DE102014200569A1 - Brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder Gasgemisch betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit (12), einem Rezirkulationskreis (14), welcher zu einer Rückführung eines Abgases der Brennstoffzelleneinheit (12) zu einer Vermischung mit dem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder Gasgemisch vorgesehen ist, und einer Messeinheit (16), welche dazu vorgesehen ist, einen Durchfluss innerhalb des zumindest einen Rezirkulationskreises (14) zu ermitteln.
Es wird vorgeschlagen, dass die die Messeinheit (16) wenigstens dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand zumindest einen Mengenanteil wenigstens einer Komponente des Abgases an zumindest einem Messpunkt (18) innerhalb des Rezirkulationskreises (14) zur Ermittlung des Durchflusses zu erfassen.

Description

  • Stand der Technik
  • Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung bekannt, welche dazu vorgesehen ist, mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder Gasgemisch betrieben zu werden, und welche eine Brennstoffzelleneinheit, einen Rezirkulationskreis zur Rückführung eines Abgases der Brennstoffzelleneinheit zur Vermischung mit dem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder Gasgemisch und eine Messeinheit aufweist, welche dazu vorgesehen ist, einen Durchfluss innerhalb des zumindest einen Rezirkulationskreises zu ermitteln.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder Gasgemisch betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit, einem Rezirkulationskreis, welcher zu einer Rückführung eines Abgases der Brennstoffzelleneinheit zu einer Vermischung mit dem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder Gasgemisch vorgesehen ist, und einer Messeinheit, welche dazu vorgesehen ist, einen Durchfluss innerhalb des zumindest einen Rezirkulationskreises zu ermitteln.
  • Es wird vorgeschlagen, dass die Messeinheit wenigstens dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand zumindest einen Mengenanteil wenigstens einer Komponente des Abgases an zumindest einem Messpunkt innerhalb des Rezirkulationskreises zur Ermittlung des Durchflusses zu erfassen.
  • Unter einer „Brennstoffzellenvorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Vorrichtung zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung insbesondere elektrischer und/oder thermischer Energie unter Verwendung zumindest einer Brennstoffzelleneinheit verstanden werden. Unter einer „Brennstoffzelleneinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Brennstoffzelle verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Die zumindest eine Brennstoffzelle kann insbesondere als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet sein. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit eine Vielzahl von Brennstoffzellen, welche insbesondere in einem Brennstoffzellenstack angeordnet sind. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Das kohlenwasserstoffhaltige Gas oder Gasgemisch ist dabei vorzugsweise ein Naturgas oder ein Naturgasgemisch, insbesondere ein Erdgas, welches zumindest ein Alkan, insbesondere Methan, Ethan, Propan und/oder Butan, umfasst. Ferner kann das kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder Gasgemisch weitere Bestandteile aufweisen, wie insbesondere Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und/oder Sauerstoff. Unter einem „Rezirkulationskreis“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Fluidverbindung verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, ein Abgas der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere ein Anodenabgas, einer Mischstelle zuzuführen, an welcher das Abgas mit dem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder Gasgemisch vermischt wird. Insbesondere ist die Mischung des Abgases und des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs dazu vorgesehen, der Brennstoffzelleneinheit eingangsseitig zugeführt zu werden. Insbesondere ist die Mischung dazu vorgesehen, zumindest einer Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit insbesondere anodenseitig zugeführt zu werden. Unter einer „Messeinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Sensoreinheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, insbesondere physikalische und/oder chemische Eigenschaften und/oder die stoffliche Beschaffenheit ihrer Umgebung qualitativ und/oder als Messgröße quantitativ zu erfassen. Insbesondere weist die Messeinheit eine Auswerteeinheit auf, welche dazu vorgesehen ist, von der zumindest einen Sensoreinheit erfasste Messwerte zu speichern und/oder weiterzuverarbeiten. Unter einer „Auswerteeinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und vorzugsweise mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Unter einem „Durchfluss“ soll insbesondere ein Volumenstrom und/oder ein Massenstrom und/oder ein Teilchenstrom verstanden werden. Unter einem „Mengenanteil einer Komponente eines Stoffgemischs“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Volumenanteil und/oder ein Massenanteil und/oder ein Stoffmengenanteil, insbesondere ein Molenbruch, einer insbesondere chemischen Komponente in dem jeweiligen Stoffgemisch verstanden werden. Insbesondere lässt der zumindest eine Mengenanteil wenigstens einer Komponente des Abgases einen direkten und/oder indirekten Rückschluss auf einen Durchfluss, insbesondere auf einen Durchfluss innerhalb des Rezirkulationskreises, zu. Insbesondere erfolgt eine Erfassung des zumindest einen Mengenanteils der wenigstens einen Komponente des Abgases an einem Messpunkt zumindest im Wesentlichen unmittelbar an einem Fluidausgang, insbesondere einem Anodenausgang, der Brennstoffzelleneinheit.
  • Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer Ermittlung eines Durchflusses in einem Rezirkulationskreis bereitgestellt werden. Insbesondere kann durch die Ermittlung des Durchflusses über zumindest einen Mengenanteil wenigstens einer Komponente des Abgases auf eine direkte Erfassung des Durchflusses verzichtet werden, wodurch insbesondere ein Sensorikaufwand vorteilhaft reduziert und/oder eine Messgenauigkeit vorteilhaft erhöht werden kann.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Messeinheit wenigstens dazu vorgesehen ist, an zumindest einem weiteren Messpunkt innerhalb des Rezirkulationskreises zumindest einen Mengenanteil wenigstens einer Komponente einer Mischung des Abgases und des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs zur Ermittlung des Durchflusses zu erfassen, wodurch die Ermittlung des Durchflusses vorteilhaft weiter verbessert werden kann. Insbesondere liegt der zumindest eine weitere Messpunkt zwischen einer Mischstelle, an welcher das Abgas mit dem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder Gasgemisch vermischt wird, und einem Eingang der Brennstoffzelleneinheit.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Messeinheit zumindest einen Feuchtesensor umfasst, welcher dazu vorgesehen ist, an dem zumindest einen Messpunkt einen Wassergehalt des Abgases zu bestimmen. Unter einem „Feuchtesensor“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Sensor verstanden werden, welcher dazu vorgesehen ist, einen Wassergehalt in einem insbesondere gasförmigen Medium zu bestimmen. Insbesondere ist der zumindest eine Feuchtesensor dazu vorgesehen, den Wassergehalt des Abgases indirekt, insbesondere über eine Erfassung einer relativen Feuchtigkeit und einer Temperatur, zu bestimmen. Insbesondere kann der zumindest eine Feuchtesensor als ein kapazitiver Sensor ausgebildet sein. Hierdurch kann auf vorteilhaft einfache und/oder zuverlässige Weise vorteilhaft exakt ein Mengenanteil einer Komponente des Abgases erfasst werden.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die Messeinheit zumindest einen weiteren Feuchtesensor umfasst, welcher dazu vorgesehen ist, an dem zumindest einen weiteren Messpunkt einen Wassergehalt der Mischung zu bestimmen. Insbesondere ist der zumindest eine weitere Feuchtesensor dazu vorgesehen, den Wassergehalt der Mischung indirekt, insbesondere über eine Erfassung einer relativen Feuchtigkeit und einer Temperatur, zu bestimmen. Insbesondere kann der zumindest eine weitere Feuchtesensor als ein kapazitiver Sensor ausgebildet sein. Hierdurch kann auf vorteilhaft einfache und/oder zuverlässige Weise vorteilhaft exakt ein Mengenanteil einer Komponente der Mischung erfasst werden.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Messeinheit wenigstens dazu vorgesehen ist, anhand zumindest eines bekannten Mengenanteils wenigstens einer Komponente des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs, eines bekannten Zuflusses des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs, des zumindest einen erfassten Mengenanteils der wenigstens einen Komponente des Abgases und des zumindest einen erfassten Mengenanteils der wenigstens einen Komponente der Mischung den Durchfluss zu ermitteln. Insbesondere kann der Mengenanteil wenigstens einer Komponente des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs und/oder der Zufluss des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs aufgrund von Messungen und/oder aufgrund von eingestellten und/oder fest vorgegebenen Parametern bekannt sein. Insbesondere ist, bei einem bekannten Mengenanteil wenigstens einer Komponente des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs und bei einem bekannten Zufluss des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs, anhand des erfassten Mengenanteils der wenigstens einen Komponente des Abgases und des erfassten Mengenanteils der wenigstens einen Komponente der Mischung der Durchfluss, insbesondere durch die Messeinheit, berechenbar. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Mengenanteil wenigstens einer Komponente des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs, dem Mengenanteil wenigstens einer Komponente des Abgases und dem Mengenanteil wenigstens einer Komponente der Mischung jeweils um einen Wassergehalt. Hierdurch kann auf einfache und/oder exakte Weise anhand bekannter und/oder ermittelter Mengenanteile der Durchfluss bestimmt und insbesondere berechnet werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Messeinheit wenigstens dazu vorgesehen ist, anhand des zumindest einen erfassten Mengenanteils der wenigstens einen Komponente des Abgases zumindest eine Temperatur zumindest eines Teils der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere einer Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit, zu ermitteln. Insbesondere ist die zumindest eine Temperatur anhand eines Wassergehalts des Abgases ermittelbar und/oder berechenbar. Hierdurch kann auf einfache Weise insbesondere eine Gleichgewichtstemperatur zumindest einer Brennstoffzelle und/oder eines Brennstoffzellenstacks der Brennstoffzelleneinheit ermittelt werden, insbesondere zusätzlich zur Ermittlung des Durchflusses, vorzugsweise ohne zusätzliche Sensorik.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzelleneinheit eine Reformereinheit umfasst, welche zu einer Erzeugung zumindest eines Synthesegases zumindest unter Verwendung des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs, insbesondere unter Verwendung der Mischung des Abgases und des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs, und zumindest eines weiteren Reaktanten vorgesehen ist. Unter einer „Reformereinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine chemisch-technische Einheit zu zumindest einer Aufbereitung zumindest eines Kraftstoffs, insbesondere durch eine Dampfreformierung und/oder durch eine partielle Oxidation und/oder durch eine autotherme Reformierung, insbesondere zur Gewinnung zumindest eines Synthesegases, verstanden werden. Unter einem „Reaktanten“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein chemischer Stoff und/oder ein chemisches Stoffgemisch verstanden werden, welcher und/oder welches insbesondere zu einer Verwendung bei einer chemischen Reaktion, insbesondere zur Gewinnung des zumindest einen Synthesegases, vorgesehen ist. Unter einem „Synthesegas“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein brenngashaltiges Gasgemisch verstanden werden, welches insbesondere zu einer Verwendung in einem Syntheseprozess, insbesondere innerhalb zumindest einer Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit, vorgesehen ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem zumindest einen Synthesegas um ein wasserstoffhaltiges und/oder kohlenstoffmonoxidhaltiges Gasgemisch.
  • Insbesondere ist das zumindest eine Synthesegas zur Synthese von Wasser und/oder Kohlenstoffdioxid innerhalb der zumindest einen Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit vorgesehen. Hierdurch kann ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas oder Gasgemisch vorteilhaft vollständig in ein Synthesegas überführt werden.
  • Ferner wird ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen, mit einer Brennstoffzelleneinheit und einem Rezirkulationskreis, wobei ein Durchfluss innerhalb des zumindest einen Rezirkulationskreises ermittelt wird und zur Ermittlung des Durchflusses in zumindest einem Betriebszustand zumindest ein Mengenanteil wenigstens einer Komponente des Abgases an zumindest einer Messstelle innerhalb des Rezirkulationskreises erfasst wird. Hierdurch kann vorteilhaft einfach und/oder zuverlässig ein Durchfluss in einem Rezirkulationskreis einer Brennstoffzellenvorrichtung erfasst werden.
  • Zeichnung
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung, mit einer Brennstoffzelleneinheit, einem Rezirkulationskreis, und einer Messeinheit zur Ermittlung eines Durchfluss innerhalb des zumindest einen Rezirkulationskreises und
  • 2 ein Diagramm, welches einen Zusammenhang zwischen einem Wassergehalt des Abgases und einer Brennstoffzellentemperatur zeigt.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 mit einer Brennstoffzelleneinheit 12. Die Brennstoffzelleneinheit 12 weist zumindest eine Brennstoffzelle 28 zu einer Erzeugung elektrischer Energie auf. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, dass die Brennstoffzelleneinheit eine Vielzahl an Brennstoffzellen aufweist, die ein Brennstoffzellenstack bilden. Die Brennstoffzelle 28 ist als Festoxid-Brennstoffzelle ausgeführt. Die Brennstoffzelle 28 weist eine Anode 30 und eine Kathode 32 auf. Zwischen der Anode 30 und der Kathode 32 ist ein Elektrolyt 34 angeordnet. Die Anode 30 ist von der Kathode 32 durch den Elektrolyten 34 getrennt.
  • Der Kathode 32 der Brennstoffzelle 28 ist über eine Zuleitung 36 ein Oxidationsgas, insbesondere Luft oder Sauerstoff, zuführbar. Das Oxidationsgas wird über ein nicht dargestelltes Ventil eingeleitet und mittels eines Verdichters 40 komprimiert.
  • Zur Erzeugung elektrischer Energie bzw. einer elektrischen Spannung 42 ist es ferner notwendig, der Brennstoffzelle 28 an der Anode 30 ein Brenngas, insbesondere Wasserstoff und/oder bei Verwendung einer Festoxid-Brennstoffzelle auch Kohlenstoffmonoxid, zuzuführen. Zur Erzeugung eines brenngashaltigen Synthesegases ist der Brennstoffzelleneinheit 12 die Reformereinheit 26 vorgeschaltet. Die Reformereinheit 26 ist mit der Anode 30 der Brennstoffzelle 28 verbunden.
  • Zur Erzeugung des brenngashaltigen Synthesegases wird der Reformereinheit 26 eine Mischung aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder Gasgemisch, vorzugsweise Erdgas, und einem weiteren Reaktanten, insbesondere Wasserdampf, zugeführt, welche durch eine Reformierung, hier durch eine Dampfreformierung, in das brenngashaltige Synthesegas überführt wird. Das kohlenwasserstoffhaltige Gas oder Gasgemisch wird der Brennstoffzellenvorrichtung 10 über ein Ventil 44 zugeführt, zunächst durch eine Entschwefelungseinheit 46 geleitet und im Anschluss durch einen Verdichter 48 komprimiert. Dem Erdgas wird als weiterer Reaktant Wasser, insbesondere in Form von Wasserdampf, beigemischt. Dazu weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 einen Rezirkulationskreis 14 auf. Der Rezirkulationskreis 14 ist dazu vorgesehen, ein wasserdampfhaltiges Abgas, insbesondere ein Anodenabgas der Brennstoffzelle 28, zumindest teilweise zur Vermischung mit dem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder Gasgemisch zurückzuführen. Dadurch kann Wasserdampf aus einem Reaktionsvorgang in der Brennstoffzelle 28 zur Reformierung des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs verwendet werden. Ferner kann ungenutztes Synthesegas in die Brennstoffzelle 28 zurückgeführt werden, was einen Brennstoffnutzungsgrad und somit eine Effizienz der Brennstoffzelle 28 erhöhen kann.
  • Die verschiedenen Alkane des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs werden zusammen mit dem Wasserdampf in die Reformereinheit 26 geleitet und dort reformiert. Eine allgemeine Reaktionsgleichung für die Reformierung lautet:
    Figure DE102014200569A1_0002
  • Der Formel ist zu entnehmen, dass das Gemisch aus Alkanen und Wasserdampf in ein kohlenstoffmonoxid- und wasserstoffhaltiges Synthesegas umgesetzt wird. Weitere mögliche Bestandteile des Erdgases, wie insbesondere Stickstoff, Sauerstoff und/oder Kohlenstoffdioxid, können die Reformereinheit 26 ohne Reaktion passieren.
  • Bei einer Mischung des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs mit dem Abgas ist ein Verhältnis zwischen Sauerstoffatomen und Kohlenstoffatomen innerhalb der Mischung zu beachten. So führt ein niedriges Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis während der Reformierung verstärkt zu einer Rußbildung innerhalb der Reformereinheit 26 und/oder der Brennstoffzelle 28, wodurch die Reformereinheit 26 und/oder die Brennstoffzelle 28 beschädigt werden können. Mit einer stärkeren Beimischung des Abgases steigt das Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis, wodurch eine Rußbildungsneigung reduziert wird. Jedoch ergibt sich hierdurch gleichzeitig ein erhöhter Wassergehalt im Synthesegas, welches der Anode 30 der Brennstoffzelle 28a zugeführt wird. Der folgenden Gleichung ist zu entnehmen, dass eine Steigerung des Wassergehalts zu einer Verringerung der von der Brennstoffzelle 28 erzeugten elektrischen Spannung 42 führt:
    Figure DE102014200569A1_0003
  • Um eine optimale Systemkontrolle zu ermöglichen, ist es daher notwendig, eine Menge des über den Rezirkulationskreis 14 zurückgeführten Abgases zu bestimmen. Dazu weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Messeinheit 16 auf. Die Messeinheit 16 kann wie in der 1 gezeigt Bestandteil einer Steuer- und/oder Regeleinheit 68 sein.
  • Die Messeinheit 16 ist dazu vorgesehen, in einem Betriebszustand einen Mengenanteil einer Komponente des Abgases an einem Messpunkt 18 innerhalb des Rezirkulationskreises 14 zu erfassen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Mengenanteil einer Komponente des Abgases um einen Wassergehalt des Abgases. Die Messeinheit 16 ist also dazu vorgesehen, einen Wassergehalt des Abgases zu erfassen. Hierzu weist die Messeinheit 16 einen Feuchtesensor 22 auf, welcher an dem Messpunkt 18 angeordnet ist, welcher unmittelbar an einem Austrittspunkt des Abgases aus der Brennstoffzelle 28 liegt.
  • Ferner umfasst die Messeinheit 16 einen weiteren Feuchtesensor 24, welcher dazu vorgesehen ist, an einem weiteren Messpunkt 20 einen Wassergehalt der Mischung aus dem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder Gasgemisch und dem Abgas zu bestimmen. Der weitere Messpunkt 20 liegt dazu zwischen einer Mischstelle 50, an welcher eine Mischung des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs mit dem Abgas erfolgt, und der Reformereinheit 26.
  • Bei einem bekannten Wassergehalt des zugeführten kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs kann anhand der durch die Feuchtesensoren 22, 24 erfassten Wassergehalte des Abgases und der Mischung aus dem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder Gasgemisch und dem Abgas ein Durchfluss des Abgases in dem Rezirkulationskreis 14 berechnet werden. Der Wassergehalt des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs kann dabei insbesondere durch einen weiteren Feuchtesensor 52, welcher in einer Zuleitung 54 des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs angeordnet ist, erfasst werden. Eine Berechnung des Durchflusses des Abgases im Rezirkulationskreis 14 bzw. einer Rezirkulationsrate kann dabei wie folgt berechnet werden.
  • Für die Wassergehalte gelten bei den Randbedingungen einer Massenerhaltung, einer Inkompressibilität und bei einem bekannten Wassergehalt des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs:
    Figure DE102014200569A1_0004
  • Dabei beschreibt jeweils den Wassergehalt im jeweiligen Medium, wobei der Index KG das geführte kohlenwasserstoffhaltige Gas oder Gasgemisch, der Index AG das Abgas und der Index MG die Mischung von kohlenwasserstoffhaltigem Gas oder Gasgemisch und dem Abgas kennzeichnet.
  • Ferner gilt für die Rezirkulationsrate:
    Figure DE102014200569A1_0005
  • Dabei gibt s das Verhältnis das Verhältnis der Abgasmenge zu der Menge an zugeführtem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder Gasgemisch an und ist bestimmt durch die Gaszusammensetzung des verwendeten kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs.
  • Dabei beschreibt ei den stöchiometrischen Koeffizienten des Edukts i, pi den stöchiometrischen Koeffizient des Produkts i und In die inerten Gasbestandteile. Es gilt somit:
    Figure DE102014200569A1_0006
  • Bei einer vollständigen Reformierung ergibt sich:
    Figure DE102014200569A1_0007
  • Bei einer Verwendung von Methan gilt beispielsweise s = 3, wodurch sich für die Rezirkulationsrate ergibt:
    Figure DE102014200569A1_0008
  • Die Rezirkulationsrate ist somit bei einer Kenntnis der jeweiligen Wassergehalte vollständig bestimmbar.
  • Ferner ist die Messeinheit 16 dazu vorgesehen, anhand des erfassten Wassergehalts des Abgases eine Gleichgewichtstemperatur der Brennstoffzelle 28 zu ermitteln. Ein Wassergehalt des Abgases lässt sich bei einem bekannten Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis am Anodenausgang der Brennstoffzelle 28 analytisch berechnen, wobei das Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis am Anodenausgang bei einem Brennstoffnutzungsgrad zwischen 70% und 87% ca. 2,8 bis 3,5 beträgt. Umgekehrt lässt sich die Gleichgewichtstemperatur in der Brennstoffzelle 28 in Abhängigkeit von dem Wassergehalt des Abgases darstellen.
  • Die 2 zeigt grafisch die Abhängigkeit der Gleichgewichtstemperatur der Brennstoffzelle 28 von dem Wassergehalt des Abgases in einem kartesischen Koordinatensystem. Auf einer horizontalen Achse 56 ist dabei der Wassergehalt in Prozentwerten aufgetragen, während auf einer vertikalen Achse 58 die Gleichgewichtstemperatur der Brennstoffzelle 28 in °C aufgetragen ist. In das Koordinatensystem sind sechs Graphen 60 eingezeichnet, welche jeweils für ein bestimmtes Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis einen Verlauf der Gleichgewichtstemperatur in Abhängigkeit von dem Wassergehalt des Abgases zeigen. Die Graphen 60 beschreiben in Schritten von 0,1 von links nach rechts aufsteigend die Abhängigkeit für Sauerstoff-Kohlenstoffverhältnisse von 2,8 bis 3,3.
  • Die über den Wassergehalt des Abgases ermittelte Gleichgewichtstemperatur kann als Stellgröße für den Verdichter 40 verwendet werden, so dass über die Regulierung des Zuflusses von Luft oder Sauerstoff zu der Kathode 32 der Brennstoffzelle 28 eine Regulierung der Temperatur der Brennstoffzelle 28 erfolgen kann.
  • Ferner zeigt die 1 eine der Brennstoffzelleneinheit 12 nachgeschaltete Brennereinheit 62. Die Brennereinheit 62 dient dazu, in einem Anodenabgas der Brennstoffzelleneinheit 12, welches nicht zurückgeführt wird, verbliebene brennbare Stoffe zu verbrennen. Über einen Wärmetauscher 64 kann die dabei erzeugte thermische Energie 66 nutzbar gemacht werden.

Claims (8)

  1. Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder Gasgemisch betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit (12), einem Rezirkulationskreis (14), welcher zu einer Rückführung eines Abgases der Brennstoffzelleneinheit (12) zu einer Vermischung mit dem kohlenwasserstoffhaltigen Gas oder Gasgemisch vorgesehen ist, und einer Messeinheit (16), welche dazu vorgesehen ist, einen Durchfluss innerhalb des zumindest einen Rezirkulationskreises (14) zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (16) wenigstens dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand zumindest einen Mengenanteil wenigstens einer Komponente des Abgases an zumindest einem Messpunkt (18) innerhalb des Rezirkulationskreises (14) zur Ermittlung des Durchflusses zu erfassen.
  2. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Messeinheit (16) wenigstens dazu vorgesehen ist, an zumindest einem weiteren Messpunkt (20) innerhalb des Rezirkulationskreises (14) zumindest einen Mengenanteil wenigstens einer Komponente einer Mischung des Abgases und des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs zur Ermittlung des Durchflusses zu erfassen.
  3. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (16) zumindest einen Feuchtesensor (22) umfasst, welcher dazu vorgesehen ist, an dem zumindest einen Messpunkt (18) einen Wassergehalt des Abgases zu bestimmen.
  4. Brennstoffzellenvorrichtung zumindest nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (16) zumindest einen weiteren Feuchtesensor (24) umfasst, welcher dazu vorgesehen ist, an dem zumindest einen weiteren Messpunkt (20) einen Wassergehalt der Mischung zu bestimmen.
  5. Brennstoffzellenvorrichtung zumindest nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (16) wenigstens dazu vorgesehen ist, anhand zumindest eines bekannten Mengenanteils wenigstens einer Komponente des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs, eines bekannten Zuflusses des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs, des zumindest einen erfassten Mengenanteils der wenigstens einen Komponente des Abgases und des zumindest einen erfassten Mengenanteils der wenigstens einen Komponente der Mischung den Durchfluss zu ermitteln.
  6. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (16) wenigstens dazu vorgesehen ist, anhand des zumindest einen erfassten Mengenanteils der wenigstens einen Komponente des Abgases zumindest eine Temperatur zumindest eines Teils der Brennstoffzelleneinheit (12) zu ermitteln.
  7. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (12) eine Reformereinheit (26) umfasst, welche zu einer Erzeugung zumindest eines Synthesegases zumindest unter Verwendung des kohlenwasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemischs und zumindest eines weiteren Reaktanten vorgesehen ist.
  8. Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Brennstoffzelleneinheit (12) und einem Rezirkulationskreis (14), wobei ein Durchfluss innerhalb des zumindest einen Rezirkulationskreises (14) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Durchflusses in zumindest einem Betriebszustand zumindest ein Mengenanteil wenigstens einer Komponente des Abgases an zumindest einem Messpunkt (18) innerhalb des Rezirkulationskreises (14) erfasst wird.
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