DE102012023438B4 - Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem für die Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem für die Durchführung des Verfahrens Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1), das einen Brennstoffzellenstack (6) mit mindestens einer Brennstoffzelle, einen Reformer (5) und eine Nachbrennzone (7) aufweist, wobei Luft, Gas und Wasser einer Hotbox (2) des Brennstoffzellensystems zugeführt werden, wobei eine Luftmenge, eine Gasmenge und eine Wassermenge zur Erreichung einer bestimmten elektrischen Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems (1) zunächst auf Grundlage eines Brennstoffnutzungsgrads und eines molaren Dampf-Kohlenstoffverhältnisses basierend auf den Eigenschaften eines scheinbar verwendeten Gases eingestellt werden, wobei mindestens eine Temperatur in der Hotbox (2) erfasst wird und bei einer Temperaturabweichung die zugeführte Gasmenge und/oder die zugeführte Luftmenge angepasst wird, wobei über die Gasmenge eine Temperatur in der Nachbrennzone (7), im Abgas nach der Nachbrennzone (7), im Reformer (5) und/oder im Abgas nach dem Reformer (5) geregelt wird, und/oder über die Luftmenge eine Temperatur im Brennstoffzellenstack (6), in Zu- oder Ablaufleitungen des Brennstoffzellenstacks (6) und/oder in einem Luftvorwärmer (8) geregelt wird, wobei im Abgas nach der Nachbrennzone und/oder nach dem Reformer ein Sauerstoffgehalt bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung eines verwendeten Gases der gemessene Sauerstoffgehalt mit einem für Gase mit jeweils unterschiedlichen Gaszusammensetzungen berechneten Sauerstoffgehalt verglichen wird, wobei das Gas, für das eine Differenz zwischen einem berechneten Sauerstoffgehalt und einem gemessenen Sauerstoffgehalt am kleinsten ist, als verwendetes Gas definiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Aus DE 10 2008 004 291 A1 ist eine Brennstoffzellenanlage sowie eine dafür geeignete Steuerungsvorrichtung und ein dafür verwendbares Betriebsverfahren bekannt, wobei in einem Anfahrbetriebsmodus dem Reformer zunächst kein Brennstoff zugeführt und der Brenner durch Verbrennen eines extern zugeführten Brennstoffs temperatursteigernd betrieben wird, bis eine Systemtemperatur einen gewünschten ersten Sollwert erreicht hat. In einer zweiten, sich daran anschließenden Anfahrphase wird zur weiteren Erwärmung dem Reformer Einsatzstoff zugeführt und das so erzeugte Reformatgas unter Umgehung des Brennstoffzellenstacks dem Brenner zugeleitet. Wenn die Systemtemperatur eine entsprechend hohe Temperatur erreicht hat, wird die Anlage dann im Normalbetriebsmodus weiter betrieben.
  • In US 2005/0123812 A1 ist ein Brennstoffzellensystem beschrieben, wobei ein Wasserstoffgehalt im Abgas des Reformers überwacht wird und überschüssiger Wasserstoff dazu verwendet wird, den Reformer auch bei geringeren Lastanforderungen und dementsprechend verringerter Brennstoffzufuhr warm zu halten.
  • US 7,181,329 B2 zeigt ein Brennstoffzellensystem und ein entsprechendes Verfahren, wobei eine Temperatur in einer Nachbrennzone des Brennstoffzellensystems überwacht wird und durch entsprechende Zuführung von Wasser in die Nachbrennzone eine Überhitzung verhindert wird.
  • Wegen ihres Potenzials zur Senkung des CO2-Ausstoßes für die Bereitstellung von Strom und Wärme spielen Brennstoffzellensysteme oder allgemein Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen eine zunehmend wichtige Rolle im Energiemarkt. Dabei sind Brennstoffzellensysteme mit keramischen Brennstoffzellen (SOFC), die bei hohen Temperaturen von ca. 650°C bis 1000°C betrieben werden, auf Grund ihres hohen elektrischen Wirkungsgrades besonders interessant.
  • Brennstoffzellensysteme werden mit Kohlenwasserstoffen betrieben, die üblicherweise gasförmig zugeführt werden. Bei dem Gas handelt es sich in der Regel um Erdgas, das in einem Reformer des Brennstoffzellensystems in ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt wird. In den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstacks reagieren der Wasserstoff und das Kohlenmonoxid dann mit Sauerstoff einer ebenfalls zugeführten Luftmenge zu Wasserdampf und Kohlendioxid. Dabei wird elektrische Energie und Wärme gewonnen.
  • Als „Hotbox” wird dabei auch im deutschen Sprachgebrauch eine Zusammenfassung der heißen Komponenten des Brennstoffzellensystems bezeichnet.
  • Im Reformer wird für eine Dampfreformierung, die für einen hohen Wirkungsgrad erforderlich ist, Wasser benötigt, das zumindest teilweise durch Kondensation aus dem Abgas erhalten wird. Die insgesamt benötigte Wassermenge ist dabei abhängig vom Kohlenstoffgehalt des zugeführten Gases, wobei ein molares Dampf-Kohlenstoffverhältnis festgelegt werden kann.
  • Die zugeführte Gasmenge, also die Menge an Brennstoff, und die zugeführte Luftmenge, also die Menge an zugeführter Luft mit einem bestimmten Sauerstoffanteil, ist abhängig von der geforderten elektrischen Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems und der Zusammensetzung des Gases. Die zugeführte Wassermenge, die der Summe aus dem als Kondensat aus dem Abgas erhaltenen Wasser und einem eventuell zusätzlich zugeführtem Frischwasser entspricht, ergibt sich dann aus der Gasmenge und dem vorgegebenen Dampf-Kohlenstoffverhältnis.
  • Das Brennstoffzellensystem wird üblicherweise derartig betrieben, dass eine konstante Ausgangsleistung, beispielsweise ein konstanter elektrischer Strom, bereitgestellt wird. Bei Kenntnis der Zusammensetzung des zugeführten Gases lässt sich für einen vorgegebenen vom Brennstoffzellenstack abgegebenen Strom über eine Steuerung die zugeführte Gasmenge und die zugeführten Luftmenge so regeln, dass der Brennstoffzellenstack in einem Betriebspunkt betrieben wird, der ein optimales Gleichgewicht zwischen Wirkungsgrad und Lebensdauer darstellt.
  • Problematisch ist dabei, dass sich die üblicherweise verwendeten Erdgase hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzungen unterscheiden. Die Qualität bzw. Zusammensetzung des Gases hängt dabei von den Gasquellen ab. In Europa kommt das Gas beispielsweise aus Russland, Holland oder der Nordsee. Am selben Verbrauchsort können zu unterschiedlichen Zeiten Gase aus unterschiedlichen Quellen bereitgestellt werden. Diese Gase unterscheiden sich unter anderem durch ihren Anteil von Methan, Ethan, Propan und Stickstoff. Dementsprechend besitzen die Gase auch unterschiedliche Heizwerte, so dass von der Gaszusammensetzung abhängige Gasmengen zur Erzeugung einer gewünschten Ausgangsleistung zugeführt werden müssen.
  • Nur durch Kenntnis der Zusammensetzung des zugeführten Gases und insbesondere dessen Brennwerts, dessen Wobbe-Index und dessen Kohlenstoff-Anteils lässt sich für eine vom Brennstoffzellensystem abgegebene Leistung über die Steuerung die benötigte Gasmenge und die benötigte Luftmenge genau regeln.
  • Die Gasmenge, die dem Brennstoffzellensystem zur Erreichung einer bestimmten elektrischen Ausgangsleistung zugeführt wird, wird daher über einen Brennstoffnutzungsgrad berechnet, der als Verhältnis der stöchiometrischen Menge an Gas zur tatsächlichen Menge an zugeführtem Gas definiert ist. Für die üblicherweise verwendeten Gase bzw. Gaszusammensetzungen ist ein entsprechender Brennstoffnutzungsgrad als Parameter im Brennstoffzellensystem hinterlegt. Dabei muss der Brennstoffnutzungsgrad kleiner als ein maximaler Brennstoffnutzungsgrad sein, das Gas also zumindest einen minimalen Heizwert besitzen.
  • Das Dampf-Kohlenstoffverhältnis ist definiert als molares Verhältnis zwischen der Menge an zugeführtem Wasser zur Menge an Kohlenstoffatomen, die mit dem Gas zugeführt werden. Das Wasser wird einem Behälter entnommen, der Kondensat sammelt und ggf. mit frischem Wasser versorgt wird. Das Dampf-Kohlenstoffverhältnis darf einen Minimalwert nicht unterschreiten, um eine Verkokung und Ablagerung von Kohlenstoffen im Brennstoffzellensystem, insbesondere im Reformer oder im Brennstoffzellenstack zu verhindern. Dementsprechend muss gewährleistet sein, dass immer eine ausreichende Wassermenge zugeführt wird.
  • Für einen sicheren Betrieb des Brennstoffzellensystems ist es weiterhin erforderlich, dass ein Verhältnis λ zwischen der Sauerstoffzufuhr in die Verbrennungszone und dem stöchiometrischen Bedarf an Sauerstoff, der hier für eine vollständige Verbrennung erforderlich ist, innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt, um eine unvollständige bzw. unsaubere Verbrennung und die Erzeugung von Rückständen zu vermeiden.
  • Der Brennstoffnutzungsgrad, das molare Dampf-Kohlenstoffverhältnis und die λ-Werte hängen von der Zusammensetzung und den Eigenschaften des zugeführten Gases ab. Beispielsweise sind der Brennstoffnutzungsgrad und der λ-Wert von der Anzahl freigesetzter Elektronen abhängig, wobei sich das Dampf-Kohlenstoffverhältnis nach dem Kohlenstoffgehalt des Gases richtet. Die Anzahl der freigesetzen Elektronen ist definiert als die Anzahl der Elektronen, die pro Mol des Gases in der elektrochemischen Reaktion auf Anoden der Brennstoffzellen frei werden. Für eine effektive Regelung des Brennstoffzellensystems ist also eine genaue Kenntnis der Zusammensetzung des zugeführten Gases erforderlich. Wenn sich nun die Gaszusammensetzung ändert, ohne dass diese Änderung vom System erfasst wird, erfolgt der weitere Betrieb des Brennstoffzellensystems unter Zugrundelegung unpassender Werte für den Brennstoffnutzungsgrad, für das molare Dampf-Kohlenstoffverhältnis und den Sauerstoffgehalt λ. Auch dann, wenn die zu Grunde gelegten Brennstoffnutzungsgrade, das Dampf-Kohlenstoffverhältnis und die λ-Werte in einem zulässigen Bereich liegen, in dem die Funktion gewährleistet ist, wird das Brennstoffzellensystem nicht im optimalen Betriebspunkt arbeiten. Dies führt beispielsweise zu einem erhöhten Gasverbrauch und damit zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades oder zu einer verstärkten Degradation des Systems.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen sicheren und dauerhaft stabilen Betrieb des Brennstoffzellensystems auch bei wechselnden Gaszusammensetzungen zu gewährleisten.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Temperatur im Brennstoffzellensystem erfasst wird und bei einer Temperaturabweichung die zugeführte Luftmenge und/oder die zugeführte Brennstoffmenge angepasst wird.
  • Der Betrieb des Brennstoffzellensystems erfolgt also nicht nur auf Grundlage des Brennstoffnutzungsgrades, des molaren Dampf-Kohlenstoffverhältnisses und des λ-Wertes, die auf Grundlage des wahrscheinlich verwendeten Gases ausgewählt worden sind, sondern berücksichtigt darüber hinaus noch mindestens eine Temperatur im Brennstoffzellensystem. So lässt beispielsweise eine Temperaturabweichung von erwarteten Temperaturen bzw. eine Temperaturänderung auf eine Veränderung der Gaszusammensetzung schließen. Eine Änderung der zugeführten Gasmenge wirkt sich besonders stark auf die Temperatur in der Nachbrennzone aus. Die Reaktion im Stack wird davon weniger stark beeinflusst. Eine Änderung der Luftmenge beeinflusst die Temperaturen im Gesamtsystem in etwa gleichartig. Durch geschickte Kombination beider Effekte können die Temperaturen an verschiedenen Stellen im Brennstoffzellensystem angepasst werden. Bei einem Absinken der Temperatur im Brennstoffzellenstack kann beispielsweise die zugeführte Luftmenge verringert werden, was zu einer Erhöhung der Temperatur im Brennstoffzellenstack führen würde. Bei einer zu hohen Temperatur in der Nachbrennzone kann dagegen beispielsweise die zugeführte Gasmenge verringert werden, so dass sich die Temperatur in der Nachbrennzone verringert. Durch eine derartige Regelung wird erreicht, dass auch bei einer Änderung einer Gaszusammensetzung, also bei nicht mehr korrekten Werten für den Brennstoffnutzungsgrad, das Dampf-Kohlenstoffverhältnis und für λ, eine optimale Energieumsetzung im Brennstoffzellensystem erfolgt, so dass ein hoher Wirkungsgrad und eine niedrige Degradation beibehalten werden. Dabei ist besonders bevorzugt, dass über die Gasmenge eine Temperatur in der
  • Nachbrennzone, im Abgas nach der Nachbrennzone, im Reformer und/oder im Abgas nach dem Reformer geregelt wird. Die Temperatur in der Nachbrennzone wird also möglichst konstant gehalten, wofür die Gasmenge entsprechend eingestellt wird.
  • Die Temperatur im Brennstoffzellenstack und/oder im Zu- oder Ablaufleitungen des Brennstoffzellenstacks kann dabei vorteilhafter Weise über die Luftmenge geregelt werden. Es können also zwei Regelungen erfolgen, wobei im Brennstoffzellenstack die Temperaturregelung über die Einstellung der zugeführten Luftmenge zu Erreichung eines hohen Wirkungsgrades bevorzugt wird. Gegebenenfalls muss anschließend eine Anpassung der zugeführten Gasmenge erfolgen, um eine ungewollte Temperaturänderung in anderen Teilen des Brennstoffzellensystems, beispielsweise in der Nachbrennzone, auszugleichen.
  • Vorzugsweise wird aus der über die Temperaturregelung eingestellten Gasmenge ein scheinbarer Brennstoffnutzungsgrad berechnet, der mit dem in der Regelung hinterlegten Sollwert für den Brennstoffnutzungsgrad verglichen wird. Dabei wird dem Brennstoffzellensystem eine Wassermenge in Abhängigkeit vom scheinbaren Brennstoffnutzungsgrad zugeführt. Der scheinbare Brennstoffnutzungsgrad weicht vom tatsächlichen Brennstoffnutzungsgrad ab, wenn ein Gas mit einer anderen Zusammensetzung verwendet wird, als zunächst angenommen, da für die Berechnung des scheinbaren Brennstoffnutzungsgrads die zunächst angenommenen Eigenschaften des Gases verwendet werden, die von den tatsächlichen abweichen.
  • Wenn der scheinbare Brennstoffnutzungsgrad kleiner als der Sollwert für den Brennstoffnutzungsgrad ist, wird die Wassermenge bzw. das Dampf-Kohlenstoffverhältnis reduziert. Wenn dann der scheinbare Brennstoffnutzungsgrad größer als der Sollwert für den Brennstoffnutzungsgrad ist, wird die Wassermenge bzw. das Dampf-Kohlenstoffverhältnis erhöht. Dadurch wird eine höhere Regelgüte erzielt. Durch die zusätzliche Wassermenge wird sichergestellt, dass keine Verkokung und Kohlenstoffablagerung im Reformer bzw. im Brennstoffzellenstack auftritt.
  • Beispiel: Es wird für ein Gas A eine über den Brennstoffnutzungsgrad eine Brennstoffmenge m1 berechnet. Es wird nun Gas B zugeführt. Bleibt die Brennstoffmenge m1 konstant, sinkt die Temperatur z. B. im Brenner ab. Daraus kann geschlossen werden, dass das Gas B mehr inerte Anteile (z. B. Stickstoff) enthält als das Gas A. Die Temperaturregelung stellt die Temperatur z. B. im Brenner wieder auf den Sollwert ein, indem eine Brennstoffmenge m2 > m1 zugeführt wird. Da das Dampf-Kohlenstoff-Verhältnis fest eingestellt ist, wird auch die Wassermenge erhöht. Da die inerten Bestandteile des Gases nicht reformiert werden, ist diese Erhöhung der Wassermenge nicht nötig, das tatsächliche Dampf-Kohlenstoffverhältnis steigt. Die beschriebene Regelung erkennt die Steigerung der Brennstoffmenge von m1 auf m2 (der scheinbare Brennstoffnutzungsgrad sinkt) und senkt die Wassermenge und damit das scheinbare Dampf-Kohlenstoffverhältnis wieder ab. Damit wird das tatsächliche Dampf-Kohlenstoffverhältnis annähernd konstant gehalten.
  • Erfindungsgemäß wird im Abgas nach der Nachbrennzone und/oder nach dem Reformer ein Sauerstoffgehalt insbesondere mit einer Lambda-Sonde gemessen. Der gemessene Wert des Sauerstoffgehalts wird dann mit einem theoretischen, berechneten Wert verglichen. Dadurch ist es möglich, Rückschlüsse auf die Gaszusammensetzung bzw. auf das verwendete Gas zu ziehen. Wenn der gemessene Wert stark von dem berechneten Wert abweicht, wird ein Gas mit einer anderen Zusammensetzung verwendet als angenommen.
  • Die Lambda-Sonde kann dafür an einer Stelle im Abgas platziert sein, an der das Abgas eine Temperatur aufweist, die einer Betriebstemperatur der Lambda-Sonde entspricht. Eine zusätzliche Temperierung der Lambda-Sonde ist dann nicht erforderlich. Damit ergibt sich ein relativ einfacher Aufbau.
  • Zur Bestimmung eines verwendeten Gases mit einer bestimmten Gaszusammensetzung wird der gemessene Sauerstoffgehalt mit einem für jeweils unterschiedliche Gase berechneten Sauerstoffgehalt verglichen. Das Gas mit der Gaszusammensetzung, für das eine Differenz zwischen dem berechnetem Sauerstoffgehalt und dem gemessenem Sauerstoffgehalt am kleinsten ist, wird dann als verwendetes Gas definiert. Der gemessene Wert wird also mit theoretischen Werten verglichen. Der Sauerstoffgehalt ψO2,ex,th des Abgases lässt sich dabei theoretisch mit folgender Formel berechnen:
    Figure DE102012023438B4_0002
  • Dabei ist FU der Brennstoffnutzungsgrad und AU ein Luftnutzungsgrad, der als Verhältnis zwischen der stöchiometrischen Menge an Luft, die für die elektrochemische Reaktion benötigt wird, und der tatsächlichen zugeführten Luftmenge definiert ist. ψO2,air ist der Sauerstoffgehalt der Luft, ψN2,fuel ist der Stickstoffgehalt des Gases und ψH2,fuel ist der Wasserstoffgehalt des Gases. S/C ist das molare Dampf-Kohlenstoffverhältnis, ψC ist der Kohlenstoffgehalt des Gases und Ne– die Anzahl freigesetzter Elektronen je Molekül des Gases.
  • Wenn der Fehler zwischen dem gemessenen und dem berechneten Sauerstoffgehalt ψO2,ex,th einen bestimmten Betrag übersteigt, dient dies als Hinweis, dass ein Gas mit einer anderen Gaszusammensetzung zugeführt wird. Damit beginnt das Verfahren zur Bestimmung des verwendeten Gases. Dafür können bereits für alle üblicherweise verwendeten Gase theoretische Werte für den Sauerstoffgehalt des Abgases hinterlegt sein und ein Vergleich dieser Werte mit dem gemessenen Wert des Sauerstoffgehalts erfolgen. Es ist auch möglich, aus hinterlegten Eigenschaften der Gase mit der oben angegebenen Gleichung den jeweiligen theoretischen Sauerstoffgehalt zu berechnen und daraus das Gas zu bestimmen, bei dem der berechnete Sauerstoffgehalt mit dem gemessenen Sauerstoffgehalt des Abgases die höchste Übereinstimmung hat. Dieses Gas wird dann ausgewählt und dessen Kohlenstoffgehalt und dessen Anzahl freigesetzter Elektronen je Molekül und möglicherweise weitere Parameter in der Steuerung des Brennstoffzellensystems verwendet. Beispielsweise können auch Korrekturfaktoren angepasst werden, beispielsweise für einen Gasmengenmesser (ausgebildet z. B. als Massen- oder Volumenstromsensor), dessen Genauigkeit von der Kenntnis der Gaszusammensetzung des verwendeten Gases abhängig ist. Insgesamt wird damit eine höhere Regelgenauigkeit erreicht.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Dieses Brennstoffzellensystem umfasst mindestens einen Brennstoffzellenstack mit mindestens einer Brennstoffzelle, einen Reformer und eine Nachbrennzone, wobei Luft, Gas und gegebenenfalls Wasser dem Brennstoffzellensystem zugeführt werden. Im Brennstoffzellensystem ist mindestens ein Temperatursensor angeordnet, um eine Abweichung der Temperatur im Brennstoffzellenstack oder in seiner Umgebung, des Reformers, der Nachbrennzone oder in Zu- oder Abläufen feststellen zu können. In einer übergeordneten Steuerung des Brennstoffzellensystems erfolgt eine Überwachung der gemessenen Temperaturwerte und gegebenenfalls eine Anpassung der zugeführten Gas- und/oder Luftmenge sowie gegebenenfalls des Kohlenstoffgehalts des Gases und dessen Anzahl freigesetzter Elektronen je Molekül und von Korrekturfaktoren, wobei die Steuerung auf Grundlage des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 arbeitet. Die im Zusammenhang mit den Ansprüchen 1 bis 5 beschriebenen Merkmale und Vorteile treffen also auch für das Brennstoffzellensystem zu.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Hierin zeigen:
  • 1: ein Brennstoffzellensystem nach dem Stand der Technik als Fließbild,
  • 2: ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform,
  • 3: ein Flussdiagramm einer zweiten Ausführungsform,
  • 4: einen Programmablauf und
  • 5a bis 5c: Diagramme mit Betriebsparametern für Gase mit unterschiedlichen Gaszusammensetzungen.
  • In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 als Fließbild dargestellt, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die heißen Komponenten sind in einer Hotbox 2 zusammengefasst. Das Brennstoffzellensystem 1 wird mit Kohlenwasserstoffen, üblicherweise Erdgas, betrieben. Das Gas wird über eine Brennstoffleitung 3 der Hotbox 2 zugeführt, in einem Verdampfer 4 erwärmt und in einem Reformer zu einem Gemisch mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt. Vom Reformer gelangt das Gas in einen Brennstoffzellenstack 6 und wird dort in Brennstoffzellen unter Zugabe von Luft bzw. Sauerstoff in Wasser und Kohlendioxid umgewandelt. Überschüssiges Gas wird mit überschüssiger Luft anschließend in einer Nachbrennzone 7 verbrannt, wobei die heißen Abgase der Nachbrennzone 7 genutzt werden, um Wasser für die Reformierung im Verdampfer 4 zu verdampfen und den Reformer 5 mit der für die endotherme Reaktion erforderlichen Wärme zu versorgen. Die Abgase nach dem Reformer 5 dienen zur Vorwärmung der zugeführten Luft in einem Luftvorwärmer 8. Anschließend wird den Abgasen über einen weiteren Wärmetauscher 9 weitere Wärmeenergie entzogen und der in den Abgasen enthaltene Wasserdampf kondensiert. Das dadurch erhaltene Wasser wird gegebenenfalls unter Zugabe von frischem, deionisiertem Wasser dem Brennstoffzellensystem 2 in einer abgestimmten Wassermenge über eine Wasserzuleitung 10 zugeführt.
  • Die Luft wird in der gewünschten Luftmenge über eine Luftzuleitung 11 zur Hotbox 2 geleitet.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 erzeugt elektrische Leistung und Wärme, die einer weiteren Verwendung zugeführt werden. Auf Grund des hohen elektrischen Wirkungsgrades werden dabei üblicherweise keramische Zellen im Brennstoffzellenstack des Brennstoffzellensystems 2 verwendet.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 wird üblicherweise derartig betrieben, dass eine konstante Ausgangsleistung, beispielsweise ein konstanter Strom, bereitgestellt wird. Durch Kenntnis der Zusammensetzung des zugeführten Gases und insbesondere des Brennstoffnutzungsgrades und des Dampf-Kohlenstoffverhältnisses lässt sich über die Steuerung die erforderliche Gasmenge und die erforderliche Luftmenge sowie gegebenenfalls die erforderliche Wassermenge für eine vom Brennstoffzellensystem abgegebene Leistung relativ genau regeln. Die zugeführten Gase unterscheiden sich aber beispielsweise durch die Anzahl freigesetzter Elektronen und ihren Kohlenstoffgehalt. Daher ändert sich der tatsächliche Brennstoffnutzungsgrad und das tatsächliche Dampf-Kohlenstoffverhältnis mit dem verwendeten Gas, wenn das System sein Regelverhalten nicht dem Gas anpasst. Wenn sich nun die Gaszusammensetzung ändert, ohne dass diese Änderung vom System erfasst wird, wird das Brennstoffzellensystem auch dann, wenn die angenommenen (scheinbaren) Brennstoffnutzungsgrade, das angenommene (scheinbare) Dampf-Kohlenstoffverhältnis und die angenommenen (scheinbaren) λ-Werte in der Nachbrennzone in dem gewünschten Bereich liegen, nicht im optimalen Betriebspunkt arbeiten.
  • In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird daher vorgeschlagen, mindestens eine Temperatur im Brennstoffzellensystem zu überwachen und bei einer Abweichung der Temperatur von üblichen Werten die zugeführte Luftmenge und/oder die zugeführte Brennstoffmenge anzupassen.
  • Als Regelgrößen werden dabei beispielsweise nicht nur der erzeugte Strom des Stacks 6 bzw. die Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems 1, sondern auch eine Temperatur 12 der Nachbrennzone 7 und eine Temperatur 13 des Brennstoffzellenstacks verwendet. Der erzeugte Strom dient zur Berechnung einer stöchiometrischen Menge an Gas. Die Temperatur 12 der Nachbrennzone wird einem Summierglied zugeführt, wobei über einen PI-Regler die zugeführte Gasmenge derartig gesteuert wird, dass die Temperaturabweichung von einer Solltemperatur minimiert wird. Ein Brennstoffnutzungsgrad, also das Verhältnis der stöchiometrischen Menge zur tatsächlich zugeführten Menge an Gas, muss dabei zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert liegen. Anhand des angepassten, also scheinbaren Brennstoffnutzungsgrades wird dann die entsprechende Gasmenge ermittelt und dem Brennstoffzellensystem 2 zugeführt. Zusätzlich wird anhand des scheinbaren Brennstoffnutzungsgrades und des angenommenen Dampf-Kohlenstoffverhältnisses die Wassermenge berechnet, die dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird. Durch den Regelkreis wird also die Brennstoff- bzw. Gasmenge bei einer Temperaturabweichung in der Nachbrennzone derartig angepasst, dass die Temperatur in der Nachbrennzone konstant gehalten wird.
  • In entsprechender Weise wird die Temperatur 13 des Brennstoffzellenstacks als Regelgröße verwendet, wobei durch Anpassung der Luftmenge diese Temperatur möglichst konstant gehalten wird. Beide Temperaturregelungen können sich dabei überlagern.
  • 3 zeigt eine Erweiterung der Regelschaltung nach 2, wobei zusätzlich ein Lambda-Sensor 14 in einer in 1 dargestellten Abgasleitung 15 des Brennstoffzellensystems 1 angeordnet ist. Über den Lambda-Sensor 14 wird ein Sauerstoffgehalt des Abgases in der Abgasleitung erfasst und auf Grundlage dieses Wertes das verwendete Gas bzw. die Gaszusammensetzung festgestellt. Dafür erfolgt eine theoretische Berechnung des Sauerstoffgehaltes für Gase mit bekannten Zusammensetzungen, wobei das Gas, dessen berechneter Sauerstoffgehalt die geringste Differenz zum gemessenen Sauerstoffgehalt aufweist, als verwendetes Gas gesetzt wird. Dementsprechend werden die Parameter des Gases, wie zum Beispiel der Kohlenstoffgehalt und die Anzahl freigesetzter Elektronen je Molekül, angepasst. Zusätzlich können Korrekturfaktoren z. B. für den Gasmassenstromsensor angeglichen werden, so dass eine genauere Regelung des Brennstoffzellensystems 1 möglich ist.
  • In 4 ist ein Ablaufdiagramm zur Bestimmung des verwendeten Gases auf Grundlage der Messung des Sauerstoffgehaltes des Abgases und theoretisch berechneter Werte für den Sauerstoffgehalt gezeigt.
  • In vorgebbaren Zeitabständen erfolgt eine Messung des Sauerstoffgehalts ψO2,m im Abgas. Gleichzeitig wird der theoretische Sauerstoffgehalt ψO2,th im Abgas für das Gas berechnet, das wahrscheinlich verwendet wird. Anschließend wird eine Abweichung zwischen dem gemessenen Sauerstoffgehalt ψO2,m und dem berechneten Sauerstoffgehalt ψO2,th berechnet. Wenn die Abweichung geringer als ein vorgebbarer Grenzwert ist, wird das Verfahren abgebrochen, anderenfalls erfolgt eine Berechnung der tatsächlichen Werte, insbesondere des Brennstoffnutzungsgrads und des Dampf-Kohlenstoffverhältnisses, die sich bei den gesetzten Regelparameter für jedes Gas in der Datenbank ergeben würden. Daraus wird dann der theoretische Sauerstoffgehalt für alle Gase berechnet und jeweils die Abweichung zum gemessenen Sauerstoffgehalt bestimmt. Das Gas, für das die Differenz zwischen dem berechneten Sauerstoffgehalt und dem gemessenen Sauerstoffgehalt am geringsten ist, wird ausgewählt, und es wird angenommen, dass dieses Gas aktuell verwendet wird. Aus der Datenbank werden dann die entsprechenden Werte, wie zum Beispiel der Kohlenstoffgehalt und die Anzahl freigesetzter Elektronen je Molekül, oder auch Korrekturwerte ausgelesen und bei der Regelung des Brennstoffzellensystems verwendet.
  • In den 5a bis 5c sind die Auswirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf den Brennstoffnutzungsgrad, das Dampf-Kohlenstoffverhältnis und die Luftzahl des Brenners λ in Abhängigkeit vom oberen Wobbe-Index des eingesetzten Gases dargestellt.
  • Der Wobbeindex, der auch als Wobbewert, Wobbekennzahl oder Wobbezahl bezeichnet wird, dient zur Charakterisierung der Qualität von Brenngasen. Der Wobbeindex wird rechnerisch aus dem Quotient des Brennwerts und der Wurzel aus der relativen Dichte ermittelt. Die relative Dichte ist der Quotient aus der Dichte des verwendeten Gases und der Dichte trockener Luft unter gleichen Druck- und Temperaturbedingungen.
  • Mit 16 ist dabei jeweils eine Kennlinie bezeichnet, die einem Betrieb des Brennstoffzellensystems nach dem Stand der Technik entspricht. 17 bezeichnet eine Kennlinie, die den erfindungsgemäßen Betrieb ohne eine Sauerstoffgehaltsmessung und genauen Bestimmung des verwendeten Gases entspricht und 18 bezeichnet eine Kennlinie für einen erfindungsgemäßen Betrieb mit Sauerstoffmessung, Auswählen des verwendeten Gases und Anpassung der Parameter.
  • Es ist zu erkennen, dass bei den erfindungsgemäßen Verfahren immer eine Anpassung des tatsächlichen Brennstoffnutzungsgrads erfolgt, so dass dieser unabhängig vom verwendetem Gas relativ konstant gehalten wird. Das gleiche gilt für die Luftzahl des Brenners λ (5c).
  • Das Dampf-Kohlenstoffverhältnis (5b) wird dabei nur bei zusätzlicher Messung des Sauerstoffgehalts des Abgases und der Bestimmung des tatsächlich verwendeten Gases verbessert.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird also erreicht, dass der Brennstoffnutzungsgrad und die Luftzahl des Brenners innerhalb der vorgegebenen Grenzen liegen und gegebenenfalls auch eine Anpassung des Dampf-Kohlenstoffverhältnisses erfolgt. Dabei kann sogar das verwendete Gas bestimmt werden. Insgesamt ergibt sich damit eine höhere Regelgenauigkeit des Brennstoffzellensystems.
  • Bei der einfachen Ausgestaltung gemäß 2 erfolgt eine Anpassung der Luftmenge und der Gasmenge auf Grundlage der Temperatur in der Nachbrennzone und im Brennstoffzellenstack, wobei gegebenenfalls auch andere Messstellen geeignet sind. Die Wassermenge wird anhand der Brennstoffmenge und des voreingestellten, molaren Dampf-Kohlenstoffverhältnisses bestimmt. Dabei erfolgt keine Identifizierung des verwendeten Gases, so dass der Brennstoffnutzungsgrad, das Dampf-Kohlenstoffverhältnis und die Luftzahl des Brenners nicht auf Grundlager hinterlegter Eigenschaften des Gases aktualisiert werden können. Allerdings ist es durch Anpassung der Gasmenge und der Luftmenge zur Regelung der Temperatur im Brennstoffzellensystem möglich, den tatsächlichen Brennstoffnutzungsgrad und die tatsächliche Luftzahl des Brenners nahe an den Soll-Werten zu halten, auch wenn die scheinbaren Werte in der Steuerung von den Soll-Werten abweichen. Da das Dampf-Kohlenstoffverhältnis von den für das scheinbar verwendete Gas hinterlegten Werten abhängt, erfolgt bei dieser Ausführungsform keine Anpassung.
  • Durch zusätzliche Messung des Sauerstoffgehalts im Abgas, wie es in 3 dargestellt ist, kann das verwendete Gas identifiziert werden und die entsprechenden Gaseigenschaften wie der Kohlenstoffgehalt und die Anzahl freigesetzter Elektronen je Molekül, aktualisiert werden. Dabei können auch Korrekturfaktoren für Messinstrumente, wie beispielsweise ein Gasmengenmesser, angepasst werden.
  • Wenn keine Messung des Sauerstoffgehalts des Abgases durchgeführt wird, kann zur Erhöhung der Sicherheit ein Soll-Wert des Dampf-Kohlenstoffverhältnisses erhöht werden, also eine erhöhte Menge an Wasser zugegeben werden.
  • Es ist auch möglich, das Dampf-Kohlenstoffverhältnis zu ändern, wenn die Werte für den scheinbaren Brennstoffnutzungsgrad und/oder den Luftnutzungsgrad im Stack sich stark verändern. Wenn beispielsweise ein Gas zugeführt wird, das einen geringeren Brennwert hat als das scheinbar verwendete Gas, wird eine Temperatur im Brennstoffzellensystem absinken. Dementsprechend wird eine größere Gasmenge zugeführt und der scheinbare Brennstoffnutzungsgrad dementsprechend verringert, so dass die Temperatur wieder steigt. Es erfolgt also eine Temperaturregelung. Wenn dann der scheinbare Brennstoffnutzungsgrad kleiner als der bis dahin verwendete Brennstoffnutzungsgrad ist, kann die Wassermenge bzw. das Dampf-Kohlenstoffverhältnis verringert werden. Entsprechendes passiert, wenn eine Temperatur im Brennstoffzellensystem zunimmt.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren und das Brennstoffzellensystem zur Anwendung dieses Verfahrens wird eine hohe Regelgenauigkeit erreicht. Insbesondere wird auch bei sich ändernden Gaszusammensetzungen ein gleichbleibend hoher Wirkungsgrad sowie eine hohe Lebensdauer des Systems erhalten. Dabei dienen als Regelgröße nicht nur die von dem Brennstoffzellensystem bereit zu stellende elektrische Leistung bzw. der elektrische Strom, sondern auch eine oder mehrere Temperaturen im Brennstoffzellensystem. Dadurch ist es möglich, auch dann eine gute Regelung und einen hohen Wirkungsgrad bei geringen Emissionen zu erreichen, wenn der Regelung falsche Eigenschaften des Gases zu Grunde liegen. Darüber hinaus ist es durch eine Messung des Sauerstoffgehalts im Abgas möglich, auf die tatsächlich verwendete Gaszusammensetzung zurück zu schließen, in dem ein Wert des gemessenen Sauerstoffgehaltes mit theoretischen Sauerstoffgehalten, die den einzelnen Gasen zugeordnet sind, verglichen wird.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1), das einen Brennstoffzellenstack (6) mit mindestens einer Brennstoffzelle, einen Reformer (5) und eine Nachbrennzone (7) aufweist, wobei Luft, Gas und Wasser einer Hotbox (2) des Brennstoffzellensystems zugeführt werden, wobei eine Luftmenge, eine Gasmenge und eine Wassermenge zur Erreichung einer bestimmten elektrischen Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems (1) zunächst auf Grundlage eines Brennstoffnutzungsgrads und eines molaren Dampf-Kohlenstoffverhältnisses basierend auf den Eigenschaften eines scheinbar verwendeten Gases eingestellt werden, wobei mindestens eine Temperatur in der Hotbox (2) erfasst wird und bei einer Temperaturabweichung die zugeführte Gasmenge und/oder die zugeführte Luftmenge angepasst wird, wobei über die Gasmenge eine Temperatur in der Nachbrennzone (7), im Abgas nach der Nachbrennzone (7), im Reformer (5) und/oder im Abgas nach dem Reformer (5) geregelt wird, und/oder über die Luftmenge eine Temperatur im Brennstoffzellenstack (6), in Zu- oder Ablaufleitungen des Brennstoffzellenstacks (6) und/oder in einem Luftvorwärmer (8) geregelt wird, wobei im Abgas nach der Nachbrennzone und/oder nach dem Reformer ein Sauerstoffgehalt bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung eines verwendeten Gases der gemessene Sauerstoffgehalt mit einem für Gase mit jeweils unterschiedlichen Gaszusammensetzungen berechneten Sauerstoffgehalt verglichen wird, wobei das Gas, für das eine Differenz zwischen einem berechneten Sauerstoffgehalt und einem gemessenen Sauerstoffgehalt am kleinsten ist, als verwendetes Gas definiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der eingestellten Gasmenge und dem eingestellten Strom ein scheinbarer Brennstoffnutzungsgrad ermittelt wird, welcher der Regelung der Brennstoffzelle zu Grunde gelegt wird, wobei eine Wassermenge der Hotbox (2) in Abhängigkeit vom scheinbaren Brennstoffnutzungsgrad und dem molaren Dampf-Kohlenstoffverhältnis zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Erhöhung des scheinbaren Brennstoffnutzungsgrads eine zusätzliche Wassermenge zugeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt im Abgas nach der Nachbrennzone und/oder nach dem Reformer mit einer Lambda-Sonde gemessen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl freigesetzter Elektronen des Gases, ein Kohlenstoffgehalt des Gases, ein Durchflussmengenkorrekturwert und/oder der Brennwert des verwendeten Gases für die Regelung des Brennstoffzellensystems verwendet werden.
  6. Brennstoffzellensystem für die Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das einen Brennstoffzellenstack (6) mit mindestens einer Brennstoffzelle, einen Reformer (5) und eine Nachbrennzone (7) aufweist, wobei Luft, Gas und Wasser dem Brennstoffzellensystem (1), insbesondere der Hotbox (2) zugeführt werden, und im Brennstoffzellensystem (1) und/oder der Hotbox (2) mindestens ein Temperatursensor zur Regelung mindestens einer Temperatur angeordnet ist, wobei im Abgas nach der Nachbrennzone und/oder nach dem Reformer ein Sauerstoffgehalt bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung eines verwendeten Gases der gemessene Sauerstoffgehalt mit einem für Gase mit jeweils unterschiedlichen Gaszusammensetzungen berechneten Sauerstoffgehalt verglichen wird, wobei das Gas, für das eine Differenz zwischen einem berechneten Sauerstoffgehalt und einem gemessenen Sauerstoffgehalt am kleinsten ist, als verwendetes Gas definiert wird.
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