendeten Brenngases und/oder um ein Alter der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere um eine Anzahl thermischer Zyklen der Brennstoffzelleneinheit, und/oder um eine die Brennstoffzelleneinheit betreffende Temperatur, beispielsweise eine Temperatur innerhalb der Brennstoffzelleneinheit und/oder eine Ein- und/oder Austrittstemperatur des Brenngases und/oder des Oxidans und/oder des Kühlgases, und/oder um einen thermischen und/oder elektrischen und/oder gesamten Wirkungsgrad der Brennstoffzelleneinheit und/oder um eine Rezirkulationsrate eines Anodenabgases und/oder um einen Gasausnutzungsgrad und/oder einen Luftausnutzungsgrad und/oder eine Luftzahl und/oder einem weiteren einen Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinheit charakterisierenden Parameter handeln.
Die Sensoreinheit ist dazu vorgesehen, zumindest eine Kenngröße und/oder eine physikalische Eigenschaft aufzunehmen, wobei die Aufnahme aktiv, wie insbesondere durch Erzeugen und Aussenden eines elektrischen Messsignals, und/oder passiv, wie insbesondere durch eine Erfassung von Eigenschaftsänderungen eines Sensorbauteils, stattfinden kann. Die Sensoreinheit weist zumindest ein Sensorelement auf, welches als ein Temperatursensorelement ausgebildet ist und welches zur Detektion der Kathodenabgastemperatur des Kathodenabgases der Brennstoffzelleneinheit vorgesehen ist. Die Sensoreinheit kann darüber hinaus weitere Sensorelemente aufweisen. Beispielsweise kann die Sensoreinheit zumindest ein weiteres Temperatursensorelement aufweisen, welches zur Detektion einer Temperatur des Kühlgasmassenstroms vor dem Einspeisen in die Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Detektion einer Temperatur innerhalb der Brennstoffzelleinheit vorgesehen ist. Ferner kann die Sensoreinheit zumindest ein weiteres Sensorelement aufweisen, welches als ein Massenstromsensorelement ausgebildet ist und zur Detektion des Kühlgasmassenstroms und/oder zur Detektion eines Kathodenabgasmassenstroms vorgesehen ist. Es sind verschiedene, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende weitere Sensorelemente denkbar.
Unter einer „Steuer- und/oder Regeleinheit“ soll eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll eine Einheit mit einer Recheneinheit und mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Die Steuereinheit ist dazu vorgesehen, die Kühlgaszufuhreinheit zu steuern und kann darüber hinaus dazu vorgesehen sein, weitere Einheiten der Peripheriegerätevorrichtung, beispielsweise die Sensoreinheit, zu steuern und/oder zu regeln. Im Falle einer Änderung zumindest eines Betriebsparameters der Brennstoffzelleneinheit ist die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen, den durch die Kühlgaszufuhreinheit eingespeisten Kühlgasmassenstrom zum Erreichen einer Soll-Kathodenabgastemperatur des Kathodenabgases dynamisch vorzusteuern. Unter einer „dynamischen Vorsteuerung“ soll in diesem Zusammenhang eine Steuermethode verstanden werden, bei der ein Steuersignal in vordefinierter Weise gesteuert wird, ohne dass dabei das Steuersignal durch eine durch Messung ermittelte Ausgangsgröße der Brennstoffzelleinheit, beispielsweise eine gemessene Kathodenabgastemperatur, direkt genutzt wird. Die dynamische Vorsteuerung wird in der englischen Fachsprache auch als „feed forward“ bezeichnet. Zusätzlich zu einer dynamischen Vorsteuerung kann die Steuer- und/oder Regeleinheit auch zu einer Rückkopplung, bei der das Steuersignal durch eine Ausgangsgröße der Brennstoffzelleinheit direkt oder indirekt modifiziert wird, vorgesehen sein.
In dem vorliegenden Dokument dienen Zahlwörter, wie beispielsweise „erste/r/s“ und „zweite/r/s“, welche bestimmten Begriffen vorangestellt sind, lediglich zu einer Unterscheidung von Objekten und/oder einer Zuordnung zwischen Objekten untereinander und implizieren keine vorhandene Gesamtanzahl und/oder Rangfolge der Objekte. Insbesondere impliziert ein „zweites Objekt“ nicht zwangsläufig ein Vorhandensein eines „ersten Objekts“.
Unter „vorgesehen“ soll speziell programmiert, speziell eingerichtet, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll vorzugsweise verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Peripheriegerätevorrichtung kann vorteilhaft eine verbesserte Temperaturführung der Brennstoffzelleneinheit ermöglicht werden. Gegenüber bisher bekannten Methoden, welche eine Regelung des Kühlgasmassenstroms anhand einer gemessenen Abgastemperatur vorsehen und aufgrund der thermischen Trägheit von Brennstoffzellen mit großen Zeitverzögerungen einhergehen, können mittels der erfindungsgemäßen dynamischen Vorsteuerung vorteilhaft schnellere Übergänge zwischen verschiedenen Betriebspunkten der Brennstoffzelleneinheit ermöglicht werden. Gleichzeitig kann vorteilhaft ein besonders zuverlässiger und sicherer Betrieb der Brennstoffzelleneinheit ermöglicht werden. Es kann insbesondere eine Lebensdauer der Brennstoffzelleinheit erhöht werden. Durch die dynamische Vorsteuerung des eingespeisten Luftmassenstroms kann vorteilhaft eine Dämpfung einer durch Temperaturänderungen bedingten Anregung der Brennstoffzelleneinheit erreicht werden. Somit kann vorteilhaft eine thermische Belastung der Brennstoffzelleneinheit, welche bisher, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten einzelner Bestandteile der Brennstoffzelleneinheit, bei schnellen Temperaturänderungen zu starkem Verschleiß und/oder Beschädigung der Brennstoffzelleneinheit führen kann, reduziert, vorzugsweise minimiert, werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit eine Speichereinheit umfasst, in welcher zumindest ein Temperaturmodell der Brennstoffzelleneinheit gespeichert ist, wobei die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen ist, das Temperaturmodell zu der dynamischen Vorsteuerung der Kühlgaszufuhreinheit zu berücksichtigen. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Temperaturführung weiter verbessert werden. Bei dem Temperaturmodell kann es sich um ein vereinfachtes Modell handeln. Beispielsweise ist denkbar, dass in dem Temperaturmodell vereinfachend davon ausgegangen wird, dass ein idealer Wärmeübergang von dem Kühlgasmassenstrom an die Brennstoffzelleneinheit besteht. Alternativ ist denkbar, dass ein realer Wärmeübergang von dem Kühlgasmassenstrom an die Brennstoffzelleneinheit in dem Temperarturmodell berücksichtig wird und durch entsprechende, dem Fachmann bekannte, Modellierungen in das Temperaturmodell implementiert ist. Durch ein vereinfachtes Temperaturmodell kann vorteilhaft eine verbesserte Temperaturführung mit einfachen technischen Mitteln realisiert werden und die Peripheriegerätevorrichtung kann besonders einfach in bereits bestehende Brennstoffzellensysteme integriert werden, wobei vorteilhaft große Teile einer bereits bestehenden Steuer- und/oder Regelelektronik übernommen werden können.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen ist, einen erforderlichen Kühlgasmassenstrom zum Erreichen der Soll-Kathodenabgastemperatur aus dem Temperaturmodell zu bestimmen. Durch eine derartige Ausgestaltung kann der erforderliche Kühlgasmassenstrom vorteilhaft zuverlässig bestimmt und dynamisch vorgesteuert werden. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen ist, zu der Bestimmung des erforderlichen Kühlgasmassenstroms eine Energiebilanz für zumindest zwei Bilanzelemente der Brennstoffzelleneinheit aus dem Temperaturmodell abzuleiten. Hierdurch kann vorteilhaft eine einfache Bestimmung des erforderlichen Kühlgasmassenstroms ermöglicht werden. Vorzugsweise ist die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen, zu der Bestimmung des erforderlichen Kühlgasmassenstroms eine Energiebilanz für zumindest drei Bilanzelemente der Brennstoffzelleneinheit aus dem Temperaturmodell abzuleiten. Selbstverständlich kann die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen sein, zu der Bestimmung des erforderlichen Kühlgasmassenstroms eine Energiebilanz für eine beliebige Anzahl von Bilanzelementen der Brennstoffzelleneinheit aus dem Temperaturmodell abzuleiten. Eine Anzahl von Bilanzelementen kann dabei entsprechend den Genauigkeitsanforderungen sowie der zur Verfügung stehenden Rechenleistung angepasst werden. Vorzugsweise umfasst die Energiebilanz für jedes Bilanzelement der Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Differenzialgleichung bestehend aus zumindest drei Termen. Ein erster Term umfasst dabei eine Änderung einer Energie in dem jeweiligen Bilanzelement, und besteht aus der zeitlichen Ableitung der Temperatur in dem jeweiligen Bilanzelement multipliziert mit der Wärmekapazität einer Feststoff-Phase des jeweiligen Bilanzelements und der Masse des jeweiligen Bilanzelements. Ein zweiter Term umfasst einen Energiebeitrag der ein- und ausströmenden Gasmasse, welcher sich aus dem Produkt der Wärmekapazität des Kühlgases mit dem Kühlgasmassenstrom und einer Temperaturdifferenz in dem jeweiligen Bilanzelement zusammensetzt. Vorzugsweise werden alle weiteren Energiebeiträge, beispielsweise ein Energiebeitrag eines Anodengasmassenstroms und ohmsche Verluste der Brennstoffzelleneinheit, in einem dritten Term zusammengefasst. Die Parameter der Differenzialgleichungen für jede Energiebilanz, beispielsweise die Wärmekapazitäten, sind vorzugsweise in der Speichereinheit gespeichert. Die Parameter der Differenzialgleichungen für jede Energiebilanz könnten in der Speichereinheit als Fixwerte gespeichert sein. Denkbar ist auch, dass diese Parameter als Funktionen gespeichert sind. Beispielsweise könnte der Energiebeitrag der ein- und ausströmenden Gasmasse in einer Funktion als Differenz von Enthalpien formuliert sein, deren Eigenschaften durch die Gaszusammensetzung charakterisiert sind, z.B. mittels sogenannter „NASA-Polynome“.
Ferner wird vorgeschlagen, dass in der Speichereinheit eine Kathodenabgastemperaturfunktion einer stationären Soll-Kathodenabgastemperatur des Kathodenabgases in Abhängigkeit von zumindest einem Betriebsparameter der Brennstoffzelleneinheit gespeichert ist. Hierdurch kann vorteilhaft eine Genauigkeit bei der Bestimmung des erforderlichen Kühlgasmassenstroms erhöht werden. Die Kathodenabgastemperaturfunktion kann beispielsweise als eine Kennlinie der stationären Soll-Kathodenabgastemperatur über einen durch die Brennstoffzelleneinheit an verschiedenen Betriebspunkten bereitgestellten elektrischen Strom ausgebildet sein. Denkbar ist auch, dass in der Kathodenabgastemperaturfunktion weitere Betriebsparameter der Brennstoffzelleneinheit, beispielsweise Alter der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere eine Anzahl thermischer Zyklen der Brennstoffzelleneinheit, und/oder Temperaturen innerhalb der Brennstoffzelleneinheit und/oder Massenströme von Kühlgas und/oder Oxidans und/oder Brenngas und/oder Abgasen und/oder Gasqualitäten von verwendeten Brenngasen und/oder Umgebungsbedingungen und/oder dergleichen berücksichtigt sind und dass die Kathodenabgastemperaturfunktion als ein Kennlinienfeld ausgebildet ist, welches einige oder alle der vorhergenannten Betriebsparameter beinhaltet und anhand dessen ein für einen aktuellen Betriebspunkt erforderliche stationäre Soll-Kathodenabgastemperatur ableitbar ist.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen ist, eine Abweichung zwischen einer mittels der Sensoreinheit detektierten Kathodenabgastemperatur und einer aus der Kathodenabgastemperaturfunktion bestimmten stationären Soll-Kathodenabgastemperatur zu bestimmen. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft ein besonders effizienter und sicherer Betrieb ermöglicht werden. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit, im Falle einer Abweichung zwischen detektierter Kathodenabgastemperatur und stationärer Soll-Lufttemperatur, dazu vorgesehen ist, mittels dynamischer Vorsteuerung des durch die Kühlgaszufuhreinheit eingespeisten Kühlgasmassenstroms die detektierte Kathodenabgastemperatur an die stationäre Soll-Kathodenabgastemperatur anzunähern. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Effizienz und Sicherheit noch weiter erhöht werden. Es kann insbesondere schnell und automatisch auf dynamische Schwankungen, beispielsweise Schwankungen in einer Zusammensetzung des Brenngases, reagiert werden, wenn die Steuer- und/oder Regeleinheit, im Falle einer Abweichung zwischen detektierter Kathodenabgastemperatur und stationärer Soll-Lufttemperatur, dazu vorgesehen ist, mittels dynamischer Vorsteuerung des durch die Kühlgaszufuhreinheit eingespeisten Kühlgasmassenstroms die detektierte Kathodenabgastemperatur an die stationäre Soll-Kathodenabgastemperatur anzunähern.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen ist, zu der Annäherung der detektierten Kathodenabgastemperatur an die stationäre Soll-Kathodenabgastemperatur eine in der Speichereinheit gespeicherte Übertragungsfunktion heranzuziehen. Hierdurch kann vorteilhaft ein besonders schonender Temperaturübergang ermöglicht werden. In der Speichereinheit könnten mehrere verschiedene Übertragungsfunktionen gespeichert sein. Die Steuereinheit kann dazu vorgesehen sein, eine der in der Speichereinheit gespeicherten Übertragungsfunktionen basierend auf einem aktuellen Wert zumindest eines Betriebsparameters der Brennstoffzelleneinheit heranzuziehen.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Übertragungsfunktion eine Zeitkonstante umfasst, welche von zumindest einem Betriebsparameter der Brennstoffzelleneinheit abhängig ist. Hierdurch kann vorteilhaft eine flexible Anpassung an verschiedene Anwendungssituationen ermöglicht werden. Durch geeignete Auswahl der Zeitkonstante kann eine gewünschte Zeitdauer der Annäherung der detektierten Kathodenabgastemperatur an die stationäre Soll-Kathodenabgastemperatur eingestellt werden. Beispielsweise ist denkbar, dass die Steuereinheit basierend auf dem zumindest einen Betriebsparameter der Brennstoffzelleneinheit bei kleineren dynamischen Schwankungen dazu vorgesehen ist, eine entsprechende Zeitkonstante zu wählen, um eine schnelle Annäherung der detektierten Kathodenabgastemperatur an die stationäre Soll-Kathodenabgastemperatur zu erreichen. Ferner ist denkbar, dass im Falle eines Wechsels eines Betriebspunkts der Brennstoffzelleneinheit, beispielsweise von Volllast auf Teillast, die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, eine entsprechende Zeitkonstante zu wählen, um eine langsamere Annäherung der detektierten Kathodenabgastemperatur an die stationäre Soll-Kathodenabgastemperatur zu ermöglichen und so einen schonenden Übergang von einem ersten Betriebspunkt auf einen zweiten Betriebspunkt zu erreichen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Übertragungsfunktion ein Übertragungsverhalten mit einer Verzögerung 1. Ordnung aufweist. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft eine besonders einfache Annäherung der detektierten Kathodenabgastemperatur an die stationäre Soll-Kathodenabgastemperatur ermöglicht werden. Vorzugsweise weist die Übertragungsfunktion die Form eines PT1-Glieds auf. Alternativ zu einer PT1-Form könnten für die Übertragungsfunktion jedoch auch andere Ansätze gewählt werden. Beispielsweise könnte die Übertragungsfunktion die Form einer Geraden oder die Form eines Splines oder ein Übertragungsverhalten mit einer Verzögerung höherer Ordnung, beispielsweise die Form eines PT2-Glieds, aufweisen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen ist, bei der dynamischen Vorsteuerung eine zulässige maximale Temperatur innerhalb der Brennstoffzelleneinheit zu berücksichtigen. Hierdurch kann vorteilhaft eine Zuverlässigkeit und Sicherheit beim Betrieb der Brennstoffzelleneinheit weiter verbessert werden. Die Steuer- und/oder Regeleinheit kann dazu vorgesehen sein, bei der dynamischen Vorsteuerung eine zulässige maximale Temperatur für jedes der aus dem Temperaturmodell abgeleiteten Bilanzelemente zu berücksichtigen. Die zulässige maximale Temperatur der Brennstoffzelleneinheit und/oder der Bilanzelemente der Brennstoffzelleinheit kann/können in der Speichereinheit gespeichert sein oder mittels der Recheneinheit, beispielsweise anhand einer in der Speichereinheit gespeicherten Näherungsformel, berechenbar sein. Ferner ist denkbar, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, bei der dynamischen Vorsteuerung zumindest eine erforderliche minimale Temperatur der Brennstoffzelleneinheit und/oder der Bilanzelemente der Brennstoffzelleinheit zu berücksichtigen. Hierdurch kann vorteilhaft eine Effizienz beim Betrieb der Brennstoffzelleneinheit verbessert werden. Die erforderliche minimale Temperatur der Brennstoffzelleneinheit und/oder der Bilanzelemente der Brennstoffzelleinheit kann/können in der Speichereinheit gespeichert sein oder mittels der Recheneinheit, beispielsweise anhand einer in der Speichereinheit gespeicherten Näherungsformel, berechenbar sein.
Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit und zumindest einer Peripheriegerätevorrichtung nach einem der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen. Ein derartiges Brennstoffzellensystem zeichnet sich insbesondere durch die vorhergenannten vorteilhaften Eigenschaften der Peripheriegerätevorrichtung aus.
Die Erfindung geht ferner aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Peripheriegerätevorrichtung für eine Brennstoffzelleneinheit, mit einer Kühlgaszufuhreinheit zur Zufuhr von Kühlgas in die Brennstoffzelleneinheit, mit einer Sensoreinheit zur Detektion einer Kathodenabgastemperatur eines Kathodenabgases der Brennstoffzelleneinheit.
Es wird vorgeschlagen, dass im Falle einer Änderung zumindest eines Betriebsparameters der Brennstoffzelleneinheit ein durch die Kühlgaszufuhreinheit eingespeister Kühlgasmassenstrom zum Erreichen einer Soll-Kathodenabgastemperatur des Kathodenabgases dynamisch vorgesteuert wird. Durch ein derartiges Verfahren kann vorteilhaft eine verbesserte Temperaturführung erreicht werden. Das Verfahren umfasst vorzugsweise zumindest zwei Verfahrensschritte. Vorteilhaft wird in einem ersten Verfahrensschritt des Verfahrens zumindest ein aktueller Betriebsparameter der Brennstoffzelleneinheit ermittelt und im Falle einer Änderung zumindest eines Betriebsparameters der Brennstoffzelleneinheit in einem zweiten Verfahrensschritt des Verfahrens der durch die Kühlgaszufuhreinheit eingespeiste Kühlgasmassenstrom zum Erreichen der Soll-Kathodenabgastemperatur des Kathodenabgases dynamisch vorgesteuert.
Die erfindungsgemäße Peripheriegerätevorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebenen Anwendungen und Ausführungsformen beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Peripheriegerätevorrichtung 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.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, 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.
Es zeigen:

1 ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelleinheit und einer Peripheriegerätvorrichtung, welche eine Kühlgaszufuhreinheit, eine Sensoreinheit und eine Steuer- und/oder Regeleinheit umfasst, in einem stark vereinfachten schematischen Fließschema,
2 ein Temperaturmodell der Brennstoffzelleneinheit in einer schematischen Darstellung,
3 ein schematisches Blockschaltbild der Steuer- und/oder Regeleinheit mit einer Speichereinheit und einer Recheneinheit,
4 ein schematisches Diagramm einer in der Speichereinheit gespeicherten Übertragungsfunktion und
5 ein schematisches Verfahrensfließbild zur Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb der Peripheriegerätevorrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 50 mit einer Brennstoffzelleneinheit 12 und mit einer Peripheriegerätevorrichtung 10 in einem stark vereinfachten schematischen Fließschema.
Die Brennstoffzelleneinheit 12 ist als ein Stack von Festoxidbrennstoffzellen (SOFC-Stack) ausgebildet.
Die Peripheriegerätevorrichtung 10 weist eine Kühlgaszufuhreinheit 14 zur Zufuhr von Kühlgas 16 in die Brennstoffzelleneinheit 12 auf. Die Kühlgaszufuhreinheit 14 umfasst vorliegend ein Gebläse 52 und einen Frequenzumrichter 54. Vorliegend handelt es sich bei dem Kühlgas 16 um Luft.
Die Peripheriegerätevorrichtung 10 umfasst ferner eine Sensoreinheit 18. Die Sensoreinheit 18 ist zur Detektion einer Kathodenabgastemperatur 20 (vgl. 3) eines Kathodenabgases 22 der Brennstoffzelleneinheit 12 vorgesehen und umfasst hierzu ein Temperatursensorelement 56. Die Sensoreinheit 18 ist darüber hinaus zur Detektion einer Eingangstemperatur und zur Detektion eines durch die Kühlgaszufuhreinheit 14 eingespeisten Kühlgasmassenstroms 28 vorgesehen und weist hierzu ein weiteres Temperatursensorelement 58 und ein Massenstromsensorelement 60 auf.
Die Peripheriegerätevorrichtung 10 weist eine Steuer- und/oder Regeleinheit 24 zur Steuerung der Kühlgaszufuhreinheit 14 auf. Vorliegend ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 dazu vorgesehen, das Gebläse 52 der Kühlgaszufuhreinheit 14 zu steuern und hierzu eine Gebläseantriebsfrequenz des Frequenzumrichters 54 vorzugeben.
Die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 ist dazu vorgesehen, im Falle eine Änderung zumindest eines Betriebsparameters 26 (vgl. 3) der Brennstoffzelleneinheit 12 den durch die Kühlgaszufuhreinheit 14 eingespeisten Kühlgasmassenstrom 28 zum Erreichen einer Soll-Kathodenabgastemperatur 30 (vgl. 3) des Kathodenabgases 22 dynamisch vorzusteuern.
Die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 umfasst eine Speichereinheit 32. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 weist zudem eine Recheneinheit 62 auf, welche beispielsweise als ein Mikroprozessor ausgebildet sein kann.
In der Speichereinheit 32 ist zumindest ein Temperaturmodell 34 der Brennstoffzelleneinheit 12 gespeichert. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 ist dazu vorgesehen, das Temperaturmodell 34 zu der dynamischen Vorsteuerung der Kühlgaszufuhreinheit 14 zu berücksichtigen.
2 zeigt das Temperaturmodell 34 der Brennstoffzelleneinheit 12 in einer schematischen Darstellung. Es handelt sich bei dem Temperaturmodell 34 um ein vereinfachtes Modell, wobei vereinfachend davon ausgegangen wird, dass ein idealer Wärmeübergang von dem Kühlgasmassenstrom 28 an die Brennstoffzelleneinheit 12 besteht. Vorliegend umfasst das Temperaturmodell 34 beispielhaft drei Bilanzelemente 36, 38, 40. Dem Fachmann ist bewusst, dass das Temperaturmodell 34, entsprechend den Genauigkeitsanforderungen sowie der zur Verfügung stehenden Rechenleistung der Recheneinheit 62, selbstverständlich auch eine höhere Anzahl von Bilanzelementen aufweisen könnte.
Die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 ist dazu vorgesehen, den erforderlichen Kühlgasmassenstrom 28 zum Erreichen der Soll-Kathodenabgastemperatur 30 aus dem Temperaturmodell 34 zu bestimmen. Das Temperaturmodell 34 berücksichtigt eine Eingangstemperatur 74 des Kühlgasmassenstroms 28, welche beispielsweise mittels des weiteren Temperatursensorelements 58 der Sensoreinheit 18 bestimmt werden kann.
Die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 ist dazu vorgesehen, zu der Bestimmung des erforderlichen Kühlgasmassenstroms 28 eine Energiebilanz für zumindest zwei Bilanzelemente 36, 38, 40 der Brennstoffzelleneinheit 12 aus dem Temperaturmodell 34 abzuleiten. Vorliegend ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 dazu vorgesehen, zu der Bestimmung des erforderlichen Kühlgasmassenstroms 28 eine Energiebilanz für ein erstes Bilanzelement 36, ein zweites Bilanzelement 38 und ein drittes Bilanzelement 40 der Brennstoffzelleneinheit 12 aus dem Temperaturmodell 34 abzuleiten.
Die Energiebilanz für jedes der Bilanzelemente 36, 38, 40 der Brennstoffzelleinheit 12 besteht jeweils aus zumindest drei Termen. Ein erster Term umfasst eine Änderung der Energie im jeweiligen Bilanzelement 36, 38, 40 bestehend aus der zeitlichen Ableitung der Temperatur multipliziert mit der Wärmekapazität des Kühlgases 16 und der Masse des jeweiligen Bilanzelements 36, 38, 40. Ein zweiter Term umfasst einen Energiebeitrag der ein- und ausströmenden Gasmasse, welcher sich aus dem Produkt der Wärmekapazität mit dem Kühlgasmassenstrom 28 und einer Temperaturdifferenz in dem jeweiligen Bilanzelement 36, 38, 40 zusammensetzt. Alle weiteren Energiebeiträge werden in einem dritten Term zusammengefasst und umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, beispielsweise einen Energiebeitrag eines Anodengasmassenstroms (nicht dargestellt), ohmsche Verluste in der Brennstoffzelleneinheit 12 und dergleichen. In den nachfolgenden Gleichungen sind die Energiebilanzen aufgeführt, wobei die Gleichung (1) eine Energiebilanz des ersten Bilanzelements 36, die Gleichung (2) ein Energiebilanz des zweiten Bilanzelements 38 und die Gleichung (3) eine Energiebilanz des dritten Bilanzelements 40 angibt: $c_{m} \frac{d T_{0}}{d t} = c_{p} {\dot{m}}_{a i r} (T_{i n} - T_{0}) + Δ H_{0}$
$c_{m} \frac{d T_{1}}{d t} = c_{p} {\dot{m}}_{a i r} (T_{0} - T_{1}) + Δ H_{1}$
$c_{m} \frac{d T_{2}}{d t} = c_{p} {\dot{m}}_{a i r} (T_{1} - T_{2}) + Δ H_{2}$
In den Gleichungen (1) bis (3) steht c_m für das Produkt aus Wärmekapazität und Masse des jeweiligen Bilanzelements, T₀ für die Temperatur in dem ersten Bilanzelement 36, t für die Zeit, c_p für die Wärmekapazität des Kühlgases, ṁ_air für den Kühlgasmassenstrom 28, T_in für eine Eingangstemperatur des Kühlgasmassenstroms 28, ΔH₀ für weitere Energiebeiträge in dem ersten Bilanzelement 36, T₁ für die Temperatur in dem zweiten Bilanzelement 38, ΔH₁ für weitere Energiebeiträge in dem zweiten Bilanzelement 38, T₂ für die Temperatur in dem dritten Bilanzelement 40 und ΔH₂ für weitere Energiebeiträge in dem dritten Bilanzelement 40. Die weiteren Energiebeiträge ΔH₁, ΔH₂ und ΔH₁ sind in der Speichereinheit 32 in Abhängigkeit des zumindest einen Betriebsparameters 26 gespeichert.
Durch Umstellen der Gleichung (3) ergibt sich, dass eine konstante Temperatur T₂, welche der Soll-Kathodenabgastemperatur 30 entsprechen soll, erhalten werden kann, wenn der Kühlgasmassenstrom 28 anhand nachfolgender Gleichung (4) berechnet wird: ${\dot{m}}_{a i r} = \frac{Δ H_{2}}{c_{m} (T_{2} - T_{1})}$
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Steuer- und/oder Regeleinheit 24. In der Speichereinheit 32 ist eine Kathodenabgastemperaturfunktion 42 einer stationären Soll-Kathodenabgastemperatur 30 des Kathodenabgases 22 in Abhängigkeit von zumindest einem Betriebsparameter 26 der Brennstoffzelleneinheit 12 gespeichert. Bei dem Betriebsparameter 26 der Brennstoffzelleinheit 12 kann es sich beispielsweise um einen Wert eines elektrischen Stroms handeln, welchen die Brennstoffzelleneinheit 12 bei einem bestimmten Betriebspunkt liefert. Die Kathodenabgastemperaturfunktion 42 könnte also beispielsweise als eine Kennlinie der stationären Soll-Kathodenabgastemperatur 30 über den durch die Brennstoffzelleneinheit 12 bereitgestellten elektrischen Strom ausgebildet sein. Denkbar ist auch, dass in der Kathodenabgastemperaturfunktion 42 weitere Betriebsparameter (nicht dargestellt) der Brennstoffzelleneinheit 12, beispielsweise ein Stack-Alter, Temperaturen innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 12, Massenströme, Gasqualitäten von zum Betrieb der Brennstoffzelleinheit 12 verwendeten Brenngasen, Umgebungsbedingungen und dergleichen berücksichtigt sind und dass die Kathodenabgastemperaturfunktion 42 als ein entsprechendes Kennlinienfeld ausgebildet ist, anhand dessen eine für einen aktuellen Betriebspunkt erforderliche stationäre Soll-Kathodenabgastemperatur 30 ableitbar ist.
Die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 ist dazu vorgesehen, eine Abweichung zwischen einer mittels der Sensoreinheit 18 detektierten Kathodenabgastemperatur 20 und einer aus der Kathodenabgastemperaturfunktion 42 bestimmten stationären Soll-Kathodenabgastemperatur 64 zu bestimmen. Im Falle einer Abweichung zwischen detektierter Kathodenabgastemperatur 20 und der stationären Soll-Kathodenabgastemperatur 64, ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 dazu vorgesehen, mittels dynamischer Vorsteuerung des durch die Kühlgaszufuhreinheit 14 eingespeisten Kühlgasmassenstroms 28 die detektierte Kathodenabgastemperatur 20 an die stationäre Soll-Kathodenabgastemperatur 64 anzunähern. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 ist dazu vorgesehen, zu der Annäherung der detektierten Kathodenabgastemperatur 20 an die stationäre Soll-Kathodenabgastemperatur 64 eine in der Speichereinheit 32 gespeicherte Übertragungsfunktion 44 heranzuziehen. Anhand der Übertragungsfunktion 44 wird ein dynamischer Sollwert für die Soll-Kathodenabgastemperatur 30 definiert. Die Übertragungsfunktion 44 umfasst eine Zeitkonstante 46, welche von zumindest einem Betriebsparameter 26 der Brennstoffzelleneinheit 12 abhängig ist. Die Zeitkonstante 46 ist in der Speichereinheit 32 in Abhängigkeit des zumindest einen Betriebsparameters 26 gespeichert. Die Übertragungsfunktion 44 kann durch die nachfolgende Differenzialgleichung (5) beschrieben werden: ${\dot{T}}_{D e s D y n} = \frac{T_{D e s} - T_{D e s D y n}}{t_{63}}$
wobei Ṫ_DesDyn für die zeitliche Ableitung des dynamischen Sollwerts für die Soll-Kathodenabgastemperatur 30, T_DesDyn für den dynamischen Sollwert der Soll-Kathodenabgastemperatur 30, T_Des für die stationäre Soll-Kathodenabgastemperatur 64 und t₆₃ für die Zeitkonstante 46 stehen. Wird Gleichung (5) nun mit Gleichung (3) gleichgesetzt ergibt sich folgende Gleichung (6): ${\dot{T}}_{D e s D y n} = \frac{c_{p} {\dot{m}}_{a i r} (T_{1} - T_{2}) + Δ H_{2}}{c_{m}}$
Gleichung (6) kann dann wie folgt nach dem Kühlgasmassenstrom 28 aufgelöst werden: ${\dot{m}}_{a i r} = \frac{Δ H_{2} - c_{m} {\dot{T}}_{D e s D y n}}{c_{p} (T_{2} - T_{1})}$
Eine Berechnung des erforderlichen Kühlgasmassenstroms 28 erfolgt durch die Recheneinheit 62 für jedes der Bilanzelemente 36, 38, 40 analog. Entsprechend der Gleichung (6) können auch die Gleichungen (1) und (2) mit der Gleichung (5) gleichgesetzt und nach dem Kühlgasmassenstrom ṁ_air umgestellt werden. Bei der Berechnung wird immer das letzte Bilanzelement, vorliegend also das dritte Bilanzelement 40, als das zu regelnde Element herangezogen. Da die Gleichung (7) eine Singularität aufweist, wenn die Temperatur T₁ in dem zweiten Bilanzelement 38 der Temperatur T₂ in dem dritten Bilanzelement 40 entspricht, ist in der Speichereinheit 32 eine Mindesttemperaturdifferenz zwischen den Temperaturen der Bilanzelemente 36, 38, 40 gespeichert. Wird diese Mindesttemperaturdifferenz zwischen zwei der Bilanzelemente 38, 40 nicht erreicht, so ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 dazu vorgesehen, zu prüfen, ob die Mindesttemperaturdifferenz für die nächsten beiden davor liegenden Bilanzelemente 36, 38 erfüllt ist. Erfüllt keines der Bilanzelemente 36, 38, 40 die Anforderungen an die Mindesttemperaturdifferenz, so ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 dazu vorgesehen, mit einem stationär notwendigen Kühlgasmassenstrom (nicht dargestellt) vorzusteuern. In diesem Fall ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 dazu vorgesehen, den stationäre Sollwert T_Des für die stationäre Soll-Kathodenabgastemperatur 30 mit der Temperatur T₂ des dritten Bilanzelements 40 gleichzusetzen. Ferner ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 24, für den stationären Fall, dazu vorgesehen, die Gleichungen (1) bis (3) jeweils gleich Null zu setzen und nach den Unbekannten T₁; T₂ und ṁ_air aufzulösen. Alternativ kann die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 auch dazu vorgesehen sein, anstatt des stationären Sollwerts T_Des die mittels der Sensoreinheit 18 detektierte Kathodenabgastemperatur 20 als Temperatur T₂ des dritten Bilanzelements 40 zu verwenden und eine Solltrajektorie in jedem Rechenschritt neu zu starten.
Die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 ist dazu vorgesehen, bei der dynamischen Vorsteuerung eine zulässige maximale Temperatur 48 innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 12 zu berücksichtigen. Die zulässige maximale Temperatur 48 ist in der Speichereinheit 32 in Abhängigkeit von zumindest einem Betriebsparameter 26 gespeichert. Vorzugsweise ist in der Speichereinheit 32 für jedes der Bilanzelemente 36, 38, 40 des Temperaturmodells 34 eine eigene zulässige maximale Temperatur (nicht dargestellt) gespeichert, wobei die Steuer- und/oder Regeleinheit 24 dazu vorgesehen ist, diese zu berücksichtigen. Für die zulässige maximale Temperatur des dritten Bilanzelements 40, welche der zulässigen maximalen Temperatur 48 innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 12 entspricht, ergibt sich der folgende näherungsweise Zusammenhang: $c_{m} \frac{d T_{2}}{d t} = c_{p} {\dot{m}}_{a i r} (T_{1} - T_{2}) + Δ H_{2} \approx c_{m} (\frac{T_{2 M a x} - T_{2}}{Δ t})$
wobei T_2Max für die zulässige maximale Temperatur des dritten Bilanzelements 40 steht. Aus Gleichung (8) kann durch die Recheneinheit 62 ein minimaler erforderlicher Wert für den Kühlgasmassenstrom 28 berechnet werden, welcher notwendig ist, um die zulässige maximale Temperatur T_2Max in dem dritten Bilanzelement 40 nicht zu überschreiten: ${\dot{m}}_{a i r M i n_{2}} = \frac{Δ H_{2} + c_{m} (\frac{T_{2 M a x} - T_{2}}{Δ t})}{c_{p} (T_{2} - T_{1})}$
wobei ṁ_airMin2 in obiger Gleichung (9) für den minimal erforderlichen Wert des Kühlgasmassenstroms 28 steht.
4 zeigt ein schematisches Diagramm der Übertragungsfunktion 44. Auf einer Abszisse 66 des Diagramms ist eine Zeit aufgetragen. Auf einer Ordinate 68 des Diagramms ist eine Temperatur des Kathodenabgases 22 aufgetragen. Die Übertragungsfunktion 44 weist ein Übertragungsverhalten mit einer Verzögerung 1. Ordnung auf. Vorliegend weist die Übertragungsfunktion 44 die Form eines PT1-Glieds auf. In einem zeitlichen Verlauf nähert sich der Wert der Übertragungsfunktion 44 an die stationäre Soll-Kathodenabgastemperatur 64 an. Alternativ zu einer PT1-Form könnten für die Übertragungsfunktion 44 jedoch auch andere Ansätze gewählt werden. Beispielsweise könnte die Übertragungsfunktion 44 die Form einer Geraden oder die Form eines Splines oder ein Übertragungsverhalten mit einer Verzögerung höherer Ordnung, beispielsweise die Form eines PT2-Glieds, aufweisen.
5 zeigt eine schematisches Verfahrensfließbild eines Verfahrens zum Betrieb der Peripheriegerätevorrichtung 10. Das Verfahren umfasst zumindest zwei Verfahrensschritte 70, 72. In einem ersten Verfahrensschritt 70 des Verfahrens wird ein aktueller Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinheit 12 bestimmt, wobei zumindest ein Betriebsparameter 26 der Brennstoffzelleneinheit 12 ermittelt wird. Im Falle einer Änderung des zumindest einen Betriebsparameters 26 wird in einem zweiten Verfahrensschritt 72 des Verfahrens der durch die Kühlgaszufuhreinheit 14 eingespeiste Kühlgasmassenstrom 28 zum Erreichen der Soll-Kathodenabgastemperatur 30 des Kathodenabgases 22 dynamisch vorgesteuert.

Claims

Peripheriegerätevorrichtung (10) für eine Brennstoffzelleneinheit (12), mit einer Kühlgaszufuhreinheit (14) zur Zufuhr von Kühlgas (16), insbesondere Luft, in die Brennstoffzelleneinheit (12), mit einer Sensoreinheit (18) zur Detektion einer Kathodenabgastemperatur (20) eines Kathodenabgases (22) der Brennstoffzelleneinheit (12) und mit einer Steuer- und/oder Regeleinheit (24) zur Steuerung der Kühlgaszufuhreinheit (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (24) dazu vorgesehen ist, im Falle einer Änderung zumindest eines Betriebsparameters (26) der Brennstoffzelleneinheit (12) einen durch die Kühlgaszufuhreinheit (14) eingespeisten Kühlgasmassenstrom (28) zum Erreichen einer Soll-Kathodenabgastemperatur (30) des Kathodenabgases (22) dynamisch vorzusteuern.
Peripheriegerätevorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (24) eine Speichereinheit (32) umfasst, in welcher zumindest ein Temperaturmodell (34) der Brennstoffzelleneinheit (12) gespeichert ist, wobei die Steuer- und/oder Regeleinheit (24) dazu vorgesehen ist, das Temperaturmodell (34) zu der dynamischen Vorsteuerung der Kühlgaszufuhreinheit (14) zu berücksichtigen.
Peripheriegerätevorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (24) dazu vorgesehen ist, einen erforderlichen Kühlgasmassenstrom (28) zum Erreichen der Soll-Kathodenabgastemperatur (30) aus dem Temperaturmodell (34) zu bestimmen.
Peripheriegerätevorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (24) dazu vorgesehen ist, zu der Bestimmung des erforderlichen Kühlgasmassenstroms (28) eine Energiebilanz für zumindest zwei Bilanzelemente (36, 38, 40) der Brennstoffzelleneinheit (12) aus dem Temperaturmodell (34) abzuleiten.
Peripheriegerätevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Speichereinheit (32) eine Kathodenabgastemperaturfunktion (42) einer stationären Soll-Kathodenabgastemperatur (64) des Kathodenabgases (22) in Abhängigkeit von zumindest einem Betriebsparameter (26) der Brennstoffzelleneinheit (12) gespeichert ist.
Peripheriegerätevorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (24) dazu vorgesehen ist, eine Abweichung zwischen einer mittels der Sensoreinheit (18) detektierten Kathodenabgastemperatur (20) und einer aus der Kathodenabgastemperaturfunktion (42) bestimmten stationären Soll-Kathodenabgastemperatur (64) zu bestimmen.
Peripheriegerätevorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (24), im Falle einer Abweichung zwischen detektierter Kathodenabgastemperatur (20) und stationärer Soll- Kathodenabgastemperatur (64), dazu vorgesehen ist, mittels dynamischer Vorsteuerung des durch die Kühlgaszufuhreinheit (14) eingespeisten Kühlgasmassenstroms (28) die detektierte Kathodenabgastemperatur (20) an die stationäre Soll-Kathodenabgastemperatur (64) anzunähern.
Peripheriegerätevorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (24) dazu vorgesehen ist, zu der Annäherung der detektierten Kathodenabgastemperatur (20) an die stationäre Soll-Kathodenabgastemperatur (64) eine in der Speichereinheit (32) gespeicherte Übertragungsfunktion (44) heranzuziehen.
Peripheriegerätevorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion (44) eine Zeitkonstante (46) umfasst, welche von zumindest einem Betriebsparameter (26) der Brennstoffzelleneinheit (12) abhängig ist.
Peripheriegerätevorrichtung (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion (44) ein Übertragungsverhalten mit einer Verzögerung 1. Ordnung aufweist.
Peripheriegerätevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (24) dazu vorgesehen ist, bei der dynamischen Vorsteuerung eine zulässige maximale Temperatur (48) innerhalb der Brennstoffzelleneinheit (12) zu berücksichtigen.
Brennstoffzellensystem (50) mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit (12) und zumindest einer Peripheriegerätevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betrieb einer Peripheriegerätevorrichtung (10) für eine Brennstoffzelleneinheit (12), mit einer Kühlgaszufuhreinheit (14) zur Zufuhr von Kühlgas (16) in die Brennstoffzelleneinheit (12), mit einer Sensoreinheit (18) zur Detektion einer Kathodenabgastemperatur (20) eines Kathodenabgases (22) der Brennstoffzelleneinheit (12), dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Änderung zumindest eines Betriebsparameters (28) der Brennstoffzelleneinheit (12) ein durch die Kühlgaszufuhreinheit (14) eingespeister Kühlgasmassenstrom (28) zum Erreichen einer Soll-Kathodenabgastemperatur (30) des Kathodenabgases (22) dynamisch vorgesteuert wird.