用于燃料电池的反应气体的受控制的气体调节装置制造方法及图纸

为了能够准确且快速地控制燃料电池的运行的影响变量而规定，为所述控制使用控制器(R)，该控制器基于以耦合的非线性的多变量系统形式的气体调节单元(3)的模型设计，其方式为，所述耦合的非线性的多变量系统借助李导数解耦并且线性化并且该控制器(R)被设计用于所述耦合的非线性的多变量系统，其中，控制器(R)在所述控制的任一扫描时刻根据预先给定的额定变量(yj,dmd)计算用于气体调节单元(3)的影响变量的存在的至少三个执行器的操纵变量(uG、uS、uN、

Controlled Gas Regulator for Reactive Gas in Fuel Cells

In order to accurately and rapidly control the impact variables of fuel cell operation, a controller (R) is used for the control. The controller is based on the model design of a gas regulating unit (3) in the form of a coupled nonlinear multivariable system. The coupled nonlinear multivariable system is decoupled and linearized with the help of Lie derivative and the controller (R) is designed. A non-linear multivariable system for the coupling, in which the controller (R) calculates at least three actuator operating variables (uG, uS, uN, uN) for the existence of the influence variables of the gas regulating unit (3) according to a predetermined rated variable (yj, dmd) at any scan time of the control.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于燃料电池的反应气体的受控制的气体调节装置
本专利技术涉及一种用于燃料电池的反应气体的受控制的气体调节装置和一种用于控制燃料电池的气体调节装置以运行燃料电池的方法。
技术介绍
燃料电池被视为未来的能源，尤其是也用于任意类型的车辆中的移动式应用。在此，质子交换膜燃料电池(PEMFC)已经成为极具前景的技术之一，因为其能够在低温下运行、高速的响应时间、具有高的功率密度并且能够无排放(反应物只有氢气和氧气)地运行。但是此外还有一系列其它的燃料电池技术，例如碱性燃料电池(AFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、直接乙醇燃料电池(DEFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。对于阳极和对于阴极，燃料电池各使用一种反应气体，例如氧气O2(或空气)和氢气H2，所述反应气体发生电化学反应以产生电流。不同燃料电池的结构和功能是充分已知的，因此在这里不进行详述。对燃料电池的运行来说，对反应气体的调节不是强制性必要的。但是只有借助准确的气体调节才能实现经济且高效地使用燃料电池(例如在车辆中)所需的耐用性和性能以及功率密度。在此，根据燃料电池的类型可能必要的是，仅调节所述反应气体的其一或者调节两种反应气体。燃料电池的正确的过程控制(这尤其包括气体调节)对于燃料电池的性能、耐用性和安全运行至关重要，尤其在受到外部和内部干扰作用的情况下也是如此。通常，对燃料电池的错误的方法技术方面的过程控制导致可逆或不可逆的功率损失(降级)。健康状态(通用英文缩写SoH：StateofHealth)构成对于燃料电池的当前性能的指示器。如果燃料电池达到了SoH的限定值(汽车中典型地为全新状态下连续功率的80％)，则称为服务结束(End-of-Service)，这当然是不符合期望的并且应该避免。在气体调节的情况下，状态变量即反应气体的压力、温度和相对湿度(p、T、rH)以及质量流量是至关重要的。例如，过低的质量流量导致反应物不足，这会立即对性能产生消极影响并且根据持续时间和强度的不同会对燃料电池造成不可逆的损害。一个另外的重要的影响变量是反应气体的压力。虽然阳极和阴极之间的一定的压力梯度对作用方式具有积极影响，但是在压差过大的情况下膜并且因此燃料电池会被损坏。一个另外的例子是反应气体的相对湿度。例如在质子交换膜燃料电池中至关重要的是，保护所述膜免于干燥，因为只有氢化膜传导氢阳离子并因此性能好。但是，同时必须避免由于过多的液态水导致气体通道的和扩散纸的阻塞，所述阻塞导致反应物供应不足。附加地，膜的循环加湿和除湿导致对于它们的机械应力并且由此又导致膜中的裂缝和缺陷(小孔)，所述裂缝和缺陷有利于氢气和氧气的直接通过。两种效应因此又对燃料电池的性能和健康状态产生消极影响。尤其是温度也起着重要作用。除了高温下膜的加速化学分解之外，相对湿度和温度也物理耦合，由此后者也能够产生上述效果。所述各示例仅为在气体调节不足的情况下部分可能出现的效果并且应当有助于更好地理解该问题。气体调节的大的难题在于，所述四个影响变量基于物理(例如热力学)关系是彼此相关的并且为此具有非线性的特性。该问题通常通过如下方式规避：将气体调节装置的部件以及用于气体调节的控制方案相互协调。由此，基于特性场、特性值、特性点等的相当简单的控制与用于另外的部件的简单的控制器(例如PID控制器)共同作用就足够了。在此也可能的是，根据SoH为控制参数(特性场、特性值、特性点)设置修正因子。如果希望充分利用燃料电池的可能性，这种类型的对气体调节的简单控制通常是不充分的。尤其是通常无法由此实现燃料电池(在试验台上或者在真实应用中)的(高)动态运行。在此，尤其是将(高)动态运行理解为控制的快速响应特性，即：控制能够以尽可能小的控制偏差跟随控制的额定变量中的快速变化。特别是在试验台上开发燃料电池的情况下这是一个难题，在那里，人们通常希望对燃料电池进行动态的试验运行(在影响变量的变化率的意义中，但也包括在燃料电池的载荷的意义中)，以便测试或改进燃料电池的特性。因此需要用于对气体调节进行动态控制的控制器，其能够快速且准确地调节受控制的变量，并且尤其是也能够瞬时地调节。对此，在文献中可以找到用于控制燃料电池的气体调节的不同解决方案。其中的许多解决方案基于对热力学关系的或多或少强烈的简化。大多数情况下仅控制所述影响变量的其中两个影响变量并且对于其它影响变量进行假设。于是为此设计合适的控制器。在大多数情况下，在此对压力或湿度进行控制。对此的一个示例是DamourC.等发表于2015年第40期Int.JournalofHydrogenEnergy期刊上的Anovelnon-linearmodel-basecontrolstrategytoimprovePEMFCwatermanagement–Theflatness-basedapproach，第2371-2376页。其中基于膜湿度模型在使用已知的微分平坦理论的情况下设计了一种用于相对湿度的控制器。该基于平坦的控制器表现出了进行额定值跟踪的出色特性、高的干扰抑制和高稳定性。但是并非所有影响变量都能够由此被控制，这使得所述控制器不适用于设想的对气体调节的控制。
技术实现思路
因此，本专利技术的任务在于，提出一种用于燃料电池的反应气体的受控制的气体调节装置和一种相应的对此的控制方法，所述气体调节装置和方法能够实现对燃料电池的运行的影响变量的准确且快速的控制。根据本专利技术，该任务通过各独立权利要求的特征解决。本专利技术基于：从对气体调节单元的数学建模中得到的高阶非线性耦合的多变量系统能够通过应用李导数解耦和线性化。对于从中产生的线性非耦合多变量系统于是能够借助传统的线性控制理论设计控制器。以这种方式对气体调节单元在影响变量的方面准确建模，这构成对于准确且快速地控制影响变量的前提条件。附图说明下面参考图1至图4详细地阐述本专利技术，各附图示例性地、示意性地和非局限性地示出本专利技术有利的构造方案。在附图中：图1示出用于燃料电池的具有根据本专利技术的气体调节装置的试验台，图2示出在耦合的多变量系统的输入变量发生变化的情况下输出变量的曲线，图3示出根据本专利技术的、具有两个自由度的、用于所述气体调节装置的控制器，以及图4示出在根据本专利技术解耦的多变量系统中在输入变量发生变化的情况下输出变量的曲线。具体实施方式下面参考图1并且不局限于一般性地以用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)2的试验台1为例阐述本专利技术。当然，燃料电池2也可能用作机器或设备中的电供应装置。气体调节装置和对此的控制装置于是也可能在该机器或者设备中实现。因此，如果下面述及燃料电池2的运行，则始终理解为燃料电池2在试验台1上的运行以及燃料电池2在机器或设备中的真实运行。在根据图1的示例中，燃料电池2构造在试验台1上并且在试验台1上运行。如已充分已知的那样，燃料电池2包括阴极C和阳极A，向所述阴极输送第一反应气体(例如氧气，亦或以空气的形式)，向所述阳极输送第二反应气体、例如氢气H2。这两种反应气体在燃料电池2内部通过高分子膜相互隔离。在阴极C和阳极A之间能够截取电压U。燃料电池2的该基本结构和功能是充分已知的，因此在这里不对其进行详述。至少一种反应气体(通常是输送氧气的反应气体、尤其是空气)在气体调节装置单元3中被本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于燃料电池(2)的反应气体的受控制的气体调节装置，其特征在于，设置有用于所述燃料电池(2)的反应气体的气体源(8)、用于润湿反应气体以调节反应气体的相对湿度

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.20 AT A50663/20161.用于燃料电池(2)的反应气体的受控制的气体调节装置，其特征在于，设置有用于所述燃料电池(2)的反应气体的气体源(8)、用于润湿反应气体以调节反应气体的相对湿度的润湿装置(4)、用于对反应气体进行调温以调节反应气体的温度(T)的调温装置(5)、用于控制反应气体的质量流量的质量流量控制装置(6)和用于控制反应气体的压力(p)的压力控制装置(7)，设置有控制单元(15)，所述控制单元具有控制器(R)，所述控制器计算用于由润湿装置(4)、调温装置(5)、质量流量控制装置(6)和压力控制装置(7)构成的组中的至少三个执行器的操纵变量以便由此调节由在反应气体管路(12)中的反应气体的相对湿度温度(T)、质量流量和压力(p)构成的组中的关于燃料电池(2)运行的至少三个相关的影响变量的预先给定的时间曲线，所述控制器(R)基于气体调节单元(3)的以形式的、耦合的非线性的多变量系统形式的模型进行设计，其方式为：控制器(R)设计用于借助李导数解耦和线性化的所述多变量系统。2.用于控制用于燃料电池(2)的气体调节单元(3)以运行燃料电池(2)的方法，其特征在于，使用控制器(R)用于所述控制，所述控制器基于气体调节单元(3)的以形式的、耦合的非线性的多变量系统形式的模型进行设计，其方式为：借助李导数将所述耦合的非线性的多变量系统解耦和线性化并且将控制器(R)设计用于解耦和线性化的多变量系统，控制器(R)在所述控制的任一扫描时间点上由预先给定的额定变量(yj,dmd)计算用于气体调节单元(3)的由用于润湿反应气体以调节反应气体的相对湿度的润湿装置(4)、用...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·库格勒，S·亚库贝克，J·坎萨尔，
申请(专利权)人：AVL李斯特有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利,AT