DE102021214818A1

DE102021214818A1 - Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102021214818A1
Application number: DE102021214818.2A
Authority: DE
Inventors: Felix Schaefer; Tobias Alexander Beck
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: WO2023117184A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems (12), insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, wobei zumindest Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems (12) erfasst und verarbeitet werden.Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt (66) anhand von Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems (12) zumindest ein aktueller Brennstoffparameter geschätzt wird.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits ein Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, wobei zumindest eine Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems erfasst und verarbeitet wird, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, wobei zumindest Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems erfasst und verarbeitet werden.
Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt anhand von erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems zumindest ein aktueller Betriebsgasparameter geschätzt wird. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem als Funktionseinheit zumindest eine Brennstoffzelleneinheit, welche insbesondere zumindest eine Brennstoffzelle, einen 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 Betriebskenngrößen 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 Betriebskenngrößen 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 einer der Betriebskenngrößen verstanden werden.
Die Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems kann beispielsweise als ein Volumenstrom „V̇_Ng“, ein Volumenstrom Methan „_V̇NgAsIfCH4“, ein Volumenstrom des einströmenden Oxidans „V̇_{air in}“, eine Abgasoxidanstemperatur „_{tAir tgb In} ", eine Brennstoffausgangstemperatur„t_{An Out} ", eine Nachbrennerabgastemperatur _"t_{tgb Out} ", eine Brennstoffförderertemperatur „t_{Ng Blwr Out} ", eine Abgastemperatur _„t_{og Fcs Out} ", eine Oxidansfördertemperatur „t_{Air Blwr Out} ", eine Rezirkulattemperatur „t_{Ago Achx Out} ", eine Abgaswärmetauschereingangstemperatur „t_{Og Airhx In} ", eine Abgaswärmetauscherausgangstemperatur „t_{Og Airhx Out} ", eine Oxidanswärmetauschereingangstemperatur „t_{Air Airhx In}“, eine Oxidanswärmetauscherausgangstemperatur „t_{Air Airhx Out} ", eine Brennstoffreformerausgangstemperatur „t_{Agr Refout}“ oder eine elektrische Ausgangsleistung „P_stk“ der Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sein. Die oben genannte Liste ist eine beispielhafte Liste für Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems, die zur Schätzung eines Brennstoffparameters herangeozogen werden können. Je nach Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems ist es denkbar, dass weitere Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems erfasst und zur Schätzung eines Brennstoffparameters herangezogen werden. Insbesondere ist es denkbar, dass Temperaturen, Drücke, Volumenströme oder elektrische Leistungen anderer Einheiten des Brennstoffzellensystems verwendet werden.
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. 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 H2-Konzentration, CH4-Konzentration, eine C2H6-Konzentration, eine C3H8-Konzentration, eine H20-Konzentration ausgebildet ist. 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. Darunter, dass ein Brennstoffparameter „geschätzt wird“ soll verstanden werden, dass er mittels der vorliegenden Eingangsdaten, also den Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems, auf möglichst genaue Weise ermittelt wird.
Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren kann während des Betriebs des Brennstoffzellensystems einfach eine Zusammensetzung 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 in dem Verfahrensschritt der aktuelle Brennstoffparameter in einem maschinellen Lernverfahren unter Verwendung mehrerer Betriebskenngrößen geschätzt wird. Unter einem „maschinellen Lernverfahren“ soll vorzugsweise ein computerimplementiertes, rechnerisches Verfahren verstanden werden, das anhand von unvollständig vorhandenen Daten zu ermittelnden Größen, insbesondere auf einen zu ermittelnden aktuellen Brennstoffparameter ermittelt, insbesondere geschätzt werden kann. Vorzugsweise ist das maschinelle Lernverfahren als ein Gaußprozess ausgebildet. Ein maschinelles Lernverfahren soll insbesondere als ein computerimplementiertes Verfahren verstanden werden, das eine Computerarchitektur aufweist, die dazu eingerichtet ist, aus Erfahrung Wissen zu generieren, insbesondere aus Beispielen zu lernen und zu verallgemeinern. Vorzugsweise umfasst das maschinelle Lernverfahren zumindest einen selbstadaptiven Algorithmus. Beispielsweise ist das maschinelle Lernverfahren als ein Modul für mehrschichtiges tiefes Lernen (Deep-Learning-Modul), insbesondere mit zumindest einem neuronalen Netzwerk, ausgebildet. Unter einem „Tieflernmodul“ soll insbesondere ein mehrschichtiges Maschinenlernmodul verstanden werden, das dazu eingerichtet ist, sich selbstständig lernrelevante Merkmale vorzugeben. In einer alternativen Ausbildung ist denkbar, dass das Maschinenlernmodul zu einer Verarbeitung von von einem Benutzer vorgegebenen lernrelevanten Merkmalen eingerichtet ist. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass das maschinelle Lernverfahren von einem neuronalen Netzwerk gebildet ist. Unter einem „neuronalen Netzwerk“ soll insbesondere eine Computerarchitektur verstanden werden, die miteinander vernetzte künstliche Neuronen umfasst. Das neuronale Netzwerk kann insbesondere als ein einschichtiges vorwärtsgerichtetes Netz (feedforward network), als ein mehrschichtiges vorwärtsgerichtetes Netz (feedforward network), als ein rekurrentes Netz oder als ein anderes, einem Fachmann als sinnvoll erscheinendes neuronales Netzwerk ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Maschinenlernmodul, insbesondere das neuronale Netzwerk, zum Training dazu eingerichtet, die Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems und die Brennstoffparameter zu verarbeiten. Vorzugsweise ist das Maschinenlernmodul, insbesondere das neuronale Netzwerk, dazu eingerichtet, anhand der Betriebskenngrößen , einen Zusammenhang mit den entsprechenden Brennstoffparametern des Brennstoffs zu lernen. Vorzugsweise ist das mittels Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems und der Brennstoffparameter trainierte Maschinenlernmodul, insbesondere neuronale Netzwerk, dazu in der Lage, anhand mehrerer gemessener Betriebskenngrößen zumindest einen Brennstoffparameter zu schätzen. Dadurch kann ein Verfahren zur Schätzung zumindest eines Brennstoffparameters besonders vorteilhaft ausgebildet werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das maschinelle Lernverfahren als ein Gaußprozess ausgebildet ist. Unter einem „Gaußprozess“ soll vorzugsweise ein computerimplementierter, stochastischer Prozess verstanden werden. Dadurch kann das maschinelle Lernverfahren zur Schätzung des Brennstoffparameters besonders einfach ausgebildet werden.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass in einem Lernverfahrensschritt ein Datensatz erzeugt wird, in dem ein gemessener Brennstoffparameter mit entsprechenden Betriebskenngrößen verknüpft abgespeichert wird. Unter einem „Lernverfahrensschritt“ soll vorzugsweise ein Verfahrensschritt verstanden werden, der vor einem Regelbetrieb der Brennstoffzellenvorrichtung stattfindet und in dem ein Zusammenhang zwischen den Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems und den Brennstoffparametern durch verschiedene Messungen bei unterschiedlichen Auslastungen, Einstellungen und Zeitpunkt/Alter des Brennstoffzellensystems ermittelt und in einem Datensatz abgespeichert werden. Das Brennstoffzellensystem kann ein Degradationsverhalten aufweisen, das vorzugsweise in der Modellbildung mit abgebildet werden kann. Dadurch kann das maschinelle Lernverfahren zur Schätzung des Brennstoffparameters besonders einfach ausgebildet werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in dem Verfahrensschritt aus den erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems mittels dem im Lernverfahren erzeugten Datensatz der Brennstoffparameter ermittelt wird. Dadurch kann das maschinelle Lernverfahren zur Schätzung des Brennstoffparameters besonders gut ausgebildet werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in dem Verfahrensschritt ein Vertrauensparameter ermittelt wird, der eine Genauigkeit der Schätzung des Brennstoffparameters wiedergibt. Unter einem „Vertrauensparameter“ soll vorzugsweise ein Parameter verstanden werden, der eine Genauigkeit einer Schätzung des Brennstoffparameters wiedergibt. Der Vertrauensparameter ist vorzugsweise davon abhängig, wie genau ein Datensatz gemessener Betriebskenngrößen während des Betriebs mit dem in dem Lernverfahrensschritt gemessenen Betriebskenngrößen korreliert. Weichen die im Verfahrensschritt gemessenen Betriebskenngrößen weit von den im Lernverfahrensschritt in einem Messpunkt hinterlegten Betriebskenngrößen ab, so ist eine Genauigkeit des geschätzten Brennstoffparameters geringer. Weichen die im Verfahrensschritt gemessenen Betriebskenngrößen nicht, oder nur wenig von den im Lernverfahrensschritt in einem Messpunkt hinterlegten Betriebskenngrößen ab, so ist eine Genauigkeit des geschätzten Brennstoffparameters groß. Dadurch kann eine Genauigkeit des geschätzten Brennstoffparameters vorteilhaft bestimmt werden und so eine Regelung des Brennstoffzellensystems vorteilhaft an mögliche Unsicherheiten angepasst werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass die in dem Verfahrensschritt verwendete Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems, als ein Druck, als ein Volumenstrom, eine Temperatur, eine elektrische Leistung, ein elektrischer Strom, oder eine Drehzahl, in dem Brennstoffzellensystem ausgebildet ist. 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, eines Gebläses, eines Ejektors oder eines Förderers in dem Brennstoffzellensystem verstanden werden. Dadurch kann eine Schätzung des Brennstoffparameters besonders einfach mittels der Betriebskenngrößen erfolgen.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass der in dem Verfahrensschritt ermittelte Brennstoffparameter als eine Konzentration eines bestimmten Gasanteils in dem Brennstoff ausgebildet ist. Unter einer „Konzentration eines bestimmten Gasanteils“ soll vorzugsweise ein CO2-Verhältniss oder ein N2-Verhältniss in dem Brennstoff verstanden werden. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Brennstoffparameter als eine H2-Konzentration (Wasserstoffkonzentration), oder eine CH4-Konzentration (Methankonzentration) ausgebildet ist. Dadurch kann in dem Verfahrensschritt ein besonders vorteilhafter Brennstoffparameter bestimmt werden, der für eine Regelung des Brennstoffzellensystems von Bedeutung ist.
Zudem wird vorgeschlagen, dass in einem weiteren Verfahrensschritt der zumindest eine geschätzte Brennstoffparameter zur Regelung des Brennstoffzellensystems herangezogen wird. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem besonders genau geregelt werden.
Weiter wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Recheneinheit zu einer Durchführung eines entsprechenden Verfahrens vorgeschlagen. Dadurch kann ein besonders vorteilhaftes Brennstoffzellensystem, insbesondere ein besonders vorteilhaftes Festoxidbrennstoffzellensystem bereitgestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren für ein Brennstoffzellensystem soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren und 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,
2 eine schematische Darstellung eines in einem Lernverfahrensschritt erstellten Datensatzes mit verschiedenen Messpunkten und einen in einem Validierungsverfahrensschritt erstellten Datensatz mit mehreren Messpunkten und
3 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 ein zwischen der Oxidanselektrode 18 und der Brennstoffelektrode 16 angeordneten Elektrolyt 20. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst vorzugsweise 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 vorzugsweise zumindest eine Brennstofffördereinheit 24, welche in der Brennstoffleitung 22 angeordnet ist, zu einer Förderung des Brennstoffs zu der Brennstoffzelleneinheit 14. Beispielsweise ist die Brennstofffördereinheit 24 als Kompressor, als Ventilator, als Pumpe oder dergleichen ausgebildet. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 12 einen Reformer 26.
Bevorzugt ist der Reformer 26 in der Brennstoffleitung 22 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Brennstofffördereinheit 24 angeordnet. Der Reformer 26 ist zu einer Erzeugung eines reformierten Brennstoffs stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 14 vorgesehen. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 12 zumindest eine Oxidansleitung 28 von einer Oxidansversorgung zu der Brennstoffzelleneinheit 14. Die Oxidansleitung 28 ist vorzugsweise zu einem Transport eines Oxidans zu der zumindest einen Oxidanselektrode 18 der Brennstoffzelleneinheit 14 vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst eine Oxidansfördereinheit 30, welche in der Oxidansleitung 28 angeordnet ist, die zu einer Förderung des Oxidans zu der Oxidanselektrode 18 vorgesehen ist. Beispielsweise ist die Oxidansfördereinheit 30 als Kompressor, als Ventilator, als Pumpe oder dergleichen ausgebildet. Bevorzugt umfasst das Brennstoffzellensystem 12 zumindest einen Ausgleichswärmeübertrager 32, welcher die Brennstoffleitung 22 und die Oxidansleitung 28 thermisch koppelt. Vorzugsweise ist der Ausgleichswärmeübertrager 32 in der Brennstoffleitung 22 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und dem Reformer 26 angeordnet. Der Ausgleichswärmeübertrager 32 ist in der Oxidansleitung 28 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Oxidansfördereinheit 30 angeordnet.
Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Brennstoffabfuhrleitung 34, welche an der Brennstoffzelleneinheit 14 angebunden ist. Die Brennstoffabfuhrleitung 34 ist an der Brennstoffelektrode 16 angeschlossen und dazu vorgesehen, das aus der Brennstoffelektrode 16 austretende Fluid abzuführen. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Oxidansabfuhrleitung 36, welche an der Brennstoffzelleneinheit 14, insbesondere an der Oxidanselektrode 18, angeschlossen ist und dazu vorgesehen ist, das aus der Oxidanselektrode 18 austretende Fluid abzuführen. Bevorzugt umfasst das Brennstoffzellensystem 12 einen Nachbrenner 38. Vorzugsweise führen die Brennstoffabfuhrleitung 34 und die Oxidansabfuhrleitung 36 von der Brennstoffzelleneinheit 14 in den Nachbrenner 38. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 12 eine Abgasleitung 40, die zu einer Abfuhr eines Abgases aus dem Nachbrenner 38 vorgesehen ist.
Zudem umfasst das Brennstoffzellensystem 12 zumindest einen Abgasoxidanswärmeübertrager 42, der zu einer thermischen Kopplung der Abgasleitung 40 und der Oxidansleitung 28 vorgesehen ist. Bevorzugt ist der Abgasoxidanswärmeübertrager 42 stromabwärts des Nachbrenners 38 angeordnet. Der Abgasoxidanswärmeübertrager 42 ist in der Oxidansleitung 28 zwischen dem Ausgleichswärmeübertrager 32 und der Oxidansfördereinheit 30 angeordnet. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 12 zumindest einen Abgasbrennstoffwärmeübertrager 44, der zu einer thermischen Kopplung der Abgasleitung 40 und der Brennstoffleitung 22 vorgesehen ist. Bevorzugt ist der Abgasbrennstoffwärmeübertrager 44 stromabwärts des Nachbrenners 38 angeordnet und stromaufwärts des Abgasoxidanswärmeübertragers 42. Der Abgasbrennstoffwärmeübertrager 44 ist in der Brennstoffleitung 22 zwischen dem Reformer 26 und der Brennstofffördereinheit 24 angeordnet.
Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 12 eine Rezirkulationsleitung 46. Die Rezirkulationsleitung 46 führt von der Brennstoffabfuhrleitung 34 zu der Brennstoffleitung 22. Vorzugsweise ist eine Einspeisestelle 48 der Rezirkulationsleitung 46 in die Brennstoffleitung 22 zwischen der Brennstofffördereinheit 24 und dem Reformer 26 angeordnet. Vorzugsweise ist eine Entnahmestelle 50 der Rezirkulationsleitung 46 in der Brennstoffabfuhrleitung 34 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und dem Nachbrenner 38 angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst eine Rezirkulationsfördereinheit 52, welche in der Rezirkulationsleitung 46 angeordnet ist, die zu einer Rezirkulation eines Anteils des aus der Brennstoffelektrode 16 austretenden Fluids vorgesehen ist. Vorzugsweise ist die Rezirkulationsfördereinheit 52 als Kompressor, als Ventilator, als Pumpe oder dergleichen ausgebildet. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst einen kalorimetrischen Durchflussmesser 54, welcher in der Brennstoffleitung 22 angeordnet ist. Der kalorimetrische Durchflussmesser 54 ist dazu vorgesehen, einen Volumenstrom an Brennstoff zu ermitteln, der in das Brennstoffzellensystem 12 gefördert wird. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst einen weiteren kalorimetrischen Durchflussmesser 56, welcher in der Rezirkulationsleitung 46 angeordnet ist, insbesondere stromaufwärts oder stromabwärts der Rezirkulationsfördereinheit 52. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst einen weiteren kalorimetrischen Durchflussmesser 62, welcher in der Oxidansleitung 28 angeordnet ist. Der kalorimetrische Durchflussmesser 62 ist dazu vorgesehen, einen Volumenstrom des Oxidans zu ermitteln, das über die Oxidansleitung 28 in das Brennstoffzellensystem 12 gefördert wird. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest einen Rezirkulationsbrennstoffwärmeübertrager 58, welcher die Brennstoffleitung 22 und die Rezirkulationsleitung 46 thermisch koppelt. Vorzugsweise ist der Rezirkulationsbrennstoffwärmeübertrager 58 in der Brennstoffleitung 22 zwischen der Brennstofffördereinheit 24 und der Brennstoffzelleneinheit 14 angeordnet, hier stromaufwärts oder alternativ stromabwärts des Abgasbrennstoffwärmeübertragers 44. Der Rezirkulationsbrennstoffwärmeübertrager 58 ist in der Rezirkulationsleitung 46 stromaufwärts der Rezirkulationsfördereinheit 52 des Brennstoffzellensystems 12 angeordnet. Bevorzugt umfasst das Brennstoffzellensystem 12 zumindest einen Rezirkulationsoxidanswärmeübertrager 60, welcher die Rezirkulationsleitung 46 und die Oxidansleitung 28 thermisch koppelt. Vorzugsweise ist der Rezirkulationsoxidanswärmeübertrager 60 in der Rezirkulationsleitung 46 stromaufwärts der Rezirkulationsfördereinheit 52 angeordnet. Der Rezirkulationsoxidanswärmeübertrager 60 ist in der Oxidansleitung 28 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Oxidansfördereinheit 30 angeordnet, hier stromaufwärts des Abgasoxidanswärmeübertragers 42 oder alternativ stromabwärts des Abgasoxidanswärmeübertragers 42.
Die Rezirkulationsleitung 46 bildet zusammen mit der Brennstoffleitung 22 und der Brennstoffabfuhrleitung 34 eine Leitungsschleife, in welcher die Brennstoffzelleneinheit 14, der Ausgleichswärmeübertrager 32, der Rezirkulationsbrennstoffwärmeübertrager 58, der Rezirkulationsoxidanswärmeübertrager 60, der Abgasbrennstoffwärmeübertrager 44, die Rezirkulationsfördereinheit 52 und/oder der Reformer 26 angeordnet sind. Die Brennstofffördereinheit 24, die Oxidansfördereinheit 30, der Nachbrenner 38 und/oder der Abgasoxidanswärmeübertrager 42 sind außerhalb der Leitungsschlaufe angeordnet.
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 64. Die Recheneinheit 64 ist zu einer Durchführung eines Verfahrens 10 vorgesehen. Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für das Verfahren 10. Das Verfahren 10 ist zur Überwachung des Brennstoffzellensystems 12 vorgesehen. Die Recheneinheit 64 ist dazu vorgesehen, unterschiedliche Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 zu erfassen und zu verarbeiten. In dem Verfahren zur Überwachung des Brennstoffzellensystems 12 werden mehrere Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 erfasst und verarbeitet. Beispielhaft werden im Folgenden verschiedene Betriebskenngrößen beschrieben, die in dem Verfahren 10 erfasst und verarbeitet werden. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass nicht alle der im Folgenden beschriebenen Betriebskenngrößen, oder auch zusätzliche Betriebskenngrößen in dem erfindungsgemäßen Verfahren 10 ermittelt und ausgewertet werden. In Ausgestaltungen eines Brennstoffzellensystems 12, welches einen anderen Aufbau als den oben beschriebenen aufweist und beispielsweise eine andere Anzahl an Einheiten aufweist, können in dem Verfahren auch andere Betriebskenngrößen ermittelt und ausgewertet werden.
Eine erste Betriebskenngröße ist als ein Volumenstrom des einströmenden Brennstoffs „V̇_Ng“ ausgebildet. Der Volumenstrom „V̇_Ng“ des als Erdgas ausgebildeten Brennstoffs wird von dem kalorimetrischen Durchflussmesser 54, welcher in der Brennstoffleitung 22 angeordnet ist, ermittelt.
Eine zweite Betriebskenngröße ist als ein Volumenstrom des Brennstoffs umgerechnet in Methan „V̇_NgAsIfCH4“ ausgebildet. Der Volumenstrom Methan „V_̇NgAsIfCH4“ ist rechnerisch aus dem gemessenen Volumenstrom „V̇_Ng“ des als Erdgas ausgebildeten Brennstoffs errechnet.
Eine dritte Betriebskenngröße ist als ein Volumenstrom des einströmenden Oxidans „V̇_{air in}“ ausgebildet. Der Volumenstrom „V̇_{air in}“ des als eine Fischluft ausgebildeten Oxidans wird von dem kalorimetrischen Durchflussmesser 62, welcher in der Oxidansleitung 28 angeordnet ist, ermittelt.
Eine vierte Betriebskenngröße ist als eine Abgasoxidanstemperatur „t_{Air tgb In}“ eines aus Abgasoxidans, an einem Eingang des Nachbrenners 38, ausgebildet.
Die Abgasoxidanstemperatur„t_{Air tgb In}" wird über einen an dem Eingang des Nachbrenners 38 in der Oxidansabfuhrleitung 36 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet.
Eine fünfte Betriebskenngröße ist als eine Brennstoffausgangstemperatur „t_{An Out}“ an einem Ausgang der Brennstoffelektrode 16 des Brennstoffzelleneinheit 14 ausgebildet. Die Brennstoffausgangstemperatur „t_{An Out}“ wird über einen an dem Ausgang der Brennstoffelektrode 16 in der Brennstoffabfuhrleitung 34 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64erfasst und verarbeitet.
Eine sechste Betriebskenngröße ist als eine Nachbrennerabgastemperatur „t_{tgb Out}“ eines aus dem Nachbrenner 38 ausströmenden Abgases ausgebildet. Die Nachbrennerabgastemperatur „t_{tgb Out}“ wird über einen an dem Ausgang des Nachbrenners 38 in der Abgasleitung 40 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet.
Eine siebte Betriebskenngröße ist als eine Brennstoffförderertemperatur „t_{Ng Blwr Out}“ des Brennstoffs an einem Ausgang der Brennstofffördereinheit 24 ausgebildet. Die Brennstoffförderertemperatur „t_{Ng Blwr Out}“ wird über einen an dem Ausgang der Brennstofffördereinheit 24 in der Brennstoffleitung 22 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet.
Eine achte Betriebskenngröße ist als eine Abgastemperatur „t_{Og Fcs Out}“ des Brennstoffzellensystems 12 an einem Ausgang des aus dem Nachbrenner 38 ausströmenden Abgases 40 ausgebildet. Die Abgastemperatur „t_{Og Fcs Out}“ des Brennstoffzellensystems 12 wird über einen an dem Ausgang des Nachbrenners 38 stromabwärts des Abgasoxidanswärmeübertragers 42 in der Abgasleitung 40 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet.
Eine neunte Betriebskenngröße ist als eine Oxidansfördertemperatur „t_{Air Blwr Out}“ des Oxidans an einem Ausgang der Oxidansfördereinheit 30 ausgebildet. Die Oxidansfördertemperatur „t_{Air Blwr Out}“ wird über einen an dem Ausgang der Oxidansfördereinheit 30 in der Oxidansleitung 28 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet.
Eine zehnte Betriebskenngröße ist als eine Rezirkulattemperatur „t_{Ago Achx Out}“ eines rezirkulierten Brennstoffs an einem Rezirkulatausgang des Rezirkulationsoxidanswärmeübertragers 60 in der Rezirkulationsleitung 46 ausgebildet. Die Rezirkulattemperatur „t_{Ago Achx Out}“ wird über einen an dem Rezirkulatausgang des Rezirkulationsbrennstoffwärmeübertrager 58 in der Rezirkulationsleitung 46 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet.
Eine elfte Betriebskenngröße ist als eine Abgaswärmetauschereingangstemperatur „t_{Og Airhx In}“ eines Abgases an einem Abgaseingang des Abgasoxidanswärmeübertragers 42 in der Abgasleitung 40 ausgebildet. Die Abgaswärmetauschereingangstemperatur „t_{Og Airhx In}“ wird über einen an dem Abgaseingang des Abgasoxidanswärmeübertragers 42 in der Abgasleitung 40 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet.
Eine zwölfte Betriebskenngröße ist als eine Abgaswärmetauscherausgangstemperatur „t_{Og Airhx Out}“ eines Abgases an einem Abgasausgang des Abgasoxidanswärmeübertragers 42 in der Abgasleitung 40 ausgebildet. Die Abgaswärmetauschereingangstemperatur „t_{Og Airhx In}“ wird über einen an dem Abgasausgang des Abgasoxidanswärmeübertragers 42 in der Abgasleitung 40 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet.
Eine dreizehnte Betriebskenngröße ist als eine Oxidanswärmetauschereingangstemperatur „t_{Air Airhx In}“ eines Oxidans an einem Oxidanseingang des Abgasoxidanswärmeübertragers 42 in der Oxidansleitung 28 ausgebildet. Die Oxidanswärmetauschereingangstemperatur „t_{Air Airhx In}“ wird über einen an dem Oxidanseingang des Abgasoxidanswärmeübertragers 42 in der Oxidansleitung 28 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet.
Eine vierzehnte Betriebskenngröße ist als eine Oxidanswärmetauscherausgangstemperatur „t_{AirAirhx Out}“ eines Oxidans an einem Oxidansausgang des Abgasoxidanswärmeübertragers 42 in der Oxidansleitung 28 ausgebildet. Die Oxidanswärmetauscherausgangstemperatur „t_{Air Airhx Out}“ wird über einen an dem Oxidansausgang des Abgasoxidanswärmeübertragers 42 in der Oxidansleitung 28 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet.
Eine fünfzehnte Betriebskenngröße ist als eine Brennstoffreformerausgangstemperatur „t_{Agr Ref Out}“ des Brennstoffs an einem Ausgang des Reformers 26 ausgebildet. Die Brennstoffreformerausgangstemperatur „t_{Agr Ref Out}“ wird über einen an dem Ausgang des Reformers 26 in der Brennstoffleitung 22 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet.
Eine sechzehnte Betriebskenngrößen ist als eine abgegebene elektrische Ausgangsleistung „P_stk“ der Brennstoffzelleneinheit 14 ausgebildet. Die elektrische Ausgangsleistung „P_stk“ der Brennstoffzelleneinheit 14 wird durch entsprechende Messung der Ausgangsströme und Ausgangsspannungen der Brennstoffzelleneinheit 14 ermittelt.
Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass als weitere Betriebskenngrößen weitere Drücke, Temperaturen, oder Volumenströme in dem Verfahren ermittelt und verarbeitet werden. Vorzugsweise ist denkbar, dass weitere Drücke, Temperaturen oder Volumenströme an Eingängen oder Ausgängen weiterer Einheiten des Brennstoffzellensystems 12, wie beispielsweise der Brennstofffördereinheit 24, der Oxidansfördereinheit 30, des Ausgleichswärmeübertragers 32, des Abgasoxidanswärmeübertragers 42, des Reformers 26, des Nachbrenners 38, der Rezirkulationsfördereinheit 52, des Rezirkulationsbrennstoffwärmeübertragers 58, des Abgasbrennstoffwärmeübertragers 44, und/oder des Rezirkulationsoxidanswärmeübertragers 60, als von der Recheneinheit erfasste und in dem Verfahren verwendete Betriebskenngrößen ausgebildet sind.
Die Recheneinheit 64 ist in dem Verfahren 10 dazu vorgesehen, das Brennstoffzellensystem 12 zu regeln. Zur Regelung des Brennstoffzellensystems 12 ist es vorteilhaft, möglichst alle Parameter, die einen Einfluss auf den Betrieb des Brennstoffzellensystems 12 haben, möglichst präzise zu kennen. Einen großen Einfluss auf den Betrieb des Brennstoffzellensystems 12 hat der Brennstoff. Der Brennstoff ist als ein Gas ausgebildet. Vorzugsweise ist der Brennstoff als ein Erdgas ausgebildet. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass der Brennstoff von einem anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Gas gebildet ist. Das als Erdgas ausgebildete Brennstoff kann von seiner Qualität und Zusammensetzung variieren. Eine Zusammensetzung des als Erdgas ausgebildeten Brennstoffs kann mit der Zeit und dem Ort fluktuieren. Für einen effizienten Betrieb des Brennstoffzellensystems 12 und dessen Regelung ist es vorteilhaft, eine Zusammensetzung des Brennstoffs zu kennen und eine Regelung des Brennstoffzellensystems 12 entsprechend vorzunehmen.
Das Verfahren 10 zur Überwachung des Brennstoffzellensystems 12 umfasst einen Verfahrensschritt 66, in dem zumindest ein aktueller Brennstoffparameter des Brennstoffs ermittelt wird. Der in dem Verfahrensschritt 66 ermittelte Brennstoffparameter ist als eine Konzentration eines bestimmten Gasanteils in dem Brennstoff ausgebildet. Der aktuelle Brennstoffparameter ist als ein Parameter des Brennstoffs ausgebildet, der zu dem Zeitpunkt der Ermittlung in dem Brennstoffzellensystem 12 umgesetzt wird. Mittels des Verfahrens können in dem Verfahrensschritt 66 unterschiedlichste Brennstoffparameter ermittelt werden. Im Folgenden soll beispielhaft die Ermittlung zweier Brennstoffparameter beschrieben werden. Beispielhaft wird eine Ermittlung eines als CO2-Konzentration (Kohlenstoffdioxidkonzentration) des Brennstoffs ausgebildeter Brennstoffparameter beschrieben. Zudem wird beispielhaft ein als N2-Konzentration (Stickstoffkonzentration) ausgebildeter Brennstoffparameter gebildet. Die Brennstoffparameter sind hier beispielsweise als inerte Gasbestandteile des als Erdgas ausgebildeten Brennstoffs ausgebildet. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, in einem äquivalenten Verfahrensschritt andere Brennstoffparameter, wie beispielsweise eine Konzentration anderer Bestandteile des Brennstoffs zu bestimmen. Beispielsweise wäre es denkbar, dass eine H2-Konzentration (Wasserstoffkonzentration), oder eine CH4-Konzentration (Methankonzentration) des Brennstoffs in dem Verfahrensschritt bestimmt werden.
In dem Verfahrensschritt 66 werden anhand mehrerer der oben beschriebenen Betriebskenngrößen die aktuellen Brennstoffparameter geschätzt. In dem Verfahrensschritt 66 werden die Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 erfasst und ausgewertet. Die in dem Verfahrensschritt 66 verwendeten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 sind als ein Druck, als ein Volumenstrom, eine Temperatur, eine elektrische Leistung, ein elektrischer Strom, oder eine Drehzahl, in dem Brennstoffzellensystem 12 ausgebildet. Aus den erfassten und ausgewerteten Betriebskenngrößen werden die aktuellen Brennstoffparameter, die aktuelle N2-Konzentration in dem Brennstoff und die aktuelle CO2-Konzentration in dem Brennstoff geschätzt. In dem Verfahrensschritt werden die aktuellen Brennstoffparameter, also die aktuelle N2-Konzentration in dem Brennstoff und die aktuelle CO2-Konzentration in dem Brennstoff mittels der erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 berechnet. Die Recheneinheit 64 berechnet in dem Verfahrensschritt 66 anhand der erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 die aktuellen Brennstoffparameter. Die berechneten Brennstoffparameter sind Schätzungen der tatsächlichen Parameter. In dem Verfahrensschritt 66 werden zur Schätzung der Brennstoffparameter alle oben beschriebenen Brennstoffparameter ausgewertet und mit berechnet. In dem Verfahrensschritt 66 werden zur Schätzung der Brennstoffparameter der Volumenstrom „V̇_Ng“, der Volumenstrom Methan „V̇_NgAsIfCH4“, der Volumenstrom des einströmenden Oxidans „V_{̇air in}“., die Abgasoxidanstemperatur„t_{Air tgb In}", die Brennstoffausgangstemperatur „t_{An Out}“, die Nachbrennerabgastemperatur „t_{tgb Out}“, die Brennstoffförderertemperatur „t_{Ng Blwr Out}“, die Abgastemperatur „t_{Og Fcs Out} ", die Oxidansfördertemperatur „t_{Air Blwr Out}“, die Rezirkulattemperatur „t_{Ago Achx Out}“, die Abgaswärmetauschereingangstemperatur „t_{Og Airhx In}“, die Abgaswärmetauscherausgangstemperatur „t_{Og Airhx Out}“, die Abgaswärmetauschereingangstemperatur „t_{Og Airhx In}“, die Oxidanswärmetauschereingangstemperatur „t_{Air Airhx In}“, die Oxidanswärmetauscherausgangstemperatur „t_{Air Airhx Out}“, die Brennstoffreformerausgangstemperatur „t_{Agr Ref out}“ und die elektrische Ausgangsleistung „P_stk“ der Brennstoffzelleneinheit 14 ausgewertet und berechnet. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass lediglich ein Teil der aufgeführten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12, oder weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12, zur Schätzung der Brennstoffparameter erfasst und verarbeitet werden.
In dem Verfahrensschritt 66 werden die aktuellen Brennstoffparameter mittels eines maschinellen Lernverfahrens unter Verwendung der Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 geschätzt. Das maschinelle Lernverfahren ist computerimplementiert und wird auf der Recheneinheit ausgeführt. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass lediglich ein Brennstoffparameter mittels des maschinellen Lernverfahrens in dem Verfahrensschritt 66 geschätzt wird. Die aktuellen Brennstoffparameter werden in dem Verfahrensschritt 66 mittels des maschinellen Lernverfahrens unter Verwendung aller oben beschriebenen Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 geschätzt. Die Brennstoffparameter werden anhand der erfassten Betriebskenngrößen mittels eines zuvor erstellten Datensatzes geschätzt. Der zuvor erstellte Datensatz enthält Informationen über einen Zusammenhang zwischen den zu schätzenden Brennstoffparametern und den erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems. Anhand der erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 werden in dem Verfahrensschritt 66 durch Abgleich mit dem Datensatz, insbesondere durch einen in dem Datensatz hinterlegten Zusammenhang zwischen den Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 und den Brennstoffparametern, die Brennstoffparameter geschätzt.
Das maschinelle Lernverfahren ist als ein Gaußprozess ausgebildet. Das als Gaußprozess ausgebildete maschinelle Lernverfahren ist computerimplementiert und wird in dem Verfahrensschritt 66 auf der Recheneinheit 64 ausgeführt. Das als Gaußprozess ausgebildete maschinelle Lernverfahren ist dazu vorgesehen, anhand eines gespeicherten Datensatzes, in dem Zusammenhänge zwischen den Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 und der Brennstoffparameter hinterlegt sind, aus erfassten Betriebskenngrößen die Brennstoffparameter zu ermitteln, insbesondere zu schätzen, und dabei eine Wahrscheinlichkeit für eine Genauigkeit der ermittelten Brennstoffparameter anzugeben.
Der Schätzung der Brennstoffparameter mittels der Betriebskenngrößen in dem als Gaußprozess ausgebildeten maschinellen Lernverfahren ist ein Lernverfahrensschritt 68 vorausgestellt. In dem Lernverfahrensschritt 68 wird ein Datensatz erzeugt in dem in unterschiedlichen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems 12, bei bekannten Brennstoffkenngrößen des verwendeten Brennstoffs, die entsprechenden Betriebskenngrößen gemessen und mit den entsprechenden Brennstoffkenngrößen in dem Datensatz verknüpft werden. In dem Lernverfahrensschritt wird mittels eines Gasmesssensors, insbesondere mittels eines Gaschromatographen eine Zusammensetzung des Brennstoffs (vorzugsweise Erdgas), also die Brennstoffparameter des Brennstoffs gemessen und von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet. In dem Lernverfahrensschritt 68 werden für den Datensatz mehrere Messpunkte abgespeichert, bei denen das Brennstoffzellensystem 12 unterschiedlich betrieben wird. In dem Lernverfahrensschritt 68 werden für den Datensatz mehrere Messpunkte mit unterschiedlichen Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 und/oder unterschiedlichen Brennstoffparametern gespeichert. Dazu werden für die unterschiedlichen Messpunkte beispielsweise unterschiedliche Ausgangsleistungen „P_stk“ der Brennstoffzelleneinheit 14, unterschiedliche Drücke an unterschiedlichen Stellen des Brennstoffzellensystems 12, unterschiedliche Temperaturen, und/oder unterschiedliche Zusammensetzungen des Brennstoffs, also unterschiedliche Brennstoffparameter verwendet. Zur Erstellung des Datensatzes werden eine Anzahl N an Messpunkten aufgenommen. Eine Anzahl N an Messpunkten, die in dem Lernverfahrensschritt 68 zur Erzeugung des Datensatzes gemacht werden, ist vorzugsweise größer als 25. Die Anzahl N der Messpunkte, die in dem Lernverfahrensschritt 68 zur Erzeugung des Datensatzes gemacht werden, ist bevorzugt größer als 50, besonders bevorzugt größer als 100 und in einer besonders Vorteilhaften Ausgestaltung des Lernverfahrensschritts 68 größer als 200. Der in dem Lernverfahrensschritt 68 ermittelte Datensatz mit einer Vielzahl an Messpunkten ist auf der Recheneinheit hinterlegt. Grundsätzlich ist es vorteilhaft auch denkbar, dass lediglich ein in dem Lernverfahrensschritt 68 gelernter Zusammenhang zwischen den Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 und den Brennstoffparametern auf der Recheneinheit 64 hinterlegt wird. Der Lernverfahrensschritt 68 kann bei dem aufgebauten Brennstoffzellensystem 12 vorgenommen werden, für welches der Verfahrensschritt 66 zur Schätzung der Brennstoffparameter durchgeführt wird. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Lernverfahrensschritt 68 an einem baugleichen Brennstoffzellensystem durchgeführt wird und der Datensatz an die Recheneinheit 64 des Brennstoffzellensystems 12 übermittelt wird.
In dem Verfahrensschritt 66 werden aus den erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 mittels dem im Lernverfahrensschritt 68 erzeugten Datensatz die aktuellen Brennstoffparameter ermittelt. Der Verfahrensschritt 66 wird während eines Regelbetriebs des Brennstoffzellensystems 12 durchgeführt. Der Verfahrensschritt 66, in dem die aktuellen Brennstoffparameter ermittelt werden, kann durchgehend während des Regelbetriebs des Brennstoffzellensystems 12 durchgeführt werden. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Verfahrensschritt 66 zur Schätzung der Brennstoffparameter in definierten Zeitabständen wiederholt durchgeführt wird. In dem Verfahrensschritt 66 werden alle oben genannten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12, die hier aus Übersichtlichkeitsgründen nicht nochmals alle aufgezählt werden sollen, erfasst und mit dem in dem Lernverfahrensschritt 68 erzeugten Datensatz verarbeitet. Die erfassten Betriebskenngrößen werden mit den im Datensatz gespeicherten Betriebskenngrößen verglichen und die im Datensatz mit den Betriebskenngrößen verknüpften Brennstoffparameter werden für das aktuell in dem Brennstoffzellensystem 12 verstromte Brennstoff geschätzt.
In dem Verfahrensschritt 66 wird ein Vertrauensparameter ermittelt. Der Vertrauensparameter gibt eine Genauigkeit der Schätzung des in dem Verfahrensschritt 66 geschätzten Brennstoffparameters. Der Vertrauensparameter wird anhand einer Korrelation der in dem Lernverfahrensschritt 68 in den Messpunkten gespeicherten Betriebskenngrößen mit den während dem Verfahrensschritt 66 gemessenen Betriebskenngrößen ermittelt. Je näher die in dem Verfahren gemessenen Betriebskenngrößen mit den in dem Datensatz in einem Messpunkt hinterlegten Betriebskenngrößen korrelieren, desto größer ist der Vertrauensparameter und entsprechend genauer ist die Schätzung der entsprechenden Brennstoffparameter.
2 zeigt schematisch auf der linken Seite einen Plot 72 eines in dem Lernverfahrensschritt ermittelten Datensatzes mit verschiedenen Messpunkten 74 zur Schätzung eines als CO2 Konzentration ausgebildeten Brennstoffparameters. Zu jedem der gezeigten Messpunkte 74 sind die jeweiligen Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 hinterlegt. Zu jedem der Messpunkte 74 sind dabei alle erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 hinterlegt. Auf der Y-Achse des Plots sind die CO2-Konzentrationden des Brennstoffs aufgetragen. Auf der X-Achse des Plots 72 sind die Anzahl der Messpunkte aufgetragen. Auf der rechten Seite der 2 ist ein Plot 76 eines in einem Validierungsverfahrensschritt 70 ermittelter Datensatz gezeigt. In dem Plot 76 sind in dem Validierungsverfahrensschritt 70 durch das maschinelle Lernverfahren ermittelte Messpunkte 78 mit den entsprechenden ermittelten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems aufgetragen. Ferner sind in dem Plot 76 für den Validierungsverfahrensschritt 70 Werte für die mittels einem entsprechenden Gassensor gemessenen Brennstoffparameter aufgetragen. Hierbei ist zu sehen, dass die mittels des Verfahrens geschätzten Brennstoffparameter nahe an den tatsächlich gemessenen Brennstoffparametern liegen. Der Validierungsverfahrensschritt 70 kann vorzugsweise zur Anpassung des in dem Lernverfahrensschritt ermittelten Datensatzes verwendet werden. So kann eine Genauigkeit der Schätzungen der Brennstoffparameter verbessert werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt 80 werden die geschätzte Brennstoffparameter zur Regelung des Brennstoffzellensystems 12 herangezogen. Mittels der geschätzten aktuellen Brennstoffparameter kann eine Regelung des Brennstoffzellensystems genauer erfolgen. Bei einem honen Vertrauensparameter kann ein Puffer für sicherheitsrelevante Regelgrößen, wie beispielsweise einen Gasausnutzungsgrad FU möglichst klein gehalten werden.
Wie im Vorhergehenden beschrieben kann zur Schätzung der beiden Brennstoffparameter, also der CO2 Konzentration und der N2 Konzentration in dem Brenngas, ein gemeinsamer als Gaußprozess ausgebildetes maschinelles Lernverfahren verwendet werden. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass je Schätzung eines der beiden Betriebskenngrößen ein eigenes als Gaußprozess ausgebildete maschinelles Lernverfahren durchgeführt wird.
Grundsätzlich ist es ebenso denkbar, dass anstatt eines Gaußprozesses auch ein anderes maschinelles Lernverfahren eingesetzt werden kann, wie beispielsweise ein künstliches neuronales Netz. Dadurch kann vorzugsweise bei einer hohen Anzahl an Eingangsvariablen, also an zur Schätzung verwendeten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12, eine besonders schnelle, genaue und Rechenleistungsarme Schätzung der Brennstoffparameter erreicht werden. Grundsätzlich sind auch andere maschinelle Lernverfahren denkbar. Vorzugsweise kann auch ein maschinelles Lernverfahren mit einem faltenden (convolutional approach) verwendet werden. Dabei ist ein convolutional Gaußprozess als auch ein convoluitonal Neuronales Netz denkbar. Bei einem solchen, faltenden maschinellen Lernverfahren werden die Historie an gemessenen Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems und der Brennstoffparameter mit in die Schätzung des aktuellen Brennstoffparameters einbezogen. Dadurch kann insbesondere eine Genauigkeit der Schätzung verbessert, sowie ein Rechenaufwand des Rechenprozesses verringert werden, wodurch eine Effizienz verbessert werden kann.
Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass Messdaten zumindest eines weiteren Brennstoffzellensystems verwendet werden, das über eine gleiche Brennstoffversorgung mit einem Brennstoff versorgt wird. Dabei wäre es denkbar, dass die Betriebskenngrößen des weiteren Brennstoffzellensystems und die Betriebskenngrößen des oben beschriebenen Brennstoffzellensystems 12 zur Schätzung der Brennstoffparameter herangezogen werden. Vorzugsweise werden in den jeweiligen Brennstoffzellensystemen 12 unabhängig voneinander die entsprechenden Brennstoffparameter geschätzt und die geschätzten Brennstoffparameter beider (oder auch mehrerer) Brennstoffzellensysteme 12 miteinander verglichen. Dadurch können die Brennstoffzellensysteme 12 und auch die Verfahren 10 zur Schätzung der Brennstoffparameter gegeneinander kalibriert werden.

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems (12), insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, wobei zumindest Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems (12) erfasst und verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt (66) anhand von Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems (12) zumindest ein aktueller Brennstoffparameter geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt (66) der aktuelle Brennstoffparameter in einem maschinellen Lernverfahren unter Verwendung mehrerer Betriebskenngrößen geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das maschinelle Lernverfahren als ein Gaußprozess ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lernverfahrensschritt (68) ein Datensatz erzeugt wird, in dem ein gemessener Brennstoffparameter mit entsprechenden Betriebskenngrößen verknüpft abgespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt (66) aus den erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems (12) mittels dem im Lernverfahrensschritt (68) erzeugten Datensatz der Brennstoffparameter ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt (66) ein Vertrauensparameter ermittelt wird, der eine Genauigkeit der Schätzung des Brennstoffparameters wiedergibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Verfahrensschritt (66) verwendete Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems (12), als ein Druck, als ein Volumenstrom, eine Temperatur, eine elektrische Leistung, ein elektrischer Strom, oder eine Drehzahl, in dem Brennstoffzellensystem (12) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Verfahrensschritt (66) ermittelte Brennstoffparameter als eine Konzentration eines bestimmten Gasanteils in dem Brennstoff ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt (80) der zumindest eine geschätzte Brennstoffparameter zur Regelung des Brennstoffzellensystems (12) herangezogen wird.
Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Recheneinheit (64) zu einer Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.