AT517685B1 - Messverfahren und Messvorrichtung zur Ermittlung der Rezirkulationsrate - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren zur Bestimmung der Rezirkulationsrate (RR) im Anodengaskreislauf (50) eines Brennstoffzellensystems (1) mit zumindest einer Brennstoffzelle (10), wobei mit einer Anodengasrezirkulationsleitung (51) Anodengas (52) aus einem Anodenraum (13) der Brennstoffzelle (10) mit einer Gasfördereinrichtung (70) zugeführt wird sowie das Anodengas (52) in einem in der Anodengasrezirkulationsleitung (51) angeordneten Anodengaswärmeübertrager (60) thermostatisiert wird. Dazu werden die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt: - Messen eines ersten Differenzdruckverlusts (LlP1_2) entlang eines ersten Leitungsabschnitts (101) der Anodengasrezirkulationsleitung (51), der im Betriebszustand des Brennstoffzellensystems (1) von einem ersten Massenstrom (M1_2) durchflossen wird; - Messen eines zweiten Differenzdruckverlusts (LlP3_ 4; LlP2_3) entlang eines zweiten Leitungsabschnitts (102; 1 03) der Anodengasrezirkulationsleitung (51), der im Betriebszustand von einem im Vergleich zum ersten Massenstrom (M1_2) unterschiedlich großen zweiten Massenstrom (M3_4; M2_3) durchflossen wird; -Berechnen des Differenzdruckverlustverhältnisses (RllP) durch Quotientenbildung aus gemessenem zweiten Differenzdruckverlust (LlP3_ 4; LlP2_3) zu gemessenem ersten Differenzdruckverlust (LlP1_2); - Bestimmen der Rezirkulationsrate (RR) im Anodengaskreislauf (50) anhand einer für das Brennstoffzellensystem (1) charakteristischen Systemkennlinie (S) als Funktion des jeweils berechneten Differenzdruckverlustverhältnisses (RllP).

Description

Beschreibung
MESSVERFAHREN UND MESSVORRICHTUNG ZUR ERMITTLUNG DER REZIRKULATI-ONSRATE
[0001] Die Erfindung betrifft ein Messverfahren zur Bestimmung der Rezirkulationsrate im Anodengaskreislauf eines Brennstoffzellensystems, welches Brennstoffzellensystem zumindest eine Brennstoffzelle mit zumindest einer in einem Kathodenraum angeordneten Kathode, mit zumindest einer in einem Anodenraum angeordneten Anode sowie mit einem zwischen Kathodenraum und Anodenraum vorhandenen Elektrolyten umfasst, wobei mit einer Anodengasrezir-kulationsleitung Anodengas aus dem Anodenraum der wenigstens einen Brennstoffzelle mit zumindest einer Gasfördereinrichtung zugeführt wird sowie das Anodengas in zumindest einem in der Anodengasrezirkulationsleitung angeordneten Anodengaswärmeübertrager thermostati-siert wird. Weiters betrifft die Erfindung eine Messvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Messverfahrens.
[0002] Ein Brennstoffzellensystem, das insbesondere als Hilfsstromversorgungseinrichtung in Kraftfahrzeugen oder als „stationäres Kraftwerk“ verwendet wird, umfasst üblicherweise zumindest eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischem Strom aus Kathodenluft und Refor-matgas. Eine derartige Brennstoffzelle ist dabei üblicherweise aus einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellenelemente zusammengesetzt, die aufeinander gestapelt sind und als Brennstoffzellenstapel bezeichnet werden. Zum Erzeugen von Reformatgas kann das Brennstoffzellensystem mit einem Reformer ausgestattet sein, der aus einem Kraftstoff, meist einem Kohlenwasserstoff wie beispielsweise Erdgas, sowie aus Reformerluft und/oder Wasserdampf das Reformatgas erzeugt. Das Reformatgas enthält dann Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid. Die Reformierung kann dabei in einem separaten Reformer oder aber in der Brennstoffzelle selbst erfolgen. Das Brennstoffzellensystem kann außerdem mit einer Luftversorgungseinrichtung ausgestattet sein, die mittels einer Luftfördereinrichtung aus einer Umgebung des Brennstoffzellensystems Umgebungsluft ansaugt und diese beispielsweise in Reformerluft und Kathodenluft unterteilt. Die Reformerluft kann dann über eine Reformerluftleitung dem Reformer zugeführt werden, während die Kathodenluft über eine Kathodenluftleitung einer Kathodenseite der wenigstens einen Brennstoffzelle zugeführt werden kann. Üblicherweise ist es bei einem derartigen Brennstoffzellensystem vorgesehen, mit Hilfe einer Rezirkulationsleitung Anodengas einer Anodenseite der wenigstens einen Brennstoffzelle in Richtung zum Reformer zu führen, um so Anodenabgas von der jeweiligen Brennstoffzelle zum Reformer zurückführen zu können. Zum Antreiben des Anodenabgases ist in der Rezirkulationsleitung üblicherweise eine Gasfördereinrichtung zum Fördern von heißem Anodenabgas angeordnet, wobei dazu meist eine Rezirkula-tionspumpe bzw. eine als Ejektor bezeichnete Treibstrahlpumpe verwendet werden.
[0003] Für den optimalen Betrieb einer solchen Brennstoffzelle ist es notwendig, genaue Auskunft über die Rezirkulationsrate des rezirkulierten Anodenabgases zu erhalten. Damit lässt sich nämlich feststellen, wieviel des für die Reformierungsprozesse benötigten Wassers über die Rezirkulation zugeführt wird und es kann eine unerwünschte Kohlenstoffbildung verhindert werden, die insbesondere dann auftritt, wenn als Brennstoffzelle eine Festoxidbrennstoffzelle verwendet wird und diese direkt mit Methangas betrieben wird. Des Weiteren ist dadurch ein Erhöhen der Ausnutzungsrate des Brennstoffs möglich.
[0004] Gemäß dem Stand der Technik erfolgt die Ermittlung der Rezirkulationsrate üblicherweise mit einem zusätzlichen Druckmessgerät, mit dem der Druck in fließenden Medien bzw. Fluiden gemäß den Eigenheiten der Bernoulli-Gleichungen bestimmt werden kann. Beispielhaft seien hier Durchflussblenden, Staurohre oder Venturidüsen solcher an sich bekannter Druckmessgeräte genannt. Ein solches Druckmessgerät wird dabei in der Rezirkulationsleitung angeordnet, um mittels der dabei auftretenden Druckdifferenz Informationen zur Rezirkulationsrate zu erhalten. Meist wird dazu ein Venturirohr verwendet, wobei mittels Messung der über das Venturirohr auftretenden messbaren Druckdifferenz gemäß dem Bernoulli Prinzip Rückschlüsse auf die Rezirkulationsrate möglich sind. Nachteilig daran ist jedoch, dass das zusätzliche
Druckmessgerät bzw. das Venturirohr einen zusätzlichen beträchtlichen Druckverlust in die Rezirkulationsleitung des Anodenabgases einbringt. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn man einen besonders großen Messbereich mit einem einzigen Druckmessgerät abdecken will: Um auch bei geringen Massenströmen eine zuverlässige Messung des Druckmessgeräts zu ermöglichen, muss eine zumindest geringe, messbare Druckdifferenz erzielt werden, die verhältnismäßig kleine freie Strömungsquerschnitte in der Durchflussblende bzw. im Venturirohr des Druckmessgeräts erfordert, die jedoch bei hohen Massenströmen zu einem beträchtlichen Druckverlust in der Rezirkulationsleitung führen. Weiters ist von Nachteil, dass ein solches zusätzliches Druckmessgerät zusätzliche Kosten verursacht und den Platzbedarf der Rezirkulationsleitung vergrößert, nicht zuletzt aufgrund der meist längeren Einlaufstrecke, die notwendig ist, um für eine zuverlässige Druckdifferenzmessung mittels Venturirohr auch eine möglichst gleichmäßige, gerichtete Anströmung des Druckmessgeräts in der Rezirkulationsleitung zu gewährleisten.
[0005] Ein weiterer wesentlicher Nachteil bei der Verwendung eines zusätzlichen Druckmessgeräts wie beispielsweise eines Venturirohres besteht darin, dass für eine zuverlässige Ermittlung der Rezirkulationsrate im Anodenkreislauf mittels Interpretation der Druckdifferenz zusätzlich eine genaue Kenntnis der Gaszusammensetzung des das Druckmessgerät durchströmenden Anodenabgases notwendig ist. Da die Gaszusammensetzung während des Betriebs nur schwer bestimmbar ist, ist eine genaue Bestimmung der Rezirkulationsrate ebenfalls nur schwer möglich.
[0006] Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zuverlässiges und einfaches Messverfahren zur Bestimmung der Rezirkulationsrate im Anodenkreislauf einer Brennstoffzelle anzugeben, welches die geschilderten Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Weiters ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechende Messvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Messverfahrens bereitzustellen.
[0007] Erfindungsgemäß wird die erstgenannte Aufgabe, nämlich ein verbessertes Messverfahren anzugeben, von einem gattungsmäßigen Messverfahren zur Bestimmung der Rezirkulationsrate im Anodengaskreislauf eines Brennstoffzellensystems dadurch gelöst, dass die folgenden Verfahrensschritte befolgt werden: [0008] - Messen eines ersten Differenzdruckverlusts entlang eines ersten Leitungsabschnitts der Anodengasrezirkulationsleitung, welcher erste Leitungsabschnitt im Betriebszustand des Brennstoffzellensystems von einem ersten Massenstrom durchflossen wird; [0009] - Messen eines zweiten Differenzdruckverlusts entlang eines zweiten Leitungsab schnitts der Anodengasrezirkulationsleitung, welcher zweite Leitungsabschnitt im Betriebszustand des Brennstoffzellensystems von einem im Vergleich zum ersten Massenstrom unterschiedlich großen zweiten Massenstrom durchflossen wird; [0010] - Berechnen des Differenzdruckverlustverhältnisses durch Quotientenbildung des
Verhältnisses aus gemessenem zweiten Differenzdruckverlust zu gemessenem ersten Differenzdruckverlust; sowie [0011] - Bestimmen der Rezirkulationsrate im Anodengaskreislauf anhand einer für das
Brennstoffzellensystem charakteristischen Systemkennlinie als Funktion des jeweils berechneten Differenzdruckverlustverhältnisses.
[0012] Besonders bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Messverfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
[0013] Gemäß der Erfindung werden die Druckverhältnisse an verschiedenen Stellen der Anodengasrezirkulationsleitung herangezogen. Dabei macht man sich zunutze, dass es bei zunehmenden Stromlastanforderungen während des Betriebs des Brennstoffzellensystems zu Veränderungen im Massenstrom stromabwärts der Anode kommt. Aufgrund der Stromlastanforderung treten Sauerstoff-Ionen von der Kathode, an der Sauerstoffüberschuss herrscht, durch eine Membran, die den Kathodenraum vom Anodenraum trennt, in den Anodenraum, wo sie mit dem dort vorhandenen Wasserstoff zu Wasserdampf reagieren, der dann nach dem Anodenausgang zusätzlich vorhanden ist und somit den Massenstrom in der Anodengasrezirkulationsleitung stromabwärts des Anodenraums erhöht.
[0014] Einerseits wird nun ein erster Differenzdruckverlust entlang eines ersten Leitungsabschnitts der Anodengasrezirkulationsleitung gemessen, wobei der erste Leitungsabschnitt im Betrieb des Brennstoffzellensystems von einem ersten Massenstrom durchflossen wird. Beispielsweise erfolgt die Messung des ersten Differenzdruckverlusts in der Anodengaszuleitung, also eingangsseitig des Anodenraums, als Zweipunkt-Differenzdruckmessung jeweils vor und nach dem Anodengaswärmeübertrager an dessen vergleichsweise kalter Wärmeübertragersei-te.
[0015] I m Wesentlichen zeitgleich wird ein zweiter Differenzdruckverlust entlang eines zweiten Leitungsabschnitts der Anodengasrezirkulationsleitung gemessen, wobei dieser zweite Leitungsabschnitt im Betrieb des Brennstoffzellensystems von einem zweiten Massenstrom durchflossen wird, der unterschiedlich groß, also größer oder kleiner als der erste Massenstrom im ersten Leitungsabschnitt ist. Beispielsweise erfolgt die Messung des zweiten Differenzdruckverlusts in der Anodengasableitung, also ausgangsseitig des Anodenraums, als Zweipunkt-Differenzdruckmessung jeweils vor und nach dem Anodengaswärmeübertrager an dessen vergleichsweise heißer Wärmeübertragerseite.
[0016] Bei zunehmender Stromlast wird beispielsweise der anodenausgangsseitige Massenstrom relativ zum anodeneingangsseitigen Massenstrom größer, da bei steigender Stromlast auch der Massenstrom an Sauerstoff, der von der Kathode durch den Elektrolyten in den Anodenraum gelangt und zusätzlich zum Anodengasstrom in der Anodengasableitung transportiert wird, zunimmt. Ebenso verhalten sich die beiden Differenzdruckverluste, die beispielsweise über den Wärmeübertrager ermittelt werden.
[0017] Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, dass sich unabhängig von der Lastanforderung ein Zusammenhang zwischen dem Differenzdruckverlustverhältnis, welches als Quotient aus dem zweiten Differenzdruckverlust - ermittelt beispielsweise bei vergleichsweise höherem Massenstrom - zum ersten Differenzdruckverlust - bei vergleichsweise geringerem Massenstrom ermittelt - und der Rezirkulationsrate ergibt. Damit ist es also möglich, anhand des solcherart berechneten bzw. gemessenen Differenzdruckverlustverhältnisses die Gasfördereinrichtung, beispielsweise eine Rezirkulationspumpe, so zu regeln, dass jeweils die gewünschte Rezirkulationsrate im Anodengaskreislauf einstellbar ist.
[0018] Bisher war es erforderlich, dass für die Ermittlung eines vollständigen Kennfelds der Zusammenhang zwischen dem Druckabfall über ein zusätzliches Druckmessgerät und dem jeweils zugehörigen Massenstrom für verschiedene Stromlasten aufgenommen und mit den einzelnen Rezirkulationsraten in Beziehung gesetzt wurde. Im laufenden Betrieb konnte dann bei Kenntnis des Druckabfalls an einer beliebigen Stelle der Anodengasrezirkulationsleitung und der Stromlast die Rezirkulationspumpe so nachgeregelt werden, dass man die gewünschte Rezirkulationsrate erhält. Neben der Ermittlung der stromlastabhängigen Drucksteigerung über das zusätzliche Druckmessgerät sowie der Temperaturbestimmung im Anodengas musste dazu zusätzlich auch die jeweilige Gaszusammensetzung des Anodengases ermittelt werden, was im Rahmen einer Kalibrierung zwar durchaus möglich ist, für die Bestimmung der Rezirkulationsrate im Realbetrieb aber ausgesprochen aufwendig und nicht praktikabel ist.
[0019] Die Erfindung erlaubt nun eine rasche Regelung der Rezirkulationsrate ohne zusätzliche Bauteile in der Anodengasrezirkulationsleitung. Einer der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass man aufgrund des stromlastunabhängigen Zusammenhangs zwischen Druckdifferenz und Rezirkulationsrate die Kalibrierung nur mehr für einen Stromlastbereich durchführen muss.
[0020] Vorteilhaft kann bei einem Messverfahren gemäß der Erfindung die Systemkennlinie als
Zusammenhang zwischen dem Differenzdruckverlustverhältnis und der Rezirkulationsrate im Wesentlichen unabhängig von einer Stromlast sein. In dieser Variante des erfindungsgemäßen Messverfahrens wird die Rezirkulationsrate im Anodengaskreislauf anhand einer für das Brennstoffzellensystem charakteristischen Systemkennlinie bestimmt, die unabhängig von der Stromlast ist oder die im Wesentlichen unabhängig von der Stromlast angenommen wird. Somit ist vorteilhaft bei der Ermittlung der Systemkennlinie keine Variation der Messungen bei unterschiedlichen Stromlasten erforderlich. Es müssen nur mehrere unterschiedliche Wertepaarungen von Differenzdruckverlustverhältnissen und den entsprechend korrespondierenden Rezir-kulationsraten bestimmt werden, die als Stützpunkte für die Ermittlung der für das jeweilige Brennstoffzellensystem charakteristischen Systemkennlinie dienen.
[0021] Zweckmäßig kann bei einem erfindungsgemäßen Messverfahren die Systemkennlinie einen linearen Zusammenhang zwischen dem Differenzdruckverlustverhältnis und der Rezirkulationsrate angeben. In dieser weiteren Variante des Messverfahrens wird der Zusammenhang zwischen dem Differenzdruckverlustverhältnis und der Rezirkulationsrate als linear angenommen. Die Systemkennlinie wird somit von einer linearen Funktion gebildet bzw. durch eine solche beschrieben. Vorteilhaft sind zur Ermittlung der linearen Systemkennlinie keine Variationen der Messungen bei unterschiedlichen Stromlasten erforderlich, und es müssen nur zwei Stützpunkte der linearen Systemkennlinie mit unterschiedlichen Wertepaarungen von Differenzdruckverlustverhältnissen und den entsprechend korrespondierenden Rezirkulationsraten bestimmt werden.
[0022] Besonders zweckmäßig kann bei einem Messverfahren gemäß der Erfindung entlang der Systemkennlinie mit ansteigender Rezirkulationsrate das Differenzdruckverlustverhältnis absinken. In dieser Variante des Messverfahrens bildet die Systemkennlinie ein indirekt proportionales Verhältnis von Rezirkulationsrate und entsprechendem Differenzdruckverlustverhältnis ab.
[0023] Vorteilhaft kann bei einem erfindungsgemäßen Messverfahren die Systemkennlinie jeweils für ein Brennstoffzellensystem durch Bestimmen der Differenzdruckverlustverhältnisse bei unterschiedlichen Rezirkulationsraten kalibriert werden.
[0024] In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann bei einem erfindungsgemäßen Messverfahren der erste Differenzdruckverlust entlang eines ersten Leitungsabschnitts in der Anodengaszuleitung auf der kalten Wärmeübertragerseite des zumindest einen Anodengaswärmeübertragers gemessen werden und der zweite Differenzdruckverlust entlang eines zweiten Leitungsabschnitts in der Anodengasableitung auf der heißen Wärmeübertragerseite desselben Anodengaswärmeübertragers gemessen werden. Vorteilhaft werden in dieser Ausführung beide Differenzdruckverluste an der kalten bzw. an der heißen Wärmeübertragerseite desselben Wärmeübertragers gemessen.
[0025] In einer weiteren Ausführungsvariante kann bei einem Messverfahren gemäß der Erfindung der erste Differenzdruckverlust in der Anodengaszuleitung auf der kalten Wärmeübertragerseite jeweils stromaufwärtig sowie stromabwärtig des zumindest einen Anodengaswärmeübertragers gemessen werden und der zweite Differenzdruckverlust in der Anodengasableitung auf der heißen Wärmeübertragerseite jeweils stromaufwärtig sowie stromabwärtig desselben Anodengaswärmeübertragers gemessen werden. Vorteilhaft werden in dieser Ausführung beide Differenzdruckverluste jeweils an der kalten bzw. an der heißen Wärmeübertragerseite vor und nach demselben Wärmeübertrager gemessen. Das erhaltene Differenzdruckverlustverhältnis wird somit an einem einzigen Bauteil - dem Wärmeübertrager in der Anodengasrezirkulationslei-tung - ermittelt.
[0026] In einer alternativen Ausführungsvariante kann bei einem erfindungsgemäßen Messverfahren der erste Differenzdruckverlust in der Anodengaszuleitung auf der kalten Wärmeübertragerseite stromaufwärtig sowie stromabwärtig des zumindest einen Anodengaswärmeübertragers gemessen werden und der zweite Differenzdruckverlust entlang eines zweiten Leitungsabschnitts der Anodengasrezirkulationsleitung stromaufwärtig sowie stromabwärtig des Anodenraums gemessen werden. In dieser Ausführung wird der erste Differenzdruckverlust in der
Anodengaszuleitung vor und nach dem Wärmeübertrager mit dem zweiten Differenzdruckverlust vor und nach dem Anodenraum verglichen bzw. ins Verhältnis gesetzt. Somit werden in dieser Ausführung zur Ermittlung des Differenzdruckverlustverhältnisses Druckverluste des Wärmeübertragers und des Anodenraums der Brennstoffzelle ins Verhältnis gesetzt.
[0027] In einer Weiterbildung der Erfindung kann bei einem Messverfahren Anodengas mit der zumindest einen Gasfördereinrichtung einem Reformer zugeführt werden.
[0028] Die weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechende Messvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Messverfahrens bereitzustellen, wird erfindungsgemäß von einer Messvorrichtung gelöst, welche zumindest eine erste Differenzdruckverlustmesseinheit zur Bestimmung eines ersten Differenzdruckverlusts umfasst, welche mit zwei voneinander beabstandeten Druckmesspunkten entlang eines ersten Leitungsabschnitts einer Ano-dengasrezirkulationsleitung positioniert ist, wobei im Betriebszustand des Brennstoffzellensystems der erste Leitungsabschnitt von einem ersten Massenstrom durchflossen ist, sowie die zumindest eine zweite Differenzdruckverlustmesseinheit zur Bestimmung eines zweiten Differenzdruckverlusts umfasst, welche mit zwei voneinander beabstandeten Druckmesspunkten entlang eines zweiten Leitungsabschnitts der Anodengasrezirkulationsleitung positioniert ist, wobei im Betriebszustand des Brennstoffzellensystems der zweite Leitungsabschnitt von einem zweiten Massenstrom durchflossen ist, welcher zweite Massenstrom unterschiedlich groß zum ersten Massenstrom des ersten Leitungsabschnitts ist, wobei die Messvorrichtung weiterhin eine Recheneinheit umfasst, von welcher Recheneinheit ein Differenzdruckverlustverhältnis durch Quotientenbildung des Verhältnisses aus gemessenem zweiten Differenzdruckverlust zu gemessenem ersten Differenzdruckverlust berechenbar ist sowie die Messvorrichtung weiterhin eine Auswerteeinheit umfasst, von welcher Auswerteeinheit anhand des berechneten Differenzdruckverlustverhältnisses sowie anhand einer für das Brennstoffzellensystem charakteristischen Systemkennlinie als Funktion des jeweils berechneten Differenzdruckverlustverhältnisses die jeweilige Rezirkulationsrate bestimmbar ist, welche Rezirkulationsrate von einer Anzeigeeinheit anzeigbar ist.
[0029] In einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung können die Recheneinheit, die Auswerteeinheit sowie die Anzeigeeinheit mit Signalleitungen miteinander gekoppelt sein. In dieser Variante der Messvorrichtung sind die einzelnen Rechen-, Auswerte-und Anzeigeeinheiten jeweils mit Signalleitungen miteinander gekoppelt. Vorteilhaft sind diese Einheiten auch innerhalb eines Gehäuses der Messvorrichtung gemeinsam angeordnet bzw. in ein solches Gehäuse integriert. Somit wird eine Messvorrichtung bereitgestellt, mit welcher die jeweilige Rezirkulationsrate des Anodengaskreislaufs bestimmt und auch angezeigt werden kann.
[0030] Zweckmäßig kann bei einer Messvorrichtung gemäß der Erfindung die Systemkennlinie jeweils für ein Brennstoffzellensystem durch Bestimmen der Differenzdruckverlustverhältnisse bei unterschiedlichen Rezirkulationsraten kalibrierbar sein.
[0031] Vorteilhaft kann bei einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung die Systemkennlinie mit einem von einer Stromlast unabhängigen Zusammenhang zwischen dem Differenzdruckverlustverhältnis und der Rezirkulationsrate wählbar sein.
[0032] In einer alternativen Ausführung der Erfindung kann bei einer Messvorrichtung die Systemkennlinie mit einem linearen Zusammenhang zwischen dem Differenzdruckverlustverhältnis und der Rezirkulationsrate wählbar sein.
[0033] Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen zeigen: [0034] - Fig. 1 in einem Verfahrensfließbild ein Brennstoffzellensystem nach dem Stand der
Technik, wobei in einem Anodengaskreislauf ein zusätzliches Druckmessgerät zur Bestimmung eines charakteristischen Druckverlusts vorgesehen ist; [0035] - Fig. 2 in einer Diagrammdarstellung eine im Stand der Technik übliche Methode zur
Bestimmung der Rezirkulationsrate, wobei die mit dem zusätzlichen Druckmessgerät im Anodengaskreislauf bestimmten charakteristischen Druckverluste jeweils als Funktion der Stromlasten bei unterschiedlichen Rezirkulationsraten aufgetragen sind; [0036] - Fig. 3 einen Ausschnitt eines Verfahrensfließbilds eines erfindungsgemäßen Brenn stoffzellensystems, wobei im Anodengaskreislauf kein zusätzliches Druckmessgerät vorhanden ist; [0037] - Fig. 4 in einer Detailansicht von Fig. 3 eine Ausführungsvariante eines erfindungsge mäßen Messverfahrens mit einer Messvorrichtung gemäß der Erfindung; [0038] - Fig. 5 in einer Diagrammdarstellung die erfindungsgemäße Messmethode zur Be stimmung der Rezirkulationsrate im Anodengaskreislauf anhand einer für das Brennstoffzellensystem charakteristischen Systemkennlinie als Funktion des jeweils berechneten Differenzdruckverlustverhältnisses.
[0039] Fig. 1 zeigt in einem schematischen Verfahrensfließbild ein Brennstoffzellensystem 1 nach dem Stand der Technik, wobei zumindest eine Brennstoffzelle 10 mit zumindest einer in einem Kathodenraum 11 angeordneten Kathode 12, mit zumindest einer in einem Anodenraum 13 angeordneten Anode 14 sowie mit einem zwischen Kathodenraum 11 und Anodenraum 13 vorhandenen Elektrolyten 15 vorgesehen sind. Im Betrieb strömt Sauerstoff 19, welcher mit einem Pfeil 19 symbolisiert ist, von der Kathode durch den Elektrolyt 15 in den Anodenraum 13. Zur Bestimmung der Rezirkulationsrate ist hier ein zusätzliches Druckmessgerät 25, beispielsweise ein Venturirohr 25, im Anodengaskreislauf 50 vorgesehen. Der Anodengaskreislauf 50 umfasst neben dem zusätzlichen Druckmessgerät 25, das in einer Rezirkulationsleitung 51 des Anodengases 52 eingebaut ist, weiters einen als Anodengaszuleitung 53 bezeichneten Kreislaufabschnitt, wobei die Anodengaszuleitung 53 eingangsseitig zum Anodenraum 13 orientiert ist sowie einen als Anodengasableitung 54 bezeichneten Kreislaufabschnitt, der ausgangsseitig vom Anodenraum 13 weg führt. Die Anodengasableitung 54 zweigt in stromabwärtiger Anodengasrichtung 51 nach dem Anodenraum 13 in einen Anodenabgasstrom 55 sowie in einen Ano-denrecyclegasstrom 56 auf, wobei das Anodenrecyclegas 56 rückgeführt und mit frischem Brennstoff 57 gemischt wird und dieses Gemisch wiederum in der Anodengaszuleitung 53 dem Anodenraum 13' zugeführt wird.
[0040] Beispielhaft ist hier in Fig. 1 ein Brennstoffzellensystem 1 mit einer sogenannten Festoxidbrennstoffzelle 10 (englisch: solid oxide fuel cell, SOFC) gezeigt. Dabei handelt es sich um eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die bei Betriebstemperaturen von etwa 650° bis 1000 °C betrieben wird. Der Elektrolyt 15 dieses Zelltyps besteht aus einem festen keramischen Werkstoff, der in der Lage ist, Sauerstoff Ionen zu leiten, für Elektronen jedoch isolierend wirkt. An beiden Seiten der Elektrolytschicht 15 sind die Elektroden, Kathode 12 und Anode 14, angebracht. Sie sind gasdurchlässige elektrische Leiter. Der sauerstoffionenleitende Elektrolyt 15 ist beispielsweise als dünne Membran vorgesehen, um die Sauerstoff Ionen energiearm transportieren zu können. Es funktioniert nur bei den herrschenden hohen Temperaturen. Die dem Elektrolyt abgewandte, äußere Seite der Kathode 12 wird von Luft umgeben, die äußere Anodenseite 14 von Brenngas. Ungenutzte Luft und ungenutztes Brenngas sowie Verbrennungsprodukte werden abgesaugt.
[0041] Festoxidbrennstoffzellen 10 sind galvanische Zellen zur kontinuierlichen elektrochemischen Stromerzeugung, die üblicherweise als Brennstoffzellenstapel, sogenannte SOFC-Stacks, also als Zusammenschaltung mehrerer Brennstoffzellen 10, betrieben werden. Zur besseren Übersicht ist in Fig. 1 nur eine einzige Brennstoffzelle 10 veranschaulicht. SOFC-Brennstoffzellensysteme 1 beinhalten auch entsprechende Wärmeübertrager wie beispielsweise den in Fig. 1 bezeichneten Anodengaswärmeübertrager 60, der zur Vorwärmung des Anodengases 52 in der Anodengaszuleitung 53, also auf der kalten Wärmeübertragerseite 61, durch Wärmetausch im Gegenstrom mit dem heißen Anodengas 52 in der Anodengasableitung 54 auf der heißen Wärmeübertragerseite 62 dient. Weiters umfasst ein solches Brennstoffzel- lensystem 1 eine Gasfördereinrichtung 70 im Anodengaskreislauf 50, einen Reformer 80 sowie weitere Baugruppen wie beispielsweise einen Gleichstrom-/Wechselstrom-lnverter, eine entsprechende Steuerung sowie sonstige Komponenten, die für den weitgehend oder vollständig automatischen Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 nötig sind. Der Reformer 80 dient dazu, aus einem Brennstoff 57 bzw. Kraftstoff, meist einem Kohlenwasserstoff wie beispielsweise Erdgas (englisch natural gas, kurz: NG) sowie aus Reformerluft und/oder Wasserdampf ein Reformatgas zu erzeugen. Das Reformatgas enthält dann Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid.
[0042] Die Funktion jeder galvanischen Zelle und überhaupt jeder elektrochemischen Reaktion beruht auf einer Redoxreaktion, bei der Reduktion und Oxidation räumlich getrennt ablaufen, nämlich an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt. In der Festoxidbrennstoffzelle 10 ist diese Redox-Reaktion eine Reaktion von Sauerstoff mit dem Brennstoff, der Wasserstoff sein kann, hier jedoch beispielsweise auch Kohlenstoffmonoxid enthält. Auf der Kathodenseite 12 herrscht Sauerstoffüberschuss, während auf der Anodenseite 14 Sauerstoffmangel herrscht, weil der vorhandene Sauerstoff gleich mit dem beispielsweise vorhandenen Wasserstoff reagiert. Durch dieses Konzentrationsgefälle diffundiert der Sauerstoff 19 von der Kathode 12 durch den Elektrolyten 15 zur Anode 14. Der Elektrolyt 15 dazwischen ist aber nur für Sauerstoff-Ionen durchlässig. Hat das Sauerstoffmolekül die Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt erreicht, nimmt es zwei Elektronen auf, wird damit zum Ion und kann die Barriere durchdringen. An der Grenze zur Anode 14 angekommen, reagiert es katalytisch mit dem Brenngas unter Abgabe von Wärme und den entsprechenden Verbrennungsprodukten, und gibt wieder zwei Elektronen an die Anode ab. Voraussetzung dafür ist ein Stromfluss - der eigentliche Zweck der Festoxidbrennstoffzelle - wobei der Stromfluss anderweitig genutzt werden kann.
[0043] Die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen an der Anode 14, der Kathode 15 sowie die Summenreaktion über beide Elektroden der Brennstoffzelle können daher wie folgt notiert werden:
Anode:
Kathode:
Summenreaktion: [0044] Wie eingangs bereits ausführlich dargelegt sowie in Fig. 2 veranschaulicht ist es zur Bestimmung der Rezirkulationsrate im Anodengaskreislauf 50 bisher erforderlich gewesen, mit dem zusätzlichen Druckmessgerät 25 im Anodengaskreislauf 50 bestimmte charakteristische Druckverluste jeweils als Funktion der unterschiedlichen Stromlasten bei unterschiedlichen Rezirkulationsraten RR zu erfassen. Der charakteristische Druckverlust ΔΡ-ι_2 wurde beispielsweise mittels eines Venturirohrs 25, das im Anodengaskreislauf 50 eingebaut ist, erzeugt und gemessen. Nachteilig ist dabei neben dem zusätzlichen Druckverlust im Anodengaskreislauf 50 aufgrund des zusätzlich erforderlichen Druckmessgeräts 25 zur Bestimmung der Rezirkulationsrate weiters auch, dass die Kenntnis der Gaszusammensetzung des Anodengases 52 erforderlich ist. Weshalb die in Fig. 2 gezeigten Kennlinien, die bei unterschiedlichen Rezirkulationsraten von 70%, 80% sowie 90% jeweils den Zusammenhang zwischen charakteristischem Druckverlust ΔΡ-ι_2 und Stromstärke zeigen, zusätzlich auch noch von der Temperatur des Anodengases sowie dessen Gaszusammensetzung an der jeweiligen Druckmessstelle abhängig sind. Somit muss für dieses herkömmliche Messprinzip ein umfangreiches Kennfeld für den gesamten Betriebsbereich des Brennstoffzellensystems 1 ermittelt werden, was sehr aufwendig und überdies auch ungenau ist.
[0045] Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Verfahrensfließbilds eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1, wobei im Anodengaskreislauf 50 vorteilhaft kein zusätzliches Druckmessgerät erforderlich ist. Die weiteren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 erforderlichen Bauteile bzw. Baugruppen entsprechen beispielsweise der in Fig. 1 gezeigten Aufstellung. Die Messung der Differenzdruckverluste erfolgt bei dem in Fig. 3 gezeigten Anodengaskreislauf 50 beispielsweise gemäß der in Fig. 4 dargestellten Anordnung.
[0046] Fig. 4 veranschaulicht in einer Detailansicht von Fig. 3 eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Messverfahrens mit einer Messvorrichtung 200 gemäß der Erfindung. Dazu wird von der Messvorrichtung 200 die Rezirkulationsrate RR im Anodengaskreislauf 50 eines Brennstoffzellensystems 1 wie folgt ermittelt: [0047] Mit einer ersten Differenzdruckverlustmesseinheit 91 wird ein erster Differenzdruckverlust ΔΡι_2 ermittelt, wobei die erste Differenzdruckverlustmesseinheit 91 mit zwei voneinander beabstandeten Druckmesspunkten P-ι, P2 entlang eines ersten Leitungsabschnitts 101 der Anodengasrezirkulationsleitung 51 positioniert ist. Dieser erste Leitungsabschnitt 101 wird im Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1 von einem ersten Massenstrom M12 durchflossen. Der Druckmesspunkt P-ι ist hier in der Anodengaszuleitung 53 stromaufwärts vor dem Anodengaswärmeübertrager 60 angeordnet. Der Druckmesspunkt P2 ist in der Anodengasableitung 54 stromabwärts nach dem Anodengaswärmeübertrager 60 angeordnet. Der erste Differenzdruckverlust ΔΡ12 wird hier somit entlang eines ersten Leitungsabschnitts 101 an der kalten Wärmeübertragerseite 61 über den Anodengaswärmeübertrager 60 ermittelt.
[0048] Mit einer zweiten Differenzdruckverlustmesseinheit 92 wird ein zweiter Differenzdruckverlust ΔΡ3 4 bestimmt, wobei die zweite Differenzdruckverlustmesseinheit 92 mit zwei voneinander beabstandeten Druckmesspunkten P3, P4 entlang eines zweiten Leitungsabschnitts 102 der Anodengasrezirkulationsleitung 51 positioniert ist. Im Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1 ist der zweite Leitungsabschnitt 102 von einem zweiten Massenstrom M34 durchflossen, der hier größer als der erste Massenstrom M12 des ersten Leitungsabschnitts 101 ist, da im zweiten Massenstrom M3 4 zusätzlich zum Anodengas 52 in der Anodengaszuleitung 53 auch noch der Sauerstoff 19, der von der Kathode 12 in den Anodenraum 13 strömt, zu berücksichtigen ist. Eine Variante der Erfindung wird also durchgeführt mit einem im Vergleich zum ersten Massenstrom größeren zweiten Massenstrom, wobei dieses Verhältnis an einem, mehreren oder allen Druckmesspunkten P-ι, P2, P3, P4 vorliegen kann. Der Druckmesspunkt P3 ist hier in der Anodengasableitung 54 stromaufwärts vor dem Anodengaswärmeübertrager 60 angeordnet. Der Druckmesspunkt P4 ist in der Anodengasableitung 54 stromabwärts nach dem Anodengaswärmeübertrager 60 angeordnet. Der zweite Differenzdruckverlust ΔΡ3 4 wird hier somit entlang eines zweiten Leitungsabschnitts 102 an der heißen Wärmeübertragerseite 62 über den Anodengaswärmeübertrager 60 ermittelt. Somit werden erster ΔΡι_2 sowie zweiter Differenzdruckverlust ΔΡ3 4 jeweils über die kalte 61 bzw. die heiße Wärmeübertragerseite 62 desselben Anodengaswärmeübertragers 60 ermittelt.
[0049] Mit einer Recheneinheit 201 wird ein Differenzdruckverlustverhältnis RAP durch Quotientenbildung des Verhältnisses aus gemessenem zweiten Differenzdruckverlust ΔΡ3 4 zu gemessenem ersten Differenzdruckverlust ΔΡ12 berechnet. Von einer Auswerteeinheit 202 wird anhand des von der Recheneinheit 201 berechneten Differenzdruckverlustverhältnisses RAP sowie anhand einer für das Brennstoffzellensystem 1 charakteristischen Systemkennlinie S als Funktion des jeweils berechneten Differenzdruckverlustverhältnisses RAP die jeweilige Rezirkulationsrate RR bestimmt und diese von einer Anzeigeeinheit 203 angezeigt bzw. ausgegeben.
[0050] Alternativ dazu kann der zweite Differenzdruckverlust ΔΡ23 auch durch Differenzdruckmessung mit einer zweiten Differenzdruckverlustmesseinheit 93 erfolgen, die mit zwei voneinander beabstandeten Druckmesspunkten P2, P3 entlang eines zweiten bzw. eines weiteren Leitungsabschnitts 103 der Anodengasrezirkulationsleitung 51 positioniert ist. Der Druckmesspunkt P2 ist abermals in der Anodengasableitung 54 stromabwärts nach dem Anodengaswärmeübertrager 60 angeordnet. Der Druckmesspunkt P3 ist hier in der Anodengasableitung 54 stromaufwärts vor dem Anodengaswärmeübertrager 60 angeordnet. Somit wird dieser zweite Differenzdruckverlust ΔΡ2 3 über den Anodenraum 13 der Brennstoffzelle 10 bestimmt. Abermals gilt, dass ein Massenstrom M2 3, welcher im zweiten bzw. im weiteren Leitungsabschnitt 103 fließt, hier beispielsweise größer ist als der erste Massenstrom M12 im ersten Leitungsabschnitt 101, wobei zur weiteren Bestimmung der Rezirkulationsrate RR auch dieser zweite Differenzdruckverlust ΔΡ2 3 wiederum mit dem entlang des ersten Leitungsabschnitts 101 ermittelten ersten Differenzdruckverlust ΔΡ12 ins Verhältnis gesetzt wird.
[0051] Weitere Mess- und/oder Regeleinrichtungen, die gegebenenfalls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Messverfahrens mit der Messvorrichtung 200 bzw. zum automatischen Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderlich sind und die aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 4 nicht dargestellt sind, sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Brennstoffzellen an sich bekannt.
[0052] Fig. 5 zeigt in einer Diagrammdarstellung die erfindungsgemäße Messmethode zur Bestimmung der Rezirkulationsrate RR im Anodengaskreislauf 50 anhand einer für das jeweilige Brennstoffzellensystem 1 charakteristischen Systemkennlinie S als Funktion des jeweils berechneten Differenzdruckverlustverhältnisses RAP. Die Systemkennlinie S, welche den Zusammenhang zwischen dem jeweiligen Differenzdruckverlustverhältnis RAP und der Rezirkulationsrate RR angibt, ist im Wesentlichen unabhängig von der Stromlast, wie die drei Datenreihen, die bei 50%, 75% sowie 100% Stromlast ermittelt wurden, belegen. Um die erfindungsgemäße Messmethode weiter zu vereinfachen, kann je nach erforderlicher Genauigkeit angenommen werden, dass die Systemkennlinie S unabhängig von der Stromlast ist, wobei in diesem Fall die Systemkennlinie S jeweils für ein Brennstoffzellensystem 1 durch Bestimmen der Differenzdruckverlustverhältnisse Rap bei mehreren unterschiedlichen Rezirkulationsraten RR unabhängig von der jeweiligen Stromlast kalibriert wird.
[0053] Alternativ dazu kann auch angenommen werden, dass die Systemkennlinie S einen linearen Zusammenhang zwischen dem jeweiligen Differenzdruckverlustverhältnis RAP und der Rezirkulationsrate RR angibt. In diesem Fall wird die Kalibrierung weiter vereinfacht und es ist die Bestimmung des Differenzdruckverlustverhältnisses RAP bei zumindest zwei unterschiedlichen Rezirkulationsraten RR unabhängig von der jeweiligen Stromlast ausreichend. Ist der Zusammenhang zwischen dem jeweiligen Differenzdruckverlustverhältnis RAP und der Rezirkulationsrate RR nicht linear, sondern beispielsweise exponentiell, so müssen die Differenzdruckverlustverhältnisse Rap bei zumindest drei unterschiedlichen Rezirkulationsraten RR bestimmt werden.

Claims (14)

  1. Patentansprüche
    1. Messverfahren zur Bestimmung der Rezirkulationsrate (RR) im Anodengaskreislauf (50) eines Brennstoffzellensystems (1), welches Brennstoffzellensystem (1) zumindest eine Brennstoffzelle (10) mit zumindest einer in einem Kathodenraum (11) angeordneten Kathode (12), mit zumindest einer in einem Anodenraum (13) angeordneten Anode (14) sowie mit einem zwischen Kathodenraum (11) und Anodenraum (13) vorhandenen Elektrolyten (15) umfasst, wobei mit einer Anodengasrezirkulationsleitung (51) Anodengas (52) aus dem Anodenraum (13) der wenigstens einen Brennstoffzelle (10) mit zumindest einer Gasfördereinrichtung (70) zugeführt wird sowie das Anodengas (52) in zumindest einem in der Anodengasrezirkulationsleitung (51) angeordneten Anodengaswärmeübertrager (60) thermostat! siert wird, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: - Messen eines ersten Differenzdruckverlusts (ΔΡ12) entlang eines ersten Leitungsabschnitts (101) der Anodengasrezirkulationsleitung (51), welcher erste Leitungsabschnitt (101) im Betriebszustand des Brennstoffzellensystems (1) von einem ersten Massenstrom (Mi_2) durchflossen wird; - Messen eines zweiten Differenzdruckverlusts (ΔΡ34; ΔΡ23) entlang eines zweiten Leitungsabschnitts (102; 103) der Anodengasrezirkulationsleitung (52), welcher zweite Leitungsabschnitt (102) im Betriebszustand des Brennstoffzellensystems (1) von einem im Vergleich zum ersten Massenstrom (M12) unterschiedlich großen zweiten Massenstrom (M3 4; M2 3) durchflossen wird; - Berechnen des Differenzdruckverlustverhältnisses (Rap) durch Quotientenbildung des Verhältnisses aus gemessenem zweiten Differenzdruckverlust (ΔΡ3 4; ΔΡ2 3) zu gemessenem ersten Differenzdruckverlust (ΔΡ12); - Bestimmen der Rezirkulationsrate (RR) im Anodengaskreislauf (50) anhand einer für das Brennstoffzellensystem (1) charakteristischen Systemkennlinie (S) als Funktion des jeweils berechneten Differenzdruckverlustverhältnisses (Rap)·
  2. 2. Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemkennlinie (S) als Zusammenhang zwischen dem Differenzdruckverlustverhältnis (Rap) und der Rezirkulationsrate (RR) im Wesentlichen unabhängig von einer Stromlast ist.
  3. 3. Messverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemkennlinie (S) einen linearen Zusammenhang zwischen dem Differenzdruckverlustverhältnis (Rap) und der Rezirkulationsrate (RR) angibt.
  4. 4. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Systemkennlinie (S) mit ansteigender Rezirkulationsrate (RR) das Differenzdruckverlustverhältnis (Rap) absinkt.
  5. 5. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemkennlinie (S) jeweils für ein Brennstoffzellensystem (1) durch Bestimmen der Differenzdruckverlustverhältnisse (Rap) bei unterschiedlichen Rezirkulationsraten (RR) kalibriert wird.
  6. 6. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Differenzdruckverlust (ΔΡ12) entlang eines ersten Leitungsabschnitts (101) in der Anodengaszuleitung (53) auf der kalten Wärmeübertragerseite (61) des zumindest einen Anodengaswärmeübertragers (60) gemessen wird und der zweite Differenzdruckverlust (ΔΡ3 4) entlang eines zweiten Leitungsabschnitts (102) in der Anodengasableitung (54) auf der heißen Wärmeübertragerseite (62) desselben Anodengaswärmeübertragers (60) gemessen wird.
  7. 7. Messverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Differenzdruckverlust (ΔΡι_2) in der Anodengaszuleitung (53) auf der kalten Wärmeübertragerseite (61) stromaufwärtig (P-ι) sowie stromabwärtig (P2) des zumindest einen Anodengaswärmeübertragers (60) gemessen wird und der zweite Differenzdruckverlust (ΔΡ3 4) in der Ano- dengasableitung (54) auf der heißen Wärmeübertragerseite (62) stromaufwärtig (P3) sowie stromabwärtig (P4) desselben Anodengaswärmeübertragers (60) gemessen wird.
  8. 8. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Differenzdruckverlust (ΔΡ12) in der Anodengaszuleitung (53) auf der kalten Wärmeübertragerseite (61) stromaufwärtig (Pi) sowie stromabwärtig (P2) des zumindest einen Anodengaswärmeübertragers (60) gemessen wird und der zweite Differenzdruckverlust (ΔΡ2 3) entlang eines zweiten Leitungsabschnitts (103) der Anodengasrezirkulationsleitung (51) stromaufwärtig (P2) sowie stromabwärtig (P3) des Anodenraums (13) gemessen wird.
  9. 9. Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Anodengas (52) mit der zumindest einen Gasfördereinrichtung (70) einem Reformer (80) zugeführt wird.
  10. 10. Messvorrichtung (200) zur Durchführung eines Messverfahrens zur Bestimmung der Rezir-kulationsrate (RR) im Anodengaskreislauf (50) eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, umfassend zumindest eine erste Differenzdruckverlustmesseinheit (91) zur Bestimmung eines ersten Differenzdruckverlusts (ΔΡι_2), welche mit zwei voneinander beabstandeten Druckmesspunkten (P-ι, P2) entlang eines ersten Leitungsabschnitts (101) einer Anodengasrezirkulationsleitung (51) positioniert ist, wobei im Betriebszustand des Brennstoffzellensystems (1) der erste Leitungsabschnitt (101) von einem ersten Massenstrom (M12) durchflossen ist, sowie umfassend zumindest eine zweite Differenzdruckverlustmesseinheit (92; 93) zur Bestimmung eines zweiten Differenzdruckverlusts (ΔΡ3 4; ΔΡ2 3), welche mit zwei voneinander beabstandeten Druckmesspunkten (P3, P4; P2, P3) entlang eines zweiten Leitungsabschnitts (102; 103) der Anodengasrezirkulationsleitung (51) positioniert ist, wobei im Betriebszustand des Brennstoffzellensystems (1) der zweite Leitungsabschnitt (102; 103) von einem zweiten Massenstrom (M3 4; M2 3) durchflossen ist, welcher zweite Massenstrom (M3 4; M2 3) unterschiedlich groß zum ersten Massenstrom (M12) des ersten Leitungsabschnitts (101) ist, sowie weiterhin umfassend eine Recheneinheit (201), wobei von der Recheneinheit (201) ein Differenzdruckverlustverhältnis (Rap) durch Quotientenbildung des Verhältnisses aus gemessenem zweiten Differenzdruckverlust (ΔΡ3 4; ΔΡ2 3) zu gemessenem ersten Differenzdruckverlust (ΔΡ12) berechenbar ist sowie weiterhin umfassend eine Auswerteeinheit (202), wobei von der Auswerteeinheit (202) anhand des berechneten Differenzdruckverlustverhältnisses (Rap) sowie anhand einer für das Brennstoffzellensystem (1) charakteristischen Systemkennlinie (S) als Funktion des jeweils berechneten Differenzdruckverlustverhältnisses (Rap) die jeweilige Rezirkulationsrate (RR) bestimmbar ist, welche Rezirkulationsrate (RR) von einer Anzeigeeinheit (203) anzeigbar ist.
  11. 11. Messvorrichtung (200) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (201), die Auswerteeinheit (202) sowie die Anzeigeeinheit (203) mit Signalleitungen (210) miteinander gekoppelt sind.
  12. 12. Messvorrichtung (200) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemkennlinie (S) jeweils für ein Brennstoffzellensystem (1) durch Bestimmen der Differenzdruckverlustverhältnisse (Rap) bei unterschiedlichen Rezirkulationsraten (RR) kalibrierbar ist.
  13. 13. Messvorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemkennlinie (S) mit einem von einer Stromlast unabhängigen Zusammenhang zwischen dem Differenzdruckverlustverhältnis (Rap) und der Rezirkulationsrate (RR) wählbar ist.
  14. 14. Messvorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemkennlinie (S) mit einem linearen Zusammenhang zwischen dem Differenzdruckverlustverhältnis (Rap) und der Rezirkulationsrate (RR) wählbar ist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
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