DE102021203502A1 - Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffumsetzungssystems und ein Brennstoffumsetzungssystem zur Durchführung eines derartigen Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffumsetzungssystems und ein Brennstoffumsetzungssystem zur Durchführung eines derartigen Verfahrens Download PDF

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffumsetzungssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, wobei in einem Erfassungsschritt (14) zumindest 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 der Erfassungsschritt (14) bei zumindest zwei verschiedenen aktiven Einstellungen eines Betriebsparameters des Sensors (18, 20) durchgeführt wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Es ist bereits ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffumsetzungssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, vorgeschlagen worden, in welchem in einem Erfassungsschritt zumindest 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 einem Erfassungsschritt zumindest ein Fluidparameter eines zumindest während des Betriebs in dem Brennstoffumsetzungssystem befindlichen Prozessfluids, mittels zumindest eines elektrodenbasierten Sensors erfasst wird.
  • Es wird vorgeschlagen, dass der Erfassungsschritt bei zumindest zwei verschiedenen aktiven Einstellungen eines Betriebsparameters des Sensors durchgeführt 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 Betriebsparameter des Sensors wird vorzugsweise von einer Steuer- oder Regeleinheit des Sensors oder des Brennstoffumsetzungssystems eingestellt, optional geregelt. Der Betriebsparameter wird insbesondere vor oder während dem Erfassungsschritt eingestellt, 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. Der Betriebsparameter ist beispielsweise als Temperatur des Sensors, als Druck eines Messbereichs des Sensors, 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. Vorzugsweise sind die zumindest zwei Einstellungen des Betriebsparameters unterschiedlich von einem Wert des Betriebsparameters in einem ausgeschalteten Betriebszustand des Sensors. Alternativ stellt die Steuer- oder Regeleinheit bei zumindest einer der Einstellungen den Betriebsparameter auf einen Wert, der einem Wert des Betriebsparameters in einem ausgeschalteten Betriebszustand des Sensors entspricht, wobei der Sensor den Erfassungsschritt bei diesem Wert ausführt.
  • Die Steuer- oder Regeleinheit führt insbesondere separate, insbesondere zeitlich getrennte, Erfassungsschritte bei je einer der Einstellungen durch, wobei eine Änderung der Einstellung insbesondere zwischen den Erfassungsschritten durchgeführt wird. Optional umfasst das Verfahren einen Verzögerungsschritt, in welchem die Steuer- oder Regeleinheit nach einem Auslösen einer Änderung der Einstellung wartet, bis der Sensor einen der geänderten Einstellung entsprechenden Zustand erreicht. Alternativ führt die Steuer- oder Regeleinheit eine Änderung der Einstellung während des Erfassungsschritts durch, sodass insbesondere ein zeitlicher Verlauf einer Auswirkung der Änderung der Einstellung erfasst werden kann. Vorzugsweise wertet eine Auswerteeinheit des Brennstoffumsetzungssystems Sensorsignale von dem Sensor aus. Insbesondere ermittelt die Auswerteeinheit aus den Sensorsignalen den Fluidparameter. Insbesondere wertet die Auswerteeinheit zumindest je ein Sensorsignal pro Einstellung des Betriebsparameters aus, um in Abhängigkeit von einem Unterschied der Sensorsignale zumindest einen weiteren Fluidparameter zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich wertet die Auswerteeinheit einen sich über die zumindest zwei Einstellungen erstreckenden Zeitverlauf des Sensorsignals aus, um in Abhängigkeit von Charakteristika des Zeitverlaufs zumindest einen weiteren Fluidparameter zu bestimmen. Unterschiede der Sensorsignale und Charakteristika des Zeitverlaufs betreffen beispielsweise einen Mittelwert, einen asymptotischen Grenzwert, eine Position und/oder Wert von Maxima und/oder Wendepunkten, eine Position eines Nulldurchgangs, ein Einschwingverhalten bei einer Änderung der Einstellung, insbesondere eine Einschwingfrequenz, eine Einschwingamplitude und/oder eine Einschwingdauer, eine zeitliche Verzögerung gegenüber einer Änderung der Einstellung 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 oder Betriebsparametern 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.
  • Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt als Betriebsparameter eine Temperatur des Sensors auf zumindest zwei unterschiedliche Werte eingestellt wird. Vorzugsweise umfasst der Sensor zumindest ein elektrisches Heizelement. Alternativ ist der Sensor an einem elektrischen Heizelement des Brennstoffumsetzungssystems angeordnet. Insbesondere steuert, optional regelt, die Steuer- oder Regeleinheit das elektrische Heizelement, um eine Temperatur des Sensors einzustellen. Alternativ oder zusätzlich zu dem Heizelement umfasst der Sensor und/oder das Brennstoffumsetzungssystem ein Peltierelement und/oder einen Wärmeübertrager zu einem Einstellen einer Temperatur des Sensors. Vorzugsweise veranlasst die Steuer- oder Regeleinheit bei einer Inbetriebnahme des Sensors, dass eine Temperatur des Sensors auf eine, insbesondere von einer Umgebungstemperatur unterschiedliche, Betriebsnormtemperatur gebracht wird. Insbesondere ist die Betriebsnormtemperatur dazu vorgesehen, einen Elektrolyten des elektrodenbasierten Sensors in einen ionendurchlässigen Zustand zu versetzen. 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. Vorzugsweise stellt die Steuer- oder Regeleinheit in zumindest einem Verfahrensschritt eine Temperatur des Sensors auf eine Temperaturvariation ein. Die Temperaturvariation kann höher oder kleiner sein als die Betriebsnormtemperatur. Vorzugsweise beträgt ein maximaler Unterschied zwischen der Betriebsnormtemperatur und der Temperaturvariation zumindest 1 K, bevorzugt mehr als 5 K, besonders bevorzugt mehr als 10 K. Insbesondere ermittelt die Auswerteeinheit den zumindest einen der Fluidparameter in Abhängigkeit von Unterschieden des Sensorsignals bei den Einstellungen des Sensors auf die Betriebsnormtemperatur und der Temperaturvariation. Alternativ stellt die Steuer- oder Regeleinheit zumindest eine weitere Temperaturvariation als Temperatur des Sensors ein, sodass zumindest einer der Fluidparameter in Abhängigkeit von Unterschieden zwischen beiden Einstellungen des Sensors auf die Temperaturvariation und auf die weitere Temperaturvariation ermittelt wird. Die Temperaturvariation und/oder die weitere Temperaturvariation sind/ist insbesondere dazu vorgesehen, eine Transportgeschwindigkeit, insbesondere eine Diffusionsgeschwindigkeit, des zu untersuchenden Prozessfluids in den Messbereich des Sensors hinein, aus dem Messbereich des Sensors heraus und/oder innerhalb des Sensors zu verändern. Insbesondere sind/ist die Temperaturvariation und/oder die weitere Temperaturvariation dazu vorgesehen, eine Transportgeschwindigkeit, insbesondere eine Diffusionsgeschwindigkeit, der Bestandteile des zu untersuchenden Prozessfluids bestandteilspezifisch zu verändern. Vorzugsweise vergleicht, insbesondere korreliert, die Auswerteeinheit die Sensorsignale mit einer Temperaturkennlinie, insbesondere einer Spannungskennlinie des elektrischen Heizelements, um zumindest einen der Fluidparameter zu ermitteln. Optional korrigiert die Auswerteeinheit einen Einfluss der Temperaturvariation und/oder der weiteren Temperaturvariation auf einen elektrischen Betriebsparameter des Sensors mittels einer elektrischen Widerstandsmessung an dem Sensor. Alternativ ermittelt die Auswerteeinheit die Temperatur des Sensors anhand der elektrischen Widerstandsmessung an dem Sensor. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können Sensorsignale vorteilhaft temperaturabhängig ausgewertet werden. Insbesondere können Bestandteile des Prozessfluids anhand ihres temperaturabhängigen Einflusses auf das Sensorsignal erkannt und insbesondere quantifiziert werden.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere die bereits genannten, Sensorsignale des Sensors bei den zumindest zwei Einstellungen mit einer Referenz verglichen werden, um den Fluidparameter und/oder einen Prozessparameter des Brennstoffumsetzungssystems zu ermitteln. Die Referenz ist insbesondere in einem Datenspeicher der Auswerteeinheit und/oder einem externen Server zu einem Abruf abgelegt. Die Referenz umfasst vorzugsweise zumindest eine Kennlinie, welche einen Verlauf des Sensorsignals bei einer bekannten Zusammensetzung des untersuchten Prozessfluids und bei einer der Einstellungen darstellt. Die Kennlinie ist vorzugsweise als mittlerer Verlauf oder Regressionskurve von im Vorfeld durchgeführten Messungen an dem Sensor ausgebildet. Alternativ ist die Kennlinie als Theoriekurve ausgebildet oder wird mittels einer Simulation des Brennstoffumsetzungssystems erstellt. Die Referenz umfasst insbesondere zumindest je eine Kennlinie pro Einstellung. Die Referenz umfasst insbesondere eine Vielzahl an Kennlinien pro Einstellung, insbesondere zumindest je eine für eine Vielzahl an unterschiedlichen Werten der Fluidparameter des untersuchten Prozessfluids. Vorzugsweise vergleicht die Ermittlungseinheit die Sensorsignale bei den Einstellungen des Betriebsparameters mit der Referenz mit den Kennlinien, um zumindest einen der Fluidparameter zu ermitteln. Vorzugsweise ermittelt die Auswerteeinheit in Abhängigkeit der ermittelten Fluidparameter eine Brennstoffnutzung, ein Sauerstoff-KohlenstoffVerhältnis, eine Rezirkulationsrate des Brennstoffumsetzungssystems oder dergleichen als Prozessparameter. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können die Sensorsignale vorteilhaft einfach ausgewertet werden. Insbesondere kann eine benötigte Rechenleistung der Auswerteeinheit während des Betriebs des Brennstoffumsetzungssystems vorteilhaft gering gehalten werden. Insbesondere kann eine Steuerung oder Regelung in Abhängigkeit des Fluidparameters und/oder des Prozessparameters vorteilhaft schnell, insbesondere in Echtzeit, erfolgen.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Erfassungsschritt bei zumindest einer Einstellung des Betriebsparameters pro zu erfassenden Bestandteil des Prozessfluids durchgeführt wird. Die Einstellungen können schrittweise durchlaufen werden oder kontinuierlich ineinander überführt werden, beispielsweise kann ein Zeitverlauf des Betriebsparameters des Sensors trapezförmig, treppenförmig, sinusförmig, dreieckförmig oder dergleichen implementiert werden. Es ist denkbar, dass unterschiedliche Kombinationen der Bestandteile des zu untersuchenden Prozessfluids bei einem konstanten Betriebsparameter jeweils das gleiche Sensorsignal ergeben. Die Auswerteeinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, ein Gleichungssystem zu lösen, welches eine einstellungsabhängige Kombination der Bestandteile mit den Sensorsignalen in Beziehung setzt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können die Bestandteile des Prozessfluids vorteilhaft zuverlässig, insbesondere eindeutig, ermittelt werden.
  • Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass bei zumindest einer der Einstellungen eine mit einem Bestandteil des Prozessfluids verknüpfte elektrische Größe gemessen wird, um den zumindest einen Bestandteil des Prozessfluids zu ermitteln. Insbesondere wird ein elektrischer Strom durch die Elektrode und/oder eine elektrische Spannung an der Elektrode des Sensors gemessen. Insbesondere tritt zumindest während des Erfassungsschritts ein lonenstrom durch die Elektrode auf, dessen Stärke abhängig von der Konzentration des Bestandteils in einem Messbereich des Sensors ist. Beispielsweise ist der Sensor als Breitbandlambdasonde, als Sprunglambdasonde oder als Brennstoffzelle ausgebildet. Bei einer Ausbildung als Breitbandlambdasonde wird insbesondere ein, insbesondere geregelter, Pumpstrom einer Pumpzelle der Breitbandlambdasonde gemessen, um den Bestandteil des Prozessfluids zu ermitteln. Bei einer Ausbildung als Sprunglambdasonde oder als Brennstoffzelle wird insbesondere eine an der Betriebsnormtemperatur anliegende elektrische Spannung gemessen, um den Bestandteil des Prozessfluids zu ermitteln. Vorzugsweise wird ein, insbesondere oxidierbarer, Bestandteil des Abgases mittels der elektrischen Größe ermittelt, beispielsweise Kohlenstoffmonoxid (CO) und/oder Wasserstoff (H2). Insbesondere wird der Erfassungsschritt in dem Abgas bei zumindest zwei Einstellungen durchgeführt, insbesondere um einen Anteil des Kohlenstoffmonoxids und einen Anteil des Wasserstoffs in dem Abgas zu ermitteln. Vorzugsweise wird ein, insbesondere oxidierbarer, Bestandteil des Brennstoffs mittels der elektrischen Größe ermittelt, beispielsweise Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und optional Methan (CH4). Insbesondere wird der Erfassungsschritt in dem Abgas bei zumindest zwei, vorzugsweise zumindest drei, Einstellungen durchgeführt, insbesondere um einen Anteil des Kohlenstoffmonoxids, einen Anteil des Wasserstoffs und einen Anteil des Methans in dem Brennstoff zu ermitteln. Vorzugsweise ermittelt die Auswerteeinheit durch einen Vergleich der Anteile der Bestandteile des Brennstoffs und des Abgases eine Brennstoffnutzung der Umsetzungseinheit, insbesondere eines Brennstoffzellenstacks der Umsetzungseinheit. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können vorteilhaft oxidierbare Bestandteile des Prozessfluids quantitativ erfasst werden.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass bei zumindest einer der Einstellungen ein mit einem Bestandteil des Prozessfluids verknüpfter elektrischer Stromfluss auf einen Maximalwert eingestellt wird, um zumindest einen Bestandteil des Prozessfluids zu ermitteln. Insbesondere wird bei einer Ausbildung des Sensors als Breitbandlambdasonde der Pumpstrom der Pumpzelle des Sensors auf einen Maximalwert eingestellt. Der Maximalwert des Pumpstroms ist insbesondere durch einen Diffusionsgrenzstrom durch die Elektrode und den Elektrolyten des Sensors gegeben. Insbesondere stellt die Steuer- oder Regeleinheit den Maximalwert in Abhängigkeit von der Einstellung des Betriebsparameters ein. Insbesondere gibt die Steuer- oder Regeleinheit eine elektrische Spannung an der Elektrode vor, bei welcher sich der Diffusionsgrenzstrom einstellt. Die für den Diffusionsgrenzstrom notwendige elektrische Spannung ist insbesondere in einem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit hinterlegt und/oder wird während des Betriebs dynamisch ermittelt, siehe nachfolgenden Abschnitt. Insbesondere wird der Diffusionsgrenzstrom gemessen um den, insbesondere bereits oxidierten, Bestandteil des Prozessfluids zu ermitteln, insbesondere Wasser (H2O) und/oder Kohlenstoffdioxid (CO2). Insbesondere wird der Erfassungsschritt in dem Brennstoff bei zumindest zwei Einstellungen durchgeführt, insbesondere um einen Anteil des Wassers und einen Anteil des Kohlenstoffdioxids in dem Brennstoff zu ermitteln. Vorzugsweise ermittelt die Auswerteeinheit in Abhängigkeit der, insbesondere bereits oxidierten, Bestandteile des Brennstoffs das Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können vorteilhaft vollständig oxidierte Bestandteile des Prozessfluids quantitativ erfasst werden.
  • Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine elektrische Spannung, um den Maximalwert zu erreichen, iterativ ermittelt wird. Insbesondere erhöht die Steuer- oder Regeleinheit die elektrische Spannung an der Pumpzelle schrittweise oder rampenförmig, bis sich der durch die elektrische Spannung verursachte Pumpstrom um weniger als einen Mindestwert erhöht. Eine Schrittweite der elektrischen Spannung an der Pumpzelle ist vorzugsweise zumindest kleiner als 250 mV, vorzugsweise kleiner als 150 mV, bevorzugt kleiner als 75 mV. Der Mindestwert des Pumpstrom beträgt beispielsweise zumindest 10 µA, bevorzugt mehr als 20 µA, besonders bevorzugt mehr als 40 µA. Vorzugsweise wird eine Erhöhung der elektrischen Spannung an der Pumpzelle erst eingestellt, wenn der Mindestwert des Pumpstroms mehrfach, beispielsweise zweimal, dreimal oder öfters, insbesondere in aufeinander folgenden Messungen, unterschritten wurde. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der, insbesondere temperaturabhängige, Maximalwert vorteilhaft genau und insbesondere zuverlässig ermittelt werden. Insbesondere kann auf eine vorab Vermessung des Maximalwerts in Abhängigkeit von dem Betriebsparameter und/oder zusätzlichen Betriebsparameter des Sensors oder des Brennstoffumsetzungssystems und insbesondere auf eine Speicherkapazität dafür verzichtet werden.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Bestandteil des Prozessfluids mittels der Einstellungen überwacht wird, um einen Prozessparameter 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 wie weiter oben beschrieben 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, die insbesondere bereits genannten, Sensorsignale des Sensors bei zumindest einer der Einstellungen 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, insbesondere den Pumpstrom, die elektrische Spannung an der Pumpzelle, die Temperatur des Sensors und/oder eine Nernstspannung des Sensors. 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, eine 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, insbesondere dem bereits genannten, elektrodenbasierten Sensor und mit zumindest einer, insbesondere der bereits genannten, 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 der noch oxidierbaren 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 den Elektrolyten, welcher 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 das elektrische 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. Optional ist das elektrische Heizelement oder mehrere Heizelemente des Sensors dazu vorgesehen, einen Temperaturgradienten und/oder Temperaturstufen entlang der Messbereiche zu erzeugen, sodass jeder Messbereich eine andere Einstellung des Betriebsparameters aufweist.
  • 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.
  • Figurenliste
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, 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 und
    • 3 ein schematisches Flussdiagramm eines 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. 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 einem 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 und/oder dem weiteren Fluidparameter 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 Brennstoffstelleinheit 52 und/oder die Rezirkulationsstelleinheit 54 und/oder den Strom der Umsetzungseinheit 34 und/oder die Spannung der Umsetzungseinheit 34 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 weist als Betriebsparameter insbesondere eine Temperatur auf. Der Sensor 18 und/oder der weitere Sensor 20 umfasst insbesondere ein elektrisches Heizelement 88, um die 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 Betriebsparameter beispielsweise zumindest eine elektrische Größe 26, 28 auf. Die elektrische Größe 26, 28 ist beispielsweise als Nernstspannung UN zwischen den Nernstelektroden 76, 78 der Nernstzelle 68, als Pumpstrom IP oder eine Pumpspannung zwischen den Pumpelektroden 70, 72 der Pumpzelle 66 ausgebildet. Die Nernstspannung UN wird vorzugsweise gemessen. Die Pumpspannung 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 UN, insbesondere sodass in dem Messbereich 69 ein Verbrennungsluftverhältnis von 1 vorliegt. Der Pumpstrom IP 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 insbesondere eine Betriebsparameteränderung 90, in welcher der Betriebsparameter des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 eingestellt wird. Optional wird in der Betriebsparameteränderung 90 zusätzlich ein Betriebspunktwechsel des Brennstoffumsetzungssystems 12 durchgeführt. Alternativ wird das Verfahren bei einem stationären Betriebspunkt des Brennstoffumsetzungssystems 12 durchgeführt. 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. Der Erfassungsschritt 14 wird bei zumindest zwei verschiedenen aktiven Einstellungen des Betriebsparameters des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 durchgeführt. Das Prozessfluid 16 ist insbesondere der Brennstoff oder das Abgas. Die Einstellung des Betriebsparameters führt die Steuer- oder Regeleinheit 32 insbesondere in der Betriebsparameteränderung 90 aus. In einem Durchlauf der Betriebsparameteränderung 90 stellt die Steuer- oder Regeleinheit 32 als Betriebsparameter die Temperatur des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 auf einen Wert ein. In dem Erfassungsschritt 14 erfasst der Sensor 18 und/oder der weitere Sensor 20 den Fluidparameter bei der Einstellung der Temperatur. Bei einem weiteren Durchlauf der Betriebsparameteränderung 90 stellt die Steuer- oder Regeleinheit 32 als Betriebsparameter die Temperatur des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 auf einen weiteren Wert ein, der unterschiedlich ist von dem Wert des Durchlaufs der Betriebsparameteränderung 90. Bei einer Ausgestaltung des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 mit mehreren voneinander unabhängigen Messbereichen 69 oder mit mehreren Sensoren 18 und/oder mehreren weiteren Sensoren 20 kann der Durchlauf und der weitere Durchlauf der Betriebsparameteränderung 90 und zugehörige Erfassungsschritte 14 parallel, d.h. insbesondere zeitlich überlappend, ausgeführt werden. Insbesondere bei einer Ausgestaltung des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 mit einem einzelnen Messbereich 69 erfolgen der Durchlauf und der weitere Durchlauf der Betriebsparameteränderung 90 und der dazugehörige Erfassungsschritt 14 sequentiell.
  • Bei unterschiedlichen Einstellungen der Temperatur des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 nimmt insbesondere eine Diffusionsgeschwindigkeit der Bestandteile 24 des untersuchten Prozessfluids 16 durch die Diffusionsbarriere 82 und/oder durch die Schutzschicht 84 unterschiedliche Werte an. Ein Diffusionskoeffizient der Bestandteile 24 hängt neben der Temperatur insbesondere von der molaren Masse der Bestandteile 24 und insbesondere von einem Teilchendurchmesser der Bestandteil 24 ab. Der Teilchendurchmesser der Bestandteile 24 des, insbesondere reformierten, Brennstoffs und/oder des Abgases variiert insbesondere zwischen 2,3 pm für Wasserstoff H2 und 3,8 pm für Methan CH4 und Kohlenstoffmonoxid CO. Die molare Masse der Bestandteile 24 variiert insbesondere zwischen 2 (g/mol)3 für Wasserstoff H2 und 44 (g/mol)3 für Kohlenstoffdioxid. Durch die unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten der Bestandteile 24 des untersuchten Prozessfluids 16 stellt sich in dem Messbereich 69 insbesondere eine temperaturabhängige Konzentration ein. Durch die unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten der Bestandteile 24 des untersuchten Prozessfluids 16 stellt sich in der Pumpzelle 66 insbesondere die temperaturabhängige Nernstspannung UN, die Pumpspannung und/oder der Pumpstrom IP temperaturabhängig ein. Durch die unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten der Bestandteile 24 gibt der Sensor 18 und/oder der weitere Sensor 20 die temperaturabhängigen Sensorsignale 21, 23 aus.
  • In dem Auswerteschritt 92 bringt die Auswerteeinheit 60 die temperaturabhängigen Sensorsignale 21, 23 insbesondere in Zusammenhang mit den molaren Massen der Bestandteile 24, um als Fluidparameter einen jeweiligen Anteil der Bestandteile 24 in dem Prozessfluid 16 zu ermitteln. Der Erfassungsschritt 14 und insbesondere die Betriebsparameteränderung 90 werden bei zumindest einer Einstellung des Betriebsparameters pro zu erfassenden Bestandteil 24 des Prozessfluids 16 durchgeführt. In dem Auswerteschritt 92 werden die Sensorsignale 21, 23 des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 bei den zumindest zwei Einstellungen mit einer Referenz 22 verglichen, um den Fluidparameter und/oder den zumindest einen Prozessparameter des Brennstoffumsetzungssystems 12 zu ermitteln. Die Referenz 22 umfasst insbesondere Kennlinien, welche die temperaturabhängigen Sensorsignale 21, 23 in Abhängigkeit von Anteilen der Bestandteile 24 in dem Prozessfluid 16 angeben. Insbesondere ermittelt die Auswerteeinheit 60 die Anteile der Bestandteile 24 in Abhängigkeit von den temperaturabhängigen Sensorsignalen 21, 23. Optional verarbeitet die Auswerteeinheit 60 die ermittelten Anteile der Bestandteile 24 zu dem Prozessparameter.
  • Optional werden die Sensorsignale 21, 23 des Sensors 18 und/oder des weiteren Sensors 20 bei zumindest einer der Einstellungen 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 einen 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 der Einstellungen der Temperatur überwacht, um den Prozessparameter des Brennstoffumsetzungssystems 12 indirekt zu regeln, insbesondere ohne den Prozessparameter zu ermitteln.
  • Beispielsweise wird der Sensor 18 dazu verwendet, die noch oxidierbaren Bestandteile 24 des als Abgas ausgebildeten Prozessfluids 16 zu ermitteln. Das Abgas umfasst insbesondere Kohlenstoffmonoxid CO und/oder Wasserstoff H2 als oxidierbare Bestandteile 24. Der Erfassungsschritt 14 wird bei zumindest zwei Einstellungen der Temperatur des Sensors 18 ausgeführt. Optional berücksichtigt die Auswerteeinheit 60 zusätzlich eine Restmenge eines Kohlenwasserstoffs HC, insbesondere Methan CH4, als möglichen Bestandteil 24 des Abgases. In diesem Fall wird der Erfassungsschritt 14 bei zumindest drei Einstellungen der Temperatur des Sensors 18 ausgeführt. Bei den Einstellungen der Temperatur des Sensors 18 wird die mit den Bestandteilen 24 des Prozessfluids 16 verknüpfte elektrische Größe 26, insbesondere eine Stärke des Pumpstroms IP, gemessen, um die oxidierbaren Bestandteile 24 des Prozessfluids 16 zu ermitteln. Vorzugsweise wird die Pumpelektrode 70 durch die Sensorsteuer- oder Regeleinheit auf einen relativ zu der weiteren Pumpelektrode 72 negative Pumpspannung in Abhängigkeit von der Nernstspannung UN eingestellt.
  • Vorzugsweise wird der weitere Sensor 20 in analoger Weise verwendet, um die oxidierbaren Bestandteile 24 des als Brennstoff ausgebildeten Prozessfluids 16 zu ermittelt. Der, insbesondere reformierte, Brennstoff umfasst insbesondere Kohlenstoffmonoxid CO, Wasserstoff H2 und/oder Methan CH4 als oxidierbare Bestandteile 24. Der Erfassungsschritt 14 wird vorzugsweise bei zumindest drei Einstellungen der Temperatur des weiteren Sensors 20 ausgeführt. Die Auswerteeinheit 60 ermittelt vorzugsweise den Prozessparameter, insbesondere die Brennstoffnutzung, durch einen Vergleich der oxidierbaren Bestandteile 24 in dem Brennstoff mit den noch oxidierbaren Bestandteilen 24 des Abgases.
  • Beispielsweise wird der weitere Sensor 20 dazu verwendet, die bereits vollständig oxidiert vorliegenden Bestandteile 24 des als Brennstoff ausgebildeten Prozessfluids 16 zu ermitteln. Der Brennstoff umfasst als vollständig oxidiert vorliegende Bestandteile 24 insbesondere Wasser H2O und/oder Kohlenstoffdioxid CO2. Der Erfassungsschritt 14 wird vorzugsweise bei zumindest zwei Einstellungen der Temperatur des weiteren Sensors 20 ausgeführt.
  • Bei den Einstellungen der Temperatur des weiteren Sensors 20 wird ein mit einem Bestandteil 24 des Prozessfluids 16 verknüpfter elektrischer Stromfluss, insbesondere der Pumpstrom IP, auf einen Maximalwert eingestellt, um die bereits vollständig oxidierten Bestandteile 24 des Prozessfluids 16 zu ermitteln. Vorzugsweise wird die Pumpelektrode 70 von der Sensorsteuer- oder Regeleinheit auf eine relativ zu der weiteren Pumpelektrode 72 positive Pumpspannung eingestellt, insbesondere unabhängig von der Nernstspannung UN. Insbesondere werden die bereits vollständig oxidierten Bestandteile 24 an der weiteren Pumpelektrode 72 reduziert. Die Pumpspannung wird insbesondere auf einen Wert eingestellt, bei welchem der Maximalwert des Pumpstroms IP auftritt, welcher insbesondere durch einen Diffusionsgrenzstrom von sauerstoffhaltigen Bestandteile 24 des untersuchten Prozessfluids 16 durch die Diffusionsbarriere 82 gegeben ist. Die Auswerteeinheit 60 ermittelt insbesondere in Abhängigkeit von dem sich einstellenden Maximalwert des Pumpstroms IP eine Konzentration der bereits vollständig oxidierten Bestandteile 24 in dem Brennstoff. Vorzugsweise wird die Pumpspannung, um den Maximalwert zu erreichen, iterativ ermittelt. Insbesondere erhöht die Sensorsteuer- oder Regeleinheit die Pumpspannung in vorgegebene Schritte, bis ein Wert des Pumpstroms IP sich um weniger als einen Mindestwert ändert. Alternativ oder zusätzlich als Vorsteuerwert stellt die Sensorsteuer- oder Regeleinheit die Pumpspannung auf in einem Speicher der Sensorsteuer- oder Regeleinheit hinterlegte, insbesondere temperaturabhängige, Spannungswerte ein, mit welchen der Maximalwert erreicht wird. Insbesondere ermittelt die Auswerteeinheit 60 durch eine Zusammenschau der oxidierbaren Bestandteile 24 des Brennstoffs und der bereits vollständig oxidierten Bestandteile 24 des Brennstoffs ein Sauerstoff-Kohlenstoffverhältnis des Brennstoffumsetzungssystems 12.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffumsetzungssystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, wobei in einem Erfassungsschritt (14) zumindest 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 der Erfassungsschritt (14) bei zumindest zwei verschiedenen aktiven Einstellungen eines Betriebsparameters des Sensors (18, 20) durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt als Betriebsparameter eine Temperatur des Sensors (18, 20) auf zumindest zwei unterschiedliche Werte eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt Sensorsignale (21, 23) des Sensors (18, 20) bei den zumindest zwei Einstellungen mit einer Referenz (22) verglichen werden, um den Fluidparameter und/oder einen Prozessparameter des Brennstoffumsetzungssystems zu ermitteln.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsschritt (14) bei zumindest einer Einstellung des Betriebsparameters pro zu erfassenden Bestandteil (24) des Prozessfluids (16) durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einer der Einstellungen eine mit einem Bestandteil (24) des Prozessfluids (16) verknüpfte elektrische Größe (26, 28) gemessen wird, um den zumindest einen Bestandteil (24) des Prozessfluids (16) zu ermitteln.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einer der Einstellungen ein mit einem Bestandteil (24) des Prozessfluids (16) verknüpfter elektrischer Stromfluss auf einen Maximalwert eingestellt wird, um den zumindest einen Bestandteil (24) des Prozessfluids (16) zu ermitteln.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine elektrische Spannung, um den Maximalwert zu erreichen, iterativ ermittelt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Bestandteil (24) des Prozessfluids (16) mittels der Einstellungen überwacht wird, um einen Prozessparameter des Brennstoffumsetzungssystems indirekt zu regeln.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt Sensorsignale (21, 23) des Sensors (18, 20) bei zumindest einer der Einstellungen mittels eines maschinellen Lernprozesses (30) ausgewertet werden.
  10. 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.
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