EP4681266A1 - Regelungseinrichtung für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

Regelungseinrichtung für ein brennstoffzellensystem

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EP4681266A1
EP4681266A1 EP24710624.8A EP24710624A EP4681266A1 EP 4681266 A1 EP4681266 A1 EP 4681266A1 EP 24710624 A EP24710624 A EP 24710624A EP 4681266 A1 EP4681266 A1 EP 4681266A1
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EP
European Patent Office
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air
fuel cell
humidity
mass flow
air supply
Prior art date
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Pending
Application number
EP24710624.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian Nicolay
Biljana PANKOVA
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Filing date
Publication date
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    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/04514—Humidity; Ambient humidity; Water content of anode exhausts

Definitions

  • the present invention relates to a control device for a fuel cell system.
  • the relative humidity in a fuel cell system can be relevant for optimizing its performance.
  • System components such as humidifiers can be used to regulate this, with such a humidification device being arranged in an air supply line of the fuel cell.
  • the present invention is based on the technical problem of specifying an advantageous control device for a fuel cell system.
  • the control device is directed to a fuel cell system which, in addition to at least one fuel cell, has an air supply line with an air supply device and an air humidification device.
  • the latter is provided for humidifying the air in the air supply line, i.e. the air supplied to the fuel cell.
  • the control device further comprises an air humidity detection device for determining an air humidity, as well as a first and second control loop.
  • the air mass flow is controlled with the first control loop as a function of the determined air humidity, whereas a humidification parameter of the air humidification device is controlled with the second control loop (as a function of the determined air humidity and/or the air mass flow).
  • the control of the air mass flow as a function of the determined
  • the control of the measured humidity with the first control loop can in particular include or be an adjustment of the air mass flow to adjust the humidity, which can, for example, be determined continuously.
  • the humidity detection device can, for example, be arranged in the air supply line.
  • the humidity detection device detects or estimates a humidity at the outlet of the fuel cell as a function of the inlet conditions.
  • the second control loop can regulate or adjust the humidification parameter of the air humidification device depending on the detected or estimated air humidity and/or depending on the air mass flow, in particular in the air supply line.
  • the humidification parameter can be controlled in such a way that, by means of a corresponding or required adjustment of the humidification parameter, the air humidity and/or the air mass flow, in particular in the air supply line and/or in front of the fuel cell, (in each case) returns to the relevant setpoint value, i.e. the setpoint air humidity or the setpoint air mass flow, maintains it and/or is set to it.
  • the relevant setpoint value i.e. the setpoint air humidity or the setpoint air mass flow
  • This combination of the first and second control loops can be advantageous, for example, in that the adjustment of the air mass flow, which the first control loop is aimed at, can be implemented relatively quickly.
  • the first control loop can act on the air supply device, for example by adjusting a controllable valve and/or by changing the pump output.
  • the variation in the air mass flow or air ratio air stoichiometry
  • a humidification parameter is adjusted using the second control loop.
  • the humidification parameter can be controlled depending on the determined air humidity, in particular indirectly via the first control loop, and additionally, simultaneously or alternatively depending on the air mass flow and/or the deviation in the air mass flow, i.e. for example depending on the control intervention of the first control loop.
  • a temporary deviation from the target air ratio with the first control loop a period is bridged until the adjustment of the humidification parameter with the second control loop takes effect.
  • this can be advantageous, for example, despite a temporarily suboptimal air ratio; the process window with regard to the optimal humidity can, for example, be comparatively small.
  • control device for a fuel cell system should always also be disclosed with regard to a "fuel cell system” with such a control device, which therefore includes the control device with air humidity detection device and first and second control loop in addition to the fuel cell, air supply line (with air supply device) and air humidification device.
  • one approach here is to adjust the humidity during operation of a fuel cell with a first and a second control loop, whereby a short-term or rapid change the humidity, but over time the long-term adjustment takes place via the second control loop (and thus the intervention of the first control loop can be reduced).
  • the “humidity detection device” is provided to determine the humidity.
  • the “determination” can be a recording in the sense of a measurement and/or an estimation, for example a calculation, e.g. a rough calculation.
  • the air humidity detection device has an observer (estimator) that is set up to estimate the air humidity. This is preferably done on the basis of mass balances, so for example the amount of water at the outlet of the fuel cell can be estimated as a function of the inlet conditions.
  • the following characteristic values of the fuel cell system can be included in the estimate: an inlet pressure and/or an outlet pressure and/or an air mass flow, in particular an inflowing air mass flow and/or an air mass flow at the outlet of the fuel cell, and/or a temperature, in particular a temperature of the inflowing air and/or a temperature at the outlet of the fuel cell, and/or a temperature at the outlet of a cooling system and/or a current emitted by the fuel cell or the stack and/or an air humidity, e.g. a relative or absolute air humidity, at the inlet.
  • the air humidity at the inlet can also be measured, see below in detail.
  • the estimator can, for example, reduce the system complexity, e.g. at least reduce the scope of necessary humidity measurements. For example, the need for complex moisture detection, especially by a sensor, at the outlet of the fuel cell can be eliminated.
  • the humidity detection device is designed without a humidity sensor at the outlet of the fuel cell or the stack, in other words, there is no sensor for detecting the humidity at the outlet.
  • this should not rule out any sensors there; for example, a temperature sensor could be provided.
  • a design with no sensors at the outlet is preferred, so there is no sensor at the outlet. no sensors.
  • reduced system complexity whereby humidity measurements in particular can be comparatively complex.
  • the humidity at the outlet of the fuel cell can also be measured, i.e. a humidity sensor can be arranged at the outlet.
  • a humidity sensor can be arranged at the outlet.
  • This variant can be combined with the estimator, for example, to allow a control of the estimated values, but the humidity measured at the outlet can also be used, for example, to estimate the humidity in the air supply line.
  • the humidity detection device has a sensor with which the humidity is measured on the inlet side during operation, preferably in the air supply line.
  • the control device can then also be designed without an estimator, for example, but an estimator can also be provided in combination with humidity sensors on the inlet and outlet sides (e.g. double control).
  • an estimator can also be provided in combination with humidity sensors on the inlet and outlet sides (e.g. double control).
  • the "humidification parameter" to which the second control loop is directed can, in general terms, be, for example, a setting value of the air humidification device that influences the degree of air humidification by the air humidification device.
  • the humidification parameter can, for example, be a temperature of the humidifier, a water quantity or a pressure in the humidifier, but also, for example, a bypass or mixing ratio and/or the mass flow in the air humidification device.
  • the air humidification device can comprise, generally also in combination or in particular alternatively, a bubble humidifier, a membrane humidifier, a Evaporator, a water injection device and/or a device for mixing different air streams with different humidities or can be such.
  • the humidification parameter(s) can be, for example, a water quantity and/or temperature and/or pressure.
  • a bypass ratio and/or mass flows can be adjusted to set the air humidity.
  • the humidity in the incoming air streams can be adjusted (e.g. by adjusting a humidifier arranged there accordingly) or the mixing ratio in particular can be adjusted using the second control loop.
  • the humidification parameter controlled in the second control loop is:
  • a temperature of the air humidification device in particular in the case of a bubble humidifier as the air humidification device,
  • an operating parameter of a membrane humidifier e.g. bypass ratio, mass flow, especially in the case of a membrane humidifier as an air humidification device,
  • an evaporation parameter e.g. water quantity, temperature, pressure, especially in the case of an evaporator as an air humidification device,
  • the control device is set up in such a way that if the determined air humidity, in particular at the outlet of the fuel cell, in the fuel cell, in the air supply line and/or in the air supply device, is outside a predetermined range, in a first step the air mass flow is controlled with the first control loop in such a way that the air humidity returns to the predefined range. Due to this control intervention, the air mass flow in the air supply line then temporarily deviates from a target mass flow. By adjusting the humidification parameter of the air humidification device after the first step or in parallel, the air mass flow can, however, approach or assume the target mass flow again, whereby the changed humidification parameter does not cause the predetermined air humidity range to be exceeded.
  • the application also relates to a fuel cell system with at least one fuel cell, an air supply line with an air supply device for regulating the air mass flow that is supplied to the fuel cell, and an air humidification device. Furthermore, the fuel cell system has a control device as discussed above with a humidity detection device, as well as with a first and second control loop.
  • the at least one fuel cell can in particular be part of a fuel cell stack (so-called stack) in which several fuel cells are placed next to one another.
  • the fuel cell or stack can be supplied with a reaction gas, usually hydrogen, in addition to the air or, in general terms, the oxygen. This can be converted into water with the oxygen, and the energy released can be used electrically to generate electricity.
  • the application further relates to a drive system, in particular for an aircraft, wherein the drive system has a control device disclosed here, in particular a fuel cell system with such a control device.
  • the application also concerns an aircraft with such a propulsion system.
  • the application is also directed to a method for controlling a fuel cell system, wherein in a first step it is determined whether the air humidity is within a predetermined range. In a further step, in the event of a deviation, the air mass flow is controlled so that the air humidity returns to the predetermined range. Furthermore, subsequently or simultaneously, a humidification parameter of the air humidification device is set or controlled so that the air mass flow again approaches or can assume the target value, but the air humidity remains within the predefined range.
  • Figure 1 shows a fuel cell system in schematic representation
  • Figure 2 shows a control device for the fuel cell system according to Figure 1 in a schematic diagram
  • Figure 3 shows a schematic representation of an aircraft with a fuel cell propulsion system.
  • Fig. 1 shows a fuel cell system 1 which comprises several fuel cells 2. These are assembled into a stack 3 and are held together by end cover plates 4 which are braced against each other (not shown in detail).
  • the fuel cells 2 are supplied with air 7 from an air supply device 6 via an air supply line 5.
  • the air supply device 6 comprises an air reservoir 8 and a mass flow regulator 9.
  • An air humidification device 10 is also arranged in the air supply line 5, for example a bubble humidifier 10.1 and/or a membrane humidifier 10.2.
  • the air humidification device 10 can be connected to a water reservoir 11, for example.
  • no air reservoir 8 is provided, but the air is taken directly from the environment.
  • the mass flow controller 9 comprises or consists of a compressor.
  • a process gas supply line 15 is also provided, via which fuel, e.g. hydrogen, is supplied to the fuel cells 2.
  • fuel e.g. hydrogen
  • a cooling circuit 16 shown only schematically here, via which a cooling fluid can flow through the fuel cell stack 3 during operation.
  • the proportion of unreacted air can be discharged in an air discharge line 18, for example together with water as a chemical reaction product of power generation.
  • Fig. 2 shows a control device 20 with which the air humidity RH in a fuel cell system 1 according to Figure 1 can be controlled.
  • the air humidity RH can be specified, for example, as relative air humidity or absolute air humidity and is not limited to a specific humidity level in the present disclosure.
  • the control device 20 initially has a humidity detection device 21 with which the humidity RH can be determined.
  • the humidity detection device 21 is equipped with an observer 22 or estimator and a sensor 23.
  • the sensor 23 detects the humidity RHi n in the air supply line 5.
  • the estimator uses mass balances to estimate or determine an air humidity RHout at the outlet 17 of the fuel cell 2 based on the air humidity RHin. As an alternative to the estimate or in combination with it, this could also be measured using a sensor 24, which is optionally shown accordingly.
  • the estimator can use other variables 25 to determine RHout, for example an inlet pressure and/or an outlet pressure and/or an inflowing air mass flow and/or a temperature of the inflowing air and/or a temperature at the outlet of the cooling system 16 and/or a current emitted by the fuel cell 2 or the stack 3.
  • the humidity is set or adjusted using the control device 20.
  • the control device 20 comprises a first control loop 31, which uses a controller 32, e.g. a PI controller, to control the air mass flow controller 9 (see also Figure 1) and thus the air mass flow 35 in the air supply line 5 in such a way that the humidity is again within a predefined range.
  • a controller 32 e.g. a PI controller
  • a second control loop 41 determines the deviation of the air mass flow 35 from the setpoint.
  • a controller 42 of the second control loop 41 for example a PI controller, then causes a change in an operating parameter 45 of the air humidification device 10 (see also Figure 1).
  • the operating parameter 45 is set with the second control loop 41 so that the air humidity remains within the predefined range, even if the air mass flow 35 is reset to its setpoint, for example step by step or continuously.
  • the operating parameter 45 can be, for example, the temperature 45.1 in the case of a bubble humidifier or a bypass ratio in the case of a membrane humidifier. 45.2 or mass flows 45.3.
  • a value to which the operating parameter 45 is to be set can be read out from a table 46, for example.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of an aircraft 60 which has a drive system 61. This comprises an electric motor 62 as well as a propeller 63 and a fuel cell system 1 with a control device 20 which supplies the electric motor 62 with electrical power.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein Brennstoffzellensystem eines Antriebssystems eines Luftfahrzeugs, welches zumindest eine Brennstoffzelle, eine Luftzufuhrleitung mit einer Luftzufuhreinrichtung zum Regeln eines Luftmassenstroms, der der Brennstoffzelle zugeführt wird, und eine Luftbefeuchtungseinrichtung zum Befeuchten der Luft in der Luftzufuhrleitung aufweist, gekennzeichnet durch eine Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung zum Erfassen bzw. Abschätzen einer Luftfeuchtigkeit eine erste Regelschleife zum Regeln des Luftmassenstroms in Abhängigkeit von der erfassten bzw. abgeschätzten Luftfeuchtigkeit und eine zweite Regelschleife zum Regeln eines Befeuchtungsparameters der Luftbefeuchtungseinrichtung in Abhängigkeit von der erfassten bzw. abgeschätzten Luftfeuchtigkeit und/oder des Luftmassenstroms.

Description

REGELUNGSEINRICHTUNG FÜR EIN BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
BESCHREIBUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem.
Stand der Technik
Für eine Optimierung der Leistung eines Brennstoffzellensystems kann bspw. die relative Luftfeuchtigkeit in diesem System von Relevanz sein. Für deren Regelung können bspw. Systemkomponenten wie Luftbefeuchter Anwendung finden, wobei eine solche Luftbefeuchtungseinrichtung hierfür in einer Luftzufuhrleitung der Brennstoffzelle angeordnet wird.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine vorteilhafte Regelungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem anzugeben.
Die Regelungseinrichtung gemäß Anspruch 1 richtet sich auf ein Brennstoffzellensystem, das zusätzlich zu zumindest einer Brennstoffzelle eine Luftzufuhrleitung mit einer Luftzufuhreinrichtung sowie eine Luftbefeuchtungseinrichtung aufweist. Letztere ist zum Befeuchten der Luft in der Luftzufuhrleitung vorgesehen, also der der Brennstoffzelle zugeführten Luft. Die Regelungseinrichtung umfasst ferner eine Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung zum Ermitteln einer Luftfeuchtigkeit, sowie eine erste und zweite Regel schleife. Dabei wird mit der ersten Regelschleife der Luftmassenstrom in Abhängigkeit von der ermittelten Luftfeuchtigkeit geregelt, wohingegen mit der zweiten Regelschleife ein Befeuchtungsparameter der Luftbefeuchtungseinrichtung geregelt wird (in Abhängigkeit von der ermittelten Luftfeuchtigkeit und/oder dem Luftmassenstrom). Das Regeln des Luftmassenstroms in Abhängigkeit von der ermit- telten Luftfeuchtigkeit mit der ersten Regelschleife kann dabei insbesondere eine Anpassung des Luftmassenstroms zur Einstellung der Luftfeuchtigkeit, welche beispielsweise kontinuierlich ermittelt werden kann, umfassen oder sein.
Die Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung kann beispielsweise in der Luftzufuhrleitung angeordnet sein.
Die Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung kann die Luftfeuchtigkeit am Austritt der Brennstoffzelle, in der Brennstoffzelle und/oder in der Luftzufuhrleitung erfassen oder abschätzen.
In einer Ausführung wird durch die Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung eine Luftfeuchtigkeit am Austritt der Brennstoffzelle als Funktion der Eintrittsbedingungen erfasst oder abgeschätzt.
Die zweite Regelschleife kann den Befeuchtungsparameter der Luftbefeuchtungseinrichtung in Abhängigkeit von der erfassten bzw. abgeschätzten Luftfeuchtigkeit und/oder in Abhängigkeit des Luftmassenstroms, insbesondere in der Luftzufuhrleitung, regeln oder einstellen.
Dabei kann der Befeuchtungsparameter so geregelt werden, dass durch eine entsprechende oder benötigte Anpassung des Befeuchtungsparameters die Luftfeuchtigkeit und/oder der Luftmassenstrom, insbesondere in der Luftzufuhrleitung und/oder vor der Brennstoffzelle, (jeweils) auf den betreffenden Sollwert, d.h. die Soll-Luftfeuchtigkeit bzw. den Soll-Luftmassenstrom, zurückkehrt, diesen beibehält und/oder auf diesen eingestellt wird.
Diese Kombination aus erster und zweiter Regelschleife kann bspw. dahingehend von Vorteil sein, dass die Anpassung des Luftmassenstroms, auf den sich die erste Regelschleife richtet, vergleichsweise schnell umgesetzt werden kann. Dazu kann die erste Regelschleife auf die Luftzufuhreinrichtung einwirken, bspw. durch Verstellen eines steuerbaren Ventils und/oder durch Veränderung einer Pumpleistung. Durch die Variation des Luftmassenstroms bzw. Luftverhältnisses (Luftstöchiometrie) kommt es jedoch nicht nur zu einer Änderung der Feuchtigkeit, sondern auch zu einer Abweichung vom eigentlichen Soll-Luftverhältnis, weswegen die Einstellung der Luftfeuchtigkeit allein über den Luftmassenstrom mit Blick auf den dauerhaften Betrieb nachteilig wäre. Deshalb wird mit der zweiten Reglerschleife ein Befeuchtungsparameter angepasst.
Diese Einstellung bzw. deren Wirksamwerden dauert zwar z. B. im Verhältnis länger als die Änderung über den Luftmassenstrom, kann aber im Unterschied dazu im weiteren Betrieb beibehalten werden (z. B. bis zum nächsten Regeleingriff). Der Befeuchtungsparameter kann dabei in Abhängigkeit von der ermittelten Luftfeuchtigkeit , insbesondere indirekt durch die erste Regelschleife, und zusätzlich, gleichzeitig oder alternativ in Abhängigkeit von dem Luftmassenstrom und/oder der Abweichung des Luftmassenstroms geregelt werden, also bspw. in Abhängigkeit von dem Regeleingriff der ersten Regelschleife. Vereinfacht zusammengefasst wird, indem mit der ersten Regelschleife eine temporäre Abweichung vom Soll-Luftverhältnis in Kauf genommen wird, ein Zeitraum überbrückt, bis die Anpassung des Befeuchtungsparameters mit der zweiten Regelschleife greift. In der Gesamtschau kann dies bspw. trotz eines temporär suboptimalen Luftverhältnisses von Vorteil sein, das Prozessfenster bzgl. der optimalen Feuchtigkeit kann z. B. vergleichsweise klein sein.
Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Insbesondere sollen sämtliche Angaben zu der „Regelungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem“ stets auch hinsichtlich eines „Brennstoffzellensystems“ mit einer solchen Regelungseinrichtung offenbart sein, welches also zusätzlich zu Brennstoffzelle, Luftzufuhrleitung (mit Luftzufuhr einrichtung) und Luftbefeuchtungseinrichtung auch die Regelungseinrichtung mit Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung sowie erster und zweiter Regelschleife umfasst.
In allgemeinen Worten geht ein Ansatz vorliegend dahin, die Luftfeuchtigkeit beim Betrieb einer Brennstoffzelle mit einer ersten und einer zweiten Regelschleife einzustellen, wobei über die erste Regelschleife eine kurzfristige bzw. schnelle Änderung der Luftfeuchtigkeit erfolgt, im weiteren Zeitverlauf aber die langfristige Anpassung über die zweite Regelschleife erfolgt (und dadurch der Eingriff der ersten Regelschleife zurückgefahren werden kann).
Zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit ist die „Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung“ vorgesehen, mit welcher die Luftfeuchtigkeit ermittelt werden kann. Das „Ermitteln“ kann hierbei ein Erfassen im Sinne eines Messens und/oder ein Abschätzen, also bspw. eine Berechnung, z. B. überschlagsweise Berechnung sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung einen Beobachter (Estimator auf, der zum Abschätzen der Luftfeuchtigkeit eingerichtet ist. Dies erfolgt bevorzugt auf Basis von Massenbilanzen, es kann also bspw. die Wassermenge am Ausgang der Brennstoffzelle als Funktion der Eintrittsbedingungen abgeschätzt werden. In die Schätzung können bspw. folgende Kennwerte des Brennstoffzellensystems eingehen: Ein Eingangsdruck und/oder ein Ausgangsdruck und/oder ein Luftmassenstrom, insbesondere ein einströmender Luftmassenstrom und/oder ein Luftmassenstrom am Ausgang der Brennstoffzelle, und/oder eine Temperatur, insbesondere eine Temperatur der einströmenden Luft und/oder eine Temperatur am Ausgang der Brennstoffzelle, und/oder eine Temperatur am Ausgang eines Kühlsystems und/oder ein von der Brennstoffzelle bzw. dem Stapel abgegebener Strom und/oder eine Luftfeuchtigkeit, bspw. eine relative oder absolute Luftfeuchtigkeit, am Eingang. Die Luftfeuchtigkeit am Eingang kann dabei auch gemessen werden, siehe unten im Detail. Generell kann der Estimator bspw. die Systemkomplexität verringern, bspw. zumindest den Umfang notwendiger Feuchtigkeitsmessungen reduzieren. Beispielsweise kann die Notwendigkeit einer aufwändigen Feuchtigkeitserfassung, insbesondere durch einen Sensor, am Austritt der Brennstoffzelle entfallen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung jedenfalls am Austritt der Brennstoffzelle bzw. des Stapels luftfeuchtigkeitssensorlos ausgeführt, ist also in anderen Worten am Austritt kein Sensor zur Erfassung der Luftfeuchtigkeit angeordnet. Dies soll im Allgemeinen keine Sensorik dort generell ausschließen, es könnte bspw. ein Temperatursensor vorgesehen sein. Bevorzugt ist gleichwohl eine am Austritt insgesamt sensorlose Ausgestaltung, gibt es dort also keine Sensorik. Es wird auf die vorstehenden Anmerkungen zur reduzierten Systemkomplexität verwiesen, wobei insbesondere Feuchtemessungen vergleichsweise aufwendig sein können.
Gemäß einer alternativ bevorzugten Variante kann die Feuchtigkeit am Austritt der Brennstoffzelle jedoch auch gemessen werden, kann am Austritt also ein Feuchtigkeitssensor angeordnet sein. Diese Variante kann mit dem Estimator kombiniert bspw. eine Kontrolle der abgeschätzten Werte erlauben, ebenso kann aber bspw. auch die austrittseitig gemessene Luftfeuchtigkeit für eine Abschätzung der Luftfeuchtigkeit in der Luftzufuhrleitung genutzt werden.
In bevorzugter Ausgestaltung weist die Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung einen Sensor auf, mit dem im Betrieb die Luftfeuchtigkeit eintrittsseitig gemessen wird, bevorzugt in der Luftzufuhrleitung. In Kombination mit einem austrittsseitigen Sensor (siehe vorne) kann die Regelungseinrichtung dann bspw. auch ohne Estimator ausgeführt sein, ein Estimator kann aber auch in Kombination mit Feuchtigkeitssensoren eintritts- und austrittsseitig vorgesehen sein (z. B. Doppelkontrolle). Besonders bevorzugt kann, etwa mit Blick auf die Systemkomplexität, eine Variante sein, bei welcher der eintrittsseitige Feuchtigkeitssensor mit dem Estimator kombiniert ist, die Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung dabei jedoch austrittsseitig feuchtigkeitssensorlos ausgeführt ist.
Der „Befeuchtungsparameter“, auf den sich die zweite Regelschleife richtet, kann in allgemeinen Worten bspw. ein Einstellwert der Luftbefeuchtungseinrichtung sein, der Einfluss auf den Grad der Luftbefeuchtung durch die Luftbefeuchtungseinrichtung hat. Bei dem Befeuchtungsparameter kann es sich bspw. um eine Temperatur des Befeuchters, eine Wassermenge oder einen Druck im Befeuchter handeln, aber bspw. auch um ein Bypass- oder Mischungsverhältnis und/oder den Massenstrom in der Luftbefeuchtungseinrichtung.
Die Luftbefeuchtungseinrichtung kann, im Allgemeinen auch in Kombination oder insbesondere alternativ, einen Blasenbefeuchter, einen Membranbefeuchter, einen Verdampfer, eine Wassereinspritzvorrichtung und/oder eine Vorrichtung zum Mischen verschiedener Luftströme mit unterschiedlichen Feuchtigkeiten aufweisen oder ein solcher bzw. eine solche sein. Bei dem Blasenbefeuchter, bspw. aber auch bei dem Verdampfer und der Wassereinspritzvorrichtung, kann der bzw. können die Befeuchtungsparameter bspw. eine Wassermenge und/oder Temperatur und/oder ein Druck sein. Im Falle des Membranbefeuchters können zur Einstellung der Luftfeuchtigkeit hingegen bspw. ein Bypassverhältnis und/oder Massenströme angepasst werden. Bei der Mischvorrichtung lässt sich die Feuchtigkeit in den eingehenden Luftströmen anpassen (z. B. über entsprechende Einstellung eines dort angeordneten Befeuchters) o- der kann mit der zweiten Regelschleife insbesondere das Mischungsverhältnis angepasst werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der in der zweiten Regelschleife geregelte Befeuchtungsparameter:
- Eine Temperatur der Luftbefeuchtungseinrichtung, insbesondere bei einem Blasenbefeuchter als Luftbefeuchtungseinrichtung,
- ein Betriebsparameter eines Membranbefeuchters, z.B. Bypassverhältnis, Massenströme, insbesondere bei einem Membranbefeuchter als Luftbefeuchtungseinrichtung,
- ein Verdampfungsparameter, z.B. Wassermenge, Temperatur, Druck, insbesondere bei einem Verdampfer als Luftbefeuchtungseinrichtung,
- ein Wassereinspritzparameter, wie Wassermenge, Temperatur, Druck, insbesondere bei einer Wassereinspritzvorrichtung als Luftbefeuchtungseinrichtung, und/oder ein Mischungsverhältnis, insbesondere bei einer Vorrichtung zum Mischen verschiedener Luftströme mit unterschiedlichen Flüchtigkeiten als Luftbefeuchtungseinrichtung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Regelungseinrichtung so eingerichtet, dass, wenn die ermittelte Luftfeuchtigkeit, insbesondere am Austritt der Brennstoffzelle, in der Brennstoffzelle, in der Luftzufuhrleitung und/oder in der Luftzufuhreinrichtung, außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, in einem ersten Schritt mit der ersten Regelschleife der Luftmassenstrom so geregelt wird, dass die Luftfeuchtigkeit wieder in den vordefinierten Bereich zurückkehrt. Aufgrund dieses Regeleingriffs weicht der Luftmassenstrom in der Luftzufuhrleitung dann temporär von einem Soll-Massenstrom ab. Indem im Anschluss an den ersten Schritt oder auch parallel dazu der Befeuchtungsparameter der Luftbefeuchtungseinrichtung angepasst wird, kann sich der Luftmassenstrom jedoch wieder dem Soll-Massenstrom annähern bzw. diesen annehmen, wobei durch den veränderten Befeuchtungsparameter der vorbestimmte Bereich der Luftfeuchtigkeit nicht verlassen wird.
Die Anmeldung betrifft auch ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle, einer Luftzufuhrleitung mit einer Luftzufuhreinrichtung zum Regeln des Luftmassenstroms, welcher der Brennstoffzelle zugeführt wird, und einer Luftbefeuchtungseinrichtung. Ferner weist das Brennstoffzellensystem eine vorstehend diskutierte Regelungseinrichtung mit Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung, sowie mit erster und zweiter Regelschleife auf.
Die mindestens eine Brennstoffzelle kann insbesondere Teil eines Brennstoffzellenstapels (sogenannter Stack) sein, in dem mehrere Brennstoffzellen aneinandergesetzt sind. Im Betrieb kann der Brennstoffzelle bzw. dem Stapel bspw. zusätzlich zu der Luft, bzw. in allgemeinen Worten dem Sauerstoff, ein Reaktionsgas zugeführt werden, in der Regel Wasserstoff. Dieser kann mit dem Sauerstoff in Wasser umgesetzt werden, wobei die frei werdende Energie zur Stromerzeugung elektrisch abgenommen werden kann.
Die Anmeldung betrifft ferner ein Antriebssystem, insbesondere für ein Luftfahrzeug, wobei das Antriebssystem eine vorliegend offenbarte Regelungseinrichtung aufweist, insbesondere ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Regelungseinrichtung aufweist. Die Anmeldung betrifft auch ein Luftfahrzeug mit einem solchen Antriebssystem.
Die Anmeldung richtet sich ferner auf ein Verfahren zum Regeln eines Brennstoffzellensystems, wobei in einem ersten Schritt erfasst wird, ob die Luftfeuchtigkeit in einem vorbestimmten Bereich liegt. In einem weiteren Schritt wird im Falle einer Abweichung der Luftmassenstrom so geregelt, dass die Luftfeuchtigkeit in den vorbestimmten Bereich zurückkehrt. Ferner wird, im Anschluss daran oder auch simultan, ein Befeuchtungsparameter der Luftbefeuchtungseinrichtung so eingestellt bzw. geregelt, dass sich der Luftmassenstrom wieder dem Sollwert annähem bzw. diesen einnehmen kann, dabei aber die Luftfeuchtigkeit innerhalb des vordefinierten Bereichs bleibt.
Bezüglich weiterer möglicher Verfahrensdetails, etwa die unterschiedlichen Varianten der Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung (mit oder ohne Estimator, Sensorik etc.) betreffend, wird auf die übrige Offenbarung verwiesen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt
Figur 1 ein Brennstoffzellensystem in schematischer Darstellung;
Figur 2 eine Regelungseinrichtung für das Brennstoffzellensystem gemäß Figur 1 in einem schematischen Schaubild;
Figur 3 in schematischer Darstellung ein Luftfahrzeug mit einem Antriebssystem mit Brennstoffzellen. Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1, welches mehrere Brennstoffzellen 2 umfasst. Diese sind zu einem Stapel 3 zusammengesetzt und werden von endseitigen Abdeckplatten 4 zusammengehalten, die gegeneinander verspannt sind (nicht im Detail dargestellt). Die Brennstoffzellen 2 werden im Betrieb über eine Luftzufuhrlei- tung 5 von einer Luftzufuhreinrichtung 6 mit Luft 7 versorgt. Im Einzelnen umfasst die Luftzufuhreinrichtung 6 ein Luftreservoir 8 sowie einen Massenstromregler 9. In der Luftzufuhrleitung 5 ist ferner eine Luftbefeuchtungseinrichtung 10 angeordnet, bspw. ein Blasenbefeuchter 10.1 und/oder ein Membranbefeuchter 10.2. Je nach Bauform kann die Luftbefeuchtungseinrichtung 10 bspw. an ein Wasserreservoir 11 angeschlossen sein.
In manchen erfindungsgemäßen Ausführungen ist kein Luftreservoir 8 vorgesehen, sondern wird die Luft direkt aus der Umgebung entnommen.
In manchen erfindungsgemäßen Ausführungen umfasst der Massenstromregler 9 einen Verdichter oder besteht daraus.
Über die Luftzufuhrleitung 5 wird den Brennstoffzellen 2 im Betrieb Luft und damit Sauerstoff zugeführt. Ferner ist eine Prozessgaszufuhrleitung 15 vorgesehen, über welche den Brennstoffzellen 2 Treibstoff, bspw. Wasserstoff, zugeführt wird. Zudem kann es bspw. einen hier nur schematisch gezeigten Kühlkreislauf 16 geben, über den der Brennstoffzellenstapel 3 im Betrieb von einem Kühlfluid durchströmt werden kann. An einem Austritt 17 kann in einer Luftabfuhrleitung 18 bspw. die anteilig nicht reagierte Luft abgeführt werden, etwa zusammen mit Wasser als chemischem Reaktionsprodukt der Stromerzeugung.
Fig. 2 zeigt eine Regelungseinrichtung 20, mit welcher sich die Luftfeuchtigkeit RH in einem Brennstoffzellensystem 1 gemäß Figur 1 regeln lässt. Die Luftfeuchtigkeit RH kann beispielsweise als relative Luftfeuchtigkeit oder absolute Luftfeuchtigkeit angegeben werden und ist in der vorliegenden Offenbarung nicht auf ein bestimmtes Feuchtigkeitsmaß beschränkt. Die Regelungseinrichtung 20 weist hierfür zunächst eine Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung 21 auf, mit welcher die Luftfeuchtigkeit RH ermittelt werden kann. Vorliegend ist die Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung 21 dazu mit einem Beobachter 22 bzw. Estimator sowie einem Sensor 23 ausgestattet. Der Sensor 23 erfasst die Luftfeuchtigkeit RHin in der Luftzufuhrleitung 5.
Anhand der Luftfeuchtigkeit RHin schätzt der Estimator in diesem Beispiel mittels Massebilanzen eine Luftfeuchtigkeit RHout am Austritt 17 der Brennstoffzelle 2 ab bzw. ermittelt diese. Diese könnte alternativ zu der Abschätzung oder in Kombination damit auch mit einem Sensor 24 gemessen werden, der dementsprechend optional dargestellt ist. Zusätzlich zu RHin können von dem Estimator bei der Ermittlung von RHout weitere Größen 25 zugrunde gelegt werden, bspw. ein Eingangsdruck und/oder ein Ausgangsdruck und/oder ein einströmender Luftmassenstrom und/oder eine Temperatur der einströmenden Luft und/oder eine Temperatur am Ausgang des Kühlsystems 16 und/oder ein von der Brennstoffzelle 2 bzw. dem Stapel 3 abgegebener Strom.
In Abhängigkeit von der erfassten Luftfeuchtigkeit wird mit der Regelungseinrichtung 20 die Luftfeuchtigkeit eingestellt bzw. angepasst. Dazu umfasst die Regelungseinrichtung 20 eine erste Regelschleife 31, die über einen Regler 32, bspw. einen PI- Regler, den Luftmassenstromregler 9 (siehe auch Figur 1) und damit den Luftmassenstrom 35 in der Luftzufuhrleitung 5 solchermaßen regelt, dass die Luftfeuchtigkeit wieder innerhalb eines vordefinierten Bereichs liegt. Dadurch weicht jedoch der Luftmassenstrom 35 von einem Sollwert ab.
Mit einer zweiten Regelschleife 41 wird die Abweichung des Luftmassenstroms 35 vom Sollwert festgestellt. Daraufhin veranlasst ein Regler 42 der zweiten Regelschleife 41, bspw. ein PI-Regler, eine Änderung eines Betriebsparameters 45 der Luftbefeuchtungseinrichtung 10 (vergleiche auch Figur 1). Der Betriebsparameter 45 wird mit der zweiten Regelschleife 41 so eingestellt, dass die Luftfeuchtigkeit innerhalb des vordefinierten Bereichs bleibt, auch wenn der Luftmassenstrom 35 wieder, bspw. schrittweise oder kontinuierlich, auf seinen Sollwert zurückgesetzt wird. Bei dem Betriebsparameter 45 kann es sich bspw. im Falle eines Blasenbefeuchters um dessen Temperatur 45.1 oder bei einem Membranbefeuchter um ein Bypassverhältnis 45.2 oder Massenströme 45.3 handeln. Ein Wert, auf den der Betriebsparameter 45 einzustellen ist, kann bspw. aus einer Tabelle 46 ausgelesen werden.
Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung ein Luftfahrzeug 60, das ein Antriebssystem 61 aufweist. Dieses umfasst einen Elektromotor 62 sowie einen Propeller 63 und ein Brennstoffzellensystem 1 mit Regelungseinrichtung 20, welches den Elektromotor 62 mit elektrischer Leistung versorgt.
BEZUGSZEICHENLISTE
Brennstoffzellensystem 1
Brennstoffzelle 2
Brennstoffzellenstapel 3
Abdeckplatten 4
Luftzufuhrleitung 5
Luftzufuhreinrichtung 6
Luft 7
Luftreservoir 8
Luftmassenstromregler 9
Luftbefeuchtungseinrichtung 10
Blasenbefeuchter 10.1
Membranbefeuchter 10.2
Wasserreservoir 11
Kühlkreislauf 16
Austritt 17
Luftabfuhrleitung 18
Regelungseinrichtung 20
Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung 21
Sensor 23
Sensor 24
Erste Regelschleife 31
Regler 32
Luftmassenstrom 35
Zweite Regel schl ei fe 41
Regler 42
Befeuchtungsparameter 45
Temperatur 45.1
Bypassverhältnis 45.2
Mischungsverhältnis und/oder Massenströme 45.3 Tabelle 46
Luftfahrzeug 60
Antriebssystem 61
Elektromotor 62 Propeller 63

Claims

ANSPRÜCHE
1. Regelungseinrichtung (20) für ein Brennstoffzellensystem (1), insbesondere ein Brennstoffzellensystem (1) eines Antriebssystems eines Luftfahrzeugs, welches zumindest eine Brennstoffzelle (2), eine Luftzufuhrleitung (5) mit einer Luftzufuhreinrichtung (6) zum Regeln eines Luftmassenstroms (35), der der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird, und eine Luftbefeuchtungseinrichtung (10) zum Befeuchten der Luft (7) in der Luftzufuhrleitung (5) aufweist, gekennzeichnet durch eine Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung (21) zum Erfassen bzw. Abschätzen einer Luftfeuchtigkeit, eine erste Regelschleife (31) zum Regeln des Luftmassenstroms (35) in Abhängigkeit von der erfassten bzw. abgeschätzten Luftfeuchtigkeit und eine zweite Regelschleife (41) zum Regeln eines Befeuchtungsparameters (45) der Luftbefeuchtungseinrichtung (10) in Abhängigkeit von der erfassten bzw. abgeschätzten Luftfeuchtigkeit und/oder des Luftmassenstroms (35).
2. Regelungseinrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei die Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung (21) einen Beobachter (22) aufweist, der dazu eingerichtet ist, mittels Massenbilanzen eine Luftfeuchtigkeit, insbesondere am Austritt der Brennstoffzelle, in der Brennstoffzelle, in der Luftzufuhrleitung (5) und/oder in der Luftzufuhr einrichtung (6), abzuschätzen.
3. Regelungseinrichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung (21) jedenfalls am Austritt (17) der Brennstoffzelle (2) sensorlos ausgeführt ist.
4. Regelungseinrichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung (21) einen Sensor (24) zur Erfassung der Feuchtigkeit am Austritt (17) der Brennstoffzelle (2) aufweist.
5. Regelungseinrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Luftfeuchtigkeitserfassungseinrichtung (21) einen Sensor (23) zur Erfassung der Luftfeuchtigkeit in der Luftzufuhrleitung (5) aufweist.
6. Regelungseinrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der in der zweiten Regelschleife (31) geregelte Befeuchtungsparameter (45) eine Temperatur (45.1), eine Wassermenge, ein Druck, ein Bypassverhältnis (45.2), ein Mischungsverhältnis und/oder Massenströme (45.3) betrifft.
7. Regelungseinrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Luftbefeuchtungseinrichtung (10) einen Blasenbefeuchter (10.1), einen Membranbefeuchter (10.2), einen Verdampfer, eine Wassereinspritzvorrichtung und/oder eine Vorrichtung zum Mischen verschiedener Luftströme mit unterschiedlichen Feuchtigkeiten aufweist.
8. Regelungseinrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Regelungseinrichtung (20) derart eingerichtet ist, dass sie bei Erfassen einer Luftfeuchtigkeit außerhalb eines vorbestimmten Bereichs zuerst mittels der ersten Regelschleife (31) den Luftmassenstrom (35) so regelt, dass die Luftfeuchtigkeit in den vorbestimmten Bereich zurückkehrt, wobei kurzzeitig von einem Sollmassenstrom in der Luftzufuhrleitung (5) abgewichen wird und anschließend oder parallel der Befeuchtungsparameter (45) der Luftbefeuchtungseinrichtung (10) so geregelt wird, dass der Luftmassenstrom(35) wieder zum Sollmassestrom zurückkehren kann oder zurückkehrt, ohne den vorbestimmten Bereich der Luftfeuchtigkeit zu verlassen.
9. Brennstoffzellensystem (1), mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), einer Luftzufuhrleitung (5) mit einer Luftzufuhr einrichtung (6) zum Regeln eines Luftmassenstroms (35), der der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird, und einer Luftbefeuchtungseinrichtung (10) zum Befeuchten der Luft in der Luftzufuhrleitung (5), wobei das Brennstoffzellensystem (1) ferner eine Regelungseinrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
10. Antriebssystem (61), insbesondere für ein Luftfahrzeug (60), wobei das Antriebssystem (61) eine Regelungseinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder ein Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 9 aufweist.
11. Luftfahrzeug (60) mit einem Antriebssystem (61) nach Anspruch 10.
12. Verfahren zum Regeln eines Brennstoffzellensystems (1) umfassend zumindest eine Brennstoffzelle (2), eine Luftzufuhrleitung (5) mit einer Luftzufuhreinrichtung (6) zum regelbaren Zuführen von Luft (7) zu der Brennstoffzelle (2) und eine Luftbefeuchtungseinrichtung (10) zum Befeuchten der Luft (7) in der Luftzufuhrleitung (5) mit den Schritten:
Erfassen, ob eine Luftfeuchtigkeit, insbesondere am Austritt der Brennstoffzelle, in der Brennstoffzelle, in der Luftzufuhrleitung (5) und/oder in der Luftzufuhreinrichtung (6), innerhalb oder außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt,
Regeln des Luftmassenstrom (35) in der Luftzufuhrleitung (5), sodass die Luftfeuchtigkeit in den vorbestimmten Bereich zurückkehrt, falls diese außerhalb desselben liegt,
Regeln eines Befeuchtungsparameters (45) der Luftbefeuchtungseinrichtung (10), sodass der Luftmassenstrom (35) zu einem Sollmassenstrom zurückkehren kann oder zurückkehrt, ohne dass dabei der vorbestimmte Bereich der Luftfeuchtigkeit verlassen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12 zum Regeln eines Brennstoffzellensystems (1) nach Anspruch 9 oder Antriebssystems (61) nach Anspruch 10.
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