EP4505539A2 - Verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems und ein brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems und ein brennstoffzellensystem

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EP4505539A2
EP4505539A2 EP23718201.9A EP23718201A EP4505539A2 EP 4505539 A2 EP4505539 A2 EP 4505539A2 EP 23718201 A EP23718201 A EP 23718201A EP 4505539 A2 EP4505539 A2 EP 4505539A2
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EP
European Patent Office
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fuel cell
fuel
cell system
unit
operating
Prior art date
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Pending
Application number
EP23718201.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Felix Schaefer
Sebastian Egger
Maxime Carre
Sebastian Schmaderer
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Definitions

  • a method for operating a fuel cell system in particular a high-temperature fuel cell system, has already been proposed, wherein in at least one method step an oxygen-containing fluid is promoted for reaction with a fuel through at least one fuel cell of the fuel cell system, wherein a flow parameter of the oxygen-containing fluid depends on a Power balance of the fuel cell system is set.
  • the invention is based on a method for operating a fuel cell system, in particular a high-temperature fuel cell system, wherein in at least one method step of the method an oxygen-containing fluid is conveyed for reaction with a fuel through at least one fuel cell unit of the fuel cell system, wherein a flow parameter of the oxygen-containing fluid depends on a performance balance of the fuel cell system is set.
  • the fuel cell system preferably comprises at least one fluid delivery unit, for example a fan, a compressor or a pump, for conveying the oxygen-containing fluid through the fuel cell unit.
  • the fuel cell system preferably comprises at least one control or regulating unit for setting, in particular regulating, the flow parameter by means of the fluid delivery unit.
  • the oxygen-containing fluid is preferably air, in particular sucked-in ambient air, alternatively an industrial gas, which consists at least partially, in particular predominantly, of oxygen.
  • the oxygen-containing fluid is intended in particular to be converted by the fuel cell unit by supplying a fuel in order to generate electrical energy.
  • the fuel cell unit comprises at least one fuel cell, in particular at least one high-temperature fuel cell, for example at least one molten carbon fuel cell (MCFC) and/or at least one solid oxide fuel cell (SOFC).
  • the fuel cell unit preferably comprises a plurality of fuel cells, which are preferably arranged in at least one stack.
  • the open-loop or closed-loop control unit preferably evaluates the power balance in order to set the flow parameter.
  • the flow parameter is, for example, a volume flow, a material flow, a mass flow, a particle flow or the like.
  • the power balance preferably sums up energy flows to and from the fuel cell unit, so that they result in zero, in particular apart from one error term.
  • the error term is preferably less than 20%, preferably less than 10%, particularly preferably less than 5%, of the largest term in terms of magnitude of the power balance.
  • the power balance preferably includes terms that describe an energy flow due to a transport of matter through the fuel cell unit, for example in the form of a molar enthalpy flow carried by the fuel, by the oxygen-containing fluid and/or by an exhaust gas.
  • the power balance is particularly preferably dependent on the flow parameter of the oxygen-containing fluid.
  • the power balance preferably includes a term that describes an energy flow carried by the oxygen-containing fluid entering the fuel cell unit.
  • the oxygen-containing fluid is preferably converted into an exhaust gas that is low in oxygen, in particular relative to the oxygen-containing fluid.
  • the power balance preferably includes a term that describes an energy flow carried by the low-oxygen exhaust gas emerging from the fuel cell unit.
  • the power balance preferably includes a term that describes an energy flow carried by the fuel entering the fuel cell unit.
  • Fuel is produced in the fuel cell unit preferably converted into an exhaust gas that is low in fuel, in particular relative to the fuel.
  • the power balance preferably includes a term that describes an energy flow carried by the low-fuel exhaust gas emerging from the fuel cell unit.
  • the power balance preferably includes a term that includes an electrical power provided by the fuel cell unit.
  • the power balance includes a term that describes heat losses of the fuel cell unit, in particular through heat conduction and/or heat radiation.
  • the heat losses are added to the error term.
  • the error term is preferably set to a constant value, in particular equal to zero or equal to a value determined in advance of the method.
  • the open-loop or closed-loop control unit uses the energy balance to determine a pre-control value for setting the flow parameter.
  • the open-loop or closed-loop control unit preferably compensates for an inaccuracy in the power balance due to the error term by regulating the flow parameter, which is added to the pre-control value.
  • the electrical power provided by the fuel cell unit, temperatures of the fuel cell system, gas properties of the oxygen-containing fluid and/or the fuel and/or other operating parameters of the fuel cell system are constant, in particular at least within a control accuracy of the open-loop or closed-loop control unit.
  • the load changes for example, the electrical power drawn from the fuel cell unit changes.
  • the method is preferably intended to adapt the flow parameter to the change in load.
  • the method is particularly preferably intended to adapt the flow parameter in the event of a rapid change in load.
  • temperatures of the fuel cell system, gas properties of the oxygen-containing fluid and/or the fuel remain constant, in particular at least within a control accuracy of the control or regulation unit.
  • the control unit updates a pre-control value to set the flow parameter using the energy balance.
  • the operating characteristic is preferably a number or variable which the control or regulating unit determines in the stationary operating state by a partial evaluation of the power balance and stores in a memory of the control or regulating unit.
  • the control or regulation unit preferably evaluates the Load change in at least one process step of the method produces a shortened form of the power balance by using the operating key figure.
  • the power balance includes in particular dynamic variables and quasi-constant variables. Compared to the dynamic variables, quasi-constant variables preferably have a smaller time derivative, preferably more than 5 times, preferably more than 10 times smaller.
  • an electrical current generated by the fuel cell unit and/or the flow parameter of the oxygen-containing fluid is a dynamic variable with respect to the load change.
  • a composition of the fuel, a fuel electrode input temperature of the fuel upon entry into the fuel cell unit, a fuel cell temperature of the fuel cell unit and/or a fuel utilization of the fuel cell unit is a quasi-constant variable with respect to the load change.
  • the operating characteristic preferably comprises one, particularly preferably several, of the quasi-constant variables.
  • the operating indicator combines several quasi-constant variables into a proportionality factor for at least one dynamic variable.
  • the open-loop or closed-loop control unit can determine the operating indicator by evaluating the quasi-constant variables summarized in the operating indicator and/or by evaluating the dynamic variables linked via the operating indicator.
  • the open-loop or closed-loop control unit checks regularly and/or on an occasion-related basis before determining the flow parameter whether the stored operating characteristic number is still valid. If the operating indicator is no longer valid, in particular if a variable assumed to be quasi-constant has changed by more than a tolerance value, the control or regulation unit evaluates an expanded, in particular complete, form of the power balance, preferably without recourse to the operating indicator.
  • the expanded, in particular complete, form of the performance balance preferably includes an explicit dependence on at least one, in particular all, variables summarized in the operating indicator.
  • the open-loop or closed-loop control unit updates the stored value of the operating key figure at least after an evaluation of the expanded, in particular complete, form of the performance balance.
  • the embodiment according to the invention can provide an advantageously robust and/or advantageously simple method, by means of which a required value of the flow parameter of the oxygen-containing fluid can advantageously be determined precisely. Furthermore, an advantageously high dynamic range of a fuel cell system operated with the method can be achieved.
  • the operating figure eliminates at least two unknowns of the power balance when the load changes.
  • the unknowns can be time-dependent variables and/or unknown constants, for example a composition of the fuel.
  • the operating key figure preferably includes at least two quasi-constant variables as unknowns of the power balance.
  • the open-loop or closed-loop control unit uses the stored value of the operating characteristic number instead of the unknown.
  • the control or regulation unit evaluates a calculation rule for the flow parameter, which is independent of the eliminated unknowns.
  • the control or regulation unit preferably determines the unknowns that can be eliminated by the operating indicator in order to determine the flow parameter. Due to the design according to the invention, advantageously few variables have to be evaluated or recorded. In particular, the flow parameter can advantageously be determined quickly or with advantageously little computing power and/or advantageously little memory requirement.
  • the operating characteristic is a dependence of the flow parameter on a fuel electrode inlet temperature of the fuel, on a fuel cell temperature of the at least one fuel cell unit, on a hydrogen-carbon ratio of the fuel, on an oxygen-carbon ratio of the fuel upon entry into the at least one fuel cell unit and / or from a fuel use that combines at least one fuel cell.
  • the fuel electrode inlet temperature of the fuel is in particular a temperature of the fuel when it enters the fuel cell unit.
  • the operating characteristic is preferably a thermoneutral electrical voltage of the fuel cell unit.
  • the operating characteristic gives in particular a ratio of an enthalpy change of the fuel to a number of electrons that occur during a reaction of the fuel in the fuel cell unit are bound using oxygen. Due to the design according to the invention, a calculation rule for determining the flow parameter can advantageously be kept compact. In particular, a dependence of the required value of the flow parameter on the fuel can be summarized in the operating characteristic.
  • the operating ratio be determined as a moving average.
  • the open-loop or closed-loop control unit determines a value of the operating characteristic in the stationary operating state at regular time intervals and/or triggered by receipt of a sensor signal from a sensor unit of the fuel cell system.
  • the control or regulation unit preferably stores several values of the operating key figure.
  • the open-loop or closed-loop control unit preferably uses an average value of the stored values of the operating characteristic number when determining the flow parameter using the operating characteristic number.
  • the mean can be an arithmetic mean or a geometric mean and weighted or unweighted.
  • the control or regulation unit preferably deletes all stored values when the control or regulation unit evaluates the expanded, in particular complete, form of the power balance in order to determine the flow parameter due to a change in one of the quasi-constant variables.
  • the design according to the invention allows a value of the operating characteristic number to be used which is advantageously uninfluenced by fluctuations in operating parameters of the fuel cell system.
  • the flow parameter when determining the flow parameter using the operating characteristic of the flow parameters, is determined as a function of a setpoint of a fuel cell temperature, in particular the fuel cell temperature already mentioned, of the at least one fuel cell unit.
  • the power balance term which describes the energy flow carried by the low-oxygen exhaust gas emerging from the fuel cell unit, is dependent on the fuel cell temperature.
  • An actual value of the fuel cell temperature can be recorded on and/or in the fuel cell unit or can be estimated depending on a temperature measurement value recorded downstream of the fuel cell unit based on the low-oxygen exhaust gas.
  • the design according to the invention allows the fuel cell temperature of the fuel cell unit adjusted, in particular regulated, via the flow parameter of the oxygen-containing fluid.
  • the operating characteristic is kept constant when the load changes.
  • the operating characteristic is kept constant for the duration of the load change.
  • no new value of the operating characteristic is determined during the load change.
  • the open-loop or closed-loop control unit preferably checks whether the operating indicator, in particular the last determined value of the operating indicator or the moving average of the operating indicator, is suitable for describing the fuel cell system during the load change and/or at a new value of a load of the fuel cell system .
  • the control or regulation unit checks whether the operating indicator lies within a predetermined tolerance band, which is stored in a memory of the control or regulation unit.
  • a maximum value and/or a minimum value of the tolerance band can be an individual value and/or a characteristic curve, which, for example, depends on a variable detected by the sensor unit, an actual value and/or a setpoint value of a variable to be set by the open-loop or closed-loop control unit and/or the load or change in load, in particular the electrical current, depends.
  • the open-loop or closed-loop control unit determines the flow parameter of the oxygen-containing fluid during and/or after the load change as a function of the operating characteristic, in particular that is assessed as suitable.
  • control or regulation unit evaluates the operating characteristic as unsuitable, the control or regulation unit preferably evaluates the expanded, in particular complete, power balance in order to determine the flow parameter during the load change and/or with the new load.
  • the design according to the invention allows the robustness of the method to be further increased. In particular, a risk of instability in the control of the flow parameter during the load change can be advantageously kept low.
  • the operating characteristic is changed when the load changes depending on the load change.
  • the operating characteristic is updated after the load change when a steady state is reached with the new load.
  • the operating indicator is from reaching the stationary level Status with the new load updated several times, especially regularly, especially until the next load change.
  • the operating characteristic is preferably updated, in particular only when the fuel cell system is in a stationary state. Due to the design according to the invention, the operating characteristic can advantageously be flexibly adapted to different operating states of the fuel cell system. In particular, there is no need to predetermine the operating characteristic in a wide variety of operating states before carrying out the method.
  • the operating characteristic is changed when the load changes as a function of the fuel electrode inlet temperature of the fuel.
  • the open-loop or closed-loop control unit preferably applies a correction function to the stored value of the operating characteristic, which depends on the fuel electrode input temperature.
  • the correction function can be a multiplicative or an additive factor to the stored value of the operating key figure.
  • the correction function preferably adds a linear correlation to the fuel electrode input temperature to the performance indicator.
  • the correction function includes further higher-order correction terms in the fuel electrode input temperature. Due to the embodiment according to the invention, the operating characteristic can advantageously be used to determine the flow parameter even if the fuel electrode input temperature has a change in the course of the load change that goes beyond a tolerance value for the change in the fuel electrode input temperature.
  • the composition of the fuel preferably changes as the fuel passes through the fuel cell system.
  • the fuel is fed into the fuel cell system in a fresh state, in particular as natural gas, optionally desulfurized, optionally mixed with the low-fuel exhaust gas, preferably reformed, preferably only partially oxidized to the low-fuel exhaust gas in the fuel cell unit and then preferably completely oxidized using an afterburner.
  • the measured value is preferably downstream of the Fuel cell unit, in particular in the fuel-poor exhaust gas, detected.
  • the measured value or in addition a further measured value of the composition of the fuel, in particular analogous to the measured value is recorded upstream of the fuel cell unit, preferably in the reformed fuel.
  • the measured value describes, for example, a, in particular molar, concentration, a volume fraction, a mass fraction, in particular per time, of a substance contained in the fuel at a measuring point of the measured value or a concentration ratio, a volume ratio and / or mass ratio of two or more at the measuring point of the measured value substances contained in the fuel.
  • the measured value is a combustion air ratio of the fuel or a quantity analogous to the combustion air ratio, such as an oxygen deficit, a fuel excess, in particular an excess of electrons available for oxidation, or the like.
  • the measured value and/or the further measured value is preferably recorded in a stationary operating state of the fuel cell system.
  • the open-loop or closed-loop control unit preferably determines the operating parameter depending on the measured value and/or the further measured value.
  • the open-loop or closed-loop control unit determines the operating parameter depending on an actual value of the flow parameter, in particular by reversing the calculation rule for determining the flow parameter depending on the operating parameter.
  • the actual value of the flow parameter is determined by the control or regulating unit, for example via the expanded, in particular complete, form of the power balance. Due to the design according to the invention, uncertainty in the determination of the operating parameter can advantageously be kept small. In particular, an accuracy of the operating parameter can be maintained independently of an accuracy in the determination of the flow parameter.
  • the measured value is recorded using at least one lambda probe.
  • the measured value and/or the further measured value is recorded using, in particular, a broadband lambda probe.
  • the lambda probe preferably comprises a Nernst cell and a pump cell, which are connected to one another in series, with a measuring chamber being arranged between the two cell variants.
  • the measuring chamber is preferably delimited by a ceramic diffusion barrier of the lambda probe.
  • the lambda sensor is optionally kept at a constant temperature Temperature is maintained, in particular so that an influence of the temperature on a probe signal, in particular a pump current of the pump cell, of the lambda probe is eliminated.
  • the lambda sensor preferably has a response time of less than 500 ms, preferably less than 200 ms, particularly preferably less than 100 ms.
  • a voltage signal from the Nernst cell is preferably regulated to a constant value, for example of 450 mV, in particular so that a defined combustion air ratio, in particular the stoichiometric combustion air ratio, is present in the measuring chamber.
  • the lambda probe preferably uses the pump cell as an actuator to pump oxygen into or out of the measuring chamber depending on the composition of the fuel in the measuring chamber.
  • the lambda sensor determines a mass flow of oxygen depending, in particular by means of a proportionality factor, on the set pump current of the pump cell.
  • the measured value and/or the further measured value is recorded using, in particular, a jump lambda probe.
  • the measured value and/or the further measured value is recorded by means of, in particular, a fuel cell additional to the fuel cell unit, which is operated in particular analogously to a lambda probe.
  • the lambda probe is preferably arranged upstream, in particular directly upstream, at a fuel inlet of the fuel cell unit or downstream, in particular directly downstream, at an exhaust gas outlet of the fuel cell unit, via which the fuel-poor exhaust gas is exhausted from the fuel cell unit.
  • the fuel cell system particularly preferably comprises a lambda sensor downstream of the fuel cell unit and a further lambda sensor upstream of the fuel cell unit.
  • two objects are arranged “directly” upstream or downstream of one another should be understood in particular to mean that no further objects are arranged along the flow direction between these objects which change a composition of the fluid flowing through the objects, for example a reformer, an afterburner or similar.
  • the objects arranged directly upstream or downstream of one another can be in physical contact with one another or can be arranged at a distance from one another and can be fluidly connected, for example by means of fluid lines, a distributor plate or the like.
  • further objects can be arranged along the flow direction between the objects arranged directly upstream or downstream of one another, which do not have a composition of the fluid flowing through the objects change, for example a temperature sensor or the like. Due to the design according to the invention, the measured value and/or the further measured value can advantageously be recorded simply and cost-effectively. Furthermore, the measured value and/or the further measured value can advantageously be recorded quickly and/or advantageously precisely.
  • variable variables from which the operating key figure is determined are determined as a function of the at least one measured value, in particular of the at least one measured value and/or the further measured value.
  • the open-loop or closed-loop control unit preferably determines at least one of the variable variables of the operating key figure using a regression function of the measured value and/or the further measured value.
  • the regression function preferably indicates an energy carried by the fuel, in particular in the form of a molar enthalpy, into or out of the fuel cell unit as a function of the measured value or the further measured value.
  • the regression function can be stored as an analytical expression or as a table in the control or regulation unit.
  • a set of regression functions is stored in the open-loop or closed-loop control unit, which differ from one another as parameters in particular by the fuel electrode input temperature of the fuel or the fuel cell temperature of the at least one fuel cell unit.
  • the open-loop or closed-loop control unit determines the fuel usage of the fuel cell unit, preferably depending on a difference between the measured value and the further measured value. If the measured value or the further measured value describes the oxygen deficit, the open-loop or closed-loop control unit determines the number of available electrons in the fuel to determine the operating characteristic, preferably by means of a correlation function depending on the measured value and/or the further measured value.
  • the correlation function maps a distance of the measured value and/or the further measured value from the stoichiometric combustion air ratio to the number of available electrons in the fuel.
  • the regression function is a monotonically decreasing function in the measured value and/or the further measured value. Due to the design according to the invention, the operating characteristic can be determined simply, quickly and reliably with advantageously little effort on measuring devices.
  • a fuel cell system with at least one, in particular the already mentioned, fuel cell unit and with at least one, in particular the already mentioned, control or regulating unit is proposed for carrying out a method according to the invention.
  • a “control or regulation unit” is to be understood in particular as a unit with at least one control electronics.
  • Control electronics is to be understood in particular as a unit with a processor unit and with a memory as well as with an operating program stored in the memory.
  • the fuel cell system preferably includes the fluid delivery unit.
  • the fuel includes, for example, hydrogen, methane, ethane, propane and/or another hydrocarbon, in particular an alkane.
  • the fuel is natural gas, a natural gas-hydrogen mixture, pure hydrogen or the like.
  • the fuel cell system optionally includes further components for processing and/or post-processing the oxygen-containing fluid, the fuel and/or the exhaust gases.
  • the fuel cell system may include a reformer for reforming the fuel, an afterburner for burning fuel residues in the exhaust gases, heat exchangers for preheating the fuel and/or the oxygen-containing fluid or the like.
  • the fuel cell system preferably includes the sensor unit for detecting the fuel electrode input temperature, the fuel cell temperature, an inlet temperature of the oxygen-containing fluid upon entry into the fuel cell unit, an electrical current generated by the fuel cell unit and an electrical voltage associated with the current, an actual value of the flow parameter and/or further operating parameters of the fuel cell system.
  • the sensor unit includes the lambda probe and/or the further lambda probe.
  • the method according to the invention and/or the fuel cell system according to the invention should not be limited to the application and embodiment described above.
  • the method according to the invention and/or the fuel cell system according to the invention can be one of a number of individual elements, components and units mentioned herein in order to fulfill a mode of operation described herein Process steps have a different number.
  • values lying within the stated limits should also be considered disclosed and can be used in any way.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention
  • Fig. 3 is a schematic representation of a further embodiment of a fuel cell system according to the invention with lambda sensors and
  • FIG. 4 shows a schematic flowchart of a further embodiment of a method according to the invention with the fuel cell system shown in FIG. 3.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system 12a.
  • the fuel cell system 12a includes at least one fuel cell unit 14a.
  • the fuel cell unit 14a includes at least one, in particular several, fuel cells, in particular high-temperature fuel cells.
  • the fuel cell system 12a preferably comprises at least one fluid supply 18a for supplying an oxygen-containing fluid to the fuel cell unit 14a, in particular to at least one cathode of the fuel cell unit 14a.
  • the oxygen-containing fluid is, for example, air.
  • the fuel cell system 12a preferably comprises at least one fuel supply 22a for supplying a fuel to the fuel cell unit 14a, in particular to at least one anode of the fuel cell unit 14a.
  • the fuel cell unit 14a is preferably intended to react the oxygen-containing fluid with the fuel to generate an electrical current.
  • the fuel cell system 12a preferably includes an exhaust line 20a for removing an oxygen-poor exhaust gas resulting from the oxygen-containing fluid.
  • the fuel cell system 12a preferably includes a further exhaust line 24a for removing a low-fuel exhaust gas resulting from the fuel.
  • the fuel cell system 12a preferably includes a fluid delivery unit 26a for delivering the oxygen-containing fluid through the fluid supply 18a.
  • the fluid delivery unit 26a is preferably designed as a fan, blower, pump or compressor.
  • the fuel cell system 12a includes at least one control or regulating unit 16a for carrying out a method 10a, which is explained in more detail in FIG.
  • the control or regulating unit 16a is preferably intended to set a flow parameter of the oxygen-containing fluid by means of the fluid delivery unit 26a.
  • the fuel cell system 12a is shown here only in a rudimentary manner with the components that are more relevant to the method 10a.
  • the fuel cell system 12a can include further components, as shown for example in Figure 3.
  • FIG. 2 shows the method 10a for operating the fuel cell system 12a.
  • the method 10a preferably includes a switch-on process 28a, in which the fuel cell system 12a is put into operation.
  • the method 10a preferably includes an operating point control 30a, in which the control or regulating unit 16a controls an operating point of the fuel cell system 12a.
  • the fluid delivery unit 26a preferably conveys the oxygen-containing fluid through the fuel cell unit 14a.
  • the control or regulating unit 16a sets the flow parameter Ao 2 ,em of the oxygen-containing fluid, preferably by means of the fluid delivery unit 26a.
  • a setpoint of the flow parameter n 02 ,em is determined depending on a setpoint of a fuel cell temperature T stk of the at least one fuel cell unit 14a.
  • the flow parameter ho 2 ,a of the oxygen-containing fluid is determined depending on a power balance of the Fuel cell system 12a set.
  • the control or regulating unit 16a in the operating point control 30a determines a pre-control value of the flow parameter depending on an expanded, in particular complete, form of the power balance.
  • control or regulating unit 16a determines a pre-control value of the flow parameter in the operating point control 30a as a function of a characteristic curve of the flow parameter stored in advance in the memory of the control or regulating unit, which is preferably dependent on the electrical current generated by the fuel cell unit 14a is.
  • the flow parameter is expressed by the characteristic curve as a linear function, in particular only, of the electrical current.
  • control or regulating unit 16a evaluates the following stationary power balance: where H t denotes an enthalpy flow associated with a transport of the oxygen-containing fluid, the fuel and the exhaust gas into and out of the fuel cell unit 14a, P el denotes an electrical power generated by the fuel cell unit 14a and Err Q loss , ... ) denotes an error term.
  • the power balance preferably includes an energy flow carried by the oxygen-containing fluid to the fuel cell unit 14a:
  • a of the oxygen-containing fluid upon entry into the fuel cell unit 14a and rio 2 denotes the flow parameter.
  • the flow parameter here is designed, for example, as a material flow.
  • the power balance preferably includes an energy flow carried away by the low-oxygen exhaust gas away from the fuel cell unit 14a:
  • h 02iaus denotes a molar enthalpy of the oxygen-poor exhaust gas upon exit from the fuel cell unit 14a depending on the fuel cell temperature T stk and n 02itrans denotes an oxygen material flow within the fuel cell unit 14a from the oxygen-containing fluid into the fuel depending on the electrical current I el .
  • the power balance preferably includes an energy flow carried by the fuel to the fuel cell unit 14a: where h bSi a denotes a molar enthalpy of the fuel upon entry into the fuel cell unit 14a and n bs>a denotes a material flow of the fuel.
  • the molar enthalpy h bSi in of the fuel is preferably expressed as a function of a fuel electrode input temperature T bSi in of the fuel upon entry into the fuel cell unit 14a, a hydrogen-carbon ratio HC of the fuel, and an oxygen-carbon ratio of the fuel upon entry into the fuel cell unit 14a.
  • the material flow n bs > in of the fuel is preferably expressed as a function of the electrical current I et , a fuel utilization FU stk of the fuel cell unit 14a and a number of electrons of the fuel available for oxidation K e - bs , in per mole of the fuel.
  • the power balance preferably includes an energy flow carried by the fuel-poor exhaust gas away from the fuel cell unit 14a:
  • h bSi from denotes a molar enthalpy of the low-fuel exhaust gas as it exits the fuel cell unit 14a and n b s, from denotes a material flow of the low-fuel exhaust gas.
  • the molar enthalpy h bSi from the fuel-poor exhaust gas is preferably expressed as a function of the fuel cell temperature T stk , the hydrogen-carbon ratio of the fuel and an oxygen-carbon ratio of the fuel-poor exhaust gas as it exits the fuel cell unit 14a.
  • the material flow n b s, from the fuel-poor exhaust gas is preferably as a function of the electrical current I et , the fuel utilization FU stk of the fuel cell unit 14a, which is required for oxidation available number K e - bs in of electrons of the fuel per mole of the fuel and a ratio of a number K c bs in of carbon atoms in the fuel per mole of fuel to a number K c bs out of carbon atoms in the fuel-poor exhaust gas expressed per mole of this exhaust gas .
  • the error term Err Q loss , (7) preferably summarizes all further energy flows to and/or from the fuel cell unit 14a, which in particular are not explicitly determined in the course of this execution of the method 10a.
  • the error term is, for example, dependent on heat losses Q Ver iust of the fuel cell unit 14a, which take place in particular via heat conduction and/or heat radiation.
  • the error term Err Q loss , ... ) is set equal to zero when determining the pre-control value of the flow parameter fio 2 , a.
  • the error term Err Q Loss , ...) can be split into further terms in order, for example, to explicitly take heat losses Q Loss into account in the power balance.
  • Control unit 16a determines the flow parameter ho 2 ,etn using the following calculation rule derived from the power balance:
  • the method 10a preferably includes a regular operation 32a.
  • the oxygen-containing fluid is conveyed by the fluid delivery unit 26a for reaction with the fuel through the at least one fuel cell unit 14a of the fuel cell system 12a.
  • the control or regulating unit 16a keeps the fuel cell system 12a in a stationary state that depends on the operating point Condition.
  • the method 10a preferably includes an operating status test 44a. In the operating state test 44a, the control or regulating unit 16a checks whether the state of the fuel cell system 12a is stationary.
  • the method 10a preferably includes an operating metrics update 46a.
  • the method 10a preferably performs the performance indicator update 46a when the fuel cell system 12a is in a steady state.
  • the control or regulating unit 16a determines an operating code BK.
  • the operating key figure BK is defined, for example, as follows:
  • the operating key figure BK eliminates at least two unknowns of the current balance.
  • the operating characteristic BK captures a dependence of the flow parameter on the fuel electrode inlet temperature T bs of the fuel, on the fuel cell temperature T stk of the at least one fuel cell unit 14a, on the hydrogen-carbon ratio HC of the fuel, on the oxygen-carbon ratio 0C bs of the fuel at an entry in the at least one fuel cell unit 14a and/or the fuel utilization FU of the at least one fuel cell unit 14a together.
  • the operating characteristic BK replaces a dependence of the power balance on a composition, in particular gas quality, of the fuel and its influence on a cooling requirement of the fuel cell unit 14a, in particular by means of the oxygen-containing fluid.
  • the open-loop or closed-loop control unit 16a preferably determines the operating key figure BK using the following calculation rule:
  • the control or regulation unit 16a preferably stores the determined value of the operating characteristic number BK in the memory of the control or regulation unit 16a.
  • the operating key figure BK is determined as a moving average.
  • the electrical current I el in particular is a time-dependent function.
  • the method 10a preferably includes an operating characteristic test 36a.
  • the control or regulating unit 16a preferably checks whether the stored value of the operating indicator BK is suitable for describing the fuel cell system 12a under the load change 34a. If the operating characteristic BK is unsuitable, the control or regulating unit 16a preferably carries out a conventional pilot control 42a. If the operating characteristic number BK is suitable, the control or regulation unit 16a preferably carries out a shortened power balance evaluation 38a of the method 10a.
  • control or regulating unit 16a evaluates, for example, the already mentioned characteristic curve of the flow parameter or the above calculation rule for the flow parameter fio 2 , which is based in particular on a complete form of the power balance, in particular with the terms specified above.
  • Load change 34a of the fuel cell system 12a is partially replaced by the operating characteristic number BK of the fuel cell system 12a determined in the stationary state of the fuel cell system 12a, whereby in particular all unknowns of the energy balance are eliminated.
  • BK the operating characteristic number of the fuel cell system 12a determined in the stationary state of the fuel cell system 12a
  • the operating characteristic BK is kept constant during the load change 34a and is preferably not updated at least for the duration of the load change 34a. If the fuel cell temperature T stk changes with the load change 34a, the operating characteristic BK is changed with the load change 34a as a function of the fuel electrode input temperature T bs a of the fuel. In particular, the stored value of the operating characteristic number BK is subjected to a factor that correlates with the fuel electrode input temperature T bs .
  • the method 10a preferably includes a control 40a.
  • the control or regulating unit 16a preferably regulates the Flow parameter n ⁇ ⁇ starting from the pre-control value of the flow parameter fio 2 ,em- determined by means of the conventional pilot control 42a or the shortened power balance evaluation 38a.
  • the operating index BK is changed depending on the load change 34a.
  • FIG. 3 shows a fuel cell system 12b.
  • the fuel cell system 12b includes at least one fuel cell unit 14b.
  • the fuel cell unit 14b comprises at least one, in particular several, fuel cells, in particular high-temperature fuel cells.
  • the fuel cell system 12b preferably comprises at least one fluid supply 18b, a fuel supply 22b, an exhaust line 20b, a further exhaust line 24b and/or a fluid delivery unit 26b as described above in relation to Figure 1.
  • the fuel cell system 12b comprises at least one control or regulating unit 16b for carrying out a method 10b, which is explained in more detail in FIG.
  • the fuel cell system 12b preferably includes a fuel delivery unit 48b for conveying a fuel through the fuel supply 22b, the fuel cell unit 14b and the further exhaust line 24b.
  • the fuel cell system 12b optionally includes a desulfurizer 58b for desulphurizing the fuel, in particular downstream of the fuel delivery unit 48b.
  • the fuel cell system 12b preferably comprises a further heat exchanger 62b, for transferring heat from an exhaust gas of the fuel cell system 12b to the fuel, in particular downstream of the fuel delivery unit 48b and/or the desulphurizer 58b.
  • the fuel cell system 12b preferably includes a reformer 64b for reforming the fuel, in particular downstream of the further heat exchanger 62b and upstream of the fuel cell unit 14b.
  • the fuel cell system 12b preferably includes an afterburner 54b for the thermal utilization of fuel residues which are contained in an exhaust gas transported with the further exhaust line 24b.
  • the further heat exchanger 62b is preferably arranged downstream of an outlet of the afterburner 54b.
  • the fuel cell system 12b preferably comprises a heat exchanger 60b for transferring heat from the exhaust gas of the fuel cell system 12b, in particular the afterburner 54b, to an oxygen-containing fluid in the fluid supply 18b.
  • the fuel cell system 12b includes a Recirculation line for returning the exhaust gas carried by the further exhaust line 24b into the fuel supply 22b, with a feed point of the exhaust gas preferably being arranged upstream of the reformer 64b.
  • the fuel cell system 12b preferably includes a recirculation conveying unit 56b for conveying the exhaust gas carried by the further exhaust gas line 24b through the recirculation line.
  • the fuel cell system 12b preferably comprises at least one lambda probe 52b, which is arranged in the further exhaust line 24b or in the recirculation line of the fuel cell system 12b or downstream of a branch of the exhaust line 24b into the recirculation line and upstream of the afterburner 54b.
  • the lambda probe 52b is preferably intended to record a measured value of a composition of a fuel-poor exhaust gas produced by converting the fuel in the fuel cell unit 14b.
  • the fuel cell system 12b preferably includes at least one further lambda sensor 50b, which is arranged in the fuel supply 22b.
  • the further lambda probe 50b is preferably arranged downstream of the reformer 64b.
  • the further lambda probe 50b is preferably intended to record a further measured value of a composition of the fuel, in particular reformed, entering the fuel cell unit 14b.
  • Figure 4 shows the method 10b for operating the fuel cell system 12b.
  • the method 10b includes an operating indicator update 46b.
  • the control or regulating unit 16b preferably determines the operating key figure BK using the following calculation rule:
  • At least one method step of method 10b at least one measured value of a composition of the fuel is recorded, depending on which the operating characteristic BK is determined.
  • the measured value is recorded using at least one of the lambda sensors 50b, 52b. At least the majority, in particular all, of the variable variables from which the operating key figure BK is determined are determined depending on the at least one measured value.
  • the control unit 16b preferably determines fuel usage FU stk of the fuel cell unit 14b using the following calculation rule:
  • the method 10b preferably includes a measuring step 66b, in which the combustion air ratio bs from the fuel-poor exhaust gas is preferably detected by the lambda sensor 50b.
  • the method 10b preferably includes a measuring step 68b, in which the combustion air ratio bs,in of the fuel upon entry into the fuel cell unit 14b is preferably detected by the further lambda probe 52b.
  • the control or regulating unit 16b determines a molar enthalpy h bs a of the fuel when it enters the fuel cell unit 14b, preferably by means of a regression function depending on the further measured value, in particular the combustion air ratio Abs>a of the fuel when it enters the fuel cell unit 14b.
  • the open-loop or closed-loop control unit 16b preferably uses a fuel electrode input temperature T bs a of the fuel upon entry into the fuel cell unit 14b, as a parameter of the regression function or a specific regression function from a family of regression functions of the molar enthalpy h bs a of the fuel upon entry into the fuel cell unit Select 14b.
  • the control or regulating unit 16b preferably determines a molar enthalpy h bs from the low-fuel exhaust gas as it exits the fuel cell unit 14b by means of a further regression function depending on the measured value, in particular the combustion air ratio Abs , from the low-fuel exhaust gas as it exits the fuel cell unit 14b.
  • the open-loop or closed-loop control unit 16b preferably uses a fuel cell temperature T stk of the fuel cell unit 14b as a parameter of the further regression function or in order to select a specific further regression function from a family of further regression functions of the molar enthalpy h bs from the fuel-poor exhaust gas as it exits the fuel cell unit 14b.
  • the further regression function forms the combustion air ratio Abs , from des low-fuel exhaust gas directly to the product h bs from Kc ' bs ' em from the molar c,bs, from
  • the ratio of the molar amounts of carbon K Cibs to K Cibs is set to equal 1 or another constant determined in advance of the process.
  • the method 10b preferably includes a measuring step 70b for detecting a fuel cell temperature T stk , the fuel electrode input temperature T bs and/or further operating parameters of the fuel cell system 12b.
  • the open-loop or closed-loop control unit 16b preferably determines a number of electrons available in the fuel upon entry into the fuel cell unit 14b, preferably by means of a correlation function depending on the further measured value.
  • the at least one measured value is optionally corrected using a machine learning process, in particular in the sense of a hybrid system.
  • the machine learning process is preferably trained in advance of the method 10b with training data for estimating the error s in different operating points of the fuel cell system 12b.
  • the machine learning process can be carried out as a function of at least one measurement variable of at least one of the lambda sensors 50b, 52b such as pump current, pump voltage, temperature and/or Nernst voltage and/or as a function of at least one operating parameter of the fuel cell system 12b such as a component temperature, a fuel temperature, a pressure of the fuel , a volume flow of fuel or the like.
  • the error E preferably represents an initial variable to which the machine learning process is trained.
  • the machine learning process is designed, for example, as a multivariate linear regression, as a neural network and/or as a Gaussian process.
  • FIGS. 1 and 2 With regard to further features of the fuel cell system 12b and/or the method 10b, reference is made to FIGS. 1 and 2 and their description.
  • the method 10a can also be carried out with the fuel cell system 12b, or each component shown in the fuel cell system 12b can also be inserted into the fuel cell system 10a without adapting the method 10a.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens ein sauerstoffhaltiges Fluid zu einer Umsetzung mit einem Brennstoff durch zumindest eine Brennstoffzelleneinheit (14a; 14b) des Brennstoffzellensystems gefördert wird, wobei ein Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids in Abhängigkeit von einer Leistungsbilanz des Brennstoffzellensystems eingestellt wird. Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens die Leistungsbilanz bei einer Laständerung (34a; 34b) des Brennstoffzellensystems teilweise durch eine in einem stationären Zustand des Brennstoffzellensystems ermittelte Betriebskennzahl des Brennstoffzellensystems ersetzt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellen- system
Stand der Technik
Es ist bereits ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, vorgeschlagen worden, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt ein sauerstoffhaltiges Fluid zu einer Umsetzung mit einem Brennstoff durch zumindest eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems gefördert wird, wobei ein Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids in Abhängigkeit von einer Leistungsbilanz des Brennstoffzellensystems eingestellt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens ein sauerstoffhaltiges Fluid zu einer Umsetzung mit einem Brennstoff durch zumindest eine Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellensystems gefördert wird, wobei ein Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids in Abhängigkeit von einer Leistungsbilanz des Brennstoffzellensystems eingestellt wird.
Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens die Leistungsbilanz bei einer Laständerung des Brennstoffzellensystems teilweise durch eine in einem stationären Zustand des Brennstoffzellensystems ermittelte Betriebskennzahl des Brennstoffzellensystems ersetzt wird. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise zumindest eine Fluidfördereinheit, beispielsweise einen Ventilator, einen Kompressor oder eine Pumpe, zu einem Fördern des sauerstoffhaltigen Fluids durch die Brennstoffzelleneinheit hindurch. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise zumindest eine Steuer- oder Regeleinheit zu einem Einstellen, insbesondere Regeln, des Strömungsparameters mittels der Fluidfördereinheit. Das sauerstoffhaltige Fluid ist vorzugsweise Luft, insbesondere angesaugte Umgebungsluft, alternativ ein Industriegas, welches zumindest zum Teil, insbesondere mehrheitlich, aus Sauerstoff besteht. Das sauerstoffhaltige Fluid ist insbesondere dazu vorgesehen, von der Brennstoffzelleneinheit unter Zuführung eines Brennstoffs umgesetzt zu werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Die Brennstoffzelleneinheit umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, insbesondere zumindest eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, beispielsweise zumindest eine Schmelzkarbonbrennstoffzelle (MCFC) und/oder zumindest eine Feststoffoxidbrennstoffzelle (SOFC). Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit mehrere Brennstoffzellen, welche vorzugsweise in zumindest einem Stack angeordnet sind.
Die Steuer- oder Regeleinheit wertet bevorzugt die Leistungsbilanz aus, um den Strömungsparameter einzustellen. Der Strömungsparameter ist beispielsweise ein Volumenstrom, ein Stoffstrom, ein Massenstrom, ein Teilchenstrom oder dergleichen. Die Leistungsbilanz summiert vorzugsweise Energieflüsse zu und von der Brennstoffzelleneinheit auf, sodass diese insbesondere bis auf einen Fehlerterm sich zu Null ergeben. Der Fehlerterm ist vorzugsweise kleiner als 20 %, bevorzugt kleiner als 10 %, besonders bevorzugt kleiner als 5 %, des betragsmäßig größten Terms der Leistungsbilanz. Vorzugsweise umfasst die Leistungsbilanz Terme, die einen Energiefluss aufgrund eines Materietransports durch die Brennstoffzelleneinheit beschreiben, beispielsweise in Form eines von dem Brennstoff, von dem sauerstoffhaltigen Fluid und/oder von einem Abgas getragenen molaren Enthalpieflusses. Besonders bevorzugt ist die Leistungsbilanz abhängig von dem Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids. Bevorzugt umfasst die Leistungsbilanz einen Term, der einen von dem in die Brennstoffzelleneinheit eintretenden sauerstoffhaltigen Fluid getragenen Energiefluss beschreibt. In der Brennstoffzelleneinheit wird das sauerstoffhaltige Fluid vorzugsweise zu einem, insbesondere relativ zu dem sauerstoffhaltigen Fluid, sauerstoffarmen Abgas umgesetzt. Vorzugsweise umfasst die Leistungsbilanz einen Term, der einen von dem aus der Brennstoffzelleneinheit austretenden sauerstoffarmen Abgas getragenen Energiefluss beschreibt. Bevorzugt umfasst die Leistungsbilanz einen Term, der einen von dem in die Brennstoffzelleneinheit eintretenden Brennstoff getragenen Energiefluss beschreibt. In der Brennstoffzelleneinheit wird Brennstoff vorzugsweise zu einem, insbesondere relativ zu dem Brennstoff, brennstoffarmen Abgas umgesetzt. Vorzugsweise umfasst die Leistungsbilanz einen Term, der einen von dem aus der Brennstoffzelleneinheit austretenden brennstoffarmen Abgas getragenen Energiefluss beschreibt. Vorzugsweise umfasst die Leistungsbilanz einen Term, der eine von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellte elektrische Leistung umfasst. Optional umfasst die Leistungsbilanz einen Term, der Wärmeverluste der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere durch Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung, beschreibt. Alternativ werden die Wärmeverluste dem Fehlerterm zugeschlagen. Vorzugsweise wird der Fehlerterm auf einen konstanten Wert, insbesondere gleich Null oder gleich einem im Vorfeld des Verfahrens ermittelten Wert, gesetzt. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit mittels der Energiebilanz einen Vorsteuerwert zu einem Einstellen des Strömungsparameters. Vorzugsweise kompensiert die Steuer- oder Regeleinheit eine Ungenauigkeit der Leistungsbilanz aufgrund des Fehlerterms mit einer Regelung des Strömungsparameters, welche auf den Vorsteuerwert aufaddiert wird.
In dem stationären Zustand ist die von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellte elektrische Leistung, Temperaturen des Brennstoffzellensystems, Gaseigenschaften des sauerstoffhaltigen Fluids und/oder des Brennstoffs und/oder andere Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems, insbesondere zumindest innerhalb einer Regelgenauigkeit der Steuer- oder Regeleinheit, konstant. Bei einer Laständerung ändert sich beispielsweise die von der Brennstoffzelleneinheit abgegriffene elektrische Leistung. Das Verfahren ist vorzugsweise dazu vorgesehen, den Strömungsparameter an die Laständerung anzupassen. Besonders bevorzugt ist das Verfahren dazu vorgesehen, den Strömungsparameter bei einer schnellen Laständerung anzupassen. Bei einer schnellen Laständerung bleiben Temperaturen des Brennstoffzellensystems, Gaseigenschaften des sauerstoffhaltigen Fluids und/oder des Brennstoffs, insbesondere zumindest innerhalb einer Regelgenauigkeit der Steuer- oder Regeleinheit, konstant. Vorzugsweise aktualisiert die Steuer- oder Regeleinheit bei einer Laständerung mittels der Energiebilanz einen Vorsteuerwert zu einem Einstellen des Strömungsparameters.
Die Betriebskennzahl ist vorzugsweise eine Zahl oder Größe, welche die Steueroder Regeleinheit in dem stationären Betriebszustand durch eine Teilauswertung der Leistungsbilanz ermittelt und in einem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit hinterlegt. Vorzugsweise wertet die Steuer- oder Regeleinheit bei der Laständerung in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens eine verkürzte Form der Leistungsbilanz durch Rückgriff auf die Betriebskennzahl aus. Die Leistungsbilanz umfasst bezüglich der Laständerung insbesondere dynamische Größen und quasikonstante Größen. Quasikonstante Größen weisen im Vergleich zu den dynamischen Größen vorzugsweise eine kleinere, vorzugsweise eine um mehr als das 5-fache, bevorzugt um mehr als das 10-fache, kleinere zeitliche Ableitung auf. Insbesondere ist ein von der Brennstoffzelleneinheit erzeugter elektrischer Strom und/oder der Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids eine dynamische Größe bezüglich der Laständerung. Beispielsweise ist eine Zusammensetzung des Brennstoffs, eine Brennstoffelektrodeneingangstemperatur des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit, eine Brennstoffzellentemperatur der Brennstoffzelleneinheit und/oder eine Brennstoffnutzung der Brennstoffzelleneinheit eine quasikonstante Größe bezüglich der Laständerung. Die Betriebskennzahl umfasst vorzugsweise eine, besonderes bevorzugt mehrere der quasikonstanten Größen. Insbesondere fasst die Betriebskennzahl mehrere quasikonstante Größen zu einem Proportionalitätsfaktor für zumindest eine dynamische Größe zusammen. Die Steuer- oder Regeleinheit kann die Betriebskennzahl durch Auswertung der in der Betriebskennzahl zusammengefassten quasikonstanten Größen und/oder durch Auswertung der über die Betriebskennzahl verknüpften dynamischen Größen ermitteln.
Vorzugsweise prüft die Steuer- oder Regeleinheit regelmäßig und/oder anlassbezogen vor einer Ermittlung des Strömungsparameters, ob die abgespeicherte Betriebskennzahl noch gültig ist. Ist die Betriebskennzahl nicht mehr gültig, insbesondere wenn sich eine als quasikonstant angenommene Größe um mehr als einen Toleranzwert verändert hat, wertet die Steuer- oder Regeleinheit eine erweiterte, insbesondere vollständige, Form der Leistungsbilanz vorzugsweise ohne Rückgriff auf die Betriebskennzahl aus. Die erweiterte, insbesondere vollständige, Form der Leistungsbilanz umfasst vorzugsweise eine explizite Abhängigkeit von zumindest einer, insbesondere aller, in der Betriebskennziffer zusammengefassten Größen. Vorzugsweise aktualisiert die Steuer- oder Regeleinheit den abgespeicherten Wert der Betriebskennzahl zumindest nach einer Auswertung der erweiterten, insbesondere vollständigen, Form der Leistungsbilanz.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft robustes und/oder vorteilhaft einfaches Verfahren bereitgestellt werden, mittels dessen ein benötigter Wert des Strömungsparameters des sauerstoffhaltigen Fluids vorteilhaft präzise ermittelt werden kann. Ferner kann ein vorteilhaft hoher Dynamikumfang eines mit dem Verfahren betriebenen Brennstoffzellensystems erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Betriebskennzahl zumindest zwei Unbekannte der Leistungsbilanz bei einer Laständerung eliminiert. Die Unbekannten können von der Zeit abhängige Größen und/oder unbekannte Konstanten, beispielsweise eine Zusammensetzung des Brennstoffs, sein. Vorzugsweise umfasst die Betriebskennzahl zumindest zwei quasikonstante Größen als Unbekannte der Leistungsbilanz. Die Steuer- oder Regeleinheit verwendet bei einer Ermittlung des Strömungsparameters mittels der Betriebskennzahl anstelle der Unbekannten den abgespeicherten Wert der Betriebskennzahl. Insbesondere wertet die Steuer- oder Regeleinheit eine Rechenvorschrift für den Strömungsparameter aus, der unabhängig von den eliminierten Unbekannten ist. Bei einer Auswertung der erweiterten, insbesondere vollständigen, Form der Leistungsbilanz ohne Rückgriff auf die Betriebskennzahl ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit vorzugsweise die durch die Betriebskennzahl eliminierbaren Unbekannten, um den Strömungsparameter zu ermitteln. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung müssen vorteilhaft wenige Größen ausgewertet oder erfasst werden. Insbesondere kann der Strömungsparameter vorteilhaft schnell oder mit vorteilhaft wenig Rechenleistung und/oder vorteilhaft wenig Speicherbedarf ermittelt werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Betriebskennzahl eine Abhängigkeit des Strömungsparameters von einer Brennstoffelektrodeneingangstemperatur des Brennstoffs, von einer Brennstoffzellentemperatur der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit, von einem Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnis des Brennstoffs, von einem Sauerstoff-Kohlenstoffverhältnis des Brennstoffs bei einem Eintritt in die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit und/oder von einer Brennstoffnutzung der zumindest einen Brennstoffzelle zusammenfasst. Die Brennstoffelektrodeneingangstemperatur des Brennstoffs ist insbesondere eine Temperatur des Brennstoffs bei einem Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit. Die Betriebskennzahl ist vorzugsweise eine thermoneutrale elektrische Spannung der Brennstoffzellen- einheit. Die Betriebskennzahl gibt insbesondere ein Verhältnis einer Enthalpieänderung des Brennstoffs zu einer Anzahl der Elektronen, die bei einer Umsetzung des Brennstoffs in der Brennstoffzelleneinheit mittels Sauerstoff gebunden werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Rechenvorschrift zur Bestimmung des Strömungsparameters vorteilhaft kompakt gehalten werden. Insbesondere kann eine Abhängigkeit des benötigten Werts des Strömungsparameters von dem Brennstoff in der Betriebskennzahl zusammengefasst werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Betriebskennzahl als gleitender Durchschnitt ermittelt wird. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit einen Wert der Betriebskennzahl in dem stationären Betriebszustand in regelmäßigen Zeitabständen und/oder ausgelöst durch den Erhalt eines Sensorsignals einer Sensoreinheit des Brennstoffzellensystems. Vorzugsweise speichert die Steuer- oder Regeleinheit mehrere Werte der Betriebskennzahl. Vorzugsweise verwendet die Steuer- oder Regeleinheit einen Mittelwert der gespeicherten Werte der Betriebskennzahl bei einer Ermittlung des Strömungsparameters mittels der Betriebskennzahl. Der Mittelwert kann ein arithmetisches Mittel oder ein geometrisches Mittel sowie gewichtet oder ungewichtet sein. Vorzugsweise löscht die Steuer- oder Regeleinheit alle abgespeicherten Werte, wenn die Steuer- oder Regeleinheit aufgrund einer Änderung einer der quasikonstanten Größen die erweiterte, insbesondere vollständige, Form der Leistungsbilanz auswertet, um den Strömungsparameter zu ermitteln. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Wert der Betriebskennzahl verwendet werden, der vorteilhaft unbeeinflusst von Schwankungen von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems ist.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens bei einer Ermittlung des Strömungsparameters mittels der Betriebskennzahl der Strömungsparameter in Abhängigkeit von einem Sollwert einer, insbesondere der bereits genannten, Brennstoffzellentemperatur der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit ermittelt wird. Beispielsweise ist der Term der Leistungsbilanz, der den von dem aus der Brennstoffzelleneinheit austretenden sauerstoffarmen Abgas getragenen Energiefluss beschreibt, abhängig von der Brennstoffzellentemperatur. Ein Istwert der Brennstoffzellentemperatur kann an und/oder in der Brennstoffzelleneinheit erfasst werden oder in Abhängigkeit von einem bezogen auf das sauerstoffarme Abgas stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit erfassten Temperaturmesswert abgeschätzt werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Brennstoffzellentemperatur der Brennstoffzelleneinheit über den Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids eingestellt, insbesondere zu geregelt werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Betriebskennzahl bei einer Laständerung konstant gehalten wird. Vorzugsweise wird die Betriebskennzahl für die Dauer der Laständerung konstant gehalten. Insbesondere wird während der Laständerung kein neuer Wert der Betriebskennzahl ermittelt. Vorzugsweise prüft die Steuer- oder Regeleinheit bei der Laständerung, ob die Betriebskennzahl, insbesondere der zuletzt ermittelte Wert der Betriebskennzahl oder der gleitende Durchschnitt der Betriebskennzahl, geeignet ist, das Brennstoffzellensystem während der Laständerung und/oder bei einem neuen Wert einer Last des Brennstoffzellensystems zu beschreiben. Beispielsweise überprüft die Steuer- oder Regeleinheit, ob die Betriebskennzahl innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbands liegt, welches in einem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit hinterlegt ist. Ein Maximalwert und/oder ein Minimalwert des Toleranzbandes kann ein Einzelwert und/oder eine Kennlinie sein, welche beispielsweise von einer mit der Sensoreinheit erfassten Größe, von einem Istwert und/oder einem Sollwert einer von der Steuer- oder Regeleinheit einzustellenden Größe und/oder von der Last oder Laständerung, insbesondere dem elektrischen Strom, abhängig ist. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit den Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids während und/oder nach der Laständerung in Abhängigkeit von der, insbesondere als geeignet bewerteten, Betriebskennzahl. Bewertet die Steuer- oder Regeleinheit die Betriebskennzahl als ungeeignet, wertet die Steuer- oder Regeleinheit vorzugsweise die erweiterte, insbesondere vollständige, Leistungsbilanz aus, um den Strömungsparameter während der Laständerung und/oder bei der neuen Last zu ermitteln. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Robustheit des Verfahrens weiter erhöht werden. Insbesondere kann ein Risiko einer Instabilität der Regelung des Strömungsparameters während der Laständerung vorteilhaft gering gehalten werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Betriebskennzahl bei einer Laständerung in Abhängigkeit von der Laständerung geändert wird. Vorzugsweise wird die Betriebskennzahl nach der Laständerung bei einem Erreichen eines stationären Zustands bei der neuen Last aktualisiert. Vorzugsweise wird die Betriebskennzahl ab dem Erreichen des stationären Zustands bei der neuen Last mehrfach, insbesondere regelmäßig, aktualisiert, insbesondere bis zur nächsten Laständerung. Bevorzugt wird die Betriebskennzahl, insbesondere nur dann, aktualisiert, wenn sich das Brennstoffzellensystem in einem stationären Zustand befindet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Betriebskennzahl vorteilhaft flexibel an unterschiedliche Betriebszustände des Brennstoffzellensystems angepasst werden. Insbesondere kann auf eine Vorabbestimmung der Betriebskennzahl in verschiedensten Betriebszuständen vor der Durchführung des Verfahrens verzichtet werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Betriebskennzahl bei einer Laständerung als Funktion der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur des Brennstoffs geändert wird. Vorzugsweise beaufschlagt die Steuer- oder Regeleinheit den abgespeicherten Wert der Betriebskennzahl mit einer Korrekturfunktion, welche von der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur abhängt. Die Korrekturfunktion kann ein multiplikativer oder ein additiver Faktor zu dem abgespeicherten Wert der Betriebskennzahl sein. Die Korrekturfunktion fügt der Betriebskennzahl vorzugsweise eine lineare Korrelation zu der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur hinzu. Optional umfasst die Korrekturfunktion weitere Korrekturterme höherer Ordnung in der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Betriebskennzahl vorteilhaft auch dann zur Ermittlung des Strömungsparameters verwendet werden, wenn die Brennstoffelektrodeneingangstemperatur im Zuge der Laständerung eine Änderung aufweist, die über einen Toleranzwert für die Änderung der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur hinausgeht.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens zumindest ein Messwert einer Zusammensetzung des Brennstoffs erfasst wird, in dessen Abhängigkeit die Betriebskennzahl ermittelt wird. Die Zusammensetzung des Brennstoffs ändert sich vorzugsweise bei einer Passage des Brennstoffs durch das Brennstoffzellensystem hindurch. Bevorzugt wird, insbesondere in dieser Reihenfolge, der Brennstoff in einem frischen Zustand, insbesondere als Erdgas, in das Brennstoffzellensystem eingespeist, optional entschwefelt, optional mit dem brennstoffarmen Abgas vermischt, bevorzugt reformiert, in der Brennstoffzelleneinheit, bevorzugt nur, teilweise zu dem brennstoffarmen Abgas oxidiert und anschließend vorzugsweise mittels eines Nachbrenners vollständig oxidiert. Der Messwert wird vorzugsweise stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere in dem brennstoffarmen Abgas, erfasst. Alternativ wird der Messwert oder zusätzlich wird ein, insbesondere zu dem Messwert analoger, weiterer Messwert der Zusammensetzung des Brennstoffs stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit erfasst, bevorzugt in dem reformierten Brennstoff. Der Messwert beschreibt beispielsweise eine, insbesondere molare, Konzentration, einen Volumenanteil, einen Massenanteil, insbesondere pro Zeit, eines an einer Messstelle des Messwerts in dem Brennstoff enthaltenen Stoffs oder ein Konzentrationsverhältnis, ein Volumenverhältnis und/oder Massenverhältnis zweier oder mehrerer an der Messstelle des Messwerts in dem Brennstoff enthaltenen Stoffe. Besonders bevorzugt ist der Messwert ein Verbrennungsluftverhältnis des Brennstoffs oder eine zu dem Verbrennungsluftverhältnis analoge Größe, wie beispielsweise ein Sauerstoffdefizit, ein Brennstoffüberschuss, insbesondere ein Überschuss an für eine Oxidation verfügbaren Elektronen, oder dergleichen. Der Messwert und/oder der weitere Messwert wird vorzugsweise in einem stationären Betriebszustand des Brennstoffzellensystems erfasst. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit die Betriebskenngröße in Abhängigkeit von dem Messwert und/oder dem weiteren Messwert. Alternativ oder zusätzlich ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit die Betriebskenngröße in Abhängigkeit von einem Istwert des Strömungsparameters, insbesondere durch Umkehren der Rechenvorschrift zur Ermittlung des Strömungsparameters in Abhängigkeit von der Betriebskenngröße. Der Istwert des Strömungsparameters wird von der Steuer- oder Regeleinheit beispielsweise über die erweiterte, insbesondere vollständige, Form der Leistungsbilanz ermittelt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Unsicherheit in der Bestimmung der Betriebskenngröße vorteilhaft klein gehalten werden. Insbesondere kann eine Genauigkeit der Betriebskenngröße unabhängig von einer Genauigkeit in der Bestimmung des Strömungsparameters gehalten werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Messwert mittels zumindest einer Lambdasonde erfasst wird. Besonders bevorzugt wird der Messwert und/oder der weitere Messwert mittels, insbesondere je, einer Breitbandlambdasonde erfasst. Die Lambdasonde umfasst vorzugsweise eine Nernstzelle und eine Pumpzelle, die seriell miteinander verschaltet sind, wobei zwischen den beiden Zellvarianten eine Messkammer angeordnet ist. Die Messkammer wird vorzugsweise von einer keramischen Diffusionsbarriere der Lambdasonde begrenzt. Mithilfe eines Heizelements der Lambdasonde wird die Lambdasonde optional auf einer konstanten Temperatur gehalten, insbesondere so dass ein Einfluss der Temperatur auf ein Sondensignal, insbesondere einen Pumpstrom der Pumpzelle, der Lambdasonde eliminiert wird. Die Lambdasonde weist vorzugsweise eine Ansprechzeit von weniger als 500 ms, bevorzugt von weniger als 200 ms, besonders bevorzugt von weniger als 100 ms auf. Ein Spannungssignal der Nernstzelle wird vorzugsweise auf einen konstanten Wert, beispielsweise von 450 mV, geregelt, insbesondere so dass in der Messkammer ein definiertes Verbrennungsluftverhältnis, insbesondere das stöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis, vorliegt. Vorzugsweise nutzt die Lambdasonde die Pumpzelle als Stellglied, um in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Brennstoffs in der Messkammer Sauerstoff in oder aus der Messkammer zu pumpen. Optional ermittelt die Lambdasonde einen Stoffmengenstrom an Sauerstoff in Abhängigkeit, insbesondere mittels eines Proportionalitätsfaktors, von dem eingestellten Pumpstrom der Pumpzelle. Alternativ wird der Messwert und/oder der weitere Messwert mittels, insbesondere je, einer Sprunglambdasonde erfasst. Alternativ wird der Messwert und/oder der weitere Messwert mittels, insbesondere je, einer zu der Brennstoffzelleneinheit zusätzlichen Brennstoffzelle erfasst, die insbesondere analog zu einer Lambdasonde betrieben wird. Die Lambdasonde ist vorzugsweise stromaufwärts, insbesondere direkt stromaufwärts, an einem Brennstoffeinlass der Brennstoffzelleneinheit oder stromabwärts, insbesondere direkt stromabwärts, an einem Abgasauslass der Brennstoffzelleneinheit, über weichen das brenn Stoff arme Abgas aus der Brennstoffzelleneinheit ausgelassen wird, angeordnet. Besonders bevorzugt umfasst das Brennstoffzellensystem eine Lambdasonde stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit und eine weitere Lambdasonde stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit. Darunter, dass zwei Objekte „direkt“ stromaufwärts oder stromabwärts voneinander angeordnet sind, soll insbesondere verstanden werden, dass entlang der Strömungsrichtung zwischen diesen Objekten keine weiteren Objekte angeordnet sind, welche eine Zusammensetzung des durch die Objekte strömenden Fluids verändern, beispielsweise ein Reformer, ein Nachbrenner oder dergleichen. Die direkt stromaufwärts oder stromabwärts voneinander angeordneten Objekte können in physischem Kontakt zueinander stehen oder beabstandet voneinander angeordnet sein und beispielsweise mittels Fluidleitungen, einer Verteilerplatte oder dergleichen, fluidtechnisch verbunden sein. Insbesondere können entlang der Strömungsrichtung zwischen den direkt stromaufwärts oder stromabwärts voneinander angeordneten Objekten weitere Objekte angeordnet sein, die eine Zusammensetzung des durch die Objekte strömenden Fluids nicht verändern, beispielsweise ein Temperatursensor oder dergleichen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der Messwert und/oder der weitere Messwert vorteilhaft einfach und kostengünstig erfasst werden. Ferner kann der Messwert und/oder der weitere Messwert vorteilhaft schnell und/oder vorteilhaft präzise erfasst werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zumindest die Mehrheit, insbesondere alle, variablen Größen, aus denen die Betriebskennzahl ermittelt wird, in Abhängigkeit von dem zumindest einen Messwert, insbesondere von dem zumindest einen Messwert und/oder dem weiteren Messwert, ermittelt werden. Die Steueroder Regeleinheit ermittelt vorzugsweise zumindest eine der variablen Größen der Betriebskennzahl mittels einer Regressionsfunktion des Messwerts und/oder des weiteren Messwerts. Die Regressionsfunktion gibt vorzugsweise eine von dem Brennstoff getragene Energie, insbesondere in Form einer molaren Enthalpie, in oder aus der Brennstoffzelleneinheit in Abhängigkeit von dem Messwert oder dem weiteren Messwert an. Die Regressionsfunktion kann als analytischer Ausdruck oder als Tabellenwerk in der Steuer- oder Regeleinheit hinterlegt sein. Besonders bevorzugt ist in der Steuer- oder Regeleinheit eine Funktionsschar an Regressionsfunktionen hinterlegt, welche sich insbesondere durch die Brennstoffelektrodeneingangstemperatur des Brennstoffs oder der Brennstoffzellentemperatur der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit als Parameter voneinander unterscheiden. Die Steuer- oder Regeleinheit ermittelt zur Ermittlung der Betriebskennzahl die Brennstoffnutzung der Brennstoffzelleneinheit vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Differenz des Messwerts und des weiteren Messwerts. Wenn der Messwert oder der weitere Messwert das Sauerstoffdefizit beschreibt, ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit zur Ermittlung der Betriebskennzahl die Anzahl an verfügbaren Elektronen in dem Brennstoff vorzugsweise durch eine Korrelationsfunktion in Abhängigkeit von dem Messwert und/oder dem weiteren Messwert. Vorzugsweise bildet die Korrelationsfunktion einen Abstand des Messwerts und/oder des weitere Messwerts von dem stöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis auf die Anzahl an verfügbaren Elektronen in dem Brennstoff ab. Vorzugsweise ist die Regressionsfunktion eine monoton fallende Funktion in dem Messwert und/oder dem weiteren Messwert. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Betriebskennzahl mit vorteilhaft wenig Aufwand an Messgeräten vorteilhaft einfach, schnell und zuverlässig bestimmt werden. Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer, insbesondere der bereits genannten, Brennstoffzelleneinheit und mit zumindest einer, insbesondere der bereits genannten, Steuer- oder Regeleinheit zu einer Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Unter einer „Steueroder Regeleinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einem Speicher sowie mit einem in dem Speicher gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise die Fluidfördereinheit. Der Brennstoff umfasst beispielsweise Wasserstoff, Methan, Ethan, Propan und/oder einen anderen Kohlenwasserstoff, insbesondere ein Alkan. Beispielsweise ist der Brennstoff Erdgas, ein Erdgas-Wasserstoffgemisch, reiner Wasserstoff oder dergleichen. Das Brennstoffzellensystem umfasst optional weitere Komponenten zu einer Aufbereitung und/oder Nachbereitung des sauerstoffhaltigen Fluids, des Brennstoffs und/oder der Abgase. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem einen Reformer zu einem Reformieren des Brennstoffs, einen Nachbrenner zu einem Verbrennen von Brennstoffresten in den Abgasen, Wärmetauscher zu einem Vorerwärmen des Brennstoffs und/oder des sauerstoffhaltigen Fluids oder dergleichen umfassen. Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem die Sensoreinheit zu einer Erfassung der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur, der Brennstoffzellentemperatur, einer Eintrittstemperatur des sauerstoffhaltigen Fluids bei einem Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit, eines von der Brennstoffzelleneinheit erzeugten elektrischen Stroms und einer mit dem Strom verknüpften elektrischen Spannung, eines Istwerts des Strömungsparameters und/oder weiterer Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems. In zumindest einer Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems umfasst die Sensoreinheit die Lambdasonde und/oder die weitere Lambdasonde. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt werden, das einen vorteilhaft hohen Dynamikumfang umfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren und/oder 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.
Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 2 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit Lambdasonden und
Fig. 4 ein schematisches Flussdiagramm einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem in Figur 3 dargestellten Brennstoffzellensystem.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 12a. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 14a. Die Brennstoffzelleneinheit 14a umfasst zumindest eine, insbesondere mehrere, Brennstoffzellen, insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzellen. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst vorzugsweise zumindest eine Fluidzufuhr 18a zu einer Zuführung eines sauerstoffhaltigen Fluids zu der Brennstoffzelleneinheit 14a, insbesondere zu zumindest einer Kathode der Brennstoffzelleneinheit 14a. Das sauerstoffhaltige Fluid ist beispielsweise Luft. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst vorzugsweise zumindest eine Brennstoffzufuhr 22a zu einer Zufuhr eines Brennstoffs zu der Brennstoffzelleneinheit 14a, insbesondere zu zumindest einer Anode der Brennstoffzelleneinheit 14a. Die Brennstoffzelleneinheit 14a ist vorzugsweise dazu vorgesehen, das sauerstoffhaltige Fluid mit dem Brennstoff umzusetzen, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst vorzugsweise eine Abgasleitung 20a zu einer Abfuhr eines aus dem sauerstoffhaltigen Fluid entstehenden sauerstoffarmen Abgases. Das Brennstoffzellen- system 12a umfasst vorzugsweise eine weitere Abgasleitung 24a zu einer Abfuhr eines aus dem Brennstoff entstehenden brennstoffarmen Abgases. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst vorzugsweise eine Fluidfördereinheit 26a zu einem Fördern des sauerstoffhaltigen Fluids durch die Fluidzufuhr 18a. Die Fluidfördereinheit 26a ist vorzugsweise als Ventilator, Gebläse, Pumpe oder Kompressor ausgebildet. Das Brennstoffzellensystem 12a umfasst zumindest eine Steuer- oder Regeleinheit 16a zu einer Durchführung eines Verfahrens 10a, welches in Figur 2 näher erläutert ist. Die Steuer- oder Regeleinheit 16a ist vorzugsweise dazu vorgesehen, mittels der Fluidfördereinheit 26a einen Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids einzustellen. Das Brennstoffzellensystem 12a ist hier nur rudimentär mit den für das Verfahren 10a relevanteren Komponenten gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 12a kann weitere Komponenten umfassen, wie dies beispielswiese in Figur 3 gezeigt ist.
Figur 2 zeigt das Verfahren 10a zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 12a. Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise einen Einschaltvorgang 28a, in welchem das Brennstoffzellensystem 12a in Betrieb genommen wird. Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise eine Betriebspunktansteuerung 30a, in welcher die Steuer- oder Regeleinheit 16a einen Betriebspunkt des Brennstoffzellensystem 12a ansteuert. In der Betriebspunktansteuerung 30a fördert vorzugsweise die Fluidfördereinheit 26a das sauerstoffhaltige Fluid durch die Brennstoffzelleneinheit 14a. Die Steuer- oder Regeleinheit 16a stellt den Strömungsparameter Ao2,em des sauerstoffhaltigen Fluids vorzugsweise mittels der Fluidfördereinheit 26a ein. Ein Sollwert des Strömungsparameters n02,em wird in Abhängigkeit von einem Sollwert einer Brennstoffzellentemperatur Tstk der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 14a ermittelt. Der Strömungsparameter ho2,ein des sauerstoffhaltigen Fluids wird in Abhängigkeit von einer Leistungsbilanz des Brennstoffzellensystems 12a eingestellt. Beispielsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 16a in der Betriebspunktansteuerung 30a einen Vorsteuerwert des Strömungsparameters in Abhängigkeit von einer erweiterten, insbesondere vollständigen, Form der Leistungsbilanz. In einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 16a in der Betriebspunktansteuerung 30a einen Vorsteuerwert des Strömungsparameters in Abhängigkeit von einer im Speicher der Steuer- oder Regeleinheit im Voraus hinterlegten Kennlinie des Strömungsparameters, welche vorzugsweise abhängig von dem mittels der Brennstoffzelleneinheit 14a erzeugten elektrischen Strom ist. Beispielsweise wird der Strömungsparameter durch die Kennlinie als lineare Funktion, insbesondere nur, des elektrischen Stroms ausgedrückt.
Beispielsweise wertet die Steuer- oder Regeleinheit 16a die folgende stationäre Leistungsbilanz aus: wobei Ht je einen mit einem Transport des sauerstoffhaltigen Fluids, des Brennstoffs und des Abgases verknüpften Enthalpiefluss in und aus der Brennstoffzelleneinheit 14a, Pel eine von der Brennstoffzelleneinheit 14a erzeugte elektrische Leistung und Err QVerlust, ... ) ein Fehlerterm bezeichnet.
Die elektrische Leistung ist gegeben durch Pel = Iel ■ UZellen(Iel) ■ NZellen, wobei Iel der von der Brennstoffzelleneinheit 14a erzeugte elektrische Strom, UZellen eine mit dem erzeugten Strom Iel verknüpfte elektrische Spannung, insbesondere eine über alle Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit 14a aufaddierte Gesamtspannung, der Brennstoffzelleneinheit 14a und NZellen die Anzahl der Brennstoffzellen in der Brennstoffzelleneinheit 14a bezeichnet.
Die Leistungsbilanz umfasst vorzugsweise einen von dem sauerstoffhaltigen Fluid getragenen Energiefluss zu der Brennstoffzelleneinheit 14a hin:
Hi EO2 ein(TO2iein) ■ no2iein wobei hO2>ein eine molare Enthalpie des sauerstoffhaltigen Fluids bei einem Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14a in Abhängigkeit von einer Temperatur To2,ein des sauerstoffhaltigen Fluids bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14a und rio2,ein den Strömungsparameter bezeichnet. Der Strömungsparameter ist hier beispielhaft als Stoffstrom ausgebildet. Die Leistungsbilanz umfasst vorzugsweise einen von dem sauerstoffarmen Abgas getragenen Energiefluss von der Brennstoffzelleneinheit 14a weg:
Wobei h02iaus eine molare Enthalpie des sauerstoffarmen Abgases bei Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit 14a in Abhängigkeit von der Brennstoffzellentemperatur Tstk und n02itrans ein Sauerstoff-Stoffstrom innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 14a von dem sauerstoffhaltigen Fluid in den Brennstoff in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom Iel bezeichnet.
Die Leistungsbilanz umfasst vorzugsweise einen von dem Brennstoff getragenen Energiefluss zu der Brennstoffzelleneinheit 14a hin: wobei hbSiein eine molare Enthalpie des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14a und nbs>ein e'n Stoffstrom des Brennstoffs bezeichnet. Die molare Enthalpie hbSiein des Brennstoffs wird vorzugsweise als Funktion einer Brennstoffelektrodeneingangstemperatur TbSiein des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14a, eines Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnisses HC des Brennstoffs sowie eines Sauerstoff-Kohlenstoffverhältnisses des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14a ausgedrückt. Der Stoffstrom nbs>ein des Brennstoffs wird vorzugsweise als Funktion des elektrischen Stroms Iet, einer Brennstoffnutzung FUstk der Brennstoffzelleneinheit 14a und eine für eine Oxidation verfügbare Anzahl Ke- bs,ein an Elektronen des Brennstoffs pro Mol des Brennstoffs ausgedrückt.
Die Leistungsbilanz umfasst vorzugsweise einen von dem brennstoffarmen Abgas getragenen Energiefluss von der Brennstoffzelleneinheit 14a weg:
Wobei hbSiaus eine molare Enthalpie des brennstoffarmen Abgases bei Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit 14a und nbs,aus einen Stoffstrom des brennstoffarmen Abgases bezeichnet. Die molare Enthalpie hbSiaus des brennstoffarmen Abgases wird vorzugsweise als Funktion der Brennstoffzellentemperatur Tstk, des Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnisses des Brennstoffs und eines Sauerstoff- Kohlenstoffverhältnisses des brennstoffarmen Abgases bei Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit 14a ausgedrückt. Der Stoffstrom nbs,aus des brennstoffarmen Abgases wird vorzugsweise als Funktion des elektrischen Stroms Iet, der Brennstoffnutzung FUstk der Brennstoffzelleneinheit 14a, der für eine Oxidation verfügbaren Anzahl Ke- bs ein an Elektronen des Brennstoffs pro Mol des Brennstoffs und einem Verhältnis einer Anzahl Kc bs ein an Kohlenstoffatomen in dem Brennstoff pro Mol Brennstoff zu einer Anzahl Kc bs aus an Kohlenstoffatomen in dem brennstoffarmen Abgas pro Mol dieses Abgases ausgedrückt.
Der Fehlerterm Err QVerlust, ... ) fasst vorzugsweise alle weiteren Energieflüsse zu und/oder von der Brennstoffzelleneinheit 14a zusammen, welche insbesondere nicht explizit in Zuge dieser Ausführung des Verfahrens 10a ermittelt werden. Der Fehlerterm ist beispielsweise abhängig von Wärmeverlusten QVeriust der Brennstoffzelleneinheit 14a, welche insbesondere über Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung stattfinden. Vorzugsweise wird der Fehlerterm Err QVerlust, ... ) bei einer Ermittlung des Vorsteuerwerts des Strömungsparameters fio2,ein gleich Null gesetzt. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Fehlerterm Err QVerlust, ... ) in weitere Terme aufgespalten werden, um beispielsweise Wärmeverluste QVeriust in der Leistungsbilanz explizit zu berücksichtigen.
Zu einer Ermittlung des Vorsteuerwerts des Strömungsparameters n02,em werden vorzugsweise folgende Zusammenhänge in die Leistungsbilanz eingesetzt: wobei F die Faraday- Konstante bezeichnet. Bevorzugt ermittelt die Steuer- oder
Regeleinheit 16a den Strömungsparameter ho2,etn mittels folgender aus der Leistungsbilanz abgeleiteten Rechenvorschrift:
Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise einen Regulärbetrieb 32a. In dem Regulärbetrieb 32a des Verfahrens 10a wird das sauerstoffhaltige Fluid von der Fluidfördereinheit 26a zu einer Umsetzung mit dem Brennstoff durch die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 14a des Brennstoffzellensystems 12a gefördert. In dem Regulärbetrieb 32a hält die Steuer- oder Regeleinheit 16a das Brennstoffzellensystem 12a in einem von dem Betriebspunkt abhängigen stationären Zustand. Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise eine Betriebszustandsprüfung 44a. In der Betriebszustandsprüfung 44a prüft die Steuer- oder Regeleinheit 16a, ob der Zustand des Brennstoffzellensystems 12a stationär ist.
Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise eine Betriebskennzahlaktualisierung 46a. Das Verfahren 10a führt die Betriebskennzahlaktualisierung 46a vorzugsweise aus, wenn sich das Brennstoffzellensystem 12a in einem stationären Zustand befindet.
In der Betriebskennzahlaktualisierung 46a ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 16a eine Betriebskennzahl BK. Die Betriebskennzahl BK ist beispielsweise wie folgt definiert:
Die Betriebskennzahl BK eliminiert zumindest zwei Unbekannte der Leistungsbilanz. Die Betriebskennzahl BK fasst eine Abhängigkeit des Strömungsparameters von der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur Tbs eindes Brennstoffs, von der Brennstoffzellentemperatur Tstk der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 14a, von dem Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnis HC des Brennstoffs, von dem Sauerstoff-Kohlenstoffverhältnis 0Cbs ein des Brennstoffs bei einem Eintritt in die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 14a und/oder die Brennstoffnutzung FUstkder zumindest einen Brennstoffzelleneinheit 14a zusammen. Insbesondere ersetzt die Betriebskennzahl BK eine Abhängigkeit der Leistungsbilanz von einer Zusammensetzung, insbesondere Gasqualität, des Brennstoffs und deren Einfluss auf einen Kühlungsbedarf der Brennstoffzelleneinheit 14a, insbesondere mittels des sauerstoffhaltigen Fluids.
Die Steuer- oder Regeleinheit 16a ermittelt die Betriebskennzahl BK vorzugsweise anhand folgender Rechenvorschrift:
Die Steuer- oder Regeleinheit 16a speichert den ermittelten Wert der Betriebskennzahl BK vorzugsweise in dem Speicher der Steuer- oder Regeleinheit 16a ab. Die Betriebskennzahl BK wird als gleitender Durchschnitt ermittelt. Bei einer Laständerung 34a ist insbesondere der elektrische Strom Iel eine zeitabhängige Funktion. Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise eine Betriebskennzahlprüfung 36a. In der Betriebskennzahlprüfung 36a prüft die Steuer- oder Regeleinheit 16a vorzugsweise, ob der gespeicherte Wert der Betriebskennzahl BK geeignet ist, das Brennstoffzellensystem 12a unter der Laständerung 34a zu beschreiben. Ist die Betriebskennzahl BK ungeeignet, führt die Steuer- oder Regeleinheit 16a bevorzugt eine konventionelle Vorsteuerung 42a aus. Ist die Betriebskennzahl BK geeignet, führt die Steuer- oder Regeleinheit 16a bevorzugt eine verkürzte Leistungsbilanzauswertung 38a des Verfahrens 10a aus.
In der konventionellen Vorsteuerung 42a wertet die Steuer- oder Regeleinheit 16a beispielsweise die bereits erwähnte Kennlinie des Strömungsparameters oder die obige Rechenvorschrift für den Strömungsparameter fio2,ein aus, welche insbesondere auf einer vollständigen Form der Leistungsbilanz, insbesondere mit den oben angegebenen Termen, beruht.
In der verkürzten Leistungsbilanzauswertung 38a wird die Leistungsbilanz bei der
Laständerung 34a des Brennstoffzellensystems 12a teilweise durch die in dem stationären Zustand des Brennstoffzellensystems 12a ermittelte Betriebskenn- zahl BK des Brennstoffzellensystems 12a ersetzt, wodurch insbesondere alle Unbekannten der Energiebilanz eliminiert werden. Beispielsweise verwendet die
Steuer- oder Regeleinheit 16a in der verkürzten Leistungsbilanzauswertung 38a folgende Rechenvorschrift für den Vorsteuerwert des Strömungsparameter.
Die Betriebskennzahl BK wird während der Laständerung 34a konstant gehalten und vorzugsweise zumindest für die Dauer der Laständerung 34a nicht aktualisiert. Ändert sich bei der Laständerung 34a die Brennstoffzellentemperatur Tstk, wird die Betriebskennzahl BK bei der Laständerung 34a als Funktion der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur Tbs ein des Brennstoffs geändert. Insbesondere wird der abgespeicherte Wert der Betriebskennzahl BK mit einem zu der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur Tbs ein korrelierenden Faktor beaufschlagt.
Das Verfahren 10a umfasst vorzugsweise eine Regelung 40a. In der Regelung 40a regelt die Steuer- oder Regeleinheit 16a vorzugsweise den Strömungsparameter n^ ^^ausgehend von dem mittels der konventionellen Vorsteuerung 42a oder der verkürzten Leistungsbilanzauswertung 38a ermittelten Vorsteuerwert des Strömungsparameters fio2,em- Bei einem weiteren Durchlauf der Betriebskennzahlaktualisierung 46a nach der Laständerung 34a wird die Betriebskennzahl BK in Abhängigkeit von der Laständerung 34a geändert.
Figur 3 zeigt ein Brennstoffzellensystem 12b. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 14b. Die Brennstoffzelleneinheit 14b umfasst zumindest eine, insbesondere mehrere, Brennstoffzellen, insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzellen. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise zumindest eine Fluidzufuhr 18b, eine Brennstoffzufuhr 22b, eine Abgasleitung 20b, eine weitere Abgasleitung 24b und/oder eine Fluidfördereinheit 26b wie weiter oben zu Figur 1 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst zumindest eine Steuer- oder Regeleinheit 16b zu einer Durchführung eines Verfahrens 10b, welches in Figur 4 näher erläutert ist.
Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise eine Brennstofffördereinheit 48b zu einem Fördern eines Brennstoffs durch die Brennstoffzufuhr 22b, die Brennstoffzelleneinheit 14b und die weitere Abgasleitung 24b. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst optional einen Entschwefler 58b zu einem Entschwefeln des Brennstoffs, insbesondere stromabwärts der Brennstofffördereinheit 48b. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise einen weiteren Wärmeübertrager 62b, zu einer Übertragung von Wärme von einem Abgas des Brennstoffzellensystems 12b auf den Brennstoff, insbesondere stromabwärts der Brennstofffördereinheit 48b und/oder des Entschweflers 58b. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise einen Reformer 64b zu einem Reformieren des Brennstoffs, insbesondere stromabwärts des weiteren Wärmeübertragers 62b und stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 14b. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise einen Nachbrenner 54b zu einer thermischen Verwertung von Brennstoffresten, welche in einem mit der weiteren Abgasleitung 24b transportierten Abgases enthalten sind. Der weitere Wärmeübertrager 62b ist vorzugsweise stromabwärts eines Auslasses des Nachbrenners 54b angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise einen Wärmeübertrager 60b, zu einer Übertragung von Wärme von dem Abgas des Brennstoffzellensystems 12b, insbesondere des Nachbrenners 54b, auf ein sauerstoffhaltiges Fluid in der Fluidzufuhr 18b. Optional umfasst das Brennstoffzellensystem 12b eine Rezirkulationsleitung zu einer Rückführung des von der weiteren Abgasleitung 24b geführten Abgases in die Brennstoffzufuhr 22b, wobei ein Einspeisepunkt des Abgases vorzugsweise stromaufwärts des Reformers 64b angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise eine Rezirkulationsför- dereinheit 56b zu einem Fördern des von der weiteren Abgasleitung 24b geführten Abgases durch die Rezirkulationsleitung.
Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise zumindest eine Lambdasonde 52b, welche in der weiteren Abgasleitung 24b oder in der Rezirkulationsleitung des Brennstoffzellensystems 12b oder stromabwärts einer Abzweigung der Abgasleitung 24b in die Rezirkulationsleitung und stromaufwärts des Nachbrenners 54b angeordnet ist. Die Lambdasonde 52b ist vorzugsweise dazu vorgesehen, einen Messwert einer Zusammensetzung eines durch Umsetzen des Brennstoffs in der Brennstoffzelleneinheit 14b entstehenden brennstoffarmen Abgases zu erfassen. Das Brennstoffzellensystem 12b umfasst vorzugsweise zumindest eine weitere Lambdasonde 50b, welche in der Brennstoffzufuhr 22b angeordnet ist. Die weitere Lambdasonde 50b ist vorzugsweise stromabwärts des Reformers 64b angeordnet. Die weitere Lambdasonde 50b ist vorzugsweise dazu vorgesehen, einen weiteren Messwert einer Zusammensetzung des in die Brennstoffzelleneinheit 14b eintretenden, insbesondere reformierten, Brennstoffs zu erfassen.
Figur 4 zeigt das Verfahren 10b zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 12b. Das Verfahren 10b umfasst eine Betriebskennzahlaktualisierung 46b. Die Steueroder Regeleinheit 16b ermittelt die Betriebskennzahl BK vorzugsweise anhand folgender Rechenvorschrift:
Wobei alle vorkommenden Größen bereits in der Beschreibung zu Figur 2 eingeführt wurden. In zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens 10b wird zumindest ein Messwert einer Zusammensetzung des Brennstoffs erfasst, in dessen Abhängigkeit die Betriebskennzahl BK ermittelt wird. Der Messwert wird mittels zumindest einer der Lambdasonden 50b, 52b erfasst. Zumindest die Mehrheit, insbesondere alle, variablen Größen, aus denen die Betriebskennzahl BK ermittelt wird, werden in Abhängigkeit von dem zumindest einem Messwert ermittelt. Eine Brennstoffnutzung FUstk der Brennstoffzelleneinheit 14b ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 16b vorzugsweise anhand der folgenden Rechenvorschrift:
Wobei bs>aus ein Verbrennungsluftverhältnis des b rennstoffarm en Abgases bei Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit 14b und Abs>ein ein Verbrennungsluftverhältnis des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14b bezeichnet. Das Verfahren 10b umfasst vorzugsweise einen Messchritt 66b, in welchem das Verbrennungsluftverhältnis bs,aus des brennstoffarmen Abgases vorzugsweise von der Lambdasonde 50b erfasst wird. Das Verfahren 10b umfasst vorzugsweise einen Messchritt 68b, in welchem das Verbrennungsluftverhältnis bs,ein des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14b vorzugsweise von der weiteren Lambdasonde 52b erfasst wird.
Eine molare Enthalpie hbs ein des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14b ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 16b vorzugsweise mittels einer Regressionsfunktion in Abhängigkeit von dem weiteren Messwert, insbesondere dem Verbrennungsluftverhältnis Abs>ein des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14b. Vorzugsweise verwendet die Steuer- oder Regeleinheit 16b eine Brennstoffelektrodeneingangstemperatur Tbs ein des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14b, als Parameter der Regressionsfunktion bzw. um eine bestimmte Regressionsfunktion aus einer Schar von Regressionsfunktionen der molaren Enthalpie hbs ein des Brennstoffs bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14b auszuwählen.
Eine molare Enthalpie hbs aus des brennstoffarmen Abgases bei Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit 14b ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 16b vorzugsweise mittels einer weiteren Regressionsfunktion in Abhängigkeit von dem Messwert, insbesondere dem Verbrennungsluftverhältnis Abs,aus des brennstoffarmen Abgases bei Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit 14b. Vorzugsweise verwendet die Steuer- oder Regeleinheit 16b eine Brennstoffzellentemperatur Tstk der Brennstoffzelleneinheit 14b als Parameter der weiteren Regressionsfunktion bzw. um eine bestimmte weitere Regressionsfunktion aus einer Schar von weiteren Regressionsfunktionen der molaren Enthalpie hbs aus des brennstoffarmen Abgases bei Austritt aus der Brennstoffzelleneinheit 14b auszuwählen. Alternativ bildet die weitere Regressionsfunktion das Verbrennungsluftverhältnis Abs,aus des brennstoffarmen Abgases direkt auf das Produkt hbs aus Kc’bs’em aus der molaren c,bs,aus
Enthalpie hbs aus des brennstoffarmen Abgases und einem Verhältnis einer molaren Kohlenstoff menge Kc bs ein, welche in die Brennstoffzelleneinheit 14b eintritt, zu einer molaren Kohlenstoffmenge Kc bs aus, welche aus der Brennstoffzelleneinheit 14b austritt. In einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung wird das Verhältnis der molaren Kohlenstoffmengen KCibs ei KCibs aus gleich 1 oder einer anderen im Vorfeld des Verfahrens ermittelten Konstanten gesetzt.
Das Verfahren 10b umfasst vorzugsweise einen Messschritt 70b zu einer Erfassung einer Brennstoffzellentemperatur Tstk, der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur Tbs ein und/oder weitere Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 12b.
Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regeleinheit 16b eine Anzahl Ke->bs>eina.r\ verfügbaren Elektronen in dem Brennstoff bei Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 14b vorzugsweise durch eine Korrelationsfunktion in Abhängigkeit von dem weiteren Messwerts.
Der zumindest eine Messwert wird optional mittels eines maschinellen Lernprozesses, insbesondere im Sinne eines Hybrid-Systems, korrigiert. Hierdurch kann eine vorteilhaft hohe Genauigkeit des Verfahrens 10b erreicht werden. Der maschinelle Lernprozesses wird beispielweise dazu eingesetzt, um einen Fehler E zwischen einem realen Wert hs und einem mit der Lambdasonde 52b oder der weiteren Lambdasonde 50b gemessenen Wert /iz zu schätzen und somit die letztgenannten Werte zu verbessern, insbesondere in der Form hs = h^ + £. Der maschinelle Lernprozess wird vorzugsweise im Vorfeld des Verfahren 10b mit Trainingsdaten für die Abschätzung des Fehlers s in verschiedenen Betriebspunkten des Brennstoffzellensystems 12b trainiert. Der maschinelle Lernprozess kann als Funktion zumindest einer Messgröße zumindest einer der Lambdasonden 50b, 52b wie Pumpstrom, Pumpspannung, Temperatur und/oder Nernst- Spannung und/oder als Funktion zumindest eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems 12b wie einer Komponententemperatur, einer Brennstofftemperatur, einem Druck des Brennstoffs, einem Volumenstrom des Brennstoffs oder dergleichen, aufgesetzt werden. Der Fehler E stellt vorzugsweise eine Ausgangsgröße dar, auf welche der maschinelle Lernprozess eingelernt wird. Der maschinelle Lernprozess ist beispielsweise als multivariate lineare Regression, als neuronales Netz und/oder als ein Gauß-Prozess ausgebildet.
Bezüglich weiterer Merkmale des Brennstoffzellensystems 12b und/oder des Ver- fahrens 10b sei auf die Figuren 1 und 2 sowie deren Beschreibung verwiesen.
Insbesondere kann das Verfahren 10a auch mit dem Brennstoffzellensystem 12b ausgeführt werden, bzw. jede in dem Brennstoffzellensystem 12b gezeigte Komponente kann auch in das Brennstoffzellensystem 10a eingefügt werden, ohne das Verfahren 10a anzupassen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Hochtemperaturbrennstoffzellensystems, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt ein sauerstoffhaltiges Fluid zu einer Umsetzung mit einem Brennstoff durch zumindest eine Brennstoffzelleneinheit (14a; 14b) des Brennstoffzellensystems gefördert wird, wobei ein Strömungsparameter des sauerstoffhaltigen Fluids in Abhängigkeit von einer Leistungsbilanz des Brennstoffzellensystems eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Leistungsbilanz bei einer Laständerung (34a; 34b) des Brennstoffzellensystems teilweise durch eine in einem stationären Zustand des Brennstoffzellensystems ermittelte Betriebskennzahl des Brennstoffzellensystems ersetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskennzahl zumindest zwei Unbekannte der Leistungsbilanz bei einer Laständerung (34a; 34b) eliminiert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskennzahl eine Abhängigkeit des Strömungsparameters von einer Brennstoffelektrodeneingangstemperatur des Brennstoffs, von einer Brennstoffzellentemperatur der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit (14a; 14b), von einem Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnis des Brennstoffs, von einem Sauerstoff-Kohlenstoffverhältnis des Brennstoffs bei einem Eintritt in die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit (14a; 14b) und/oder von einer Brennstoffnutzung der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit (14a; 14b) zusammenfasst.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskennzahl als gleitender Durchschnitt ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt bei einer Ermittlung des Strömungsparameters mittels der Betriebskennzahl der Strömungsparameter in Abhängigkeit von einem Sollwert einer Brennstoffzellentemperatur der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit (14a; 14b) ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Betriebskennzahl während einer Laständerung (34a; 34b) konstant gehalten wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Betriebskennzahl bei einer Laständerung (34a; 34b) in Abhängigkeit von der Laständerung (34a; 34b) geändert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskennzahl bei einer Laständerung (34a; 34b) als Funktion der Brennstoffelektrodeneingangstemperatur des Brennstoffs geändert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Messwert einer Zusammensetzung des Brennstoffs erfasst wird, in dessen Abhängigkeit die Betriebskennzahl ermittelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwert mittels zumindest einer Lambdasonde (50b, 52b) erfasst wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Mehrheit, insbesondere alle, variablen Größen, aus denen die Betriebskennzahl ermittelt wird, in Abhängigkeit von dem zumindest einen Messwert ermittelt werden.
12. Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit (14a; 14b) und mit zumindest einer Steuer- oder Regeleinheit (16a; 16b) zu einer Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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