DE102006042995A1 - Verfahren zur Ermittlung eines Anodenumsatzgrads in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung eines Anodenumsatzgrads in einem Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Ermittlung eines Anodenumsatzgrads einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels (20). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Anodenumsatzgrad durch Messen von zumindest einem Strom der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels (20), einem einen Nachbrenner (24) zugeführten Luftvolumenstrom, dem zum Zeitpunkt der Messung kein Brennstoff zugeführt wird, einer Luftzahl eines Reformergases und eines Sauerstoffvolumenanteils in einem Nachbrennerabgas ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Anodenumsatzgrads einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Steuereinrichtung.
  • Allgemein sind Brennstoffzellensysteme bekannt, beispielsweise SOFC-Brennstoffzellensysteme (SOFC = Solid Oxide Fuel Cell), in denen ein Reformer, eine Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzellenstapel und ein Nachbrenner in dieser Abfolge miteinander gekoppelt sind. Der Reformer setzt ihm zugeführte Luft und zugeführten Brennstoff zu einem wasserstoff- und monokohlehaltigen Gas beziehungsweise einem Re format um. Anschließend gelangt dieses Reformat zu einer Anode der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels. Insbesondere wird das Reformat über einen Anodeneintritt dem Brennstoffzellenstapel zugeführt. In der Anode wird das Reformat (H2, CO) zum Teil katalytisch unter Abgabe von Elektronen oxidiert und über einen Anodenaustritt abgeführt. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellenstapel abgeleitet und fließen beispielsweise zu einem elektrischen Verbraucher. Von dort gelangen die Elektronen zu einer Kathode der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels, wobei unter Zuführung von Kathodenluft in einen Kathodeneintritt eine Reduktion stattfindet. Anschließend wird die Kathodenabluft über einen Kathodenaustritt abgeführt. Die Abgase des Brennstoffzellenstapels (abgereichertes Reformat), die sowohl aus dem Anodenaustritt der Anode als auch aus dem Kathodenaustritt der Kathode abgeführt werden, werden anschließend beide dem Nachbrenner zugeführt. Dort erfolgt eine Umsetzung des abgereicherten Reformats mit einer dem Nachbrenner zugeführten Nachbrennerluft zu einem Verbrennungsabgas. Zur Ermittlung einer Systemperformanz beziehungsweise Systemleistungsfähigkeit kann beispielsweise der Anodenumsatzgrad verwendet werden. Derzeit besteht jedoch nicht die Möglichkeit, den Anodenumsatzgrad zu messen, ohne auf die Verwendung aufwändiger Gasanalytiken beziehungsweise Gasanalytikverfahren des Reformats vor der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellenstapel zurückzugreifen. Der Einsatz derartiger Gasanalytikverfahren in solchen Brennstoffzellensystemen ist jedoch sehr kostspielig.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Verfahren und die gattungsgemäßen Brennstoffzellensysteme derart weiterzubilden, dass die Ermittlung des Anodenumsatzgrads kostengünstig durchgeführt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass der Anodenumsatzgrad durch Messen von zumindest einem Strom der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels, einem einem Nachbrenner zugeführten Luftvolumenstrom, dem zum Zeitpunkt der Messung kein Brennstoff zugeführt wird, einer Luftzahl eines Reformergases und einem Sauerstoffvolumenanteil in einem Nachbrennerabgas ermittelt wird. Durch die Messung dieser Größen kann anhand geeigneter Berechnungen der Anodenumsatzgrad kostengünstig ermittelt werden. Um den Strom der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels zu messen, ist lediglich ein Strommessgerät zu verwenden. Der dem Nachbrenner zugeführte Luftvolumenstrom lässt sich anhand eines Strömungsmessgeräts ermitteln. Die Luftzahl des Reformergases und der Sauerstoffvolumenanteil in dem Nachbrennerabgas können jeweils durch eine Lambda-Sonde ermittelt werden, die entsprechend bei einem Reformer und dem Nachbrenner vorgesehen sind.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafterweise dadurch weitergebildet sein, dass der Anodenumsatzgrad durch das Verhältnis von einer Anode umgesetzten Brenngasen bei einem Strom I zu der Anode zugeführten Brenngasen gebildet wird und zu
    Figure 00040001
    definiert ist, wobei I der Strom der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels, N die Brennstoffzellenanzahl, F die Faraday'sche Konstante und
    Figure 00040002
    jeweils Molenströme von H2, CO und Brennstoff an einem Anodenaustritt der Anode sind.
  • Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgeführt sein, dass die Summe der Molenströme von
    Figure 00040003
    Figure 00040004
    gleich
    Figure 00040005
    ist, wobei
    Figure 00040006
    der dem Nachbrenner zugeführte Luftvolumenstrom, λNB die Luftzahl des Nachbrennerabgases und Vm,air das molare Volumen von Luft ist.
  • In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, das erfindungsgemäße Verfahren derart zu verwirklichen, dass die Luftzahl des Nachbrennerabgases für eine überstöchiometrische Verbrennung zu
    Figure 00040007
    definiert ist, wobei φA,out(H2,CO) der Volumenanteil von H2 und CO an dem Anodenaustritt und φNB(O2) der Volumenanteil von O2 in dem Nachbrennerabgas ist.
  • Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Volumenanteil von H2 und CO an dem Anodenaustritt zu
    Figure 00050001
    definiert ist, wobei φA,in(H2,CO) der Volumenanteil von H2 und CO an einem Anodeneintritt der Anode und
    Figure 00050002
    der Gesamtmolenstrom an dem Anodeneintritt ist.
  • Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren so weitergebildet, dass der Volumenanteil von H2 und CO des Anodeneintritts über Kennlinien in Abhängigkeit von der Luftzahl des Reformergases beziehungsweise der Luftzahl für den Reformer ermittelt wird. Dabei können die Kennlinien empirisch ermittelt werden.
  • Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafterweise derart ausgeführt sein, dass der Gesamtmolenstrom des Anodeneintritts über Kennlinien in Abhängigkeit von der Luftzahl des Reformergases ermittelt wird. Auch in diesem Fall können die Kennlinien empirisch ermittelt werden.
  • Darüber hinaus wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise so verwirklicht, dass der Gesamtmolenstrom des Ano deneintritts weiterhin in Abhängigkeit von einem Gesamtmolenstrom in einen Reformer ermittelt wird, der zu
    Figure 00060001
    definiert ist, wobei n ein Kohlenstoffanteil und m ein Wasserstoffanteil des Brennstoffs, hu,fuel der untere spezifische Heizwert des Brennstoffs, Mfuel die molare Masse des Brennstoffs und PRef die Reformerbrennstoffleistung ist.
  • Ebenso ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einer Steuereinrichtung vorgesehen, die dazu geeignet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Eigenschaften und Vorteile in gleicher oder ähnlicher Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen wird.
  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10. Im dargestellten Fall umfasst das Brennstoffzellensystem 10 einen Reformer 16, der mit einer ihm vorgeschalteten Brennstoffzuführeinrichtung 12 zur Brennstoffzuführung und einer ihm vorgeschalteten Luftzuführeinrichtung 14 zur Luftzuführung gekoppelt ist. Der Reformer 16 ist mit einem ihm nachgeschalteten Brennstoffzellenstapel 20 gekoppelt. Der Brennstoffzellenstapel 20 besteht in diesem Fall aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen. Alternativ kann jedoch anstelle des Brennstoffzellenstapels 20 auch nur eine einzelne Brennstoffzelle vorgesehen sein. Insbesondere ist der Reformer 16 mit einer Anode des Brennstoffzellenstapels 20 gekoppelt. Darüber hinaus ist der Brennstoffzellenstapel 20 mit einer Kathodenluftzuführeinrichtung 18 gekoppelt, die einer Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 Kathodenluft zuführt. Weiterhin ist der Brennstoffzellenstapel 20 mit einem Nachbrenner 24 gekoppelt, dem in diesem Ausführungsbeispiel sowohl von der Anode als auch von der Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 stammendes Abgas zuführbar ist. Weiterhin ist eine Nachbrennerluftzuführeinrichtung 22 mit dem Nachbrenner 24 gekoppelt, über die der Nachbrenner 24 mit Nachbrennerluft versorgt wird. Dem Brennstoffzellensystem 10 ist eine Steuereinrichtung 26 zugeordnet. Zur Ermittlung der Luftzahl eines Reformergases des Reformers 16 ist eine Lambda-Sonde 34 an dem Reformer vorgesehen, mit der die Steuereinrichtung 26 gekoppelt ist. Ebenso ist zur Messung des Sauerstoffgehalts beziehungsweise des Sauerstoffvolumenanteils eines Nachbrennerabgases des Nachbrenners 24 eine weitere Lambda-Sonde 32 an dem Nachbrenner 24 vorgesehen. Zur Messung eines dem Nachbrenner 24 zugeführten Luftvolumenstroms ist zwischen der Nachbrennerluftzu führeinrichtung 22 und dem Nachbrenner 24 ein Strömungsmessgerät 30 vorgesehen.
  • Im Betrieb führt die Steuereinrichtung 26 das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt aus, um den Anodenumsatzgrad zu ermitteln. Der Anodenumsatzgrad ist definiert als das Verhältnis von der Anode umgesetzten Brenngasen zu der Anode zugeführten Brenngasen und lässt sich ausdrücken zu
    Figure 00080001
  • Dabei ist N die Anzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels, F die Faraday'sche Konstante in As/mol,
    Figure 00080002
    die Summe der in die Anode eintretenden Molenströme von H2, CO und des Brennstoffes in mol/s und der Term
    Figure 00080003
    die Summe der aus der Anode austretenden Molenströme von H2, CO und des Brennstoffes in mol/s. Damit die Steuereinrichtung 26 den Anodenumsatzgrad ermitteln kann, ist es erforderlich den Strom I des Brennstoffzellenstapels 20 zu messen. Vorzugsweise wird der Strom I gemessen, wenn kein zusätzlicher Brennstoff, insbesondere Diesel, dem Nachbrenner 24 zugeführt wird. Zur Messung des Stroms I verfügt die Steuereinrichtung 26 über ein Strommessgerät 28, das mit dem Brennstoffzellenstapel 20 zur Strommessung geeignet verbunden ist. Ist der Strom des Brennstoffzellenstapels 20 messbar, so gilt es weiterhin den Term
    Figure 00080004
    zur Anodeumsatzberechnung XA zu ermitteln. Dieser Term lässt sich unter anderem nach der Definition von der Luftzahl wie folgt beschreiben:
    Figure 00090001
  • Dabei ist
    Figure 00090002
    der Luftvolumenstrom in den Nachbrenner 24 von der Nachbrennerluftzuführeinrichtung 22 in Nl/s, λNB die Luftzahl beziehungsweise die Luftverhältnis-Zahl (Lambda) des Nachbrennerabgases des Nachbrenners 24 und Vm,air das molare Volumen beziehungsweise Molvolumen der Luft in Nl/mol. Das molare Volumen der Luft ist bekannt und lässt sich beispielsweise aus der molaren Masse in Zusammenhang mit dem spezifischen Volumen von Luft ermitteln. Die Steuereinrichtung 26 ermittelt den dem Nachbrenner 24 zugeführten Luftvolumenstrom über das Strömungsmessgerät 30. Damit gilt es weiterhin die Luftzahl des Nachbrennerabgases des Nachbrenners 24 durch die Steuereinrichtung 26 zu berechnen. Für die Luftzahl des Nachbrennerabgases gilt folgende Beziehung, die für die überstöchiometrische Verbrennung hergeleitet werden kann:
    Figure 00090003
  • In dieser Beziehung bezeichnet der Ausdruck φA,out(H2,CO) einen Volumenanteil von H2 und CO an einem Anodenaustritt, d.h. der Volumenanteil der Gase bei Verlassen der Anode, wobei φNB(O2) ein Volumenanteil von O2 im Nachbrennerabgas ist. Um den Volumenanteil von O2 im Nachbrennerabgas zu ermitteln, ist die Steuereinrichtung 26 mit einer an dem Nachbrenner 24 vorgesehenen Lambda-Sonde 32 gekoppelt. Um den Volumenanteil von H2 und CO an dem Anodenaustritt zu ermitteln, verwendet die Steuereinrichtung 26 die folgende Beziehung für den von der Anode abgegebenen Brenngasanteil im Anodenabgas:
    Figure 00100001
  • Dabei bezeichnet φA,in(H2,CO) den Volumenanteil des der Anode von dem Reformer 16 zugeführten Gases aus H2 und CO, d.h. der Anteil von H2 und CO im Reformat, wobei
    Figure 00100002
    den im Brennstoffzellenstapel 20 umgesetzten Volumenanteil von H2 und CO bezeichnet. Insbesondere bezieht sich der Ausdruck
    Figure 00100003
    auf den der Anode zugeführten Gesamtmolenstrom in den Anodeneintritt. Um φA,in(H2,CO) zu ermitteln, verwendet die Steuereinrichtung 26 eine empirisch ermittelte Kennlinie in Abhängigkeit von einem Reformerlambda beziehungsweise einer Luftzahl des Reformergases des Reformers 16 und bestimmt
    Figure 00100004
    Dabei ist bi ein vorbestimmter Koeffizient, der empirisch ermittelt wurde. Zur Ermittlung der Luftzahl des Reformergases ist die Steuereinrichtung 26 mit einer an dem Reformer 16 vorgesehenen Lambda-Sonde 34 gekoppelt. Ebenso verwendet die Steuereinrichtung 26 zur Ermittlung des Gesamtmolenstroms
    Figure 00100005
    in den Anodeneintritt den folgenden Zusammenhang:
    Figure 00100006
  • Analog zu dem Koeffizienten bi wird auch in diesem Fall der Koeffizient ai empirisch ermittelt. Insbesondere lassen sich durch diese empirisch ermittelten Koeffizienten Kennlinien erstellen, die für die jeweilige Berechnung verwendet werden können. Darüber hinaus bezeichnet
    Figure 00110001
    einen Gesamtmolenstrom der dem Reformer 16 zugeführten Gase. Dieser Ausdruck lässt sich durch die folgende Beziehung zur Berechnung des notwendigen Gesamt-Molenstroms in den Reformer
    Figure 00110002
    herleiten:
    Figure 00110003
  • Dabei bezeichnet n einen Kohlenstoffanteil und m einen Wasserstoffanteil des eingesetzten beziehungsweise dem Reformer zugeführten Brennstoffs. Weiterhin bezeichnen PRef eine Reformerleistung in Watt, hu,fuel einen unteren spezifischen Heizwert des Brennstoffs in J/kg und Mfuel die molare Masse des Brennstoffes, wobei diese Größen alle bekannt sind. Somit lässt sich unter den vorgenannten Voraussetzungen der Anodenumsatzgrad mittels der Steuereinrichtung 26 abschätzen, da die Steuereinrichtung 26 alle hierfür erforderlichen Größen wie vorstehend beschrieben entweder misst oder diese Größen anhand weiterer Beziehungen herleitet.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
    • 10
    Brennstoffzellensystem
    12
    Brennstoffzuführeinrichtung
    14
    Luftzuführeinrichtung
    16
    Reformer
    18
    Kathodenluftzuführeinrichtung
    20
    Brennstoffzellenstapel
    22
    Nachbrennerluftzuführeinrichtung
    24
    Nachbrenner
    26
    Steuereinrichtung
    28
    Strommessgerät
    30
    Strömungsmessgerät
    32
    Lambda-Sonde
    34
    Lambda-Sonde

Claims (9)

  1. Verfahren zur Ermittlung eines Anodenumsatzgrads einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenumsatzgrad durch Messen von zumindest einem Strom der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels (20), einem einem Nachbrenner (24) zugeführten Luftvolumenstrom, dem zum Zeitpunkt der Messung kein Brennstoff zugeführt wird, einer Luftzahl eines Reformergases und einem Sauerstoffvolumenanteil in einem Nachbrennerabgas ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenumsatzgrad durch das Verhältnis von einer Anode umgesetzten Brenngasen bei einem Strom I zu der Anode zugeführten Brenngasen gebildet wird und zu
    Figure 00130001
    definiert ist, wobei I der Strom der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels, N die Brennstoffzellenanzahl, F die Faraday'sche Konstante und
    Figure 00130002
    jeweils Molenströme von H2, CO und Brennstoff an einem Anodenaustritt der Anode sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Molenströme von
    Figure 00140001
    gleich
    Figure 00140002
    ist, wobei
    Figure 00140003
    der dem Nachbrenner (24) zugeführten Luftvolumenstrom, λNB die Luftzahl des Nachbrennerabgases und Vm,air das molare Volumen von Luft ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzahl des Nachbrennerabgases für eine überstöchiometrische Verbrennung zu
    Figure 00140004
    definiert ist, wobei φA,out(H2,CO) der Volumenanteil von H2 und CO an dem Anodenaustritt und φNB(O2) der Volumenanteil von O2 in dem Nachbrennerabgas ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil von H2 und CO an dem Anodenaustritt zu
    Figure 00140005
    definiert ist, wobei φA,in(H2,CO) der Volumenanteil von H2 und CO an einem Anodeneintritt der Anode und
    Figure 00140006
    der Gesamtmolenstrom an dem Anodeneintritt ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil von H2 und CO des Anodeneintritts über Kennlinien in Abhängigkeit von der Luftzahl des Reformergases ermittelt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtmolenstrom des Anodeneintritts über Kennlinien in Abhängigkeit von der Luftzahl des Reformergases ermittelt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtmolenstrom des Anodeneintritts weiterhin in Abhängigkeit von einem Gesamtmolenstrom in einen Reformer ermittelt wird, der zu
    Figure 00150001
    definiert ist, wobei n ein Kohlenstoffanteil und m ein Wasserstoffanteil des Brennstoffs, hu,fuel der untere spezifische Heizwert des Brennstoffs, Mfuel die molare Masse des Brennstoffs und PRef die Reformerbrennstoffleistung ist.
  9. Brennstoffzellensystem mit einer Steuereinrichtung, die dazu geeignet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
DE102006042995A 2006-09-13 2006-09-13 Verfahren zur Ermittlung eines Anodenumsatzgrads in einem Brennstoffzellensystem Withdrawn DE102006042995A1 (de)

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