EP4454035A1 - Verfahren zur überwachung eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Verfahren zur überwachung eines brennstoffzellensystems

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EP4454035A1
EP4454035A1 EP22809688.9A EP22809688A EP4454035A1 EP 4454035 A1 EP4454035 A1 EP 4454035A1 EP 22809688 A EP22809688 A EP 22809688A EP 4454035 A1 EP4454035 A1 EP 4454035A1
Authority
EP
European Patent Office
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fuel
fuel cell
cell system
subassemblies
enthalpy
Prior art date
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Pending
Application number
EP22809688.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Felix Schaefer
Sebastian Egger
Maxime Carre
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants

Definitions

  • a method for monitoring a fuel cell system, in particular a solid oxide fuel cell system, which is subdivided into a plurality of subassemblies in at least one method step, has already been proposed.
  • the invention is based on a method for monitoring a fuel cell system, in particular a solid oxide fuel cell system, which is subdivided into a plurality of subassemblies in at least one method step.
  • an enthalpy balance is created for at least two subassemblies, with at least one current fuel parameter being determined using the enthalpy balances created.
  • the fuel cell system preferably comprises at least one fuel cell unit as a functional unit, which in particular comprises at least one fuel cell, a stack of fuel cells and/or a combination of a plurality of stacks of fuel cells.
  • the fuel cell and/or the fuel cells of the fuel cell unit are/are preferably designed as high-temperature fuel cells.
  • the fuel cell unit is preferably provided for the purpose of converting a fuel into an electrical one while supplying an oxidant in a conversion process implement energy production.
  • the fuel is preferably in the form of natural gas.
  • the fuel as the main energy carrier includes other hydrocarbon compounds and/or hydrogen as a mixture or as a pure substance and/or ammonia and/or liquid organic hydrogen carriers and/or the like.
  • the oxidant is preferably in the form of ambient air. However, it is also conceivable that the oxidant is in the form of an industrial fluid, preferably with a documented oxygen content.
  • the fuel cell unit preferably comprises at least one fuel electrode, which is preferably provided for direct contact with the fuel during the conversion process.
  • the fuel cell unit preferably comprises at least one oxidant electrode, which is preferably provided for direct contact with the oxidant during the conversion process.
  • the fuel cell unit comprises, for example, at least one molten carbonate fuel cell (MCFC) and/or particularly preferably at least one solid oxide fuel cell (SOFC).
  • the fuel cell system preferably comprises at least one further unit which enables and/or supports operation of the fuel cell unit, in particular is intended to handle the fuel and/or the oxidant.
  • “Provided” should preferably be understood to mean specially set up, specially designed and/or specially equipped.
  • the fact that an object is provided for a specific function should preferably be understood to mean that the object fulfills and/or executes this specific function in at least one application and/or operating state.
  • a handling of the fuel and / or the oxidant includes, without being limited to, for example, a supply to the fuel cell unit, a removal of emerging from the fuel cell unit reaction products, temperature control, heat recovery from the reaction products, treatment and / or pre-processing, a Utilization of residual amounts of fuel, which is added to the reaction products, or the like.
  • further functional units include at least one fuel line to the fuel cell unit, at least one oxidant line to the fuel cell unit, at least one discharge line away from the fuel cell unit, at least one fuel delivery unit, at least one oxidant conveyor unit, at least one recirculation conveyor unit for recirculating a fluid exiting the fuel cell unit, at least one heat exchanger and/or at least one afterburner or the like.
  • the fuel cell system preferably includes at least one computing unit.
  • a "processing unit” is to be understood as a unit with an information input, an information processing and an information output.
  • the arithmetic unit advantageously has at least one processor, a memory, input and output means, further electrical components, an operating program, control routines, control routines and/or calculation routines.
  • the computing unit can preferably be arranged locally together with the units or implemented on an external device, for example a server, which communicates with a local control unit of the fuel cell system.
  • the computing unit preferably determines at least one fuel parameter in at least one method step. In the method step, the computing unit determines and/or characterizes the composition of the fuel as a function of available operating parameters of the fuel cell system.
  • At least one temperature of one of the units of the fuel cell system, the fuel and/or the oxidant, a volume flow of the fuel and/or the oxidant, an electrical current generated by the fuel cell unit or the like is at least recorded by the computing unit of the fuel cell system and preferably regulated.
  • the computing unit preferably queries the available operating parameters from the computing unit of the fuel cell system and/or from sensor elements of the fuel cell system.
  • the computing unit preferably determines the current fuel parameters in real time. “Real time” should be understood to be faster than an average reaction speed of the fuel cell system to a change in one of the operating parameters.
  • the arithmetic unit preferably includes the functional units the subassemblies together.
  • the subassemblies each include one or more of the functional units.
  • the computing unit assigns the same functional unit to different subassemblies.
  • Various subassemblies preferably differ in at least one functional unit.
  • Each of the subassemblies preferably comprises at least one functional unit through which the fuel, the oxidant and/or a fluid exiting the fuel cell unit flow.
  • An “enthalpy balance” should preferably be understood as a comparison of all incoming enthalpies with all outgoing enthalpies of a system under consideration, for example a subassembly or a functional component of the fuel cell system.
  • An enthalpy balance of a subassembly is preferably designed as a power balance in which all energy inflows to one of the subassemblies are compared with energy outflows from the same subassembly.
  • all conducted energy flows, in particular enthalpy flows, to and from one of the subassemblies are opposed to a particularly non-conducted heat flow, in particular a heat loss, at this subassembly.
  • the power balance is preferably created in a stationary state, in particular at a stable operating point, of the fuel cell system.
  • the power balance of one of the subassemblies includes electrical power which is supplied to this subassembly for operation and/or is tapped off from this subassembly.
  • a line-bound energy flow in particular an enthalpy flow, is at least essentially caused by a, in particular forced, mass transport taking place within lines of the fuel cell system, in particular of the fuel, the oxidant, the fluid exiting the fuel cell unit and/or the afterburner.
  • the non-conductive heat flow exchanges heat with an environment of the subassembly via conduction, radiation, and/or convection.
  • the heat flow depends on a specific design of the subassembly, its arrangement within the fuel cell system and/or other structural conditions.
  • the fact that at least one fuel parameter is determined "by means of the enthalpy balances" should be understood in particular to mean that using calculation formulas for calculating the enthalpy balances of the subassemblies, the calculation formulas with the corresponding current Measurement data for operating parameters of the fuel cell system are completed and then a variable present as an unknown in the calculation formula for a fuel parameter is determined by means of a computer-implemented calculation method.
  • a “fuel parameter” should be understood to mean a parameter that specifies the fuel.
  • the fuel parameter is a characteristic gas mixture parameter of the fuel.
  • a fuel parameter is preferably in the form of a concentration of specific gas components in the fuel.
  • the fuel parameter is preferably in the form of a concentration of an inert gas component of the fuel.
  • the fuel parameter is preferably designed as a CO2 concentration or as an N2 concentration of the fuel.
  • the fuel parameter is a concentration of another gas component of a gas present in the fuel.
  • a fuel parameter is designed as a parameter that reflects another property of the fuel.
  • the fuel parameter is designed as an H/C ratio, ie as a ratio of hydrogen to carbon in the fuel. It is also conceivable that the fuel parameter is in the form of a gas coefficient K e _ which indicates a number of electrons potentially available for a conversion in moles per mole of fuel. In principle, it is also conceivable that the fuel parameter is in the form of a heat capacity of the fuel, preferably a specific heat capacity. In principle, it is also conceivable that the fuel parameter is in the form of a density of the natural gas. In principle, it is also conceivable that the fuel parameter is in the form of a calorific value of the fuel, in particular of the natural gas.
  • a “fuel” should be understood to mean a fuel that is supplied to the fuel cell unit to generate electricity.
  • the fuel is preferably in the form of natural gas.
  • the fuel it is also conceivable for the fuel to be in the form of another gas, for example hydrogen, ammonia gas, or another gas that appears sensible to a person skilled in the art.
  • At least one, preferably at least two combustion Material parameters of the currently used fuel are determined without the use of a corresponding gas sensor. Due to the configuration according to the invention, operation of the fuel cell system can advantageously be monitored with few components. In particular, time-consuming, space-consuming and/or expensive sensor elements, such as in particular gas analysis devices or the like, can be dispensed with. In particular, the method can be used on an advantageously large number of, in particular already existing, fuel cell systems, in particular without conversion. In particular, the fuel cell system can advantageously be operated efficiently. In particular, the computing effort, energy expenditure and/or time expenditure for a simulation and/or calculation of the characteristic system parameter can advantageously be kept small.
  • At least one of the subassemblies whose enthalpy balance is created is arranged outside of a recirculation path of the fuel cell system or encloses the recirculation path.
  • a "recirculation path" should preferably be understood to mean a line section via which a fuel off-gas emerging from the fuel cell device, which has a residual proportion of usable hydrogen and/or carbon monoxide and/or methane and/or other typical residual fuels of a fuel cell system, back into a Supply line, in particular the fuel supply line can be promoted.
  • the sub-assemblies arranged outside of the recirculation path, for which an enthalpy balance is created to calculate the fuel parameter, have no components or sub-areas that are arranged within the recirculation path or are in active contact with the recirculation path.
  • a subassembly that encloses the recirculation path should be understood in particular as a subassembly that has the recirculation path, such as a subassembly designed as a hotbox group. This makes it particularly easy to determine the fuel parameters using the enthalpy balances of the subassemblies.
  • the enthalpy balance for a determination of at least one current fuel parameters can be determined.
  • Any two subassemblies should preferably be understood to mean any two different subassemblies of the fuel cell system.
  • the enthalpy balances of different subassemblies can be created and offset against one another to determine the fuel parameters according to the method according to the invention.
  • the method can be designed to be particularly flexible and easily adapted to fuel cell systems of different designs.
  • At least one of the subassemblies whose enthalpy balance is created includes an afterburner of the fuel cell system.
  • the one subassembly whose enthalpy balance is determined to determine the fuel parameters preferably includes only the afterburner.
  • the afterburner alone is formed as a subassembly.
  • the afterburner is formed as a burner which is arranged downstream of the fuel cell device and combusts fuel off-gas and oxidant off-gas flowing out of the fuel cell device. All inflowing combustible species of the fuel waste gas and the oxidant waste gas are preferably converted, ie burned, in the afterburner.
  • the fuel parameter can be determined particularly easily via the enthalpy balances of two subassemblies of the fuel cell system.
  • At least one of the subassemblies whose enthalpy balance is created is designed as a hotbox group of the fuel cell system.
  • a "hot box group” should preferably be understood to mean a group of several, preferably all, functional components of the fuel cell system, which are arranged in a high-temperature area of the fuel cell system.
  • the hot box group of the fuel cell system preferably includes at least the reformer, the heat exchanger of the fuel cell system, ie the exhaust gas oxidant heat exchanger and the compensation heat exchanger, the afterburner, the fuel cell unit and all the corresponding lines.
  • the fuel parameter can be determined particularly easily via the enthalpy balances of two subassemblies of the fuel cell system.
  • the fuel parameter determined in the method step is in the form of an H/C ratio of the fuel or an inert gas mole fraction, in particular an N2 concentration or a CO2 concentration in the fuel.
  • the fuel parameter is seen as a fuel utilization FU system on the fuel cell system, as a gas coefficient K e _ (electron mole fraction in natural gas as a potential reactant in the electrochemical equation), or as a calorific value of the fuel.
  • a “fuel H/C ratio” is intended to mean the ratio of hydrogen (H) and carbon (C) in the fuel.
  • an “inert gas molar fraction” is to be understood as meaning a molar fraction of an inert gas in the fuel that is not involved in a reaction in the fuel cell device.
  • An “N2 concentration” is to be understood as meaning a concentration, in particular a molar fraction, of nitrogen in the fuel gas.
  • a “CO2 concentration” is to be understood as meaning a concentration, in particular a molar fraction, of carbon dioxide in the fuel gas.
  • an “operating parameter of the fuel cell system” should be understood to mean a pressure, a volume flow, a temperature, an electrical output, an electrical current, or a speed on or in a functional component of the fuel cell system.
  • An “operating parameter of the fuel cell system in the form of pressure” should preferably be understood to mean a pressure of a fuel, such as the fuel, the oxidant, the recirculation gas or an exhaust gas, measured on a unit of the fuel cell system.
  • an “operating parameter of the fuel cell system in the form of temperature” should preferably be understood to mean a temperature of an operating substance, such as the fuel, the oxidant, the recirculation gas or an exhaust gas, measured on a unit of the fuel cell system.
  • An “operating parameter of the fuel cell system designed as a volume flow” should preferably be a volume flow of a fuel, measured on a unit of the fuel cell system, such as for example the fuel, the oxidant, the recirculation gas, or an exhaust gas.
  • An “operating parameter of the fuel cell system in the form of electrical power” should preferably be understood to mean a power provided by the fuel cell unit.
  • an “operating parameter of the fuel cell system in the form of a speed” should preferably be understood to mean a speed of a rotating component, for example a turbine or a blower or a conveyor in the fuel cell system.
  • the fuel parameter can be estimated particularly easily using the operating parameters.
  • the enthalpy balances for determining the fuel parameters can be created particularly easily.
  • the enthalpy balances are solved in a computer-implemented manner in each case as an equation with the fuel parameters to be determined as unknowns in a numerical solution method.
  • the numerical solution method which is solved in a computer-implemented manner by the processing unit in the method step, the recorded operating parameters of the fuel cell system are recorded and processed as input variables for calculating the fuel parameters, with the current fuel parameters of the fuel being output as output variables of the numerical solution method for controlling the fuel cell system.
  • the fuel cell device according to the invention and the method according to the invention should not be limited to the application and embodiment described above.
  • the fuel cell system according to the invention can have a number of individual elements, components and units as well as method steps that differs from the number of individual elements, components and units as well as method steps specified here in order to fulfill a function described herein.
  • values lying within the specified limits should also be considered disclosed and can be used as desired.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system according to the invention for a method according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic flow chart of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system 12.
  • the fuel cell system 12 is designed as a solid oxide fuel cell system.
  • the fuel cell system 12 includes at least one fuel cell unit 14, which includes at least one solid oxide fuel cell, SOFC for short.
  • the fuel cell unit 14 is shown here functionally as a single fuel cell.
  • the fuel cell unit 14 comprises at least one fuel electrode 16.
  • the fuel electrode 16 is designed as an anode of the fuel cell unit 14.
  • the fuel cell unit 14 comprises at least one oxidant electrode 18.
  • the oxidant electrode 18 is designed as a cathode of the fuel cell unit 14.
  • the fuel cell unit 14 comprises an electrolyte 20 arranged between the oxidant electrode 18 and the fuel electrode 16.
  • the fuel cell system 12 comprises at least one fuel line 22 from a fuel supply to the fuel cell unit 14.
  • the fuel line 22 is preferably provided for transporting a fuel to the at least one fuel electrode 16 .
  • the fuel cell system 12 includes at least one fuel delivery unit, not shown in detail, which is arranged in the fuel line 22 to deliver the fuel to the fuel cell unit 14.
  • the fuel delivery unit is a compressor, a fan, a pump or the like educated.
  • the fuel cell system 12 preferably includes a reformer 24.
  • the reformer 24 is preferably arranged in the fuel line 22 between the fuel cell unit 14 and the fuel delivery unit.
  • the reformer 24 is provided for generating a reformed fuel upstream of the fuel cell unit 14 .
  • the fuel cell system 12 includes at least one oxidant line 26 from an oxidant supply to the fuel cell unit 14.
  • the oxidant line 26 is preferably provided for transporting an oxidant to the at least one oxidant electrode 18 of the fuel cell unit 14.
  • the oxidant conveyed in the oxidant line to the fuel cell unit 14 is formed as a fresh air.
  • the fuel cell system 12 includes an oxidant delivery unit, not shown in detail, which is arranged in the oxidant line 26 , which is provided for delivering the oxidant to the oxidant electrode 18 .
  • the oxidant delivery unit is designed as a compressor, a fan, a pump or the like.
  • the fuel cell system 12 includes at least one equalization heat exchanger 28 which thermally couples the fuel line 22 and the oxidant line 26 .
  • the compensation heat exchanger 28 is preferably arranged in the fuel line 22 between the fuel cell unit 14 and the reformer 24 .
  • the compensation heat exchanger 28 is arranged in the oxidant line 26 between the fuel cell unit 14 and the oxidant delivery unit.
  • the fuel cell system 12 includes at least one fuel discharge line 30 which is connected to the fuel cell unit 14 .
  • the fuel discharge line 30 is connected to the fuel electrode 16 and is intended to discharge the fluid emerging from the fuel electrode 16 .
  • the fuel discharge line 30 is provided for the purpose of discharging a fuel waste gas emerging from the fuel electrode 16 from the fuel cell unit 14 .
  • the fuel cell system 12 includes at least one oxidant discharge line 32, which is connected to the fuel cell unit 14, in particular to the oxidant electrode 18, and is provided for discharging the fluid emerging from the oxidant electrode 18.
  • the fuel cell system 12 includes an afterburner 34.
  • the fuel discharge line 30 and the oxidant discharge line 32 each lead from the fuel cell unit 14 into the afterburner 34.
  • the afterburner 34 is intended to supply the fuel exhaust gas discharged via the fuel discharge line 30 and the oxidant exhaust gas flowing via the oxidant discharge line 32 burn.
  • the fuel cell system 12 preferably includes an exhaust gas line 36 which is provided for discharging an exhaust gas from the afterburner 34 .
  • the fuel cell system 12 has at least one exhaust gas oxidant heat exchanger 38 which is provided for thermally coupling the exhaust gas line 36 and the oxidant line 26 .
  • the exhaust gas oxidant heat exchanger 38 is preferably arranged downstream of the afterburner 34 .
  • the exhaust gas oxidant heat exchanger 38 is arranged in the oxidant line 26 between the compensating heat exchanger 28 and the oxidant delivery unit, not shown in detail.
  • the fuel cell system 12 also includes a recirculation line 40.
  • the recirculation line 40 leads from the fuel discharge line 30 to the fuel line 22.
  • a feed point 42 of the recirculation line 40 is arranged in the fuel line 22 between the fuel delivery unit and the reformer 24.
  • An extraction point 44 of the recirculation line 40 is arranged in the fuel discharge line 30 between the fuel cell unit 14 and the afterburner 34 .
  • the fuel cell system 12 preferably includes a recirculation delivery unit, not shown in detail, which is arranged in the recirculation line 40 , which is provided for recirculating a portion of the fuel waste gas emerging from the fuel electrode 16 .
  • the recirculation delivery unit is preferably designed as a compressor, a fan, a pump or the like.
  • the fuel cell system 12 has additional units, such as additional heat exchangers, conveyor units, or other devices for treating the fuel, the oxidant, the exhaust gas fuel or the exhaust gas oxidant.
  • the other units of the fuel cell system 12 can be integrated in the fuel cell system in a manner known to those skilled in the art in addition to or in part instead of the units described above.
  • the fuel cell system 12 comprises at least one computing unit 46.
  • the computing unit 46 is provided for carrying out a method 10.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a flowchart for the method 10.
  • the method 10 is provided for monitoring the fuel cell system 12.
  • the computing unit 46 is provided to record and process different operating parameters of the fuel cell system 12 .
  • the fuel cell system 12 is divided into a plurality of subassemblies 48, 50. At least one functional component or several functional components of the fuel cell system 12 are combined into a group in a subassembly 48, 50.
  • the computing unit 46 divides the fuel cell system 12 into several subassemblies 48, 50 (see FIG. 1). In particular, the computing unit 46 divides the fuel cell system 12 into exactly two subassemblies 48, 50. In principle, it would also be conceivable for the computing unit 46 to divide the fuel cell system 12 into more than two subassemblies.
  • the computing unit 46 assigns functional components of the fuel cell system 12 to the subassemblies 48 , 50 .
  • the first subassembly 48 of the fuel cell system 12 is designed as a hot box group of the fuel cell system 12 .
  • the subassembly 48 designed as a hotbox group includes all functional components of a high-temperature area of the fuel cell system 12.
  • the subassembly 48 designed as a hotbox group includes the fuel cell unit 14, the reformer 24, the equalizing heat exchanger 28, the afterburner 34 and the exhaust gas oxidant heat exchanger 38.
  • the fuel cell unit for example, additional heat exchangers or additionally include functional components arranged in the high-temperature area, these would also belong to the subassembly 48 configured as a hotbox group.
  • the second subassembly 50 of the fuel cell system 12 comprises only the afterburner 34.
  • the second subassembly 50 is designed as the afterburner 34.
  • processing unit 46 it would be conceivable for further subassemblies to be subdivided by processing unit 46 in method step 52 .
  • a subassembly only includes the reformer 24, or a subassembly only includes the exhaust gas oxidant heat exchanger 38.
  • a method step 54 an enthalpy balance is created for each of the two subassemblies 48, 50.
  • the enthalpy balances of the subassemblies 48, 50 are in each case comparisons of all the energies and/or powers flowing into the respective subassembly 48, 50 and all the energies and/or powers flowing out.
  • At least one current fuel parameter of the fuel is determined in method step 54 by means of the enthalpy balances of the two subassemblies 48 , 50 .
  • step 54 the enthalpy balances are created for the subassemblies 50, which are arranged outside of a recirculation path of the fuel cell system 12, or for subassemblies 48, which enclose the recirculation path, in order to determine the current fuel parameters of the fuel.
  • two current fuel parameters of the fuel are determined.
  • a fuel parameter designed as an inert gas molar fraction of the fuel is determined.
  • a first fuel parameter determined in method step 54 is in the form of an N2 concentration (nitrogen concentration).
  • the first fuel parameter determined in method step 54 is in the form of a nitrogen mole fraction x N2 .
  • a fuel parameter in the form of an H/C ratio hydrogen/carbon ratio
  • a CO2 concentration ie a carbon dioxide molar fraction x CO2
  • a fuel parameter in method step 54 using method 10 .
  • the energy flows used to determine the enthalpy balance of the subassembly 48 are compiled in an equation by the computing unit 46 in a computer-implemented manner.
  • the equation system for the enthalpy balance of the subassembly 48 has two unknowns, the two fuel parameters to be determined, the nitrogen mole fraction x N2 and the H/C ratio (hydrogen/carbon ratio) of the fuel.
  • the other variables of the equation for the enthalpy balance of the subassembly 48 are known and/or can be determined directly or indirectly by means of measuring methods on the fuel cell system 12 .
  • an oxidant input volume flow “V Air FCS in ”, a fuel input volume flow “V NG FCS in ”, an oxidant outlet temperature t air stk out at the fuel cell unit, an exhaust gas outlet temperature and a fuel exhaust gas temperature "t ao tgb in " at an afterburner input and a current generated by the fuel cell unit 14 "i stk " is determined.
  • the energy flows used to determine the enthalpy balance of the subassembly 50 are compiled in an equation by the computing unit 46 in a computer-implemented manner.
  • the system of equations for the enthalpy balance of subassembly 50 has two unknowns, the two fuel parameters to be determined, the nitrogen mole fraction x N2 and the H/C ratio (hydrogen/carbon ratio) of the fuel.
  • the other variables of the equation for the enthalpy balance of the subassembly 50 are known and/or can be determined directly or indirectly by means of measuring methods on the fuel cell system 12 .
  • the two equations for the enthalpy balances of the two subassemblies 48, 50 are independent of one another and have the same two unknowns, namely the nitrogen mole fraction x N2 and the H/C fuel parameter of the fuel.
  • the computer-implemented numerical solution method used in method step 54 is solved by means of computing unit 46, and thus the nitrogen molar fraction x N2 and the H /C-trained fuel parameters determined.
  • a numerical solution method can be designed as a Newton method, for example.
  • the two equations for the enthalpy balances of the two subassemblies 48, 50 are solved in parallel by the computing unit in method step 54.
  • the two equations for the enthalpy balances of the two subassemblies 48, 50 to be solved iteratively by the computing unit in method step 54.
  • This determined current H/C ratio of the fuel would then be used in a further sub-process step to solve the equation of the enthalpy balance for the subassembly 50 and the nitrogen mole fraction x N2 would be determined in the process. These two sub-process steps would then be repeated iteratively until the determined nitrogen mole fraction x N2 and the current H/C ratio of the fuel converge to a fixed value.
  • the unknown variables of the equations are the nitrogen mole fraction x N2 , the current H/C ratio of the fuel or the carbon dioxide mole fraction x C02 of the fuel.
  • the enthalpy balances of any two subassemblies can preferably be used.
  • the use of subassemblies other than those described above for determining the unknown fuel parameters using the enthalpy balances depends in particular on an actual structure of the fuel cell system 12 .
  • an enthalpy balance is created for each of three different subassemblies and used to calculate three unknown fuel parameters. If enthalpy balances are created for three subassemblies, the unknowns of the equations can be the nitrogen mole fraction x N2 , the current H/C ratio of the fuel and the carbon dioxide mole fraction x CO2 of the fuel by a computer-implemented numerical solution of the equations using the computing unit 46 become.
  • a sub-assembly only comprises the reformer 24
  • the sub-assembly would be arranged in the recirculation path.
  • an H/C ratio of the fuel it would be conceivable for an H/C ratio of the fuel to be determined initially via an enthalpy balance of subassembly 48, 50, which is arranged outside of the recirculation path or encloses the recirculation path.
  • a recirculation rate "r" is determined.
  • the redundant functional unit here the reformer 24
  • its enthalpy balance can be used to determine a fuel parameter, in particular the fuel parameter designed as nitrogen mole fraction x N2 or the fuel parameter formed as carbon dioxide mole fraction x CO2 can be used.
  • the determinations can be made in parallel or iteratively.
  • enthalpy balances from within the recirculation path and from outside the recirculation path can be combined with one another as desired.
  • a single requirement is that at least one enthalpy balance from a subassembly within the recirculation path and one enthalpy balance from a subassembly outside the recirculation path be used.
  • the following equation results for its enthalpy balance.
  • the equation is stored accordingly in the arithmetic unit 46 .
  • the enthalpy balance of subassembly 48 is through given.
  • the fuel enthalpy flow “H NG” is dependent on the fuel input volume flow "V NG in “, the H/C ratio of the fuel (HC) and the nitrogen mole fraction x N2 .
  • the fuel input volume flow “V NG in " is determined in method step 54 by a corresponding sensor in the fuel line. device 22 measured and transmitted to the computing unit 46.
  • the oxidant enthalpy flow “H Air” depends on the oxidant input volume flow "V Air FCS in u .
  • the oxidant input volume flow “V Air CS in” is measured in method step 54 by a corresponding sensor in the oxidant line 26 and transmitted to the computing unit 46 .
  • the electrical power “P E IDC” of the fuel cell unit 14 depends on a voltage “u stk ” generated by the fuel cell unit 14 and on a current “i inv ” generated by the fuel cell unit 14 .
  • the generated voltage “u stk ” and the generated current “i inv ” are measured in method step 54 by appropriate measuring devices and transmitted to the processing unit 46 .
  • the thermal loss of the subassembly 48 designed as a hotbox group, the hotbox heat loss “Qnotbox LOSS”, can be determined as a function of the generated current “i inv ” and/or other known operating parameters such as temperatures and volume flows.
  • the dependency is previously determined in a measurement by operating the fuel cell system 12 with a reference gas (methane or natural gas of known composition).
  • the other known operating parameters such as temperatures and volume flows, are measured in method step 54 by appropriate measuring devices and transmitted to computing unit 46 .
  • the H/C ratio of the fuel (HC) and the nitrogen mole fraction x N2 of the fuel are the two unknowns of the equation for the enthalpy balance of the subassembly 48 which are not measured.
  • the equation for the second subassembly 50 formed by the afterburner 34 is as follows for its enthalpy balance.
  • the equation is stored accordingly in the arithmetic unit 46 .
  • the enthalpy balance of subassembly 50 is through given.
  • the function f 7 (descriptive for oxidant input enthalpy flow into the afterburner 34) is from the oxidant input volume flow the oxidant outlet temperature t air stk out of the fuel cell unit 14, which of the Fuel cell unit 14 generated electricity "i stk ", and the oxygen mole fraction x 02 in Air of the oxidant dependent.
  • the function f 3 (descriptive of the fuel input enthalpy flow into the afterburner 34) is dependent on the H/C ratio of the fuel (HC), the nitrogen mole fraction x N2 , the fuel input volume flow "V NG FCS in", the fuel exhaust gas temperature "t ao tgb in " and the oxidant outlet temperature t air stk out at the fuel cell unit.
  • the function f 8 (descriptive of the exhaust gas output enthalpy flow from the afterburner 34) is dependent on the oxidant input volume flow “V Air FCS in ”, the fuel input volume flow “V NG FCS in”, the exhaust gas outlet temperature t og tgb out , the H/C ratio of the fuel (HC) and the nitrogen mole fraction x N2 .
  • the function f 0 (descriptive of the heat loss of the afterburner 34) is generated by the fuel cell unit 14 current "i stk ", the exhaust gas outlet temperature t og tgb out and the oxidant outlet temperature t air stk out at the fuel cell unit 14 and / or other known operating parameters such as temperatures and flow rates.
  • the oxidant input volume flow “V Air FGS in” is measured in method step 54 by a corresponding sensor in the oxidant line 26 and transmitted to the computing unit 46 .
  • the oxidant outlet temperature t air stk out at the fuel cell unit 14 is measured in method step 54 by a corresponding temperature sensor and transmitted to the computing unit 46 .
  • the current “i stk ” generated by the fuel cell unit 14 is measured in method step 54 by a corresponding measuring device and transmitted to the computing unit 46 .
  • the oxygen mole fraction x 02 in the air of the oxidant is measured or estimated by an appropriate measuring device.
  • the exhaust gas outlet temperature tog tgb out is measured in method step 54 by a corresponding temperature sensor in the exhaust gas line 36 and transmitted to the computing unit 46 .
  • the oxidant outlet temperature t air stk out at the fuel cell unit 14 is measured in method step 54 by a corresponding temperature sensor and transmitted to the computing unit 46 .
  • the other known operating parameters such as temperatures and volume flows for the function f 0 are measured in method step 54 by appropriate measuring devices and transmitted to the computing unit 46 .
  • the H/C ratio of the fuel (HC) and the nitrogen mole fraction x N2 of the fuel are the two unknowns of the equation for the enthalpy balance of the subassembly 50 which are not measured.
  • the two equations listed above for the enthalpy balances of the two subassemblies 48, 50 are computer-implemented in method step 54 by the computing unit 46 in a numerical solution method based on the unknowns, i.e. the H/C ratio of the fuel (HC) and the nitrogen mole fraction x N2 of the fuel dissolved.
  • a Newton method can be used.
  • the determined fuel parameters are used to control the fuel cell system 12.
  • the fuel cell system 12 can be controlled more precisely using the estimated current fuel parameters.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems (12), insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, welches in zumindest einem Verfahrensschritt (52) in mehrere Unterbaugruppen (48, 50) unterteilt wird. Es wird vorgeschlagen, dass in einem Verfahrensschritt (54) zumindest für zwei Unterbaugruppen eine Enthalpie-Bilanz erstellt wird, wobei mittels der erstellten Enthalpie-Bilanzen zumindest ein aktueller Brennstoffparameter bestimmt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems
Stand der Technik
Es ist bereits ein Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, welches in zumindest einem Verfahrensschritt in mehrere Unterbaugruppen unterteilt wird, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, welches in zumindest einem Verfahrensschritt in mehrere Unterbaugruppen unterteilt wird.
Es wird vorgeschlagen, dass in einem Verfahrensschritt zumindest für zwei Unterbaugruppen eine Enthalpie-Bilanz erstellt wird, wobei mittels der erstellten Enthalpie-Bilanzen zumindest ein aktueller Brennstoffparameter bestimmt wird.
Es werden vorzugsweise mittels den erstellten Enthalpie-Bilanzen zumindest zwei aktuelle Brennstoffparameter bestimmt. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem als Funktionseinheit zumindest eine Brennstoffzelleneinheit, welche insbesondere zumindest eine Brennstoffzelle, ein Stack aus Brennstoffzellen und/oder einen Verbund mehrerer Stacks aus Brennstoffzellen umfasst. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelle und/oder sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit als Hochtemperaturbrennstoffzellen ausgebildet. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit dazu vorgesehen, einen Brennstoff unter Zuführung eines Oxidans in einem Wandlungsprozess zu einer elektrischen Energiegewinnung umzusetzen. Vorzugsweise ist der Brennstoff als Erdgas ausgebildet. Es ist auch denkbar, dass der Brennstoff als Hauptenergieträger andere Kohlenwasserstoffverbindungen und/oder Wasserstoff als Gemisch oder als Reinstoff und/oder Ammoniak und/oder flüssige organische Wasserstoffträger und/oder Ähnliche umfasst. Vorzugsweise ist das Oxidans als Umgebungsluft ausgebildet. Es ist aber auch denkbar, dass das Oxidans als Industriefluid, vorzugsweise mit einem dokumentierten Sauerstoffanteil, ausgebildet ist. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Brennstoffelektrode, welche vorzugsweise während des Wandlungsprozesses zu einem direkten Kontakt mit dem Brennstoff vorgesehen ist. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Oxidanselektrode, welche vorzugsweise während des Wandlungsprozesses zu einem direkten Kontakt mit dem Oxidans vorgesehen ist. Ohne darauf beschränkt zu sein, umfasst die Brennstoffzelleneinheit beispielsweise zumindest eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (MCFC) und/oder besonders bevorzugt zumindest eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC).
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem zumindest eine weitere Einheit, welche einen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit ermöglicht und/oder unterstützt, insbesondere dazu vorgesehen ist, den Brennstoff und/oder das Oxidans zu handhaben. Unter „vorgesehen“ soll vorzugsweise speziell eingerichtet, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll vorzugsweise verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Eine Handhabung des Brennstoffs und/oder des Oxidans umfasst, ohne darauf beschränkt zu sein, beispielsweise eine Zufuhr zu der Brennstoffzelleneinheit, eine Abfuhr von aus der Brennstoffzelleneinheit austretenden Umsetzungsprodukten, eine Temperierung, eine Wärmerückgewinnung aus den Umsetzungsprodukten, eine Aufbereitung und/oder Vorverarbeitung, eine Verwertung von Restmengen an Brennstoff, welcher den Umsetzungsprodukten beigemengt ist, oder dergleichen. Beispiele für weitere Funktionseinheiten umfassen zumindest eine Brennstoffleitung zu der Brennstoffzelleneinheit hin, zumindest eine Oxidansleitung zu der Brennstoffzelleneinheit hin, zumindest eine Abfuhrleitung von der Brennstoffzelleneinheit weg, zumindest eine Brennstofffördereinheit, zumindest eine Oxidans- fördereinheit, zumindest eine Rezirkulationsfördereinheit für eine Rückführung eines aus der Brennstoffzelleneinheit austretenden Fluids, zumindest einen Wärmeübertrager und/oder zumindest einen Nachbrenner oder dergleichen.
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem zumindest eine Recheneinheit. Unter einer „Recheneinheit“ soll eine Einheit mit einem Informationseingang, einer Informationsverarbeitung und einer Informationsausgabe verstanden werden. Vorteilhaft weist die Recheneinheit zumindest einen Prozessor, einen Speicher, Ein- und Ausgabemittel, weitere elektrische Bauteile, ein Betriebsprogramm, Regelroutinen, Steuerroutinen und/oder Berechnungsroutinen auf. Vorzugsweise kann die Recheneinheit lokal zusammen mit den Einheiten angeordnet sein oder auf einem externen Gerät, beispielsweise einem Server, implementiert sein, welches mit einer lokalen Steuereinheit des Brennstoffzellensystems kommuniziert. Vorzugsweise ermittelt die Recheneinheit in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest einen Brennstoffparameter. Die Recheneinheit ermittelt und/oder charakterisiert in dem Verfahrensschritt die Zusammensetzung des Brennstoffs in Abhängigkeit von zur Verfügung stehenden Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems. Typischerweise werden zu einer Steuerung des Brennstoffzellensystems zumindest eine Temperatur einer der Einheiten des Brennstoffzellensystems, des Brennstoffs und/oder des Oxidans, ein Volumenstrom des Brennstoffs und/oder des Oxidans, ein von der Brennstoffzelleneinheit erzeugter elektrischer Strom oder dergleichen von der Recheneinheit des Brennstoffzellensystems zumindest erfasst und vorzugsweise geregelt. Vorzugsweise fragt die Recheneinheit in zumindest einem Verfahrensschritt die zur Verfügung stehenden Betriebsparameter von der Recheneinheit des Brennstoffzellensystems und/oder von Sensorelementen des Brennstoffzellensystems ab. Vorzugsweise ermittelt die Recheneinheit die aktuellen Brennstoffparameter in Echtzeit. Unter „Echtzeit“ soll schneller als eine mittlere Reaktionsgeschwindigkeit des Brennstoffzellensystems auf eine Änderung eines der Betriebsparameter verstanden werden.
Darunter, dass in dem Verfahren das Brennstoffzellensystem in Unterbaugruppen unterteilt wird, soll verstanden werden, dass unterschiedliche Funktionsbauteile der Brennstoffzellensystems virtuell zusammengefasst und entsprechende Berechnungen für die alle zu der Unterbaugruppe zählenden Einheiten durchgeführt werden. Vorzugsweise fasst die Recheneinheit die Funktionseinheiten in den Unterbaugruppen zusammen. Insbesondere umfassen die Unterbaugruppen jeweils eine oder mehrere der Funktionseinheiten. Optional ordnet die Recheneinheit dieselbe Funktionseinheit verschiedenen Unterbaugruppen zu. Vorzugsweise unterscheiden sich verschiedene Unterbaugruppen durch zumindest eine Funktionseinheit. Vorzugsweise umfasst jede der Unterbaugruppen zumindest eine Funktionseinheit, welche von dem Brennstoff, dem Oxidans und/oder einem aus der Brennstoffzelleneinheit austretenden Fluid durchflossen wird.
Unter einer „Enthalpie-Bilanz“ soll vorzugsweise eine Gegenüberstellung aller eingehenden Enthalpien zu allen ausgehenden Enthalpien eines betrachteten Systems, beispielsweise einer Unterbaugruppe oder eines Funktionsbauteils des Brennstoffzellensystems verstanden werden. Vorzugsweise ist eine Enthalpie-Bilanz einer Unterbaugruppe als eine Leistungsbilanz ausgebildet, in der alle Energiezuflüsse zu einer der Unterbaugruppen Energieabflüssen aus derselben Unterbaugruppe gegenübergestellt sind. Insbesondere sind alle leitungsgebundenen Energieflüsse, insbesondere Enthalpieflüsse, zu und aus einer der Unterbaugruppen einem, insbesondere nicht-leitungsgebundenen Wärmefluss, insbesondere einem Wärmeverlust, an dieser Unterbaugruppe gegenüber. Bevorzugt wird die Leistungsbilanz in einem stationären Zustand, insbesondere an einem stabilen Arbeitspunkt, des Brennstoffzellensystems erstellt. Optional umfasst die Leistungsbilanz einer der Unterbaugruppen eine elektrische Leistung, welche dieser Unterbaugruppe zu einem Betrieb zugeführt wird und/oder von dieser Unterbaugruppe abgegriffen wird. Insbesondere wird ein leitungsgebundener Energiefluss, insbesondere Enthalpiefluss zumindest im Wesentlichen von einem innerhalb von Leitungen des Brennstoffzellensystems stattfindenden, insbesondere erzwungenen, Massetransport, insbesondere des Brennstoffs, des Oxidans, des aus der Brennstoffzelleneinheit und/oder aus dem Nachbrenner austretenden Fluids, verursacht. Insbesondere tauscht der nicht-leitungsgebundene Wärmefluss Wärme mit einer Umgebung der Unterbaugruppe über Wärmeleitung, Wärmestrahlung und/oder Konvektion aus. Insbesondere ist der Wärmefluss abhängig von einer konkreten Auslegung der Unterbaugruppe, ihrer Anordnung innerhalb des Brennstoffzellensystems und/oder anderen strukturellen Gegebenheiten. Darunter, dass „mittels der Enthalpie-Bilanzen“ zumindest ein Brennstoffparameter ermittelt wird, soll insbesondere verstanden werden, dass unter der Verwendung von Berechnungsformeln für die Berechnung der Enthalpie-Bilanzen der Unterbaugruppen, die Berechnungsformeln mit entsprechenden aktuellen Messdaten für Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems vervollständigt werden und dann mittels eines computerimplementierten Berechnungsverfahrens ein als Unbekannte in der Berechnungsformel vorhandener Variable für einen Brennstoffparameter ermittelt wird.
Unter einem „Brennstoffparameter“ soll ein Parameter verstanden werden, der den Brennstoff spezifiziert. Der Brennstoffparameter ist eine charakterisierende Gasgemisch- Kenngröße des Brennstoffs. Ein Brennstoffparameter ist vorzugsweise als eine Konzentration an bestimmten Gasanteilen in dem Brennstoff ausgebildet. Der Brennstoffparameter ist vorzugsweise als eine Konzentration eines inerten Gasbestandteils des Brennstoffs ausgebildet. Der Brennstoffparameter ist vorzugsweise als eine CO2- Konzentration oder als eine N2- Konzentration des Brennstoffs ausgebildet. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Brennstoffparameter als eine Konzentration eines anderen Gasbestandteils eines in dem Brennstoff vorhandenen Gases ist. Alternativ ist es auch denkbar, dass ein Brennstoff parameter als ein Parameter ausgebildet ist, der eine andere Eigenschaft des Brennstoffs wiedergibt. Es ist dabei denkbar, dass der Brennstoffparameter als ein H/C-Verhältnis, also als ein Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff in dem Brennstoff, ausgebildet ist. Es ist ebenso denkbar, dass der Brennstoffparameter als ein Gaskoeffizient Ke_ ausgebildet ist, der eine potentiell für eine Umsetzung zur Verfügung stehende Elektronenanzahl in Mol pro Mol Brennstoff angibt. Grundsätzlich ist es ebenfalls denkbar, dass der Brennstoffparameter als eine Wärmekapazität des Brennstoffs, vorzugsweise eine spezifische Wärmekapazität, ausgebildet ist. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Brennstoffparameter als eine Dichte des Erdgases ausgebildet ist. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Brennstoffparameter als ein Heizwert des Brennstoffs, insbesondere des Erdgases ausgebildet ist. Unter einem „Brennstoff“ soll ein Brennstoff verstanden werden, der zu einer Verstromung der Brennstoffzelleneinheit zugeführt wird. Der Brennstoff ist vorzugsweise als ein Erdgas ausgebildet. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Brennstoff als ein anderes Gas, beispielsweise als ein Wasserstoff, als ein Ammoniakgas, oder als ein anderes, dem Fachmann als sinnvoll erscheinendes Gas ausgebildet ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann während des Betriebs des Brennstoffzellensystems einfach zumindest ein, vorzugsweise zumindest zwei Brenn- Stoffparameter des aktuell genutzten Brennstoffs ermittelt werden, ohne die Verwendung eines entsprechenden Gassensors. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Betrieb des Brennstoffzellensystems, vorteilhaft bauteilarm überwacht werden. Insbesondere kann auf zeitintensive, platzverbrauchende und/oder kostenintensive Sensorelemente, wie insbesondere Gasanalysegeräte oder dergleichen, verzichtet werden. Insbesondere kann das Verfahren auf einer vorteilhaft großen Anzahl an, insbesondere bereits bestehenden, Brennstoffzellensystemen, insbesondere ohne Umrüstung, angewandt werden. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem vorteilhaft effizient betrieben werden. Insbesondere kann ein Rechenaufwand, Energieaufwand und/oder Zeitaufwand zu einer Simulation und/oder Berechnung des charakteristischen Systemparameters vorteilhaft klein gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass zumindest eine der Unterbaugruppen, deren Enthalpie-Bilanz erstellt wird, außerhalb eines Rezirkulationspfads des Brennstoffzellensystems angeordnet ist oder den Rezirkulationspfad umschließt. Unter einem „Rezirkulationspfad“ soll vorzugsweise eine Leitungsstrecke verstanden werden, über die ein aus der Brennstoffzellenvorrichtung austretendes Brennstoffabgas, welches einen Restanteil an verwertbarem Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid und/oder Methan und/oder andere typische Rest- Brennstoffe eines Brennstoffzellensystems aufweist, zurück in eine Zuführleitung, insbesondere die Brennstoffzufuhrleitung gefördert werden kann. Die außerhalb des Rezirkulationspfads angeordneten Unterbaugruppen, zu denen zur Berechnung des Brennstoff parameters eine Enthalpie-Bilanz erstellt wird, weisen keine Bauteile oder Teilbereiche auf, die innerhalb des Rezirkulationspfads angeordnet sind cider mit dem Rezirkulationspfad in Wirkkontakt stehen. Eine Unterbaugruppe, die den Rezirkulationspfad umschließt, soll insbesondere als eine Unterbaugruppe verstanden werden, die den Rezirkulationspfad aufweist, wie beispielsweise eine als Hotboxgruppe ausgebildete Unterbaugruppe. Dadurch kann eine Ermittlung der Brennstoff parameter mittels der Enthalpie-Bilanzen der Unterbaugruppen besonders einfach erfolgen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass für zwei beliebige Unterbaugruppen des Brennstoffzellensystems die Enthalpie-Bilanz für eine Bestimmung des zumindest einen aktuellen Brennstoffparameters ermittelt werden kann. Unter „zwei beliebigen Unterbaugruppen“ sollen vorzugsweise zwei beliebige unterschiedliche Unterbaugruppen des Brennstoffzellensystems verstanden werden. Für eine Ermittlung der Brennstoff parameter gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren können je nach Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems die Enthalpie-Bilanzen unterschiedlicher Unterbaugruppen erstellt und miteinander verrechnet werden. Dadurch kann das Verfahren besonders flexibel ausgebildet sein und einfach auf unterschiedlich aufgebaute Brennstoffzellensysteme angepasst werden.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass zumindest eine der Unterbaugruppen, deren Enthalpie-Bilanz erstellt wird, einen Nachbrenner des Brennstoffzellensystems umfasst. Vorzugsweise umfasst die eine Unterbaugruppe, deren Enthalpie- Bilanz zur Ermittlung der Brennstoff parameter ermittelt wird, lediglich den Nachbrenner. Der Nachbrenner alleine ist als eine Unterbaugruppe ausgebildet. Der Nachbrenner ist als ein Brenner ausgebildet, welcher der Brennstoffzellenvorrichtung nachgeschaltet ist und ein aus der Brennstoffzellenvorrichtung ausströmendes Brennstoffabgas und Oxidansabgas verbrennt. Vorzugsweise werden in dem Nachbrenner alle einströmenden brennbaren Spezies des Brennstoffabgases und des Oxidansabgases umgesetzt, also verbrannt. Dadurch kann eine Ermittlung des Brennstoffparameters über die Enthalpie-Bilanzen zweier Unterbaugruppen des Brennstoffzellensystems besonders einfach erfolgen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zumindest eine der Unterbaugruppen, deren Enthalpie-Bilanz erstellt wird, als eine Hotboxgruppe des Brennstoffzellensystems ausgebildet ist. Unter einer „Hotboxgruppe“ soll vorzugsweise eine Gruppe mehrerer, vorzugsweise aller Funktionsbauteile des Brennstoffzellensystems verstanden werden, die in einem Hochtemperaturbereich des Brennstoffzellensystems angeordnet sind. Die Hotboxgruppe des Brennstoffzellensystems umfasst vorzugsweise zumindest den Reformer, die Wärmeübertrager des Brennstoffzellensystems, also den Abgasoxidanswärmeübertrager und den Ausgleichswärmeübertrager, den Nachbrenner, die Brennstoffzelleneinheit sowie alle entsprechenden Leitungen.
Dadurch kann eine Ermittlung des Brennstoffparameters über die Enthalpie-Bilanzen zweier Unterbaugruppen des Brennstoffzellensystems besonders einfach erfolgen. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der in dem Verfahrensschritt bestimmte Brennstoffparameter als ein H/C- Verhältnis des Brennstoffs, oder als ein Inertgas- Molanteil, insbesondere eine N2- Konzentration oder eine CO2- Konzentration in dem Brennstoff ausgebildet ist. Vorzugsweise ist es ebenso denkbar, dass der Brennstoffparameter als eine Brennstoffausnutzung FUSystem auf das Brennstoffzellensystem gesehen, als ein Gaskoeffizient Ke_ (Elektronenmolanteil im Erdgas als Potentieller Reaktionspartner in der elektrochemischen Gleichung), oder als ein Heizwert des Brennstoffs ausgebildet ist. Unter einem „H/C-Verhältnis des Brennstoffs“ soll das Verhältnis von Wasserstoff (H) und Kohlenstoff (C) in dem Brennstoff verstanden werden. Unter einem „Inertgas-Molanteil“ soll ein Molanteil an einem inerten Gas in dem Brennstoff verstanden werden, das nicht an einer Umsetzung in der Brennstoffzellenvorrichtung beteiligt ist. Unter einer „N2- Konzentration“ soll eine Konzentration, insbesondere ein Molanteil an Stickstoff in dem Brenngas verstanden werden. Unter einer „CO2- Konzentration“ soll eine Konzentration, insbesondere ein Molanteil an Kohlenstoffdioxid in dem Brenngas verstanden werden. Dadurch können zur Regelung des Brennstoffzellensystems notwendige Eingangsstellgrößen besonders einfach mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass in dem Verfahrensschritt unterschiedliche Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems erfasst werden, um eine aktuelle Enthalpie-Bilanz einer Unterbaugruppe zu erstellen. Unter einem „Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems“ soll ein Druck, ein Volumenstrom, eine Temperatur, eine elektrische Leistung, ein elektrischer Strom, oder eine Drehzahl, an oder in einem Funktionsbauteil des Brennstoffzellensystems verstanden werden. Unter einer „als Druck ausgebildeten Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems“ soll vorzugsweise ein an einer Einheit des Brennstoffzellensystems gemessener Druck eines Betriebsstoffs, wie beispielsweise des Brennstoffs, des Oxidans, des Rezirkulationsgases, oder eines Abgases verstanden werden. Unter einer „als Temperatur ausgebildeten Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems“ soll vorzugsweise eine an einer Einheit des Brennstoffzellensystems gemessene Temperatur eines Betriebsstoffs, wie beispielsweise des Brennstoffs, des Oxidans, des Rezirkulationsgases, oder eines Abgases verstanden werden. Unter einer „als Volumenstrom ausgebildeten Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems“ soll vorzugsweise ein an einer Einheit des Brennstoffzellensystems gemessener Volumenstrom eines Betriebsstoffs, wie beispielsweise des Brennstoffs, des Oxidans, des Rezirkulationsgases, oder eines Abgases verstanden werden. Unter einer „als elektrische Leistung ausgebildeten Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems“ soll vorzugsweise eine von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellte Leistung verstanden werden. Unter einer „als Drehzahl ausgebildeten Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems“ soll vorzugsweise eine Drehzahl eines rotierenden Bauteils, beispielsweise einer Turbine oder eines Gebläses oder eines Förderers in dem Brennstoffzellensystem verstanden werden. Dadurch kann eine Schätzung des Brennstoffparameters besonders einfach mittels der Betriebskenngrößen erfolgen. Dadurch können die Enthalpie-Bilanzen für eine Ermittlung des Brennstoffparameters besonders einfach erstellt werden.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass in dem Verfahrensschritt die Enthalpie-Bilanzen jeweils als Gleichung mit den zu bestimmenden Brennstoffparametern als Unbekannten in einem numerischen Lösungsverfahren computerimplementiert gelöst werden. In dem numerischen Lösungsverfahren, das in dem Verfahrensschritt von der Recheneinheit computerimplementiert gelöst wird, werden die erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems als Eingangsvariablen zur Berechnung der Brennstoffparameter erfasst und verarbeitet, wobei die aktuellen Brennstoffparameter des Brennstoffs als Ausgangsgrößen des numerischen Lösungsverfahrens zur Steuerung des Brennstoffzellensystems ausgegeben werden. Dadurch kann das Verfahren besonders einfach und mit einem geringen Rechenaufwand durchgeführt werden.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann 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.
Zeichnung Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, 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:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem für ein erfindungsgemäßes Verfahren und
Fig. 2 ein schematisches Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 12. Das Brennstoffzellensystem 12 ist als ein Festoxidbrennstoffzellensystem ausgebildet. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 14, welche zumindest eine Festoxidbrennstoffzelle, kurz SOFC, umfasst. Der Übersichtlichkeit halber ist die Brennstoffzelleneinheit 14 hier funktional als einzelne Brennstoffzelle dargestellt. Die Brennstoffzelleneinheit 14 umfasst zumindest eine Brennstoffelektrode 16. Die Brennstoffelektrode 16 ist als eine Anode der Brennstoffzelleneinheit 14 ausgebildet. Die Brennstoffzelleneinheit 14 umfasst zumindest eine Oxi- danselektrode 18. Die Oxidanselektrode 18 ist als eine Kathode der Brennstoffzelleneinheit 14 ausgebildet. Die Brennstoffzelleneinheit 14 umfasst einen zwischen der Oxidanselektrode 18 und der Brennstoffelektrode 16 angeordneten Elektrolyten 20. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Brennstoffleitung 22 von einer Brennstoffversorgung zu der Brennstoffzelleneinheit 14. Bevorzugt ist die Brennstoffleitung 22 zu einem Transport eines Brennstoffs zu der zumindest einen Brennstoffelektrode 16 vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine nicht näher dargestellte Brennstofffördereinheit, welche in der Brennstoffleitung 22 angeordnet ist, zu einer Förderung des Brennstoffs zu der Brennstoffzelleneinheit 14. Beispielsweise ist die Brennstofffördereinheit als Kompressor, als Ventilator, als Pumpe oder dergleichen ausgebildet. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 12 einen Reformer 24. Bevorzugt ist der Reformer 24 in der Brennstoffleitung 22 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Brennstofffördereinheit angeordnet. Der Reformer 24 ist zu einer Erzeugung eines reformierten Brennstoffs stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 14 vorgesehen.
Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Oxidansleitung 26 von einer Oxidansversorgung zu der Brennstoffzelleneinheit 14. Die Oxidansleitung 26 ist vorzugsweise zu einem Transport eines Oxidans zu der zumindest einen Oxidanselektrode 18 der Brennstoffzelleneinheit 14 vorgesehen. Das Oxidans, das in der Oxidansleitung zu der Brennstoffzelleneinheit 14 gefördert wird, ist als eine Frischluft ausgebildet. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst eine nicht näher dargestellte Oxidansfördereinheit, welche in der Oxidansleitung 26 angeordnet ist, die zu einer Förderung des Oxidans zu der Oxidanselektrode 18 vorgesehen ist. Beispielsweise ist die Oxidansfördereinheit als Kompressor, als Ventilator, als Pumpe oder dergleichen ausgebildet.
Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest einen Ausgleichswärmeübertrager 28, welcher die Brennstoffleitung 22 und die Oxidansleitung 26 thermisch koppelt. Vorzugsweise ist der Ausgleichswärmeübertrager 28 in der Brennstoffleitung 22 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und dem Reformer 24 angeordnet. Der Ausgleichswärmeübertrager 28 ist in der Oxidansleitung 26 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Oxidansfördereinheit angeordnet.
Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Brennstoffabfuhrleitung 30, welche an der Brennstoffzelleneinheit 14 angebunden ist. Die Brennstoffabfuhrleitung 30 ist an der Brennstoffelektrode 16 angeschlossen und dazu vorgesehen, das aus der Brennstoffelektrode 16 austretende Fluid abzuführen. Die Brennstoffabfuhrleitung 30 ist dazu vorgesehen, ein aus der Brennstoffelektrode 16 aus der Brennstoffzelleneinheit 14 austretendes Brennstoffabgas abzuführen. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Oxidansabfuhrleitung 32, welche an der Brennstoffzelleneinheit 14, insbesondere an der Oxidanselektrode 18, angeschlossen ist und dazu vorgesehen ist, das aus der Oxidanselektrode 18 austretende Fluid abzuführen. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst einen Nachbrenner 34. Die Brennstoffabfuhrleitung 30 und die Oxidansabfuhrleitung 32 führen jeweils von der Brennstoffzelleneinheit 14 in den Nachbrenner 34. Der Nachbrenner 34 ist dazu vorgesehen, das über die Brennstoffabfuhrleitung 30 abgeführte Brennstoff abgas und das über die Oxidansabfuhrleitung 32 strömende Oxidansabgas zu verbrennen. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 12 eine Abgasleitung 36, die zu einer Abfuhr eines Abgases aus dem Nachbrenner 34 vorgesehen ist.
Das Brennstoffzellensystem 12 weist zumindest einen Abgasoxidanswärmeüber- trager 38 auf, der zu einer thermischen Kopplung der Abgasleitung 36 und der Oxidansleitung 26 vorgesehen ist. Bevorzugt ist der Abgasoxidanswärmeübertra- ger 38 stromabwärts des Nachbrenners 34 angeordnet. Der Abgasoxidanswär- meübertrager 38 ist in der Oxidansleitung 26 zwischen dem Ausgleichswärmeübertrager 28 und der nicht näher dargestellten Oxidansfördereinheit angeordnet.
Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 12 eine Rezirkulationsleitung 40. Die Rezirkulationsleitung 40 führt von der Brennstoffabfuhrleitung 30 zu der Brennstoffleitung 22. Eine Einspeisestelle 42 der Rezirkulationsleitung 40 ist in die Brennstoffleitung 22 zwischen der Brennstofffördereinheit und dem Reformer 24 angeordnet. Eine Entnahmestelle 44 der Rezirkulationsleitung 40 ist in der Brennstoffabfuhrleitung 30 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und dem Nachbrenner 34 angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst vorzugsweise eine nicht näher dargestellte Rezirkulationsfördereinheit, welche in der Rezirkulationsleitung 40 angeordnet ist, die zu einer Rezirkulation eines Anteils des aus der Brennstoffelektrode 16 austretenden Brennstoffabgases vorgesehen ist. Vorzugsweise ist die Rezirkulationsfördereinheit als Kompressor, als Ventilator, als Pumpe oder dergleichen ausgebildet.
Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass das Brennstoffzellensystem 12 weitere Einheiten aufweist, wie beispielsweise weitere Wärmetauscher, Fördereinheiten, oder andere Vorrichtungen zur Behandlung des Brennstoffs, des Oxidans, des Abgasbrennstoffs oder des Abgasoxidans. Die weiteren Einheiten des Brennstoffzellensystems 12 können dabei zusätzlich oder teilweise auch anstelle der oben beschriebenen Einheiten in dem Brennstoffzellensystem auf eine dem Fachmann bekannte Weise integriert sein. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Recheneinheit 46. Die Recheneinheit 46 ist zu einer Durchführung eines Verfahrens 10 vorgesehen. Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für das Verfahren 10. Das Verfahren 10 ist zur Überwachung des Brennstoffzellensystems 12 vorgesehen. Die Recheneinheit 46 ist dazu vorgesehen, unterschiedliche Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 12 zu erfassen und zu verarbeiten. In dem Verfahren zur Überwachung des Brennstoffzellensystems 12 werden mehrere Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 12 erfasst und verarbeitet. In einem Verfahrensschritt 52 wird das Brennstoffzellensystem 12 in mehrere Unterbaugruppen 48, 50 unterteilt. In einer Unterbaugruppe 48, 50 sind zumindest ein Funktionsbauteil oder mehrere Funktionsbauteile des Brennstoffzellensystems 12 zu einer Gruppe zusammengefasst. Die Recheneinheit 46 unterteilt das Brennstoffzellensystem 12 in die mehreren Unterbaugruppen 48, 50 (siehe Figur 1). Insbesondere unterteilt die Recheneinheit 46 das Brennstoffzellensystem 12 in genau zwei Unterbaugruppen 48, 50. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass die Recheneinheit 46 das Brennstoffzellensystem 12 in mehr als zwei Unterbaugruppen unterteilt. Insbesondere ordnet die Recheneinheit 46 Funktionsbauteile des Brennstoffzellensystems 12 den Unterbaugruppen 48, 50 zu. Die erste Unterbaugruppe 48 des Brennstoffzellensystems 12 ist als eine Hot- boxgruppe des Brennstoffzellensystems 12 ausgebildet. Die als Hotboxgruppe ausgebildete Unterbaugruppe 48 umfasst alle Funktionsbauteile eines Hochtemperaturbereichs des Brennstoffzellensystems 12. Die als Hotboxgruppe ausgebildete Unterbaugruppe 48 umfasst die Brennstoffzelleneinheit 14, den Reformer 24, den Ausgleichswärmeübertrager 28, den Nachbrenner 34 und den Abgasoxi- danswärmeübertrager 38. Würde die Brennstoffzelleneinheit beispielsweise weitere Wärmeübertrager oder zusätzlich in dem Hochtemperaturbereich angeordnete Funktionsbauteile umfassen, so würden auch diese der als Hotboxgruppe ausgebildeten Unterbaugruppe 48 zugehören. Die zweite Unterbaugruppe 50 des Brennstoffzellensystems 12 umfasst lediglich den Nachbrenner 34. Die zweite Unterbaugruppe 50 ist als der Nachbrenner 34 ausgebildet. Wie oben schon ausgeführt wäre es denkbar, dass in dem Verfahrensschritt 52 weitere Unterbaugruppen von der Recheneinheit 46 unterteilt werden. Beispielsweise wäre es denkbar, dass eine Unterbaugruppe lediglich den Reformer 24, oder eine Unterbaugruppe lediglich den Abgasoxidanswärmeübertrager 38 umfasst. ln einem Verfahrensschritt 54 wird für die zwei Unterbaugruppen 48, 50 jeweils eine Enthalpie-Bilanz erstellt. Die Enthalpie-Bilanzen der Unterbaugruppen 48, 50 sind jeweils Gegenüberstellungen aller in die jeweilige Unterbaugruppe 48, 50 einfließenden Energien und/oder Leistungen und aller ausströmenden Energien und/oder Leistungen. Mittels der Enthalpie-Bilanzen der beiden Unterbaugruppen 48, 50 wird in dem Verfahrensschritt 54 zumindest ein aktueller Brennstoffparameter des Brennstoffs ermittelt. In dem Verfahrensschritt 54 werden für die Unterbaugruppen 50, die außerhalb eines Rezirkulationspfads des Brennstoffzellensystems 12 angeordnet sind, oder für Unterbaugruppen 48, die den Rezirkulati- onspfad umschließen, die Enthalpie-Bilanzen erstellt, um die aktuellen Brennstoffparameter des Brennstoffs zu ermitteln. In dem Verfahrensschritt 54 werden zwei aktuelle Brennstoff parameter des Brennstoffs ermittelt. In dem Verfahrensschritt 54 wird ein als Inertgas-Molanteil des Brennstoffs ausgebildeter Brennstoffparameter ermittelt. Ein erster in dem Verfahrensschritt 54 ermittelter Brennstoffparameter ist als eine N2- Konzentration (Stickstoff- Konzentration) ausgebildet. Der erste in dem Verfahrensschritt 54 ermittelte Brennstoffparameter ist als ein Stickstoff Molanteil xN2 ausgebildet. Zudem wird ein als H/C-Verhältnis (Was- serstoff/Kohlenstoff-Verhältnis) ausgebildeter Brennstoffparameter ermittelt.
Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass mittels dem Verfahren 10 in dem Verfahrensschritt 54 eine CO2- Konzentration, also ein Kohlenstoffdioxid Molanteil xC02 als Brennstoffparameter ermittelt wird.
Für die Bestimmung der Enthalpie-Bilanzen der beiden Unterbaugruppen 48, 50 werden verschiedene Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 erfasst. Für die Bestimmung der Enthalpie-Bilanz der als Hotboxbaugruppe ausgebildeten Unterbaugruppe 48 werden entsprechende Energieströme und zwar ein Brenngasenthalpiestrom „HNG“, ein Oxidansenthalpiestrom „HAir“, ein Abgasenthalpiestrom „HOffgas“> eine Hotboxverlustwärme ,,(jHotöox Loss“, eine elektrische Leistung „PEIDC“ der Brennstoffzelleneinheit 14 und eine elektrische Leistung „PEaH“ eines elektrischen Heizers ermittelt. Die für die Bestimmung der Enthalpie- Bilanz der Unterbaugruppe 48 verwendeten Energieströme werden in einer Gleichung von der Recheneinheit 46 computerimplementiert zusammengestellt. Das Geleichungssystem für die Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 48 weist als zwei Unbekannte, die beiden zu ermittelnden Brennstoff parameter, den Stickstoff Molanteil xN2 und das als H/C-Verhältnis (Wasserstoff/Kohlenstoff-Verhältnis) des Brennstoffs auf. Die weiteren Variablen der Gleichung für die Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 48 sind bekannt und/oder mittels Messverfahren an dem Brennstoffzellensystem 12 direkt oder indirekt ermittelbar.
Für die Bestimmung der Enthalpie-Bilanz der aus dem Nachbrenner 34 ausgebildeten Unterbaugruppe 50 werden ein Oxidanseingangsvolumenstrom „VAir FCS in , ein Brennstroffeingangsvolumenstrom „VNG FCS in“, eine Oxidansaustrittstempera- tur tair stk out an der Brennstoffzelleneinheit, eine Abgasaustrittstemperatur eine Brennstoffabgastemperatur „tao tgb in“ an einem Nachbrennereingang und ein von der Brennstoffzelleneinheit 14 erzeugter Strom „istk“ ermittelt. Die für die Bestimmung der Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 50 verwendeten Energieströme werden in einer Gleichung von der Recheneinheit 46 computerimplementiert zusammengestellt. Das Geleichungssystem für die Enthalpie- Bilanz der Unterbaugruppe 50 weist als zwei Unbekannte, die beiden zu ermittelnden Brennstoff parameter, den Stickstoff Molanteil xN2 und das als H/C-Ver- hältnis (Wasserstoff/Kohlenstoff-Verhältnis) des Brennstoffs auf. Die weiteren Variablen der Gleichung für die Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 50 sind bekannt und/oder mittels Messverfahren an dem Brennstoffzellensystem 12 direkt oder indirekt ermittelbar.
Die beiden Gleichungen für die Enthalpie-Bilanzen der beiden Unterbaugruppen 48, 50 sind voneinander unabhängig und weisen die gleichen zwei Unbekannten auf, nämlich den als Stickstoff Molanteil xN2 und das als H/C-ausgebildeten Brennstoffparameter des Brennstoffs. Zur Ermittlung der Unbekannten, also des als Stickstoff Molanteil xN2 und des als H/C-Verhältnis ausgebildeten Brennstoffparameters werden die in dem Verfahrensschritt 54 in einem numerischen Lösungsverfahren mittels der Recheneinheit 46 computerimplementiert gelöst und so der als Stickstoff Molanteil xN2 und der als H/C-ausgebildeten Brennstoffpara- meter ermittelt. Ein numerisches Lösungsverfahren kann dabei beispielsweise als ein Newton-Verfahren ausgebildet sein. Die beiden Gleichungen für die Enthalpie-Bilanzen der beiden Unterbaugruppen 48, 50 werden in dem Verfahrensschritt 54 von der Recheneinheit parallel gelöst. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die beiden Gleichungen für die Enthalpie-Bilanzen der beiden Unterbaugruppen 48, 50 in dem Verfahrensschritt 54 von der Recheneinheit iterativ gelöst werden. Dabei könnte beispielsweise die Gleichung der Enthalpie-Bilanz für die als Hotboxgruppe ausgebildete Unterbaugruppe 48 in einem ersten Unterverfahrensschritt zunächst unter einer Vorgabe eines plausiblen Startwerts für den Stickstoff Molanteil xN2 gelöst und das aktuelle H/C-Verhältnis des Brennstoffs bestimmt werden. Dieses ermittelte aktuelle H/C-Verhältnis des Brennstoffs würde dann in einem weiteren Unterverfahrensschritt zur Lösung der Gleichung der Enthalpie-Bilanz für die Unterbaugruppe 50 verwendet und dabei der Stickstoff Molanteil xN2 ermittelt. Diese beiden Unterverfahrensschritte würden dann iterativ so lange wiederholt werden bis der ermittelte Stickstoff Molanteil xN2 und das aktuelle H/C-Verhältnis des Brennstoffs auf einen festen Wert konvergieren.
Unabhängig davon für welche Unterbaugruppen 48, 50 des Brennstoffzellensystems eine Enthalpie-Bilanz erstellt und in einer entsprechenden Gleichung auf der Recheneinheit 46 berechnet wird, bleiben als Unbekannte Variablen der Gleichungen jeweils der Stickstoff Molanteil xN2, das aktuelle H/C-Verhältnis des Brennstoffs oder der Kohlenstoffdioxid Molanteil xC02 des Brennstoffs. Für eine Berechnung von zwei der unbekannten Brennstoffparameter können vorzugsweise die Enthalpie-Bilanzen zweier beliebiger Unterbaugruppen (nicht nur die zwei oben beschriebenen Unterbaugruppen 48, 50) herangezogen werden. Eine Verwendung anderer Unterbaugruppen als der oben Beschriebenen zur Bestimmung der unbekannten Brennstoffparameter mittels der Enthalpie-Bilanzen hängt dabei insbesondere von einem tatsächlichen Aufbau der Brennstoffzellensystems 12 ab. Vorzugsweise ist es ebenfalls denkbar, dass von drei unterschiedlichen Unterbaugruppen jeweils eine Enthalpie-Bilanz erstellt und zur Berechnung von drei unbekannten Brennstoffparametern verwendet wird. Werden Enthalpie-Bilanzen von drei Unterbaugruppen erstellt, können als Unbekannte der Gleichungen sowohl der Stickstoff Molanteil xN2, das aktuelle H/C-Verhältnis des Brennstoffs und der Kohlenstoffdioxid Molanteil xC02 des Brennstoffs durch eine computerimplementierte numerische Lösung der Gleichungen mittels der Recheneinheit 46 ermittelt werden.
In einer Ausgestaltung in dem eine Unterbaugruppe lediglich den Reformer 24 umfasst, wäre die Unterbaugruppe in dem Rezirkulationspfad angeordnet. Für eine solche Ausgestaltung wäre es denkbar, dass zunächst über eine Enthalpie- Bilanz der Unterbaugruppe 48, 50, die Außerhalb des Rezirkulationspfads angeordnet ist, oder den Rezirkulationspfad umschließt, ein H/C-Verhältnis des Brennstoffs zu ermitteln. Basierend auf dem Ermittelten H-C-Verhältnis wird über die in dem Rezirkulationspfad angeordnete Unterbaugruppe, hier beispielhaft der Reformer, eine Rezirkulationsrate „r“ bestimmt. Da mehr als eine Unterbaugruppe innerhalb des Rezirkulationspfads für die alleinige Bestimmung der Rezirkulationsrate „r“ zur Verfügung stehen, kann die redundante Funktionseinheit (hier der Reformer 24) und dessen Enthalpie-Bilanz zur Bestimmung eines Brennstoffparameters, insbesondere des als Stickstoff Molanteil xN2 ausgebildeten Brennstoffparameters oder des als Kohlenstoffdioxid Molanteil xC02 ausgebildeten Brennstoffparameter herangezogen werden. Die Ermittlungen können dabei parallel o- der iterativ erfolgen. Hierbei können insbesondere Enthalpie-Bilanzen von innerhalb des Rezirkulationspfads und von außerhalb des Rezirkulationspfads beliebig miteinander kombiniert werden. Eine Einzige Bedingung ist, dass jeweils mindestens eine Enthalpie-bilanz von einer Unterbaugruppe innerhalb des Rezirkulationspfads und eine Enthalpie-Bilanz von einer Unterbaugruppe außerhalb des Rezirkulationspfads verwendet wird.
Im Folgenden soll beispielhaft eine Bestimmung der beiden aktuellen Brennstoffparameter, nämlich der Stickstoff Molanteil xN2, und das aktuelle H/C-Verhältnis des Brennstoffs, mittels der Enthalpie-Bilanzen der beiden oben beschriebenen Unterbaugruppen 48, 50 beschrieben werden. Für die Enthalpie-Bilanzen der Unterbaugruppen 48, 50 werden jeweils eine Gleichung aufgestellt, die von der Recheneinheit 46 in einem numerischen Lösungsverfahren computerimplementiert gelöst werden.
Für die erste, als Hotboxbaugruppe ausgebildete Unterbaugruppe 48 ergibt sich für ihre Enthalpie-Bilanz die folgende Gleichung. Die Gleichung ist in der Recheneinheit 46 entsprechend hinterlegt. Die Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 48 ist durch gegeben.
Der Brennstoffenthalpiestrom „HNG“ ist dabei abhängig von dem Brennstoffeingangsvolumenstrom „VNG in“, dem H/C-Verhältnis des Brennstoffs (HC) und dem Stickstoff Molanteil xN2. Der Brennstoffeingangsvolumenstrom „VNG in“ wird in dem Verfahrensschritt 54 von einem entsprechenden Sensor in der Brennstofflei- tung 22 gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Der Oxidansenthal- piestrom „HAir“ ist von dem Oxidanseingangsvolumenstrom „VAir FCS in u abhängig. Der Oxidanseingangsvolumenstrom „VAir CS in“ wird in dem Verfahrensschritt 54 von einem entsprechenden Sensor in der Oxidansleitung 26 gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Die elektrische Leistung „PEIDC“ der Brennstoffzelleneinheit 14 ist abhängig von einer von der Brennstoffzelleneinheit 14 erzeugten Spannung „ustk“ und von einem von der Brennstoffzelleneinheit 14 erzeugten Strom „iinv“. Die erzeugte Spannung „ustk“ und der erzeugte Strom „iinv“ werden in dem Verfahrensschritt 54 durch entsprechende Messeinrichtungen gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Der thermische Verlust der als Hotbox- gruppe ausgebildeten Unterbaugruppe 48, die Hotboxverlustwärme „Qnotbox LOSS“ kann in Abhängigkeit von dem erzeugten Strom „iinv“ und/oder weiteren bekannten Betriebskenngrößen wie Temperaturen und Volumenströme ermittelt werden. Die Abhängigkeit wird zuvor in einer Vermessung durch Betrieb des Brennstoffzellensystems 12 mit einem Referenzgas (Methan oder Erdgas bekannter Zusammensetzung) bestimmt. Die weiteren bekannten Betriebskenngrößen wie Temperaturen und Volumenströme werden in dem Verfahrensschritt 54 durch entsprechende Messeinrichtungen gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Das H/C-Verhältnis des Brennstoffs (HC) und der Stickstoff Molanteil xN2 des Brennstoffs bilden die beiden Unbekannten der Gleichung für die Enthalpie- Bilanz der Unterbaugruppe 48, die nicht gemessen werden.
Für die zweite, von dem Nachbrenner 34 gebildete Unterbaugruppe 50 ergibt sich für ihre Enthalpie-Bilanz die folgende Gleichung. Die Gleichung ist in der Recheneinheit 46 entsprechend hinterlegt. Die Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 50 ist durch gegeben.
Die Funktion f7 (Beschreibend für Oxidanseingangsenthalpiestrom in den Nachbrenner 34) ist von dem Oxidanseingangsvolumenstrom der Oxi- dansaustrittstemperatur tair stk out an der Brennstoffzelleneinheit 14, dem von der Brennstoffzelleneinheit 14 erzeugten Strom „istk“, sowie dem Sauerstoff Molanteil x02 in Air des Oxidans abhängig. Die Funktion f3 (Beschreibend für Brennstoffeingangsenthalpiestrom in den Nachbrenner 34) ist von dem H/C-Verhältnis des Brennstoffs (HC), dem Stickstoff Molanteil xN2, dem Brennstoffeingangsvolumenstrom „VNG FCS in“, der Brennstoffabgastemperatur „tao tgb in“ und der Oxidansaus- trittstemperatur tair stk out an der Brennstoffzelleneinheit abhängig. Die Funktion f8 (Beschreibend für Abgasausgangsenthalpiestrom aus dem Nachbrenner 34) ist von dem Oxidanseingangsvolumenstrom „VAir FCS in“, dem Brennstoffeingangsvolumenstrom „VNG FCS in“, der Abgasaustrittstemperatur tog tgb out, dem H/C-Ver- hältnis des Brennstoffs (HC) und dem Stickstoff Molanteil xN2 abhängig. Die Funktion f0 (Beschreibend für die Verlustwärme des Nachbrenners 34) ist von dem von der Brennstoffzelleneinheit 14 erzeugten Strom „istk“, der Abgasaustrittstemperatur tog tgb out und der Oxidansaustrittstemperatur tair stk out an der Brennstoffzelleneinheit 14 und/oder weiteren bekannten Betriebskenngrößen wie Temperaturen und Volumenströme abhängig. Der Oxidanseingangsvolumenstrom „VAir FGS in“ wird in dem Verfahrensschritt 54 von einem entsprechenden Sensor in der Oxidansleitung 26 gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Die Oxidansaustrittstemperatur tair stk out an der Brennstoffzelleneinheit 14 wird in dem Verfahrensschritt 54 von einem entsprechenden Temperatursensor gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Der von der Brennstoffzelleneinheit 14 erzeugte Strom „istk“ wird in dem Verfahrensschritt 54 durch eine entsprechende Messeinrichtung gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Der Sauerstoff Molanteil x02 in Air des Oxidans wird durch eine entsprechende Messeinrichtung gemessen oder geschätzt. Die Abgasaustrittstemperatur tog tgb out wird in dem Verfahrensschritt 54 von einem entsprechenden Temperatursensor in der Abgasleitung 36 gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Die Oxidansaustrittstemperatur tair stk out an der Brennstoffzelleneinheit 14 wird in dem Verfahrensschritt 54 von einem entsprechenden Temperatursensor gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Die weiteren bekannten Betriebskenngrößen wie Temperaturen und Volumenströme für die Funktion f0 werden in dem Verfahrensschritt 54 durch entsprechende Messeinrichtungen gemessen und an die Recheneinheit 46 übermittelt. Das H/C-Verhältnis des Brennstoffs (HC) und der Stickstoff Molanteil xN2 des Brennstoffs bilden die beiden Unbekannten der Gleichung für die Enthalpie-Bilanz der Unterbaugruppe 50, die nicht gemessen werden. Die beiden oben aufgeführten Gleichungen für die Enthalpie-Bilanzen der beiden Unterbaugruppen 48, 50 werden in dem Verfahrensschritt 54 von der Recheneinheit 46 in einem numerischen Lösungsverfahren computerimplementiert nach den Unbekannten, also dem H/C-Verhältnis des Brennstoffs (HC) und dem Stickstoff Molanteil xN2 des Brennstoffs gelöst. Beispielsweise kann ein Newton-Verfahren verwendet werden. Durch die Bestimmung der Unbekannten in den Gleichungen der Enthalpie-Bilanzen der beiden Unterbaugruppen 48, 50, mittels der aktuell gemessenen Betriebskenngrößen, können permanent die aktuellen Brennstoffparameter, also das H/C-Verhältnis des Brennstoffs (HC) und der Stickstoff Molanteil xN2 des Brennstoffs ermittelt werden. Dadurch kann eine Regelung des Brennstoffzellensystems 12 einfach und schnell an Schwankungen dieser Brennstoffparameter angepasst werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt 56 werden die ermittelten Brennstoff parameter zur Regelung des Brennstoffzellensystems 12 herangezogen. Mittels der geschätzten aktuellen Brennstoff parameter kann eine Regelung des Brennstoffzellensystems 12 genauer erfolgen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems (12), insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, welches in zumindest einem Verfahrensschritt (52) in mehrere Unterbaugruppen (48, 50) unterteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt (54) zumindest für zwei Unterbaugruppen (48, 50) eine Enthalpie-Bilanz erstellt wird, wobei mittels der erstellten Enthalpie-Bilanzen zumindest ein aktueller Brennstoffparameter bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Unterbaugruppen (50), deren Enthalpie-Bilanz erstellt wird, außerhalb eines Rezirkulationspfads des Brennstoffzellensystems (12) angeordnet ist, oder den Rezirkulationspfad umschließt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für zwei beliebige Unterbaugruppen (48, 50) des Brennstoffzellensystems (12) die Enthalpie-Bilanz für eine Bestimmung des zumindest einen aktuellen Brennstoffparameters ermittelt werden kann.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Unterbaugruppen (50), deren Enthalpie-Bilanz erstellt wird, einen Nachbrenner (34) des Brennstoffzellensystems umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Unterbaugruppen (48), deren Enthalpie-Bilanz erstellt wird, als eine Hotboxgruppe des Brennstoffzellensystems (12) ausgebildet ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt (54) unterschiedliche Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems (12) erfasst werden, um eine aktuelle Enthalpie-Bilanz einer Unterbaugruppe (48, 50) zu erstellen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Verfahrensschritt (54) bestimmte Brennstoffparameter als ein H/C-Verhältnis des Brennstoffs, oder als ein Inertgas- Molanteil, insbesondere eine N2- Konzentration (xN2) oder eine CO2- Konzentration (xC02) in dem Brennstoff ausgebildet ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt (54) die Enthalpie-Bilanzen jeweils als Gleichung mit den zu bestimmenden Brennstoffparametern als Unbekannten in einem numerischen Lösungsverfahren computerimplementiert gelöst werden. Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Recheneinheit (46) zu einer Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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