DE102022209839A1

DE102022209839A1 - Verfahren zur Regelung einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102022209839A1
Application number: DE102022209839.0A
Authority: DE
Inventors: Felix Schaefer; Sebastian Egger; Maxime Carre
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-09-19
Filing date: 2022-09-19
Publication date: 2024-03-21
Also published as: WO2024061718A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Regelung einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Abgasmesswert (14a; 14b; 14c; 14d; 14e, 22e; 14f) einer Zusammensetzung eines Abgases der Brennstoffzellenvorrichtung erfasst wird, um eine Brennstoffströmungsrate durch die Brennstoffzellenvorrichtung in Abhängigkeit von einer von dem Abgasmesswert (14a; 14b; 14c; 14d; 14e, 22e; 14f) abhängigen Regelgröße (16a; 16b; 16c; 16d; 16e; 16f) einzustellen.
Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein Istwert der Regelgröße (16a; 16b; 16c; 16d; 16e; 16f) ermittelt wird, indem eine Analysefunktion ausgewertet wird, welche den Abgasmesswert (14a; 14b; 14c; 14d; 14e, 22e; 16f) direkt mit der Regelgröße (16a; 16b; 16c; 16d; 16e; 16f) korreliert.

Description

Stand der Technik
In DE 10 2017 222 558 A1 wurde bereits ein Verfahren zur Regelung einer Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen, in welchem in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Abgasmesswert einer Zusammensetzung eines Abgases der Brennstoffzellenvorrichtung erfasst wird, um eine Brennstoffströmungsrate durch die Brennstoffzellenvorrichtung und/oder einen elektrischen Leistungsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung in Abhängigkeit von einer von dem Abgasmesswert abhängigen Regelgröße einzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Regelung einer Brennstoffzellenvorrichtung, in welchem in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Abgasmesswert einer Zusammensetzung eines Abgases der Brennstoffzellenvorrichtung erfasst wird, um eine Brennstoffströmungsrate und/oder einen elektrischen Leistungsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung durch die Brennstoffzellenvorrichtung in Abhängigkeit von einer von dem Abgasmesswert abhängigen Regelgröße einzustellen.
Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens ein Istwert der Regelgröße ermittelt wird, indem eine Analysefunktion ausgewertet wird, welche den Abgasmesswert direkt mit der Regelgröße korreliert. Vorzugsweise bildet das Verfahren eine geschlossene Regelschleife aus, insbesondere im Gegensatz zu einer reinen Vorsteuerung. Optional weist das Verfahren zusätzlich zu der Regelschleife eine Vorsteuerung der Regelgröße auf. Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Regeleinheit, welche die Analysefunktion auswertet und in Abhängigkeit von dem Istwert zumindest eine Stelleinheit der Brennstoffzellenvorrichtung ansteuert, um die Brennstoffströmungsrate und/oder den elektrischen Leistungsparameter einzustellen. Die Stelleinheit ist vorzugsweise eine Fluidfördereinheit, insbesondere eine Pumpe, ein Verdichter, ein Gebläse, ein Ventilator oder dergleichen, oder ein Absperrorgan, insbesondere ein Ventil, eine Drosselklappe oder dergleichen. Zusätzlich oder alternativ verwendet die Steuer- oder Regeleinheit eine elektrische Stelleinheit der Brennstoffzellvorrichtung, beispielsweise einen Inverter, einen einstellbaren Widerstand oder dergleichen, zu einem Einstellen des elektrischen Leistungsparameters. Der elektrische Leistungsparameters ist vorzugsweise eine von der Brennstoffzellenvorrichtung bereitgestellter elektrischer Strom und/oder ein mit dem bereitgestellten elektrischen Strom verknüpfte elektrische Spannung.
Die Analysefunktion ist vorzugsweise eine Regressionsfunktion und/oder eine Korrelationsfunktion. Eine Regressionsfunktion als Analysefunktion wird vorzugsweise im Vorfeld des Verfahrens, beispielsweise auf einem Prüfstand mit zusätzlichen Messgeräten, ermittelt und in einem Speicher der Regeleinheit hinterlegt. Eine Korrelationsfunktion als Analysefunktion wird vorzugsweise im Vorfeld des Verfahrens, beispielsweise mittels einer Simulation und/oder theoretischer Betrachtung der Brennstoffzellenvorrichtung, ermittelt und in einem Speicher der Regeleinheit hinterlegt. Es ist auch denkbar, dass die Analysefunktion teils auf empirisch erhobenen Daten und teils auf simulierten bzw. theoretischen Daten basiert. Die Analysefunktion kann als geschlossener mathematischer Ausdruck, als iterative Rechenvorschrift, als Tabellenwerk oder in einer anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Form in der Regeleinheit hinterlegt sein. Die Analysefunktion drückt die Regelgröße vorzugsweise als Funktion des Abgasmesswerts aus. Beispielsweise ist die Analysefunktion ein Polynom erster Ordnung, bevorzugt zweiter Ordnung, optional höherer Ordnung in dem Abgasmesswert. In einer speziellen Ausgestaltung des Verfahrens ist die Analysefunktion gleich der mathematischen Identität und der Abgasmesswert wird unmittelbar als Regelgröße verwendet. In zumindest einer Ausgestaltung des Verfahrens ist der Abgasmesswert die einzige Variable der Analysefunktion. In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens umfasst die Analysefunktion zumindest eine weitere Variable. Optional umfasst die Analysefunktion einen Funktionsparameter, zu einer Justierung der Analysefunktion oder zu einer Auswahl einer bestimmten Analysefunktion aus einer Schar von Analysefunktionen. Ein Beispiel für einen Funktionsparameter ist eine Temperatur eines Messgeräts, welches den Abgasmesswert erfasst, eine Temperatur des Abgases, ein Druck des Abgases oder dergleichen. Der Funktionsparameter kann insbesondere für die Dauer des Verfahrens auf einen konstanten, insbesondere zu Beginn des Verfahrens erfassten, Wert gesetzt werden oder im Laufe des Verfahrens aktualisiert werden. Jede Variable und/oder jeder Funktionsparameter der Analysefunktion beschreibt vorzugsweise eine Messsituation des Abgasmesswerts, insbesondere an einer Messstelle des Abgasmesswerts. Die Messsituation kann beispielsweise eine Temperatur des Messgeräts, eine thermodynamische Zustandsgröße des Abgases an der Messstelle des Abgasmesswerts, eine ursprüngliche Brennstoffzusammensetzung eines der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführten und zu dem Abgas umgesetzten Brennstoffs oder dergleichen umfassen. Vorzugsweise wertet die Regeleinheit die Analysefunktion unabhängig, insbesondere ohne unmittelbare Verwendung, von einem Betriebspunkt der Brennstoffzellenvorrichtung aus, insbesondere unabhängig von einer durch die Brennstoffzellenvorrichtung bereitgestellten elektrischen Leistung, unabhängig von einer Brennstoffnutzung der Brennstoffzellenvorrichtung, unabhängig von der Brennstoffströmungsrate, unabhängig von einem Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis des Abgases oder anderen Betriebsparametern der Brennstoffzellenvorrichtung. Eine mittelbar von einem Betriebspunkt der Brennstoffzellenvorrichtung abhängige Größe, welche als Variable oder Funktionsparameter der Analysefunktion verwendet wird, insbesondere eine thermodynamische Zustandsgröße des Abgases, wird vorzugsweise mittels eines Sensors, insbesondere eines Temperatursensors oder Drucksensors, der Brennstoffzellenvorrichtung erfasst.
Eine Brennstoffzelleneinheit der Brennstoffzellenvorrichtung setzt den Brennstoff vorzugsweise unter Zuführung von Sauerstoff zu dem Abgas um. Die Regeleinheit stellt die Brennstoffströmungsrate in Abhängigkeit von dem Abgasmesswert vorzugsweise so ein, dass in dem Abgas noch nicht umgesetzte Brennstoffreste enthalten sind. Der Abgasmesswert beschreibt vorzugsweise einen Gehalt oder ein Defizit zumindest eines Bestandteils des Abgases, insbesondere relativ zu einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis des Abgases. Besonders bevorzugt beschreibt der Abgasmesswert einen, insbesondere atomaren, Sauerstoffgehalt, ein, insbesondere atomares, Sauerstoffdefizit oder einen, insbesondere atomaren, Sauerstoffüberschuss des Abgases.
Die Brennstoffzelleneinheit umfasst vorzugsweise zumindest eine Brennstoffzelle, bevorzugt zumindest einen Stack von Brennstoffzellen, optional einen Verbund mehrerer Stacks von Brennstoffzellen. Die zumindest eine Brennstoffzelle umfasst vorzugsweise zumindest eine Brennstoffelektrode, zu einem direkten Kontakt mit dem Brennstoff und zumindest eine Sauerstoffelektrode zu einem direkten Kontakt mit einem sauerstoffhaltigen Fluid. Eine Messstelle des Abgasmesswerts ist vorzugsweise, insbesondere unmittelbar, stromabwärts der Brennstoffelektrode. Darunter, dass zwei Objekte „unmittelbar stromabwärts/stromaufwärts“ bezogen auf ein Fluid voneinander sind, soll vorzugsweise verstanden werden, dass eine Zusammensetzung des Fluids an beiden Objekten gleich ist. Die Objekte können in physischen Kontakt zueinander stehen oder beispielsweise mittels einer Fluidleitung verbunden beabstandet voneinander angeordnet sein. Insbesondere können weitere Objekte entlang der Strömungsrichtung zwischen den Objekten angeordnet sein, welche eine Zusammensetzung des Fluids unverändert lassen, beispielsweise ein Temperatursensor oder dergleichen. Der Abgasmesswert kann beispielsweise in einer Abgasleitung der Brennstoffzellenvorrichtung von der Brennstoffelektrode zu einem Nachbrenner der Brennstoffzellenvorrichtung oder in einer von der Abgasleitung abzweigenden Rezirkulationsleitung der Brennstoffzellenvorrichtung erfasst werden. Alternativ wird der Abgasmesswert stromabwärts des Nachbrenners erfasst.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Sensorik zur Regelung der Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft einfach gehalten werden. Insbesondere kann eine Anzahl an Sensorelementen zur Regelung der Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft gering gehalten werden. Ferner kann eine Größe, welche eine Brenngasverarmung charakterisiert, beispielsweise eine Brennstoffnutzung der Brennstoffzelleneinheit, ein Wasserstoffgehalt des Abgases, ein Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis des Abgases oder dergleichen, ermittelt werden, so dass eine Einhaltung eines jeweiligen Grenzwerts vorteilhaft auch bei schwankender Zusammensetzung des Brennstoffs und/oder veränderten Betriebsbedingungen, wie beispielsweise einer Veränderung des von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellten elektrischen Stroms, erreicht werden kann. Ferner kann eine für einen Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung zulässige Wertspanne der die Brenngasverarmung charakterisierenden Größe vorteilhaft groß gewählt werden. Insbesondere kann trotz schwankender Zusammensetzung des Brennstoffs ein Sicherheitspuffer, welcher den Grenzwert von einem für die Brennstoffzellenvorrichtung schädlichen Wert dieser Größe trennt, vorteilhaft klein gehalten werden. Ferner kann eine Betriebsführung der Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft an eine Schwankung der Zusammensetzung des Brennstoffs angepasst werden. Insbesondere kann die Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft effizient und/oder verschleißarm betrieben werden. Darüber hinaus kann ein Risiko und/oder ein Ausmaß einer Beschädigung der Brennstoffelektrode bei einem Auftreten einer Undichtigkeit der Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft gering gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass eine Lambdasonde verwendet wird, um den Abgasmesswert zu erfassen. Bevorzugt ist die Lambdasonde eine Breitbandlambdasonde. Vorzugsweise wird ein elektrischer Pumpstrom einer Pumpzelle der Breitbandlambdasonde als Abgasmesswert verwendet. Alternativ ist die Lambdasonde eine Sprunglambdasonde, bevorzugt eine Sprunglambdasonde mit interner Temperaturkontrolle. Vorzugsweise wird eine elektrische Nernstspannung einer Nernstzelle der Sprunglambdasonde als Abgasmesswert verwendet. Optional wird die Nernstspannung oder der Pumpstrom von der Lambdasonde als Verbrennungsluftverhältnis oder als atomarer Sauerstoffgehalt oder dergleichen ausgegeben. Alternativ zu einer Lambdasonde wird eine Messeinheit verwendet, welche zumindest eine Brennstoffzelle umfasst, die als Nernstzelle betrieben wird, und welche optional stromaufwärts dieser Brennstoffzelle zumindest eine weitere Brennstoffzelle umfasst, welche als Pumpzelle betrieben wird und welche in Abhängigkeit von einem Messwert der als Nernstzelle betriebenen Brennstoffzelle Sauerstoff in oder aus dem Abgas pumpt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der Abgasmesswert vorteilhaft einfach und kostengünstig erfasst werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Analysefunktion einen Wasserstoffgehalt des Abgases in Abhängigkeit von dem Abgasmesswert ausgibt. Der Wasserstoffgehalt wird von der Analysefunktion vorzugsweise als Stoffmengenanteil von Wasserstoffmolekülen in dem Abgas ausgegeben. Alternativ gibt die Analysefunktion den Wasserstoffgehalt als Konzentration oder Verhältnis und/oder bezogen auf ein Volumen oder eine Masse des Abgases aus. Vorzugsweise ist die Regelgröße gleich dem Wasserstoffgehalt. Vorzugsweise ist ein Sollwert der Regelgröße ein unterer Grenzwert für den Wasserstoffgehalt in dem Abgas. Vorzugsweise stellt die Regeleinheit, die Brennstoffströmungsrate und/oder den von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellten elektrischen Strom bzw. die an der Brennstoffzelleneinheit anliegende elektrische Spannung so ein, dass der mittels des Abgasmesswerts erfasste Wasserstoffgehalt des Abgases bis auf eine Toleranz gleich oder größer dem Sollwert ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Brennstoffzellenvorrichtung trotz Verzicht auf eine direkte Regelung einer Brennstoffnutzung vorteilhaft sicher und zuverlässig betrieben werden. Dadurch kann vorteilhaft auf kostenintensive Sensorelemente, wie Durchflussmesser und/oder Volumenstrommesser, verzichtet werden. Ferner kann eine vorteilhaft hohe Genauigkeit der ermittelten Regelgröße, d.h. des Wasserstoffgehalts, erreicht werden. Ferner kann der Wasserstoffgehalt vorteilhaft unabhängig von weiteren Messwerten und/oder Schätzungen, wie beispielsweise einer Brennstofftemperatur, einer Zusammensetzung des Brennstoffs, insbesondere einer Zusammensetzung eines Brennstoff-Abgas-Gemischs, einem Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnis des Brennstoffs oder dergleichen, ermittelt werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Analysefunktion einen Elektronengaskoeffizienten des Abgases in Abhängigkeit von dem Abgasmesswert ausgibt. Der Elektronengaskoeffizient eines Fluids gibt vorzugsweise die Anzahl an Elektronen pro Mol des Fluids an, welche durch Sauerstoff gebunden werden können. Vorzugsweise ist die Regelgröße gleich dem Elektronengaskoeffizienten. Vorzugsweise ist ein Sollwert der Regelgröße ein unterer Grenzwert für den Elektronengaskoeffizienten in dem Abgas. Vorzugsweise stellt die Regeleinheit die Brennstoffströmungsrate und/oder den von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellten elektrischen Strom bzw. die an der Brennstoffzelleneinheit anliegende elektrische Spannung so ein, dass der mittels des Abgasmesswerts erfasste Elektronengaskoeffizient des Abgases bis auf eine Toleranz gleich oder größer dem Sollwert ist. In einer alternativen Ausgestaltung ist die Analysefunktion gleich der mathematischen Identität, so dass die Regelgröße, d.h. der Istwert der Regelgröße, identisch mit dem Abgasmesswert ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Brennstoffzellenvorrichtung trotz Verzicht auf eine direkte Regelung einer Brennstoffnutzung vorteilhaft sicher und zuverlässig betrieben werden. Dadurch kann vorteilhaft auf kostenintensive Sensorelemente, wie Durchflussmesser und/oder Volumenstrommesser, verzichtet werden. Ferner können vorteilhaft viele Bestandteile des Brennstoffs bzw. des Abgases bei einer Ermittlung des Istwerts berücksichtigt werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der Abgasmesswert und/oder ein Ergebnis der Analysefunktion mittels eines maschinellen Lernprozesses korrigiert wird. Der maschinelle Lernprozess wird beispielsweise dazu eingesetzt, um einen Fehler ε zwischen einem realen Wert h_ziel und einem mittels der Lambdasonde erfassten oder mittels der Analysefunktion ermittelten Wert h_S, d.h. dem Abgasmesswert und/oder dem Istwert der Regelgröße, zu schätzen und somit die letztgenannten Werte zu verbessern, insbesondere in der Form h_ziel = h_S + ε. Der maschinelle Lernprozess wird vorzugsweise im Vorfeld des Verfahrens mit Trainingsdaten für die Abschätzung des Fehlers ε in verschiedenen Betriebspunkten der Brennstoffzellenvorrichtung trainiert. Der maschinelle Lernprozess kann als Funktion zumindest einer Messgröße der Lambdasonde wie dem Pumpstrom, einer elektrischen Pumpspannung der Pumpzelle, einer Abgastemperatur des Abgases und/oder der Nernstspannung und/oder als Funktion zumindest eines Betriebsparameters der Brennstoffzellenvorrichtung wie einer Komponententemperatur, einer Temperatur, einem Druck, einer Strömungsrate des Abgases, des Brennstoffs oder dergleichen, aufgesetzt werden. Der Fehler ε stellt vorzugsweise eine Ausgangsgröße dar, auf welche der maschinelle Lernprozess eingelernt wird. Der maschinelle Lernprozess ist beispielsweise als multivariate lineare Regression, als neuronales Netz und/oder als ein Gauß-Prozess ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der Istwert der Regelgröße und optional der Abgasmesswert vorteilhaft präzise und vorteilhaft zuverlässig ermittelt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Analysefunktion oder eine weitere Analysefunktion eine systemweite Brennstoffnutzung der Brennstoffzellenvorrichtung in Abhängigkeit von dem Abgasmesswert ausgibt. Die Analysefunktion und die weitere Analysefunktion können mit demselben Abgasmesswert ausgewertet werden oder mit Abgaswerten unterschiedlicher Messgeräte, insbesondere unterschiedlicher Lambdasonden. Die Brennstoffzelleneinheit weist im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung eine lokale Brennstoffnutzung auf, welche insbesondere eine Zusammensetzung des Abgases mit einer Zusammensetzung des in die Brennstoffzelleneinheit eintretenden Brennstoffs, insbesondere Brennstoff-Abgas-Gemischs, vergleicht. Die systemweite Brennstoffnutzung vergleicht vorzugsweise eine Zusammensetzung von frischem Brennstoff, stromaufwärts einer Rückspeisung von Abgas, mit einer Zusammensetzung des Abgases. Die systemweite Brennstoffnutzung ist insbesondere größer oder, insbesondere falls kein Abgas zurückgespeist wird, gleich der lokalen Brennstoffnutzung. Vorzugsweise ist ein Sollwert der Regelgröße ein oberer Grenzwert für die systemweite Brennstoffnutzung. Vorzugsweise stellt die Regeleinheit, die Brennstoffströmungsrate und/oder den von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellten elektrischen Strom bzw. die an der Brennstoffzelleneinheit anliegende elektrische Spannung so ein, dass die mittels des Abgasmesswerts erfasste systemweite Brennstoffnutzung des Abgases bis auf eine Toleranz gleich oder kleiner dem Sollwert ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Regelung vorteilhaft einfach implementiert werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens eine Abhängigkeit zumindest einer Stellgröße der Regelung von der Regelgröße, insbesondere iterativ, angepasst wird. Die Regeleinheit verwendet die Stellgröße vorzugsweise zum Einstellen der Brennstoffströmungsrate, beispielsweise mittels einer Fluidfördereinheit, insbesondere einer Pumpe, einem Verdichter, einem Gebläse, einem Ventilator oder dergleichen, oder mittels einem Absperrorgan, insbesondere mittels eines Ventils, einer Drosselklappe oder dergleichen. Die Stellgröße kann insbesondere eine Strömungsrate des Brennstoffs und/oder des Abgases, eine Drehzahl der Fluidfördereinheit, eine Stellung des Absperrorgans oder dergleichen sein. Vorzugsweise ist in einem Speicher der Regeleinheit zumindest eine Rechenanweisung hinterlegt, mittels derer die Regeleinheit die Stellgröße in Abhängigkeit von der Regelgröße, insbesondere in Abhängigkeit von dem Istwert und/oder dem Sollwert der Regelgröße, ermittelt. Vorzugsweise modifiziert die Regeleinheit in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens die Rechenanweisung durch Aktualisieren eines Parameters der Rechenanweisung, um die Abhängigkeit der Stellgröße von der Regelgröße zu verändern. Beispielsweise ermittelt die Regeleinheit zumindest einen Brennstoffparameter des Brennstoffs und/oder des Abgases, der eine Qualität des zu dem Abgas umgesetzten Brennstoffs charakterisiert, um die Rechenanweisung zu modifizieren. Vorzugsweise ermittelt die Regeleinheit den Brennstoffparameter in Abhängigkeit von dem Istwert und/oder dem Sollwert der Regelgröße. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Regelung mit vorteilhaft wenigen Vorab-Schätzungen und/oder Vorab-Messungen des Brennstoffs bezüglich einer vorteilhaft großen Bandbreite an Zusammensetzungen des Brennstoffs vorteilhaft präzise und insbesondere mit vorteilhaft kleinen Sicherheitspuffern durchgeführt werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Analysefunktion zumindest einen, insbesondere den bereits genannten, Brennstoffparameter umfasst, der eine Qualität eines zu dem Abgas umgesetzten Brennstoffs charakterisiert. Der Brennstoffparameter ist vorzugsweise als Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis des, insbesondere frischen, Brennstoffs ausgebildet. Alternativ ist der Brennstoffparameter als Heizwert, als Brennwert, als Wobbeindex, als Wasserstoffgehalt, als Kohlenwasserstoffgehalt oder dergleichen des, insbesondere frischen, Brennstoffs ausgebildet. Der Brennstoffparameter ist vorzugsweise ein Funktionsparameter der Analysefunktion. Die Analysefunktion kann den Brennstoffparameter als Faktor des Abgasmesswerts und/oder als von dem Abgasmesswert unabhängigen Summand umfassen. Vorzugsweise ist in dem Speicher der Regeleinheit zumindest eine Form der Analysefunktion hinterlegt, welche die Regeleinheit verwendet, wenn der Brennstoffparameter gleich Null gesetzt wird, beispielsweise wenn der Brennstoffparameter nicht, insbesondere noch nicht, ermittelt wurde. Vorzugsweise ist in dem Speicher der Regeleinheit zumindest eine weitere Form der Analysefunktion hinterlegt, welche die Regeleinheit verwendet, wenn der Brennstoffparameter bei einer Ermittlung des Istwerts der Regelgröße berücksichtigt wird, beispielsweise wenn der Brennstoffparameter im Zuge der Regelung ermittelt wurde, wenn der Brennstoffparameter von einem Bediener vorgegeben wird oder wenn ein Standardparameter des Brennstoffparameters in dem Speicher der Regeleinheit hinterlegt ist. Optional ermittelt die Regeleinheit zumindest einen weiteren Brennstoffparameter, insbesondere zu einer Anpassung der Abhängigkeit der zumindest einen Stellgröße der Regelung von der Regelgröße. Der weitere Brennstoffparameter ist beispielsweise eine thermische Kapazität, eine molare Masse, ein Kohlenstoffgehalt, ein Wasserstoffgehalt, ein Sauerstoffgehalt, ein Elektronengaskoeffizient des Brennstoffs oder dergleichen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Analysefunktion spezifisch an den ermittelten Brennstoffparameter angepasst werden. Insbesondere kann eine vorteilhaft hohe Genauigkeit der Analysefunktion erreicht werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass zumindest ein, insbesondere der bereits genannte, Brennstoffparameter eines zu dem Abgas umgesetzten Brennstoffs im Zuge der Regelung iterativ ermittelt wird. Vorzugsweise wird der Brennstoffparameter im Zuge des Verfahrens mehrfach, besonders bevorzugt bei jedem Durchlauf der Regelschleife, ermittelt. Der Brennstoffparameter wird vorzugsweise ermittelt, um eine Ermittlung des Istwerts der Regelgröße und/oder eine Ermittlung der Stellgröße zu präzisieren. Besonders bevorzugt wird der Brennstoffparameter in Abhängigkeit von dem zuletzt ermittelten Istwert der Regelgröße ermittelt, um den als nächstes zu ermittelnden Istwert der Regelgröße und/oder die von dem zuletzt ermittelten Istwert abhängige Stellgröße zu präzisieren. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung stehen zusätzliche Informationen über den Brennstoff zur Verfügung, welche zur Verbesserung der Regelung und/oder zur Justierung anderer Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung genutzt werden können.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Analysefunktion in Abhängigkeit von einer Abgastemperatur des Abgases korrigiert wird. Vorzugsweise erfasst ein Temperatursensor der Brennstoffzellenvorrichtung die Abgastemperatur. Vorzugsweise weist die Analysefunktion die Abgastemperatur als Funktionsparameter auf. Die Abgastemperatur kann als Faktor des Abgasmesswerts und/oder als zusätzlicher von dem Abgasmesswert unabhängiger Summand in der Analysefunktion enthalten sein. Vorzugsweise wird die Abgastemperatur zu Beginn des Verfahrens und/oder nach Abschluss eines Betriebspunktwechsels zumindest einmalig erfasst, um die Analysefunktion zu justieren oder eine von mehreren Analysefunktionen auszuwählen. Die Abgastemperatur kann bei jedem Durchlauf der Regelschleife, nach einer festgelegten Anzahl an Durchläufen der Regelschleife, in einem festen Zeitintervall und/oder ausgelöst durch eine Temperaturänderung der erfassten Abgastemperatur aktualisiert werden. Vorzugsweise wird die Abgastemperatur an oder in dem Messgerät, insbesondere der Lambdasonde des Abgasmesswerts erfasst. Alternativ wird eine an der Brennstoffzelleneinheit erfasste Temperatur als Abgastemperatur verwendet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine vorteilhaft hohe Genauigkeit des Istwerts der Regelgröße erreicht werden. Insbesondere kann ein Zustand des Abgases bei einer Ermittlung des Abgasmesswerts bei einer Auswertung des Abgasmesswerts berücksichtigt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass eine Sensoreinheit, insbesondere das bereits genannte Messgerät, der Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Erfassung des Abgasmesswerts temperiert wird. Vorzugsweise umfasst das Messgerät des Abgasmesswerts, insbesondere die Lambdasonde, ein internes elektrisches Heizelement zu einer Temperierung des Abgases. Alternativ wird das Abgas von einem von dem Messgerät des Abgasmesswerts, insbesondere der Lambdasonde, separat ausgebildeten elektrischen Heizelement der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere bezogen auf das Abgas stromaufwärts des Messgeräts, temperiert. Vorzugsweise wird die Abgastemperatur von dem Messgerät oder der Regeleinheit auf einen konstanten Wert geregelt. Die Regeleinheit kann einen Temperatursollwert oder einen Temperaturistwert der Abgastemperatur verwenden, um die Analysefunktion auszuwerten. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der Abgasmesswert vorteilhaft temperaturunabhängig erfasst werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zumindest ein weiterer Abgasmesswert erfasst wird, um einen einzustellenden Wert der Brennstoffströmungsrate zu ermitteln. Der weitere Abgasmesswert wird vorzugsweise unabhängig von dem Abgasmesswert erfasst. Der weitere Abgasmesswert wird bevorzugt von einem weiteren Messgerät, insbesondere von einer weiteren Lambdasonde, erfasst. Vorzugsweise wird ein elektrischer Pumpstrom einer Pumpzelle der weiteren Lambdasonde, eine elektrische Nernstspannung einer Nernstzelle der weiteren Lambdasonde, ein Verbrennungsluftverhältnis oder ein atomarer Sauerstoffgehalt oder dergleichen von dem weiteren Messgerät als Abgasmesswert ausgegeben. Vorzugsweise wird der weitere Abgasmesswert an einer Messstelle erfasst, an welcher eine Zusammensetzung des Abgases unterschiedlich von der Messstelle des Abgasmesswerts ist. Die Regeleinheit verwendet den weiteren Abgasmesswert vorzugsweise dazu, einen, insbesondere den bereits genannten, den bereits genannten weiteren oder einen zusätzlichen, Brennstoffparameter des Brennstoffs zu ermitteln. Vorzugsweise verwendet die Regeleinheit den weiteren Abgasmesswert, um den Elektronengaskoeffizienten und/oder einen mit dem Elektronengaskoeffizienten verknüpften Elektronenstoffstrom an für eine Oxidation verfügbaren Elektronen des, insbesondere frischen, Brennstoffs zu ermittelten. Vorzugsweise vergleicht die Regeleinheit den Abgasmesswert und den weiteren Abgasmesswert, um den Brennstoffparameter zu ermitteln. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können unterschiedliche Größen für die Regelung vorteilhaft unabhängig voneinander erfasst werden. Insbesondere kann eine Konsistenz der Abgasmesswerte vorteilhaft überprüft werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der weitere Abgasmesswert stromabwärts eines Nachbrenners der Brennstoffzellenvorrichtung erfasst wird. Der Nachbrenner setzt die in dem Abgas enthaltenen Brennstoffreste vorzugsweise unter Zuführung von Sauerstoff zumindest im Wesentlichen vollständig, insbesondere zu mehr als 90 %, bevorzugt zu mehr als 95 %, besonders bevorzugt zu mehr als 99 %, um. Besonders bevorzugt verwendet der Nachbrenner als Sauerstoffquelle ein sauerstoffarmes Fluid, welches an der Sauerstoffelektrode austritt. Das sauerstoffarme Fluid entsteht aus dem sauerstoffhaltigen Fluid durch Übertragung von Sauerstoff auf den Brennstoff innerhalb der Brennstoffzelleneinheit. Der Begriff „sauerstoffarm“ steht vorzugsweise verkürzend für „relativ zu dem sauerstoffhaltigen Fluid sauerstoffarm“ bzw. „weniger Sauerstoff als das sauerstoffhaltige Fluid aufweisend“. Vorzugsweise setzt der Nachbrenner das Abgas und das sauerstoffarme Fluid zu einem Nachbrennerabgas um. Der weitere Abgasmesswert wird vorzugsweise in dem Nachbrennerabgas erfasst. Besonders bevorzugt wird der weitere Abgasmesswert bezogen auf das Nachbrennerabgas stromabwärts von zumindest einem Wärmeübertrager der Brennstoffzellenvorrichtung erfasst. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann vorteilhaft einfach ein Molenstrom, insbesondere ein Elektronenstoffstrom, des Brennstoffs erfasst werden. Ferner kann eine vorteilhaft hohe Dynamik der Regelung, insbesondere eine Reaktionszeit der Regelung von unter einer Minute, erreicht werden. Darüber hinaus kann der weitere Abgasmesswert außerhalb einer Hochtemperaturzone der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere unter vorteilhaft stabilen Umgebungsbedingungen, erfasst werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der weitere Abgasmesswert mittels einer, insbesondere der bereits genannten weiteren, Lambdasonde erfasst wird. Die weitere Lambdasonde kann als Breitbandlambdasonde oder als Sprunglambdasonde ausgebildet sein. Alternativ wird der weitere Abgasmesswert von einer oder mehreren Brennstoffzellen erfasst, welche wie eine Lambdasonde betrieben werden/wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der weitere Abgasmesswert vorteilhaft einfach und kostengünstig erfasst werden.
Darüber hinaus wird eine Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einer Regeleinheit zu einer Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und mit zumindest einer Sensoreinheit zu einer Erfassung des Abgasmesswerts vorgeschlagen. Die Sensoreinheit umfasst vorzugsweise das Messgerät des Abgasmesswerts, insbesondere die Lambdasonde. Die Sensoreinheit umfasst vorzugsweise das Messgerät des weiteren Abgasmesswerts, insbesondere die weitere Lambdasonde. Die Sensoreinheit umfasst optional zumindest einen Temperatursensor zur Erfassung der Abgastemperatur. Die Sensoreinheit umfasst vorzugsweise zumindest ein Amperemeter, ein Voltmeter oder dergleichen zu einer Erfassung eines von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellten elektrischen Stroms, oder einer damit verknüpften Größe, beispielsweise einer elektrischen Spannung, einer elektrischen Leistung oder dergleichen. Die Sensoreinheit umfasst optional zumindest einen Durchflussmesser, beispielsweise zu einer Erfassung der Zustromrate an frischem Brennstoff zu der Brennstoffzelleneinheit oder zu einer Erfassung einer Zustromrate an sauerstoffhaltigem Fluid zu der Brennstoffzelleneinheit. Unter einer „Regeleinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einem Speicher sowie mit einem in dem Speicher gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Optional umfasst die Regeleinheit zumindest ein Regelglied, insbesondere ein Proportionalglied, ein Differentialglied und/oder ein Integralglied zu einer Einstellung der Stellgröße. Alternativ ermittelt die Regeleinheit einen Sollwert der Stellgröße und übergibt diese an eine interne Regelung der Stelleinheit.
Die Brennstoffzelleneinheit umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, vorzugsweise einen Stack an, insbesondere baugleichen, Brennstoffzellen oder einen Verbund mehrerer Stacks an, insbesondere baugleichen, Brennstoffzellen. Die zumindest eine Brennstoffzelle ist vorzugsweise als Hochtemperaturbrennstoffzelle, insbesondere eine Festoxidbrennstoffzelle oder eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle, ausgebildet. Alternativ ist die Brennstoffzelle eine Phosphorsäurebrennstoffzelle, eine Direktmethanolbrennstoffzelle oder eine Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle. Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst vorzugsweise die Rezirkulationsleitung zu einer Rückspeisung des Abgases in den Brennstoff. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere als Stelleinheit, zumindest eine Brennstofffördereinheit oder ein Brennstoffabsperrorgan, zu einer Einstellung der Zustromrate an frischem Brennstoff. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere als Stelleinheit oder als weitere Stelleinheit, zumindest eine in der Rezirkulationsleitung angeordnete Rezirkulationsfördereinheit, zu einer Einstellung der Rezirkulationsrate des Abgases. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Sauerstofffördereinheit oder ein Sauerstoffabsperrorgan, zu einer Einstellung der Zustromrate an sauerstoffhaltigem Fluid. Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst vorzugsweise den Nachbrenner, der stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, insbesondere an einem Auslass der Brennstoffelektrode und an einem Auslass der Sauerstoffelektrode der Brennstoffzelleneinheit angeschlossen ist, zu einem Umsetzen von Brennstoffresten in dem Abgas vorgesehen ist. Optional, insbesondere bei einer Verwendung eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffs, umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung einen Entschwefler und/oder einen Reformer, zu einer Aufbereitung des Brennstoffs vor einer Einspeisung des Brennstoffs in die Brennstoffzelleneinheit. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest einen Wärmeübertrager zu einer Wärmeübertragung von dem Nachbrennerabgas auf das sauerstoffhaltige Fluid und/oder auf den Brennstoff. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Brennstoffzellenvorrichtung bereitgestellt werden, welche mit einer vorteilhaft einfachen und kostengünstigen Sensoreinheit mit vorteilhaft wenig Aufwand und/oder vorteilhaft präzise geregelt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung 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 sechs 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 einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung,
2 ein schematisches Punktdiagramm zur Veranschaulichung einer Korrelation zwischen einem Wasserstoffgehalt eines Abgases der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung als Regelgröße und einem Pumpstrom einer Lambdasonde der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung als Abgasmesswert,
3 ein schematisches Punktdiagramm, in welchem Funktionswerte einer Analysefunktion des Wasserstoffgehalts Referenzwerten des Wasserstoffgehalts gegenübergestellt werden, welche mit einem Referenzmessgerät erfasst wurden,
4 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens, welches insbesondere den Wasserstoffgehalt oder einen Elektronengaskoeffizienten als Regelgröße nutzt,
5 ein schematisches Punktdiagramm zur Veranschaulichung einer Korrelation zwischen dem Elektronengaskoeffizienten des Abgases der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung als Regelgröße und dem Pumpstrom der Lambdasonde als Abgasmesswert,
6 ein schematisches Punktdiagramm, in welchem Funktionswerte einer Analysefunktion des Elektronengaskoeffizienten Referenzwerten des Elektronengaskoeffizienten gegenübergestellt werden, welche mit einem Referenzmessgerät erfasst wurden, 7 ein schematisches Punktdiagramm zur Veranschaulichung einer Korrelation zwischen einer systemweiten Brennstoffnutzung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung als Regelgröße und dem Pumpstrom der Lambdasonde als Abgasmesswert,
8 ein schematisches Punktdiagramm, in welchem Funktionswerte einer Analysefunktion der systemweiten Brennstoffnutzung Referenzwerten der systemweiten Brennstoffnutzung gegenübergestellt werden, welche mit einem Referenzmessgerät erfasst wurden,
9 ein schematisches Flussdiagramm einer alternativen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, welches insbesondere die systemweite Brennstoffnutzung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung als Regelgröße nutzt,
10 ein schematisches Flussdiagramm, in welchem eine Erweiterung des in 9 dargestellten Verfahrens um einen Vorsteuerwert der systemweiten Brennstoffnutzung dargestellt wird, 11 ein schematisches Flussdiagramm einer weiteren alternativen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, welches insbesondere die systemweite Brennstoffnutzung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung als Regelgröße nutzt und zumindest einen Brennstoffparameter des Brennstoffs iterativ ermittelt,
12 ein schematisches Punktdiagramm, in welchem Funktionswerte der Analysefunktion der systemweiten Brennstoffnutzung, welche um den mittels des in 9 dargestellten Verfahrens ermittelten Brennstoffparameter verfeinert wurde, den Referenzwerten der systemweiten Brennstoffnutzung gegenübergestellt werden,
13 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung mit einer weiteren Lambdasonde,
14 ein schematisches Flussdiagramm einer weiteren alternativen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, welches die weitere Lambdasonde der Brennstoffzellenvorrichtung aus 13 nutzt,
15 ein schematisches Flussdiagramm einer zusätzlichen alternativen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei situationsabhängigen Regelschleifen,
16 ein schematisches Flussdiagramm einer Gefahrenregelung im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens aus 15 und
17 ein schematisches Flussdiagramm einer Betriebspunktregelung im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahren aus 15.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine Brennstoffzellenvorrichtung 12a. Die Brennstoffzellenvorrichtung 12a umfasst vorzugsweise zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 30a. Die Brennstoffzelleneinheit 30a umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, bevorzugt eine Vielzahl an Brennstoffzellen, welche besonders bevorzugt in zumindest einem Stack angeordnet sind. Die Brennstoffzelleneinheit 30a ist hier der Übersicht halber funktional als einzelne Brennstoffzelle dargestellt. Die Brennstoffzelleneinheit 30a, insbesondere jede Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit 30a, umfasst zumindest eine Sauerstoffelektrode 32a und zumindest eine Brennstoffelektrode 34a. Besonders bevorzugt ist die zumindest eine Brennstoffzelle, insbesondere alle Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit 30a, als Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) ausgebildet.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 12a umfasst vorzugsweise eine Sauerstofffördereinheit 36a, insbesondere einen Ventilator, ein Gebläse oder einen Verdichter, zu einer Förderung eines sauerstoffhaltigen Fluids zu der Sauerstoffelektrode 32a. Das sauerstoffhaltige Fluid ist besonders bevorzugt Umgebungsluft, welche von der Sauerstofffördereinheit 36a angesaugt wird. Alternativ ist das sauerstoffhaltige Fluid ein Industriegas mit einem definierten Sauerstoffanteil. Die Sauerstofffördereinheit 36a ist bezogen auf das sauerstoffhaltige Fluid stromaufwärts der Sauerstoffelektrode 32a angeordnet.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 12a umfasst vorzugsweise eine Brennstofffördereinheit 38a, insbesondere einen Ventilator, ein Gebläse oder einen Verdichter, zu einer Förderung eines Brennstoffs zu der Brennstoffelektrode 34a. Der Brennstoff ist bevorzugt Wasserstoff und/oder Erdgas, alternativ zumindest ein Kohlenwasserstoff als Reinstoff oder als Gemisch und/oder Ammoniak. Die Brennstofffördereinheit 38a ist bezogen auf den Brennstoff stromaufwärts der Brennstoffelektrode 34a angeordnet. Die Brennstoffzelleneinheit 30a ist zu einem Bereitstellen von elektrischer Energie vorzugsweise dazu vorgesehen, den Brennstoff unter Zuführung von Sauerstoff aus dem sauerstoffhaltigen Fluid zu einem Abgas umzusetzen.
Optional umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12a einen Entschwefler 40a. Der Entschwefler 40a ist vorzugsweise bezogen auf den Brennstoff stromabwärts der Brennstofffördereinheit 38a und stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 30a angeordnet. Optional umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12a einen Reformer 42a, zu einem Reformieren des Brennstoffs. Der Reformer 42a ist vorzugsweise bezogen auf den Brennstoff stromabwärts der Brennstofffördereinheit 38a, insbesondere stromabwärts des Entschweflers 40a, und stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 30a angeordnet.
Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12a eine Rezirkulationsleitung 44a und eine, insbesondere in oder an der Rezirkulationsleitung 44a angeordnete, Rezirkulationsfördereinheit 46a, insbesondere einen Ventilator, ein Gebläse oder einen Verdichter, zu einer Rückführung des aus der Brennstoffelektrode 34a austretenden Abgases in den Brennstoff stromaufwärts der Brennstoffelektrode 34a. Eine Einspeisemündung der Rezirkulationsleitung 44a ist bezogen auf den Brennstoff vorzugsweise stromaufwärts des Reformers 42a und stromabwärts des Entschweflers 40a.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 12a umfasst vorzugsweise einen Nachbrenner 24a, zu einem Umsetzen von Brennstoffresten, die in dem Abgas enthalten sind. Der Nachbrenner 24a ist vorzugsweise bezogen auf den Brennstoff bzw. das Abgas stromabwärts der Brennstoffelektrode 34a und insbesondere stromabwärts einer Abzweigung in die Rezirkulationsleitung 44a angeordnet. Der Nachbrenner 24a ist vorzugsweise bezogen auf das sauerstoffhaltige Fluid stromabwärts der Sauerstoffelektrode 32a angeordnet. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12a einen Abgas-Sauerstoff-Wärmeübertrager 48a zu einer Übertragung von Wärme von einem aus dem Nachbrenner 24a austretenden Nachbrennerabgas des Nachbrenners 24a auf das sauerstoffhaltige Fluid stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 30a. Der Abgas-Sauerstoff-Wärmeübertrager 48a ist bezogen auf das sauerstoffhaltige Fluid vorzugsweise stromabwärts der Sauerstofffördereinheit 36a und stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 30a angeordnet. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12a einen Abgas-Brennstoff-Wärmeübertrager 50a zu einer Übertragung von Wärme von dem aus dem Nachbrenner 24a austretenden Nachbrennerabgas des Nachbrenners 24a auf den Brennstoff stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 30a. Der Abgas-Brennstoff-Wärmeübertrager 50a ist bezogen auf den Brennstoff vorzugsweise stromabwärts des Entschweflers 40a und stromaufwärts der Einspeisemündung der Rezirkulationsleitung 44a angeordnet. Der Abgas-Brennstoff-Wärmeübertrager 50a ist hier beispielhaft bezogen auf das Nachbrennerabgas stromabwärts des Abgas-Sauerstoff-Wärmeübertragers 48a angeordnet. Alternativ ist der Abgas-Sauerstoff-Wärmeübertrager 48a bezogen auf das Nachbrennerabgas stromabwärts des Abgas-Brennstoff-Wärmeübertragers 50a angeordnet.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 12a umfasst zumindest eine Regeleinheit 28a. Die Regeleinheit 28a ist vorzugsweise zu einem Ansteuern der Brennstofffördereinheit 38a und/oder der Rezirkulationsfördereinheit 46a vorgesehen, um eine Brennstoffströmungsrate des Brennstoffs durch die Brennstoffelektrode 34a einzustellen, insbesondere bei einem vorgegebenen Wert eines von der Brennstoffzelleneinheit 30a bereitgestellten elektrischen Stroms. Alternativ oder zusätzlich ist die Regeleinheit 28a dazu vorgesehen, von der Brennstoffzelleneinheit 30a bereitgestellten elektrischen Strom, im weiteren kurz Stackstrom I_stk, einzustellen. Die Regeleinheit 28a ist zu einer Durchführung eines Verfahrens 10a vorgesehen, das in den nachfolgenden 2 bis 6 näher erläutert wird. Die Brennstoffzellenvorrichtung 12a umfasst zumindest eine Sensoreinheit zu einer Erfassung eines Abgasmesswerts 14a (vgl. 4). Die Sensoreinheit umfasst vorzugsweise zumindest eine Lambdasonde 18a, bevorzugt eine Breitbandlambdasonde. Die Lambdasonde 18a umfasst vorzugsweise eine Nernstzelle und eine Pumpzelle und eine zwischen ihnen angeordnete Messkammer. Eine Messstelle der Lambdasonde 18a ist vorzugsweise in dem aus der Brennstoffelektrode 34a austretenden Abgas angeordnet, um den Abgasmesswert 14a zu erfassen. Die Messkammer der Lambdasonde 18a weist vorzugsweise eine Diffusionsbarriere auf, um eine Austauschrate von Abgas in der Messkammer mit Abgas außerhalb der Messkammer festzusetzen. Die Nernstzelle ist vorzugsweise dazu vorgesehen, eine Nernstspannung zu erfassen, die sich aufgrund eines Unterschieds in einem Sauerstoffgehalt des sich in der Messkammer befindlichen Abgases zu einem Sauerstoffgehalt eines Referenzgases, beispielsweise Umgebungsluft und/oder ein Industriegas mit definiertem Sauerstoffgehalt, einstellt. Die Pumpzelle ist vorzugsweise dazu vorgesehen, Sauerstoff in oder aus der Messkammer zu pumpen, um ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis in der Messkammer zu erzeugen. Die Pumpzelle wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der erfassten Nernstspannung geregelt, um das stöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis zu erreichen. Vorzugsweise ist die Lambdasonde 18a dazu vorgesehen, einen elektrischen Pumpstrom I_Pump der Pumpzelle, der eingestellt wird, um das stöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis zu erreichen, als Abgasmesswert 14a auszugeben. Alternativ, insbesondere bei Ausbildung der Lambdasonde 18a als Sprunglambdasonde, d.h. ohne Pumpzelle, ist die Lambdasonde 18a dazu vorgesehen, die Nernstspannung der Nernstzelle auszugeben. Die Messstelle der Lambdasonde 18a kann zwischen der Brennstoffelektrode 34a und der Abzweigung in die Rezirkulationsleitung 44a, zwischen der Abzweigung in die Rezirkulationsleitung 44a und dem Nachbrenner 24a oder innerhalb der Rezirkulationsleitung 44a angeordnet sein.
2 zeigt eine schematisches Punktdiagramm zur Veranschaulichung einer Korrelation zwischen Referenzwerten 52a eines Wasserstoffgehalts x_H2 des Abgases der Brennstoffzellenvorrichtung 12a und dem elektrischen Pumpstrom I_Pump der Lambdasonde 18a als Abgasmesswert 14a. Die Referenzwerte 52a des Wasserstoffgehalts x_H2 können beispielsweise auf einem Prüfstand mit einem Massenspektrometer oder dergleichen erfasst werden. Das Verfahren 10a basiert vorzugsweise auf einer Analysefunktion einer Regelgröße 16a, insbesondere des Wasserstoffgehalts x_H2, in Abhängigkeit von dem Abgasmesswert 14a, insbesondere des Pumpstroms I_Pump.
3 zeigt ein schematisches Punktdiagramm, in welchem Funktionswerte der Analysefunktion des Wasserstoffgehalts x_H2,regr den Referenzwerten 52a des Wasserstoffgehalts x_H2, gegenübergestellt werden. Die Analysefunktion wird vorzugsweise für Wertepaare des Wasserstoffgehalts x_H2 und des Pumpstroms I_Pump bei unterschiedlichen für die Brennstoffzellenvorrichtung 12a im Betrieb typischen Abgastemperaturen T_ab des Abgases ermittelt. Die Wertepaare werden vorzugsweise bei Abgastemperaturen T_ab in einer Spanne von 400° bis 1000°C, vorzugsweise von 500° bis 800°C, besonders bevorzugt von 590°C bis 630°C erfasst. Die Analysefunktion wird vorzugsweise für Wertepaare des Wasserstoffgehalts x_H2 und des Pumpstroms I_Pump bei unterschiedlicher Zusammensetzung des Brennstoffs ermittelt. Die Wertepaare werden vorzugsweise bei einem Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis H/C des Brennstoffs in einer Spanne von 3 bis 5, bevorzugt von 3,25 bis 4,5, besonders bevorzugt von 3,53 bis 4,35 erfasst. Die Analysefunktion ist in der einfachsten Ausgestaltung ein Polynom erster Ordnung in dem Abgasmesswert 14a, hier beispielsweise dem Pumpstrom I_Pump. Optional umfasst die Analysefunktion Terme zweiter Ordnung, dritter Ordnung oder höherer Ordnung in dem Abgasmesswert 14a. Eine Verteilung der Wertepaare um die Analysefunktion weist vorzugsweise eine Schwankungsbreite von weniger als 3 %, bevorzugt von weniger als 1 %, besonders bevorzugt von 0,5 % oder weniger auf. Insbesondere ist das Bestimmtheitsmaß (R²) der Korrelationsfunktion größer als 0,99, vorzugsweise größer als 0,999, besonders bevorzugt größer als 0,9995, überaus bevorzugt von zumindest 0,9997. Optional umfasst die Analysefunktion zumindest einen Korrekturterm in der Abgastemperatur T_ab und/oder in einem Brennstoffparameter, der eine Qualität eines zu dem Abgas umgesetzten Brennstoffs charakterisiert, wobei das oben angegebene Bestimmtheitsmaß vorzugsweise ohne derartige Korrekturterme erreicht wird. Der Brennstoffparameter ist beispielsweise das Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis H/C oder ein Wobbeindex des Brennstoffs.
4 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens 10a zur Regelung der Brennstoffzellenvorrichtung 12a. In zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens 10a wird eine Brennstoffströmungsrate des Brennstoffs durch die Brennstoffzellenvorrichtung 12a, insbesondere durch die Brennstoffzelleneinheit 30a, in Abhängigkeit von der von dem Abgasmesswert 14a abhängigen Regelgröße 16a eingestellt.
Nach einem Start 54a des Verfahrens 10a wird in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens 10a der zumindest eine Abgasmesswert 14a einer Zusammensetzung des Abgases der Brennstoffzellenvorrichtung 12a erfasst. Die Lambdasonde 18a wird verwendet, um den Abgasmesswert 14a zu erfassen. Vorzugsweise wird der Pumpstrom I_Pump als Abgasmesswert 14a von der Lambdasonde 18a an die Regeleinheit 28a übermittelt. Die Lambdasonde 18a wird zu einer Erfassung des Abgasmesswerts 14a temperiert. Vorzugsweise umfasst die Lambdasonde 18a ein elektrisches Heizelement zu einem Temperieren des in der Messkammer befindlichen Abgases. Alternativ umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12a ein von der Lambdasonde 18a separat ausgebildetes Heizelement zu einem Temperieren des Abgases. Vorzugsweise wird die Abgastemperatur T_ab, insbesondere in einem temperierten Zustand des Abgases, mittels eines Temperatursensors erfasst. Alternativ wird ein durch die Temperierung zu erreichender Temperatursollwert als Abgastemperatur T_ab verwendet. Alternativ wird eine Stacktemperatur der Brennstoffzelleneinheit 30a als Abgastemperatur T_ab verwendet.
Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise einen Istwertermittlungsschritt 56a. In dem Istwertermittlungsschritt 56a wird ein Istwert der Regelgröße 16a ermittelt. Der Istwert wird ermittelt, indem die Analysefunktion ausgewertet wird. Die Analysefunktion korreliert den Abgasmesswert 14a direkt mit der Regelgröße 16a. Die Analysefunktion gibt einen Wasserstoffgehalt x_H2 des Abgases in Abhängigkeit von dem Abgasmesswert 14a aus. Die Analysefunktion wird in Abhängigkeit von einer Abgastemperatur T_ab des Abgases korrigiert. Der Abgasmesswert 14a und/oder ein Ergebnis der Analysefunktion wird optional mittels eines maschinellen Lernprozesses korrigiert.
Die Regeleinheit 28a ermittelt vorzugsweise eine Regeldifferenz 20a aus einem vorgegebenen Sollwert 58a und dem mittels der Analysefunktion ermittelten Istwert. Der Sollwert 58a ist vorzugsweise ein unterer Grenzwert für den Wasserstoffgehalt x_H2. Die Regelung ist insbesondere dazu vorgesehen, den Wasserstoffgehalt x_H2 des Abgases auf oder über dem Grenzwert zu halten. Optional wählt die Regeleinheit 28a den Sollwert 58a in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennstoffzellenvorrichtung 12a aus und/oder modifiziert den Sollwert 58a um einen betriebspunktabhängigen Risikofaktor.
Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise einen Stellschritt 60a. Der Stellschritt 60a wird vorzugsweise ausgeführt, wenn die Regeldifferenz 20a größer als eine vorgegebene Toleranz ist. Die Toleranz wird vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Messgenauigkeit der Lambdasonde 18a und/oder einer Genauigkeit der Analysefunktion vorgegeben. In dem Stellschritt 60a passt die Regeleinheit 28a vorzugsweise die Brennstoffströmungsrate des Brennstoffs an. Vorzugsweise stellt die Regeleinheit 28a in dem Stellschritt 60a eine Zustromrate an frischem Brennstoff mittels der Brennstofffördereinheit 38a oder einem stromabwärts der Brennstofffördereinheit 38a angeordneten Ventil der Brennstoffzellenvorrichtung 12a ein. Optional verwendet die Regeleinheit 28a einen Vorsteuerwert zu einem Einstellen der Brennstoffströmungsrate, auf welchen die Änderung der Brennstoffströmungsrate aufaddiert wird. Beispielsweise ermittelt die Regeleinheit 28a den Vorsteuerwert in Abhängigkeit von dem Stackstrom I_stk, der Stacktemperatur und/oder einer Feuchtigkeit des Brennstoffs, insbesondere gemäß eines Verfahrens wie es aus der DE 10 2011 088120 A1 bekannt ist. Die Regelung stellt optional zusätzlich eine Rezirkulationsrate der Brennstoffzellenvorrichtung 12a mittels der Rezirkulationsfördereinheit 46a und/oder den von der Brennstoffzelleneinheit 30a bereitgestellten Stackstrom I_stk ein.
Ist die Regeldifferenz 20a kleiner als die vorgegebene Toleranz, schließt die Regeleinheit 28a vorzugsweise darauf, dass eine systemweite Brennstoffnutzung FU_sys der Brennstoffzellenvorrichtung 12a einen Brennstoffnutzungssollwert angenommen hat. Ist die Regeldifferenz 20a kleiner als die vorgegebene Toleranz, schließt die Regeleinheit 28a vorzugsweise darauf, dass sich die Brennstoffzellenvorrichtung 12a in einem stationären Betrieb 62a befindet. Insbesondere ist ein Ende 64a eines Durchlaufs des Verfahrens 10a erreicht, wenn sich die Brennstoffzellenvorrichtung 12a in einem stationären Betrieb 62a befindet.
5 und 6 veranschaulichen, dass das Verfahren 10a durch die Wahl einer alternativen Regelgröße 16a', insbesondere ohne sonstige Änderungen, modifiziert werden kann. 5 zeigt eine schematisches Punktdiagramm zur Veranschaulichung einer Korrelation zwischen Referenzwerten 52a' eines Elektronengaskoeffizienten K_e- des Abgases der Brennstoffzellenvorrichtung 12a und dem elektrischen Pumpstrom I_Pump der Lambdasonde 18a als Abgasmesswert 14a. Die Referenzwerte 52a' des Elektronengaskoeffizienten K_e- können beispielsweise auf einem Prüfstand oder dergleichen erfasst werden. Das Verfahren 10a basiert alternativ oder zusätzlich auf einer Analysefunktion des Elektronengaskoeffizienten K_e- als alternative Regelgröße 16a' in Abhängigkeit von dem Abgasmesswert 14a, insbesondere von dem Pumpstrom I_Pump. Der Elektronengaskoeffizient K_e- ist insbesondere eine Anzahl von Elektronen pro Mol Brennstoff, welche bei einer Umsetzung in der Brennstoffzelleneinheit 30a für eine Bindung mit Sauerstoff zur Verfügung stehen.
6 zeigt ein schematisches Punktdiagramm, in welchem Funktionswerte der Analysefunktion des Elektronengaskoeffizienten K_e- den Referenzwerten 52a' des Elektronengaskoeffizienten K_e- gegenübergestellt werden. Eine Verteilung der Referenzwerte 52a' um die alternative Analysefunktion weist vorzugsweise eine Schwankungsbreite von weniger als 5 %, bevorzugt von weniger als 4 %, besonders bevorzugt von höchstens 3,5 % auf. Ein Sollwert zur Bildung der Regeldifferenz 20a gibt vorzugsweise einen unteren Grenzwert des Elektronengaskoeffizienten K_e- vor.
In den 7 bis 17 sind weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, Verfahrensschritte oder Größen, insbesondere in Bezug auf Bauteile, Verfahrensschritte oder Größen mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 bis 6, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 2 bis 6 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 7 bis 17 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b bis f ersetzt. Die in den 7 bis 12 sowie in den 15 bis 17 dargestellten Verfahren sind mit einer Brennstoffzellenvorrichtung wie in 1 ohne weitere Modifikationen ausführbar. In der 1 sind den Bezugszeichen daher die Buchstaben a bis d sowie f nachgestellt.
7 zeigt ein schematisches Punktdiagramm zur Veranschaulichung einer Korrelation zwischen einer systemweiten Brennstoffnutzung FU_sys einer Brennstoffzellenvorrichtung 12b als Regelgröße 16b eines Verfahrens 10b und einem Pumpstrom I_Pump einer Lambdasonde 18b einer Brennstoffzellenvorrichtung 12b als Abgasmesswert 14b des Verfahrens 10b. Für Details der Brennstoffzellenvorrichtung 12b sei auf 1 verwiesen. Das Verfahren 10b basiert vorzugsweise auf einer Analysefunktion der Regelgröße 16b, d.h. der systemweiten Brennstoffnutzung FU_sys, in Abhängigkeit von dem Abgasmesswert 14b, insbesondere des Pumpstroms I_Pump. Die Analysefunktion der systemweiten Brennstoffnutzung FU_sys in Abhängigkeit von dem Abgasmesswert 14b wird zu einer Unterscheidung im Weiteren FU-Analysefunktion genannt.
8 zeigt ein schematisches Punktdiagramm, in welchem Funktionswerten FU_sys,regr der FU-Analysefunktion der systemweiten Brennstoffnutzung FU_sys Referenzwerte 52b der systemweiten Brennstoffnutzung FU_sys gegenübergestellt werden. Die FU-Analysefunktion ist vorzugsweise ein Polynom erster Ordnung, besonders bevorzugt zweiter Ordnung, in dem Abgasmesswert 14b, hier beispielsweise dem Pumpstrom I_Pump. Optional umfasst die FU-Analysefunktion Terme dritter Ordnung oder höherer Ordnung in dem Abgasmesswert 14b. Vorzugsweise umfasst die FU-Analysefunktion zumindest einen, insbesondere linearen, Korrekturterm in einer Abgastemperatur T_ab eines Abgases der Brennstoffzellenvorrichtung 12b. Eine Verteilung der Wertepaare um die FU-Analysefunktion weist vorzugsweise eine Schwankungsbreite von weniger als 3 %, bevorzugt von weniger als 2 %, besonders bevorzugt von 1 % oder weniger auf. Optional umfasst die FU-Analysefunktion zumindest einen Brennstoffparameter, der eine Qualität eines zu dem Abgas umgesetzten Brennstoffs charakterisiert. Der Brennstoffparameter ist beispielsweise ein Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis H/C oder ein Wobbeindex des Brennstoffs. Beispielsweise verwendet eine Regeleinheit 28b der Brennstoffzellenvorrichtung 12b als FU-Analysefunktion folgende Rechenvorschrift: $\begin{array}{l} F U_{s y s} = a_{1} + a_{2} \cdot I_{P u m p} + a_{3} \cdot T_{a b} + a_{4} \cdot \frac{H}{C} + a_{5} \cdot I_{P u m p} \cdot T_{a b} \\ + a_{6} \cdot I_{P u m p} \cdot \frac{H}{C} + a_{7} \cdot T_{a b} * \frac{H}{C} + a_{8} \cdot I_{P u m p}^{2} \end{array}$
wobei a₁ bis a₈, beispielsweise durch Regression, zu bestimmende Analysekoeffizienten sind, welche in einem Speicher der Regeleinheit 28b hinterlegt sind. Falls der Brennstoffparameter des Brennstoffs nicht verwendet wird, werden die Analysekoeffizienten a₄, a₆ und a₇ vor einem Bestimmen der übrigen Analysekoeffizienten gleich Null gesetzt. Der Brennstoffparameter oder ein Kennzeichen des Brennstoffs, über welchen die Regeleinheit 28b den Brennstoffparameter aus einer internen oder externen Datenbank abrufen kann, wird vorzugsweise vor Ausführung des Verfahrens 10b durch einen Benutzer festgelegt. Alternativ ist der Brennstoffparameter bereits in den Analysekoeffizienten a₄, a₆ und a₇ bzw. nach Zusammenfassung der Terme mit gleichen Abhängigkeiten in den Analysekoeffizienten a₁, a₂ und a₅ integriert.
9 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens 10b zur Regelung der Brennstoffzellenvorrichtung 12b. In zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens 10b wird zumindest ein Abgasmesswert 14b, insbesondere der Pumpenstrom I_pump. einer Zusammensetzung des Abgases der Brennstoffzellenvorrichtung 12b erfasst. Vorzugsweise wird zusätzlich die Abgastemperatur T_ab erfasst. In einem FU-Stellschritt 74b des Verfahrens 10b wird eine Brennstoffströmungsrate durch die Brennstoffzellenvorrichtung 12b in Abhängigkeit von der von dem Abgasmesswert 14b abhängigen Regelgröße 16b eingestellt. In dem Verfahren 10b wird bevorzugt die systemweite Brennstoffnutzung FU_sys als Regelgröße 16b verwendet. In einem FU-Istwertermittlungsschritt 66b des Verfahrens 10b wird ein Istwert der Regelgröße 16b ermittelt, indem die FU-Analysefunktion ausgewertet wird, welche den Abgasmesswert 14b direkt mit der Regelgröße 16b, d.h. der systemweiten Brennstoffnutzung FU_sys, korreliert.
Vorzugsweise bildet die Regeleinheit 28b aus einem FU-Sollwert 70b und dem mittels der FU-Analysefunktion ermittelten Istwert der Regelgröße 16b eine FU-Regeldifferenz 68b. Der FU-Sollwert 70b ist vorzugsweise eine obere Grenze für die Regelgröße 16b. Der FU-Sollwert 70b ist vorzugsweise in einem Speicher der Regeleinheit 28b hinterlegt. Ist die FU-Regeldifferenz 68b größer als eine vorgegebene Toleranz, wird vorzugsweise der FU-Stellschritt 74b ausgeführt. Zur Ausführung des FU-Stellschritts 74b umfasst das Verfahren 10b vorzugsweise einen Stellgrößenermittlungsschritt 72b. In dem Stellgrößenermittlungsschritt 72b ermittelt die Regeleinheit 28b vorzugsweise eine Stellgröße in Abhängigkeit von zumindest einem elektrischen Leistungsparameter 76b der Brennstoffzellenvorrichtung 12b. Vorzugsweise ist der elektrische Leistungsparameter 76b gleich einem von einer Brennstoffzelleneinheit 30b der Brennstoffzellenvorrichtung 12b bereitgestellten elektrischen Stackstrom I_stk. In einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung verwendet die Regeleinheit 28b, um die Stellgröße zu ermitteln, als Variablen ausschließlich den elektrischen Leistungsparameter 76b und die Regelgröße 16b. Beispielsweise ermittelt die Regeleinheit 28b einen Elektronenstoffstrom des Brennstoffs als Stellgröße gemäß folgender Rechenvorschrift: ${\dot{n}}_{K_{e^{-}}} = \frac{I_{s t k} \cdot N_{Z e l l e n}}{F \cdot F U_{s y s}}$
wobei N_Zellen die Anzahl an Brennstoffzellen in der Brennstoffzelleneinheit 30b und F die Faraday-Konstante ist. Besonders bevorzugt ermittelt die Regeleinheit 28b in dem Stellgrößenermittlungsschritt 72b eine einzustellende Veränderung der Stellgröße in Abhängigkeit von dem FU-Sollwert 70b und dem mit der FU-Analysefunktion ermittelten Istwert der Regelgröße 16b. Beispielsweise verwendet die Regeleinheit 28b folgenden Ausdruck, um die einzustellende Veränderung der Stellgröße zu ermitteln: $Δ {\dot{n}}_{K_{e^{-}}} = \frac{I_{s t k} \cdot N_{Z e l l e n}}{F \cdot F U_{s y s, i s t}} - \frac{I_{s t k} \cdot N_{Z e l l e n}}{F \cdot F U_{s y s, s o l l}}$
wobei FU_sys,ist den Istwert der Regelgröße 16b und FU_sys,soll den FU-Sollwert 70b bezeichnet. In dem FU-Stellschritt 74b steuert die Regeleinheit 28b vorzugsweise eine Brennstofffördereinheit 38b der Brennstoffzellenvorrichtung 12b an, um die Brennstoffströmungsrate anzupassen. Vorzugsweise übergibt die Regeleinheit 28b die einzustellenden Veränderung der Stellgröße an die Brennstofffördereinheit 38b.
Ist die FU-Regeldifferenz 68b kleiner als die Toleranz setzt die Regeleinheit 28b vorzugsweise ein System-Flag 78b auf wahr. Ist die FU-Regeldifferenz 68b größer als die Toleranz setzt die Regeleinheit 28b den System-Flag 78b vorzugsweise auf falsch. Vorzugsweise führt die Regeleinheit 28b eine logische Und-Verknüpfung 82b des System-Flags 78b mit einem Rezirkulationsflag 80b aus. Insbesondere beendet die Regeleinheit 28b einen Durchlauf des Verfahrens 10b, wenn das System-Flag 78a und das Rezirkulationsflag 80b auf wahr stehen. Beispielsweise setzt die Regeleinheit 28b das Rezirkulationsflag 80b auf wahr, wenn eine Regeldifferenz 20b zwischen einer weiteren Regelgröße und einem Sollwert 58b kleiner als eine Toleranz sind. Die weitere Regelgröße ist beispielsweise ein Wasserstoffgehalt x_H2 oder ein Elektronengaskoeffizient K_e- des Abgases. Ein Istwert der weiteren Regelgröße wird vorzugsweise in einem Istwertermittlungsschritt 56b des Verfahrens 10b ermittelt, beispielsweise so wie in der Beschreibung zu den 2 bis 6 beschrieben. Insbesondere kann die Regelgröße 16b und die weitere Regelgröße in Abhängigkeit von demselben Abgasmesswert ermittelt werden oder in Abhängigkeit von Abgasmesswerten von unterschiedlichen Messgeräten, insbesondere Lambdasonden. Ist die Regeldifferenz 20b größer als ein Toleranzwert, passt die Regeleinheit 28b in einem Stellschritt 60b des Verfahrens 10b vorzugsweise eine Rezirkulationsrate der Brennstoffzellenvorrichtung 12b an. Die Regelung der Regelgröße 16b und der weiteren Regelgröße kann zeitlich parallel, zeitlich überlappend, alternierend oder nacheinander ausgeführt werden. Vorzugsweise wird das Rezirkulationsflag 80b automatisch auf falsch gehalten, solange das System-Flag 78b auf falsch gesetzt ist. Insbesondere führt die Regeleinheit 28b zumindest eine Regelschleife der weiteren Regelgröße aus, nachdem das System-Flag 78b auf wahr gestellt wird.
Bezüglich weiterer Merkmale des Verfahrens 10b und der Brennstoffzellenvorrichtung 12b sei auf die 1 bis 6 sowie deren Beschreibung verwiesen.
10 zeigt einen Regelkreis eines Verfahren 10c zur Regelung einer Brennstoffzellenvorrichtung 12c. Für Details der Brennstoffzellenvorrichtung 12c sei auf 1 verwiesen. In zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens 10c wird zumindest ein Abgasmesswert 14c einer Zusammensetzung eines Abgases der Brennstoffzellenvorrichtung 12c erfasst. In zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens 10c wird eine Brennstoffströmungsrate durch die Brennstoffzellenvorrichtung 12c in Abhängigkeit von einer von dem Abgasmesswert 14c abhängigen Regelgröße 16c eingestellt. Die Regelgröße 16c ist vorzugsweise eine systemweite Brennstoffnutzung FU_sys der Brennstoffzellenvorrichtung 12c. In einem FU-Istwertermittlungsschritt 66c des Verfahrens 10c wird ein Istwert der Regelgröße 16c ermittelt, indem eine Analysefunktion ausgewertet wird, welche den Abgasmesswert 14c direkt mit der Regelgröße 16c korreliert. Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10c eine Vorsteuerung 86c, welche einen Vorsteuerwert der Brennstoffströmungsrate in Abhängigkeit von einem FU-Sollwert 70c der Regelgröße 16c vorgibt. Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10c eine Regelungsphase 84c, welche eine von einer FU-Regeldifferenz 68c abhängige Korrektur der Brennstoffströmungsrate ausgibt. Eine Regeleinheit 28c der Brennstoffzellenvorrichtung 12c umfasst beispielsweise ein regelungstechnisches Proportionalglied, ein regelungstechnisches Differentialglied und/oder ein regelungstechnisches Integralglied, um die Regelungsphase 84c auszuführen. Vorzugsweise wird die Brennstoffzellenvorrichtung 12c, insbesondere eine Brennstofffördereinheit 38c der Brennstoffzellenvorrichtung 12c, in Abhängigkeit von einer Summe aus dem Vorsteuerwert und der Korrektur eingestellt.
Bezüglich weiterer Merkmale des Verfahrens 10c und der Brennstoffzellenvorrichtung 12c sei auf die 1 bis 9 sowie deren Beschreibung verwiesen. Insbesondere stellt das Verfahren 10c eine Erweiterung des in 9 beschrieben Verfahrens 10b dar.
11 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 10d zur Regelung einer Brennstoffzellenvorrichtung 12d. Für Details der Brennstoffzellenvorrichtung 12d sei auf 1 verwiesen. In zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens 10d wird zumindest ein Abgasmesswert 14d, bevorzugt ein Pumpstrom I_Pump einer Lambdasonde 18d der Brennstoffzellenvorrichtung 12d, einer Zusammensetzung eines Abgases der Brennstoffzellenvorrichtung 12d erfasst. In zumindest einem Stellschritt 60d, 74d des Verfahrens 10d wird eine Brennstoffströmungsrate durch die Brennstoffzellenvorrichtung 12d in Abhängigkeit von einer von dem Abgasmesswert 14d abhängigen Regelgröße 16d eingestellt. Als Regelgröße 16d wird in dem Verfahren 10d vorzugsweise eine systemweite Brennstoffnutzung FU_sys genutzt. In zumindest einem FU-Istwertermittlungsschritt 66d des Verfahrens 10d wird ein Istwert der Regelgröße 16d ermittelt, indem eine Analysefunktion ausgewertet wird, welche den Abgasmesswert 14d direkt mit der Regelgröße 16d korreliert. Vorzugsweise ist die Analysefunktion unabhängig von einem Brennstoffparameter des Brennstoffs. Bevorzugt wertet eine Regeleinheit 28d der Brennstoffzellenvorrichtung 12b in dem FU-Istwertermittlungsschritt 66d den folgenden Ausdruck als Analysefunktion aus: $F U_{s y s} = a_{1} + a_{2} \cdot I_{P}_{u m p} + a_{3} \cdot T_{a b} + a_{5} \cdot I_{P u m p} \cdot T_{a b} + a_{8} \cdot I_{P u m p}^{2}$
wobei a₁, a₂, a₃, a₅, a₈ Analysekoeffizienten sind und T_ab eine Abgastemperatur des Abgases ist.
Vorzugsweise wird in einem weiteren FU-Istwertermittlungsschritt 98d des Verfahrens 10d ein weiterer Istwert der Regelgröße 16d ermittelt, indem eine weitere Analysefunktion ausgewertet wird, welche den Abgasmesswert 14d direkt mit der Regelgröße 16d korreliert. Vorzugsweise ist die weitere Analysefunktion abhängig von dem Brennstoffparameter des Brennstoffs. Bevorzugt wertet die Regeleinheit 28d der Brennstoffzellenvorrichtung 12b in dem weiteren FU-Istwertermittlungsschritt 98d den folgenden Ausdruck als weitere Analysefunktion aus: $\begin{array}{l} F U_{s y s} = b_{1} + b_{2} \cdot I_{P u m p} + b_{3} \cdot T_{a b} + b_{4} \cdot \frac{H}{C} + b_{5} \cdot I_{P u m p} \cdot T_{a b} \\ + b_{6} \cdot I_{P u m p} * \frac{H}{C} + b_{7} \cdot T_{a b} * \frac{H}{C} + b_{8} \cdot I_{P u m p}^{2} \end{array}$
Wobei b₁ bis b₈ Analysekoeffizienten und $\frac{H}{C}$
den Brennstoffparameter als Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis des Brennstoffs bezeichnet. Vorzugsweise sind die Analysekoeffizienten a₁, a₂, a₃, a₅, a₈ der Analysefunktion und die Analysekoeffizienten b₁ bis b₈ der weiteren Analysefunktion in einem Speicher der Regeleinheit 28d hinterlegt. Vorzugsweise wählt die Regeleinheit 28d zur Ermittlung des Istwerts der Regelgröße 16d die Analysefunktion aus, wenn der Brennstoffparameter nicht zur Verfügung steht. Vorzugsweise wählt die Regeleinheit 28d, zur Ermittlung des Istwerts der Regelgröße 16d die weitere Analysefunktion aus, wenn der Brennstoffparameter zur Verfügung steht. Optional fragt die Regeleinheit 28d den Brennstoffparameter von einem Bediener der Brennstoffzellenvorrichtung 12d oder einem externen Gasanalysegerät ab.
In zumindest einem Betriebsmodus der Regeleinheit 28d ermittelt die Regeleinheit 28d den Brennstoffparameter des zu dem Abgas umgesetzten Brennstoffs im Zuge der Regelung iterativ. Eine Regelschleife des Verfahrens 10d umfasst vorzugsweise einen der FU-Istwertermittlungsschritte 66d, 98d, eine Ermittlung einer FU-Regeldifferenz 68d und zumindest einen der Stellschritte 60d, 74d. Beispielsweise verwendet die Regeleinheit 28d in einem ersten Durchlauf der Regelschleife des Verfahrens 10d die Analysefunktion oder die weitere Analysefunktion und einen in einem Speicher der Regeleinheit 28d hinterlegten Standardwert des Brennstoffparameters. Vorzugsweise ermittelt die Regeleinheit 28d zur Ermittlung einer Stellgröße der Regelung einen Iterationswert des Brennstoffparameters. Vorzugsweise setzt die Regeleinheit 28d in einem weiteren Durchlauf der Regelschleife des Verfahrens 10d in dem weiteren FU-Istwertermittlungsschritt 98d den Iterationswert des Brennstoffparameters in die weitere Analysefunktion ein, um den Istwert der Regelgröße 16d zu ermitteln. Insbesondere dadurch und/oder durch die Ermittlung zumindest eines weiteren Brennstoffparameters, beispielsweise einer Wärmekapazität, des Brennstoffs im Zuge der Regelung, wird eine Abhängigkeit der zumindest einen Stellgröße der Regelung von der Regelgröße 16d, insbesondere iterativ, angepasst.
Ist die FU-Regeldifferenz 68d aus dem ermittelten Istwert der Regelgröße 16d und einem FU-Sollwert 70d größer als eine Toleranz, führt die Regeleinheit 28d vorzugsweise eine Reihe von im Folgenden beschriebenen Stellgrößenermittlungsschritten aus, um die Stellgröße zu ermitteln.
Vorzugsweise verwendet die Regeleinheit 28d als Eingangsgröße zur Ermittlung der Stellgröße einen von einer Brennstoffzelleneinheit 30d der Brennstoffzellenvorrichtung 12d bereitgestellten elektrischen Leistungsparameter 76d. Der elektrische Leistungsparameter 76d wird vorzugsweise als Stackstrom I_stk, beispielsweise von einem Inverter oder einem Amperemeter der Brennstoffzellenvorrichtung 12d, erfasst. Vorzugsweise verwendet die Regeleinheit 28d als Eingangsgröße zur Ermittlung der Stellgröße einen Brennstoffströmungsparameter 88d des Brennstoffstoffs. Der Brennstoffströmungsparameter 88d wird vorzugsweise als Brennstoffvolumenstrom V̇_BS, beispielsweise von einem Durchflussmesser der Brennstoffzellenvorrichtung 12d, erfasst.
Vorzugsweise ist in einem Speicher der Regeleinheit 28d ein lokaler FU-Sollwert 92d hinterlegt, welcher einen Sollwert einer lokalen Brennstoffnutzung FU_stk der Brennstoffzelleneinheit 30d vorgibt. Der FU-Sollwert 70d der systemweiten Brennstoffnutzung FU_sys und/oder der lokale FU-Sollwert 92d können/kann als Wert oder als Rechenvorschrift hinterlegt sein, beispielsweise zur Festlegung des FU-Sollwerts 70d und/oder des lokalen FU-Sollwerts 92d in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennstoffzellenvorrichtung 12d. Beispielsweise ist der FU-Sollwert 70d ein Wert zwischen 75% und 95%, bevorzugt zwischen 80% und 90%. Der lokale FU-Sollwert 92d ist vorzugsweise kleiner als der FU-Sollwert 70d. Der lokale FU-Sollwert 92d ist vorzugsweise ein Wert zwischen 50% und 80%, bevorzugt zwischen 60% und 70%. Vorzugsweise ist in einem Speicher der Regeleinheit 28d ein Rezirkulationssollwert 94d hinterlegt, welcher einen Sollwert einer Rezirkulationsrate des Abgases durch eine Rezirkulationsleitung 44d der Brennstoffzellenvorrichtung 12d vorgibt. Der Rezirkulationssollwert 94d kann als Wert oder als Rechenvorschrift hinterlegt sein, beispielsweise zur Festlegung des Rezirkulationssollwerts 94d in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennstoffzellenvorrichtung 12d, insbesondere in Abhängigkeit von dem lokalen FU-Sollwert 92d und/oder dem FU-Sollwert 70d. Beispielsweise setzt die Regeleinheit 28d den Rezirkulationssollwert 94d anhand folgender Rechenvorschrift: $r_{s o l l} = \frac{F U_{s t k, s o l l} - F U_{s y s, s o l l}}{F U_{s y s, s o l l} \cdot (F U_{s t k, s o l l} - 1)}$
wobei r_soll der Rezirkulationssollwert 94d, FU_stk,soll der lokale FU-Sollwert 92d und FU_sys,soll der FU-Sollwert 70d ist. Vorzugsweise ist einem Speicher der Regeleinheit 28d ein Standardwert einer Brennstoffzusammensetzung 90d hinterlegt. Die Brennstoffzusammensetzung 90d ist beispielsweise gleich dem Brennstoffparameter, alternativ oder zusätzlich umfasst die Brennstoffzusammensetzung 90d mehrere Werte zur Beschreibung des Brennstoffs, insbesondere einen jeweiligen Stoffmengenanteil der Bestandteile des Brennstoffs. Vorzugsweise ist in einem Speicher der Regeleinheit 28d zumindest eine Kennlinie einer Brennstofffördereinheit 38d der Brennstoffzellenvorrichtung 12d und/oder zumindest eine Kennlinie 96d einer Rezirkulationsfördereinheit 46d der Brennstoffzellenvorrichtung 12d hinterlegt. Die Kennlinie 96d beschreibt insbesondere eine Druck-Volumenstrom-Abhängigkeit der Rezirkulationsfördereinheit 46d.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10d als Stellgrößenermittlungsschritt einen Elektronenstoffstrom-Ermittlungsschritt 100d, in welchem die Regeleinheit 28d einen Elektronenstoffstrom ṅ_Ke- des Brennstoffs ermittelt. Vorzugsweise ermittelt die Regeleinheit 28d den Elektronenstoffstrom ṅ_Ke- in Abhängigkeit von dem Istwert der Regelgröße 16d und von dem Leistungsparameter 76d. Beispielsweise ermittelt die Regeleinheit 28d den Elektronenstoffstrom ṅ_Ke- anhand der Rechenvorschrift: ${\dot{n}}_{K_{e} -} = \frac{I_{s t k} \cdot N_{Z e l l e n}}{F \cdot F U_{s y s}}$
wobei N_Zellen die Anzahl an Brennstoffzellen in der Brennstoffzelleneinheit 30d und F die Faraday-Konstante ist.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10d als Stellgrößenermittlungsschritt einen Elektronengaskoeffizient-Ermittlungsschritt 102d, in welchem die Regeleinheit 28d den Elektronengaskoeffizienten K_e- des Brennstoffs ermittelt. Beispielsweise ermittelt die Regeleinheit 28d den Elektronengaskoeffizienten K_e- mittels der Rechenvorschrift: $K_{e} - = \frac{{\dot{n}}_{K_{e} -}}{{\dot{n}}_{B S}}$
wobei ṅ_BS einen Brennstoffstoffstrom des Brennstoffs bezeichnet. Optional umfasst das Verfahren 10d einen Konvertierungsschritt 104d, in welchem die Regeleinheit 28d den Brennstoffströmungsparameter 88d in den Brennstoffstoffstrom ṅ_BS umrechnet. Beispielsweise wird der Brennstoffströmungsparameter 88d als Volumenstrom, als Massenstrom oder Teilchenzahlstrom erfasst und von der Regeleinheit 28d in dem Konvertierungsschritt 104d mittels eines molaren Volumens des Brennstoffs, einer molaren Masse des Brennstoffs oder der Avogadrokonstante in den Brennstoffstoffstrom ṅ_BS umgerechnet. Die Regeleinheit 28d ermittelt den Brennstoffstoffstrom ṅ_BS insbesondere in Abhängigkeit von der Brennstoffzusammensetzung 90d. Alternativ wird der Brennstoffströmungsparameter 88d direkt als Brennstoffstoffstrom ṅ_BS erfasst.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10d als Stellgrößenermittlungsschritt einen Veränderungskoeffizient-Ermittlungsschritt 106d, in welchem die Regeleinheit 28d einen Veränderungskoeffizient K_Δ des molaren Stoffstroms in Abhängigkeit des Elektronengaskoeffizienten K_e- des Brennstoffs ermittelt. Der Veränderungskoeffizient K_Δ beschreibt vorzugsweise eine Änderung des molaren Stoffstroms des Brennstoffs, welche durch einen Reformer 42d der Brennstoffzellenvorrichtung 12d und durch die Brennstoffzelleneinheit 30d hervorgerufen wird. Vorzugsweise ist in der Regeleinheit 28d eine Änderungsanalysefunktion, insbesondere eine Änderungsregressionsfunktion, hinterlegt, mittels welcher die Regeleinheit 28d den Veränderungskoeffizient K_Δ ermittelt. Der Veränderungskoeffizient K_Δ kann ausgedrückt werden, als Summe über die Produkte aus Stoffmengenanteilen und Stoffstromänderung der Bestandteile des Brennstoffs, welche zur Ermittlung der Änderungsanalysefunktion beispielsweise auf einem Prüfstand erfasst werden können. Die Änderungsanalysefunktion ist vorzugsweise als Funktion des Elektronengaskoeffizienten K_e- in der Regeleinheit 28d hinterlegt. Die Änderungsanalysefunktion ist beispielsweise ein Polynom erster Ordnung, zweiter Ordnung oder höherer Ordnung in dem Elektronengaskoeffizienten K_e-. Alternativ ist die Änderungsanalysefunktion eine Potenzfunktion in dem Elektronengaskoeffizienten K_e-, wobei ein Exponent des Elektronengaskoeffizienten K_e-mittels Regression bestimmt wird. Vorzugsweise ist das Bestimmtheitsmaß (R²) der Änderungsanalysefunktion größer als 0,9, bevorzugt größer als 0,99, besonders bevorzugt größer als 0,993, optional größer als 0,995.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10d als Stellgrößenermittlungsschritt einen Sauerstoff-Kohlenstoff-Hybridkoeffizient-Ermittlungsschritt 108d, in welchem die Regeleinheit 28d einen Hybridkoeffizienten K_Φ des Brennstoffs ermittelt. Der Sauerstoff-Kohlenstoff-Hybridkoeffizient K_Φ fasst vorzugsweise einen Kohlenstoffanteil, einen Sauerstoffanteil und/oder ein Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis des Brennstoffs zusammen. Vorzugsweise ermittelt die Regeleinheit 28d den Sauerstoff-Kohlenstoff-Hybridkoeffizienten K_Φ anhand einer der folgenden Rechenvorschriften: $K_{Φ} = \frac{K_{e^{-}} \cdot F U_{s y s, s o l l} - K_{e^{-}} \cdot F U_{s t k, s o l l}}{2 (1 - F U_{s t k, s o l l})} = \frac{\frac{I_{s t k} \cdot N_{Z e l l e n}}{F \cdot {\dot{n}}_{B S}} - K_{e^{-}} \cdot F U_{s t k, s o l l}}{2 (1 - F U_{s t k, s o l l})}$
Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10d als Stellgrößenermittlungsschritt einen Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis-Ermittlungsschritt 110d, in welchem die Regeleinheit 28d ein Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis Φ = (K_Φ + K_O)/K_C des Brennstoffs ermittelt, wobei K_O ein molarer Anteil an Sauerstoffatomen in dem Brennstoff und K_C ein molarer Anteil an Kohlenstoffatomen in dem Brennstoff bezeichnet. Vorzugsweise ermittelt die Regeleinheit 28d das Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis Φ mittels der Rechenvorschrift: $Φ = \frac{K_{Φ} - c_{1} - c_{2} * K_{e} -}{c_{3} + c_{4} \cdot K_{e} -}$
wobei c₁ bis c₄ Regressionsfaktoren einer Hybridanalysefunktion K_Φ,regr sind, welche in einem Speicher der Regeleinheit 28d hinterlegt sind. Die Hybridanalysefunktion K_Φ,regr gibt vorzugsweise den Sauerstoff-Kohlenstoff-Hybridkoeffizienten als, insbesondere lineare, Funktion des Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnisses Φ und der Elektronengaskoeffizienten K_e- aus. Vorzugsweise weist die Hybridanalysefunktion K_Φ,regr folgende Form auf: $K_{Φ, regr} = c_{1} + c_{2} \cdot K_{e} - + c_{3} \cdot Φ+ c_{4} \cdot Φ \cdot K_{e} -$
Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10d als Stellgrößenermittlungsschritt einen Kohlenstoffatomanteil-Ermittlungsschritt 112d, in welchem die Regeleinheit 28d den molaren Anteil K_C an Kohlenstoffatomen in dem Brennstoff ermittelt. Vorzugsweise ermittelt die Regeleinheit 28d den molaren Anteil K_C an Kohlenstoffatomen in Abhängigkeit von dem Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis Φ und dem Veränderungskoeffizient K_Δ. Insbesondere ermittelt die Regeleinheit 28d den molaren Anteil K_C an Kohlenstoffatomen gemäß der Rechenvorschrift: $K_{C} = \frac{K_{Φ} - K_{Δ}}{Φ - 2}$
Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10d als Stellgrößenermittlungsschritt einen Sauerstoffatomanteil-Ermittlungsschritt 114d, in welchem die Regeleinheit 28d den molaren Anteil K_O an Sauerstoffatomen in dem Brennstoff ermittelt. Vorzugsweise ermittelt die Regeleinheit 28d den molaren Anteil K_O an Sauerstoffatomen in Abhängigkeit von dem Veränderungskoeffizient K_Δ. Insbesondere falls der Veränderungskoeffizient K_Δ zumindest mittels eines quadratischen Polynoms oder einer Potenzfunktion als Koeffizientanalysefunktion ermittelt wird, ermittelt die Regeleinheit 28d den molaren Anteil K_O an Sauerstoffatomen gemäß der Rechenvorschrift: $K_{O} = 2 \cdot K_{C} - K_{Δ}$
Alternativ ermittelt die Regeleinheit 28d den molaren Anteil K_O an Sauerstoffatomen in Abhängigkeit von dem Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis Φ, beispielsweise gemäß: $K_{O} = Φ \cdot K_{C} - K_{Φ}$
Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10d als Stellgrößenermittlungsschritt einen Wasserstoffatomanteil-Ermittlungsschritt 116d, in welchem die Regeleinheit 28d einen molaren Anteil K_H an Wasserstoffatomen in dem Brennstoff ermittelt. Vorzugsweise ermittelt die Regeleinheit 28d den molaren Anteil K_H an Wasserstoffatomen in Abhängigkeit von den molaren Anteilen K_C, K_O an Kohlenstoffatomen und Sauerstoffatomen und dem Elektronengaskoeffizienten K_e-, insbesondere gemäß: $K_{H} = K_{e^{-}} - 4 K_{C} + K_{O}$
Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10d als Stellgrößenermittlungsschritt einen Brennstoffparameter-Ermittlungsschritt 118d, in welchem die Regeleinheit 28d ein Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnis H/C als Brennstoffparameter ermittelt. Vorzugsweise ermittelt die Regeleinheit 28d den Brennstoffparameter mittels Division den molaren Anteil K_H an Wasserstoff durch den molaren Anteil K_C an Kohlenstoff.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10d als Stellgrößenermittlungsschritt einen Inertgas-Ermittlungsschritt 120d, in welchem die Regeleinheit 28d einen molaren Inertgasanteil K_N, insbesondere einen molaren Stickstoffanteil, des Brennstoffs ermittelt. Vorzugsweise ermittelt die Regeleinheit 28d den Inertgasanteil K_N mittels einer Summe über die Stoffmengenanteile aller Bestandteile des Brennstoffs, beispielsweise anhand von: $1 = \frac{K_{H}}{2} - K_{C} + K_{O} + \frac{K_{N}}{2}$
Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10d als Stellgrößenermittlungsschritt einen Brennstoffmassen-Ermittlungsschritt 122d, in welchem die Regeleinheit 28d eine molare Masse M_BS des Brennstoffs ermittelt. Vorzugsweise ermittelt die Regeleinheit 28d die molare Masse M_BS des Brennstoffs durch Summieren der Produkte aus molarer Masse und molarem Anteil an Atomspezies in dem Brennstoff. Die molare Masse der in dem Brennstoff enthaltenen Atomspezies ist vorzugsweise in dem Speicher der Regeleinheit 28d hinterlegt. Beispielsweise ermittelt die Regeleinheit 28d die molare Masse M_BS des Brennstoffs anhand der folgenden Rechenvorschrift: $M_{B S} = M_{H} \cdot K_{H} + M_{O} \cdot K_{O} + M_{C} \cdot K_{C} + M_{N} \cdot K_{N}$
wobei M_H die molare Masse von Wasserstoff, M_O die molare Masse von Sauerstoff, M_C die molare Masse von Kohlenstoff und M_N die molare Masse von Stickstoff ist. Vorzugsweise aktualisiert die Regeleinheit 28d einen Wert der molaren Masse M_BS des Brennstoffs, der in der Brennstoffzusammensetzung 90d enthalten ist und/oder von dem eine Größe der Brennstoffzusammensetzung 90d abhängig ist, mit dem in dem Brennstoffmassen-Ermittlungsschritt 122d ermittelten Wert der molaren Masse M_BS des Brennstoffs. Optional ermittelt die Regeleinheit 28d zumindest einen weiteren Brennstoffparameter des Brennstoffs, insbesondere eine molare Wärmekapazität, bevorzugt eine isobare molare Wärmekapazität, des Brennstoffs. Die Regeleinheit 28d ermittelt den weiteren Brennstoffparameter beispielsweise mittels Korrelation als Funktion der molaren Masse M_BS und/oder der molaren Anteile an Atomspezies des Brennstoffs. Vorzugsweise aktualisiert die Regeleinheit 28d einen Wert des weiteren Brennstoffparameters, der in der Brennstoffzusammensetzung 90d enthalten ist und/oder von dem eine Größe der Brennstoffzusammensetzung 90d abhängig ist, mit dem in dem Brennstoffmassen-Ermittlungsschritt 122d ermittelten Wert des weiteren Brennstoffparameters.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10d als Stellgrößenermittlungsschritt einen Brennstoff-Abgas-Massen-Ermittlungsschritt 124d, in welchem die Regeleinheit 28d eine molare Masse M_BAM eines Brennstoff-Abgas-Gemischs aus frischem Brennstoff und dem über die Rezirkulationsleitung 44d rückgespeisten Abgas ermittelt. Vorzugsweise ermittelt die Regeleinheit 28d die molare Masse M_BAM des Brennstoff-Abgas-Gemischs in Abhängigkeit von dem Rezirkulationssollwert 94d, beispielsweise anhand folgender Rechenvorschrift: $M_{B A M} = \frac{{\dot{n}}_{B S} \cdot M_{B S} + r_{s o l l} \cdot {\dot{n}}_{O_{2}, t r} \cdot M_{O_{2}}}{{\dot{n}}_{B S} \cdot (1 + r_{s o l l} \cdot K_{Δ})}$
wobei M_O2 die molare Masse von Sauerstoffmolekülen und ṅ_O2,tr ein Stoffstrom an Sauerstoffmolekülen ist, welche innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 30d von einer Sauerstoffelektrode 32d zu einer Brennstoffelektrode 34d der Brennstoffzelleneinheit 30d übertreten. Der Stoffstrom ṅ_O2,tr an Sauerstoffmolekülen wird von der Regeleinheit 28d vorzugsweise in einem Sauerstoffübertritt-Ermittlungsschritt 126d des Verfahrens 10d in Abhängigkeit von dem elektrischen Leistungsparameter 76d ermittelt, beispielsweise anhand der Rechenvorschrift: ${\dot{n}}_{O_{2}, t r} = \frac{I_{s t k} \cdot N_{Z e l l e n}}{4 \cdot F}$
Optional ermittelt die Regeleinheit 28d eine molare Wärmekapazität, bevorzugt eine isobare molare Wärmekapazität, des Abgases, insbesondere unmittelbar stromaufwärts der Rezirkulationsfördereinheit 46d. Die Regeleinheit 28d ermittelt vorzugsweise eine molare Masse des Abgases, um die molare Wärmekapazität des Abgases beispielsweise mittels Korrelation als Funktion der molaren Masse des Abgases zu ermitteln.
Vorzugsweise aktualisiert die Regeleinheit 28d einen Wert der molare Masse M_BAM des Brennstoff-Abgas-Gemischs, einen Wert der molare Wärmekapazität des Abgases und/oder einen Wert der molare Masse des Abgases, von denen/dem die Kennlinie 96d der Rezirkulationsfördereinheit 46d abhängig ist, mit dem in dem Brennstoff-Abgas-Massen-Ermittlungsschritt 124d ermittelten Wert der molare Masse M_BAM des Brennstoff-Abgas-Gemischs, dem in dem Brennstoff-Abgas-Massen-Ermittlungsschritt 124d ermittelten Wert der molaren Wärmekapazität des Abgases beziehungsweise dem in dem Brennstoff-Abgas-Massen-Ermittlungsschritt 124d ermittelten Wert der molare Masse des Abgases.
In dem FU-Stellschritt 74d ermittelt die Regeleinheit 28d vorzugsweise einen Sollwert ṅ_BS,soll der Brennstoffströmungsrate, insbesondere in Form eines Stoffstroms. Die Regeleinheit 28d stellt die Brennstofffördereinheit 38d vorzugsweise in Abhängigkeit von dem Sollwert ṅ_BS,soll der Brennstoffströmungsrate ein. Die Regeleinheit 28d ermittelt den Sollwert der Brennstoffströmungsrate vorzugsweise in Abhängigkeit von dem FU-Sollwert 70d, beispielsweise anhand der Rechenvorschrift: ${\dot{n}}_{B S, s o l l} = \frac{I_{s t k} \cdot N_{Z e l l e n}}{F \cdot K_{e} - \cdot F U_{s y s, s o l l}}$
In dem Stellschritt 60d ermittelt die Regeleinheit 28d vorzugsweise einen Sollwert ṅ_BAM,soll einer Mischungsströmungsrate, insbesondere in Form eines Stoffstroms, des Brennstoff-Abgas-Gemischs durch die Brennstoffzelleneinheit 30d, insbesondere bei Eintritt des Brennstoff-Abgas-Gemischs in einen Reformer 42d der Brennstoffzellenvorrichtung 12d. Die Regeleinheit 28d stellt die Rezirkulationsfördereinheit 46d vorzugsweise in Abhängigkeit von dem Sollwert ṅ_BAM,soll der Mischungsströmungsrate des Brennstoff-Abgas-Gemischs ein. Die Regeleinheit 28d ermittelt den Sollwert der Abgasströmungsrate vorzugsweise in Abhängigkeit von dem Rezirkulationssollwert 94d (r_soll) und dem Sollwert ṅ_BS,soll der Brennstoffströmungsrate, beispielsweise anhand der Rechenvorschrift: ${\dot{n}}_{B A M, s o l l} = {\dot{n}}_{B S, s o l l} \cdot \frac{1 - r_{s o l l} \cdot K_{Δ}}{1 - r_{s o l l}}$
Optional ermittelt die Regeleinheit 28d eine Rezirkulationsströmungsrate, insbesondere in Form eines Stoffstroms, des Abgases durch die Rezirkulationsleitung 44d mittels einer Korrelation zu der Brennstoffzusammensetzung 90d und einer Zusammensetzung des Brennstoff-Abgas-Gemischs basierend auf der Kennlinie 96d der Rezirkulationsfördereinheit 46d, um die Rezirkulationsrate zu bestimmen und in Abhängigkeit davon die Rezirkulationsfördereinheit 46d anzusteuern.
Die Regelschleife wird vorzugsweise solange wiederholt, bis die FU-Regeldifferenz 68d kleiner als die Toleranz ist.
12 zeigt ein schematisches Punktdiagramm, in welchem Funktionswerte FU_sys,regr der von dem Brennstoffparameter abhängigen weiteren FU-Analysefunktion der systemweiten Brennstoffnutzung FU_sys Referenzwerten 52d der systemweiten Brennstoffnutzung FU_sys gegenübergestellt werden. Für eine Darstellung der von dem Brennstoffparameter unabhängigen FU-Analysefunktion sei auf die 7 und 8 verwiesen. Eine Verteilung von Wertepaaren um die weitere FU-Analysefunktion weist vorzugsweise eine Schwankungsbreite von weniger als 2 %, bevorzugt von weniger als 1 %, besonders bevorzugt von 0,6 % oder weniger auf.
Bezüglich weiterer Merkmale der Brennstoffzellenvorrichtung 12d und des Verfahrens 10d sei auf die 1 bis 10 sowie deren Beschreibung verwiesen. Das Verfahren 10d ist insbesondere nicht auf eine Regelung der systemweiten Brennstoffnutzung beschränkt. Beispielsweise kann anstelle der systemweiten Brennstoffnutzung wie oben beschrieben der Wasserstoffgehalt als Regelgröße verwendet werden, insbesondere um die Rezirkulationsrate, insbesondere vorteilhaft schnell und direkt, einzustellen.
13 zeigt eine Brennstoffzellenvorrichtung 12e. Die Brennstoffzellenvorrichtung 12e umfasst zumindest eine Regeleinheit 28e. Die Regeleinheit 28e ist zu einer Durchführung eines Verfahrens 10e vorgesehen, das in der nachfolgenden 14 näher erläutert wird. Die Brennstoffzellenvorrichtung 12e umfasst zumindest eine Sensoreinheit zu einer Erfassung eines Abgasmesswerts 14e (vgl. 14). Die Sensoreinheit umfasst vorzugsweise eine weitere Lambdasonde 26e. Eine Messstelle der weiteren Lambdasonde 26e ist vorzugsweise bezogen auf ein Nachbrennerabgas eines Nachbrenners 24e der Brennstoffzellenvorrichtung 12e stromabwärts des Nachbrenners 24e angeordnet. Bevorzugt ist die Messtelle der weiteren Lambdasonde 26e bezogen auf das Nachbrennerabgas des Nachbrenners 24e stromabwärts eines Abgas-Brennstoff-Wärmeübertragers 50e und/oder eines Abgas-Sauerstoff-Wärmeübertragers 48e der Brennstoffzellenvorrichtung 12e angeordnet.
14 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens 10e zur Regelung einer Brennstoffzellenvorrichtung 12e. Für Details der Brennstoffzellenvorrichtung 12e sei auf 1 verwiesen. In zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens 10e wird zumindest ein Abgasmesswert 14e, bevorzugt ein Pumpstrom I_Pump einer Lambdasonde 18e der Brennstoffzellenvorrichtung 12e, einer Zusammensetzung eines Abgases der Brennstoffzellenvorrichtung 12e erfasst. In zumindest einem Stellschritt 60e, 74e des Verfahrens 10e wird eine Brennstoffströmungsrate durch die Brennstoffzellenvorrichtung 12e in Abhängigkeit von einer von dem Abgasmesswert 14e abhängigen Regelgröße 16e eingestellt. Als Regelgröße 16e wird in dem Verfahren 10e vorzugsweise eine systemweite Brennstoffnutzung FU_sys genutzt. In zumindest einem FU-Istwertermittlungsschritt 66e des Verfahrens 10e wird ein Istwert der Regelgröße 16e ermittelt, indem eine Analysefunktion ausgewertet wird, welche den Abgasmesswert 14e direkt mit der Regelgröße 16e korreliert.
Zumindest ein weiterer Abgasmesswert 22e wird erfasst, um einen einzustellenden Wert der Brennstoffströmungsrate zu ermitteln. Der weitere Abgasmesswert 22e wird mittels der weiteren Lambdasonde 26e erfasst. Der weitere Abgasmesswert 22e wird stromabwärts des Nachbrenners 24e der Brennstoffzellenvorrichtung 12e erfasst. Der weitere Abgasmesswert 22e ist vorzugsweise ein Pumpstrom einer Pumpzelle der weiteren Lambdasonde 26e. Das Verfahren 10e umfasst vorzugsweise einen Sauerstoffermittlungsschritt 128e, in welchem die Regeleinheit 28e einen Sauerstoffgehalt x_O2,ab von molekularem Sauerstoff in dem Nachbrennerabgas in Abhängigkeit von dem weiteren Abgasmesswert 22e ermittelt. Alternativ gibt die Lambdasonde 26e die Sauerstoffgehalt x_O2,ab unmittelbar aus.
Vorzugsweise ermittelt die Regeleinheit 28e einen Sollwert ṅ_BS,soll der Brennstoffströmungsrate und oder die Brennstoffströmungsrate, insbesondere als Brennstoffstoffstrom ṅ_BS, in Abhängigkeit von der Sauerstoffgehalt x_O2,ab des Nachbrennerabgases. Vorzugsweise setzt die Regeleinheit 28e den Sollwert ṅ_BS,soll der Brennstoffströmungsrate in dem Stellschritt 74e gemäß folgender Rechenvorschrift fest: ${\dot{n}}_{B S, s o l l} = {\dot{n}}_{S F} \cdot (\frac{x_{O_{2}, e i n}}{ξ \cdot x_{O_{2}, a b}} - 1) - \frac{I_{s t k} \cdot N_{Z e l l e n}}{4 \cdot F} \cdot \frac{1}{ξ \cdot x_{O_{2}, a b} \cdot F U_{s y s, s o l l}}$
wobei ṅ_SF ein Eingangsstoffstrom eines sauerstoffhaltigen Fluids zu einer Sauerstoffelektrode 32e einer Brennstoffzelleneinheit 30e der Brennstoffzellenvorrichtung 12e und x_O2,ein ein Eingangsgehalt von molekularem Sauerstoff in dem sauerstoffhaltigen Fluid und ξ eine Stoffmengenänderung des Nachbrennerabgases relativ zu einer Stoffmenge des Brennstoffs und des sauerstoffhaltigen Fluids ist. Der Eingangsstoffstrom ṅ_SF des sauerstoffhaltigen Fluids wird vorzugsweise mit einem Durchflussmesser der Brennstoffzellenvorrichtung 12e erfasst. Der Eingangsgehalt x_O2,ein vom molekularen Sauerstoff in dem sauerstoffhaltigen Fluid ist vorzugsweise in einem Speicher der Regeleinheit 28e hinterlegt. Alternativ umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12e zumindest einen Sauerstoffsensor zur Erfassung des Eingangsgehalts x_O2,ein. Die Stoffmengenänderung ξ kann ausgedrückt werden als ein Nachbrennerabgasstoffstrom des Nachbrennerabgases dividiert durch die Summe aus der Brennstoffströmungsrate und dem Eingangsstoffstrom ṅ_SF des sauerstoffhaltigen Fluids. Die Stoffmengenänderung ξ des Nachbrennerabgases ist abhängig von einer Brennstoffzusammensetzung 90e. Vorzugsweise ist ein Startwert der Stoffmengenänderung ξ des Nachbrennerabgases, beispielsweise ξ = 1, in einem Speicher der Regeleinheit 28e hinterlegt, insbesondere zusammen mit der Brennstoffzusammensetzung 90e. Vorzugsweise aktualisiert die Regeleinheit 28e die Stoffmengenänderung ξ im Zuge der Regelung, insbesondere in Abhängigkeit von einer ermittelten molaren Masse des Brennstoffs.
Vorzugsweise ermittelt die Regeleinheit 28e in einem Konvertierungsschritt 104e den Brennstoffstoffstrom ṅ_BS in Abhängigkeit von dem Sauerstoffgehalt x_O2,ab des Nachbrennerabgases, beispielsweise anhand folgender Rechenvorschrift: ${\dot{n}}_{B S} = {\dot{n}}_{S F} \cdot (\frac{x_{O_{2}, e i n}}{ξ \cdot x_{O_{2}, a b}} - 1) - \frac{I_{s t k} \cdot N_{Z e l l e n}}{4 \cdot F} \cdot \frac{1}{ξ \cdot x_{O_{2}, a b} \cdot F U_{s y s, s o l l}}$
Alternativ oder zusätzlich wird der Brennstoffstoffstrom ṅ_BS, insbesondere in Form eines Volumenstroms, von einem Durchflussmesser der Brennstoffzellenvorrichtung 12e erfasst. Der Abgasmesswert 14e, der weitere Abgasmesswert 22e und/oder ein Ergebnis der Analysefunktion wird optional mittels eines maschinellen Lernprozesses, insbesondere wie bereits weiter oben beschrieben, korrigiert.
Bezüglich weiterer Merkmale der Brennstoffzellenvorrichtung 12e sei auf die 1 und deren Beschreibung verwiesen. Bezüglich weiterer Merkmale des Verfahrens 10e sei auf die 2 bis 12 sowie deren Beschreibung verwiesen.
15 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 10f zur Regelung einer Brennstoffzellenvorrichtung 12f. Für Details der Brennstoffzellenvorrichtung 12f sei auf 1 verwiesen. In zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens 10f wird zumindest ein Abgasmesswert 14f einer Zusammensetzung eines Abgases der Brennstoffzellenvorrichtung 12f, bevorzugt in Form eines Pumpstroms I_Pump einer Lambdasonde 18f der Brennstoffzellenvorrichtung 12f, erfasst. In zumindest einem Stellschritt 60f des Verfahrens 10f wird eine Brennstoffströmungsrate durch die Brennstoffzellenvorrichtung 12f in Abhängigkeit von einer von dem Abgasmesswert 14f abhängigen Regelgröße 16f eingestellt. In zumindest einem Leistungsstellschritt 160f des Verfahrens 10f wird vorzugsweise ein elektrischer Leistungsparameter 76f einer Brennstoffzelleneinheit 30f der Brennstoffzellenvorrichtung 12f in Abhängigkeit von der von dem Abgasmesswert 14f abhängigen Regelgröße 16f eingestellt. Vorzugsweise ist der elektrische Leistungsparameter 76f gleich einem von einer Brennstoffzelleneinheit 30f der Brennstoffzellenvorrichtung 12f bereitgestellten elektrischen Stackstrom I_stk. Der Leistungsparameter 76f wird beispielsweise von einem Inverter oder einem regelbaren Widerstand der Brennstoffzellenvorrichtung 12f eingestellt. Als Regelgröße 16f wird in dem Verfahren 10f vorzugsweise ein Wasserstoffgehalt x_H2 genutzt. In zumindest einem Istwertermittlungsschritt 56f des Verfahrens 10f wird ein Istwert der Regelgröße 16f ermittelt, indem eine Analysefunktion ausgewertet wird, welche den Abgasmesswert 14f direkt mit der Regelgröße 16f korreliert.
Das Verfahren 10f umfasst vorzugsweise eine Betriebspunktregelung 130f. Die Betriebspunktregelung 130f ist dazu vorgesehen, den Istwert der Regelgröße 16f an einen Sollwert 58f der Regelgröße 16f anzugleichen. Die Betriebspunktregelung 130f stellt vorzugsweise die Brennstoffströmungsrate, insbesondere eine Zustromrate an frischem Brennstoff mittels einer Brennstofffördereinheit 38f der Brennstoffzellenvorrichtung 12f. Vorzugsweise ermittelt eine Regeleinheit 28f der Brennstoffzellenvorrichtung 12f (vgl. 1) einen einzustellenden Wert der Brennstoffströmungsrate durch Addieren eines Betriebspunktvorsteuerwerts 164f und eines Betriebspunktanpassungswerts 166f, wobei der Betriebspunktanpassungswert 166f vorzugsweise kleiner als der Betriebspunktvorsteuerwert 164f ist, insbesondere weniger als 20 %, bevorzugt weniger als 10 %, optional weniger als 5 % des Betriebspunktvorsteuerwerts 164f beträgt. Die Betriebspunktregelung 130f ermittelt vorzugsweise die Betriebspunktanpassung. Das Verfahren 10f umfasst vorzugsweise eine Betriebspunktvorsteuerung 132f zur Ermittlung des Betriebspunktvorsteuerwerts 164f. Der Betriebspunktvorsteuerwert 164f wird beispielsweise wie in der Beschreibung zu 11 beschrieben, insbesondere durch iterative Annäherung, ermittelt. Insbesondere umfasst die Betriebspunktvorsteuerung 132f einen Elektronengaskoeffizient-Ermittlungsschritt, einen Konvertierungsschritt, einen Veränderungskoeffizient-Ermittlungsschritt, einen Hybridkoeffizient-Ermittlungsschritt, einen Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis-Ermittlungsschritt, einen Kohlenstoffatomanteil-Ermittlungsschritt, einen Sauerstoffatomanteil-Ermittlungsschritt, einen Wasserstoffatomanteil-Ermittlungsschritt, einen Brennstoffparameter-Ermittlungsschritt, einen Inertgas-Ermittlungsschritt, einen Brennstoffmassen-Ermittlungsschritt, einen Brennstoff-Abgas-Massen-Ermittlungsschritt und/oder einen Sauerstoffübertritt-Ermittlungsschritt, wie sie in der Beschreibung zu 11 beschrieben werden und der Übersichtlichkeit halber hier nicht nochmals dargestellt werden. Vorzugsweise ermittelt die Regeleinheit 28f in einem Elektronenstoffstrom-Ermittlungsschritt 100f des Verfahrens 10f in Abhängigkeit von einer systemweiten Brennstoffnutzung der Brennstoffzellenvorrichtung 12f einen Elektronenstoffstrom ṅ_Ke- des Brennstoffs, wie dies beispielweise in der Beschreibung zu 11 erläutert wird. Die systemweiten Brennstoffnutzung ermittelt die Regeleinheit 28f beispielsweise durch Auswertung des Abgasmesswert 14f mit einer zusätzlichen Analysefunktion, welche den Abgasmesswert 14f mit der systemweiten Brennstoffnutzung korreliert, wie dies beispielweise in der Beschreibung zu 11 erläutert wird. Den Elektronenstoffstrom ṅ_Ke-übergibt die Regeleinheit 28f vorzugsweise an die Betriebspunktvorsteuerung 132f.
Das Verfahren 10f umfasst eine Gefahrenregelung 134f. Die Gefahrenregelung 134f ist dazu vorgesehen, einem Erreichen einer schädlichen Betriebsbedingung der Brennstoffzellenvorrichtung 12f entgegenzuwirken. Vorzugsweise ist die Gefahrenregelung 134f dazu vorgesehen, den Istwert der Regelgröße 16f oberhalb eines Wasserstoffgrenzwerts 136f zu halten, insbesondere unabhängig von dem Sollwert 58f der Betriebspunktregelung 130f. Die Gefahrenregelung 134f hat vorzugsweise eine kürzere Reaktionszeit als die Betriebspunktregelung 130f. Die Gefahrenregelung 134f stellt den Leistungsparameter 76f der Brennstoffzellenvorrichtung 12f ein. Vorzugsweise ermittelt eine Regeleinheit 28f der Brennstoffzellenvorrichtung 12f einen einzustellenden Wert des Leistungsparameters 76f durch Addieren eines Leistungsvorsteuerwerts 142f und eines Gefahrenanpassungswerts 162f, wobei der Gefahrenanpassungswert 162f vorzugsweise kleiner als der Leistungsvorsteuerwert 142f ist, insbesondere weniger als 20 %, bevorzugt weniger als 10 %, optional weniger als 5 % des Leistungsvorsteuerwerts 142f beträgt. Das Verfahren 10f umfasst vorzugsweise eine Leistungsvorsteuerung 168f zur Ermittlung des Vorsteuerwerts. Die Gefahrenregelung 134f ermittelt vorzugsweise den Gefahrenanpassungswert 162f.
16 zeigt ein Flussdiagramm der Gefahrenregelung 134f. Die Gefahrenregelung 134f weist als Eingabewert vorzugsweise den Istwert der Regelgröße 16f, den Wasserstoffgrenzwert 136f und optional den Leistungsvorsteuerwert 142f auf. Die Gefahrenregelung 134f weist als Ausgabewert vorzugsweise den Gefahrenanpassungswert 162f auf. Die Gefahrenregelung 134f bildet vorzugsweise eine Gefahrenregeldifferenz 138f aus dem Wasserstoffgrenzwert 136f und dem Istwert der Regelgröße 16f. Die Gefahrenregelung 134f umfasst vorzugsweise ein regelungstechnisches Proportionalitätsglied 140f. Das Proportionalitätsglied 140f beaufschlagt die Gefahrenregeldifferenz 138f vorzugsweise mit einem positiven Proportionalitätsfaktor K_P, welcher eine Änderungsrate des Leistungsparameters 76f in Abhängigkeit von der Regelgröße 16f ausdrückt. Der Proportionalitätsfaktor K_P kann beispielsweise als Differenzenquotient oder als Differential des Leistungsparameters 76f bezüglich der Regelgröße 16f ermittelt werden. Beispielsweise verwendet die Gefahrenregelung 134f den folgenden Proportionalitätsfaktor: $K_{P} = \frac{d I_{s t k}}{d x_{H_{2}}} = - \frac{F \cdot {\dot{n}}_{B S} \cdot K_{Δ}}{N_{Z e l l e n}} \cdot K_{A p p l i}$
wobei K_Appli ein anwendungsabhängiger Faktor ist, der beispielsweise von einem Bediener der Brennstoffzellenvorrichtung 12f festgelegt werden kann. Im einfachsten Fall ist K_Appli = 1. Die Gefahrenregelung 134f umfasst vorzugsweise eine Begrenzungsfilterung 148f, insbesondere ein dynamisches Sättigungsglied, welche die mit dem Proportionalitätsfaktor K_P beaufschlagte Gefahrenregeldifferenz 138f vor einer Ausgabe als Gefahrenanpassungswert 162f filtert und/oder begrenzt. Vorzugsweise verwendet die Gefahrenregelung 134f als obere Filtergrenze 146f der Begrenzungsfilterung 148f einen Wert von Null, sodass der Gefahrenanpassungswert 162f nur Null oder negativ sein kann. Hierdurch wird erreicht, dass die Gefahrensteuerung 134f einen Sauerstoffübertritt innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 30f nur verringern oder unverändert belassen kann, sodass sich der Wasserstoffgehalt x_H2 des Abgases erhöht und insbesondere oberhalb des Wasserstoffgrenzwerts 136f gehalten wird. Als untere Filtergrenze der Begrenzungsfilterung 148f wird vorzugsweise der mit einem Faktor -1 und/oder einem Anpassungs-Vorsteuerwert-Verhältnis 144f der Gefahrenregelung 134f beaufschlagte Leistungsvorsteuerwert 142f verwendet. Das Anpassungs-Vorsteuerwert-Verhältnis 144f legt insbesondere das oben angegebene Größenverhältnis des Gefahrenanpassungswerts 162f zu dem Leistungsvorsteuerwert 142f fest. Das Anpassungs-Vorsteuerwert-Verhältnis 144f wird vorzugsweise durch einen Bediener, Hersteller oder Monteur der Brennstoffzellenvorrichtung 12a, insbesondere anwendungsabhängig, in einem Speicher der Regeleinheit 28f hinterlegt. Die Gefahrenregelung 134f weist vorzugsweise eine Regelungszeit von unter 15 Sekunden, besonders bevorzugt von unter 10 Sekunden, besonders bevorzugt von unter 5 Sekunden, auf.
17 zeigt ein Flussdiagramm der Betriebspunktregelung 130f. Die Betriebspunktregelung 130f weist als Eingabewerte vorzugsweise den Istwert der Regelgröße 16f und den Sollwert 58f der Regelgröße 16f auf. Die Betriebspunktregelung 130f weist als Eingabewerte vorzugsweise den Betriebspunktvorsteuerwert 164f auf. Die Betriebspunktregelung 130f weist als Eingabewerte vorzugsweise einen Betriebspunktreferenzwert 158f auf. Der Betriebspunktreferenzwert 158f ist vorzugsweise ein Initialwert des Betriebspunktanpassungswerts 166f und wird beispielsweise in einem vorausgehenden Durchlauf der Betriebspunktregelung 130f festgelegt oder ist als vorgegebener Standardwert in einem Speicher der Steuer- oder Regelvorrichtung hinterlegt. Der Betriebspunktreferenzwert 158f ist in einem ersten Durchlauf der Betriebspunktregelung 130f vorzugsweise gleich Null. Die Betriebspunktregelung 130f weist als Ausgabewert vorzugsweise den Betriebspunktanpassungswert 166f auf. Optional wird der Betriebspunktanpassungswert 166f als neuer Betriebspunktreferenzwert 158f abgespeichert.
Die Betriebspunktregelung 130f bildet vorzugsweise eine Regeldifferenz 20f aus dem Sollwert 58f und dem Istwert der Regelgröße 16f. Die Betriebspunktregelung 130f umfasst vorzugsweise ein regelungstechnischen Integralglied 154f. Vor einer Übergabe an das Integralglied 154f, beaufschlagt die Betriebspunktregelung 130f die Regeldifferenz 20f vorzugsweise mit einem negativen Integrationskoeffizient 150f. Das Integralglied 154f ist vorzugsweise als diskreter Integrator ausgebildet. Das Integralglied 154f verarbeitet zusätzlich zu der Regeldifferenz 20f vorzugsweise den Betriebspunktreferenzwert 158f. Vorzugsweise limitiert die Betriebspunktregelung 130f einen maximalen Ausgabewert des Integralglieds 154f mit dem Betriebspunktvorsteuerwert 164f, welcher mit einem weiteren Anpassungs-Vorsteuerwert-Verhältnis 152f beaufschlagt wird. Das weitere Anpassungs-Vorsteuerwert-Verhältnis 152f legt insbesondere das oben angegebene Größenverhältnis des Betriebspunktanpassungswerts 166f zu dem Betriebspunktvorsteuerwert 164f fest. Vorzugsweise limitiert die Betriebspunktregelung 130f einen minimalen Ausgabewert des Integralglieds 154f mit dem Negativen des Betriebspunktvorsteuerwerts 164f, welcher mit dem weiteren Anpassungs-Vorsteuerwert-Verhältnis 152f oder einem von dem weiteren Anpassungs-Vorsteuerwert-Verhältnis 152f unterschiedlichen zusätzlichen Wert beaufschlagt wird.
Die Betriebspunktregelung 130f umfasst vorzugsweise eine Betriebspunktbegrenzungsfilterung 156f, insbesondere ein dynamisches Sättigungsglied, welche den Ausgabewert des Integralglieds 154f vor einer Ausgabe als Gefahrenanpassungswert 162f filtert und/oder begrenzt. Vorzugsweise verwendet die Betriebspunktregelung 130f als obere Filtergrenze der Betriebspunktbegrenzungsfilterung 156f den Betriebspunktvorsteuerwert 164f, welcher mit dem weiteren Anpassungs-Vorsteuerwert-Verhältnis 152f beaufschlagt wird. Als untere Filtergrenze der Betriebspunktbegrenzungsfilterung 156f wird vorzugsweise das Negative des Betriebspunktvorsteuerwerts 164f verwendet, welcher mit dem weiteren Anpassungs-Vorsteuerwert-Verhältnis 152f oder einem von dem weiteren Anpassungs-Vorsteuerwert-Verhältnis 152f unterschiedlichen zusätzlichen Wert beaufschlagt wird.
Bezüglich weiterer Merkmale der Brennstoffzellenvorrichtung 12f sei auf die 1 und deren Beschreibung verwiesen. Bezüglich weiterer Merkmale des Verfahrens 10f sei auf die 2 bis 14 sowie deren Beschreibung verwiesen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017222558 A1 [0001]
DE 102011088120 A1 [0039]

Claims

Verfahren zur Regelung einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Abgasmesswert (14a; 14b; 14c; 14d; 14e, 22e; 14f) einer Zusammensetzung eines Abgases der Brennstoffzellenvorrichtung erfasst wird, um eine Brennstoffströmungsrate durch die Brennstoffzellenvorrichtung und/oder einen elektrischen Leistungsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung in Abhängigkeit von einer von dem Abgasmesswert (14a; 14b; 14c; 14d; 14e, 22e; 14f) abhängigen Regelgröße (16a; 16b; 16c; 16d; 16e; 16f) einzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein Istwert der Regelgröße (16a; 16b; 16c; 16d; 16e) ermittelt wird, indem eine Analysefunktion ausgewertet wird, welche den Abgasmesswert (14a; 14b; 14c; 14d; 14e, 22e; 14f) direkt mit der Regelgröße (16a; 16b; 16c; 16d; 16e; 16f) korreliert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lambdasonde (18a; 18b; 18c; 18d; 18e; 18f) verwendet wird, um den Abgasmesswert (14a; 14b; 14c; 14d; 14e, 22e; 14f) zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysefunktion einen Wasserstoffgehalt (x_H2) des Abgases in Abhängigkeit von dem Abgasmesswert (14a; 14b; 14c; 14f) ausgibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysefunktion einen Elektronengaskoeffizienten (K_e-) des Abgases in Abhängigkeit von dem Abgasmesswert (14a; 14b; 14c; 14f) ausgibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmesswert (14a; 14b; 14c; 14d; 14e, 22e; 14f) und/oder ein Ergebnis der Analysefunktion mittels eines maschinellen Lernprozesses korrigiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysefunktion oder eine weitere Analysefunktion eine systemweite Brennstoffnutzung (FU_sys) der Brennstoffzellenvorrichtung in Abhängigkeit von dem Abgasmesswert (14b; 14c; 14d; 14e, 22e) ausgibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine Abhängigkeit zumindest einer Stellgröße der Regelung von der Regelgröße (16d; 16e; 16f), insbesondere iterativ, angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysefunktion zumindest einen Brennstoffparameter umfasst, der eine Qualität eines zu dem Abgas umgesetzten Brennstoffs charakterisiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Brennstoffparameter eines zu dem Abgas umgesetzten Brennstoffs im Zuge der Regelung iterativ ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysefunktion in Abhängigkeit von einer Abgastemperatur (T_ab) des Abgases korrigiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinheit der Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Erfassung des Abgasmesswerts (14a; 14b; 14c; 14d; 14e, 22e; 14f) temperiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiterer Abgasmesswert (22e) erfasst wird, um einen einzustellenden Wert der Brennstoffströmungsrate zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Abgasmesswert (22e) stromabwärts eines Nachbrenners (24e) der Brennstoffzellenvorrichtung erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Abgasmesswert (22e) mittels einer Lambdasonde (26e) erfasst wird.
Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einer Regeleinheit (28a; 28b; 28c; 28d; 28e; 28f) zu einer Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit zumindest einer Sensoreinheit zu einer Erfassung des Abgasmesswerts (14a; 14b; 14c; 14d; 14e, 22e; 14f).