DE102021203499A1

DE102021203499A1 - Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffumsetzungssystems und ein Brennstoffumsetzungssystem

Info

Publication number: DE102021203499A1
Application number: DE102021203499.3A
Authority: DE
Inventors: Felix Schaefer; Thomas Seiler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-04-09
Filing date: 2021-04-09
Publication date: 2022-10-13
Also published as: WO2022214514A3; WO2022214514A2

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffumsetzungssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, wobei in zumindest einem Erfassungsschritt (14) ein Fluidparameter eines zumindest während des Betriebs in dem Brennstoffumsetzungssystem befindlichen Prozessfluids (16) mittels zumindest eines elektrodenbasierten Sensors (18, 20) erfasst wird.Es wird vorgeschlagen, dass in dem Erfassungsschritt (14) zumindest ein elektrischer Betriebsparameter des Sensors (18, 20) variiert wird.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffumsetzungssystems vorgeschlagen worden, bei welchem in zumindest einem Erfassungsschritt ein Fluidparameter eines zumindest während des Betriebs in dem Brennstoffumsetzungssystem befindlichen Prozessfluids mittels zumindest eines elektrodenbasierten Sensors erfasst wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffumsetzungssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, wobei in zumindest einem Erfassungsschritt ein Fluidparameter eines zumindest während des Betriebs in dem Brennstoffumsetzungssystem befindlichen Prozessfluids mittels zumindest eines elektrodenbasierten Sensors erfasst wird.
Es wird vorgeschlagen, dass in dem Erfassungsschritt zumindest ein elektrischer Betriebsparameter des Sensors variiert wird. Das Brennstoffumsetzungssystem handhabt insbesondere zumindest einen Brennstoff, ein sauerstoffhaltiges Fluid und/oder ein Abgas als Prozessfluid. Der Brennstoff umfasst vorzugsweise Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und/oder zumindest einen Kohlenwasserstoff, insbesondere Methan, Ethan, Butan, Propan, Erdgas oder dergleichen, als Energieträger. Der Brennstoff kann optional inerte Bestandteile, insbesondere Stickstoff und/oder Wasser umfassen. Als sauerstoffhaltiges Fluid kann insbesondere reiner Sauerstoff oder ein Sauerstoffgemisch, insbesondere Luft, verwendet werden. Das Abgas ist insbesondere ein Umsetzungsprodukt aus dem Brennstoff und dem sauerstoffhaltigen Fluid. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffumsetzungssystem zumindest eine Umsetzungseinheit zu einem Umsetzen des Brennstoffs und des sauerstoffhaltigen Fluids zu dem Abgas. Die Umsetzungseinheit umfasst vorzugsweise zumindest eine Brennstoffzelle zu einer Umsetzung des Brennstoffs, besonders bevorzugt zumindest eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), alternativ oder zusätzlich zumindest eine alkalische Brennstoffzelle (AFC), eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC), eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) und/oder eine Brennstoffzelle eines anderen Typs. Alternativ ist die Umsetzungseinheit als Verbrennungsmotor, als Heizkessel, als Brenner oder als andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Einheit ausgebildet, welche einen Brennstoff unter Zuführung von Sauerstoff in ein Abgas umwandelt.
Der elektrodenbasierte Sensor umfasst insbesondere zumindest eine Elektrode, welche während des Erfassungsschritts in direktem Kontakt mit dem zu untersuchenden Prozessfluid, insbesondere dem Brennstoff oder dem Abgas, steht. Bevorzugt erfasst der Sensor im Rahmen des Verfahrens einen Fluidparameter des Abgases. Bevorzugt erfasst der Sensor und/oder ein weiterer Sensor des Brennstoffumsetzungssystems im Rahmen des Verfahrens einen Fluidparameter des Brennstoffs. Der Fluidparameter beschreibt oder charakterisiert insbesondere eine chemische Zusammensetzung des untersuchten Prozessfluids. Der Fluidparameter ist beispielsweise als Verbrennungsluftverhältnis oder als, insbesondere relativer, Anteil eines Bestandsteils des Prozessfluids ausgebildet. Der Anteil kann insbesondere als Stoffmenge, als Volumen, als Masse, als zeitliche Ableitung einer der genannten Größen oder dergleichen ausgebildet sein. Besonders bevorzugt wird der Fluidparameter des Abgases unmittelbar stromabwärts der Umsetzungseinheit erfasst. Unter „unmittelbar“ stromabwärts/stromaufwärts eines Referenzpunktes soll insbesondere an einer Stelle des Brennstoffumsetzungssystems verstanden werden, welche mit dem Referenzpunkt eine stromabwärts/stromaufwärts gerichtete Verbindungsstrecke von/zu dem Referenzpunkt aufweist, entlang derer eine Zusammensetzung des Prozessfluids erhalten bleibt.
Alternativ oder zusätzlich wird der Fluidparameter des Abgases in einer Rezirkulationsleitung des Brennstoffumsetzungssystems erfasst. Alternativ oder zusätzlich wird der Fluidparameter des Abgases in einer Abgasleitung stromabwärts einer Abzweigung der Rezirkulationsleitung des Brennstoffumsetzungssystems erfasst. Besonders bevorzugt wird der Fluidparameter des Brennstoffs unmittelbar stromaufwärts der Umsetzungseinheit erfasst. Alternativ wird der Fluidparameter des Brennstoffs stromaufwärts eines Reformers des Brennstoffumsetzungssystems erfasst.
Der elektrische Betriebsparameter des Sensors wird vorzugsweise von einer Steuer- oder Regeleinheit des Sensors oder des Brennstoffumsetzungssystems eingestellt, optional geregelt. Der elektrische Betriebsparameter ist beispielsweise als eine an der Elektrode anliegende elektrische Spannung, als ein durch die Elektrode fließender Strom, als ein elektrischer Widerstand eines die Elektrode umfassenden Stromkreises oder dergleichen ausgebildet. Bevorzugt gibt die Steuer- oder Regeleinheit des Sensors eine Variation des elektrischen Betriebsparameters während des Erfassungsschritts vor. Die Variation des elektrischen Betriebsparameters kann insbesondere einen stetigen oder unstetigen Verlauf aufweisen. Die Variation des elektrischen Betriebsparameters kann insbesondere einen periodischen oder aperiodischen Verlauf aufweisen. Beispielsweise ist ein zeitlicher Verlauf des Betriebsparameters während des Erfassungsschritts sinusförmig, dreieckförmig, sägezahnförmig, rechteckförmig, stufenförmig, insbesondere treppenförmig, trapezförmig, eine Linearkombination der genannten Verlaufsformen oder dergleichen.
Bevorzugt wird ein zeitlicher Verlauf einer Auswirkung der Variation des Betriebsparameters auf ein Sensorsignal des Sensors erfasst. Vorzugsweise wertet eine Auswerteeinheit des Brennstoffumsetzungssystems das Sensorsignal von dem Sensor aus. Insbesondere ermittelt die Auswerteeinheit aus dem Sensorsignal den Fluidparameter. Bevorzugt wertet die Auswerteeinheit den zeitlichen Verlauf des Sensorsignals während einer Variation des Betriebsparameters aus, um in Abhängigkeit von Charakteristika des zeitlichen Verlaufs zumindest einen weiteren Fluidparameter zu bestimmen. Charakteristika des zeitlichen Verlaufs des Sensorsignals betreffen beispielsweise einen Mittelwert, einen asymptotischen Grenzwert, eine Position und/oder einen Wert von Maxima und/oder Wendepunkten, eine Position eines Nulldurchgangs, ein Einschwingverhalten nach und/oder während der Variation, insbesondere eine Einschwingfrequenz, eine Einschwingamplitude und/oder eine Einschwingdauer, eine zeitliche Verzögerung gegenüber der Variation oder dergleichen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens können vorteilhaft viele Fluidparameter zumindest eines der Prozessfluide mit vorteilhaft wenigen Sensoren erfasst werden. Insbesondere können vorteilhaft von den Fluidparametern abhängige Prozessparameter des Brennstoffumsetzungssystems vorteilhaft einfach ermittelt werden. Insbesondere kann das Verfahren vorteilhaft ohne Änderung von einem Arbeitspunkt der Umsetzungseinheit durchgeführt werden. Insbesondere kann das Verfahren vorteilhaft während eines regulären Betriebs der Umsetzungseinheit durchgeführt werden. Insbesondere kann das Verfahren vorteilhaft genutzt werden, um das Brennstoffumsetzungssystem in Abhängigkeit der ermittelten Fluidparameter zu regeln. Insbesondere können Prozessparameter auch bei schwankenden Fluidparametern vorteilhaft konstant gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass zu einem Variieren des Betriebsparameters ein Variationssignal auf einen Grundwert des Betriebsparameters aufgeprägt wird. Der elektrische Betriebsparameter wird insbesondere vor oder während dem Erfassungsschritt auf den Grundwert eingestellt, insbesondere um den Erfassungsschritt zu ermöglichen und/oder um den Sensor auf eine zum Zeitpunkt des Erfassungsschritts vorliegende Betriebsbedingung, beispielsweise durch einen Arbeitspunkt der Umsetzungseinheit vorgegebene Betriebsbedingung, anzupassen. Vorzugsweise ist der Grundwert des elektrischen Betriebsparameters unterschiedlich von einem Wert des Betriebsparameters in einem ausgeschalteten Betriebszustand des Sensors. Alternativ wird der Betriebsparameter in zumindest einem Verfahrensschritt auf einen Grundwert eingestellt, der einem Wert des elektrischen Betriebsparameters in einem ausgeschalteten Betriebszustand des Sensors entspricht, wobei der Sensor den Erfassungsschritt bei diesem Wert ausführt. Der Grundwert kann insbesondere von der Steuer- oder Regeleinheit vorgegeben werden oder von einer sensorinternen Regelung eingestellt werden. Besonders bevorzugt variiert die Steuer- oder Regeleinheit während des Erfassungsschritts den elektrischen Betriebsparameter ausgehend von dem Grundwert. Beispielsweise ist der Grundwert ein Mittelwert oder eine Basislinie eines zeitlichen Verlaufs des variierten elektrischen Betriebsparameters. Ein Aufprägen des Variationssignals kann digital, beispielsweise mittels eines Signalgenerators des Sensors oder des Brennstoffumsetzungssystems, oder analog, beispielsweise mittels eines Richtkopplers des Sensors oder des Brennstoffumsetzungssystems, durchgeführt werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann dem Sensorsignal vorteilhaft der auf dem Grundwert basierende Fluidparameter und zusätzlich ein auf dem Variationssignal basierender weiterer Fluidparameter entnommen werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass ein Variieren des elektrischen Betriebsparameters im Rahmen einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie des Sensors durchgeführt wird. Insbesondere wird der Betriebsparameter variiert, um eine Impedanz des Sensors zu ermitteln. Vorzugsweise variiert die Steuer- oder Regeleinheit den elektrischen Betriebsparameter derart, dass dieser eine sinusförmige Schwingung in dem Erfassungsschritt ausführt, insbesondere bei einer konstanten Schwingungsfrequenz. Vorzugsweise wird der Erfassungsschritt bei einer Vielzahl an unterschiedlichen Schwingungsfrequenzen des Betriebsparameters, beispielsweise in einem Bereich von zumindest 10 Hz, bevorzugt von zumindest 1 Hz, besonders bevorzugt von zumindest 0,1 Hz, bis zumindest zu 1 kHz, bevorzugt bis zumindest zu 10 kHz, besonders bevorzugt bis zumindest zu 100 kHz, wiederholt durchgeführt. Vorzugsweise wird die Impedanzspektroskopie ausgehend von der höchsten verwendeten Schwingungsfrequenz hin zur kleinsten verwendeten Schwingungsfrequenz durchgeführt und/oder in der umgekehrten Reihenfolge. Alternativ, insbesondere um Zeit zu sparen, kann auf eine Durchführung des Erfassungsschritts bei den relativ höheren Schwingungsfrequenzen auch verzichtet werden. Optional kann die Impedanzspektroskopie abgebrochen werden, wenn ein Realteil des Sensors zumindest im Wesentlichen einem ohmschen Verlust des Sensors entspricht. Unter „im Wesentlichen entsprechen“ soll insbesondere bis auf einen Faktor 2, bevorzugt einen Faktor 1,5, besonders bevorzugt einen Faktor 1,1, verstanden werden. Insbesondere ermittelt die Auswerteeinheit die Impedanz des Sensors in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz des Betriebsparameters. Vorzugsweise erstellt die Auswerteeinheit eine Kennlinie der Impedanz als Funktion der Schwingungsfrequenz, beispielsweise als Nyquist-Diagramm, alternativ als Bode-Diagramm oder einen anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Graph zur Darstellung komplexwertiger Funktionen. Die Kennlinie kann von der Auswerteeinheit insbesondere als Regressionsfunktion oder als Wertetabelle erstellt werden. Vorzugsweise vergleicht die Auswerteeinheit die erstellte Kennlinie mit in einem Speicher der Auswerteeinheit hinterlegten Referenzkennlinien, um den Fluidparameter und/oder den weiteren Fluidparameter zu ermitteln. Insbesondere sind die Referenzkennlinien zusammen mit einer bekannten Zusammensetzung des Prozessgases verknüpft in dem Speicher der Auswerteeinheit hinterlegt. Besonders bevorzugt ist in dem Speicher der Auswerteeinheit ein Ersatzschaltbild des Sensors hinterlegt oder die Auswerteeinheit erstellt ein Ersatzschaltbild des Sensors, um verschiedene Abschnitte der Kennlinie mit Prozessen innerhalb des Sensors während des Erfassungsschritts in Verbindung zu setzen. Beispielsweise kann zwischen ohmschen Verlusten, Verlusten an einer als Anode genutzten Elektrode des Sensors, Verlusten an einer als Kathode genutzten Elektrode des Sensors und/oder Transportverlusten anhand der Kennlinie unterschieden werden. Vorzugsweise ermittelt die Auswerteeinheit zumindest einen Prozessparameter des Brennstoffumsetzungssystems, in dem sie eine bekannte Beziehung zwischen zumindest einem Abschnitt der erstellten Kennlinie und dem Prozessparameter auswertet. Beispielsweise sind in der Auswerteeinheit ein bekannter kausaler Zusammenhang und/oder eine im Vorfeld ermittelte Korrelation zwischen dem Prozessparameter und einem Werteverlauf zumindest eines Abschnitts der Kennlinie hinterlegt. Beispiele für Prozessparameter umfassen ein Sauerstoff-Kohlenstoffverhältnis, eine zu einer Reaktion verfügbare Elektronenzahl, eine Brennstoffnutzung, eine Rezirkulationsrate und/oder einen Brennwert des untersuchten Prozessfluids bzw. des Brennstoffumsetzungssystems. Die Auswerteeinheit ermittelt die Brennstoffnutzung und/oder die Rezirkulationsrate insbesondere durch einen Vergleich von Messungen stromaufwärts und stromabwärts der Umsetzungseinheit. Optional werden die im Rahmen der Impedanzspektroskopie aufgenommenen Sensorsignale des Sensors zusätzlich mittels distribution of relaxation times (DRT)-Analyse ausgewertet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Brenngasverarmung, eine Verkokung und/oder eine Zusammensetzung des Prozessfluids ermittelt werden. Insbesondere kann auf eine, insbesondere zu hohe, Brennstoffnutzung und ein zu niedriges Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis rückgeschlossen werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass ein Variieren des elektrischen Betriebsparameters im Rahmen einer Schwingungsanalyse des Sensors durchgeführt wird. Insbesondere wird der Betriebsparameter variiert, um ein elektrisches Schwingungsverhalten des Sensors zu ermitteln. Vorzugsweise variiert die Steuer- oder Regeleinheit den elektrischen Betriebsparameter derart, dass dieser eine sinusförmige Schwingung in dem Erfassungsschritt ausführt, insbesondere bei einer konstanten Schwingungsfrequenz. Vorzugsweise wird der Erfassungsschritt bei zumindest einer Schwingungsfrequenz des Betriebsparameters durchgeführt. Optional wird der Erfassungsschritt bei mehreren verschiedenen Schwingungsfrequenzen des Betriebsparameters durchgeführt. Optional ermittelt die Auswerteeinheit zumindest einen Punkt, optional mehrere Punkte und/oder einen Abschnitt, einer Strom-Spannungskennlinie des Sensors. Bevorzugt führt die Auswerteeinheit eine Fouriertransformation des Sensorsignals aus. Insbesondere ermittelt die Auswerteeinheit eine Oberschwingung der Variation des Betriebsparameters in dem Sensorsignal. Insbesondere ermittelt die Auswerteeinheit in Abhängigkeit von der Amplitude der Oberschwingung den Fluidparameter, den weiteren Fluidparameter und/oder zumindest einen der Prozessparameter. Besonders bevorzugt wertet die Auswerteeinheit das Sensorsignal mittels einer Total Harmonic Distortion (THD)-Analyse aus. Besonders bevorzugt sind in dem Speicher der Auswerteeinheit Schwingungsfrequenzen zu einem Variieren des Betriebsparameters hinterlegt, bei welchen der Sensor, insbesondere die Strom-Spannungskennlinie des Sensors, ein charakteristisches Verhalten aufweist, das mit einem Wert des Fluidparameters den weiteren Fluidparameter und/oder zumindest einen der Prozessparameter korreliert. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können die Fluidparameter und/oder zumindest einer der Prozessparameter vorteilhaft schnell ermittelt werden. Insbesondere ist das Verfahren vorteilhaft auch während einer Betriebspunktänderung des Brennstoffumsetzungssystems einsetzbar.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der elektrische Betriebsparameter des Sensors in zumindest einem Verfahrensschritt sprunghaft variiert wird. Insbesondere ändert die Steuer- oder Regeleinheit einen Wert des Betriebsparameters während des Erfassungsschritts sprunghaft von einem Startwert auf einen Endwert des Betriebsparameters. Eine Variation des Betriebsparameters ist insbesondere sprunghaft, wenn eine Übergangszeit zwischen dem Startwert und dem Endwert des Betriebsparameters kleiner, insbesondere zumindest fünfmal kleiner, bevorzugt zehnmal kleiner ist als eine Reaktionszeit des Sensors und/oder des Brennstoffumsetzungssystems auf die Variation des Betriebsparameters. Der Endwert kann kleiner oder größer als der Startwert sein. Der Startwert oder der Endwert ist beispielsweise gleich dem Grundwert, gleich demjenigen Wert, den der Betriebsparameter in einem ausgeschalteten Zustand des Sensors annimmt, insbesondere ein Nullwert, oder ein beliebiger anderer Wert. Insbesondere wertet die Auswerteeinheit eine Reaktion des Sensorsignals auf die sprunghafte Variation aus, um den Fluidparameter, den weiteren Fluidparameter und/oder zumindest einen der Prozessparameter zu ermitteln. Besonders bevorzugt wird der die Elektrode umfassende Stromkreis unterbrochen oder geschlossen und eine, insbesondere zeitabhängige, Spannungsänderung an der Elektrode überwacht. Insbesondere ermittelt die Auswerteeinheit anhand der zeitabhängigen Spannungsänderung den Fluidparameter, den weiteren Fluidparameter und/oder zumindest einen der Prozessparameter. Vorzugsweise vergleicht die Auswerteeinheit die zeitabhängige Spannungsänderung mit einem Spannungsverlauf eines Ersatzschaltbildes und/oder Referenzmessungen, um den Fluidparameter, den weiteren Fluidparameter und/oder zumindest einen der Prozessparameter zu ermitteln. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können vorteilhaft Rückschlüsse auf Reaktionsprozesse und/oder Massentransportprozesse innerhalb des Sensors geschlossen werden, welche insbesondere abhängig von der Konzentration der Bestandteile des Prozessfluids sind.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt der elektrische Betriebsparameter des Sensors in zumindest einem Verfahrensschritt derart variiert wird, dass ein Werteverlauf des Betriebsparameters stetig ist. Insbesondere ändert die Steuer- oder Regeleinheit den Betriebsparameter während des Erfassungsschritts zumindest abschnittsweise linear. Vorzugsweise sind Abschnitte des Betriebsparameters mit einem linearen zeitlichen Verlauf zusammenhängend. Besonders bevorzugt veranlasst die Steuer- oder Regeleinheit den Betriebsparameter zu einem dreieckförmigen, alternativ zu einem trapezförmigen, Verlauf. Bevorzugt ist eine Flankensteilheit einer aufsteigenden Flanke und einer absteigenden Flanke des Betriebsparameters gleich groß. Alternativ ist die Flankensteilheit der aufsteigenden und absteigenden Flanken unterschiedlich. Vorzugsweise durchläuft der Betriebsparameter in dem Erfassungsschritt zumindest einmal die aufsteigende und/oder zumindest einmal die absteigende Flanke. Optional weist der Betriebsparameter einen periodischen Verlauf auf. Vorzugsweise wird der Erfassungsschritt für verschiedene Werte der Flankensteilheit wiederholt ausgeführt. Insbesondere ermittelt die Auswerteeinheit eine Strom-Spannungskennlinie, insbesondere ein Cyclovoltammogramm, des Sensors. Insbesondere wertet die Auswerteeinheit Charakteristika, insbesondere Position, Höhe und/oder Form von Extremwerten, der Strom-Spannungskennlinie aus, um den Fluidparameter, den weiteren Fluidparameter oder zumindest einen der Prozessparameter zu ermitteln. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können vorteilhaft Rückschlüsse auf Diffusionsrate und/oder Reaktionsrate in dem Sensor gezogen werden, welche insbesondere abhängig von der Konzentration der Bestandteile des Prozessfluids sind.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass während eines Variierens des Betriebsparameters zumindest zwei verschiedene Grundwerte des Betriebsparameters vorgegeben werden. Insbesondere gibt die Steuer- oder Regeleinheit die zumindest zwei verschiedenen Grundwerte vor. Vorzugsweise sind in dem Speicher der Auswerteeinheit Referenzmessungen mit dem Sensor bei den verschiedenen Grundwerten hinterlegt. Insbesondere wiederholt die Steuer- oder Regeleinheit den Erfassungsschritt und ein Variieren des Betriebsparameters, insbesondere mittels eines der oben beschriebenen Verfahren, wobei bei zumindest zwei Durchführungen des Erfassungsschritts die Steuer- oder Regeleinheit jeweils einen anderen der verschiedenen Grundwerte verwendet. Insbesondere ermittelt die Auswerteeinheit den Fluidparameter, den weiteren Fluidparameter und/oder den Prozessparameter durch einen Vergleich der Sensorsignale bei den verschiedenen Grundwerten mit den Referenzmessungen. Insbesondere verwendet die Steuer- oder Regeleinheit zumindest so viele, insbesondere genauso viele, Grundwerte wie die Anzahl an unterschiedlichen Bestandteilen in dem untersuchten Prozessfluid vorhanden sind. Insbesondere löst die Auswerteeinheit ein auf den Grundwerten, den Referenzmessungen und dem variierten Betriebsparameter basierendes Gleichungssystem, um die Konzentration der Fluidparameter in dem Prozessfluid zu ermitteln. Alternativ oder zusätzlich zu den verschiedenen Grundwerten stellt die Steuer- oder Regeleinheit einen nicht-elektrischen Betriebsparameter des Sensors auf zumindest zwei verschiedene Werte, bei welchen der Erfassungsschritt jeweils ausgeführt wird. Der nicht-elektrische Betriebsparameter ist beispielsweise eine Temperatur des Sensors und/oder ein Druck in einem Messbereich des Sensors. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Betriebspunktänderung des Brennstoffumsetzungssystems simuliert werden. Insbesondere können auch während eines stationären Betriebspunkts des Brennstoffumsetzungssystems unterschiedliche Kennlinien, Impedanzspektren und/oder Werteverläufe aufgenommen werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Bestandteil des Prozessfluids mittels eines Variierens des Betriebsparameters überwacht wird, um einen Prozessparameter, insbesondere indirekt, zu regeln. Beispielsweise wird in zumindest einer Ausgestaltung des Verfahrens die Brennstoffnutzung indirekt geregelt. Insbesondere wird bei einer indirekten Regelung der Anteil des Wasserstoffs in dem Abgas mittels eines Variierens des Betriebsparameters ermittelt. Vorzugsweise ist die Steuer- oder Regeleinheit dazu vorgesehen, den Anteil des Wasserstoffs in dem Abgas auf einen vorgegebenen Wasserstoffsollwert zu regeln und/oder zumindest oberhalb eines Wasserstoffschwellwerts zu halten. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann das Brennstoffumsetzungssystem vorteilhaft einfach geregelt werden. Insbesondere kann das Brennstoffumsetzungssystem mit vorteilhaft wenigen Sensoren geregelt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt Sensorsignale des Sensors in Abhängigkeit des variierten Betriebsparameters mittels eines maschinellen Lernprozesses ausgewertet werden. Vorzugsweise ist der maschinelle Lernprozess zu einer Korrektur der mit der Auswerteeinheit ermittelten Fluidparameter und/oder Prozessparameter vorgesehen. Der maschinelle Lernprozess wird insbesondere mittels Trainingsdaten trainiert, welche die Fluidparameter und/oder Prozessparameter umfassen, die mit der Auswerteeinheit und dem Sensor ermittelt wurden, sowie Fluidparameter und/oder Prozessparameter des Brennstoffumsetzungssystems, welche mit einem herstellerseitigen, insbesondere präziserem, Sensorsystem ermittelt wurden. Bevorzugt verarbeitet der maschinelle Lernprozess den Betriebsparameter des Sensors und weitere Betriebsparameter des Sensors, beispielsweise des nicht-elektrischen Betriebsparameters. Optional verarbeitet der maschinelle Lernprozess zusätzliche Betriebsparameter des Brennstoffumsetzungssystems, insbesondere eine Temperatur einer Komponente des Brennstoffumsetzungssystems und/oder eines der Prozessfluide, einen Druck eines der Prozessfluide, einen Volumenstrom eines der Prozessfluide oder dergleichen. Insbesondere ermittelt der maschinelle Lernprozess einen Sensorfehler des Sensors. Beispielsweise verwendet der maschinelle Lernprozess ein neuronales Netzwerk, multivariante lineare Regression und/oder einen Gauß-Prozess, um den Sensorfehler zu ermitteln und insbesondere den mit der Auswerteeinheit ermittelten Fluidparameter und/oder Prozessparameter zu korrigieren. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der Fluidparameter und/oder der Prozessparameter vorteilhaft präzise ermittelt werden.
Darüber hinaus wird ein Brennstoffumsetzungssystem, insbesondere ein Brennstoffzellensystem, mit zumindest einem elektrodenbasierten Sensor und mit zumindest einer Steuer- oder Regeleinheit zu einer Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Das Brennstoffumsetzungssystem umfasst vorzugsweise die Umsetzungseinheit. Das Brennstoffumsetzungssystem umfasst insbesondere eine an der Umsetzungseinheit angeschlossene Brennstoffleitung, insbesondere zu einer Zuführung des Brennstoffs zu der Umsetzungseinheit. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffumsetzungssystem zumindest eine an der Umsetzungseinheit angeschlossene Sauerstoffleitung, insbesondere zu einer Zuführung des sauerstoffhaltigen Fluids zu der Umsetzungseinheit. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffumsetzungssystem zumindest eine an der Umsetzungseinheit angeschlossene Abgasleitung, insbesondere zu einer Abfuhr des Abgases von der Umsetzungseinheit. Optional umfasst das Brennstoffumsetzungssystem zumindest eine Rezirkulationsleitung, welche die Abgasleitung und die Brennstoffleitung miteinander fluidtechnisch verbindet, insbesondere zu einer Rückführung und Einspeisung eines Teils des Abgases in den Brennstoff. Optional umfasst das Brennstoffumsetzungssystem zumindest einen Fluidförderer, insbesondere einen Ventilator, einen Kompressor oder eine Pumpe, zu einer Förderung des Brennstoffs, des sauerstoffhaltigen Fluids oder des Abgases durch die entsprechende Leitung. Optional umfasst das Brennstoffumsetzungssystem einen stromabwärts der Umsetzungseinheit angeordneten Nachbrenner, insbesondere zu einer thermischen Verwertung noch oxidierbarer Bestandteile, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid, des Abgases. Optional umfasst das Brennstoffumsetzungssystem den stromaufwärts der Umsetzungseinheit angeordneten Reformer, insbesondere zu einer Umwandlung des Brennstoffs von einer, insbesondere komplexeren, Transportform zu einer, insbesondere leichter oxidierbaren, Umsetzungsform.
Es wäre auch denkbar, dass die Umsetzungseinheit alternativ als Verbrennungsmotor, als Heizkessel, als Brenner oder als andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Einheit, welche einen Brennstoff unter Zuführung von Sauerstoff in Abgas umwandelt, ausgebildet ist. Vorteilhaft weist das Brennstoffumsetzungssystem eine Peripheriegerätevorrichtung auf. Die Peripheriegerätevorrichtung umfasst insbesondere sämtliche Elemente und Einheiten, welche zu einem Betrieb der Umsetzungseinheit erforderlich sind und/oder einen Betrieb der Umsetzungseinheit in zumindest dem Betriebszustand unterstützen. Beispielsweise könnte die Peripheriegerätevorrichtung die Sauerstoffleitung, die Brennstoffleitung, den Reformer und/oder die Rezirkulationsleitung aufweisen. Zusätzlich kann die Peripheriegerätevorrichtung beispielsweise die Fluidförderelemente zur Förderung des Brennstoffs, des sauerstoffhaltigen Fluids und/oder des Abgases, weitere Reformereinheiten und/oder Wärmeübertrager oder dergleichen aufweisen.
Der elektrodenbasierte Sensor umfasst insbesondere die bereits genannte Elektrode, zumindest eine weitere Elektrode und ein Elektrolyt, welches zwischen der Elektrode und der weiteren Elektrode angeordnet ist. Der Sensor ist vorzugsweise als Breitbandlambdasonde, als Sprunglambdasonde oder als Brennstoffzelleneinheit mit zumindest einer Brennstoffzelle ausgebildet. In zumindest einer Ausgestaltung umfassen die Umsetzungseinheit und der Sensor zumindest je eine Brennstoffzelle des gleichen Typs, insbesondere gleicher Bauart. Der Sensor ist vorzugsweise in der Abgasleitung angeordnet, insbesondere stromaufwärts einer Abzweigung der Rezirkulationsleitung von der Abgasleitung. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Brennstoffumsetzungssystem zumindest einen weiteren Sensor, der in der Brennstoffleitung angeordnet ist, insbesondere stromabwärts des Reformers. Der weitere Sensor und der Sensor können baugleich oder unterschiedlich ausgebildet sein. Vorzugsweise umfasst der Sensor ein elektrisches Heizelement, zu einem Einstellen der Temperatur des Sensors. Vorzugsweise umfasst der Sensor den, insbesondere den nur einen, Messbereich. Alternativ umfasst der Sensor mehrere Messbereiche, insbesondere zu einer zeitgleichen Durchführung zweier Erfassungsschritte.
Unter einer „Steuer- oder Regeleinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einem Speicher sowie mit einem in dem Speicher gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Das Brennstoffumsetzungssystem umfasst insbesondere die Auswerteeinheit. Unter einer „Auswerteeinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit einem Informationseingang, einer Informationsverarbeitung und einer Informationsausgabe verstanden werden. Vorteilhaft weist die Auswerteeinheit zumindest einen Prozessor, einen Speicher, Ein- und Ausgabemittel, weitere elektrische Bauteile, ein Betriebsprogramm, Regelroutinen, Steuerroutinen und/oder Berechnungsroutinen auf. Optional sind die Bauteile der Auswerteeinheit und der Steuer- oder Regeleinheit auf einer gemeinsamen Platine angeordnet und/oder vorteilhaft in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann insbesondere ein Brennstoffumsetzungssystem zur Verfügung gestellt werden, das mit vorteilhaft wenigen und insbesondere kostengünstigen Sensoren betrieben werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffumsetzungssystem sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffumsetzungssystem zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen 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 eines erfindungsgemäßen Brennstoffumsetzungssystems,
2 eine schematische Darstellung eines Sensors des erfindungsgemäßen Brennstoffumsetzungssystems,
3 ein schematisches Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 eine schematische Darstellung eines Impedanzspektrums im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
5a schematische Impedanzspektren bei verschiedenen Zusammensetzungen eines Prozessfluids,
5b schematische Impedanzspektren bei einer anderen elektrischen Stromdichte als in 5a,
6 eine schematische Strom-Spannungskennlinie im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
7a einen schematischen sprunghaften Verlauf des Betriebsparameters im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
7b einen schematischen Verlauf eines Sensorsignals in Abhängigkeit von dem sprunghaften Verlauf des Betriebsparameters der 7a und
8 ein schematisches Cyclovoltammogramm im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt ein Brennstoffumsetzungssystem 12. Das Brennstoffumsetzungssystem 12 ist beispielhaft als Brennstoffzellensystem ausgebildet. Insbesondere umfasst das Brennstoffumsetzungssystem 12 zumindest eine Umsetzungseinheit 34, welche insbesondere zu einer Umsetzung eines Brennstoffs vorgesehen ist.
Die Umsetzungseinheit 34 ist hier funktional als einzelne Brennstoffzelle dargestellt. Bevorzugt umfasst die Umsetzungseinheit 34 eine Vielzahl an Brennstoffzellen, welche insbesondere in einem oder mehreren Brennstoffzellenstacks gruppiert angeordnet sind. Insbesondere umfasst die Umsetzungseinheit 34 zumindest eine Brennstoffelektrode 36, zumindest eine Sauerstoffelektrode 38 und zumindest einen Elektrolyten 40, der zwischen der Brennstoffelektrode 36 und der Sauerstoffelektrode 38 angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffumsetzungssystem 12 zumindest eine Umsetzungsstelleinheit 28. Die Umsetzungsstelleinheit 28 ist insbesondere dazu vorgesehen, einen mit der Umsetzung des Brennstoffs verbundenen elektrischen Umsetzungsstrom oder Umsetzungsspannung einzustellen oder zu regeln. Das Brennstoffumsetzungssystem 12 umfasst insbesondere eine Brennstoffleitung 42, welche an der Umsetzungseinheit 34, insbesondere der Brennstoffelektrode 36, fluidtechnisch angeschlossen ist. Das Brennstoffumsetzungssystem 12 umfasst insbesondere eine Sauerstoffleitung 44, welche an der Umsetzungseinheit 34, insbesondere der Sauerstoffelektrode 38, fluidtechnisch angeschlossen ist. Das Brennstoffumsetzungssystem 12 umfasst insbesondere eine Abgasleitung 46, 48, welche an der Umsetzungseinheit 34, insbesondere der Brennstoffelektrode 36 und/oder der Sauerstoffelektrode 38, fluidtechnisch angeschlossen ist. Optional umfasst das Brennstoffumsetzungssystem 12 eine Rezirkulationsleitung 50, welche die Abgasleitung 46 mit der Brennstoffleitung 42 rückkoppelt.
Das Brennstoffumsetzungssystem 12 umfasst insbesondere eine Brennstoffstelleinheit 52, welche insbesondere in der Brennstoffleitung 42 angeordnet ist. Die Brennstoffstelleinheit 52 ist insbesondere dazu vorgesehen, einen Strom des Brennstoffs durch die Brennstoffleitung 42 einzustellen. Die Brennstoffstelleinheit 52 umfasst vorzugsweise zumindest einen Fluidförderer, insbesondere einen Ventilator, einen Kompressor und/oder eine Pumpe, und/oder zumindest ein Stellventil. Das Brennstoffumsetzungssystem 12 umfasst insbesondere eine Rezirkulationsstelleinheit 54, welche insbesondere in der Rezirkulationsleitung 50 angeordnet ist. Die Rezirkulationsstelleinheit 54 ist insbesondere dazu vorgesehen, einen Strom eines Anteils eines Abgases durch die Rezirkulationsleitung 50 einzustellen. Die Rezirkulationsstelleinheit 54 umfasst vorzugsweise zumindest einen Fluidförderer, insbesondere einen Ventilator, einen Kompressor und/oder eine Pumpe, und optional zumindest ein Stellventil. Optional umfasst das Brennstoffumsetzungssystem 12 in analoger Weise eine Sauerstoffstelleinheit und/oder eine Abgasstelleinheit, welche insbesondere in der Sauerstoffleitung 44 beziehungsweise in der Abgasleitung 46, 48 angeordnet ist (hier nicht dargestellt). Optional umfasst das Brennstoffumsetzungssystem 12 einen Reformer 56, der in der Brennstoffleitung 42 angeordnet ist. Optional umfasst das Brennstoffumsetzungssystem 12 einen Nachbrenner 58, der in der Abgasleitung 46, 48 angeordnet ist. Optional umfasst das Brennstoffumsetzungssystem 12 ein internes Wärmeübertragungssystem. Das Wärmeübertragungssystem umfasst insbesondere zumindest einen Wärmeübertrager, welche insbesondere Wärme von dem Abgas in der Abgasleitung 46, 48, insbesondere stromabwärts des Nachbrenners 58, auf das sauerstoffhaltige Fluid in der Sauerstoffleitung 44 und/oder den Brennstoff in der Brennstoffleitung 42, insbesondere stromaufwärts des Reformers 56, überträgt (hier nicht dargestellt).
Das Brennstoffumsetzungssystem 12 umfasst zumindest einen elektrodenbasierten Sensor 18. Der Sensor 18 ist vorzugsweise in der Abgasleitung 46 angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Sensor 18 unmittelbar stromabwärts der Umsetzungseinheit 34, insbesondere der Brennstoffelektrode 36 angeordnet. Insbesondere ist der Sensor 18 stromaufwärts einer Abzweigung der Rezirkulationsleitung 50 und/oder des Nachbrenners 58 angeordnet. Alternativ ist der Sensor 18 stromabwärts einer Abzweigung der Rezirkulationsleitung 50 und stromaufwärts des Nachbrenners 58 und/oder in der Rezirkulationsleitung 50 angeordnet. Der Sensor 18 ist insbesondere dazu vorgesehen, ein von einem Fluidparameter des Abgases abhängiges Sensorsignal 21 zu erzeugen. Das Brennstoffumsetzungssystem 12 umfasst vorzugsweise zumindest einen weiteren elektrodenbasierten Sensor 20. Der weitere Sensor 20 ist vorzugsweise in der Brennstoffleitung 42 angeordnet. Besonders bevorzugt ist der weitere Sensor 20 unmittelbar stromaufwärts der Umsetzungseinheit 34, insbesondere der Brennstoffelektrode 36, angeordnet. Insbesondere ist der weitere Sensor 20 stromabwärts einer Einspeisestelle der Rezirkulationsleitung 50 in die Brennstoffleitung 42 und/oder des Reformers 56 angeordnet. Der weitere Sensor 20 ist insbesondere dazu vorgesehen, ein von einem Fluidparameter des Brennstoffs abhängiges weiteres Sensorsignal 23 zu erzeugen. Das Brennstoffumsetzungssystem 12 umfasst insbesondere eine Auswerteeinheit 60. Die Auswerteeinheit 60 ist insbesondere dazu vorgesehen, das Sensorsignal 21 von dem Sensor 18 und/oder das weitere Sensorsignal 23 von dem weiteren Sensor 20 auszuwerten. Insbesondere ist die Auswerteeinheit 60 dazu vorgesehen, den Fluidparameter des Abgases und/oder des Brennstoffs in Abhängigkeit von zumindest einem der Sensorsignale 21, 23 zu ermitteln. Optional ist die Auswerteeinheit 60 dazu vorgesehen, zumindest einen von dem Fluidparameter des Brennstoffs und/oder des Abgases abhängigen Prozessparameter des Brennstoffumsetzungssystems 12, beispielsweise eine Brennstoffnutzung, eine Rezirkulationsrate oder dergleichen, zu ermitteln.
Das Brennstoffumsetzungssystem 12 umfasst zumindest eine Steuer- oder Regeleinheit 32. Die Steuer- oder Regeleinheit 32 ist zu einer Durchführung eines Verfahrens 10 vorgesehen, welches insbesondere in 3 näher erläutert wird. Die Steuer- oder Regeleinheit 32 ist insbesondere dazu vorgesehen, einen oder mehrere der Fluidparameter und/oder den zumindest einen Prozessparameter auf einen Sollwert 62 einzustellen oder zu regeln. Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit 60 dazu vorgesehen, einen oder mehrere der Fluidparameter und/oder den Prozessparameter als Istwert 64 an die Steuer- oder Regeleinheit 32 zu übermitteln. Die Steuer- oder Regeleinheit 32 ist beispielsweise dazu eingerichtet, die Umsetzungsstelleinheit 28, die Brennstoffstelleinheit 52 und/oder die Rezirkulationsstelleinheit 54 anzusteuern, um einen oder mehrere der Fluidparameter und/oder den Prozessparameter einzustellen oder, insbesondere mittels des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20, zu regeln.
2 zeigt einen schematischen Aufbau des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 als Breitbandlambdasonde. Insbesondere umfasst der Sensor 18 und/oder der weitere Sensor 20 zumindest eine Pumpzelle 66. Die Pumpzelle 66 umfasst zumindest eine Pumpelektrode 70, eine weitere Pumpelektrode 72 und einen Pumpelektrolyten 74, welcher zwischen den Pumpelektroden 70 ,72 angeordnet ist. Insbesondere umfasst der Sensor 18 und/oder der weitere Sensor 20 zumindest eine Nernstzelle 68. Die Nernstzelle 68 umfasst zumindest eine Nernstelektrode 76, eine weitere Nernstelektrode 78 und einen Nernstelektrolyten 80, welcher zwischen den Nernstelektroden 76 ,78 angeordnet ist. Der Pumpelektrolyt 74 und der Nernstelektrolyt 80 sind optional einteilig ausgebildet. Die Pumpzelle 66 und die Nernstzelle 68 begrenzen einen Messbereich 69 des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20. Der Messbereich 69 ist vorzugsweise fluidtechnisch mit der Abgasleitung 46 oder der Brennstoffleitung 42 verbunden.
Der Sensor 18 und/oder der weitere Sensor 20 umfasst vorzugsweise eine fluiddurchlässige Diffusionsbarriere 82, welche den Messbereich 69 begrenzt. Die Diffusionsbarriere 82 ist insbesondere zwischen dem Messbereich 69 und der Abgasleitung 46 oder der Brennstoffleitung 42 angeordnet. Die Diffusionsbarriere 82 ist insbesondere dazu vorgesehen, eine Einströmgeschwindigkeit und/oder eine Ausströmgeschwindigkeit von Bestandteilen 24 des Abgases oder des Brennstoffs in den/aus dem Messbereich 69 festzulegen. Beispielhaft sind hier Wasser H₂O, Wasserstoff H₂, Kohlenwasserstoffe HC und Kohlenstoffmonoxid CO als Bestandteile 24 des Abgases oder des Brennstoffs dargestellt. Vorzugsweise ist die weitere Pumpelektrode 72 in dem Messbereich 69 angeordnet. Vorzugsweise ist die Pumpelektrode 70 in der Abgasleitung 46 oder der Brennstoffleitung 42 angeordnet. Optional umfasst die Pumpzelle 66 eine fluiddurchlässige Schutzschicht 84, welche die Pumpelektrode 70 bedeckt. Vorzugsweise ist die Nernstelektrode 76 in dem Messbereich 69 angeordnet. Vorzugsweise ist die weitere Nernstelektrode 78 in einem Referenzbereich 86 angeordnet. Der Referenzbereich 86 ist zumindest während eines Betriebs des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 mit einer Sauerstoffreferenz gefüllt. Die Sauerstoffreferenz kann als Luft oder Industriegas, insbesondere mit einem definierten Anteil an Sauerstoff O₂, ausgebildet sein.
Der Sensor 18 und/oder der weitere Sensor 20 umfasst insbesondere ein elektrisches Heizelement 88, um eine Temperatur des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 einzustellen, optional zu regeln. Der Sensor 18 und/oder der weitere Sensor 20 weisen als elektrischer Betriebsparameter beispielsweise eine Nernstspannung U_N zwischen den Nernstelektroden 76, 78 der Nernstzelle 68, einen Pumpstrom I_P oder eine Pumpspannung U_P zwischen den Pumpelektroden 70, 72 der Pumpzelle 66 auf. Die Nernstspannung U_N wird vorzugsweise gemessen. Die Pumpspannung U_P wird vorzugsweise von einer Sensorsteuer- oder Regeleinheit des Sensors 18 oder des weiteren Sensors 20 eingestellt oder geregelt, besonders bevorzugt in Abhängigkeit von der Nernstspannung U_N, insbesondere sodass in dem Messbereich 69 ein Verbrennungsluftverhältnis von 1 vorliegt. Der Pumpstrom I_P wird vorzugsweise gemessen und insbesondere als Sensorsignal 21 oder weiteres Sensorsignal 23 ausgegeben, insbesondere von der Sensorsteuer- oder Regeleinheit des Sensors 18 oder des weiteren Sensors 20.
3 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens 10 zum Betrieb des Brennstoffumsetzungssystems 12. Das Verfahren 10 umfasst einen Erfassungsschritt 14. Das Verfahren 10 umfasst vorzugsweise einen Auswerteschritt 92. Optional umfasst das Verfahren 10 einen Korrekturschritt 94. Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10 einen Steuer- oder Regelschritt 96.
In dem Erfassungsschritt 14 wird zumindest einer der Fluidparameter eines zumindest während des Betriebs in dem Brennstoffumsetzungssystem 12 befindlichen Prozessfluids 16, mittels zumindest eines der elektrodenbasierten Sensoren 18, 20 erfasst. Das Prozessfluid 16 ist insbesondere der Brennstoff oder das Abgas. In dem Erfassungsschritt 14 wird zumindest ein elektrischer Betriebsparameter des Sensors 18, 20 variiert. Der variierte Betriebsparameter ist insbesondere die Pumpspannung U_P oder der Pumpstrom I_P der Pumpzelle 66 und/oder die Nernstspannung U_N der Nernstzelle 68. Beispielsweise wird ein Variieren des elektrischen Betriebsparameters im Rahmen einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie des Sensors 18, 20 durchgeführt. Beispielsweise wird ein Variieren des elektrischen Betriebsparameters im Rahmen einer Schwingungsanalyse, insbesondere einer total harmonic distortion-Analyse, des Sensors 18, 20 durchgeführt. Beispielsweise wird der elektrische Betriebsparameter des Sensors 18, 20 sprunghaft variiert, insbesondere zur Implementierung einer current-interrupt-Analyse. Beispielsweise wird der elektrische Betriebsparameter des Sensors 18, 20 derart variiert, dass ein Werteverlauf des Betriebsparameters stetig ist, insbesondere zu einer Implementierung einer zyklischen Voltammetrie. Vorzugsweise wird zumindest eine, optional mehrere oder alle, der genannten Variationsmethoden im Zuge des Verfahrens 10 durchgeführt, insbesondere nacheinander oder in Kombination. Optional umfasst der Sensor 18 und/oder der weitere Sensor 20 mehrere Messbereiche, in denen jeweils eine der Variationsmethoden parallel ausgeführt wird. Insbesondere kann der jeweilige Betriebsparameter des Sensors 18 und des weiteren Sensors 20 mit derselben Variationsmethode oder mit unterschiedlichen der genannten Variationsmethoden variiert werden. Alternativ wird nur der Betriebsparameter eines der Sensoren 18, 20 variiert. Insbesondere werden die unterschiedlichen Variationsmethoden zu einer gegenseitigen Ergänzung genutzt, insbesondere durch die Ermittlung unterschiedlicher Fluidparameter und/oder Prozessparameter oder durch eine kombinierte Auswertung der jeweiligen Sensorsignale 21, 23. Alternativ oder zusätzlich werden die unterschiedlichen Variationsmethoden zu einer gegenseitigen Überprüfung oder Mittelwertbildung genutzt, insbesondere durch Ermittlung derselben Fluidparameter und/oder Prozessparameter.
Optional werden die Sensorsignale 21, 23 des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 mittels eines maschinellen Lernprozesses 30 ausgewertet. Insbesondere erlernt der maschinelle Lernprozess 30 in einer Lernphase des maschinellen Lernprozesses 30 eine Abweichung der von der Auswerteeinheit 60 ermittelten Fluidparameter und/oder des zumindest einen Prozessparameters von einem anderweitig ermittelten Wert des ermittelten Fluidparameters und/oder des zumindest einen Prozessparameters. Beispielsweise werden die Fluidparameter und/oder der zumindest eine Prozessparameter während der Lernphase mittels genauerer Sensoren und/oder Diagnoseverfahren ermittelt, die einem Hersteller des Brennstoffumsetzungssystems 12 zur Verfügung stehen. Insbesondere korrigiert der maschinelle Lernprozess 30 in dem optionalen Korrekturschritt 94 die von der Auswerteeinheit 60 ermittelten Fluidparameter und/oder den zumindest einen Prozessparameter, insbesondere um die erlernte Abweichung zu kompensieren.
In dem Steuer- oder Regelschritt 96 übermittelt die Auswerteeinheit 60 die Fluidparameter und/oder den zumindest einen Prozessparameter, insbesondere in korrigierter Form, an die Steuer- oder Regeleinheit 32. Besonders bevorzugt steuert oder regelt die Steuer- oder Regeleinheit 32 das Brennstoffumsetzungssystem 12 in Abhängigkeit von dem zumindest einen Prozessparameter. Insbesondere hält die Steuer- oder Regeleinheit 32 die Brennstoffnutzung der Umsetzungseinheit 34 auf dem Sollwert 62 und/oder zumindest unterhalb eines Schwellwerts, welche/r insbesondere kleiner 1 sind/ist.
In zumindest einer, insbesondere vorteilhaft einfachen, Ausgestaltung des Brennstoffumsetzungssystems 12 und/oder des Verfahrens 10, in welcher beispielsweise nur der Fluidparameter des Abgases von dem Sensor 18 erfasst wird, steuert oder regelt die Steuer- oder Regeleinheit 32 das Brennstoffumsetzungssystem 12 in Abhängigkeit von dem Fluidparameter. Insbesondere hält die Steuer- oder Regeleinheit 32 zumindest einen Anteil des Wasserstoffs H₂ in dem Abgas auf einem Wasserstoffsollwert und/oder oberhalb eines Wasserstoffschwellwerts. Der Anteil des Wasserstoffs H₂ des Prozessfluids 16 wird mittels eines Variierens des elektrischen Betriebsparameters überwacht, um den Prozessparameter des Brennstoffumsetzungssystems 12 indirekt zu regeln, insbesondere ohne den Prozessparameter zu ermitteln.
4 zeigt ein Impedanzspektrum als Nyquist-Diagramm. Vorzugsweise wird in dem Erfassungsschritt 14 die Pumpspannung U_P variiert und insbesondere der Pumpstrom I_P als Sensorsignal 21, 23 ausgegeben. Zu einem Variieren des elektrischen Betriebsparameters wird ein Variationssignal 22 auf einen Grundwert 26 des Betriebsparameters aufgeprägt (vgl. 6). Das Variationssignal 22 ist insbesondere sinusförmig. Insbesondere ermittelt die Auswerteeinheit 60 anhand des Sensorsignals 21, 23 und des variierten Betriebsparameters eine Impedanz 98 des Sensors 18, insbesondere eines Stromkreises, der die Pumpelektroden 70, 72 umfasst. Insbesondere wird der Erfassungsschritt 14 bei einer Vielzahl von Schwingungsfrequenzen des Betriebsparameters durchgeführt. Die Impedanz 98 weist insbesondere verschiedene charakteristische Abschnitte auf. Insbesondere weist die Impedanz 98 ohmsche Verluste 102 auf. Insbesondere weist die Impedanz 98 Anodenverluste 104 an derjenigen der Pumpelektrode 70, 72 auf, die als Anode fungiert. Insbesondere weist die Impedanz 98 Kathodenverluste 106 an derjenigen der Pumpelektroden 70, 72 auf, die als Kathode fungiert. Insbesondere weist die Impedanz 98 Transportverluste 108 bei einem Ionentransport durch den Pumpelektrolyt 74 auf. Vorzugsweise vergleicht die Auswerteeinheit 60 Charakteristika der Impedanz 98, beispielsweise Position und Höhe lokaler Extremwerte, Position eines Übergangs zwischen den charakteristischen Abschnitten oder dergleichen, um den Fluidparameter und/oder den Prozessparameter zu bestimmen. Insbesondere ordnet die Auswerteeinheit 60 den charakteristischen Abschnitten Abschnitte eines Ersatzschaltbilds 100 zu, um die ermittelte Impedanz 98 auszuwerten. Es führen insbesondere verschiedene Zusammensetzungen und/oder Temperaturen des untersuchten Prozessfluids 16 zu verschiedenen Ausprägungen des Impedanzspektrums. Das Impedanzspektrum ist insbesondere abhängig von einem Betriebspunkt und/oder einer Temperatur des Brennstoffumsetzungssystems 12. Die Impedanz 98 kann in Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz des Betriebsparameters systematisch oder stichprobenartig erfasst werden.
5a und 5b zeigen beispielhaft jeweils drei Impedanzspektren, insbesondere Anodenverluste und Kathodenverluste, für unterschiedliche Zusammensetzungen des Prozessfluids 16 als Nyquist-Diagramm. Insbesondere repräsentiert ein Graph 110, 110' eines der Impedanzspektren eine Zusammensetzung von 25% Wasserstoff H₂, 10% Wasser H₂O und 65% Stickstoff N₂. Ein weiterer Graph 112, 112' eines der Impedanzspektren repräsentiert beispielhaft eine Zusammensetzung von 25% Wasserstoff H₂, 5% Kohlenstoffmonoxid CO, 10% Wasser H₂O, 60% Stickstoff N₂. Ein zusätzlicher Graph 114, 114' eines der Impedanzspektren repräsentiert beispielhaft eine Zusammensetzung von 15,4% Wasserstoff H₂, 13,7% Kohlenstoffmonoxid CO, 9,8% Kohlenstoffdioxid CO₂, 2,5% Methan CH₄, 11% Wasser H₂O und 29,8% Stickstoff N₂. Die Impedanzspektren der 5a unterscheiden sich von denen der 5b insbesondere aufgrund unterschiedlicher Grundwerte 26 des verwendeten Pumpstroms I_P.
Das Impedanzspektrum wird vorzugsweise bei einem stationären Betriebspunkt des Brennstoffumsetzungssystems 12 aufgenommen. In zumindest einem Betriebsmodus zumindest eines der Sensoren 18, 20 wird ein Grundwert 26 des verwendeten Pumpstroms I_P vorzugsweise in Abhängigkeit von der Nernstspannung U_N geregelt und das Variationssignal 22 auf den geregelten Grundwert 26 aufgeprägt. In zumindest einem weiteren Betriebsmodus zumindest eines der Sensoren 18, 20 wird der verwendete Pumpstrom I_P von der Steuer- oder Regeleinheit 32 vorgegeben. Während eines Variierens des elektrischen Betriebsparameters des Sensors 18, 20 werden zumindest zwei verschiedene Grundwerte 26 des Betriebsparameters vorgegeben. Insbesondere wird zumindest je ein Impedanzspektrum bei den unterschiedlich eingestellten Grundwerten 26 des Pumpstroms I_P aufgenommen. Insbesondere wird ein Impedanzspektrum pro zu quantifizierendem Bestandteil 24 des Prozessfluids 16 aufgenommen. Optional werden, insbesondere einzelne, Messwerte zur Bestimmung der Impedanz 98 zusätzlich mittels der Schwingungsanalyse ausgewertet.
6 zeigt beispielhaft zwei Strom-Spannungskennlinien 116, 118, insbesondere Pumpstrom-Pumpspannungskennlinien, alternativ eine Nernststrom-Nernstspannungskennlinie, des Sensors 18. Insbesondere wird während der Schwingungsanalyse das Variationssignal 22 auf den Grundwert 26 des Pumpstroms I_P aufgeprägt und insbesondere die Pumpspannung U_P als Sensorsignal 21, 21' ausgegeben. Das Variationssignal 22 ist zur Durchführung der Schwingungsanalyse vorzugsweise sinusförmig, optional eine Linearkombination mehrerer trigonometrischer Funktionen. Insbesondere wertet die Auswerteeinheit 60 eine Amplitude eines sinusförmigen Verlaufs des Sensorsignals 21, 23 aus, insbesondere um zwischen den Strom-Spannungskennlinien 116, 118 zu unterscheiden. Bevorzugt wertet die Auswerteeinheit 60 eine Amplitude einer Oberschwingung des in dem Sensorsignal 21, 21' enthaltenen Variationssignals 22 aus, besonders bevorzugt gemäß der total harmonic distortion-Analyse, um den Fluidparameter, den weiteren Fluidparameter und/oder den zumindest einen Prozessparameter zu ermitteln.
7a und 7b zeigen den Pumpstrom I_P beziehungsweise die Pumpspannung U_P aufgetragen gegen die Zeit t. Der Pumpstrom I_P wird in dem Erfassungsschritt 14 insbesondere von einem Startwert 120 sprunghaft auf einen Endwert 122 geändert, beispielsweise durch Unterbrechung des Stromkreises, der die Pumpelektroden 70, 72 umfasst. 7b zeigt insbesondere eine Reaktion der Pumpspannung U_P auf die sprunghafte Änderung des Pumpstroms I_P. Die Reaktion der Pumpspannung U_P umfasst insbesondere eine sprunghafte Änderung und einen zeitabhängige Spannungsänderung 124. Vorzugsweise wertet die Auswerteeinheit 60 die zeitabhängige Spannungsänderung 124 aus, um den weiteren Fluidparameter und/oder den zumindest einen Prozessparameter zu ermitteln.
8 zeigt ein Cyclovoltammogramm des Sensors 18. Insbesondere wird die Pumpspannung U_P linear variiert. Beispielsweise gibt die Steuer- oder Regeleinheit 32 einen dreieckförmigen Verlauf für die Pumpspannung U_P vor. Der Pumpstrom I_P folgt der Pumpspannung U_P insbesondere von einem Startstrom 126 zu einem Endstrom 130 und/oder umgekehrt. Die Pumpspannung U_P wird insbesondere zumindest solange erhöht bzw. verringert, bis der Pumpstrom I_P ein Strommaximum 128 bzw. ein Stromminimum 132 durchläuft. Die notwendige Pumpspannung U_P um das Strommaximum 128 bzw. das Stromminimum 132 zu erreichen wird vorzugsweise im Vorfeld des Verfahrens 10 ermittelt und in dem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit 32 hinterlegt. Alternativ wird die notwendige Pumpspannung U_P während des Erfassungsschritts 14 schrittweise erhöht bzw. verringert, bis die Auswerteeinheit 60 das Strommaximum 128 bzw. das Stromminimum 132 erkennt. Die Auswerteeinheit 60 ermittelt insbesondere Position, Form und/oder Amplitude des Strommaximums 128, insbesondere relativ zu dem Startstrom 126, um zumindest einen der Fluidparameter und/oder zumindest einen der Prozessparameter zu ermitteln. Die Auswerteeinheit 60 ermittelt insbesondere Position, Form und/oder Amplitude des Stromminimums 132, insbesondere relativ zu dem Endstrom 130, um zumindest einen der Fluidparameter und/oder zumindest einen der Prozessparameter zu ermitteln.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffumsetzungssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, wobei in zumindest einem Erfassungsschritt (14) ein Fluidparameter eines zumindest während des Betriebs in dem Brennstoffumsetzungssystem befindlichen Prozessfluids (16) mittels zumindest eines elektrodenbasierten Sensors (18, 20) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Erfassungsschritt (14) zumindest ein elektrischer Betriebsparameter des Sensors (18, 20) variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem Variieren des elektrischen Betriebsparameters ein Variationssignal (22) auf einen Grundwert (26) des Betriebsparameters aufgeprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Variieren des elektrischen Betriebsparameters im Rahmen einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie des Sensors (18, 20) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Variieren des elektrischen Betriebsparameters im Rahmen einer Schwingungsanalyse des Sensors (18, 20) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Betriebsparameter des Sensors (18, 20) in zumindest einem Verfahrensschritt sprunghaft variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt der elektrische Betriebsparameter des Sensors (18, 20) derart variiert wird, dass ein Werteverlauf des Betriebsparameters stetig ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt während eines Variierens des elektrischen Betriebsparameters des Sensors (18, 20) zumindest zwei verschiedene Grundwerte (26) des Betriebsparameters vorgegeben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Bestandteil (24) des Prozessfluids (16) mittels eines Variierens des elektrischen Betriebsparameters überwacht wird, um einen Prozessparameter, insbesondere indirekt, zu regeln.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt Sensorsignale (21, 23) des Sensors (18, 20) in Abhängigkeit des variierten Betriebsparameters mittels eines maschinellen Lernprozesses (30) ausgewertet werden.
Brennstoffumsetzungssystem, insbesondere Brennstoffzellensystem, mit zumindest einem elektrodenbasierten Sensor (18, 20) und mit zumindest einer Steuer- oder Regeleinheit (32) zu einer Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.