DE102022209841A1

DE102022209841A1 - Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102022209841A1
Application number: DE102022209841.2A
Authority: DE
Inventors: Felix Schaefer; Sebastian Egger; Maxime Carre; Sebastian Schmaderer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-09-19
Publication date: 2023-10-12

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens ein sauerstoffhaltiges Fluid zu einer Umsetzung mit einem Brennstoff durch zumindest eine Brennstoffzelleneinheit (14a; 14b) des Brennstoffzellensystems gefördert wird, wobei ein Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids in Abhängigkeit von einer Leistungsbilanz des Brennstoffzellensystems eingestellt wird.Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens die Leistungsbilanz bei einer Laständerung (34a; 34b) des Brennstoffzellensystems teilweise durch eine in einem stationären Zustand des Brennstoffzellensystems ermittelte Betriebskennzahl des Brennstoffzellensystems ersetzt wird.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, vorgeschlagen worden, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt ein sauerstoffhaltiges Fluid zu einer Umsetzung mit einem Brennstoff durch zumindest eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems gefördert wird, wobei ein Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids in Abhängigkeit von einer Leistungsbilanz des Brennstoffzellensystems eingestellt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens ein sauerstoffhaltiges Fluid zu einer Umsetzung mit einem Brennstoff durch zumindest eine Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellensystems gefördert wird, wobei ein Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids in Abhängigkeit von einer Leistungsbilanz des Brennstoffzellensystems eingestellt wird.
Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens die Leistungsbilanz bei einer Laständerung des Brennstoffzellensystems teilweise durch eine in einem stationären Zustand des Brennstoffzellensystems ermittelte Betriebskennzahl des Brennstoffzellensystems ersetzt wird. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise zumindest eine Fluidfördereinheit, beispielsweise einen Ventilator, einen Kompressor oder eine Pumpe, zu einem Fördern des sauerstoffhaltigen Fluids durch die Brennstoffzelleneinheit hindurch.
Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise zumindest eine Steuer- oder Regeleinheit zu einem Einstellen, insbesondere Regeln, des Strömungsparameters mittels der Fluidfördereinheit. Das sauerstoffhaltige Fluid ist vorzugsweise Luft, insbesondere angesaugte Umgebungsluft, alternativ ein Industriegas, welches zumindest zum Teil, insbesondere mehrheitlich, aus Sauerstoff besteht. Das sauerstoffhaltige Fluid ist insbesondere dazu vorgesehen, von der Brennstoffzelleneinheit unter Zuführung eines Brennstoffs umgesetzt zu werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Die Brennstoffzelleneinheit umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, insbesondere zumindest eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, beispielsweise zumindest eine Schmelzkarbonbrennstoffzelle (MCFC) und/oder zumindest eine Feststoffoxidbrennstoffzelle (SOFC). Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit mehrere Brennstoffzellen, welche vorzugsweise in zumindest einem Stack angeordnet sind.
Die Steuer- oder Regeleinheit wertet bevorzugt die Leistungsbilanz aus, um den Strömungsparameter einzustellen. Der Strömungsparameter ist beispielsweise ein Volumenstrom, ein Stoffstrom, ein Massenstrom, ein Teilchenstrom oder dergleichen. Die Leistungsbilanz summiert vorzugsweise Energieflüsse zu und von der Brennstoffzelleneinheit auf, sodass diese insbesondere bis auf einen Fehlerterm sich zu Null ergeben. Der Fehlerterm ist vorzugsweise kleiner als 20 %, bevorzugt kleiner als 10 %, besonders bevorzugt kleiner als 5 %, des betragsmäßig größten Terms der Leistungsbilanz. Vorzugsweise umfasst die Leistungsbilanz Terme, die einen Energiefluss aufgrund eines Materietransports durch die Brennstoffzelleneinheit beschreiben, beispielsweise in Form eines von dem Brennstoff, von dem sauerstoffhaltigen Fluid und/oder von einem Abgas getragenen molaren Enthalpieflusses. Besonders bevorzugt ist die Leistungsbilanz abhängig von dem Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids. Bevorzugt umfasst die Leistungsbilanz einen Term, der einen von dem in die Brennstoffzelleneinheit eintretenden sauerstoffhaltigen Fluid getragenen Energiefluss beschreibt. In der Brennstoffzelleneinheit wird das sauerstoffhaltige Fluid vorzugsweise zu einem, insbesondere relativ zu dem sauerstoffhaltigen Fluid, sauerstoffarmen Abgas umgesetzt. Vorzugsweise umfasst die Leistungsbilanz einen Term, der einen von dem aus der Brennstoffzelleneinheit austretenden sauerstoffarmen Abgas getragenen Energiefluss beschreibt. Bevorzugt umfasst die Leistungsbilanz einen Term, der einen von dem in die Brennstoffzelleneinheit eintretenden Brennstoff getragenen Energiefluss beschreibt. In der Brennstoffzelleneinheit wird Brennstoff vorzugsweise zu einem, insbesondere relativ zu dem Brennstoff, brennstoffarmen Abgas umgesetzt. Vorzugsweise umfasst die Leistungsbilanz einen Term, der einen von dem aus der Brennstoffzelleneinheit austretenden brennstoffarmen Abgas getragenen Energiefluss beschreibt. Vorzugsweise umfasst die Leistungsbilanz einen Term, der eine von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellte elektrische Leistung umfasst. Optional umfasst die Leistungsbilanz einen Term, der Wärmeverluste der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere durch Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung, beschreibt. Alternativ werden die Wärmeverluste dem Fehlerterm zugeschlagen. Vorzugsweise wird der Fehlerterm auf einen konstanten Wert, insbesondere gleich Null oder gleich einem im Vorfeld des Verfahrens ermittelten Wert, gesetzt. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit mittels der Energiebilanz einen Vorsteuerwert zu einem Einstellen des Strömungsparameters. Vorzugsweise kompensiert die Steuer- oder Regeleinheit eine Ungenauigkeit der Leistungsbilanz aufgrund des Fehlerterms mit einer Regelung des Strömungsparameters, welche auf den Vorsteuerwert aufaddiert wird.
In dem stationären Zustand ist die von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellte elektrische Leistung, Temperaturen des Brennstoffzellensystems, Gaseigenschaften des sauerstoffhaltigen Fluids und/oder des Brennstoffs und/oder andere Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems, insbesondere zumindest innerhalb einer Regelgenauigkeit der Steuer- oder Regeleinheit, konstant. Bei einer Laständerung ändert sich beispielsweise die von der Brennstoffzelleneinheit abgegriffene elektrische Leistung. Das Verfahren ist vorzugsweise dazu vorgesehen, den Strömungsparameter an die Laständerung anzupassen. Besonders bevorzugt ist das Verfahren dazu vorgesehen, den Strömungsparameter bei einer schnellen Laständerung anzupassen. Bei einer schnellen Laständerung bleiben Temperaturen des Brennstoffzellensystems, Gaseigenschaften des sauerstoffhaltigen Fluids und/oder des Brennstoffs, insbesondere zumindest innerhalb einer Regelgenauigkeit der Steuer- oder Regeleinheit, konstant. Vorzugsweise aktualisiert die Steuer- oder Regeleinheit bei einer Laständerung mittels der Energiebilanz einen Vorsteuerwert zu einem Einstellen des Strömungsparameters.
Die Betriebskennzahl ist vorzugsweise eine Zahl oder Größe, welche die Steuer- oder Regeleinheit in dem stationären Betriebszustand durch eine Teilauswertung der Leistungsbilanz ermittelt und in einem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit hinterlegt. Vorzugsweise wertet die Steuer- oder Regeleinheit bei der Laständerung in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens eine verkürzte Form der Leistungsbilanz durch Rückgriff auf die Betriebskennzahl aus. Die Leistungsbilanz umfasst bezüglich der Laständerung insbesondere dynamische Größen und quasikonstante Größen. Quasikonstante Größen weisen im Vergleich zu den dynamischen Größen vorzugsweise eine kleinere, vorzugsweise eine um mehr als das 5-fache, bevorzugt um mehr als das 10-fache, kleinere zeitliche Ableitung auf. Insbesondere ist ein von der Brennstoffzelleneinheit erzeugter elektrischer Strom und/oder der Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids eine dynamische Größe bezüglich der Laständerung. Beispielsweise ist eine Zusammensetzung des Brennstoffs, eine Brennstoffelektrodeneingangstemperatur des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit, eine Brennstoffzellentemperatur der Brennstoffzelleneinheit und/oder eine Brennstoffnutzung der Brennstoffzelleneinheit eine quasikonstante Größe bezüglich der Laständerung. Die Betriebskennzahl umfasst vorzugsweise eine, besonderes bevorzugt mehrere der quasikonstanten Größen. Insbesondere fasst die Betriebskennzahl mehrere quasikonstante Größen zu einem Proportionalitätsfaktor für zumindest eine dynamische Größe zusammen. Die Steuer- oder Regeleinheit kann die Betriebskennzahl durch Auswertung der in der Betriebskennzahl zusammengefassten quasikonstanten Größen und/oder durch Auswertung der über die Betriebskennzahl verknüpften dynamischen Größen ermitteln.
Vorzugsweise prüft die Steuer- oder Regeleinheit regelmäßig und/oder anlassbezogen vor einer Ermittlung des Strömungsparameters, ob die abgespeicherte Betriebskennzahl noch gültig ist. Ist die Betriebskennzahl nicht mehr gültig, insbesondere wenn sich eine als quasikonstant angenommene Größe um mehr als einen Toleranzwert verändert hat, wertet die Steuer- oder Regeleinheit eine erweiterte, insbesondere vollständige, Form der Leistungsbilanz vorzugsweise ohne Rückgriff auf die Betriebskennzahl aus. Die erweiterte, insbesondere vollständige, Form der Leistungsbilanz umfasst vorzugsweise eine explizite Abhängigkeit von zumindest einer, insbesondere aller, in der Betriebskennziffer zusammengefassten Größen. Vorzugsweise aktualisiert die Steuer- oder Regeleinheit den abgespeicherten Wert der Betriebskennzahl zumindest nach einer Auswertung der erweiterten, insbesondere vollständigen, Form der Leistungsbilanz.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft robustes und/oder vorteilhaft einfaches Verfahren bereitgestellt werden, mittels dessen ein benötigter Wert des Strömungsparameters des sauerstoffhaltigen Fluids vorteilhaft präzise ermittelt werden kann. Ferner kann ein vorteilhaft hoher Dynamikumfang eines mit dem Verfahren betriebenen Brennstoffzellensystems erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Betriebskennzahl zumindest zwei Unbekannte der Leistungsbilanz bei einer Laständerung eliminiert. Die Unbekannten können von der Zeit abhängige Größen und/oder unbekannte Konstanten, beispielsweise eine Zusammensetzung des Brennstoffs, sein. Vorzugsweise umfasst die Betriebskennzahl zumindest zwei quasikonstante Größen als Unbekannte der Leistungsbilanz. Die Steuer- oder Regeleinheit verwendet bei einer Ermittlung des Strömungsparameters mittels der Betriebskennzahl anstelle der Unbekannten den abgespeicherten Wert der Betriebskennzahl. Insbesondere wertet die Steuer- oder Regeleinheit eine Rechenvorschrift für den Strömungsparameter aus, der unabhängig von den eliminierten Unbekannten ist. Bei einer Auswertung der erweiterten, insbesondere vollständigen, Form der Leistungsbilanz ohne Rückgriff auf die Betriebskennzahl ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit vorzugsweise die durch die Betriebskennzahl eliminierbaren Unbekannten, um den Strömungsparameter zu ermitteln. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung müssen vorteilhaft wenige Größen ausgewertet oder erfasst werden. Insbesondere kann der Strömungsparameter vorteilhaft schnell oder mit vorteilhaft wenig Rechenleistung und/oder vorteilhaft wenig Speicherbedarf ermittelt werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Betriebskennzahl eine Abhängigkeit des Strömungsparameters von einer Brennstoffelektrodeneingangstemperatur des Brennstoffs, von einer Brennstoffzellentemperatur der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit, von einem Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnis des Brennstoffs, von einem Sauerstoff-Kohlenstoffverhältnis des Brennstoffs bei einem Eintritt in die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit und/oder von einer Brennstoffnutzung der zumindest einen Brennstoffzelle zusammenfasst. Die Brennstoffelektrodeneingangstemperatur des Brennstoffs ist insbesondere eine Temperatur des Brennstoffs bei einem Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit. Die Betriebskennzahl ist vorzugsweise eine thermoneutrale elektrische Spannung der Brennstoffzelleneinheit. Die Betriebskennzahl gibt insbesondere ein Verhältnis einer Enthalpieänderung des Brennstoffs zu einer Anzahl der Elektronen, die bei einer Umsetzung des Brennstoffs in der Brennstoffzelleneinheit mittels Sauerstoff gebunden werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Rechenvorschrift zur Bestimmung des Strömungsparameters vorteilhaft kompakt gehalten werden. Insbesondere kann eine Abhängigkeit des benötigten Werts des Strömungsparameters von dem Brennstoff in der Betriebskennzahl zusammengefasst werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Betriebskennzahl als gleitender Durchschnitt ermittelt wird. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit einen Wert der Betriebskennzahl in dem stationären Betriebszustand in regelmäßigen Zeitabständen und/oder ausgelöst durch den Erhalt eines Sensorsignals einer Sensoreinheit des Brennstoffzellensystems. Vorzugsweise speichert die Steuer- oder Regeleinheit mehrere Werte der Betriebskennzahl. Vorzugsweise verwendet die Steuer- oder Regeleinheit einen Mittelwert der gespeicherten Werte der Betriebskennzahl bei einer Ermittlung des Strömungsparameters mittels der Betriebskennzahl. Der Mittelwert kann ein arithmetisches Mittel oder ein geometrisches Mittel sowie gewichtet oder ungewichtet sein. Vorzugsweise löscht die Steuer- oder Regeleinheit alle abgespeicherten Werte, wenn die Steuer- oder Regeleinheit aufgrund einer Änderung einer der quasikonstanten Größen die erweiterte, insbesondere vollständige, Form der Leistungsbilanz auswertet, um den Strömungsparameter zu ermitteln. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Wert der Betriebskennzahl verwendet werden, der vorteilhaft unbeeinflusst von Schwankungen von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems ist.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens bei einer Ermittlung des Strömungsparameters mittels der Betriebskennzahl der Strömungsparameter in Abhängigkeit von einem Sollwert einer, insbesondere der bereits genannten, Brennstoffzellentemperatur der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit ermittelt wird. Beispielsweise ist der Term der Leistungsbilanz, der den von dem aus der Brennstoffzelleneinheit austretenden sauerstoffarmen Abgas getragenen Energiefluss beschreibt, abhängig von der Brennstoffzellentemperatur. Ein Istwert der Brennstoffzellentemperatur kann an und/oder in der Brennstoffzelleneinheit erfasst werden oder in Abhängigkeit von einem bezogen auf das sauerstoffarme Abgas stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit erfassten Temperaturmesswert abgeschätzt werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Brennstoffzellentemperatur der Brennstoffzelleneinheit über den Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids eingestellt, insbesondere zu geregelt werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Betriebskennzahl bei einer Laständerung konstant gehalten wird. Vorzugsweise wird die Betriebskennzahl für die Dauer der Laständerung konstant gehalten. Insbesondere wird während der Laständerung kein neuer Wert der Betriebskennzahl ermittelt. Vorzugsweise prüft die Steuer- oder Regeleinheit bei der Laständerung, ob die Betriebskennzahl, insbesondere der zuletzt ermittelte Wert der Betriebskennzahl oder der gleitende Durchschnitt der Betriebskennzahl, geeignet ist, das Brennstoffzellensystem während der Laständerung und/oder bei einem neuen Wert einer Last des Brennstoffzellensystems zu beschreiben. Beispielsweise überprüft die Steuer- oder Regeleinheit, ob die Betriebskennzahl innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbands liegt, welches in einem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit hinterlegt ist. Ein Maximalwert und/oder ein Minimalwert des Toleranzbandes kann ein Einzelwert und/oder eine Kennlinie sein, welche beispielsweise von einer mit der Sensoreinheit erfassten Größe, von einem Istwert und/oder einem Sollwert einer von der Steuer- oder Regeleinheit einzustellenden Größe und/oder von der Last oder Laständerung, insbesondere dem elektrischen Strom, abhängig ist. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit den Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids während und/oder nach der Laständerung in Abhängigkeit von der, insbesondere als geeignet bewerteten, Betriebskennzahl. Bewertet die Steuer- oder Regeleinheit die Betriebskennzahl als ungeeignet, wertet die Steuer- oder Regeleinheit vorzugsweise die erweiterte, insbesondere vollständige, Leistungsbilanz aus, um den Strömungsparameter während der Laständerung und/oder bei der neuen Last zu ermitteln. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Robustheit des Verfahrens weiter erhöht werden. Insbesondere kann ein Risiko einer Instabilität der Regelung des Strömungsparameters während der Laständerung vorteilhaft gering gehalten werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Betriebskennzahl bei einer Laständerung in Abhängigkeit von der Laständerung geändert wird. Vorzugsweise wird die Betriebskennzahl nach der Laständerung bei einem Erreichen eines stationären Zustands bei der neuen Last aktualisiert. Vorzugsweise wird die Betriebskennzahl ab dem Erreichen des stationären Zustands bei der neuen Last mehrfach, insbesondere regelmäßig, aktualisiert, insbesondere bis zur nächsten Laständerung. Bevorzugt wird die Betriebskennzahl, insbesondere nur dann, aktualisiert, wenn sich das Brennstoffzellensystem in einem stationären Zustand befindet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Betriebskennzahl vorteilhaft flexibel an unterschiedliche Betriebszustände des Brennstoffzellensystems angepasst werden. Insbesondere kann auf eine Vorabbestimmung der Betriebskennzahl in verschiedensten Betriebszuständen vor der Durchführung des Verfahrens verzichtet werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Betriebskennzahl bei einer Laständerung als Funktion der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur des Brennstoffs geändert wird. Vorzugsweise beaufschlagt die Steuer- oder Regeleinheit den abgespeicherten Wert der Betriebskennzahl mit einer Korrekturfunktion, welche von der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur abhängt. Die Korrekturfunktion kann ein multiplikativer oder ein additiver Faktor zu dem abgespeicherten Wert der Betriebskennzahl sein. Die Korrekturfunktion fügt der Betriebskennzahl vorzugsweise eine lineare Korrelation zu der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur hinzu. Optional umfasst die Korrekturfunktion weitere Korrekturterme höherer Ordnung in der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Betriebskennzahl vorteilhaft auch dann zur Ermittlung des Strömungsparameters verwendet werden, wenn die Brennstoffelektrodeneingangstemperatur im Zuge der Laständerung eine Änderung aufweist, die über einen Toleranzwert für die Änderung der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur hinausgeht.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens zumindest ein Messwert einer Zusammensetzung des Brennstoffs erfasst wird, in dessen Abhängigkeit die Betriebskennzahl ermittelt wird. Die Zusammensetzung des Brennstoffs ändert sich vorzugsweise bei einer Passage des Brennstoffs durch das Brennstoffzellensystem hindurch. Bevorzugt wird, insbesondere in dieser Reihenfolge, der Brennstoff in einem frischen Zustand, insbesondere als Erdgas, in das Brennstoffzellensystem eingespeist, optional entschwefelt, optional mit dem brennstoffarmen Abgas vermischt, bevorzugt reformiert, in der Brennstoffzelleneinheit, bevorzugt nur, teilweise zu dem brennstoffarmen Abgas oxidiert und anschließend vorzugsweise mittels eines Nachbrenners vollständig oxidiert. Der Messwert wird vorzugsweise stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere in dem brennstoffarmen Abgas, erfasst. Alternativ wird der Messwert oder zusätzlich wird ein, insbesondere zu dem Messwert analoger, weiterer Messwert der Zusammensetzung des Brennstoffs stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit erfasst, bevorzugt in dem reformierten Brennstoff. Der Messwert beschreibt beispielsweise eine, insbesondere molare, Konzentration, einen Volumenanteil, einen Massenanteil, insbesondere pro Zeit, eines an einer Messstelle des Messwerts in dem Brennstoff enthaltenen Stoffs oder ein Konzentrationsverhältnis, ein Volumenverhältnis und/oder Massenverhältnis zweier oder mehrerer an der Messstelle des Messwerts in dem Brennstoff enthaltenen Stoffe. Besonders bevorzugt ist der Messwert ein Verbrennungsluftverhältnis des Brennstoffs oder eine zu dem Verbrennungsluftverhältnis analoge Größe, wie beispielsweise ein Sauerstoffdefizit, ein Brennstoffüberschuss, insbesondere ein Überschuss an für eine Oxidation verfügbaren Elektronen, oder dergleichen. Der Messwert und/oder der weitere Messwert wird vorzugsweise in einem stationären Betriebszustand des Brennstoffzellensystems erfasst. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit die Betriebskenngröße in Abhängigkeit von dem Messwert und/oder dem weiteren Messwert. Alternativ oder zusätzlich ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit die Betriebskenngröße in Abhängigkeit von einem Istwert des Strömungsparameters, insbesondere durch Umkehren der Rechenvorschrift zur Ermittlung des Strömungsparameters in Abhängigkeit von der Betriebskenngröße. Der Istwert des Strömungsparameters wird von der Steuer- oder Regeleinheit beispielsweise über die erweiterte, insbesondere vollständige, Form der Leistungsbilanz ermittelt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Unsicherheit in der Bestimmung der Betriebskenngröße vorteilhaft klein gehalten werden. Insbesondere kann eine Genauigkeit der Betriebskenngröße unabhängig von einer Genauigkeit in der Bestimmung des Strömungsparameters gehalten werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Messwert mittels zumindest einer Lambdasonde erfasst wird. Besonders bevorzugt wird der Messwert und/oder der weitere Messwert mittels, insbesondere je, einer Breitbandlambdasonde erfasst. Die Lambdasonde umfasst vorzugsweise eine Nernstzelle und eine Pumpzelle, die seriell miteinander verschaltet sind, wobei zwischen den beiden Zellvarianten eine Messkammer angeordnet ist. Die Messkammer wird vorzugsweise von einer keramischen Diffusionsbarriere der Lambdasonde begrenzt. Mithilfe eines Heizelements der Lambdasonde wird die Lambdasonde optional auf einer konstanten Temperatur gehalten, insbesondere so dass ein Einfluss der Temperatur auf ein Sondensignal, insbesondere einen Pumpstrom der Pumpzelle, der Lambdasonde eliminiert wird. Die Lambdasonde weist vorzugsweise eine Ansprechzeit von weniger als 500 ms, bevorzugt von weniger als 200 ms, besonders bevorzugt von weniger als 100 ms auf. Ein Spannungssignal der Nernstzelle wird vorzugsweise auf einen konstanten Wert, beispielsweise von 450 mV, geregelt, insbesondere so dass in der Messkammer ein definiertes Verbrennungsluftverhältnis, insbesondere das stöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis, vorliegt. Vorzugsweise nutzt die Lambdasonde die Pumpzelle als Stellglied, um in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffs in der Messkammer Sauerstoff in oder aus der Messkammer zu pumpen. Optional ermittelt die Lambdasonde einen Stoffmengenstrom an Sauerstoff in Abhängigkeit, insbesondere mittels eines Proportionalitätsfaktors, von dem eingestellten Pumpstrom der Pumpzelle. Alternativ wird der Messwert und/oder der weitere Messwert mittels, insbesondere je, einer Sprunglambdasonde erfasst. Alternativ wird der Messwert und/oder der weitere Messwert mittels, insbesondere je, einer zu der Brennstoffzelleneinheit zusätzlichen Brennstoffzelle erfasst, die insbesondere analog zu einer Lambdasonde betrieben wird. Die Lambdasonde ist vorzugsweise stromaufwärts, insbesondere direkt stromaufwärts, an einem Brennstoffeinlass der Brennstoffzelleneinheit oder stromabwärts, insbesondere direkt stromabwärts, an einem Abgasauslass der Brennstoffzelleneinheit, über welchen das brennstoffarme Abgas aus der Brennstoffzelleneinheit ausgelassen wird, angeordnet. Besonders bevorzugt umfasst das Brennstoffzellensystem eine Lambdasonde stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit und eine weitere Lambdasonde stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit. Darunter, dass zwei Objekte „direkt“ stromaufwärts oder stromabwärts voneinander angeordnet sind, soll insbesondere verstanden werden, dass entlang der Strömungsrichtung zwischen diesen Objekten keine weiteren Objekte angeordnet sind, welche eine Zusammensetzung des durch die Objekte strömenden Fluids verändern, beispielsweise ein Reformer, ein Nachbrenner oder dergleichen. Die direkt stromaufwärts oder stromabwärts voneinander angeordneten Objekte können in physischem Kontakt zueinander stehen oder beabstandet voneinander angeordnet sein und beispielsweise mittels Fluidleitungen, einer Verteilerplatte oder dergleichen, fluidtechnisch verbunden sein. Insbesondere können entlang der Strömungsrichtung zwischen den direkt stromaufwärts oder stromabwärts voneinander angeordneten Objekten weitere Objekte angeordnet sein, die eine Zusammensetzung des durch die Objekte strömenden Fluids nicht verändern, beispielsweise ein Temperatursensor oder dergleichen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der Messwert und/oder der weitere Messwert vorteilhaft einfach und kostengünstig erfasst werden. Ferner kann der Messwert und/oder der weitere Messwert vorteilhaft schnell und/oder vorteilhaft präzise erfasst werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zumindest die Mehrheit, insbesondere alle, variablen Größen, aus denen die Betriebskennzahl ermittelt wird, in Abhängigkeit von dem zumindest einen Messwert, insbesondere von dem zumindest einen Messwert und/oder dem weiteren Messwert, ermittelt werden. Die Steuer- oder Regeleinheit ermittelt vorzugsweise zumindest eine der variablen Größen der Betriebskennzahl mittels einer Regressionsfunktion des Messwerts und/oder des weiteren Messwerts. Die Regressionsfunktion gibt vorzugsweise eine von dem Brennstoff getragene Energie, insbesondere in Form einer molaren Enthalpie, in oder aus der Brennstoffzelleneinheit in Abhängigkeit von dem Messwert oder dem weiteren Messwert an. Die Regressionsfunktion kann als analytischer Ausdruck oder als Tabellenwerk in der Steuer- oder Regeleinheit hinterlegt sein. Besonders bevorzugt ist in der Steuer- oder Regeleinheit eine Funktionsschar an Regressionsfunktionen hinterlegt, welche sich insbesondere durch die Brennstoffelektrodeneingangstemperatur des Brennstoffs oder der Brennstoffzellentemperatur der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit als Parameter voneinander unterscheiden. Die Steuer- oder Regeleinheit ermittelt zur Ermittlung der Betriebskennzahl die Brennstoffnutzung der Brennstoffzelleneinheit vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Differenz des Messwerts und des weiteren Messwerts. Wenn der Messwert oder der weitere Messwert das Sauerstoffdefizit beschreibt, ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit zur Ermittlung der Betriebskennzahl die Anzahl an verfügbaren Elektronen in dem Brennstoff vorzugsweise durch eine Korrelationsfunktion in Abhängigkeit von dem Messwert und/oder dem weiteren Messwert. Vorzugsweise bildet die Korrelationsfunktion einen Abstand des Messwerts und/oder des weitere Messwerts von dem stöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis auf die Anzahl an verfügbaren Elektronen in dem Brennstoff ab. Vorzugsweise ist die Regressionsfunktion eine monoton fallende Funktion in dem Messwert und/oder dem weiteren Messwert. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Betriebskennzahl mit vorteilhaft wenig Aufwand an Messgeräten vorteilhaft einfach, schnell und zuverlässig bestimmt werden.
Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer, insbesondere der bereits genannten, Brennstoffzelleneinheit und mit zumindest einer, insbesondere der bereits genannten, Steuer- oder Regeleinheit zu einer Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Unter einer „Steuer- oder Regeleinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einem Speicher sowie mit einem in dem Speicher gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise die Fluidfördereinheit. Der Brennstoff umfasst beispielsweise Wasserstoff, Methan, Ethan, Propan und/oder einen anderen Kohlenwasserstoff, insbesondere ein Alkan. Beispielsweise ist der Brennstoff Erdgas, ein Erdgas-Wasserstoffgemisch, reiner Wasserstoff oder dergleichen. Das Brennstoffzellensystem umfasst optional weitere Komponenten zu einer Aufbereitung und/oder Nachbereitung des sauerstoffhaltigen Fluids, des Brennstoffs und/oder der Abgase. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem einen Reformer zu einem Reformieren des Brennstoffs, einen Nachbrenner zu einem Verbrennen von Brennstoffresten in den Abgasen, Wärmetauscher zu einem Vorerwärmen des Brennstoffs und/oder des sauerstoffhaltigen Fluids oder dergleichen umfassen. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem die Sensoreinheit zu einer Erfassung der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur, der Brennstoffzellentemperatur, einer Eintrittstemperatur des sauerstoffhaltigen Fluids bei einem Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit, eines von der Brennstoffzelleneinheit erzeugten elektrischen Stroms und einer mit dem Strom verknüpften elektrischen Spannung, eines Istwerts des Strömungsparameters und/oder weiterer Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems. In zumindest einer Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems umfasst die Sensoreinheit die Lambdasonde und/oder die weitere Lambdasonde. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt werden, das einen vorteilhaft hohen Dynamikumfang umfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
2 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit Lambdasonden und
4 ein schematisches Flussdiagramm einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem in 3 dargestellten Brennstoffzellensystem.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 12a. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 14a. Die Brennstoffzelleneinheit 14a umfasst zumindest eine, insbesondere mehrere, Brennstoffzellen, insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzellen. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst vorzugsweise zumindest eine Fluidzufuhr 18a zu einer Zuführung eines sauerstoffhaltigen Fluids zu der Brennstoffzelleneinheit 14a, insbesondere zu zumindest einer Kathode der Brennstoffzelleneinheit 14a. Das sauerstoffhaltige Fluid ist beispielsweise Luft. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst vorzugsweise zumindest eine Brennstoffzufuhr 22a zu einer Zufuhr eines Brennstoffs zu der Brennstoffzelleneinheit 14a, insbesondere zu zumindest einer Anode der Brennstoffzelleneinheit 14a. Die Brennstoffzelleneinheit 14a ist vorzugsweise dazu vorgesehen, das sauerstoffhaltige Fluid mit dem Brennstoff umzusetzen, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst vorzugsweise eine Abgasleitung 20a zu einer Abfuhr eines aus dem sauerstoffhaltigen Fluid entstehenden sauerstoffarmen Abgases. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst vorzugsweise eine weitere Abgasleitung 24a zu einer Abfuhr eines aus dem Brennstoff entstehenden brennstoffarmen Abgases. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst vorzugsweise eine Fluidfördereinheit 26a zu einem Fördern des sauerstoffhaltigen Fluids durch die Fluidzufuhr 18a. Die Fluidfördereinheit 26a ist vorzugsweise als Ventilator, Gebläse, Pumpe oder Kompressor ausgebildet. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst zumindest eine Steuer- oder Regeleinheit 16a zu einer Durchführung eines Verfahrens 10a, welches in 2 näher erläutert ist. Die Steuer- oder Regeleinheit 16a ist vorzugsweise dazu vorgesehen, mittels der Fluidfördereinheit 26a einen Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids einzustellen. Das Brennstoffzellensystem 12a ist hier nur rudimentär mit den für das Verfahren 10a relevanteren Komponenten gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 12a kann weitere Komponenten umfassen, wie dies beispielswiese in 3 gezeigt ist.
2 zeigt das Verfahren 10a zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 12a. Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise einen Einschaltvorgang 28a, in welchem das Brennstoffzellensystem 12a in Betrieb genommen wird. Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise eine Betriebspunktansteuerung 30a, in welcher die Steuer- oder Regeleinheit 16a einen Betriebspunkt des Brennstoffzellensystem 12a ansteuert. In der Betriebspunktansteuerung 30a fördert vorzugsweise die Fluidfördereinheit 26a das sauerstoffhaltige Fluid durch die Brennstoffzelleneinheit 14a. Die Steuer- oder Regeleinheit 16a stellt den Strömungsparameter ṅ_O2,ein des sauerstoffhaltigen Fluids vorzugsweise mittels der Fluidfördereinheit 26a ein. Ein Sollwert des Strömungsparameters ṅ_O2,ein wird in Abhängigkeit von einem Sollwert einer Brennstoffzellentemperatur T_stk der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 14a ermittelt. Der Strömungsparameter ṅ_O2,ein des sauerstoffhaltigen Fluids wird in Abhängigkeit von einer Leistungsbilanz des Brennstoffzellensystems 12a eingestellt. Beispielsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 16a in der Betriebspunktansteuerung 30a einen Vorsteuerwert des Strömungsparameters in Abhängigkeit von einer erweiterten, insbesondere vollständigen, Form der Leistungsbilanz. In einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 16a in der Betriebspunktansteuerung 30a einen Vorsteuerwert des Strömungsparameters in Abhängigkeit von einer im Speicher der Steuer- oder Regeleinheit im Voraus hinterlegten Kennlinie des Strömungsparameters, welche vorzugsweise abhängig von dem mittels der Brennstoffzelleneinheit 14a erzeugten elektrischen Strom ist. Beispielsweise wird der Strömungsparameter durch die Kennlinie als lineare Funktion, insbesondere nur, des elektrischen Stroms ausgedrückt.
Beispielsweise wertet die Steuer- oder Regeleinheit 16a die folgende stationäre Leistungsbilanz aus: $\sum_{i} {\dot{H}}_{i} - P_{e l} + E r r ({\dot{Q}}_{V e r l u s t}, \dots) = 0$
wobei Ḣ_i je einen mit einem Transport des sauerstoffhaltigen Fluids, des Brennstoffs und des Abgases verknüpften Enthalpiefluss in und aus der Brennstoffzelleneinheit 14a, P_el eine von der Brennstoffzelleneinheit 14a erzeugte elektrische Leistung und Err(Q̇_Verlust, ... ) ein Fehlerterm bezeichnet.
Die elektrische Leistung ist gegeben durch P_el = I_el · U_Zellen(I_el) ·N_Zellen, wobei I_el der von der Brennstoffzelleneinheit 14a erzeugte elektrische Strom, U_Zellen eine mit dem erzeugten Strom I_el verknüpfte elektrische Spannung, insbesondere eine über alle Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit 14a aufaddierte Gesamtspannung, der Brennstoffzelleneinheit 14a und N_Zellen die Anzahl der Brennstoffzellen in der Brennstoffzelleneinheit 14a bezeichnet.
Die Leistungsbilanz umfasst vorzugsweise einen von dem sauerstoffhaltigen Fluid getragenen Energiefluss zu der Brennstoffzelleneinheit 14a hin: ${\dot{H}}_{1} = h_{O_{2}, e i n} (T_{O_{2}, e i n}) \cdot {\dot{n}}_{O_{2}, e i n}$
wobei h_O2,ein eine molare Enthalpie des sauerstoffhaltigen Fluids bei einem Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14a in Abhängigkeit von einer Temperatur T_O2,ein des sauerstoffhaltigen Fluids bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14a und ṅ_O2,ein den Strömungsparameter bezeichnet. Der Strömungsparameter ist hier beispielhaft als Stoffstrom ausgebildet.
Die Leistungsbilanz umfasst vorzugsweise einen von dem sauerstoffarmen Abgas getragenen Energiefluss von der Brennstoffzelleneinheit 14a weg: ${\dot{H}}_{2} = - h_{O_{2}, a u s} (T_{s t k}) \cdot ({\dot{n}}_{O_{2}, e i n} - {\dot{n}}_{O_{2}, t r a n s} (I_{e l}))$
Wobei h_O2,aus eine molare Enthalpie des sauerstoffarmen Abgases bei Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit 14a in Abhängigkeit von der Brennstoffzellentemperatur T_stk und ṅ_O2,trans ein Sauerstoff-Stoffstrom innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 14a von dem sauerstoffhaltigen Fluid in den Brennstoff in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom I_el bezeichnet.
Die Leistungsbilanz umfasst vorzugsweise einen von dem Brennstoff getragenen Energiefluss zu der Brennstoffzelleneinheit 14a hin: ${\dot{H}}_{3} = h_{b s, e i n} (T_{b s, e i n}, H C, O C_{b s, e i n}) \cdot {\dot{n}}_{b s, e i n} (I_{e l}, F U_{s t k}, K_{e^{-}, b s, e i n})$
wobei h_bs,ein eine molare Enthalpie des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14a und ṅ_bs,ein ein Stoffstrom des Brennstoffs bezeichnet. Die molare Enthalpie h_bs,ein des Brennstoffs wird vorzugsweise als Funktion einer Brennstoffelektrodeneingangstemperatur T_bs,ein des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14a, eines Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnisses HC des Brennstoffs sowie eines Sauerstoff-Kohlenstoffverhältnisses des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14a ausgedrückt. Der Stoffstrom ṅ_bs,ein des Brennstoffs wird vorzugsweise als Funktion des elektrischen Stroms I_el, einer Brennstoffnutzung FU_stk der Brennstoffzelleneinheit 14a und eine für eine Oxidation verfügbare Anzahl K_e-,_bs,_ein an Elektronen des Brennstoffs pro Mol des Brennstoffs ausgedrückt.
Die Leistungsbilanz umfasst vorzugsweise einen von dem brennstoffarmen Abgas getragenen Energiefluss von der Brennstoffzelleneinheit 14a weg: ${\dot{H}}_{4} = - h_{b s, a u s} (T_{s t k}, H C, O C_{b s, a u s}) \cdot {\dot{n}}_{b s, a u s} (I_{e l}, F U_{s t k}, K_{e^{-}, b s, e i n}, \frac{K_{C, b s, e i n}}{K_{C, b s, a u s}})$
Wobei h_bs,aus eine molare Enthalpie des brennstoffarmen Abgases bei Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit 14a und ṅ_bs,aus einen Stoffstrom des brennstoffarmen Abgases bezeichnet. Die molare Enthalpie h_bs,aus des brennstoffarmen Abgases wird vorzugsweise als Funktion der Brennstoffzellentemperatur T_stk, des Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnisses des Brennstoffs und eines Sauerstoff-Kohlenstoffverhältnisses des brennstoffarmen Abgases bei Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit 14a ausgedrückt. Der Stoffstrom ṅ_bs,aus des brennstoffarmen Abgases wird vorzugsweise als Funktion des elektrischen Stroms I_el, der Brennstoffnutzung FU_stk der Brennstoffzelleneinheit 14a, der für eine Oxidation verfügbaren Anzahl K_e-_,bs,ein an Elektronen des Brennstoffs pro Mol des Brennstoffs und einem Verhältnis einer Anzahl K_C,bs,ein an Kohlenstoffatomen in dem Brennstoff pro Mol Brennstoff zu einer Anzahl K_C,bs,aus an Kohlenstoffatomen in dem brennstoffarmen Abgas pro Mol dieses Abgases ausgedrückt.
Der Fehlerterm Err(Q̇_Verlust, ... ) fasst vorzugsweise alle weiteren Energieflüsse zu und/oder von der Brennstoffzelleneinheit 14a zusammen, welche insbesondere nicht explizit in Zuge dieser Ausführung des Verfahrens 10a ermittelt werden. Der Fehlerterm ist beispielsweise abhängig von Wärmeverlusten Q̇_Verlust der Brennstoffzelleneinheit 14a, welche insbesondere über Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung stattfinden. Vorzugsweise wird der Fehlerterm Err(Q̇_Verlust, ... ) bei einer Ermittlung des Vorsteuerwerts des Strömungsparameters ṅ_O2,ein gleich Null gesetzt. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Fehlerterm Err(Q̇_Verlust, ...) in weitere Terme aufgespalten werden, um beispielsweise Wärmeverluste Q̇_Verlust in der Leistungsbilanz explizit zu berücksichtigen.
Zu einer Ermittlung des Vorsteuerwerts des Strömungsparameters ṅ_O2,ein werden vorzugsweise folgende Zusammenhänge in die Leistungsbilanz eingesetzt: ${\dot{n}}_{O_{2}, t r a n s} = \frac{I_{e l} N_{Z e l l e n}}{4 \cdot F}$
${\dot{n}}_{b s, e i n} = \frac{I_{e l} N_{Z e l l e n}}{F U_{s t k} K_{e^{-}, b s, e i n} F}$
$O C_{b s, a u s} = O C_{b s, e i n} + \frac{K_{e^{-}, b s, e i n}}{K_{C, b s, e i n}} F U_{s t k}$
wobei F die Faraday-Konstante bezeichnet. Bevorzugt ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 16a den Strömungsparameter ṅ_O2,ein mittels folgender aus der Leistungsbilanz abgeleiteten Rechenvorschrift: ${\dot{n}}_{O_{2}, e i n} = [\begin{array}{l} (h_{b s, e i n} - h_{b s, a u s} \frac{K_{C, b s, e i n}}{K_{C, b s, a u s}}) \frac{I_{e l} N_{Z e l l e n}}{F U_{s t k} K_{e^{-}, b s, e i n} F} + h_{O_{2}, a u s} \frac{I_{e l} N_{Z e l l e n}}{4 \cdot F} \\ - I_{e l} U_{Z e l l e n} N_{Z e l l e n} + E r r ({\dot{Q}}_{V e r l u s t}, \dots) \end{array}] \cdot {(h_{O_{2}, a u s} - h_{O_{2}, e i n})}^{- 1}$
Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise einen Regulärbetrieb 32a. In dem Regulärbetrieb 32a des Verfahrens 10a wird das sauerstoffhaltige Fluid von der Fluidfördereinheit 26a zu einer Umsetzung mit dem Brennstoff durch die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 14a des Brennstoffzellensystems 12a gefördert. In dem Regulärbetrieb 32a hält die Steuer- oder Regeleinheit 16a das Brennstoffzellensystem 12a in einem von dem Betriebspunkt abhängigen stationären Zustand. Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise eine Betriebszustandsprüfung 44a. In der Betriebszustandsprüfung 44a prüft die Steuer- oder Regeleinheit 16a, ob der Zustand des Brennstoffzellensystems 12a stationär ist.
Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise eine Betriebskennzahlaktualisierung 46a. Das Verfahren 10a führt die Betriebskennzahlaktualisierung 46a vorzugsweise aus, wenn sich das Brennstoffzellensystem 12a in einem stationären Zustand befindet.
In der Betriebskennzahlaktualisierung 46a ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 16a eine Betriebskennzahl BK. Die Betriebskennzahl BK ist beispielsweise wie folgt definiert: $\begin{array}{r} B K = (h_{b s, e i n} - h_{b s, a u s} \frac{K_{C, b s, e i n}}{K_{C, b s, a u s}}) \frac{1}{F U_{s t k} K_{e^{-}, b s, e i n} F} \\ = f (T_{b s, e i n}, T_{s t k}, H C, O C_{b s, e i n}, F U_{s t k}) \end{array}$
Die Betriebskennzahl BK eliminiert zumindest zwei Unbekannte der Leistungsbilanz. Die Betriebskennzahl BK fasst eine Abhängigkeit des Strömungsparameters von der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur T_bs,ein des Brennstoffs, von der Brennstoffzellentemperatur T_stk der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 14a, von dem Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnis HC des Brennstoffs, von dem Sauerstoff-Kohlenstoffverhältnis OC_bs,ein des Brennstoffs bei einem Eintritt in die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 14a und/oder die Brennstoffnutzung FU_stk der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 14a zusammen. Insbesondere ersetzt die Betriebskennzahl BK eine Abhängigkeit der Leistungsbilanz von einer Zusammensetzung, insbesondere Gasqualität, des Brennstoffs und deren Einfluss auf einen Kühlungsbedarf der Brennstoffzelleneinheit 14a, insbesondere mittels des sauerstoffhaltigen Fluids.
Die Steuer- oder Regeleinheit 16a ermittelt die Betriebskennzahl BK vorzugsweise anhand folgender Rechenvorschrift: $B K = [\begin{array}{l} {\dot{n}}_{O_{2}, e i n} (h_{O_{2}, a u s} - h_{O_{2}, e i n}) - h_{O_{2}, a u s} \frac{I_{e l} N_{Z e l l e n}}{4 \cdot F} + I_{e l} U_{Z e l l e n} N_{Z e l l e n} \\ \cdot {(I_{e l} N_{Z e l l e n})}^{- 1} \end{array}]$
Die Steuer- oder Regeleinheit 16a speichert den ermittelten Wert der Betriebskennzahl BK vorzugsweise in dem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit 16a ab. Die Betriebskennzahl BK wird als gleitender Durchschnitt ermittelt.
Bei einer Laständerung 34a ist insbesondere der elektrische Strom l_el eine zeitabhängige Funktion. Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise eine Betriebskennzahlprüfung 36a. In der Betriebskennzahlprüfung 36a prüft die Steuer- oder Regeleinheit 16a vorzugsweise, ob der gespeicherte Wert der Betriebskennzahl BK geeignet ist, das Brennstoffzellensystem 12a unter der Laständerung 34a zu beschreiben. Ist die Betriebskennzahl BK ungeeignet, führt die Steuer- oder Regeleinheit 16a bevorzugt eine konventionelle Vorsteuerung 42a aus. Ist die Betriebskennzahl BK geeignet, führt die Steuer- oder Regeleinheit 16a bevorzugt eine verkürzte Leistungsbilanzauswertung 38a des Verfahrens 10a aus.
In der konventionellen Vorsteuerung 42a wertet die Steuer- oder Regeleinheit 16a beispielsweise die bereits erwähnte Kennlinie des Strömungsparameters oder die obige Rechenvorschrift für den Strömungsparameter ṅ_O2,ein aus, welche insbesondere auf einer vollständigen Form der Leistungsbilanz, insbesondere mit den oben angegebenen Termen, beruht.
In der verkürzten Leistungsbilanzauswertung 38a wird die Leistungsbilanz bei der Laständerung 34a des Brennstoffzellensystems 12a teilweise durch die in dem stationären Zustand des Brennstoffzellensystems 12a ermittelte Betriebskennzahl BK des Brennstoffzellensystems 12a ersetzt, wodurch insbesondere alle Unbekannten der Energiebilanz eliminiert werden. Beispielsweise verwendet die Steuer- oder Regeleinheit 16a in der verkürzten Leistungsbilanzauswertung 38a folgende Rechenvorschrift für den Vorsteuerwert des Strömungsparameter. $\begin{array}{l} {\dot{n}}_{O_{2}, e i n} = [B K \cdot I_{e l} N_{Z e l l e n} + h_{O_{2}, a u s} \frac{I_{e l} N_{Z e l l e n}}{4 \cdot F} - I_{e l} U_{Z e l l e n} + E r r ({\dot{Q}}_{V e r l u s t}, \dots)] \\ \cdot (h_{O_{2}, a u s} - h_{O_{2}, e i n}) \end{array}$
Die Betriebskennzahl BK wird während der Laständerung 34a konstant gehalten und vorzugsweise zumindest für die Dauer der Laständerung 34a nicht aktualisiert. Ändert sich bei der Laständerung 34a die Brennstoffzellentemperatur T_stk, wird die Betriebskennzahl BK bei der Laständerung 34a als Funktion der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur T_bs,ein des Brennstoffs geändert. Insbesondere wird der abgespeicherte Wert der Betriebskennzahl BK mit einem zu der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur T_bs,ein korrelierenden Faktor beaufschlagt.
Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise eine Regelung 40a. In der Regelung 40a regelt die Steuer- oder Regeleinheit 16a vorzugsweise den Strömungsparameter ṅ_O2,ein ausgehend von dem mittels der konventionellen Vorsteuerung 42a oder der verkürzten Leistungsbilanzauswertung 38a ermittelten Vorsteuerwert des Strömungsparameters ṅ_O2,ein. Bei einem weiteren Durchlauf der Betriebskennzahlaktualisierung 46a nach der Laständerung 34a wird die Betriebskennzahl BK in Abhängigkeit von der Laständerung 34a geändert.
3 zeigt ein Brennstoffzellensystem 12b. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 14b. Die Brennstoffzelleneinheit 14b umfasst zumindest eine, insbesondere mehrere, Brennstoffzellen, insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzellen. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise zumindest eine Fluidzufuhr 18b, eine Brennstoffzufuhr 22b, eine Abgasleitung 20b, eine weitere Abgasleitung 24b und/oder eine Fluidfördereinheit 26b wie weiter oben zu 1 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst zumindest eine Steuer- oder Regeleinheit 16b zu einer Durchführung eines Verfahrens 10b, welches in 4 näher erläutert ist.
Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise eine Brennstofffördereinheit 48b zu einem Fördern eines Brennstoffs durch die Brennstoffzufuhr 22b, die Brennstoffzelleneinheit 14b und die weitere Abgasleitung 24b. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst optional einen Entschwefler 58b zu einem Entschwefeln des Brennstoffs, insbesondere stromabwärts der Brennstofffördereinheit 48b. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise einen weiteren Wärmeübertrager 62b, zu einer Übertragung von Wärme von einem Abgas des Brennstoffzellensystems 12b auf den Brennstoff, insbesondere stromabwärts der Brennstofffördereinheit 48b und/oder des Entschweflers 58b. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise einen Reformer 64b zu einem Reformieren des Brennstoffs, insbesondere stromabwärts des weiteren Wärmeübertragers 62b und stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 14b. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise einen Nachbrenner 54b zu einer thermischen Verwertung von Brennstoffresten, welche in einem mit der weiteren Abgasleitung 24b transportierten Abgases enthalten sind. Der weitere Wärmeübertrager 62b ist vorzugsweise stromabwärts eines Auslasses des Nachbrenners 54b angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise einen Wärmeübertrager 60b, zu einer Übertragung von Wärme von dem Abgas des Brennstoffzellensystems 12b, insbesondere des Nachbrenners 54b, auf ein sauerstoffhaltiges Fluid in der Fluidzufuhr 18b. Optional umfasst das Brennstoffzellensystem 12b eine Rezirkulationsleitung zu einer Rückführung des von der weiteren Abgasleitung 24b geführten Abgases in die Brennstoffzufuhr 22b, wobei ein Einspeisepunkt des Abgases vorzugsweise stromaufwärts des Reformers 64b angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise eine Rezirkulationsfördereinheit 56b zu einem Fördern des von der weiteren Abgasleitung 24b geführten Abgases durch die Rezirkulationsleitung.
Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise zumindest eine Lambdasonde 52b, welche in der weiteren Abgasleitung 24b oder in der Rezirkulationsleitung des Brennstoffzellensystems 12b oder stromabwärts einer Abzweigung der Abgasleitung 24b in die Rezirkulationsleitung und stromaufwärts des Nachbrenners 54b angeordnet ist. Die Lambdasonde 52b ist vorzugsweise dazu vorgesehen, einen Messwert einer Zusammensetzung eines durch Umsetzen des Brennstoffs in der Brennstoffzelleneinheit 14b entstehenden brennstoffarmen Abgases zu erfassen. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise zumindest eine weitere Lambdasonde 50b, welche in der Brennstoffzufuhr 22b angeordnet ist. Die weitere Lambdasonde 50b ist vorzugsweise stromabwärts des Reformers 64b angeordnet. Die weitere Lambdasonde 50b ist vorzugsweise dazu vorgesehen, einen weiteren Messwert einer Zusammensetzung des in die Brennstoffzelleneinheit 14b eintretenden, insbesondere reformierten, Brennstoffs zu erfassen.
4 zeigt das Verfahren 10b zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 12b. Das Verfahren 10b umfasst eine Betriebskennzahlaktualisierung 46b. Die Steuer- oder Regeleinheit 16b ermittelt die Betriebskennzahl BK vorzugsweise anhand folgender Rechenvorschrift: $B K = (h_{b s, e i n} - h_{b s, a u s} \frac{K_{C, b s, e i n}}{K_{C, b s, a u s}}) \frac{1}{F U_{s t k} K_{e^{-}, b s, e i n} F}$
Wobei alle vorkommenden Größen bereits in der Beschreibung zu 2 eingeführt wurden. In zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens 10b wird zumindest ein Messwert einer Zusammensetzung des Brennstoffs erfasst, in dessen Abhängigkeit die Betriebskennzahl BK ermittelt wird. Der Messwert wird mittels zumindest einer der Lambdasonden 50b, 52b erfasst. Zumindest die Mehrheit, insbesondere alle, variablen Größen, aus denen die Betriebskennzahl BK ermittelt wird, werden in Abhängigkeit von dem zumindest einem Messwert ermittelt.
Eine Brennstoffnutzung FU_stk der Brennstoffzelleneinheit 14b ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 16b vorzugsweise anhand der folgenden Rechenvorschrift: $F U_{s t k} = \frac{λ_{b s, a u s} - λ_{b s, e i n}}{1 - λ_{b s, e i n}}$
Wobei λ_bs,aus ein Verbrennungsluftverhältnis des brennstoffarmen Abgases bei Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit 14b und λ_bs,ein ein Verbrennungsluftverhältnis des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14b bezeichnet. Das Verfahren 10b umfasst vorzugsweise einen Messchritt 66b, in welchem das Verbrennungsluftverhältnis λ_bs,aus des brennstoffarmen Abgases vorzugsweise von der Lambdasonde 50b erfasst wird. Das Verfahren 10b umfasst vorzugsweise einen Messchritt 68b, in welchem das Verbrennungsluftverhältnis λ_bs,ein des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14b vorzugsweise von der weiteren Lambdasonde 52b erfasst wird.
Eine molare Enthalpie h_bs,ein des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14b ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 16b vorzugsweise mittels einer Regressionsfunktion in Abhängigkeit von dem weiteren Messwert, insbesondere dem Verbrennungsluftverhältnis λ_bs,ein des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14b. Vorzugsweise verwendet die Steuer- oder Regeleinheit 16b eine Brennstoffelektrodeneingangstemperatur T_bs,ein des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14b, als Parameter der Regressionsfunktion bzw. um eine bestimmte Regressionsfunktion aus einer Schar von Regressionsfunktionen der molaren Enthalpie h_bs,ein des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14b auszuwählen.
Eine molare Enthalpie h_bs,aus des brennstoffarmen Abgases bei Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit 14b ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 16b vorzugsweise mittels einer weiteren Regressionsfunktion in Abhängigkeit von dem Messwert, insbesondere dem Verbrennungsluftverhältnis λ_bs,aus des brennstoffarmen Abgases bei Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit 14b. Vorzugsweise verwendet die Steuer- oder Regeleinheit 16b eine Brennstoffzellentemperatur T_stk der Brennstoffzelleneinheit 14b als Parameter der weiteren Regressionsfunktion bzw. um eine bestimmte weitere Regressionsfunktion aus einer Schar von weiteren Regressionsfunktionen der molaren Enthalpie h_bs,aus des brennstoffarmen Abgases bei Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit 14b auszuwählen. Alternativ bildet die weitere Regressionsfunktion das Verbrennungsluftverhältnis λ_bs,_aus des brennstoffarmen Abgases direkt auf das Produkt $h_{b s, a u s} \frac{K_{C, b s, e i n}}{K_{C, b s, a u s}}$
aus der molaren Enthalpie h_bs,aus des brennstoffarmen Abgases und einem Verhältnis einer molaren Kohlenstoffmenge K_C,bs,ein, welche in die Brennstoffzelleneinheit 14b eintritt, zu einer molaren Kohlenstoffmenge K_C,bs,aus, welche aus der Brennstoffzelleneinheit 14b austritt. In einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung wird das Verhältnis der molaren Kohlenstoffmengen K_C,bs,ein/K_C,bs,aus gleich 1 oder einer anderen im Vorfeld des Verfahrens ermittelten Konstanten gesetzt.
Das Verfahren 10b umfasst vorzugsweise einen Messschritt 70b zu einer Erfassung einer Brennstoffzellentemperatur T_stk, der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur T_bs,ein und/oder weitere Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 12b.
Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 16b eine Anzahl K_e-_,bs,ein an verfügbaren Elektronen in dem Brennstoff bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14b vorzugsweise durch eine Korrelationsfunktion in Abhängigkeit von dem weiteren Messwerts.
Der zumindest eine Messwert wird optional mittels eines maschinellen Lernprozesses, insbesondere im Sinne eines Hybrid-Systems, korrigiert. Hierdurch kann eine vorteilhaft hohe Genauigkeit des Verfahrens 10b erreicht werden. Der maschinelle Lernprozesses wird beispielweise dazu eingesetzt, um einen Fehler ε zwischen einem realen Wert h_S und einem mit der Lambdasonde 52b oder der weiteren Lambdasonde 50b gemessenen Wert h_λ zu schätzen und somit die letztgenannten Werte zu verbessern, insbesondere in der Form h_S = h_λ + ε. Der maschinelle Lernprozess wird vorzugsweise im Vorfeld des Verfahren 10b mit Trainingsdaten für die Abschätzung des Fehlers ε in verschiedenen Betriebspunkten des Brennstoffzellensystems 12b trainiert. Der maschinelle Lernprozess kann als Funktion zumindest einer Messgröße zumindest einer der Lambdasonden 50b, 52b wie Pumpstrom, Pumpspannung, Temperatur und/oder Nernst-Spannung und/oder als Funktion zumindest eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems 12b wie einer Komponententemperatur, einer Brennstofftemperatur, einem Druck des Brennstoffs, einem Volumenstrom 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.
Bezüglich weiterer Merkmale des Brennstoffzellensystems 12b und/oder des Verfahrens 10b sei auf die 1 und 2 sowie deren Beschreibung verwiesen. Insbesondere kann das Verfahren 10a auch mit dem Brennstoffzellensystem 12b ausgeführt werden, bzw. jede in dem Brennstoffzellensystem 12b gezeigte Komponente kann auch in das Brennstoffzellensystem 10a eingefügt werden, ohne das Verfahren 10a anzupassen.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt ein sauerstoffhaltiges Fluid zu einer Umsetzung mit einem Brennstoff durch zumindest eine Brennstoffzelleneinheit (14a; 14b) des Brennstoffzellensystems gefördert wird, wobei ein Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids in Abhängigkeit von einer Leistungsbilanz des Brennstoffzellensystems eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Leistungsbilanz bei einer Laständerung (34a; 34b) des Brennstoffzellensystems teilweise durch eine in einem stationären Zustand des Brennstoffzellensystems ermittelte Betriebskennzahl des Brennstoffzellensystems ersetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskennzahl zumindest zwei Unbekannte der Leistungsbilanz bei einer Laständerung (34a; 34b) eliminiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskennzahl eine Abhängigkeit des Strömungsparameters von einer Brennstoffelektrodeneingangstemperatur des Brennstoffs, von einer Brennstoffzellentemperatur der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit (14a; 14b), von einem Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnis des Brennstoffs, von einem Sauerstoff-Kohlenstoffverhältnis des Brennstoffs bei einem Eintritt in die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit (14a; 14b) und/oder von einer Brennstoffnutzung der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit (14a; 14b) zusammenfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskennzahl als gleitender Durchschnitt ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt bei einer Ermittlung des Strömungsparameters mittels der Betriebskennzahl der Strömungsparameter in Abhängigkeit von einem Sollwert einer Brennstoffzellentemperatur der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit (14a; 14b) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Betriebskennzahl während einer Laständerung (34a; 34b) konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Betriebskennzahl bei einer Laständerung (34a; 34b) in Abhängigkeit von der Laständerung (34a; 34b) geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskennzahl bei einer Laständerung (34a; 34b) als Funktion der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur des Brennstoffs geändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Messwert einer Zusammensetzung des Brennstoffs erfasst wird, in dessen Abhängigkeit die Betriebskennzahl ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwert mittels zumindest einer Lambdasonde (50b, 52b) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Mehrheit, insbesondere alle, variablen Größen, aus denen die Betriebskennzahl ermittelt wird, in Abhängigkeit von dem zumindest einen Messwert ermittelt werden.
Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit (14a; 14b) und mit zumindest einer Steuer- oder Regeleinheit (16a; 16b) zu einer Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.