外围设备装置、燃料电池系统及运行外围设备装置的方法与流程

1.本发明涉及一种用于燃料电池单元的外围设备装置、一种具有至少一个燃料电池单元和至少一个外围设备装置的燃料电池系统以及一种用于运行外围设备装置的方法。


背景技术：

2.已经提出了一种用于燃料电池单元的外围设备装置，该外围设备装置具有用于将冷却气体输送到燃料电池单元中的冷却气体输送单元；具有用于探测所述燃料电池单元的阴极废气的阴极废气温度的传感器单元并且具有用于所述控制冷却气体输送单元的控制和/或调节单元。


技术实现要素：

3.本发明涉及一种用于燃料电池单元的外围设备装置，该外围设备装置具有用于将冷却气体输送到燃料电池单元中的冷却气体输送单元；具有用于探测所述燃料电池单元的阴极废气的阴极废气温度的传感器单元并且具有用于控制所述冷却气体输送单元的控制和/或调节单元。
4.提出在燃料电池单元的至少一个运行参数变化的情况下，所述控制和/或调节单元设置用于对通过冷却气体输送单元馈入的冷却气体质量流量进行动态预控制，用以达到阴极废气的额定阴极废气温度。
5.所述燃料电池单元包括至少一个燃料电池，优选燃料电池堆和/或多个燃料电池堆的组合。优选燃料电池单元的燃料电池构造成高温燃料电池。所述燃料电池单元优选设置用于在输送氧化剂的情况下在电化学转换过程中转换燃料以获得电能。所述燃料电池单元优选包括至少一个燃料电极，尤其是阳极，其优选被设置用于在转化过程期间与燃料直接接触。所述燃料电池单元优选包括至少一个氧化剂电极，尤其是阴极，其优选被设置用于在转化过程期间与氧化剂直接接触。所述燃料电池单元包括但不限于例如至少一个熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)和/或特别优选至少一个固体氧化物燃料电池(sofc)。替代地，用于燃料电池单元的外围设备装置可以设置有质子交换膜燃料电池(pemfc)、磷酸燃料电池(pafc)、直接甲醇燃料电池(dmfc)、碱性燃料电池(afc)等。
[0006]“外围设备装置”应当理解为具有至少一个与燃料电池单元连接的单元的装置，该装置能够实现并且/或者支持燃料电池单元的运行。为此，外围设备装置具有至少一个冷却气体输送单元、传感器单元以及控制和/或调节单元。此外，外围设备装置可以包括其他的单元和/或元件。外围设备装置可以包括但不限于例如燃料输送管路、空气输送管路、废气管路、再循环管路、用于输送燃料、氧化剂和/或废气的输送元件、燃烧器单元、重整器单元、用于废气热回收的热传递器元件和/或本领域的技术人员认为有意义的用于运行至少一个燃料电池单元、尤其是高温燃料电池单元的其他的附加元件。冷却气体输送单元被设置用于将冷却气体输送到燃料电池单元中，并且优选通过燃料电池单元的阴极输送管路。所述冷却气体输送单元优选地构造成风扇单元并且包括至少一个风扇和至少一个与控制单元
连接的变频器，通过该变频器能够设定风扇的风扇驱动频率并且因此设定馈入的冷却气体质量流量。替代地，冷却气体输送单元例如也可以包括冷却气体的加压储存器和用于调节冷却气体质量流量的调节阀。此外，能够设想本领域的技术人员认为有意义的其他类型的冷却气体输送单元。优选地，冷却气体同时还含有对于燃料电池单元内部的电化学反应所必要的氧化剂，例如氧气。冷却气体例如可以是空气。空气能够具有在地球大气中典型的由氧气、氮气和痕量气体组成的成分。还可以设想，冷却气体是气体和/或气体混合物，其具有相对于地球大气中典型的成分不同于空气的成分，例如是具有增加的氧含量的空气或者是纯氧。此外，冷却气体也可以是不同于空气和/或纯氧的气体和/或气体混合物。冷却气体的成分优选与燃料电池单元的类型和/或运行方式相匹配。
[0007]
燃料电池单元的运行参数应当理解为表征燃料电池单元的运行点的参数。所述运行参数可以是但不限于例如在燃料电池单元的运行状态下燃料电池单元的提供的电流和/或提供的电压和/或提供的电功率和/或被用于运行燃料电池单元的燃气的气体成分和/或燃料电池单元的寿命、尤其是燃料电池单元的热循环次数，和/或关于燃料电池单元的温度、例如燃料电池单元内部的温度和/或燃气的和/或氧化剂的和/或冷却气体的入口温度和/或出口温度，和/或燃料电池单元的热效率和/或电效率和/或总效率，和/或阳极废气的再循环率，和/或气体利用率和/或空气利用率和/或空气系数和/或其他表征燃料电池单元的运行点的参数。
[0008]
传感器单元设置用于接收至少一个特征参数和/或物理特性，其中能够主动地、例如尤其通过生成和发送电测量信号并且/或者被动地、例如尤其通过检测传感器构件的特性变化来进行接收。所述传感器单元具有至少一个传感器元件，该传感器元件构造成温度传感器元件并且设置用于探测燃料电池单元的阴极废气的阴极废气温度。此外，传感器单元能够具有另外的传感器元件。例如，传感器单元可以具有至少一个另外的温度传感器元件，其设置用于探测冷却气体质量流量在被馈入到燃料电池单元中之前的温度和/或用于探测燃料电池单元内部的温度。此外，传感器单元可以具有至少一个另外的传感器元件，其被构造成质量流量传感器元件并且设置用于探测冷却气体质量流量和/或用于探测阴极废气质量流量。可以设想本领域的技术人员认为有意义的各种其他传感器元件。
[0009]“控制和/或调节单元”应理解为具有至少一个控制电子器件的单元。“控制电子器件”应理解为具有计算单元和存储单元以及存储在存储单元中的运行程序的单元。所述控制单元设置用于控制冷却气体输送单元并且此外还可以设置用于控制和/或调节外围设备装置的其他单元、例如传感器单元。在燃料电池单元的至少一个运行参数变化的情况下，控制和/或调节单元设置用于对通过冷却气体输送单元馈入的冷却气体质量流量进行动态预控制，用以达到阴极废气的额定阴极废气温度。在此上下文中，“动态预控制”应理解为一种控制方法，其中控制信号以预限定的方式被控制，在此所述控制信号不直接由燃料电池单元的通过测量确定的输出变量、例如测量的阴极废气温度使用。动态预控制在英文专业术语中也称为“feed forward(前馈)”。作为动态预控制的补充方案，所述控制和/或调节单元还可以设置用于反馈，在反馈中控制信号通过燃料电池单元的输出变量直接或间接地被修改。
[0010]
在本文件中，某些术语前面的数词、例如“第一”和“第二”只用于区分对象和/或对象彼此之间的分配，并不表示该对象现有的总数量和/或次序。尤其“第二对象”不是必然表
示存在“第一对象”。
[0011]“设置”应当理解为专门编程、专门配置、专门设计和/或专门装备的。“对象设置用于确定的功能”应当优选理解为所述对象在至少一个应用状态和/或运行状态中实现和/或执行这个确定的功能。
[0012]
通过根据本发明的外围设备装置的设计能够有利地实现燃料电池单元的改进的温度控制。相对于先前已知的方法，这些方法根据测量的废气温度来设置冷却气体质量流量的调节并且由于燃料电池的热惯性带有较大的时延，借助根据本发明的动态预控制能够在燃料电池单元的不同运行点之间有利地实现更快的过渡。同时能够有利地实现燃料电池单元的特别可靠且安全的运行。尤其能够提高燃料电池单元的使用寿命。通过对馈入的空气质量流量的动态预控制能够有利地实现抑制由于温度变化引起的燃料电池单元的激励。因此能够有利地减少、优选最小化所述燃料电池单元的热负荷，所述热负荷先前例如由于燃料电池单元的各个组成部分的不同的热膨胀系数能够在温度变化较快的情况下导致燃料电池单元的严重的磨损和/或损坏。
[0013]
此外提出，所述控制和/或调节单元包括存储单元，在该存储单元中存储燃料电池单元的至少一个温度模型，其中所述控制和/或调节单元设置用于考虑温度模型，用以对冷却气体输送单元进行动态预控制。通过这样的设计能够有利地进一步改进温度控制。所述温度模型可以是简化模型。例如可以设想，在所述温度模型中，以简化的方式假设存在冷却气体质量流量到燃料电池单元的理想的热传递。替代地可以设想，在温度模型中考虑冷却气体质量流量到燃料电池单元的实际的热传递并且通过相应的本领域的技术人员已知的建模实现到所述温度模型中。通过简化的温度模型能够有利地用简单的技术手段来实现改进的温度控制，并且外围设备装置能够特别容易地集成到已经存在的燃料电池系统中，其中能够有利地采用大部分已经存在的控制和/或调节电子器件。
[0014]
此外提出，所述控制和/或调节单元设置用于从温度模型中确定必要的冷却气体质量流量，用以达到额定阴极废气温度。通过这种设计，能够有利地可靠地确定必要的冷却气体质量流量并且对其进行动态预控制。此外提出，所述控制和/或调节单元设置用于从温度模型中导出用于所述燃料电池单元的至少两个平衡元件的能量平衡，用以确定必要的冷却气体质量流量。通过这种方式，能够有利地实现以简单的方式确定必要的冷却气体质量流量。所述控制和/或调节单元优选设置用于从温度模型中导出用于燃料电池单元的至少三个平衡元件的能量平衡，用以确定必要的冷却气体质量流量。当然，所述控制和/或调节单元能够设置用于从温度模型中导出用于燃料电池单元的任意数量的平衡元件的能量平衡，用以确定必要的冷却气体质量流量。在此，能够根据精度要求以及提供的运算性能来匹配平衡元件的数量。用于所述燃料电池单元的每个平衡元件的能量平衡优选地包括由至少三项组成的至少一个微分方程。在此，第一项包括相应的平衡元件中的能量变化并且由相应的平衡元件中温度的时间导数乘以相应的平衡元件的固相热容量和相应的平衡元件的质量组成。第二项包括流入气体质量和流出气体质量的能量贡献，其由冷却气体的热容量与冷却气体质量流量和相应的平衡元件中的温差的乘积组成。所有其他的能量贡献，例如阳极气体质量流量的能量贡献和燃料电池单元的欧姆损失，优选地概括在第三项中。用于每个能量平衡的微分方程的参数、例如热容量优选地存储在存储单元中。用于每个能量平衡的微分方程的参数能够作为固定值存储在存储单元中。还可以设想，将这些参数作为函
数来存储。例如，流入气体质量和流出气体质量的能量贡献能够作为焓差的函数来列式，其特性通过气体成分来表征，例如借助所谓的“nasa多项式”。
[0015]
此外提出，在存储单元中存储与所述燃料电池单元的至少一个运行参数相关的阴极废气的稳态的额定阴极废气温度的阴极废气温度函数。由此能够在确定必要的冷却气体质量流量时有利地提高精度。阴极废气温度函数例如能够构造为稳态的额定阴极废气温度关于通过燃料电池单元在不同运行点上提供的电流的特性曲线。还可以设想，考虑燃料电池单元的其他运行参数，例如燃料电池单元的寿命、尤其是燃料电池单元的热循环次数，和/或燃料电池单元内部的温度，和/或冷却气体和/或氧化剂和/或燃气和/或废气的质量流量，和/或所用的燃气的气体品质和/或环境条件等，并且阴极废气温度函数被设计成包含上述运行参数的部分或全部的特性曲线场，并且借助于此能够导出用于当前的运行点所必要的稳态的额定阴极废气温度。
[0016]
此外提出，所述控制和/或调节单元设置用于确定在借助于传感器单元探测的阴极废气温度与由阴极废气温度函数确定的稳态的额定阴极废气温度之间的偏差。通过这种设计能够有利地实现特别有效率且可靠地运行。此外提出，所述控制和/或调节单元在探测的阴极废气温度与稳态的额定空气温度之间存在偏差的情况下设置用于借助对通过冷却气体输送单元馈入的冷却气体质量流量进行动态预控制来使探测的阴极废气温度接近稳态的额定阴极废气温度。通过这种设计能够有利地进一步提高效率和安全性。特别地，如果所述控制和/或调节单元在探测的阴极废气温度与稳态的额定空气温度之间存在偏差的情况下设置用于借助对通过冷却气体输送单元馈入的冷却气体质量流量进行动态预控制来使探测的阴极废气温度接近稳态的额定阴极废气温度，则能够尤其快速且自动地对动态的波动、例如在燃气的成分中的波动做出反应。
[0017]
此外提出，所述控制和/或调节单元设置用于采用被存储在存储单元中的传递函数来使探测的阴极废气温度接近稳态的额定阴极废气温度。由此能够有利地实现特别缓和的温度过渡。在所述存储单元中能够存储多个不同的传递函数。所述控制单元能够设置用于，基于燃料电池单元的至少一个运行参数的当前值来采用被存储在存储器单元中的其中一个传递函数。
[0018]
此外提出，所述传递函数包括时间常数，所述时间常数与燃料电池单元的至少一个运行参数相关。由此能够有利地实现对不同应用情况的灵活适配。通过适当地选择时间常数能够设定探测的阴极废气温度接近稳态的额定阴极废气温度的期望持续时间。例如可以设想，所述控制单元在动态波动较小的情况下基于燃料电池单元的至少一个运行参数被设置用于选择相应的时间常数，用以实现探测的阴极废气温度到稳态的额定阴极废气温度的快速接近。此外可以设想，在燃料电池单元的运行点转变的情况下、例如从满负荷转变到部分负荷，所述控制单元设置用于选择相应的时间常数，以便能够实现探测的阴极废气温度更缓慢地接近稳态的额定阴极废气温度，并且因此实现从第一运行点到第二运行点的缓和的过渡。
[0019]
在有利的设计方案中提出，所述传递函数具有带一阶延迟的传递特性。通过这种设计能够有利地实现使探测的阴极废气温度特别简单地接近稳态的额定阴极废气温度。所述传递函数优选地具有pt1环节的形式。然而，作为pt1形式的替代方案，也可以为传递函数选择其他的方案。例如，传递函数可以具有直线形式或样条形式或带高阶延迟的传递特性、
例如pt2环节的形式。
[0020]
此外提出，所述控制和/或调节单元设置用于在动态预控制中考虑燃料电池单元内部的允许的最高温度。由此能够有利地进一步提高在燃料电池单元运行期间的可靠性和安全性。所述控制和/或调节单元设置用于在动态预控制中考虑从温度模型中导出的平衡元件的每个的允许的最高温度。所述燃料电池单元和/或燃料电池单元的平衡元件的允许的最高温度能够存储在存储单元中或者能够借助计算单元、例如根据存储在存储单元中的近似公式来计算。此外可以设想，所述控制单元设置用于在动态预控制中考虑燃料电池单元和/或燃料电池单元的平衡元件的至少一个必要的最小温度。由此能够有利地改善在燃料电池单元运行中的效率。所述燃料电池单元和/或燃料电池单元的平衡元件的必要的最小的温度能够存储在存储单元中或者能够借助计算单元计算、例如根据存储在存储单元中的近似公式来计算。
[0021]
此外，本发明还涉及一种燃料电池系统，其具有至少一个燃料电池单元和至少一个根据前面描述的设计方案中任一项所述的外围设备装置。这种燃料电池系统的突出之处尤其在于外围设备装置的上述有利特性。
[0022]
此外，本发明还涉及一种用于运行针对燃料电池单元的外围设备装置的方法，所述外围设备装置具有用于将冷却气体输送到燃料电池单元中的冷却气体输送单元；具有用于探测所述燃料电池单元的阴极废气的阴极废气温度的传感器单元。
[0023]
提出在燃料电池单元的至少一个运行参数变化的情况下，对通过冷却气体输送单元馈入的冷却气体质量流量进行动态预控制，用以达到阴极废气的额定阴极废气温度。通过这种方法能够有利地实现改进的温度控制。所述方法优选包括至少两个方法步骤。在该方法的第一步中，有利地求取所述燃料电池单元的至少一个当前运行参数，并且在燃料电池单元的至少一个运行参数变化的情况下，在该方法的第二步骤中，对通过冷却气体输送单元馈入的冷却气体质量流量进行动态预控制，用以达到阴极废气的额定阴极废气温度。
[0024]
在这里，根据本发明的外围设备装置不应局限于上述应用和实施方式。根据本发明的外围设备装置尤其能够具有与在这里提及的单个元件、构件和单元以及方法步骤的数量不同的数量，用以实现在这里所描述的功能。此外，对于在本公开中指定的数值范围而言，处在所提及的边界内的数值也应视为得到公开并且可任意使用。
附图说明
[0025]
其他的优点由下面的附图说明得出。在附图中示出了本发明的实施例。附图、说明书和权利要求包括大量特征组合。本领域的技术人员也可以适宜地单独考虑这些特征并将其概括成其他有意义的组合。
[0026]
其中：
[0027]
图1在极大简化的示意流程图中示出了具有燃料电池单元和外围设备装置的燃料电池系统，所述外围设备装置包括冷却气体输送单元、传感器单元和控制和/或调节单元；
[0028]
图2在示意图中示出了燃料电池单元的温度模型；
[0029]
图3示出了具有存储单元和计算单元的控制和/或调节单元的示意性框图；
[0030]
图4示出了被存储在存储单元中的传递函数的示意性图表；并且
[0031]
图5示出了用来描述用于运行外围设备装置的方法的示意性的方法流程图。
具体实施方式
[0032]
图1在极大简化的示意性流程图中示出了具有燃料电池单元12且具有外围设备装置10的燃料电池系统50。
[0033]
所述燃料电池单元12构造成固体氧化物燃料电池堆(sofc堆)。
[0034]
所述外围设备装置10具有用于将冷却气体16输送到燃料电池单元12中的冷却气体输送单元14。在当前情况下，冷却气体输送单元14包括风扇52和变频器54。在当前情况下，冷却气体16是空气。
[0035]
此外，所述外围设备装置10包括传感器单元18。传感器单元18设置用于探测燃料电池单元12的阴极废气22的阴极废气温度20(参见图3)并且为此包括温度传感器元件56。此外，所述传感器单元18设置用于探测输入温度并且用于探测通过冷却气体输送单元14馈入的冷却气体质量流量28，并且为此具有另外的温度传感器元件58和质量流量传感器元件60。
[0036]
所述外围设备装置10具有用于控制冷却气体输送单元14的控制和/或调节单元24。在当前情况下，控制和/或调节单元24设置用于控制冷却气体输送单元14的风扇52并且为此预先给定所述变频器54的风扇驱动频率。
[0037]
所述控制和/或调节单元24设置用于，在燃料电池单元12的至少一个运行参数26(参见图3)变化的情况下，对通过冷却气体输送单元14馈入的冷却气体质量流量28进行动态预控制，用以达到阴极废气22的额定阴极废气温度30(参见图3)。
[0038]
所述控制和/或调节单元24包括存储单元32。此外，控制和/或调节单元24具有计算单元62，该计算单元例如能够构造成微处理器。
[0039]
在存储单元32中存储所述燃料电池单元12的至少一个温度模型34。所述控制和/或调节单元24设置用于考虑所述温度模型34，用以对冷却气体输送单元14进行动态预控制。
[0040]
图2在示意图中示出了燃料电池单元12的温度模型34。所述温度模型34是简化的模型，其中，以简化的方式假设存在冷却气体质量流量28到燃料电池单元12上的理想的热传递。在当前情况下，温度模型34例如包括三个平衡元件36、38、40。本领域的技术人员已知，根据精度要求以及计算单元62的提供的计算性能，该温度模型34当然也可以具有更多数量的平衡元件。
[0041]
所述控制和/或调节单元24设置用于从温度模型34中确定用于实现额定阴极废气温度30所必要的冷却气体质量流量28。所述温度模型34考虑冷却气体质量流量28的输入温度74，该输入温度能够例如借助传感器单元18的另外的温度传感器元件58来确定。
[0042]
所述控制和/或调节单元24设置用于从温度模型34中导出针对所述燃料电池单元12的至少两个平衡元件36、38、40的能量平衡，用以确定所必要的冷却气体质量流量28。在当前情况下，所述控制和/或调节单元24设置用于从温度模型34中导出针对所述燃料电池单元12的第一平衡元件36、第二平衡元件38和第三平衡元件40的能量平衡，用以确定所必要的冷却气体质量流量28。
[0043]
针对所述燃料电池单元12的平衡元件36、38、40中的每个的能量平衡分别由至少三项组成。第一项包括在相应的平衡元件36、38、40中的能量变化，其由温度的时间导数乘以冷却气体16的热容量和相应的平衡元件36、38、40的质量所组成。第二项包括流入气体质
量和流出气体质量的能量贡献，其由热容量与冷却气体质量流量28和相应的平衡元件36、38、40中的温度差的乘积所组成。所有其他的能量贡献概括在第三项中并且包括但不限于例如阳极气体质量流量(未示出)的能量贡献、燃料电池单元12中的欧姆损失等。在下面的方程中列出能量平衡，其中方程(1)表明第一平衡元件36的能量平衡、方程(2)表明第二平衡元件38的能量平衡并且方程(3)表明第三平衡元件40的能量平衡：
[0044][0045][0046][0047]
在方程(1)至(3)中，cm是相应的平衡元件的热容量与质量的乘积；t0是第一平衡元件36中的温度；t是时间；c
p
是冷却气体的热容量；是冷却气体质量流量28；t
in
是冷却气体质量流量28的输入温度；δh0是第一平衡元件36中的其他的能量贡献；t】是第二平衡元件38中的温度；δh1是第二平衡元件38中的其他的能量贡献；t2是第三平衡元件40中的温度以及δh2是第三平衡元件40中的其他的能量贡献。其他的能量贡献δh1、δh2和δh1与至少一个运行参数26相关地存储在存储单元32中。
[0048]
通过调整方程(3)得到：如果根据下面的方程(4)来计算冷却气体质量流量28，则能够获得恒定的温度t2，该温度应对应额定阴极废气温度30：
[0049][0050]
图3示出了控制和/或调节单元24的示意框图。在存储单元32中存储与燃料电池单元12的至少一个运行参数26相关的阴极废气22的稳态的额定阴极废气温度30的阴极废气温度函数42。燃料电池单元12的运行参数26能够例如是燃料电池单元12在确定的运行点中所提供的电流的值。因此，阴极废气温度函数42例如能够被构造为稳态的额定阴极废气温度30关于通过燃料电池单元12提供的电流的特性曲线。也可设想，在阴极废气温度函数42中考虑燃料电池单元12的其他运行参数(未示出)，例如电池堆寿命、燃料电池单元12内部的温度、质量流量、被用于运行燃料电池单元12的燃气的气体品质、环境条件等，并且阴极废气温度函数42被构造为相应的特性曲线场，借助于此能够导出针对当前运行点所必要的稳态的额定阴极废气温度30。
[0051]
所述控制和/或调节单元24设置用于确定在借助于传感器单元18探测的阴极废气温度20与由阴极废气温度函数42确定的稳态的额定阴极废气温度64之间的偏差。在探测的阴极废气温度20和稳态的额定阴极废气温度64之间存在偏差的情况下，所述控制和/或调节单元24设置用于借助通过冷却气体输送单元14馈入的冷却气体质量流量28的动态预控制来使探测的阴极废气温度20接近稳态的额定阴极废气温度64。所述控制和/或调节单元24设置用于，采用被存储在存储单元32中的传递函数44来使探测的阴极废气温度20接近稳态的额定阴极废气温度64。借助传递函数44限定针对额定阴极废气温度30的动态额定值。所述传递函数44包括时间常数46，该时间常数与燃料电池单元12的至少一个运行参数26相关。所述时间常数46与至少一个运行参数26相关地存储在存储单元32中。传递函数44能够
通过下面的微分方程(5)来描述：
[0052][0053]
其中，是额定阴极废气温度30的动态额定值的时间导数；t
desdyn
是额定阴极废气温度30的动态额定值；t
des
是稳态的额定阴极废气温度64并且t
63
是时间常数46。如果方程(5)现在等同于方程(3)，则得到下面的方程(6)：
[0054][0055]
然后方程(6)能够如下将冷却气体质量流量28解出：
[0056][0057]
通过计算单元62对平衡元件36、38、40中的每个类似地进行必要的冷却气体质量流量28的计算。根据方程(6)也能够将方程(1)和(2)等同于方程(5)，并且调整求取冷却气体质量流量在计算中，总是将最后的平衡元件、当前情况下也就是第三平衡元件40采用为待调节的元件。因为方程(7)在第二平衡元件38中的温度t】对应于第三平衡元件40中的温度t2时具有奇异性，所以在存储单元32中存储平衡元件36、38、40的温度之间的最小温差。如果没有达到平衡元件中的两个38、40之间的这个最小温差，则所述控制和/或调节单元24设置用于检查是否满足接下来两个在前的平衡元件36、38的最小温差。如果平衡元件36、38、40中没有一个满足最小温差的要求，则控制和/或调节单元24设置用于以稳态所必要的冷却气体质量流量(未示出)来进行预控制。在这种情况下，所述控制和/或调节单元24设置用于使针对稳态的额定阴极废气温度30的稳态额定值t
des
与第三平衡元件40的温度t2相等。此外，对于稳态的情况而言，所述控制和/或调节单元24设置用于分别将方程(1)至(3)设置为零并且解出未知数t1、t2和替代地，所述控制和/或调节单元24也可以设置用于，不是将稳态额定值t
des
而是将借助于传感器单元18探测的阴极废气温度20用作第三平衡元件40的温度t2，并且重新开始每个计算步骤中的额定轨迹。
[0058]
所述控制和/或调节单元24设置用于在动态预控制中考虑燃料电池单元12内部的允许的最大温度48。允许的最大温度48与至少一个运行参数26相关地存储在存储单元32中。优选地，在存储单元32中对于温度模型34的平衡元件36、38、40中的每个存储各自的允许的最大温度(未示出)，其中所述控制和/或调节单元24设置用于考虑这些允许的最大温度。对于第三平衡元件40的允许的最大温度，其对应于燃料电池单元12内部的允许的最大温度48，得出下列近似关系：
[0059][0060]
其中，t
2max
是第三平衡元件40的允许的最大温度。由方程(8)能够通过计算单元62计算出冷却气体质量流量28的最小必要值，该值是为了不超过第三平衡元件40中允许的最大温度t
2max
所必需的：
[0061][0062]
其中，在上面的方程(9)中的是冷却气体质量流量28的最小必要值。
[0063]
图4示出了传递函数44的示意性图表。在该图表的横坐标66上绘制时间。在该图表的纵坐标68上绘制阴极废气22的温度。传递函数44具有带一阶延迟的传递特性。在当前情况下，传递函数44具有pt1环节的形式。在时间变化曲线中所述传递函数44的值接近稳态的额定阴极废气温度64。然而，作为pt1形式的替代方案，也能够为传递函数44选择其他的方案。例如，传递函数44能够具有直线形式或样条形式或带更高阶延迟的传递特性，例如pt2环节的形式。
[0064]
图5示出了用于运行外围设备装置10的方法的示意性方法流程图。所述方法包括至少两个方法步骤70、72。在该方法的第一方法步骤70中，确定燃料电池单元12的当前运行点，其中求取燃料电池单元12的至少一个运行参数26。在至少一个运行参数26变化的情况下，则在该方法的第二方法步骤72中，对通过冷却气体输送单元14馈入的冷却气体质量流量28进行动态预控制，用以达到阴极废气22的额定阴极废气温度30。

技术特征：
1.一种用于燃料电池单元(12)的外围设备装置(10)，所述外围设备装置具有用于将冷却气体(16)、尤其是空气输送到所述燃料电池单元(12)中的冷却气体输送单元(14)；具有用于探测所述燃料电池单元(12)的阴极废气(22)的阴极废气温度(20)的传感器单元(18)；并且具有用于控制所述冷却气体输送单元(14)的控制和/或调节单元(24)，其特征在于，所述控制和/或调节单元(24)设置用于，在所述燃料电池单元(12)的至少一个运行参数(26)变化的情况下，对通过所述冷却气体输送单元(14)馈入的冷却气体质量流量(28)进行动态预控制，用以达到所述阴极废气(22)的额定阴极废气温度(30)。2.根据权利要求1所述的外围设备装置(10)，其特征在于，所述控制和/或调节单元(24)包括存储单元(32)，在所述存储单元中存储所述燃料电池单元(12)的至少一个温度模型(34)，其中，所述控制和/或调节单元(24)设置用于考虑所述温度模型(34)，用以对所述冷却气体输送单元(14)进行动态预控制。3.根据权利要求2所述的外围设备装置(10)，其特征在于，所述控制和/或调节单元(24)设置用于从所述温度模型(34)中确定用于达到所述额定阴极废气温度(30)所必要的冷却气体质量流量(28)。4.根据权利要求2或3所述的外围设备装置(10)，其特征在于，所述控制和/或调节单元(24)设置用于从所述温度模型(34)中导出用于所述燃料电池单元(12)的至少两个平衡元件(36、38、40)的能量平衡，用以确定必要的冷却气体质量流量(28)。5.根据权利要求2至4中任一项所述的外围设备装置(10)，其特征在于，在所述存储单元(32)中存储与所述燃料电池单元(12)的至少一个运行参数(26)相关的阴极废气(22)的稳态的额定阴极废气温度(64)的阴极废气温度函数(42)。6.根据权利要求5所述的外围设备装置(10)，其特征在于，所述控制和/或调节单元(24)设置用于确定在借助于所述传感器单元(18)探测的阴极废气温度(20)与由所述阴极废气温度函数(42)确定的稳态的额定阴极废气温度(64)之间的偏差。7.根据权利要求6所述的外围设备装置(10)，其特征在于，在探测的阴极废气温度(20)与稳态的额定阴极废气温度(64)之间存在偏差的情况下，所述控制和/或调节单元(24)设置用于借助对通过所述冷却气体输送单元(14)馈入的冷却气体质量流量(28)进行的动态预控制来使探测的阴极废气温度(20)接近稳态的额定阴极废气温度(64)。8.根据权利要求7所述的外围设备装置(10)，其特征在于，所述控制和/或调节单元(24)设置用于，采用被存储在所述存储单元(32)中的传递函数(44)，用以使探测的阴极废气温度(20)接近稳态的额定阴极废气温度(64)。9.根据权利要求8所述的外围设备装置(10)，其特征在于，所述传递函数(44)包括时间常数(46)，所述时间常数与所述燃料电池单元(12)的至少一个运行参数(26)相关。10.根据权利要求8或9所述的外围设备装置(10)，其特征在于，所述传递函数(44)具有带一阶延迟的传递特性。11.根据前述权利要求中任一项所述的外围设备装置(10)，其特征在于，所述控制和/或调节单元(24)设置用于在动态预控制中考虑所述燃料电池单元(12)内部的允许的最大温度(48)。12.一种燃料电池系统(50)，其具有至少一个燃料电池单元(12)和至少一个根据前述权利要求中任一项所述的外围设备装置(10)。
13.一种用于运行针对燃料电池单元(12)的外围设备装置(10)的方法，所述外围设备装置具有用于将冷却气体(16)输送到所述燃料电池单元(12)中的冷却气体输送单元(14)；具有用于探测所述燃料电池单元(12)的阴极废气(22)的阴极废气温度(20)的传感器单元(18)，其特征在于，在所述燃料电池单元(12)的至少一个运行参数(28)变化的情况下，对通过所述冷却气体输送单元(14)馈入的冷却气体质量流量(28)进行动态预控制，用以达到所述阴极废气(22)的额定阴极废气温度(30)。

技术总结
本发明涉及一种用于燃料电池单元(12)的外围设备装置(10)，该外围设备装置具有用于将冷却气体(16)输送到燃料电池单元(12)中的冷却气体输送单元(14)；具有用于探测所述燃料电池单元(12)的阴极废气(22)的阴极废气温度(20)的传感器单元(18)并且具有用于控制冷却气体输送单元(14)的控制和/或调节单元(24)。提出在所述燃料电池单元(12)的至少一个运行参数(26)变化的情况下，所述控制和/或调节单元(24)设置用于对通过冷却气体输送单元(14)馈入的冷却气体质量流量(28)进行动态预控制，用以达到阴极废气(22)的阴极废气温度(30)。用以达到阴极废气(22)的阴极废气温度(30)。用以达到阴极废气(22)的阴极废气温度(30)。


技术研发人员：A
受保护的技术使用者：罗伯特
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/10/19