Verfahren und System zur Regelung/Steuerung einer Gesamt- luftverhältniszahl eines Reformers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung/Steuerung einer Gesamtluftverhältniszahl eines Reformers, der zumindest eine Verbrennungszone und eine mit der Verbrennungszo- ne verbundene Verdampfungszone umfasst.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein System mit einem Reformer, der zumindest eine Verbrennungszone und eine mit der Verbrennungszone verbundene Verdampfungszone umfasst, und mit einem Controller, um eine Gesamtluftverhältniszahl des Reformers zu regeln/steuern.

In Brennstoffzellensystemen, insbesondere in SOFC- BrennstoffZeilensystemen, werden üblicherweise Reformer eingesetzt, die aus ihnen zugeführtem Oxidationsmittel, insbesondere Luft, und Brennstoff Wasserstoffreiche Gasgemische beziehungsweise Reformate bilden. Beispielsweise kann ein derartiger Reformer eine Verbrennungs- beziehungsweise Oxidationszone und eine mit der Verbrennungszone verbundene Verdampfungs- beziehungsweise Gemischbildungszone umfassen. In der Verbrennungszone wird üblicherweise Luft und Brennstoff eingeführt, wodurch eine Umsetzung von dem Gasgemisch aus dem Brennstoff und der Luft in einer exothermen Reaktion stattfindet. In der Verdampfungszone hingegen erfolgt eine weitere Einspritzung von Brennstoff, die eine Verdampfung des Gasgemischs unterstützt. Darüber hinaus umfassen derartige Reformer üblicherweise eine Katalysator- beziehungsweise Reformierungszone, die zumindest ü- ber die Verdampfungszone mit der Verbrennungszone verbunden

ist . Dort wird das Gasgemisch in einer endothermen Reaktion umgesetzt. Insbesondere wird der Verbrennungszone Brennstoff von einer Brennstoffpumpe und Verbrennungsluft von einem Gebläse zugeführt, wobei der Verdampfungszone über eine weitere Brennstoffpumpe Brennstoff zuführbar ist. Die Steuerung der beiden Pumpen und des Gebläses erfolgt meist dergestalt, dass in einem Reformierbetrieb des Reformers eine Gesamtluftverhältniszahl von 0,385 bis 0,465 und Betriebstemperaturen von 850° bis 900 ⁰ C in der Katalysatorzo- ne aufrechterhalten werden. Ein Reformierbetrieb außerhalb des vorgenannten Gesamtluftverhältniszahlbereichs kann zu einer Russbildung, beispielsweise wenn die Luftverhältnis- zahl zu klein ist, oder zu geringen Gaskonzentrationen beziehungsweise hohen Bauteiltemperaturen führen. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Reformers stark sinken, wodurch ebenso der Wirkungsgrad des BrennstoffZeilensystems verringert wird. Darüber hinaus kann sich unter Umständen auch eine verkürzte Lebensdauer der Bauteile beziehungsweise Komponenten und damit auch des Brennstoffzellensystems er- geben. Daher wird üblicherweise die Gesamtluftverhältnis- zahl während des Betriebs des Reformers je nach Art des Betriebs (Anfahr- beziehungsweise Startup-, Normalbetrieb etc . ) geeignet geregelt . Gemäß dem Stand der Technik wird zur Regelung der Gesamtluftverhältniszahl eine Breitband- lambdasonde eingesetzt, um die geeignete Regelung anhand einer Messung der in dem Reformer vorliegenden Gesamtluftverhältniszahl vornehmen zu können. Der Einsatz einer solchen Breitbandlambdasonde ist jedoch eine sehr kostspielige Lösung zur Regelung der Gesamtluftverhältniszahl des Refor- mers .

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Verfahren und Systeme zur Regelung/Steuerung einer Gesamtluftverhältniszahl eines Reformers derart wei-

terzubilden, dass eine im Hinblick zum Stand der Technik kostengünstigere Regelung/Steuerung der Gesamtluftverhält- niszahl vorgenommen werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass zur Regelung/Steuerung der Gesamtluftverhältniszahl eine Luftverhältniszahl der Verbrennungszone geregelt und eine jeweils der Verbrennungszone und der Verdampfungszone zugeführte Brennstoff- leistung gesteuert wird. Ebenso ist aber denkbar, dass die zugeführten Brennstoffleistungen auch geregelt werden, anstatt eine Steuerung vorzunehmen. Die Regelung/Steuerung beziehungsweise überwachung der Gesamtluftverhältniszahl des Reformers basierend auf der Regelung der Luftverhält- niszahl von lediglich der Verbrennungszone und basierend auf der Steuerung beziehungsweise Vorsteuerung der Brennstoffleistungen lässt sich anhand der folgenden Beziehungen durchführen :

Dabei stellt ^ _Ref die Gesamtluftverhältniszahl des Reformers, p^ _t{ die Luftverhältniszahl der Verbrennungszone des Reformers, Jς das Verhältnis aus der Brennstoffleistung

p , die von einer der Verdampfungszone zugeordneten

Brennstoffpumpe zugeführt wird, zu einer Brennstoffleistung p , die von einer der Verbrennungskammer zugeordneten

Brennstoffpumpe zugeführt wird, und _P _rrf die gesamte Brennstoffleistung des Reformers dar. Wird nun anhand obiger Be- Ziehungen die Luftverhältniszahl der Verbrennungszone gere-

gelt, beispielsweise indem die in der Verbrennungszone vorliegende Luftverhältniszahl gemessen wird, und ist das Verhältnis beider Brennstoffleistungen vorgegeben, so kann dementsprechend auf die Gesamtluftverhältniszahl des Refor- mers geschlossen werden. Dies erfolgt dabei jedoch ohne

Messung der Gesamtluftverhältniszahl des Reformers, wodurch auf eine Breitbandlambdasonde verzichtet werden kann. Dementsprechend wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine kostengünstige Regelung/Steuerung zur Verfügung gestellt. Insbesondere für SOFC-Brennstoffzellensysteme in der automobilen Anwendung ist diese kostengünstige Lösung zu bevorzugen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafterweise derart weitergebildet werden, dass die Luftverhältniszahl der Verbrennungszone durch Erfassung einer vorliegenden Luftverhältniszahl der Verbrennungszone und durch Einstellung einer Verbrennungsluftzufuhr in die Verbrennungszone geregelt wird. Vorzugsweise wird die vorliegende bezie- hungsweise erfasste Luftverhältniszahl der Verbrennungszone durch einen einfachen Sensor, beispielsweise eine Lambda- sonde, ermittelt.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgebil- det sein, dass die Verbrennungsluftzufuhr durch ein der

Verbrennungszone zugeordnetes Verbrennungsluftgebläse vorgenommen wird. Das Verbrennungsluftgebläse bläst dabei direkt Luft in die Verbrennungszone ein, die anschließend in die Verdampfungszone gelangt.

Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren derart verwirklicht werden, dass die Luftverhältniszahl der Verbrennungszone durch einen PID-Controller geregelt wird. Der PID-Controller (PID-übertragungsglied) fungiert damit

als Regeleinrichtung für die Luftverhältniszahl der Verbrennungszone und nimmt durch Ansteuerung beziehungsweise Einstellung des Verbrennungsluftgebläses die Regelung vor.

Ebenso ist es vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren so weiterzubilden, dass die Zufuhr der jeweils der Verbrennungszone und der Verdampfungszone zugeführten Brennstoffleistung durch jeweils eine der Verbrennungszone und der Verdampfungszone zugeordnete Brennstoffpumpe vorgenommen wird. Die der Verbrennungszone und der Verdampfungszone zugeführte Brennstoffleistung können dabei beispielsweise anhand der spezifischen Ansteuerung der Brennstoffpumpen und der anhand der Ansteuerung geförderten Brennstoffmenge be- stimmt werden. Beispielsweise wird die Brennstoffleistung durch Ermittlung des Heizwerts H _u (Hi) des Brennstoffs festgelegt, so dass sich durch Verwendung eines bestimmten Heizwerts der Zusammenhang von der Ansteuerung der Pumpe und geförderter Brennstoffleistung ergibt.

In diesem Zusammenhang kann das erfindungsgemäße Verfahren so realisiert werden, dass die der Verbrennungszone zugeordnete Brennstoffpumpe und die der Verdampfungszone zugeordnete Brennstoffpumpe jeweils auf der Grundlage von Kenn- linien gesteuert werden. Diese Kennlinien umfassen beispielsweise Angaben über die Art der Ansteuerung und die aufgrund der Ansteuerung geförderte Brennstoffmenge. Die überführung der Ansteuerung in die gewünschte Brennstoff- leistung kann dabei durch auf Kennlinien basierenden über- tragungsgliedern vorgenommen werden. Dabei können die Kennlinien im Vorfeld messtechnisch beziehungsweise empirisch ermittelt werden oder beispielsweise von einem entsprechenden Pumpenhersteller erfragt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner so ausgebildet werden, dass eine Führungsgroße zur Regelung der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone und entsprechende Vorgabegrößen für die Steuerung der Zufuhr der jeweiligen Brenn- stoffleistung durch eine Berechnungseinrichtung festgelegt werden. Dabei kann es sich bei der Berechnungseinrichtung im informationstechnischen Sinne um einen Sollwert- beziehungsweise Führungsgrößen- und Vorgabegrößengenerator handeln.

In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, das erfindungs- gemäße Verfahren so zu verwirklichen, dass die Berechnungseinrichtung die Führungsgröße und die jeweiligen Vorgabegrößen zumindest basierend auf Messdaten berechnet. Dabei können die von der Berechnungseinrichtung bezogenen Messdaten beziehungsweise Messwerte mit Betriebszuständen des Reformer und/oder des Brennstoffzellensystems korrelieren. Beispielsweise rühren die Messdaten von unterschiedlichen Komponenten des Brennstoffzellensystems her, die für den Betrieb des Reformers relevant sind. Ebenso so können die Messdaten aber auch weitere in dem Reformer gemessene Größen umfassen, die den Betriebszustand des Reformers beeinflussen können.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren so umgesetzt werden, dass die Berechnungseinrichtung basierend auf einem Verhältnis aus der der Verbrennungszone und der Verdampfungszone zugeführten Brennstoffleistung und basierend auf der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone auf die Gesamt- luftverhältniszahl schließt und auf der Grundlage der Mess- daten und/oder der Gesamtluftverhältniszahl die Führungs- größe und die Vorgabegrößen festlegt .

Das erfindungsgemäße System baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass der Controller geeignet ist, zur Regelung/Steuerung der Gesamtluftverhältniszahl eine Luftverhältniszahl der Verbrennungszone zu regeln und eine jeweils der Verbrennungszone und der Verdampfungszone zugeführte Brennstoffleistung zu steuern. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Eigenschaften und Vorteile in gleicher oder ähnlicher Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen wird.

Gleiches gilt sinngemäß für die folgenden bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems, wobei zur Vermeidung von Wiederholungen auch diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen wird.

Das erfindungsgemäße System kann in vorteilhafterweise der- art weitergebildet sein, dass der Controller geeignet ist, die Luftverhältniszahl der Verbrennungszone durch Erfassung einer vorliegenden Luftverhältniszahl der Verbrennungszone und durch Einstellung einer Verbrennungsluftzufuhr in die Verbrennungszone zu regeln.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße System so ausgebildet sein, dass der Controller geeignet ist, die Verbrennungs- luftzufuhr durch ein der Verbrennungszone zugeordnetes Verbrennungsluftgebläse vorzunehmen.

Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße System so verwirklicht werden, dass der Controller einen PID-Controller um- fasst, der geeignet ist, die LuftVerhältniszahl der Verbrennungszone zu regeln.

Das erfindungsgemäße System kann in vorteilhafterweise derart vorgesehen sein, dass der Controller geeignet ist, die Zufuhr der jeweils der Verbrennungszone und der Verdamp- fungszone zugeführten Brennstoffleistung durch jeweils eine der Verbrennungszone und der Verdampfungszone zugeordnete Brennstoffpumpe vorzunehmen.

In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, das erfindungs- gemäße System derart weiterzubilden, dass der Controller geeignet ist, die der Verbrennungszone zugeordnete Brennstoffpumpe und die der Verdampfungszone zugeordnete Brennstoffpumpe jeweils auf der Grundlage von Kennlinien zu steuern.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße System so realisiert werden, dass der Controller eine Berechnungseinrichtung um- fasst, die geeignet ist, eine Führungsgröße zur Regelung der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone und entspre- chende Vorgabegrößen für die Steuerung der Zufuhr der jeweiligen Brennstoffleistung festzulegen.

In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, das erfindungsgemäße System derart weiterzubilden, dass die Be- rechnungseinrichtung geeignet ist, die Führungsgröße und die jeweiligen Vorgabegrößen zumindest basierend auf Mess- daten zu berechnen.

Weiterhin kann vorgesehen sein, das erfindungsgemäße System so auszubilden, dass die Berechnungseinrichtung geeignet ist, basierend auf einem Verhältnis aus der der Verbrennungszone und der Verdampfungszone zugeführten Brennstoffleistung und basierend auf der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone auf die Gesamtluftverhältniszahl zu

schließen und auf der Grundlage der Messdaten und/oder der Gesamtluftverhältniszahl die Führungsgröße und die Vorgabe- großen festzulegen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert .

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines dem erfindungsgemäßen System angehörenden Reformers; und

Figur 2 eine Darstellung eines Blockschaltbilds zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines dem erfindungsgemäßen System angehörenden Reformers 10. Das erfindungsgemäße System kann weiterhin nicht näher interessierende und daher nicht dargestellte Komponenten umfassen, wie beispielsweise eine dem Reformer 10 nachgeschaltete Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel, einen Nachbrenner etc. Im in Figur 1 dargestellten Fall umfasst der Reformer 10 eine Verbrennungszone 12, der über eine der Verbrennungszone 12 zugeordnete Brennstoffpumpe 20 Brenn- stoff, vorzugsweise Diesel, zuführbar und der über ein

Verbrennungsluftgebläse 18 ein Oxidationsmittel beziehungsweise Verbrennungsluft zuführbar ist. Ein Sensor 30, vorzugsweise eine Lambdasonde, ist zur Erfassung einer Luftverhältniszahl der Verbrennungszone 12 vorgesehen und er- streckt sich zumindest teilweise in die Verbrennungszone

12. Weiterhin umfasst der Reformer 10 eine mit der Verbrennungszone 12 verbundene Verdampfungszone 14, der ein Gemisch aus Brennstoff und Verbrennungsluft aus der Verbrennungszone 12 zuführbar ist. Der Sensor 30 befindet sich da-

bei nahe einem übergang zwischen der Verbrennungszone 12 und der Verdampfungszone 14. Dementsprechend kann der Sensor 30 auch so vorgesehen sein, dass die Erfassung der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone 12 zumindest teil- weise oder auch zusätzlich von der in der Verdampfungszone 14 vorliegenden Luftverhältniszahl beeinflusst wird. Der Verdampfungszone 14 und/oder zumindest teilweise der Verbrennungszone 12 ist darüber hinaus zusätzlich Brennstoff über eine weitere der Verdampfungszone 14 zugeordnete Brennstoffpumpe 22 zuführbar. Ferner umfasst der Reformer 10 eine unmittelbar mit der Verdampfungszone 14 und damit mit der Verbrennungszone 12 über die Verdampfungszone 14 verbundene Katalysatorzone 28, der das Gemisch von der Verdampfungszone zuführbar ist und die letztlich das in dem Reformer 10 erzeugte Reformat zur nicht gezeigten Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellenstapel abführt. Weiterhin ist ein Controller 26 zur Regelung/Steuerung einer Gesamtverhältniszahl des Reformers 10 vorgesehen. Der Controller 26 ist unter anderem zur Ansteuerung der Brennstoff- pumpen 20, 22 und des Verbrennungsluftgebläses 18 mit

Letztgenannten gekoppelt. Weiterhin verfügt der Controller 26 über eine Kopplung mit dem Sensor 30, der somit dem Controller 26 erfasste Messdaten über die in der Verbrennungszone 12 vorliegende beziehungsweise erfasste Luftver- hältniszahl zur Verfügung stellen kann. Der Controller umfasst in diesem Fall einen PID-Controller 16 zur Durchführung der Regelung der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone 12 und eine Berechnungseinrichtung 24 zur Berechnung von Führungsgroßen und Vorgabegrößen für die Regelung der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone 12 und für die

Steuerung der Brennstoffpumpen 20, 22, wie nachstehend im Zusammenhang mit Figur 2 ausführlich erläutert wird.

Figur 2 zeigt eine Darstellung eines Blockschaltbilds zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das von dem Controller 26 ausgeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt zunächst damit, Messdaten 32 der Berechnungs- einrichtung 24 zur Verfügung zu stellen. Aus diesen zur

Verfügung gestellten Messdaten 32 werden beispielsweise Be- triebszustände des Reformers 10 und/oder weiteren dem Brennstoffzellensystem angehörenden Komponenten ermittelt. Daraus kann die Berechnungseinrichtung 24 unter anderem Sollwertberechnungen anstellen, die zumindest einen Sollwert (Führungsgröße) für die Luftverhältniszahl JH^ ^~ der Verbrennungsκone 12, eine Vorgabegröße wie das Sollverhält-

nis k _p ^0LL aus den Brennstoffleistungen der der Ver- dampfungszone 14 zugeordneten Brennstoffpumpe 22 und der der Verbrennungszone 12 zugeordneten Brennstoffpumpe 20 und eine Vorgabegröße wie der Sollwert für die gesamte Brennstoffleistung P° _ς ^L des Reformers 10 umfassen. Der Führungsgröße für die Luftverhältniszahl ^Z _t ^ ^{er Ver} k ^ren "" nungszone 12 wird einem Vergleicherglied beziehungsweise einem Subtraktionsglied 36 über einen Signalpfad 34 zugeführt, um eine Regeldifferenz zwischen der Führungsgröße für die Luftverhältniszahl _/ ^ ^* ' _f ^~ der Verbrennungszone 12 und einer von einem Rückkopplungspfad 38 zugeführten, vorliegenden beziehungsweise erfassten Luftverhältniszahl ^j der Verbrennungszone 12 zu bilden. Die Regeldifferenz wird dem PID-Controller 16, der eine PID- Regeleinrichtung (PID-übertragungsglied) ist, zugeführt. Entsprechend der Regeldifferenz stellt der PID-Controller

16 das Verbrennungsluftgebläse 18, das dadurch einen Luft-

• REAL volumenstrom y^ _& m die Verbrennungszone 12 des Reformers

10 einbringt. Weiterhin werden der Sollwert für die gesamte Brennstoffleistung P^ _{ ^U des Reformers 10 und das Sollver-

hältnis k ^s ° ^LL durch die Beziehungen λ- _und ι+ AfrVp -PC ref ^p -Pi oxi

J^ ₃ =p —P _oχi anhand entsprechender Umformungen und Substi- tutionen (die durch nicht näher interessierende Summierer-, Subtrahierer-, Multiplizier-, Dividiererglieder vorgenommen werden) jeweils in eine Sollbrennstoffleistung P _oχi der Verbrennungszone 12 in einen Signalpfad 42 und in eine Sollbrennstoffleistung p^ der Verdampfungszone 14 in ei- nen Signalpfad 44 übergeführt. Durch auf Kennlinien basierende übertragungsglieder 40 in den Signalpfaden 42 und 44 werden die Sollbrennstoffleistung p der Verbrennungszo- ne 12 und die Sollbrennstoffleistung _p _va der Verdampfungszone 14 in Ansteuerungssignale u für jeweils die der Verbrennungszone 12 zugeordnete Brennstoffpumpe 20 und der Verdampfungszone 14 zugeordnete Brennstoffpumpe 22 übergeführt. Beispielsweise ergibt sich allgemein durch Verwendung eines Heizwerts des Brennstoffs der Zusammenhang zwischen der Ansteuerung u der Brennstoffpumpen 20, 22 und der geförderten Brennstoffleistung. Insbesondere wird anhand der Ansteuerung u ein Brennstoffmassenstrom der entsprechenden Brennstoffpumpe 20, 22 gefördert, aus dem durch Hinzuziehung des Heizwerts, beispielsweise der Multiplikation des Brennstoffmassenstrom mit dem zugehörigen Heiz- wert, die zugeführte beziehungsweise geförderte Brennstoffleistung hergeleitet werden kann. Basierend auf diesen An- steuerungssignalen u fördern die jeweiligen Brennstoffpumpen 20, 22 dann tatsächliche Brennstoffleistungen p ^M ^ und p^ in die Verbrennungszone 12 und in die Verdamp-

fungszone 14. Anhand des vorgenannten Rückkopplungspfads 38 wird zur Regelung der Luftverhältniszahl der Verbrennungs- zone 12 die vorliegende Luftverhältniszahl /{, _Ref ^~ durch den Sensor 30 rückgekoppelt, wobei der PID-Controller 16 erneut basierend auf der festgestellten Regeldifferenz in dem Subtraktionsglied 36 regelt. Weiterhin werden durch die Berechnungseinrichtung 24 basierend auf den Beziehungen

vap = -pt ref - -pt oxi .

durch Vorgabe der jeweiligen Brennstoffleistungen der Brennstoffpumpen 20, 22 und durch Messung der Luftverhältniszahl der Verbrennungszone 12 die Gesamtluftverhältnis- zahl des Reformers 10 ermittelt und darauf basierend und/oder auf den gelieferten Messdaten 32 erneut Sollwerte berechnet, wodurch die Gesamtluftverhältniszahl insgesamt geregelt/gesteuert werden kann.

Die in der vorstehenden 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 Reformer

12 Verbrennungszone 14 Verdampfungszone

16 PID-Controller

18 Verbrennungsluftgebläse

20 Brennstoffpumpe

22 Brennstoffpumpe 24 Berechnungseinrichtung

26 Controller

28 Katalysatorzone

30 Sensor

32 Messdaten 34 Signalpfad

36 Subtraktionsglied

38 Rückkopplungspfad

40 übertragungsglied

42 Signalpfad 44 Signalpfad