DE102022203511A1

DE102022203511A1 - Verfahren zu einer Abgasanalyse eines Abgasstroms eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102022203511A1
Application number: DE102022203511.9A
Authority: DE
Inventors: Nadine Dannehl; Moritz Waldorf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2023-10-12
Also published as: CN116893200A

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zu einer Abgasanalyse eines Abgasstroms (10) eines Brennstoffzellensystems (12), aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle (14), insbesondere Festoxidbrennstoffzelle, und zumindest einen NOx-Sensor (26).Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Analyseschritt (18) zumindest drei unterschiedliche in dem Abgasstrom (10) enthaltene und von NOx verschiedene Abgasbestandteile durch den zumindest einen NOx-Sensor (26) ermittelt, vorzugsweise quantifiziert, werden.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits ein Verfahren zu einer Abgasanalyse eines Abgasstroms eines Brennstoffzellensystems, aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle, insbesondere Festoxidbrennstoffzelle, und zumindest einen NOx-Sensor, vorgeschlagen worden. Die Zersetzungsprodukte einer SOFC-Brennstoffzelle werden derzeit wenn überhaupt nur mit geringer Genauigkeit bestimmt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zu einer Abgasanalyse eines Abgasstroms eines Brennstoffzellensystems, aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle, insbesondere Festoxidbrennstoffzelle, und zumindest einen NOx-Sensor.
Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Analyseschritt zumindest drei unterschiedliche in dem Abgasstrom enthaltene und von NOx verschiedene Abgasbestandteile durch den zumindest einen NOx-Sensor ermittelt, vorzugsweise quantifiziert, werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft eine einfache, effiziente und/oder genaue Analyse eines Abgasstroms einer Brennstoffzelle erreicht werden. Vorteilhaft können die dadurch erreichbaren genauen Mess- und/oder Analyseergebnisse des Abgasstroms zu einer Regelung des Brennstoffzellensystems mit besonders hoher Güte eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft kann eine besonders hohe Effizienz und/oder ein besonders hoher Wirkungsgrad der Brennstoffzelle verbessert werden. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems als eine Festoxidbrennstoffzelle, insbesondere als eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, ausgebildet, wobei die Festoxidbrennstoffzelle auch als Solid Oxid Fuel Cell, kurz SOFC bezeichnet wird. Insbesondere ist das Brennstoffzellensystem als ein stationäres Brennstoffzellensystem / ein stationär betriebenes Brennstoffzellensystem ausgebildet. Insbesondere umfasst das Brennstoffzellensystem eine Vielzahl an Brennstoffzellen, die in mehreren Brennstoffzellenstacks angeordnet sind. Insbesondere bildet in diesem Fall das Brennstoffzellensystem eine SOFC-Unit aus. Es ist alternativ auch denkbar, dass in dem Analyseschritt lediglich zwei unterschiedliche in dem Abgasstrom enthaltene und von NOx verschiedene Abgasbestandteile durch den zumindest einen NOx-Sensor ermittelt, vorzugsweise quantifiziert, werden.
Der NOx-Sensor ist vorzugsweise nach dem Prinzip eines, insbesondere dem Fachmann bereits aus dem Automobilbereich im Zusammenhang mit einer Stickoxidvermeidung bekannter, Multigassensors / NOx-Sensors ausgebildet. Insbesondere ist der NOx-Sensor als eine Breitbandlambdasonde ausgebildet. Der NOx-Sensor ist dazu vorgesehen, Abgasbestandteile zu ermitteln, und/oder zu messen und/oder zu quantifizieren. Unter Abgasbestandteilen werden insbesondere Moleküle und/oder Atome und/oder Ionen in der Luft, insbesondere dem Abgasstrom verstanden, welche am Energieerzeugungsprozess der Brennstoffzelle beteiligt sind/waren. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Insbesondere ist der Abgasstrom ein Gasmassenstrom, welcher zumindest die Abgasbestandteile, welche am Energieerzeugungsprozess der Brennstoffzelle beteiligt sind/waren, aufweist. Insbesondere weist der Abgasstrom auch weitere Moleküle und/oder Stoffe auf, welche nicht am Energieerzeugungsprozess der Brennstoffzelle beteiligt sind. Es ist auch denkbar, dass der Abgasstrom zumindest teilweise als ein chemisch unveränderter Luftstrom, insbesondere Umgebungsluftstrom, ausgebildet ist, welcher dazu vorgesehen ist, das Brennstoffzellensystem zumindest teilweise zu kühlen. Insbesondere weist der Abgasstrom im Betrieb eine höhere Temperatur als ein der Brennstoffzelle zugeführter Eingangsstrom, insbesondere der Umgebungsluft, auf. Dabei kann der Abgasstrom Temperaturen von mehreren hundert bis zu tausend Grad Celsius annehmen. Insbesondere ist der NOx-Sensor derart temperaturresistent ausgebildet, dass er mit Gastemperaturen bis zu 1000 °C arbeiten kann. Der NOx-Sensor kann als Hochtemperatur-NOx-Sensor ausgebildet sein. Insbesondere wird der NOx-Sensor von dem zu analysierenden Abgasstrom durchflossen.
Insbesondere werden in dem Analyseschritt mit dem NOx-Sensor zumindest drei unterschiedliche in dem Abgasstrom enthaltene Abgasbestandteile gemessen. Vorzugsweise werden die drei unterschiedlichen in dem Abgasstrom enthaltenen und von NOx verschiedenen Abgasbestandteile durch denselben NOx-Sensor gemessen. Dadurch kann vorteilhaft ein Kostenvorteil, insbesondere bei der Herstellung, bei der Wartung und/oder im Betrieb erreicht werden. Insbesondere werden die in dem Abgasstrom enthaltenen Abgasbestandteile gemessen und/oder quantifiziert. Unter „quantifiziert“ soll dabei verstanden werden, dass die Menge an Abgasbestandteilen als zahlenmäßige Messgröße ermittelt und insbesondere einer objektiven Beschreibung zugänglich gemacht wird. Insbesondere ist der NOx-Sensor dazu vorgesehen, Gaskonzentrationen der Abgasbestandteile zu ermitteln.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zumindest eins der in dem Analyseschritt ermittelten drei Abgasbestandteile, vorzugsweise alle drei in dem Analyseschritt ermittelten Abgasbestandteile, von dem NOx-Sensor mit einer Messgenauigkeit zumindest ±35 ppm, vorzugsweise zumindest ±15 ppm und bevorzugt zumindest ±5 ppm gemessen werden. Vorteilhaft kann die Abgasmessung mit einem NOx-Sensor mit einer besonders hohen Messgenauigkeit erfolgen. Vorteilhaft kann so eine verbesserte, insbesondere genauere, Regelung des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden. Vorteilhaft kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessert werden. Unter bspw. ±15 ppm soll dabei verstanden werden, dass die Abweichung der tatsächlich vorhandenen Teilchen nicht größer ist als bspw. 15 ppm ist, insbesondere ist die Messgenauigkeit größer, je kleiner der Wert in ppm ist.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die in dem Analyseschritt gemessenen Abgasbestandteile durch Einstellen von zumindest zwei, vorzugsweise drei, verschiedenen Zersetzungsspannungen an eine Messzelle des NOx-Sensors ermittelt werden. Vorteilhaft kann durch mehrere Messungen mit einem Sensor eine Bauteilkomplexität reduziert werden. Vorteilhaft können Kosten reduziert werden. Vorteilhaft kann eine größere Genauigkeit von dem Messergebnis erreicht werden. Vorzugsweise stellt eine Zersetzungsspannung einen Grenzwert für eine Spannung dar, welche dazu führt, dass ein Molekül in seine Atome oder in Teilmoleküle zerfällt, wobei elektrisch geladene Ionen entstehen. Insbesondere werden durch zwei, vorzugsweise drei, unterschiedliche Zersetzungsspannungen zwei oder drei unterschiedliche Moleküle zersetzt, wobei durch die unterschiedlichen Zersetzungsspannungen unterschiedliche Moleküle gemessen und/oder quantifiziert werden. Vorzugsweise wird die Zersetzungsspannung an der Messzelle, welche insbesondere von zumindest einem Teil des Abgasstroms durchströmt wird, angelegt, wobei die Aufspaltung der Moleküle durch die Zersetzungsspannung in der Messzelle stattfindet. Ein durch die Zersetzung resultierender Grenzstrom wird insbesondere an der Messzelle gemessen. Vorzugsweise umfasst der NOx-Sensor eine integrierte Steuerungselektronik („sensor control unit“, SCU). Insbesondere ist die Steuerungselektronik durch das Brennstoffzellensystem ansteuerbar und/oder auslesbar. Beispielsweise können mittels der Steuerelektronik die verschiedenen Zersetzungsspannungen der Messzelle / ein Gradient der an die Messzelle angelegten Spannung gesteuert werden. Beispielsweise kann mittels der Steuerelektronik ein Messsignal, insbesondere ein von dem NOx-Sensor ermittelter Messstrom ausgegeben werden. Insbesondere wird die an die Messzelle angelegte Spannung im Messbetrieb des NOx-Sensors zyklisch variiert, wobei die an die Messzelle angelegte Spannung in jedem Zyklus konstant und kontinuierlich erhöht wird und wobei die zwei, vorzugsweise drei, Zersetzungsspannungen im variierten Spannungsbereich liegen. Alternativ kann auch ein sprunghafter Anstieg zwischen den unterschiedlichen Zersetzungsspannungen vorgesehen sein. Alternativ können Rampen zwischen unterschiedlichen Zersetzungsspannungen genutzt werden oder auch andere mathematische Möglichkeiten genutzt werden, um zwischen unterschiedlichen Zersetzungsspannungen zu wechseln.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die zwei/drei verschiedenen Abgasbestandteile zeitversetzt von dem zumindest einen NOx-Sensor gemessen, insbesondere abgerastert, werden. Vorteilhaft kann durch mehrere Messungen mit einem Sensor eine Bauteilkomplexität reduziert werden. Vorzugsweise werden zur Messung der Abgasbestandteile zeitversetzt, insbesondere nacheinander, verschiedene Zersetzungsspannungen an der Messzelle angelegt und der resultierende Strom gemessen. Es ist denkbar, dass eine direkte Messung bei einer Zersetzungsspannung erfolgt, welche zumindest eine Molekülart zersetzt. Es ist denkbar, dass eine indirekte Messung bei einer Zersetzungsspannung erfolgt, welche zumindest zwei verschiedene Molekülarten zersetzt. Bei einer indirekten Messung erfolgt die absolute Bestimmung der Molekülart und/oder Quantität durch Bezugnahme zu zumindest einer weiteren Messung. Es ist denkbar, dass die Messung indirekt erfolgt, indem ein Gemisch zersetzt wird und der resultierende Strom relativ zur direkten Messung ermittelt wird. Unter „abgerastert“ soll dabei verstanden werden, dass die Messung in (z.B. im wesentlich gleichbleibenden) zeitlichen Abständen wiederholt durchgeführt wird. Insbesondere bei stationären Brennstoffzellensystemen sind dynamische Sprünge in der Abgaszusammensetzung in der Regel nicht zu erwarten, so dass vorteilhaft auch bei der zeitversetzten Messung eine hohe bzw. potentiell höhere Genauigkeit als mittels dynamischer Messung erreicht werden kann. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass der NOx-Sensor drei parallel betriebene Messzellen aufweist, wobei an jede Messzelle eine unterschiedliche Zersetzungsspannung angelegt werden kann. In diesem Fall ist jedoch eine wichtige Voraussetzung für die Kombinierbarkeit der Ergebnisse, dass die Flüsse durch jede Messzelle genau kontrolliert und/oder gemessen werden. Weiterhin ist denkbar, dass auch im Eingangsstrom der Brennstoffzelle zumindest ein weiterer NOx-Sensor angeordnet ist, welcher insbesondere mit zumindest zwei verschiedenen Zersetzungsspannungen zumindest zwei verschiedene Molekülarten zersetzt und insbesondere quantitativ misst. Vorteilhaft kann durch einen Vergleich der chemischen Zusammensetzungen von Eingangsstrom und Abgasstrom eine Regelung der Brennstoffzelle verbessert werden, insbesondere indem zusätzliche Informationen zu der Regelung der Brennstoffzelle generiert werden können. Vorteilhaft kann durch den Vergleich der chemischen Zusammensetzung von Eingangsstrom und Abgasstrom ein chemischer Gesundheitszustand des Brennstoffzellensystems ermittelt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die drei von dem NOx-Sensor ermittelten Abgasbestandteile von O₂, H₂O und CO₂ gebildet sind. Vorteilhaft kann anhand einer Messung, insbesondere der Abgasbestandteile O₂, H₂O und CO₂, ein Stromerzeugungsprozess überwacht und/oder geregelt werden. Vorzugsweise wird in einem Messschritt des Analyseschritts eine erste Zersetzungsspannung angelegt, welche dazu vorgesehen ist, zumindest Sauerstoff zu analysieren / Sauerstoffmoleküle zu zersetzen. Vorzugsweise wird in einem weiteren Messschritt des Analyseschritts eine zweite Zersetzungsspannung angelegt, welche dazu vorgesehen ist, zumindest Wasser, insbesondere auch Sauerstoff, zu analysieren / Wassermoleküle zu zersetzen. Insbesondere ist die zur Zersetzung von Wasser nötige zweite Zersetzungsspannung höher als die zur Zersetzung von Sauerstoff nötige erste Zersetzungsspannung. Vorzugsweise wird in einem weiteren Messschritt des Analyseschritts eine dritte Zersetzungsspannung angelegt, welche dazu vorgesehen ist, zumindest Kohlenstoffdioxid, insbesondere auch Sauerstoff und Wasser, zu analysieren / Kohlenstoffdioxid zu zersetzen. Insbesondere ist die zur Zersetzung von Kohlenstoffdioxid nötige dritte Zersetzungsspannung höher als die zur Zersetzung von Sauerstoff nötige erste Zersetzungsspannung und als die zur Zersetzung von Wasser nötige dritte Zersetzungsspannung.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die in dem Analyseschritt ermittelten Messwerte in zumindest einem Regelschritt zu einer Regelung zumindest eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems eingesetzt werden. Vorteilhaft kann durch die Regelung des Betriebsparameters anhand der Abgasmessung der Wirkungsgrad verbessert werden. Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem eine Steuer- und/oder Regeleinheit auf, welche dazu vorgesehen ist, das Brennstoffzellensystem zu regeln. Unter einer „Steuer- und/oder Regeleinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einem Prozessor und mit einem elektronischen Speicher sowie mit einem in dem Speicher gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Vorzugsweise ist der Regelschritt als ein Regelkreis ausgebildet, welcher einen Betriebsparameter in Abhängigkeit von dem in dem Analyseschritt ermittelten Messwert(en) regelt. Vorzugsweise ist der zu regelnde Betriebsparameter als eine Temperatur und/oder als ein Luftvolumenstrom ausgebildet. Alternative auf Basis der Abgasanalyse geregelte Betriebsparameter sind denkbar.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der in dem Regelschritt geregelte Betriebsparameter als eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems, als eine dem Brennstoffzellensystem zugeführte Gaszuflussmenge und/oder als ein dem Brennstoffzellensystem zugeführtes Gasverhältnis ausgebildet ist. Vorteilhaft kann durch die Regelung des Betriebsparameters anhand der Abgasmessung der Wirkungsgrad verbessert werden. Besonders vorteilhaft kann durch die Regelung des Betriebsparameters anhand der Abgasmessung eine Lebensdauer und/oder ein Wartungsintervall ermittelt und/oder verlängert werden. Vorzugsweise wird in dem Regelschritt eine dem Brennstoffzellensystem zugeführte Luftmenge und/oder ein dem Brennstoffzellensystem zugeführtes Feedgas geregelt. Insbesondere ist die Luftzufuhr dazu vorgesehen, die Brennstoffzelle zu kühlen und/oder der chemischen Reaktion zu der Stromerzeugung in dem Brennstoffzellensystem Oxidgas, insbesondere Sauerstoff, zuzuführen. Vorzugsweise ist das Feedgas dazu vorgesehen, an der chemischen Reaktion zu der Stromerzeugung teilzunehmen und vorzugsweise mit dem in der Luftzuflussmenge enthaltenen Sauerstoff zu reagieren. Vorzugsweise könnte das Feedgas als Wasserstoff ausgebildet sein. Es ist denkbar, dass das Feedgas als Biogas und/oder als Methan und/oder als vergleichbares, Gas ausgebildet ist, welches dazu vorgesehen ist, eine chemische Reaktion in der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung durchzuführen und/oder aufrechtzuerhalten. Insbesondere gibt das Gasverhältnis die Anteile von Luft und Feedgas zueinander an.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine Feedgaszusammensetzungsänderung, insbesondere ein Feedgas, vorzugsweise ein dem Brennstoffzellensystem zugeführtes Brenn-/Oxidationsgas, unter Zuhilfenahme der in dem Analyseschritt ermittelten Messwerte, insbesondere aus den in dem Analyseschritt ermittelten Messwerten, ermittelt wird. Vorteilhaft kann ein fehlerhafter Betrieb verhindert werden. Besonders vorteilhaft können basierend auf einem Ergebnis einer Erkennung der Feedgase, insbesondere einer Erkennung einer Zusammensetzung der Feedgase, vorzugsweise einer Erkennung einer Kombination unterschiedlicher Feedgase, Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems, insbesondere automatisch, eingestellt und/oder geregelt werden. Beispielsweise kann basierend auf dem Ergebnis Erdgas gegen Biogas getauscht werden ohne, dass dafür ein Benutzereingriff benötigt wird. Vorteilhaft kann die Brennstoffzelle selbst bei einer Veränderung des Feedgases oder der Feedgaszusammensetzung ohne ein Eingreifen des Endbenutzers weiterhin bei optimalem Wirkungsgrad betrieben werden. Vorzugsweise kann das Messergebnis der im Abgasstrom enthaltenen Abgasbestandteile, insbesondere der quantitative Anteil, dazu eingesetzt werden, insbesondere mit der erzeugten elektrischen Leistung der Brennstoffzelle, einen Rückschluss auf das eingesetzte Feedgas zu ziehen. Insbesondere kann eine Änderung in der Feedgaszusammensetzung, insbesondere einer Mischung verschiedener Feedgase oder eine Zumischung eines weiteren Feedgases, erkannt und zu einer Anpassung der Regelparameter zur Regelung der Brennstoffzelle eingesetzt werden. Insbesondere könnte abhängig von dem Messergebnis eine Rezirkulation des Abgasstroms oder eines Abgasteilstroms in den Eingangsstrom des Feedgases durchgeführt werden. Unter „Zuhilfenahme“ soll dabei verstanden werden, dass zumindest anhand der Messwerte / unter Berücksichtigung der Messwerte eine Erkennung durchgeführt werden kann.
Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein elektrochemischer Gesundheitszustand und/oder die Effizienz der Brennstoffzelle unter Zuhilfenahme der in dem Analyseschritt ermittelten Messwerte ermittelt wird. Vorteilhaft kann eine Lebensdauer und/oder eine Restlaufzeit des Brennstoffzellensystems und/ oder ein Wartungsintervall bestimmt und/oder verlängert werden. Vorteilhaft kann die Regelung des Brennstoffzellensystems verbessert werden. Vorteilhaft kann der Wirkungsgrad verbessert werden. Vorzugsweise wird ein elektrochemischer Gesundheitszustand über die in dem Analyseschritt ermittelten Abgasbestandteile abgeschätzt und/oder ermittelt. Insbesondere wird eine Effizienz der Brennstoffzelle über die in dem Analyseschritt ermittelten Abgasbestandteile abgeschätzt und/oder ermittelt.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in dem Analyseschritt zumindest drei unterschiedliche in einem Eingangsstrom des Brennstoffzellensystems enthaltene und von NOx verschiedene Eingangsstrombestandteile durch zumindest einen weiteren NOx-Sensor ermittelt, vorzugsweise quantifiziert, werden. Vorteilhaft kann die Genauigkeit der Regelung weiter verbessert werden. Vorteilhaft kann ein elektrochemischer Gesundheitszustand ermittelt werden. Vorzugsweise ist der weitere NOx-Sensor an einem Brennstoffzelleneingang / in einer Luftzufuhrleitung des Brennstoffzellensystems angebracht. Vorzugsweise werden mit dem weiteren NOx-Sensor die Bestandteile O₂, H₂O und CO₂ des Eingangsstroms gemessen und/oder analysiert. Insbesondere kann dadurch vorteilhaft ein Vergleich zwischen Eingangsstromzusammensetzung und Abgasstromzusammensetzung vorgenommen werden.
Ferner wird ein Brennstoffzellensystem, aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle, insbesondere Festoxidbrennstoffzelle, und zumindest einen in einem Abgasstrom des Brennstoffzellensystems angeordneten NOx-Sensor, welche zumindest dazu vorgesehen ist, zumindest drei unterschiedliche in dem Abgasstrom enthaltene und von NOx verschiedene Abgasbestandteile zu ermitteln, vorzugsweise zu quantifizieren, vorgeschlagen. Vorteilhaft kann ein Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessert werden. Vorzugsweise weist eine Brennstoffzelle zumindest einen NOx-Sensor zur Abgasanalyse auf. Es ist denkbar, dass das Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzellen, insbesondere zumindest einen Brennstoffzellenstack, aufweist. Es ist denkbar, dass das Brennstoffzellenstack mehrere NOx-Sensoren, insbesondere je Brennstoffzelle einen NOx-Sensor aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Abgasanalyse eines Abgasstroms eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren und/oder das 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.
Zeichnung
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 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems in Form eines Blockdiagramms,
2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zu einem Betrieb des Brennstoffzellensystems und
3 ein Strom-Spannungsdiagramm.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 12. Das Brennstoffzellensystem 12 weist eine Brennstoffzelle 14 auf. Das Brennstoffzellensystem 12 kann alternativ auch mehr als eine Brennstoffzelle 14, z.B. einen Brennstoffzellenstack o. dgl. aufweisen. Die Brennstoffzelle 14 ist als eine Festoxidbrennstoffzelle ausgebildet. Die Brennstoffzelle 14 ist als eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle ausgebildet. Das Brennstoffzellensystem 12 weist einen Brennstoffzelleneingang 28 auf. Der Brennstoffzelleneingang 28 ist dazu vorgesehen, der Brennstoffzelle 14 Luft zuzuführen. Der Brennstoffzelleneingang 28 ist dazu vorgesehen, der Brennstoffzelle 14 einen Kühlluftstrom zuzuführen. Der Brennstoffzelleneingang 28 ist dazu vorgesehen, der Brennstoffzelle 14 Sauerstoff für eine chemische Energieerzeugungsreaktion zuzuführen. Der Brennstoffzelleneingang 28 ist dazu vorgesehen, der Brennstoffzelle 14 Feedgas zuzuführen. Der Brennstoffzelleneingang 28 ist dazu vorgesehen, einen Eingangsstrom 24 der Brennstoffzelle 14 zuzuführen. Der Brennstoffzelleneingang 28 kann beispielsweise durch ein System von mehreren Luftkanälen o.dgl. gebildet sein. Das Brennstoffzellensystem 12 weist einen Brennstoffzellenausgang 30 auf. Der Brennstoffzellenausgang 30 kann beispielsweise durch ein System von mehreren Luftkanälen o. dgl. gebildet sein. Der Brennstoffzellenausgang 30 ist dazu vorgesehen, einen Abgasstrom 10 aus der Brennstoffzelle 14 abzuführen. Der Abgasstrom 10 weist zumindest Abgasbestandteile von einer chemischen Reaktion zu einer Erzeugung von Energie in der Brennstoffzelle 14 auf. Der Abgasstrom 10 weist Luft und/oder die an der chemischen Reaktion zur Energieerzeugung beteiligten Moleküle und/oder Atome und/oder Ionen auf.
Das Brennstoffzellensystem 12 weist einen NOx-Sensor 26 auf. Der NOx-Sensor 26 ist an dem Brennstoffzellenausgang 30 angeordnet. Der NOx-Sensor 26 ist in dem Abgasstrom 10 des Brennstoffzellensystems 12 angeordnet. Der NOx-Sensor 26 ist dazu vorgesehen, zumindest drei unterschiedliche und von NOx verschiedene Abgasbestandteile zu messen und/oder zu analysieren. In einer Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem 12 einen weiteren NOx-Sensor 32 auf. Der weitere NOx-Sensor 32 ist an dem Brennstoffzelleneingang 28 angeordnet. Der weitere NOx-Sensor 32 ist in dem Eingangsstrom 24 angeordnet. Der weitere NOx-Sensor 32 am Brennstoffzelleneingang 28 ist dazu vorgesehen, Moleküle und/oder Atome und/oder Ionen im Eingangsstrom 24 zu messen. Der NOx-Sensor 26 und der weitere NOx-Sensor 32 sind zumindest im Wesentlichen baugleich zueinander. Der NOx-Sensor 26, 32 ist dazu vorgesehen, O₂, H₂O und CO₂ zu messen und/oder zu analysieren. Der NOx-Sensor 26, 32 ist dazu vorgesehen, Gaskonzentrationen von O₂, H₂O und CO₂ zu ermitteln und/oder zu quantifizieren. Der NOx-Sensor 26, 32 weist eine Messgenauigkeit von zumindest ±35 ppm auf. Auch NOx-Sensoren 26, 32 mit Messgenauigkeiten von weniger als ±5 ppm sind denkbar. Der NOx-Sensor 26, 32 weist eine Messzelle 34, 34' auf. Im Betrieb liegt in der Messzelle 34, 34' eine Zersetzungsspannung 42 an. Die Zersetzungsspannung 42 kann unterschiedlich hoch gewählt werden. Der NOx-Sensor 26, 32 kann bei zumindest drei verschiedenen Zersetzungsspannungen 42, 44, 46 betrieben werden. Das Brennstoffzellensystem 12 weist eine Steuer- und/oder Regeleinheit 16 auf. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 16 ist dazu vorgesehen, das Brennstoffzellensystem 12 zu regeln. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 16 ist dazu vorgesehen, mit dem NOx-Sensor 26, 32 zu kommunizieren. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 16 empfängt Messwerte von dem NOx-Sensor 26, 32. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 16 ist dazu vorgesehen, das Brennstoffzellensystem 12 in Abhängigkeit von den von dem NOx-Sensor 26 empfangenen Messwerten zu steuern und/oder zu regeln.
Die 2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zu einer Abgasanalyse des Abgasstroms 10 des Brennstoffzellensystems 12. In dem Verfahren wird das Brennstoffzellensystem 12 stationär betrieben. In dem stationären Betrieb wird dem Brennstoffzellensystem 12 Luft und Feedgas zugeführt. In dem stationären Betrieb wird von dem Brennstoffzellensystem 12 Abgas ausgestoßen. In einem Analyseschritt 18 werden drei in dem Abgasstrom 10 enthaltene unterschiedliche und von NOx verschiedene Abgasbestandteile gemessen. Die drei gemessenen Abgasbestandteile sind O₂, H₂O und CO₂. In dem Analyseschritt 18 werden die gemessenen Abgasbestandteile quantifiziert. In dem Analyseschritt 18 werden alle drei ermittelten Abgasbestandteile mit einer Messgenauigkeit von zumindest ±35 ppm gemessen. In dem Analyseschritt 18 werden die drei Abgasbestandteile durch Einstellen von drei verschiedenen Zersetzungsspannungen 42, 44, 46 an die Messzelle 34 des NOx-Sensors 26 ermittelt. Dabei werden die drei verschiedenen Abgasbestandteile zeitversetzt von dem NOx-Sensor 26 abgerastert. In dem Analyseschritt 18 können zudem optional von dem weiteren NOx-Sensor 32 zumindest drei unterschiedliche, in dem Eingangsstrom 24 des Brennstoffzellensystems 12 enthaltene und von NOx verschiedene Eingangsstrombestandteile ermittelt werden. Der Messprozess des weiteren NOx-Sensors 32 ist dabei analog zu dem Messprozess des NOx-Sensors 26 (vgl. Teilschritte 58, 60, 62).
In zumindest einem Teilschritt 58 des Analyseschritts 18 wird zu der Messung der Abgasbestandteile eine erste Zersetzungsspannung 42 an die Messzelle 34 des NOx-Sensors 26 angelegt. Die Zersetzungsspannung 42 zersetzt in der Messzelle 34 enthaltenen O₂ Moleküle in Ionen. Die aus den O₂ Molekülen stammenden Ionen erzeugen einen messbaren Strom (vgl. auch 3). Anhand eines in dem Teilschritt 58 gemessenen ersten Grenzstroms 48, welcher von den zersetzten O₂ Molekülen stammt, wird ein Rückschluss auf die im Abgasstrom 10 enthaltene O₂ Konzentration gezogen. In einem weiteren Teilschritt 60 des Analyseschritts 18 wird zu der Messung der Abgasbestandteile eine zweite Zersetzungsspannung 44 an die Messzelle 34 des NOx-Sensors 26 angelegt. Die zweite Zersetzungsspannung 44 ist größer als die erste Zersetzungsspannung 42. Die zweite Zersetzungsspannung 44 zersetzt das Molekül O₂ und/oder das Molekül H₂O in Ionen. Die aus den O₂ Molekülen und den Wassermolekülen stammenden Ionen erzeugen einen messbaren Strom, welcher höher ist als der bei der ersten Zersetzungsspannung 42 erzeugte lonenstrom (vgl. auch 3). Anhand eines in dem Teilschritt 60 gemessenen zweiten Grenzstroms 50, welcher von den zersetzten O₂ Molekülen und den zersetzten Wassermolekülen stammt, wird ein Rückschluss auf die im Abgasstrom 10 enthaltenen O₂ und H₂O Moleküle und deren Konzentrationen gezogen. Durch Kenntnis der O₂-Konzetra-tion aus dem vorangegangenen Teilschritt 58 mit der ersten Zersetzungsspannung 42 kann die H₂O-Konzentration in dem Abgasstrom 10 bestimmt werden. Die zur Zersetzung des H₂O Moleküls nötige zweite Zersetzungsspannung 44 ist größer als die zur Zersetzung des O₂ Moleküls nötige erste Zersetzungsspannung 42. Wenn Wasser in dem Abgas enthalten ist, dann ist der zweite Grenzstrom 50 größer als der erste Grenzstrom 48, da der zweite Grenzstrom 50 von O₂ und von H₂O stammt. In zumindest einem weiteren Teilschritt 62 des Analyseschritts 18 wird zu der Messung der Abgasbestandteile eine dritte Zersetzungsspannung 46 an die Messzelle 34 des NOx-Sensors 26 angelegt. Die dritte Zersetzungsspannung 46 ist größer als die zweite Zersetzungsspannung 44. Die dritte Zersetzungsspannung 46 zersetzt das Molekül CO₂ und das Molekül H₂O und das Molekül O₂ in Ionen. Die aus den CO₂-Molekülen, den O₂ Molekülen und den Wassermolekülen stammenden Ionen erzeugen einen messbaren Strom, welcher höher ist als der bei der zweiten Zersetzungsspannung 44 erzeugte lonenstrom (vgl. auch 3). Anhand eines in dem Teilschritt 62 gemessenen dritten Grenzstroms 52, welcher von den zersetzten CO₂-Molekülen, den zersetzten O₂ Molekülen und den zersetzten Wassermolekülen stammt, wird ein Rückschluss auf die im Abgasstrom 10 enthaltenen O₂ und H₂O und CO₂ Moleküle gezogen. Durch Kenntnis der O₂-Konzetration und der Wasserkonzentration aus dem vorangegangenen Teilschritt 60 mit der zweiten Zersetzungsspannung 44 kann die CO₂-Konzentration in dem Abgasstrom 10 bestimmt werden. Die zur Zersetzung des CO₂ Moleküls nötige dritte Zersetzungsspannung 46 ist größer als die zweite Zersetzungsspannung 44. Wenn CO₂ in dem Abgas enthalten ist, dann ist der dritte Grenzstrom 52 größer als der zweite Grenzstrom 50, da der dritte Grenzstrom 52 von CO₂, von O₂ und von H₂O stammt.
In zumindest einem weiteren Analyseschritt 56 wird die erzeugte Leistung der Brennstoffzelle 14 und/oder des Brennstoffzellensystems 12 ermittelt. In dem weiteren Analyseschritt 56 kann dazu beispielsweise der von der Brennstoffzelle 14 und/oder von dem Brennstoffzellensystem 12 ermittelte Strom gemessen werden.
In einem Regelschritt 20 werden die in dem Analyseschritt 18 ermittelten Messwerte zu einer Regelung von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems 12 eingesetzt. Der in dem Regelschritt 20 geregelte Betriebsparameter kann dabei als eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems 12 ausgebildet sein. In diesem Fall wird in einem Teilschritt 72 des Regelschritts 20 anhand der im Analyseeschritt 18 ermittelten Abgasbestandteile von der Steuer- und/oder Regeleinheit 16 die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems 12 geregelt und/oder gesteuert. Der in dem Regelschritt 20 geregelte Betriebsparameter kann dabei als eine dem Brennstoffzellensystem 12 zugeführte Gaszuflussmenge ausgebildet sein. In diesem Fall wird in einem Teilschritt 74 des Regelschritts 20 anhand der im Analyseeschritt 18 ermittelten Abgasbestandteile von der Steuer- und/oder Regeleinheit 16 die dem Brennstoffzellensystem 12 zugeführte Gaszuflussmenge geregelt und/oder gesteuert. Der in dem Regelschritt 20 geregelte Betriebsparameter kann dabei als ein dem Brennstoffzellensystem 12 zugeführtes Gasverhältnis ausgebildet sein. In diesem Fall wird in einem Teilschritt 76 des Regelschritts 20 anhand der im Analyseeschritt 18 ermittelten Abgasbestandteile von der Steuer- und/oder Regeleinheit 16 das dem Brennstoffzellensystem 12 zugeführte Gasverhältnis geregelt und/oder gesteuert. Die Regelung des Gasverhältnisses zielt auf die Anpassung der Anteile zwischen Luftvolumenstrom und Feedgasvolumenstrom ab. Das Gasverhältnis kann durch die Veränderung des Luftvolumenstroms durchgeführt werden. Das Gasverhältnis kann durch die Veränderung des Feedgasvolumenstroms durchgeführt werden. Das Gasverhältnis kann durch die Veränderung des Luftvolumenstroms und/oder des Feedgasvolumenstroms eingestellt und/oder geregelt werden.
In zumindest einem weiteren Verfahrensschritt 22 wird anhand der im Analyseschritt 18 ermittelten Abgasbestandteile und der im dem weiteren Analyseschritt 56 ermittelten Leistung der Brennstoffzelle 14 und/oder des Brennstoffzellensystems 12 eine Erkennung einer Änderung einer Feedgaszusammensetzung durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich kann in dem Verfahrensschritt 22 eine Feedgaserkennung durchgeführt werden. Dabei wird das dem Brennstoffzellensystem 12 zugeführte Feedgas, insbesondere das dem Brennstoffzellensystem 12 zugeführte Brenn-/Oxidationsgas aus den in dem Abgasstrom 10 gemessenen Abgasbestandteilen identifiziert. Beispielsweise wird in dem Verfahrensschritt 22 bestimmt, ob das Feedgas Biogas oder Erdgas gewesen ist. Zudem könnte in dem Verfahrensschritt 22 auch eine gemischte Zusammensetzung von Feedgasen (beispielsweise bei schwankendem Biogas oder H₂-Anteil) flexibel nachgeregelt werden. Dazu könnten die quantifizierten Signale aus den Zersetzungsspannungen des/der NOx-Sensor/en 26, 32 unmittelbar zur Regelung verwendet werden ohne, dass ein Umweg über eine Klassifizierung „Erdgas“/"Biogas zwingend notwendig wird. In zumindest einem weiteren Verfahrensschritt 78 werden Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 12 und/oder ein Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 12 an das jeweils ermittelte Feedgas und/oder an die Veränderung der Zusammensetzung des Feedgases angepasst.
In zumindest einem weiteren Verfahrensschritt 80 wird anhand der im Analyseschritt 18 ermittelten Abgasbestandteile und der im weiteren Analyseschritt 56 ermittelten Leistung der Brennstoffzelle 14 und/oder des Brennstoffzellensystems 12 eine Auswertung eines elektrochemischen Gesundheitszustands des Brennstoffzellensystems 12 durchgeführt. In zumindest einem weiteren Verfahrensschritt 82 wird anhand der im Analyseschritt 18 ermittelten Abgasbestandteile und der im weiteren Analyseschritt 56 ermittelten Leistung der Brennstoffzelle 14 und/oder des Brennstoffzellensystems 12 eine Effizienz und/oder ein Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 12 ermittelt.
Die 3 zeigt ein Strom-Spannungsdiagramm 54. Auf einer Abszisse 38 des Strom-Spannungsdiagramms 54 ist eine an die Messzelle 34 des NOx-Sensors 26, 32 angelegte Spannung in mV aufgetragen. Auf einer Ordinate 40 des Strom-Spannungsdiagramms 54 ist ein Strom in mA aufgetragen. Das Strom-Spannungsdiagramm 54 zeigt die drei Zersetzungsspannungen 42, 44, 46. Aus dem Strom-Spannungsdiagramm 54 ist für jede Zersetzungsspannung 42, 44, 46 ein Grenzstrom 48, 50, 52 ablesbar. Die Zersetzungsspannung 42 zersetzt O₂. Liegt die Zersetzungsspannung 42 an, ergibt sich ein erstes Plateau der Strom-Spannungskurve des NOx-Sensors 26, 32. Das erste Plateau entspricht dem ersten Grenzstrom 48. Die zweite Zersetzungsspannung 44 zersetzt O₂ und H₂O. Liegt die zweite Zersetzungsspannung 44 an, ergibt sich ein zweites Plateau der Strom-Spannungskurve des NOx-Sensors 26, 32. Das zweite Plateau entspricht dem zweiten Grenzstrom 50. Die dritte Zersetzungsspannung 46 zersetzt O₂ und H₂O und CO₂. Liegt die dritte Zersetzungsspannung 46 an, ergibt sich ein drittes Plateau der Strom-Spannungskurve des NOx-Sensors 26, 32. Das dritte Plateau entspricht dem dritten Grenzstrom 52.

Claims

Verfahren zu einer Abgasanalyse eines Abgasstroms (10) eines Brennstoffzellensystems (12), aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle (14), insbesondere Festoxidbrennstoffzelle, und zumindest einen NOx-Sensor (26), dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Analyseschritt (18) zumindest drei unterschiedliche in dem Abgasstrom (10) enthaltene und von NOx verschiedene Abgasbestandteile durch den zumindest einen NOx-Sensor (26) ermittelt, vorzugsweise quantifiziert, werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eins der in dem Analyseschritt (18) ermittelten drei Abgasbestandteile, vorzugsweise alle drei in dem Analyseschritt (18) ermittelten Abgasbestandteile, von dem NOx-Sensor (26) mit einer Messgenauigkeit von zumindest ±35 ppm, vorzugsweise zumindest ±15 ppm und bevorzugt zumindest ±5 ppm gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Analyseschritt (18) gemessenen Abgasbestandteile durch Einstellen von zumindest zwei, vorzugsweise drei, verschiedenen Zersetzungsspannungen (42, 44, 46) an eine Messzelle (34) des NOx-Sensors (26) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drei verschiedenen Abgasbestandteile zeitversetzt von dem zumindest einen NOx-Sensor (26) gemessen, insbesondere abgerastert, werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drei von dem NOx-Sensor (26) ermittelten Abgasbestandteile von O₂, H₂O und CO₂ gebildet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Analyseschritt (18) ermittelten Messwerte in zumindest einem Regelschritt (20) zu einer Regelung zumindest eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems (12) eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Regelschritt (20) geregelte Betriebsparameter als eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems (12), als eine dem Brennstoffzellensystem (12) zugeführte Gaszuflussmenge und/oder als ein dem Brennstoffzellensystem (12) zugeführtes Gasverhältnis ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt (22) eine Feedgaszusammensetzungsänderung, insbesondere ein Feedgas, vorzugsweise ein dem Brennstoffzellensystem (12) zugeführtes Brenn-/Oxidationsgas, unter Zuhilfenahme der in dem Analyseschritt (18) ermittelten Messwerte, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt (80, 82) ein elektrochemischer Gesundheitszustand und/oder die Effizienz der Brennstoffzelle (14) unter Zuhilfenahme der in dem Analyseschritt (18) ermittelten Messwerte ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Analyseschritt (18) zumindest drei unterschiedliche in einem Eingangsstrom (24) des Brennstoffzellensystems (12) enthaltene und von NOx verschiedene Eingangsstrombestandteile durch zumindest einen weiteren NOx-Sensor (32) ermittelt, vorzugsweise quantifiziert, werden.
Brennstoffzellensystem (12), welches insbesondere mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche betreibbar ist, aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle (14), insbesondere Festoxidbrennstoffzelle, und zumindest einen in einem Abgasstrom (10) des Brennstoffzellensystems 12 angeordneten NOx-Sensor (26), dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Sensor (26) zumindest dazu vorgesehen ist, zumindest drei unterschiedliche in dem Abgasstrom (10) enthaltene und von NOx verschiedene Abgasbestandteile zu ermitteln, vorzugsweise zu quantifizieren.