DE102023204047B4 - High-temperature fuel cell system and methods for its operation - Google Patents

High-temperature fuel cell system and methods for its operation

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Abstract

Verfahren (100) zum Steuern eines Betriebs eines PEM-Brennstoffzellensystems (200; 300; 400) (PEMFCS), wobei das PEMFCS (200; 300; 400) einen Satz (205) aus einer oder mehreren PEM-Brennstoffzellen (PEMFC), einen Verdichter mit einer oder mehreren Verdichterstufen (215, 220) zum Bereitstellen eines druckbeaufschlagten gasförmigen Oxidationsmittels an einer Kathodenseite der PEMFC (205), und eine Steuerung (230) zum Steuern eines Betriebs des PEMFCS (200; 300; 400) aufweist, wobei das Verfahren (100) Folgendes umfasst:
Steuern des PEMFCS (200; 300; 400) durch die Steuerung (230), um zu bewirken, dass der Verdichter das gasförmige Oxidationsmittel verdichtet und einer Kathodenseite der PEMFC (205) während des Betriebs des PEMFCS (200; 300; 400) in Abhängigkeit von einer Ziel-Elektrizitätsabgabe Oe des PEMFCS (200; 300; 400) bereitstellt, wobei das Steuern des PEMFCS (200; 300; 400) Steuern der folgenden Parameter umfasst:
(a) einem Druck p, auf den das Oxidationsmittel durch den Verdichter verdichtet wird,
(b) einer Strömungsrate r, mit der das verdichtete Oxidationsmittel der Kathodenseite der PEMFC (205) bereitgestellt wird, sodass eine Erhöhung einer Betriebstemperatur T der PEMFC (205) sowohl mit einer entsprechenden Erhöhung des Drucks p als auch mit einer entsprechenden Verringerung eines stöchiometrischen Verhältnisses λ des Verbrauchs des Oxidationsmittels in seiner elektrochemischen Reaktion mit einem Brennstoff in der PEMFC einhergeht.
Method (100) for controlling the operation of a PEM fuel cell system (200; 300; 400) (PEMFCS), wherein the PEMFCS (200; 300; 400) comprises a set (205) of one or more PEM fuel cells (PEMFC), a compressor with one or more compressor stages (215, 220) for providing a pressurized gaseous oxidizer at a cathode side of the PEMFC (205), and a controller (230) for controlling the operation of the PEMFCS (200; 300; 400), wherein the method (100) comprises:
Control of the PEMFCS (200; 300; 400) by the controller (230) to cause the compressor to compress the gaseous oxidant and supply it to a cathode side of the PEMFC (205) during operation of the PEMFCS (200; 300; 400) depending on a target electricity output O e of the PEMFCS (200; 300; 400), wherein the control of the PEMFCS (200; 300; 400) includes controlling the following parameters:
(a) a pressure p to which the oxidizing agent is compressed by the compressor,
(b) a flow rate r with which the compressed oxidant is supplied to the cathode side of the PEMFC (205) such that an increase in an operating temperature T of the PEMFC (205) is accompanied by a corresponding increase in the pressure p and a corresponding decrease in a stoichiometric ratio λ of the consumption of the oxidant in its electrochemical reaction with a fuel in the PEMFC.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Protonenaustauschmembran(proton exchange membrane - PEM)-Brennstoffzellensystemen (PEM fuel cell systems - PEMFCS), die eine oder mehrere PEM-Brennstoffzellen (PEM fuel cells - PEMFC) aufweisen. Typische Anwendungsfälle für PEMFCS beinhalten mobile Anwendungen (z. B. zum Antreiben eines Fahrzeugs wie etwa eines LKW, Bus oder Autos) und stationäre Anwendungen (z. B. als lokales Kraftwerk für ein oder mehrere Gebäude oder einen Industriestandort oder eine Serverfarm). Insbesondere richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zum automatischen Betreiben eines PEMFCS und auf eine Steuerung und ein PEMFCS, die dazu konfiguriert sind, gemäß einem solchen Verfahren betrieben zu werden.The present invention relates to the field of proton exchange membrane (PEM) fuel cell systems (PEMFCS) comprising one or more PEM fuel cells (PEMFCs). Typical applications for PEMFCS include mobile applications (e.g., for powering a vehicle such as a truck, bus, or car) and stationary applications (e.g., as a local power plant for one or more buildings, an industrial site, or a server farm). In particular, the invention relates to a method for automatically operating a PEMFCS and to a controller and a PEMFCS configured to operate according to such a method.

Derzeit bekannte PEMFCS erfordern typischerweise eine relativ niedrige Betriebstemperatur. PEMFCS sind aufgrund von zwei Haupteffekten temperaturbegrenzt: (i) Hohe Temperatur reduziert die Konzentration des Oxidationsmittels und reduziert den thermischen Wirkungsgrad, und (ii) hohe Temperatur reduziert die Membranfeuchtigkeit, was den thermischen Wirkungsgrad verringert und Schäden verursachen kann.Currently known PEMFCS typically require a relatively low operating temperature. PEMFCS are temperature-limited due to two main effects: (i) High temperature reduces the concentration of the oxidizing agent and thus reduces thermal efficiency, and (ii) high temperature reduces membrane moisture, which further decreases thermal efficiency and can cause damage.

Daher verlieren einerseits bekannte PEMFCS an Leistungsfähigkeit und sind von Schäden bedroht, wenn die Betriebstemperatur über 80°C steigt, insbesondere im Fall von PEMFCS für mobile Anwendungen. Um ein PEMFCS in einem solchen Temperaturbereich zu halten, sind in der Regel ziemlich leistungsstarke und damit große Kühlvorrichtungen, wie Kühler (z. B. in mobilen Anwendungen) mit ausreichender Kühlleistung (und damit Größe) erforderlich. Bei einer gegebenen PEMFCS-Anwendung gibt es jedoch typischerweise klare Grenzen, wie weit die Kühlleistung erhöht werden kann. In einem Fahrzeug beispielsweise ist die verfügbare Frontfläche zum Platzieren eines Kühlers als Kühlvorrichtung für das PEMFCS natürlich begrenzt (selbst in einem großen Fahrzeug wie einem LKW oder Bus).Therefore, known PEMFCS lose performance and are at risk of damage when the operating temperature rises above 80°C, especially in the case of PEMFCS for mobile applications. To keep a PEMFCS within such a temperature range, fairly powerful and therefore large cooling devices, such as radiators (e.g., in mobile applications) with sufficient cooling capacity (and thus size), are generally required. However, for a given PEMFCS application, there are typically clear limits to how much the cooling capacity can be increased. In a vehicle, for example, the available frontal area for placing a radiator as a cooling device for the PEMFCS is naturally limited (even in a large vehicle like a truck or bus).

Andererseits besteht ein Bedarf, die Kraftstoffkosten zum Betreiben des PEMFCS niedrig zu halten, und daher ist eine Reduzierung seines Kraftstoffverbrauchs (z. B. durchschnittlicher Kraftstoffverbrauch oder Kraftstoffverbrauch pro Ausgangsleistung) wünschenswert. Eine solche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs könnte erreicht werden, wenn die maximale Betriebstemperatur eines PEMFCS erhöht werden kann, ohne dessen Wirkungsgrad und Integrität zu beeinträchtigen. Dies ist zum Beispiel besonders relevant für Hochleistungsfahrzeuge (high-duty vehicles - HDV), wie etwa Langstrecken-Lkw, die in der Lage sein müssen, hohen Lasten bei hohen Temperaturen standzuhalten, z. B. im Sommer und in Hochtemperatur- und/oder bergigen geografischen Regionen.On the other hand, there is a need to keep fuel costs low for operating the PEMFCS, and therefore a reduction in its fuel consumption (e.g., average fuel consumption or fuel consumption per output) is desirable. Such a reduction in fuel consumption could be achieved if the maximum operating temperature of a PEMFCS can be increased without compromising its efficiency and integrity. This is particularly relevant, for example, for high-duty vehicles (HDVs), such as long-haul trucks, which must be able to withstand heavy loads at high temperatures, e.g., in summer and in high-temperature and/or mountainous geographical regions.

US 2003/0072980 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem, das den Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems anpassen kann, um die Effizienz zu maximieren. Das Verfahren beruht darauf, dass unter bestimmten Betriebsbedingungen entsprechend angepasste Betriebsdrücke einen wesentlich effizienteren Systembetrieb ermöglichen. US 2003/0072980 A1 This describes a method for operating a fuel cell system and a fuel cell system that can adjust the operating pressure of the fuel cell system to maximize efficiency. The method is based on the fact that, under certain operating conditions, appropriately adjusted operating pressures enable significantly more efficient system operation.

DE 10 2008 010 312 B4 beschreibt das Steuern der relativen Feuchte eines Reaktantenstroms in einem Brennstoffzellensystem und insbesondere das Beeinflussen des Betriebs von Kathodenkomponenten in solcher Weise, dass die Leistungseinbußen auf Systemebene, die mit einer solchen Beeinflussung des Luftstroms einhergehen, verringert werden. DE 10 2008 010 312 B4 describes the control of the relative humidity of a reactant stream in a fuel cell system and, in particular, the influencing of the operation of cathode components in such a way as to reduce the system-level performance losses associated with such an influencing of the airflow.

Herkömmliche Ansätze zur Überwindung thermischer Begrenzungen bestehen darin, die Größe der Brennstoffzelle zu erhöhen und die Flächenstromdichte zu reduzieren. Dies geht jedoch mit höherem Platzbedarf und typischerweise Kosten für das PEMFCS einher. Insbesondere bei Frachtanwendungen kann ein solcher erhöhter Platzbedarf zu einer Reduzierung der verfügbaren Ladekapazität in Nutzfahrzeugen (und damit zu erhöhten Betriebskosten) führen.Conventional approaches to overcoming thermal limitations involve increasing the size of the fuel cell and reducing the area current density. However, this results in a larger footprint and typically higher costs for the PEMFCS (Power-to-Fuel Fuel Cell System). Particularly in cargo applications, such increased footprint can lead to a reduction in available cargo capacity in commercial vehicles (and thus to increased operating costs).

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Weg zum Erweitern des verfügbaren Bereichs von Betriebstemperaturen eines PEMFCS, in dem es effizient und ohne Beschädigung betrieben werden kann, zu höheren Temperaturen hin anzugeben.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an improved way to extend the available range of operating temperatures of a PEMFCS, in which it can be operated efficiently and without damage, to higher temperatures.

Eine Lösung dieses Problems ist durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt. Verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Lösung werden durch die Lehren der abhängigen Ansprüche bereitgestellt.One solution to this problem is provided by the teachings of the independent claims. Various preferred embodiments of the present solution are provided by the teachings of the dependent claims.

Ein erster Aspekt der vorliegenden Lösung ist auf ein Verfahren zum Steuern eines Betriebs eines PEM-Brennstoffzellensystems (PEMFCS) gerichtet, wobei das PEMFCS einen Satz aus einer oder mehreren PEM-Brennstoffzellen (PEMFC), einen Verdichter mit einer oder mehreren Verdichterstufen zum Bereitstellen eines druckbeaufschlagen gasförmigen Oxidationsmittels, wie etwa Sauerstoff (O2), an einer Kathodenseite der PEMFC und eine Steuerung zum Steuern eines Betriebs der PEMFCS aufweist. Die PEMFC kann insbesondere einen Stapel mit einer Vielzahl von gestapelten und miteinander verbundenen PEM-Brennstoffzellen aufweisen.A first aspect of the present solution is directed to a method for controlling the operation of a PEM fuel cell system (PEMFCS), wherein the PEMFCS comprises a set of one or more PEM fuel cells (PEMFC), a compressor with one or more compressor stages for supplying a pressurized gaseous oxidant, such as oxygen ( O₂ ), at a cathode side of the PEMFC, and a control system for controlling the operation of the PEMFCS. The PEMFC may, in particular, comprise a stack of a plurality of stacked and interconnected PEM fuel cells.

Das Verfahren umfasst das Steuern des PEMFCS durch die Steuerung, um zu bewirken, dass der Verdichter das gasförmige Oxidationsmittel verdichtet und einer Kathodenseite der PEMFC während des Betriebs des PEMFCS in Abhängigkeit von einer Ziel-Elektrizitätsabgabe Oe des PEMFCS bereitstellt.The method involves controlling the PEMFCS by the controller to cause the compressor to compress the gaseous oxidant and supply it to a cathode side of the PEMFC during operation of the PEMFCS depending on a target electricity output O e of the PEMFCS.

Insbesondere umfasst das Steuern des PEMFCS das Steuern der folgenden Parameter:

  1. (a) ein Drucks p, auf den das Oxidationsmittel durch den Verdichter verdichtet wird,
  2. (b) eine Strömungsrate r, mit der das verdichtete Oxidationsmittel der Kathodenseite der PEMFC bereitgestellt wird
sodass eine Erhöhung der Betriebstemperatur T der PEMFC sowohl mit mindestens einer von einer entsprechenden Erhöhung des Drucks p als auch mit einer entsprechenden Verringerung eines stöchiometrischen Verhältnisses λ des Verbrauchs des Oxidationsmittels in seiner chemischen Reaktion mit einem Brennstoff, wie etwa Wasserstoff (H2), in der PEMFC einhergeht.In particular, controlling the PEMFCS includes controlling the following parameters:
  1. (a) a pressure p to which the oxidizing agent is compressed by the compressor,
  2. (b) a flow rate r at which the compressed oxidant is supplied to the cathode side of the PEMFC
so that an increase in the operating temperature T of the PEMFC is accompanied by at least one corresponding increase in the pressure p as well as a corresponding decrease in the stoichiometric ratio λ of the consumption of the oxidant in its chemical reaction with a fuel, such as hydrogen (H 2 ), in the PEMFC.

Der Begriff „Betriebstemperatur“, wie hierin verwendet, kann sich insbesondere auf eine Temperatur eines Kühlmittels beziehen, das zum Temperieren, insbesondere Kühlen, der PEMFC oder Teilen davon angewendet wird. Alternativ kann die Betriebstemperatur insbesondere als (von der Identitätsfunktion verschiedene) Funktion der Temperatur des Kühlmittels ermittelt werden. Die Betriebstemperatur kann insbesondere als eine durchschnittliche, mittlere oder maximale Temperatur definiert sein, die in der PEMFC oder ihrem Kühlmittel während eines betrachteten Betriebszeitraums des PEMFCS auftritt.The term "operating temperature," as used herein, may refer in particular to the temperature of a coolant used for temperature control, especially cooling, of the PEMFC or parts thereof. Alternatively, the operating temperature may be determined, in particular, as a function of the coolant temperature (different from the identity function). The operating temperature may, in particular, be defined as an average, mean, or maximum temperature occurring in the PEMFC or its coolant during a considered operating period of the PEMFC.

Der Begriff „Ziel-Elektrizitätsabgabe“ (Oe), wie hierin verwendet, kann sich insbesondere auf einen elektrischen Ausgangsstrom oder auf eine elektrische Ausgangsleistung beziehen, die durch das PEMFCS während seines Betriebs geliefert werden soll.The term ‘target electricity output’ (O e ), as used herein, may refer in particular to an electrical output current or electrical output power that is to be supplied by the PEMFCS during its operation.

Der Begriff „stöchiometrisches Verhältnis“, wie hierin verwendet, bezieht sich auf das Verhältnis der Ist-Massenströmungsrate eines Reagens einer chemischen Reaktion zu seiner Massenverbrauchsrate in der chemischen Reaktion. Im vorliegenden Fall bezieht sich der Begriff „stöchiometrisches Verhältnis“ insbesondere auf das Verhältnis der Ist-Massenströmungsrate des gasförmigen Oxidationsmittels zu seiner Massenverbrauchsrate bei der chemischen Reaktion mit dem Brennstoff, z. B. Wasserstoff (H2), in der PEMFC. The term “stoichiometric ratio,” as used herein, refers to the ratio of the actual mass flow rate of a reagent in a chemical reaction to its mass consumption rate in the chemical reaction. In this case, the term “stoichiometric ratio” refers specifically to the ratio of the actual mass flow rate of the gaseous oxidant to its mass consumption rate in the chemical reaction with the fuel, e.g., hydrogen ( H₂ ), in the PEMFC.

Die Begriffe „erster“, „zweiter“, „dritter“ und dergleichen in der Beschreibung und in den Ansprüchen werden zum Unterscheiden zwischen ähnlichen Elementen und nicht zwingend zum Beschreiben einer sequentiellen oder chronologischen Abfolge verwendet. Es versteht sich, dass die so verwendeten Begriffe unter angemessenen Umständen austauschbar sind und dass die Ausführungsformen der vorliegenden Lösung, die hierin beschrieben sind, zum Betrieb in anderen Sequenzen als hierin beschrieben oder veranschaulicht in der Lage sind.The terms “first”, “second”, “third”, and the like in the description and in the claims are used to distinguish between similar elements and not necessarily to describe a sequential or chronological order. It is understood that the terms used in this way are interchangeable under reasonable circumstances and that the embodiments of the present solution described herein are capable of operating in sequences other than those described or illustrated herein.

Sofern der Kontext nichts anderes erfordert, schließt der Begriff „umfassend“ oder „aufweisend“ oder eine Variation davon, wie „umfasst“ oder „weist auf“ oder „aufweisen“, in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen andere Elemente oder Schritte nicht aus und ist in einem offenen, inklusiven Sinne auszulegen, also als „beinhaltend, aber nicht beschränkt auf“.Unless the context otherwise requires, the term “comprehensive” or “including” or any variation thereof such as “includes” or “includes” or “includes” in the present description and claims does not exclude other elements or steps and is to be interpreted in an open, inclusive sense, i.e. as “including but not limited to”.

Wird ein unbestimmter oder bestimmter Artikel verwendet, wenn er sich auf ein singuläres Substantiv bezieht, z. B. „ein“ oder „eine“, „der/die/das“, so beinhaltet dies eine Mehrzahl dieses Substantivs, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.When an indefinite or definite article is used to refer to a singular noun, e.g., "ein" or "eine", "der/die/das", this includes a plural of that noun unless explicitly stated otherwise.

Das Auftreten der Ausdrücke „in einigen Ausführungsformen“ oder „in einer Ausführungsform“ in der Beschreibung bezieht sich nicht unbedingt auf dieselbe Ausführungsform. Außerdem können die bestimmten Merkmale, Strukturen oder Charakteristika auf eine beliebige geeignete Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden.The use of the phrases "in some embodiments" or "in one embodiment" in the description does not necessarily refer to the same embodiment. Furthermore, the specific features, structures, or characteristics can be combined in any suitable way in one or more embodiments.

Ferner bezieht sich, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, „oder“ auf ein einschließendes oder und nicht auf ein ausschließliches oder. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch ein beliebiges des Folgenden erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden).Furthermore, unless expressly stated otherwise, "or" refers to an inclusive or and not an exclusive or. For example, a condition A or B is satisfied by any of the following: A is true (or present) and B is false (or not present), A is false (or not present) and B is true (or present), and both A and B are true (or present).

Gemäß dem Verfahren geht eine Erhöhung der Betriebstemperatur T, sei sie aktiv gesteuert oder eine bloße Folge gegebener Umstände, wie etwa der Umgebungstemperatur oder einer vergangenen oder aktuellen elektrischen Last des PEMFCS, mit einer entsprechende Erhöhung des (Ziel-)Drucks p und einer entsprechenden Verringerung des stöchiometrischen (Ziel-)Verhältnisses λ einher. Auf diese Weise kann der thermische Wirkungsgrad des PEMFCS trotz der Erhöhung der Betriebstemperatur T beibehalten oder sogar verbessert werden, da die Änderung des Drucks p und des stöchiometrischen Verhältnisses λ (und damit des lokalen Stoffmengenanteils x) des der PEMFC zugeführten Oxidationsmittels ebenfalls derart erhöht sind, dass der natürliche negative Effekt einer bloßen Temperaturerhöhung auf die Konzentration des Oxidationsmittels kompensiert oder sogar rückgängig gemacht wird.According to the method, an increase in the operating temperature T, whether actively controlled or simply a consequence of given circumstances such as the ambient temperature or a past or present electrical load on the PEMFCS, is accompanied by a corresponding increase in the (target) pressure p and a corresponding decrease in the stoichiometric (target) ratio λ. In this way, the thermal efficiency of the PEMFCS can be maintained or even improved despite the increase in the operating temperature T, since the change in pressure p and the stoichiometric ratio λ (and thus the local mole fraction x) of the PEMFC the concentration of the added oxidizing agent is also increased to such an extent that the natural negative effect of a mere temperature increase on the concentration of the oxidizing agent is compensated for or even reversed.

Insbesondere wirkt sich die Erhöhung des Drucks p auch negativ auf die Wasserverdunstung aus und wirkt somit mindestens einem von einer Reduzierung der Membranfeuchtigkeit, einer Reduzierung des thermischen Wirkungsgrads und feuchtigkeitsabhängigen Schäden an der Membran entgegen.In particular, increasing the pressure p also has a negative effect on water evaporation and thus counteracts at least one of the following: a reduction in membrane moisture, a reduction in thermal efficiency and moisture-dependent damage to the membrane.

Während eine Erhöhung des Drucks p ohne Gegenmaßnahmen naturgemäß mehr Verdichterleistung erfordert und somit mehr Wärme erzeugt, ermöglicht eine Reduzierung des stöchiometrischen Verhältnisses λ eine Reduzierung des Leistungsbedarfs des Verdichters, sodass eine Erhöhung des Drucks p erreicht werden kann, während eine damit verbundene bedeutende Erhöhung der Betriebstemperatur T abgemildert werden kann.While an increase in pressure p naturally requires more compressor power without countermeasures and thus generates more heat, a reduction in the stoichiometric ratio λ allows a reduction in the power requirement of the compressor, so that an increase in pressure p can be achieved while mitigating a significant increase in the operating temperature T associated with it.

Dementsprechend stellt das Verfahren einen verbesserten Weg zum Erweitern des verfügbaren Bereichs von Betriebstemperaturen eines PEMFCS hin zu höheren Temperaturen bereit, ohne den thermische Wirkungsgrad und die Integrität des PEMFCS zu beeinträchtigen, einschließlich insbesondere der Integrität der Membran(en) der PEMFC.Accordingly, the method provides an improved way to extend the available range of operating temperatures of a PEMFCS to higher temperatures without compromising the thermal efficiency and integrity of the PEMFCS, including in particular the integrity of the membrane(s) of the PEMFC.

Im Folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens des ersten Aspekts beschrieben, die beliebig miteinander oder mit anderen Aspekten der vorliegenden Lösung kombiniert werden können, sofern eine solche Kombination nicht ausdrücklich ausgeschlossen oder technisch unmöglich ist.The following are preferred embodiments of the method of the first aspect, which can be combined arbitrarily with each other or with other aspects of the present solution, unless such a combination is expressly excluded or technically impossible.

In einigen Ausführungsformen erfolgt das Steuern des PEMFCS das Steuern der Parameter in Abhängigkeit von der Ziel-Elektrizitätsabgabe Oe derart, dass das Verhältnis (p·x)/T erhöht oder mindestens innerhalb einer Spanne M = ± 10 % gehalten wird, wobei x die Oxidationsmittel-Stoffmengenkonzentration des verdichteten Oxidationsmittels in einem austretenden Rückstrom an einem Auslass der Kathodenseite der PEMFC ist, z. B. x = CO2 bei Luft. Dementsprechend basieren diese Ausführungsformen auf der Verwendung des Verhältnisses (p·x)/T oder einer äquivalenten oder entsprechenden Größe als Steuervariable für die Steuerung zum Steuern des Betriebs des PEMFCS, was eine effektive und effiziente Implementierung eines Steuerungsschemas, das durch die Steuerung durchgeführt werden soll, ermöglicht.In some embodiments, the PEMFCS is controlled by adjusting the parameters as a function of the target electrical output O <sub>e</sub> such that the ratio (p·x)/T is increased or at least maintained within a range M = ± 10%, where x is the molar concentration of the compressed oxidant in a returning stream at an outlet on the cathode side of the PEMFC, e.g., x = CO<sub>2</sub> for air. Accordingly, these embodiments are based on using the ratio (p·x)/T, or an equivalent or corresponding quantity, as a control variable for the control system to regulate the operation of the PEMFCS, thus enabling an effective and efficient implementation of a control scheme to be carried out by the controller.

In einigen Ausführungsformen umfasst das Steuern des PEMFCS das Steuern der Parameter derart, dass die Oxidationsmittel-Stoffmengenkonzentration x des verdichteten Oxidationsmittels auf eine minimale Oxidationsmittel-Stoffmengenkonzentration (xmin) reduziert wird, die von der Ziel-Elektrizitätsabgabe Oe abhängig ist wobei x die Oxidationsmittel-Stoffmengenkonzentration des verdichteten Oxidationsmittels in einem austretenden Rückstrom an einem Auslass der Kathodenseite der PEMFC ist. Auf diese Weise kann die oben beschriebene Kompensation der temperaturerhöhenden Wirkung einer Druckerhöhung durch gleichzeitige Verringerung des stöchiometrischen Verhältnisses λ (und damit der Oxidationsmittel-Stoffmengenkonzentration x) optimiert werden. Insbesondere kann xmin als in Abhängigkeit von einem elektrischen Ausgangsstrom des PEMFCS oder seiner zugeordneten Stromdichte definiert werden. In den nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren weiter erörterten spezifischen Ausführungsformen ist das Oxidationsmittel Luft, und seine Stoffmengenkonzentration x wird stattdessen als CO2 bezeichnet.In some embodiments, controlling the PEMFCS involves controlling the parameters such that the oxidant molar concentration x of the compressed oxidant is reduced to a minimum oxidant molar concentration (x<sub> min </sub>) that depends on the target electrical output O<sub> e </sub>, where x is the oxidant molar concentration of the compressed oxidant in a returning flow at an outlet on the cathode side of the PEMFC. In this way, the compensation described above for the temperature-increasing effect of a pressure increase can be optimized by simultaneously reducing the stoichiometric ratio λ (and thus the oxidant molar concentration x). In particular, x <sub>min</sub> can be defined as dependent on an electrical output current of the PEMFCS or its associated current density. In the specific embodiments discussed further below with reference to the figures, the oxidant is air, and its molar concentration x is instead denoted as CO<sub>2</sub> .

In einigen Ausführungsformen weist mindestens eine der Verdichterstufen einen Variable-Turbinengeometrie-Lader (variable nozzle turbine - VNT) auf, und umfasst das Steuern des Drucks p ein Bewirken einer Veränderung eines effektiven Aspektverhältnisses der VNT. Somit stellt die VNT ein effektives und platzsparendes Mittel bereit, um den Druck p auf kontrollierte Weise zu modifizieren. Die Turbine kann insbesondere eine Turbine auf der Abgasseite eines elektrischen Turboladers der mindestens einen Verdichterstufe sein.In some embodiments, at least one of the compressor stages incorporates a variable nozzle turbine (VNT), and controlling the pressure p involves changing the effective aspect ratio of the VNT. Thus, the VNT provides an effective and space-saving means of modifying the pressure p in a controlled manner. The turbine can, in particular, be a turbine on the exhaust side of an electric turbocharger of the at least one compressor stage.

In einigen Ausführungsformen umfasst das Steuern der Strömungsrate r ein Bewirken einer Veränderung einer Strömungsrate mindestens einer Stufe des Verdichters. Insbesondere im Fall einer Kreiselverdichterstufe kann das Steuern der Strömungsrate r das Steuern einer Drehzahl der Verdichterstufe umfassen. Folglich können sowohl der Druck p als auch die Strömungsrate r eingestellt werden, indem (lediglich) der Betrieb des Verdichters selbst gesteuert wird.In some embodiments, controlling the flow rate r involves changing the flow rate of at least one compressor stage. In particular, in the case of a centrifugal compressor stage, controlling the flow rate r can include controlling the rotational speed of the compressor stage. Consequently, both the pressure p and the flow rate r can be adjusted by (simply) controlling the operation of the compressor itself.

In einigen Ausführungsformen umfasst das Steuern der Parameter ein Lesen eines jeweiligen Sollwerts jedes zu steuernden Parameters aus einer oder mehreren vorbestimmten Nachschlagetabellen, die zusammen solche Sollwerte in Abhängigkeit von der Ziel-Elektrizitätsabgabe Oe oder mindestens einer dieser entsprechenden Größe definieren. Dies ist besonders nützlich in Fällen, in denen Leistungsfähigkeit (im Hinblick auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit) wichtig ist und in denen eine oder mehrere vordefinierte Sollwertfunktionen verwendet werden können, ohne die Effektivität und/oder Effizienz des Verfahrens zu beeinträchtigen. Diese eine oder mehreren Sollwertfunktionen, die jeweils einen oder mehrere Sollwerte in Abhängigkeit von zugehörigen Eingaben, wie etwa der Ziel-Elektrizitätsabgabe Oe oder daraus abgeleiteten Größen, definieren, können somit in der einen oder den mehreren Nachschlagetabellen verkörpert sein, sodass die Ausgaben der Sollwertfunktionen sehr schnell und zuverlässig aus der einen oder den mehreren Nachschlagetabellen verfügbar sind. Darüber hinaus bieten Nachschlagetabellen den Vorteil, dass auch Funktionen, die nicht (effizient oder gar nicht) geschlossen durch eine mathematische Formel definiert werden können, dennoch einfach implementiert werden können. Dies ist besonders nützlich, wenn die Funktion, die in einer Nachschlagetabelle verkörpert werden soll, experimentell abgeleitet wurde, indem z. B. ein diskreter Satz einer begrenzten Anzahl von Messpunkten gemessen wird, anstatt aus einer Art mathematischer Berechnung.In some embodiments, parameter control involves reading a setpoint for each parameter to be controlled from one or more predetermined lookup tables, which together define such setpoints as a function of the target electrical output O<sub> e </sub> or at least one of these corresponding quantities. This is particularly useful in cases where performance (in terms of processing speed) is important and where one or more predefined setpoint functions can be used without compromising the effectiveness and/or efficiency of the process. These one or more setpoint functions, each containing one or more setpoints as a function of associated parameters, are then used to determine the setpoints. Specific inputs, such as the target electricity output O <sub>e </sub> or derived quantities, can thus be defined in one or more lookup tables, making the outputs of the setpoint functions available very quickly and reliably from these tables. Furthermore, lookup tables offer the advantage that even functions that cannot be defined (efficiently or at all) closed by a mathematical formula can still be easily implemented. This is particularly useful when the function to be represented in a lookup table has been derived experimentally, for example, by measuring a discrete set of a limited number of data points, rather than through some kind of mathematical calculation.

In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner ein Bestimmen der Ziel-Elektrizitätsabgabe Oe, wobei das Bestimmen von Oe mindestens eines von Folgenden umfasst: (i) Messen von Oe; (ii) Messen mindestens einer Größe, die zu Oe korrespondiert, und Ableiten von Oe basierend auf einer oder mehreren solchen gemessenen Größen; (iii) Empfangen von Informationen, die mindestens eine Größe darstellen, die zu Oe korrespondiert, von einer PEMFCS-externen Informationsquelle und Bestimmen von Oe basierend auf den empfangenen Informationen. Somit wird in den Fällen (i) und (ii) das Verfahren oder insbesondere ein das Verfahren implementierendes PEM-Brennstoffzellensystem weitgehend autonom, während es im Fall (iii) anderweitig gesammelte Informationen nutzen kann, z. B. durch einen oder mehrere an anderer Stelle und möglicherweise sogar (auch) für andere Zwecke bereitgestellte Sensoren in einem durch das Brennstoffzellensystem betriebenen System oder Gerät (z. B. Fahrzeug), sodass in einer solchen Dual-Use-Situation eine Effizienzsteigerung im Sinne von Platz- und/oder Kosteneinsparung erzielt werden kann.In some embodiments, the method further comprises determining the target electricity output Oe , wherein determining Oe includes at least one of the following: (i) measuring Oe ; (ii) measuring at least one quantity corresponding to Oe and deriving Oe based on one or more such measured quantities; (iii) receiving information representing at least one quantity corresponding to Oe from a PEMFCS-external information source and determining Oe based on the received information. Thus, in cases (i) and (ii), the method, or in particular a PEM fuel cell system implementing the method, becomes largely autonomous, whereas in case (iii) it can utilize information gathered elsewhere, e.g., from a PEM fuel cell system. B. by one or more sensors provided elsewhere and possibly even (also) for other purposes in a system or device (e.g. vehicle) powered by the fuel cell system, so that in such a dual-use situation an increase in efficiency in terms of space and/or cost savings can be achieved.

In einigen Ausführungsformen wird das PEMFCS zum Antreiben eines Fahrzeugmotors angewendet und wird das Verfahren zum Steuern des PEMFCS während des Betriebs des elektrischen Fahrzeugmotors angewendet, während dieser zumindest teilweise durch Elektrizität angetrieben wird, die durch das PEMFCS erzeugt wird. Dies ist besonders nützlich, um Fahrsituationen abzudecken, in denen der Leistungsbedarf des Fahrzeugs, einschließlich insbesondere seines Elektromotors, ein sehr hohes Niveau erreicht und mit ziemlich hohen Temperaturen einhergeht. Eine solche Situation könnte beispielsweise auftreten, wenn das Fahrzeug (z. B. ein Schwerlast-LKW mit großer Last) bei hohen Umgebungstemperaturen auf einer bergigen Straße fährt, z. B. in einer heißen Wüstenumgebung (wie im Südwesten der USA) oder an einem heißen Sommertag.In some embodiments, the PEMFCS is used to drive a vehicle motor, and the method for controlling the PEMFCS is applied during the operation of the electric vehicle motor, while it is at least partially driven by electricity generated by the PEMFCS. This is particularly useful for covering driving situations in which the power demand of the vehicle, including in particular its electric motor, reaches a very high level and is accompanied by fairly high temperatures. Such a situation could occur, for example, when the vehicle (e.g., a heavy-duty truck with a large load) is driving on a mountainous road at high ambient temperatures, e.g., in a hot desert environment (such as in the southwestern United States) or on a hot summer day.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Lösung ist auf ein PEM-Brennstoffzellensystem (PEMFCS) gerichtet, das Folgendes aufweist: (i) einen Satz aus einer oder mehreren PEM-Brennstoffzellen (PEMFC), (ii) einen Verdichter mit einer oder mehreren Verdichterstufen zum Bereitstellen eines druckbeaufschlagen gasförmigen Oxidationsmittels, wie etwa Sauerstoff, an einer Kathodenseite der PEMFC und (iii) eine Steuerung zum Steuern eines Betriebs der PEMFCS. Hierbei ist die Steuerung dazu konfiguriert, das PEMFCS gemäß dem Verfahren des ersten Aspekts zu steuern, z. B. gemäß einer oder mehreren seiner hierin beschriebenen Ausführungsformen.A second aspect of the present solution relates to a PEM fuel cell system (PEMFCS) comprising: (i) a set of one or more PEM fuel cells (PEMFCs), (ii) a compressor with one or more compressor stages for supplying a pressurized gaseous oxidizer, such as oxygen, to a cathode side of the PEMFC, and (iii) a controller for controlling the operation of the PEMFCS. The controller is configured to control the PEMFCS according to the method of the first aspect, e.g., according to one or more of its embodiments described herein.

Der PEM-Brennstoff kann insbesondere als Komponenten eines Brennstoffzellenstapels bereitgestellt sein, in dem sie gestapelt angeordnet sind. Ein PEM-Brennstoffzellenstapel ist ein bekanntes Konzept, um mehrere, oft mehrere Hundert, PEM-Brennstoffzellen sehr platzsparend anzuordnen, z. B. im Bereich der Brennstoffzellen für Automobilanwendungen.The PEM fuel can be supplied, in particular, as components of a fuel cell stack, in which they are arranged in a stacked configuration. A PEM fuel cell stack is a well-known concept for arranging several, often several hundred, PEM fuel cells in a very space-saving manner, e.g., in the field of fuel cells for automotive applications.

Der Begriff „Steuerung“, wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine beliebige Funktionseinheit oder einen Satz von Funktionseinheiten, die dazu konfiguriert sind, die der Steuerung zugeordneten Aufgaben durchzuführen, insbesondere einen Betrieb des PEMFCS ganz oder teilweise zu steuern. Eine Steuerung kann insbesondere eine oder mehrere physische Vorrichtungen aufweisen. Beispielsweise können eine oder mehrere dieser Vorrichtungen jeweils als eine Hardwareschaltung implementiert sein, die kundenspezifische VLSI-Schaltungen oder Gate-Arrays, handelsübliche Halbleiter wie etwa Logikchips, Transistoren oder andere diskrete Komponenten aufweist. Eine Vorrichtung kann auch in programmierbaren Hardwaremitteln implementiert sein, wie etwa feldprogrammierbaren Gate-Arrays, programmierbarer Array-Logik, programmierbaren Logikmitteln oder dergleichen. Eine Steuerung kann auch zumindest teilweise in Software zur Ausführung durch verschiedene Arten von Prozessoren implementiert sein. Eine identifizierte Vorrichtung mit ausführbarem Code kann beispielsweise einen oder mehrere physische oder logische Blöcke von Computeranweisungen aufweisen, die beispielsweise als Objekt, Prozedur oder Funktion organisiert sein können. Nichtsdestotrotz müssen die ausführbaren Dateien einer identifizierten Vorrichtung nicht physisch zusammen angeordnet sein, sondern können unterschiedliche Anweisungen umfassen, die an unterschiedlichen Stellen gespeichert sind, die, wenn sie logisch miteinander verbunden sind, die Vorrichtung aufweisen und den angegebenen Zweck für die Vorrichtung erfüllen. Tatsächlich könnte eine Einheit ausführbaren Codes eine einzelne Anweisung oder viele Anweisungen sein und kann sogar über mehrere unterschiedliche Codesegmente, zwischen unterschiedlichen Programmen und über mehrere Speichermittel verteilt sein. In ähnlicher Weise können Betriebsdaten in dieser Schrift innerhalb von Vorrichtungen identifiziert und veranschaulicht sein und können in jeder geeigneten Form verkörpert und innerhalb jeder geeigneten Art von Datenstruktur organisiert sein. Die Betriebsdaten können als ein einziger Datensatz gesammelt oder über unterschiedliche Stellen verteilt sein, einschließlich über unterschiedliche Speichermittel, und können zumindest teilweise lediglich als elektronische Signale in einem System oder Netzwerk existieren.The term “controller,” as used herein, refers to any functional unit or set of functional units configured to perform the tasks assigned to the controller, in particular to control all or part of the operation of the PEMFCS. A controller may, in particular, comprise one or more physical devices. For example, one or more of these devices may each be implemented as a hardware circuit comprising custom VLSI circuits or gate arrays, commercially available semiconductors such as logic chips, transistors, or other discrete components. A device may also be implemented in programmable hardware, such as field-programmable gate arrays, programmable array logic, programmable logic devices, or the like. A controller may also be implemented, at least in part, in software for execution by various types of processors. An identified device with executable code may, for example, comprise one or more physical or logical blocks of computer instructions, which may be organized, for example, as an object, procedure, or function. Nevertheless, the executable files of an identified device need not be physically located together, but may comprise different instructions stored in different locations which, when logically connected, represent the device and fulfill its stated purpose. In fact A unit of executable code could be a single instruction or many instructions, and could even be distributed across several different code segments, between different programs, and across multiple storage media. Similarly, operational data in this text can be identified and illustrated within devices and can be embodied in any suitable form and organized within any suitable type of data structure. The operational data can be collected as a single data set or distributed across different locations, including different storage media, and can exist, at least in part, simply as electronic signals within a system or network.

Im Folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen des PEMFCS des zweiten Aspekts beschrieben, die beliebig miteinander oder mit anderen Aspekten der vorliegenden Lösung kombiniert werden können, sofern eine solche Kombination nicht ausdrücklich ausgeschlossen oder technisch unmöglich ist.The following are preferred embodiments of the PEMFCS of the second aspect, which can be combined arbitrarily with each other or with other aspects of the present solution, unless such a combination is expressly excluded or technically impossible.

In einigen Ausführungsformen weist das PEMFCS ferner eine oder mehrere Temperiervorrichtungen auf (wie etwa einen oder mehrere Kühlkörper oder andere Kühlvorrichtungen, thermische Wärmepumpen oder Heizungen) zum Einstellen einer Temperatur eines Kühlmittels, das durch die PEMFC strömt. Auf diese Weise kann die Temperatur der PEMFC proaktiv beeinflusst werden, insbesondere unter der Kontrolle der Steuerung, um zu unterstützen, dass die PEMFC in einen optimalen Betriebszustand oder Bereich von Betriebszuständen gebracht oder gehalten wird. Dementsprechend kann mindestens eine der Temperiervorrichtungen durch die Steuerung steuerbar sein, um die Betriebstemperatur der PEMFC zu steuern.In some embodiments, the PEMFCS further includes one or more temperature control devices (such as one or more heat sinks or other cooling devices, thermal heat pumps, or heaters) for adjusting the temperature of a coolant flowing through the PEMFC. In this way, the temperature of the PEMFC can be proactively influenced, particularly under the control of the controller, to help bring or maintain the PEMFC in an optimal operating state or range of operating states. Accordingly, at least one of the temperature control devices can be controllable by the controller to regulate the operating temperature of the PEMFC.

In einigen Ausführungsformen weist mindestens eine der Verdichterstufen eine oder mehrere Druckänderungsvorrichtungen zum Verändern des Drucks p unter der Kontrolle der Steuerung auf. Auf diese Weise kann der Druck p gezielt, insbesondere in Abhängigkeit von der Ziel-Elektrizitätsabgabe Oe, z. B. Ziel-Ausgangsstrom, auf ein gewünschtes, insbesondere optimales Druckniveau gebracht bzw. dort gehalten werden.In some embodiments, at least one of the compressor stages has one or more pressure-changing devices for changing the pressure p under the control of the controller. In this way, the pressure p can be selectively brought to a desired, and in particular optimal, pressure level or maintained there, especially depending on the target electrical output O<sub> e </sub>, e.g., target output current.

In einigen Ausführungsformen weist mindestens eine der Druckänderungsvorrichtungen einen Variable-Turbinengeometrie-Lader (VNT) auf, deren effektives Aspektverhältnis durch die Steuerung steuerbar ist. Insbesondere kann die VNT anstelle oder in Kombination mit dem vorstehend erörterten Drucksteuerventil verwendet werden, um den Druck p zu steuern. Eine VNT ist eine hochwirksame Drucksteuervorrichtung, die unter Verwendung eines entsprechenden Steuersignals, das durch Steuerung bereitgestellt wird, gut steuerbar ist, möglicherweise sogar über einen einzigen Aktor.In some embodiments, at least one of the pressure-changing devices incorporates a variable-geometry turbocharger (VNT) whose effective aspect ratio is controllable by the controller. In particular, the VNT can be used instead of, or in combination with, the pressure control valve discussed above to control the pressure p. A VNT is a highly effective pressure control device that is readily controllable using an appropriate control signal provided by the controller, possibly even via a single actuator.

In einigen Ausführungsformen weist mindestens eine der Verdichterstufen einen elektrischen Turbolader auf, der durch die Steuerung steuerbar ist. Dies ermöglicht eine hocheffiziente (insbesondere energieeffiziente) Druckbeaufschlagung des Oxidationsmittels, z. B. Luft.In some embodiments, at least one of the compressor stages has an electric turbocharger that can be controlled by the control unit. This enables highly efficient (especially energy-efficient) pressurization of the oxidizing agent, e.g., air.

Insbesondere weist der elektrische Turbolader in einigen dieser Ausführungsformen den VNT auf. Auf diese Weise kann eine sehr kompakte und dennoch hocheffiziente Druckänderungsvorrichtung erreicht werden. Beispielsweise kann die VNT Teil einer Turbinenseite des elektrischen Turboladers sein oder eine solche definieren.In particular, some of these embodiments of the electric turbocharger incorporate the VNT. This allows for a very compact yet highly efficient pressure changer. For example, the VNT can be part of, or define, a turbine side of the electric turbocharger.

In einigen Ausführungsformen weist das PEM-Brennstoffzellensystem ein Drucksteuerventil in einem kathodenseitigen Auslasskanal des PEMFCS, insbesondere in einem Abgaskanal (z. B. für Luft) des PEMFCS, auf. Dementsprechend kann das Ventil verwendet werden, um den Druck p unter der Kontrolle der Steuerung zu steuern.In some embodiments, the PEM fuel cell system has a pressure control valve in a cathode-side outlet channel of the PEMFCS, particularly in an exhaust channel (e.g., for air) of the PEMFCS. Accordingly, the valve can be used to control the pressure p under the control of the controller.

In einigen Ausführungsformen weist das PEM-Brennstoffzellensystem ferner einen Satz aus einem oder mehreren Sensoren zum Messen einer oder mehrerer der folgenden Größen auf: (i) der Betriebstemperatur T des PEMFCS (z. B. in Form einer Temperatur eines Kühlmittels zum Temperieren der PEMFC), (ii) einer Strömungsrate Q des Oxidationsmittels vor seiner Verdichtung durch den Verdichter; (iii) eines Eingangsdrucks P des Oxidationsmittels vor seiner Verdichtung durch den Verdichter, (iv) eines elektrischen Stroms I, der durch die PEMFC erzeugt wird. Hierbei ist die Steuerung dazu konfiguriert, die PEMFC basierend auf mindestens einer dieser Größen, wie sie durch den Satz von Sensoren gemessen werden, zu steuern. Diese Ausführungsformen sind besonders nützlich, um das PEMFCS als ein weitgehend autonomes System zu implementieren, das in der Lage ist, den Betrieb des PEMFCS unter der Kontrolle der Steuerung zu optimieren, ohne dass die Notwendigkeit oder nur eine begrenzte Notwendigkeit besteht, dass Sensordaten an anderer Stelle erzeugt werden.In some embodiments, the PEM fuel cell system further comprises a set of one or more sensors for measuring one or more of the following quantities: (i) the operating temperature T of the PEMFCS (e.g., in the form of a coolant temperature for tempering the PEMFC), (ii) a flow rate Q of the oxidizer before its compression by the compressor; (iii) an inlet pressure P of the oxidizer before its compression by the compressor; (iv) an electrical current I generated by the PEMFC. The controller is configured to control the PEMFC based on at least one of these quantities as measured by the set of sensors. These embodiments are particularly useful for implementing the PEMFCS as a largely autonomous system capable of optimizing its operation under the control of the controller, with little or no need for sensor data to be generated elsewhere.

In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung dazu konfiguriert, eine Drehzahl eines Aktors, z. B. eines Motors, der mindestens eine der Verdichterstufen ansteuert, zu steuern. Da auf diese Weise der durch die jeweiligen Verdichterstufe erzeugte Druck von der Drehzahl abhängig ist, kann die Steuerung somit den Ausgangsdruck der jeweiligen Verdichterstufe steuern.In some embodiments, the controller is configured to control the rotational speed of an actuator, e.g., a motor that drives at least one of the compressor stages. Since the pressure generated by each compressor stage is thus dependent on the rotational speed, the controller can therefore control the output pressure of each compressor stage.

In einigen Ausführungsformen weist das PEMFCS ferner einen Befeuchter auf, der dazu konfiguriert ist, das Oxidationsmittel nach seiner Verdichtung durch mindestens eine, z. B. alle, der Verdichterstufen zu befeuchten. Dementsprechend kann der Befeuchter insbesondere stromabwärts des Verdichters und stromaufwärts der PEMFC angeordnet sein. Die Rolle des Befeuchters besteht insbesondere darin, die Feuchtigkeit des Oxidationsmittels in einem geeigneten Feuchtigkeitsbereich zu halten, denn eine zu niedrige Feuchtigkeit kann zu einer Erhöhung des ohmschen Widerstands der PEMFC und somit zu einem reduzierten thermischen Wirkungsgrad führen.In some embodiments, the PEMFCS further includes a humidifier configured to humidify the oxidizer after it has passed through at least one, e.g., all, of the compressor stages. Accordingly, the humidifier can be located, in particular, downstream of the compressor and upstream of the PEMFC. The role of the humidifier is, in particular, to maintain the moisture content of the oxidizer within a suitable range, since excessively low moisture can lead to an increase in the ohmic resistance of the PEMFC and thus to a reduced thermal efficiency.

Dies ist insbesondere bei steigenden und hohen Temperaturen relevant, wenn der Befeuchter einen Gas-Gas-Feuchtigkeitstauscher aufweist. Eine solche Tauschervorrichtung leitet die Kathodenprozessluft über eine gasdurchlässige Membran. Wasserdampf aus dem Kathodenauslassgas kann über eine Membran diffundieren, um das Kathodeneinlassgas zu befeuchten. Wenn die Temperatur an einem solchen Befeuchter ansteigt, wird die Dampfkonzentration im PEMFC-Auslassgas typischerweise reduziert.This is particularly relevant at rising and high temperatures when the humidifier incorporates a gas-to-gas moisture exchanger. Such an exchanger directs the cathode process air across a gas-permeable membrane. Water vapor from the cathode outlet gas can diffuse across this membrane to humidify the cathode inlet gas. As the temperature at such a humidifier increases, the vapor concentration in the PEMFC outlet gas is typically reduced.

Wenn die Temperatur zu hoch wird und sich die Feuchtigkeit des Kathodeneinlassgases in der Folge einem kritisch niedrigen Niveau nähert, muss der Druck p erhöht werden, um dies zu kompensieren, um den thermischen Wirkungsgrad auf einem ausreichend hohen Niveau zu halten und Schäden an der Membran zu vermeiden.If the temperature becomes too high and the humidity of the cathode inlet gas consequently approaches a critically low level, the pressure p must be increased to compensate for this in order to maintain the thermal efficiency at a sufficiently high level and to avoid damage to the membrane.

Ein dritter Aspekt der vorliegenden Lösung ist auf eine Steuerung zum Steuern eines Betriebs eines PEM-Brennstoffzellensystems (PEMFCS) gerichtet, wobei das PEMFCS einen Satz aus einer oder mehreren PEM-Brennstoffzellen (PEMFC), einen Verdichter mit einer oder mehreren Verdichterstufen zum Bereitstellen eines druckbeaufschlagen gasförmigen Oxidationsmittels an der Kathodenseite der PEMFC aufweist, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, das PEMFCS gemäß dem Verfahren des ersten Aspekts zu steuern.A third aspect of the present solution is directed to a controller for controlling the operation of a PEM fuel cell system (PEMFCS), wherein the PEMFCS comprises a set of one or more PEM fuel cells (PEMFC), a compressor with one or more compressor stages for providing a pressurized gaseous oxidizer at the cathode side of the PEMFC, and wherein the controller is configured to control the PEMFCS according to the method of the first aspect.

Ein vierter Aspekt der vorliegenden Lösung ist auf ein Computerprogramm, insbesondere ein gespeichertes Computerprogramm oder ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium gerichtet, wobei das Computerprogramm Anweisungen aufweist, die bei Ausführung auf der Steuerung des PEM-Brennstoffzellensystems des zweiten Aspekts die Steuerung dazu veranlassen, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt durchzuführen. A fourth aspect of the present solution is directed to a computer program, in particular a stored computer program or a non-volatile computer-readable storage medium, wherein the computer program contains instructions which, when executed on the controller of the PEM fuel cell system of the second aspect, cause the controller to carry out the method according to the first aspect.

Die mit Bezug auf den ersten Aspekt der Lösung erläuterten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend für die weiteren Aspekte der Lösung.The features and advantages explained with reference to the first aspect of the solution apply accordingly to the other aspects of the solution.

Das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt ist vorzugsweise dazu konfiguriert, durch die Steuerung gemäß dem zweiten Aspekt oder das PEMFCS gemäß dem dritten Aspekt (insbesondere durch seine Steuerung), insbesondere eine hierin beschriebene Ausführungsform davon, ausgeführt zu werden.The method according to the first aspect is preferably configured to be executed by the control according to the second aspect or the PEMFCS according to the third aspect (in particular by its control), especially an embodiment thereof described herein.

Das Computerprogramm (Produkt) kann insbesondere in der Form eines Datenträgers implementiert sein, auf dem ein oder mehrere Programme zum Durchführen des Verfahrens gespeichert sind. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen Datenträger, wie etwa ein ROM oder ein Flash-Speichermodul. Dies kann von Vorteil sein, wenn das Computerprogrammprodukt als Einzelprodukt unabhängig von der Prozessorplattform, auf der das eine oder die mehreren Programme ausgeführt werden sollen, gehandelt werden soll. In einer anderen Implementierung wird das Computerprogrammprodukt als Datei auf einer Datenverarbeitungseinheit, insbesondere auf einem Server, bereitgestellt und kann über eine Datenverbindung, z. B. das Internet oder eine dedizierte Datenverbindung, wie ein proprietäres oder lokales Netzwerk, heruntergeladen werden.The computer program (product) can be implemented, in particular, in the form of a data carrier on which one or more programs for carrying out the method are stored. Preferably, this is a data carrier such as a ROM or a flash memory module. This can be advantageous if the computer program product is to be traded as a standalone product, independent of the processor platform on which the one or more programs are to be executed. In another implementation, the computer program product is provided as a file on a data processing unit, in particular on a server, and can be downloaded via a data connection, e.g., the Internet or a dedicated data connection, such as a proprietary or local network.

Die Steuerung des zweiten Aspekts und/oder das PEMFCS des dritten Aspekts kann/können dementsprechend einen Programmspeicher aufweisen, in dem das Computerprogramm gespeichert ist. Alternativ kann das System auch eingerichtet sein, um auf ein Computerprogramm, das extern verfügbar ist, zum Beispiel in einer oder mehreren externen Speichervorrichtungen oder auf einem oder mehreren Servern oder anderen Datenverarbeitungseinheiten, über eine Kommunikationsverbindung zuzugreifen, insbesondere, um damit Daten auszutauschen, die während des Verlaufs der Ausführung des Computerprogramms verwendet werden oder Ausgaben des Computerprogramms darstellen.The control system of the second aspect and/or the PEMFCS of the third aspect may accordingly include a program memory in which the computer program is stored. Alternatively, the system may also be configured to access a computer program that is externally available, for example, in one or more external storage devices or on one or more servers or other data processing units, via a communication link, in particular to exchange data that is used during the execution of the computer program or that represents outputs of the computer program.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungen der vorliegenden Lösung sind in der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Figuren bereitgestellt, wobei:

  • 1A ein Blockdiagramm zeigt, das eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens des ersten Aspekts veranschaulicht;
  • 1B, 1C und 1D beispielhafte Ausführungsformen von Sollwert-Kennfeldern für drei der in dem Verfahren von 1A definierten Sollwerte zeigen;
  • 2 ein Blockdiagramm ist, das eine erste Ausführungsform des PEMFCS veranschaulicht;
  • 3 ein Blockdiagramm ist, das eine zweite Ausführungsform des PEMFCS veranschaulicht; und
  • 4 ein Blockdiagramm ist, das eine dritte Ausführungsform des PEMFCS veranschaulicht.
Further advantages, features and applications of the present solution are provided in the following detailed description and the accompanying figures, wherein:
  • 1A a block diagram illustrating an exemplary embodiment of the method of the first aspect;
  • 1B , 1C and 1D Exemplary embodiments of setpoint characteristic maps for three of the methods described in the procedure by 1A show defined target values;
  • 2 a block diagram illustrating a first embodiment of the PEMFCS;
  • 3 a block diagram illustrating a second embodiment of the PEMFCS; and
  • 4 a block diagram illustrating a third embodiment of the PEMFCS.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder einander entsprechende Elemente des in dieser Schrift beschriebenen Verfahrens und des PEMFCS verwendet.In the figures, the same reference symbols are used for identical or corresponding elements of the procedure described in this document and of the PEMFCS.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF EXECUTION FORMS

1A zeigt ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens 100 zum Steuern eines Betriebs eines PEM-Brennstoffzellensystems (PEMFCS) veranschaulicht. Verschiedene Ausführungsformen eines solchen PEMFCS sind in den 2, 3 und 4 veranschaulicht. Während im Folgenden das Verfahren 100 unter Bezugnahme auf die 1A bis 1D in Kombination mit dem in 2 veranschaulichten PEMFCS 200 erörtert wird, kann auf jede der anderen hierin bereitgestellten Ausführungsformen des PEMFCS, z. B. eine der Ausführungsformen in den 3 und 4, anstelle der von 2 Bezug genommen werden. 1A Figure 1 shows a block diagram illustrating an exemplary embodiment of a method 100 for controlling the operation of a PEM fuel cell system (PEMFCS). Various embodiments of such a PEMFCS are described in the following publications: 2 , 3 and 4 Illustrated. While the following describes procedure 100 with reference to the 1A to 1D in combination with the in 2 The illustrated PEMFCS 200 is discussed, but reference can be made to any of the other embodiments of the PEMFCS provided herein, e.g., any of the embodiments in the 3 and 4 , instead of the one from 2 Reference will be made to this.

Unter Bezugnahme zuerst auf 2 weist das darin veranschaulichte PEMFCS 200 einen Satz (PEMFC) 205 auf, z. B. einen Brennstoffzellenstapel, der eine oder mehrere PEM-Brennstoffzellen umfasst, einen Verdichter mit einer (typischerweise elektrischen) ersten Verdichterstufe 215 und einer zweiten Verdichterstufe 220. Der Verdichter ist dazu konfiguriert, an seinem Einlass eine Zufuhr Ain eines gasförmigen Oxidationsmittels, wie etwa Luft, zu empfangen und an seinem Auslass einen druckbeaufschlagten Strom AHin des Oxidationsmittels einer Kathodenseite des PEMFC 205 bereitzustellen. Im vorliegenden Beispiel umfasst die zweite Verdichterstufe 220 einen elektrischen Turbolader mit einem Verdichterrad 220a und einer Turbine 220b. Der Turbolader ist ein Typ mit einem Variable-Turbinengeometrie-Lader (VNT), sodass ein effektives Aspektverhältnis seiner Turbine 220b verändert werden kann. Dementsprechend bilden die Stufen 215 und 220 in Kombination einen zweistufigen elektrischen Turbolader (electric turbo charger - ETC) des VNT-Typs. Das PEMFCS 200 weist ferner eine Steuerung 230 zum Steuern eines Betriebs des PEMFCS 200 auf. Eine solche Steuerung umfasst insbesondere das Steuern des effektiven Aspektverhältnisses der VNT-Turbine 220b und einer Drehzahl mindestens der ersten Stufe 215 (und optional auch der zweiten Stufe 220) über einen oder mehrere Aktoren. Insbesondere kann ein -Steuersignal X verwendet werden, um das effektive Aspektverhältnis der VNT-Turbine 220b zu steuern, und ein anderes Steuersignal M kann verwendet werden, um die jeweilige(n) Drehzahl(en) der Verdichterstufe(n) zu steuern. Zusätzlich kann ein Strömungsratensensor zum Messen einer Strömungsrate Q des eintretenden Stroms Ain von gasförmigem Oxidationsmittel auf der Zufuhrseite des PEMFCS 200 bereitgestellt sein.Referring first to 2 The PEMFCS 200 illustrated therein comprises a set (PEMFC) 205, e.g., a fuel cell stack comprising one or more PEM fuel cells, a compressor with a (typically electric) first compressor stage 215, and a second compressor stage 220. The compressor is configured to receive a supply A of a gaseous oxidant, such as air, at its inlet and to provide a pressurized flow AH of the oxidant to a cathode side of the PEMFC 205 at its outlet. In the present example, the second compressor stage 220 comprises an electric turbocharger with a compressor wheel 220a and a turbine 220b. The turbocharger is a variable-geometry turbocharger (VNT) type, so that the effective aspect ratio of its turbine 220b can be varied. Accordingly, stages 215 and 220 in combination form a two-stage electric turbocharger (ETC) of the VNT type. The PEMFCS 200 further comprises a control unit 230 for controlling the operation of the PEMFCS 200. Such control includes, in particular, controlling the effective aspect ratio of the VNT turbine 220b and a rotational speed of at least the first stage 215 (and optionally also the second stage 220) via one or more actuators. Specifically, a control signal X can be used to control the effective aspect ratio of the VNT turbine 220b, and another control signal M can be used to control the respective rotational speed(s) of the compressor stage(s). Additionally, a flow rate sensor can be provided on the supply side of the PEMFCS 200 for measuring a flow rate Q of the incoming current A of gaseous oxidizer.

Darüber hinaus weist das PEMFCS 200 ferner eine Temperiervorrichtung 210 auf (oder ist alternativ mit einer PEMFCS-externen Temperiervorrichtung verbunden). Beispielsweise kann die Temperiervorrichtung 210 insbesondere im Fall eines PEMFCS für eine Automobilanwendung (wie etwa Antreiben eines Lkw) einen Kühlkörper (z. B. den Hauptkühler des LKW) aufweisen. Ein Kühlmittel wird durch die PEMFC 205, insbesondere durch jede ihrer Brennstoffzellen, in geeigneten Kanälen und durch die Temperiervorrichtung zirkuliert. Insbesondere während des Betriebs des PEMFCS 200 strömt der Strom Cin von kühlem Kühlmittel von der Temperiervorrichtung 210 (in diesem Fall: Kühlvorrichtung, z. B. Kühlkörper) zu der PEMFC 205, wo es in den Brennstoffzellen erzeugte Wärme absorbiert, und kehrt dann in einem Rückstrom Cout zu der Temperiervorrichtung 210 zurück, wodurch Wärme von der PEMFC 205 zu der Temperiervorrichtung 210 zum Kühlen befördert wird.Furthermore, the PEMFCS 200 also includes a temperature control device 210 (or is alternatively connected to a PEMFCS-external temperature control device). For example, particularly in the case of a PEMFCS for an automotive application (such as powering a truck), the temperature control device 210 may include a heat sink (e.g., the truck's main radiator). A coolant is circulated through the PEMFC 205, particularly through each of its fuel cells, in suitable channels and through the temperature control device. In particular, during operation of the PEMFCS 200, the flow C in of cool coolant flows from the temperature control device 210 (in this case: cooling device, e.g., heat sink) to the PEMFC 205, where it absorbs heat generated in the fuel cells, and then returns in a reverse flow C out to the temperature control device 210, thereby transferring heat from the PEMFC 205 to the temperature control device 210 for cooling.

Ein Temperatursensor zum Messen einer Temperatur T der PEMFC 205 ist in thermischem Kontakt mit dem Kühlmittel bereitgestellt, beispielsweise in thermischem Kontakt mit dem Strom Cin. Im letzteren Fall entspricht die Temperatur T einer Temperatur an einer Auslassseite der PEMFC 205.A temperature sensor for measuring a temperature T of the PEMFC 205 is provided in thermal contact with the coolant, for example in thermal contact with the current C in . In the latter case, the temperature T corresponds to a temperature at an outlet side of the PEMFC 205.

Die PEMFC 205 weist einen Brennstoffeinlass (nicht gezeigt) zum Aufnehmen eines Brennstoffs, wie etwa molekularen Wasserstoff (H2), und zum Bereitstellen desselben an der Anodenseite der Brennstoffzellen der PEMFC 205 auf. Darüber hinaus weist die PEMFC 205 einen weiteren Einlass zum Aufnehmen eines Stroms AFCin von gasförmigem Oxidationsmittel, wie etwa Luft oder ein Gas, das einen höheren Prozentsatz an Sauerstoff (O2) enthält, auf. Innerhalb der Brennstoffzellen reagiert der Brennstoff chemisch mit dem Oxidationsmittel, um elektrische Energie zu erzeugen. Wenn die PEMFC 205 mit einem elektrischen Schaltkreis verbunden ist, z. B. mit einem Elektromotor, kann ein durch die PEMFC 205 erzeugter elektrischer Strom I fließen und durch einen geeigneten Sensor, z. B. ein Amperemeter, gemessen werden.The PEMFC 205 features a fuel inlet (not shown) for receiving a fuel, such as molecular hydrogen ( H₂ ), and delivering it to the anode side of the fuel cells. Additionally, the PEMFC 205 has another inlet for receiving a stream of gaseous oxidant, such as air or a gas containing a higher percentage of oxygen ( O₂ ). Inside the fuel cells, the fuel reacts chemically with the oxidant to generate electrical energy. When the PEMFC 205 is connected to an electrical circuit, such as an electric motor, an electric current I generated by the PEMFC 205 can flow and be measured by a suitable sensor, such as an ammeter.

An einem Auslass der kathodenseitigen PEMFC 205 kann ein Rückstrom AFCout des (nicht verbrauchten) gasförmigen Oxidationsmittels die PEMFC 205 verlassen, und ein geeigneter Drucksensor ist bereitgestellt, um einen Druck P des Rückstroms AFCout zu messen.At an outlet of the cathode-side PEMFC 205, a backflow AFC out of the (unused) gaseous oxidizing agent can leave the PEMFC 205, and a suitable pressure A sensor is provided to measure the pressure P of the AFC return flow.

Das PEMFCS 200 kann ferner einen Befeuchter 225 aufweisen. Insbesondere kann dieser, wie veranschaulicht, so angeordnet sein, dass beide Gasströme AFCin und AFCout ihn passieren. Während der Befeuchter 225 den vom Verdichter kommenden, eintretenden Gasstrom AHin befeuchtet, um über den befeuchteten Gasstrom AFCin eine ausreichend hohe Feuchtigkeit der Membranen der PEM-Brennstoffzellen zu gewährleisten, entfeuchtet er den austretenden Gasstrom AFCout , um Feuchtigkeit aufzufangen, die an der Eintrittseite wieder zum Befeuchten des Gasstroms AFCin verwendet werden soll. Insbesondere kann für die Feuchtigkeit des Gasstroms AFCout an dem Auslass der Kathodenseite der PEMFC 205 auf eine relative Feuchtigkeit (relative humidity - RH) von nahe 100 % abgezielt werden. Der Bereich kann insbesondere von RH: 80 % ... 120 % variieren. Für den entfeuchteten austretenden Gasstrom AHout wird auf eine viel niedrigere RH abgezielt, um eine hohe Effektivität des Befeuchters 225 zu haben und die Feuchtigkeit des Gasstroms AHout zu halten, wenn er die Turbine 220b erreicht und antreibt und schließlich als Abgasstrom Aout, niedrig genug, um die Kondensation zu mindern, ausgestoßen wird.The PEMFCS 200 can further include a humidifier 225. In particular, this humidifier can be arranged, as illustrated, such that both gas streams AFC in and AFC out pass through it. While the humidifier 225 humidifies the incoming gas stream AH in from the compressor to ensure a sufficiently high humidity level in the membranes of the PEM fuel cells via the humidified gas stream AFC in , it dehumidifies the outgoing gas stream AFC out to capture moisture that is to be reused at the inlet side to humidify the gas stream AFC in . In particular, the relative humidity (RH) of the gas stream AFC out at the cathode-side outlet of the PEMFC 205 can be targeted to be close to 100%. The range can vary, in particular, from RH 80% to 120%. For the dehumidified outgoing gas stream AH out , a much lower RH is targeted in order to have high efficiency of the humidifier 225 and to retain the moisture of the gas stream AH out when it reaches and drives the turbine 220b and is finally expelled as exhaust gas stream A out , low enough to reduce condensation.

Optional kann die Temperiervorrichtung 210 eine variable Temperierfähigkeit aufweisen, wie etwa eine variable Kühlkapazität, die über ein Steuersignal R durch die Steuerung 230 steuerbar ist. Auf diese Weise kann die Temperatur T über das Steuersignal R beeinflusst werden. Wenn beispielsweise der Messwert von T ansteigt und sich einem Niveau nähert oder sogar erreicht, das eine obere Temperaturgrenze eines Betriebsbereichs der PEMFC 205 definiert, kann das Steuersignal R verwendet werden, um die Kühlkapazität der Temperiervorrichtung 210 zu erhöhen, um T unter der Temperaturgrenze zu halten.Optionally, the temperature control device 210 can have a variable temperature control capability, such as a variable cooling capacity, which can be controlled by the controller 230 via a control signal R. In this way, the temperature T can be influenced via the control signal R. For example, if the measured value of T increases and approaches or even reaches a level that defines an upper temperature limit of an operating range of the PEMFC 205, the control signal R can be used to increase the cooling capacity of the temperature control device 210 in order to keep T below the temperature limit.

Alle durch die verschiedenen Sensoren durchgeführten Messungen werden der Steuerung 230 in Form von jeweiligen Sensordaten bereitgestellt, und die Steuerung 230 ist dazu konfiguriert, z. B. mittels eines oder mehrerer geeigneter Computerprogramme, die Sensordaten zu verarbeiten, um daraus Steuersignale zum Steuern eines Betriebs des PEMFCS 200 abzuleiten. Insbesondere umfassen solche Steuersignale das Steuersignal X und das Steuersignal M, um den Betrieb des zweistufigen VNT-Turboladers zu steuern.All measurements taken by the various sensors are provided to the controller 230 in the form of respective sensor data, and the controller 230 is configured, e.g., by means of one or more suitable computer programs, to process the sensor data in order to derive control signals for controlling the operation of the PEMFCS 200. In particular, such control signals include the control signal X and the control signal M to control the operation of the two-stage VNT turbocharger.

Unter erneuter Bezugnahme auf 1A wird das Verfahren 100 zum Steuern des PEMFCS 200 ausführlicher erläutert. Das Verfahren umfasst Empfangen verschiedener Eingaben, einschließlich insbesondere der gemessenen aktuellen oder mindestens jüngsten Werte der Temperatur T, des Drucks P und der Strömungsrate Q.With renewed reference to 1A Procedure 100 for controlling the PEMFCS 200 is explained in more detail. The procedure involves receiving various inputs, including in particular the measured current or at least most recent values of the temperature T, the pressure P, and the flow rate Q.

Eine weitere Eingabe ist eine Ziel-Elektrizitätsabgabe Oe. In dem vorliegenden Beispiel ist die Ziel-Elektrizitätsabgabe Oe ein elektrischer Ziel-Abgabestrom I, der durch das PEMFCS 200 bereitgestellt werden soll, wie etwa der Strom, der über die Drosselsteuerung durch einen Fahrer eines durch das PEMFCS 200 angetriebenen Fahrzeugs angefordert wird. Alternativ kann die Ziel-Elektrizitätsabgabe Oe gleich einem gemessenen Strom gesetzt werden, den die PEMFC 205 aktuell bei der gegebenen Strömung Q bereitstellen kann. Die Steuerung 230 verarbeitet alle diese Eingaben, um daraus Steuersignale zum Steuern des PEMFCS 200 abzuleiten, um es zu veranlassen, sich der Ziel-Elektrizitätsabgabe Oeanzunähern und diese (wenn möglich) zu erreichen. Insbesondere könnte die Zufuhrrate des Brennstoffs auf der Anodenseite für diesen Zweck gesteuert werden. Darüber hinaus steuert die Steuerung 230 zu diesem Zweck, wie nachstehend näher erläutert wird, über die Steuersignale X und M auch eine Stoffmengenkonzentration und eine Zufuhrrate (Strömungsrate) des Oxidationsmittels an der Kathodenseite der PEMFC 205.Another input is a target electrical output O<sub>e</sub> . In this example, the target electrical output O<sub> e </sub> is a target electrical output current I to be provided by the PEMFCS 200, such as the current requested via the throttle control by a driver of a vehicle powered by the PEMFCS 200. Alternatively, the target electrical output O<sub>e</sub> can be set equal to a measured current that the PEMFC 205 can currently provide at the given flow Q. The controller 230 processes all these inputs to derive control signals for controlling the PEMFCS 200, causing it to approach and (if possible) reach the target electrical output O<sub> e </sub>. In particular, the fuel feed rate on the anode side could be controlled for this purpose. In addition, the controller 230 also controls, via the control signals X and M, a substance concentration and a feed rate (flow rate) of the oxidant at the cathode side of the PEMFC 205 for this purpose, as will be explained in more detail below.

Die durch die Steuerung 230 durchzuführende Verarbeitung umfasst das Berechnen mehrerer Sollwerte.The processing to be carried out by the control unit 230 includes the calculation of several setpoint values.

Insbesondere umfasst ein erster Prozess 105 Bestimmen eines Ziel-Drucks p des gasförmigen Oxidationsmittels als eine Funktion p(I,T) der Eingangsgrößen I und T. Der bestimmte Ziel-Druck p definiert einen ersten Sollwert Sp und kann sich insbesondere auf den Druck im austretenden Strom AFCout beziehen, wobei auch der Ist-Druck P gemessen wird. Ein Vergleich 110 (z. B. durch eine Komparatorvorrichtung in der Steuerung 230) zwischen dem Sollwert Sp und dem gemessenen Wert P wird durchgeführt, um daraus einen weiteren Sollwert abzuleiten, nämlich einen Sollwert Sx zum Beeinflussen des Ist-Drucks, in dem vorliegenden Beispiel über das Steuern des effektiven Aspektverhältnisses der Turbine 220b des ETC vom VNT-Typ. Das Steuersignal X kann somit so definiert sein, dass es gleich dem bestimmten Sollwert Sx ist oder diesem anderweitig entspricht, sodass das Anwenden des Steuersignals X auf den/die Aktor(en), die das effektive Aspektverhältnis der Turbine 220b beeinflussen, zum Erreichen eines tatsächlichen effektiven Aspektverhältnisses, wie durch den Sollwert Sx bestimmt, führt.In particular, a first process 105 comprises determining a target pressure p of the gaseous oxidant as a function p(I,T) of the input variables I and T. The determined target pressure p defines a first setpoint S<sub>p</sub> and can, in particular, refer to the pressure in the outgoing stream AFC<sub> out </sub>, whereby the actual pressure P is also measured. A comparison 110 (e.g., by a comparator device in the control 230) between the setpoint S<sub> p </sub> and the measured value P is carried out in order to derive a further setpoint, namely a setpoint S<sub>x</sub> for influencing the actual pressure, in the present example by controlling the effective aspect ratio of the turbine 220b of the VNT-type ETC. The control signal X can thus be defined such that it is equal to the specified setpoint S x or otherwise corresponds to it, so that applying the control signal X to the actuator(s) that influence the effective aspect ratio of the turbine 220b leads to achieving an actual effective aspect ratio as determined by the setpoint S x .

1B zeigt ein beispielhaftes Drucksollwertkennfeld zum Bestimmen des Ziel-Drucks p in Abhängigkeit von der Temperatur T und für drei unterschiedliche Werte des Stroms I für ein beispielhaftes Brennstoffzellendesign. Dementsprechend können Kathodenauslassdruckwerte p (und ähnlich P) insbesondere die folgenden Eigenschaften aufweisen: Kathoden-Auslassdruck ist höher als 100 kPa und niedriger als 350 kPa. Der Kathodenauslassdruck ist konstant oder steigt mit der Temperatur T und dem Strom I. Die Schwankung des Kathodendrucks mit der Temperatur T ist nicht direkt proportional zu Änderungen der Gasdichte. 1B This shows an exemplary pressure setpoint characteristic curve for determining the target pressure p as a function of temperature T and for three different values of current I for an exemplary fuel cell design. Accordingly, Cathode outlet pressure values p (and similar P) can exhibit the following properties: The cathode outlet pressure is higher than 100 kPa and lower than 350 kPa. The cathode outlet pressure is constant or increases with temperature T and current I. The variation of the cathode pressure with temperature T is not directly proportional to changes in gas density.

Unter erneuter Bezugnahme auf 1A umfasst ein weiterer Prozess 115 Bestimmen einer Ziel-Stoffmengenkonzentration CO2 des gasförmigen Oxidationsmittels (in dem vorliegenden Beispiel einer Konzentration von O2 in Luft) als eine Funktion CO2 (j) der Stromdichte j = I/A bezogen auf die Eingangsgröße I und die relevante Fläche A des Strompfades für I. Die bestimmte Ziel-Stoffmengenkonzentration CO2 definiert einen weiteren Sollwert Sc und kann sich insbesondere auf die Stoffmengenkonzentration CO2 im austretenden Strom AFCout am Auslass der Kathodenseite beziehen.With renewed reference to 1A A further process, 115, involves determining a target molar concentration C O2 of the gaseous oxidizing agent (in the present example, a concentration of O 2 in air) as a function C O2 (j) of the current density j = I/A, based on the input quantity I and the relevant area A of the current path for I. The determined target molar concentration C O2 defines a further setpoint S c and can, in particular, refer to the molar concentration C O2 in the exiting stream AFC out at the cathode outlet.

1C zeigt ein beispielhaftes Sollwertkennfeld der Stoffmengenkonzentration zum Bestimmen der Ziel-Stoffmengenkonzentration CO2(j) für ein beispielhaftes Brennstoffzellendesign. CO2(j) kann insbesondere die folgenden Eigenschaften aufweisen: CO2(j) ist zumindest im Wesentlichen proportional zur Stromdichte j für Regionen des Betriebsbereichs, in denen die Reynoldszahl Re des Kathodenkanals größer als 80 ist (Re > 80) und/oder die Stromdichte j > 0,5 A/cm2 ist. Die Steigung kann insbesondere im Bereich von 2 bis 4 Mol m-3cm2A-1 liegen. 1C Figure 1 shows an exemplary target value map of the molar concentration for determining the target molar concentration C O2 (j) for an exemplary fuel cell design. C O2 (j) can, in particular, exhibit the following properties: C O2 (j) is at least substantially proportional to the current density j for regions of the operating range where the Reynolds number Re of the cathode channel is greater than 80 (Re > 80) and/or the current density j is > 0.5 A/ cm² . The slope can, in particular, be in the range of 2 to 4 mol m⁻³ cm² A⁻¹ .

Unter erneuter Bezugnahme auf 1A umfasst ein weiterer Prozess 120 Bestimmen eines stöchiometrischen Zielverhältnisses λ des Verbrauchs des Oxidationsmittels bei seiner elektrochemischen Reaktion mit einem Brennstoff in der PEMFC 205. Das stöchiometrische Zielverhältnis λ wird als eine Funktion λ(p, T, CO2) bestimmt, d. h. in Abhängigkeit von dem Ziel-Druck p, der Temperatur T und der durch den Prozess 115 bestimmten Stoffmengenkonzentration CO2(j). Insbesondere kann λ unter Verwendung der molaren Gaskonstante R und eines Anpassungsparameters K für einen MEA-Wasserübergang wie folgt berechnet werden: λ = ( 2 K 1 ) C O 2 R T + P ( P C O 2 R T ( 4,76 + K ω i n 0,21 ) ) ω i n = η B e f e u c h t e r R H P S a ¨ t . ( T ) P η B e f e u c h t e r R H P S a ¨ t . ( T ) With renewed reference to 1A Another process, 120, involves determining a stoichiometric target ratio λ for the consumption of the oxidant in its electrochemical reaction with a fuel in the PEMFC 205. The stoichiometric target ratio λ is determined as a function λ(p, T, CO2 ), i.e., as a function of the target pressure p, the temperature T, and the molar concentration CO2 (j) determined by process 115. In particular, λ can be calculated using the molar gas constant R and a fitting parameter K for an MEA-water transition as follows: λ = ( 2 K 1 ) C O 2 R T + P ( P C O 2 R T ( 4,76 + K ω i n 0,21 ) ) ω i n = η B e f e u c h t e r R H P S a ¨ t . ( T ) P η B e f e u c h t e r R H P S a ¨ t . ( T )

Die Ausgabe des Prozesses 120 definiert somit noch einen weiteren Sollwert Sλ = λ und kann sich insbesondere auf das stöchiometrische Verhältnis in den eintretenden Strömen AHin oder AFCin am Einlass der Kathodenseite beziehen.The output of process 120 thus defines a further setpoint S λ = λ and can in particular refer to the stoichiometric ratio in the incoming currents AH in or AFC in at the inlet of the cathode side.

1D zeigt ein beispielhaftes Sollwertkennfeld für das stöchiometrische Verhältnis zum Bestimmen des stöchiometrischen Zielverhältnisses Sλ = λ in Abhängigkeit von T und für drei unterschiedliche Werte des Stroms I. Kathodenstöchiometriewerte λ können insbesondere die folgenden Eigenschaften aufweisen: λ ist größer als 1 und nimmt mit steigendem Druck und steigender Temperatur ab. Es steigt mit dem Strom I für eine gegebene Temperatur T. 1D This shows an exemplary setpoint characteristic map for the stoichiometric ratio for determining the target stoichiometric ratio S λ = λ as a function of T and for three different values of the current I. Cathode stoichiometric values λ can, in particular, exhibit the following properties: λ is greater than 1 and decreases with increasing pressure and increasing temperature. It increases with the current I for a given temperature T.

Unter erneuter Bezugnahme auf 1A umfasst noch ein weiterer Prozess 125 Bestimmen einer Ziel-Strömungsrate r = m ˙ = d m d t = I 4 F M L u f t 0,21 N Z e l l e n λ , wobei F die Faraday'sche Konstante ist, MLuft die molare Masse von Luft ist und NZellen die Anzahl von Zellen in dem Brennstoffzellenstapel ist.With renewed reference to 1A Another process, 125, involves determining a target flow rate. r = m ˙ = d m d t = I 4 F M L u f t 0,21 N Z e l l e n λ , where F is the Faraday constant, M air is the molar mass of air, and N cells is the number of cells in the fuel cell stack.

Die bestimmte Ziel-Strömungsrate r, hier speziell als Massenströmungsrate ṁ, definiert, definiert noch einen weiteren Sollwert Sm und kann sich insbesondere auf eine Strömungsrate im eintretenden Strom AHin am Auslass der Verdichterstufe 220 beziehen.The specified target flow rate r, here specifically defined as mass flow rate ṁ, defines a further setpoint S m and can in particular refer to a flow rate in the incoming stream AH at the outlet of the compressor stage 220.

Unter erneuter Bezugnahme auf 1A umfasst ein weiterer Prozess 130 Bestimmen noch eines weiteren Sollwerts SM, nämlich einer Ziel-Strömungsrate des gasförmigen Oxidationsmittels am Verdichterauslass als eine Funktion SM(Q, Sm) der gemessenen Strömungsrate Q und des bestimmten Sollwerts Sm. Der Prozess 130 umfasst einen Vergleich (z. B. durch eine Komparatorvorrichtung in der Steuerung 230) zwischen dem Sollwert Sm und dem gemessenen Wert Q, um daraus den Sollwert SM abzuleiten. Das Steuersignal M kann somit als gleich dem bestimmten Sollwert SM oder diesem anderweitig entsprechend definiert sein, sodass das Anwenden des Steuersignals M auf den/die Aktor(en) (z. B. elektrische(n) Antrieb(e) des Verdichters) zum Erreichen einer Ist-Strömungsrate im Strom AHin am Verdichterauslass, wie durch den Sollwert SM bestimmt, führt.With renewed reference to 1A A further process 130 involves determining another setpoint S<sub>M</sub> , namely a target flow rate of the gaseous oxidant at the compressor outlet as a function S <sub>M</sub> (Q, S<sub> m </sub>) of the measured flow rate Q and the determined setpoint S<sub>m</sub> . Process 130 includes a comparison (e.g., by a comparator device in the controller 230) between the setpoint S<sub>m</sub> and the measured value Q in order to derive the setpoint S<sub> M </sub>. The control signal M can thus be defined as equal to the determined setpoint S<sub>M</sub> or otherwise corresponding to it, such that applying the control signal M to the actuator(s) (e.g., the compressor's electric drive(s)) results in achieving an actual flow rate AH at the compressor outlet, as determined by the setpoint S<sub>M</sub>.

Dementsprechend umfasst das Steuern des PEMFCS 200 unter Verwendung des Verfahrens 100 Steuern von mindestens zwei der folgenden Parameter:

  1. (a) dem Druck p, auf den das Oxidationsmittel durch den Verdichter 215/220 verdichtet wird,
  2. (b) einer Strömungsrate r (z. B. Massenströmungsrate, mit der das verdichtete Oxidationsmittel der Kathodenseite der PEMFC 205 zugeführt wird), und
  3. (c) einer Betriebstemperatur T der PEMFC 205,
sodass eine Erhöhung der Betriebstemperatur T mit mindestens einer von einer entsprechenden Erhöhung des Drucks p und einer entsprechenden Verringerung eines stöchiometrischen Verhältnisses λ des Verbrauchs des Oxidationsmittels in seiner elektrochemischen Reaktion mit einem Brennstoff, wie etwa Wasserstoff (H2), in der PEMFC 205 einhergeht.Accordingly, controlling the PEMFCS 200 using procedure 100 includes controlling at least two of the following parameters:
  1. (a) the pressure p to which the oxidizing agent is compressed by the compressor 215/220,
  2. (b) a flow rate r (e.g. mass flow rate) at which the compressed oxidizing (supplied via the cathode side of the PEMFC 205), and
  3. (c) an operating temperature T of the PEMFC 205,
so that an increase in the operating temperature T is accompanied by at least one corresponding increase in the pressure p and a corresponding decrease in the stoichiometric ratio λ of the consumption of the oxidant in its electrochemical reaction with a fuel, such as hydrogen (H 2 ), in the PEMFC 205.

3 ein Blockdiagramm ist, das eine zweite Ausführungsform 300 des PEMFCS veranschaulicht. Während es große Ähnlichkeiten mit dem ersten Ausführungsbeispiel 200 aufweist (das daher hier nicht noch einmal erörtert wird), gibt es die folgenden Unterschiede: Der Verdichter 220 weist einen elektrischen Turbolader (ETC) auf, der derart konfiguriert ist, dass sein Verdichterrad 220a als eine erste Verdichterstufe wirkt und stromabwärts davon die Turbine 220b als zweite Verdichterstufe (anstelle ihrer normalen Rolle als Turboturbine im Abgaskanal) wirkt. Die Drehzahl des Verdichters 220 wird durch die Steuerung über das Steuersignal M gesteuert. Außerdem ist ein Drucksteuerventil 235 im austretenden Strom (Abgaskanal) angeordnet und dazu konfiguriert, durch die Steuerung 230 über das Steuersignal X gesteuert zu werden, um den Ist-Druck P in Richtung des Ziel-Drucks p zu variieren. 3 A block diagram illustrates a second embodiment 300 of the PEMFCS. While it bears a strong resemblance to the first embodiment 200 (which is therefore not discussed again here), the following differences exist: The compressor 220 has an electric turbocharger (ETC) configured such that its compressor wheel 220a acts as a first compressor stage, and downstream of it, the turbine 220b acts as a second compressor stage (instead of its normal role as a turboturbine in the exhaust duct). The rotational speed of the compressor 220 is controlled by the controller via the control signal M. Furthermore, a pressure control valve 235 is arranged in the outgoing stream (exhaust duct) and configured to be controlled by the controller 230 via the control signal X to vary the actual pressure P towards the target pressure p.

4 ist ein Blockdiagramm, das eine dritte Ausführungsform 400 des PEMFCS veranschaulicht. Während es ebenfalls große Ähnlichkeiten mit dem ersten Ausführungsbeispiel 200 aufweist (das daher hier nicht noch einmal erörtert wird), gibt es die folgenden Unterschiede: Der Verdichter 220 weist einen elektrischen Turbolader (ETC) auf, der derart konfiguriert ist, dass sein Verdichterrad 220a als eine erste Verdichterstufe wirkt und die Turbine 220b in ihrer normalen Rolle als Turboturbine im Abgaskanal wirkt. Die Drehzahl des Verdichters 220 wird durch die Steuerung über das Steuersignal M gesteuert. Außerdem ist ein Drucksteuerventil 235 im austretenden Strom (Abgaskanal) zwischen dem Befeuchter 225 und der Turbine 220b angeordnet und dazu konfiguriert, durch die Steuerung 230 über das Steuersignal X gesteuert zu werden, um den Ist-Druck P in Richtung des Ziel-Drucks p zu variieren. 4 Figure 1 is a block diagram illustrating a third embodiment 400 of the PEMFCS. While it also bears a strong resemblance to the first embodiment 200 (which is therefore not discussed again here), the following differences exist: The compressor 220 has an electric turbocharger (ETC) configured such that its compressor wheel 220a acts as a first compressor stage and the turbine 220b acts in its normal role as a turboturbine in the exhaust duct. The rotational speed of the compressor 220 is controlled by the controller via the control signal M. Furthermore, a pressure control valve 235 is arranged in the outgoing stream (exhaust duct) between the humidifier 225 and the turbine 220b and is configured to be controlled by the controller 230 via the control signal X to vary the actual pressure P towards the target pressure p.

Während vorstehend mindestens eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Lösung beschrieben worden ist, sei angemerkt, dass eine große Anzahl an Variationen davon existiert. Außerdem versteht es sich, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nicht einschränkende Beispiele dafür veranschaulichen, wie die vorliegende Lösung implementiert werden kann, und dass es nicht beabsichtigt ist, den Umfang, die Anwendung oder die Konfiguration der hierin beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren einzuschränken. Vielmehr stellt die vorstehende Beschreibung dem Fachmann Konstruktionen zum Implementieren mindestens einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Lösung bereit, wobei es sich versteht, dass verschiedene Änderungen der Funktionalität und der Anordnung der Elemente der beispielhaften Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von dem Gegenstand abzuweichen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.While at least one exemplary embodiment of the present solution has been described above, it should be noted that a large number of variations exist. Furthermore, it is understood that the described exemplary embodiments merely illustrate non-limiting examples of how the present solution can be implemented, and that it is not intended to restrict the scope, application, or configuration of the devices and methods described herein. Rather, the foregoing description provides the person skilled in the art with designs for implementing at least one exemplary embodiment of the present solution, and it is understood that various modifications to the functionality and arrangement of the elements of the exemplary embodiment can be made without deviating from the subject matter defined by the appended claims.

BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE MARK LIST

100100
Verfahren zum Steuern eines Betriebs eines PEMFCSProcedures for controlling the operation of a PEMFCS
105105
Prozess zum Bestimmen eines Ziel-DrucksollwertesProcess for determining a target pressure setpoint
110110
Prozess zum Bestimmen eines Sollwerts für einen Aktor mit Einfluss auf den Ist-DruckProcess for determining a setpoint for an actuator that influences the actual pressure
115115
Prozess zum Bestimmen eines Ziel-Stoffmengenkonzentrations-SollwertsProcess for determining a target substance concentration setpoint
120120
Prozess zum Bestimmen eines stöchiometrischen ZielverhältnissesProcess for determining a stoichiometric target ratio
125125
Prozess zum Bestimmen einer Ziel-StrömungsrateProcess for determining a target flow rate
130130
Prozess zum Bestimmen eines Sollwerts für einen Aktor mit Einfluss auf die Ist-StrömungsrateProcess for determining a setpoint for an actuator that influences the actual flow rate
200200
erste Ausführungsform des PEMFCSfirst embodiment of the PEMFCS
205205
Satz von PEM-Brennstoffzellen (PEMFC)Set of PEM fuel cells (PEMFC)
210210
Temperiervorrichtung, z. B. KühlkörperTemperature control device, e.g., heat sink
215215
erste Verdichterstufefirst compressor stage
220220
elektrischer Turbolader (ETC), insbesondere als zweite Verdichterstufeelectric turbocharger (ETC), especially as a second compressor stage
220a220a
Verdichterradcompressor wheel
220b220b
Turbine, z. B. VNTTurbine, e.g. VNT
225225
Befeuchterhumidifier
230230
Steuerungsteering
235235
DrucksteuerventilPressure control valve
300300
zweite Ausführungsform des PEMFCSsecond embodiment of the PEMFCS
400400
dritte Ausführungsform des PEMFCSthird embodiment of the PEMFCS
AA
Effektiver Querschnitt zum Bestimmen der Stromdichte j aus IEffective cross-sectional area for determining the current density j from I
AinAin
Oxidationsmittelstrom von seinem Einlass zu dem VerdichterOxidizing medium flow from its inlet to the compressor
AoutOut
Oxidationsmittelstrom (im Abgaskanal) aus dem PEMFCSOxidizing agent stream (in the exhaust duct) from the PEMFCS
AFCinAFCin
Oxidationsmittelstrom von dem Befeuchter zu der PEMFCOxidizing agent flow from the humidifier to the PEMFC
AFCoutAFCout
Oxidationsmittelstrom von der PEMFC zu dem BefeuchterOxidizing agent flow from the PEMFC to the humidifier
AHinAHin
Oxidationsmittelstrom von dem Verdichter zu dem BefeuchterOxidizing agent flow from the compressor to the humidifier
AHoutAHout
Oxidationsmittelstrom von dem Befeuchter in Richtung AbgaskanalOxidizing agent flow from the humidifier towards the exhaust duct
CC
Konstante in Formel für stöchiometrisches Verhältnis λConstant in formula for stoichiometric ratio λ
CinCin
Kühlmittelstrom von Temperiervorrichtung zu der PEMFCCoolant flow from temperature control device to the PEMFC
CoutCout
Kühlmittelstrom von der PEMFC zu der TemperiervorrichtungCoolant flow from the PEMFC to the temperature control device
CO2CO2
Stoffmengenkonzentration des OxidationsmittelsMolar concentration of the oxidizing agent
ηBefeuchterHumidifier
Dampfaustauschwirkungsgrad des BefeuchtersHumidifier vapor exchange efficiency
FF
Faraday-Konstante, F = 96495 C/molFaraday constant, F = 96495 C/mol
II
Zielstrom (bzw. gemessener aktuell möglicher Strom)Target current (or measured current currently possible current)
I1,...,I3I1,...,I3
StromwerteCurrent values
jj
Stromdichte entsprechend Strom ICurrent density corresponding to current I
KK
Anpassungsparameter für einen MEA-WasserübergangAdjustment parameters for an MEA water transition
λλ
stöchiometrisches Verhältnisstoichiometric ratio
MassenströmungsrateMass flow rate
MM
Steuersignal für einen Aktor mit Einfluss auf die Ist-StrömungsrateControl signal for an actuator with an influence on the actual flow rate
NZellenN cells
Anzahl der Zellen im BrennstoffzellenstapelNumber of cells in the fuel cell stack
PP
gemessener Druckmeasured pressure
pp
Ziel-DruckTarget pressure
PSät.PSat.
DampfsättigungsdruckVapor saturation pressure
QQ
gemessene Strömungsrate des Oxidationsmittels stromaufwärts des Verdichtersmeasured flow rate of the oxidizing agent upstream of the compressor
rr
StrömungsrateFlow rate
SpSp
Sollwert für Ziel-Druck pTarget value for target pressure p
SxSx
Sollwert für Aktor mit Einfluss auf den Ist-DruckSetpoint for actuator with influence on actual pressure
ScSc
Sollwert für StoffmengenkonzentrationTarget value for substance concentration
Sollwert für stöchiometrisches VerhältnisTarget value for stoichiometric ratio
SmSm
Sollwert für MassenströmungsrateTarget value for mass flow rate
SMSM
Sollwert für Aktor mit Einfluss auf die Ist-StrömungsrateSetpoint for actuator with influence on the actual flow rate
TT
gemessene Temperaturmeasured temperature
ωinωin
Feuchtigkeitsverhältnis am BrennstoffzelleneinlassHumidity level at the fuel cell inlet
XX
Steuersignal für einen Aktor mit Einfluss auf den Ist-DruckControl signal for an actuator with influence on the actual pressure

Claims (21)

Verfahren (100) zum Steuern eines Betriebs eines PEM-Brennstoffzellensystems (200; 300; 400) (PEMFCS), wobei das PEMFCS (200; 300; 400) einen Satz (205) aus einer oder mehreren PEM-Brennstoffzellen (PEMFC), einen Verdichter mit einer oder mehreren Verdichterstufen (215, 220) zum Bereitstellen eines druckbeaufschlagten gasförmigen Oxidationsmittels an einer Kathodenseite der PEMFC (205), und eine Steuerung (230) zum Steuern eines Betriebs des PEMFCS (200; 300; 400) aufweist, wobei das Verfahren (100) Folgendes umfasst: Steuern des PEMFCS (200; 300; 400) durch die Steuerung (230), um zu bewirken, dass der Verdichter das gasförmige Oxidationsmittel verdichtet und einer Kathodenseite der PEMFC (205) während des Betriebs des PEMFCS (200; 300; 400) in Abhängigkeit von einer Ziel-Elektrizitätsabgabe Oe des PEMFCS (200; 300; 400) bereitstellt, wobei das Steuern des PEMFCS (200; 300; 400) Steuern der folgenden Parameter umfasst: (a) einem Druck p, auf den das Oxidationsmittel durch den Verdichter verdichtet wird, (b) einer Strömungsrate r, mit der das verdichtete Oxidationsmittel der Kathodenseite der PEMFC (205) bereitgestellt wird, sodass eine Erhöhung einer Betriebstemperatur T der PEMFC (205) sowohl mit einer entsprechenden Erhöhung des Drucks p als auch mit einer entsprechenden Verringerung eines stöchiometrischen Verhältnisses λ des Verbrauchs des Oxidationsmittels in seiner elektrochemischen Reaktion mit einem Brennstoff in der PEMFC einhergeht.Method (100) for controlling the operation of a PEM fuel cell system (200; 300; 400) (PEMFCS), wherein the PEMFCS (200; 300; 400) comprises a set (205) of one or more PEM fuel cells (PEMFC), a compressor with one or more compressor stages (215, 220) for supplying a pressurized gaseous oxidant to a cathode side of the PEMFC (205), and a controller (230) for controlling the operation of the PEMFCS (200; 300; 400), wherein the method (100) comprises: controlling the PEMFCS (200; 300; 400) by means of the controller (230) to cause the compressor to compress the gaseous oxidant and supply it to a cathode side of the PEMFC (205) during operation of the PEMFCS (200; 300; 400) provides power as a function of a target electrical output O<sub> e </sub> of the PEMFCS (200; 300; 400), wherein controlling the PEMFCS (200; 300; 400) includes controlling the following parameters: (a) a pressure p to which the oxidant is compressed by the compressor, (b) a flow rate r at which the compressed oxidant is supplied to the cathode side of the PEMFC (205), such that an increase in an operating temperature T of the PEMFC (205) is accompanied by a corresponding increase in the This is accompanied by a reduction in pressure p as well as a corresponding reduction in the stoichiometric ratio λ of the consumption of the oxidant in its electrochemical reaction with a fuel in the PEMFC. Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei das Steuern des PEMFCS (200; 300; 400) Steuern der Parameter in Abhängigkeit von der Ziel-Elektrizitätsabgabe Oe derart erfolgt, dass das Verhältnis (p·x)/T erhöht oder mindestens innerhalb einer Spanne M = ± 10 % gehalten wird, wobei x die Oxidationsmittel-Stoffmengenkonzentration des verdichteten Oxidationsmittels in einem austretenden Rückstrom (AFCout) an einem Auslass der Kathodenseite der PEMFC (205) ist.Procedure (100) according to Claim 1 , wherein the control of the PEMFCS (200; 300; 400) is the control of the parameters depending on the target electricity output O e such that the ratio (p·x)/T is increased or kept at least within a range M = ± 10 %, where x is the oxidant molar concentration of the compressed oxidant in an outgoing backflow (AFCout) at an outlet of the cathode side of the PEMFC (205). Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Steuern des PEMFCS (200; 300; 400) Steuern der Parameter umfasst, sodass die Oxidationsmittel-Stoffmengenkonzentration x des verdichteten Oxidationsmittels auf eine minimale Oxidationsmittel-Stoffmengenkonzentration zu reduziert wird, die von der Ziel-Elektrizitätsabgabe Oe abhängig ist, wobei x die Oxidationsmittel-Stoffmengenkonzentration des verdichteten Oxidationsmittels in einem austretenden Rückstrom (AFCout) an einem Auslass der Kathodenseite der PEMFC (205) ist.Method (100) according to any of the preceding claims, wherein controlling the PEMFCS (200; 300; 400) comprises controlling the parameters such that the oxidant molar concentration x of the compressed oxidant is reduced to a minimum oxidant molar concentration which depends on the target electricity output O e , wherein x is the oxidant molar concentration of the compressed oxidant in an outgoing backflow (AFCout) at an outlet of the cathode side of the PEMFC (205). Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Verdichterstufen (220) einen Variable-Turbinengeometrie-Lader (220b) (VNT) aufweist und das Steuern des Drucks p ein Bewirken einer Veränderung eines effektiven Aspektverhältnisses der VNT (220b) umfasst.Method (100) according to one of the preceding claims, wherein at least one of the compressor stages (220) comprises a variable geometry turbocharger (220b) (VNT) and controlling the pressure p comprises effecting a change in an effective aspect ratio of the VNT (220b). Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Steuern der Strömungsrate r ein Bewirken einer Veränderung einer Strömungsrate mindestens einer Stufe des Verdichters umfasst.Method (100) according to one of the preceding claims, wherein controlling the flow rate r comprises effecting a change in the flow rate of at least one stage of the compressor. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Steuern der Parameter ein Lesen eines jeweiligen Sollwerts jedes zu steuernden Parameters aus einer oder mehreren vorbestimmten Nachschlagetabellen umfasst, die zusammen solche Sollwerte in Abhängigkeit von der Ziel-Elektrizitätsabgabe Oe oder mindestens einer dieser entsprechenden Größe definieren.Method (100) according to any of the preceding claims, wherein controlling the parameters comprises reading a respective setpoint of each parameter to be controlled from one or more predetermined lookup tables which together define such setpoints depending on the target electricity output O e or at least one of these corresponding quantities. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend Bestimmen der Ziel-Elektrizitätsabgabe Oe, wobei das Bestimmen von Oe mindestens eines von Folgendem umfasst: - Messen von Oe; - Messen mindestens einer Größe, die zu Oe korrespondiert, und Ableiten von Oe auf Grundlage einer oder mehrerer solcher gemessenen Größen; - Empfangen von Informationen, die mindestens eine Größe darstellen, die zu Oe korrespondiert, von einer PEMFCS-externen Informationsquelle und Bestimmen von Oe auf Grundlage der empfangenen Informationen.Method (100) according to any of the preceding claims, further comprising determining the target electricity output Oe , wherein the determination of Oe comprises at least one of the following: - measuring Oe ; - measuring at least one quantity corresponding to Oe and deriving Oe based on one or more such measured quantities; - receiving information representing at least one quantity corresponding to Oe from a PEMFCS-external information source and determining Oe based on the received information. Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das PEMFCS (200; 300; 400) zum Antreiben eines elektrischen Fahrzeugmotors angewendet wird und das Verfahren (100) zum Steuern des PEMFCS (200; 300; 400) während des Betriebs des Elektrofahrzeugmotors angewendet wird, während dieser zumindest teilweise durch Elektrizität angetrieben wird, die durch das PEMFCS (200; 300; 400) erzeugt wird.Method (100) according to one of the preceding claims, wherein the PEMFCS (200; 300; 400) is used to drive an electric vehicle motor and the method (100) is used to control the PEMFCS (200; 300; 400) during the operation of the electric vehicle motor, while it is at least partially driven by electricity generated by the PEMFCS (200; 300; 400). Steuerung (230) zum Steuern eines Betriebs eines PEM-Brennstoffzellensystems (200; 300; 400) (PEMFCS), wobei das PEMFCS (200; 300; 400) einen Satz (205) aus einer oder mehreren PEM-Brennstoffzellen (PEMFC), einen Verdichter mit einer oder mehreren Verdichterstufen (215, 220) zum Bereitstellen eines druckbeaufschlagten gasförmigen Oxidationsmittels an einer Kathodenseite der PEMFC (205) umfasst, wobei die Steuerung (230) dazu konfiguriert ist, das PEMFCS (200; 300; 400) gemäß dem Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche zu steuern.Control unit (230) for controlling the operation of a PEM fuel cell system (200; 300; 400) (PEMFCS), wherein the PEMFCS (200; 300; 400) comprises a set (205) of one or more PEM fuel cells (PEMFC), a compressor with one or more compressor stages (215, 220) for providing a pressurized gaseous oxidant at a cathode side of the PEMFC (205), wherein the control unit (230) is configured to control the PEMFCS (200; 300; 400) according to the method (100) according to one of the preceding claims. PEM-Brennstoffzellensystem (200; 300; 400) (PEMFCS), aufweisend: einen Satz (205) aus einer oder mehreren PEM-Brennstoffzellen (PEMFC), einen Verdichter mit einer oder mehreren Verdichterstufen (215, 220) zum Bereitstellen eines druckbeaufschlagten gasförmigen Oxidationsmittels an einer Kathodenseite der PEMFC (205) und eine Steuerung (230) zum Steuern eines Betriebs des PEMFCS (200; 300; 400); wobei die Steuerung (230) dazu konfiguriert ist, das PEMFCS (200; 300; 400) gemäß dem Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zu steuern.PEM fuel cell system (200; 300; 400) (PEMFCS), comprising: a set (205) of one or more PEM fuel cells (PEMFC), a compressor with one or more compressor stages (215, 220) for supplying a pressurized gaseous oxidizer at a cathode side of the PEMFC (205), and a controller (230) for controlling operation of the PEMFCS (200; 300; 400); wherein the controller (230) is configured to operate the PEMFCS (200; 300; 400) according to the method (100) according to one of the Claims 1 until 8 to control. PEM-Brennstoffzellensystem (200; 300; 400) nach Anspruch 10, ferner aufweisend eine oder mehrere Temperiervorrichtungen (210) zum Einstellen einer Temperatur eines Kühlmittels, das durch die PEMFC (205) strömt.PEM fuel cell system (200; 300; 400) according to Claim 10 , further comprising one or more temperature control devices (210) for adjusting the temperature of a coolant flowing through the PEMFC (205). PEM-Brennstoffzellensystem (200; 300; 400) nach Anspruch 11, wobei mindestens eine der Temperiervorrichtungen (210) durch die Steuerung (230) steuerbar ist, um die Betriebstemperatur der PEMFC (205) zu steuern.PEM fuel cell system (200; 300; 400) according to Claim 11 , wherein at least one of the temperature control devices (210) can be controlled by the controller (230) to control the operating temperature of the PEMFC (205). PEM-Brennstoffzellensystem (200) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei eine oder mehrere der Verdichterstufen (215, 220) mindestens eine Druckänderungsvorrichtung zum Verändern des Drucks p unter Steuerung der Steuerung (230) aufweisen.PEM fuel cell system (200) according to one of the Claims 10 until 12 , wherein one or more of the compressor stages (215, 220) have at least one pressure changing device for changing of the pressure p under control of the control (230). PEM-Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 13, wobei mindestens eine der Druckänderungsvorrichtungen Variable-Turbinengeometrie-Lader (220b, VNT) aufweist, deren effektives Aspektverhältnis durch die Steuerung (230) steuerbar ist.PEM fuel cell system (200) according to Claim 13 , wherein at least one of the pressure changing devices has variable geometry turbochargers (220b, VNT) whose effective aspect ratio can be controlled by the control (230). PEM-Brennstoffzellensystem (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei mindestens eine der Verdichterstufen (215, 220) einen elektrischen Turbolader aufweist, der durch die Steuerung (230) steuerbar ist.PEM fuel cell system (200; 300; 400) according to one of the Claims 10 until 14 , wherein at least one of the compressor stages (215, 220) has an electric turbocharger which is controllable by the control unit (230). PEM-Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 14 und 15, wobei der elektrische Turbolader den VNT (220b) aufweist.PEM fuel cell system (200) according to Claim 14 and 15 , wherein the electric turbocharger has the VNT (220b). PEM-Brennstoffzellensystem (300; 400) nach Anspruch 10, ferner aufweisend ein Drucksteuerventil (235) in einem kathodenseitigen Auslasskanal des PEMFCS.PEM fuel cell system (300; 400) according to Claim 10 , further comprising a pressure control valve (235) in a cathode-side outlet channel of the PEMFCS. PEM-Brennstoffzellensystem (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 10 bis 17, ferner aufweisend einen Satz aus einem oder mehreren Sensoren zum Messen einer oder mehrerer der folgenden Größen: - der Betriebstemperatur T des PEMFCS (200; 300; 400), - einer Strömungsrate Q des Oxidationsmittels vor seiner Verdichtung durch den Verdichter; - eines Eingangsdrucks P des Oxidationsmittels vor seiner Verdichtung durch den Verdichter, - eines elektrischen Stroms, der durch die PEMFC (205) erzeugt wird; wobei die Steuerung (230) dazu konfiguriert ist, die PEMFC (205) auf Grundlage mindestens einer dieser Größen, wie sie durch den Satz von Sensoren gemessen werden, zu steuern.PEM fuel cell system (200; 300; 400) according to one of the Claims 10 until 17 , further comprising a set of one or more sensors for measuring one or more of the following quantities: - the operating temperature T of the PEMFCS (200; 300; 400), - a flow rate Q of the oxidizing agent before its compression by the compressor; - an inlet pressure P of the oxidizing agent before its compression by the compressor, - an electric current generated by the PEMFC (205); wherein the controller (230) is configured to control the PEMFC (205) on the basis of at least one of these quantities as measured by the set of sensors. PEM-Brennstoffzellensystem (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 10 bis 18, wobei die Steuerung (230) dazu konfiguriert ist, eine Drehzahl eines Aktors, der mindestens eine der Verdichterstufen (215, 220) ansteuert, zu steuern.PEM fuel cell system (200; 300; 400) according to one of the Claims 10 until 18 , wherein the controller (230) is configured to control a speed of an actuator that controls at least one of the compressor stages (215, 220). PEM-Brennstoffzellensystem (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 10 bis 19, ferner aufweisend einen Befeuchter (225), der dazu konfiguriert ist, das Oxidationsmittel nach seiner Verdichtung durch mindestens eine der Verdichterstufen (215, 220) zu befeuchten.PEM fuel cell system (200; 300; 400) according to one of the Claims 10 until 19 , further comprising a humidifier (225) configured to humidify the oxidizing agent after its compression by at least one of the compression stages (215, 220). Computerprogramm, insbesondere ein gespeichertes Computerprogramm oder ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium, wobei das Computerprogramm Anweisungen aufweist, die bei Ausführung auf der Steuerung (230) des PEM-Brennstoffzellensystems (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 10 bis 20 die Steuerung (230) dazu veranlassen, das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.Computer program, in particular a stored computer program or a non-volatile computer-readable storage medium, wherein the computer program contains instructions which, when executed on the controller (230) of the PEM fuel cell system (200; 300; 400) according to one of the Claims 10 until 20 cause the control (230) to execute the procedure (100) according to one of the Claims 1 until 8 to carry out.
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