EP2062316A1 - Verfahren zur ermittlung eines anodenumsatzgrads in einem brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zur ermittlung eines anodenumsatzgrads in einem brennstoffzellensystem

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EP2062316A1
EP2062316A1 EP07785686A EP07785686A EP2062316A1 EP 2062316 A1 EP2062316 A1 EP 2062316A1 EP 07785686 A EP07785686 A EP 07785686A EP 07785686 A EP07785686 A EP 07785686A EP 2062316 A1 EP2062316 A1 EP 2062316A1
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EP
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anode
fuel cell
fuel
afterburner
air
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Withdrawn
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EP07785686A
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English (en)
French (fr)
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Su Zhou
Andreas Ehlers
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Enerday GmbH
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Enerday GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method for determining an anode conversion rate of a fuel cell or a fuel cell stack.
  • the invention relates to a fuel cell system with a control device.
  • fuel cell systems are known, for example SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) fuel cell systems, in which a reformer, a fuel cell or a fuel cell stack and an afterburner are coupled together in this sequence.
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • the reformer converts the supplied air and the supplied fuel into a hydrogen and mono- carbon-containing gas or a reformate. Subsequently, this reformate reaches an anode of the fuel cell or the fuel cell stack.
  • the reformate is fed via an anode inlet to the fuel cell stack.
  • the reformate H 2 , CO
  • the reformate is partly oxidized catalytically with release of electrons and discharged via an anode outlet.
  • the electrons are from the fuel cell or the
  • Derived fuel cell stack and flow, for example, to an electrical consumer. From there, the electrons reach a cathode of the fuel cell or of the fuel cell stack, a reduction taking place by supplying cathode air into a cathode inlet. Subsequently, the cathode exhaust air is discharged via a cathode outlet. The exhaust gases of the fuel cell Pels (depleted reformate), which are discharged both from the anode outlet of the anode and from the cathode outlet of the cathode, are then both fed to the afterburner. There, the depleted reformate is reacted with an afterburner air supplied to the afterburner to form a combustion exhaust gas.
  • depleted reformate depleted reformate
  • the degree of anode conversion can be used. At present, however, it is not possible to measure the degree of anode conversion without resorting to the use of complex gas analyzes or gas analysis methods of the reformate upstream of the fuel cell or the fuel cell stack. However, the use of such gas analysis methods in such fuel cell systems is very expensive.
  • the invention is therefore based on the object, the generic method and the generic fuel cell systems in such a way that the determination of the anode conversion rate can be carried out inexpensively.
  • the inventive method is based on the generic state of the art in that the anode conversion degree by measuring at least one stream of the fuel cell or the fuel cell stack, an afterburner supplied air volume flow, at the time of Measurement no fuel is supplied, an air ratio of a reformer gas and an oxygen volume fraction is determined in a Nachbrennerabgas. By measuring these quantities, the anode conversion rate can be determined cost-effectively by means of suitable calculations.
  • To measure the flow of the fuel cell or fuel cell stack use only an ammeter.
  • the air volume flow supplied to the afterburner can be determined using a flowmeter.
  • the air ratio of the reformer gas and the oxygen volume fraction in the afterburner exhaust gas can each be determined by a lambda probe, which are provided correspondingly in a reformer and the afterburner.
  • I is the flow of the fuel cell or the fuel cell stack
  • N is the fuel cell number
  • F is the Faraday constant and f £ ° ut , ⁇ £ ° at , ⁇ £ ° at each
  • the method according to the invention can be carried out such that the sum of the mole currents of ⁇ ⁇ ' out ,
  • Vjf is the air volume flow supplied to the afterburner
  • ⁇ m is the air number of the afterburner exhaust gas
  • V mair is the molar volume of air.
  • ⁇ ⁇ 0 * (H 2 , CO) is the volume fraction of H 2 and CO at the anode outlet and ⁇ NB (O 2 ) is the volume fraction of O 2 in the afterburner exhaust gas.
  • ⁇ is defined, where ⁇ > m (H 2 , CO) is the volume fraction of H 2 and CO at an anode inlet of the anode and ⁇ ⁇ ' m is the total molar flow at the anode inlet.
  • the method according to the invention is developed such that the volume fraction of H 2 and CO of the anode inlet is determined via characteristic curves as a function of the air ratio of the reformer gas or the air ratio for the reformer.
  • the characteristic curves can be determined empirically.
  • the method according to the invention can advantageously be designed in such a way that the total molar flow of the anode inlet is determined via characteristic curves as a function of the air ratio of the reformer gas. Also in this case, the characteristics can be determined empirically.
  • the process according to the invention is preferably carried out in such a way that the total molar flow rate of the anode entry is furthermore determined as a function of a total molar flow into a reformer which increases
  • Refjn _ where n is a carbon fraction and m is a hydrogen content of the fuel, / zi is the lower specific calorific value of the fuel, M ael is the molar mass of the fuel and P ref is the reformer fuel output .
  • a fuel cell system according to the invention is provided with a control device which is suitable for carrying out the method according to the invention.
  • Figure 1 is a schematic representation of a fuel cell system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system 10 according to the invention.
  • the fuel cell system 10 comprises a reformer 16, which is coupled to a fuel supply device 12 for supplying fuel upstream of it and to an air supply device 14 upstream of it for air supply.
  • the reformer 16 is coupled to a fuel cell stack 20 connected downstream of it.
  • the fuel cell stack 20 in this case consists of a plurality of fuel cells. Alternatively, however, instead of the fuel cell stack 20, only a single fuel cell may be provided.
  • the reformer 16 is coupled to an anode of the fuel cell stack 20.
  • the fuel cell stack 20 is coupled to a cathode air supply device 18, the one
  • the fuel cell stack 20 cathode air supplies. Furthermore, the fuel cell stack 20 is coupled to an afterburner 24, which in this embodiment can be supplied with exhaust gas originating both from the anode and from the cathode of the fuel cell stack 20. Furthermore, a Nachbrenner Kunststoffzu wool Rhein 22 is coupled to the afterburner 24, via which the afterburner 24 is supplied with Nachbrenner Kunststoff.
  • the fuel cell system 10 is associated with a control device 26. To determine the air ratio of a reformer gas of the reformer 16, a lambda probe 34 is provided on the reformer, to which the control device 26 is coupled.
  • ners 24 For measuring the oxygen content or the oxygen volume fraction of an afterburner exhaust gas of the afterburner, ners 24 another lambda probe 32 is provided on the afterburner 24. For measuring an air volume flow supplied to the afterburner 24, a flow meter 30 is provided between the afterburner air supply device 22 and the afterburner 24.
  • control device 26 carries out the method according to the invention as follows, in order to determine the degree of anode conversion.
  • the degree of anode conversion is defined as the ratio of fuel gases converted to the anode to the anode and can be expressed
  • N is the number of fuel cells in the fuel cell stack
  • F is the Faraday constant in As / mol
  • ⁇ ⁇ ' m is the sum of the mole currents entering the anode, H 2 , CO, BS me of H 2 , CO and Fuel in mol / s
  • H T ' + co ° ut + ⁇ B s ° ut the sum of the emerging from the anode molar flows of H 2 , CO and the fuel in mol / s.
  • the current I is measured when no additional fuel, in particular diesel, the afterburner 24 is supplied.
  • the control device 26 has a current measuring device 28 which is suitably connected to the fuel cell stack 20 for current measurement. If the current of the fuel cell stack 20 can be measured, then it is still necessary to determine the term ⁇ ° ° ut + ⁇ g g ut + ⁇ ° ° ut for anode conversion calculation X A. This term can be described, inter alia, according to the definition of the air ratio as follows:
  • V TM is the air volumetric flow in the afterburner 24 of the afterburner air supply device 22 in Nl / s, the air ratio or air ratio (Lambda) of the afterburner exhaust gas of the afterburner 24 and V mair the molar volume or molar volume of the air in Nl / mol.
  • the molar volume of the air is known and can be determined, for example, from the molar mass in connection with the specific volume of air.
  • the control device 26 determines the air volume flow supplied to the afterburner 24 via the flow measuring device 30.
  • the air ratio of the afterburner exhaust gas of the afterburner 24 must continue to be calculated by the control device 26.
  • the air ratio of the afterburner exhaust gas the following relationship applies, which can be derived for the superstoichiometric combustion:
  • ⁇ A '° ut designated (H 2, CO) by volume of H 2 and CO at an anode outlet that is, the volume fraction of the gases when leaving the anode, wherein ⁇ m (O 2) e ⁇ - n volume fraction of O 2 in the afterburner exhaust gas.
  • the control device 26 is coupled to a lambda probe 32 provided on the afterburner 24.
  • the controller 26 uses the following - S -
  • ⁇ Km (H 2 , CO) denotes the volume fraction of the gas supplied to the anode from the reformer 16 from H 2 and CO, ie
  • the control device 26 uses an empirically determined characteristic as a function of a reformer lambda or an air ratio of the reformer gas of the reformer
  • control device 26 For determining the air ratio of the reformer gas, the control device 26 is coupled to a lambda probe 34 provided on the reformer 16. Similarly, the control device 26 uses the total molar flow ⁇ £ m in the anode inlet following context:
  • the coefficient Ci 1 is also determined empirically in this case.
  • these empirically determined coefficients can be used to generate characteristics that can be used for the respective calculation.
  • e ⁇ efM denotes a lecturmolenstrom the reformer 16 supplied gases. This expression can be derived by the following relationship for the calculation of the necessary total molar flow in the reformer ⁇ * ef> in :
  • n denotes a carbon fraction and m denotes a hydrogen fraction of the fuel used or fed to the reformer. Furthermore, P ref denotes a
  • the degree of anode conversion can be estimated by means of the control device 26, since the control device 26 either measures all variables required for this purpose as described above or derives these variables on the basis of further relationships.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Ermittlung eines Anodenumsatzgrads einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels (20). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Anodenumsatzgrad durch Messen von zumindest einem Strom der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels (20), einem einen Nachbrenner (24) zugeführten Luftvolumenstrom, dem zum Zeitpunkt der Messung kein Brennstoff zugeführt wird, einer Luftzahl eines Reformergases und eines Sauerstoffvolumenanteils in einem Nachbrennerabgas ermittelt wird.

Description

Verfahren zur Ermittlung eines Anodenumsatzgrads in einem Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Anodenumsatzgrads einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels .
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Steuereinrichtung.
Allgemein sind Brennstoffzellensysteme bekannt, beispielsweise SOFC-Brennstoffzellensysteme (SOFC = Solid Oxide Fuel Cell) , in denen ein Reformer, eine Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzellenstapel und ein Nachbrenner in dieser Abfolge miteinander gekoppelt sind. Der Reformer setzt ihm zugeführte Luft und zugeführten Brennstoff zu einem Wasserstoff- und monokohlehaltigen Gas beziehungsweise einem Re- format um. Anschließend gelangt dieses Reformat zu einer Anode der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels .
Insbesondere wird das Reformat über einen Anodeneintritt dem Brennstoffzellenstapel zugeführt. In der Anode wird das Reformat (H2, CO) zum Teil katalytisch unter Abgabe von E- lektronen oxidiert und über einen Anodenaustritt abgeführt. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle oder dem
Brennstoffzellenstapel abgeleitet und fließen beispielsweise zu einem elektrischen Verbraucher. Von dort gelangen die Elektronen zu einer Kathode der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels, wobei unter Zuführung von Katho- denluft in einen Kathodeneintritt eine Reduktion stattfindet. Anschließend wird die Kathodenabluft über einen Kathodenaustritt abgeführt. Die Abgase des Brennstoffzellensta- pels (abgereichertes Reformat) , die sowohl aus dem Anodenaustritt der Anode als auch aus dem Kathodenaustritt der Kathode abgeführt werden, werden anschließend beide dem Nachbrenner zugeführt . Dort erfolgt eine Umsetzung des ab- gereicherten Reformats mit einer dem Nachbrenner zugeführten Nachbrennerluft zu einem Verbrennungsabgas. Zur Ermittlung einer Systemperformanz beziehungsweise Systemleistungsfähigkeit kann beispielsweise der Anodenumsatzgrad verwendet werden. Derzeit besteht jedoch nicht die Möglich- keit, den Anodenumsatzgrad zu messen, ohne auf die Verwendung aufwändiger Gasanalytiken beziehungsweise Gasanalytikverfahren des Reformats vor der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellenstapel zurückzugreifen. Der Einsatz derartiger Gasanalytikverfahren in solchen Brennstoffzellensys- temen ist jedoch sehr kostspielig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Verfahren und die gattungsgemäßen Brennstoff- zellensysteme derart weiterzubilden, dass die Ermittlung des Anodenumsatzgrads kostengünstig durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem gattungsgemä- ßen Stand der Technik dadurch auf, dass der Anodenumsatzgrad durch Messen von zumindest einem Strom der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels, einem einem Nachbrenner zugeführten Luftvolumenstrom, dem zum Zeitpunkt der Messung kein Brennstoff zugeführt wird, einer Luftzahl eines Reformergases und einem Sauerstoffvolumenanteil in einem Nachbrennerabgas ermittelt wird. Durch die Messung dieser Größen kann anhand geeigneter Berechnungen der Anoden- umsatzgrad kostengünstig ermittelt werden. Um den Strom der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels zu messen, ist lediglich ein Strommessgerät zu verwenden. Der dem Nachbrenner zugeführte Luftvolumenstrom lässt sich anhand eines Strömungsmessgeräts ermitteln. Die Luftzahl des Re- formergases und der Sauerstoffvolumenanteil in dem Nachbrennerabgas können jeweils durch eine Lambda-Sonde ermittelt werden, die entsprechend bei einem Reformer und dem Nachbrenner vorgesehen sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafterweise dadurch weitergebildet sein, dass der Anodenumsatzgrad durch das Verhältnis von einer Anode umgesetzten Brenngasen bei einem Strom I zu der Anode zugeführten Brenngasen gebildet wird und zu
definiert ist, wobei I der Strom der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels, N die Brennstoffzellenanzahl,
F die Faraday'sche Konstante und f£°ut , ή£°at , ή£°at jeweils
Molenströme von H2, CO und Brennstoff an einem Anodenaus- tritt der Anode sind.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgeführt sein, dass die Summe der Molenströme von ή^'out ,
*&*. ^f' gleich ist, wobei Vjf der dem Nachbrenner zugeführte Luftvolumenstrom, λm die Luftzahl des Nachbrennerabgases und Vmair das molare Volumen von Luft ist .
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, das erfindungsgemäße Verfahren derart zu verwirklichen, dass die Luftzahl des Nachbrennerabgases für eine überstöchiometri- sehe Verbrennung zu
definiert ist, wobei φ^0*(H2,CO) der Volumenanteil von H2 und CO an dem Anodenaustritt und ^NB(O2) der Volumenanteil von O2 in dem Nachbrennerabgas ist .
Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Volumenanteil von H2 und CO an dem Anodenaustritt zu
A,out φ (H2,CO) = φ^(H2,CO)-I-^-.^-
•∑ definiert ist, wobei φ >m(H2,CO) der Volumenanteil von H2 und CO an einem Anodeneintritt der Anode und ή^'m der Ge- samtmolenstrom an dem Anodeneintritt ist.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren so weitergebildet, dass der Volumenanteil von H2 und CO des Anodeneintritts über Kennlinien in Abhängigkeit von der Luftzahl des Reformergases beziehungsweise der Luftzahl für den Reformer ermittelt wird. Dabei können die Kennlinien empirisch ermittelt werden. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafterweise derart ausgeführt sein, dass der Gesamtmolen- strom des Anodeneintritts über Kennlinien in Abhängigkeit von der Luftzahl des Reformergases ermittelt wird. Auch in diesem Fall können die Kennlinien empirisch ermittelt werden.
Darüber hinaus wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise so verwirklicht, dass der Gesamtmolenstrom des Ano- deneintritts weiterhin in Abhängigkeit von einem Gesamtmolenstrom in einen Reformer ermittelt wird, der zu
Refjn _ definiert ist, wobei n ein Kohlenstoffanteil und m ein Was- serstoffanteil des Brennstoffs, /zufiιeI der untere spezifische Heizwert des Brennstoffs, Mael die molare Masse des Brennstoffs und PRef die Reformerbrennstoffleistung ist.
Ebenso ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einer Steuereinrichtung vorgesehen, die dazu geeignet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. 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.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft erläutert. Es zeigt :
Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10. Im dargestellten Fall umfasst das Brennstoffzellensystem 10 einen Reformer 16, der mit einer ihm vorgeschalteten Brennstoffzuführein- richtung 12 zur BrennstoffZuführung und einer ihm vorgeschalteten Luftzuführeinrichtung 14 zur Luftzuführung gekoppelt ist. Der Reformer 16 ist mit einem ihm nachgeschalteten Brennstoffzellenstapel 20 gekoppelt. Der Brennstoff- zellenstapel 20 besteht in diesem Fall aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen. Alternativ kann jedoch anstelle des Brennstoffzellenstapels 20 auch nur eine einzelne Brennstoffzelle vorgesehen sein. Insbesondere ist der Reformer 16 mit einer Anode des Brennstoffzellenstapels 20 gekoppelt. Darüber hinaus ist der Brennstoffzellenstapel 20 mit einer Kathodenluftzuführeinrichtung 18 gekoppelt, die einer
Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 Kathodenluft zuführt. Weiterhin ist der Brennstoffzellenstapel 20 mit einem Nachbrenner 24 gekoppelt, dem in diesem Ausführungsbeispiel sowohl von der Anode als auch von der Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 stammendes Abgas zuführbar ist. Weiterhin ist eine Nachbrennerluftzuführeinrichtung 22 mit dem Nachbrenner 24 gekoppelt, über die der Nachbrenner 24 mit Nachbrennerluft versorgt wird. Dem Brennstoffzellensystem 10 ist eine Steuereinrichtung 26 zugeordnet. Zur Er- mittlung der Luftzahl eines Reformergases des Reformers 16 ist eine Lambda-Sonde 34 an dem Reformer vorgesehen, mit der die Steuereinrichtung 26 gekoppelt ist. Ebenso ist zur Messung des Sauerstoffgehalts beziehungsweise des Sauer- stoffvolumenanteils eines Nachbrennerabgases des Nachbren- ners 24 eine weitere Lambda-Sonde 32 an dem Nachbrenner 24 vorgesehen. Zur Messung eines dem Nachbrenner 24 zugeführten Luftvolumenstroms ist zwischen der Nachbrennerluftzuführeinrichtung 22 und dem Nachbrenner 24 ein Strömungs- messgerät 30 vorgesehen.
Im Betrieb führt die Steuereinrichtung 26 das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt aus, um den Anodenumsatzgrad zu ermitteln. Der Anodenumsatzgrad ist definiert als das Ver- hältnis von der Anode umgesetzten Brenngasen zu der Anode zugeführten Brenngasen und lässt sich ausdrücken zu
Dabei ist N die Anzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels, F die Faraday'sche Konstante in As/mol, ∑^'m die Summe der in die Anode eintretenden Molenströ- y=H2,CO,BS me von H2, CO und des Brennstoffes in mol/s und der Term "HT' +"co°ut +^Bs°ut die Summe der aus der Anode austretenden Molenströme von H2, CO und des Brennstoffes in mol/s. Damit die Steuereinrichtung 26 den Anodenumsatzgrad ermitteln kann, ist es erforderlich den Strom I des Brennstoffzellen- stapels 20 zu messen. Vorzugsweise wird der Strom I gemessen, wenn kein zusätzlicher Brennstoff, insbesondere Diesel, dem Nachbrenner 24 zugeführt wird. Zur Messung des Stroms I verfügt die Steuereinrichtung 26 über ein Strom- messgerät 28, das mit dem Brennstoffzellenstapel 20 zur Strommessung geeignet verbunden ist. Ist der Strom des Brennstoffzellenstapels 20 messbar, so gilt es weiterhin den Term ή£°ut +ή£gut + ή£°ut zur Anodeumsatzberechnung XA zu ermitteln. Dieser Term lässt sich unter anderem nach der Definition von der Luftzahl wie folgt beschreiben:
Dabei ist V™ der Luftvolumenstrora in den Nachbrenner 24 von der Nachbrennerluftzuführeinrichtung 22 in Nl/s, λ^ die Luftzahl beziehungsweise die Luftverhältnis-Zahl (Lamb- da) des Nachbrennerabgases des Nachbrenners 24 und Vmair das molare Volumen beziehungsweise Molvolumen der Luft in Nl/mol . Das molare Volumen der Luft ist bekannt und lässt sich beispielsweise aus der molaren Masse in Zusammenhang mit dem spezifischen Volumen von Luft ermitteln. Die Steu- ereinrichtung 26 ermittelt den dem Nachbrenner 24 zugeführten Luftvolumenstrom über das Strömungsmessgerät 30. Damit gilt es weiterhin die Luftzahl des Nachbrennerabgases des Nachbrenners 24 durch die Steuereinrichtung 26 zu berechnen. Für die Luftzahl des Nachbrennerabgases gilt folgende Beziehung, die für die überstöchiometrische Verbrennung hergeleitet werden kann:
In dieser Beziehung bezeichnet der Ausdruck φA'°ut(H2,CO) einen Volumenanteil von H2 und CO an einem Anodenaustritt, d.h. der Volumenanteil der Gase bei Verlassen der Anode, wobei φm(O2) e^-n Volumenanteil von O2 im Nachbrennerabgas ist. Um den Volumenanteil von O2 im Nachbrennerabgas zu ermitteln, ist die Steuereinrichtung 26 mit einer an dem Nachbrenner 24 vorgesehenen Lambda-Sonde 32 gekoppelt. Um den Volumenanteil von H2 und CO an dem Anodenaustritt zu ermitteln, verwendet die Steuereinrichtung 26 die folgende - S -
Beziehung für den von der Anode abgegebenen Brenngasanteil im Anodenabgas :
Dabei bezeichnet φKm(H2,CO) den Volumenanteil des der Anode von dem Reformer 16 zugeführten Gases aus H2 und CO, d.h.
1 JV der Anteil von H2 und CO im Reformat, wobei /—r. den ή£m 2F im Brennstoffzellenstapel 20 umgesetzten Volumenanteil von H2 und CO bezeichnet. Insbesondere bezieht sich der Ausdruck ή^m auf den der Anode zugeführten Gesamtmolenstrom in den Anodeneintritt. Um φA'm(H2,CO) zu ermitteln, verwendet die Steuereinrichtung 26 eine empirisch ermittelte Kennlinie in Abhängigkeit von einem Reformerlambda beziehungsweise einer Luftzahl des Reformergases des Reformers
4
16 und bestimmt φKm{H2,CÖ) = ∑bt -λRel' . Dabei ist h± ein vor-
(=0 bestimmter Koeffizient, der empirisch ermittelt wurde. Zur Ermittlung der Luftzahl des Reformergases ist die Steuereinrichtung 26 mit einer an dem Reformer 16 vorgesehenen Lambda-Sonde 34 gekoppelt. Ebenso verwendet die Steuereinrichtung 26 zur Ermittlung des Gesamtmolenstroms ή£m in den Anodeneintritt den folgenden Zusammenhang:
2 •A,in -Reζin V"1 * ι
(=0
Analog zu dem Koeffizienten bi wird auch in diesem Fall der Koeffizient Ci1 empirisch ermittelt. Insbesondere lassen sich durch diese empirisch ermittelten Koeffizienten Kenn- linien erstellen, die für die jeweilige Berechnung verwendet werden können. Darüber hinaus bezeichnet ή^efM einen Ge- samtmolenstrom der dem Reformer 16 zugeführten Gase. Dieser Ausdruck lässt sich durch die folgende Beziehung zur Berechnung des notwendigen Gesamt-Molenstroms in den Reformer ή*ef>in herleiten:
n Reζin _
Dabei bezeichnet n einen Kohlenstoffanteil und m einen Wasserstoffanteil des eingesetzten beziehungsweise dem Reformer zugeführten Brennstoffs. Weiterhin bezeichnen PRef eine
Reformerleistung in Watt, /zufliel einen unteren spezifischen Heizwert des Brennstoffs in J/kg und M^1 die molare Masse des Brennstoffes, wobei diese Größen alle bekannt sind. Somit lässt sich unter den vorgenannten Voraussetzungen der Anodenumsatzgrad mittels der Steuereinrichtung 26 abschätzen, da die Steuereinrichtung 26 alle hierfür erforderli- chen Größen wie vorstehend beschrieben entweder misst oder diese Größen anhand weiterer Beziehungen herleitet.
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 Brennstoffzellensystem
12 Brennstoffzuführeinrichtung 14 Luftzuführeinrichtung
16 Reformer
18 Kathodenluftzuführeinrichtung
20 Brennstoffzellenstapel
22 Nachbrennerluftzuführeinrichtung 24 Nachbrenner
26 Steuereinrichtung 28 Strommessgerät
30 Strömungsmessgerät 32 Lambda-Sonde 34 Lambda-Sonde

Claims

ANSPRUCHE
1. Verfahren zur Ermittlung eines Anodenumsatzgrads einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels (20) , dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenumsatzgrad durch Messen von zumindest einem Strom der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels (20) , einem einem Nachbrenner (24) zugeführten Luftvolumenstrom, dem zum Zeitpunkt der
Messung kein Brennstoff zugeführt wird, einer Luftzahl eines Reformergases und einem Sauerstoffvolumenanteil in einem Nachbrennerabgas ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenumsatzgrad durch das Verhältnis von einer Anode umgesetzten Brenngasen bei einem Strom I zu der Anode zugeführten Brenngasen gebildet wird und zu
definiert ist, wobei I der Strom der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels, N die BrennstoffZeilenanzahl,
F die Faraday'sche Konstante und ή£out , n£gat , rä^°ut jeweils
Molenströme von H2, CO und Brennstoff an einem Anodenaustritt der Anode sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Molenströme von Λ^out , ή£gul , ή££ut gleich _
ist, wobei V3^6 der dem Nachbrenner (24) zugeführten Luftvolumenstrom, λm die Luftzahl des Nachbrennerabgases und V1n ώ das molare Volumen von Luft ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzahl des Nachbrennerabgases für eine überstö- chiometrische Verbrennung zu
definiert ist, wobei φ^0^(H2,CO) der Volumenanteil von H2 und CO an dem Anodenaustritt und φm(O2) der Volumenanteil von O2 in dem Nachbrennerabgas ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil von H2 und CO an dem Anodenaustritt zu
φ^\H2,CO)=φ^(H2,CO)-I-^--~
definiert ist, wobei φA'm(H2,CO) der Volumenanteil von H2 und CO an einem Anodeneintritt der Anode und ή^m der Ge- samtmolenstrom an dem Anodeneintritt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil von H2 und CO des Anodeneintritts über Kennlinien in Abhängigkeit von der Luftzahl des Reformergases ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtmolenstrom des Anodeneintritts über Kennlinien in Abhängigkeit von der Luftzahl des Reformergases ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtmolenstrom des Anodeneintritts weiterhin in Abhängigkeit von einem Gesamtmolenstrom in einen Reformer ermittelt wird, der zu m n + — n Reζin _ Ref
1+4* .ef
0,21 Vfuel •M fiiel
definiert ist, wobei n ein Kohlenstoffanteil und m ein Was- serstoffanteil des Brennstoffs, /zufüel der untere spezifische
Heizwert des Brennstoffs, Mftel die molare Masse des Brennstoffs und PRef die Reformerbrennstoffleistung ist.
9. BrennstoffZeilensystem mit einer Steuereinrichtung, die dazu geeignet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
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