EP4670218A2 - Verfahren zum betrieb einer brennstoffzellenvorrichtung, steuer- oder regelvorrichtung sowie brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer brennstoffzellenvorrichtung, steuer- oder regelvorrichtung sowie brennstoffzellenvorrichtung

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EP4670218A2
EP4670218A2 EP24706976.8A EP24706976A EP4670218A2 EP 4670218 A2 EP4670218 A2 EP 4670218A2 EP 24706976 A EP24706976 A EP 24706976A EP 4670218 A2 EP4670218 A2 EP 4670218A2
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EP
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fuel cell
cell device
fuel
operating point
electrical power
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Application number
EP24706976.8A
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Hartwig Lehle
Karel VACHA
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte

Definitions

  • a method for operating a fuel cell device has already been proposed, in which in at least one method step at least one operating parameter of the fuel cell device is adapted in order to reach a predetermined operating point of the fuel cell device.
  • the invention is based on a method for operating a fuel cell device, wherein in at least one method step at least one operating parameter of the fuel cell device is adapted in order to reach a predetermined operating point of the fuel cell device.
  • the operating point to be set is determined as a function of an electrical performance parameter of the fuel cell device.
  • the fuel cell device preferably comprises at least one electrochemical conversion unit with at least one fuel cell for converting a fuel by supplying oxygen and outputting electrical power.
  • the operating point preferably comprises at least one variable or characteristic which describes or characterizes an operating state, efficiency and/or effectiveness of the electrochemical conversion unit and/or the entire fuel cell device when converting the fuel.
  • the Operating point includes, for example, a temperature of the electrochemical conversion unit, a local fuel utilization of the electrochemical conversion unit, a system-wide fuel utilization of the fuel cell device, an air utilization of the electrochemical conversion unit, a composition of the fuel or the like.
  • the fuel cell device preferably comprises at least one actuating unit for setting the at least one operating parameter.
  • the operating parameter is, for example, a flow rate of the fuel, a flow rate of an oxygen-containing fluid, in particular ambient air or an industrial gas with a defined oxygen content, a recirculation rate of an exhaust gas produced from the fuel or the like.
  • the fuel cell device preferably comprises a control or regulating device for controlling the actuating unit.
  • the control or regulating device preferably sets the at least one operating parameter by means of the control unit depending on the operating point that is to be reached or maintained.
  • the electrical power parameter preferably describes an electrical power to be provided by the electrochemical conversion unit.
  • the electrical power parameter can be designed as electrical power, as electrical current, or as electrical voltage.
  • the electrical power parameter can be designed in particular as an absolute value or relative value to a nominal power, to a nominal current or to a nominal voltage of the electrochemical conversion unit.
  • the electrical power parameter is preferably specified externally in the course of the method.
  • the electrical power parameter can be specified via a data interface of the control or regulating device and/or, in particular in the case of a load change of a load supplied with electrical power by the fuel cell device, can be recognized based on a change in an actual value of a variable dependent on the electrical power parameter.
  • the fuel cell device preferably comprises at least one electrical energy buffer in order to counteract a change in the electrical power parameter on the part of the electrochemical conversion unit in the case of a load change, in particular at least until the control or regulating device can initiate and/or complete an adjustment of the operating point.
  • the data interface can be designed to specify the electrical power parameter by a control device of the load and/or an operator of the fuel cell device.
  • the control or regulating device preferably selects an operating point to be set from a number of predetermined operating points depending on the predetermined electrical power parameter.
  • the operating point can be selected depending on the electrical power parameter using a table or by evaluating a mathematical function of the electrical power parameter.
  • the control or regulating device preferably sets the operating point selected depending on the electrical power parameter as the setpoint for controlling or regulating the fuel cell device.
  • the control or regulating device preferably sets the at least one operating parameter in order to reach the selected operating point.
  • possible candidates for the operating point are evaluated on the basis of their respective spatial temperature profile and, if the evaluation is positive, stored in a memory of the control or regulating device.
  • a candidate for an operating point is only evaluated positively if the associated spatial temperature profile runs exclusively below and/or at a permissible temperature maximum of the electrochemical conversion unit.
  • the spatial temperature profile of a candidate for the operating point is checked with regard to at least one condition that is different from the permissible temperature maximum, for example with regard to a relationship to another temperature reference, a maximum or minimum gradient of the temperature profile, a duration of a maximum of the spatial temperature profile or the like.
  • At least one operating point is determined for at least two different values, in particular for several permissible values, preferably for the majority of all permissible values, in particular for all permissible values, of the electrical power parameter and stored in the memory of the control or regulating device, in particular together with the respective value of the electrical power parameter.
  • the design according to the invention advantageously allows an effect of an interaction between operating point and electrical performance parameter on the fuel cell device, in particular on the electrochemical conversion unit, to be taken into account when selecting the operating point.
  • the spatial temperature profile is at least substantially exclusively below and/or at a nominal temperature profile of the fuel cell device at a nominal operating point for providing a nominal value of the electrical performance parameter.
  • the nominal temperature profile is preferably a spatial temperature profile of an operating point, which is determined in particular as described in the previous paragraph and is called the nominal operating point for differentiation.
  • the nominal temperature profile is in particular exclusively below and/or at the permissible maximum temperature.
  • the nominal temperature profile is preferably used as a temperature reference for evaluating a respective spatial Temperature profile of candidates for operating points which are intended to provide a lower value of the electrical performance parameter than the nominal value.
  • the design according to the invention advantageously allows a risk of overheating of the fuel cell device, in particular of the electrochemical conversion unit, to be kept low.
  • a set of operating points can be defined which can advantageously be operated safely at different values of the electrical performance parameter.
  • an advantageously rapid change in the electrical performance parameter can be permitted by using the defined set of operating points.
  • the spatial temperature profile of the fuel cell device is recorded by a sensor unit of the fuel cell device.
  • the spatial temperature profile of a candidate for the operating point is recorded by means of the sensor unit.
  • the sensor unit preferably comprises at least one sensor element for recording a temperature of the electrochemical conversion unit.
  • the sensor unit comprises several sensor elements for recording temperatures at different points of the electrochemical conversion unit.
  • the at least one sensor element can be arranged in or on the electrochemical conversion unit.
  • the at least one sensor element is preferably designed as a thermocouple.
  • the operating point is optimized with regard to the efficiency of the fuel cell device for a given electrical power parameter and for a temperature restriction of the fuel cell device.
  • the temperature restriction is preferably a comparison of the spatial temperature profile of a candidate for the operating point with the nominal temperature profile.
  • candidates for an operating point can be found which are suitable for providing a given value of the electrical power parameter and whose spatial temperature profile satisfies the temperature restriction.
  • the one which has the greatest possible efficiency under the temperature restriction is selected and stored in the memory of the control or regulating device.
  • the design according to the invention assigns an advantageously high spatial temperature profile to the operating point, which is advantageously similar in particular to the nominal temperature profile.
  • temperature changes in the fuel cell device, in particular in the electrochemical conversion unit can be advantageously kept low when the electrical power parameter changes.
  • thermomechanical stresses and a risk of wear of the fuel cell device, in particular of the electrochemical conversion unit can advantageously be kept low.
  • the electrical power parameter is changed by more than 15%/min in order to switch between two active operating states. Percentages of the electrical power parameter preferably refer to the nominal value of the electrical power parameter.
  • the control or The control device preferably changes the electrical power parameter with a maximum change rate of more than 15%/min.
  • the control or regulating device changes the electrical power parameter with a maximum change rate of more than 25%/min, preferably by more than 35%/min, preferably by more than 45%/min, particularly preferably by more than 50%/min.
  • the control or regulating device changes the electrical power parameter with a maximum change rate of more than 100%/min, in particular more than 200%/min, particularly preferably more than 300%/min.
  • a change in the electrical power parameter can be carried out by the control or regulating device continuously or in discrete steps.
  • the change rate of the electrical power parameter is preferably to be understood as average change rates, which are formed, for example, by a total value of the change, in particular a difference between the target value and the start value, a summation or integration over a time-dependent instantaneous value or the like, of the electrical power parameter divided by a total duration to achieve the change. Due to the design according to the invention, the electrical power parameter can advantageously be quickly adapted to the electrical power taken from the fuel cell device. Furthermore, a capacity, required installation space and/or costs of the energy buffer can advantageously be kept low.
  • a supercapacitor of the fuel cell device is used as an electrical energy buffer during a load change.
  • an accumulator is used as an energy buffer.
  • control or regulating device for a fuel cell device is proposed for carrying out a method according to the invention.
  • the control or regulating device is intended for controlling or regulating the fuel cell device.
  • the control or regulating device is preferably a unit with at least one control electronics.
  • control electronics is intended to mean in particular a unit with a processor unit and with a memory as well as with a Operating program can be understood.
  • the design according to the invention makes it possible to provide a control or regulating device with which the operation of a fuel cell device can be adapted advantageously safely and advantageously quickly to a change in electrical power consumption.
  • the electrochemical conversion unit preferably comprises at least one fuel cell, preferably a stack of, in particular structurally identical, fuel cells or a combination of several stacks of, in particular structurally identical, fuel cells.
  • the at least one fuel cell is preferably designed as a high-temperature fuel cell, in particular a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell.
  • the fuel cell is a phosphoric acid fuel cell, a direct methanol fuel cell or a polymer electrolyte membrane fuel cell.
  • the fuel cell device preferably comprises the electrical energy buffer, in particular a supercapacitor and/or an accumulator, for temporarily decoupling the electrical power parameter from an electrical power required by a load.
  • the fuel cell device optionally comprises an afterburner for utilizing fuel residues in the fuel-poor exhaust gas, a desulfurizer and/or a reformer for processing the fuel, at least one Heat exchanger for heat transfer from at least one of the exhaust gases, in particular an afterburner exhaust gas of the afterburner, to the oxygen-containing fluid and/or the fuel and/or a recirculation line for feeding the low-fuel exhaust gas back into the fuel.
  • the design according to the invention makes it possible to provide a fuel cell device that can be switched on advantageously safely and quickly.
  • Fig. 3 is a schematic diagram of various temperature profiles of the fuel cell device.
  • the fuel cell device 12 preferably comprises an electrical control unit 36, in particular an inverter, for setting an electrical power parameter 14 (cf. Fig. 2) of the fuel cell device 12, in particular an electrical current provided by the electrochemical conversion unit 30.
  • the electrical control unit 36 is preferably electrically connected to the oxygen electrode 32 and the fuel electrode 34.
  • the fuel cell device 12 preferably comprises an electrical energy buffer 26.
  • the electrical energy buffer 26 is preferably provided to temporarily control the electrical power parameter 14, in particular until an operating point change of the fuel cell device 12, independently of an electrical power consumed or requested by a load 38.
  • a capacity of the electrical energy buffer 26 is preferably designed as a function of a speed at which the electrical performance parameter 14 can be changed without risking damage and/or premature aging of the electrochemical conversion unit 30.
  • the electrical energy buffer 26 is a supercapacitor.
  • the electrical energy buffer 26 is designed as an accumulator.
  • the fuel cell device 12 preferably comprises an oxygen delivery unit 40, in particular a fan, a blower or a compressor, for conveying the oxygen-containing fluid to the oxygen electrode 32.
  • the oxygen-containing fluid is particularly preferably ambient air, which is sucked in by the oxygen delivery unit 40.
  • the oxygen-containing fluid is an industrial gas with a defined oxygen content.
  • the oxygen delivery unit 40 is preferably arranged upstream of the oxygen electrode 32 with respect to the oxygen-containing fluid.
  • the fuel cell device 12 preferably comprises a fuel delivery unit 42, in particular a fan, a blower or a compressor, for conveying the fuel to the fuel electrode 34.
  • the fuel is preferably hydrogen and/or natural gas.
  • the fuel comprises at least one hydrocarbon as a pure substance or as a mixture and/or ammonia.
  • the fuel delivery unit 42 is arranged upstream of the fuel electrode 34 in relation to the fuel.
  • the electrochemical conversion unit 30 is preferably provided for providing the electrical power parameter 14 by converting the fuel into the fuel-poor exhaust gas by supplying oxygen from the oxygen-containing fluid.
  • the fuel cell device 12 comprises a desulfurizer 44.
  • the desulfurizer 44 is preferably arranged downstream of the fuel feed unit 42 and upstream of the electrochemical conversion unit 30 with respect to the fuel.
  • the fuel cell device 12 comprises a reformer 46 for reforming the fuel.
  • the reformer 46 is preferably arranged downstream of the fuel feed unit 42 with respect to the fuel.
  • the fuel cell device 12 preferably comprises a recirculation line 48 and a recirculation conveying unit 50, in particular a fan, a blower or a compressor, arranged in or on the recirculation line 48, for returning the low-fuel exhaust gas emerging from the fuel electrode 34 to the fuel upstream of the fuel electrode 34.
  • a feed opening of the recirculation line 48 is preferably arranged upstream of the reformer 46 and downstream of the desulfurizer 44 with respect to the fuel.
  • the fuel cell device 12 preferably comprises an afterburner 52 for converting fuel residues contained in the fuel-poor exhaust gas.
  • the afterburner 52 is preferably arranged downstream of the fuel electrode 34 in relation to the fuel-poor exhaust gas and in particular downstream of a branch into the recirculation line 48.
  • the afterburner 52 is preferably arranged downstream of the oxygen electrode 32 in relation to the oxygen-poor exhaust gas.
  • the fuel cell device 12 preferably comprises at least one heat exchanger 54, 56 for transferring heat from an afterburner exhaust gas of the afterburner 52 exiting from the afterburner 52 to the oxygen-containing fluid or to the fuel upstream of the electrochemical conversion unit 30.
  • the fuel cell device 12 comprises at least one control or regulating device 28.
  • the control or regulating device 28 is preferably provided for controlling the oxygen delivery unit 40, the fuel delivery unit 42 and/or the recirculation delivery unit 50 in order to set a flow rate of the oxygen-containing fluid, the fuel or a fed-back part of the fuel-poor exhaust gas.
  • the control or regulating device 28 is preferably provided for controlling the electrical actuating unit 36 in order to set the electrical power parameter 14.
  • the control or regulating device 28 is provided for carrying out a method 10, which is explained in more detail in the following Figure 2.
  • the fuel cell device 12 optionally comprises at least one sensor unit 22 for detecting a spatial temperature profile 16, 18, 20 (see Fig. 3) within the electrochemical conversion unit 30.
  • the sensor unit 22 preferably comprises at least one sensor element, preferably several sensor elements, which is/are arranged in or on the electrochemical conversion unit 30.
  • the at least one sensor element is preferably designed as a thermocouple.
  • the sensor unit 22 detects a temperature of the electrochemical conversion unit 30 at least at a fluid inlet 68 and at a fluid outlet 70 of the electrochemical conversion unit 30 and the control or regulating device 28 or an external computer system interpolates the temperature profile 16, 18, 20 between these points, in particular linearly.
  • the method 10 preferably comprises a further operating point determination 60.
  • the further operating point determination 60 at least one operating point is preferably determined which is suitable for providing a lower value of the electrical performance parameter 14.
  • the operating point is determined as a function of a spatial temperature profile 18, 20 (cf. Fig. 3) of the electrochemical conversion unit 30 at this operating point.
  • the spatial temperature profile 18, 20 is recorded, for example, by the sensor unit 22, alternatively the nominal temperature profile 16 is determined by means of simulation.
  • Candidates for the operating point are preferably evaluated as a function of their respective spatial temperature profile 18, 20.
  • An operating point is preferably evaluated positively if the spatial temperature profile 18, 20 of the Operating point is at least substantially exclusively below and/or on the nominal value temperature profile 16. If a temperature profile 76 (cf. Fig.
  • the associated candidate for the operating point is preferably rejected.
  • those which have a lower maximum temperature value, in particular at the fluid outlet 70 are preferably preferred.
  • candidates whose temperature profile at the fluid outlet 70 has a temperature above a temperature setpoint are rejected.
  • the temperature setpoint is preferably less than a permissible maximum temperature 66 of the electrochemical conversion unit 30 (cf. Fig. 3).
  • the temperature setpoint is dependent on the electrical power parameter.
  • the temperature setpoint for operating points different from the nominal value operating point is less than for the nominal value operating point.
  • the temperature setpoint decreases monotonically with the electrical power to be provided by the operating point.
  • the candidate that has the greatest possible efficiency of the fuel cell device 12 is preferably selected.
  • at least one operating point is determined in each case depending on their spatial temperature profiles 18, 20 and stored in a memory of the control or regulating device 28.
  • the method 10 preferably comprises an operating point selection 62.
  • the control or regulating device 28 selects an operating point to be set, in particular suitable temperature boundary conditions, from the operating points stored in the memory of the control or regulating device 28 depending on a predetermined value of the electrical power parameter 14 of the fuel cell device 12.
  • the method 10 preferably comprises a control or regulating step 64.
  • the control or regulating device 28 adjusts at least one operating parameter of the fuel cell device 12 in order to reach the operating point of the fuel cell device 12.
  • the control or regulating device 28 controls the oxygen feed unit 40, the fuel feed unit 42 and/or the recirculation feed unit 50 in order to adapt a flow parameter as an operating parameter.
  • the control or regulating device 28 controls the electrical actuating unit 36 in order to adapt an actual value of the electrical performance parameter 14 to the predetermined value of the electrical performance parameter 14.
  • the electrical performance parameter 14 is changed by the control or regulating device 28 by more than 15%/min in order to switch between two active operating states with different operating points.
  • Figure 3 shows a diagram in which the temperature 24 of the electrochemical conversion unit 30, in particular of the fuel electrode 34, is shown over a spatial extent 78 of the electrochemical conversion unit 30, in particular of the fuel electrode 34.
  • the spatial extent 78 taken into account in the method 10 preferably extends from the fluid inlet 68 of the electrochemical conversion unit 30 to the fluid outlet 70 of the electrochemical conversion unit 30.
  • the spatial extent 78 taken into account in the method 10 preferably includes a spatial extent of the fluid inlet 68 and/or the fluid outlet 70.
  • the electrochemical conversion unit 30 optionally has a transition region 72, 74, for example for distributing the fuel to several fuel cells, for avoiding direct physical contact of the fuel cells with a housing of the electrochemical conversion unit 30 comprising the fluid inlet 68 and/or fluid outlet 70 or the like.
  • the diagram shows, by way of example, the nominal value temperature profile 16, the temperature profile 18 of an operating point for an average value of the electrical performance parameter 14, the temperature profile 20 of an operating point for an average value of the electrical performance parameter 14 and a temperature profile 76 of an impermissible operating point.
  • the temperature profile 76 of the impermissible operating point is preferably not evaluated as positive, since when changing to the impermissible operating point, an overshoot of the temperature to values above the maximum temperature 66 at and/or in one of the transition areas 74 is likely.
  • the Temperature curve 76 of the impermissible operating point is optionally not evaluated as positive, since it is above the nominal temperature curve 16, particularly in an area around the fluid inlet 68.
  • the temperature curves 16, 18, 20, 76 all run completely below and/or in sections at a permissible maximum temperature 66 of the electrochemical conversion unit 30.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Betriebsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung angepasst wird, um einen vorgegebenen Betriebspunkt der Brennstoffzellenvorrichtung zu erreichen. Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt der einzustellende Betriebspunkt in Abhängigkeit von einem elektrischen Leistungsparameter (14) der Brennstoffzellenvorrichtung ermittelt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb einer Steuer- oder
Stand der Technik
Es ist bereits ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen worden, bei dem in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Betriebsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung angepasst wird, um einen vorgegebenen Betriebspunkt der Brennstoffzellenvorrichtung zu erreichen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Betriebsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung angepasst wird, um einen vorgegebenen Betriebspunkt der Brennstoffzellenvorrichtung zu erreichen.
Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens der einzustellende Betriebspunkt in Abhängigkeit von einem elektrischen Leistungsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung ermittelt wird. Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst vorzugsweise zumindest eine elektrochemische Umwandlungseinheit mit zumindest einer Brennstoffzelle zur Umsetzung eines Brennstoffs unter Zuführung von Sauerstoff unter Abgabe einer elektrischen Leistung. Der Betriebspunkt umfasst vorzugsweise zumindest eine Größe oder Kennzahl, welche einen Betriebszustand, eine Effizienz und/oder Effektivität der elektrochemischen Umwandlungseinheit und/oder der gesamten Brennstoffzellenvorrichtung bei Umsetzung des Brennstoffs beschreibt oder charakterisiert. Der Betriebspunkt umfasst beispielsweise eine Temperatur der elektrochemischen Umwandlungseinheit, eine lokale Brennstoffnutzung der elektrochemischen Umwandlungseinheit, eine systemweite Brennstoffnutzung der Brennstoffzellenvorrichtung, eine Luftnutzung der elektrochemischen Umwandlungseinheit, eine Zusammensetzung des Brennstoffs oder dergleichen.
Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst vorzugsweise zumindest eine Stelleinheit, um den zumindest einen Betriebsparameter einzustellen. Der Betriebsparameter ist beispielsweise eine Strömungsrate des Brennstoffs, eine Strömungsrate eines sauerstoffhaltigen Fluids, insbesondere Umgebungsluft oder ein Industriegas mit definiertem Sauerstoffanteil, eine Rezirkulationsrate eines aus dem Brennstoff entstehenden Abgases oder dergleichen. Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Steuer- oder Regelvorrichtung zu einem Ansteuern der Stelleinheit. Die Steuer- oder Regelvorrichtung stellt vorzugsweise den zumindest einen Betriebsparameter mittels der Steuereinheit in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt ein, der erreicht oder gehalten werden soll.
Der elektrische Leistungsparameter beschreibt vorzugsweise eine von der elektrochemischen Umwandlungseinheit bereitzustellende elektrische Leistung. Der elektrische Leistungsparameter kann als elektrische Leistung, als elektrischer Strom, oder als elektrische Spannung ausgebildet sein. Der elektrische Leistungsparameter kann insbesondere als Absolutwert oder Relativwert zu einer Nennleistung, zu einem Nennstrom bzw. zu einer Nennspannung der elektrochemischen Umwandlungseinheit ausgebildet sein. Der elektrische Leistungsparameter wird im Zuge des Verfahrens vorzugsweise extern vorgegeben. Eine Vorgabe des elektrischen Leistungsparameters kann über eine Datenschnittstelle der Steuer- oder Regelvorrichtung erfolgen und/oder, insbesondere bei einem Lastwechsel einer von der Brennstoffzellenvorrichtung mit elektrischer Leistung versorgten Last, anhand einer Veränderung eines Istwerts einer von dem elektrischen Leistungsparameter abhängigen Größe erkannt werden. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest einen elektrischen Energiepuffer, um bei einem Lastwechsel einer Veränderung des elektrischen Leistungsparameters auf Seiten der elektrochemischen Umwandlungseinheit entgegenzuwirken, insbesondere zumindest solange bis die Steuer- oder Regelvorrichtung eine Anpassung des Betriebspunkts einleiten und/oder abschließen kann. Die Datenschnittstelle kann zur Vorgabe des elektrischen Leistungsparameters durch eine Steuervorrichtung der Last und/oder einen Bediener der Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet sein.
Vorzugsweise wählt die Steuer- oder Regelvorrichtung aus mehreren vorgegeben Betriebspunkten einen einzustellenden Betriebspunkt in Abhängigkeit von dem vorgegebenen elektrischen Leistungsparameter aus. Eine Auswahl des Betriebspunkts in Abhängigkeit des elektrischen Leistungsparameters kann über ein Tabellenwerk oder durch Auswerten einer mathematischen Funktion des elektrischen Leistungsparameters erfolgen. Vorzugsweise legt die Steuer- oder Regelvorrichtung den in Abhängigkeit von dem elektrischen Leistungsparameter ausgewählten Betriebspunkt als Sollwert zu einer Steuerung oder Regelung der Brennstoffzellenvorrichtung fest. Die Steuer- oder Regelvorrichtung stellt vorzugsweise den zumindest einen Betriebs para meter ein, um den ausgewählten Betriebspunkt zu erreichen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann vorteilhaft kontrolliert auf eine Veränderung der von der Brennstoffzellenvorrichtung entnommenen elektrischen Leistung reagiert werde. Vorteilhaft kann ein Risiko eines Beibehaltens eines für einen gegebenen elektrischen Leistungsparameter ungünstigen Betriebspunkts gering gehalten werden. Insbesondere kann ein Risiko eines Überhitzens der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere der elektrochemischen Umwandlungseinheit, vorteilhaft gering gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens der Betriebspunkt in Abhängigkeit von einem räumlichen Temperaturverlauf der Brennstoffzellenvorrichtung ermittelt wird. Der räumliche Temperaturverlauf umfasst vorzugsweise einen Temperaturverlauf durch die elektrochemische Umwandlungseinheit hindurch, insbesondere von einem Fluideinlass bis zu einem Fluidauslass der elektrochemischen Umwandlungseinheit. Der Fluideinlass kann zu einem Einlassen des Brennstoffs und der Fluidauslass zu einem Auslassen des brennstoffarmen Abgases vorgesehen sein oder der Fluideinlass ist zu einem Einlassen des sauerstoffhaltigen Fluids und der Fluidauslass zu einem Auslassen des sauerstoffarmen Abgases vorgesehen. Vorzugsweise wird der räumliche Temperaturverlauf außerhalb eines regulären Betriebs, insbesondere in einem Testbetrieb, in einem Wartungsbetrieb und/oder mittels einer Simulation der Brennstoffzellenvorrichtung, ermittelt, insbesondere erfasst oder berechnet. Vorzugsweise werden mögliche Kandidaten für den Betriebspunkt anhand ihres jeweiligen räumlichen Temperaturverlaufs bewertet und bei einer positiven Bewertung in einem Speicher der Steuer- oder Regelvorrichtung hinterlegt Vorzugsweise wird ein Kandidat für einen Betriebspunkt nur dann positiv bewertet, wenn der zugehörige räumliche Temperaturverlauf ausschließlich unterhalb und/oder auf einem zulässigen Temperaturmaximum der elektrochemischen Umwandlungseinheit verläuft Vorzugsweise wird der räumliche Temperaturverlauf eines Kandidaten für den Betriebspunkt bezüglich zumindest einer von dem zulässigen Temperaturmaximum unterschiedlichen Bedingung geprüft, beispielsweise bezüglich eines Verhältnisses zu einer weiteren Temperaturreferenz, einer maximalen oder minimalen Steigung des Temperaturverlaufs, einer Dauer eines Maximums des räumlichen Temperaturverlaufs oder dergleichen. Vorzugsweise wird für zumindest zwei unterschiedliche Werte, insbesondere für mehrere zulässige Werte, vorzugsweise für die Mehrzahl aller zulässigen Werte, insbesondere für alle zulässigen Werte, des elektrischen Leistungsparameters zumindest je ein Betriebspunkt ermittelt und in dem Speicher der Steuer- oder Regelvorrichtung, insbesondere zusammen mit dem jeweiligen Wert des elektrischen Leistungsparameters, hinterlegt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Auswirkung eines Zusammenspiels von Betriebspunkt und elektrischem Leistungsparameter auf die Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere auf die elektrochemische Umwandlungseinheit bei einer Wahl des Betriebspunkts berücksichtigt werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der räumliche Temperaturverlauf zumindest im Wesentlichen ausschließlich unterhalb und/oder auf einem Nennwerttemperaturverlauf der Brennstoffzellenvorrichtung bei einem Nennwertbetriebspunkt zur Bereitstellung eines Nennwerts des elektrischen Leistungsparameters liegt. Der Nennwertetemperaturverlauf ist vorzugsweise ein räumlicher Temperaturverlauf eines Betriebspunkts, der insbesondere wie im vorherigen Absatz beschrieben ermittelt wird und zur Unterscheidung Nennwertbetriebspunkt genannt wird. Der Nennwerttemperaturverlauf liegt insbesondere ausschließlich unter und/oder auf dem zulässigen Temperaturmaximum. Vorzugsweise wird der Nennwerttemperaturverlauf als Temperaturreferenz zur Bewertung eines jeweiligen räumlichen Temperaturverlaufs von Kandidaten für Betriebspunkte verwendet, welche zu einer Bereitstellung eines niedrigeren Werts des elektrischen Leistungsparameters als der Nennwert vorgesehen sind. Unter em Wesentlichen ausschließlich unterhalb und/oder auf dem Nennwerttemperaturverlauf“ soll insbesondere verstanden werden, dass eine Gesamtheit aller Punkte eines räumlichen Temperaturverlaufs, in welchen dieser räumliche Temperaturverlauf eine höhere Temperatur aufweist als der Nennwerttemperaturverlauf, kleiner ist als 20 %, bevorzugt kleiner als 10 %, besonderes bevorzugt kleiner 5 %, überaus bevorzugt kleiner als 1 % einer maximalen räumlichen Ausdehnung der elektrochemischen Umwandlungseinheit entlang einer Linie oder entlang einer Strömungsrichtung des Brennstoffs oder des sauerstoffhaltigen Fluids, von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass. Vorzugsweise weist der räumliche Temperaturverlauf in jedem Punkt höchstens eine Temperatur auf, die kleiner ist als 110 %, bevorzugt kleiner als 105 %, besonders bevorzugt kleiner als 101 %, überaus bevorzugt kleiner oder gleich 100 % einer Temperatur des Nennwerttemperaturverlaufs in diesem Punkt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Risiko einer Überhitzung der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere der elektrochemischen Umwandlungseinheit, vorteilhaft gering gehalten werden. Insbesondere kann ein Satz von Betriebspunkten definiert werden, die vorteilhaft sicher bei unterschiedlichen Werten des elektrischen Leistungsparameters betrieben werden können. Insbesondere kann eine vorteilhaft schnelle Änderung des elektrische Leistungsparameters durch Verwendung des definierten Satzes von Betriebspunkten zugelassen werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens der räumliche Temperaturverlauf der Brennstoffzellenvorrichtung von einer Sensoreinheit der Brennstoffzellenvorrichtung erfasst wird. Vorzugsweise wird der räumliche Temperaturverlauf eines Kandidaten für den Betriebspunkt mittels der Sensoreinheit erfasst. Die Sensoreinheit umfasst vorzugsweise zumindest ein Sensorelement zur Erfassung einer Temperatur der elektrochemischen Umwandlungseinheit. Vorzugsweise umfasst die Sensoreinheit mehrere Sensorelemente zur Erfassung von Temperaturen an unterschiedlichen Punkten der elektrochemischen Umwandlungseinheit. Das zumindest eine Sensorelement kann in oder an der elektrochemischen Umwandlungseinheit angeordnet sein. Das zumindest eine Sensorelement ist vorzugsweise als Thermoelement ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der Temperaturverlauf vorteilhaft genau erfasst werden und insbesondere dadurch der von dem Temperaturverlauf abhängige Betriebspunkt vorteilhaft genau vorgegeben werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der Betriebspunkt bei vorgegebenem elektrischen Leistungsparameter und bei einer Beschränkung einer Temperatur der Brennstoffzellenvorrichtung bezüglich einer Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung optimiert wird. Die Beschränkung der Temperatur ist vorzugsweise ein Abgleich des räumlichen Temperaturverlaufs eines Kandidaten für den Betriebspunkt mit dem Nennwerttemperaturverlauf. Für gewöhnlich können mehrere Kandidaten für einen Betriebspunkt ausfindig gemacht werden, welche zur Bereitstellung eines vorgegebenen Werts des elektrischen Leistungsparameters geeignet sind und deren räumlicher Temperaturverlauf die Beschränkung der Temperatur erfüllt. Vorzugsweise wird aus allen Kandidaten für den Betriebspunkt bei vorgegebenem Wert des elektrischen Leistungsparameters derjenige ausgewählt und in dem Speicher der Steuer- oder Regelvorrichtung hinterlegt, der unter der Beschränkung der Temperatur die größtmögliche Effizienz, insbesondere bezogen auf ein Verhältnis von durch die Brennstoffzellenvorrichtung bereitgestellter elektrischer Leistung zu einer chemischen Leistung des Brennstoffs, aufweist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird dem Betriebspunkt ein vorteilhaft hoher räumlicher Temperaturverlauf zugeordnet, der insbesondere dem Nennwerttemperaturverlauf vorteilhaft ähnlich ist. Dadurch können Temperaturveränderungen der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere der elektrochemischen Umwandlungseinheit, bei einer Änderung des elektrischen Leistungsparameters vorteilhaft gering gehalten werden. Insbesondere können thermomechanische Spannungen und ein Verschleißrisiko der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere der elektrochemischen Umwandlungseinheit, vorteilhaft gering gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens der elektrische Leistungsparameter um mehr als 15 %/min verändert wird, um zwischen zwei aktiven Betriebszuständen zu wechseln. Prozentangaben des elektrischen Leistungsparameters beziehen sich vorzugsweise auf den Nennwert des elektrischen Leistungsparameters. Die Steuer- oder Regelvorrichtung ändert den elektrischen Leistungsparameter vorzugsweise mit einer maximalen Veränderungsrate von mehr als 15%/min. Insbesondere ändert die Steuer- oder Regelvorrichtung den elektrischen Leistungsparameter mit einer maximalen Veränderungsrate von mehr als 25%/min, vorzugsweise um mehr als 35 %/min, bevorzugt um mehr als 45 %/min, besonders bevorzugt um mehr als 50 %/min. In zumindest einer Ausgestaltung ändert die Steuer- oder Regelvorrichtung den elektrischen Leistungsparameter mit einer maximalen Veränderungsrate von mehr als 100 %/min, insbesondere mehr als 200 %/min, besonders bevorzugt von mehr als 300 %/min. Eine Veränderung des elektrischen Leistungsparameters kann von der Steuer- oder Regelvorrichtung kontinuierlich oder in diskreten Schritten durchgeführt werden. Die Veränderungsrate des elektrischen Leistungsparameters ist vorzugsweise als mittlere Veränderungsraten zu verstehen, welche beispielsweise durch einen Gesamtwert der Veränderung, insbesondere einer Differenz von Zielwert und Startwert, eine Summation bzw. Integration über einen zeitabhängigen Momentanwert oder dergleichen, des elektrischen Leistungsparameters geteilt durch eine Gesamtdauer zur Erreichung der Veränderung gebildet werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der elektrische Leistungsparameter vorteilhaft schnell an eine der Brennstoffzellenvorrichtung entnommene elektrisch Leistung angepasst werden. Ferner können/kann eine Kapazität, ein benötigter Bauraum und/oder Kosten des Energiepuffers vorteilhaft gering gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass bei einem Lastwechsel ein Superkondensator der Brennstoffzellenvorrichtung als elektrischer Energiepuffer verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich wird ein Akkumulator als Energiepuffer verwendet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine vorteilhaft kompakt und kostengünstig herstellbare Brennstoffzellenvorrichtung verwendet werden.
Weiter wird eine Steuer- oder Regelvorrichtung für eine Brennstoffzellenvorrichtung zu einem Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Die Steuer- oder Regelvorrichtung ist zu einem Steuern oder Regeln der Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen. Die Steuer- oder Regelvorrichtung ist vorzugsweise eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einem Speicher sowie mit einem in dem Speicher gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Steuer- oder Regelvorrichtung zur Verfügung gestellt werden, mit welcher ein Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft sicher und vorteilhaft schnell an eine Änderung einer elektrische Leistungsentnahme angepasst werden kann.
Ferner wird eine Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einer elektrochemischen Umwandlungseinheit und mit zumindest einer erfindungsgemäßen Steueroder Regelvorrichtung vorgeschlagen. Die elektrochemische Umwandlungseinheit umfasst vorzugsweise zumindest eine Brennstoffzelle, vorzugsweise einen Stack an, insbesondere baugleichen, Brennstoffzellen oder einen Verbund mehrerer Stacks an, insbesondere baugleichen, Brennstoffzellen. Die zumindest eine Brennstoffzelle ist vorzugsweise als Hochtemperaturbrennstoffzelle, insbesondere eine Festoxidbrennstoffzelle oder eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle, ausgebildet. Alternativ ist die Brennstoffzelle eine Phosphorsäurebrennstoffzelle, eine Direktmethanolbrennstoffzelle oder eine Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Brennstofffördereinheit oder ein Brennstoffabsperrorgan, zu einer Einstellung einer Zustromrate an frischem Brennstoff zu der elektrochemischen Umwandlungseinheit. Die Brennstofffördereinheit oder das Brennstoffabsperrorgan werden vorzugsweise von der Steuer- oder Regelvorrichtung zu einem Einstellen des Betriebsparameters angesteuert. Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst vorzugsweise zumindest eine elektrische Stelleinheit, insbesondere einen Inverter oder einen einstellbaren Widerstand, zur Einstellung des elektrischen Leistungsparameters. Die elektrische Stelleinheit wird vorzugsweise von der Steuer- oder Regelvorrichtung zu einem Einstellen des elektrischen Leistungsparameters angesteuert. Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst vorzugsweise die Sensoreinheit zu einer Erfassung des räumlichen Temperaturverlaufs in der elektrochemischen Umwandlungseinheit. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung den elektrischen Energiepuffer, insbesondere einen Superkondensator und/oder einen Akkumulator, zu einer zeitweisen Entkopplung des elektrischen Leistungsparameters von einer von einer Last angeforderten elektrischen Leistung. Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst optional einen Nachbrenner zur Verwertung von Brennstoffresten in dem brennstoffarmen Abgas, einen Entschwefler und/oder einen Reformer zu einer Aufbereitung des Brennstoffs, zumindest einen Wärmeübertrager zu einer Wärmeübertragung von zumindest einem der Abgase, insbesondere einem Nachbrennerabgas des Nachbrenners, auf das sauerstoffhaltige Fluid und/oder den Brennstoff und/oder eine Rezirkulationsleitung zu einer Rückspeisung des brennstoffarmen Abgases in den Brennstoff. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine vorteilhaft sicher und schnell schaltbare Brennstoffzellenvorrichtung bereit gestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Steuer- oder Regelvorrichtung und/oder die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Steuer- oder Regelvorrichtung und/oder die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Steueroder Regelvorrichtung, Fig. 2 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 3 ein schematisches Diagramm verschiedener Temperaturverläufe der Brennstoffzellenvorrichtung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt eine Brennstoffzellenvorrichtung 12. Die Brennstoffzellenvorrichtung 12 umfasst vorzugsweise zumindest eine elektrochemische Umwandlungseinheit 30. Die elektrochemische Umwandlungseinheit 30 umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, bevorzugt eine Vielzahl an Brennstoffzellen, welche besonders bevorzugt in zumindest einem Stack angeordnet sind. Die elektrochemische Umwandlungseinheit 30 ist hier der Übersicht halber funktional als einzelne Brennstoffzelle dargestellt. Besonders bevorzugt ist die zumindest eine Brennstoffzelle, insbesondere alle Brennstoffzellen der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30, als Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) ausgebildet. Die elektrochemische Umwandlungseinheit 30, insbesondere jede Brennstoffzelle der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30, umfasst zumindest eine Sauerstoffelektrode 32 und zumindest eine Brennstoffelektrode 34. Die Sauerstoffelektrode 32 ist zu einem direkten Kontakt mit einem sauerstoffhaltigen Fluid vorgesehen. Die Sauerstoffelektrode 32 gibt vorzugsweise ein sauerstoffarmes Abgas aus. Die Brennstoffelektrode 34 ist zu einem direkten Kontakt mit einem Brennstoff vorgesehen. Die Brennstoffelektrode 34 gibt vorzugsweise ein brennstoffarmes Abgas aus.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 12 umfasst vorzugsweise eine elektrische Stelleinheit 36, insbesondere einen Inverter, zur Einstellung eines elektrischen Leistungsparameters 14 (vgl. Fig. 2) der Brennstoffzellenvorrichtung 12, insbesondere eines von der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30 bereitgestellten elektrischen Stroms. Die elektrische Stelleinheit 36 ist vorzugsweise elektrisch an der Sauerstoffelektrode 32 und der Brennstoffelektrode 34 angeschlossen. Die Brennstoffzellenvorrichtung 12 umfasst vorzugsweise einen elektrischen Energiepuffer 26. Der elektrische Energiepuffer 26 ist vorzugsweise dazu vorgesehen, den elektrischen Leistungsparameter 14 temporär, insbesondere bis zu einem Betriebspunktwechsel der Brennstoffzellenvorrichtung 12, unabhängig von einer von einer Last 38 aufgenommenen oder angefragten elektrischen Leistung zu halten. Eine Kapazität des elektrischen Energiepuffers 26 wird vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeit ausgelegt, mit welcher der elektrische Leistungsparameter 14 geändert werden kann, ohne eine Beschädigung und/oder vorzeitige Alterung der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30 zu riskieren. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der elektrische Energiepuffer 26 ein Superkondensator. Alternativ ist der elektrische Energiepuffer 26 als Akkumulator ausgebildet.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 12 umfasst vorzugsweise eine Sauerstofffördereinheit 40, insbesondere einen Ventilator, ein Gebläse oder einen Verdichter, zu einer Förderung des sauerstoffhaltigen Fluids zu der Sauerstoffelektrode 32. Das sauerstoffhaltige Fluid ist besonders bevorzugt Umgebungsluft, welche von der Sauerstofffördereinheit 40 angesaugt wird. Alternativ ist das sauerstoffhaltige Fluid ein Industriegas mit einem definierten Sauerstoffanteil. Die Sauerstofffördereinheit 40 ist bezogen auf das sauerstoffhaltige Fluid vorzugsweise stromaufwärts der Sauerstoffelektrode 32 angeordnet.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 12 umfasst vorzugsweise eine Brennstofffördereinheit 42, insbesondere einen Ventilator, ein Gebläse oder einen Verdichter, zu einer Förderung des Brennstoffs zu der Brennstoffelektrode 34. Der Brennstoff ist bevorzugt Wasserstoff und/oder Erdgas. Alternativ umfasst der Brennstoff zumindest einen Kohlenwasserstoff als Reinstoff oder als Gemisch und/oder Ammoniak. Die Brennstofffördereinheit 42 ist bezogen auf den Brennstoff stromaufwärts der Brennstoffelektrode 34 angeordnet. Die elektrochemische Umwandlungseinheit 30 ist zu einem Bereitstellen des elektrischen Leistungsparameters 14 vorzugsweise dazu vorgesehen, den Brennstoff unter Zuführung von Sauerstoff aus dem sauerstoffhaltigen Fluid zu dem brennstoffarmen Abgas umzusetzen.
Optional umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12 einen Entschwefler 44. Der Entschwefler 44 ist vorzugsweise bezogen auf den Brennstoff stromabwärts der Brennstofffördereinheit 42 und stromaufwärts der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30 angeordnet. Optional umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12 einen Reformer 46, zu einem Reformieren des Brennstoffs. Der Reformer 46 ist vorzugsweise bezogen auf den Brennstoff stromabwärts der Brennstofffördereinheit 42, insbesondere stromabwärts des Entschweflers 44, und stromaufwärts der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30 angeordnet
Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12 eine Rezirkulationslei- tung 48 und eine, insbesondere in oder an der Rezirkulationsleitung 48 angeordnete, Rezirkulationsfördereinheit 50, insbesondere einen Ventilator, ein Gebläse oder einen Verdichter, zu einer Rückführung des aus der Brennstoffelektrode 34 austretenden brennstoffarmen Abgases in den Brennstoff stromaufwärts der Brennstoffelektrode 34. Eine Einspeisemündung der Rezirkulationsleitung 48 ist bezogen auf den Brennstoff vorzugsweise stromaufwärts des Reformers 46 und stromabwärts des Entschweflers 44 angeordnet
Die Brennstoffzellenvorrichtung 12 umfasst vorzugsweise einen Nachbrenner 52, zu einem Umsetzen von Brennstoffresten, die in dem brennstoffarmen Abgas enthalten sind. Der Nachbrenner 52 ist vorzugsweise bezogen auf das brennstoffarme Abgas stromabwärts der Brennstoffelektrode 34 und insbesondere stromabwärts einer Abzweigung in die Rezirkulationsleitung 48 angeordnet. Der Nachbrenner 52 ist vorzugsweise bezogen auf das sauerstoffarme Abgas stromabwärts der Sauerstoffelektrode 32 angeordnet. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12 zumindest einen Wärmeübertrager 54, 56 zu einer Übertragung von Wärme von einem aus dem Nachbrenner 52 austretenden Nachbrennerabgas des Nachbrenners 52 auf das sauerstoffhaltige Fluid oder auf den Brennstoff stromaufwärts der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 12 umfasst zumindest eine Steuer- oder Regelvorrichtung 28. Die Steuer- oder Regelvorrichtung 28 ist vorzugsweise zu einem Ansteuern der Sauerstofffördereinheit 40, der Brennstofffördereinheit 42 und/oder der Rezirkulationsfördereinheit 50 vorgesehen, um eine Strömungsrate des sauerstoffhaltigen Fluids, des Brennstoffs bzw. eines rückgespeisten Teils des brennstoffarmen Abgases einzustellen. Die Steuer- oder Regelvorrichtung 28 ist vorzugsweise zu einem Ansteuern der elektrischen Stelleinheit 36 vorgesehen, um den elektrischen Leistungsparameter 14 einzustellen. Die Steuer- oder Regelvorrichtung 28 ist zu einer Durchführung eines Verfahrens 10 vorgesehen, das in der nachfolgenden Figur 2 näher erläutert wird. Die Brennstoffzellenvorrichtung 12 umfasst optional zumindest eine Sensoreinheit 22 zu einer Erfassung eines räumlichen Temperaturverlaufs 16, 18, 20 (vgl. Fig. 3) innerhalb der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30. Die Sensoreinheit 22 umfasst vorzugsweise zumindest ein Sensorelement, bevorzugt mehrere Sensorelemente, das/die in oder an der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30 angeordnet ist/sind. Das zumindest eine Sensorelement ist vorzugsweise als Thermoelement ausgebildet. In einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung der Erfassung des räumlichen Temperaturverlaufs 16, 18, 20, erfasst die Sensoreinheit 22 eine Temperatur der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30 zumindest an einem Fluideinlass 68 und an einem Fluidauslass 70 der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30 und die Steuer- oder Regelvorrichtung 28 oder eine externe Rechenanlage interpoliert den Temperaturverlauf 16, 18, 20 zwischen diesen Punkten, insbesondere linear.
Figur 2 zeigt das Verfahren 10 zum Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 12. Das Verfahren 10 umfasst vorzugsweise eine Nennwertbetriebspunktermittlung 58. In der Nennwertbetriebspunktermittlung 58 wird ein Nennwertbetriebspunkt ermittelt, bei welchem die Brennstoffzellenvorrichtung 12 einen Nennwert des elektrischen Leistungsparameters 14 bereitstellen kann. Vorzugsweise wird ein Nennwerttemperaturverlauf 16 (vgl. Fig. 3) der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30 bei dem Nennwertbetriebspunkt ermittelt. Der Nennwerttemperaturverlauf 16 wird beispielsweise von der Sensoreinheit 22 erfasst, alternativ wird der Nennwerttemperaturverlauf 16 mittels Simulation ermittelt.
Das Verfahren 10 umfasst vorzugsweise eine weitere Betriebspunktermittlung 60. In der weiteren Betriebspunktermittlung 60 wird vorzugsweise zumindest ein Betriebspunkt ermittelt, der geeignet ist einen niedrigeren Wert des elektrischen Leistungsparameters 14 bereitzustellen. Der Betriebspunkt wird in Abhängigkeit von einem räumlichen Temperaturverlauf 18, 20 (vgl. Fig. 3) der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30 bei diesem Betriebspunkt ermittelt. Der räumliche Temperaturverlauf 18, 20 wird beispielsweise von der Sensoreinheit 22 erfasst, alternativ wird der Nennwerttemperaturverlauf 16 mittels Simulation ermittelt. Kandidaten für den Betriebspunkt werden vorzugsweise in Abhängigkeit ihres jeweiligen räumlichen Temperaturverlaufs 18, 20 bewertet. Ein Betriebspunkt wird vorzugsweise positiv bewertet, wenn der räumliche Temperaturverlauf 18, 20 des Betriebspunkts zumindest im Wesentlichen ausschließlich unterhalb und/oder auf dem Nennwerttemperaturverlauf 16 liegt Liegt ein Temperaturverlauf 76 (vgl. Fig. 3) eines Kandidaten für den Betriebspunkt teilweise oder vollständig über dem Nennwerttemperaturverlauf 16 wird der zugehörige Kandidat für den Betriebspunkt vorzugsweise verworfen. Vorzugsweise werden von allen positiv bewerteten Kandidaten diejenigen bevorzugt, welche eine niedrigere maximalen Temperaturwert, insbesondere am Fluidauslass 70, aufweisen. Optional werden Kandidaten deren Temperaturverlauf an dem Fluidauslass 70 eine Temperatur über einem Temperatursollwert aufweisen verworfen. Der Temperatursollwert ist vorzugsweise kleiner als eine zulässige Maximaltemperatur 66 der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30 (vgl. Fig. 3). Vorzugsweise ist der Temperatursollwert abhängig von dem elektrischen Leistungsparameter. Vorzugsweise ist der Temperatursollwert für von dem Nennwertbetriebspunkt unterschiedlichen Betriebspunkten kleiner als für den Nennwertbetriebspunkt. Optional sinkt der Temperatursollwert monoton mit der von dem Betriebspunkt zu erbringenden elektrischen Leistung. Aus allen positiv bewerteten Kandidaten des Betriebspunkts zu einem gegebenen Wert des elektrischen Leistungsparameters 14 wird vorzugsweise derjenige Kandidat gewählt, der die größtmögliche Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung 12 aufweist. Vorzugsweise werden für mehrere Werte des elektrischen Leistungsparameters 14 jeweils zumindest ein Betriebspunkt in Abhängigkeit von ihren räumlichen Temperaturverläufen 18, 20 ermittelt und in einem Speicher der Steuer- oder Regelvorrichtung 28 hinterlegt.
Das Verfahren 10 umfasst vorzugsweise eine Betriebspunktwahl 62. Bei einem Lastwechsel oder bei einem Starten der Brennstoffzellenvorrichtung 12 wählt die Steuer- oder Regelvorrichtung 28 einen einzustellende Betriebspunkt, insbesondere geeignete Temperaturrandbedingungen, aus den in dem Speicher der Steuer- oder Regelvorrichtung 28 hinterlegten Betriebspunkten in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Wert des elektrischen Leistungsparameters 14 der Brennstoffzellenvorrichtung 12 aus.
Das Verfahren 10 umfasst vorzugsweise einem Steuer- oder Regelschritt 64. In dem Steuer- oder Regelschritt 64 passt die Steuer- oder Regelvorrichtung 28 zumindest einen Betriebsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung 12 an um den Betriebspunkt der Brennstoffzellenvorrichtung 12 zu erreichen. Vorzugsweise steuert die Steuer- oder Regelvorrichtung 28 die Sauerstofffördereinheit 40, die Brennstofffördereinheit 42 und/oder die Rezirkulationsfördereinheit 50 an um einen Strömungsparameter als Betriebsparameter anzupassen. Vorzugsweise steuert die Steuer- oder Regelvorrichtung 28 die elektrische Stelleinheit 36 an, um einen Istwert des elektrischen Leistungsparameters 14 an den vorgegebenen Wert des elektrischen Leistungsparameters 14 anzupassen. Der elektrische Leistungsparameter 14 wird von der Steuer- oder Regelvorrichtung 28 um mehr als 15 %/min verändert, um zwischen zwei aktiven Betriebszuständen mit unterschiedlichen Betriebspunkten zu wechseln.
Figur 3 zeigt ein Diagramm, in welchem die Temperatur 24 der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30, insbesondere der Brennstoffelektrode 34, über eine räumliche Ausdehnung 78 der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30, insbesondere der Brennstoffelektrode 34, dargestellt ist. Die in dem Verfahren 10 berücksichtigte räumliche Ausdehnung 78 erstreckt sich vorzugsweise von dem Fluideinlass 68 der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30 bis zu dem Fluidauslass 70 der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30. Die in dem Verfahren 10 berücksichtigte räumliche Ausdehnung 78 schließt vorzugsweise eine räumliche Ausdehnung des Fluideinlasses 68 und/oder des Fluidauslasses 70 mit ein. Zwischen dem Fluideinlass 68 und einer aktiven Zone der Brennstoffelektrode 34 und/oder zwischen der aktiven Zone der Brennstoffelektrode 34 und dem Fluidauslass 70 weist die elektrochemische Umwandlungseinheit 30 optional einen Übergangsbereich 72, 74 ein, beispielsweise zur Verteilung des Brennstoff auf mehrere Brennstoffzellen, zur Vermeidung eines direkten physischen Kontakts der Brennstoffzellen mit einem den Fluideinlass 68 und/oder Fluidauslass 70 umfassenden Gehäuses der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30 oder dergleichen. In dem Diagramm sind beispielhaft der Nennwerttemperaturverlauf 16, der Temperaturverlauf 18 eines Betriebspunkts für eine mittleren Wert des elektrischen Leistungsparameters 14, der Temperaturverlauf 20 eines Betriebspunkts für eine mittleren Wert des elektrischen Leistungsparameters 14 sowie ein Temperaturverlauf 76 eines unzulässigen Betriebspunkts dargestellt. Der Temperaturverlauf 76 des unzulässigen Betriebspunkts wird vorzugsweise nicht als positiv bewertet, da bei einem Wechsel zu dem unzulässigen Betriebspunkt ein Überschwingen der Temperatur auf Werte oberhalb der Maximaltemperatur 66 an und/oder in einem der Übergangsbereiche 74 wahrscheinlich ist. Der Temperaturverlauf 76 des unzulässigen Betriebspunkts wird optional nicht als positiv bewertet, da er insbesondere in einem Bereich um den Fluideinlass 68 oberhalb des Nennwerttemperaturverlaufs 16 liegt Die Temperaturverläufe 16, 18, 20, 76 verlaufen alle vollständig unterhalb und/oder streckenweise auf einer zu- lässigen Maximaltemperatur 66 der elektrochemischen Umwandlungseinheit 30.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Betriebsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung angepasst wird, um einen vorgegebenen Betriebspunkt der Brennstoffzellenvorrichtung zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt der einzustellende Betriebspunkt in Abhängigkeit von einem elektrischen Leistungsparameter (14) der Brennstoffzellenvorrichtung ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt der Betriebspunkt in Abhängigkeit von einem räumlichen Temperaturverlauf (16, 18, 20) der Brennstoffzellenvorrichtung ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der räumliche Temperaturverlauf (18, 20) zumindest im Wesentlichen ausschließlich unterhalb und/oder auf einem Nennwerttemperaturverlauf (16) der Brennstoffzellenvorrichtung bei einem Nennwertbetriebspunkt zur Bereitstellung eines Nennwerts des elektrischen Leistungsparameters (14) liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt der räumliche Temperaturverlauf (16, 18, 20) der Brennstoffzellenvorrichtung von einer Sensoreinheit (22) der Brennstoffzellenvorrichtung erfasst wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebspunkt bei vorgegebenem elektrischen Leistungsparameter (14) und bei einer Beschränkung einer Temperatur (24) der Brennstoffzellenvorrichtung bezüglich einer Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung optimiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt der elektrische Leistungsparameter (14) um mehr als 15 %/min verändert wird, um zwischen zwei aktiven Betriebszuständen zu wechseln.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Lastwechsel ein Superkondensator der Brennstoffzellenvorrichtung als elektrischer Energiepuffer (26) verwendet wird.
8. Steuer- oder Regelvorrichtung für eine Brennstoffzellenvorrichtung zu einem Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
9. Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einer elektrochemischen Um- Wandlungseinheit (30) und mit zumindest einer Steuer- oder Regelvorrichtung nach Anspruch 8.
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