WO2008000218A1 - Bestimmung des lambdawertes von reformat mithilfe einer brennstoffzelle - Google Patents

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lambda
reformate
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Michael Rozumek
Stefan Käding
Manfred Pfalzgraf
Andreas Engl
Beate Bleeker
Michael Süßl
Markus Bedenbecker
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Enerday Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for determining the lambda value of reformate, which is intended to be supplied to a fuel cell stack, wherein the idle voltage is detected and evaluated at least one fuel cell element for determining the lambda value.
  • the invention relates to a method for lambda control of a reformer for converting at least fuel and air to reformate, which is intended to be supplied to a fuel cell stack.
  • the invention also relates to a device for determining the lambda value of reformate, which is intended to be supplied to a fuel cell stack, wherein the device comprises means which are suitable for detecting the lambda value to detect and evaluate the open-circuit voltage at least one fuel cell element.
  • the invention relates to a system comprising a reformer for converting at least fuel and air to reformate and a fuel cell stack fed by the reformer with reformate, the reformer being lambda controlled.
  • the generic methods, devices and systems are used in connection with the conversion of chemical energy into electrical energy.
  • the reformer fuel and air preferably in Form of a fuel / air mixture fed.
  • the reformer then takes place a reaction of the fuel with the atmospheric oxygen, wherein preferably the process of partial oxidation is carried out.
  • the reformate thus produced is then fed to a fuel cell or a fuel cell stack, electrical energy being released by the controlled conversion of hydrogen as a constituent of the reformate and oxygen.
  • the reformer may be designed so that the process of partial oxidation is carried out to produce reformate.
  • diesel when using diesel as a fuel, it is particularly useful to perform pre-reactions before the partial oxidation.
  • "cold flame” can be used to convert long-chain diesel molecules into shorter-chain molecules, which ultimately favors reformer operation.
  • the reaction zone of the reformer is fed with a gas mixture which is converted to H 2 and CO.
  • Another component of the reformate are N 2 from the air and, depending on the air ratio and the temperature, optionally CO 2 , H 2 O and CH 4 .
  • the reforming reaction can be monitored by different sensors, such as temperature sensors and gas sensors.
  • the process of partial oxidation is opposed for autothermal refraction caused by the fact that oxygen is supplied substoichiometrically.
  • the partial oxidation is exothermic, so that problematic heating of the reformer can occur.
  • the partial oxidation tends to increase the formation of soot.
  • the air ratio ⁇ can be selected to be greater and / or part of the oxygen used for the oxidation can be provided by steam. Because the oxidation with water vapor is endothermic, it is possible to adjust the ratio of fuel, oxygen and water vapor so that neither heat is released nor heat is consumed.
  • the autothermal reforming thus achieved eliminates the problems of soot formation and undesirable overheating of the reformer.
  • a common fuel cell system for example, a PEM system ("proton exchange membrane”), which typically at operating temperatures between room temperature and about 100 0 C can be operated. Due to the low operating temperatures, this type of fuel cell is often used for mobile applications, for example in motor vehicles.
  • high-temperature fuel cells are known, so-called SOFC systems ("solid oxide fuel cell”). These systems work, for example, in the temperature range of about 800 0 C, wherein a solid electrolyte (“solid oxide”) in is able to take over the transport of oxygen ions.
  • SOFC systems solid oxide fuel cell
  • solid oxide fuel cell a solid electrolyte in is able to take over the transport of oxygen ions.
  • the advantage of such high-temperature fuel cells over PEM systems is in particular the robustness against mechanical and chemical loads.
  • auxiliary power unit As applications for fuel cells in connection with the generic systems come in addition to stationary applications in particular applications in the automotive sector in question, for example, as an "auxiliary power unit” (APU).
  • APU auxiliary power unit
  • the prior art In order to determine the lambda value of reformate, the prior art often uses a sensor (lambda probe) provided in the output region of the reformer in order to measure the oxygen concentration. This represents an additional material expense, which is associated with high costs. Furthermore, leakage problems and / or temperature problems can occur.
  • an open-circuit voltage of at least one fuel cell element is measured and this measured value is correspondingly evaluated in order to determine a lambda actual value which is used for the control to a lambda setpoint becomes.
  • the open circuit voltage on a fuel cell element is less dependent on the current operating conditions than a voltage during a current drain. For example, an open circuit voltage could be detected by measuring it only in operating phases in which the
  • the invention has the object of developing the generic methods, devices and systems such that the lambda value can be determined in montage- and wholesomestreund- Licher way.
  • the cable management is simplified manufacturing technology, because the terminal fuel cell elements are much easier accessible than a fuel cell element from the middle of the fuel cell stack.
  • the exclusive use of the fuel cell element for measurement purposes ensures continuous and smooth operation of the system. In each operating state of the fuel cell stack or the the voltage of the fuel cell element provided for measurement purposes is determined, this voltage always corresponding to an open circuit voltage of the fuel cell element due to the exclusive use for measurement purposes.
  • the method according to the invention for determining the lambda value that the lambda value be concluded via the Nernst equation. This is possible because the open circuit voltage of the measurement cell fuel cell element follows Nernst's equation.
  • the lambda value is furthermore determined as a function of the temperature of the at least one fuel cell element. Since in the determination of the lambda value, in particular in the determination by means of the Nernst equation, the measured voltage is highly temperature-dependent, a more precise determination can be achieved by including the temperature in the determination of the lambda value.
  • the inventive method for lambda control of a reformer is based on the generic state of the art in that the lambda control is performed on the basis of lambda values, which are determined by the method according to the invention for determining the lambda value. In this case too, the determination of the lambda values can be carried out in a more operationally efficient manner than in the prior art.
  • the device according to the invention for determining the lambda value is based on the state of the art of the prior art. by that the at least one fuel cell element is a terminal fuel cell element of the fuel cell stack, which is provided exclusively for measurement purposes, and the voltage provided for at least one consumer can be tapped off at the remaining fuel cell elements of the fuel cell stack.
  • the advantages achieved in connection with the method described above can be achieved in a metaphorical manner.
  • the means are suitable for closing the lambda value via the Nernst equation.
  • the determination of the lambda value can take place here by direct evaluation of the Nernst equation, by means of suitable characteristics or any other suitable manner which is obvious to the person skilled in the art.
  • a temperature sensor is provided with which the temperature of the at least one fuel cell element can be measured and a corresponding measured value can be fed to the means, so that the lambda value depends on the temperature of the at least one fuel cell - lenelements can be determined. Since in the determination of the lambda value, in particular in the determination by means of the Nernst equation, the measured voltage is strongly temperature-dependent, a more accurate determination of the lambda value can be achieved by providing a temperature sensor for determining the temperature of the fuel cell element provided for measurement purposes.
  • the inventive system is based on the generic state of the art in that it is for carrying out the Lambda control comprises the inventive device for determining the lambda value.
  • Figure 1 is a flow chart illustrating one embodiment of the methods of the invention
  • FIG. 2 shows a block diagram which illustrates an embodiment of the device according to the invention and of the system according to the invention.
  • Figure 3 is a schematic diagram illustrating an embodiment of a fuel cell stack.
  • steps S1 to S2 illustrated in FIG. 1 illustrate an embodiment of the method according to the invention for determining the lambda value
  • steps S1 to S5 show an embodiment of the method according to the invention for lambda control of a reformer.
  • a fuel cell element of a fuel cell stack having a plurality of fuel cell elements is provided exclusively for measurement purposes, ie it does not supply useful consumers but only measuring devices for determining measured values.
  • this fuel cell element is electrically isolated from the remaining fuel cell elements so as to be used as a lambda probe.
  • the remaining fuel Line elements are connected in series to provide a higher voltage that can be applied to one or more loads.
  • embodiments are conceivable in which more than just a fuel cell element exclusively for
  • Measuring purposes are provided, which may be connected in series with each other to provide a higher measurement voltage.
  • step Sl the no-load voltage U 0 of the fuel cell element provided for measurement purposes is detected. This may be done by any means known to those skilled in the art, working analog and / or digital. Since this fuel cell element does not supply any loads, the detected voltage of this fuel cell element corresponds in each operating state of the load or the fuel cell stack to an open circuit voltage of this fuel cell element.
  • step S2 the lambda value ⁇ i St is determined via the Nernst equation as a function of the open-circuit voltage U 0 and the current temperature T of the fuel cell element provided for measurement purposes. This is possible because the open-circuit voltage U 0 of a measurement cell fuel cell element follows the Nernst equation.
  • step S2 the lambda value ⁇ i ⁇ t via the Nernst equation in dependence on the open-circuit voltage U 0 , without taking into account the temperature of the fuel cell element provided for measurement, determined.
  • step S5 at least one actuator is actuated in response to the actuating signal S.
  • One or more actuators may in particular be assigned to the reformer and vary, for example, the air and or fuel supply. If a plurality of actuators are provided, the actuating signal S preferably contains a plurality of information which is suitable for the respective actuation of an actuator.
  • FIG. 2 shows a block diagram which illustrates both an embodiment of the device according to the invention and an embodiment of the system according to the invention.
  • the device 24 according to the invention which can be implemented by hardware and / or software familiar to the person skilled in the art, is provided for determining the lambda value ⁇ i St of format 10.
  • the reformate 10 is generated by a reformer 16 and fed to a fuel cell stack 12.
  • the fuel cell stack 12 comprises a multiplicity of fuel cell elements, of which in the case shown a fuel cell element 14 is provided exclusively for measurement purposes, so that this fuel cell element 14 permanently supplies an idling voltage U 0 during operation of the fuel cell stack 12, even if the consumers 34 request a high performance.
  • the device 24 comprises means 26 which evaluate the open-circuit voltage U 0 of the fuel cell element 14 and the temperature of the fuel cell element 14 currently measured by means of a temperature sensor 40 in order to determine the lambda value ⁇ i St.
  • the temperature sensor 40 is optional, ie the lambda value ⁇ i st can also without Considering the temperature detected by the temperature sensor 40 can be determined.
  • the means 26 determine the lambda value ⁇ is preferably via the Nernst equation.
  • the means 26 provided for determining the lambda value can be realized by analog or digital circuits known to the person skilled in the art, in particular by hardware which cooperates with suitable software.
  • the device 24 according to the invention is part of a system according to the invention generally designated 32, which in addition to the device 24 further comprises a reformer 16 for the conversion of fuel 20 and air 22 to reformate 10 and fed by the reformer 16 with reformate 10 fuel cell stack 12, the same time to the open circuit voltage U 0 of the fuel cell element 14 a
  • the illustrated system further comprises an adder 28 which generates a control difference ⁇ from a lambda desired value ⁇ ao ii and the lambda actual value ⁇ i St.
  • This control difference ⁇ is fed to a controller 30, which is likewise assigned to the system 32 and outputs one or more suitable actuating signals S as a function of the control difference ⁇ .
  • the control signal S is fed to an actuator 18, which is part of the reformer 16.
  • the actuator 18 may affect, for example, the supply of fuel 20 and / or air 22.
  • FIG. 3 shows a schematic representation which illustrates an embodiment of a fuel cell stack.
  • the fuel cell stack 12 comprises a plurality of fuel cell elements 14, 36, which are held by a clamping frame 38.
  • the fuel cell elements 14, 36 convert reformate and oxidant into electrical energy in a generally known manner.
  • the fuel cell formed elements 14, 36 plate-shaped and have two through holes, which complement each other by stacking the fuel cell elements to two channels. About these channels reformate can be supplied and anode exhaust can be discharged.
  • at least one terminal fuel cell element 14 is provided exclusively for measurement purposes and is electrically insulated from the remaining fuel cell elements 36.
  • the terminal fuel cell element 14 is electrically connected to the means 26 for evaluating the open-circuit voltage U 0 and optionally for the evaluation of its temperature T.
  • a terminal fuel cell element 14 may serve the two outermost fuel cell elements of the fuel cell stack 12.
  • a plurality of terminal, ie outer, successive, fuel elements may be provided exclusively for measurement purposes.
  • a load is electrically connected to the remaining fuel cell elements 36, for which purpose these fuel cell elements are connected in series in order to be able to supply a higher voltage.
  • the voltage for the load 34 is tapped at the outermost of the remaining fuel cell elements 36.
  • consumer as used herein includes any combination of one or more consumers connected in series and / or in parallel.
  • the temperature sensor 40 for detecting the temperature of the fuel cell element 14 is arranged in contact with the fuel cell element 14. If the fuel cell element 14 is of identical design to the other fuel cell elements 36, then the temperature sensor can be glued, for example, to the outside of the fuel cell element 14. Alternatively, the temperature sensor 40, for example, in a recess of the fuel cell element 14 or in a recess of the clamping frame 38 ange- orders be. Not shown cables connect the temperature sensor 40 with the means 26th
  • the means 26 can always determine the open circuit voltage U 0 of this fuel cell element 14 at the terminal fuel cell element 14, irrespective of the power consumption of the consumer 34 and in which case - Drive state, the fuel cell stack 12 is located.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Lambdawertes (λist) von Reformat (10), das dazu vorgesehen ist, einem Brennstoffzellenstapel (12) zugeführt zu werden, wobei zur Bestimmung des Lambdawertes (λist) die Leerlaufspannung (Uo) an zumindest einem Brennstoffzellenelement (14) erfasst und ausgewertet wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das zumindest eine Brennstoffzellenelement (14) ein endständiges Brennstoffzellenelement des Brennstoffzellenstapels (12) ist, welches ausschließlich für Messzwecke vorgesehen ist, und die für zumindest einen Verbraucher (34) vorgesehene Spannung an den übrigen Brennstoffzellenelementen (36) des Brennstoffzellenstapels (12) abgreifbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Lambdaregelung eines Reformers, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Lambdawertes sowie ein System (32) umfassend einen Reformer (16) zur Umsetzung von zumindest Brennstoff (20) und Luft (22) zu Reformat (10) und einen von dem Reformer (16) mit Reformat (10) gespeisten Brennstoffzellenstapel (12), wobei der Reformer (16) lambdageregelt ist.

Description

BESTIMMUNG DES LAMBDAWERTES VON REFORMAT MITHILFE EINER BRENNSTOFFZELLE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Lambdawertes von Reformat, das dazu vorgesehen ist, einem Brennstoffzellenstapel zugeführt zu werden, wobei zur Bestimmung des Lambdawertes die LeerlaufSpannung an zumindest einem BrennstoffZeilenelement erfasst und ausgewertet wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Lambda- regelung eines Reformers zur Umsetzung von zumindest Brennstoff und Luft zu Reformat, das dazu vorgesehen ist, einem Brennstoffzellenstapel zugeführt zu werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Lambdawertes von Reformat, das dazu vorgesehen ist, einem Brennstoffzellenstapel zugeführt zu werden, wobei die Vorrichtung Mittel aufweist, die geeignet sind, zur Bestimmung des Lambdawertes die LeerlaufSpannung an zumindest einem Brennstoffzellenelement zu erfassen und auszuwerten.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein System umfassend einen Reformer zur Umsetzung von zumindest Brennstoff und Luft zu Reformat und einen von dem Reformer mit Reformat gespeisten Brennstoffzellenstapel, wobei der Reformer lamb- dageregelt ist.
Die gattungsgemäßen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme werden im Zusammenhang mit der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie eingesetzt. Zu diesem Zweck werden dem Reformer Brennstoff und Luft, vorzugsweise in Form eines Brennstoff/Luft-Gemisches, zugeführt. In dem Reformer erfolgt dann eine Umsetzung des Brennstoffes mit dem Luftsauerstoff, wobei vorzugsweise das Verfahren der partiellen Oxidation durchgeführt wird.
Das so erzeugte Reformat wird dann einer Brennstoffzelle beziehungsweise einem Brennstoffzellenstapel zugeführt, wobei durch die kontrollierte Umsetzung von Wasserstoff, als Bestandteil des Reformats, und Sauerstoff elektrische Ener- gie freigesetzt wird.
Der Reformer kann, wie bereits erwähnt, so ausgelegt sein, dass das Verfahren der partiellen Oxidation durchgeführt wird, um Reformat zu erzeugen. In diesem Fall ist es bei der Verwendung von Diesel als Brennstoff besonders nützlich, vor der partiellen Oxidation Vorreaktionen durchzuführen. Auf diese Weise können mit "kalter Flamme" langket- tige Dieselmoleküle in kürzerkettige Moleküle umgesetzt werden, was letztlich den Reformerbetrieb begünstigt. AIl- gemein wird der Reaktionszone des Reformers ein Gasgemisch zugeführt, welches zu H2 und CO umgesetzt wird. Ein weiterer Bestandteil des Reformats sind N2 aus der Luft sowie, in Abhängigkeit von der Luftzahl und der Temperatur, gegebenenfalls CO2, H2O und CH4. Im Normalbetrieb wird der Brennstoffmassenstrom entsprechend der angeforderten Leistung geregelt, und der Luftmassenstrom wird auf einen Lamb- dawert beziehungsweise eine Luftzahl im Bereich von λ = 0 , 4 geregelt. Die Reformierungsreaktion kann durch unterschiedliche Sensoren, beispielsweise Temperatursensoren und Gas- Sensoren, überwacht werden.
Neben dem Verfahren der partiellen Oxidation ist es ebenfalls möglich, eine autotherme Reformierung durchzuführen. Das Verfahren der partiellen Oxidation wird im Gegensatz zur autothermen Reforraierung dadurch herbeigeführt, dass Sauerstoff unterstöchiometrisch zugeführt wird. Beispielsweise hat das Gemisch eine Luftzahl von λ = 0,4. Die partielle Oxidation ist exotherm, so dass es in problemati- scher Weise zu einer unerwünschten Aufheizung des Reformers kommen kann. Ferner neigt die partielle Oxidation zu einer verstärkten Rußbildung. Zur Vermeidung der Rußbildung kann die Luftzahl λ größer gewählt und/oder ein Teil des für die Oxidation verwendeten Sauerstoffs durch Wasserdampf bereit- gestellt werden. Da die Oxidation mit Wasserdampf endotherm verläuft, ist es möglich, das Verhältnis zwischen Brennstoff, Sauerstoff und Wasserdampf so einzustellen, dass insgesamt weder Wärme freigesetzt noch Wärme verbraucht wird. Die so erreichte autotherme Reformierung beseitigt daher die Probleme der Rußbildung und einer unerwünschten Überhitzung des Reformers .
Ebenfalls ist es möglich, dass im Anschluss an die Oxidation in dem Reformer weitere Schritte der Gasbehandlung er- folgen, wobei insbesondere der partiellen Oxidation eine Methanisierung nachgeschaltet sein kann.
Ein gängiges Brennstoffzellensystem ist beispielsweise ein PEM-System ( "proton exchange membrane"), welches typischer- weise bei Betriebstemperaturen zwischen Raumtemperatur und etwa 100 0C betrieben werden kann. Aufgrund der niedrigen Betriebstemperaturen wird dieser Brennstoffzellentyp häufig für mobile Anwendungen genutzt, beispielsweise in Kraftfahrzeugen.
Weiterhin sind Hochtemperaturbrennstoffzellen bekannt, sogenannte SOFC-Systeme ("solid oxide fuel cell"). Diese Systeme arbeiten beispielsweise im Temperaturbereich von zirka 800 0C, wobei ein Feststoffelektrolyt ("solid oxide") in der Lage ist, den Transport von Sauerstoffionen zu übernehmen. Der Vorteil von derartigen Hochtemperaturbrennstoffzellen gegenüber PEM-Systemen besteht insbesondere in der Robustheit gegenüber mechanischen und chemischen Belastun- gen.
Als Anwendungsgebiet für Brennstoffzellen in Verbindung mit den gattungsgemäßen Systemen kommen neben stationären Anwendungen insbesondere Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich in Frage, beispielsweise als "auxiliary power unit" (APU) .
Zur Bestimmung des Lambdawertes von Reformat wird beim Stand der Technik häufig ein im Ausgangsbereich des Reformers vorgesehener Sensor (Lambdasonde) verwendet, um die Sauerstoffkonzentration zu messen. Dies stellt einen zusätzlichen materiellen Aufwand dar, der mit hohen Kosten verbunden ist. Weiterhin können Dichtigkeitsprobleme und/oder Temperaturprobleme auftreten.
Aus der DE 103 58 933 Al sind die gattungsgemäßen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme bekannt, bei denen eine Leerlaufspannung von zumindest einem Brennstoffzellenele- ment gemessen wird und dieser Messwert entsprechend ausgewertet wird, um einen Lambdaistwert zu ermitteln, der für die Steuerung auf einen Lambdasollwert verwendet wird. Die LeerlaufSpannung an einem Brennstoffzellenelement ist weniger stark von den momentanen Betriebsbedingungen abhängig, als eine Spannung während einer Stromentnahme . Eine Leerlaufspannung könnte beispielsweise erfasst werden, indem diese nur in Betriebsphasen gemessen wird, in denen die
Verbraucher keinen Strom von dem entsprechenden Brennstoff- zellenelement abziehen. Ferner könnte eine LeerlaufSpannung beispielsweise erfasst werden, indem die Verbraucher kurzzeitig von dem entsprechenden Brennstoffzellenelement ge- trennt werden; dies würde jedoch einen reibungslosen Betrieb der Verbraucher stören. Darüber hinaus ist das Abgreifen einer zu messenden Spannung von nur einem oder wenigen BrennstoffZeilenelementen mit erhöhtem Fertigungs- und Verkabelungsaufwand verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme derart weiterzubilden, dass der Lambdawert in montage- und betriebstreund- licher Weise bestimmt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst .
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Lambda- wertes baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik da- durch auf, dass das zumindest eine Brennstoffzellenelement ein endständiges Brennstoffzellenelement des Brennstoffzel- lenstapels ist, welches ausschließlich für Messzwecke vorgesehen ist, und die für zumindest einen Verbraucher vorgesehene Spannung an den übrigen BrennstoffZeilenelementen des Brennstoffzellenstapels abgreifbar ist. Durch Erfassen der LeerlaufSpannung an einem endständigen Brennstoffzellenelement ist die Kabelführung fertigungstechnisch vereinfacht, weil die endständigen BrennstoffZellenelemente deutlich einfacher zugänglich sind als ein Brennstoffzellenele- ment aus der Mitte des Brennstoffzellenstapels . Ferner wird durch das ausschließliche Nutzen des Brennstoffzellenele- ments für Messzwecke, ein kontinuierlicher und reibungsloser Betrieb des Systems gewährleistet. Dabei kann in jedem Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels oder des Ver- brauchers die Spannung des für Messzwecke vorgesehenen BrennstoffZeilenelements bestimmt werden, wobei diese Spannung durch die ausschließliche Nutzung für Messzwecke stets einer LeerlaufSpannung des BrennstoffZellenelements ent- spricht .
Ferner wird für das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Lambdawertes bevorzugt, dass über die Nernstsche Gleichung auf den Lambdawert geschlossen wird. Dies ist möglich, da die LeerlaufSpannung des für Messzwecke vorgesehenen Brennstoffzellenelements der Nernstschen Gleichung folgt.
Darüber hinaus ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vor- teilhaft, dass der Lambdawert des Weiteren in Abhängigkeit von der Temperatur des zumindest einen Brennstoffzellenelements ermittelt wird. Da bei der Bestimmung des Lambdawertes, insbesondere bei der Bestimmung mittels der Nernstschen Gleichung, die gemessene Spannung stark tempe- raturabhängig ist, kann durch Einbeziehen der Temperatur in die Ermittlung des Lambdawertes eine genauere Bestimmung erzielt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lambdaregelung eines Re- formers baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass die Lambdaregelung auf der Grundlage von Lambdawerten durchgeführt wird, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung des Lambdawertes bestimmt werden. Auch in diesem Fall kann die Bestimmung der Lambdawer- te betriebseffizienter als gemäß dem Stand der Technik durchgeführt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Lambdawertes baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik da- durch auf, dass das zumindest eine BrennstoffZeilenelement ein endständiges Brennstoffzellenelement des Brennstoffzel- lenstapels ist, welches ausschließlich für Messzwecke vorgesehen ist, und die für zumindest einen Verbraucher vorge- sehene Spannung an den übrigen BrennstoffZeilenelementen des Brennstoffzellenstapels abgreifbar ist. Hierdurch können die im Zusammenhang mit dem oben beschriebenen Verfahren erzielten Vorteile in übertragener Weise erreicht werden.
Auch im Falle der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird bevorzugt, dass die Mittel geeignet sind, über die Nernstsche Gleichung auf den Lambdawert zu schließen. Die Ermittlung des Lambdawertes kann dabei durch direkte Auswertung der Nernstschen Gleichung, über geeignete Kennfelder oder irgendeine andere geeignete, für den Fachmann naheliegende Weise erfolgen.
Ferner ist es vorteilhaft, die erfindungsgemäße Vorrichtung so auszulegen, dass ein Temperatursensor vorgesehen ist, mit dem die Temperatur des zumindest einen Brennstoffzel- lenelements messbar und ein entsprechender Messwert den Mitteln zuführbar ist, so dass der Lambdawert in Abhängigkeit von der Temperatur des zumindest einen Brennstoffzel- lenelements ermittelbar ist. Da bei der Bestimmung des Lambdawertes, insbesondere bei der Bestimmung mittels der Nernstschen Gleichung, die gemessene Spannung stark temperaturabhängig ist, kann durch Vorsehen eines Temperatursen- sors zur Ermittlung der Temperatur des für Messzwecke vor- gesehenen Brennstoffzellenelements eine genauere Bestimmung des Lambdawertes erzielt werden.
Das erfindungsgemäße System baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass es zur Durchführung der Lambdaregelung die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Lambdawertes umfasst.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfol- gend anhand der zugehörigen Zeichnungen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahren veranschaulicht;
Figur 2 ein Blockschaltbild, das eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungs- gemäßen Systems veranschaulicht; und
Figur 3 eine schematische Darstellung, die eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels veranschaulicht .
Die in Figur 1 dargestellten Schritte Sl bis S2 veranschaulichen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Lambdawertes, während die Schritte Sl bis S5 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver- fahrens zur Lambdaregelung eines Reformers zeigen.
Gemäß dem dargestellten Verfahren wird ein Brennstoffzel- lenelement eines eine Mehrzahl von Brennstoffzellenelemen- ten aufweisenden Brennstoffzellenstapels ausschließlich für Messzwecke vorgesehen, d.h. es versorgt keine Nutzverbraucher sondern nur Messgeräte zur Bestimmung von Messwerten. Zu diesem Zweck ist dieses Brennstoffzellenelement von den übrigen Brennstoffzellenelementen elektrisch isoliert, um so als Lambdasonde verwendet zu werden. Die übrigen Brenn- stoffZeilenelemente sind in Reihe geschaltet, um somit eine höhere Spannung liefern zu können, die an einen oder mehrere Verbraucher angelegt werden kann. Selbstverständlich sind auch Ausführungsformen denkbar sind, bei denen mehr als nur ein Brennstoffzellenelement ausschließlich für
Messzwecke vorgesehen sind, welche untereinander in Reihe geschaltet sein können, um eine höhere Messspannung zu liefern.
Im Schritt Sl wird die LeerlaufSpannung U0 des für Messzwecke vorgesehenen BrennstoffZellenelements erfasst. Dies kann über irgendwelche dem Fachmann geläufige Einrichtungen erfolgen, die analog und/oder digital arbeiten. Da dieses Brennstoffzellenelement keine Verbraucher versorgt, ent- spricht die erfasste Spannung dieses Brennstoffzellenele- ments in jedem Betriebszustand des Verbrauchers oder des Brennstoffzellenstapels einer LeerlaufSpannung dieses Brennstoffzellenelements .
Im Schritt S2 wird über die Nernstsche Gleichung der Lamb- dawert λiSt in Abhängigkeit von der LeerlaufSpannung U0 und der aktuellen Temperatur T des für Messzwecke vorgesehenen Brennstoffzellenelements bestimmt. Dies ist möglich, da die LeerlaufSpannung U0 eines für Messzwecke vorgesehenen Brennstoffzellenelements der Nernstschen Gleichung folgt. Alternativ dazu kann im Schritt S2 der Lambdawert λiΞt über die Nernstsche Gleichung in Abhängigkeit von der Leerlauf- Spannung U0, ohne Berücksichtigung der Temperatur des für Messzwecke vorgesehenen Brennstoffzellenelements, bestimmt werden .
Im Schritt S3 wird die Regeldifferenz Δλ in Abhängigkeit von dem Lambdawert λ±st und einem Lambdasollwert λson ermittelt, über den Zusammenhang Δλ = Δson - Δist. Anschließend wird im Schritt S4 ein Stellsignal S in Abhängigkeit von der Regeldifferenz Δλ erzeugt.
Im Schritt S5 wird zumindest ein Stellglied in Abhängigkeit von dem Stellsignal S betätigt. Ein oder mehrere Stellglieder können dabei insbesondere dem Reformer zugeordnet sein und beispielsweise die Luft- und oder Brennstoffzufuhr variieren. Sofern mehrere Stellglieder vorgesehen sind, ent- hält das Stellsignal S vorzugsweise eine Mehrzahl von Informationen, die zur jeweiligen Ansteuerung eines Stellgliedes geeignet sind.
Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild, das sowohl eine Ausfüh- rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung als auch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems veranschaulicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 24, die durch dem Fachmann geläufige Hard- und/oder Software realisiert werden kann, ist zur Bestimmung des Lambdawertes λiSt von Re- format 10 vorgesehen. Das Reformat 10 wird von einem Reformer 16 erzeugt und einem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt. Der Brennstoffzellenstapel 12 umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzellenelementen, von denen im dargestellten Fall ein Brennstoffzellelement 14 ausschließlich für Mess- zwecke vorgesehen ist, so dass dieses Brennstoffzellelement 14 während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 12 permanent eine LeerlaufSpannung U0 liefert und zwar auch dann, wenn die Verbraucher 34 eine hohe Leistung anfordern. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 24 umfasst Mittel 26, die zur Bestimmung des Lambdawertes λiSt die LeerlaufSpannung U0 des Brennstoffzellenelements 14 und die mittels eines Temperatursensors 40 aktuell gemessene Temperatur des Brennstoff- zellenelements 14 auswerten. Dabei ist der Temperatursensors 40 optional, d.h. der Lambdawert λist kann auch ohne Berücksichtigung der durch den Temperatursensor 40 ermittelten Temperatur bestimmt werden. Die Mittel 26 bestimmen den Lambdawert λist vorzugsweise über die Nernstsche Gleichung. Die zur Bestimmung des Lambdawertes vorgesehenen Mittel 26 können dabei durch dem Fachmann bekannte analoge oder digitale Schaltungen realisiert werden, insbesondere durch Hardware, die mit geeigneter Software zusammenwirkt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 24 ist Bestandteil eines insgesamt mit 32 bezeichneten erfindungsgemäßen Systems, das neben der Vorrichtung 24 weiterhin einen Reformer 16 zur Umsetzung von Brennstoff 20 und Luft 22 zu Reformat 10 und den von dem Reformer 16 mit Reformat 10 gespeisten Brennstoffzellenstapel 12 umfasst, der gleichzeitig zur LeerlaufSpannung U0 des BrennstoffZeilenelements 14 eine
AusgangsSpannung für einen Verbraucher 34 liefert. Das dargestellte System umfasst weiterhin einen Addierer 28, der aus einem Lambdasollwert λaoii und dem Lambdaistwert λiSt eine Regeldifferenz Δλ erzeugt. Diese Regeldifferenz Δλ wird einem ebenfalls dem System 32 zugeordneten Regler 30 zugeführt, der in Abhängigkeit von der Regeldifferenz Δλ ein oder mehrere geeignete Stellsignale S ausgibt. Im dargestellten Fall wird das Stellsignal S einem Stellglied 18 zugeführt, das Bestandteil des Reformers 16 ist. Das Stell- glied 18 kann beispielsweise die Zufuhr von Brennstoff 20 und/oder Luft 22 beeinflussen.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung, die eine Aus- führungsform eines Brennstoffzellenstapels veranschaulicht. Der Brennstoffzellenstapel 12 umfasst mehrere Brennstoffzellenelemente 14, 36, welche von einem Spannrahmen 38 gehalten werden. Die BrennstoffZellenelemente 14, 36 setzen in allgemein bekannter Weise Reformat und Oxidationsmittel in elektrische Energie um. Dazu sind die Brennstoffzellen- elemente 14, 36 plattenförmig ausgebildet und weisen zwei Durchgangslöcher auf, welche sich durch Stapeln der Brennstoffzellenelemente zu zwei Kanälen ergänzen. Über diese Kanäle ist Reformat zuführbar und Anodenabgas abführbar. Unter den BrennstoffZellenelementen ist zumindest ein endständiges Brennstoffzellenelement 14 ausschließlich für Messzwecke vorgesehen und gegen die übrigen Brennstoffzel- lenelementen 36 elektrisch isoliert. Das endständige Brennstoffzellenelement 14 ist mit den Mitteln 26 zur Auswertung der LeerlaufSpannung U0 und optional zur Auswertung seiner Temperatur T elektrisch verbunden. Als endständiges Brennstoffzellenelement 14 können die beiden äußersten Brennstoffzellenelemente des Brennstoffzellenstapels 12 dienen. Ebenso können mehrere endständige, d.h. äußere aufeinander- folgende, Brennstoffelemente ausschließlich für Messzwecke vorgesehen sein. Mit den übrigen BrennstoffZeilenelementen 36 ist ein Verbraucher elektrisch verbunden, dazu sind diese Brennstoffzellenelemente in Reihe geschaltet, um eine höhere Spannung liefern zu können. Dabei wird die Spannung für den Verbraucher 34 an den äußersten der übrigen Brennstoffzellenelemente 36 abgegriffen. Der Begriff Verbraucher, so wie er vorliegend verwendet wird, umfasst dabei jegliche Kombination von einem oder mehreren in Reihe und/oder parallel geschalteten Verbrauchern. Der Tempera- tursensor 40 zum Erfassen der Temperatur des Brennstoffzel- lenelements 14 ist in Kontakt zum Brennstoffzellenelement 14 angeordnet. Wenn das Brennstoffzellenelement 14 baugleich zu den übrigen Brennstoffzellenelementen 36 ausgebildet ist, dann kann der Temperatursensor beispielsweise auf die Außenseite des Brennstoffzellenelements 14 aufgeklebt werden. Alternativ dazu kann der Temperatursensor 40 beispielsweise in einer Aussparung des Brennstoffzellenelements 14 oder in einer Aussparung des Spannrahmens 38 ange- ordnet sein. Nicht dargestellte Kabel verbinden den Temperatursensor 40 mit den Mitteln 26.
Im Betrieb variiert je nach Leistungsbedarf des Verbrau- chers der Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 12. Die Mittel 26 können an dem endständigen Brennstoffzellen- element 14 stets die LeerlaufSpannung U0 dieses Brennstoffzellenelementes 14 ermitteln, unabhängig davon, welchen Leistungsbedarf der Verbraucher 34 hat und in welchem Be- triebszustand sich der Brennstoffzellenstapel 12 befindet.
Die in der bevorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste :
10 Reformat
12 Brennstoffzellenstapel 14 für Messzwecke vorgesehenes Brennstoffzellenelement
16 Reformer
18 Stellglied
20 Brennstoff
22 Luft 24 Vorrichtung zur Bestimmung des Lambdawertes
26 Mittel zur Auswertung der LeerlaufSpannung und der Temperatur
28 Addierer
30 Regler 32 System
34 Verbraucher
36 für Verbraucher vorgesehene BrennstoffZeilenelemente
38 Spannrahmen
40 Temperatursensor

Claims

ANSPRUCHE
1. Verfahren zur Bestimmung des Lambdawertes (λiSt) von Reformat (10) , das dazu vorgesehen ist, einem Brennstoff- zellenstapel (12) zugeführt zu werden, wobei zur Bestimmung des Lambdawertes (λiSt) die LeerlaufSpannung (U0) an zumindest einem Brennstoffzellenelement (14) erfasst und ausge- wertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Brennstoffzellenelement (14) ein endständiges Brennstoffzellenelement des Brennstoffzellenstapels (12) ist, welches ausschließlich für Messzwecke vorgesehen ist, und die für zumindest einen Verbraucher (34) vorgesehene Span- nung an den übrigen BrennstoffZellenelementen (36) des Brennstoffzellenstapels (12) abgreifbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die Nernstsche Gleichung auf den Lambdawert (λiSt) geschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdawert (λiSt) des Weiteren in Abhängigkeit von der Temperatur (T) des zumindest einen Brennstoffzel- lenelements (14) ermittelt wird.
4. Verfahren zur Lambdaregelung eines Reformers (16) zur Umsetzung von zumindest Brennstoff (20) und Luft (22) zu Reformat (10) , das dazu vorgesehen ist, einem Brennstoff- zellenstapel (12) zugeführt zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambdaregelung auf der Grundlage von Lambda- werten (λiSt) durchgeführt wird, die mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche bestimmt werden.
5. Vorrichtung (24) zur Bestimmung des Lambdawertes (λist) von Reformat (10) , das dazu vorgesehen ist, einem Brennstoffzellenstapel (12) zugeführt zu werden, wobei die Vorrichtung (24) Mittel (26) aufweist, die geeignet sind, zur Bestimmung des Lambdawertes (λiSt) die LeerlaufSpannung (U0) an zumindest einem Brennstoffzellenelement (14) zu erfassen und auszuwerten, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Brennstoffzellenelement (14) ein endständiges Brennstoffzellenelement des Brennstoffzellenstapels (12) ist, welches ausschließlich für Messzwecke vorgesehen ist, und die für zumindest einen Verbraucher (34) vorgesehene Spannung an den übrigen BrennstoffZellenelementen (36) des Brennstoffzellenstapels (12) abgreifbar ist.
6. Vorrichtung (24) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (26) geeignet sind, über die Nernstsche Gleichung auf den Lambdawert (λiSt) zu schließen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6 , dadurch gekenn- zeichnet, dass ein Temperatursensor (40) vorgesehen ist, mit dem die Temperatur des zumindest einen Brennstoffzel- lenelements (14) messbar und ein entsprechender Messwert den Mitteln (26) zuführbar ist, so dass der Lambdawert (λiSt) in Abhängigkeit von der Temperatur (T) des zumindest einen BrennstoffZeilenelements (14) ermittelbar ist.
8. System (32) umfassend einen Reformer (16) zur Umsetzung von zumindest Brennstoff (20) und Luft (22) zu Reformat (10) und einen von dem Reformer (16) mit Reformat (10) gespeisten Brennstoffzellenstapel (12) , wobei der Reformer (16) lambdageregelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung der Lambdaregelung eine Vorrichtung (24) nach einem der Ansprüche 5 bis 7 umfasst.
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