AT527613B1

AT527613B1 - Kontrollverfahren für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: AT527613B1
Application number: ATA50820/2023A
Authority: AT
Inventors: Gruber Dipl -Ing Christoph; Cappelli Samuele; Kogler-Lichtenegger Dipl -Ing Markus
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2023-10-09
Filing date: 2023-10-09
Publication date: 2025-07-15
Also published as: WO2025076567A1; AT527613A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontrollverfahren für eine Leistungserzeugung eines Brennstoffzellensystems (100) mit einer Reformervorrichtung (20) zur Reformierung eines Kraftstoffes (K) in einen Brennstoff (B) für wenigstens eine Brennstoffzelle (10). Das Kontrollverfahren umfasst unteranderem den Schritt: Kontrollieren (S40) eines Ausgangsstromes (I) einer Ausgangsleistung (P) auf einen bestimmten Einstellwert (EI) zur Anpassung der Ausgangsleistung (P) an die Leistungsanforderung (L) durch Kontrollieren des Kraftstoffmassenstromes (KM).

Description

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Beschreibung

KONTROLLVERFAHREN FÜR EIN BRENNSTOFFZELLENSYSTEM

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontrollverfahren für ein Brennstoffzellensystem, zur Kontrolle einer Leistungserzeugung in Reaktion auf eine Lastanforderung von Verbrauchern.

[0002] Die Erfindung findet Anwendung auf dem Gebiet der Brennstoffzellentechnik, und zwar an Typen von Brennstoffzellen, die mit einem Kraftstoff wie Methan oder Methanol betrieben werden können, welcher durch eine Reformierung wie insbesondere einer Dampfreformierung zu einem mit Wasserstoff angereicherten Brennstoffgas reformiert wird.

[0003] SOFC-Brennstoffzellen, die eine hohe Effizienz ausweisen, werden auf hohen Temperaturen betrieben und sind in der Regel für große, stationäre oder halbstationäre Anwendungen ausgelegt. Solche Anwendungen erlauben einen ausreichenden Bedarf an Platz und Gewicht für eine komplexe Struktur von Subsystemen in der Peripherie solcher Hochtemperatur-Brennstoffzellensysteme. Als wirtschaftlich und logistisch vorteilhaftes Beispiel für die Peripherie von Hochtemperatur-Brennstoffzellensystemen im großen Maßstab ist ein Dampfreformer als Teilsystem den Brennstoffzellenstapeln vorgeschaltet. Der Prozess der Dampfreformierung von Kraftstoffen als Rohbrennstoffen wie Erdgas, d.h. Methan oder flüssigem Methanol, ermöglicht die Erzeugung von wasserstoffreichem Brenngas direkt am Ort der Nutzung und unmittelbar vor dem Verbrauch durch Einspeisung in die Brennstoffzellen. Dadurch kann eine teure Versorgungskette von der Produktion bis zur Speicherung entsprechend großer Mengen grauen oder blauen Wasserstoffs für ein groß angelegtes Brennstoffsystem vermieden, und durch eine leicht verfügbare Installation einer Erdgasversorgungsleitung oder eines Terminals für flüssiges Methanol ersetzt werden.

[0004] Ein Nachteil solcher komplexen Systeme besteht in einer Trägheit bei Leistungsschwankungen, wobei eine Herausforderung in einer dynamischen Anpassung der erzeugten Leistung an Veränderungen einer Verbraucherlast besteht. Eine Änderung von Prozessgasen, die unmittelbar der elektrochemischen Reaktion zur Umsetzung in Leistung in den Brennstoffzellen zugeführt werden, führt stromaufwärts in anderen Prozessstufen eines Prozessstromes des Brennstoffzellensystems zu einem Stau oder einer Verknappung an Prozessgasen, d.h. vor allem in Bezug auf einen Brennstoff, der zunächst aus der Reformierung des Kraftstoffes erzeugt wird. Die aufeinanderfolgenden Prozessstufen in dem Prozessstrom sorgen somit für zeitliche Verzögerungen in einer Leistungsdynamik, wie beispielsweise eine zwischenzeitlich unzureichende Reformierung von Brennstoff nach einem Leistungsanstieg der Brennstoffzellen in Reaktion auf eine stark zunehmende Leistungsanforderung. Somit besteht Bedarf an einer verbesserten Dynamik in der Leistungsregelung derartiger Brennstoffzellensysteme.

[0005] Ein Kontrollverfahren für ein Brennstoffzellensystem, zur Kontrolle einer Leistungserzeugung in Reaktion auf eine Lastanforderung von Verbrauchern ist beispielsweise aus der VRCKO, D. et al. „Feedforward-feedback control of a solid oxide fuel cell power system“ International Journal of Hydrogen Energy [online]. März 208 (03.2018). Bd. 43, Nr 12 Seiten 6352-6363. bekannt.

[0006] Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Technik für Brennstoffzellensysteme mit einer Prozessstufe zur Reformierung eines Kraftstoffes in Brennstoff zu schaffen, die eine verbesserte dynamische Abstimmung von Prozessgasen zwischen Prozessstufen eines Prozessstromes des Brennstoffzellensystems in Reaktion auf Schwankungen in einer Lastanforderung ermöglicht.

[0007] Die voranstehende Aufgabe wird durch das Steuerungsverfahren mit den Schritten und Verfahrensmerkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

[0008] Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem System zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

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[0009] Gemäß dieser Offenbarung umfasst der Begriff „Massenstrom“ einen für eine Reaktionsfähigkeit relevante Menge pro Zeit eines Prozessgases oder Prozessstoffes. Unter Berücksichtigung der Zusammensetzung und spezifischen Masse der Bestandteile eines Prozessgases oder Prozessstoffes kann in diesem Sinne auch ein Volumenstrom im Rahmen des Kontrollverfahrens herangezogen werden. Gleiches gilt für eine Sensorik, die einen Massenstromsensor oder einen Volumenstromsensor umfassen kann.

[0010] Gemäß dieser Offenbarung wird mit den Worten „wenigstens einer Brennstoffzelle“ vorzugsweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen erachtet, die in bekannter Weise in Brennstoffzellenstapeln angeordnet, fluidisch, d.h. mit Gasen, Flüssigkeiten oder zweiphasig gemischtem Fluid versorgt und elektrisch verschaltet sind.

[0011] Gemäß dieser Offenbarung umfasst der Begriff „Kontrolle“ oder „Kontrollverfahren“ sowohl die Begriffe einer Steuerung als auch einer Regelung, also einer Steuerung mit einer Parameterrückführung.

[0012] Das erfindungsgemäße Kontrollverfahren dient zur Kontrolle einer Ausgangsleistung eines Brennstoffzellensystems mit einer Reformervorrichtung zur Reformierung eines Kraftstoffes in einen Brennstoff für wenigstens eine Brennstoffzelle in Reaktion auf eine Leistungsanforderung eines Verbrauchers.

[0013] Das Kontrollverfahren umfasst folgende Schritte:

- Erfassen einer Leistungsanforderung von wenigstens einem Verbraucher, der durch eine Ausgangsleistung der wenigstens einen Brennstoffzelle versorgt wird;

- Bestimmen eines Vorsteuerungswertes des Kraftstoffmassenstromes aus vorbestimmten Vorsteuerungswerten oder einer vorbestimmten Verhältnismäßigkeit derselben zu Werten der erfassten Leistungsanforderung;

- Bestimmen eines Einstellwertes des Ausgangsstromes der Ausgangsleistung, der dem Vorsteuerungswert des Kraftstoffmassenstromes unter einer vorbestimmten Brennstoffausnutzungsrate entspricht, wobei der Ausgangsstrom (I) der Ausgangsleistung (P), die am Ende des Kraftstoffmassenstromes (KM) resultiert, bereits am Anfang des Kraftstoffmassenstromes (KM) durch eine eingeleitete Menge eines Prozessgases oder Prozessstoffes zielführend variiert wird;

- Kontrollieren des Ausgangsstromes der Ausgangsleistung auf den bestimmten Einstellwert, zur Anpassung der Ausgangsleistung an die Leistungsanforderung, durch Kontrollieren des Kraftstoffmassenstromes.

[0014] Die Erfindung sieht somit erstmals eine Ermittlung und Regelung der Leistung in Form eines Strom-Sollwertes vor, der aus einer Kraftstoffmenge berechnet wird, wobei die Kraftstoffmenge zugleich die Führungsgröße darstellt. In Reaktion auf eine Änderung einer Lastanforderung wird mittels einer Vorsteuerung eine Änderung in der Parametergröße des Kraftstoffmassenstromes vorgenommen, welche durch die vorgegebene Kraftstoffausnutzung die Parametergröße des Stromes anpasst, um die geforderte Leistung zu erreichen.

[0015] Darüber hinaus wird erstmals eine Einstellung des Stromes unmittelbar durch Regelung des Kraftstoffes stromaufwärts der Prozessstufe der Reformierung vorgenommen, oder mit anderen Worten, eine Regelung des Kraftstoffes unter einer Einstellgröße und Rückführung einer elektrischen Größe vorgenommen. Anders ausgedrückt, wird die elektrische Leistung, die am Ende des Prozessstromes resultiert, bereits am Anfang des Prozessstromes durch eine eingeleitete Menge eines Prozessgases oder Prozessstoffes zielführend variiert.

[0016] Als ein großer Vorteil der Erfindung werden dadurch Schwankungen von abweichenden Massenströmen zwischen der Prozessstufe der Reformierung und der Prozessstufe der elektrochemischen Umsetzung in Leistung erheblich verringert, was zu einem stabileren Betrieb durch konstantere Gasströme und -konzentrationen während dynamischen Lastanforderungen führt.

[0017] Zusätzlich wird gewährleistet, dass mit steigender Degradation der Brennstoffzelle die Kraftstoffausnutzung für die geforderte Leistung konstant bleibt und die Brennstoffzelle nicht zu-

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sätzlich schädigt. Anders ausgedrückt, wird mit Spannung eines Stapels von Brennstoffzellen aufgrund von Degradation fehlende Leistung durch eine Erhöhung des Kraftstoffmassenstromes und einen daraus resultierenden höheren Strom kompensiert.

[0018] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich aufgrund der gemeinsamen Bezugsgröße der einzelnen Vorsteuer- und Regelparameter. Dadurch ist ein stufenloses Andern der Lastpunkte sowie der dafür notwendigen Prozessgase möglich.

[0019] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Kraftstoffmassenstrom in Abhängigkeit einer Temperatur und/oder Zellspannung der wenigstens einen Brennstoffzelle begrenzt oder verringert werden. Somit kann eine Überlastung der Brennstoffzellen bei zu niedriger Betriebstemperatur verhindert werden.

[0020] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das Kontrollieren der Ausgangsleistung in Abhängigkeit der Temperatur der wenigstens einen Brennstoffzelle begrenzt oder verringert werden. Somit kann alternativ eine Überlastung der Brennstoffzellen durch einen zu hohen Durchsatz von Prozessgasen sicher verhindert werden.

[0021] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Kraftstoffmassenstrom in Abhängigkeit der Brennstoffausnutzungsrate begrenzt oder verringert werden. Somit kann eine Sicherheitsfunktion im Falle einer Fehlfunktion der Last oder bei plötzlichem Lastabfall eingerichtet werden, um eine Wasserstoffleckage zu verhindern.

[0022] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das Kontrollieren der Ausgangsleistung in Abhängigkeit einer Zellspannung der wenigstens einen Brennstoffzelle begrenzt oder verringert werden. Somit können Schäden an den Brennstoffzellen im Falle einer Fehlfunktion oder eines Extremfalles seitens des Brennstoffzellensystems oder der Verbraucherlast verhindert werden.

[0023] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann ein unterer Grenzwert der Brennstoffausnutzungsrate vorbestimmt sein, wobei ab einer Unterschreitung desselben das Bestimmen des Einstellwertes des Ausgangsstromes ausgesetzt wird. Somit kann eine alternative Sicherheitsfunktion im Falle einer Fehlfunktion eingerichtet werden, die eine Wasserstoffleckage verhindert. Anders ausgedrückt wird der Kraftstoffmassenstrom erst ab einer Unterschreitung einer minimalen Brennstoffausnutzungsrate begrenzt.

[0024] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Kraftstoffmassenstrom auf einen vorbestimmten unteren Grenzwert eingestellt werden, wenn keine Leistungsanforderung besteht, insbesondere in einer Startphase der wenigstens einen Brennstoffzelle. Somit wird ein Hochfahren des Brennstoffzellensystems unterstützt.

[0025] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Kraftstoffmassenstrom auf einen vorbestimmten oberen Grenzwert eingestellt werden, wenn die Leistungsanforderung einen vorbestimmten oberen Grenzwert überschreitet. Somit kann alternativ eine Überlastung der Brennstoffzellen durch einen zu hohen Durchsatz von Prozessgasen sicher verhindert werden.

[0026] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das Bestimmen des Vorsteuerungswertes des Kraftstoffmassenstromes auf einer vorbestimmten Zuordnung von Wertepaaren aus Vorsteuerungswerten und Werten der Leistungsanforderung oder einer vorbestimmten mathematischen Funktion der Vorsteuerungswerte zu der Leistungsanforderung basieren. Somit wird eine schnelle und sichere Datenverarbeitung in einer CPU für diesen Schritt sichergestellt.

[0027] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das Kontrollverfahren auch folgende Schritte umfassen:

- Erfassen des geregelten Kraftstoffmassenstromes, welcher der Reformervorrichtung zur Reformierung in Brennstoff zugeführt wird;

- Bestimmen eines Einstellwertes eines Wassermassenstromes zu der Reformervorrichtung in Bezug zu dem zugeführten Kraftstoffmassenstrom zu der Reformervorrichtung aus einem vorbestimmten Reformierungsverhältnis zwischen Wasserdampf und Kohlenstoff; und

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- Einstellen des Wassermassenstromes zu der Reformervorrichtung auf den bestimmten Einstellwert. Somit wird das zur Dampfreformierung in der Reformervorrichtung erforderliche Wasser auf einfache Weise dosiert.

[0028] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung wird das erfindungsgemäße Kontrollverfahren auf einem Brennstoffzellensystem mit den folgenden Komponenten umgesetzt:

einer Brennstoffzelle,

einer Reformervorrichtung zur Reformierung eines Kraftstoffes in einen Brennstoff für die wenigstens eine Brennstoffzelle, mit:

einem Regelventil, mittels dem ein Kraftstoffmassenstrom zu der Reformervorrichtung einstellbar ist,

einer Steuerungsvorrichtung zur Steuerung des Brennstoffzellensystems, die Messsignale erhält von wenigstens:

einem Sensor zur Erfassung des Kraftstoffmassenstromes zu der Reformervorrichtung, und

einer Sensorik zur Erfassung eines Ausgangsstromes und einer Ausgangsspannung einer Ausgangsleistung zur Versorgung eines Verbrauchers; wobei

die Steuerungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, die Verfahrensschritte des Kontrollverfahrens durchzuführen.

[0029] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Steuerungsvorrichtung eine Regelungsstrecke aufweisen, wobei die Regelstrecke als Eingangsgrößen den bestimmten Einstellwert sowie fortlaufend Werte des erfassten Ausgangsstromes erhält und die Regelstrecke als Ausgangsgröße fortlaufend eine Stellgröße für das Regelventil ausgibt, mittels dem der Kraftstoffmassenstrom einstellbar ist.

[0030] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Regelungsstrecke der Steuerungsvorrichtung ein Vorsteuerungsmodul, ein Berechnungsmodul und ein Regelungsglied, insbesondere ein PID Regelungsglied umfassen, wobei das Vorsteuerungsmodul das Bestimmen des Vorsteuerungswertes des Kraftstoffmassenstromes in Abhängigkeit der erfassten Leistungsanforderung aus einem gespeicherten Kennfeld durchführt; wobei der Vorsteuerungswert an das Berechnungsmodul übergeben wird, welches das Bestimmen des Einstellwertes des Ausgangsstromes durchführt, und wobei der Einstellwert an das Regelungsglied übergeben wird, das die Stellgröße an das Regelventil ausgibt.

[0031] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale und Ausführungsformen jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:

[0032] Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Ausschnittes eines Brennstoffzellensystems mit relevanten Systemkomponenten zur Ausführung des erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens; und

[0033] Fig. 2 ein Flussdiagramm zu Verfahrensschritten in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens.

[0034] In Fig. 1 sind Systemkomponenten aus einem vereinfachten Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem 100 schematisch dargestellt.

[0035] Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Vielzahl von Hochtemperatur-Brennstoffzellen 10 vom Feststoffoxid Typ, d.h. einer SOFC Bauart, die in Brennstoffzellenstapeln angeordnet sind. Zur nachstehenden Erläuterung des Kontrollverfahrens, ist lediglich ein Anodenabschnitt der Brennstoffzellen 10 dargestellt, der mit Brennstoff B versorgt wird, während ein mit Oxidationsgas versorgter Kathodenabschnitt der Brennstoffzellen 10 zur Vereinfachung nicht weiter dar-

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gestellt ist.

[0036] Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Reformervorrichtung 20, in der eine Dampfreformierung eines Kraftstoffes Kin den der Anode zugeführten Brennstoff B erfolgt und ein Steuerungsvorrichtung 30, welche mit nachfolgend näher erläuterten, in der Darstellung mit S gekennzeichneten Sensoren und mit V gekennzeichneten Ventilen signalverbunden ist. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst Leistungsausgänge, die mit den Brennstoffzellen 10 elektrisch verbunden sind, und ein oder mehrere Verbraucher 40, die einer elektrisch variablen Last L entsprechen, werden über die Leistungsausgänge mit einer aus den Brennstoffzellen 10 erzeugten Ausgangsleistung P des Brennstoffzellensystems 100 versorgt.

[0037] Zu Beginn eines Prozessstromes von Prozessgasen oder Prozessstoffen durch das Brennstoffzellensystems 100 ist dieses an eine Zufuhrquelle eines Kraftstoffes K und an eine Zufuhrquelle von Wasser W angeschlossen. Der Kraftstoff K kann Methan, Erdgas, Biogas, ein ähnlicher gasförmiger Kohlenwasserstoff, Methanol oder ein ähnlicher flüssiger Kohlenwasserstoff sein sowie Wasserstoff in reiner Form. Eine in das Brennstoffzellensystem 100 eingeleitete Menge des Kraftstoffes K passiert ein Regelventil 21, durch welches ein Kraftstoffmassenstrom KM geregelt und eingestellt wird, welcher der Reformervorrichtung 20 zugeführt wird. Ein Wert des zugeführten Kraftstoffmassenstromes KM wird von einem Massenstromsensor 31 erfasst und an die Steuerungsvorrichtung 30 übermittelt. Ebenso passiert eine in das Brennstoffzellensystem 100 eingeleitete Menge Wasser W ein Regelventil 22, durch welches ein Wassermassenstrom WM geregelt und eingestellt wird, welcher der Reformervorrichtung 20 zugeführt wird. Ein Wert des zugeführten Wassermassenstromes WM wird von einem Massenstromsensor 32 erfasst und an die Steuerungsvorrichtung 30 übermittelt.

[0038] Stromabwärts des Prozessstromes des Brennstoffzellensystems 100 werden in dem Dampfreformierungsprozess der Reformervorrichtung 20 das Wasser W zu Wasserdampf erhitzt und der Kraftstoff K ebenfalls in gasförmiger Form eingeleitet und mit dem Dampf vermischt. In bekannter Weise läuft bei hohen Temperaturen eine Dampfreformierung dieses Gemisches in der Reformervorrichtung 20 ab, die zu einem wasserstoffangereicherten Brennstoff B führt. Weitere Teile des Prozessstromes, wie zu Nebenprodukten der Dampfreformierung in Form von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid sowie allgemein bekannte technische Details zur Umsetzung des Prozesses werden zur Fokussierung auf die Erfindung nachfolgend nicht weiter erläutert.

[0039] Der in der Reformervorrichtung 20 reformierte Brennstoff B wird stromabwärts als ein Brennstoffmassenstrom BM dem dargestellten Anodenabschnitt den Brennstoffzellen 10 zugeführt. Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem 100 in dem Anodenabschnitt der Brennstoffzellen 10 einen nicht weiter dargestellten Wasserstoffsensor zur Erfassung eines Wasserstoffgehalts in dem zugeführten Brennstoff B umfassen, der mit der Steuerungsvorrichtung 30 signalverbunden ist. Zudem umfasst das Brennstoffzellensystem 100 noch einen nicht weiter dargestellten Temperatursensor an den Brennstoffzellen 10 zur Erfassung einer Betriebstemperatur der Brennstoffzellen 10, der ebenfalls mit der Steuerungsvorrichtung 30 signalverbunden ist. Optional umfasst das Brennstoffzellensystem 100 auch einen nicht weiter dargestellten Spannungssensor an den Brennstoffzellen 10 zur Erfassung einer Zellspannung an den Brennstoffzellen 10, der wiederum mit der Steuerungsvorrichtung 30 signalverbunden ist.

[0040] Zudem ist an den Leistungsausgängen des Brennstoffzellensystems 100 eine Sensorik 33 angeordnet, die einen Ausgangsstrom | und eine Ausgangsspannung U der Ausgangsleistung P, die von der elektrischen Last des Verbrauchers 40 abgenommen wird, erfasst. Die Sensorik 33 umfasst einen Spannungssensor und einen Stromsensor und übermittelt die erfassten Werte des Ausgangsstromes | und der Ausgangsspannung oder der Ausgangsleistung P an die Steuerungsvorrichtung 30.

[0041] Die Steuerungsvorrichtung 30 umfasst unter anderem eine Regelstrecke mit einem PID Regelglied oder alternativ einem anderen Regelglied, das als Ausgangsgröße einen Führungswert in Form eines Ventilstellwertes an das Regelventil 21 zur Einregelung des Kraftstoffmassenstromes KM ausgibt, und als Eingangsgrößen einen Sollwert in Form eines zuvor bestimmten

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Einstellwertes El des Ausgangsstromes | sowie einen Istwert in Form des aus der Sensorik 33 erfassten Ausgangsstromes |, der aus dem Einfluss des geregelten Kraftstoffmassenstromes KM resultiert, erhält.

[0042] In Fig. 2 ist eine Ausführungsform des Kontrollverfahrens anhand einer Abfolge von Verfahrensschritten in einem Flussdiagramm dargestellt. Die Verfahrensschritte können auch in anderer Reihenfolge als nachstehend erläutert ausgeführt werden. Beispielsweise werden Verfahrensschritte, die sich mit einer Messung zur Erfassung eines Parameters befassen, gleichzeitig oder kontinuierlich durchgeführt. Ein Durchlauf einer Abfolge von Verfahrensschritten des Kontrollverfahrens wird zyklisch in vorbestimmten Zeitintervallen oder in Abhängigkeit einer Änderung von erfassten Eingangsparametern wiederholt.

[0043] In Schritt S10 wird die Leistungsanforderung L entsprechend der elektrischen Last des Verbrauchers 40 erfasst oder als Information empfangen. Beispielsweise, jedoch nicht hierauf beschränkt, wird mittels einer Sensorik 33 durch Messung des Ausgangsstromes | und durch Messung der Ausgangsspannung U der aus dem Brennstoffzellensystem 100 abgeführten Ausgangsleistung P erlangt wird. Dabei kann insbesondere die Erfassung einer Änderung der Lastanforderung für eine Notwendigkeit zur erneuten Durchführung der Verfahrensschritte maßgeblich sein. Eine Änderung der Lastanforderung L kann alternativ aus einer charakteristischen Zunahme eines Verlaufes des Ausgangsstromes | der Ausgangsleistung P begleitet von einer charakteristischen Abnahme eines Verlaufes der Ausgangsspannung U der Ausgangsleistung P abgeleitet werden.

[0044] Die Steuerungsvorrichtung 30 gibt eine vorbestimmte Brennstoffausnutzungsrate N vor, die ein Verhältnis der aus den Brennstoffzellen 10 abgeführten Ausgangsleistung P zu dem den Brennstoffzellen 10 zugeführten Brennstoffmassenstrom BM bezeichnet.

[0045] Gleichzeitig oder zeitlich versetzt zu Schritt S10 bestimmt die Steuerungsvorrichtung 30 in Schritt S20 einen Vorsteuerungswert VK des Kraftstoffmassenstromes KM in Abhängigkeit zu der in Schritt S10 erfassten Leistungsanforderung L des Verbrauchers 40. Hierzu greift die Steuerungsvorrichtung 30 auf ein in einem Speicher hinterlegtes Kennfeld zurück, das vorab experimentell ermittelte Wertepaare zwischen den vorbestimmten Vorsteuerungswerten VK in Zuordnung zu Werten der erfassten Leistungsanforderung L enthält.

[0046] Nachfolgend auf Schritt S20 bestimmt die Steuerungsvorrichtung 30 in Schritt S30 einen Einstellwert El des Ausgangsstromes | der Ausgangsleistung P, welcher einer Umrechnung eines äquivalenten Stromes entspricht, zur Erreichung der geforderten Leistung, die aus einem nach dem Vorsteuerungswert V\K bemessenen Kraftstoffmassenstrom KM und Brennstoffausnutzungsrate N erzeugt werden kann. Auch hierfür greift die Steuerungsvorrichtung 30 auf in dem Speicher hinterlegte Werte, welche die Stoffeigenschaften des Kraftstoffs und Anzahl an Brennstoffzellenstapeln und Zellen beschreiben. Alternativ kann eine mathematische Formel eine Multiplikation aus den Vorsteuerwerten des Kraftstoffmassenstroms KM, der Brennstoffausnutzungsrate N, der Faraday-Konstante und brennstoffspezifischer Daten umfassen, sowie eine Division durch die Anzahl der Brennstoffzellenstapel und/oder Zellenanzahl enthalten.

[0047] Nachfolgend auf Schritt S30 gibt die Steuerungsvorrichtung 30 in Schritt S40 den bestimmten Einstellwert EI des Ausgangsstromes | für die Ausgangsleistung P als einen Sollwert an einen Eingang des Verbrauchers 40 weiter.

[0048] Gleichzeitig nimmt in Schritt S40 das Regelglied, basierend auf einem Vergleich einer gemessenen Ausgangsleistung P zu der Leistungsanforderung L, eine Verschiebung eines Betriebspunktes der Brennstoffzellen 10 auf den Vorsteuerungswert VK des Kraftstoffmassenstromes KM vor. Dadurch wird ein Stellwert für das Regelventil 21 und in weiterer Folge des Kraftstoffmassenstroms KM verändert. Die Schritte S20 und S30 ermitteln aufgrund des geänderten Kraftstoffmassenstromes KM einen neuen Einstellwert El für den Ausgangsstrom |. Der Ausgangsstrom | und die Ausgangsleistung P werden über die Sensorik 33 gemessen und über die Steuerungsvorrichtung 30 wieder als Istwerte an den Eingang des Regelgliedes zurückgeführt. Durch die beschriebene Regelschleife wird in Schritt S40 eine Einstellung des Kraftstoffmassen-

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strom KM als Führungsgröße eingeregelt, wodurch zeitgleich in dem Schritt S40 der resultierende, tatsächliche Ausgangsstrom | der Ausgangsleistung P auf den zuvor in Schritt S30 bestimmten Einstellwert El für den Ausgangsstrom | eingestellt oder eingeregelt wird.

[0049] An dieser Stelle des Kontrollverfahrens ist die Ausgangsleistung P zumindest unter Betrachtung einer Kraftstoffversorgung des Brennstoffzellensystems 100 an eine Änderung der Leistungsanforderung L des Verbrauchers 40 angepasst. Eine erneute Anpassung der Ausgangsleistung P des Brennstoffzellensystems 100 anhand einer erneuten Durchführung der genannten Verfahrensschritte durch die Steuerungsvorrichtung 30 erfolgt kontinuierlich in Zeitintervallen.

[0050] Zudem wird in den nachfolgenden Schritten S50 und $S51 eine Anpassung der Wasserversorgung erläutert. In Schritt S50 wird durch Messung des Massenstromsensors 31 der Kraftstoffmassenstrom KM erfasst, welcher der Reformervorrichtung 20 zugeführt wird. In Schritt S51 bestimmt die Steuerungsvorrichtung 30 einen Einstellwert EWM für den Wassermassenstrom WM zu dem durch den Massenstromsensor 31 erfassten Kraftstoffmassenstrom KM, wobei die Steuerungsvorrichtung 30 auf ein in dem Speicher hinterlegtes Verhältnis zwischen Wasserdampf und Kohlenstoff zurückgreift, das für den in der Reformervorrichtung 20 spezifisch ablaufenden Prozess der Dampfreformation vorab experimentell ermittelt wurde. Nach der Bestimmung des für die Dampfreformierung erforderlichen Wassermassenstrom WM im Verhältnis zu dem erfassten Kraftstoffmassenstrom KM wird in Schritt S52 eine Einstellung des Wassermassenstrom WM zu der Reformervorrichtung auf zuvor in Schritt $51 bestimmten Einstellwert EWM an dem Regelventil 22 vorgenommen. Diese Einstellung erfolgt wiederum über ein Regelglied in der Steuerungsvorrichtung 30, das den in Schritt S50 erfassten Wert des Wassermassenstromes WM als Istwert und den in Schritt S51 bestimmten Einstellwert EWM als Sollwert erhält sowie einen Stellwert für eine Ventilstellung des Regelventils 22 ausgibt.

[0051] Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

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BEZUGSZEICHENLISTE

10 Brennstoffzellen

20 Reformervorrichtung 21 Regelventil

22 Regelventil

30 Steuerungsvorrichtung

31 Massenstromsensor

32 Massenstromsensor

33 Sensorik für Ausgangstrom und Ausgangsspannung

40 Verbraucher

100 Brennstoffzellensystem

B Brennstoff

BM Brennstoffmassenstrom

| Ausgangsstrom

El Einstellwert für Ausgangsstrom

K Kraftstoff

KM Kraftstoffmassenstrom

L Lastanforderung / Verbraucherlast P Ausgangsleistung

U Ausgangsspannung

VKM —Vorsteuerungswert für Kraftstoffmassenstrom W Wasser WM Wassermassenstrom

EWM Einstellwert für Wassermassenstrom

Claims

A ‚hes AT 527 613 B1 2025-07-15 Ss N Patentansprüche

1. Kontrollverfahren für eine Leistungserzeugung eines Brennstoffzellensystems (100) mit einer Reformervorrichtung (20) zur Reformierung eines Kraftstoffes (K) in einen Brennstoff (B) für wenigstens eine Brennstoffzelle (10), aufweisend die Schritte:

- Erfassen (S10) einer Leistungsanforderung (L) von wenigstens einem Verbraucher (40), der durch eine Ausgangsleistung (P) der wenigstens einen Brennstoffzelle (10) versorgt wird;

- Bestimmen (S$20) eines Vorsteuerungswertes (VKM) eines Kraftstoffmassenstromes (KM) aus vorbestimmten Vorsteuerungswerten (VKM) oder einer vorbestimmten VerhältnismäBigkeit derselben zu Werten der erfassten Leistungsanforderung (L);

- Bestimmen (S30) eines Einstellwertes (El) eines Ausgangsstromes (I) der Ausgangsleistung (P), der dem Vorsteuerungswert (VKM) des Kraftstoffmassenstromes (KM) unter einer vorbestimmten Brennstoffausnutzungsrate (N) entspricht, wobei der Ausgangsstrom (1) der Ausgangsleistung (P), die am Ende des Kraftstoffmassenstromes (KM) resultiert, bereits am Anfang des Kraftstoffmassenstromes (KM) durch eine eingeleitete Menge eines Prozessgases oder Prozessstoffes zielführend variiert wird;

- Kontrollieren (S40) des Ausgangsstromes (I) der Ausgangsleistung (P) auf den bestimmten Einstellwert (El), zur Anpassung der Ausgangsleistung (P) an die Leistungsanforderung (L), durch Kontrollieren des Kraftstoffmassenstromes (KM).

2. Kontrollverfahren nach Anspruch 1, wobei der Kraftstoffmassenstrom (KM) in Abhängigkeit einer Temperatur (T) und/oder einer Zellspannung der wenigstens einen Brennstoffzelle (10) begrenzt oder verringert wird.

3. Kontrollverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kontrollieren (S40) der Ausgangsleistung (P) in Abhängigkeit der Temperatur (T) der wenigstens einen Brennstoffzelle (10) begrenzt oder verringert wird.

4. Kontrollverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kraftstoffmassenstrom (KM) in Abhängigkeit der Brennstoffausnutzungsrate (N) begrenzt oder verringert wird.

5. Kontrollverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einstellen (S40) der Ausgangsleistung (P) in Abhängigkeit einer Zellspannung der wenigstens einen Brennstoffzelle (10) begrenzt oder verringert wird.

6. Kontrollverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein unterer Grenzwert der Brennstoffausnutzungsrate (N) vorbestimmt ist, wobei ab einer Unterschreitung desselben das Bestimmen (S30) des Einstellwertes (El) des Ausgangsstromes (I) ausgesetzt wird.

7. Kontrollverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kraftstoffmassenstrom (KM) auf einen vorbestimmten unteren Grenzwert eingestellt wird, wenn keine Leistungsanforderung (L) besteht, insbesondere in einer Startphase der wenigstens einen Brennstoffzelle (10).

8. Kontrollverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kraftstoffmassenstrom (KM) auf einen vorbestimmten oberen Grenzwert eingestellt wird, wenn die Leistungsanforderung (L) einen vorbestimmten oberen Grenzwert überschreitet.

9. Kontrollverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen (S40) des Vorsteuerungswertes (VKM) des Kraftstoffmassenstromes (KM) auf einer vorbestimmten Zuordnung von Wertepaaren aus Vorsteuerungswerten (VKM) und Werten der Leistungsanforderung (L) oder einer vorbestimmten mathematischen Funktion der Vorsteuerungswerte (VKM) zu der Leistungsanforderung (L) basiert.

10. Kontrollverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten:

- Erfassen (S50) des geregelten Kraftstoffmassenstromes (KM), welcher der Reformervorrichtung (20) zur Reformierung in Brennstoff (B) zugeführt wird;

- Bestimmen ($51) eines Einstellwertes (EWM) eines Wassermassenstromes (WM) zu der Reformervorrichtung (20) in Bezug zu dem zugeführten Kraftstoffmassenstrom (KM) zu der Reformervorrichtung (20) aus einem vorbestimmten Reformierungsverhältnis zwischen Wasserdampf und Kohlenstoff; und

- Einstellen (S52) des Wassermassenstromes (WM) zu der Reformervorrichtung (20) auf den bestimmten Einstellwert (EWM).

11. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammproduktes auf einer Steuerungsvorrichtung (30) eines Brennstoffzellensystems (100) diese dazu veranlassen, die Schritte des Kontrollverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.

12. Brennstoffzellensystem (100) mit: einer Brennstoffzelle (10),

einer Reformervorrichtung (20) zur Reformierung eines Kraftstoffes (K) in einen Brennstoff (B) für die wenigstens eine Brennstoffzelle (10), mit:

einem Regelventil (21), mittels dem ein Kraftstoffmassenstrom (KM) zu der Reformervorrichtung (20) einstellbar ist,

einer Steuerungsvorrichtung (30) zur Steuerung des Brennstoffzellensystems (100), die Messsignale erhält von wenigstens:

einem Sensor (31) zur Erfassung des Kraftstoffmassenstromes (KM) zu der Reformervorrichtung (20), und

einer Sensorik (33) zur Erfassung eines Ausgangsstromes (I) und einer Ausgangsspannung (U) einer Ausgangsleistung (P) zur Versorgung eines Verbrauchers (40); wobei

die Steuerungsvorrichtung (30) dazu eingerichtet ist, die Schritte aus einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.

13. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 12, wobei die Steuerungsvorrichtung (30) eine Regelungsstrecke aufweist, und wobei die Regelstrecke als Eingangsgrößen den bestimmten Einstellwert (El) sowie fortlaufend Werte des erfassten Ausgangsstromes (I) erhält und die Regelstrecke als Ausgangsgröße fortlaufend eine Stellgröße für das Regelventil (21) ausgibt, mittels dem der Kraftstoffmassenstrom (KM) einstellbar ist.

14. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 13, wobei die Regelungsstrecke der Steuerungsvorrichtung (30) ein Vorsteuerungsmodul, ein Berechnungsmodul und ein Regelungsglied, insbesondere ein PID Regelungsglied umfasst, wobei das Vorsteuerungsmodul das Bestimmen (S20) des Vorsteuerungswertes (VKM) des Kraftstoffmassenstromes (KM) in Abhängigkeit der erfassten Leistungsanforderung (L) aus einem gespeicherten Kennfeld durchführt; wobei der Vorsteuerungswert (VKM) an das Berechnungsmodul übergeben wird, welches das Bestimmen (S$30) des Einstellwertes (El) des Ausgangsstromes (I) durchführt, und wobei der Einstellwert (El) an das Regelungsglied übergeben wird, das die Stellgröße an das Regelventil (21) ausgibt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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