本发明涉及一种用于确定燃料电池系统的阳极气体循环中的再循环率的测量方法，该燃料电池系统包括至少一个燃料电池，其具有至少一个设于阴极室内的阴极、至少一个设于阳极室内的阳极以及存在于阴极室与阳极室之间的电解质，其中，利用该阳极气体再循环管路，借助至少一个气体输送机构将阳极气体从阳极室供给所述至少一个燃料电池，以及该阳极气体在至少一个设于该阳极气体再循环管路中的阳极气体传热件中得到调温。本发明还涉及用于执行本发明测量方法的测量装置。
背景技术：
尤其作为被用在汽车中的辅助电流供应装置或作为“静态发电厂”使用的燃料电池系统通常包括至少一个燃料电池，用于由阴极空气和重整气产生电流。这样的燃料电池此时通常由许多单独的燃料电池单元组成，它们相互堆叠且被称为燃料电池堆。为了产生重整气，燃料电池系统可以配备有重整器，它从燃料(大多是碳氢化合物如天然气)以及重整器空气和/或水蒸汽来产生重整气。重整气于是包含氢气和一氧化碳。重整此时可以在一个单独的重整器中或在燃料电池本身中进行。燃料电池系统还可以配备有空气供应装置，其借助空气供应机构从燃料电池系统的周围环境吸入周围空气并且将其例如分为重整器空气和阴极空气。重整器空气于是可以通过重整器空气管路被供给重整器，而阴极空气可通过阴极空气管路被供给所述至少一个燃料电池的阴极侧。通常，在这样的燃料电池系统中规定，借助循环管路将至少一个燃料电池的阳极侧的阳极气体送向重整器，以便能将阳极废气从各燃料电池送回至重整器。为了驱动阳极废气，通常在再循环管路中设有用于输送热阳极废气的气体输送机构，在这里，为此大多采用再循环泵或称为喷射器的射流泵。
为了这样的燃料电池的最佳运行而需要获得再循环阳极废气的再循环率的精确情况。即，为此可以确定有多少重整过程所需的水是通过再循环被供应的，且可以防止不希望有的碳生成，它尤其出现在采用固态氧化物燃料电池作为燃料电池并且它直接以甲烷气被驱动时。此外，由此可以实现燃料利用率的提高。
根据现有技术，再循环率的确定通常利用附加测压仪进行，借此可以根据伯努利公式的特点来确定流动介质或流体中的压力。在此例如是这种本身已知的测压仪的流量孔板、皮托管或文丘里喷嘴。这样的测压仪此时安置在再循环管路中，以借助在此出现的压差获得再循环率信息。大多数情况下，为此采用文丘里管，在此可以借助通过文丘里管出现的可测压差的测量根据伯努利原理推断出再循环率。但在此不利的是，附加测压仪或文丘里管将相当多的额外压力损失带给了阳极废气的再循环管路。尤其是在想要用唯一的测压仪覆盖很大的测量范围之时：为了在很低质量流情况下也实现测压仪的可靠测量，必须获得至少少量的可测压差，其需要在测压仪的流量孔板或文丘里管中的较小自由流动横截面，但在大量质量流情况下导致再循环管路中相当多的压力损失。还不利的是，这样的附加测压仪造成附加成本并增大再循环管路的占地需求，尤其是因为大多数情况下有较长的流入路程，其是用于保证再循环管路中的测压仪的尽量均匀的定向进流以获得借助文丘里管的可靠压差测量所需的。
在采用附加测压仪如文丘里管时的另一个重要缺点在于，对于借助压差解读可靠求出阳极循环中的再循环率而言，还需要真正了解流过测压仪的阳极废气的气体组成。因为气体组成在运行期间只能困难地确定，故也只能困难地实现再循环率的精确确定。
技术实现要素：
因此，本发明的任务是提供一种可靠简单的用于确定燃料电池阳极循环中的再循环率的测量方法，它避免了所提出的现有技术缺点。另外，本发明的任务是提供一种相应的用于执行本发明测量方法的测量装置。
根据本发明，上述任务(即提供改进的测量方法)由根据前言的、用于确定燃料电池系统的阳极气体循环中的再循环率的测量方法如此完成，即，按照以下方法步骤：
测量沿阳极气体再循环管路的第一管路段的第一压差损失，该第一管路段在燃料电池系统的工作状态中被第一质量流流过；
测量沿阳极气体再循环管路的第二管路段的第二压差损失，该第二管路段在燃料电池系统的工作状态中被相比于第一质量流不同大小的第二质量流流过；
通过所测的第二压差损失与所测的第一压差损失之比的求商来计算压差损失比；以及
依据作为当前算出的压差损失比的函数的、表征燃料电池系统的系统特性曲线来确定阳极气体循环中的再循环率。
本发明的测量方法和本发明的测量装置的尤其优选的实施方式和改进方案是相应从属权利要求的主题。
根据本发明，考虑在阳极气体再循环管路的不同位点处的压力比。在此利用了下述情况：在燃料电池系统运行期间在电流负载要求增大时在阳极下游出现质量流变化。因为电流负载要求，氧离子从存在氧富余的阴极经过将阴极室与阳极室分隔开的薄膜进入阳极室，在阳极室内，它与存在于那里的氢反应生成水蒸汽，水蒸汽随后在阳极出口之后还存在且因而增加在阳极室下游的阳极气体再循环管路中的质量流。
一方面，现在测量沿阳极气体再循环管路的第一管路段的第一压差损失，其中，该第一管路段在燃料电池系统工作中被第一质量流流过。例如第一压差损失的测量是在阳极进气管路中进行的，即在阳极室的入口侧，作为分别在阳极气体传热件之前和之后在其比较冷的传热件侧的双点压差测量。
基本上同时地，沿阳极气体再循环管路的第二管路段的第二压差损失得以测量，在此，第二管路段在燃料电池系统工作中被第二质量流流过，第二质量流相对于第一管路段中的第一质量流是不同大小的，即大于或小于第一物质流。例如第二压差损失的测量是在阳极排气管路中即在阳极室出口侧进行的，作为分别在阳极气体传热件之前和之后在其比较热的传热件侧的双点压差测量。
在电流负载递增时，例如阳极出口侧的质量流相对于阳极入口侧的质量流较大，因为在电流负载增大时，氧(其从阴极经电解质到达阳极室且除了阳极气体流外也在阳极排气管路中被输送)的质量流也增大。两个压差损失也是这种情况，其例如通过传热件来确定。
现在事实出乎意料地表明，与负载要求无关地得到压差损失比和再循环率之间的关系，所述压差损失比为“例如在比较大的质量流时确定的第二压差损失”与“在比较小的质量流时确定的第一压差损失”之商。这样就可以依据这样计算出或测定的压差损失比来调节该气体输送机构如再循环泵，使得总是在阳极气体循环中调节出期望的再循环率。
迄今需要为了确定完整的特性曲线族而记录下在附加测压仪上的压力降与用于各种电流负载的各自对应的质量流之间的关系并且与各个再循环率相关联。在连续运行中，于是可以在知道了电流负载和在阳极气体再循环管路的任一位点处的压力降时二次调整该再循环泵，使得人们获得期望的再循环率。除了确定阳极气体中的温度和通过附加测压仪确定电流负载相关的压力升高之外，为此还需要确定阳极气体的当前气体组成，这在校准范围内虽然完全是可行的，但对于确定在实际运行中的再循环率相当昂贵且不实用。
本发明现在允许快速调整再循环率而不需要该阳极气体再循环管路中的附加构件。本发明方法的其中一个优点在于，人们需要根据压差与再循环率之间的与电流负载无关的关系，只针对电流负载范围执行校准。
在本发明的测量方法中，系统特性曲线可以有利地作为压差损失比和再循环率之间的关系，基本上与电流负载无关。在本发明测量方法的这个变型中，阳极气体循环中的再循环率依据表征燃料电池系统的系统特性曲线来确定，其与电流负载无关，或者被认为基本与电流负载无关。因此有利的是，在确定系统特性曲线时不需要在不同电流负载下的测量的改变。只需要确定压差损失比和相应对应的再循环率的多个不同的数值对，其用作用于确定表征各燃料电池系统的系统特性曲线的支承点。
适当地，在本发明的测量方法中，系统特性曲线可以给出压差损失比与再循环率之间的线性关系。在该另一测量方法变型中，压差损失比与再循环率之间的关系被认为是线性的。因此，系统特性曲线由线性函数构成或者由线性函数描述。有利地，为了确定线性系统特性曲线而不需要在不同电流负载下的测量改变，并且只需确定：具有压差损失比与相应对应再循环率的不同数值对的线性系统特性曲线的两个支承点。
尤其合适的是，在本发明的测量方法中，压差损失比可以沿系统特性曲线随着升高的再循环率而降低。在此测量方法的变型中，系统特性曲线描绘再循环率和相应压差损失比的间接比例关系。
在本发明的测量方法中，系统特性曲线可以有利地分别针对一个燃料电池系统通过在不同再循环率下确定压差损失比来得以校准。
在一个优选变型实施方式中，在本发明的测量方法中，沿第一管路段的第一压差损失的可以在阳极进气管路中在至少一个阳极气体传热件的传热件冷侧被测量，并且沿第二管路段的第二压差损失可以在阳极排气管路中在同一阳极气体传热件的传热件热侧被测量。在此实施方式中，两个压差损失最好在同一传热件的传热件冷侧或传热件热侧被测量。
在另一个变型实施方式中，在本发明的测量方法中，第一压差损失可以在阳极进气管路中在传热件冷侧分别在至少一个阳极气体传热件的上游以及下游被测量，并且第二压差损失在阳极排气管路中在传热件热侧分别在同一阳极气体传热件的上游和下游被测量。在此实施方式中，两个压差损失可以有利地在同一传热件之前和之后在传热件冷侧或传热件热侧被测量。因此，所获得的压差损失比在唯一构件即阳极气体再循环管路的传热件上被确定。
在一个替代的变型实施方式中，在本发明的测量方法中，第一压差损失可以在阳极进气管路中在传热件冷侧在至少一个阳极气体传热件的上游或下游被测量，且沿阳极气体再循环管路的第二管路段的第二压差损失在阳极室的上游以及下游被测量。在此实施方式中，在阳极进气管路中的在传热件之前和之后的第一压差损失与在阳极室之前和之后的第二压差损失相比较或者与之相关联。因此，在此实施方式中，为了确定该压差损失比，使传热件的和燃料电池阳极室的压力损失相关联。
在本发明的一个改进方案中，在测量方法中可以利用至少一个气体输送机构将阳极气体供给重整器。
根据本发明，提供用于执行本发明测量方法的本发明测量装置的本发明其它任务由一种测量装置完成，其包括至少一个用于确定第一压差损失的第一压差损失测量单元，其以两个相互间隔的测压点沿阳极气体再循环管路的第一管路段就位，其中,在燃料电池系统的工作状态中，第一管路段被第一质量流流过，以及还包括至少一个用于确定第二压差损失的第二压差损失测量单元，第二压差损失测量单元以两个相互间隔的测压点沿阳极气体再循环管路的第二管路段就位，其中，在燃料电池系统的工作状态中，第二管路段被第二质量流流过，第二质量流相对于第一管路段的第一质量流是不同大小的，在这里，该测量装置还包括计算单元，可由该计算单元来通过所测的第二压差损失与所测的第一压差损失之比的求商来计算压差损失比，以及该测量装置还包括分析单元，可以由该分析单元依据算出的压差损失比以及表征燃料电池系统的系统特性曲线作为当前算出的压差损失比的函数来确定当前的再循环率，该再循环率可以由显示单元来显示。
在本发明测量装置的一个有利实施方式中，计算单元、分析单元和显示单元可以借助于信号线相连。在此测量装置变型中，单独的计算单元、分析单元和显示单元分别借助于信号线相连。这些单元最好也共同设置在测量装置壳体中或被集成在这样的壳体中。因此，提供以下的测量装置，可借此确定阳极气体循环的当前再循环率并且也可加以显示。
适当地，在根据本发明的测量装置中，系统特性曲线可以分别针对一个燃料电池系统通过确定在不同再循环率下的压差损失比而被校准。
有利地，在本发明的测量装置中，可以选择具有在压差损失比与再循环率之间的与电流负载无关的关系的系统特性曲线。
在本发明的一个替代实施方式中，在测量装置中可以选择具有在压差损失比和再循环率之间的线性关系的系统特性曲线。
附图说明
从以下对附图示意所示的实施例的描述中得到本发明的其它细节、特征和优点，附图示出了：
图1以方法流程图示出了根据现有技术的燃料电池系统，其中，在阳极气体循环中设有用于确定表征压力损失的附加测压仪；
图2以曲线图示出了在现有技术中常见的再循环率确定方法，其中，用附加测压仪在阳极气体循环中确定的表征压力损失分别作为在不同再循环率下的电流负载的函数被绘制出；
图3示出了本发明燃料电池系统的方法流程图的局部，其中，在阳极气体循环中不存在附加测压仪；
图4以图3的细节图示出了利用本发明测量装置的本发明测量方法的一个变型实施方式；
图5以曲线图示出了根据本发明的测量方法，用于依据表征燃料电池系统的系统特性曲线作为当前算出的压差损失比的函数确定阳极气体循环中的再循环率。
具体实施方式
图1以方法流程示意图示出了根据现有技术的燃料电池系统1，其中，设置至少一个燃料电池10，其具有至少一个设于阴极室11内的阴极12、至少一个设于阳极室13内的阳极14以及存在于阴极室11和阳极室13之间的电解质15。在工作中，用箭头19表示的氧19从阴极12经电解质15流入阳极室13。为了确定再循环率，在此在阳极气体循环50中设有附加测压仪25例如文丘里管25。阳极气体循环50除了安装在阳极气体52的再循环管路51中的附加测压仪25外还包括被称为阳极进气管路53的循环部段，其中，阳极进气管路53指向阳极室13的入口侧，以及阳极气体循环还包括被称为阳极排气管路54的循环部段，其在出口侧延伸离开阳极室13。阳极排气管路54在阳极室13之后的下游阳极气体方向51上分支为阳极废气流55和阳极再循环气流56，其中，阳极再循环气体56被返回且与新燃料57混合，该混合物又在阳极进气管路53中被供给阳极室13。
例如，在此在图1中示出了具有所谓的固态氧化物燃料电池10(sofc:solidoxidefuelcell)的燃料电池系统1。在此，它是高温燃料电池，其在约650℃-1000℃的工作温度下工作。这种电池类型的电解质15由固态陶瓷材料构成，其能够传导氧离子，但对电子起到隔绝作用。在电介质层15的两侧安装有电极即阴极12和阳极14。它们是透气的导电体。传导氧离子的电解质15例如以薄膜形式设置以便能“低能量地”输送氧离子。它只在存在高温度时发挥作用。背对电解质的阴极12外侧被空气包围，而外阳极侧14被燃烧气体包围。未用到的空气和未用到的燃烧气体以及燃烧产物被抽排出。
固态氧化物燃料电池10是用于以电化学方式连续产生电流的电流电池，其通常作为燃料电池堆即所谓sofc电池堆形式工作，即作为多个燃料电池10的联合体。为了更清楚展示，图1只示出唯一的燃料电池10。sofc-燃料电池系统1也包括相应的传热件例如图1所示的阳极气体传热件60，其用于通过与在传热件热侧62的阳极排气管路54中的热阳极气体52的对流换热来预热阳极进气管路53中的阳极气体52，即在传热件冷侧61的阳极气体。另外，这样的燃料电池系统1包括阳极气体循环50中的气体输送机构70、重整器80以及其它部件例如直流/交流逆变器、相应控制装置以及燃料电池系统1的基本上或完全自动运行所需的其它部件。重整器80用于从燃料57或油料且大多是碳氢化合物如天然气(缩写ng:naturalgas)以及从重整器空气和/或水蒸汽产生重整气。重整气于是包含氢气和一氧化碳。
每个电流电池和尤其任何电化学反应的功能基于氧化还原反应，在这里，还原和氧化在空间上相互分开进行，即在电极与电解质之间的界面处。在固态氧化物燃料电池10中，氧化还原反应是氧与燃料(可为氢)的反应，但在这里例如也可以包含一氧化碳。在阴极侧12存在氧富余，而在阳极侧14存在氧不足，因为已有的氧同样与例如已有的氢反应。通过该浓度降低，氧19从阴极12经电解质15扩散向阳极14。但在其间的电解质15只允许氧例子透过。如果氧分子已到达了阴极和电解质之间的界面，则它接收两个电子，由此变为离子且可以透过阻挡层。到达至阳极14的边界后，它与燃烧气体催化反应，同时释放出热和相应的燃烧产物，又交付两个电子给阳极。其前提是电流流动：固态氧化物燃料电池的真正目的，在此，电流流动能以其它方式被利用。
此时在阳极14、阴极15上进行的化学反应以及在燃料电池的两个电极上的总反应因此可以记录如下：
阳极：h2+o2-→h2o+2e-
阴极：1/2o2+2e-→o2-
总反应：2h2+o2→2h2o
如之前明确所述以及如图2所示，为了确定阳极气体循环50中的再循环率而迄今需要分别作为在不同再循环率rr下的不同电流负载的函数，利用附加测压仪25来采集在阳极气体循环50中确定的特征压力损失。特征压力损失δp1_2例如借助安装在阳极气体循环50中的文丘里管25来产生和测量。此时除了阳极气体循环50中的附加压力损失之外，还不利的是因为用于确定再循环率的附加需要的测压仪25而也需要知道阳极气体52的气体组成。因此，如图2所示的在70％、80％以及90％的不同再循环率下分别表示特征压力损失δp1_2和电流强度之间的关系的特性曲线也还取决于在各测压点上的阳极气体温度及其气体组成。因此，对于常见的测量原理必须确定燃料电池系统1的整个工作范围的大量特性曲线族，这很复杂且也还不够精确。
图3示出了本发明燃料电池系统1的方法流程图的局部，在此，在阳极气体循环50中有利地不需要附加测压仪。燃料电池系统1工作所需的其它构件或部件例如对应于图1所示的陈设。压差损失测量在如图3所示的阳极气体循环50中例如根据如图4所示的布置进行。
图4以图3的细节图示出了利用本发明的测量装置200的本发明的测量方法的一个变型实施方式。为此，由测量装置200如下确定燃料电池系统1的阳极气体循环50中的再循环率rr：
利用第一压差损失测量单元91来确定第一压差损失δp1_2，其中，第一压差损失测量单元91以两个相互间隔的测压点p1、p2沿阳极气体再循环管路51的第一管路段101就位。第一管路段101在燃料电池系统1的工作状态中被第一质量流m1_2流过。在此，测压点p1在阳极进气管路53中设于阳极气体传热件60的上游。测压点p2在阳极排气管路54中设于阳极气体传热件60的下游。第一压差损失δp1_2因而在此沿第一管路段101在传热件冷侧61通过阳极气体传热件60被确定。
利用第二压差损失测量单元92来确定第二压差损失δp3_4，其中，第二压差损失测量单元92以两个相互间隔的测压点p3、p4沿阳极气体再循环管路51的第二管路段102就位。在燃料电池系统1的工作状态中，第二管路段102被第二质量流m3_4流过，第二质量流在此大于第一管路段101的第一质量流m1_2，因为在第二质量流m3_4中，除阳极进气管路53中的阳极气体52外，也还要考虑从阴极12流入阳极室13的氧19。即，本发明的一个变型用相比于第一质量流更大的第二质量流执行，其中，该比例可能存在于一个或多个或所有的测压点p1、p2、p3、p4。测压点p3在此在阳极排气管路54中设于阳极气体传热件60的上游。测压点p4在阳极排气管路54中设于阳极气体传热件60的下游。第二压差损失δp3_4因而在此沿第二管路段102在传热件热侧62通过阳极气体传热件60来确定。因此，第一压差损失δp1_2以及第二压差损失δp3_4分别通过同一阳极气体传热件60的传热件冷侧61或传热件热侧62来确定。
利用计算单元201通过所测的第二压差损失δp3_4与所测的第一压差损失δp1_2之比的求商来计算压差损失比rδp。由分析单元202依据由计算单元201计算出的压差损失比rδp以及依据表征燃料电池系统1的系统特性曲线s作为当前算出的压差损失比rδp的函数，确定当前再循环率rr并且它由显示单元203来显示或输出。
作为其替代，第二压差损δp2_3也可以通过借助第二压差损失测量单元93的压差测量来进行，第二压差损失测量单元以两个相互间隔的测压点p2、p3沿阳极气体再循环管路51的第二或其它管路段103定位。测压点p2再次在阳极排气管路54中设于阳极气体传热件60的下游。测压点p3在此在阳极排气管路54中设于阳极气体传热件60的上游。因此，第二压差损失δp2_3通过燃料电池10的阳极室13被确定。再次适用的是，在第二管路段或其它管路段103中流过的质量流m2_3在此例如大于第一管路段101中的第一质量流m1_2，其中，为了进一步确定再循环率rr，也又使第二压差损失δp2_3与沿第一管路段101确定的第一压差损失δp1_2相关联。
燃料电池领域的技术人员知晓其它的测量机构和/或控制机构，其或许是用测量装置200执行本发明的测量方法或自动运行燃料电池系统所需要的且为了清楚起见而在图4中未被示出。
图5以曲线图示出了根据本发明的用于依据表征当前燃料电池系统1的系统特性曲线s作为当前算出的压差损失比rδp的函数，确定阳极气体循环50中的再循环率rr的测量方法。给出当前压差损失比rδp与再循环率rr之间关系的系统特性曲线s基本上与电流负载无关，就像在50％、75％以及100％电流负载下确定的三个数据系列。为了进一步简化本发明的测量方法，可以根据所需精度而假定系统特性曲线s与电流负载无关，在这种情况下，系统特性曲线s分别针对一个燃料电池系统1通过确定在多个不同再循环率rr下的压差损失比rδp而与当前电流负载无关地被校准。
作为其替代，也可以假定系统特性曲线s给出了当前压差损失比rδp与再循环率rr之间的线性关系。在此情况下，所述校准被进一步简化，并且在至少两个不同再循环率rr下的压差损失比rδp的与当前电流负载无关的确定就够了。如果当前压差损失比rδp与再循环率rr之间的关系不是线性的，而是例如指数关系的，则必须确定在至少三个不同再循环率rr下的压差损失比rδp。