DE102022203524A1

DE102022203524A1 - Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102022203524A1
Application number: DE102022203524.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Jansen; Maxime Carre
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: CN116895806A

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt ein Brennstoff zu einem Abgas umgesetzt wird und wobei mittels einer Rezirkulationsfluidkontrolleinheit (14a) des Brennstoffzellensystems eine teilweise Rückspeisung des Abgases in zumindest einem Verfahrensschritt kontrolliert wird.Es wird vorgeschlagen, dass ein Kontrollparameter der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit (14a) in Abhängigkeit von einer Laständerung des Brennstoffzellensystems eingestellt wird.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, vorgeschlagen worden, bei dem in zumindest einem Verfahrensschritt ein Brennstoff zu einem Abgas umgesetzt wird und wobei mittels einer Rezirkulationsfluidkontrolleinheit des Brennstoffzellensystems eine teilweise Rückspeisung des Abgases in zumindest einem Verfahrensschritt kontrolliert wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens ein Brennstoff zu einem Abgas umgesetzt wird und wobei mittels einer Rezirkulationsfluidkontrolleinheit des Brennstoffzellensystems eine teilweise Rückspeisung des Abgases in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens kontrolliert wird.
Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens ein Kontrollparameter der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit in Abhängigkeit von einer Laständerung des Brennstoffzellensystems eingestellt wird. Die Rezirkulationsfluidkontrolleinheit ist bevorzugt als Fluidfördereinheit, insbesondere als Gebläse, Kompressor oder als Pumpe, ausgebildet. Alternativ ist die Rezirkulationsfluidkontrolleinheit als, insbesondere kontinuierlich oder schrittweise verstellbares, Stellventil ausgebildet. Der Kontrollparameter gibt vorzugsweise eine Betriebseinstellung der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit vor, beispielsweise eine Förderleistung der Fluidfördereinheit, insbesondere eine Drehzahl der Fluidfördereinheit oder eine elektrische Leistungsaufnahme der Fluidfördereinheit, oder einen Öffnungsgrad des Stellventils. Das Verfahren ist vorzugsweise dazu vorgesehen, eine Brennstoffnutzung einer Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellensystems bei einer Laständerung, insbesondere während einer Laständerung, unter einen maximal zulässigen Brennstoffnutzungsgrenzwert zu halten. Die Brennstoffzelleneinheit umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, bevorzugt eine Vielzahl an Brennstoffzellen, insbesondere an Hochtemperaturbrennstoffzellen, welche in einem oder mehreren Brennstoffzellenstacks angeordnet sind. Die Brennstoffzelleneinheit umfasst beispielsweise zumindest eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (MCFC) oder zumindest eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC). Die Brennstoffnutzung ist vorzugsweise ein Verhältnis einer Anzahl von bei einer Umsetzung des Brennstoffs genutzter Elektronen des Brennstoffs, welche insbesondere für eine weitere Umsetzung nicht mehr zur Verfügung stehen, zu einer Anzahl an Elektronen des Brennstoffs, die vor der Umsetzung des Brennstoffstoffs für die Umsetzung des Brennstoffs zur Verfügung stehen. Der Brennstoff wird vorzugsweise in der Brennstoffzelleneinheit vorzugsweise mittels Sauerstoff zu dem Abgas umgesetzt. Besonders bevorzugt umfasst das Abgas neben einem umgesetzten Brennstoffanteil nicht-umgesetzte Brennstoffreste, deren Anteil umso größer ist je kleiner die Brennstoffnutzung ist. Das Verfahren ist bevorzugt dazu vorgesehen, eine Beschädigung der Brennstoffzelleneinheit im Zuge der Laständerung, insbesondere während der Laständerung, durch ein Brennstoffdefizit bzw. einem Sauerstoffüberschuss in der Brennstoffzelleneinheit zu vermeiden. Der Brennstoffnutzungsgrenzwert ist kleiner/gleich 1. Der Brennstoffnutzungsgrenzwert ist vorzugsweise kleiner/gleich von eines Herstellers der Brennstoffzelleneinheit vorgegeben zulässigen Maximalwert der Brennstoffnutzung. Beispielsweise ist der Brennstoffnutzungsgrenzwert kleiner 0,95, optional kleiner als 0,7. Der Brennstoffnutzungsgrenzwert ist vorzugsweise größer als 0,25, bevorzugt größer als 0,5.
Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise eine Brennstoffzufuhr, zu einem Zuführen des Brennstoffs zu der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere zu einer Anode der Brennstoffzelleneinheit. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise eine Abgasleitung, zu einem Abführen des Abgases von der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere von der Anode der Brennstoffzelleneinheit. Das Brennstoffzellensystem umfasst bevorzugt eine Rezirkulationsleitung zu einer Rückspeisung eines Teils des Abgases aus der Abgasleitung in die Brennstoffzufuhr. Die Rezirkulationsfluidkontrolleinheit kann in der Rezirkulationsleitung oder in der Brennstoffzufuhr stromabwärts einer Einspeisemündung der Rezirkulationsleitung in die Brennstoffzufuhr angeordnet sein. Der Brennstoff umfasst vorzugsweise Wasserstoff, Ammoniak, Methan, Ethan, Propan und/oder einen anderen Kohlenwasserstoff, insbesondere ein Alkan. Bevorzugt wird als Brennstoff Erdgas verwendet.
Die Brennstoffzelleneinheit erzeugt vorzugsweise durch das Umsetzen des Brennstoffs mit Sauerstoff einen elektrischen Strom. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise eine Steuer- oder Regeleinheit. Die Steuer- oder Regeleinheit fragt vorzugsweise einen Stromsollwert für den erzeugten elektrischen Strom von einer externen Quelle ab. Die externe Quelle ist beispielsweise eine an dem Brennstoffzellensystem angeschlossene Last oder eine die Last überwachende oder kontrollierende Steueranlage. Die Steuer- oder Regeleinheit ist vorzugsweise dazu vorgesehen, Komponenten des Brennstoffzellensystems so einzustellen, dass der von der Brennstoffzelleneinheit erzeugte elektrische Strom sich dem Stromsollwert annähert. Während der Laständerung ist der Stromsollwert im Allgemeinen zeitabhängig. Die Steuer- oder Regeleinheit stellt den Kontrollparameter bevorzugt in Abhängigkeit von der Laständerung, insbesondere von dem Stromsollwert, ein. Die Steuer- oder Regeleinheit stellt den Kontrollparameter bevorzugt in Abhängigkeit von dem Brennstoffnutzungsgrenzwert ein. Die Steuer- oder Regeleinheit ermittelt vorzugsweise einen Brennstoffnutzungssollwert für die Brennstoffnutzung der Brennstoffzelleneinheit, welcher bevorzugt kleiner ist als der Brennstoffnutzungsgrenzwert. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit den Brennstoffnutzungssollwert in Abhängigkeit von dem Stromsollwert. Alternativ verwendet die Steuer- oder Regeleinheit den Brennstoffnutzungsgrenzwert unabhängig von dem Stromsollwert als Brennstoffnutzungssollwert. Der Brennstoffnutzungsgrenzwert ist vorzugsweise in einem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit hinterlegt. Die Steuer- oder Regeleinheit ermittelt bevorzugt einen benötigten von der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit eingestellten Strömungsparameter des Abgases oder eines Abgas-Brennstoffgemischs, um den Stromsollwert und/oder den Brennstoffnutzungssollwert zu erreichen. Der Strömungsparameter kann ein Volumenstrom, eine Massestrom, ein Teilchenstrom, ein Stoffmengenstrom oder dergleichen sein. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit den Strömungsparameter als zeitabhängige Größe, welche insbesondere von einer Reaktionszeit des Brennstoffzellensystems auf eine veränderte Einstellung zumindest einer Komponente des Brennstoffzellensystems und/oder eine Änderung eines Umgebungsparameters abhängt. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit den Kontrollparameter in Abhängigkeit von dem ermittelten Strömungsparameter. Vorzugsweise sendet die Steuer- oder Regeleinheit zumindest ein Steuersignal an die Rezirkulationsfluidkontrolleinheit, um den ermittelten Kontrollparameter an der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit einzustellen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Brennstoffnutzung der Brennstoffzelleneinheit vorteilhaft auch bei schwankender Last vorteilhaft zuverlässig unterhalb des Brennstoffnutzungsgrenzwerts gehalten werden. Insbesondere kann ein Verschleiß der Brennstoffzelleneinheit vorteilhaft gering gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass als Rezirkulationsfluidkontrolleinheit eine Fluidfördereinheit verwendet wird, wobei der Kontrollparameter ein Förderleistungsparameter der Fluidfördereinheit ist. Die Fluidfördereinheit ist bevorzugt als Ventilator, alternativ als Kompressor oder als Pumpe ausgebildet. Die Fluidfördereinheit umfasst vorzugsweise eine Hydraulik- oder Pneumatikeinheit, welche in direktem Kontakt mit dem Abgas oder dem Abgas-Brennstoffgemisch ist und dieses mit einem Druck beaufschlagt. Die Fluidfördereinheit umfasst vorzugsweise einen Motor, um die Hydraulik- oder Pneumatikeinheit anzutreiben. Der Kontrollparameter ist bevorzugt eine Drehzahl oder Frequenz des Motors und/oder der Hydraulik- oder Pneumatikeinheit. Alternativ ist der Kontrollparameter eine von dem Motor aufgenommene Leistung, insbesondere aufgenommene elektrische Leistung, insbesondere gemessen anhand einer Stromstärke in einer Wicklung des Motors, um die Hydraulik- oder Pneumatikeinheit anzutreiben. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Strömungsparameter des rückgespeisten Abgases vorteilhaft präzise, insbesondere unabhängig von einer Rate, mit welcher frischer Brennstoff eingespeist wird, eingestellt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens eine Prognose der Laständerung ermittelt wird, um den Kontrollparameter einzustellen. Vorzugsweise vergleicht die Steuer- oder Regeleinheit den Stromsollwert mit einem Stromistwert des von der Brennstoffzelleneinheit erzeugten elektrischen Stroms, um eine Veränderung des elektrischen Stroms zu prognostizieren. Beispielsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit einen Prognosewert des elektrischen Stroms durch Aufsummieren der prognostizierten Veränderung auf den Stromistwert. Beispielsweise interpoliert die Steuer- oder Regeleinheit den Stromistwert, insbesondere mehrere protokollierte Stromistwerte, zusammen mit dem Stromsollwert, um einen Prognosewert des elektrischen Stroms zu ermitteln. Vorzugsweise stellt die Steuer- oder Regeleinheit den Kontrollparameter in Abhängigkeit von dem Prognosewert des elektrischen Stroms ein. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine vorteilhaft vorrausschauende Steuerung oder Regelung der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit erreicht werden. Insbesondere kann ein gegen eine Laständerung verzögertes Nachlaufen der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit vorteilhaft gering gehalten werden. Insbesondere kann ein Risiko und/oder eine Dauer einer Überschreitung des Brennstoffnutzungsgrenzwerts vorteilhaft gering gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass ein Verlauf der Laständerung über ein Zeitintervall prognostiziert wird. Vorzugsweise prognostiziert die Steuer- oder Regeleinheit einen zeitlichen Verlauf des elektrischen Stroms, insbesondere für ein vorgegebenes Zeitintervall, welches mit dem Stromistwert beginnt oder den Stromistwert enthält. Das Zeitintervall ist vorzugsweise kürzer als eine Einstellzeit oder eine Einschwingzeit des Brennstoffzellensystems auf einen neuen Stromsollwert. Alternativ umfasst das Zeitintervall einen zeitlichen Verlauf des elektrischen Stroms von dem Stromistwert bis zu einem Erreichen des Stromsollwerts oder darüber hinaus. Vorzugsweise aktualisiert die Steuer- oder Regeleinheit den zeitlichen Verlauf des prognostizierten elektrischen Stroms in regelmäßigen Zeitabständen, insbesondere zumindest nach Ablauf des zuletzt prognostizierten Zeitintervalls, optional mehrfach pro Zeitintervall, bei Erhalt eines neues Stromsollwerts und/oder bei Erhalt eines neuen Stromistwerts. Vorzugsweise stellt die Steuer- oder Regeleinheit den Kontrollparameter in Abhängigkeit von dem prognostizierten Verlauf des elektrischen Stroms ein. Besonders bevorzugt ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit einen vorgesehenen zeitlichen Verlauf des Kontrollparameters in Abhängigkeit von dem prognostizierten Verlauf des elektrischen Stroms. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Brennstoffnutzung vorteilhaft kontinuierlich an die Laständerung angepasst werden. Insbesondere kann ein Risiko von kurzzeitigen Überschreitungen des Brennstoffnutzungsgrenzwerts vorteilhaft gering gehalten werden innerhalb des Zeitintervalls oder bei einer sprunghaften Änderung des Kontrollparameters zwischen zwei Zeitintervallen vorteilhaft gering gehalten werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass bei einer Ermittlung des Kontrollparameters für ein Zeitintervall eine Zusammensetzung des Brennstoffs und/oder des Abgases innerhalb dieses Zeitintervalls auf einen konstanten Wert gesetzt wird. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit den Kontrollparameter anhand zumindest einer Rechenvorschrift, insbesondere mittels eines Gleichungssystems, welche/s aus einem das Brennstoffzellensystem beschreibenden Differentialgleichungssystems von der Steuer- oder Regeleinheit abgeleitet wird oder bereits im Vorfeld abgeleitet wurde. Vorzugsweise werden zu einem Ableiten der zumindest einen Rechenvorschrift Terme in dem Differentialgleichungssystem gleich Null gesetzt, welche eine zeitliche Ableitung der Zusammensetzung des Brennstoffs enthalten. Die Zusammensetzung ist vorzugsweise eine in dem Brennstoff und/oder dem Abgas enthaltene molare Konzentration von Wasserstoffspezies und/oder Kohlenstoffspezies, welche für eine Reaktion mit Sauerstoff zur Verfügung stehen. Vorzugsweise verwendet die Steuer- oder Regeleinheit eine molare Konzentration eines Wasserstoffäquivalents, um die molare Konzentration aller in dem Brennstoff und/oder dem Abgas enthaltenen Wasserstoffspezies und aller Kohlenstoffspezies, die noch für eine Reaktion mit Sauerstoff zur Verfügung stehen, zu einem einzelnen Wert zusammenzufassen. Das Wasserstoffäquivalent zu einem Kohlenwasserstoffmolekül gibt die Anzahl an Wasserstoffmolekülen an, welche bei einer Reaktion mit Sauerstoff die gleiche Anzahl an Elektronen freigibt wie dieses Kohlenwasserstoffmolekül. Bevorzugt ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit den Kontrollparameter in dem Zeitintervall in Abhängigkeit von dem konstanten Wert der Zusammensetzung. Vorzugsweise aktualisiert die Steuer- oder Regeleinheit die Zusammensetzung des Brennstoffs und/oder des Abgases nach einer festgelegten Anzahl an prognostizierten Zeitintervallen, insbesondere nach jedem Zeitintervall. Alternativ verwendet die Steuer- oder Regeleinheit den konstanten Wert für die Zusammensetzung für die gesamte Dauer der Laständerung. In einer alternativen Ausgestaltung verwendet die Steuer- oder Regeleinheit eine Rechenvorschrift für den Kontrollparameter, in welcher die Zusammensetzung, insbesondere aufgrund der angenommenen zeitlichen Konstanz innerhalb des Zeitintervalls, eliminiert wurde. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der Kontrollparameter mit einem vorteilhaft kleinen Gleichungssystem ermittelt werden. Insbesondere kann das Verfahren mit vorteilhaft wenig Rechenleistung und/oder Speicherbedarf umgesetzt werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass bei einer Ermittlung des Kontrollparameters für ein Zeitintervall ein, insbesondere der bereits genannte, Strömungsparameter des Abgases und/oder des Brennstoffs, insbesondere des Abgas-Brennstoffgemischs, innerhalb dieses Zeitintervalls auf einen konstanten Wert gesetzt wird. Vorzugsweise aktualisiert die Steuer- oder Regeleinheit den Strömungsparameter nach einer festgelegten Anzahl an prognostizierten Zeitintervallen, insbesondere nach jedem Zeitintervall. Alternativ verwendet die Steuer- oder Regeleinheit den konstanten Wert für den Strömungsparameter für die gesamte Dauer der Laständerung. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit den Kontrollparameter innerhalb des Zeitintervalls in Abhängigkeit von dem konstanten Wert des Strömungsparameters. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der Kontrollparameter mit einem vorteilhaft kleinen Gleichungssystem ermittelt werden. Insbesondere kann das Verfahren mit vorteilhaft wenig Rechenleistung und/oder Speicherbedarf umgesetzt werden. Insbesondere kann bei einer Rezirkulationsfluidkontrolleinheit, welche insbesondere eine lange Beschleunigungszeit und/oder eine lange Verlangsamungszeit verglichen mit der Dauer des Zeitintervalls aufweist, auf ein Lösen eines Differentialgleichungssystems verzichtet werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der Kontrollparameter in Abhängigkeit von einer, insbesondere der bereits genannten, Änderung der Zusammensetzung des Brennstoffs und/oder des Abgases ermittelt wird. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit den Kontrollparameter innerhalb des Zeitintervalls in Abhängigkeit von der Änderung der Zusammensetzung. Bevorzugt umfasst die zumindest eine Rechenvorschrift, welche die Steuer- oder Auswerteinheit zu einer Ermittlung des Kontrollparameters in dem Zeitintervall auswertet, die Änderung der Zusammensetzung, insbesondere eine zeitliche Ableitung der Zusammensetzung, als unbekannte Variable. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der Kontrollparameter vorteilhaft präzise ermittelt werden. Insbesondere kann vorteilhaft eine Dynamik innerhalb eines Kreislaufs aus Brennstoffzufuhr, Brennstoffzelleneinheit, Abgasleitung und Rezirkulationsleitung bei einer Ermittlung des Kontrollparameters berücksichtigt werden. Insbesondere fließen vorteilhaft wenig Annahmen und/oder Vereinfachungen im Voraus in die zumindest eine Rechenvorschrift zur Ermittlung des Kontrollparameters ein.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein Vorsteuerwert des Kontrollparameters in Abhängigkeit von der Laständerung ermittelt wird. Vorzugsweise addiert die Steuer- oder Regeleinheit den Vorsteuerwert und einen Regelwert zu dem Kontrollparameter. Der Regelwert wird vorzugsweise mittels zumindest eines Regelglieds, insbesondere mittels eines Proportional-Integral-Reglers (PI-Regler), ermittelt. Insbesondere umfasst das Brennstoffzellensystem einen Strömungsmesser zu einer Erfassung des Strömungsparameters oder eines zu dem Strömungsparameter äquivalenten Strömungsparameters. Das Regelglied vergleicht vorzugsweise den mit dem Strömungsmesser erfassten Wert des Strömungsparameters mit dem von der Steuer- oder Regeleinheit in Abhängigkeit von dem Stromsollwert ermittelten Wert des Strömungsparameters. Die Steuer- oder Regeleinheit verarbeitet vorzugsweise den in Abhängigkeit von dem Stromsollwert ermittelten Wert des Strömungsparameters zu dem Vorsteuerwert. Vorzugsweise verwendet die Steuer- oder Regeleinheit den in Abhängigkeit von dem Stromsollwert ermittelten Wert des Strömungsparameters, um einen Druckabfall des Brennstoffs und/oder des Abgases bei einem Durchqueren der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit zu ermitteln. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit den Druckabfall mittels eines/r in dem Speicher der Regeleinheit hinterlegten Tabellenwerks, einer Kennkurve oder dergleichen. Vorzugsweise verwendet die Steuer- oder Regeleinheit den in Abhängigkeit von dem Stromsollwert ermittelten Wert des Strömungsparameters und den ermittelten Druckabfall des Brennstoffs und/oder des Abgases bei einem Durchqueren der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit, um den Vorsteuerwert des Kontrollparameters zu ermitteln. Vorzugsweise ist in dem Speicher der Regeleinheit ein Tabellenwerk oder ein Kennlinienfeld hinterlegt, welches einen Zusammenhang zwischen dem Druckabfall, dem Strömungsparameter und dem Kontrollparameter beschreibt und von der Steuer- oder Regeleinheit zur Ermittlung des Vorsteuerwerts ausgewertet wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Regelzeit zu einem Einstellen des Kontrollparameters vorteilhaft gering gehalten werden. Insbesondere kann ein Risiko einer instabilen Regelung vorteilhaft gering gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens ein, insbesondere der bereits genannte, Vorsteuerwert des Kontrollparameters in Abhängigkeit von einer Umkehrung zumindest einer Fluiddynamikkennlinie der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit ermittelt wird. Die Fluiddynamikkennlinie beschreibt vorzugsweise einen Zusammenhang zwischen zumindest zwei Zustandsgrößen und/oder Strömungsgrößen des durch die Rezirkulationsfluidkontrolleinheit strömenden Fluids, insbesondere in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit. Vorzugsweise verwendet die Steuer- oder Regeleinheit als Fluiddynamikkennlinie eine Abhängigkeit des Strömungsparameters von dem Druckabfall über der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit, insbesondere in einem stationären Zustand des Brennstoffzellensystems. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit anhand einer Umkehrung der Fluiddynamikkennlinie den Druckabfall als Funktion des mittels des Stromsollwerts ermittelten Werts des Strömungsparameters. Vorzugsweise verwendet die Steuer- oder Regeleinheit als weitere Fluiddynamikkennlinie eine Abhängigkeit des Strömungsparameters und des Druckabfalls von dem Kontrollparameter, insbesondere in einem stationären Zustand des Brennstoffzellensystems. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit anhand einer Umkehr der weiteren Fluiddynamikkennlinie den Vorsteuerwert des Kontrollparameters als Funktion des, insbesondere mittels der Fluiddynamikkennlinie ermittelten, Druckabfalls und als Funktion des mittels des Stromsollwerts ermittelten Werts des Strömungsparameters. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft präziser Vorsteuerwert des Kontrollparameters vorteilhaft schnell ermittelt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass eine Regelungsbandbreite des Kontrollparameters in Abhängigkeit von einem, insbesondere dem bereits genannten, Vorsteuerwert des Kontrollparameters relativ zu einer zulässigen Wertespanne des Kontrollparameters eingeschränkt wird. Vorzugsweise schränkt die Steuer- oder Regeleinheit als Einschränkung der Regelungsbandbreite ein von dem zumindest einen Regelglied einstellbares Maximum des Kontrollparameters, ein einstellbares Minimum des Kontrollparameters, eine einstellbare minimale Änderungsrate des Kontrollparameters und/oder eine einstellbare maximale Änderungsrate des Kontrollparameters ein. Vorzugsweise ist die Regelungsbandbreite des zumindest einen Regelglieds, insbesondere um den Vorsteuerwert, kleiner als eine von dem Vorsteuerwert annehmbare Wertespanne. Vorzugsweise ist eine Regelungsbandbreite von einem Integralglied des PI-Reglers kleiner als eine Regelungsbandbreite von einem Proportionalglied des PI-Reglers. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Risiko einer instabilen Regelung vorteilhaft gering gehalten werden.
Weiterhin wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer, insbesondere der bereits genannten, Steuer- oder Regeleinheit zu einer Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Unter einer „Steuer- oder Regeleinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise die Brennstoffzelleneinheit. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise die Brennstoffzufuhr, die Abgasleitung und die Rezirkulationsleitung. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise die Rezirkulationsfluidkontrolleinheit. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise eine Stelleinheit zu einem Einstellen des Kontrollparameters. Die Stelleinheit ist beispielsweise als Frequenzumrichter ausgebildet. Das Brennstoffzellensystem umfasst bevorzugt einen Reformer zu einem Reformieren des Brennstoffs. Der Reformer ist vorzugsweise in der Brennstoffleitung angeordnet, insbesondere stromabwärts der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit und/oder stromabwärts der Einspeisemündung der Rezirkulationsleitung in die Brennstoffzufuhr. Das Brennstoffzellensystem umfasst optional einen Nachbrenner zu einem Umsetzen der in dem Abgas noch enthaltenen Brennstoffreste. Der Nachbrenner ist vorzugsweise stromabwärts einer Abzweigung der Rezirkulationsleitung von der Abgasleitung angeordnet. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise eine Brennstoffkontrolleinheit zu einer Einstellung einer Zuflussrate an frischem Brennstoff in die Brennstoffzufuhr. Unter „frischem Brennstoff“ soll insbesondere der Brennstoff vor einer Vermischung mit dem Abgas verstanden werden, d.h. insbesondere in einer Zusammensetzung wie er stromaufwärts der Einspeisemündung vorliegt. Die Brennstoffkontrolleinheit ist in der Brennstoffzufuhr vorzugsweise stromaufwärts der Einspeisemündung der Rezirkulationsleitung in die Brennstoffzufuhr angeordnet. Die Rezirkulationsfluidkontrolleinheit kann in der Brennstoffzufuhr insbesondere zwischen der Einspeisemündung und dem Reformer oder in der Rezirkulationsleitung angeordnet sein. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft robustes Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden, welches insbesondere auch bei Laständerungen vorteilhaft verschleißarm betrieben werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann das erfindungsgemäße Verfahren und/oder 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.
Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind fünf Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
2 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 ein schematisches Flussdiagramm einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 ein schematisches Flussdiagramm einer zusätzlichen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
5 ein schematisches Flussdiagramm einer alternativen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
6 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 12a. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst vorzugsweise eine Brennstoffzelleneinheit 22a. Die Brennstoffzelleneinheit 22a umfasst vorzugsweise zumindest einen Stack an Brennstoffzellen. Die Brennstoffzelleneinheit 22a ist zu einem Erzeugen eines elektrischen Stroms I dazu vorgesehen, einen Brennstoff unter Zuführung von Sauerstoff zu einem Abgas umzusetzen. Das Brennstoffzelleneinheit 22a umfasst vorzugsweise eine Brennstoffzufuhr 24a. Die Brennstoffzufuhr 24a ist an einem, insbesondere anodenseitigen, Brennstoffeinlass der Brennstoffzelleneinheit 22a angeschlossen. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst bevorzugt eine Abgasleitung 26a. Die Abgasleitung 26a ist vorzugsweise an einem, insbesondere anodenseitigen, Abgasauslass der Brennstoffzelleneinheit 22a angeschlossen. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst vorzugsweise eine Rezirkulationsleitung 28a. Die Abgasleitung 26a zweigt vorzugsweise von der Abgasleitung 26a ab und mündet an einer Einspeisemündung in die Brennstoffzufuhr 24a. Vorzugsweise bilden ein Abschnitt der Brennstoffzufuhr 24a von der Einspeisemündung bis zu der Brennstoffzelleneinheit 22a, die Brennstoffzelleneinheit 22a, ein Abschnitt der Abgasleitung 26a von der Brennstoffzelleneinheit 22a bis zu einer Abzweigung der Rezirkulationsleitung 28a und die Rezirkulationsleitung 28a einen Rezirkulationsfluidkreislauf. Vorzugsweise ist der Rezirkulationsfluidkreislauf dazu vorgesehen, ein Gemisch aus frischem Brennstoff und dem Abgas zu rezirkulieren. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst vorzugsweise eine Brennstoffkontrolleinheit 30a. Die Brennstoffkontrolleinheit 30a ist insbesondere dazu vorgesehen, einen Strom I an frischen Brennstoff in den Rezirkulationsfluidkreislauf hinein einzustellen und/oder zu erfassen. Die Brennstoffkontrolleinheit 30a kann beispielsweise als Fluidfördereinheit, insbesondere als Ventilator oder als Kompressor, oder als Stellventil ausgebildet sein. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst vorzugsweise einen Reformer 32a. Der Reformer 32a ist in der Brennstoffzufuhr 24a, bevorzugt stromabwärts der Brennstoffkontrolleinheit 30a, besonders bevorzugt stromabwärts der Einspeisemündung, angeordnet.
Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst vorzugsweise eine Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a zu einem Einstellen eines Strömungsparameters des Brennstoffs und/oder des Abgases innerhalb des Rezirkulationsfluidkreislaufs. Als Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a wird eine Fluidfördereinheit, insbesondere ein Ventilator oder Kompressor, verwendet. Die Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a ist beispielsweise in der Brennstoffzufuhr 24a stromabwärts der Einspeisemündung und insbesondere stromaufwärts des Reformers 32a angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst bevorzugt eine Stelleinheit 34a zu einem Einstellen eines Kontrollparameters der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a. Der Kontrollparameter ist ein Förderleistungsparameter der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a, beispielsweise eine Drehzahl bzw. Frequenz eines Motors der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a. Die Stelleinheit 34a ist insbesondere als Frequenzumrichter ausgebildet. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst zumindest eine Steuer- oder Regeleinheit 20a. Die Steuer- oder Regeleinheit 20a ist zu einem Verfahren 10a vorgesehen, welches in 2 näher erläutert wird.
2 zeigt das Verfahren 10a zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 12a. Der Brennstoff wird während des Verfahrens 10a von der Brennstoffzelleneinheit 22a zu dem Abgas umgesetzt, um den elektrischen Strom I zu erzeugen. Mittels der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a wird eine Rückspeisung des Abgases in die Brennstoffzufuhr 24a kontrolliert, um eine Brennstoffnutzung FU_stk der Brennstoffzelleneinheit 22a unter einem maximal zulässigen Brennstoffnutzungsgrenzwert zu halten. Alternativ wird mittels der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a während einer Laständerung ein Molanteil eines Wasserstoffäquivalents oder ein Molanteil von Wasserstoff des Abgases bei einem Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit 22a über einem vorgegeben Minimalwert gehalten. Der elektrische Strom 1 wird vorzugsweise von einer an der Brennstoffzelleneinheit 22a angeschlossenen Last aufgenommen. Bei einer Laständerung ändert sich insbesondere ein Strombedarf der Last. Vorzugsweise fragt die Steuer- oder Regeleinheit 20a einen Stromsollwert des elektrischen Stroms I von der Last ab. Der Kontrollparameter der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a wird von der Steuer- oder Regeleinheit 20a, in Abhängigkeit von der Laständerung, insbesondere von dem zeitabhängigen Stromsollwert, eingestellt, insbesondere um die Brennstoffnutzung FU_stk der Brennstoffzelleneinheit 22a während der Laständerung unter dem Brennstoffnutzungsgrenzwert zu halten.
Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise eine Prognose 16a. In der Prognose 16a prognostiziert die Steuer- oder Regeleinheit 20a vorzugsweise eine Änderung eines Istwerts des elektrischen Stroms I in einem vorgegebenen Zeitintervall. Vorzugsweise prognostiziert die Steuer- oder Regeleinheit 20a die Änderung des Istwerts des elektrischen Stroms 1 in Abhängigkeit von einer Differenz des Istwerts von dem Stromsollwert, insbesondere von einer Differenz eines Istwerts und eines Sollwerts einer von dem elektrischen Strom I getragenen elektrischen Leistung. Bevorzugt prognostiziert die Steuer- oder Regeleinheit 20a einen zeitlichen Verlauf des elektrischen Stroms I innerhalb des Zeitintervalls ausgehend von dem Istwert des elektrischen Stroms I. Alternativ prognostiziert die Steuer- oder Regeleinheit 20a einen Endwert des elektrischen Stroms I am Ende des Zeitintervalls. Um den elektrischen Strom I in dem Zeitintervall zu prognostizieren kann die Steuer- oder Regeleinheit 20a, ein lineares Modell, ein nicht-lineares Modell, insbesondere ein polynomisches Modell oder ein exponentielles Modell, eine schrittweise Änderung des elektrischen Stroms I in Richtung des Stromsollwerts mit konstanter Schritthöhe, eine schrittweise Änderung des elektrischen Stroms 1 mit variabler Schritthöhe, insbesondere mit einer zur Differenz zwischen dem Istwert des elektrischen Stroms 1 und dem Stromsollwert positiv korrelierenden Schritthöhe, oder ein anderes dem Fachmann sinnvolles, insbesondere anwendungsabhängiges, Modell verwenden. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20a in der Prognose 16a einen Sollwert der Brennstoffnutzung FU_stk innerhalb des Zeitintervalls, besonders bevorzugt basierend auf dem prognostizierten Wert oder Verlauf des elektrischen Stroms I. Der Sollwert der Brennstoffnutzung FU_stk für das Zeitintervall ist bevorzugt eine zeitabhängige Funktion, alternativ eine Konstante. Vorzugsweise ist in dem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit 20a ein Modell der Brennstoffnutzung FU_stk hinterlegt, welches den elektrischen Strom 1 als Parameter aufweist. Vorzugsweise fragt die Steuer- oder Regeleinheit 20a ein Modell der Brennstoffnutzung FU_stk von dem Bediener des Brennstoffzellensystems 12a oder einer externen Datenbank ab, insbesondere zu festgelegten Zeitpunkten und/oder wenn kein Modell der Brennstoffnutzung FU_stk in dem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit 20a hinterlegt ist.
Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise einen Brennstoffstromermittlungsschritt 36a. In dem Brennstoffstromermittlungsschritt 36a ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20a vorzugsweise mit welcher Rate frischer Brennstoff in dem Zeitintervall in den Rezirkulationsfluidkreislauf eingespeist wird. Vorzugsweise befindet sich während des Verfahrens 10a in der Brennstoffzufuhr 24a zwischen der Einspeisemündung und der Brennstoffzelleneinheit 22a ein Abgas-Brennstoffgemisch aus dem Brennstoff und dem zurückgespeisten Teil des Abgases. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20a in dem Brennstoffstromermittlungsschritt 36a einen Brennstoffströmungsparameter ṅ_BK in oder unmittelbar stromabwärts der Brennstoffkontrolleinheit 30a, insbesondere stromaufwärts der Einspeisemündung. Vorzugsweise berücksichtigt die Steuer- oder Regeleinheit 20a bei einer Ermittlung des Brennstoffströmungsparameters ṅ_BK eine zeitliche Veränderung des Brennstoffströmungsparameters ṅ_BK während des Zeitintervalls, welche insbesondere durch eine endliche Reaktionszeit T_BK der Brennstoffkontrolleinheit 30a verursacht wird. Die Reaktionszeit T_BK der Brennstoffkontrolleinheit 30a kann eine Verzögerungszeit auf ein Steuersignal und/oder eine Übergangszeit eines Betriebsparameters, insbesondere einer Drehzahl oder eines Öffnungsgrads, der Brennstoffkontrolleinheit 30a von einem Startwert zu einem Endwert umfassen.
Beispielsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20a den Brennstoffströmungsparameter ṅ_BK anhand folgender Rechenvorschrift: $T_{B K} \cdot \frac{d {\dot{n}}_{B K}}{d t} + {\dot{n}}_{B K} = \frac{I \cdot n_{Z e l l e n} \cdot Γ_{ϕ}}{(\frac{O}{C} + (Γ_{ϕ} - \frac{O}{C}) * F U_{s t k}) \cdot F \cdot γ_{e^{-}}}$
wobei F die Faraday-Konstante, n_Zellen eine Anzahl an Brennstoffzellen in dem Stack, für welchen die Brennstoffnutzung FU_stk in der Prognose 16a festgelegt wurde, Γ_ϕ eine Brennstoffeffizienz des Brennstoffs, $\frac{O}{C}$
ein Sauerstoffatom-Kohlenstoffatom-Verhältnis des Abgas-Brennstoffgemischs und γ_e- eine für eine Reaktion zur Verfügung stehende Elektronenanzahl des Brennstoffs pro Molekül des Brennstoffs bezeichnet. Die Brennstoffeffizienz ist gegeben durch $Γ_{ϕ} = \frac{\sum_{i} x_{i B S} \cdot γ_{i e^{-}}}{2 \cdot \sum_{i} x_{i B S} \cdot γ_{i C}}$
mit einer molaren Konzentration x_{i BS} eines Bestandteils des Brennstoffs, einer für eine Reaktion zur Verfügung stehende Elektronenanzahl γ_{i e}- pro Molekül dieses Bestandteils und einer Kohlenstoffanzahl _̇γ_{i C} pro Molekül dieses Bestandteils. Der Brennstoff ist beispielsweise Erdgas. Insbesondere umfasst der Brennstoff als Bestandteile Wasserstoff H₂, Methan CH₄ und/oder andere Alkane. Die Brennstoffeffizienz Γ_ϕ, die Elektronanzahl γ_e- und/oder ein dem frischen Brennstoff inhärentes Sauerstoffatom-Kohlenstoffatom-Verhältnis $\frac{O}{C}$
werden vorzugsweise im Vorfeld des Verfahrens 10a manuell oder mit einer Analysevorrichtung des Brennstoffzellensystems 12a automatisch ermittelt und in dem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit 20a hinterlegt. In der oben angegebenen Rechenvorschrift geht der Brennstoffströmungsparameter ṅ_BK beispielhaft als Stoffstrom ein. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Brennstoffströmungsparameter ṅ_BK als Volumenstrom, Massenstrom, Teilchenstrom oder dergleichen ausgedrückt werden.
Die Steuer- oder Regeleinheit 20a setzt in dem Brennstoffstromermittlungsschritt 36a vorzugsweise für den elektrischen Strom I und die Brennstoffnutzung FU_stk in der Rechenvorschrift für den Brennstoffströmungsparameter ṅ_BK die in der Prognose 16a ermittelten Werte bzw. zeitabhängigen Funktionen des elektrischen Stroms 1 bzw. der Brennstoffnutzung FU_stk ein. Vorzugsweise integriert die Steuer- oder Regeleinheit 20a die Rechenvorschrift für den Brennstoffströmungsparameter ṅ_BK über das Zeitintervall, um den Brennstoffströmungsparameter ṅ_BK, insbesondere als zeitabhängige Funktion, zu ermitteln.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10a einen Rezirkulationsstromermittlungsschritt 38a. In dem Rezirkulationsstromermittlungsschritt 38a ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20a vorzugsweise, mit welcher Rate das Abgas-Brennstoffgemisch in dem Zeitintervall in den Rezirkulationsfluidkreislauf rezirkuliert wird. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20a in dem Rezirkulationsstromermittlungsschritt 38a einen Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK in oder unmittelbar stromabwärts der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a, insbesondere stromaufwärts des Reformers 32a. Vorzugsweise berücksichtigt die Steuer- oder Regeleinheit 20a bei einer Ermittlung des Rezirkulationsströmungsparameters ṅ_RK eine zeitliche Veränderung des Rezirkulationsströmungsparameters ṅ_RK während des Zeitintervalls, welche insbesondere durch eine endliche Reaktionszeit T_RK der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a verursacht wird. Die Reaktionszeit T_RK der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a kann eine Verzögerungszeit auf ein Steuersignal und/oder eine Übergangszeit eines Betriebsparameters, insbesondere einer Drehzahl oder eines Öffnungsgrads, der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a von einem Startwert zu einem Endwert umfassen.
Beispielsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20a den Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK anhand folgender Rechenvorschrift: $F U_{s t k} = \frac{I \cdot n_{Z e l l e n}}{({\dot{n}}_{R K} + {\dot{n}}_{B K} \cdot Δ_{B S}^{*}) \cdot x_{H_{2} e q r e f} \cdot 2 F}$
wobei x_{H2eq ref} eine Reformerkonzentration und $Δ_{B S}^{*}$
eine Änderung einer Molekülanzahl des Brennstoffs bei einer chemischen Reaktion des Brennstoffs mit Wasser oder Sauerstoff pro Mol Brennstoff bezeichnet. Es gilt $Δ_{B S}^{*} = \sum_{i} x_{i B S} \cdot r_{i} \cdot Δ n_{i},$

wobei i die Bestandteile des Brennstoffs bezeichnet, x_{i BS} die molare Konzentration dieses Bestandteils in dem Brennstoff bezeichnet, Δn_i die Änderung der Molekülanzahl in dem Brennstoff bei einer Reaktion eines Moleküls dieses Bestandteils mit Wasser oder Sauerstoff und r_i eine Reformierungsrate dieses Bestandteils in dem Reformer 32a bezeichnet. Die Reformierungsrate wird vorzugsweise für alle Bestandteile außer Methan CH₄ gleich 1 und für Methan CH₄ auf einen Wert zwischen 0 und 1 gesetzt. Die Änderung der Molekülanzahl $Δ_{B S}^{*}$
wird vorzugsweise im Vorfeld des Verfahrens 10a manuell oder mit einer Analysevorrichtung des Brennstoffzellensystems 12a automatisch ermittelt und in dem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit 20a hinterlegt. Ein Wasserstoffäquivalent eines Bestandteils des Brennstoffs ist eine fiktive Anzahl an Wasserstoffmolekülen, welche bei einer Oxidation die gleiche Anzahl an Elektronen wie ein Molekül des Bestandteils bereitstellen. Beispielsweise ordnet die Steuer- oder Regeleinheit 20a dem Abgas-Brennstoffgemisch pro Molekül Methan CH₄ des Abgas-Brennstoffgemischs ein Wasserstoffäquivalent von vier zu. Beispielsweise ordnet die Steuer- oder Regeleinheit 20a dem Abgas-Brennstoffgemisch pro Molekül Kohlenstoffmonoxid CO des Abgas-Brennstoffgemischs ein Wasserstoffäquivalent von eins zu. Die Reformerkonzentration x_{H2eq ref} ist eine molare Konzentration einer Gesamtsumme aller Wasserstoffäquivalente des Abgas-Brennstoffgemischs unmittelbar stromabwärts des Reformers 32a und insbesondere stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 22a.
Die Steuer- oder Regeleinheit 20a setzt in dem Rezirkulationsstromermittlungsschritt 38a vorzugsweise für den elektrischen Strom I und die Brennstoffnutzung FU_stk in der Rechenvorschrift für den Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK die in der Prognose 16a ermittelten Werte bzw. zeitabhängigen Funktionen ein. Die Steuer- oder Regeleinheit 20a setzt in dem Rezirkulationsstromermittlungsschritt 38a vorzugsweise für den Brennstoffströmungsparameter ṅ_BK in der Rechenvorschrift für den Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK die in dem Brennstoffstromermittlungsschritt 36a ermittelten Werte bzw. zeitabhängigen Funktionen des Brennstoffströmungsparameters ṅ_BK ein. Die Steuer- oder Regeleinheit 20a ermittelt in dem Rezirkulationsstromermittlungsschritt 38a den Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK vorzugsweise als Funktion der Reformerkonzentration x_{H2eq ref} und insbesondere der Zeit.
Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise einen Konzentrationsermittlungsschritt 40a. In dem Konzentrationsermittlungsschritt 40a ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20a vorzugsweise eine molare Konzentration von oxidierbaren Bestandteilen in dem Abgas-Brennstoffgemisch und/oder in dem Abgas in dem Rezirkulationsfluidkreislauf während des Zeitintervalls. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20a in dem Konzentrationsermittlungsschritt 40a als Konzentration von oxidierbaren Bestandteilen in dem Abgas-Brennstoffgemisch die Reformerkonzentration x_H2eqref. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20a als molare Konzentration von oxidierbaren Bestandteilen in dem Abgas eine molare Konzentration x_{H2eq ab} einer Gesamtsummer aller Wasserstoffäquivalente des Abgases stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit 22a und insbesondere stromaufwärts der Abzweigung der Abgasleitung 26a in die Rezirkulationsleitung 28a, im Weiteren kurz Abgaskonzentration. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20a die Reformerkonzentration x_{H2eq ref} und/oder die Abgaskonzentration x_{H2eq ab} basierend auf einem continuous stirred-tank reactor (CSTR)-Ansatz zur Beschreibung der Zusammensetzung des Abgases und/oder des Brennstoff-Abgasgemischs in dem Rezirkulationsfluidkreislauf.
Eine konkrete Form von Rechenvorschriften für die Reformerkonzentration x_{H2eq ref} und/oder die Abgaskonzentration x_{H2eq ab} hängen von einem konkreten Aufbau des betrachteten Brennstoffzellensystems 12a, insbesondere der Zufuhr frischen Brennstoffs und der Rezirkulation des Abgases ab. Insbesondere für das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 12a ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20a die Reformerkonzentration x_{H2eq ref} vorzugsweise anhand folgender Rechenvorschrift: $\begin{matrix} \frac{d x_{H_{2} e q r e f}}{d t} = \frac{R \cdot T_{r e f}}{p_{r e f} \cdot V_{r e f}} \cdot (x_{H_{2} e q r e f} \cdot (- {\dot{n}}_{R K} - {\dot{n}}_{B K} \cdot Δ_{B S}^{*}) + {\dot{n}}_{B K} \cdot x_{H_{2} e q B K} + ({\dot{n}}_{B K} \\ - {\dot{n}}_{R K}) \cdot x_{H_{2} e q a b} (t - τ)) \end{matrix}$
wobei R die Gaskonstante, T_ref eine Temperatur des Reformers 32a, p_ref ein Druck in dem Reformer 32a, V_ref ein Hohlraumvolumen des Reformers 32a zur Aufnahme des Abgas-Brennstoffgemischs, t die Zeit, τ eine Totzeit und x_{H2eq BK} eine Brennstoffkonzentration bezeichnet. Die Totzeit τ basiert vorzugsweise auf einem Pfropfenströmungsmodell des Abgases in der Rezirkulationsleitung 28a und wird im Vorfeld des Verfahrens 10a ermittelt und in dem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit 20a hinterlegt. Ein Wert für das Hohlraumvolumen V_ref ist vorzugsweise in dem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit 20a hinterlegt. Die Temperatur T_ref des Reformers 32a und der Druck p_ref in dem Reformer 32a werden vorzugsweise von physischen Sensorelementen des Brennstoffzellensystems 12a, insbesondere zu Beginn des Zeitintervalls, erfasst und/oder mittels eines Modells des Brennstoffzellensystems 12a, insbesondere einem Softwaresensor und/oder einem digitalen Zwilling, ermittelt. Die Brennstoffkonzentration x_{H2eq BK} ist eine molare Konzentration einer Gesamtsumme aller Wasserstoffäquivalente des frischen Brennstoffs unmittelbar stromabwärts der Brennstoffkontrolleinheit 30a und insbesondere stromaufwärts der Einspeisemündung. Die Brennstoffkonzentration x_{H2eq BK} wird in einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung im Vorfeld des Verfahrens 10a ermittelt und in dem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit 20a hinterlegt. Alternativ wird die Brennstoffkonzentration von einem Brennstoffanalysegerät des Brennstoffzellensystems 12a erfasst und/oder von der Steuer- oder Regeleinheit 20a beispielsweise mittels eines Softwaresensors ermittelt.
Insbesondere für das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 12a ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20a die Abgaskonzentration x_{H2eq ab} vorzugsweise anhand folgender Rechenvorschrift: $\begin{matrix} \frac{d x_{H_{2} e q a b}}{d t} = \frac{R \cdot T_{r e f}}{p_{a b} \cdot V_{a b}} \cdot (x_{H_{2} e q r e f} \cdot ({\dot{n}}_{R K} + {\dot{n}}_{B K} \cdot Δ_{B S}^{*}) - x_{H_{2} e q a b} \cdot ({\dot{n}}_{R K} + {\dot{n}}_{B K} \cdot Δ_{B S}^{*}) \\ \cdot (1 + x_{C H_{4} r e f} \cdot Δ n_{C H_{4}}) - \frac{I \cdot n_{Z e l l e n}}{2 F}) \end{matrix}$
wobei T_ab eine Temperatur der Brennstoffzelleneinheit 22a, p_ab ein Druck in der Brennstoffzelleneinheit 22a, V_ab ein Hohlraumvolumen der Brennstoffzelleneinheit 22a zur Aufnahme des Abgas-Brennstoffgemischs und/oder des Abgases, x_CH4ref eine molare Konzentration von Methan CH₄ unmittelbar stromabwärts des Reformers 32a und Δn_CH4 eine Änderung der Anzahl an Molekülen bei einer Reaktion von einem Molekül Methan CH₄ mit einem Molekül Wasser bezeichnet (Δn_CH4=+2). Die molare Konzentration x_CH4ref von Methan CH₄ wird von der Steuer- oder Regeleinheit 20a in einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung des Verfahrens 10a beispielsweise ermittelt, als ob das Brennstoffzellensystem 12a in einem stationären Zustand wäre, insbesondere in Abhängigkeit von dem Sauerstoffatom-Kohlenstoffatomverhältnis O/C, einem in dem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit 20a hinterlegtem Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnis H/C des Brennstoffs und der Temperatur T_ref des Reformers 32a.
Die Steuer- oder Regeleinheit 20a setzt in dem Konzentrationsermittlungsschritt 40a vorzugsweise für den Brennstoffströmungsparameter ṅ_BK in der Rechenvorschrift für die Reformerkonzentration x_{H2eq ref} und der Abgaskonzentration x_{H2eq ab} den/die in dem Brennstoffstromermittlungsschritt 36a ermittelten Wert bzw. zeitabhängige Funktion des Brennstoffströmungsparameters ṅ_BK ein. Die Steuer- oder Regeleinheit 20a setzt in dem Konzentrationsermittlungsschritt 40a vorzugsweise für den Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK in der Rechenvorschrift für die Reformerkonzentration x_{H2eq ref} und der Abgaskonzentration x_{H2eq ab} den/die in dem Rezirkulationsstromermittlungsschritt 38a ermittelten Wert bzw. zeitabhängige Funktion des Rezirkulationsströmungsparameters ṅ_RK ein. Die Steuer- oder Regeleinheit 20a setzt in dem Konzentrationsermittlungsschritt 40a vorzugsweise für den elektrischen Strom I in der Rechenvorschrift für die Abgaskonzentration x_{H2eq ab} den/die in der Prognose 16a ermittelten Wert bzw. zeitabhängige Funktion des elektrischen Stroms I ein. Vorzugsweise integriert die Steuer- oder Regeleinheit 20a die Rechenvorschriften für die Reformerkonzentration x_{H2eq ref} und für die Abgaskonzentration x_{H2eq ab} über das Zeitintervall, um die Reformerkonzentration x_{H2eq ref}, insbesondere als zeitabhängige Funktion, zu ermitteln.
Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise einen Kontrollparameterermittlungsschritt 42a. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20a in dem Kontrollparameterermittlungsschritt 42a den Kontrollparameter f für das Zeitintervall. Vorzugsweise berücksichtigt die Steuer- oder Regeleinheit 20a bei einer Ermittlung des Kontrollparameters f eine zeitliche Veränderung des Rezirkulationsströmungsparameters ṅ_RK während des Zeitintervalls, welche insbesondere durch eine endliche Reaktionszeit T_RK der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a verursacht wird. Die Reaktionszeit T_RK der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a kann eine Verzögerungszeit auf ein Steuersignal und/oder eine Übergangszeit eines Betriebsparameters, insbesondere einer Drehzahl oder eines Öffnungsgrads, der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a von einem Startwert zu einem Endwert umfassen.
Beispielsweise verwendet die Steuer- oder Regeleinheit 20a die folgende Rechenvorschrift, um den Kontrollparameter f zu ermitteln: $T_{R K} \cdot \frac{d {\dot{n}}_{R K}}{d t} + {\dot{n}}_{R K} = g (f)$
wobei g(f) eine Funktion des Kontrollparameters f ist. In einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung verwendet die Steuer- oder Regeleinheit 20a ein polynomisches Parametermodell, zu Beispiel: g(f) = k₂ · f² + k₁ · f + k₀, mit rezirkulationsfluidkontrolleinheit-spezifischen Parametern k₀, k₁, k₂, die im Vorfeld des Verfahrens 10a ermittelt werden und in dem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit 20a hinterlegt werden. Alternativ bildet g(f) eine innere Funktionsweise der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a nach und weist beispielsweise eine Abhängigkeit von einem Motorstrom eines Motors der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a und/oder eine Abhängigkeit von einem Trägheitsmoment eines mit dem Motor angetriebenen Förderelements der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a auf. Vorzugsweise wertet die Steuer- oder Regeleinheit 20a die in dem Rezirkulationsstromermittlungsschritt 38a ermittelten Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK mittels der in dem Konzentrationsermittlungsschritt 40a ermittelten Reformerkonzentration x_{H2eq ref} aus und setzt den daraus entstehenden Ausdruck in die Rechenvorschrift für Kontrollparameter f. Insbesondere ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20a den Kontrollparameter f in dem Zeitintervall als zeitabhängige Funktion. Die Steuer- oder Regeleinheit 20a sendet vorzugsweise den ermittelten Kontrollparameter f an die Stelleinheit 34a. Die Stelleinheit 34a stellt die Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14a bevorzugt entsprechend des ermittelten Kontrollparameters f für das Zeitintervall ein.
In den 3 bis 6 sind weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 und 2, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 3 bis 6 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b bis e ersetzt.
3 zeigt ein Verfahren 10b zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Ein Brennstoff wird während des Verfahrens 10b von einer Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellensystems zu einem Abgas umgesetzt, um einen elektrischen Strom 1 zu erzeugen. Mittels einer Rezirkulationsfluidkontrolleinheit des Brennstoffzellensystems wird eine Rückspeisung des Abgases in eine Brennstoffzufuhr des Brennstoffzellensystems kontrolliert. Der Kontrollparameter der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit wird von einer Steuer- oder Regeleinheit des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von der Laständerung, insbesondere von einem zeitabhängigen Stromsollwert, eingestellt.
Bei einer Ermittlung des Kontrollparameters, insbesondere in einem Konzentrationsermittlungsschritt 40b des Verfahrens 10b, für ein Zeitintervall wird eine Zusammensetzung des Brennstoffs und/oder des Abgases innerhalb dieses Zeitintervalls auf einen konstanten Wert gesetzt. Bevorzugt wird in dem Konzentrationsermittlungsschritt 40b eine Reformerkonzentration x_{H2eq ref} eines Abgas-Brennstoffgemischs auf einen konstanten Wert innerhalb des Zeitintervalls gesetzt. Die Steuer- oder Regeleinheit ermittelt die Reformerkonzentration x_{H2eq ref} vorzugsweise mit einem stationären Modell des Brennstoffzellensystems.
Beispielsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit die Reformerkonzentration x_{H2eq ref} durch Bilanzierung eines Wasserstoffäquivalents des Brennstoffs stromaufwärts eines Rezirkulationsfluidkreislaufs des Brennstoffzellensystems und eines Wasserstoffäquivalents des Abgases stromabwärts des Rezirkulationsfluidkreislaufs, insbesondere unter Nutzung einer System-Brennstoffnutzung FU_sys des Brennstoffzellensystems.
Beispielsweise verwendet die Steuer- oder Regeleinheit die folgende Rechenvorschrift zur Ermittlung der Reformerkonzentration x_{H2eq ref}: $x_{H_{2} e q r e f} = \frac{(1 + 2 \cdot x_{C H_{4} r e f}) (1 - F U_{s y s}) \cdot γ_{e^{-}}}{2 \cdot (1 - F U_{s t k}) (1 + Δ_{B S})}$
Die System-Brennstoffnutzung FU_sys ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit beispielsweise anhand der folgenden Rechenvorschrift: $F U_{s y s} = \frac{I \cdot n_{Z e l l e n}}{F \cdot {\dot{n}}_{B K} \cdot γ_{e} -}$
Alternativ ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit die Reformerkonzentration x_{H2eq ref} durch Ermitteln des chemischen Gleichgewichts einer Wassergas-Shift-Reaktion an einem Auslass der Brennstoffzelleneinheit für das Abgas, insbesondere in Abhängigkeit des elektrischen Stroms I, des Brennstoffströmungsparameters ṅ_BK, einer Zusammensetzung des frischen Brennstoffs und einer Temperatur T_ab der Brennstoffzelleneinheit.
4 zeigt ein Verfahren 10c zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Ein Brennstoff wird während des Verfahrens 10c von einer Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellensystems zu einem Abgas umgesetzt, um einen elektrischen Strom 1 zu erzeugen. Mittels einer Rezirkulationsfluidkontrolleinheit des Brennstoffzellensystems wird eine Rückspeisung des Abgases in eine Brennstoffzufuhr des Brennstoffzellensystems kontrolliert. Der Kontrollparameter der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit wird von einer Steuer- oder Regeleinheit des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von der Laständerung, insbesondere von einem zeitabhängigen Stromsollwert, eingestellt.
In einem Rezirkulationsstromermittlungsschritt 38c des Verfahrens 10c ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit einen Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK eines Abgas-Brennstoffgemischs vorzugsweise unabhängig von einer Reformerkonzentration x_{H2eq ref} des Abgas-Brennstoffgemischs. Beispielsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit den Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK anhand folgender Rechenvorschrift: ${\dot{n}}_{R K} = \frac{I \cdot n_{Z e l l e n} \cdot Γ_{ϕ} \cdot ((1 + Δ_{B S}) \cdot \frac{O}{C} + (Γ_{ϕ} - \frac{O}{C}) \cdot F U_{s t k})}{((\frac{O}{C} + (Γ_{ϕ} - \frac{O}{C}) * F U_{s t k}) \cdot F \cdot γ_{e} -) ((Γ_{ϕ} - \frac{O}{C}) \cdot F U_{s t k})}$
Vorzugsweise ersetzt die Steuer- oder Regeleinheit in der Rechenvorschrift für den Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK ein Sauerstoffatom-Kohlenstoffatom-verhältnis $\frac{O}{C}$
des Abgas-Brennstoffgemischs durch $\frac{O}{C} - \frac{O}{C_{B S}},$
wobei $\frac{O}{C_{B S}}$
ein Sauerstoffatom-Kohlenstoffatomverhältnis des frischen Brennstoffs ist.
5 zeigt ein Verfahren 10d zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Ein Brennstoff wird während des Verfahrens 10d von einer Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellensystems zu einem Abgas umgesetzt, um einen elektrischen Strom 1 zu erzeugen. Mittels einer Rezirkulationsfluidkontrolleinheit des Brennstoffzellensystems wird eine Rückspeisung des Abgases in eine Brennstoffzufuhr des Brennstoffzellensystems kontrolliert. Der Kontrollparameter der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit wird von einer Steuer- oder Regeleinheit des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von der Laständerung, insbesondere von einem zeitabhängigen Stromsollwert, eingestellt.
Bei einer Ermittlung des Kontrollparameters f für ein Zeitintervall wird ein Strömungsparameter des Abgases und/oder des Brennstoffs innerhalb dieses Zeitintervalls auf einen konstanten Wert gesetzt. Vorzugsweise setzt die Steuer- oder Regeleinheit den Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK innerhalb des Zeitintervalls auf einen konstanten Wert. Beispielsweise verwendet die Steuer- oder Regeleinheit in einem Kontrollparameterermittlungsschritt 42d des Verfahrens 10d die folgende Rechenvorschrift, um den Kontrollparameter f zu ermitteln: ${\dot{n}}_{R K} = k_{2} \cdot ƒ^{2} + k_{1} \cdot ƒ + k_{0}$
Ein Rezirkulationsstromermittlungsschritt 38d des Verfahrens 10d zur Ermittlung eines Rezirkulationsströmungsparameters ṅ_RK eines Abgas-Brennstoffgemischs ist vorzugsweise identisch mit dem Rezirkulationsstromermittlungsschritt 38c des Verfahrens 10c.
6 zeigt ein Verfahren 10e zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Ein Brennstoff wird während des Verfahrens 10e von einer Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellensystems zu einem Abgas umgesetzt, um einen elektrischen Strom 1 zu erzeugen. Mittels einer Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14e des Brennstoffzellensystems wird eine Rückspeisung des Abgases in eine Brennstoffzufuhr des Brennstoffzellensystems kontrolliert. Der Kontrollparameter f der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14e wird von einer Steuer- oder Regeleinheit 20e des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von der Laständerung, insbesondere von einem zeitabhängigen Stromsollwert, eingestellt.
Das Verfahren 10e umfasst zur Ermittlung des Kontrollparameters f vorzugsweise eine Vorsteuerung 44e und eine Regelung 46e. Die Regelung 46e nutzt vorzugsweise einen Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK eines Abgas-Brennstoffgemischs als Regelgröße und den Kontrollparameter f als Stellgröße. Ein Strömungsistwert 62e des Rezirkulationsströmungsparameters ṅ_RK zur Ermittlung einer Regelabweichung der Regelung 46e wird vorzugsweise von einem Sensorelement des Brennstoffzellensystems oder der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14e erfasst. Eine Führungsgröße des Rezirkulationsströmungsparameters ṅ_RK zur Ermittlung der Regelabweichung wird vorzugsweise in einem Rezirkulationsstromermittlungsschritt 38e und optional einem Konzentrationsermittlungsschritt 40e des Verfahrens 10e von der Steuer- oder Regeleinheit 20e ermittelt. Das Verfahren 10e umfasst insbesondere einen Regelschritt 48e, in welchem ein Regelanteil des Kontrollparameters f ermittelt wird. Die Regelung 46e umfasst zur Durchführung des Regelschritts 48e vorzugsweise ein Proportionalglied und/oder ein Integralglied. Der Regelanteil des Kontrollparameters f wird vorzugsweise auf einen Vorsteuerwert 18e des Kontrollparameters f aufaddiert.
Der Vorsteuerwert 18e des Kontrollparameters f wird in Abhängigkeit von der Laständerung, insbesondere in Abhängigkeit von einem Stromsollwert des elektrischen Stroms I, ermittelt. Der Vorsteuerwert 18e wird von der Steuer- oder Regeleinheit 20e bevorzugt in Abhängigkeit des in dem Rezirkulationsstromermittlungsschritt 38e ermittelten Rezirkulationsströmungsparameters ṅ_RK ermittelt. Die Steuer- oder Regeleinheit 20e ermittelt den Vorsteuerwert 18e vorzugsweise unter Referenzbedingungen, insbesondere unter einer Referenztemperatur und einer Referenzzusammensetzung und/oder Referenzdichte eines durch die Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14e strömenden Referenzgases. Die Vorsteuerung 44e umfasst vorzugsweise einen Vorverarbeitungsschritt 50e und einen Nachbearbeitungsschritt 56e. In dem Vorverarbeitungsschritt 50e wird der unter Betriebsbedingungen ermittelten Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK auf einen Referenzwert unter den Referenzbedingungen abgebildet. In dem Nachbearbeitungsschritt 56e wird der unter Referenzbedingungen ermittelte Vorsteuerwert 18e auf die Betriebsbedingungen, unter welchen der Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK ermittelt wurde, abgebildet.
In der Vorsteuerung 44e wird der Vorsteuerwert 18e des Kontrollparameters f in Abhängigkeit von einer Umkehrung einer Fluiddynamikkennlinie und einer weiteren Fluiddynamikkennlinie der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14e ermittelt. Die Vorsteuerung 44e umfasst vorzugsweise einen Druckermittlungsschritt 52e. In dem Druckermittlungsschritt 52e ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20e einen Druckabfall des Abgas-Brennstoffgemischs, insbesondere des Referenzgases, über der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14e in Abhängigkeit von dem ermittelten Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK, insbesondere von dem Referenzwert des Rezirkulationsströmungsparameters ṅ_RK. Vorzugsweise sind in einem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit 20e Kennlinien und/oder ein Tabellenwerk hinterlegt, anhand derer die Steuer- oder Regeleinheit 20e den Druckabfall dem ermittelten Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK, insbesondere dem Referenzwert des Rezirkulationsströmungsparameters ṅ_RK, zuordnet. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20e die Abhängigkeit des Druckabfalls von dem Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK durch Umkehrung der Fluiddynamikkennlinie, welche den Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK in Abhängigkeit von dem Druckabfall, insbesondere einem normierten Einheitsdruckabfall, beschreibt.
Die Vorsteuerung 44e umfasst vorzugsweise einen Vorsteuerermittlungsschritt 54e. In dem einen Vorsteuerermittlungsschritt 54e ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20e den Vorsteuerwert 18e, insbesondere den Referenzwert des Vorsteuerwerts 18e, in Abhängigkeit von dem ermittelten Druckabfall und von dem ermittelten Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK, insbesondere von dem Referenzwert des Rezirkulationsströmungsparameters ṅ_RK. Vorzugsweise sind in dem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit 20e Kennlinien und/oder ein Tabellenwerk hinterlegt, anhand derer die Steuer- oder Regeleinheit 20e den Vorsteuerwert 18e, insbesondere den Referenzwert des Vorsteuerwerts 18e, dem ermittelten Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK, insbesondere dem Referenzwert des Rezirkulationsströmungsparameters ṅ_RK, und dem ermittelten Druckabfall zuordnet. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 20e die Abhängigkeit des Vorsteuerwerts 18e von dem Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK und dem Druckabfall durch Umkehrung der weiteren Fluiddynamikkennlinie, welche den Rezirkulationsströmungsparameter ṅ_RK und den Druckabfall in Abhängigkeit von dem Kontrollparameter f beschreibt.
In einer Grenzfestlegung 58e ruft die Steuer- oder Regeleinheit 20e vorzugsweise eine von einer Stelleinheit 34e einstellbare zulässige Wertespanne des Kontrollparameters f und/oder eine Änderungsrate des Kontrollparameters f aus dem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit 20e ab. Die zulässige Wertespanne kann eine durch eine Bauweise der Stelleinheit 34e und/oder der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit 14e begrenzte maximale Wertespanne oder eine von einem Bediener oder einem Betriebsprogramm des Brennstoffzellensystems gegenüber der maximalen Wertespanne eingeschränkte Wertespanne sein. Vorzugsweise umfasst die Vorsteuerung 44e einen Grenzeinschränkungsschritt 60e. Eine Regelungsbandbreite des Kontrollparameters f wird in dem Grenzeinschränkungsschritt 60e in Abhängigkeit von dem Vorsteuerwert 18e des Kontrollparameters f relativ zu der zulässigen Wertespanne des Kontrollparameters f eingeschränkt. Vorzugsweise wird in dem Grenzeinschränkungsschritt 60e das Proportionalglied gegenüber dem Integralglied priorisiert. Vorzugsweise weist die Steuer- oder Regeleinheit 20e dem Integralglied in dem Grenzeinschränkungsschritt 60e eine kleinere Regelungsbandbreite zu als dem Proportionalglied.
Vorzugsweise ergibt sich der Kontrollparameter zu: $ƒ = ƒ_{V S W} + ƒ_{P G} + ƒ_{I G}$
wobei f_VSW den Vorsteuerwert 18e, f_PG eine mittels des Proportionalglieds ermittelte Korrektur des Kontrollparameters und f_IG eine mittels des Integralglieds ermittelte Korrektur des Kontrollparameters ist. In dem Grenzeinschränkungsschritt 60e wird für das Proportionalglied beispielsweise folgende Regelungsbandbreite festgelegt $ƒ_{a b s M i n} - ƒ_{V S W} < ƒ_{P G} < ƒ_{a b s M a x} - ƒ_{V S W}$
wobei f_absMin ein in der Grenzfestlegung 58e abgerufener Minimalwert des Kontrollparameters ist und f_absMax ein in der Grenzfestlegung 58e abgerufener Maximalwert des Kontrollparameters ist. In dem Grenzeinschränkungsschritt 60e wird für das Proportionalglied beispielsweise, insbesondere zusätzlich oder alternativ zu der oben genannten Regelungsbandbreite, folgende Regelungsbandbreite festgelegt $\frac{d}{d t} ƒ_{a b s M i n} - \frac{d}{d t} ƒ_{V S W} < \frac{d}{d t} ƒ_{P G} < \frac{d}{d t} ƒ_{a b s M a x} - \frac{d}{d t} ƒ_{V S W}$
In dem Grenzeinschränkungsschritt 60e wird für das Integralglied beispielsweise folgende Regelungsbandbreite festgelegt $ƒ_{a b s M i n} - ƒ_{V S W} - ƒ_{P G} < ƒ_{I G} < ƒ_{a b s M a x} - ƒ_{V S W} - ƒ_{P G}$
In dem Grenzeinschränkungsschritt 60e wird für das Integralglied beispielsweise, insbesondere zusätzlich oder alternativ zu der oben genannten Regelungsbandbreite. folgende Regelungsbandbreite festgelegt: $\frac{d}{d t} ƒ_{a b s M i n} - \frac{d}{d t} ƒ_{V S W} - \frac{d}{d t} ƒ_{P G} < \frac{d}{d t} ƒ_{I G} < \frac{d}{d t} ƒ_{a b s M a x} - \frac{d}{d t} ƒ_{V S W} - \frac{d}{d t} ƒ_{P G}$

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt ein Brennstoff zu einem Abgas umgesetzt wird und wobei mittels einer Rezirkulationsfluidkontrolleinheit (14a; 14e) des Brennstoffzellensystems eine teilweise Rückspeisung des Abgases in zumindest einem Verfahrensschritt kontrolliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontrollparameter der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit (14a; 14e) in Abhängigkeit von einer Laständerung des Brennstoffzellensystems eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Rezirkulationsfluidkontrolleinheit (14a; 14e) eine Fluidfördereinheit verwendet wird, wobei der Kontrollparameter ein Förderleistungsparameter der Fluidfördereinheit ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine Prognose (16a; 16b; 16c; 16d) der Laständerung ermittelt wird, um den Kontrollparameter einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlauf der Laständerung über ein Zeitintervall prognostiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ermittlung des Kontrollparameters für ein Zeitintervall eine Zusammensetzung des Brennstoffs und/oder des Abgases innerhalb dieses Zeitintervalls auf einen konstanten Wert gesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ermittlung des Kontrollparameters für ein Zeitintervall ein Strömungsparameter des Abgases und/oder des Brennstoffs innerhalb dieses Zeitintervalls auf einen konstanten Wert gesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontrollparameter in Abhängigkeit von einer Änderung einer Zusammensetzung des Brennstoffs und/oder des Abgases ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein Vorsteuerwert (18e) des Kontrollparameters in Abhängigkeit von der Laständerung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein Vorsteuerwert (18e) des Kontrollparameters in Abhängigkeit von einer Umkehrung zumindest einer Fluiddynamikkennlinie der Rezirkulationsfluidkontrolleinheit (14a; 14e) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelungsbandbreite des Kontrollparameters in Abhängigkeit von einem Vorsteuerwert (18e) des Kontrollparameters relativ zu einer zulässigen Wertespanne des Kontrollparameters eingeschränkt wird.
Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Steuer- oder Regeleinheit (20a; 20e) zu einer Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.