DE102021208636A1

DE102021208636A1 - Verfahren zu einem Regulieren einer Stacktemperatur eines Brennstoffzellen-stacks in einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung, Recheneinheit

Info

Publication number: DE102021208636A1
Application number: DE102021208636.5A
Authority: DE
Inventors: Martin Hering; Maxime Carre
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-08-09
Filing date: 2021-08-09
Publication date: 2023-02-09
Also published as: WO2023017187A1; GB202319813D0; GB2622994A

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren (50) zu einem Regulieren einer Stacktemperatur eines Brennstoffzellenstacks (12) in einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), wobei in zumindest einem Verfahrensschritt die Stacktemperatur aus einer Kathodenausgangstemperatur genähert wird.Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Stacktemperatur mittels einer Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack (12) reguliert wird, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt eine benötigte Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack (12) zumindest teilweise aus einer Enthalpieflussrate der Luft (42) zu dem Brennstoffzellenstack (12) ermittelt wird.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits ein Verfahren zu einem Regulieren einer Stacktemperatur eines Brennstoffzellenstacks in einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt die Stacktemperatur aus einer Kathodenausgangstemperatur genähert wird, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zu einem Regulieren einer Stacktemperatur eines Brennstoffzellenstacks in einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt die Stacktemperatur aus einer Kathodenausgangstemperatur genähert wird.
Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Stacktemperatur mittels einer Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack reguliert wird, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt eine benötigte Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack zumindest teilweise aus einer, insbesondere molaren, Enthalpieflussrate der Luft zu dem Brennstoffzellenstack ermittelt wird.
Unter einer „Brennstoffzellenvorrichtung“ soll insbesondere zumindest ein Teil, insbesondere eine Unterbaugruppe, eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, verstanden werden. Insbesondere kann die Brennstoffzellenvorrichtung auch die gesamte Brennstoffzelle, insbesondere das gesamte Brennstoffzellensystem, umfassen. Vorzugsweise ist die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest als ein Teil einer Hochtemperaturbrennstoffzelle, insbesondere Hochtemperaturfestoxidbrennstoffzelle, kurz SOFC, insbesondere als Hochtemperaturfestoxidbrennstoffzellensystem, ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung zumindest einen Brennstoffzellenstack, welcher dazu ausgebildet ist, ein Brenngas und Sauerstoff reagieren zu lassen zu einem Erzeugen von elektrischer Energie. Die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung kann mehrere wie beispielsweise zwei, drei, vier oder dergleichen Brennstoffzellenstacks aufweisen. Vorzugsweise umfasst jeder Brennstoffzellenstack zumindest eine Brennstoffzelle, welche insbesondere zu einem elektrochemischen Umsetzen von Brennstoff, insbesondere Brenngas, vorgesehen ist zu einem Erzeugen von elektrischer Energie. Vorzugsweise sind alle Brennstoffzellen gleich geformt, insbesondere gleich dimensioniert, ausgebildet. Vorzugsweise umfasst jede Brennstoffzelle zumindest eine Anode. Vorzugsweise umfasst jede Brennstoffzelle zumindest eine Kathode. Vorzugsweise umfasst jede Brennstoffzelle zumindest einen Elektrolyt, welcher zwischen der zumindest einen Anode und der zumindest einen Kathode angeordnet ist. Vorzugsweise ist der zumindest eine Elektrolyt mit der zumindest einen Anode und der zumindest einen Kathode verbunden. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung eine Recheneinheit, welche zu einem Steuern und/oder Regeln von Bauteilen der Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen ist. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung eine Luftstromeinheit, welche zu einem Zuführen von Luft zu dem zumindest einen Brennstoffzellenstack und zu einem Zuführen von Brennstoff, insbesondere Brenngas, zu dem zumindest einen Brennstoffzellenstack, vorgesehen ist. Unter „vorgesehen“ soll vorzugsweise speziell eingerichtet, speziell ausgebildet, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll vorzugsweise verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung eine Reformereinheit. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere in allen Verfahrensschritten, der Brennstoff reformiert.
Vorzugsweise ist das Verfahren dazu entworfen, ein stationary-feed-forward Kontrollmodell für die Stacktemperatur des zumindest einen Brennstoffzellenstacks bereitzustellen. Vorzugsweise ist das Verfahren dazu entworfen, die Stacktemperatur zu regulieren, indem in einem ersten Verfahrensabschnitt eine für eine bestimmte, insbesondere gewünschte, Stacktemperatur benötigte Luftzufuhrrate von Luft einer bestimmten Temperatur, wie insbesondere vorgeheizter Umgebungstemperatur, wie beispielsweise 450°C, 500°C, 524°C, 550°C oder dgl., ermittelt, insbesondere berechnet, wird und in einem weiteren Verfahrensabschnitt die benötigte Luftzufuhrrate, insbesondere über die Luftstromeinheit, eingestellt wird. Vorzugsweise ist in zumindest einem Verfahrensschritt, bevorzugt in allen Verfahrensschritten, die Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack circa zehnmal größer als eine Brenngaszufuhrrate des Brennstoffs zu dem zumindest einen Brennstoffzellenstack. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Stacktemperatur zumindest zum Großteil mittels der Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack reguliert, insbesondere durch ein Einstellen der Luftstromeinheit.
Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt ein Enthalpieflussgleichgewicht für den zumindest einen Brennstoffzellenstack ermittelt, insbesondere zumindest über den Enthalpiefluss der Luft zu dem zumindest einen Brennstoffzellenstack, insbesondere zumindest über einen Enthalpiefluss des Brennstoffs zu dem zumindest einen Brennstoffzellenstack, insbesondere zumindest über einen Enthalpiefluss der Abluft aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack, insbesondere zumindest über einen Enthalpiefluss des Brennstoffs aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack, insbesondere zumindest über eine erzeugte elektrische Leistung durch die Brennstoffzelle und insbesondere zumindest über eine Wärmeverlustleistung des zumindest einen Brennstoffzellenstacks.
Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt eine aktuelle Stacktemperatur durch eine Messung der Temperatur der Abluft aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack genähert. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die aktuelle Stacktemperatur gleich der Temperatur der Abluft aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack gesetzt. Alternativ kann in zumindest einem Verfahrensschritt die aktuelle Stacktemperatur gleich der Temperatur des Abbrennstoffs aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack gesetzt.
Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Luft dem zumindest einen Brennstoffzellenstack an der zumindest einen Kathode zugeführt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt das Brenngas dem zumindest einen Brennstoffzellenstack an der zumindest einen Anode zugeführt.
Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Enthalpieflussrate der Luft zu dem Brennstoffzellenstack aus einer Enthalpieflussrate für Stickstoff und einer Enthalpieflussrate für Sauerstoff ermittelt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Enthalpieflussrate für Stickstoff (h_N2in) der Luft zu dem Brennstoffzellenstack durch lineare Näherung ermittelt, insbesondere als Funktion der Temperatur, bevorzugt mit R²=0,99, wobei R² für die Summe der quadrierten Residuen steht. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Enthalpieflussrate (h_O2in) für Sauerstoff der Luft zu dem Brennstoffzellenstack durch lineare Näherung ermittelt, insbesondere als Funktion der Temperatur, bevorzugt mit R²=0,99. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Enthalpieflussrate der Luft zu dem Brennstoffzellenstack per Hdot_{Luft_Stack_in}=Vdot_{Luft_Stack_in} * (x_O2 * h_O2in + (1 - x_O2) * h_N2in) ermittelt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt der Volumenfluss (Vdot_{Luft_Stack_in}) der Luft zu dem Brennstoffzellenstack gemessen, insbesondere an der Luftstromeinheit. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt der Sauerstoffanteil (x_O2) und/oder der Stickstoffanteil (x_N2) in Luft ermittelt.
Vorzugsweise ist in zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere in allen Verfahrensschritten, die Enthalpieflussrate für Stickstoff der Abluft aus dem Brennstoffzellenstack über die zumindest eine Kathode erhalten. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Enthalpieflussrate für Stickstoff der Abluft aus dem Brennstoffzellenstack durch lineare Näherung ermittelt, insbesondere als Funktion der Temperatur, bevorzugt mit R²=0,99. Vorzugsweise ist in zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere in allen Verfahrensschritten, die Enthalpieflussrate für Sauerstoff der Abluft aus dem Brennstoffzellenstack über die zumindest eine Kathode nicht erhalten, insbesondere reduziert. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Enthalpieflussrate für Sauerstoff der Abluft aus dem Brennstoffzellenstack durch lineare Näherung ermittelt, insbesondere als Funktion der Temperatur, bevorzugt mit R²=0,99. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Enthalpieflussrate der Abluft aus dem Brennstoffzellenstack per Hdot_{Luft_Stack_out}=Vdot_{Luft_Stack_in} * (x_O2 * h_O2out + (1 - x_O2) * h_N2out) - i_Stack * n_cells * V_Norm * 60 / (4 * Faradaykonstante) ermittelt, wobei V_Norm das molare Volumen bei Standardbedingungen von 22.41 Liter/mol bezeichnet.
Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Enthalpieflussrate des Brennstoffs aus dem Brennstoffzellenstack aus jeweiligen Enthalpieflussraten für die Hauptbestandteile des Brennstoffs ermittelt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt das Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis über die Anode ermittelt, insbesondere gemessen. Vorzugsweise ist in zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere in allen Verfahrensschritten, das Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis über die Anode konstant. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt das Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis über die Anode ermittelt, insbesondere gemessen. Vorzugsweise ist in zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere in allen Verfahrensschritten, das Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis über die Anode konstant. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt eine Reformertemperatur ermittelt, insbesondere gemessen. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt der Volumenfluss an Abbrennstoff aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack ermittelt, insbesondere gemessen. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Temperatur von Abbrennstoff aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack ermittelt, insbesondere gemessen. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Enthalpieflussrate von Abbrennstoff aus dem Brennstoffzellenstack über eine Gaszusammensetzung des Abbrennstoffs aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack ermittelt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt für jede molare Konzentration der Gaszusammensetzung ein thermodynamisches chemisches Gleichgewicht durch quadratische Regressionsgleichungen ermittelt, beispielsweise für Methan, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und/oder Wasser, insbesondere mit R²>0,964.
Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Enthalpieflussrate des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellenstack aus jeweiligen Enthalpieflussraten für die Hauptbestandteile des Brennstoffs ermittelt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt das Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis hinter der Anode ermittelt, insbesondere gemessen. Vorzugsweise ist in zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere in allen Verfahrensschritten, das Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis hinter der Anode konstant. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt das Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis hinter der Anode ermittelt, insbesondere gemessen. Vorzugsweise ist in zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere in allen Verfahrensschritten, das Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis hinter der Anode konstant. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt eine Reformertemperatur ermittelt, insbesondere gemessen. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt der Volumenfluss an Brennstoff zu dem zumindest einen Brennstoffzellenstack ermittelt, insbesondere gemessen. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Temperatur von Abbrennstoff aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack ermittelt, insbesondere gemessen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens kann vorteilhaft ein Risiko einer Überhitzung oder Unterkühlung des zumindest einen Brennstoffzellenstacks abgemindert werden, insbesondere während vorübergehender Leistungsphasen, insbesondere gegenüber klassischen closed-loop-control Modellen. Es kann eine vorteilhaft genaue Ermittlung der benötigen Zufuhrrate für Luft zu dem zumindest einen Brennstoffzellenstack zu einem vorteilhaft genauen Einstellen der Stacktemperatur erreicht werden, insbesondere unabhängig von einem Zustand des Brennstoffzellenstacks, wie beispielsweise einer aktuellen Stackdegradation, einer aktuellen Stacktemperatur oder einer aktuellen elektrischen Leistung. Es kann eine vorteilhaft genaue Einstellung der Stacktemperatur erreicht werden, insbesondere unabhängig von einer thermischen Masse des Brennstoffzellenstacks, insbesondere gegenüber klassischen Feedback-Modellen. Insbesondere kann eine vorteilhaft auf eine Dynamik der Brennstoffzellenvorrichtung abgestimmte, genaue Einstellung der Stacktemperatur erreicht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die benötigte Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack zumindest teilweise aus einer, insbesondere der bereits genannten, insbesondere molaren, Enthalpieflussrate der Abluft aus dem Brennstoffzellenstack ermittelt wird. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Enthalpieflussrate der Abluft aus dem Brennstoffzellenstack aus einer Enthalpieflussrate für Stickstoff und einer Enthalpieflussrate für Sauerstoff ermittelt. Vorzugsweise ist in zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere in allen Verfahrensschritten, die Enthalpieflussrate für Stickstoff der Abluft aus dem Brennstoffzellenstack über die zumindest eine Kathode erhalten. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Enthalpieflussrate für Stickstoff der Abluft aus dem Brennstoffzellenstack durch lineare Näherung ermittelt, insbesondere als Funktion der Temperatur, bevorzugt mit R²=0,99. Vorzugsweise ist in zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere in allen Verfahrensschritten, die Enthalpieflussrate für Sauerstoff der Abluft aus dem Brennstoffzellenstack nicht über die zumindest eine Kathode erhalten. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Enthalpieflussrate für Sauerstoff der Abluft aus dem Brennstoffzellenstack durch lineare Näherung ermittelt, insbesondere als Funktion der Temperatur, bevorzugt mit R²=0,99. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Enthalpieflussrate der Abluft aus dem Brennstoffzellenstack per Hdot_{Luft_Stack_out}=Vdot_{Luft_Stack_in} * (x_O2 * ho_2out + (1 - x_O2) * h_N2out) - i_Stack * n_cells * V_Norm * 60 / (4 * Faradaykonstante) ermittelt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Enthalpieflussrate für Sauerstoff der Abluft aus dem Brennstoffzellenstack durch lineare Näherung ermittelt, insbesondere als Funktion der Temperatur, bevorzugt mit R²=0,99. Es kann eine vorteilhaft genaue Bestimmung der Enthalpieflussrate der Abluft aus dem Brennstoffzellenstack erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die benötigte Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack zumindest teilweise aus einer elektrischen Leistung, die insbesondere von dem Brennstoffzellenstack erzeugt wird, ermittelt wird. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die aktuell erzeugte elektrische Leistung des zumindest einen Brennstoffzellenstacks ermittelt, insbesondere gemessen, bevorzugt berechnet. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die aktuell erzeugte elektrische Leistung des zumindest einen Brennstoffzellenstacks aus der Anzahl an Brennstoffzellen des zumindest einen Brennstoffzellenstacks, der Spannung der einzelnen Brennstoffzellen des zumindest einen Brennstoffzellenstacks und der Stromstärke der einzelnen Brennstoffzellen des zumindest einen Brennstoffzellenstacks ermittelt, insbesondere berechnet. Es kann eine vorteilhaft genaue Bestimmung der benötigten Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack erreicht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack zumindest teilweise aus einer Wärmeverlustflussrate des Brennstoffzellenstacks ermittelt wird. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Wärmeverlustflussrate des Brennstoffzellenstacks durch lineare Regression, insbesondere in Bezug auf die Umgebungstemperatur des zumindest einen Brennstoffzellenstacks, ermittelt. Es kann eine vorteilhafte Korrektur des Enthalpiegleichgewichtes des zumindest einen Brennstoffzellenstacks um die Verlustwärme erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack zumindest teilweise aus einer Temperaturänderungsrate der Abluft aus dem Brennstoffzellenstack ermittelt wird. Vorzugsweise ist das Verfahren dazu entworfen, ein dynamic-feed-forward Kontrollmodell für die Stacktemperatur des zumindest einen Brennstoffzellenstacks bereitzustellen. Es kann ein vorteilhaftes dynamic-feed-forward Kontrollmodell für die Stacktemperatur des zumindest einen Brennstoffzellenstacks erreicht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Enthalpieflussrate von Brennstoff zu dem Brennstoffzellenstack über eine Gaszusammensetzung ermittelt wird, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt für jede molare Konzentration der Gaszusammensetzung ein thermodynamisches chemisches Gleichgewicht durch quadratische Regressionsgleichungen ermittelt wird. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt für jede molare Konzentration der Gaszusammensetzung des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellenstack ein thermodynamisches chemisches Gleichgewicht durch quadratische Regressionsgleichungen ermittelt, beispielsweise für Methan, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und/oder Wasser, insbesondere als Funktion der Temperatur, bevorzugt mit R²≧0,994. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt für jede molare Konzentration der Gaszusammensetzung des Abbrennstoffs aus dem Brennstoffzellenstack ein thermodynamisches chemisches Gleichgewicht durch quadratische Regressionsgleichungen ermittelt, beispielsweise für Methan, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und/oder Wasser, insbesondere als Funktion der Temperatur, bevorzugt mit R²>0,964. Es kann eine vorteilhaft genaue Bestimmung der Enthalpieflussrate von Brennstoff zu dem Brennstoffzellenstack erreicht werden und damit eine besonders vorteilhaft genaue Bestimmung der benötigten Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack.
Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine Massenerhaltungsgleichung als Randbedingung zum Ermitteln der Gaszusammensetzung verwendet wird. Es kann eine vorteilhafte Verbesserung einer Güte einer, insbesondere quadratischen, Regression, auf insbesondere R²≧0.998, erreicht werden. Es kann eine vorteilhaft schnelle Bestimmung der Gaszusammensetzung bei dem Ermitteln der Enthalpieflussrate des Abbrennstoffs aus dem Brennstoffzellenstack und/oder des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellenstack erreicht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine molare Enthalpieflussrate von Abbrennstoff aus dem Brennstoffzellenstack mittels NASA-Polynome oder mittels linearer Regression ermittelt wird. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt eine molare Enthalpieflussrate von Brennstoff zu dem Brennstoffzellenstack mittels NASA-Polynome oder mittels linearer Regression ermittelt. Es kann eine vorteilhaft schnelle Bestimmung der molaren Enthalpieflussrate von den Bestandteilen des Abbrennstoffs und/oder des Brennstoffs erreicht werden.
Darüber hinaus wird eine Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen mit zumindest einer Recheneinheit zu einem Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Vorzugsweise ist die Recheneinheit mit den einzelnen Bauteilen der Brennstoffzellenvorrichtung, wie der Luftstromeinheit, der Reformereinheit und/oder dem zumindest einen Brennstoffzellenstack, verbunden, insbesondere zum Steuern und/der Regeln der Bauteile. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung eine Sensoreinheit, welche insbesondere Temperatursensoren, Gasanalysesensoren und/oder Luftstromsensoren umfasst. Es kann eine vorteilhaft gesteuerte, insbesondere automatisierte, Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden.
Darüber hinaus wird eine Recheneinheit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen. Die Recheneinheit umfasst insbesondere einen Prozessor und/oder eine Prozessoreinheit, eine Speichereinheit, und ein in der Speichereinheit gespeichertes Betriebs-, Steuer- und/oder Berechnungsprogramm. Es kann eine vorteilhafte Feed-Forward Struktur für das Regulieren der Stacktemperatur implementiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung und/oder die erfindungsgemäße Recheneinheit sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung und/oder die erfindungsgemäße Recheneinheit 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 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 Ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung, welche eine erfindungsgemäße Recheneinheit aufweist, in einer schematischen Darstellung,
2 die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung in einer schematischen Darstellung und
3 das erfindungsgemäße Verfahren in einer schematischen Darstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine Brennstoffzellenvorrichtung 10. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 ist eine Unterbaugruppe 98 eines Brennstoffzellensystems 100.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst beispielsweise einen Brennstoffzellenstack 12. Der Brennstoffzellenstack 12 ist dazu ausgebildet, ein Brenngas 24 und Sauerstoff reagieren zu lassen zu einem Erzeugen von elektrischer Energie, insbesondere Leistung 26. Der Brennstoffzellenstack 12 umfasst beispielhaft hier nur eine Brennstoffzelle 14. Die Brennstoffzelle 14 ist zu einem elektrochemischen Umsetzen von Brennstoff 22, insbesondere Brenngas 24, vorgesehen zu einem Erzeugen von elektrischer Leistung 26.
Die als Beispiel gezeigte Brennstoffzelle 14 umfasst eine Anode 16. Die Brennstoffzelle 14 umfasst eine Kathode 18. Die Brennstoffzelle 14 umfasst einen Elektrolyt 20. Der Elektrolyt 20 ist zwischen der Anode 16 und der Kathode 18 angeordnet. Der Elektrolyt 20 ist mit der Anode 16 und der Kathode 18 verbunden.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst eine Luftstromeinheit 30. Die Luftstromeinheit 30 ist zu einem Zuführen von Luft 42 zu dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12 ausgebildet. Die Luftstromeinheit 30 ist zu einem Zuführen von Brennstoff 22, insbesondere Brenngas 24, zu dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12 vorgesehen. Beispielsweise umfasst die Luftstromeinheit 30 eine Pumpe, ein Gebläse, einen Ventilator oder dgl. zu einem Bewegen von Gasen. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst eine Reformereinheit 32.
Die Reformereinheit 32 ist zu einem Reformieren des Brennstoffs 22, insbesondere des Brenngases 24, ausgebildet. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst eine Sensoreinheit 34, welche insbesondere Temperatursensoren, Gasanalysesensoren und/oder Luftstromsensoren umfasst, insbesondere zu einem Messen von Temperaturen, Volumenströmen und/oder Gaszusammensetzungen. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst eine Wärmetauschereinheit 36 zu einem Temperieren von Luft 42, welche dem Brennstoffzellenstack 12 zugeführt ist, und zu einem Temperieren des Brennstoffs 22, welcher dem Brennstoffzellenstack 12 zugeführt ist.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst eine Nachbrennereinheit 38 zu einem Verbrennen von Brenngasrückständen. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst eine Rezirkulierleitung 40 zu einem Rezirkulieren von Brenngasrückständen in eine Brenngasleitung.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst eine Recheneinheit 28. Die Recheneinheit 28 ist zu einem Steuern und/oder Regeln von Bauteilen der Brennstoffzellenvorrichtung 10 vorgesehen. Die Recheneinheit 28 ist zu einem Durchführen eines im Folgenden noch zu beschreibenden Verfahrens 50 vorgesehen.
Die Recheneinheit 28 ist mit den einzelnen Bauteilen der Brennstoffzellenvorrichtung 10, wie der Luftstromeinheit 30, der Reformereinheit 32, der Sensoreinheit 34 und/oder dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12, verbunden, insbesondere zum Steuern und/der Regeln der Bauteile.
Die Recheneinheit 28 umfasst insbesondere einen Prozessor und/oder eine Prozessoreinheit, eine Speichereinheit und ein in der Speichereinheit gespeichertes Betriebs-, Steuer- und/oder Berechnungsprogramm.
2 zeigt schematisch den Brennstoffzellenstack 12, insbesondere die Brennstoffzelle 14, als Diagramm der verschiedenen Energieströme, insbesondere Enthalpieflussraten, elektrischer Leistung 26, Wärmeverlustflussrate und Gasströme. Die Luft 42 fließt in die Brennstoffzelle 14, insbesondere Kathode 18. Das Brenngas 24 fließt in die Brennstoffzelle 14, insbesondere Anode 16. Ein Abbrennstoff 44 fließt aus der Brennstoffzelle 14, insbesondere Anode 16. Abluft 46 fließt aus der Brennstoffzelle 14, insbesondere Kathode 18. Eine Abwärme, insbesondere eine Wärmeverlustleistung 48, entweicht der Brennstoffzelle 14. Die Brennstoffzelle 14 erzeugt die elektrische Energie, insbesondere die elektrische Leistung 26.
3 zeigt schematisiert ein Verfahren 50 zu einem Regulieren einer Stacktemperatur des Brennstoffzellenstacks 12 in einer Brennstoffzellenvorrichtung 10.
Vorzugsweise ist das Verfahren 50 als ein Dauerverfahren ausgebildet, in welchem die Verfahrensschritte des Verfahrens 50 wiederholt und/oder parallel ablaufen. Das Verfahren 50 ist dazu entworfen, ein stationary-feed-forward Kontrollmodell für die Stacktemperatur des Brennstoffzellenstacks 12 bereitzustellen. 3 zeigt nur eine von vielen möglichen Reihenfolgen einzelner Verfahrensschritte oder Verfahrensabschnitte 52, 54 des Verfahrens 50 als Beispiel. Verfahrensabschnitte 52, 54 sind hier beispielsweise von mehreren, insbesondere eng verknüpften, Verfahrensschritten gebildet.
Das Verfahren 50 ist dazu entworfen, die Stacktemperatur zu regulieren, indem in einem ersten Verfahrensabschnitt 52 eine für eine bestimmte, insbesondere gewünschte, Stacktemperatur benötigte Luftzufuhrrate von Luft 42 einer bestimmten Temperatur, wie insbesondere erhöhter Umgebungstemperatur, beispielsweise 550°C, ermittelt, insbesondere berechnet, wird und in einem weiteren Verfahrensabschnitt 54 die benötigte Luftzufuhrrate, insbesondere über die Luftstromeinheit 30, eingestellt wird.
Über alle Verfahrensschritte hinweg ist die Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack 12 circa zehnmal größer als eine Brenngaszufuhrrate des Brennstoffs 22 zu dem Brennstoffzellenstack 12. Über alle Verfahrensschritte hinweg wird der Brennstoff 22 kontinuierlich reformiert. Über alle Verfahrensschritte hinweg wird die Stacktemperatur kontinuierlich zumindest zum Großteil mittels der Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack 12 reguliert, insbesondere durch ein Einstellen der Luftstromeinheit 30.
Über alle Verfahrensschritte hinweg wird die Luft 42 dem Brennstoffzellenstack 12 an der Kathode 18 zugeführt. Über alle Verfahrensschritte hinweg wird der Brennstoff 22, insbesondere das Brenngas 24, dem Brennstoffzellenstack 12 an der Anode 16 zugeführt. Über alle Verfahrensschritte hinweg wird die Stacktemperatur mittels der Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack 12 reguliert.
In zumindest einem Verfahrensabschnitt 52, insbesondere einem Kalkulierabschnitt 56, wird ein Enthalpieflussgleichgewicht für den Brennstoffzellenstack 12 ermittelt, insbesondere über einen Enthalpiefluss der Luft 42 zu dem Brennstoffzellenstack 12, über einen Enthalpiefluss des Brennstoffs 22 zu dem Brennstoffzellenstack 12, über einen Enthalpiefluss der Abluft 46 aus dem Brennstoffzellenstack 12, über einen Enthalpiefluss des Brennstoffs 22 aus dem Brennstoffzellenstack 12, über eine erzeugte elektrische Leistung 26 durch die Brennstoffzelle 14 und über eine Wärmeverlustleistung 48 des Brennstoffzellenstacks 12.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, wird eine benötigte Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack 12 zumindest teilweise aus der Enthalpieflussrate der Luft 42 zu dem Brennstoffzellenstack 12 ermittelt. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, wird die benötigte Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack 12 durch das Enthalpieflussgleichgewicht für den Brennstoffzellenstack 12 ermittelt.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem Messschritt 58, wird die Kathodenausgangstemperatur, insbesondere die Temperatur der Abluft 46, insbesondere aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12, gemessen.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem Näherungsschritt 60, wird die Stacktemperatur aus einer Kathodenausgangstemperatur genähert. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere in dem Näherungsschritt 60, wird eine aktuelle Stacktemperatur durch eine Messung der Temperatur der Abluft 46 aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12 genähert. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere in dem Näherungsschritt 60, wird die aktuelle Stacktemperatur mit der Temperatur der Abluft 46 aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12 gleichgesetzt.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem Zuluftenthalpieschritt 62, wird die Enthalpieflussrate der Luft 42 zu dem Brennstoffzellenstack 12 aus einer Enthalpieflussrate für Stickstoff und einer Enthalpieflussrate für Sauerstoff ermittelt. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Zuluftenthalpieschritt 62 oder dem Messschritt 58, wird der Sauerstoffanteil (x_O2) und/oder der Stickstoffanteil (x_N2) in Luft 42, insbesondere Zuluft, ermittelt. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Zuluftenthalpieschritt 62, wird eine Enthalpieflussrate für Stickstoff (h_N2in) der Luft 42 zu dem Brennstoffzellenstack 12 durch lineare Näherung ermittelt, insbesondere als Funktion der Temperatur, insbesondere in einem Bereich von etwa 40°C, beispielsweise zwischen 520°C und 560°C, insbesondere mit R²=0,99.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Zuluftenthalpieschritt 62, wird eine Enthalpieflussrate (h_O2in) für Sauerstoff der Luft 42 zu dem Brennstoffzellenstack 12 durch lineare Näherung ermittelt, insbesondere als Funktion der Temperatur, insbesondere in einem Bereich von etwa 40°C, beispielsweise zwischen 520°C und 560°C, insbesondere mit R²=0,99. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Zuluftenthalpieschritt 62 oder dem Messschritt 58, kann ein aktueller Volumenfluss (Vdot_{Luft_Stack_in}) der Luft 42 zu dem Brennstoffzellenstack 12 gemessen werden, insbesondere an der Luftstromeinheit 30. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Zuluftenthalpieschritt 62, wird die Enthalpieflussrate der Luft 42 zu dem Brennstoffzellenstack 12 per Hdot_{Luft_Stack_in}=Vdot_{Luft_Stack_in} * (x_O2 * h_O2in + (1 - x_O2) * h_N2in) ermittelt.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, insbesondere in einem Abluftenthalpieschritt 64, wird die benötigte Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack 12 zumindest teilweise aus einer, insbesondere der bereits genannten, Enthalpieflussrate der Abluft 46 aus dem Brennstoffzellenstack 12 ermittelt. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, insbesondere in einem Abluftenthalpieschritt 64, wird die Enthalpieflussrate der Abluft 46 aus dem Brennstoffzellenstack 12 aus einer Enthalpieflussrate für Stickstoff und einer Enthalpieflussrate für Sauerstoff ermittelt.
Über alle Verfahrensschritte hinweg ist die Enthalpieflussrate für Stickstoff der Abluft 46 aus dem Brennstoffzellenstack 12 über die zumindest eine Kathode 18 erhalten. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, insbesondere in dem Abluftenthalpieschritt 64, wird die Enthalpieflussrate für Stickstoff der Abluft 46 aus dem Brennstoffzellenstack 12 durch lineare Näherung ermittelt, insbesondere in einem Bereich von etwa 40°C, beispielsweise zwischen 590°C und 630°C, insbesondere mit R²=0,99.
Über alle Verfahrensschritte hinweg ist die Enthalpieflussrate für Sauerstoff der Abluft 46 aus dem Brennstoffzellenstack 12 über die zumindest eine Kathode 18 nicht erhalten, insbesondere durch Elektrolyttransport reduziert. Über alle Verfahrensschritte hinweg ist die Enthalpieflussrate für Sauerstoff der Abluft 46 aus dem Brennstoffzellenstack 12 gleich der vom Brennstoffzellenstack 12 erzeugten Stromstärke multipliziert mit der Anzahl an Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstack 12 multipliziert mit dem molaren Volumen unter Standardbedingungen multipliziert mit dreißig geteilt durch die Faradaykonstante.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, insbesondere in einem Abluftenthalpieschritt 64, wird die Enthalpieflussrate für Sauerstoff der Abluft 46 aus dem Brennstoffzellenstack 12 durch lineare Näherung ermittelt, insbesondere in einem Bereich von etwa 40°C, beispielsweise zwischen 590°C und 630°C, insbesondere mit R²=0,99.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, insbesondere in einem Abluftenthalpieschritt 64, wird die Enthalpieflussrate der Abluft 46 aus dem Brennstoffzellenstack 12 per Hdot_{Luft_Stack_in}=Vdot_{Luft_Stack_in} * (x_O2 * h_O2out + (1 - x_O2) * h_N2out) - i_Stack * n_cells * V_Norm * 60 / (4 * Faradaykonstante) ermittelt.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, insbesondere in einem Abbrennstoffenthalpieschritt 66, wird die benötigte Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack 12 zumindest teilweise aus einer, insbesondere der bereits genannten, Enthalpieflussrate des Abbrennstoffs 44 aus dem Brennstoffzellenstack 12 ermittelt. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, insbesondere dem Abbrennstoffenthalpieschritt 66, wird die Enthalpieflussrate des Abbrennstoffs 44 aus dem Brennstoffzellenstack 12 aus jeweiligen Enthalpieflussraten für die Hauptbestandteile des Abbrennstoffs 44 ermittelt. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, insbesondere dem Abbrennstoffenthalpieschritt 66, wird die Enthalpieflussrate von Abbrennstoff 44 aus dem Brennstoffzellenstack 12 über eine Gaszusammensetzung des Abbrennstoffs 44 aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12 ermittelt.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Abbrennstoffenthalpieschritt 66 oder dem Messschritt 58, wird das Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis über die Anode 16 ermittelt, insbesondere gemessen. Über alle Verfahrensschritte hinweg ist das Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis über die Anode 16 konstant. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Abbrennstoffenthalpieschritt 66 oder dem Messschritt 58, wird das Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis über die Anode 16 ermittelt, insbesondere gemessen. Über alle Verfahrensschritte hinweg ist das Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis über die Anode 16 konstant. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Abbrennstoffenthalpieschritt 66 oder dem Messschritt 58, wird eine Reformertemperatur, insbesondere eine Temperatur des reformierten Brennstoffs 22, ermittelt, insbesondere gemessen.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Abbrennstoffenthalpieschritt 66 oder dem Messschritt 58, wird der Volumenfluss an Abbrennstoff 44 aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12 zu der Nachbrennereinheit 38 ermittelt, insbesondere gemessen. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Abbrennstoffenthalpieschritt 66 oder dem Messschritt 58, wird der Volumenfluss an Abbrennstoff 44 aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12 durch die Rezirkulierleitung 40 ermittelt, insbesondere gemessen. Ein Rezirkulierverhältnis kann auch von vornherein bekannt sein. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Abbrennstoffenthalpieschritt 66 oder dem Messschritt 58, wird die Temperatur von Abbrennstoff 44 aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12 ermittelt, insbesondere gemessen.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Abbrennstoffenthalpieschritt 66 oder dem Messschritt 58, wird die Temperatur von Abbrennstoff 44 aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12 ermittelt, insbesondere gemessen.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Abbrennstoffenthalpieschritt 66 oder dem Messschritt 58, wird die Gaszusammensetzung des Abbrennstoffs 44 aus dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12 gemessen.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Abbrennstoffenthalpieschritt 66, wird für jede molare Konzentration der Gaszusammensetzung, insbesondere des Abbrennstoffs 44, ein thermodynamisches chemisches Gleichgewicht durch quadratische Regressionsgleichungen ermittelt, beispielsweise für Methan, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und/oder Wasser, insbesondere mit R²>0,964. Die quadratische Regression für Methan kann ausgelassen werden.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Abbrennstoffenthalpieschritt 66, wird eine Massenerhaltungsgleichung als Randbedingung für quadratische Regressionsgleichungen, insbesondere zum Ermitteln der Gaszusammensetzung des Abbrennstoffs 44, verwendet.
Über alle Verfahrensschritte hinweg bringt die Anode 16, insbesondere durch die Temperatur der Anode 16, den Brennstoff 22, insbesondere den Abbrennstoff 44, ins chemische Gleichgewicht.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Abbrennstoffenthalpieschritt 66, wird die Enthalpieflussrate des Abbrennstoffs 44 aus dem Brennstoffzellenstack 12 durch Regression, beispielsweise mittels NASA-Polynome oder mittels linearer Regression, ermittelt.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, insbesondere in einem Brennstoffenthalpieschritt 68, wird die benötigte Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack 12 zumindest teilweise aus einer, insbesondere der bereits genannten, Enthalpieflussrate des Brennstoffs 22 zu dem Brennstoffzellenstack 12 ermittelt. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, insbesondere dem Brennstoffenthalpieschritt 68, wird die Enthalpieflussrate des Brennstoffs 22 zu dem Brennstoffzellenstack 12 aus jeweiligen Enthalpieflussraten für die Hauptbestandteile des Brennstoffs 22 ermittelt.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Brennstoffenthalpieschritt 68 oder dem Messschritt 58, wird die Enthalpieflussrate von Brennstoff 22 zu dem Brennstoffzellenstack 12 über eine Gaszusammensetzung des Brennstoffs 22 zu dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12 ermittelt. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Brennstoffenthalpieschritt 68 oder dem Messschritt 58, wird die Gaszusammensetzung des Brennstoffs 22 zu dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12 gemessen.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Brennstoffenthalpieschritt 68 oder dem Messschritt 58, wird das Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis über die Anode 16 ermittelt, insbesondere gemessen. Über alle Verfahrensschritte hinweg ist das Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis über die Anode 16 konstant. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Brennstoffenthalpieschritt 68 oder dem Messschritt 58, wird das Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis über die Anode 16 ermittelt, insbesondere gemessen. Über alle Verfahrensschritte hinweg ist das Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis über die Anode 16 konstant. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Brennstoffenthalpieschritt 68 oder dem Messschritt 58, wird eine Reformertemperatur, insbesondere eine Temperatur des reformierten Brennstoffs 22, ermittelt, insbesondere gemessen.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Brennstoffenthalpieschritt 68 oder dem Messschritt 58, wird der Volumenfluss an Brennstoff 22 zu dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12 ermittelt, insbesondere gemessen. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Brennstoffenthalpieschritt 68 oder dem Messschritt 58, wird der Volumenfluss an Brennstoff 22 zu dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12 durch die Rezirkulierleitung 40 ermittelt, insbesondere gemessen. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Brennstoffenthalpieschritt 68 oder dem Messschritt 58, wird die Temperatur von Brennstoff 22 zu dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12 ermittelt, insbesondere gemessen.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Brennstoffenthalpieschritt 68 oder dem Messschritt 58, wird die Gaszusammensetzung des Brennstoffs 22 zu dem zumindest einen Brennstoffzellenstack 12 gemessen.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Brennstoffenthalpieschritt 68, wird für jede molare Konzentration der Gaszusammensetzung, insbesondere des Brennstoffs 22, ein thermodynamisches chemisches Gleichgewicht durch quadratische Regressionsgleichungen ermittelt, beispielsweise für Methan, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und/oder Wasser, insbesondere mit R²>0,964. Die quadratische Regression für Methan kann ausgelassen werden.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Brennstoffenthalpieschritt 68, wird eine Massenerhaltungsgleichung als Randbedingung für quadratische Regressionsgleichungen, insbesondere zum Ermitteln der Gaszusammensetzung des Brennstoffs 22, verwendet. Über alle Verfahrensschritte hinweg bringt die Anode 16, insbesondere durch die Temperatur der Anode 16, den Brennstoff 22 ins chemische Gleichgewicht.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Brennstoffenthalpieschritt 68, wird die Enthalpieflussrate des Brennstoffs 22 zu dem Brennstoffzellenstack 12 durch Regression, beispielsweise mittels NASA-Polynome oder mittels linearer Regression, ermittelt.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, insbesondere in einem Elektroschritt 70, wird die benötigte Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack 12 teilweise aus einer elektrischen Leistung 26, die insbesondere von dem Brennstoffzellenstack 12 erzeugt wird, ermittelt.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Elektroschritt 70 oder dem Messschritt 58, wird die aktuell erzeugte elektrische Leistung 26 des Brennstoffzellenstacks 12 ermittelt, insbesondere gemessen, bevorzugt berechnet.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Elektroschritt 70, wird die aktuell erzeugte elektrische Leistung 26 des Brennstoffzellenstacks 12 aus der Anzahl an Brennstoffzellen 14 des Brennstoffzellenstacks 12, der Spannung der einzelnen Brennstoffzellen 14 des Brennstoffzellenstacks 12 und der Stromstärke der einzelnen Brennstoffzellen 14 des Brennstoffzellenstacks 12 ermittelt, insbesondere berechnet.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, insbesondere in einem Verlustschritt 72, wird die Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack 12 teilweise aus einer Wärmeverlustflussrate des Brennstoffzellenstacks 12 ermittelt.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Verlustschritt 72, wird die Wärmeverlustflussrate des Brennstoffzellenstacks 12 durch lineare Regression, insbesondere in Bezug auf die Umgebungstemperatur des Brennstoffzellenstacks 12, ermittelt.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere einem optionalen Dynamikschritt 74, kann die Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack 12 teilweise aus einer Temperaturänderungsrate der Abluft 46 aus dem Brennstoffzellenstack 12 ermittelt werden. In dem optionalen Dynamikschritt 74, kann das Enthalpieflussgleichgewicht für den Brennstoffzellenstack 12 aus der Temperaturänderungsrate der Abluft 46 aus dem Brennstoffzellenstack 12 ermittelt werden.
Das Verfahren 50 ist mit dem optionalen Dynamikschritt 74 dazu entworfen, ein dynamic-feed-forward Kontrollmodell für die Stacktemperatur des Brennstoffzellenstacks 12 bereitzustellen.
Generell kann es zweckmäßig sein mit einem Fixwert für die Temperatur der Luft 42 zu dem Brennstoffzellenstack 12 zu starten, welcher kleiner ist als die gemessene Temperatur der Abluft 46 aus dem Brennstoffzellenstack 12.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise einem Endkalkulierschritt 76, wird das Enthalpieflussgleichgewicht für den Brennstoffzellenstack 12 nach dem Volumenfluss der Luft 42 zu dem Brennstoffzellenstack 12 gelöst. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere des Kalkulierabschnitts 56, beispielsweise dem Endkalkulierschritt 76, wird der Volumenfluss der Luft 42 zu dem Brennstoffzellenstack 12 aus dem Enthalpieflussgleichgewicht für eine benötigte Temperatur des Brennstoffzellenstacks 12 gelöst.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere eines Einstellabschnitts 78, insbesondere einem Einstellschritt 80, wird ein aktueller Volumenfluss der Luft 42 zu dem Brennstoffzellenstack 12 eingestellt, insbesondere durch die Luftstromeinheit 30.
In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere eines Einstellabschnitts 78, insbesondere einem Kontrollschritt 82, wird ein aktueller Volumenfluss der Luft 42 zu dem Brennstoffzellenstack 12 gemessen, insbesondere durch die Luftstromeinheit 30.
Insbesondere läuft der erste Kalkulierabschnitt 56 vor dem ersten Einstellabschnitt 78 ab. Insbesondere laufen der Kalkulierabschnitt 56 und der Einstellabschnitt 78 immer wieder wiederholt nacheinander und/oder parallel zueinander ab.

Claims

Verfahren (50) zu einem Regulieren einer Stacktemperatur eines Brennstoffzellenstacks (12) in einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), wobei in zumindest einem Verfahrensschritt die Stacktemperatur aus einer Kathodenausgangstemperatur genähert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Stacktemperatur mittels einer Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack (12) reguliert wird, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt eine benötigte Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack (12) zumindest teilweise aus einer, insbesondere molaren, Enthalpieflussrate der Luft (42) zu dem Brennstoffzellenstack (12) ermittelt wird.
Verfahren (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die benötigte Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack (12) zumindest teilweise aus einer, insbesondere molaren, Enthalpieflussrate der Abluft (46) aus dem Brennstoffzellenstack (12) ermittelt wird.
Verfahren (50) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die benötigte Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack (12) zumindest teilweise aus einer elektrischen Leistung (26), die insbesondere von dem Brennstoffzellenstack (12) erzeugt wird, ermittelt wird.
Verfahren (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack (12) zumindest teilweise aus einer Wärmeverlustflussrate des Brennstoffzellenstacks (12) ermittelt wird.
Verfahren (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Luftzufuhrrate zu dem Brennstoffzellenstack (12) zumindest teilweise aus einer Temperaturänderungsrate der Abluft (46) aus dem Brennstoffzellenstack (12) ermittelt wird.
Verfahren (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Enthalpieflussrate von Brennstoff (22) zu dem Brennstoffzellenstack (12) über eine Gaszusammensetzung ermittelt wird, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt für jede molare Konzentration der Gaszusammensetzung ein thermodynamisches chemisches Gleichgewicht durch quadratische Regressionsgleichungen ermittelt wird.
Verfahren (50) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine Massenerhaltungsgleichung als Randbedingung zum Ermitteln der Gaszusammensetzung verwendet wird.
Verfahren (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine molare Enthalpieflussrate der Luft (42) zu dem Brennstoffzellenstack (12) mittels NASA-Polynome oder mittels linearer Regression ermittelt wird.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) mit zumindest einer Recheneinheit (28) zu einem Durchführen eines Verfahrens (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Recheneinheit (28) einer Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 9.