Verfahren zur Ermittlung eines Anodenumsatzgrads in einem Brennstoffzellensystem

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Anodenumsatzgrads einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels .

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Steuereinrichtung.

Allgemein sind Brennstoffzellensysteme bekannt, beispielsweise SOFC-Brennstoffzellensysteme (SOFC = Solid Oxide Fuel Cell) , in denen ein Reformer, eine Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzellenstapel und ein Nachbrenner in dieser Abfolge miteinander gekoppelt sind. Der Reformer setzt ihm zugeführte Luft und zugeführten Brennstoff zu einem Wasserstoff- und monokohlehaltigen Gas beziehungsweise einem Re- format um. Anschließend gelangt dieses Reformat zu einer Anode der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels .

Insbesondere wird das Reformat über einen Anodeneintritt dem Brennstoffzellenstapel zugeführt. In der Anode wird das Reformat (H ₂ , CO) zum Teil katalytisch unter Abgabe von E- lektronen oxidiert und über einen Anodenaustritt abgeführt. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle oder dem

Brennstoffzellenstapel abgeleitet und fließen beispielsweise zu einem elektrischen Verbraucher. Von dort gelangen die Elektronen zu einer Kathode der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels, wobei unter Zuführung von Katho- denluft in einen Kathodeneintritt eine Reduktion stattfindet. Anschließend wird die Kathodenabluft über einen Kathodenaustritt abgeführt. Die Abgase des Brennstoffzellensta-

pels (abgereichertes Reformat) , die sowohl aus dem Anodenaustritt der Anode als auch aus dem Kathodenaustritt der Kathode abgeführt werden, werden anschließend beide dem Nachbrenner zugeführt . Dort erfolgt eine Umsetzung des ab- gereicherten Reformats mit einer dem Nachbrenner zugeführten Nachbrennerluft zu einem Verbrennungsabgas. Zur Ermittlung einer Systemperformanz beziehungsweise Systemleistungsfähigkeit kann beispielsweise der Anodenumsatzgrad verwendet werden. Derzeit besteht jedoch nicht die Möglich- keit, den Anodenumsatzgrad zu messen, ohne auf die Verwendung aufwändiger Gasanalytiken beziehungsweise Gasanalytikverfahren des Reformats vor der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellenstapel zurückzugreifen. Der Einsatz derartiger Gasanalytikverfahren in solchen Brennstoffzellensys- temen ist jedoch sehr kostspielig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Verfahren und die gattungsgemäßen Brennstoff- zellensysteme derart weiterzubilden, dass die Ermittlung des Anodenumsatzgrads kostengünstig durchgeführt 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 baut auf dem gattungsgemä- ßen Stand der Technik dadurch auf, dass der Anodenumsatzgrad durch Messen von zumindest einem Strom der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels, einem einem Nachbrenner zugeführten Luftvolumenstrom, dem zum Zeitpunkt der

Messung kein Brennstoff zugeführt wird, einer Luftzahl eines Reformergases und einem Sauerstoffvolumenanteil in einem Nachbrennerabgas ermittelt wird. Durch die Messung dieser Größen kann anhand geeigneter Berechnungen der Anoden- umsatzgrad kostengünstig ermittelt werden. Um den Strom der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels zu messen, ist lediglich ein Strommessgerät zu verwenden. Der dem Nachbrenner zugeführte Luftvolumenstrom lässt sich anhand eines Strömungsmessgeräts ermitteln. Die Luftzahl des Re- formergases und der Sauerstoffvolumenanteil in dem Nachbrennerabgas können jeweils durch eine Lambda-Sonde ermittelt werden, die entsprechend bei einem Reformer und dem Nachbrenner vorgesehen sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafterweise dadurch weitergebildet sein, dass der Anodenumsatzgrad durch das Verhältnis von einer Anode umgesetzten Brenngasen bei einem Strom I zu der Anode zugeführten Brenngasen gebildet wird und zu

definiert ist, wobei I der Strom der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels, N die Brennstoffzellenanzahl,

F die Faraday'sche Konstante und f£° ^ut , ή£° ^at , ή£° ^at jeweils

Molenströme von H ₂ , CO und Brennstoff an einem Anodenaus- tritt der Anode sind.

Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgeführt sein, dass die Summe der Molenströme von ή^' ^out ,

*&*. ^f' gleich

ist, wobei Vjf der dem Nachbrenner zugeführte Luftvolumenstrom, λ _m die Luftzahl des Nachbrennerabgases und V _mair das molare Volumen von Luft ist .

In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, das erfindungsgemäße Verfahren derart zu verwirklichen, dass die Luftzahl des Nachbrennerabgases für eine überstöchiometri- sehe Verbrennung zu

definiert ist, wobei φ^ ⁰ *(H ₂ ,CO) der Volumenanteil von H ₂ und CO an dem Anodenaustritt und ^ _NB (O ₂ ) der Volumenanteil von O ₂ in dem Nachbrennerabgas ist .

Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Volumenanteil von H ₂ und CO an dem Anodenaustritt zu

A,out φ (H ₂ ,CO) = φ^(H ₂ ,CO)-I-^-.^-

•∑ definiert ist, wobei φ ^>m (H ₂ ,CO) der Volumenanteil von H ₂ und CO an einem Anodeneintritt der Anode und ή^' ^m der Ge- samtmolenstrom an dem Anodeneintritt ist.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren so weitergebildet, dass der Volumenanteil von H ₂ und CO des Anodeneintritts über Kennlinien in Abhängigkeit von der Luftzahl des Reformergases beziehungsweise der Luftzahl für den Reformer ermittelt wird. Dabei können die Kennlinien empirisch ermittelt werden.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafterweise derart ausgeführt sein, dass der Gesamtmolen- strom des Anodeneintritts über Kennlinien in Abhängigkeit von der Luftzahl des Reformergases ermittelt wird. Auch in diesem Fall können die Kennlinien empirisch ermittelt werden.

Darüber hinaus wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise so verwirklicht, dass der Gesamtmolenstrom des Ano- deneintritts weiterhin in Abhängigkeit von einem Gesamtmolenstrom in einen Reformer ermittelt wird, der zu

Refjn _

definiert ist, wobei n ein Kohlenstoffanteil und m ein Was- serstoffanteil des Brennstoffs, /z _ufiιeI der untere spezifische Heizwert des Brennstoffs, M _ael die molare Masse des Brennstoffs und P _Ref die Reformerbrennstoffleistung ist.

Ebenso ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einer Steuereinrichtung vorgesehen, die dazu geeignet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. 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.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft erläutert.

Es zeigt :

Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10. Im dargestellten Fall umfasst das Brennstoffzellensystem 10 einen Reformer 16, der mit einer ihm vorgeschalteten Brennstoffzuführein- richtung 12 zur BrennstoffZuführung und einer ihm vorgeschalteten Luftzuführeinrichtung 14 zur Luftzuführung gekoppelt ist. Der Reformer 16 ist mit einem ihm nachgeschalteten Brennstoffzellenstapel 20 gekoppelt. Der Brennstoff- zellenstapel 20 besteht in diesem Fall aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen. Alternativ kann jedoch anstelle des Brennstoffzellenstapels 20 auch nur eine einzelne Brennstoffzelle vorgesehen sein. Insbesondere ist der Reformer 16 mit einer Anode des Brennstoffzellenstapels 20 gekoppelt. Darüber hinaus ist der Brennstoffzellenstapel 20 mit einer Kathodenluftzuführeinrichtung 18 gekoppelt, die einer

Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 Kathodenluft zuführt. Weiterhin ist der Brennstoffzellenstapel 20 mit einem Nachbrenner 24 gekoppelt, dem in diesem Ausführungsbeispiel sowohl von der Anode als auch von der Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 stammendes Abgas zuführbar ist. Weiterhin ist eine Nachbrennerluftzuführeinrichtung 22 mit dem Nachbrenner 24 gekoppelt, über die der Nachbrenner 24 mit Nachbrennerluft versorgt wird. Dem Brennstoffzellensystem 10 ist eine Steuereinrichtung 26 zugeordnet. Zur Er- mittlung der Luftzahl eines Reformergases des Reformers 16 ist eine Lambda-Sonde 34 an dem Reformer vorgesehen, mit der die Steuereinrichtung 26 gekoppelt ist. Ebenso ist zur Messung des Sauerstoffgehalts beziehungsweise des Sauer- stoffvolumenanteils eines Nachbrennerabgases des Nachbren-

ners 24 eine weitere Lambda-Sonde 32 an dem Nachbrenner 24 vorgesehen. Zur Messung eines dem Nachbrenner 24 zugeführten Luftvolumenstroms ist zwischen der Nachbrennerluftzuführeinrichtung 22 und dem Nachbrenner 24 ein Strömungs- messgerät 30 vorgesehen.

Im Betrieb führt die Steuereinrichtung 26 das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt aus, um den Anodenumsatzgrad zu ermitteln. Der Anodenumsatzgrad ist definiert als das Ver- hältnis von der Anode umgesetzten Brenngasen zu der Anode zugeführten Brenngasen und lässt sich ausdrücken zu

Dabei ist N die Anzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels, F die Faraday'sche Konstante in As/mol, ∑^' ^m die Summe der in die Anode eintretenden Molenströ- y=H ₂ ,CO,BS me von H ₂ , CO und des Brennstoffes in mol/s und der Term " _H T' ⁺ "co° ^ut +^ _B s° ^{ut die} Summe der aus der Anode austretenden Molenströme von H ₂ , CO und des Brennstoffes in mol/s. Damit die Steuereinrichtung 26 den Anodenumsatzgrad ermitteln kann, ist es erforderlich den Strom I des Brennstoffzellen- stapels 20 zu messen. Vorzugsweise wird der Strom I gemessen, wenn kein zusätzlicher Brennstoff, insbesondere Diesel, dem Nachbrenner 24 zugeführt wird. Zur Messung des Stroms I verfügt die Steuereinrichtung 26 über ein Strom- messgerät 28, das mit dem Brennstoffzellenstapel 20 zur Strommessung geeignet verbunden ist. Ist der Strom des Brennstoffzellenstapels 20 messbar, so gilt es weiterhin den Term ή£° ^ut + ^ή £g ^ut + ή£° ^ut zur Anodeumsatzberechnung X _A zu ermitteln. Dieser Term lässt sich unter anderem nach der Definition von der Luftzahl wie folgt beschreiben:

Dabei ist V™ der Luftvolumenstrora in den Nachbrenner 24 von der Nachbrennerluftzuführeinrichtung 22 in Nl/s, λ^ die Luftzahl beziehungsweise die Luftverhältnis-Zahl (Lamb- da) des Nachbrennerabgases des Nachbrenners 24 und V _mair das molare Volumen beziehungsweise Molvolumen der Luft in Nl/mol . Das molare Volumen der Luft ist bekannt und lässt sich beispielsweise aus der molaren Masse in Zusammenhang mit dem spezifischen Volumen von Luft ermitteln. Die Steu- ereinrichtung 26 ermittelt den dem Nachbrenner 24 zugeführten Luftvolumenstrom über das Strömungsmessgerät 30. Damit gilt es weiterhin die Luftzahl des Nachbrennerabgases des Nachbrenners 24 durch die Steuereinrichtung 26 zu berechnen. Für die Luftzahl des Nachbrennerabgases gilt folgende Beziehung, die für die überstöchiometrische Verbrennung hergeleitet werden kann:

In dieser Beziehung bezeichnet der Ausdruck φ ^A '° ^ut (H ₂ ,CO) einen Volumenanteil von H ₂ und CO an einem Anodenaustritt, d.h. der Volumenanteil der Gase bei Verlassen der Anode, wobei φ _m (O ₂ ) ^e ^- ⁿ Volumenanteil von O ₂ im Nachbrennerabgas ist. Um den Volumenanteil von O ₂ im Nachbrennerabgas zu ermitteln, ist die Steuereinrichtung 26 mit einer an dem Nachbrenner 24 vorgesehenen Lambda-Sonde 32 gekoppelt. Um den Volumenanteil von H ₂ und CO an dem Anodenaustritt zu ermitteln, verwendet die Steuereinrichtung 26 die folgende

- S -

Beziehung für den von der Anode abgegebenen Brenngasanteil im Anodenabgas :

Dabei bezeichnet φ ^Km (H ₂ ,CO) den Volumenanteil des der Anode von dem Reformer 16 zugeführten Gases aus H ₂ und CO, d.h.

1 JV der Anteil von H ₂ und CO im Reformat, wobei /— _r . den ή£ ^m 2F im Brennstoffzellenstapel 20 umgesetzten Volumenanteil von H ₂ und CO bezeichnet. Insbesondere bezieht sich der Ausdruck ή^ ^m auf den der Anode zugeführten Gesamtmolenstrom in den Anodeneintritt. Um φ ^A ' ^m (H ₂ ,CO) zu ermitteln, verwendet die Steuereinrichtung 26 eine empirisch ermittelte Kennlinie in Abhängigkeit von einem Reformerlambda beziehungsweise einer Luftzahl des Reformergases des Reformers

4

16 und bestimmt φ ^Km {H ₂ ,Cö) = ∑b _t -λ _Rel ' . Dabei ist h± ein vor-

(=0 bestimmter Koeffizient, der empirisch ermittelt wurde. Zur Ermittlung der Luftzahl des Reformergases ist die Steuereinrichtung 26 mit einer an dem Reformer 16 vorgesehenen Lambda-Sonde 34 gekoppelt. Ebenso verwendet die Steuereinrichtung 26 zur Ermittlung des Gesamtmolenstroms ή£ ^m in den Anodeneintritt den folgenden Zusammenhang:

2 •A,in -Reζin V" ¹ * ι

(=0

Analog zu dem Koeffizienten bi wird auch in diesem Fall der Koeffizient Ci ₁ empirisch ermittelt. Insbesondere lassen sich durch diese empirisch ermittelten Koeffizienten Kenn- linien erstellen, die für die jeweilige Berechnung verwendet werden können. Darüber hinaus bezeichnet ή^ ^efM einen Ge-

samtmolenstrom der dem Reformer 16 zugeführten Gase. Dieser Ausdruck lässt sich durch die folgende Beziehung zur Berechnung des notwendigen Gesamt-Molenstroms in den Reformer ^ή * ^ef>in herleiten:

n Reζin _

Dabei bezeichnet n einen Kohlenstoffanteil und m einen Wasserstoffanteil des eingesetzten beziehungsweise dem Reformer zugeführten Brennstoffs. Weiterhin bezeichnen P _Ref eine

Reformerleistung in Watt, /z _ufliel einen unteren spezifischen Heizwert des Brennstoffs in J/kg und M^ ₁ die molare Masse des Brennstoffes, wobei diese Größen alle bekannt sind. Somit lässt sich unter den vorgenannten Voraussetzungen der Anodenumsatzgrad mittels der Steuereinrichtung 26 abschätzen, da die Steuereinrichtung 26 alle hierfür erforderli- chen Größen wie vorstehend beschrieben entweder misst oder diese Größen anhand weiterer Beziehungen herleitet.

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 Brennstoffzellensystem

12 Brennstoffzuführeinrichtung 14 Luftzuführeinrichtung

16 Reformer

18 Kathodenluftzuführeinrichtung

20 Brennstoffzellenstapel

22 Nachbrennerluftzuführeinrichtung 24 Nachbrenner

26 Steuereinrichtung 28 Strommessgerät

30 Strömungsmessgerät 32 Lambda-Sonde 34 Lambda-Sonde