DE102021214817A1

DE102021214817A1 - Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102021214817A1
Application number: DE102021214817.4A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Egger; Felix Schaefer; Maxime Carre
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2023-06-22
Also published as: WO2023117183A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems (12), insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, welches in zumindest einem Verfahrensschritt (52) in mehrere Unterbaugruppen (48, 50) unterteilt wird.Es wird vorgeschlagen, dass in einem Verfahrensschritt (54) zumindest für zwei Unterbaugruppen eine Enthalpie-Bilanz erstellt wird, wobei mittels der erstellten Enthalpie-Bilanzen zumindest ein aktueller Brennstoffparameter bestimmt wird.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits ein Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, welches in zumindest einem Verfahrensschritt in mehrere Unterbaugruppen unterteilt wird, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, welches in zumindest einem Verfahrensschritt in mehrere Unterbaugruppen unterteilt wird.
Es wird vorgeschlagen, dass in einem Verfahrensschritt zumindest für zwei Unterbaugruppen eine Enthalpie-Bilanz erstellt wird, wobei mittels der erstellten Enthalpie-Bilanzen zumindest ein aktueller Brennstoffparameter bestimmt wird.
Es werden vorzugsweise mittels den erstellten Enthalpie-Bilanzen zumindest zwei aktuelle Brennstoffparameter bestimmt. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem als Funktionseinheit zumindest eine Brennstoffzelleneinheit, welche insbesondere zumindest eine Brennstoffzelle, ein Stack aus Brennstoffzellen und/oder einen Verbund mehrerer Stacks aus Brennstoffzellen umfasst. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelle und/oder sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit als Hochtemperaturbrennstoffzellen ausgebildet. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit dazu vorgesehen, einen Brennstoff unter Zuführung eines Oxidans in einem Wandlungsprozess zu einer elektrischen Energiegewinnung umzusetzen. Vorzugsweise ist der Brennstoff als Erdgas ausgebildet. Es ist auch denkbar, dass der Brennstoff als Hauptenergieträger andere Kohlenwasserstoffverbindungen und/oder Wasserstoff als Gemisch oder als Reinstoff und/oder Ammoniak und/oder flüssige organische Wasserstoffträger und/oder Ähnliche umfasst. Vorzugsweise ist das Oxidans als Umgebungsluft ausgebildet. Es ist aber auch denkbar, dass das Oxidans als Industriefluid, vorzugsweise mit einem dokumentierten Sauerstoffanteil, ausgebildet ist. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Brennstoffelektrode, welche vorzugsweise während des Wandlungsprozesses zu einem direkten Kontakt mit dem Brennstoff vorgesehen ist. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Oxidanselektrode, welche vorzugsweise während des Wandlungsprozesses zu einem direkten Kontakt mit dem Oxidans vorgesehen ist. Ohne darauf beschränkt zu sein, umfasst die Brennstoffzelleneinheit beispielsweise zumindest eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (MCFC) und/oder besonders bevorzugt zumindest eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC).
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem zumindest eine weitere Einheit, welche einen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit ermöglicht und/oder unterstützt, insbesondere dazu vorgesehen ist, den Brennstoff und/oder das Oxidans zu handhaben. Unter „vorgesehen“ soll vorzugsweise speziell eingerichtet, 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. Eine Handhabung des Brennstoffs und/oder des Oxidans umfasst, ohne darauf beschränkt zu sein, beispielsweise eine Zufuhr zu der Brennstoffzelleneinheit, eine Abfuhr von aus der Brennstoffzelleneinheit austretenden Umsetzungsprodukten, eine Temperierung, eine Wärmerückgewinnung aus den Umsetzungsprodukten, eine Aufbereitung und/oder Vorverarbeitung, eine Verwertung von Restmengen an Brennstoff, welcher den Umsetzungsprodukten beigemengt ist, oder dergleichen. Beispiele für weitere Funktionseinheiten umfassen zumindest eine Brennstoffleitung zu der Brennstoffzelleneinheit hin, zumindest eine Oxidansleitung zu der Brennstoffzelleneinheit hin, zumindest eine Abfuhrleitung von der Brennstoffzelleneinheit weg, zumindest eine Brennstofffördereinheit, zumindest eine Oxidansfördereinheit, zumindest eine Rezirkulationsfördereinheit für eine Rückführung eines aus der Brennstoffzelleneinheit austretenden Fluids, zumindest einen Wärmeübertrager und/oder zumindest einen Nachbrenner oder dergleichen.
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem zumindest eine Recheneinheit. Unter einer „Recheneinheit“ soll eine Einheit mit einem Informationseingang, einer Informationsverarbeitung und einer Informationsausgabe verstanden werden. Vorteilhaft weist die Recheneinheit zumindest einen Prozessor, einen Speicher, Ein- und Ausgabemittel, weitere elektrische Bauteile, ein Betriebsprogramm, Regelroutinen, Steuerroutinen und/oder Berechnungsroutinen auf. Vorzugsweise kann die Recheneinheit lokal zusammen mit den Einheiten angeordnet sein oder auf einem externen Gerät, beispielsweise einem Server, implementiert sein, welches mit einer lokalen Steuereinheit des Brennstoffzellensystems kommuniziert. Vorzugsweise ermittelt die Recheneinheit in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest einen Brennstoffparameter. Die Recheneinheit ermittelt und/oder charakterisiert in dem Verfahrensschritt die Zusammensetzung des Brennstoffs in Abhängigkeit von zur Verfügung stehenden Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems. Typischerweise werden zu einer Steuerung des Brennstoffzellensystems zumindest eine Temperatur einer der Einheiten des Brennstoffzellensystems, des Brennstoffs und/oder des Oxidans, ein Volumenstrom des Brennstoffs und/oder des Oxidans, ein von der Brennstoffzelleneinheit erzeugter elektrischer Strom oder dergleichen von der Recheneinheit des Brennstoffzellensystems zumindest erfasst und vorzugsweise geregelt. Vorzugsweise fragt die Recheneinheit in zumindest einem Verfahrensschritt die zur Verfügung stehenden Betriebsparameter von der Recheneinheit des Brennstoffzellensystems und/oder von Sensorelementen des Brennstoffzellensystems ab. Vorzugsweise ermittelt die Recheneinheit die aktuellen Brennstoffparameter in Echtzeit. Unter „Echtzeit“ soll schneller als eine mittlere Reaktionsgeschwindigkeit des Brennstoffzellensystems auf eine Änderung eines der Betriebsparameter verstanden werden.
Darunter, dass in dem Verfahren das Brennstoffzellensystem in Unterbaugruppen unterteilt wird, soll verstanden werden, dass unterschiedliche Funktionsbauteile der Brennstoffzellensystems virtuell zusammengefasst und entsprechende Berechnungen für die alle zu der Unterbaugruppe zählenden Einheiten durchgeführt werden. Vorzugsweise fasst die Recheneinheit die Funktionseinheiten in den Unterbaugruppen zusammen. Insbesondere umfassen die Unterbaugruppen jeweils eine oder mehrere der Funktionseinheiten. Optional ordnet die Recheneinheit dieselbe Funktionseinheit verschiedenen Unterbaugruppen zu. Vorzugsweise unterscheiden sich verschiedene Unterbaugruppen durch zumindest eine Funktionseinheit. Vorzugsweise umfasst jede der Unterbaugruppen zumindest eine Funktionseinheit, welche von dem Brennstoff, dem Oxidans und/oder einem aus der Brennstoffzelleneinheit austretenden Fluid durchflossen wird.
Unter einer „Enthalpie-Bilanz“ soll vorzugsweise eine Gegenüberstellung aller eingehenden Enthalpien zu allen ausgehenden Enthalpien eines betrachteten Systems, beispielsweise einer Unterbaugruppe oder eines Funktionsbauteils des Brennstoffzellensystems verstanden werden. Vorzugsweise ist eine Enthalpie-Bilanz einer Unterbaugruppe als eine Leistungsbilanz ausgebildet, in der alle Energiezuflüsse zu einer der Unterbaugruppen Energieabflüssen aus derselben Unterbaugruppe gegenübergestellt sind. Insbesondere sind alle leitungsgebundenen Energieflüsse, insbesondere Enthalpieflüsse, zu und aus einer der Unterbaugruppen einem, insbesondere nicht-leitungsgebundenen Wärmefluss, insbesondere einem Wärmeverlust, an dieser Unterbaugruppe gegenüber. Bevorzugt wird die Leistungsbilanz in einem stationären Zustand, insbesondere an einem stabilen Arbeitspunkt, des Brennstoffzellensystems erstellt. Optional umfasst die Leistungsbilanz einer der Unterbaugruppen eine elektrische Leistung, welche dieser Unterbaugruppe zu einem Betrieb zugeführt wird und/oder von dieser Unterbaugruppe abgegriffen wird. Insbesondere wird ein leitungsgebundener Energiefluss, insbesondere Enthalpiefluss zumindest im Wesentlichen von einem innerhalb von Leitungen des Brennstoffzellensystems stattfindenden, insbesondere erzwungenen, Massetransport, insbesondere des Brennstoffs, des Oxidans, des aus der Brennstoffzelleneinheit und/oder aus dem Nachbrenner austretenden Fluids, verursacht. Insbesondere tauscht der nicht-leitungsgebundene Wärmefluss Wärme mit einer Umgebung der Unterbaugruppe über Wärmeleitung, Wärmestrahlung und/oder Konvektion aus. Insbesondere ist der Wärmefluss abhängig von einer konkreten Auslegung der Unterbaugruppe, ihrer Anordnung innerhalb des Brennstoffzellensystems und/oder anderen strukturellen Gegebenheiten. Darunter, dass „mittels der Enthalpie-Bilanzen“ zumindest ein Brennstoffparameter ermittelt wird, soll insbesondere verstanden werden, dass unter der Verwendung von Berechnungsformeln für die Berechnung der Enthalpie-Bilanzen der Unterbaugruppen, die Berechnungsformeln mit entsprechenden aktuellen Messdaten für Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems vervollständigt werden und dann mittels eines computerimplementierten Berechnungsverfahrens ein als Unbekannte in der Berechnungsformel vorhandener Variable für einen Brennstoffparameter ermittelt wird.
Unter einem „Brennstoffparameter“ soll ein Parameter verstanden werden, der den Brennstoff spezifiziert. Der Brennstoffparameter ist eine charakterisierende Gasgemisch-Kenngröße des Brennstoffs. Ein Brennstoffparameter ist vorzugsweise als eine Konzentration an bestimmten Gasanteilen in dem Brennstoff ausgebildet. Der Brennstoffparameter ist vorzugsweise als eine Konzentration eines inerten Gasbestandteils des Brennstoffs ausgebildet. Der Brennstoffparameter ist vorzugsweise als eine CO2-Konzentration oder als eine N2-Konzentration des Brennstoffs ausgebildet. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Brennstoffparameter als eine Konzentration eines anderen Gasbestandteils eines in dem Brennstoff vorhandenen Gases ist. Alternativ ist es auch denkbar, dass ein Brennstoffparameter als ein Parameter ausgebildet ist, der eine andere Eigenschaft des Brennstoffs wiedergibt. Es ist dabei denkbar, dass der Brennstoffparameter als ein H/C-Verhältnis, also als ein Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff in dem Brennstoff, ausgebildet ist. Es ist ebenso denkbar, dass der Brennstoffparameter als ein Gaskoeffizient K_e- ausgebildet ist, der eine potentiell für eine Umsetzung zur Verfügung stehende Elektronenanzahl in Mol pro Mol Brennstoff angibt. Grundsätzlich ist es ebenfalls denkbar, dass der Brennstoffparameter als eine Wärmekapazität des Brennstoffs, vorzugsweise eine spezifische Wärmekapazität, ausgebildet ist. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Brennstoffparameter als eine Dichte des Erdgases ausgebildet ist. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Brennstoffparameter als ein Heizwert des Brennstoffs, insbesondere des Erdgases ausgebildet ist. Unter einem „Brennstoff“ soll ein Brennstoff verstanden werden, der zu einer Verstromung der Brennstoffzelleneinheit zugeführt wird. Der Brennstoff ist vorzugsweise als ein Erdgas ausgebildet. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Brennstoff als ein anderes Gas, beispielsweise als ein Wasserstoff, als ein Ammoniakgas, oder als ein anderes, dem Fachmann als sinnvoll erscheinendes Gas ausgebildet ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann während des Betriebs des Brennstoffzellensystems einfach zumindest ein, vorzugsweise zumindest zwei Brennstoffparameter des aktuell genutzten Brennstoffs ermittelt werden, ohne die Verwendung eines entsprechenden Gassensors. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Betrieb des Brennstoffzellensystems, vorteilhaft bauteilarm überwacht werden. Insbesondere kann auf zeitintensive, platzverbrauchende und/oder kostenintensive Sensorelemente, wie insbesondere Gasanalysegeräte oder dergleichen, verzichtet werden. Insbesondere kann das Verfahren auf einer vorteilhaft großen Anzahl an, insbesondere bereits bestehenden, Brennstoffzellensystemen, insbesondere ohne Umrüstung, angewandt werden. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem vorteilhaft effizient betrieben werden. Insbesondere kann ein Rechenaufwand, Energieaufwand und/oder Zeitaufwand zu einer Simulation und/oder Berechnung des charakteristischen Systemparameters vorteilhaft klein gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass zumindest eine der Unterbaugruppen, deren Enthalpie-Bilanz erstellt wird, außerhalb eines Rezirkulationspfads des Brennstoffzellensystems angeordnet ist oder den Rezirkulationspfad umschließt. Unter einem „Rezirkulationspfad“ soll vorzugsweise eine Leitungsstrecke verstanden werden, über die ein aus der Brennstoffzellenvorrichtung austretendes Brennstoffabgas, welches einen Restanteil an verwertbarem Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid und/oder Methan und/oder andere typische Rest-Brennstoffe eines Brennstoffzellensystems aufweist, zurück in eine Zuführleitung, insbesondere die Brennstoffzufuhrleitung gefördert werden kann. Die außerhalb des Rezirkulationspfads angeordneten Unterbaugruppen, zu denen zur Berechnung des Brennstoffparameters eine Enthalpie-Bilanz erstellt wird, weisen keine Bauteile oder Teilbereiche auf, die innerhalb des Rezirkulationspfads angeordnet sind oder mit dem Rezirkulationspfad in Wirkkontakt stehen. Eine Unterbaugruppe, die den Rezirkulationspfad umschließt, soll insbesondere als eine Unterbaugruppe verstanden werden, die den Rezirkulationspfad aufweist, wie beispielsweise eine als Hotboxgruppe ausgebildete Unterbaugruppe. Dadurch kann eine Ermittlung der Brennstoffparameter mittels der Enthalpie-Bilanzen der Unterbaugruppen besonders einfach erfolgen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass für zwei beliebige Unterbaugruppen des Brennstoffzellensystems die Enthalpie-Bilanz für eine Bestimmung des zumindest einen aktuellen Brennstoffparameters ermittelt werden kann. Unter „zwei beliebigen Unterbaugruppen“ sollen vorzugsweise zwei beliebige unterschiedliche Unterbaugruppen des Brennstoffzellensystems verstanden werden. Für eine Ermittlung der Brennstoffparameter gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren können je nach Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems die Enthalpie-Bilanzen unterschiedlicher Unterbaugruppen erstellt und miteinander verrechnet werden. Dadurch kann das Verfahren besonders flexibel ausgebildet sein und einfach auf unterschiedlich aufgebaute Brennstoffzellensysteme angepasst werden.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass zumindest eine der Unterbaugruppen, deren Enthalpie-Bilanz erstellt wird, einen Nachbrenner des Brennstoffzellensystems umfasst. Vorzugsweise umfasst die eine Unterbaugruppe, deren Enthalpie-Bilanz zur Ermittlung der Brennstoffparameter ermittelt wird, lediglich den Nachbrenner. Der Nachbrenner alleine ist als eine Unterbaugruppe ausgebildet. Der Nachbrenner ist als ein Brenner ausgebildet, welcher der Brennstoffzellenvorrichtung nachgeschaltet ist und ein aus der Brennstoffzellenvorrichtung ausströmendes Brennstoffabgas und Oxidansabgas verbrennt. Vorzugsweise werden in dem Nachbrenner alle einströmenden brennbaren Spezies des Brennstoffabgases und des Oxidansabgases umgesetzt, also verbrannt. Dadurch kann eine Ermittlung des Brennstoffparameters über die Enthalpie-Bilanzen zweier Unterbaugruppen des Brennstoffzellensystems besonders einfach erfolgen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zumindest eine der Unterbaugruppen, deren Enthalpie-Bilanz erstellt wird, als eine Hotboxgruppe des Brennstoffzellensystems ausgebildet ist. Unter einer „Hotboxgruppe“ soll vorzugsweise eine Gruppe mehrerer, vorzugsweise aller Funktionsbauteile des Brennstoffzellensystems verstanden werden, die in einem Hochtemperaturbereich des Brennstoffzellensystems angeordnet sind. Die Hotboxgruppe des Brennstoffzellensystems umfasst vorzugsweise zumindest den Reformer, die Wärmeübertrager des Brennstoffzellensystems, also den Abgasoxidanswärmeübertrager und den Ausgleichswärmeübertrager, den Nachbrenner, die Brennstoffzelleneinheit sowie alle entsprechenden Leitungen.
Dadurch kann eine Ermittlung des Brennstoffparameters über die Enthalpie-Bilanzen zweier Unterbaugruppen des Brennstoffzellensystems besonders einfach erfolgen.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der in dem Verfahrensschritt bestimmte Brennstoffparameter als ein H/C-Verhältnis des Brennstoffs, oder als ein Inertgas-Molanteil, insbesondere eine N2-Konzentration oder eine CO2-Konzentration in dem Brennstoff ausgebildet ist. Vorzugsweise ist es ebenso denkbar, dass der Brennstoffparameter als eine Brennstoffausnutzung FU_System auf das Brennstoffzellensystem gesehen, als ein Gaskoeffizient K_e- (Elektronenmolanteil im Erdgas als Potentieller Reaktionspartner in der elektrochemischen Gleichung), oder als ein Heizwert des Brennstoffs ausgebildet ist. Unter einem „H/C-Verhältnis des Brennstoffs“ soll das Verhältnis von Wasserstoff (H) und Kohlenstoff (C) in dem Brennstoff verstanden werden. Unter einem „Inertgas-Molanteil“ soll ein Molanteil an einem inerten Gas in dem Brennstoff verstanden werden, das nicht an einer Umsetzung in der Brennstoffzellenvorrichtung beteiligt ist. Unter einer „N2-Konzentration“ soll eine Konzentration, insbesondere ein Molanteil an Stickstoff in dem Brenngas verstanden werden. Unter einer „CO2-Konzentration“ soll eine Konzentration, insbesondere ein Molanteil an Kohlenstoffdioxid in dem Brenngas verstanden werden. Dadurch können zur Regelung des Brennstoffzellensystems notwendige Eingangsstellgrößen besonders einfach mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass in dem Verfahrensschritt unterschiedliche Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems erfasst werden, um eine aktuelle Enthalpie-Bilanz einer Unterbaugruppe zu erstellen. Unter einem „Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems“ soll ein Druck, ein Volumenstrom, eine Temperatur, eine elektrische Leistung, ein elektrischer Strom, oder eine Drehzahl, an oder in einem Funktionsbauteil des Brennstoffzellensystems verstanden werden. Unter einer „als Druck ausgebildeten Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems“ soll vorzugsweise ein an einer Einheit des Brennstoffzellensystems gemessener Druck eines Betriebsstoffs, wie beispielsweise des Brennstoffs, des Oxidans, des Rezirkulationsgases, oder eines Abgases verstanden werden. Unter einer „als Temperatur ausgebildeten Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems“ soll vorzugsweise eine an einer Einheit des Brennstoffzellensystems gemessene Temperatur eines Betriebsstoffs, wie beispielsweise des Brennstoffs, des Oxidans, des Rezirkulationsgases, oder eines Abgases verstanden werden. Unter einer „als Volumenstrom ausgebildeten Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems“ soll vorzugsweise ein an einer Einheit des Brennstoffzellensystems gemessener Volumenstrom eines Betriebsstoffs, wie beispielsweise des Brennstoffs, des Oxidans, des Rezirkulationsgases, oder eines Abgases verstanden werden. Unter einer „als elektrische Leistung ausgebildeten Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems“ soll vorzugsweise eine von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellte Leistung verstanden werden. Unter einer „als Drehzahl ausgebildeten Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems“ soll vorzugsweise eine Drehzahl eines rotierenden Bauteils, beispielsweise einer Turbine oder eines Gebläses oder eines Förderers in dem Brennstoffzellensystem verstanden werden. Dadurch kann eine Schätzung des Brennstoffparameters besonders einfach mittels der Betriebskenngrößen erfolgen. Dadurch können die Enthalpie-Bilanzen für eine Ermittlung des Brennstoffparameters besonders einfach erstellt werden.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass in dem Verfahrensschritt die Enthalpie-Bilanzen jeweils als Gleichung mit den zu bestimmenden Brennstoffparametern als Unbekannten in einem numerischen Lösungsverfahren computerimplementiert gelöst werden. In dem numerischen Lösungsverfahren, das in dem Verfahrensschritt von der Recheneinheit computerimplementiert gelöst wird, werden die erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems als Eingangsvariablen zur Berechnung der Brennstoffparameter erfasst und verarbeitet, wobei die aktuellen Brennstoffparameter des Brennstoffs als Ausgangsgrößen des numerischen Lösungsverfahrens zur Steuerung des Brennstoffzellensystems ausgegeben werden. Dadurch kann das Verfahren besonders einfach und mit einem geringen Rechenaufwand durchgeführt werden.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 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 erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem für ein erfindungsgemäßes Verfahren und
2 ein schematisches Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 12. Das Brennstoffzellensystem 12 ist als ein Festoxidbrennstoffzellensystem ausgebildet. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 14, welche zumindest eine Festoxidbrennstoffzelle, kurz SOFC, umfasst. Der Übersichtlichkeit halber ist die Brennstoffzelleneinheit 14 hier funktional als einzelne Brennstoffzelle dargestellt. Die Brennstoffzelleneinheit 14 umfasst zumindest eine Brennstoffelektrode 16. Die Brennstoffelektrode 16 ist als eine Anode der Brennstoffzelleneinheit 14 ausgebildet. Die Brennstoffzelleneinheit 14 umfasst zumindest eine Oxidanselektrode 18. Die Oxidanselektrode 18 ist als eine Kathode der Brennstoffzelleneinheit 14 ausgebildet. Die Brennstoffzelleneinheit 14 umfasst einen zwischen der Oxidanselektrode 18 und der Brennstoffelektrode 16 angeordneten Elektrolyten 20. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Brennstoffleitung 22 von einer Brennstoffversorgung zu der Brennstoffzelleneinheit 14. Bevorzugt ist die Brennstoffleitung 22 zu einem Transport eines Brennstoffs zu der zumindest einen Brennstoffelektrode 16 vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine nicht näher dargestellte Brennstofffördereinheit, welche in der Brennstoffleitung 22 angeordnet ist, zu einer Förderung des Brennstoffs zu der Brennstoffzelleneinheit 14. Beispielsweise ist die Brennstofffördereinheit als Kompressor, als Ventilator, als Pumpe oder dergleichen ausgebildet. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 12 einen Reformer 24. Bevorzugt ist der Reformer 24 in der Brennstoffleitung 22 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Brennstofffördereinheit angeordnet. Der Reformer 24 ist zu einer Erzeugung eines reformierten Brennstoffs stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 14 vorgesehen.
Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Oxidansleitung 26 von einer Oxidansversorgung zu der Brennstoffzelleneinheit 14. Die Oxidansleitung 26 ist vorzugsweise zu einem Transport eines Oxidans zu der zumindest einen Oxidanselektrode 18 der Brennstoffzelleneinheit 14 vorgesehen. Das Oxidans, das in der Oxidansleitung zu der Brennstoffzelleneinheit 14 gefördert wird, ist als eine Frischluft ausgebildet. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst eine nicht näher dargestellte Oxidansfördereinheit, welche in der Oxidansleitung 26 angeordnet ist, die zu einer Förderung des Oxidans zu der Oxidanselektrode 18 vorgesehen ist. Beispielsweise ist die Oxidansfördereinheit als Kompressor, als Ventilator, als Pumpe oder dergleichen ausgebildet.
Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest einen Ausgleichswärmeübertrager 28, welcher die Brennstoffleitung 22 und die Oxidansleitung 26 thermisch koppelt. Vorzugsweise ist der Ausgleichswärmeübertrager 28 in der Brennstoffleitung 22 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und dem Reformer 24 angeordnet. Der Ausgleichswärmeübertrager 28 ist in der Oxidansleitung 26 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Oxidansfördereinheit angeordnet.
Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Brennstoffabfuhrleitung 30, welche an der Brennstoffzelleneinheit 14 angebunden ist. Die Brennstoffabfuhrleitung 30 ist an der Brennstoffelektrode 16 angeschlossen und dazu vorgesehen, das aus der Brennstoffelektrode 16 austretende Fluid abzuführen. Die Brennstoffabfuhrleitung 30 ist dazu vorgesehen, ein aus der Brennstoffelektrode 16 aus der Brennstoffzelleneinheit 14 austretendes Brennstoffabgas abzuführen. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Oxidansabfuhrleitung 32, welche an der Brennstoffzelleneinheit 14, insbesondere an der Oxidanselektrode 18, angeschlossen ist und dazu vorgesehen ist, das aus der Oxidanselektrode 18 austretende Fluid abzuführen.
Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst einen Nachbrenner 34. Die Brennstoffabfuhrleitung 30 und die Oxidansabfuhrleitung 32 führen jeweils von der Brennstoffzelleneinheit 14 in den Nachbrenner 34. Der Nachbrenner 34 ist dazu vorgesehen, das über die Brennstoffabfuhrleitung 30 abgeführte Brennstoffabgas und das über die Oxidansabfuhrleitung 32 strömende Oxidansabgas zu verbrennen. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 12 eine Abgasleitung 36, die zu einer Abfuhr eines Abgases aus dem Nachbrenner 34 vorgesehen ist.
Das Brennstoffzellensystem 12 weist zumindest einen Abgasoxidanswärmeübertrager 38 auf, der zu einer thermischen Kopplung der Abgasleitung 36 und der Oxidansleitung 26 vorgesehen ist. Bevorzugt ist der Abgasoxidanswärmeübertrager 38 stromabwärts des Nachbrenners 34 angeordnet. Der Abgasoxidanswärmeübertrager 38 ist in der Oxidansleitung 26 zwischen dem Ausgleichswärmeübertrager 28 und der nicht näher dargestellten Oxidansfördereinheit angeordnet.
Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 12 eine Rezirkulationsleitung 40. Die Rezirkulationsleitung 40 führt von der Brennstoffabfuhrleitung 30 zu der Brennstoffleitung 22. Eine Einspeisestelle 42 der Rezirkulationsleitung 40 ist in die Brennstoffleitung 22 zwischen der Brennstofffördereinheit und dem Reformer 24 angeordnet. Eine Entnahmestelle 44 der Rezirkulationsleitung 40 ist in der Brennstoffabfuhrleitung 30 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und dem Nachbrenner 34 angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst vorzugsweise eine nicht näher dargestellte Rezirkulationsfördereinheit, welche in der Rezirkulationsleitung 40 angeordnet ist, die zu einer Rezirkulation eines Anteils des aus der Brennstoffelektrode 16 austretenden Brennstoffabgases vorgesehen ist. Vorzugsweise ist die Rezirkulationsfördereinheit als Kompressor, als Ventilator, als Pumpe oder dergleichen ausgebildet.
Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass das Brennstoffzellensystem 12 weitere Einheiten aufweist, wie beispielsweise weitere Wärmetauscher, Fördereinheiten, oder andere Vorrichtungen zur Behandlung des Brennstoffs, des Oxidans, des Abgasbrennstoffs oder des Abgasoxidans. Die weiteren Einheiten des Brennstoffzellensystems 12 können dabei zusätzlich oder teilweise auch anstelle der oben beschriebenen Einheiten in dem Brennstoffzellensystem auf eine dem Fachmann bekannte Weise integriert sein.
Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Recheneinheit 46. Die Recheneinheit 46 ist zu einer Durchführung eines Verfahrens 10 vorgesehen. Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für das Verfahren 10. Das Verfahren 10 ist zur Überwachung des Brennstoffzellensystems 12 vorgesehen. Die Recheneinheit 46 ist dazu vorgesehen, unterschiedliche Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 12 zu erfassen und zu verarbeiten. In dem Verfahren zur Überwachung des Brennstoffzellensystems 12 werden mehrere Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 12 erfasst und verarbeitet. In einem Verfahrensschritt 52 wird das Brennstoffzellensystem 12 in mehrere Unterbaugruppen 48, 50 unterteilt. In einer Unterbaugruppe 48, 50 sind zumindest ein Funktionsbauteil oder mehrere Funktionsbauteile des Brennstoffzellensystems 12 zu einer Gruppe zusammengefasst. Die Recheneinheit 46 unterteilt das Brennstoffzellensystem 12 in die mehreren Unterbaugruppen 48, 50 (siehe 1). Insbesondere unterteilt die Recheneinheit 46 das Brennstoffzellensystem 12 in genau zwei Unterbaugruppen 48, 50. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass die Recheneinheit 46 das Brennstoffzellensystem 12 in mehr als zwei Unterbaugruppen unterteilt. Insbesondere ordnet die Recheneinheit 46 Funktionsbauteile des Brennstoffzellensystems 12 den Unterbaugruppen 48, 50 zu. Die erste Unterbaugruppe 48 des Brennstoffzellensystems 12 ist als eine Hotboxgruppe des Brennstoffzellensystems 12 ausgebildet. Die als Hotboxgruppe ausgebildete Unterbaugruppe 48 umfasst alle Funktionsbauteile eines Hochtemperaturbereichs des Brennstoffzellensystems 12. Die als Hotboxgruppe ausgebildete Unterbaugruppe 48 umfasst die Brennstoffzelleneinheit 14, den Reformer 24, den Ausgleichswärmeübertrager 28, den Nachbrenner 34 und den Abgasoxidanswärmeübertrager 38. Würde die Brennstoffzelleneinheit beispielsweise weitere Wärmeübertrager oder zusätzlich in dem Hochtemperaturbereich angeordnete Funktionsbauteile umfassen, so würden auch diese der als Hotboxgruppe ausgebildeten Unterbaugruppe 48 zugehören. Die zweite Unterbaugruppe 50 des Brennstoffzellensystems 12 umfasst lediglich den Nachbrenner 34. Die zweite Unterbaugruppe 50 ist als der Nachbrenner 34 ausgebildet. Wie oben schon ausgeführt wäre es denkbar, dass in dem Verfahrensschritt 52 weitere Unterbaugruppen von der Recheneinheit 46 unterteilt werden. Beispielsweise wäre es denkbar, dass eine Unterbaugruppe lediglich den Reformer 24, oder eine Unterbaugruppe lediglich den Abgasoxidanswärmeübertrager 38 umfasst.
In einem Verfahrensschritt 54 wird für die zwei Unterbaugruppen 48, 50 jeweils eine Enthalpie-Bilanz erstellt. Die Enthalpie-Bilanzen der Unterbaugruppen 48, 50 sind jeweils Gegenüberstellungen aller in die jeweilige Unterbaugruppe 48, 50 einfließenden Energien und/oder Leistungen und aller ausströmenden Energien und/oder Leistungen. Mittels der Enthalpie-Bilanzen der beiden Unterbaugruppen 48, 50 wird in dem Verfahrensschritt 54 zumindest ein aktueller Brennstoffparameter des Brennstoffs ermittelt. In dem Verfahrensschritt 54 werden für die Unterbaugruppen 50, die außerhalb eines Rezirkulationspfads des Brennstoffzellensystems 12 angeordnet sind, oder für Unterbaugruppen 48, die den Rezirkulationspfad umschließen, die Enthalpie-Bilanzen erstellt, um die aktuellen Brennstoffparameter des Brennstoffs zu ermitteln. In dem Verfahrensschritt 54 werden zwei aktuelle Brennstoffparameter des Brennstoffs ermittelt. In dem Verfahrensschritt 54 wird ein als Inertgas-Molanteil des Brennstoffs ausgebildeter Brennstoffparameter ermittelt. Ein erster in dem Verfahrensschritt 54 ermittelter Brennstoffparameter ist als eine N2-Konzentration (Stickstoff-Konzentration) ausgebildet. Der erste in dem Verfahrensschritt 54 ermittelte Brennstoffparameter ist als ein Stickstoff Molanteil x_N2 ausgebildet. Zudem wird ein als H/C-Verhältnis (Wasserstoff/Kohlenstoff-Verhältnis) ausgebildeter Brennstoffparameter ermittelt. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass mittels dem Verfahren 10 in dem Verfahrensschritt 54 eine CO2-Konzentration, also ein Kohlenstoffdioxid Molanteil x_CO2 als Brennstoffparameter ermittelt wird.
Für die Bestimmung der Enthalpie-Bilanzen der beiden Unterbaugruppen 48, 50 werden verschiedene Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 erfasst. Für die Bestimmung der Enthalpie-Bilanz der als Hotboxbaugruppe ausgebildeten Unterbaugruppe 48 werden entsprechende Energieströme und zwar ein Brenngasenthalpiestrom „Ḣ_NG“, ein Oxidansenthalpiestrom „Ḣ_Air“, ein Abgasenthalpiestrom „Ḣ_Offgas“, eine Hotboxverlustwärme „Q̇_{Hotbox LOSS}“, eine elektrische Leistung „P_EIDC“ der Brennstoffzelleneinheit 14 und eine elektrische Leistung „P_EaH“ eines elektrischen Heizers ermittelt. Die für die Bestimmung der Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 48 verwendeten Energieströme werden in einer Gleichung von der Recheneinheit 46 computerimplementiert zusammengestellt. Das Geleichungssystem für die Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 48 weist als zwei Unbekannte, die beiden zu ermittelnden Brennstoffparameter, den Stickstoff Molanteil x_N2 und das als H/C-Verhältnis (Wasserstoff/Kohlenstoff-Verhältnis) des Brennstoffs auf. Die weiteren Variablen der Gleichung für die Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 48 sind bekannt und/oder mittels Messverfahren an dem Brennstoffzellensystem 12 direkt oder indirekt ermittelbar.
Für die Bestimmung der Enthalpie-Bilanz der aus dem Nachbrenner 34 ausgebildeten Unterbaugruppe 50 werden ein Oxidanseingangsvolumenstrom „V̇_{Air FCS in}“, ein Brennstroffeingangsvolumenstrom „V̇_{NG FCS in}“, eine Oxidansaustrittstemperatur t_{air stk out} an der Brennstoffzelleneinheit, eine Abgasaustrittstemperatur t_{og tgb out}, eine Brennstoffabgastemperatur „t_{ao tgb in}“ an einem Nachbrennereingang und ein von der Brennstoffzelleneinheit 14 erzeugter Strom „i_stk“ ermittelt. Die für die Bestimmung der Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 50 verwendeten Energieströme werden in einer Gleichung von der Recheneinheit 46 computerimplementiert zusammengestellt. Das Geleichungssystem für die Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 50 weist als zwei Unbekannte, die beiden zu ermittelnden Brennstoffparameter, den Stickstoff Molanteil x_N2 und das als H/C-Verhältnis (Wasserstoff/Kohlenstoff-Verhältnis) des Brennstoffs auf. Die weiteren Variablen der Gleichung für die Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 50 sind bekannt und/oder mittels Messverfahren an dem Brennstoffzellensystem 12 direkt oder indirekt ermittelbar.
Die beiden Gleichungen für die Enthalpie-Bilanzen der beiden Unterbaugruppen 48, 50 sind voneinander unabhängig und weisen die gleichen zwei Unbekannten auf, nämlich den als Stickstoff Molanteil x_N2 und das als H/C-ausgebildeten Brennstoffparameter des Brennstoffs. Zur Ermittlung der Unbekannten, also des als Stickstoff Molanteil x_N2 und des als H/C-Verhältnis ausgebildeten Brennstoffparameters werden die in dem Verfahrensschritt 54 in einem numerischen Lösungsverfahren mittels der Recheneinheit 46 computerimplementiert gelöst und so der als Stickstoff Molanteil x_N2 und der als H/C-ausgebildeten Brennstoffparameter ermittelt. Ein numerisches Lösungsverfahren kann dabei beispielsweise als ein Newton-Verfahren ausgebildet sein. Die beiden Gleichungen für die Enthalpie-Bilanzen der beiden Unterbaugruppen 48, 50 werden in dem Verfahrensschritt 54 von der Recheneinheit parallel gelöst. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die beiden Gleichungen für die Enthalpie-Bilanzen der beiden Unterbaugruppen 48, 50 in dem Verfahrensschritt 54 von der Recheneinheit iterativ gelöst werden. Dabei könnte beispielsweise die Gleichung der Enthalpie-Bilanz für die als Hotboxgruppe ausgebildete Unterbaugruppe 48 in einem ersten Unterverfahrensschritt zunächst unter einer Vorgabe eines plausiblen Startwerts für den Stickstoff Molanteil x_N2 gelöst und das aktuelle H/C-Verhältnis des Brennstoffs bestimmt werden. Dieses ermittelte aktuelle H/C-Verhältnis des Brennstoffs würde dann in einem weiteren Unterverfahrensschritt zur Lösung der Gleichung der Enthalpie-Bilanz für die Unterbaugruppe 50 verwendet und dabei der Stickstoff Molanteil x_N2 ermittelt. Diese beiden Unterverfahrensschritte würden dann iterativ so lange wiederholt werden bis der ermittelte Stickstoff Molanteil x_N2 und das aktuelle H/C-Verhältnis des Brennstoffs auf einen festen Wert konvergieren.
Unabhängig davon für welche Unterbaugruppen 48, 50 des Brennstoffzellensystems eine Enthalpie-Bilanz erstellt und in einer entsprechenden Gleichung auf der Recheneinheit 46 berechnet wird, bleiben als Unbekannte Variablen der Gleichungen jeweils der Stickstoff Molanteil x_N2, das aktuelle H/C-Verhältnis des Brennstoffs oder der Kohlenstoffdioxid Molanteil x_CO2 des Brennstoffs. Für eine Berechnung von zwei der unbekannten Brennstoffparameter können vorzugsweise die Enthalpie-Bilanzen zweier beliebiger Unterbaugruppen (nicht nur die zwei oben beschriebenen Unterbaugruppen 48, 50) herangezogen werden. Eine Verwendung anderer Unterbaugruppen als der oben Beschriebenen zur Bestimmung der unbekannten Brennstoffparameter mittels der Enthalpie-Bilanzen hängt dabei insbesondere von einem tatsächlichen Aufbau der Brennstoffzellensystems 12 ab. Vorzugsweise ist es ebenfalls denkbar, dass von drei unterschiedlichen Unterbaugruppen jeweils eine Enthalpie-Bilanz erstellt und zur Berechnung von drei unbekannten Brennstoffparametern verwendet wird. Werden Enthalpie-Bilanzen von drei Unterbaugruppen erstellt, können als Unbekannte der Gleichungen sowohl der Stickstoff Molanteil x_N2, das aktuelle H/C-Verhältnis des Brennstoffs und der Kohlenstoffdioxid Molanteil x_CO2 des Brennstoffs durch eine computerimplementierte numerische Lösung der Gleichungen mittels der Recheneinheit 46 ermittelt werden.
In einer Ausgestaltung in dem eine Unterbaugruppe lediglich den Reformer 24 umfasst, wäre die Unterbaugruppe in dem Rezirkulationspfad angeordnet. Für eine solche Ausgestaltung wäre es denkbar, dass zunächst über eine Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 48, 50, die Außerhalb des Rezirkulationspfads angeordnet ist, oder den Rezirkulationspfad umschließt, ein H/C-Verhältnis des Brennstoffs zu ermitteln. Basierend auf dem Ermittelten H-C-Verhältnis wird über die in dem Rezirkulationspfad angeordnete Unterbaugruppe, hier beispielhaft der Reformer, eine Rezirkulationsrate „r“ bestimmt. Da mehr als eine Unterbaugruppe innerhalb des Rezirkulationspfads für die alleinige Bestimmung der Rezirkulationsrate „r“ zur Verfügung stehen, kann die redundante Funktionseinheit (hier der Reformer 24) und dessen Enthalpie-Bilanz zur Bestimmung eines Brennstoffparameters, insbesondere des als Stickstoff Molanteil x_N2 ausgebildeten Brennstoffparameters oder des als Kohlenstoffdioxid Molanteil x_CO2 ausgebildeten Brennstoffparameter herangezogen werden. Die Ermittlungen können dabei parallel oder iterativ erfolgen. Hierbei können insbesondere Enthalpie-Bilanzen von innerhalb des Rezirkulationspfads und von außerhalb des Rezirkulationspfads beliebig miteinander kombiniert werden. Eine Einzige Bedingung ist, dass jeweils mindestens eine Enthalpie-bilanz von einer Unterbaugruppe innerhalb des Rezirkulationspfads und eine Enthalpie-Bilanz von einer Unterbaugruppe außerhalb des Rezirkulationspfads verwendet wird.
Im Folgenden soll beispielhaft eine Bestimmung der beiden aktuellen Brennstoffparameter, nämlich der Stickstoff Molanteil x_N2, und das aktuelle H/C-Verhältnis des Brennstoffs, mittels der Enthalpie-Bilanzen der beiden oben beschriebenen Unterbaugruppen 48, 50 beschrieben werden. Für die Enthalpie-Bilanzen der Unterbaugruppen 48, 50 werden jeweils eine Gleichung aufgestellt, die von der Recheneinheit 46 in einem numerischen Lösungsverfahren computerimplementiert gelöst werden.
Für die erste, als Hotboxbaugruppe ausgebildete Unterbaugruppe 48 ergibt sich für ihre Enthalpie-Bilanz die folgende Gleichung. Die Gleichung ist in der Recheneinheit 46 entsprechend hinterlegt. Die Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 48 ist durch $\begin{array}{l} P_{E a H} + {\dot{H}}_{N G} ({\dot{V}}_{N G} (H C); H C; x_{N 2}) + {\dot{H}}_{A i r} ({\dot{V}}_{A i r}) - P_{E I D C} (u_{s t k}; i_{i n v}) \\ - {\dot{Q}}_{H o t b o x l o s s} (i_{i n v}) - {\dot{H}}_{o f f g a s} ({\dot{V}}_{A i r}; {\dot{V}}_{N g}; H C; x_{N 2}) = 0 \end{array}$
gegeben.
Der Brennstoffenthalpiestrom „Ḣ_NG“ ist dabei abhängig von dem Brennstoffeingangsvolumenstrom „V̇_{NG in}“, dem H/C-Verhältnis des Brennstoffs (HC) und dem Stickstoff Molanteil x_N2. Der Brennstoffeingangsvolumenstrom „V̇_{NG in}“ wird in dem Verfahrensschritt 54 von einem entsprechenden Sensor in der Brennstoffleitung 22 gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Der Oxidansenthalpiestrom „Ḣ_Air“ ist von dem Oxidanseingangsvolumenstrom „V̇_{Air FCS in}“ abhängig. Der Oxidanseingangsvolumenstrom „V̇_{Air FCS in}“ wird in dem Verfahrensschritt 54 von einem entsprechenden Sensor in der Oxidansleitung 26 gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Die elektrische Leistung „P_EIDC“ der Brennstoffzelleneinheit 14 ist abhängig von einer von der Brennstoffzelleneinheit 14 erzeugten Spannung „u_stk“ und von einem von der Brennstoffzelleneinheit 14 erzeugten Strom „i_inv“. Die erzeugte Spannung „u_stk“ und der erzeugte Strom „i_inv“ werden in dem Verfahrensschritt 54 durch entsprechende Messeinrichtungen gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Der thermische Verlust der als Hotboxgruppe ausgebildeten Unterbaugruppe 48, die Hotboxverlustwärme „Q̇_{Hotbox LOSS}“ kann in Abhängigkeit von dem erzeugten Strom „i_inv“ und/oder weiteren bekannten Betriebskenngrößen wie Temperaturen und Volumenströme ermittelt werden. Die Abhängigkeit wird zuvor in einer Vermessung durch Betrieb des Brennstoffzellensystems 12 mit einem Referenzgas (Methan oder Erdgas bekannter Zusammensetzung) bestimmt. Die weiteren bekannten Betriebskenngrößen wie Temperaturen und Volumenströme werden in dem Verfahrensschritt 54 durch entsprechende Messeinrichtungen gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Das H/C-Verhältnis des Brennstoffs (HC) und der Stickstoff Molanteil x_N2 des Brennstoffs bilden die beiden Unbekannten der Gleichung für die Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 48, die nicht gemessen werden.
Für die zweite, von dem Nachbrenner 34 gebildete Unterbaugruppe 50 ergibt sich für ihre Enthalpie-Bilanz die folgende Gleichung. Die Gleichung ist in der Recheneinheit 46 entsprechend hinterlegt. Die Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 50 ist durch $\begin{array}{l} 0 = f_{7} ({\dot{V}}_{A i r F C S i n}; t_{a i r s t k o u t}; i_{s t k}; x_{O 2 i n A i r}) \\ + f_{3} (H C; x_{N 2}; i_{s t k}; {\dot{V}}_{N G F C S i n}; t_{a i r s t k o u t}) \\ - f_{8} ({\dot{V}}_{A i r F C S i n}; {\dot{V}}_{N G F C S i n}; t_{o g t g b o u t}; HC; x_{N 2}) \\ + f_{0} (i_{s t k}; t_{o g t g b o u t}; t_{a i r s t k o u t}) \end{array}$
gegeben.
Die Funktion f₇ (Beschreibend für Oxidanseingangsenthalpiestrom in den Nachbrenner 34) ist von dem Oxidanseingangsvolumenstrom „V̇_{Air FCS in}“, der Oxidansaustrittstemperatur t_{air stk out} an der Brennstoffzelleneinheit 14, dem von der Brennstoffzelleneinheit 14 erzeugten Strom „i_stk“, sowie dem Sauerstoff Molanteil x_{02 inAir} des Oxidans abhängig. Die Funktion f₃ (Beschreibend für Brennstoffeingangsenthalpiestrom in den Nachbrenner 34) ist von dem H/C-Verhältnis des Brennstoffs (HC), dem Stickstoff Molanteil x_N2, dem Brennstoffeingangsvolumenstrom „V_{NG FCS in}“, der Brennstoffabgastemperatur „t_{ao tgb in}“ und der Oxidansaustrittstemperatur t_{air stk out} an der Brennstoffzelleneinheit abhängig. Die Funktion f₈ (Beschreibend für Abgasausgangsenthalpiestrom aus dem Nachbrenner 34) ist von dem Oxidanseingangsvolumenstrom „V̇_{Air FCS in}“, dem Brennstoffeingangsvolumenstrom „V̇_{NG Fcs in}“, der Abgasaustrittstemperatur t_{og tgb out}, dem H/C-Verhältnis des Brennstoffs (HC) und dem Stickstoff Molanteil x_N2 abhängig. Die Funktion f₀ (Beschreibend für die Verlustwärme des Nachbrenners 34) ist von dem von der Brennstoffzelleneinheit 14 erzeugten Strom „i_stk“, der Abgasaustrittstemperatur t_{og t9b out} und der Oxidansaustrittstemperatur t_{air stk out} an der Brennstoffzelleneinheit 14 und/oder weiteren bekannten Betriebskenngrößen wie Temperaturen und Volumenströme abhängig. Der Oxidanseingangsvolumenstrom „V̇_{Air FCS in}“ wird in dem Verfahrensschritt 54 von einem entsprechenden Sensor in der Oxidansleitung 26 gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Die Oxidansaustrittstemperatur t_{air stk out} an der Brennstoffzelleneinheit 14 wird in dem Verfahrensschritt 54 von einem entsprechenden Temperatursensor gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Der von der Brennstoffzelleneinheit 14 erzeugte Strom „i_stk“ wird in dem Verfahrensschritt 54 durch eine entsprechende Messeinrichtung gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Der Sauerstoff Molanteil x_{O2 in Air} des Oxidans wird durch eine entsprechende Messeinrichtung gemessen oder geschätzt. Die Abgasaustrittstemperatur t_{og tgb out} wird in dem Verfahrensschritt 54 von einem entsprechenden Temperatursensor in der Abgasleitung 36 gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Die Oxidansaustrittstemperatur t_{air stk out} an der Brennstoffzelleneinheit 14 wird in dem Verfahrensschritt 54 von einem entsprechenden Temperatursensor gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Die weiteren bekannten Betriebskenngrößen wie Temperaturen und Volumenströme für die Funktion f₀ werden in dem Verfahrensschritt 54 durch entsprechende Messeinrichtungen gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Das H/C-Verhältnis des Brennstoffs (HC) und der Stickstoff Molanteil x_N2 des Brennstoffs bilden die beiden Unbekannten der Gleichung für die Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 50, die nicht gemessen werden.
Die beiden oben aufgeführten Gleichungen für die Enthalpie-Bilanzen der beiden Unterbaugruppen 48, 50 werden in dem Verfahrensschritt 54 von der Recheneinheit 46 in einem numerischen Lösungsverfahren computerimplementiert nach den Unbekannten, also dem H/C-Verhältnis des Brennstoffs (HC) und dem Stickstoff Molanteil x_N2 des Brennstoffs gelöst. Beispielsweise kann ein Newton-Verfahren verwendet werden. Durch die Bestimmung der Unbekannten in den Gleichungen der Enthalpie-Bilanzen der beiden Unterbaugruppen 48, 50, mittels der aktuell gemessenen Betriebskenngrößen, können permanent die aktuellen Brennstoffparameter, also das H/C-Verhältnis des Brennstoffs (HC) und der Stickstoff Molanteil x_N2 des Brennstoffs ermittelt werden. Dadurch kann eine Regelung des Brennstoffzellensystems 12 einfach und schnell an Schwankungen dieser Brennstoffparameter angepasst werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt 56 werden die ermittelten Brennstoffparameter zur Regelung des Brennstoffzellensystems 12 herangezogen. Mittels der geschätzten aktuellen Brennstoffparameter kann eine Regelung des Brennstoffzellensystems 12 genauer erfolgen.

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems (12), insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, welches in zumindest einem Verfahrensschritt (52) in mehrere Unterbaugruppen (48, 50) unterteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt (54) zumindest für zwei Unterbaugruppen (48, 50) eine Enthalpie-Bilanz erstellt wird, wobei mittels der erstellten Enthalpie-Bilanzen zumindest ein aktueller Brennstoffparameter bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Unterbaugruppen (50), deren Enthalpie-Bilanz erstellt wird, außerhalb eines Rezirkulationspfads des Brennstoffzellensystems (12) angeordnet ist, oder den Rezirkulationspfad umschließt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für zwei beliebige Unterbaugruppen (48, 50) des Brennstoffzellensystems (12) die Enthalpie-Bilanz für eine Bestimmung des zumindest einen aktuellen Brennstoffparameters ermittelt werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Unterbaugruppen (50), deren Enthalpie-Bilanz erstellt wird, einen Nachbrenner (34) des Brennstoffzellensystems umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Unterbaugruppen (48), deren Enthalpie-Bilanz erstellt wird, als eine Hotboxgruppe des Brennstoffzellensystems (12) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt (54) unterschiedliche Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems (12) erfasst werden, um eine aktuelle Enthalpie-Bilanz einer Unterbaugruppe (48, 50) zu erstellen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Verfahrensschritt (54) bestimmte Brennstoffparameter als ein H/C-Verhältnis des Brennstoffs, oder als ein Inertgas-Molanteil, insbesondere eine N2-Konzentration (x_N2) oder eine CO2-Konzentration (x_CO2) in dem Brennstoff ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt (54) die Enthalpie-Bilanzen jeweils als Gleichung mit den zu bestimmenden Brennstoffparametern als Unbekannten in einem numerischen Lösungsverfahren computerimplementiert gelöst werden.
Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Recheneinheit (46) zu einer Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.