BESTIMMUNG DES LAMBDAWERTES VON REFORMAT MITHILFE EINER BRENNSTOFFZELLE

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Lambdawertes von Reformat, das dazu vorgesehen ist, einem Brennstoffzellenstapel zugeführt zu werden, wobei zur Bestimmung des Lambdawertes die LeerlaufSpannung an zumindest einem BrennstoffZeilenelement erfasst und ausgewertet wird.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Lambda- regelung eines Reformers zur Umsetzung von zumindest Brennstoff und Luft zu Reformat, das dazu vorgesehen ist, einem Brennstoffzellenstapel zugeführt zu werden.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Lambdawertes von Reformat, das dazu vorgesehen ist, einem Brennstoffzellenstapel zugeführt zu werden, wobei die Vorrichtung Mittel aufweist, die geeignet sind, zur Bestimmung des Lambdawertes die LeerlaufSpannung an zumindest einem Brennstoffzellenelement zu erfassen und auszuwerten.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein System umfassend einen Reformer zur Umsetzung von zumindest Brennstoff und Luft zu Reformat und einen von dem Reformer mit Reformat gespeisten Brennstoffzellenstapel, wobei der Reformer lamb- dageregelt ist.

Die gattungsgemäßen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme werden im Zusammenhang mit der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie eingesetzt. Zu diesem Zweck werden dem Reformer Brennstoff und Luft, vorzugsweise in

Form eines Brennstoff/Luft-Gemisches, zugeführt. In dem Reformer erfolgt dann eine Umsetzung des Brennstoffes mit dem Luftsauerstoff, wobei vorzugsweise das Verfahren der partiellen Oxidation durchgeführt wird.

Das so erzeugte Reformat wird dann einer Brennstoffzelle beziehungsweise einem Brennstoffzellenstapel zugeführt, wobei durch die kontrollierte Umsetzung von Wasserstoff, als Bestandteil des Reformats, und Sauerstoff elektrische Ener- gie freigesetzt wird.

Der Reformer kann, wie bereits erwähnt, so ausgelegt sein, dass das Verfahren der partiellen Oxidation durchgeführt wird, um Reformat zu erzeugen. In diesem Fall ist es bei der Verwendung von Diesel als Brennstoff besonders nützlich, vor der partiellen Oxidation Vorreaktionen durchzuführen. Auf diese Weise können mit "kalter Flamme" langket- tige Dieselmoleküle in kürzerkettige Moleküle umgesetzt werden, was letztlich den Reformerbetrieb begünstigt. AIl- gemein wird der Reaktionszone des Reformers ein Gasgemisch zugeführt, welches zu H ₂ und CO umgesetzt wird. Ein weiterer Bestandteil des Reformats sind N ₂ aus der Luft sowie, in Abhängigkeit von der Luftzahl und der Temperatur, gegebenenfalls CO ₂ , H ₂ O und CH ₄ . Im Normalbetrieb wird der Brennstoffmassenstrom entsprechend der angeforderten Leistung geregelt, und der Luftmassenstrom wird auf einen Lamb- dawert beziehungsweise eine Luftzahl im Bereich von λ = 0 , 4 geregelt. Die Reformierungsreaktion kann durch unterschiedliche Sensoren, beispielsweise Temperatursensoren und Gas- Sensoren, überwacht werden.

Neben dem Verfahren der partiellen Oxidation ist es ebenfalls möglich, eine autotherme Reformierung durchzuführen. Das Verfahren der partiellen Oxidation wird im Gegensatz

zur autothermen Reforraierung dadurch herbeigeführt, dass Sauerstoff unterstöchiometrisch zugeführt wird. Beispielsweise hat das Gemisch eine Luftzahl von λ = 0,4. Die partielle Oxidation ist exotherm, so dass es in problemati- scher Weise zu einer unerwünschten Aufheizung des Reformers kommen kann. Ferner neigt die partielle Oxidation zu einer verstärkten Rußbildung. Zur Vermeidung der Rußbildung kann die Luftzahl λ größer gewählt und/oder ein Teil des für die Oxidation verwendeten Sauerstoffs durch Wasserdampf bereit- gestellt werden. Da die Oxidation mit Wasserdampf endotherm verläuft, ist es möglich, das Verhältnis zwischen Brennstoff, Sauerstoff und Wasserdampf so einzustellen, dass insgesamt weder Wärme freigesetzt noch Wärme verbraucht wird. Die so erreichte autotherme Reformierung beseitigt daher die Probleme der Rußbildung und einer unerwünschten überhitzung des Reformers .

Ebenfalls ist es möglich, dass im Anschluss an die Oxidation in dem Reformer weitere Schritte der Gasbehandlung er- folgen, wobei insbesondere der partiellen Oxidation eine Methanisierung nachgeschaltet sein kann.

Ein gängiges Brennstoffzellensystem ist beispielsweise ein PEM-System ( "proton exchange membrane"), welches typischer- weise bei Betriebstemperaturen zwischen Raumtemperatur und etwa 100 ⁰ C betrieben werden kann. Aufgrund der niedrigen Betriebstemperaturen wird dieser Brennstoffzellentyp häufig für mobile Anwendungen genutzt, beispielsweise in Kraftfahrzeugen.

Weiterhin sind Hochtemperaturbrennstoffzellen bekannt, sogenannte SOFC-Systeme ("solid oxide fuel cell"). Diese Systeme arbeiten beispielsweise im Temperaturbereich von zirka 800 ⁰ C, wobei ein Feststoffelektrolyt ("solid oxide") in

der Lage ist, den Transport von Sauerstoffionen zu übernehmen. Der Vorteil von derartigen Hochtemperaturbrennstoffzellen gegenüber PEM-Systemen besteht insbesondere in der Robustheit gegenüber mechanischen und chemischen Belastun- gen.

Als Anwendungsgebiet für Brennstoffzellen in Verbindung mit den gattungsgemäßen Systemen kommen neben stationären Anwendungen insbesondere Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich in Frage, beispielsweise als "auxiliary power unit" (APU) .

Zur Bestimmung des Lambdawertes von Reformat wird beim Stand der Technik häufig ein im Ausgangsbereich des Reformers vorgesehener Sensor (Lambdasonde) verwendet, um die Sauerstoffkonzentration zu messen. Dies stellt einen zusätzlichen materiellen Aufwand dar, der mit hohen Kosten verbunden ist. Weiterhin können Dichtigkeitsprobleme und/oder Temperaturprobleme auftreten.

Aus der DE 103 58 933 Al sind die gattungsgemäßen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme bekannt, bei denen eine Leerlaufspannung von zumindest einem Brennstoffzellenele- ment gemessen wird und dieser Messwert entsprechend ausgewertet wird, um einen Lambdaistwert zu ermitteln, der für die Steuerung auf einen Lambdasollwert verwendet wird. Die LeerlaufSpannung an einem Brennstoffzellenelement ist weniger stark von den momentanen Betriebsbedingungen abhängig, als eine Spannung während einer Stromentnahme . Eine Leerlaufspannung könnte beispielsweise erfasst werden, indem diese nur in Betriebsphasen gemessen wird, in denen die

Verbraucher keinen Strom von dem entsprechenden Brennstoff- zellenelement abziehen. Ferner könnte eine LeerlaufSpannung beispielsweise erfasst werden, indem die Verbraucher kurzzeitig von dem entsprechenden Brennstoffzellenelement ge-

trennt werden; dies würde jedoch einen reibungslosen Betrieb der Verbraucher stören. Darüber hinaus ist das Abgreifen einer zu messenden Spannung von nur einem oder wenigen BrennstoffZeilenelementen mit erhöhtem Fertigungs- und Verkabelungsaufwand verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme derart weiterzubilden, dass der Lambdawert in montage- und betriebstreund- licher Weise bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst .

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Lambda- wertes baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik da- durch auf, dass das zumindest eine Brennstoffzellenelement ein endständiges Brennstoffzellenelement des Brennstoffzel- lenstapels ist, welches ausschließlich für Messzwecke vorgesehen ist, und die für zumindest einen Verbraucher vorgesehene Spannung an den übrigen BrennstoffZeilenelementen des Brennstoffzellenstapels abgreifbar ist. Durch Erfassen der LeerlaufSpannung an einem endständigen Brennstoffzellenelement ist die Kabelführung fertigungstechnisch vereinfacht, weil die endständigen BrennstoffZellenelemente deutlich einfacher zugänglich sind als ein Brennstoffzellenele- ment aus der Mitte des Brennstoffzellenstapels . Ferner wird durch das ausschließliche Nutzen des Brennstoffzellenele- ments für Messzwecke, ein kontinuierlicher und reibungsloser Betrieb des Systems gewährleistet. Dabei kann in jedem Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels oder des Ver-

brauchers die Spannung des für Messzwecke vorgesehenen BrennstoffZeilenelements bestimmt werden, wobei diese Spannung durch die ausschließliche Nutzung für Messzwecke stets einer LeerlaufSpannung des BrennstoffZellenelements ent- spricht .

Ferner wird für das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Lambdawertes bevorzugt, dass über die Nernstsche Gleichung auf den Lambdawert geschlossen wird. Dies ist möglich, da die LeerlaufSpannung des für Messzwecke vorgesehenen Brennstoffzellenelements der Nernstschen Gleichung folgt.

Darüber hinaus ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vor- teilhaft, dass der Lambdawert des Weiteren in Abhängigkeit von der Temperatur des zumindest einen Brennstoffzellenelements ermittelt wird. Da bei der Bestimmung des Lambdawertes, insbesondere bei der Bestimmung mittels der Nernstschen Gleichung, die gemessene Spannung stark tempe- raturabhängig ist, kann durch Einbeziehen der Temperatur in die Ermittlung des Lambdawertes eine genauere Bestimmung erzielt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lambdaregelung eines Re- formers baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass die Lambdaregelung auf der Grundlage von Lambdawerten durchgeführt wird, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung des Lambdawertes bestimmt werden. Auch in diesem Fall kann die Bestimmung der Lambdawer- te betriebseffizienter als gemäß dem Stand der Technik durchgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Lambdawertes baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik da-

durch auf, dass das zumindest eine BrennstoffZeilenelement ein endständiges Brennstoffzellenelement des Brennstoffzel- lenstapels ist, welches ausschließlich für Messzwecke vorgesehen ist, und die für zumindest einen Verbraucher vorge- sehene Spannung an den übrigen BrennstoffZeilenelementen des Brennstoffzellenstapels abgreifbar ist. Hierdurch können die im Zusammenhang mit dem oben beschriebenen Verfahren erzielten Vorteile in übertragener Weise erreicht werden.

Auch im Falle der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird bevorzugt, dass die Mittel geeignet sind, über die Nernstsche Gleichung auf den Lambdawert zu schließen. Die Ermittlung des Lambdawertes kann dabei durch direkte Auswertung der Nernstschen Gleichung, über geeignete Kennfelder oder irgendeine andere geeignete, für den Fachmann naheliegende Weise erfolgen.

Ferner ist es vorteilhaft, die erfindungsgemäße Vorrichtung so auszulegen, dass ein Temperatursensor vorgesehen ist, mit dem die Temperatur des zumindest einen Brennstoffzel- lenelements messbar und ein entsprechender Messwert den Mitteln zuführbar ist, so dass der Lambdawert in Abhängigkeit von der Temperatur des zumindest einen Brennstoffzel- lenelements ermittelbar ist. Da bei der Bestimmung des Lambdawertes, insbesondere bei der Bestimmung mittels der Nernstschen Gleichung, die gemessene Spannung stark temperaturabhängig ist, kann durch Vorsehen eines Temperatursen- sors zur Ermittlung der Temperatur des für Messzwecke vor- gesehenen Brennstoffzellenelements eine genauere Bestimmung des Lambdawertes erzielt werden.

Das erfindungsgemäße System baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass es zur Durchführung der

Lambdaregelung die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Lambdawertes umfasst.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfol- gend anhand der zugehörigen Zeichnungen beispielhaft erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahren veranschaulicht;

Figur 2 ein Blockschaltbild, das eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungs- gemäßen Systems veranschaulicht; und

Figur 3 eine schematische Darstellung, die eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels veranschaulicht .

Die in Figur 1 dargestellten Schritte Sl bis S2 veranschaulichen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Lambdawertes, während die Schritte Sl bis S5 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver- fahrens zur Lambdaregelung eines Reformers zeigen.

Gemäß dem dargestellten Verfahren wird ein Brennstoffzel- lenelement eines eine Mehrzahl von Brennstoffzellenelemen- ten aufweisenden Brennstoffzellenstapels ausschließlich für Messzwecke vorgesehen, d.h. es versorgt keine Nutzverbraucher sondern nur Messgeräte zur Bestimmung von Messwerten. Zu diesem Zweck ist dieses Brennstoffzellenelement von den übrigen Brennstoffzellenelementen elektrisch isoliert, um so als Lambdasonde verwendet zu werden. Die übrigen Brenn-

stoffZeilenelemente sind in Reihe geschaltet, um somit eine höhere Spannung liefern zu können, die an einen oder mehrere Verbraucher angelegt werden kann. Selbstverständlich sind auch Ausführungsformen denkbar sind, bei denen mehr als nur ein Brennstoffzellenelement ausschließlich für

Messzwecke vorgesehen sind, welche untereinander in Reihe geschaltet sein können, um eine höhere Messspannung zu liefern.

Im Schritt Sl wird die LeerlaufSpannung U ₀ des für Messzwecke vorgesehenen BrennstoffZellenelements erfasst. Dies kann über irgendwelche dem Fachmann geläufige Einrichtungen erfolgen, die analog und/oder digital arbeiten. Da dieses Brennstoffzellenelement keine Verbraucher versorgt, ent- spricht die erfasste Spannung dieses Brennstoffzellenele- ments in jedem Betriebszustand des Verbrauchers oder des Brennstoffzellenstapels einer LeerlaufSpannung dieses Brennstoffzellenelements .

Im Schritt S2 wird über die Nernstsche Gleichung der Lamb- dawert λi _St in Abhängigkeit von der LeerlaufSpannung U ₀ und der aktuellen Temperatur T des für Messzwecke vorgesehenen Brennstoffzellenelements bestimmt. Dies ist möglich, da die LeerlaufSpannung U ₀ eines für Messzwecke vorgesehenen Brennstoffzellenelements der Nernstschen Gleichung folgt. Alternativ dazu kann im Schritt S2 der Lambdawert λi _ξt über die Nernstsche Gleichung in Abhängigkeit von der Leerlauf- Spannung U ₀ , ohne Berücksichtigung der Temperatur des für Messzwecke vorgesehenen Brennstoffzellenelements, bestimmt werden .

Im Schritt S3 wird die Regeldifferenz δλ in Abhängigkeit von dem Lambdawert λ± _st und einem Lambdasollwert λ _so n ermittelt, über den Zusammenhang δλ = δ _so n - δi _st .

Anschließend wird im Schritt S4 ein Stellsignal S in Abhängigkeit von der Regeldifferenz δλ erzeugt.

Im Schritt S5 wird zumindest ein Stellglied in Abhängigkeit von dem Stellsignal S betätigt. Ein oder mehrere Stellglieder können dabei insbesondere dem Reformer zugeordnet sein und beispielsweise die Luft- und oder Brennstoffzufuhr variieren. Sofern mehrere Stellglieder vorgesehen sind, ent- hält das Stellsignal S vorzugsweise eine Mehrzahl von Informationen, die zur jeweiligen Ansteuerung eines Stellgliedes geeignet sind.

Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild, das sowohl eine Ausfüh- rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung als auch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems veranschaulicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 24, die durch dem Fachmann geläufige Hard- und/oder Software realisiert werden kann, ist zur Bestimmung des Lambdawertes λi _St von Re- format 10 vorgesehen. Das Reformat 10 wird von einem Reformer 16 erzeugt und einem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt. Der Brennstoffzellenstapel 12 umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzellenelementen, von denen im dargestellten Fall ein Brennstoffzellelement 14 ausschließlich für Mess- zwecke vorgesehen ist, so dass dieses Brennstoffzellelement 14 während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 12 permanent eine LeerlaufSpannung U ₀ liefert und zwar auch dann, wenn die Verbraucher 34 eine hohe Leistung anfordern. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 24 umfasst Mittel 26, die zur Bestimmung des Lambdawertes λi _St die LeerlaufSpannung U ₀ des Brennstoffzellenelements 14 und die mittels eines Temperatursensors 40 aktuell gemessene Temperatur des Brennstoff- zellenelements 14 auswerten. Dabei ist der Temperatursensors 40 optional, d.h. der Lambdawert λi _st kann auch ohne

Berücksichtigung der durch den Temperatursensor 40 ermittelten Temperatur bestimmt werden. Die Mittel 26 bestimmen den Lambdawert λ _ist vorzugsweise über die Nernstsche Gleichung. Die zur Bestimmung des Lambdawertes vorgesehenen Mittel 26 können dabei durch dem Fachmann bekannte analoge oder digitale Schaltungen realisiert werden, insbesondere durch Hardware, die mit geeigneter Software zusammenwirkt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 24 ist Bestandteil eines insgesamt mit 32 bezeichneten erfindungsgemäßen Systems, das neben der Vorrichtung 24 weiterhin einen Reformer 16 zur Umsetzung von Brennstoff 20 und Luft 22 zu Reformat 10 und den von dem Reformer 16 mit Reformat 10 gespeisten Brennstoffzellenstapel 12 umfasst, der gleichzeitig zur LeerlaufSpannung U ₀ des BrennstoffZeilenelements 14 eine

AusgangsSpannung für einen Verbraucher 34 liefert. Das dargestellte System umfasst weiterhin einen Addierer 28, der aus einem Lambdasollwert λ _ao ii und dem Lambdaistwert λi _St eine Regeldifferenz δλ erzeugt. Diese Regeldifferenz δλ wird einem ebenfalls dem System 32 zugeordneten Regler 30 zugeführt, der in Abhängigkeit von der Regeldifferenz δλ ein oder mehrere geeignete Stellsignale S ausgibt. Im dargestellten Fall wird das Stellsignal S einem Stellglied 18 zugeführt, das Bestandteil des Reformers 16 ist. Das Stell- glied 18 kann beispielsweise die Zufuhr von Brennstoff 20 und/oder Luft 22 beeinflussen.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung, die eine Aus- führungsform eines Brennstoffzellenstapels veranschaulicht. Der Brennstoffzellenstapel 12 umfasst mehrere Brennstoffzellenelemente 14, 36, welche von einem Spannrahmen 38 gehalten werden. Die BrennstoffZellenelemente 14, 36 setzen in allgemein bekannter Weise Reformat und Oxidationsmittel in elektrische Energie um. Dazu sind die Brennstoffzellen-

elemente 14, 36 plattenförmig ausgebildet und weisen zwei Durchgangslöcher auf, welche sich durch Stapeln der Brennstoffzellenelemente zu zwei Kanälen ergänzen. über diese Kanäle ist Reformat zuführbar und Anodenabgas abführbar. Unter den BrennstoffZellenelementen ist zumindest ein endständiges Brennstoffzellenelement 14 ausschließlich für Messzwecke vorgesehen und gegen die übrigen Brennstoffzel- lenelementen 36 elektrisch isoliert. Das endständige Brennstoffzellenelement 14 ist mit den Mitteln 26 zur Auswertung der LeerlaufSpannung U ₀ und optional zur Auswertung seiner Temperatur T elektrisch verbunden. Als endständiges Brennstoffzellenelement 14 können die beiden äußersten Brennstoffzellenelemente des Brennstoffzellenstapels 12 dienen. Ebenso können mehrere endständige, d.h. äußere aufeinander- folgende, Brennstoffelemente ausschließlich für Messzwecke vorgesehen sein. Mit den übrigen BrennstoffZeilenelementen 36 ist ein Verbraucher elektrisch verbunden, dazu sind diese Brennstoffzellenelemente in Reihe geschaltet, um eine höhere Spannung liefern zu können. Dabei wird die Spannung für den Verbraucher 34 an den äußersten der übrigen Brennstoffzellenelemente 36 abgegriffen. Der Begriff Verbraucher, so wie er vorliegend verwendet wird, umfasst dabei jegliche Kombination von einem oder mehreren in Reihe und/oder parallel geschalteten Verbrauchern. Der Tempera- tursensor 40 zum Erfassen der Temperatur des Brennstoffzel- lenelements 14 ist in Kontakt zum Brennstoffzellenelement 14 angeordnet. Wenn das Brennstoffzellenelement 14 baugleich zu den übrigen Brennstoffzellenelementen 36 ausgebildet ist, dann kann der Temperatursensor beispielsweise auf die Außenseite des Brennstoffzellenelements 14 aufgeklebt werden. Alternativ dazu kann der Temperatursensor 40 beispielsweise in einer Aussparung des Brennstoffzellenelements 14 oder in einer Aussparung des Spannrahmens 38 ange-

ordnet sein. Nicht dargestellte Kabel verbinden den Temperatursensor 40 mit den Mitteln 26.

Im Betrieb variiert je nach Leistungsbedarf des Verbrau- chers der Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 12. Die Mittel 26 können an dem endständigen Brennstoffzellen- element 14 stets die LeerlaufSpannung U ₀ dieses Brennstoffzellenelementes 14 ermitteln, unabhängig davon, welchen Leistungsbedarf der Verbraucher 34 hat und in welchem Be- triebszustand sich der Brennstoffzellenstapel 12 befindet.

Die in der bevorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Bezugszeichenliste :

10 Reformat

12 Brennstoffzellenstapel 14 für Messzwecke vorgesehenes Brennstoffzellenelement

16 Reformer

18 Stellglied

20 Brennstoff

22 Luft 24 Vorrichtung zur Bestimmung des Lambdawertes

26 Mittel zur Auswertung der LeerlaufSpannung und der Temperatur

28 Addierer

30 Regler 32 System

34 Verbraucher

36 für Verbraucher vorgesehene BrennstoffZeilenelemente

38 Spannrahmen

40 Temperatursensor