Titel eines Zustands einer elektrochemischen Zelle eines elektrochemischen

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren zur Diagnose eines Zustands einer elektrochemischen Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers, eine Recheneinheit und elektrochemische Energiewandler gemäß den beigefügten Ansprüchen.

Stand der Technik

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen bspw. Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, elektrische Energie und Wärme gewandelt werden.

Poröse Elektroden einer Brennstoffzelle, meistens Katalysatorschichten genannt, bestehen typischerweise aus Platin-Partikeln, die auf größeren Kohlenstoffpartikeln geträgert sind. Diese Kohlenstoffphase sorgt für Elektronen- und Wärmetransport. Zudem ist die Kohlenstoffphase mit Ionomer durchzogen, um die Protonenleitfähigkeit zu gewährleisten.

Für die elektrochemische Reaktion sind Dreiphasengrenzen erforderlich, die durch das Zusammentreffen von Platin, Ionomer und Reaktant entstehen.

Eine Membran befindet sich im Zentrum einer Brennstoffzelle und besteht hauptsächlich aus Ionomer. Sie ist die Kontinuität der lonomerphase der Elektroden. Die Funktion dieser Membran ist es, Wasserstoffprotonen von der Anodenelektrode zur Kathodenelektrode möglichst verlustarm zu transportieren, aber auch beide Gasräume voneinander zu trennen sowie elektrisch isolierend zu wirken. Die Protonenleitfähigkeit einer Membran hängt hauptsächlich von deren Temperatur und Wassergehalt ab.

Die Alterung dieser unterschiedlichen Komponenten beim Betrieb einer Brennstoffzelle führt zu fallender Brennstoffzellenleistung über die Zeit und muss somit überwacht werden.

Zur Überwachung der Alterung ist es bekannt, auf dem Prüfstand, bspw. während einer Wartung, eine aktuelle Polarisationskurve zu messen und mit einer Referenzkurve zu vergleichen, eine Zyklovoltametrie durchzuführen, eine Linear Sweep Voltammetry (LSV) durchzuführen und/oder Bleed-Down Zeiten zu messen und/oder eine elektrochemische Impedanzspektroskopie durchzuführen.

Diese Methoden sind allerdings hoch komplex und zeitaufwändig und können nicht online und kontinuierlich im Normalbetrieb durchgeführt werden.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Diagnoseverfahren, eine Recheneinheit und chemische Energiewandler vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Recheneinheit und den elektrochemischen Energiewandlern sowie jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, den Zustand zumindest einer elektrochemischen Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers zu bestimmen und zu quantifizieren. Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Diagnoseverfahren zur Diagnose eines Zustands einer elektrochemischen Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers vorgestellt. Das vorgestellte Diagnoseverfahren umfasst das Ermitteln eines Verlaufs elektrischer Eigenschaften der elektrochemischen Zelle über die Zeit, das Bestimmen von auswertbaren Datenpaketen, das Aggregieren zumindest jeweiliger Bereiche der auswertbaren Datenpakete zu einem aggregierten Verlauf, das Bestimmen einer Steigung für zumindest einen Bereich des aggregierten Verlaufs, das Zuordnen eines Kennwerts zu der Steigung gemäß einem vorgegebenen Zuordnungsschema, um einen Zustand der elektrochemischen Zelle zu quantifizieren und das Ausgeben des Kennwerts auf einer Ausgabeeinheit, wobei ein auswertbares Datenpaket eine Vielzahl Datenpunkte umfasst, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden.

Unter einem auswertbaren Datenpaket ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Anzahl von Messwerten zu verstehen, die einem quasi stationären Zustand entsprechen.

Das vorgestellte Diagnoseverfahren basiert auf dem Prinzip, dass von einem Sensor ermittelte Messwerte einer elektrischen Eigenschaft einer jeweiligen elektrochemischen Zelle ausgewertet werden und lediglich solche Messwerte zur Diagnose des Zustands der elektrochemischen Zelle herangezogen werden, die relevant bzw. charakteristisch für den Zustand der elektrochemischen Zelle sind. Dazu werden in den Messwerten auswertbare Datenpakete bestimmt, d.h. insbesondere solche Daten, die einem quasi stationären Zustand entsprechen, und diese Datenpakete zu einem aggregierten Verlauf aggregiert. Entsprechend werden solche Daten, die in nicht stationären Zuständen, insbesondere in einer Startphase oder einer Standphase ermittelt wurden, verworfen, sodass lediglich Daten verwendet werden, die in einem eingeschwungenen Systemzustand ermittelt wurden.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene vorgegebene Dauer wird eine Mindestzeit vorgegeben, für die ein elektrochemischer Energiewandler sich in einen jeweiligen Zustand einschwingen kann, sodass ein Einfluss durch externe Einflüsse, wie bspw. Last- und/oder Temperaturänderungen minimiert und eine Signalantwort elektrischer Eigenschaften der jeweiligen elektrochemischen Zelle maximiert wird.

Anhand des aggregierten Verlaufs der auswertbaren Datenpakete kann eine belastbare Aussage über einen Zustand der elektrochemischen Zelle getroffen werden, indem eine Steigung des aggregierten Verlaufs bestimmt wird. Zur Quantifizierung wird der Steigung ein Kennwert, wie bspw. ein numerischer Wert einer Ordinalskala oder eine Farbe eines Farbschemas, insbesondere eines Ampelschemas zugeordnet.

Um sicherzustellen, dass jeweilige Daten eines auswertbaren Datenpakets einem quasi stationären Zustand entsprechen, d.h. während eines quasi stationären Zustands des elektrochemischen Energiewandlers ermittelt wurden, umfasst ein auswertbares Datenpaket lediglich solche Datenpunkte, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein auswertbares Datenpaket einen Bereich aus einer Vielzahl Datenpunkte umfasst, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden, wobei der Bereich an einem späten Ende des auswertbaren Datenpakets endet und kleiner ist als das auswertbare Datenpaket.

Durch eine Auswahl eines Bereichs aus einer Vielzahl Datenpunkte, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden, insbesondere eines späten Bereichs nach einer vorgegebenen Dauer von Werten, die sich höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden, wird ein besonders langes Einschwingen des Zustands bzw. des elektrochemischen Energiewandlers sichergestellt, sodass Einflüsse durch wechselnde Bedingungen, wie bspw. Temperaturwechsel oder Lastwechsel auf den aggregierten Verlauf minimiert werden. Entsprechend bildet der aggregierte Verlauf besonders valide lediglich eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften der elektrochemischen Zelle ab.

Es kann vorgesehen sein, dass die elektrischen Eigenschaften zumindest einen Parameter der folgenden Liste an Parametern umfassen: Stromstärke, Spannung, Leistung.

Da die Parameter Stromstärke, Spannung und Leistung einer elektrochemischen Zelle sich mit zunehmendem Alter verändern, eigenen sich diese besonders gut um einen Zustand einer elektrochemischen Zelle zu bestimmen.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der aggregierte Verlauf in die Zukunft extrapoliert wird und das Diagnoseverfahren weiterhin das Bestimmen einer weiteren Steigung für zumindest einen Bereich des extrapolierten Verlaufs, das Zuordnen eines weiteren Kennwerts zu der weiteren Steigung gemäß einem vorgegebenen Zuordnungsschema, um einen Zustand der elektrochemischen Zelle in der Zukunft zu quantifizieren und das Ausgeben des weiteren Kennwerts auf der Ausgabeeinheit umfasst.

Um einen Zustand einer elektrochemischen Zelle in der Zukunft vorherzusagen und bspw. einen Zeitpunkt einer Außerbetriebnahme bzw. sogenanntes „End-of- life“ vorherzusagen, kann der aggregierte Verlauf extrapoliert werden. Dazu kann bspw. eine Gerade mit der für den aggregierten Verlauf bestimmten Steigung weitergeführt werden oder eine Fittingfunktion, wie bspw. die Methode der kleinsten Fehlerquadrate oder ein Polynomfit verwendet werden, um einen zukünftigen Verlauf zu bestimmen.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass zum Bestimmen, ob ein auswertbares Datenpaket eine Vielzahl Datenpunkte umfasst, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden, eine Varianz und/oder eine Ableitung der Vielzahl Datenpunkte berechnet wird.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Verlauf elektrischer Eigenschaften mittels eines Filters gefiltert wird, sodass lediglich Datenpunkte in den Verlauf eingehen, die einem vorgegebenen Filterkriterium genügen, wobei das Filterkriterium, dass eine Betriebstemperatur des elektrochemischen Energiewandlers in einem vorgegebenen Temperaturbereich liegt und/oder eine Leistung des elektrochemischen Energiewandlers nicht Null ist, umfasst.

Insbesondere Zustände, in denen eine Leistung eines elektrochemischen Energiewandlers Null ist, sind nicht repräsentativ für ein Alter jeweiliger elektrochemischer Zellen des elektrochemischen Energiewandlers, sodass durch ein herausfiltern entsprechender Messwerte eine Validität von nach dem Filtern verbleibenden Daten zur Bestimmung des Alters der elektrochemischen Zelle maximiert wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung eine Recheneinheit zur Diagnose eines Zustands eines elektrochemischen Energiewandlers. Die Recheneinheit ist dazu konfiguriert, aus einem durch einen Sensor des elektrochemischen Energiewandlers ermittelten Verlauf auswertbare Datenpakete zu bestimmen, zumindest einen Bereich jeweiliger auswertbarer Datenpakete zu einem aggregierten Verlauf zu aggregieren, eine Steigung für zumindest einen Bereich des aggregierten Verlaufs zu bestimmen, der Steigung einen Kennwert gemäß einem vorgegebenen Zuordnungsschema zuzuordnen, um einen Zustand der elektrochemischen Zelle zu quantifizieren und den Kennwert auf einer Ausgabeeinheit auszugeben, wobei ein auswertbares Datenpaket eine Vielzahl Datenpunkte umfasst, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden.

Unter einer Recheneinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Computer, ein Server, ein Prozessor, ein Steuergerät oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen.

Insbesondere kann die vorgestellte Recheneinheit ein zentraler Server, der mit einer Vielzahl elektrochemischer Energiewandler kommunikativ verbunden ist, um das vorgestellte Diagnoseverfahren auszuführen, d.h. Messwerte von jeweiligen elektrochemischen Energiewandlern zu empfangen und einen entsprechenden Kennwert zu bestimmen. Entsprechend kann das Bestimmen des Kennwerts online und ohne Besuch in einer Werkstatt erfolgen.

Alternativ kann die vorgestellte Recheneinheit Teil eines jeweiligen elektrochemischen Energiewandlers, insbesondere Teil eines Steuergeräts sein.

Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung einen elektrochemischen Energiewandler. Der elektrochemische Energiewandler umfasst eine Anzahl elektrochemischer Zellen, einen Sensor, der zum Messen einer elektrischen Eigenschaft zumindest einer elektrochemischen Zelle der Anzahl elektrochemischer Zellen konfiguriert ist und eine Kommunikationsschnittstelle, wobei die Kommunikationsschnittstelle dazu konfiguriert ist, durch den Sensor ermittelte Messwerte an eine mögliche Ausgestaltung der vorgestellten Recheneinheit zu übermitteln.

Die Kommunikationsschnittstelle des elektrochemischen Energiewandlers kann bspw. eine Drahtlosschnittstelle zur Kommunikation mit einem zentralen Server oder ein Kabel zur Kommunikation mit einem Steuergerät sein.

Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung einen weiteren elektrochemischen Energiewandler. Der weitere elektrochemische Energiewandler umfasst eine Anzahl elektrochemischer Zellen, einen Sensor, der zum Messen einer elektrischen Eigenschaft zumindest einer elektrochemischen Zelle der Anzahl elektrochemischer Zellen konfiguriert ist und eine mögliche Ausgestaltung der vorgestellten Recheneinheit.

Der weitere elektrochemische Energiewandler ist durch die eigene, insbesondere lokale Recheneinheit in der Lage, das vorgestellte Diagnoseverfahren selbst durchzuführen.

Es kann vorgesehen sein, dass der vorgestellte elektrochemische Energiewandler bzw. der weitere elektrochemische Energiewandler ein Elektrolyseur oder ein Brennstoffzellensystem ist. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Es zeigen:

Figur 1 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Diagnoseverfahrens,

Figur 2 eine Detaildarstellung des Diagnoseverfahrens gemäß Figur 1,

Figur 3 ein System mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Elektrolyseurs und einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Recheneinheit,

In Figur 1 ist ein Diagnoseverfahren 100 zur Diagnose eines Zustands einer elektrochemischen Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers dargestellt. Das Diagnoseverfahren 100 umfasst einen Ermittlungsschritt 101, bei dem ein Verlauf elektrischer Eigenschaften der elektrochemischen Zelle über die Zeit ermittelt wird, bspw. mittels eines elektrischen Sensors ermittelt wird.

Ferner umfasst das Diagnoseverfahren 100 einen Bestimmungsschritt 103, bei dem auswertbare Datenpakete in dem Verlauf ermittelt werden, der in dem Ermittlungsschritt 101 ermittelt wurde sowie einen Aggregationsschritt 105, bei dem zumindest Bereiche jeweiliger in dem Ermittlungsschritt 103 ermittelter auswertbarer Datenpakete zu einem aggregierten Verlauf aggregiert werden.

Ferner umfasst das Diagnoseverfahren 100 einen weiteren Bestimmungsschritt 107, bei dem eine Steigung für zumindest einen Bereich des aggregierten Verlaufs bestimmt wird, einen Zuordnungsschritt 109, bei dem der Steigung ein Kennwert gemäß einem vorgegebenen Zuordnungsschema zugeordnet wird, um einen Zustand der elektrochemischen Zelle zu quantifizieren sowie einen Ausgabeschritt 111, bei dem der Kennwert auf einer Ausgabeeinheit, wie bspw. einer Anzeige und/oder einem Lautsprecher ausgegeben wird. Gemäß dem Diagnoseverfahren 100 ist vorgesehen, dass ein auswertbares Datenpaket eine Vielzahl von Datenpunkten umfasst, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden.

In Figur 2 ist ein Diagramm 200 dargestellt, das sich auf seiner Abszisse über die Zeit und auf seiner Ordinate über eine Stromstärke aufspannt. Ein Verlauf 201 entspricht durch einen Sensor eines elektrochemischen Energiewandlers für eine elektrochemische Zelle gemessenen Stromstärkewerten.

Nach einer Aufwärmphase wird der elektrochemische Energiewandler, der hier beispielhaft ein Brennstoffzellensystem ist, mit einer Last beaufschlagt, woraufhin der elektrochemische Energiewandler sich auf die Last einschwingt und in einen quasi stationären Zustand 203 übergeht, in dem jeweilige Messwerte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden. Entsprechend bildet der quasi stationäre Zustand 203 ein auswertbares Datenpaket 205.

Ferner ist in Figur 2 ein Bereich 207 aus einer Vielzahl Datenpunkte dargestellt, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden. Der Bereich 207 entspricht vorliegend einem Teil des auswertbaren Datenpakets 205 und endet an einem späten Ende des auswertbaren Datenpakets 205, wobei die Länge des Bereichs 207 vorgegeben sein kann. Alternativ kann der Bereich 207 der Länge des Datenpakets 205 entsprechen. Entsprechend wurden die Messwerte bzw. Datenpunkte des Bereichs 207 in einem Zustand ermittelt, in dem der elektrochemische Energiewandler besonders lange in den quasi stationären Zustand eingeschwungen ist und eine Varianz der Messwerte besonders gering ist.

Durch eine weitere Laständerung springt der Verlauf 201 auf einen weiteren quasi stationären Zustand und bildet ein weiteres auswertbares Datenpaket 209 mit einem weiteren Bereich 211. Durch Aggregation der Bereiche 207 und 211 kann ein aggregierter Verlauf ermittelt werden, der lediglich elektrische Eigenschaften der elektrochemischen Zelle in quasi stationären Bereichen betrifft und somit besonders valide eine Alterung der elektrochemischen Zelle beschreibt.

In Figur 3 ist ein elektrochemischer Energiewandler 300 dargestellt. Der elektrochemische Energiewandler 300 umfasst eine Anzahl elektrochemischer Zellen 301, einen Sensor 303, der zum Messen einer elektrischen Eigenschaft zumindest einer elektrochemischen Zelle 301 der Anzahl elektrochemischer Zellen 301 konfiguriert ist und eine Kommunikationsschnittstelle 305, die dazu konfiguriert ist, durch den Sensor 303 ermittelte Messwerte an eine Recheneinheit 307 zu übermitteln, um das Diagnoseverfahren 100 gemäß Figur 1 auszuführen.