EP2061584A1 - Verfahren und system zur regelung/steuerung einer gesamtluftverhältniszahl eines reformers - Google Patents

Verfahren und system zur regelung/steuerung einer gesamtluftverhältniszahl eines reformers

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EP2061584A1
EP2061584A1 EP07785687A EP07785687A EP2061584A1 EP 2061584 A1 EP2061584 A1 EP 2061584A1 EP 07785687 A EP07785687 A EP 07785687A EP 07785687 A EP07785687 A EP 07785687A EP 2061584 A1 EP2061584 A1 EP 2061584A1
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EP
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combustion zone
air ratio
zone
combustion
fuel
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Withdrawn
Application number
EP07785687A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Su Zhou
Jeremy Lawrence
Norbert GÜNTHER
Stefan Käding
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Enerday GmbH
Original Assignee
Enerday GmbH
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method for controlling an overall air ratio of a reformer comprising at least one combustion zone and an evaporation zone connected to the combustion zone.
  • the invention relates to a system having a reformer comprising at least one combustion zone and an evaporation zone connected to the combustion zone, and a controller for controlling a total air ratio of the reformer.
  • reformers are usually used, which form from them supplied oxidizing agent, in particular air, and fuel hydrogen-rich gas mixtures or reformates.
  • a reformer may include a combustion or oxidation zone and an evaporation or mixture formation zone connected to the combustion zone.
  • air and fuel is introduced, whereby a reaction of the gas mixture of the fuel and the air takes place in an exothermic reaction.
  • evaporation zone there is a further injection of fuel, which supports evaporation of the gas mixture.
  • such reformers usually include a catalyst or reforming zone, which connects at least Ü over the evaporation zone with the combustion zone is.
  • the gas mixture is reacted in an endothermic reaction.
  • the combustion zone is supplied with fuel from a fuel pump and combustion air from a fan, wherein the evaporation zone via a further fuel pump fuel is supplied.
  • the control of the two pumps and the blower is usually such that in a reforming operation of the reformer a total air ratio of 0.385 to 0.465 and operating temperatures of 850 ° to 900 0 C are maintained ne in the catalyst zone.
  • a reforming operation outside the aforementioned total air ratio range may result in soot formation, for example, when the air ratio is too small, or at low gas concentrations or high component temperatures. This can greatly reduce the efficiency of the reformer, which also reduces the efficiency of the fuel cell system.
  • the invention is therefore based on the object, the generic methods and systems for controlling / controlling a total air ratio of a reformer so far that a more cost-effective regulation / control of the total air ratio can be made with regard to the state of the art.
  • the method according to the invention is based on the state of the art in that, for controlling / controlling the total air ratio, an air ratio of the combustion zone is regulated and a fuel power fed to the combustion zone and the evaporation zone is controlled.
  • the supplied fuel services are also regulated instead of carrying out a control.
  • the control of the total air ratio of the reformer based on the control of the air ratio of only the combustion zone and based on the control or pilot control of the fuel outputs can be made by the following relationships:
  • Ref represents the total air ratio of the Refor ⁇
  • Fuel pump is supplied to a fuel power p, which is assigned from one of the combustion chamber
  • Fuel pump is supplied, and _P rrf represents the total fuel efficiency of the reformer.
  • the air ratio of the combustion zone is calculated. gelt, for example, by the present in the combustion zone air ratio is measured, and if the ratio of both fuel outputs is given, it can be concluded accordingly on the total air ratio of the reformer mers. However, this is done without
  • the method according to the invention can advantageously be further developed in such a way that the air ratio of the combustion zone is controlled by detecting an existing air ratio of the combustion zone and by adjusting a combustion air supply into the combustion zone.
  • the present or detected air ratio of the combustion zone is determined by a simple sensor, for example a lambda probe.
  • the method according to the invention can be designed so that the supply of combustion air by one of
  • Combustion zone associated combustion air blower is made.
  • the combustion air blower directly blows air into the combustion zone, which then enters the evaporation zone.
  • the method according to the invention can be implemented such that the air ratio of the combustion zone is controlled by a PID controller.
  • the PID controller PID transfer link
  • the supply of the respective fuel power supplied to the combustion zone and the evaporation zone is performed by a respective fuel pump assigned to the combustion zone and the evaporation zone.
  • the fuel power supplied to the combustion zone and the evaporation zone can be determined, for example, on the basis of the specific control of the fuel pumps and the fuel quantity promoted on the basis of the activation.
  • the fuel power is determined by determining the calorific value H u (Hi) of the fuel, so that the use of a specific calorific value results in the relationship between the triggering of the pump and the aided fuel output.
  • the method according to the invention can be realized in such a way that the fuel pump assigned to the combustion zone and the fuel pump associated with the evaporation zone are each controlled on the basis of characteristic curves.
  • characteristic curves include, for example, information about the type of control and the amount of fuel delivered due to the control.
  • the transfer of the control to the desired fuel power can be carried out by transmission lines based on characteristic curves.
  • the characteristic curves can be determined beforehand by measurement or empirically or, for example, queried by a corresponding pump manufacturer.
  • the method according to the invention can also be designed such that a guide variable for controlling the air ratio of the combustion zone and corresponding default variables for controlling the supply of the respective fuel power are determined by a calculation device.
  • the calculation device may be a setpoint value or reference variable and default quantity generator.
  • the calculation device calculates the reference variable and the respective predefined quantities at least based on measured data.
  • the measured data or measured values obtained by the calculating device can correlate with operating states of the reformer and / or the fuel cell system.
  • the measurement data comes from different components of the fuel cell system, which are relevant for the operation of the reformer.
  • the measured data may also include other variables measured in the reformer which may influence the operating state of the reformer.
  • the method according to the invention can be implemented in such a way that the calculation device closes on the basis of a ratio of the fuel power supplied to the combustion zone and the evaporation zone and based on the air ratio of the combustion zone to the total air ratio and on the basis of the measured data and / or Total air ratio determines the guide size and the default values.
  • the system according to the invention builds on the generic state of the art in that the controller is suitable for regulating / controlling the total air ratio, to control an air ratio of the combustion zone and to control a fuel power supplied respectively to the combustion zone and the evaporation zone.
  • the system according to the invention can advantageously be developed in such a way that the controller is capable of regulating the air ratio of the combustion zone by detecting a prevailing air ratio of the combustion zone and by adjusting a combustion air supply into the combustion zone.
  • system according to the invention can be designed such that the controller is suitable for carrying out the combustion air supply through a combustion air blower assigned to the combustion zone.
  • the system according to the invention can be implemented such that the controller comprises a PID controller which is suitable for controlling the air ratio of the combustion zone.
  • the system according to the invention can advantageously be provided in such a way that the controller is suitable for carrying out the supply of the respective fuel power supplied to the combustion zone and the vaporization zone by a respective fuel pump associated with the combustion zone and the vaporization zone.
  • controller is suitable for controlling the fuel pump assigned to the combustion zone and the fuel pump associated with the vaporization zone on the basis of characteristic curves.
  • the system according to the invention can be realized in such a way that the controller comprises a calculation device which is suitable for defining a reference variable for controlling the air ratio of the combustion zone and corresponding default variables for controlling the supply of the respective fuel output.
  • the calculation device is suitable for calculating the reference variable and the respective predefined quantities at least based on measured data.
  • the system according to the invention may be designed so that the calculation device is suitable based on a ratio of the fuel power supplied to the combustion zone and the evaporation zone and based on the air ratio of the combustion zone to the total air ratio and determine the reference variable and the default values on the basis of the measured data and / or the total air ratio.
  • Figure 1 is a schematic representation of a system according to the invention belonging to the reformer.
  • Figure 2 is an illustration of a block diagram for carrying out the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a reformer 10 belonging to the system according to the invention.
  • the system according to the invention can furthermore comprise components which are not of interest and therefore not shown, such as a fuel cell connected downstream of the reformer 10 or a fuel cell stack, an afterburner, etc.
  • the reformer 10 comprises a combustion zone 12, the fuel via a combustion zone 12 associated fuel pump 20 fuel, preferably diesel, fed and the on a
  • Combustion air blower 18 an oxidizing agent or combustion air can be fed.
  • a sensor 30, preferably a lambda probe, is provided for detecting an air ratio of the combustion zone 12 and extends at least partially into the combustion zone
  • the reformer 10 comprises an evaporation zone 14 connected to the combustion zone 12, to which a mixture of fuel and combustion air from the combustion zone 12 can be fed.
  • the sensor 30 is located there at a transition between the combustion zone 12 and the evaporation zone 14. Accordingly, the sensor 30 may also be provided so that the detection of the air ratio of the combustion zone 12 is at least partially or additionally influenced by the present in the evaporation zone 14 air ratio number.
  • the evaporation zone 14 and / or at least partially of the combustion zone 12 is also additionally fuel via a further evaporative zone 14 associated fuel pump 22 can be fed.
  • the reformer 10 comprises a directly to the evaporation zone 14 and thus with the combustion zone 12 via the evaporation zone 14 associated catalyst zone 28 to which the mixture can be supplied from the evaporation zone and ultimately the reformate produced in the reformer 10 to the fuel cell, not shown, or the fuel cell stack dissipates.
  • a controller 26 is provided for controlling an overall ratio of the reformer 10. The controller 26 is among other things to control the fuel pump 20, 22 and the combustion air blower 18 with
  • controller 26 has a coupling with the sensor 30, which can thus provide the controller 26 with measured data about the air ratio present or detected in the combustion zone 12.
  • the controller in this case comprises a PID controller 16 for performing the air ratio control of the combustion zone 12 and a calculating means 24 for calculating guide quantities and default values for controlling the air ratio of the combustion zone 12 and for the
  • FIG. 2 shows a representation of a block diagram for carrying out the method according to the invention, which is carried out by the controller 26.
  • the method according to the invention initially begins by providing measurement data 32 to the calculation device 24. From these to
  • operating states of the reformer 10 and / or further components belonging to the fuel cell system are determined.
  • the calculation device 24 among other things do setpoint calculations which at least a set value (reference variable) for the air ratio number JH ⁇ ⁇ the Verbrennungs ⁇ one 12, a preset size as the Sollver privacy-
  • nis k p 0LL from the fuel steam zone 14 associated fuel pump 22 and the combustion zone 12 associated fuel pump 20 and a default size as the target value for the total fuel power P ° ⁇ L of the reformer 10 include.
  • the proxy for the air ratio number ⁇ Z t ⁇ he Ver k ren "" drying zone 12 is supplied to aplaceerglied or a subtractor 36 via a signal path 34 to a control deviation between the reference variable for the air ratio number / ⁇ * 'f ⁇ the combustion zone 12 and one of form a feedback path 38, present or detected air ratio number ⁇ j of the combustion zone 12 to form.
  • the control difference is supplied to the PID controller 16, which is a PID controller (PID transfer member).
  • the PID controller sets according to the control difference
  • J ⁇ 3 p -P o ⁇ i on the basis of appropriate transformations and Substitutions (which are made by not further interesting summer, subtractor, multiplier, divider) each in a desired fuel power P o ⁇ i the combustion zone 12 in a signal path 42 and in a Target fuel power p ⁇ the evaporation zone 14 in a signal path 44 transferred.
  • the relationship between the drive u of the fuel pumps 20, 22 and the delivered fuel output results.
  • a fuel mass flow of the corresponding fuel pump 20, 22 is promoted on the basis of the control u, from which by adding the calorific value, for example, the multiplication of the fuel mass flow with the associated heating value, the supplied or subsidized fuel power can be derived.
  • the respective fuel pumps 20, 22 then deliver actual fuel outputs p M ⁇
  • the present air ratio / ⁇ , Ref ⁇ is fed back by the sensor 30, the PID controller 16 again regulating in the subtraction element 36 on the basis of the detected control difference. Furthermore, the calculation means 24 based on the relationships
  • vap -pt ref -pt oxi.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung/Steuerung einer Gesamtluftverhältniszahl eines Reformers (10), der zumindest eine Verbrennungszone (12) und eine mit der Verbrennungszone (12) verbundene Verdampfungszone (14) umfasst. Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass zur Regelung/Steuerung der Gesamtluftverhältniszahl eine Luftverhältniszahl der Verbrennungszone (12) geregelt und eine jeweils der Verbrennungszone (12) und der Verdampfungszone (14) zugeführte Brennstoffleistung gesteuert wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein System mit einem Reformer (10), der zumindest eine Verbrennungszone (12) und eine mit der Verbrennungszone (12) verbundene Verdampfungszone (14) umfasst, und mit einem Controller (26), um eine Gesamtluftverhältniszahl des Reformers (10) regeln/steuern. Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass der Controller (26) geeignet ist, zur Regelung/Steuerung der Gesamtluftverhältniszahl eine Luftverhältniszahl der Verbrennungszone (12) zu regeln und eine jeweils der Verbrennungszone (12) und der Verdampfungszone (14) zugeführte Brennstoffleistung zu steuern.

Description

Verfahren und System zur Regelung/Steuerung einer Gesamt- luftverhältniszahl eines Reformers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung/Steuerung einer Gesamtluftverhältniszahl eines Reformers, der zumindest eine Verbrennungszone und eine mit der Verbrennungszo- ne verbundene Verdampfungszone umfasst.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein System mit einem Reformer, der zumindest eine Verbrennungszone und eine mit der Verbrennungszone verbundene Verdampfungszone umfasst, und mit einem Controller, um eine Gesamtluftverhältniszahl des Reformers zu regeln/steuern.
In Brennstoffzellensystemen, insbesondere in SOFC- BrennstoffZeilensystemen, werden üblicherweise Reformer eingesetzt, die aus ihnen zugeführtem Oxidationsmittel, insbesondere Luft, und Brennstoff Wasserstoffreiche Gasgemische beziehungsweise Reformate bilden. Beispielsweise kann ein derartiger Reformer eine Verbrennungs- beziehungsweise Oxidationszone und eine mit der Verbrennungszone verbundene Verdampfungs- beziehungsweise Gemischbildungszone umfassen. In der Verbrennungszone wird üblicherweise Luft und Brennstoff eingeführt, wodurch eine Umsetzung von dem Gasgemisch aus dem Brennstoff und der Luft in einer exothermen Reaktion stattfindet. In der Verdampfungszone hingegen erfolgt eine weitere Einspritzung von Brennstoff, die eine Verdampfung des Gasgemischs unterstützt. Darüber hinaus umfassen derartige Reformer üblicherweise eine Katalysator- beziehungsweise Reformierungszone, die zumindest ü- ber die Verdampfungszone mit der Verbrennungszone verbunden ist . Dort wird das Gasgemisch in einer endothermen Reaktion umgesetzt. Insbesondere wird der Verbrennungszone Brennstoff von einer Brennstoffpumpe und Verbrennungsluft von einem Gebläse zugeführt, wobei der Verdampfungszone über eine weitere Brennstoffpumpe Brennstoff zuführbar ist. Die Steuerung der beiden Pumpen und des Gebläses erfolgt meist dergestalt, dass in einem Reformierbetrieb des Reformers eine Gesamtluftverhältniszahl von 0,385 bis 0,465 und Betriebstemperaturen von 850° bis 9000C in der Katalysatorzo- ne aufrechterhalten werden. Ein Reformierbetrieb außerhalb des vorgenannten Gesamtluftverhältniszahlbereichs kann zu einer Russbildung, beispielsweise wenn die Luftverhältnis- zahl zu klein ist, oder zu geringen Gaskonzentrationen beziehungsweise hohen Bauteiltemperaturen führen. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Reformers stark sinken, wodurch ebenso der Wirkungsgrad des BrennstoffZeilensystems verringert wird. Darüber hinaus kann sich unter Umständen auch eine verkürzte Lebensdauer der Bauteile beziehungsweise Komponenten und damit auch des Brennstoffzellensystems er- geben. Daher wird üblicherweise die Gesamtluftverhältnis- zahl während des Betriebs des Reformers je nach Art des Betriebs (Anfahr- beziehungsweise Startup-, Normalbetrieb etc . ) geeignet geregelt . Gemäß dem Stand der Technik wird zur Regelung der Gesamtluftverhältniszahl eine Breitband- lambdasonde eingesetzt, um die geeignete Regelung anhand einer Messung der in dem Reformer vorliegenden Gesamtluftverhältniszahl vornehmen zu können. Der Einsatz einer solchen Breitbandlambdasonde ist jedoch eine sehr kostspielige Lösung zur Regelung der Gesamtluftverhältniszahl des Refor- mers .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Verfahren und Systeme zur Regelung/Steuerung einer Gesamtluftverhältniszahl eines Reformers derart wei- terzubilden, dass eine im Hinblick zum Stand der Technik kostengünstigere Regelung/Steuerung der Gesamtluftverhält- niszahl vorgenommen werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass zur Regelung/Steuerung der Gesamtluftverhältniszahl eine Luftverhältniszahl der Verbrennungszone geregelt und eine jeweils der Verbrennungszone und der Verdampfungszone zugeführte Brennstoff- leistung gesteuert wird. Ebenso ist aber denkbar, dass die zugeführten Brennstoffleistungen auch geregelt werden, anstatt eine Steuerung vorzunehmen. Die Regelung/Steuerung beziehungsweise Überwachung der Gesamtluftverhältniszahl des Reformers basierend auf der Regelung der Luftverhält- niszahl von lediglich der Verbrennungszone und basierend auf der Steuerung beziehungsweise Vorsteuerung der Brennstoffleistungen lässt sich anhand der folgenden Beziehungen durchführen :
Dabei stellt ^Ref die Gesamtluftverhältniszahl des Refor¬
mers, p^t{ die Luftverhältniszahl der Verbrennungszone des
Reformers, Jς das Verhältnis aus der Brennstoffleistung
p , die von einer der Verdampfungszone zugeordneten
Brennstoffpumpe zugeführt wird, zu einer Brennstoffleistung p , die von einer der Verbrennungskammer zugeordneten
Brennstoffpumpe zugeführt wird, und _Prrf die gesamte Brennstoffleistung des Reformers dar. Wird nun anhand obiger Be- Ziehungen die Luftverhältniszahl der Verbrennungszone gere- gelt, beispielsweise indem die in der Verbrennungszone vorliegende Luftverhältniszahl gemessen wird, und ist das Verhältnis beider Brennstoffleistungen vorgegeben, so kann dementsprechend auf die Gesamtluftverhältniszahl des Refor- mers geschlossen werden. Dies erfolgt dabei jedoch ohne
Messung der Gesamtluftverhältniszahl des Reformers, wodurch auf eine Breitbandlambdasonde verzichtet werden kann. Dementsprechend wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine kostengünstige Regelung/Steuerung zur Verfügung gestellt. Insbesondere für SOFC-Brennstoffzellensysteme in der automobilen Anwendung ist diese kostengünstige Lösung zu bevorzugen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafterweise derart weitergebildet werden, dass die Luftverhältniszahl der Verbrennungszone durch Erfassung einer vorliegenden Luftverhältniszahl der Verbrennungszone und durch Einstellung einer Verbrennungsluftzufuhr in die Verbrennungszone geregelt wird. Vorzugsweise wird die vorliegende bezie- hungsweise erfasste Luftverhältniszahl der Verbrennungszone durch einen einfachen Sensor, beispielsweise eine Lambda- sonde, ermittelt.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgebil- det sein, dass die Verbrennungsluftzufuhr durch ein der
Verbrennungszone zugeordnetes Verbrennungsluftgebläse vorgenommen wird. Das Verbrennungsluftgebläse bläst dabei direkt Luft in die Verbrennungszone ein, die anschließend in die Verdampfungszone gelangt.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren derart verwirklicht werden, dass die Luftverhältniszahl der Verbrennungszone durch einen PID-Controller geregelt wird. Der PID-Controller (PID-Übertragungsglied) fungiert damit als Regeleinrichtung für die Luftverhältniszahl der Verbrennungszone und nimmt durch Ansteuerung beziehungsweise Einstellung des Verbrennungsluftgebläses die Regelung vor.
Ebenso ist es vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren so weiterzubilden, dass die Zufuhr der jeweils der Verbrennungszone und der Verdampfungszone zugeführten Brennstoffleistung durch jeweils eine der Verbrennungszone und der Verdampfungszone zugeordnete Brennstoffpumpe vorgenommen wird. Die der Verbrennungszone und der Verdampfungszone zugeführte Brennstoffleistung können dabei beispielsweise anhand der spezifischen Ansteuerung der Brennstoffpumpen und der anhand der Ansteuerung geförderten Brennstoffmenge be- stimmt werden. Beispielsweise wird die Brennstoffleistung durch Ermittlung des Heizwerts Hu (Hi) des Brennstoffs festgelegt, so dass sich durch Verwendung eines bestimmten Heizwerts der Zusammenhang von der Ansteuerung der Pumpe und geförderter Brennstoffleistung ergibt.
In diesem Zusammenhang kann das erfindungsgemäße Verfahren so realisiert werden, dass die der Verbrennungszone zugeordnete Brennstoffpumpe und die der Verdampfungszone zugeordnete Brennstoffpumpe jeweils auf der Grundlage von Kenn- linien gesteuert werden. Diese Kennlinien umfassen beispielsweise Angaben über die Art der Ansteuerung und die aufgrund der Ansteuerung geförderte Brennstoffmenge. Die Überführung der Ansteuerung in die gewünschte Brennstoff- leistung kann dabei durch auf Kennlinien basierenden Über- tragungsgliedern vorgenommen werden. Dabei können die Kennlinien im Vorfeld messtechnisch beziehungsweise empirisch ermittelt werden oder beispielsweise von einem entsprechenden Pumpenhersteller erfragt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgebildet werden, dass eine Führungsgroße zur Regelung der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone und entsprechende Vorgabegrößen für die Steuerung der Zufuhr der jeweiligen Brenn- stoffleistung durch eine Berechnungseinrichtung festgelegt werden. Dabei kann es sich bei der Berechnungseinrichtung im informationstechnischen Sinne um einen Sollwert- beziehungsweise Führungsgrößen- und Vorgabegrößengenerator handeln.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, das erfindungs- gemäße Verfahren so zu verwirklichen, dass die Berechnungseinrichtung die Führungsgröße und die jeweiligen Vorgabegrößen zumindest basierend auf Messdaten berechnet. Dabei können die von der Berechnungseinrichtung bezogenen Messdaten beziehungsweise Messwerte mit Betriebszuständen des Reformer und/oder des Brennstoffzellensystems korrelieren. Beispielsweise rühren die Messdaten von unterschiedlichen Komponenten des Brennstoffzellensystems her, die für den Betrieb des Reformers relevant sind. Ebenso so können die Messdaten aber auch weitere in dem Reformer gemessene Größen umfassen, die den Betriebszustand des Reformers beeinflussen können.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren so umgesetzt werden, dass die Berechnungseinrichtung basierend auf einem Verhältnis aus der der Verbrennungszone und der Verdampfungszone zugeführten Brennstoffleistung und basierend auf der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone auf die Gesamt- luftverhältniszahl schließt und auf der Grundlage der Mess- daten und/oder der Gesamtluftverhältniszahl die Führungs- größe und die Vorgabegrößen festlegt . Das erfindungsgemäße System baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass der Controller geeignet ist, zur Regelung/Steuerung der Gesamtluftverhältniszahl eine Luftverhältniszahl der Verbrennungszone zu regeln und eine jeweils der Verbrennungszone und der Verdampfungszone zugeführte Brennstoffleistung zu steuern. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Eigenschaften und Vorteile in gleicher oder ähnlicher Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen wird.
Gleiches gilt sinngemäß für die folgenden bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems, wobei zur Vermeidung von Wiederholungen auch diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen wird.
Das erfindungsgemäße System kann in vorteilhafterweise der- art weitergebildet sein, dass der Controller geeignet ist, die Luftverhältniszahl der Verbrennungszone durch Erfassung einer vorliegenden Luftverhältniszahl der Verbrennungszone und durch Einstellung einer Verbrennungsluftzufuhr in die Verbrennungszone zu regeln.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße System so ausgebildet sein, dass der Controller geeignet ist, die Verbrennungs- luftzufuhr durch ein der Verbrennungszone zugeordnetes Verbrennungsluftgebläse vorzunehmen.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße System so verwirklicht werden, dass der Controller einen PID-Controller um- fasst, der geeignet ist, die LuftVerhältniszahl der Verbrennungszone zu regeln. Das erfindungsgemäße System kann in vorteilhafterweise derart vorgesehen sein, dass der Controller geeignet ist, die Zufuhr der jeweils der Verbrennungszone und der Verdamp- fungszone zugeführten Brennstoffleistung durch jeweils eine der Verbrennungszone und der Verdampfungszone zugeordnete Brennstoffpumpe vorzunehmen.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, das erfindungs- gemäße System derart weiterzubilden, dass der Controller geeignet ist, die der Verbrennungszone zugeordnete Brennstoffpumpe und die der Verdampfungszone zugeordnete Brennstoffpumpe jeweils auf der Grundlage von Kennlinien zu steuern.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße System so realisiert werden, dass der Controller eine Berechnungseinrichtung um- fasst, die geeignet ist, eine Führungsgröße zur Regelung der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone und entspre- chende Vorgabegrößen für die Steuerung der Zufuhr der jeweiligen Brennstoffleistung festzulegen.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, das erfindungsgemäße System derart weiterzubilden, dass die Be- rechnungseinrichtung geeignet ist, die Führungsgröße und die jeweiligen Vorgabegrößen zumindest basierend auf Mess- daten zu berechnen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, das erfindungsgemäße System so auszubilden, dass die Berechnungseinrichtung geeignet ist, basierend auf einem Verhältnis aus der der Verbrennungszone und der Verdampfungszone zugeführten Brennstoffleistung und basierend auf der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone auf die Gesamtluftverhältniszahl zu schließen und auf der Grundlage der Messdaten und/oder der Gesamtluftverhältniszahl die Führungsgröße und die Vorgabe- großen festzulegen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert .
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines dem erfindungsgemäßen System angehörenden Reformers; und
Figur 2 eine Darstellung eines Blockschaltbilds zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines dem erfindungsgemäßen System angehörenden Reformers 10. Das erfindungsgemäße System kann weiterhin nicht näher interessierende und daher nicht dargestellte Komponenten umfassen, wie beispielsweise eine dem Reformer 10 nachgeschaltete Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel, einen Nachbrenner etc. Im in Figur 1 dargestellten Fall umfasst der Reformer 10 eine Verbrennungszone 12, der über eine der Verbrennungszone 12 zugeordnete Brennstoffpumpe 20 Brenn- stoff, vorzugsweise Diesel, zuführbar und der über ein
Verbrennungsluftgebläse 18 ein Oxidationsmittel beziehungsweise Verbrennungsluft zuführbar ist. Ein Sensor 30, vorzugsweise eine Lambdasonde, ist zur Erfassung einer Luftverhältniszahl der Verbrennungszone 12 vorgesehen und er- streckt sich zumindest teilweise in die Verbrennungszone
12. Weiterhin umfasst der Reformer 10 eine mit der Verbrennungszone 12 verbundene Verdampfungszone 14, der ein Gemisch aus Brennstoff und Verbrennungsluft aus der Verbrennungszone 12 zuführbar ist. Der Sensor 30 befindet sich da- bei nahe einem Übergang zwischen der Verbrennungszone 12 und der Verdampfungszone 14. Dementsprechend kann der Sensor 30 auch so vorgesehen sein, dass die Erfassung der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone 12 zumindest teil- weise oder auch zusätzlich von der in der Verdampfungszone 14 vorliegenden Luftverhältniszahl beeinflusst wird. Der Verdampfungszone 14 und/oder zumindest teilweise der Verbrennungszone 12 ist darüber hinaus zusätzlich Brennstoff über eine weitere der Verdampfungszone 14 zugeordnete Brennstoffpumpe 22 zuführbar. Ferner umfasst der Reformer 10 eine unmittelbar mit der Verdampfungszone 14 und damit mit der Verbrennungszone 12 über die Verdampfungszone 14 verbundene Katalysatorzone 28, der das Gemisch von der Verdampfungszone zuführbar ist und die letztlich das in dem Reformer 10 erzeugte Reformat zur nicht gezeigten Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellenstapel abführt. Weiterhin ist ein Controller 26 zur Regelung/Steuerung einer Gesamtverhältniszahl des Reformers 10 vorgesehen. Der Controller 26 ist unter anderem zur Ansteuerung der Brennstoff- pumpen 20, 22 und des Verbrennungsluftgebläses 18 mit
Letztgenannten gekoppelt. Weiterhin verfügt der Controller 26 über eine Kopplung mit dem Sensor 30, der somit dem Controller 26 erfasste Messdaten über die in der Verbrennungszone 12 vorliegende beziehungsweise erfasste Luftver- hältniszahl zur Verfügung stellen kann. Der Controller umfasst in diesem Fall einen PID-Controller 16 zur Durchführung der Regelung der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone 12 und eine Berechnungseinrichtung 24 zur Berechnung von Führungsgroßen und Vorgabegrößen für die Regelung der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone 12 und für die
Steuerung der Brennstoffpumpen 20, 22, wie nachstehend im Zusammenhang mit Figur 2 ausführlich erläutert wird. Figur 2 zeigt eine Darstellung eines Blockschaltbilds zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das von dem Controller 26 ausgeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt zunächst damit, Messdaten 32 der Berechnungs- einrichtung 24 zur Verfügung zu stellen. Aus diesen zur
Verfügung gestellten Messdaten 32 werden beispielsweise Be- triebszustände des Reformers 10 und/oder weiteren dem Brennstoffzellensystem angehörenden Komponenten ermittelt. Daraus kann die Berechnungseinrichtung 24 unter anderem Sollwertberechnungen anstellen, die zumindest einen Sollwert (Führungsgröße) für die Luftverhältniszahl JH^~ der Verbrennungsκone 12, eine Vorgabegröße wie das Sollverhält-
nis kp 0LL aus den Brennstoffleistungen der der Ver- dampfungszone 14 zugeordneten Brennstoffpumpe 22 und der der Verbrennungszone 12 zugeordneten Brennstoffpumpe 20 und eine Vorgabegröße wie der Sollwert für die gesamte Brennstoffleistung P°ς L des Reformers 10 umfassen. Der Füh¬
rungsgröße für die Luftverhältniszahl ^Zt ^er Verkren"" nungszone 12 wird einem Vergleicherglied beziehungsweise einem Subtraktionsglied 36 über einen Signalpfad 34 zugeführt, um eine Regeldifferenz zwischen der Führungsgröße für die Luftverhältniszahl /^*'f ~ der Verbrennungszone 12 und einer von einem Rückkopplungspfad 38 zugeführten, vorliegenden beziehungsweise erfassten Luftverhältniszahl ^j der Verbrennungszone 12 zu bilden. Die Regeldifferenz wird dem PID-Controller 16, der eine PID- Regeleinrichtung (PID-Übertragungsglied) ist, zugeführt. Entsprechend der Regeldifferenz stellt der PID-Controller
16 das Verbrennungsluftgebläse 18, das dadurch einen Luft-
• REAL volumenstrom y^& m die Verbrennungszone 12 des Reformers 10 einbringt. Weiterhin werden der Sollwert für die gesamte Brennstoffleistung P^{ U des Reformers 10 und das Sollver-
hältnis ks°LL durch die Beziehungen λ- und ι+ AfrVp -PC ref p -Pi oxi
J^3 =p —Poχi anhand entsprechender Umformungen und Substi- tutionen (die durch nicht näher interessierende Summierer-, Subtrahierer-, Multiplizier-, Dividiererglieder vorgenommen werden) jeweils in eine Sollbrennstoffleistung Poχi der Verbrennungszone 12 in einen Signalpfad 42 und in eine Sollbrennstoffleistung p^ der Verdampfungszone 14 in ei- nen Signalpfad 44 übergeführt. Durch auf Kennlinien basierende Übertragungsglieder 40 in den Signalpfaden 42 und 44 werden die Sollbrennstoffleistung p der Verbrennungszo-
ne 12 und die Sollbrennstoffleistung _pva der Verdampfungszone 14 in Ansteuerungssignale u für jeweils die der Verbrennungszone 12 zugeordnete Brennstoffpumpe 20 und der Verdampfungszone 14 zugeordnete Brennstoffpumpe 22 übergeführt. Beispielsweise ergibt sich allgemein durch Verwendung eines Heizwerts des Brennstoffs der Zusammenhang zwischen der Ansteuerung u der Brennstoffpumpen 20, 22 und der geförderten Brennstoffleistung. Insbesondere wird anhand der Ansteuerung u ein Brennstoffmassenstrom der entsprechenden Brennstoffpumpe 20, 22 gefördert, aus dem durch Hinzuziehung des Heizwerts, beispielsweise der Multiplikation des Brennstoffmassenstrom mit dem zugehörigen Heiz- wert, die zugeführte beziehungsweise geförderte Brennstoffleistung hergeleitet werden kann. Basierend auf diesen An- steuerungssignalen u fördern die jeweiligen Brennstoffpumpen 20, 22 dann tatsächliche Brennstoffleistungen pM^
und p^ in die Verbrennungszone 12 und in die Verdamp- fungszone 14. Anhand des vorgenannten Rückkopplungspfads 38 wird zur Regelung der Luftverhältniszahl der Verbrennungs- zone 12 die vorliegende Luftverhältniszahl /{,Ref ~ durch den Sensor 30 rückgekoppelt, wobei der PID-Controller 16 erneut basierend auf der festgestellten Regeldifferenz in dem Subtraktionsglied 36 regelt. Weiterhin werden durch die Berechnungseinrichtung 24 basierend auf den Beziehungen
vap = -pt ref - -pt oxi .
durch Vorgabe der jeweiligen Brennstoffleistungen der Brennstoffpumpen 20, 22 und durch Messung der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone 12 die Gesamtluftverhältnis- zahl des Reformers 10 ermittelt und darauf basierend und/oder auf den gelieferten Messdaten 32 erneut Sollwerte berechnet, wodurch die Gesamtluftverhältniszahl insgesamt geregelt/gesteuert werden kann.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste :
10 Reformer
12 Verbrennungszone 14 Verdampfungszone
16 PID-Controller
18 Verbrennungsluftgebläse
20 Brennstoffpumpe
22 Brennstoffpumpe 24 Berechnungseinrichtung
26 Controller
28 Katalysatorzone
30 Sensor
32 Messdaten 34 Signalpfad
36 Subtraktionsglied
38 Rückkopplungspfad
40 Übertragungsglied
42 Signalpfad 44 Signalpfad

Claims

ANSPRUCHE
1. Verfahren zur Regelung/Steuerung einer Gesamtluftverhältniszahl eines Reformers (10) , der zumindest eine Verbrennungszone (12) und eine mit der Verbrennungszone
(12) verbundene Verdampfungszone (14) umfasst, dadurch ge- kennzeichnet, dass zur Regelung/Steuerung der Gesamtluftverhältniszahl eine Luftverhältniszahl der Verbrennungszone (12) geregelt und eine jeweils der Verbrennungszone (14) und der Verdampfungszone (14) zugeführte Brennstoffleistung gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftverhältniszahl der Verbrennungszone (12) durch Erfassung einer vorliegenden Luftverhältniszahl der Verbrennungszone (12) und durch Einstellung einer Verbren- nungsluftzufuhr in die Verbrennungszone (12) geregelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluftzufuhr durch ein der Verbrennungs- zone (12) zugeordnetes Verbrennungsluftgebläse (18) vorge- nommen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Luftverhältniszahl der Verbrennungszone (12) durch einen PID-Controller (16) geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr der jeweils der Verbrennungszone (12) und der Verdampfungszone (14) zugeführten Brennstoffleistung durch jeweils e.&Jüe* dör ..verßr^nnungszön.e (12) und der Verdampfungszone (Ϊ4i zugeordnete". B^ihnMo'ff- pumpe (20, 22) vorgenommen wird*
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die der Verbrennungszone (12) zugeordnete Brennstoff- pumpe (20) und die der Verdampfungszone (14) zugeordnete Brennstoffpumpe (22) jeweils auf der Grundlage von Kennlinien gesteuert werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Führungsgröße zur Regelung der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone (12) und entsprechende Vorgabegrößen für die Steuerung der Zufuhr der je- weiligen Brennstoffleistung durch eine Berechnungseinrichtung (24) festgelegt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinrichtung (24) die Führungsgröße und die jeweiligen Vorgabegrößen zumindest basierend auf Mess- daten berechnet .
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinrichtung (24) basierend auf einem Verhältnis aus der der Verbrennungszone (12) und der Verdampfungszone (14) zugeführten Brennstoffleistung und basierend auf der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone (12) auf die Gesamtluftverhältniszahl schließt und auf der Grundlage der Messdaten und/oder der Gesamtluftverhältnis- zahl die Führungsgröße und die Vorgabegrößen festlegt.
10. System mit einem Reformer (10), der zumindest eine Verbrennungszone (12) und eine mit der Verbrennungszone
(12) verbundene Verdampfungszone (14) umfasst, und mit ei- nem Controller (26) , um eine Gesamtluftverhältniszahl des Reformers (10) zu regeln/steuern, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (26) geeignet ist, zur Regelung/Steuerung der Gesamtluftverhältniszahl eine Luftver- hältniszahl der Verbrennungszone (12) zu regeln und eine jeweils der Verbrennungszone (14) und der Verdampfungszone (14) zugeführte Brennstoffleistung zu steuern.
11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (26) geeignet ist, die Luftverhältniszahl der Verbrennungszone (12) durch Erfassung einer vorliegenden Luftverhältniszahl der Verbrennungszone (12) und durch Einstellung einer Verbrennungsluftzufuhr in die Verbrennungszone (12) zu regeln.
12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (26) geeignet ist, die Verbrennungsluftzufuhr durch ein der Verbrennungszone (12) zugeordnetes Verbrennungsluftgebläse (18) vorzunehmen.
13. System nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (26) einen PID-Controller
(16) umfasst, der geeignet ist, die Luftverhältniszahl der Verbrennungszone (12) zu regeln.
14. System nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (26) geeignet ist, die Zufuhr der jeweils der Verbrennungszone (12) und der Verdampfungszone (14) zugeführten Brennstoffleistung durch je- weils eine der Verbrennungszone (12) und der Verdampfungszone (14) zugeordnete Brennstoffpumpe (20, 22) vorzunehmen.
15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (26) geeignet ist, die der Verbrennungszone (12) zugeordnete Brennstoffpumpe (20) und die der Verdampfungszone (14) zugeordnete Brennstoffpumpe (22) jeweils auf der Grundlage von Kennlinien zu steuern.
16. System nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (26) eine Berechnungseinrichtung (24) umfasst, die geeignet ist, eine Führungsgröße zur Regelung der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone (12) und entsprechende Vorgabegrößen für die Steuerung der Zufuhr der jeweiligen Brennstoffleistung festzulegen.
17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinrichtung (24) geeignet ist, die Führungs- größe und die jeweiligen Vorgabegrößen zumindest basierend auf Messdaten zu berechnen.
18. System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinrichtung (24) geeignet ist, basierend auf einem Verhältnis aus der der Verbrennungszone (12) und der Verdampfungszone (14) zugeführten Brennstoffleistung und basierend auf der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone (12) auf die Gesamtluftverhältniszahl zu schließen und auf der Grundlage der Messdaten und/oder der Gesamtluftverhältniszahl die Führungsgröße und die Vorgabegrößen festzule- gen.
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