WO2023117184A1 - Method for monitoring a fuel cell system - Google Patents

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WO2023117184A1
WO2023117184A1 PCT/EP2022/079596 EP2022079596W WO2023117184A1 WO 2023117184 A1 WO2023117184 A1 WO 2023117184A1 EP 2022079596 W EP2022079596 W EP 2022079596W WO 2023117184 A1 WO2023117184 A1 WO 2023117184A1
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fuel cell
cell system
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oxidant
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PCT/EP2022/079596
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Tobias Alexander Beck
Felix Schaefer
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming

Definitions

  • a method for monitoring a fuel cell system, in particular a solid oxide fuel cell system, has already been proposed, with at least one operating parameter of the fuel cell system being recorded and processed.
  • the invention is based on a method for monitoring a fuel cell system, in particular a solid oxide fuel cell system, with at least operating parameters of the fuel cell system being recorded and processed.
  • the fuel cell system preferably comprises at least one fuel cell unit as a functional unit, which in particular comprises at least one fuel cell, a stack of fuel cells and/or a combination of a plurality of stacks of fuel cells.
  • the fuel cell and/or the fuel cells of the fuel cell unit are/are preferably designed as high-temperature fuel cells.
  • the fuel cell unit is preferably provided to convert a fuel with supply of an oxidant in a conversion process to generate electrical energy.
  • the fuel is preferably in the form of natural gas.
  • the fuel can be used as the main source of energy Hydrocarbon compounds and/or hydrogen as a mixture or as a pure substance and/or ammonia and/or liquid organic hydrogen carriers and/or the like.
  • the oxidant is preferably in the form of ambient air. However, it is also conceivable that the oxidant is in the form of an industrial fluid, preferably with a documented oxygen content.
  • the fuel cell unit preferably comprises at least one fuel electrode, which is preferably provided for direct contact with the fuel during the conversion process.
  • the fuel cell unit preferably comprises at least one oxidant electrode, which is preferably provided for direct contact with the oxidant during the conversion process.
  • the fuel cell unit comprises, for example, at least one molten carbonate fuel cell (MCFC) and/or particularly preferably at least one solid oxide fuel cell (SOFC).
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the fuel cell system preferably comprises at least one further unit which enables and/or supports operation of the fuel cell unit, in particular is intended to handle the fuel and/or the oxidant.
  • “Provided” should preferably be understood to mean specially set up, specially designed and/or specially equipped.
  • the fact that an object is provided for a specific function should preferably be understood to mean that the object fulfills and/or executes this specific function in at least one application and/or operating state.
  • a handling of the fuel and / or the oxidant includes, without being limited to, for example, a supply to the fuel cell unit, a removal of emerging from the fuel cell unit reaction products, temperature control, heat recovery from the reaction products, treatment and / or pre-processing, a Utilization of residual amounts of fuel, which is added to the reaction products, or the like.
  • further functional units include at least one fuel line to the fuel cell unit, at least one oxidant line to the fuel cell unit, at least one discharge line away from the fuel cell unit, at least one fuel feed unit, at least one oxidant feed unit, at least one recirculation feed unit for returning a fuel exiting from the fuel cell unit Fluids, at least one heat exchanger and/or at least one afterburner or the like.
  • the fuel cell system preferably includes at least one computing unit.
  • a "processing unit” is to be understood as a unit with an information input, an information processing and an information output.
  • the arithmetic unit advantageously has at least one processor, a memory, input and output means, further electrical components, an operating program, control routines, control routines and/or calculation routines.
  • the computing unit can preferably be arranged locally together with the units or implemented on an external device, for example a server, which communicates with a local control unit of the fuel cell system.
  • the computing unit preferably determines at least one fuel parameter in at least one method step. In the method step, the computing unit determines and/or characterizes the composition of the fuel as a function of available operating parameters of the fuel cell system.
  • At least one temperature of one of the units of the fuel cell system, the fuel and/or the oxidant, a volume flow of the fuel and/or the oxidant, an electrical current generated by the fuel cell unit or the like is at least recorded by the computing unit of the fuel cell system and preferably regulated.
  • the computing unit preferably queries the available operating parameters from the computing unit of the fuel cell system and/or from sensor elements of the fuel cell system.
  • the computing unit preferably determines the current fuel parameters in real time. “Real time” should be understood to be faster than an average reaction speed of the fuel cell system to a change in one of the operating parameters.
  • the operating parameter of the fuel cell system can, for example, as a volume flow "V Ng ", a volume flow of methane “V NgAsI f CH4 ", a volume flow of the inflowing oxidant "V air in “, an exhaust gas oxidant temperature "t Air tgb In “, a fuel outlet temperature "t An Ou t “, an afterburner exhaust gas temperature “t tgb out”, a fuel conveyor temperature “t Ng Biwr Ou t”, an exhaust gas temperature "t Ofl Fcs Out “, an oxidant extraction temperature Biwr out”, a recirculate temperature "t Ago Achx Out “, an exhaust gas heat exchanger inlet temperature " t Og Airhx In “, an exhaust gas heat exchanger outlet temperature “t Og Atrhx out”, an oxidant heat exchanger inlet temperature “t Air Airhx In ”, an oxidant heat exchanger outlet temperature “t Air Airhx Out ”> a fuel reformer outlet temperature “t Agr Ref
  • the above list is an exemplary list of fuel cell system operating characteristics that may be used to estimate a fuel parameter. Depending on the configuration of the fuel cell system, it is conceivable that further operating parameters of the fuel cell system are recorded and used to estimate a fuel parameter. In particular, it is conceivable that temperatures, pressures, volume flows or electrical outputs of other units of the fuel cell system are used.
  • a “fuel” should be understood to mean a fuel that is supplied to the fuel cell unit to generate electricity.
  • the fuel is preferably in the form of natural gas. In principle, it is also conceivable for the fuel to be in the form of another gas, for example hydrogen, ammonia gas, or another gas that appears sensible to a person skilled in the art.
  • a “fuel parameter” should be understood to mean a parameter that specifies the fuel.
  • the fuel parameter is a characteristic gas mixture parameter of the fuel.
  • a fuel parameter is preferably in the form of a concentration of specific gas components in the fuel.
  • the fuel parameter is preferably in the form of a concentration of an inert gas component of the fuel.
  • the fuel parameter is preferably designed as a CO2 concentration or as an N2 concentration of the fuel.
  • the fuel parameter is in the form of an H2 concentration, CH4 concentration, a C2H6 concentration, a C3H8 concentration, an H2O concentration.
  • the fuel parameter is a concentration of another gas component of a gas present in the fuel.
  • a fuel parameter is designed as a parameter that reflects another property of the fuel.
  • the fuel parameter is designed as an H/C ratio, ie as a ratio of hydrogen to carbon in the fuel.
  • the fuel parameter is designed as a gas coefficient K e _ which indicates a number of electrons potentially available for a reaction in moles per mole of fuel.
  • the fuel parameter is in the form of a heat capacity of the fuel, preferably a specific heat capacity. In principle, it is also conceivable that the fuel parameter is in the form of a density of the natural gas. In principle, it is also conceivable that the fuel parameter is in the form of a calorific value of the fuel, in particular of the natural gas.
  • a fuel parameter is “estimated” should be understood to mean that it is determined as precisely as possible using the available input data, ie the operating parameters of the fuel cell system.
  • a composition of the fuel currently being used can be determined easily during operation of the fuel cell system, without using a corresponding gas sensor. Due to the configuration according to the invention, operation of the fuel cell system can advantageously be monitored with few components. In particular, time-consuming, space-consuming and/or expensive sensor elements, such as in particular gas analysis devices or the like, can be dispensed with.
  • the method can be used on an advantageously large number of, in particular already existing, fuel cell systems, in particular without conversion.
  • the fuel cell system can advantageously be operated efficiently.
  • the computing effort, energy expenditure and/or time expenditure for a simulation and/or calculation of the characteristic system parameter can advantageously be kept small.
  • a “machine learning method” should preferably be understood to mean a computer-implemented, arithmetic method that can be determined, in particular estimated, based on incomplete data that are to be determined, in particular for a current fuel parameter that is to be determined.
  • the machine learning method is preferably designed as a Gaussian process.
  • a machine learning The method should be understood in particular as a computer-implemented method that has a computer architecture that is set up to generate knowledge from experience, in particular to learn from examples and to generalize it.
  • the machine learning method preferably includes at least one self-adaptive algorithm.
  • the machine learning method is designed as a module for multi-layer deep learning (deep learning module), in particular with at least one neural network.
  • deep learning module is to be understood in particular as a multi-layer machine learning module that is set up to independently specify features relevant to learning.
  • the machine learning module is set up to process learning-relevant features specified by a user.
  • the machine learning method is formed by a neural network.
  • a “neural network” is to be understood in particular as a computer architecture that includes artificial neurons networked with one another.
  • the neural network can be designed in particular as a single-layer feedforward network, as a multi-layer feedforward network, as a recurrent network or as another neural network that appears sensible to a person skilled in the art.
  • the machine learning module, in particular the neural network is preferably set up for training in order to process the operating characteristics of the fuel cell system and the fuel parameters.
  • the machine learning module, in particular the neural network is preferably set up to learn a connection with the corresponding fuel parameters of the fuel using the operating parameters .
  • the machine learning module, in particular a neural network, trained using operating parameters of the fuel cell system and the fuel parameters is preferably able to estimate at least one fuel parameter using a plurality of measured operating parameters. As a result, a method for estimating at least one fuel parameter can be designed particularly advantageously.
  • the machine learning method be designed as a Gaussian process.
  • a “Gaussian process” should preferably be understood to mean a computer-implemented, stochastic process. This can the machine learning method for estimating the fuel parameter can be designed in a particularly simple manner.
  • a data record is generated in a learning process step, in which a measured fuel parameter is stored linked to corresponding operating parameters.
  • a “learning process step” should preferably be understood as a process step that takes place before regular operation of the fuel cell device and in which a connection between the operating parameters of the fuel cell system and the fuel parameters is determined by various measurements at different loads, settings and time / age of the fuel cell system and in a data set are saved.
  • the fuel cell system can exhibit a degradation behavior that can preferably be mapped in the modeling.
  • the machine learning method for estimating the fuel parameter can be designed in a particularly simple manner.
  • the fuel parameters are determined from the detected operating parameters of the fuel cell system using the data record generated in the learning method.
  • the machine learning method for estimating the fuel parameter can be designed particularly well.
  • a confidence parameter is determined in the method step, which reflects an accuracy of the estimation of the fuel parameter.
  • a "confidence parameter” should preferably be understood as a parameter that reflects an accuracy of an estimate of the fuel parameter.
  • the confidence parameter is preferably dependent on how accurately a data set of measured operating parameters during operation correlates with the operating parameters measured in the learning method step. If the operating parameters measured in the method step deviate far from the operating parameters stored in a measuring point in the learning method step, the accuracy of the estimated fuel parameter is lower. Deviate from the operating parameters measured in the process step does not deviate or deviates only slightly from the operating parameters stored in a measuring point in the learning method step, the accuracy of the estimated fuel parameter is high. As a result, the accuracy of the estimated fuel parameter can advantageously be determined, and regulation of the fuel cell system can thus advantageously be adapted to possible uncertainties.
  • the operating parameter of the fuel cell system used in the method step is formed in the fuel cell system.
  • An “operating parameter of the fuel cell system in the form of pressure” should preferably be understood to mean a pressure of an operating substance, such as the fuel, the oxidant, the recirculation gas or an exhaust gas, measured on a unit of the fuel cell system.
  • An “operating parameter of the fuel cell system in the form of temperature” should preferably be understood to mean a temperature of an operating substance, such as the fuel, the oxidant, the recirculation gas or an exhaust gas, measured on a unit of the fuel cell system.
  • an “operating parameter of the fuel cell system in the form of a volume flow” should preferably be understood to mean a volume flow of a fuel, such as the fuel, the oxidant, the recirculation gas or an exhaust gas, measured on a unit of the fuel cell system.
  • An “operating parameter of the fuel cell system in the form of electrical power” should preferably be understood to mean a power provided by the fuel cell unit.
  • An “operating parameter of the fuel cell system in the form of a speed” should preferably be understood to mean a speed of a rotating component, for example a turbine, a blower, an ejector or a conveyor in the fuel cell system. As a result, the fuel parameter can be estimated particularly easily using the operating parameters.
  • the fuel parameter determined in the method step is in the form of a concentration of a specific gas fraction in the fuel.
  • a “concentration of a specific gas fraction” should preferably be a CO2 ratio or an N2 ratio in the fuel are understood.
  • the fuel parameter is in the form of an H2 concentration (hydrogen concentration) or a CH4 concentration (methane concentration).
  • the at least one estimated fuel parameter is used to control the fuel cell system.
  • the fuel cell system can be regulated particularly precisely.
  • a fuel cell system with at least one computing unit for carrying out a corresponding method is also proposed.
  • a particularly advantageous fuel cell system in particular a particularly advantageous solid oxide fuel cell system, can be provided.
  • the method according to the invention for a fuel cell system should not be limited to the application and embodiment described above.
  • the method according to the invention and the fuel cell system according to the invention can have a number of individual elements, components and units as well as method steps that differs from a number specified here in order to fulfill a functionality described herein.
  • values lying within the specified limits should also be considered disclosed and can be used as desired.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system according to the invention for a method according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a data set with different measuring points created in a learning method step and a data set with several measuring points created in a validation method step
  • FIG. 3 shows a schematic flow chart of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system 12.
  • the fuel cell system 12 is designed as a solid oxide fuel cell system.
  • the fuel cell system 12 includes at least one fuel cell unit 14, which includes at least one solid oxide fuel cell, SOFC for short.
  • the fuel cell unit 14 is shown here functionally as a single fuel cell.
  • the fuel cell unit 14 comprises at least one fuel electrode 16.
  • the fuel electrode 16 is designed as an anode of the fuel cell unit 14.
  • the fuel cell unit 14 comprises at least one oxidant electrode 18.
  • the oxidant electrode 18 is designed as a cathode of the fuel cell unit 14.
  • the fuel cell unit 14 comprises an electrolyte 20 arranged between the oxidant electrode 18 and the fuel electrode 16.
  • the fuel cell system 12 preferably comprises at least one fuel line 22 from a fuel supply to the fuel cell unit 14.
  • the fuel line 22 is preferably used to transport a fuel to the at least one fuel electrode 16 intended.
  • the fuel cell system 12 preferably includes at least one fuel delivery unit 24, which is arranged in the fuel line 22, for delivering the fuel to the fuel cell unit 14.
  • the fuel delivery unit 24 is designed as a compressor, a fan, a pump or the like.
  • the fuel cell system 12 preferably includes a reformer 26.
  • the reformer 26 is preferably arranged in the fuel line 22 between the fuel cell unit 14 and the fuel delivery unit 24 .
  • the reformer 26 is provided for generating a reformed fuel upstream of the fuel cell unit 14 .
  • the fuel cell system 12 preferably includes at least one oxidant line 28 from an oxidant supply to the fuel cell unit 14.
  • the oxidant line 28 is preferably provided for transporting an oxidant to the at least one oxidant electrode 18 of the fuel cell unit 14.
  • the fuel cell system 12 includes an oxidant delivery unit 30 which is arranged in the oxidant line 28 which is provided for delivering the oxidant to the oxidant electrode 18 .
  • the oxidant delivery unit 30 is designed as a compressor, a fan, a pump or the like.
  • the fuel cell system 12 preferably includes at least one equalizing heat exchanger 32 which thermally couples the fuel line 22 and the oxidant line 28 .
  • the compensation heat exchanger 32 is preferably arranged in the fuel line 22 between the fuel cell unit 14 and the reformer 26 .
  • the compensation heat exchanger 32 is arranged in the oxidant line 28 between the fuel cell unit 14 and the oxidant delivery unit 30 .
  • the fuel cell system 12 includes at least one fuel discharge line 34 which is connected to the fuel cell unit 14 .
  • the fuel discharge line 34 is connected to the fuel electrode 16 and is intended to discharge the fluid emerging from the fuel electrode 16 .
  • the fuel cell system 12 includes at least one oxidant discharge line 36, which is connected to the fuel cell unit 14, in particular to the oxidant electrode 18, and is provided for discharging the fluid emerging from the oxidant electrode 18.
  • the fuel cell system 12 preferably includes an afterburner 38.
  • the fuel discharge line 34 and the oxidant discharge line 36 preferably lead from the fuel cell unit 14 into the afterburner 38.
  • the fuel cell system 12 preferably includes an exhaust gas line 40, which is provided for discharging an exhaust gas from the afterburner 38.
  • the fuel cell system 12 comprises at least one exhaust gas oxidant heat exchanger 42, which is used to thermally couple the exhaust gas line 40 and the oxidant line 28 is provided.
  • the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 is preferably arranged downstream of the afterburner 38 .
  • the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 is arranged in the oxidant line 28 between the compensation heat exchanger 32 and the oxidant delivery unit 30 .
  • the fuel cell system 12 comprises at least one exhaust gas fuel heat exchanger 44 which is provided for a thermal coupling of the exhaust gas line 40 and the fuel line 22 .
  • Exhaust gas fuel heat exchanger 44 is preferably arranged downstream of afterburner 38 and upstream of exhaust gas oxidant heat exchanger 42 .
  • Exhaust gas fuel heat exchanger 44 is arranged in fuel line 22 between reformer 26 and fuel delivery unit 24 .
  • the fuel cell system 12 includes a recirculation line 46.
  • the recirculation line 46 leads from the fuel discharge line 34 to the fuel line 22.
  • a feed point 48 of the recirculation line 46 is preferably arranged in the fuel line 22 between the fuel delivery unit 24 and the reformer 26.
  • An extraction point 50 of the recirculation line 46 is preferably arranged in the fuel discharge line 34 between the fuel cell unit 14 and the afterburner 38 .
  • the fuel cell system 12 includes a recirculation delivery unit 52 which is arranged in the recirculation line 46 which is provided for recirculating a portion of the fluid exiting from the fuel electrode 16 .
  • the recirculation delivery unit 52 is preferably designed as a compressor, a fan, a pump or the like.
  • the fuel cell system 12 includes a calorimetric flow meter 54 which is arranged in the fuel line 22 .
  • the calorimetric flow meter 54 is provided to determine a volume flow of fuel that is pumped into the fuel cell system 12 .
  • the fuel cell system 12 includes a further calorimetric flow meter 56, which is arranged in the recirculation line 46, in particular upstream or downstream of the recirculation delivery unit 52.
  • the fuel cell system 12 includes a further calorimetric flow meter 62, which is arranged in the oxidant line 28.
  • the calorimetric flow meter 62 is intended to determine a volume flow of the oxidant that is conveyed into the fuel cell system 12 via the oxidant line 28 becomes.
  • the fuel cell system 12 comprises at least one recirculation fuel heat exchanger 58 which thermally couples the fuel line 22 and the recirculation line 46 .
  • the recirculation fuel heat exchanger 58 is preferably arranged in the fuel line 22 between the fuel delivery unit 24 and the fuel cell unit 14, here upstream or alternatively downstream of the exhaust gas fuel heat exchanger 44.
  • the recirculation fuel heat exchanger 58 is arranged in the recirculation line 46 upstream of the recirculation delivery unit 52 of the fuel cell system 12.
  • the fuel cell system 12 preferably comprises at least one recirculation oxidant heat exchanger 60 which thermally couples the recirculation line 46 and the oxidant line 28 .
  • the recirculation oxidant heat exchanger 60 is preferably arranged in the recirculation line 46 upstream of the recirculation delivery unit 52 .
  • the recirculation oxidant heat exchanger 60 is arranged in the oxidant line 28 between the fuel cell unit 14 and the oxidant delivery unit 30, here upstream of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 or alternatively downstream of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42.
  • the recirculation line 46 together with the fuel line 22 and the fuel discharge line 34, forms a line loop in which the fuel cell unit 14, the equalizing heat exchanger 32, the recirculation fuel heat exchanger 58, the recirculation oxidant heat exchanger 60, the exhaust gas fuel heat exchanger 44, the recirculation delivery unit 52 and/or the reformer 26 are arranged are.
  • the fuel delivery unit 24, the oxidant delivery unit 30, the afterburner 38 and/or the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 are arranged outside of the line loop.
  • the fuel cell system 12 has additional units, such as additional heat exchangers, conveyor units, or other devices for treating the fuel, the oxidant, the exhaust gas fuel or the exhaust gas oxidant.
  • the other units of the fuel cell system 12 can be integrated in the fuel cell system in a manner known to those skilled in the art in addition to or in part instead of the units described above.
  • the fuel cell system 12 comprises at least one computing unit 64.
  • the computing unit 64 is provided for carrying out a method 10.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a flow chart for the method 10.
  • the method 10 is provided for monitoring the fuel cell system 12.
  • the arithmetic unit 64 is provided to record and process different operating parameters of the fuel cell system 12 .
  • a number of operating parameters of the fuel cell system 12 are recorded and processed.
  • Various operating parameters that are recorded and processed in the method 10 are described below by way of example. In principle, it is also conceivable that not all of the operating parameters described below, or also additional operating parameters, are determined and evaluated in the method 10 according to the invention. In configurations of a fuel cell system 12, which has a different structure than that described above and, for example, has a different number of units, other operating parameters can also be determined and evaluated in the method.
  • a first operating parameter is in the form of a volume flow of the inflowing fuel “V Ng ”.
  • the volume flow “V Ng ” of the fuel in the form of natural gas is determined by the calorimetric flow meter 54 which is arranged in the fuel line 22 .
  • a second operating parameter is designed as a volume flow of the fuel converted into methane "V NgAsI f CHA ".
  • the volume flow of methane " ⁇ NgAsifcHi” is calculated from the measured volume flow "V Ng " of the fuel designed as natural gas.
  • a third operating parameter is in the form of a volume flow of the inflowing oxidant “V air in ”.
  • the volume flow “V air in ” of the oxidant formed as a fish air is determined by the calorimetric flow meter 62 which is arranged in the oxidant line 28 .
  • a fourth operating parameter is an exhaust gas oxidant temperature “t Air tgb In ” of an exhaust gas oxidant at an inlet of the afterburner 38 .
  • the exhaust gas oxidant temperature “t Air tgb In ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed at the inlet of the afterburner 38 in the oxidant discharge line 36 .
  • a sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
  • a fifth operating parameter is in the form of a fuel outlet temperature at an outlet of the fuel electrode 16 of the fuel cell unit 14 .
  • the fuel outlet temperature “t An Out t ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed at the outlet of the fuel electrode 16 in the fuel discharge line 34 .
  • a sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the computing unit 64 .
  • a sixth operating parameter is in the form of an afterburner exhaust gas temperature “t tgb out ” of an exhaust gas flowing out of the afterburner 38 .
  • the afterburner exhaust gas temperature “t tgb Out ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed in the exhaust pipe 40 at the outlet of the afterburner 38 .
  • a sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
  • a seventh operating parameter is in the form of a fuel feeder temperature “tNg Biwr out ” of the fuel at an outlet of fuel feed unit 24 .
  • the fuel feeder temperature “t Ng Biwr Ou t ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed in the fuel line 22 at the outlet of the fuel feed unit 24 .
  • a sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
  • An eighth operating parameter is in the form of an exhaust gas temperature “t Og Fcs out ” of the fuel cell system 12 at an outlet of the exhaust gas 40 flowing out of the afterburner 38 .
  • the exhaust gas temperature “t Og Fcs out ” of the fuel cell system 12 is detected by a temperature sensor (not shown) installed at the outlet of the afterburner 38 downstream of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 in the exhaust gas line 40 .
  • a temperature sensor (not shown) installed at the outlet of the afterburner 38 downstream of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 in the exhaust gas line 40 .
  • the sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
  • a ninth operational parameter is as an oxidant delivery temperature
  • t A tr Biwr out" of the oxidant is formed at an output of the oxidant delivery unit 30 .
  • the oxidant delivery temperature “t Air Biwr Ou t ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed in the oxidant line 28 at the outlet of the oxidant delivery unit 30 .
  • a sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
  • a tenth operating characteristic is designed as a recirculation temperature “t Ago Achx Out ” of a recirculated fuel at a recirculation outlet of the recirculation oxidant heat exchanger 60 in the recirculation line 46 .
  • the recirculate temperature “t Ago Achx out ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed at the recirculate outlet of the recirculation fuel heat exchanger 58 in the recirculation line 46 .
  • a sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
  • An eleventh operating parameter is in the form of an exhaust gas heat exchanger inlet temperature “tog Airhx in ” of an exhaust gas at an exhaust gas inlet of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 in the exhaust pipe 40 .
  • the exhaust gas heat exchanger inlet temperature “t Og A irhx in ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed at the exhaust gas inlet of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 in the exhaust pipe 40 .
  • a sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
  • a twelfth operating parameter is in the form of an exhaust gas heat exchanger outlet temperature “t Og Air x out ” of an exhaust gas at an exhaust gas outlet of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 in the exhaust pipe 40 .
  • the exhaust gas heat exchanger inlet temperature "t Og A irhx in” is introduced via an exhaust gas outlet of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 in the exhaust pipe 40, not shown temperature sensor detected.
  • a sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
  • a thirteenth operating parameter is an oxidant heat exchanger inlet temperature “t Air Airhx In ” of an oxidant at an oxidant inlet of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 in the oxidant line 28 .
  • the oxidant heat exchanger inlet temperature “t Air Airhx In ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed at the oxidant inlet of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 in the oxidant line 28 .
  • a sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
  • a fourteenth operating parameter is in the form of an oxidant heat exchanger outlet temperature “t Air Airhx Out ” of an oxidant at an oxidant outlet of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 in the oxidant line 28 .
  • the oxidant heat exchanger outlet temperature “t Air Airhx Ou t” is detected by a temperature sensor (not shown) installed in the oxidant line 28 at the oxidant outlet of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 .
  • a sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
  • a fifteenth operating parameter is in the form of a fuel reformer outlet temperature “t Agr Ref Out ” of the fuel at an outlet of the reformer 26 .
  • the fuel reformer outlet temperature “t Agr Ref Out ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed in the fuel line 22 at the outlet of the reformer 26 .
  • a sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
  • a sixteenth operating parameter is in the form of an output electrical output power “P stk ” of the fuel cell unit 14 .
  • the electrical output power "P stk " of the fuel cell unit 14 is determined by measuring the output currents and output voltages of the fuel cell unit 14 accordingly. In principle, it is also conceivable that further pressures, temperatures or volume flows are determined and processed in the method as further operating parameters.
  • the computing unit 64 is provided in the method 10 to regulate the fuel cell system 12 .
  • the fuel has a major influence on the operation of the fuel cell system 12 .
  • the fuel is in the form of a gas.
  • the fuel is preferably in the form of natural gas. In principle, it would also be conceivable for the fuel to be formed from another gas that appears sensible to a person skilled in the art.
  • the fuel in the form of natural gas can vary in quality and composition. A composition of the fuel formed as natural gas may fluctuate with time and place. For efficient operation of the fuel cell system 12 and its regulation, it is advantageous to know the composition of the fuel and to regulate the fuel cell system 12 accordingly.
  • the method 10 for monitoring the fuel cell system 12 includes a method step 66 in which at least one current fuel parameter of the fuel is determined.
  • the fuel parameter determined in method step 66 is in the form of a concentration of a specific gas fraction in the fuel.
  • the current fuel parameter is designed as a parameter of the fuel that is present in the combustion engine at the time of determination fabric cell system 12 is implemented.
  • a wide variety of fuel parameters can be determined in method step 66 by means of the method. In the following, the determination of two fuel parameters will be described as an example. A determination of a fuel parameter in the form of a CO2 concentration (carbon dioxide concentration) of the fuel is described as an example. In addition, a fuel parameter in the form of an N2 concentration (nitrogen concentration) is formed as an example.
  • the fuel parameters are configured here, for example, as inert gas components of the fuel designed as natural gas.
  • other fuel parameters such as a concentration of other components of the fuel, in an equivalent method step.
  • H2 concentration hydrogen concentration
  • CH4 concentration methane concentration
  • the current fuel parameters are estimated using several of the operating parameters described above.
  • the operating parameters of fuel cell system 12 are recorded and evaluated.
  • the operating parameters of the fuel cell system 12 used in method step 66 are embodied in the fuel cell system 12 as a pressure, as a volume flow, as a temperature, as an electrical power, as an electrical current, or as a rotational speed.
  • the current fuel parameters, the current N2 concentration in the fuel and the current CO2 concentration in the fuel are estimated from the recorded and evaluated operating parameters.
  • the current fuel parameters ie the current N2 concentration in the fuel and the current CO2 concentration in the fuel, are calculated using the detected operating parameters of the fuel cell system 12 .
  • the computing unit 64 calculates the current fuel parameters in the method step 66 based on the detected operating parameters of the fuel cell system 12 .
  • the calculated fuel parameters are estimates of the actual parameters.
  • all fuel parameters described above are evaluated and calculated to estimate the fuel parameters.
  • the fuel parameters are used to estimate the Volume flow "V Ng ", the volume flow of methane “V NgAs if C H4", the volume flow of the inflowing oxidant "V air in ", the exhaust gas oxidant temperature "t Air tgb In “, the fuel outlet temperature "t An O ut ", the afterburner exhaust gas temperature " t tgb Out is the fuel feeder temperature «t Ng Biwr Ou t ", the exhaust gas temperature "t Og Fcs out “, the oxidant feed temperature »t Air Biwr out “, the recirculation temperature ⁇ o ⁇ out, the exhaust gas heat exchanger inlet temperature "t Og Airhx In the exhaust gas heat exchanger outlet temperature "tog Airhx out
  • the current fuel parameters are estimated by means of a machine learning method using the operating parameters of fuel cell system 12.
  • the machine learning process is computer-implemented and is executed on the computing unit. In principle, it is also conceivable that only one fuel parameter is estimated in method step 66 using the machine learning method.
  • the current fuel parameters are estimated in method step 66 by means of the machine learning method using all of the operating parameters of the fuel cell system 12 described above.
  • the fuel parameters are estimated using the recorded operating parameters using a previously created data set.
  • the previously created dataset contains information about a relationship between the fuel parameters to be estimated and the recorded operating parameters of the fuel cell system.
  • the fuel parameters are estimated in method step 66 by comparison with the data set, in particular by a relationship stored in the data set between the operating parameters of the fuel cell system 12 and the fuel parameters.
  • the machine learning method is designed as a Gaussian process.
  • the machine learning method designed as a Gaussian process is computer-implemented and is executed in method step 66 on computing unit 64 .
  • the machine learning method, which is designed as a Gaussian process is intended to use a stored data set, in which relationships between the operating parameters of the fuel cell system 12 and the fuel parameters are stored, to determine the fuel parameters from recorded operating parameters, in particular to estimate them, and in doing so a probability of accuracy of the determined fuel parameters.
  • a learning method step 68 precedes the estimation of the fuel parameters by means of the operating parameters in the machine learning method designed as a Gaussian process.
  • a data record is generated in which the corresponding operating parameters are measured in different operating states of the fuel cell system 12, with known fuel parameters of the fuel used, and linked to the corresponding fuel parameters in the data record.
  • a composition of the fuel preferably natural gas
  • ie the fuel parameters of the fuel is measured by means of a gas measuring sensor, in particular by means of a gas chromatograph, and recorded and processed by the computing unit 64 .
  • several measuring points are stored for the data set, at which the fuel cell system 12 is operated differently.
  • the learning process step 68 several measuring points with different operating parameters of the fuel cell system 12 and/or different fuel parameters are stored for the data set. For this purpose, different output powers “P stk ” of the fuel cell unit 14, different pressures at different points of the fuel cell system 12, different temperatures and/or different compositions of the fuel, ie different fuel parameters, are used for the different measuring points. A number N of measuring points are recorded to create the data record. A number N of measurement points taken in the learning process step 68 to create the data set is preferably greater than 25.
  • the number N of measuring points that are made in the learning method step 68 to generate the data set is preferably greater than 50, particularly preferably greater than 100 and in a particularly advantageous embodiment of the learning method step 68 greater than 200
  • Learning method step 68 determined data set with a variety of measurement points is stored on the computing unit.
  • the learning process step 68 can be performed on the assembled fuel cell system 12 for which the process step 66 for estimating the fuel parameters is performed.
  • the learning method step 68 is carried out on a fuel cell system of identical construction and the data set is transmitted to the computing unit 64 of the fuel cell system 12 .
  • method step 66 the current fuel parameters are determined from the detected operating parameters of fuel cell system 12 using the data record generated in learning method step 68 .
  • Method step 66 is carried out during control operation of fuel cell system 12 .
  • Method step 66, in which the current fuel parameters are determined can be carried out continuously during the regular operation of the fuel cell system 12. In principle, it is also conceivable that method step 66 for estimating the fuel parameters is carried out repeatedly at defined time intervals.
  • all of the above-mentioned operating parameters of fuel cell system 12, which for reasons of clarity are not all to be listed again here, are recorded and processed with the data record generated in learning method step 68. The recorded operating parameters are compared with the operating parameters stored in the data record and the fuel parameters linked to the operating parameters in the data record are estimated for the fuel currently converted into electricity in the fuel cell system 12 .
  • a confidence parameter is determined.
  • the confidence parameter gives an accuracy of the estimate of the in the method step 66 estimated fuel parameters.
  • the confidence parameter is determined on the basis of a correlation of the operating parameters stored in the measuring points in learning method step 68 with the operating parameters measured during method step 66 . The more closely the operating parameters measured in the method correlate with the operating parameters stored in a measuring point in the data set, the greater the confidence parameter and the more accurate the estimation of the corresponding fuel parameters.
  • FIG. 2 shows schematically a plot 72 of a data set determined in the learning method step with various measuring points 74 for estimating a fuel parameter designed as a CO2 concentration.
  • the respective operating parameters of the fuel cell system 12 are stored for each of the measuring points 74 shown. All of the recorded operating parameters of the fuel cell system 12 are stored for each of the measurement points 74 .
  • the CO2 concentrations of the fuel are plotted on the Y-axis of the plot.
  • the number of measuring points is plotted on the X-axis of the plot 72 .
  • a plot 76 of a data set determined in a validation method step 70 is shown on the right-hand side of FIG.
  • Measuring points 78 determined by the machine learning method in validation method step 70 are plotted on plot 76 with the corresponding determined operating parameters of the fuel cell system. Furthermore, values for the fuel parameters measured by means of a corresponding gas sensor are entered in the plot 76 for the validation method step 70 . It can be seen here that the fuel parameters estimated using the method are close to the fuel parameters actually measured.
  • the validation method step 70 can preferably be used to adapt the data set determined in the learning method step. In this way, an accuracy of the estimates of the fuel parameters can be improved.
  • the estimated fuel parameters are used to control the fuel cell system 12 .
  • the fuel cell system can be controlled more precisely using the estimated current fuel parameters.
  • a Buffers for safety-relevant control variables such as a gas utilization factor FU, are kept as small as possible.
  • a machine learning method designed as a Gaussian process can be used to estimate the two fuel parameters, ie the CO2 concentration and the N2 concentration in the fuel gas.
  • a separate machine learning method designed as a Gaussian process is carried out for each estimate of one of the two operating parameters.
  • a Gaussian process instead of a Gaussian process, another machine learning method can also be used, such as an artificial neural network.
  • an artificial neural network As a result, particularly fast, accurate and low-computing power estimation of the fuel parameters can be achieved, preferably given a large number of input variables, that is to say operating parameters of the fuel cell system 12 used for the estimation.
  • other machine learning methods are also conceivable.
  • a machine learning method with a convolutional approach can also be used.
  • a convolutional Gaussian process as well as a convolutional neural network are conceivable. In such a convolutional machine learning method, the history of measured operating parameters of the fuel cell system and the fuel parameters are included in the estimation of the current fuel parameter. In this way, in particular, the accuracy of the estimation can be improved, and the computing effort of the computing process can be reduced, as a result of which efficiency can be improved.
  • the fuel cell systems 12 and also the method 10 for estimating the fuel parameters can be calibrated against one another.

Abstract

The invention relates to a method for monitoring a fuel cell system (12), in particular a solid oxide fuel cell system, wherein at least operating parameters of the fuel cell system (12) are detected and processed. According to the invention, at least one current fuel parameter is estimated in at least one method step (66) on the basis of operating parameters of the fuel cell system (12).

Description

Beschreibung Description
Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems Method for monitoring a fuel cell system
Stand der Technik State of the art
Es ist bereits ein Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, wobei zumindest eine Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems erfasst und verarbeitet wird, vorgeschlagen worden. A method for monitoring a fuel cell system, in particular a solid oxide fuel cell system, has already been proposed, with at least one operating parameter of the fuel cell system being recorded and processed.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, wobei zumindest Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems erfasst und verarbeitet werden. The invention is based on a method for monitoring a fuel cell system, in particular a solid oxide fuel cell system, with at least operating parameters of the fuel cell system being recorded and processed.
Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt anhand von erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems zumindest ein aktueller Betriebsgasparameter geschätzt wird. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem als Funktionseinheit zumindest eine Brennstoffzelleneinheit, welche insbesondere zumindest eine Brennstoffzelle, einen Stack aus Brennstoffzellen und/oder einen Verbund mehrerer Stacks aus Brennstoffzellen umfasst. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelle und/oder sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit als Hochtemperaturbrennstoffzellen ausgebildet. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit dazu vorgesehen, einen Brennstoff unter Zuführung eines Oxidans in einem Wandlungsprozess zu einer elektrischen Energiegewinnung umzusetzen. Vorzugsweise ist der Brennstoff als Erdgas ausgebildet. Es ist auch denkbar, dass der Brennstoff als Hauptenergieträger andere Kohlenwasserstoffverbindungen und/oder Wasserstoff als Gemisch oder als Reinstoff und/oder Ammoniak und/oder flüssige organische Wasserstoffträger und/oder Ähnliche umfasst. Vorzugsweise ist das Oxidans als Umgebungsluft ausgebildet. Es ist aber auch denkbar, dass das Oxidans als Industriefluid, vorzugsweise mit einem dokumentierten Sauerstoffanteil, ausgebildet ist. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Brennstoffelektrode, welche vorzugsweise während des Wandlungsprozesses zu einem direkten Kontakt mit dem Brennstoff vorgesehen ist. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Oxidanselektrode, welche vorzugsweise während des Wandlungsprozesses zu einem direkten Kontakt mit dem Oxidans vorgesehen ist. Ohne darauf beschränkt zu sein, umfasst die Brennstoffzelleneinheit beispielsweise zumindest eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (MCFC) und/oder besonders bevorzugt zumindest eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC). It is proposed that at least one current operating gas parameter is estimated in at least one method step using detected operating parameters of the fuel cell system. The fuel cell system preferably comprises at least one fuel cell unit as a functional unit, which in particular comprises at least one fuel cell, a stack of fuel cells and/or a combination of a plurality of stacks of fuel cells. The fuel cell and/or the fuel cells of the fuel cell unit are/are preferably designed as high-temperature fuel cells. The fuel cell unit is preferably provided to convert a fuel with supply of an oxidant in a conversion process to generate electrical energy. The fuel is preferably in the form of natural gas. It is also conceivable that the fuel can be used as the main source of energy Hydrocarbon compounds and/or hydrogen as a mixture or as a pure substance and/or ammonia and/or liquid organic hydrogen carriers and/or the like. The oxidant is preferably in the form of ambient air. However, it is also conceivable that the oxidant is in the form of an industrial fluid, preferably with a documented oxygen content. The fuel cell unit preferably comprises at least one fuel electrode, which is preferably provided for direct contact with the fuel during the conversion process. The fuel cell unit preferably comprises at least one oxidant electrode, which is preferably provided for direct contact with the oxidant during the conversion process. Without being limited to this, the fuel cell unit comprises, for example, at least one molten carbonate fuel cell (MCFC) and/or particularly preferably at least one solid oxide fuel cell (SOFC).
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem zumindest eine weitere Einheit, welche einen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit ermöglicht und/oder unterstützt, insbesondere dazu vorgesehen ist, den Brennstoff und/oder das Oxidans zu handhaben. Unter „vorgesehen“ soll vorzugsweise speziell eingerichtet, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll vorzugsweise verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Eine Handhabung des Brennstoffs und/oder des Oxidans umfasst, ohne darauf beschränkt zu sein, beispielsweise eine Zufuhr zu der Brennstoffzelleneinheit, eine Abfuhr von aus der Brennstoffzelleneinheit austretenden Umsetzungsprodukten, eine Temperierung, eine Wärmerückgewinnung aus den Umsetzungsprodukten, eine Aufbereitung und/oder Vorverarbeitung, eine Verwertung von Restmengen an Brennstoff, welcher den Umsetzungsprodukten beigemengt ist, oder dergleichen. Beispiele für weitere Funktionseinheiten umfassen zumindest eine Brennstoffleitung zu der Brennstoffzelleneinheit hin, zumindest eine Oxidansleitung zu der Brennstoffzelleneinheit hin, zumindest eine Abfuhrleitung von der Brennstoffzelleneinheit weg, zumindest eine Brennstofffördereinheit, zumindest eine Oxidans- fördereinheit, zumindest eine Rezirkulationsfördereinheit für eine Rückführung eines aus der Brennstoffzelleneinheit austretenden Fluids, zumindest einen Wärmeübertrager und/oder zumindest einen Nachbrenner oder dergleichen. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem zumindest eine Recheneinheit. Unter einer „Recheneinheit“ soll eine Einheit mit einem Informationseingang, einer Informationsverarbeitung und einer Informationsausgabe verstanden werden. Vorteilhaft weist die Recheneinheit zumindest einen Prozessor, einen Speicher, Ein- und Ausgabemittel, weitere elektrische Bauteile, ein Betriebsprogramm, Regelroutinen, Steuerroutinen und/oder Berechnungsroutinen auf. Vorzugsweise kann die Recheneinheit lokal zusammen mit den Einheiten angeordnet sein oder auf einem externen Gerät, beispielsweise einem Server, implementiert sein, welches mit einer lokalen Steuereinheit des Brennstoffzellensystems kommuniziert. Vorzugsweise ermittelt die Recheneinheit in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest einen Brennstoffparameter. Die Recheneinheit ermittelt und/oder charakterisiert in dem Verfahrensschritt die Zusammensetzung des Brennstoffs in Abhängigkeit von zur Verfügung stehenden Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems. Typischerweise werden zu einer Steuerung des Brennstoffzellensystems zumindest eine Temperatur einer der Einheiten des Brennstoffzellensystems, des Brennstoffs und/oder des Oxidans, ein Volumenstrom des Brennstoffs und/oder des Oxidans, ein von der Brennstoffzelleneinheit erzeugter elektrischer Strom oder dergleichen von der Recheneinheit des Brennstoffzellensystems zumindest erfasst und vorzugsweise geregelt. Vorzugsweise fragt die Recheneinheit in zumindest einem Verfahrensschritt die zur Verfügung stehenden Betriebskenngrößen von der Recheneinheit des Brennstoffzellensystems und/oder von Sensorelementen des Brennstoffzellensystems ab. Vorzugsweise ermittelt die Recheneinheit die aktuellen Brennstoffparameter in Echtzeit. Unter „Echtzeit“ soll schneller als eine mittlere Reaktionsgeschwindigkeit des Brennstoffzellensystems auf eine Änderung einer der Betriebskenngrößen verstanden werden. The fuel cell system preferably comprises at least one further unit which enables and/or supports operation of the fuel cell unit, in particular is intended to handle the fuel and/or the oxidant. “Provided” should preferably be understood to mean specially set up, specially designed and/or specially equipped. The fact that an object is provided for a specific function should preferably be understood to mean that the object fulfills and/or executes this specific function in at least one application and/or operating state. A handling of the fuel and / or the oxidant includes, without being limited to, for example, a supply to the fuel cell unit, a removal of emerging from the fuel cell unit reaction products, temperature control, heat recovery from the reaction products, treatment and / or pre-processing, a Utilization of residual amounts of fuel, which is added to the reaction products, or the like. Examples of further functional units include at least one fuel line to the fuel cell unit, at least one oxidant line to the fuel cell unit, at least one discharge line away from the fuel cell unit, at least one fuel feed unit, at least one oxidant feed unit, at least one recirculation feed unit for returning a fuel exiting from the fuel cell unit Fluids, at least one heat exchanger and/or at least one afterburner or the like. The fuel cell system preferably includes at least one computing unit. A "processing unit" is to be understood as a unit with an information input, an information processing and an information output. The arithmetic unit advantageously has at least one processor, a memory, input and output means, further electrical components, an operating program, control routines, control routines and/or calculation routines. The computing unit can preferably be arranged locally together with the units or implemented on an external device, for example a server, which communicates with a local control unit of the fuel cell system. The computing unit preferably determines at least one fuel parameter in at least one method step. In the method step, the computing unit determines and/or characterizes the composition of the fuel as a function of available operating parameters of the fuel cell system. Typically, to control the fuel cell system, at least one temperature of one of the units of the fuel cell system, the fuel and/or the oxidant, a volume flow of the fuel and/or the oxidant, an electrical current generated by the fuel cell unit or the like is at least recorded by the computing unit of the fuel cell system and preferably regulated. In at least one method step, the computing unit preferably queries the available operating parameters from the computing unit of the fuel cell system and/or from sensor elements of the fuel cell system. The computing unit preferably determines the current fuel parameters in real time. “Real time” should be understood to be faster than an average reaction speed of the fuel cell system to a change in one of the operating parameters.
Die Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems kann beispielsweise als ein Volumenstrom „VNg“, ein Volumenstrom Methan „VNgAsIfCH4“, ein Volumenstrom des einströmenden Oxidans „Vair in“, eine Abgasoxidanstemperatur „tAir tgb In“, eine Brennstoffausgangstemperatur „tAn Out “, eine Nachbrennerabgastemperatur „ttgb out“, eine Brennstoffförderertemperatur „tNg Biwr Out“, eine Abgastemperatur „tOfl Fcs Out “, eine Oxidansfördertemperatur Biwr out“, eine Rezirkulattempe- ratur „tAgo Achx Out “, eine Abgaswärmetauschereingangstemperatur „tOg Airhx In “, eine Abgaswärmetauscherausgangstemperatur „tOg Atrhx out“, eine Oxidanswär- metauschereingangstemperatur „tAir Airhx In“, eine Oxidanswärmetauscheraus- gangstemperatur „tAir Airhx Out “> eine Brennstoffreformerausgangstemperatur „tAgr Ref out “ °der eine elektrische Ausgangsleistung „Pstk“ der Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sein. Die oben genannte Liste ist eine beispielhafte Liste für Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems, die zur Schätzung eines Brennstoff parameters herangeozogen werden können. Je nach Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems ist es denkbar, dass weitere Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems erfasst und zur Schätzung eines Brennstoffparameters herangezogen werden. Insbesondere ist es denkbar, dass Temperaturen, Drücke, Volumenströme oder elektrische Leistungen anderer Einheiten des Brennstoffzellensystems verwendet werden. The operating parameter of the fuel cell system can, for example, as a volume flow "V Ng ", a volume flow of methane "V NgAsI f CH4 ", a volume flow of the inflowing oxidant "V air in ", an exhaust gas oxidant temperature "t Air tgb In ", a fuel outlet temperature "t An Ou t ", an afterburner exhaust gas temperature "t tgb out", a fuel conveyor temperature "t Ng Biwr Ou t", an exhaust gas temperature "t Ofl Fcs Out ", an oxidant extraction temperature Biwr out", a recirculate temperature "t Ago Achx Out ", an exhaust gas heat exchanger inlet temperature " t Og Airhx In “, an exhaust gas heat exchanger outlet temperature “t Og Atrhx out”, an oxidant heat exchanger inlet temperature “t Air Airhx In ”, an oxidant heat exchanger outlet temperature “t Air Airhx Out ”> a fuel reformer outlet temperature “t Agr Ref out” °the electrical output power “P stk “Be formed of the fuel cell unit. The above list is an exemplary list of fuel cell system operating characteristics that may be used to estimate a fuel parameter. Depending on the configuration of the fuel cell system, it is conceivable that further operating parameters of the fuel cell system are recorded and used to estimate a fuel parameter. In particular, it is conceivable that temperatures, pressures, volume flows or electrical outputs of other units of the fuel cell system are used.
Unter einem „Brennstoff“ soll ein Brennstoff verstanden werden, der zu einer Ver- stromung der Brennstoffzelleneinheit zugeführt wird. Der Brennstoff ist vorzugsweise als ein Erdgas ausgebildet. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Brennstoff als ein anderes Gas, beispielsweise als ein Wasserstoff, als ein Ammoniakgas, oder als ein anderes, dem Fachmann als sinnvoll erscheinendes Gas ausgebildet ist. Unter einem „Brennstoffparameter“ soll ein Parameter verstanden werden, der den Brennstoff spezifiziert. Der Brennstoffparameter ist eine charakterisierende Gasgemisch- Kenngröße des Brennstoffs. Ein Brennstoffparameter ist vorzugsweise als eine Konzentration an bestimmten Gasanteilen in dem Brennstoff ausgebildet. Der Brennstoffparameter ist vorzugsweise als eine Konzentration eines inerten Gasbestandteils des Brennstoffs ausgebildet. Der Brennstoffparameter ist vorzugsweise als eine CO2- Konzentration oder als eine N2- Konzentration des Brennstoffs ausgebildet. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Brennstoffparameter als eine H2- Konzentration, CH4- Konzentration, eine C2H6- Konzentration, eine C3H8- Konzentration, eine H2O- Konzentration ausgebildet ist. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Brennstoffparameter als eine Konzentration eines anderen Gasbestandteils eines in dem Brennstoff vorhandenen Gases ist. Alternativ ist es auch denkbar, dass ein Brennstoffparameter als ein Parameter ausgebildet ist, der eine andere Eigenschaft des Brennstoffs wiedergibt. Es ist dabei denkbar, dass der Brennstoffparameter als ein H/C- Verhältnis, also als ein Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff in dem Brennstoff, ausgebildet ist. Es ist ebenso denkbar, dass der Brennstoffparameter als ein Gaskoeffizient Ke_ ausgebildet ist, der eine potentiell für eine Umsetzung zur Verfügung stehende Elektronenanzahl in Mol pro Mol Brennstoff angibt. Grundsätzlich ist es ebenfalls denkbar, dass der Brennstoffparameter als eine Wärmekapazität des Brennstoffs, vorzugsweise eine spezifische Wärmekapazität, ausgebildet ist. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Brennstoffparameter als eine Dichte des Erdgases ausgebildet ist. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Brennstoffparameter als ein Heizwert des Brennstoffs, insbesondere des Erdgases ausgebildet ist. Darunter, dass ein Brennstoffparameter „geschätzt wird“ soll verstanden werden, dass er mittels der vorliegenden Eingangsdaten, also den Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems, auf möglichst genaue Weise ermittelt wird. A “fuel” should be understood to mean a fuel that is supplied to the fuel cell unit to generate electricity. The fuel is preferably in the form of natural gas. In principle, it is also conceivable for the fuel to be in the form of another gas, for example hydrogen, ammonia gas, or another gas that appears sensible to a person skilled in the art. A “fuel parameter” should be understood to mean a parameter that specifies the fuel. The fuel parameter is a characteristic gas mixture parameter of the fuel. A fuel parameter is preferably in the form of a concentration of specific gas components in the fuel. The fuel parameter is preferably in the form of a concentration of an inert gas component of the fuel. The fuel parameter is preferably designed as a CO2 concentration or as an N2 concentration of the fuel. In principle, it is also conceivable that the fuel parameter is in the form of an H2 concentration, CH4 concentration, a C2H6 concentration, a C3H8 concentration, an H2O concentration. In principle, it is also conceivable that the fuel parameter is a concentration of another gas component of a gas present in the fuel. Alternatively, it is also conceivable that a fuel parameter is designed as a parameter that reflects another property of the fuel. It is conceivable that the fuel parameter is designed as an H/C ratio, ie as a ratio of hydrogen to carbon in the fuel. It is also conceivable that the fuel parameter is designed as a gas coefficient K e _ which indicates a number of electrons potentially available for a reaction in moles per mole of fuel. In principle, it is also conceivable that the fuel parameter is in the form of a heat capacity of the fuel, preferably a specific heat capacity. In principle, it is also conceivable that the fuel parameter is in the form of a density of the natural gas. In principle, it is also conceivable that the fuel parameter is in the form of a calorific value of the fuel, in particular of the natural gas. The fact that a fuel parameter is “estimated” should be understood to mean that it is determined as precisely as possible using the available input data, ie the operating parameters of the fuel cell system.
Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren kann während des Betriebs des Brennstoffzellensystems einfach eine Zusammensetzung des aktuell genutzten Brennstoffs ermittelt werden, ohne die Verwendung eines entsprechenden Gassensors. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Betrieb des Brennstoffzellensystems, vorteilhaft bauteilarm überwacht werden. Insbesondere kann auf zeitintensive, platzverbrauchende und/oder kostenintensive Sensorelemente, wie insbesondere Gasanalysegeräte oder dergleichen, verzichtet werden. Insbesondere kann das Verfahren auf einer vorteilhaft großen Anzahl an, insbesondere bereits bestehenden, Brennstoffzellensystemen, insbesondere ohne Umrüstung, angewandt werden. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem vorteilhaft effizient betrieben werden. Insbesondere kann ein Rechenaufwand, Energieaufwand und/oder Zeitaufwand zu einer Simulation und/oder Berechnung des charakteristischen System parameters vorteilhaft klein gehalten werden. Using a method according to the invention, a composition of the fuel currently being used can be determined easily during operation of the fuel cell system, without using a corresponding gas sensor. Due to the configuration according to the invention, operation of the fuel cell system can advantageously be monitored with few components. In particular, time-consuming, space-consuming and/or expensive sensor elements, such as in particular gas analysis devices or the like, can be dispensed with. In particular, the method can be used on an advantageously large number of, in particular already existing, fuel cell systems, in particular without conversion. In particular, the fuel cell system can advantageously be operated efficiently. In particular, the computing effort, energy expenditure and/or time expenditure for a simulation and/or calculation of the characteristic system parameter can advantageously be kept small.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in dem Verfahrensschritt der aktuelle Brennstoffparameter in einem maschinellen Lernverfahren unter Verwendung mehrerer Betriebskenngrößen geschätzt wird. Unter einem „maschinellen Lernverfahren“ soll vorzugsweise ein computerimplementiertes, rechnerisches Verfahren verstanden werden, das anhand von unvollständig vorhandenen Daten zu ermittelnden Größen, insbesondere auf einen zu ermittelnden aktuellen Brennstoffparameter ermittelt, insbesondere geschätzt werden kann. Vorzugsweise ist das maschinelle Lernverfahren als ein Gaußprozess ausgebildet. Ein maschinelles Lern- verfahren soll insbesondere als ein computerimplementiertes Verfahren verstanden werden, das eine Computerarchitektur aufweist, die dazu eingerichtet ist, aus Erfahrung Wissen zu generieren, insbesondere aus Beispielen zu lernen und zu verallgemeinern. Vorzugsweise umfasst das maschinelle Lernverfahren zumindest einen selbstadaptiven Algorithmus. Beispielsweise ist das maschinelle Lernverfahren als ein Modul für mehrschichtiges tiefes Lernen (Deep-Learning-Mo- dul), insbesondere mit zumindest einem neuronalen Netzwerk, ausgebildet. Unter einem „Tieflernmodul“ soll insbesondere ein mehrschichtiges Maschinenlernmodul verstanden werden, das dazu eingerichtet ist, sich selbstständig lernrelevante Merkmale vorzugeben. In einer alternativen Ausbildung ist denkbar, dass das Maschinenlernmodul zu einer Verarbeitung von von einem Benutzer vorgegebenen lernrelevanten Merkmalen eingerichtet ist. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass das maschinelle Lernverfahren von einem neuronalen Netzwerk gebildet ist. Unter einem „neuronalen Netzwerk“ soll insbesondere eine Computerarchitektur verstanden werden, die miteinander vernetzte künstliche Neuronen umfasst. Das neuronale Netzwerk kann insbesondere als ein einschichtiges vorwärtsgerichtetes Netz (feedforward network), als ein mehrschichtiges vorwärtsgerichtetes Netz (feedforward network), als ein rekurrentes Netz oder als ein anderes, einem Fachmann als sinnvoll erscheinendes neuronales Netzwerk ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Maschinenlernmodul, insbesondere das neuronale Netzwerk, zum Training dazu eingerichtet, die Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems und die Brennstoffparameter zu verarbeiten. Vorzugsweise ist das Maschinenlernmodul, insbesondere das neuronale Netzwerk, dazu eingerichtet, anhand der Betriebskenngrößen , einen Zusammenhang mit den entsprechenden Brennstoffparametern des Brennstoffs zu lernen. Vorzugsweise ist das mittels Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems und der Brennstoffparameter trainierte Maschinenlernmodul, insbesondere neuronale Netzwerk, dazu in der Lage, anhand mehrerer gemessener Betriebskenngrößen zumindest einen Brennstoffparameter zu schätzen. Dadurch kann ein Verfahren zur Schätzung zumindest eines Brennstoffparameters besonders vorteilhaft ausgebildet werden. It is also proposed that in the method step the current fuel parameter is estimated in a machine learning method using a number of operating parameters. A “machine learning method” should preferably be understood to mean a computer-implemented, arithmetic method that can be determined, in particular estimated, based on incomplete data that are to be determined, in particular for a current fuel parameter that is to be determined. The machine learning method is preferably designed as a Gaussian process. A machine learning The method should be understood in particular as a computer-implemented method that has a computer architecture that is set up to generate knowledge from experience, in particular to learn from examples and to generalize it. The machine learning method preferably includes at least one self-adaptive algorithm. For example, the machine learning method is designed as a module for multi-layer deep learning (deep learning module), in particular with at least one neural network. A “deep learning module” is to be understood in particular as a multi-layer machine learning module that is set up to independently specify features relevant to learning. In an alternative embodiment, it is conceivable that the machine learning module is set up to process learning-relevant features specified by a user. In principle, it is also conceivable that the machine learning method is formed by a neural network. A “neural network” is to be understood in particular as a computer architecture that includes artificial neurons networked with one another. The neural network can be designed in particular as a single-layer feedforward network, as a multi-layer feedforward network, as a recurrent network or as another neural network that appears sensible to a person skilled in the art. The machine learning module, in particular the neural network, is preferably set up for training in order to process the operating characteristics of the fuel cell system and the fuel parameters. The machine learning module, in particular the neural network, is preferably set up to learn a connection with the corresponding fuel parameters of the fuel using the operating parameters . The machine learning module, in particular a neural network, trained using operating parameters of the fuel cell system and the fuel parameters is preferably able to estimate at least one fuel parameter using a plurality of measured operating parameters. As a result, a method for estimating at least one fuel parameter can be designed particularly advantageously.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das maschinelle Lernverfahren als ein Gaußprozess ausgebildet ist. Unter einem „Gaußprozess“ soll vorzugsweise ein computerimplementierter, stochastischer Prozess verstanden werden. Dadurch kann das maschinelle Lernverfahren zur Schätzung des Brennstoffparameters besonders einfach ausgebildet werden. It is also proposed that the machine learning method be designed as a Gaussian process. A “Gaussian process” should preferably be understood to mean a computer-implemented, stochastic process. This can the machine learning method for estimating the fuel parameter can be designed in a particularly simple manner.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass in einem Lernverfahrensschritt ein Datensatz erzeugt wird, in dem ein gemessener Brennstoffparameter mit entsprechenden Betriebskenngrößen verknüpft abgespeichert wird. Unter einem „Lernverfahrensschritt“ soll vorzugsweise ein Verfahrensschritt verstanden werden, der vor einem Regelbetrieb der Brennstoffzellenvorrichtung stattfindet und in dem ein Zusammenhang zwischen den Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems und den Brennstoffparametern durch verschiedene Messungen bei unterschiedlichen Auslastungen, Einstellungen und Zeitpunkt/Alter des Brennstoffzellensystems ermittelt und in einem Datensatz abgespeichert werden. Das Brennstoffzellensystem kann ein Degradationsverhalten aufweisen, das vorzugsweise in der Modellbildung mit abgebildet werden kann. Dadurch kann das maschinelle Lernverfahren zur Schätzung des Brennstoffparameters besonders einfach ausgebildet werden. It is further proposed that a data record is generated in a learning process step, in which a measured fuel parameter is stored linked to corresponding operating parameters. A "learning process step" should preferably be understood as a process step that takes place before regular operation of the fuel cell device and in which a connection between the operating parameters of the fuel cell system and the fuel parameters is determined by various measurements at different loads, settings and time / age of the fuel cell system and in a data set are saved. The fuel cell system can exhibit a degradation behavior that can preferably be mapped in the modeling. As a result, the machine learning method for estimating the fuel parameter can be designed in a particularly simple manner.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in dem Verfahrensschritt aus den erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems mittels dem im Lernverfahren erzeugten Datensatz der Brennstoffparameter ermittelt wird. Dadurch kann das maschinelle Lernverfahren zur Schätzung des Brennstoffparameters besonders gut ausgebildet werden. Furthermore, it is proposed that in the method step the fuel parameters are determined from the detected operating parameters of the fuel cell system using the data record generated in the learning method. As a result, the machine learning method for estimating the fuel parameter can be designed particularly well.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in dem Verfahrensschritt ein Vertrauensparameter ermittelt wird, der eine Genauigkeit der Schätzung des Brennstoffparameters wiedergibt. Unter einem „Vertrauensparameter“ soll vorzugsweise ein Parameter verstanden werden, der eine Genauigkeit einer Schätzung des Brennstoffparameters wiedergibt. Der Vertrauensparameter ist vorzugsweise davon abhängig, wie genau ein Datensatz gemessener Betriebskenngrößen während des Betriebs mit dem in dem Lernverfahrensschritt gemessenen Betriebskenngrößen korreliert. Weichen die im Verfahrensschritt gemessenen Betriebskenngrößen weit von den im Lernverfahrensschritt in einem Messpunkt hinterlegten Betriebskenngrößen ab, so ist eine Genauigkeit des geschätzten Brennstoffparameters geringer. Weichen die im Verfahrensschritt gemessenen Betriebskenngrößen nicht, oder nur wenig von den im Lernverfahrensschritt in einem Messpunkt hinterlegten Betriebskenngrößen ab, so ist eine Genauigkeit des geschätzten Brennstoffparameters groß. Dadurch kann eine Genauigkeit des geschätzten Brennstoffparameters vorteilhaft bestimmt werden und so eine Regelung des Brennstoffzellensystems vorteilhaft an mögliche Unsicherheiten angepasst werden. Furthermore, it is proposed that a confidence parameter is determined in the method step, which reflects an accuracy of the estimation of the fuel parameter. A "confidence parameter" should preferably be understood as a parameter that reflects an accuracy of an estimate of the fuel parameter. The confidence parameter is preferably dependent on how accurately a data set of measured operating parameters during operation correlates with the operating parameters measured in the learning method step. If the operating parameters measured in the method step deviate far from the operating parameters stored in a measuring point in the learning method step, the accuracy of the estimated fuel parameter is lower. Deviate from the operating parameters measured in the process step does not deviate or deviates only slightly from the operating parameters stored in a measuring point in the learning method step, the accuracy of the estimated fuel parameter is high. As a result, the accuracy of the estimated fuel parameter can advantageously be determined, and regulation of the fuel cell system can thus advantageously be adapted to possible uncertainties.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass die in dem Verfahrensschritt verwendete Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems, als ein Druck, als ein Volumenstrom, eine Temperatur, eine elektrische Leistung, ein elektrischer Strom, oder eine Drehzahl, in dem Brennstoffzellensystem ausgebildet ist. Unter einer „als Druck ausgebildeten Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems“ soll vorzugsweise ein an einer Einheit des Brennstoffzellensystems gemessener Druck eines Betriebsstoffs, wie beispielsweise des Brennstoffs, des Oxidans, des Rezir- kulationsgases, oder eines Abgases verstanden werden. Unter einer „als Temperatur ausgebildeten Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems“ soll vorzugsweise eine an einer Einheit des Brennstoffzellensystems gemessene Temperatur eines Betriebsstoffs, wie beispielsweise des Brennstoffs, des Oxidans, des Rezirkulationsgases, oder eines Abgases verstanden werden. Unter einer „als Volumenstrom ausgebildeten Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems“ soll vorzugsweise ein an einer Einheit des Brennstoffzellensystems gemessener Volumenstrom eines Betriebsstoffs, wie beispielsweise des Brennstoffs, des Oxidans, des Rezirkulationsgases, oder eines Abgases verstanden werden. Unter einer „als elektrische Leistung ausgebildeten Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems“ soll vorzugsweise eine von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellte Leistung verstanden werden. Unter einer „als Drehzahl ausgebildeten Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems“ soll vorzugsweise eine Drehzahl eines rotierenden Bauteils, beispielsweise einer Turbine, eines Gebläses, eines Ejektors oder eines Förderers in dem Brennstoffzellensystem verstanden werden. Dadurch kann eine Schätzung des Brennstoffparameters besonders einfach mittels der Betriebskenngrößen erfolgen. In addition, it is proposed that the operating parameter of the fuel cell system used in the method step, as a pressure, a volume flow, a temperature, an electrical output, an electrical current, or a speed, is formed in the fuel cell system. An “operating parameter of the fuel cell system in the form of pressure” should preferably be understood to mean a pressure of an operating substance, such as the fuel, the oxidant, the recirculation gas or an exhaust gas, measured on a unit of the fuel cell system. An “operating parameter of the fuel cell system in the form of temperature” should preferably be understood to mean a temperature of an operating substance, such as the fuel, the oxidant, the recirculation gas or an exhaust gas, measured on a unit of the fuel cell system. An “operating parameter of the fuel cell system in the form of a volume flow” should preferably be understood to mean a volume flow of a fuel, such as the fuel, the oxidant, the recirculation gas or an exhaust gas, measured on a unit of the fuel cell system. An “operating parameter of the fuel cell system in the form of electrical power” should preferably be understood to mean a power provided by the fuel cell unit. An “operating parameter of the fuel cell system in the form of a speed” should preferably be understood to mean a speed of a rotating component, for example a turbine, a blower, an ejector or a conveyor in the fuel cell system. As a result, the fuel parameter can be estimated particularly easily using the operating parameters.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass der in dem Verfahrensschritt ermittelte Brennstoffparameter als eine Konzentration eines bestimmten Gasanteils in dem Brennstoff ausgebildet ist. Unter einer „Konzentration eines bestimmten Gasanteils“ soll vorzugsweise ein CO2-Verhältniss oder ein N2-Verhältniss in dem Brennstoff verstanden werden. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Brennstoffparameter als eine H2- Konzentration (Wasserstoffkonzentration), oder eine CH4- Konzentration (Methankonzentration) ausgebildet ist. Dadurch kann in dem Verfahrensschritt ein besonders vorteilhafter Brennstoffparameter bestimmt werden, der für eine Regelung des Brennstoffzellensystems von Bedeutung ist. It is further proposed that the fuel parameter determined in the method step is in the form of a concentration of a specific gas fraction in the fuel. A "concentration of a specific gas fraction" should preferably be a CO2 ratio or an N2 ratio in the fuel are understood. In principle, it is also conceivable that the fuel parameter is in the form of an H2 concentration (hydrogen concentration) or a CH4 concentration (methane concentration). As a result, a particularly advantageous fuel parameter, which is important for regulating the fuel cell system, can be determined in the method step.
Zudem wird vorgeschlagen, dass in einem weiteren Verfahrensschritt der zumindest eine geschätzte Brennstoffparameter zur Regelung des Brennstoffzellensystems herangezogen wird. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem besonders genau geregelt werden. In addition, it is proposed that, in a further method step, the at least one estimated fuel parameter is used to control the fuel cell system. As a result, the fuel cell system can be regulated particularly precisely.
Weiter wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Recheneinheit zu einer Durchführung eines entsprechenden Verfahrens vorgeschlagen. Dadurch kann ein besonders vorteilhaftes Brennstoffzellensystem, insbesondere ein besonders vorteilhaftes Festoxidbrennstoffzellensystem bereitgestellt werden. A fuel cell system with at least one computing unit for carrying out a corresponding method is also proposed. As a result, a particularly advantageous fuel cell system, in particular a particularly advantageous solid oxide fuel cell system, can be provided.
Das erfindungsgemäße Verfahren für ein Brennstoffzellensystem soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten. The method according to the invention for a fuel cell system should not be limited to the application and embodiment described above. In particular, the method according to the invention and the fuel cell system according to the invention can have a number of individual elements, components and units as well as method steps that differs from a number specified here in order to fulfill a functionality described herein. In addition, in the value ranges specified in this disclosure, values lying within the specified limits should also be considered disclosed and can be used as desired.
Zeichnung drawing
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen: Further advantages result from the following description of the drawing. In the drawing an embodiment of the invention is shown. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into further meaningful combinations. Show it:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem für ein erfindungsgemäßes Verfahren, 1 shows a fuel cell system according to the invention for a method according to the invention,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines in einem Lernverfahrensschritt erstellten Datensatzes mit verschiedenen Messpunkten und einen in einem Validierungsverfahrensschritt erstellten Datensatz mit mehreren Messpunkten und 2 shows a schematic representation of a data set with different measuring points created in a learning method step and a data set with several measuring points created in a validation method step
Fig. 3 ein schematisches Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 shows a schematic flow chart of the method according to the invention.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels Description of the embodiment
Die Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 12. Das Brennstoffzellensystem 12 ist als ein Festoxidbrennstoffzellensystem ausgebildet. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 14, welche zumindest eine Festoxidbrennstoffzelle, kurz SOFC, umfasst. Der Übersichtlichkeit halber ist die Brennstoffzelleneinheit 14 hier funktional als einzelne Brennstoffzelle dargestellt. Die Brennstoffzelleneinheit 14 umfasst zumindest eine Brennstoffelektrode 16. Die Brennstoffelektrode 16 ist als eine Anode der Brennstoffzelleneinheit 14 ausgebildet. Die Brennstoffzelleneinheit 14 umfasst zumindest eine Oxi- danselektrode 18. Die Oxidanselektrode 18 ist als eine Kathode der Brennstoffzelleneinheit 14 ausgebildet. Die Brennstoffzelleneinheit 14 umfasst ein zwischen der Oxidanselektrode 18 und der Brennstoffelektrode 16 angeordneten Elektrolyt 20. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst vorzugsweise zumindest eine Brennstoffleitung 22 von einer Brennstoffversorgung zu der Brennstoffzelleneinheit 14. Bevorzugt ist die Brennstoffleitung 22 zu einem Transport eines Brennstoffs zu der zumindest einen Brennstoffelektrode 16 vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst vorzugsweise zumindest eine Brennstofffördereinheit 24, welche in der Brennstoffleitung 22 angeordnet ist, zu einer Förderung des Brennstoffs zu der Brennstoffzelleneinheit 14. Beispielsweise ist die Brennstofffördereinheit 24 als Kompressor, als Ventilator, als Pumpe oder dergleichen ausgebildet. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 12 einen Reformer 26. Bevorzugt ist der Reformer 26 in der Brennstoffleitung 22 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Brennstofffördereinheit 24 angeordnet. Der Reformer 26 ist zu einer Erzeugung eines reformierten Brennstoffs stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 14 vorgesehen. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 12 zumindest eine Oxidansleitung 28 von einer Oxidansversorgung zu der Brennstoffzelleneinheit 14. Die Oxidansleitung 28 ist vorzugsweise zu einem Transport eines Oxidans zu der zumindest einen Oxidanselektrode 18 der Brennstoffzelleneinheit 14 vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst eine Oxidansfördereinheit 30, welche in der Oxidansleitung 28 angeordnet ist, die zu einer Förderung des Oxidans zu der Oxidanselektrode 18 vorgesehen ist. Beispielsweise ist die Oxidansfördereinheit 30 als Kompressor, als Ventilator, als Pumpe oder dergleichen ausgebildet. Bevorzugt umfasst das Brennstoffzellensystem 12 zumindest einen Ausgleichswärmeübertrager 32, welcher die Brennstoffleitung 22 und die Oxidansleitung 28 thermisch koppelt. Vorzugsweise ist der Ausgleichswärmeübertrager 32 in der Brennstoffleitung 22 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und dem Reformer 26 angeordnet. Der Ausgleichswärmeübertrager 32 ist in der Oxidansleitung 28 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Oxidansfördereinheit 30 angeordnet. FIG. 1 shows a fuel cell system 12. The fuel cell system 12 is designed as a solid oxide fuel cell system. The fuel cell system 12 includes at least one fuel cell unit 14, which includes at least one solid oxide fuel cell, SOFC for short. For the sake of clarity, the fuel cell unit 14 is shown here functionally as a single fuel cell. The fuel cell unit 14 comprises at least one fuel electrode 16. The fuel electrode 16 is designed as an anode of the fuel cell unit 14. The fuel cell unit 14 comprises at least one oxidant electrode 18. The oxidant electrode 18 is designed as a cathode of the fuel cell unit 14. The fuel cell unit 14 comprises an electrolyte 20 arranged between the oxidant electrode 18 and the fuel electrode 16. The fuel cell system 12 preferably comprises at least one fuel line 22 from a fuel supply to the fuel cell unit 14. The fuel line 22 is preferably used to transport a fuel to the at least one fuel electrode 16 intended. The fuel cell system 12 preferably includes at least one fuel delivery unit 24, which is arranged in the fuel line 22, for delivering the fuel to the fuel cell unit 14. For example, the fuel delivery unit 24 is designed as a compressor, a fan, a pump or the like. The fuel cell system 12 preferably includes a reformer 26. The reformer 26 is preferably arranged in the fuel line 22 between the fuel cell unit 14 and the fuel delivery unit 24 . The reformer 26 is provided for generating a reformed fuel upstream of the fuel cell unit 14 . The fuel cell system 12 preferably includes at least one oxidant line 28 from an oxidant supply to the fuel cell unit 14. The oxidant line 28 is preferably provided for transporting an oxidant to the at least one oxidant electrode 18 of the fuel cell unit 14. The fuel cell system 12 includes an oxidant delivery unit 30 which is arranged in the oxidant line 28 which is provided for delivering the oxidant to the oxidant electrode 18 . For example, the oxidant delivery unit 30 is designed as a compressor, a fan, a pump or the like. The fuel cell system 12 preferably includes at least one equalizing heat exchanger 32 which thermally couples the fuel line 22 and the oxidant line 28 . The compensation heat exchanger 32 is preferably arranged in the fuel line 22 between the fuel cell unit 14 and the reformer 26 . The compensation heat exchanger 32 is arranged in the oxidant line 28 between the fuel cell unit 14 and the oxidant delivery unit 30 .
Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Brennstoffabfuhrleitung 34, welche an der Brennstoffzelleneinheit 14 angebunden ist. Die Brennstoffabfuhrleitung 34 ist an der Brennstoffelektrode 16 angeschlossen und dazu vorgesehen, das aus der Brennstoffelektrode 16 austretende Fluid abzuführen. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Oxidansabfuhrleitung 36, welche an der Brennstoffzelleneinheit 14, insbesondere an der Oxidanselektrode 18, angeschlossen ist und dazu vorgesehen ist, das aus der Oxidanselektrode 18 austretende Fluid abzuführen. Bevorzugt umfasst das Brennstoffzellensystem 12 einen Nachbrenner 38. Vorzugsweise führen die Brennstoffabfuhrleitung 34 und die Oxidansabfuhrleitung 36 von der Brennstoffzelleneinheit 14 in den Nachbrenner 38. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 12 eine Abgasleitung 40, die zu einer Abfuhr eines Abgases aus dem Nachbrenner 38 vorgesehen ist. The fuel cell system 12 includes at least one fuel discharge line 34 which is connected to the fuel cell unit 14 . The fuel discharge line 34 is connected to the fuel electrode 16 and is intended to discharge the fluid emerging from the fuel electrode 16 . The fuel cell system 12 includes at least one oxidant discharge line 36, which is connected to the fuel cell unit 14, in particular to the oxidant electrode 18, and is provided for discharging the fluid emerging from the oxidant electrode 18. The fuel cell system 12 preferably includes an afterburner 38. The fuel discharge line 34 and the oxidant discharge line 36 preferably lead from the fuel cell unit 14 into the afterburner 38. The fuel cell system 12 preferably includes an exhaust gas line 40, which is provided for discharging an exhaust gas from the afterburner 38.
Zudem umfasst das Brennstoffzellensystem 12 zumindest einen Abgasoxidans- wärmeübertrager 42, der zu einer thermischen Kopplung der Abgasleitung 40 und der Oxidansleitung 28 vorgesehen ist. Bevorzugt ist der Abgasoxidanswär- meübertrager 42 stromabwärts des Nachbrenners 38 angeordnet. Der Abgasoxi- danswärmeübertrager 42 ist in der Oxidansleitung 28 zwischen dem Ausgleichswärmeübertrager 32 und der Oxidansfördereinheit 30 angeordnet. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 12 zumindest einen Abgasbrennstoffwärmeübertrager 44, der zu einer thermischen Kopplung der Abgasleitung 40 und der Brennstoffleitung 22 vorgesehen ist. Bevorzugt ist der Abgasbrennstoffwärmeübertrager 44 stromabwärts des Nachbrenners 38 angeordnet und stromaufwärts des Abgasoxidanswärmeübertragers 42. Der Abgasbrennstoffwärmeübertrager 44 ist in der Brennstoffleitung 22 zwischen dem Reformer 26 und der Brennstofffördereinheit 24 angeordnet. In addition, the fuel cell system 12 comprises at least one exhaust gas oxidant heat exchanger 42, which is used to thermally couple the exhaust gas line 40 and the oxidant line 28 is provided. The exhaust gas oxidant heat exchanger 42 is preferably arranged downstream of the afterburner 38 . The exhaust gas oxidant heat exchanger 42 is arranged in the oxidant line 28 between the compensation heat exchanger 32 and the oxidant delivery unit 30 . Furthermore, the fuel cell system 12 comprises at least one exhaust gas fuel heat exchanger 44 which is provided for a thermal coupling of the exhaust gas line 40 and the fuel line 22 . Exhaust gas fuel heat exchanger 44 is preferably arranged downstream of afterburner 38 and upstream of exhaust gas oxidant heat exchanger 42 . Exhaust gas fuel heat exchanger 44 is arranged in fuel line 22 between reformer 26 and fuel delivery unit 24 .
Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 12 eine Rezirkulationsleitung 46. Die Rezirkulationsleitung 46 führt von der Brennstoffabfuhrleitung 34 zu der Brennstoffleitung 22. Vorzugsweise ist eine Einspeisestelle 48 der Rezirkulationsleitung 46 in die Brennstoffleitung 22 zwischen der Brennstofffördereinheit 24 und dem Reformer 26 angeordnet. Vorzugsweise ist eine Entnahmestelle 50 der Rezirkulationsleitung 46 in der Brennstoffabfuhrleitung 34 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und dem Nachbrenner 38 angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst eine Rezirkulationsfördereinheit 52, welche in der Rezirkulationsleitung 46 angeordnet ist, die zu einer Rezirkulation eines Anteils des aus der Brennstoffelektrode 16 austretenden Fluids vorgesehen ist. Vorzugsweise ist die Rezirkulationsfördereinheit 52 als Kompressor, als Ventilator, als Pumpe oder dergleichen ausgebildet. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst einen kalorimetrischen Durchflussmesser 54, welcher in der Brennstoffleitung 22 angeordnet ist. Der kalorimetrische Durchflussmesser 54 ist dazu vorgesehen, einen Volumenstrom an Brennstoff zu ermitteln, der in das Brennstoffzellensystem 12 gefördert wird. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst einen weiteren kalorimetrischen Durchflussmesser 56, welcher in der Rezirkulationsleitung 46 angeordnet ist, insbesondere stromaufwärts oder stromabwärts der Rezirkulationsfördereinheit 52. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst einen weiteren kalorimetrischen Durchflussmesser 62, welcher in der Oxidansleitung 28 angeordnet ist. Der kalorimetrische Durchflussmesser 62 ist dazu vorgesehen, einen Volumenstrom des Oxidans zu ermitteln, das über die Oxidansleitung 28 in das Brennstoffzellensystem 12 gefördert wird. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest einen Rezirkulations- brennstoffwärmeübertrager 58, welcher die Brennstoffleitung 22 und die Rezirku- lationsleitung 46 thermisch koppelt. Vorzugsweise ist der Rezirkulationsbrenn- stoffwärmeübertrager 58 in der Brennstoffleitung 22 zwischen der Brennstofffördereinheit 24 und der Brennstoffzelleneinheit 14 angeordnet, hier stromaufwärts oder alternativ stromabwärts des Abgasbrennstoffwärmeübertragers 44. Der Re- zirkulationsbrennstoffwärmeübertrager 58 ist in der Rezirkulationsleitung 46 stromaufwärts der Rezirkulationsfördereinheit 52 des Brennstoffzellensystems 12 angeordnet. Bevorzugt umfasst das Brennstoffzellensystem 12 zumindest einen Rezirkulationsoxidanswärmeübertrager 60, welcher die Rezirkulationsleitung 46 und die Oxidansleitung 28 thermisch koppelt. Vorzugsweise ist der Rezirkulati- onsoxidanswärmeübertrager 60 in der Rezirkulationsleitung 46 stromaufwärts der Rezirkulationsfördereinheit 52 angeordnet. Der Rezirkulationsoxidanswärmeüber- trager 60 ist in der Oxidansleitung 28 zwischen der Brennstoffzelleneinheit 14 und der Oxidansfördereinheit 30 angeordnet, hier stromaufwärts des Abgasoxi- danswärmeübertragers 42 oder alternativ stromabwärts des Abgasoxidanswär- meübertragers 42. Furthermore, the fuel cell system 12 includes a recirculation line 46. The recirculation line 46 leads from the fuel discharge line 34 to the fuel line 22. A feed point 48 of the recirculation line 46 is preferably arranged in the fuel line 22 between the fuel delivery unit 24 and the reformer 26. An extraction point 50 of the recirculation line 46 is preferably arranged in the fuel discharge line 34 between the fuel cell unit 14 and the afterburner 38 . The fuel cell system 12 includes a recirculation delivery unit 52 which is arranged in the recirculation line 46 which is provided for recirculating a portion of the fluid exiting from the fuel electrode 16 . The recirculation delivery unit 52 is preferably designed as a compressor, a fan, a pump or the like. The fuel cell system 12 includes a calorimetric flow meter 54 which is arranged in the fuel line 22 . The calorimetric flow meter 54 is provided to determine a volume flow of fuel that is pumped into the fuel cell system 12 . The fuel cell system 12 includes a further calorimetric flow meter 56, which is arranged in the recirculation line 46, in particular upstream or downstream of the recirculation delivery unit 52. The fuel cell system 12 includes a further calorimetric flow meter 62, which is arranged in the oxidant line 28. The calorimetric flow meter 62 is intended to determine a volume flow of the oxidant that is conveyed into the fuel cell system 12 via the oxidant line 28 becomes. The fuel cell system 12 comprises at least one recirculation fuel heat exchanger 58 which thermally couples the fuel line 22 and the recirculation line 46 . The recirculation fuel heat exchanger 58 is preferably arranged in the fuel line 22 between the fuel delivery unit 24 and the fuel cell unit 14, here upstream or alternatively downstream of the exhaust gas fuel heat exchanger 44. The recirculation fuel heat exchanger 58 is arranged in the recirculation line 46 upstream of the recirculation delivery unit 52 of the fuel cell system 12. The fuel cell system 12 preferably comprises at least one recirculation oxidant heat exchanger 60 which thermally couples the recirculation line 46 and the oxidant line 28 . The recirculation oxidant heat exchanger 60 is preferably arranged in the recirculation line 46 upstream of the recirculation delivery unit 52 . The recirculation oxidant heat exchanger 60 is arranged in the oxidant line 28 between the fuel cell unit 14 and the oxidant delivery unit 30, here upstream of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 or alternatively downstream of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42.
Die Rezirkulationsleitung 46 bildet zusammen mit der Brennstoffleitung 22 und der Brennstoffabfuhrleitung 34 eine Leitungsschleife, in welcher die Brennstoffzelleneinheit 14, der Ausgleichswärmeübertrager 32, der Rezirkulationsbrenn- stoffwärmeübertrager 58, der Rezirkulationsoxidanswärmeübertrager 60, der Abgasbrennstoffwärmeübertrager 44, die Rezirkulationsfördereinheit 52 und/oder der Reformer 26 angeordnet sind. Die Brennstofffördereinheit 24, die Oxidansfördereinheit 30, der Nachbrenner 38 und/oder der Abgasoxidanswärmeübertrager 42 sind außerhalb der Leitungsschlaufe angeordnet. The recirculation line 46, together with the fuel line 22 and the fuel discharge line 34, forms a line loop in which the fuel cell unit 14, the equalizing heat exchanger 32, the recirculation fuel heat exchanger 58, the recirculation oxidant heat exchanger 60, the exhaust gas fuel heat exchanger 44, the recirculation delivery unit 52 and/or the reformer 26 are arranged are. The fuel delivery unit 24, the oxidant delivery unit 30, the afterburner 38 and/or the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 are arranged outside of the line loop.
Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass das Brennstoffzellensystem 12 weitere Einheiten aufweist, wie beispielsweise weitere Wärmetauscher, Fördereinheiten, oder andere Vorrichtungen zur Behandlung des Brennstoffs, des Oxidans, des Abgasbrennstoffs oder des Abgasoxidans. Die weiteren Einheiten des Brennstoffzellensystems 12 können dabei zusätzlich oder teilweise auch anstelle der oben beschriebenen Einheiten in dem Brennstoffzellensystem auf eine dem Fachmann bekannte Weise integriert sein. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zumindest eine Recheneinheit 64. Die Recheneinheit 64 ist zu einer Durchführung eines Verfahrens 10 vorgesehen. Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für das Verfahren 10. Das Verfahren 10 ist zur Überwachung des Brennstoffzellensystems 12 vorgesehen. Die Recheneinheit 64 ist dazu vorgesehen, unterschiedliche Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 zu erfassen und zu verarbeiten. In dem Verfahren zur Überwachung des Brennstoffzellensystems 12 werden mehrere Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 erfasst und verarbeitet. Beispielhaft werden im Folgenden verschiedene Betriebskenngrößen beschrieben, die in dem Verfahren 10 erfasst und verarbeitet werden. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass nicht alle der im Folgenden beschriebenen Betriebskenngrößen, oder auch zusätzliche Betriebskenngrößen in dem erfindungsgemäßen Verfahren 10 ermittelt und ausgewertet werden. In Ausgestaltungen eines Brennstoffzellensystems 12, welches einen anderen Aufbau als den oben beschriebenen aufweist und beispielsweise eine andere Anzahl an Einheiten aufweist, können in dem Verfahren auch andere Betriebskenngrößen ermittelt und ausgewertet werden. In principle, it is also conceivable that the fuel cell system 12 has additional units, such as additional heat exchangers, conveyor units, or other devices for treating the fuel, the oxidant, the exhaust gas fuel or the exhaust gas oxidant. The other units of the fuel cell system 12 can be integrated in the fuel cell system in a manner known to those skilled in the art in addition to or in part instead of the units described above. The fuel cell system 12 comprises at least one computing unit 64. The computing unit 64 is provided for carrying out a method 10. FIG. 3 shows a schematic representation of a flow chart for the method 10. The method 10 is provided for monitoring the fuel cell system 12. The arithmetic unit 64 is provided to record and process different operating parameters of the fuel cell system 12 . In the method for monitoring the fuel cell system 12, a number of operating parameters of the fuel cell system 12 are recorded and processed. Various operating parameters that are recorded and processed in the method 10 are described below by way of example. In principle, it is also conceivable that not all of the operating parameters described below, or also additional operating parameters, are determined and evaluated in the method 10 according to the invention. In configurations of a fuel cell system 12, which has a different structure than that described above and, for example, has a different number of units, other operating parameters can also be determined and evaluated in the method.
Eine erste Betriebskenngröße ist als ein Volumenstrom des einströmenden Brennstoffs „VNg“ ausgebildet. Der Volumenstrom „VNg“ des als Erdgas ausgebildeten Brennstoffs wird von dem kalorimetrischen Durchflussmesser 54, welcher in der Brennstoffleitung 22 angeordnet ist, ermittelt. A first operating parameter is in the form of a volume flow of the inflowing fuel “V Ng ”. The volume flow “V Ng ” of the fuel in the form of natural gas is determined by the calorimetric flow meter 54 which is arranged in the fuel line 22 .
Eine zweite Betriebskenngröße ist als ein Volumenstrom des Brennstoffs umgerechnet in Methan „VNgAsIfCHA“ ausgebildet. Der Volumenstrom Methan «^NgAsifcHi“ ist rechnerisch aus dem gemessenen Volumenstrom „VNg“ des als Erdgas ausgebildeten Brennstoffs errechnet. A second operating parameter is designed as a volume flow of the fuel converted into methane "V NgAsI f CHA ". The volume flow of methane "^NgAsifcHi" is calculated from the measured volume flow "V Ng " of the fuel designed as natural gas.
Eine dritte Betriebskenngröße ist als ein Volumenstrom des einströmenden Oxidans „Vair in“ ausgebildet. Der Volumenstrom „Vair in“ des als eine Fischluft ausgebildeten Oxidans wird von dem kalorimetrischen Durchflussmesser 62, welcher in der Oxidansleitung 28 angeordnet ist, ermittelt. A third operating parameter is in the form of a volume flow of the inflowing oxidant “V air in ”. The volume flow “V air in ” of the oxidant formed as a fish air is determined by the calorimetric flow meter 62 which is arranged in the oxidant line 28 .
Eine vierte Betriebskenngröße ist als eine Abgasoxidanstemperatur „tAir tgb In“ eines aus Abgasoxidans, an einem Eingang des Nachbrenners 38, ausgebildet. Die Abgasoxidanstemperatur „tAir tgb In“ wird über einen an dem Eingang des Nachbrenners 38 in der Oxidansabfuhrleitung 36 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet. A fourth operating parameter is an exhaust gas oxidant temperature “t Air tgb In ” of an exhaust gas oxidant at an inlet of the afterburner 38 . The exhaust gas oxidant temperature “t Air tgb In ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed at the inlet of the afterburner 38 in the oxidant discharge line 36 . A sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
Eine fünfte Betriebskenngröße ist als eine Brennstoffausgangstemperatur an einem Ausgang der Brennstoffelektrode 16 des Brennstoffzelleneinheit 14 ausgebildet. Die Brennstoffausgangstemperatur „tAn Out “ wird über einen an dem Ausgang der Brennstoffelektrode 16 in der Brennstoffabfuhrleitung 34 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64erfasst und verarbeitet. A fifth operating parameter is in the form of a fuel outlet temperature at an outlet of the fuel electrode 16 of the fuel cell unit 14 . The fuel outlet temperature “t An Out t ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed at the outlet of the fuel electrode 16 in the fuel discharge line 34 . A sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the computing unit 64 .
Eine sechste Betriebskenngröße ist als eine Nachbrennerabgastemperatur „ttgb out “ eines aus dem Nachbrenner 38 ausströmenden Abgases ausgebildet. Die Nachbrennerabgastemperatur „ttgb Out “ wird über einen an dem Ausgang des Nachbrenners 38 in der Abgasleitung 40 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet. A sixth operating parameter is in the form of an afterburner exhaust gas temperature “t tgb out ” of an exhaust gas flowing out of the afterburner 38 . The afterburner exhaust gas temperature “t tgb Out ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed in the exhaust pipe 40 at the outlet of the afterburner 38 . A sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
Eine siebte Betriebskenngröße ist als eine Brennstoffförderertemperatur »tNg Biwr out “ des Brennstoffs an einem Ausgang der Brennstofffördereinheit 24 ausgebildet. Die Brennstoffförderertemperatur „tNg Biwr Out “ wird über einen an dem Ausgang der Brennstofffördereinheit 24 in der Brennstoffleitung 22 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet. A seventh operating parameter is in the form of a fuel feeder temperature “tNg Biwr out ” of the fuel at an outlet of fuel feed unit 24 . The fuel feeder temperature “t Ng Biwr Ou t ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed in the fuel line 22 at the outlet of the fuel feed unit 24 . A sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
Eine achte Betriebskenngröße ist als eine Abgastemperatur „tOg Fcs out “ des Brennstoffzellensystems 12 an einem Ausgang des aus dem Nachbrenner 38 ausströmenden Abgases 40 ausgebildet. Die Abgastemperatur „tOg Fcs out “ des Brennstoffzellensystems 12 wird über einen an dem Ausgang des Nachbrenners 38 stromabwärts des Abgasoxidanswärmeübertragers 42 in der Abgasleitung 40 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet. An eighth operating parameter is in the form of an exhaust gas temperature “t Og Fcs out ” of the fuel cell system 12 at an outlet of the exhaust gas 40 flowing out of the afterburner 38 . The exhaust gas temperature “t Og Fcs out ” of the fuel cell system 12 is detected by a temperature sensor (not shown) installed at the outlet of the afterburner 38 downstream of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 in the exhaust gas line 40 . One of that The sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
Eine neunte Betriebskenngröße ist als eine Oxidansfördertemperatur A ninth operational parameter is as an oxidant delivery temperature
»tAtr Biwr out “ des Oxidans an einem Ausgang der Oxidansfördereinheit 30 ausgebildet. Die Oxidansfördertemperatur „tAir Biwr Out “ wird über einen an dem Ausgang der Oxidansfördereinheit 30 in der Oxidansleitung 28 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet. "t A tr Biwr out" of the oxidant is formed at an output of the oxidant delivery unit 30 . The oxidant delivery temperature “t Air Biwr Ou t ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed in the oxidant line 28 at the outlet of the oxidant delivery unit 30 . A sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
Eine zehnte Betriebskenngröße ist als eine Rezirkulattemperatur „tAgo Achx Out “ eines rezirkulierten Brennstoffs an einem Rezirkulatausgang des Rezirkulations- oxidanswärmeübertragers 60 in der Rezirkulationsleitung 46 ausgebildet. Die Rezirkulattemperatur „tAgo Achx out “ wird über einen an dem Rezirkulatausgang des Rezirkulationsbrennstoffwärmeübertrager 58 in der Rezirkulationsleitung 46 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet. A tenth operating characteristic is designed as a recirculation temperature “t Ago Achx Out ” of a recirculated fuel at a recirculation outlet of the recirculation oxidant heat exchanger 60 in the recirculation line 46 . The recirculate temperature “t Ago Achx out ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed at the recirculate outlet of the recirculation fuel heat exchanger 58 in the recirculation line 46 . A sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
Eine elfte Betriebskenngröße ist als eine Abgaswärmetauschereingangstemperatur »tog Airhx in “ eines Abgases an einem Abgaseingang des Abgasoxidanswär- meübertragers 42 in der Abgasleitung 40 ausgebildet. Die Abgaswärmetauschereingangstemperatur „tOg Airhx in “ wird über einen an dem Abgaseingang des Ab- gasoxidanswärmeübertragers 42 in der Abgasleitung 40 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet. An eleventh operating parameter is in the form of an exhaust gas heat exchanger inlet temperature “tog Airhx in ” of an exhaust gas at an exhaust gas inlet of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 in the exhaust pipe 40 . The exhaust gas heat exchanger inlet temperature “t Og A irhx in ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed at the exhaust gas inlet of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 in the exhaust pipe 40 . A sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
Eine zwölfte Betriebskenngröße ist als eine Abgaswärmetauscherausgangstemperatur „tOg Air x out “ eines Abgases an einem Abgasausgang des Abgasoxi- danswärmeübertragers 42 in der Abgasleitung 40 ausgebildet. Die Abgaswärmetauschereingangstemperatur „tOg Airhx in “ wird über einen an dem Abgasausgang des Abgasoxidanswärmeübertragers 42 in der Abgasleitung 40 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet. A twelfth operating parameter is in the form of an exhaust gas heat exchanger outlet temperature “t Og Air x out ” of an exhaust gas at an exhaust gas outlet of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 in the exhaust pipe 40 . The exhaust gas heat exchanger inlet temperature "t Og A irhx in" is introduced via an exhaust gas outlet of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 in the exhaust pipe 40, not shown temperature sensor detected. A sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
Eine dreizehnte Betriebskenngröße ist als eine Oxidanswärmetauschereingangs- temperatur „tAir Airhx In“ eines Oxidans an einem Oxidanseingang des Abgasoxi- danswärmeübertragers 42 in der Oxidansleitung 28 ausgebildet. Die Oxidanswär- metauschereingangstemperatur „tAir Airhx In“ wird über einen an dem Oxidanseingang des Abgasoxidanswärmeübertragers 42 in der Oxidansleitung 28 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet. A thirteenth operating parameter is an oxidant heat exchanger inlet temperature “t Air Airhx In ” of an oxidant at an oxidant inlet of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 in the oxidant line 28 . The oxidant heat exchanger inlet temperature “t Air Airhx In ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed at the oxidant inlet of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 in the oxidant line 28 . A sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
Eine vierzehnte Betriebskenngröße ist als eine Oxidanswärmetauscherausgangs- temperatur „tAir Airhx Out “ eines Oxidans an einem Oxidansausgang des Abgasoxidanswärmeübertragers 42 in der Oxidansleitung 28 ausgebildet. Die Oxidans- wärmetauscherausgangstemperatur „tAir Airhx Out “ wird über einen an dem Oxidansausgang des Abgasoxidanswärmeübertragers 42 in der Oxidansleitung 28 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet. A fourteenth operating parameter is in the form of an oxidant heat exchanger outlet temperature “t Air Airhx Out ” of an oxidant at an oxidant outlet of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 in the oxidant line 28 . The oxidant heat exchanger outlet temperature “t Air Airhx Ou t” is detected by a temperature sensor (not shown) installed in the oxidant line 28 at the oxidant outlet of the exhaust gas oxidant heat exchanger 42 . A sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
Eine fünfzehnte Betriebskenngröße ist als eine Brennstoffreformerausgangstemperatur „tAgr Ref Out“ des Brennstoffs an einem Ausgang des Reformers 26 ausgebildet. Die Brennstoffreformerausgangstemperatur „tAgr Ref Out “ wird über einen an dem Ausgang des Reformers 26 in der Brennstoffleitung 22 eingebrachten, nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst. Ein von dem Temperatursensor bereitgestelltes Sensorsignal wird von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet. A fifteenth operating parameter is in the form of a fuel reformer outlet temperature “t Agr Ref Out ” of the fuel at an outlet of the reformer 26 . The fuel reformer outlet temperature “t Agr Ref Out ” is detected by a temperature sensor (not shown) installed in the fuel line 22 at the outlet of the reformer 26 . A sensor signal provided by the temperature sensor is recorded and processed by the arithmetic unit 64 .
Eine sechzehnte Betriebskenngrößen ist als eine abgegebene elektrische Ausgangsleistung „Pstk“ der Brennstoffzelleneinheit 14 ausgebildet. Die elektrische Ausgangsleistung „Pstk“ der Brennstoffzelleneinheit 14 wird durch entsprechende Messung der Ausgangsströme und Ausgangsspannungen der Brennstoffzelleneinheit 14 ermittelt. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass als weitere Betriebskenngrößen weitere Drücke, Temperaturen, oder Volumenströme in dem Verfahren ermittelt und verarbeitet werden. Vorzugsweise ist denkbar, dass weitere Drücke, Temperaturen oder Volumenströme an Eingängen oder Ausgängen weiterer Einheiten des Brennstoffzellensystems 12, wie beispielsweise der Brennstofffördereinheit 24, der Oxidansfördereinheit 30, des Ausgleichswärmeübertragers 32, des Abgasoxi- danswärmeübertragers 42, des Reformers 26, des Nachbrenners 38, der Rezir- kulationsfördereinheit 52, des Rezirkulationsbrennstoffwärmeübertragers 58, des Abgasbrennstoffwärmeübertragers 44, und/oder des Rezirkulationsoxidanswär- meübertragers 60, als von der Recheneinheit erfasste und in dem Verfahren verwendete Betriebskenngrößen ausgebildet sind. A sixteenth operating parameter is in the form of an output electrical output power “P stk ” of the fuel cell unit 14 . The electrical output power "P stk " of the fuel cell unit 14 is determined by measuring the output currents and output voltages of the fuel cell unit 14 accordingly. In principle, it is also conceivable that further pressures, temperatures or volume flows are determined and processed in the method as further operating parameters. It is preferably conceivable that further pressures, temperatures or volume flows at the inputs or outputs of other units of fuel cell system 12, such as fuel delivery unit 24, oxidant delivery unit 30, equalization heat exchanger 32, exhaust gas oxidant heat exchanger 42, reformer 26, afterburner 38, the Recirculation conveyor unit 52, the recirculation fuel heat exchanger 58, the exhaust gas fuel heat exchanger 44, and/or the recirculation oxidant heat exchanger 60, are designed as operating parameters detected by the computing unit and used in the method.
Die Recheneinheit 64 ist in dem Verfahren 10 dazu vorgesehen, das Brennstoffzellensystem 12 zu regeln. Zur Regelung des Brennstoffzellensystems 12 ist es vorteilhaft, möglichst alle Parameter, die einen Einfluss auf den Betrieb des Brennstoffzellensystems 12 haben, möglichst präzise zu kennen. Einen großen Einfluss auf den Betrieb des Brennstoffzellensystems 12 hat der Brennstoff. Der Brennstoff ist als ein Gas ausgebildet. Vorzugsweise ist der Brennstoff als ein Erdgas ausgebildet. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass der Brennstoff von einem anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Gas gebildet ist. Das als Erdgas ausgebildete Brennstoff kann von seiner Qualität und Zusammensetzung variieren. Eine Zusammensetzung des als Erdgas ausgebildeten Brennstoffs kann mit der Zeit und dem Ort fluktuieren. Für einen effizienten Betrieb des Brennstoffzellensystems 12 und dessen Regelung ist es vorteilhaft, eine Zusammensetzung des Brennstoffs zu kennen und eine Regelung des Brennstoffzellensystems 12 entsprechend vorzunehmen. The computing unit 64 is provided in the method 10 to regulate the fuel cell system 12 . In order to control the fuel cell system 12, it is advantageous to know as precisely as possible all the parameters that have an influence on the operation of the fuel cell system 12. The fuel has a major influence on the operation of the fuel cell system 12 . The fuel is in the form of a gas. The fuel is preferably in the form of natural gas. In principle, it would also be conceivable for the fuel to be formed from another gas that appears sensible to a person skilled in the art. The fuel in the form of natural gas can vary in quality and composition. A composition of the fuel formed as natural gas may fluctuate with time and place. For efficient operation of the fuel cell system 12 and its regulation, it is advantageous to know the composition of the fuel and to regulate the fuel cell system 12 accordingly.
Das Verfahren 10 zur Überwachung des Brennstoffzellensystems 12 umfasst einen Verfahrensschritt 66, in dem zumindest ein aktueller Brennstoffparameter des Brennstoffs ermittelt wird. Der in dem Verfahrensschritt 66 ermittelte Brennstoffparameter ist als eine Konzentration eines bestimmten Gasanteils in dem Brennstoff ausgebildet. Der aktuelle Brennstoffparameter ist als ein Parameter des Brennstoffs ausgebildet, der zu dem Zeitpunkt der Ermittlung in dem Brenn- stoffzellensystem 12 umgesetzt wird. Mittels des Verfahrens können in dem Verfahrensschritt 66 unterschiedlichste Brennstoffparameter ermittelt werden. Im Folgenden soll beispielhaft die Ermittlung zweier Brennstoffparameter beschrieben werden. Beispielhaft wird eine Ermittlung eines als CO2- Konzentration (Koh- lenstoffdioxidkonzentration) des Brennstoffs ausgebildeter Brennstoffparameter beschrieben. Zudem wird beispielhaft ein als N2- Konzentration (Stickstoffkon- zentration) ausgebildeter Brennstoffparameter gebildet. Die Brennstoff parameter sind hier beispielsweise als inerte Gasbestandteile des als Erdgas ausgebildeten Brennstoffs ausgebildet. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, in einem äquivalenten Verfahrensschritt andere Brennstoffparameter, wie beispielsweise eine Konzentration anderer Bestandteile des Brennstoffs zu bestimmen. Beispielsweise wäre es denkbar, dass eine H2- Konzentration (Wasserstoffkonzentration), oder eine CH4- Konzentration (Methankonzentration) des Brennstoffs in dem Verfahrensschritt bestimmt werden. The method 10 for monitoring the fuel cell system 12 includes a method step 66 in which at least one current fuel parameter of the fuel is determined. The fuel parameter determined in method step 66 is in the form of a concentration of a specific gas fraction in the fuel. The current fuel parameter is designed as a parameter of the fuel that is present in the combustion engine at the time of determination fabric cell system 12 is implemented. A wide variety of fuel parameters can be determined in method step 66 by means of the method. In the following, the determination of two fuel parameters will be described as an example. A determination of a fuel parameter in the form of a CO2 concentration (carbon dioxide concentration) of the fuel is described as an example. In addition, a fuel parameter in the form of an N2 concentration (nitrogen concentration) is formed as an example. The fuel parameters are configured here, for example, as inert gas components of the fuel designed as natural gas. In principle, it would also be conceivable to determine other fuel parameters, such as a concentration of other components of the fuel, in an equivalent method step. For example, it would be conceivable for an H2 concentration (hydrogen concentration) or a CH4 concentration (methane concentration) of the fuel to be determined in the method step.
In dem Verfahrensschritt 66 werden anhand mehrerer der oben beschriebenen Betriebskenngrößen die aktuellen Brennstoff parameter geschätzt. In dem Verfahrensschritt 66 werden die Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 erfasst und ausgewertet. Die in dem Verfahrensschritt 66 verwendeten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 sind als ein Druck, als ein Volumenstrom, eine Temperatur, eine elektrische Leistung, ein elektrischer Strom, oder eine Drehzahl, in dem Brennstoffzellensystem 12 ausgebildet. Aus den erfassten und ausgewerteten Betriebskenngrößen werden die aktuellen Brennstoff parameter, die aktuelle N2- Konzentration in dem Brennstoff und die aktuelle CO2- Konzentration in dem Brennstoff geschätzt. In dem Verfahrensschritt werden die aktuellen Brennstoffparameter, also die aktuelle N2- Konzentration in dem Brennstoff und die aktuelle CO2- Konzentration in dem Brennstoff mittels der erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 berechnet. Die Recheneinheit 64 berechnet in dem Verfahrensschritt 66 anhand der erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 die aktuellen Brennstoff parameter. Die berechneten Brennstoffparameter sind Schätzungen der tatsächlichen Parameter. In dem Verfahrensschritt 66 werden zur Schätzung der Brennstoffparameter alle oben beschriebenen Brennstoff parameter ausgewertet und mit berechnet. In dem Verfahrensschritt 66 werden zur Schätzung der Brennstoffparameter der Volumenstrom „VNg“, der Volumenstrom Methan „VNgAsifCH4“, der Volumenstrom des einströmenden Oxidans „Vair in“., die Abgasoxidanstemperatur „tAir tgb In “, die Brennstoffausgangstemperatur „tAn Out “, die Nachbrennerabgastemperatur „ttgb Out die Brennstoffförderertemperatur «tNg Biwr Out “, die Abgastemperatur „tOg Fcs out “, die Oxidansfördertemperatur »tAir Biwr out “, die Rezirkulatemperatur ^o^out“, die Abgaswärmetauschereingangstemperatur „tOg Airhx In die Abgaswärmetauscherausgangstemperatur „tog Airhx out “, die Abgaswärmetauschereingangstemperatur „tOg Airhx in“, die Oxidanswärmetauschereingangstemperatur „tAir Airhx In“, die Oxidanswärmetau- scherausgangstemperatur „tAir Airhx Out “, die Brennstoffreformerausgangstemperatur „tAgr Ref out “ und die elektrische Ausgangsleistung „Pstk “ der Brennstoffzelleneinheit 14 ausgewertet und berechnet. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass lediglich ein Teil der aufgeführten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12, oder weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12, zur Schätzung der Brennstoffparameter erfasst und verarbeitet werden. In step 66, the current fuel parameters are estimated using several of the operating parameters described above. In method step 66, the operating parameters of fuel cell system 12 are recorded and evaluated. The operating parameters of the fuel cell system 12 used in method step 66 are embodied in the fuel cell system 12 as a pressure, as a volume flow, as a temperature, as an electrical power, as an electrical current, or as a rotational speed. The current fuel parameters, the current N2 concentration in the fuel and the current CO2 concentration in the fuel are estimated from the recorded and evaluated operating parameters. In the method step, the current fuel parameters, ie the current N2 concentration in the fuel and the current CO2 concentration in the fuel, are calculated using the detected operating parameters of the fuel cell system 12 . The computing unit 64 calculates the current fuel parameters in the method step 66 based on the detected operating parameters of the fuel cell system 12 . The calculated fuel parameters are estimates of the actual parameters. In method step 66, all fuel parameters described above are evaluated and calculated to estimate the fuel parameters. In step 66, the fuel parameters are used to estimate the Volume flow "V Ng ", the volume flow of methane "V NgAs if C H4", the volume flow of the inflowing oxidant "V air in ", the exhaust gas oxidant temperature "t Air tgb In ", the fuel outlet temperature "t An O ut ", the afterburner exhaust gas temperature " t tgb Out is the fuel feeder temperature «t Ng Biwr Ou t ", the exhaust gas temperature "t Og Fcs out ", the oxidant feed temperature »t Air Biwr out ", the recirculation temperature ^o^out, the exhaust gas heat exchanger inlet temperature "t Og Airhx In the exhaust gas heat exchanger outlet temperature "tog Airhx out ", the exhaust gas heat exchanger inlet temperature "t Og Airhx in", the oxidant heat exchanger inlet temperature "t Air Airhx In ", the oxidant heat exchanger outlet temperature "t Air Airhx Out ", the fuel reformer outlet temperature "t Agr Ref out " and the electrical output power "P stk " of the fuel cell unit 14 is evaluated and calculated. In principle, it is also conceivable that only some of the listed operating parameters of the fuel cell system 12, or other operating parameters of the fuel cell system 12 that appear reasonable to a person skilled in the art, are recorded and processed for estimating the fuel parameters.
In dem Verfahrensschritt 66 werden die aktuellen Brennstoffparameter mittels eines maschinellen Lernverfahrens unter Verwendung der Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 geschätzt. Das maschinelle Lernverfahren ist computerimplementiert und wird auf der Recheneinheit ausgeführt. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass lediglich ein Brennstoffparameter mittels des maschinellen Lernverfahrens in dem Verfahrensschritt 66 geschätzt wird. Die aktuellen Brennstoffparameter werden in dem Verfahrensschritt 66 mittels des maschinellen Lernverfahrens unter Verwendung aller oben beschriebenen Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 geschätzt. Die Brennstoffparameter werden anhand der erfassten Betriebskenngrößen mittels eines zuvor erstellten Datensatzes geschätzt. Der zuvor erstellte Datensatz enthält Informationen über einen Zusammenhang zwischen den zu schätzenden Brennstoff Parametern und den erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems. Anhand der erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 werden in dem Verfahrensschritt 66 durch Abgleich mit dem Datensatz, insbesondere durch einen in dem Datensatz hinterlegten Zusammenhang zwischen den Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 und den Brennstoffparametern, die Brennstoffparameter geschätzt. Das maschinelle Lernverfahren ist als ein Gaußprozess ausgebildet. Das als Gaußprozess ausgebildete maschinelle Lernverfahren ist computerimplementiert und wird in dem Verfahrensschritt 66 auf der Recheneinheit 64 ausgeführt. Das als Gaußprozess ausgebildete maschinelle Lernverfahren ist dazu vorgesehen, anhand eines gespeicherten Datensatzes, in dem Zusammenhänge zwischen den Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 und der Brennstoffparameter hinterlegt sind, aus erfassten Betriebskenngrößen die Brennstoff parameter zu ermitteln, insbesondere zu schätzen, und dabei eine Wahrscheinlichkeit für eine Genauigkeit der ermittelten Brennstoffparameter anzugeben. In method step 66, the current fuel parameters are estimated by means of a machine learning method using the operating parameters of fuel cell system 12. The machine learning process is computer-implemented and is executed on the computing unit. In principle, it is also conceivable that only one fuel parameter is estimated in method step 66 using the machine learning method. The current fuel parameters are estimated in method step 66 by means of the machine learning method using all of the operating parameters of the fuel cell system 12 described above. The fuel parameters are estimated using the recorded operating parameters using a previously created data set. The previously created dataset contains information about a relationship between the fuel parameters to be estimated and the recorded operating parameters of the fuel cell system. Based on the detected operating parameters of the fuel cell system 12, the fuel parameters are estimated in method step 66 by comparison with the data set, in particular by a relationship stored in the data set between the operating parameters of the fuel cell system 12 and the fuel parameters. The machine learning method is designed as a Gaussian process. The machine learning method designed as a Gaussian process is computer-implemented and is executed in method step 66 on computing unit 64 . The machine learning method, which is designed as a Gaussian process, is intended to use a stored data set, in which relationships between the operating parameters of the fuel cell system 12 and the fuel parameters are stored, to determine the fuel parameters from recorded operating parameters, in particular to estimate them, and in doing so a probability of accuracy of the determined fuel parameters.
Der Schätzung der Brennstoffparameter mittels der Betriebskenngrößen in dem als Gaußprozess ausgebildeten maschinellen Lernverfahren ist ein Lernverfahrensschritt 68 vorausgestellt. In dem Lernverfahrensschritt 68 wird ein Datensatz erzeugt in dem in unterschiedlichen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems 12, bei bekannten Brennstoffkenngrößen des verwendeten Brennstoffs, die entsprechenden Betriebskenngrößen gemessen und mit den entsprechenden Brennstoffkenngrößen in dem Datensatz verknüpft werden. In dem Lernverfahrensschritt wird mittels eines Gasmesssensors, insbesondere mittels eines Gaschromatographen eine Zusammensetzung des Brennstoffs (vorzugsweise Erdgas), also die Brennstoffparameter des Brennstoffs gemessen und von der Recheneinheit 64 erfasst und verarbeitet. In dem Lernverfahrensschritt 68 werden für den Datensatz mehrere Messpunkte abgespeichert, bei denen das Brennstoffzellensystem 12 unterschiedlich betrieben wird. In dem Lernverfahrensschritt 68 werden für den Datensatz mehrere Messpunkte mit unterschiedlichen Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 und/oder unterschiedlichen Brennstoffparametern gespeichert. Dazu werden für die unterschiedlichen Messpunkte beispielsweise unterschiedliche Ausgangsleistungen „Pstk“ der Brennstoffzelleneinheit 14, unterschiedliche Drücke an unterschiedlichen Stellen des Brennstoffzellensystems 12, unterschiedliche Temperaturen, und/oder unterschiedliche Zusammensetzungen des Brennstoffs, also unterschiedliche Brennstoffparameter verwendet. Zur Erstellung des Datensatzes werden eine Anzahl N an Messpunkten aufgenommen. Eine Anzahl N an Messpunkten, die in dem Lernverfahrensschritt 68 zur Erzeugung des Datensatzes gemacht werden, ist vorzugsweise größer als 25. Die Anzahl N der Messpunkte, die in dem Lernverfahrensschritt 68 zur Erzeugung des Datensatzes gemacht werden, ist bevorzugt größer als 50, besonders bevorzugt größer als 100 und in einer besonders Vorteilhaften Ausgestaltung des Lernverfahrensschritts 68 größer als 200. Der in dem Lernverfahrensschritt 68 ermittelte Datensatz mit einer Vielzahl an Messpunkten ist auf der Recheneinheit hinterlegt. Grundsätzlich ist es vorteilhaft auch denkbar, dass lediglich ein in dem Lernverfahrensschritt 68 gelernter Zusammenhang zwischen den Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 und den Brennstoffparametern auf der Recheneinheit 64 hinterlegt wird. Der Lernverfahrensschritt 68 kann bei dem aufgebauten Brennstoffzellensystem 12 vorgenommen werden, für welches der Verfahrensschritt 66 zur Schätzung der Brennstoffparameter durchgeführt wird. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Lernverfahrensschritt 68 an einem baugleichen Brennstoffzellensystem durchgeführt wird und der Datensatz an die Recheneinheit 64 des Brennstoffzellensystems 12 übermittelt wird. A learning method step 68 precedes the estimation of the fuel parameters by means of the operating parameters in the machine learning method designed as a Gaussian process. In the learning process step 68, a data record is generated in which the corresponding operating parameters are measured in different operating states of the fuel cell system 12, with known fuel parameters of the fuel used, and linked to the corresponding fuel parameters in the data record. In the learning method step, a composition of the fuel (preferably natural gas), ie the fuel parameters of the fuel, is measured by means of a gas measuring sensor, in particular by means of a gas chromatograph, and recorded and processed by the computing unit 64 . In the learning process step 68, several measuring points are stored for the data set, at which the fuel cell system 12 is operated differently. In the learning process step 68, several measuring points with different operating parameters of the fuel cell system 12 and/or different fuel parameters are stored for the data set. For this purpose, different output powers “P stk ” of the fuel cell unit 14, different pressures at different points of the fuel cell system 12, different temperatures and/or different compositions of the fuel, ie different fuel parameters, are used for the different measuring points. A number N of measuring points are recorded to create the data record. A number N of measurement points taken in the learning process step 68 to create the data set is preferably greater than 25. The number N of measuring points that are made in the learning method step 68 to generate the data set is preferably greater than 50, particularly preferably greater than 100 and in a particularly advantageous embodiment of the learning method step 68 greater than 200 Learning method step 68 determined data set with a variety of measurement points is stored on the computing unit. In principle, it is also advantageously conceivable that only a relationship between the operating parameters of the fuel cell system 12 and the fuel parameters that was learned in the learning method step 68 is stored on the computing unit 64 . The learning process step 68 can be performed on the assembled fuel cell system 12 for which the process step 66 for estimating the fuel parameters is performed. In principle, it is also conceivable that the learning method step 68 is carried out on a fuel cell system of identical construction and the data set is transmitted to the computing unit 64 of the fuel cell system 12 .
In dem Verfahrensschritt 66 werden aus den erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 mittels dem im Lernverfahrensschritt 68 erzeugten Datensatz die aktuellen Brennstoffparameter ermittelt. Der Verfahrensschritt 66 wird während eines Regelbetriebs des Brennstoffzellensystems 12 durchgeführt. Der Verfahrensschritt 66, in dem die aktuellen Brennstoffparameter ermittelt werden, kann durchgehend während des Regelbetriebs des Brennstoffzellensystems 12 durchgeführt werden. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Verfahrensschritt 66 zur Schätzung der Brennstoffparameter in definierten Zeitabständen wiederholt durchgeführt wird. In dem Verfahrensschritt 66 werden alle oben genannten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12, die hier aus Übersichtlichkeitsgründen nicht nochmals alle aufgezählt werden sollen, erfasst und mit dem in dem Lernverfahrensschritt 68 erzeugten Datensatz verarbeitet. Die erfassten Betriebskenngrößen werden mit den im Datensatz gespeicherten Betriebskenngrößen verglichen und die im Datensatz mit den Betriebskenngrößen verknüpften Brennstoff parameter werden für das aktuell in dem Brennstoffzellensystem 12 verstromte Brennstoff geschätzt. In method step 66 , the current fuel parameters are determined from the detected operating parameters of fuel cell system 12 using the data record generated in learning method step 68 . Method step 66 is carried out during control operation of fuel cell system 12 . Method step 66, in which the current fuel parameters are determined, can be carried out continuously during the regular operation of the fuel cell system 12. In principle, it is also conceivable that method step 66 for estimating the fuel parameters is carried out repeatedly at defined time intervals. In method step 66, all of the above-mentioned operating parameters of fuel cell system 12, which for reasons of clarity are not all to be listed again here, are recorded and processed with the data record generated in learning method step 68. The recorded operating parameters are compared with the operating parameters stored in the data record and the fuel parameters linked to the operating parameters in the data record are estimated for the fuel currently converted into electricity in the fuel cell system 12 .
In dem Verfahrensschritt 66 wird ein Vertrauensparameter ermittelt. Der Vertrauensparameter gibt eine Genauigkeit der Schätzung des in dem Verfahrensschritt 66 geschätzten Brennstoffparameters. Der Vertrauensparameter wird anhand einer Korrelation der in dem Lernverfahrensschritt 68 in den Messpunkten gespeicherten Betriebskenngrößen mit den während dem Verfahrensschritt 66 gemessenen Betriebskenngrößen ermittelt. Je näher die in dem Verfahren gemessenen Betriebskenngrößen mit den in dem Datensatz in einem Messpunkt hinterlegten Betriebskenngrößen korrelieren, desto größer ist der Vertrauensparameter und entsprechend genauer ist die Schätzung der entsprechenden Brennstoffparameter. In method step 66, a confidence parameter is determined. The confidence parameter gives an accuracy of the estimate of the in the method step 66 estimated fuel parameters. The confidence parameter is determined on the basis of a correlation of the operating parameters stored in the measuring points in learning method step 68 with the operating parameters measured during method step 66 . The more closely the operating parameters measured in the method correlate with the operating parameters stored in a measuring point in the data set, the greater the confidence parameter and the more accurate the estimation of the corresponding fuel parameters.
Figur 2 zeigt schematisch auf der linken Seite einen Plot 72 eines in dem Lernverfahrensschritt ermittelten Datensatzes mit verschiedenen Messpunkten 74 zur Schätzung eines als CO2 Konzentration ausgebildeten Brennstoffparameters. Zu jedem der gezeigten Messpunkte 74 sind die jeweiligen Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 hinterlegt. Zu jedem der Messpunkte 74 sind dabei alle erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12 hinterlegt. Auf der Y-Achse des Plots sind die CO2-Konzentrationden des Brennstoffs aufgetragen. Auf der X-Achse des Plots 72 sind die Anzahl der Messpunkte aufgetragen. Auf der rechten Seite der Figur 2 ist ein Plot 76 eines in einem Validierungsverfahrensschritt 70 ermittelter Datensatz gezeigt. In dem Plot 76 sind in dem Validierungsverfahrensschritt 70 durch das maschinelle Lernverfahren ermittelte Messpunkte 78 mit den entsprechenden ermittelten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems aufgetragen. Ferner sind in dem Plot 76 für den Validierungsverfahrensschritt 70 Werte für die mittels einem entsprechenden Gassensor gemessenen Brennstoffparameter aufgetragen. Hierbei ist zu sehen, dass die mittels des Verfahrens geschätzten Brennstoffparameter nahe an den tatsächlich gemessenen Brennstoffparametern liegen. Der Validierungsverfahrensschritt 70 kann vorzugsweise zur Anpassung des in dem Lernverfahrensschritt ermittelten Datensatzes verwendet werden. So kann eine Genauigkeit der Schätzungen der Brennstoff parameter verbessert werden. On the left-hand side, FIG. 2 shows schematically a plot 72 of a data set determined in the learning method step with various measuring points 74 for estimating a fuel parameter designed as a CO2 concentration. The respective operating parameters of the fuel cell system 12 are stored for each of the measuring points 74 shown. All of the recorded operating parameters of the fuel cell system 12 are stored for each of the measurement points 74 . The CO2 concentrations of the fuel are plotted on the Y-axis of the plot. The number of measuring points is plotted on the X-axis of the plot 72 . A plot 76 of a data set determined in a validation method step 70 is shown on the right-hand side of FIG. Measuring points 78 determined by the machine learning method in validation method step 70 are plotted on plot 76 with the corresponding determined operating parameters of the fuel cell system. Furthermore, values for the fuel parameters measured by means of a corresponding gas sensor are entered in the plot 76 for the validation method step 70 . It can be seen here that the fuel parameters estimated using the method are close to the fuel parameters actually measured. The validation method step 70 can preferably be used to adapt the data set determined in the learning method step. In this way, an accuracy of the estimates of the fuel parameters can be improved.
In einem weiteren Verfahrensschritt 80 werden die geschätzte Brennstoffparameter zur Regelung des Brennstoffzellensystems 12 herangezogen. Mittels der geschätzten aktuellen Brennstoff parameter kann eine Regelung des Brennstoffzellensystems genauer erfolgen. Bei einem honen Vertrauensparameter kann ein Puffer für sicherheitsrelevante Regelgrößen, wie beispielsweise einen Gasausnutzungsgrad FU möglichst klein gehalten werden. In a further method step 80 the estimated fuel parameters are used to control the fuel cell system 12 . The fuel cell system can be controlled more precisely using the estimated current fuel parameters. With a honed confidence parameter, a Buffers for safety-relevant control variables, such as a gas utilization factor FU, are kept as small as possible.
Wie im Vorhergehenden beschrieben kann zur Schätzung der beiden Brennstoffparameter, also der CO2 Konzentration und der N2 Konzentration in dem Brenngas, ein gemeinsamer als Gaußprozess ausgebildetes maschinelles Lernverfahren verwendet werden. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass je Schätzung eines der beiden Betriebskenngrößen ein eigenes als Gaußprozess ausgebildete maschinelles Lernverfahren durchgeführt wird. As described above, a machine learning method designed as a Gaussian process can be used to estimate the two fuel parameters, ie the CO2 concentration and the N2 concentration in the fuel gas. In principle, it is also conceivable that a separate machine learning method designed as a Gaussian process is carried out for each estimate of one of the two operating parameters.
Grundsätzlich ist es ebenso denkbar, dass anstatt eines Gaußprozesses auch ein anderes maschinelles Lernverfahren eingesetzt werden kann, wie beispielsweise ein künstliches neuronales Netz. Dadurch kann vorzugsweise bei einer hohen Anzahl an Eingangsvariablen, also an zur Schätzung verwendeten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems 12, eine besonders schnelle, genaue und Rechenleistungsarme Schätzung der Brennstoffparameter erreicht werden. Grundsätzlich sind auch andere maschinelle Lernverfahren denkbar. Vorzugsweise kann auch ein maschinelles Lernverfahren mit einem faltenden (convolutional approach) verwendet werden. Dabei ist ein convolutional Gaußprozess als auch ein convoluitonal Neuronales Netz denkbar. Bei einem solchen, faltenden maschinellen Lernverfahren werden die Historie an gemessenen Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems und der Brennstoffparameter mit in die Schätzung des aktuellen Brennstoffparameters einbezogen. Dadurch kann insbesondere eine Genauigkeit der Schätzung verbessert, sowie ein Rechenaufwand des Rechenprozesses verringert werden, wodurch eine Effizienz verbessert werden kann. In principle, it is also conceivable that instead of a Gaussian process, another machine learning method can also be used, such as an artificial neural network. As a result, particularly fast, accurate and low-computing power estimation of the fuel parameters can be achieved, preferably given a large number of input variables, that is to say operating parameters of the fuel cell system 12 used for the estimation. In principle, other machine learning methods are also conceivable. Preferably, a machine learning method with a convolutional approach can also be used. A convolutional Gaussian process as well as a convolutional neural network are conceivable. In such a convolutional machine learning method, the history of measured operating parameters of the fuel cell system and the fuel parameters are included in the estimation of the current fuel parameter. In this way, in particular, the accuracy of the estimation can be improved, and the computing effort of the computing process can be reduced, as a result of which efficiency can be improved.
Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass Messdaten zumindest eines weiteren Brennstoffzellensystems verwendet werden, das über eine gleiche Brennstoffversorgung mit einem Brennstoff versorgt wird. Dabei wäre es denkbar, dass die Betriebskenngrößen des weiteren Brennstoffzellensystems und die Betriebskenngrößen des oben beschriebenen Brennstoffzellensystems 12 zur Schätzung der Brennstoffparameter herangezogen werden. Vorzugsweise werden in den jeweiligen Brennstoffzellensystemen 12 unabhängig voneinander die entsprechenden Brennstoff parameter geschätzt und die geschätzten Brennstoffparameter beider (oder auch mehrerer) Brennstoffzellensysteme 12 miteinander verglichen.In principle, it would also be conceivable for measurement data from at least one further fuel cell system to be used, which is supplied with a fuel via the same fuel supply. It would be conceivable that the operating parameters of the further fuel cell system and the operating parameters of the fuel cell system 12 described above are used to estimate the fuel parameters. The corresponding fuel parameters and the estimated fuel parameters of both are preferably estimated in the respective fuel cell systems 12 independently of one another (Or more) fuel cell systems 12 compared to each other.
Dadurch können die Brennstoffzellensysteme 12 und auch die Verfahren 10 zur Schätzung der Brennstoffparameter gegeneinander kalibriert werden. As a result, the fuel cell systems 12 and also the method 10 for estimating the fuel parameters can be calibrated against one another.

Claims

- 26 - Ansprüche - 26 - Claims
1. Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems (12), insbesondere eines Festoxidbrennstoffzellensystems, wobei zumindest Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems (12) erfasst und verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt (66) anhand von Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems (12) zumindest ein aktueller Brennstoffparameter geschätzt wird. 1. A method for monitoring a fuel cell system (12), in particular a solid oxide fuel cell system, in which at least operating parameters of the fuel cell system (12) are recorded and processed, characterized in that in at least one method step (66), based on operating parameters of the fuel cell system (12), at least one current Fuel parameters is estimated.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt (66) der aktuelle Brennstoff parameter in einem maschinellen Lernverfahren unter Verwendung mehrerer Betriebskenngrößen geschätzt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that in the method step (66) the current fuel parameter is estimated in a machine learning method using a plurality of operating parameters.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das maschinelle Lernverfahren als ein Gaußprozess ausgebildet ist. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the machine learning method is designed as a Gaussian process.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lernverfahrensschritt (68) ein Datensatz erzeugt wird, in dem ein gemessener Brennstoffparameter mit entsprechenden Betriebskenngrößen verknüpft abgespeichert wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in a learning method step (68) a data set is generated in which a measured fuel parameter is stored linked to corresponding operating parameters.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt (66) aus den erfassten Betriebskenngrößen des Brennstoffzellensystems (12) mittels dem im Lernverfahrensschritt (68) erzeugten Datensatz der Brennstoff parameter ermittelt wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the method step (66) from the detected operating parameters of the fuel cell system (12) by means of the learning process step (68) generated data set of fuel parameters is determined.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt (66) ein Vertrauensparameter ermittelt wird, der eine Genauigkeit der Schätzung des Brennstoffparameters wiedergibt. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the method step (66) a confidence parameter is determined, the accuracy of the estimation of the fuel parameter reproduces.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Verfahrensschritt (66) verwendete Betriebskenngröße des Brennstoffzellensystems (12), als ein Druck, als ein Volumenstrom, eine Temperatur, eine elektrische Leistung, ein elektrischer Strom, oder eine Drehzahl, in dem Brennstoffzellensystem (12) ausgebildet ist. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the operating parameter of the fuel cell system (12) used in method step (66) as a pressure, as a volume flow, a temperature, an electrical power, an electric current, or a speed Is formed in the fuel cell system (12).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Verfahrensschritt (66) ermittelte Brennstoffpara- meter als eine Konzentration eines bestimmten Gasanteils in dem Brennstoff ausgebildet ist. 8. The method as claimed in one of the preceding claims, characterized in that the fuel parameter determined in method step (66) is in the form of a concentration of a specific proportion of gas in the fuel.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt (80) der zumindest eine geschätzte Brennstoffparameter zur Regelung des Brennstoffzellensystems (12) herangezogen wird. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in a further method step (80) the at least one estimated fuel parameter for controlling the fuel cell system (12) is used.
10. Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Recheneinheit (64) zu einer Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 10. Fuel cell system with at least one computing unit (64) for carrying out a method according to any one of the preceding claims.
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