DE102006043037A1 - Verfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Reformers in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Reformers in einem Brennstoffzellensystem Download PDF

Info

Publication number
DE102006043037A1
DE102006043037A1 DE102006043037A DE102006043037A DE102006043037A1 DE 102006043037 A1 DE102006043037 A1 DE 102006043037A1 DE 102006043037 A DE102006043037 A DE 102006043037A DE 102006043037 A DE102006043037 A DE 102006043037A DE 102006043037 A1 DE102006043037 A1 DE 102006043037A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
reformer
fuel cell
anode
cell system
afterburner
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102006043037A
Other languages
English (en)
Inventor
Su Zhou
Stefan Käding
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Enerday GmbH
Original Assignee
Enerday GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Enerday GmbH filed Critical Enerday GmbH
Priority to DE102006043037A priority Critical patent/DE102006043037A1/de
Priority to CNA2007800340124A priority patent/CN101589499A/zh
Priority to AU2007295799A priority patent/AU2007295799A1/en
Priority to EA200970264A priority patent/EA200970264A1/ru
Priority to CA002662376A priority patent/CA2662376A1/en
Priority to PCT/DE2007/001290 priority patent/WO2008031379A1/de
Priority to US12/440,211 priority patent/US20100040920A1/en
Priority to JP2009527682A priority patent/JP2010503951A/ja
Priority to EP07785658A priority patent/EP2062319A1/de
Publication of DE102006043037A1 publication Critical patent/DE102006043037A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04373—Temperature; Ambient temperature of auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04425—Pressure; Ambient pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/16—Controlling the process
    • C01B2203/1685—Control based on demand of downstream process
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04462—Concentration; Density of anode exhausts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Reformers (16) in einem Brennstoffzellensystem (10). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Zustand des Reformers (16), basierend auf einer oder mehreren mit einem Anodenumsatzgrad korrelierenden vorbestimmten Kennlinien, ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Reformers in einem Brennstoffzellensystem.
  • 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 und nach der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellenstapel zurückzugreifen. Der Einsatz derartiger Gasanalytikverfahren in solchen Brennstoffzellensystemen ist jedoch sehr kostspielig. Darüber hinaus ist es äußerst wichtig, Alterungs- und Degradationserscheinungen von in dem Brennstoffzellensystem verbauten Kompo nenten zu ermitteln, da dadurch das Betriebsverhalten des Brennstoffzellensystems beeinflusst werden kann. Daher werden gemäß dem Stand der Technik so genannte vorbestimmte UI-Kennlinien verwendet beziehungsweise aufgenommen, um diese dann mit einem neuen Brennstoffzellensystem zu vergleichen. Anhand des Vergleichs der UI-Kennlinien mit aktuellen Werten kann beispielsweise auf eine Alterung des Brennstoffzellensystems geschlossen werden. Jedoch kann lediglich eine Aussage über die Alterung des Gesamtsystems getroffen werden, nicht aber über einzelne dem Brennstoffzellensystem angehörende Komponenten, wie beispielsweise dem Reformer oder dem Brennstoffzellenstapel. Da insbesondere eine Ermittlung des Zustands des Reformers nicht möglich ist, können Schädigungen des Brennstoffzellensystems bei einem Fehlverhalten des Reformers auftreten, was insgesamt zu einer verkürzten Lebensdauer des Brennstoffzellensystems führen kann.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Verfahren und die gattungsgemäßen Brennstoffzellensysteme derart weiterzubilden, dass die Ermittlung des Zustands des Reformers 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 Zustand des Reformers basierend auf einer oder mehreren mit einem Anodenumsatzgrad korrelierenden vorbestimmten Kennlinien ermittelt wird. Dadurch wird eine kostengünstige Diagnose- beziehungsweise Ermittlungsmöglichkeit für eine Fehlfunktion des Reformers im laufenden Betrieb des Brennstoffzellensystems ermöglicht. Darüber hinaus ist diese Art der Ermittlung anhand der Abhängigkeit von dem Anodenumsatzgrad nicht von einer Alterung beziehungsweise Degradation des Brennstoffzellenstapels abhängig.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafterweise dadurch weitergebildet sein, dass die vorbestimmten Kennlinien weiterhin mit einem von einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel gezogenen Strom korrelieren.
  • Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren derart verwirklicht werden, dass die vorbestimmten Kennlinien jeweils für vordefinierte Betriebpunkte des Reformers gespeichert sind.
  • In diesem Zusammenhang ist das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt, dass die vordefinierten Betriebspunkte des Reformers jeweils zumindest durch ein Element aus einer Luftzahl eines Reformergases des Reformers und einer Temperatur in dem Reformer festgelegt sind.
  • Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren auch so weitergebildet sein, dass der Zustand des Reformers durch Vergleich eines Anodenumsatzgrads einer vorbestimmten Kennlinie für einen vordefinierten Betriebspunkt des Reformers bei einem bestimmten gezogenen Strom mit einem aktuellen Anodenumsatzgrad ermittelt wird. Somit kann die Funktionsprüfung des Reformers im laufenden Betrieb ständig abgefragt werden, was zu einer erhöhten Sicherheit vor Fehlfunktionen des Reformers führt.
  • 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 vorge schalteten 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 Nachbrennerluftzuführeinrichtung 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 00070001
  • Dabei ist N die Anzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels, F die Faraday'sche Konstante in As/mol,
    Figure 00070002
    die Summe der in die Anode eintretenden Molenströme von H2, CO und des Brennstoffes in mol/s und der Term
    Figure 00070003
    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 00070004
    zur Anodeumsatzberechnung XA zu ermitteln. Dieser Term lässt sich unter anderem nach der Definition von der Luftzahl wie folgt beschreiben:
    Figure 00070005
  • Dabei ist V .NBair 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 00080001
  • 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 00090001
  • 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 00090002
    den im Brennstoffzellenstapel 20 umgesetzten Volumenanteil von H2 und CO bezeichnet. Insbesondere bezieht sich der Ausdruck ṅA,inΣ 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 00090003
    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 ṅA,inΣ in den Anodeneintritt den folgenden Zusammenhang:
    Figure 00090004
  • Analog zu dem Koeffizienten bi wird auch in diesem Fall der Koeffizient ai empirisch ermittelt. Insbesondere lassen sich durch diese empirisch ermittelten Koeffizienten Kenn linien erstellen, die für die jeweilige Berechnung verwendet werden können. Darüber hinaus bezeichnet ṅRef,inΣ 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 ṅRef,inΣ herleiten:
    Figure 00100001
  • 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.
  • In einem weiteren Schritt kann der Anodenumsatzgrad dazu dienen, Alterungs- beziehungsweise Degradationserscheinungen des Reformers 16 zu ermitteln. Um die Degradationserscheinungen ermitteln zu können, ist es zunächst erforderlich, vorbestimmte Kennfelder des Anodenumsatzgrads für bestimmte, vordefinierte Betriebspunkte des Reformers 16 zu erstellen. In diesem Fall wird beispielsweise ein neuer Reformer 16 zur Aufnahme der Kennfelder verwendet. Vorzugs weise werden zur Festlegung eines Betriebspunktes des neuen Reformers 16 die Luftzahl des Reformergases und die Temperatur im neuen Reformer 16 bei vorbestimmten Werten konstant gehalten. Weiterhin wird ein vorbestimmter elektrischer Strom des Brennstoffzellenstapels 20 gezogen und gemessen. Dementsprechend liefert der neue Reformer 16 einen entsprechenden Brenngas-Molenstrom, der sich zu
    Figure 00110001
    ergibt. Der Anodenumsatzgrad kann auf die vorstehend beschriebene Weise für diesen Betriebspunkt des neuen Reformers 16 gemessen beziehungsweise errechnet werden. Das Kennfeld des Anodenumsatzgrads für diesen Betriebspunkt des Reformers 16 entsteht nun dadurch, dass der gezogene elektrische Strom variiert wird. Dadurch können für unterschiedliche vordefinierte Betriebspunkte des Reformers 16 unterschiedliche Kennfelder aufgenommen und beispielsweise in einem Speicher der Steuereinrichtung 26 gespeichert werden. Sind nun die gespeicherten Kennfelder des Anodenumsatzgrads in Abhängigkeit von dem gezogenen Strom für vordefinierte Betriebspunkte des neuen Reformers 16 bekannt, so kann anhand von Abweichungen zu den Kennfeldern eine Degradation oder Alterung des gleichen, aber gealterten beziehungsweise degradierten Reformers 16 festgestellt werden, wenn der gealterte Reformer 16 in einem gleichen Betriebspunkt betrieben wird.
  • 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 (6)

  1. Verfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Reformers (16) in einem Brennstoffzellensystem (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand des Reformers (16) basierend auf einer oder mehreren mit einem Anodenumsatzgrad korrelierenden vorbestimmten Kennlinien ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Kennlinien weiterhin mit einem von einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel (20) gezogenen Strom korrelieren.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Kennlinien jeweils für vordefinierte Betriebpunkte des Reformers (16) gespeichert sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vordefinierten Betriebspunkte des Reformers (16) jeweils zumindest durch ein Element aus einer Luftzahl eines Reformergases des Reformers (16) und einer Temperatur in dem Reformer (16) festgelegt sind.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand des Reformers (16) durch Vergleich eines Anodenumsatzgrads einer vorbestimmten Kennlinie für einen vordefinierten Betriebspunkt des Reformers (16) bei einem bestimmten gezogenen Strom mit einem aktuellen Anodenumsatzgrad ermittelt wird.
  6. Brennstoffzellensystem (10) mit einer Steuereinrichtung (26), die dazu geeignet ist, das Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 auszuführen.
DE102006043037A 2006-09-13 2006-09-13 Verfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Reformers in einem Brennstoffzellensystem Withdrawn DE102006043037A1 (de)

Priority Applications (9)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006043037A DE102006043037A1 (de) 2006-09-13 2006-09-13 Verfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Reformers in einem Brennstoffzellensystem
CNA2007800340124A CN101589499A (zh) 2006-09-13 2007-07-20 用于确定燃料电池系统中重组器状态的方法
AU2007295799A AU2007295799A1 (en) 2006-09-13 2007-07-20 Method for determining a state of a reformer in a fuel cell system
EA200970264A EA200970264A1 (ru) 2006-09-13 2007-07-20 Способ определения состояния риформера в системе топливных элементов
CA002662376A CA2662376A1 (en) 2006-09-13 2007-07-20 Method for determining a state of a reformer in a fuel cell system
PCT/DE2007/001290 WO2008031379A1 (de) 2006-09-13 2007-07-20 Verfahren zur ermittlung eines zustands eines reformers in einem brennstoffzellensystem
US12/440,211 US20100040920A1 (en) 2006-09-13 2007-07-20 Method for determining a state of a reformer in a fuel cell system
JP2009527682A JP2010503951A (ja) 2006-09-13 2007-07-20 燃料電池システムにおいて改質器の状態を画定する方法
EP07785658A EP2062319A1 (de) 2006-09-13 2007-07-20 Verfahren zur ermittlung eines zustands eines reformers in einem brennstoffzellensystem

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006043037A DE102006043037A1 (de) 2006-09-13 2006-09-13 Verfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Reformers in einem Brennstoffzellensystem

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102006043037A1 true DE102006043037A1 (de) 2008-03-27

Family

ID=38650136

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102006043037A Withdrawn DE102006043037A1 (de) 2006-09-13 2006-09-13 Verfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Reformers in einem Brennstoffzellensystem

Country Status (9)

Country Link
US (1) US20100040920A1 (de)
EP (1) EP2062319A1 (de)
JP (1) JP2010503951A (de)
CN (1) CN101589499A (de)
AU (1) AU2007295799A1 (de)
CA (1) CA2662376A1 (de)
DE (1) DE102006043037A1 (de)
EA (1) EA200970264A1 (de)
WO (1) WO2008031379A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010042034A1 (de) * 2010-10-06 2012-04-12 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT510354B1 (de) * 2010-08-25 2014-06-15 Vaillant Group Austria Gmbh Brennstoffzellenanlage
DE102020202873A1 (de) * 2020-03-06 2021-09-09 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5290641A (en) * 1989-10-06 1994-03-01 Fuji Electric Co., Ltd. Method of controlling operation of fuel cell power supply
JP3840677B2 (ja) * 1994-11-02 2006-11-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池発電装置
US6884533B2 (en) * 2002-05-31 2005-04-26 Ballard Generation Systems Utilization based power plant control system
US7842428B2 (en) * 2004-05-28 2010-11-30 Idatech, Llc Consumption-based fuel cell monitoring and control

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010042034A1 (de) * 2010-10-06 2012-04-12 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
US8968947B2 (en) 2010-10-06 2015-03-03 Eberspaecher Climate Control Systems Gmbh & Co. Kg Operating method for a fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
AU2007295799A1 (en) 2008-03-20
CA2662376A1 (en) 2008-03-20
EP2062319A1 (de) 2009-05-27
EA200970264A1 (ru) 2009-08-28
CN101589499A (zh) 2009-11-25
JP2010503951A (ja) 2010-02-04
WO2008031379A1 (de) 2008-03-20
US20100040920A1 (en) 2010-02-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008028007A1 (de) Umfassendes Verfahren zum Auslösen von Anodenentlüftungsvorgängen in einem Brennstoffzellensystem
EP3649692B1 (de) Brennstoffzellensystem mit integrierten gasanschlüssen zum anschluss an eine externe prüfgasversorgung
DE10231208A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung eines Brennstoffzellensystems
DE102010005644A1 (de) System und Verfahren zum Beobachten einer Anodenfluidzusammensetzung während eines Brennstoffzellensystem-Starts
DE112008001769T5 (de) Brennstoffzellensystem und Steuereinheit für das Brennstoffzellensystem
DE102008027752A1 (de) Verfahren für Brennstoffzellen-Inbetriebnahme mit gleichmäßiger Wasserstoffströmung
DE112005002361T5 (de) Gerät zur Erfassung eines elektrischen Verlusts und Verfahren zur Erfassung eines elektrischen Verlusts für eine Brennstoffzelle
DE112008001378T5 (de) System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene und Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene
EP3340357A1 (de) Verfahren zu einer prüfung und/oder einer kalibration zumindest eines gaskon-zentrationssensors eines brennstoffzellensystems
DE102006043037A1 (de) Verfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Reformers in einem Brennstoffzellensystem
AT523373B1 (de) Sensorvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem
DE102011009017A1 (de) Optimierte Kathodenfüllstrategie für Brennstoffzellen
EP2164124A1 (de) Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellensystemen
DE102006029451B4 (de) Verfahren, Vorrichtung und System zur Bestimmung des Lambdawertes von Reformat
DE102006042995A1 (de) Verfahren zur Ermittlung eines Anodenumsatzgrads in einem Brennstoffzellensystem
DE102020112820A1 (de) Verfahren zum vorhersagen einer lebensdauer einer membranelektroden- anordnung einer brennstoffzelle zur elektrischen energieerzeugung
DE102021200451A1 (de) Verfahren zur Kalibrierung und/oder Adaption eines in einem Kathodenzuluftpfad eines Brennstoffzellensystems angeordneten Luftmassenstromsensors, Steuergerät
AT523952B1 (de) Verfahren zur Regelung eines Spülventils eines Anodenabschnittes von zumindest einem Brennstoffzellenstapel eines PEM-Brennstoffzellensystems
EP3679618B1 (de) Verfahren zum betreiben einer brennstoffzellenvorrichtung
DE102018210197A1 (de) Verfahren zum Erkennen des Abschlusses eines Durchlaufs einer Wasserstoff/Luft-Front durch einen Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensystem
EP2424021A2 (de) Brennstoffzellenanlage
DE102021206204B4 (de) Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
EP2426766B1 (de) Festoxid-Brennstoffzellen-System sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen
DE102022203481A1 (de) Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem
DE102021203538A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20130403