DE102020209753A1

DE102020209753A1 - Diagnosevorrichtung und Verfahren zur Analyse zumindest eines Zustands einer elektrochemischen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102020209753A1
Application number: DE102020209753.4A
Authority: DE
Inventors: Markus Ulrich; Jean-Claude Njodzefon
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2022-02-03

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Diagnosevorrichtung (10) zur Analyse zumindest eines Zustands einer elektrochemischen Vorrichtung (12), insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung (14), mit zumindest einer Messeinheit (16) zur Messung zumindest eines Signals (18) der elektrochemischen Vorrichtung (12).Es wird vorgeschlagen, dass die Diagnosevorrichtung (10) eine Analyseeinheit (20) aufweist, welche den Zustand mittels zumindest eines Algorithmus anhand von Fluktuationen des Signals (18) analysiert.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits eine Diagnosevorrichtung zur Analyse zumindest eines aktuellen und/oder zukünftigen Zustands einer Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen worden, mit zumindest einer Messeinheit zur Messung zumindest eines Signals der Brennstoffzellenvorrichtung.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Diagnosevorrichtung zur Analyse zumindest eines, insbesondere aktuellen und/oder zukünftigen, Zustands einer elektrochemischen Vorrichtung, insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung, mit zumindest einer Messeinheit zur Messung zumindest eines Signals der elektrochemischen Vorrichtung.
Es wird vorgeschlagen, dass die Diagnosevorrichtung eine Analyseeinheit aufweist, welche den Zustand mittels zumindest eines Algorithmus anhand von Fluktuationen des Signals analysiert.
Die Diagnosevorrichtung kann zur Analyse zumindest eines, insbesondere aktuellen und/oder zukünftigen, Zustands einer elektrochemischen Vorrichtung vorgesehen sein, welche vorzugsweise als eine Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet ist und zumindest eine Brennstoffzelle, einen Stack aus Brennstoffzellen und/oder einen Verbund mehrerer Stacks aus Brennstoffzellen und/oder ein Brennstoffzellensystem aufweist. Ohne darauf beschränkt zu sein, kann die Brennstoffzelle und/oder können die Brennstoffzellen der Brennstoffzellenvorrichtung als Hochtemperaturbrennstoffzelle, insbesondere als eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), und/oder als eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (MCFC) und/oder Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC), und/oder als eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC) und/oder als eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) und/oder als eine alkalische Brennstoffzelle (AFC) oder dergleichen ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich könnte die Diagnosevorrichtung zur Analyse zumindest eines, insbesondere aktuellen und/oder zukünftigen, Zustands einer elektrochemischen Vorrichtung vorgesehen sein, welche als eine von einer Brennstoffzellenvorrichtung verschiedene elektrochemische Vorrichtung ausgebildet ist und welche zumindest eine elektrochemische Zelle aufweist. Die elektrochemische Vorrichtung könnte beispielsweise als ein Elektrolyseur oder als ein Bestandteil eines Elektrolyseurs ausgebildet sein, welcher zumindest eine als eine Elektrolysezelle ausgebildete elektrochemische Zelle umfasst. Der Elektrolyseur könnte zur Stoffumwandlung zumindest eines Edukts in zumindest ein Produkt unter Einsatz von elektrischem Strom, beispielsweise zu einer Chlor-Alkali-Elektrolyse oder zu einer elektrolytischen Raffination von Kupfer oder anderen Edelmetallen oder zu einer Schmelzflusselektrolyse oder zu einer Feststoffoxidelektrolyse oder für ein anderes Elektrolyseverfahren, vorgesehen sein. Ferner könnte die elektrochemische Vorrichtung als ein elektrochemischer Sensor oder als ein Bestandteil eines elektrochemischen Sensors, beispielsweise eines amperometrischen elektrochemischen Gas-Sensors, ausgebildet sein, welcher zumindest eine elektrochemische Sensorzelle aufweist.
Die Messeinheit ist zu einer Messung des Signals der elektrochemischen Vorrichtung mit einer zu einer Analyse ausreichenden Genauigkeit vorgesehen. Vorzugsweise misst die Messeinheit das Signal mit einer Auflösung von zumindest 8 Bit, vorteilhaft mit einer Auflösung von zumindest 12 Bit, bevorzugt mit einer Auflösung von zumindest 16 Bit und besonders bevorzugt mit einer Auflösung größer als 16 Bit. Die Messeinheit misst das Signal vorzugsweise mit einer hohen Abtastrate. Vorteilhaft beträgt die Abtastrate der Messeinheit zumindest ein Hertz, besonders vorteilhaft zumindest zwei Hertz, vorzugsweise zumindest fünf Hertz und besonders bevorzugt zumindest zehn Hertz. Bei dem Signal der elektrochemischen Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um ein physikalisches und/oder chemisches Signal, welches durch die Messeinheit messbar ist. Bei dem Signal kann es sich, ohne darauf beschränkt zu sein, beispielsweise um eine elektrische Eingangs- und/oder Ausgangspannung und/oder einen elektrischen Eingangs- und/oder Ausgangsstrom und/oder eine elektrische Eingangs- und/oder Ausgangsleistung und/oder eine Entropie und/oder eine Enthalpie und/oder eine Temperatur und/oder einen Druck und/oder eine Konzentration und/oder einen Teilchen- und/oder Volumenstrom eines oder mehrerer Edukte und/oder Produkte der elektrochemischen Vorrichtung handeln.
Vorzugsweise umfasst die Analyseeinheit zumindest eine Recheneinheit, welche den zumindest einen Algorithmus auf Fluktuationen des Signals der elektrochemischen Vorrichtung anwendet. Unter einem „Algorithmus“ soll in diesem Zusammenhang zumindest eine Rechenvorschrift verstanden werden, welche die Recheneinheit zu der Analyse des Zustands auf Fluktuationen des gemessenen Signals anwendet. Der Algorithmus könnte selbstlernend ausgebildet sein und insbesondere zumindest ein Ergebnis einer vorhergehenden Analyse eines vorhergehenden Zustands der elektrochemischen Vorrichtung in eine Analyse eines aktuellen und/oder zukünftigen Zustands mit einbeziehen. Unter der Wendung, dass die Analyseeinheit den Zustand „analysiert“ soll verstanden werden, dass die Analyseeinheit den Zustand bestimmt und/oder vorhersagt. Vorzugsweise ist der Zustand, welchen die Analyseeinheit bestimmt und/oder vorhersagt, durch zumindest einen aktuellen und/oder zukünftigen Betriebsparameter der elektrochemischen Vorrichtung, beispielsweise eine aktuelle und/oder zukünftige elektrische Eingangs- und/oder Ausgangspannung und/oder eine Umsatzrate zumindest eines Eduktes und/oder dergleichen, charakterisiert. Vorzugsweise ist der Zustand, welchen die Analyseeinheit bestimmt und/oder vorhersagt, durch die Gesamtheit aller aktuellen und/oder zukünftigen Betriebsparameter der elektrochemischen Vorrichtung charakterisiert, wobei einzelne Betriebsparameter der elektrochemischen Vorrichtung bei der Analyse durch die Analyseeinheit unterschiedlich gewichtet sein können. Ein Ergebnis des durch die Analyseeinheit analysierten Zustands könnte rein quantitativ, beispielsweise in Form eines aktuellen und/oder zukünftigen Betriebsparameters der elektrochemischen Vorrichtung ausgeben werden. Vorzugsweise umfasst das Ergebnis des durch die Analyseeinheit analysierten Zustands, neben einer quantitativen Angabe zumindest eines Betriebsparameters, auch eine qualitative Bewertung des aktuellen und/oder zukünftigen Zustands sowie eine Angabe potentieller Ursachen für eine aktuelle oder zu erwartende Zustandsänderung. Beispielsweise könnte die Analyseeinheit den Zustand anhand eines aktuellen Betriebsparameters, beispielsweise einer Ausgangsspannung, angeben und zusätzlich mit einer qualitativen Angabe, beispielsweise „vorzeitige Alterung durch potentielle Vergiftung“ oder „kritische Kohlenstoffablagerung“ oder dergleichen, versehen.
Unter „Fluktuationen des Signals“ sollen in diesem Zusammenhang messbare zeitliche Veränderungen von zumindest einer, insbesondere lokalen, Größe und/oder Eigenschaft des Signals verstanden werden, welche durch die Messeinheit detektierbar und durch die Analyseeinheit auswertbar sind. Eine Größe und/oder Eigenschaft des Signals kann dabei, ohne darauf beschränkt zu sein, beispielsweise ein Absolutwert und/oder ein Vorzeichen und/oder ein Inkrement und/oder eine Periodendauer und/oder eine Amplitude und/oder dergleichen sein. Vorzugsweise ist die Analyseeinheit dazu vorgesehen, aus den Fluktuationen des Signals zumindest einer Zeitreihe, beispielsweise zumindest eine Absolutwertreihe und/oder zumindest eine Vorzeichenreihe und/oder zumindest eine Reihe von Inkrementen und/oder im Falle von Oszillationen des Signals zumindest eine Reihe von, insbesondere lokalen, Periodendauern und/oder zumindest eine Reihe von Amplitudenschwankungen, insbesondere Schwankungen einer Oszillationsfrequenz und/oder Amplitudenhöhe, abzuleiten. Die Fluktuationen des Signals können ein Rauschen des Signals umfassen und insbesondere als ein Rauschen des Signals ausgebildet sein. Es ist bekannt, dass elektrochemische Vorrichtungen oftmals rauschbehaftete Signale generieren, wobei ein Rauschen durch mikroskopische Mechanismen innerhalb der elektrochemischen Vorrichtung bedingt sein kann. In einem stationären Betrieb weisen elektrochemische Vorrichtungen für gewöhnlich Signale mit einer schwankenden spektralen Leistungsdichte auf, welche von der eines weißen Rauschen, abweicht. Die spektrale Leistungsdichte könnte beispielsweise in Form eines veränderten Exponenten einer Funktion, welche einen Absolutwert einer Leistung in Abhängigkeit einer Frequenz im Sinne eines Potenzgesetzes beschreibt, von der eines weißen Rauschens abweichen. Die Abweichungen in der spektralen Leistungsdichte können dabei beispielsweise durch raumzeitliche Fluktuationen von Ladungsträgerdichten innerhalb der elektrochemischen Vorrichtung bedingt sein. Dieses Phänomen wird in der Fachliteratur oftmals auch als elektrochemisches Rauschen bezeichnet.
Unter „vorgesehen“ soll vorzugsweise speziell eingerichtet, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll vorzugsweise verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Diagnosevorrichtung kann vorteilhaft eine Bestimmung und/oder eine Vorhersage des Zustands der elektrochemischen Vorrichtung mit einfachen technischen Mitteln ermöglicht werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Vorrichtungen und/oder Verfahren, beispielsweise der elektrochemischen Impedanzspektroskopie, welche ein zusätzliches Messgerät zu einer Zustandsermittlung erfordern, kann mittels der Diagnosevorrichtung vorteilhaft der Zustand während eines Betriebs der elektrochemischen Vorrichtung analysiert werden. Hierdurch besteht die vorteilhafte Möglichkeit, den Zustand der elektrochemischen Vorrichtung während eines Betriebs dauerhaft zu überwachen, wodurch kritische Zustände zeitnah erkannt und etwaige Gegenmaßnahmen frühzeitig eingeleitet werden können. Ferner kann hierdurch vorteilhaft eine potentielle Lebensdauer der elektrochemischen Vorrichtung verlängert werden. Zudem kann eine besonders kostengünstige Diagnosevorrichtung bereitgestellt werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass das Signal ein Ausgangssignal der elektrochemischen Vorrichtung ist. Hierdurch kann vorteilhaft eine besonders einfache und zuverlässige Signalmessung ermöglicht werden. Das Ausgangssignal könnte beispielsweise eine elektrische Ausgangspannung und/oder ein elektrischer Ausgangsstrom und/oder eine elektrische Ausgangsleistung und/oder ein Teilchen- und/oder Volumenstrom eines oder mehrerer Edukte und/oder Produkte der elektrochemischen Vorrichtung dergleichen sein.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Ausgangssignal eine Ausgangsspannung der elektrochemischen Vorrichtung ist. Hierdurch kann vorteilhaft eine Messung vereinfacht werden. Zudem kann vorteilhaft eine Analyse weiter verbessert werden. Vorzugsweise ist die Ausgangsspannung eine elektrische Spannung, welche an einer elektrochemischen Zelle, beispielsweise einer Brennstoffzelle, während eines zumindest quasi-stationären, vorzugsweise stationären, Betriebs der elektrochemischen Vorrichtung abfällt.
Die Messeinheit könnte das Signal in einem Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung teilweise, beispielsweise in, insbesondere regelmäßigen, zeitlichen Abständen, überwachen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird jedoch vorgeschlagen, dass die Messeinheit das Signal in einem Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung dauerhaft überwacht. Hierdurch kann vorteilhaft eine besonders präzise und/oder zuverlässige Analyse des Zustands durch die Analyseeinheit ermöglicht werden. Zudem kann vorteilhaft eine dauerhafte Analyse des Zustands ermöglicht werden, wodurch Veränderungen in dem Zustand der elektrochemischen Vorrichtung frühzeitig erkannt und etwaige Gegenmaßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden können.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Analyseeinheit eine Speichereinheit zum Speichern des Signals in Form von zumindest einer zeitabhängigen Funktion aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft die Analyse weiter verbessert werden. Insbesondere können vorteilhaft zeitliche Veränderungen des Signals, welche in der zeitabhängigen Funktion enthalten sind, vorteilhaft zu der Analyse des Zustands herangezogen werden. Unter einer „Speichereinheit“ soll in diesem Zusammenhang eine Einheit der Analyseeinheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine Information, vorteilhaft von einer Stromversorgung unabhängig, insbesondere dauerhaft, zu speichern. Vorzugsweise ist die Speichereinheit, neben der Speicherung der zumindest einen zeitabhängigen Funktion, zu einem Speichern von weiteren Daten, wie beispielsweise Betriebsbedingungen der elektrochemischen Vorrichtung und/oder Analyseparametern und/oder Zuständen der elektrochemischen Vorrichtung vorgesehen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Analyseeinheit die zeitabhängige Funktion in mehrere Zeitabschnitte unterteilt und für jeden der Zeitabschnitte zumindest einen Analyseparameter ermittelt. Hierdurch kann vorteilhaft eine systematische Analyse der zumindest einen zeitabhängigen Funktion ermöglicht werden. Ohne darauf beschränkt zu sein, könnte es sich bei dem Analyseparameter beispielsweise um einen Fluktuationsexponenten, insbesondere um einen Hurst-Exponenten und/oder um einen Hölder-Exponenten, und/oder um einen weiteren, einem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Parameter handeln. Vorzugsweise ermittelt die Analyseeinheit für jeden der Zeitabschnitte eine Mehrzahl von Analyseparametern. Vorzugsweise ermittelt die Analyseeinheit aus der Mehrzahl von Analyseparametern eine Fluktuationsfunktion. Die Fluktuationsfunktion könnte beispielsweise auch auf ein multifraktales Spektrum des zumindest einen Analyseparameters in Abhängigkeit von einem statistischen Moment bei der Berechnung der Fluktuationsfunktion führen. Auf einer zeitbezogenen Skala könnte die Fluktuationsfunktion einen oder mehrere Übergänge aufweisen, welche durch eine veränderte Steigung der Fluktuationsfunktion gekennzeichnet sind und welche zu der Analyse als weitere Analyseparameter nutzbar sein können, wobei ein Übergang mit einer Relaxationszeit von übergeordneten Mechanismen der elektrochemischen Vorrichtung korreliert sein kann. Die Analyseparameter und/oder die Übergänge der Fluktuationsfunktion können sich in einem zeitlichen Verlauf auf eine Art und Weise verändern, welche für einen bestimmten Degradationsmechanismus der elektrochemischen Vorrichtung charakteristisch ist. Die Analyseparameter und/oder die Übergänge der Fluktuationsfunktion können von einem bestimmten Betriebspunkt der elektrochemischen Vorrichtung, beispielsweise einem bestimmten Betriebsdruck und/oder einer bestimmten Betriebstemperatur, und/oder bestimmten Betriebsbedingungen, beispielsweise einer Zusammensetzung von Edukten, wie etwa der Zusammensetzung eines Brenngases, mit der die elektrochemische Vorrichtung betrieben wird, abhängig sein. Vorzugsweise bezieht die Analyseeinheit den Betriebspunkt und/oder die Betriebsbedingungen der elektrochemischen Vorrichtung als Randbedingungen in die Analyse mit ein. Ein Zeitabschnitt könnte beispielsweise einen zeitlichen Verlauf der zeitabhängigen Funktion innerhalb von 24 Stunden umfassen, wobei auch kürzere oder längere Zeitabschnitte denkbar sind. Vorzugsweise ist eine Größe eines Zeitabschnitts im Wesentlichen frei einstellbar und lediglich durch die zeitliche Auflösung des durch die Messeinheit gemessenen Signals begrenzt. Ein zweiter Zeitabschnitt könnte sich mit einem ersten Zeitabschnitt zumindest teilweise zeitlich überschneiden und zu diesem Zeitabschnitt um eine, insbesondere veränderlich einstellbare, Zeitsequenz verschoben sein. Eine Länge der Zeitsequenz könnte beispielsweise eine Stunde betragen. Vorzugsweise speichert die Analyseeinheit sämtliche ermittelten Parameter in der Speichereinheit. Vorzugsweise leitet die Analyseeinheit aus dem zumindest einen Analyseparameter einen Merkmalsvektor ab, welcher in einem n-dimensionalen Merkmalsraum liegt, wobei unterschiedliche Punkte in dem Merkmalsraum verschiedenen, die elektrochemische Vorrichtung betreffenden Prozessen zugeordnet sein können. Somit kann vorteilhaft eine wahrscheinlichkeitsbezogene Zuordnung der Merkmalsvektoren zu einzelnen Prozessen innerhalb der elektrochemischen Vorrichtung ermöglicht werden. Bei der Analyse des Zustands der elektrochemischen Vorrichtung kann somit eine Unterscheidung zwischen solchen Prozessen, welche für die elektrochemische Vorrichtung schädlich sind, beispielsweise einer Vergiftung oder einen schlechten Betriebspunkt der elektrochemischen Zelle oder dergleichen, und solchen Prozessen, welche eine für die elektrochemische Vorrichtung typische Veränderung, beispielsweise einen normalen Alterungsprozess, beschreiben, ermöglicht werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Analyseeinheit zu der Ermittlung des zumindest einen Analyseparameters zumindest eine trendbereinigte Fluktuationsanalyse durchführt. Hierdurch kann vorteilhaft die Analyse des Zustands weiter verbessert werden. Insbesondere kann vorteilhaft ein Einfluss von lokalen Trends auf die Analyse, welcher falsche Schlussfolgerungen nach sich ziehen könnte, verhindert werden und somit eine besonders zuverlässige und wenig fehleranfällige Analyse des Zustands ermöglicht werden. Die trendbereinigte Fluktuationsanalyse (engl. Detrended Fluctuation Analysis, DFA) könnte monofraktal sein. Vorzugsweise handelt es sich bei der trendbereinigten Fluktuationsanalyse um eine multifraktale trendbereinigte Fluktuationsanalyse (MF-DFA). Die Analyseeinheit ermittelt mittels der trendbereinigten Fluktuationsanalyse eine generalisierte Fluktuationsfunktion. Die generalisierte Fluktuationsfunktion kann dabei entweder durch den zumindest einen, insbesondere als Fluktuationsexponenten ausgebildeten, Analyseparameter oder in Form einer Reihe von mehreren zueinander skalenabhängigen Analyseparametern beschreibbar sein. Ein statistisches Moment der skalenabhängigen Varianz der Analyseparameter kann durch die Analyseeinheit anhand zumindest eines vorgegebenen statistischen Moments, beispielsweise ein statistisches Moment zweiter Ordnung bei einer konventionellen trendbereinigten Fluktationsanalyse, berechenbar sein. Ein Grad des vorgegebenen statistischen Moments kann dabei ein Element der Menge der rationalen Zahlen sein. Ein Monofraktal weist einen Fluktuationsexponenten auf, welcher unabhängig von dem Grad des statistischen Moments ist, während Multifraktale eine signifikante Abhängigkeit des Fluktuationsexponenten von dem statistischen Moment aufweisen. Die generalisierte Fluktuationsfunktion kann mittels einer Legendre-Transformation in ein multifraktales Spektrum überführbar und darstellbar sein. Alternativ oder zusätzlich könnte die Analyseeinheit zu der Ermittlung des Analyseparameters zumindest eine R/S-Analyse (Hurst-Rescaled-Range-Analysis) und/oder zumindest eine Autokorrelation und/oder zumindest eine Fouriertransformation und/oder zumindest eine Wavelet-Transformation und/oder eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Methode zu einer Untersuchung einer Dynamik komplexer Systeme durchführen. Vorzugsweise ermittelt die Analyseeinheit globale und/oder systemische Trends des Analyseparameters und wendet zumindest eine Methode zu einer Bereinigung, beispielsweise einen Abzug und/oder eine Korrekturfunktion oder dergleichen, der ermittelten Trends an.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Analyseeinheit eine Korrelation zwischen den Analyseparametern und bekannten Degradationsmechanismen der elektrochemischen Vorrichtung, welche in der Speichereinheit hinterlegt sind, untersucht und daraus den Zustand der elektrochemischen Vorrichtung ableitet. Hierdurch kann vorteilhaft eine besonders genaue Bestimmung und/oder Vorhersage des Zustands der elektrochemischen Vorrichtung ermöglicht werden. Insbesondere kann vorteilhaft ein Wert und/oder ein Verlauf eines Analyseparameters und/oder ein Übergang in der Fluktuationsfunktion einem konkreten physikalischen und/oder chemischen Parameter der elektrochemischen Vorrichtung zugeordnet werden, wodurch vorteilhaft eine gezielte Einleitung von Gegenmaßnahmen zu einer Abmilderung, vorzugsweise zu einer vollständigen Verhinderung, einer vorzeitigen Degradation der elektrochemischen Vorrichtung ermöglicht sind. Vorzugsweise sind mikroskopisch relevante Mechanismen innerhalb der elektrochemischen Vorrichtung, beispielsweise ein Transport und/oder eine Ansammlung von Ladungsträgern und/oder eine Bildung von Oxidschichten und/oder eine Abscheidung von Feststoffen, beispielsweise Kohlenstoff, durch physikalische und/oder chemische Parameter der elektrochemischen Vorrichtung charakterisierbar, welche, beispielsweise mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie, ermittelbar sind. Vorzugsweise sind die physikalischen Parameter, welche die bekannten Mechanismen der Degradation charakterisieren, in Form einer Datenbank in der Speichereinheit hinterlegt. Aus der Forschung sind eine Vielzahl verschiedener Degradationsmechanismen von elektrochemischen Vorrichtungen bekannt. Ohne darauf beschränkt zu sein, könnten die Degradationsmechanismen der elektrochemischen Vorrichtung, welche in der Speichereinheit hinterlegt sind, beispielsweise eine Vergiftung von Elektroden der elektrochemischen Vorrichtung, welche beispielsweise durch Komponenten aus Edukten, mit welchen die elektrochemische Vorrichtung betrieben wird, bedingt sein können, und/oder eine zu hohe oder zu niedrige Betriebstemperatur, und/oder einen zu hohen oder zu niedrigen Betriebsdruck, und/oder ein ungeeignetes Verhältnis der Edukte oder Komponenten der Edukte zueinander, beispielsweise ein ungeeignetes Verhältnis von Wasserdampf zu Kohlenstoff oder von Sauerstoff zu Kohlenstoff, und/oder verschiedene Adsorptions- und/oder Absorptionsprozesse, wie etwa eine Agglomeration von Katalysatormaterialien und/oder eine Verblockung von Membranen und/oder Poren, einen Verschleiß von Bauteilen, wie etwa Dichtungen, der elektrochemischen Vorrichtung und/oder dergleichen umfassen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Diagnosevorrichtung eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe des Zustands der elektrochemischen Vorrichtung aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft ein Nutzer der Diagnosevorrichtung mit einfachen technischen Mitteln über den aktuellen und/oder zukünftigen Zustand der elektrochemischen Vorrichtung informiert werden. Für den Fall, dass die Analyseeinheit einen von einem Sollzustand abweichenden Zustand der elektrochemischen Vorrichtung ermittelt und/oder vorhergesagt hat, welcher eine vorzeitige Degradation des elektrochemischen Systems anzeigt und/oder vorhersagt, kann dem Nutzer der Diagnosevorrichtung vorteilhaft eine mögliche Ursache für den schädlichen Zustand angezeigt werden. Hierdurch kann dem Nutzer vorteilhaft die Möglichkeit zu einer rechtzeitigen Einleitung von Gegenmaßnahmen gegeben werden, um eine vorzeitige Degradation der elektrochemischen Vorrichtung zumindest abzumildern, vorzugsweise zu verhindern. Die Ausgabeeinheit kann zu einer optischen Ausgabe des Zustands der elektrochemischen Vorrichtung vorgesehen und beispielsweise als ein Display ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich könnte die Ausgabeeinheit zu einer akustischen Ausgabe des Zustands der elektrochemischen Vorrichtung vorgesehen sein und beispielsweise einen Lautsprecher aufweisen. Vorzugsweise ist die Ausgabeeinheit neben einer Ausgabe des Zustands auch zu einer Ausgabe weiterer Daten, beispielsweise Analyseparametern und/oder Fluktuationsfunktionen und/oder dergleichen, vorgesehen. Zudem ist denkbar, dass die Analyseeinheit eine Datenübertragungseinheit aufweist, welche zu einer, insbesondere kabelgebundenen und/oder drahtlosen, Übertragung des ermittelten Zustands und/oder weiterer Daten, beispielsweise mittels eines Bluetooth- oder WLAN-Signals, an zumindest eine externe Einheit, beispielsweise an ein Smartphone und/oder an ein Tablet und/oder an einen Laptop eines Nutzers und/oder an eine zentrale Stelle zur Datenerfassung oder dergleichen, vorgesehen ist.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Diagnosevorrichtung eine Steuereinheit aufweist, welche im Falle einer Abweichung des ermittelten Zustands von einem Sollzustand zumindest eine Maßnahme einleitet, um eine vorzeitige Degradation der elektrochemischen Vorrichtung zumindest abzumildern. Hierdurch kann vorteilhaft eine Lebensdauer der elektrochemischen Vorrichtung verlängert werden. Vorzugsweise entspricht der Sollzustand einem Zustand der elektrochemischen Vorrichtung, bei welchem keine Mechanismen wirken, welche zu einer vorzeitigen Degradation der elektrochemischen Vorrichtung führen. Vorzugsweise ist die Steuereinheit regelungstechnisch mit zumindest einer Einheit und/oder zumindest einem Element der elektrochemischen Vorrichtung verbunden. Maßnahmen, welche die Steuereinheit einleitet, um eine vorzeitige Degradation der elektrochemischen Vorrichtung zumindest abzumildern, könnten beispielsweise eine Veränderung eines Betriebspunktes der elektrochemischen Vorrichtung und/oder eine Veränderung eines Volumenstroms und/oder einer Zusammensetzung von Edukten, welche der elektrochemischen Vorrichtung in einem Betriebszustand zugeführt werden, oder weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Maßnahmen, umfassen.
Die Erfindung betrifft ferner ein System mit zumindest einer Diagnosevorrichtung nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen und mit der elektrochemischen Vorrichtung. Ein derartiges System zeichnet sich insbesondere durch die vorgenannten vorteilhaften Eigenschaften der Diagnosevorrichtung aus, welche für gegebene Randbedingungen der elektrochemischen Vorrichtung eine optimale Betriebsdauer ermöglicht. Somit kann ein besonders effizientes und langlebiges System bereitgestellt werden.
Die Erfindung geht ferner aus von einem Verfahren zur Analyse zumindest eines, insbesondere aktuellen und/oder zukünftigen, Zustands einer elektrochemischen Vorrichtung, insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere mit einer Diagnosevorrichtung nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen, wobei zumindest ein Signal der elektrochemischen Vorrichtung gemessen wird.
Es wird vorgeschlagen, dass der Zustand mittels zumindest eines Algorithmus anhand von Fluktuationen des Signals analysiert wird. Hierdurch kann vorteilhaft ein besonders zuverlässiges und effizientes Verfahren zur Analyse des Zustands der elektrochemischen Vorrichtung bereitgestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich, gegenüber bekannten Verfahren, wie beispielsweise der elektrochemischen Impedanzspektroskopie, insbesondere durch eine erhöhte Kosteneffizienz aus. Zudem ermöglicht das Verfahren neben einer Ermittlung des aktuellen Zustands der elektrochemischen Vorrichtung auch eine Prognose über zukünftige Zustände der elektrochemischen Vorrichtung, wodurch eine Vorhersage über eine potentielle Lebensdauer der elektrochemischen Vorrichtung und somit eine besonders hohe Planungssicherheit für einen Nutzer erreicht werden kann.
Die erfindungsgemäße Diagnosevorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Diagnosevorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 ein System mit einer Diagnosevorrichtung, umfassend eine Messeinheit und eine Analyseeinheit, und mit einer elektrochemischen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung,
2 ein schematisches Diagramm zur Darstellung eines durch die Messeinheit gemessenen Signals der elektrochemischen Vorrichtung,
3 ein schematisches Diagramm einer zeitabhängigen Funktion des Signals,
4 ein schematisches Diagramm zur Darstellung eines Analyseparameters,
5 ein schematisches Diagramm zur Darstellung einer Fluktuationsfunktion,
6 ein schematisches Diagramm zur Darstellung einer fortlaufenden Reihe des Analyseparameters,
7 ein schematisches Diagramm zur Darstellung eines Merkmalsraums mit verschiedenen Degradationsmechanismen der elektrochemischen Vorrichtung,
8 eine Zusammenschau von drei schematischen Diagrammen zur Darstellung eines Zusammenhangs zwischen Ereignissen innerhalb der elektrochemischen Vorrichtung, einem zeitlichen Verlauf des Signals und einer zeitlichen Veränderung eines Merkmalsvektors,
9 ein schematisches Diagramm zur Darstellung einer Vorhersage einer potentiellen Lebensdauer der elektrochemischen Vorrichtung durch die Analyseeinheit,
10 ein schematisches Diagramm zur Darstellung zweier mittels der Messeinheit gemessenen Messreihen,
11 zwei schematische Diagramme zur Darstellung einer Analyse einer ersten Messreihe aus der 10,
12 zwei schematische Diagramme zur Darstellung einer Analyse einer zweiten Messreihe aus der 10 und
13 ein schematisches Diagramm eines Verfahrens zur Analyse zumindest eines Zustands der elektrochemischen Vorrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt ein System 40 mit einer Diagnosevorrichtung 10 und mit einer elektrochemischen Vorrichtung 12. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die elektrochemische Vorrichtung 12 als eine Brennstoffzellenvorrichtung 14 ausgebildet. Die Brennstoffzellenvorrichtung 14 umfasst eine Brennstoffzelle 42 und eine Peripheriegeräteeinheit 46. Die Peripheriegeräteeinheit 46 umfasst sämtliche Elemente, welche zu einem Betrieb der Brennstoffzelle 42 erforderlich sind und/oder einen Betrieb der Brennstoffzelle 42 unterstützen, beispielsweise eine Brennstoffzufuhrleitung, eine Luftzufuhrleitung, eine Abgasleitung, eine Rezirkulationsleitung, Förderelemente zu einer Förderung eines Brennstoffs, eines Oxidans und/oder eines Abgases, eine Brennereinheit, eine Reformereinheit, Wärmeübertrager und dergleichen.
Die Diagnosevorrichtung 10 ist zur Analyse zumindest eines Zustands der elektrochemischen Vorrichtung 12 vorgesehen. Vorliegend ist die Diagnosevorrichtung 10 zur Analyse zumindest eines Zustands der Brennstoffzellenvorrichtung 14 vorgesehen. Vorliegend ist die Diagnosevorrichtung 10 zur Analyse eines aktuellen und/ oder zukünftigen Zustands der elektrochemischen Vorrichtung 12, und zwar zu einer Bestimmung des aktuellen Zustands und zu einer Vorhersage des zukünftigen Zustands der elektrochemischen Vorrichtung 12 vorgesehen.
Die Diagnosevorrichtung 10 umfasst eine Messeinheit 16. Die Messeinheit 16 ist zur Messung zumindest eines Signals 18 der elektrochemischen Vorrichtung 12 vorgesehen. In einem Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung 12 überwacht die Messeinheit 16 das Signal 18 dauerhaft. Vorliegend ist das Signal 18 der elektrochemischen Vorrichtung 12 ein Ausgangssignal 22. Vorliegend ist das Ausgangssignal 22 eine Ausgangsspannung 24, welche in dem Betriebszustand durch die Brennstoffzelle 42 der als Brennstoffzellenvorrichtung 14 ausgebildeten elektrochemischen Vorrichtung 12 bereitgestellt wird. Die Messeinheit 16 ist anodenseitig und kathodenseitig mit der Brennstoffzelle 42 verbunden und misst die Spannung, welche in dem Betriebszustand zwischen einer Anode und einer Kathode der Brennstoffzelle 42 abfällt, als das Signal 18.
Die Diagnosevorrichtung 10 umfasst eine Analyseeinheit 20. Die Analyseeinheit 20 analysiert den Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 12 mittels zumindest eines Algorithmus anhand von Fluktuationen des Signals 18.
Die Analyseeinheit 20 weist eine Speichereinheit 26 auf. Die Speichereinheit 26 ist zum Speichern des Signals 18 in Form von zumindest einer zeitabhängigen Funktion 28 (vgl. 3) vorgesehen.
Die Analyseeinheit 20 unterteilt die zeitabhängige Funktion 28 in mehrere Zeitabschnitte 30, 38 (vgl. 3). Die Analyseeinheit 20 ermittelt für jeden der Zeitabschnitte 30, 38 zumindest einen Analyseparameter 32 (vgl. 4, 5 und 6).
Die Diagnosevorrichtung 10 umfasst eine Ausgabeeinheit 34. Die Ausgabeeinheit 34 ist zur Ausgabe des durch die Analyseeinheit 20 ermittelten Zustands der elektrochemischen Vorrichtung 12 vorgesehen. Vorliegend ist die Ausgabeeinheit 34 als ein Display ausgebildet, auf welchem der Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 12 darstellbar ist.
Die Diagnosevorrichtung 10 umfasst eine Steuereinheit 36. Die Steuereinheit 36 leitet im Falle einer Abweichung des durch die Analyseeinheit 20 ermittelten Zustands von einem Sollzustand zumindest eine Maßnahme ein, um eine vorzeitige Degradation der elektrochemischen Vorrichtung 12 zumindest abzumildern. Die Steuereinheit 36 ist regelungstechnisch mit der Peripheriegeräteinheit 46 der als Brennstoffzelleneinheit 14 ausgebildeten elektrochemischen Vorrichtung 12 verbunden. Eine Abweichung des durch die Analyseeinheit 20 ermittelten Zustands von einem Sollzustand könnte beispielsweise durch die Zusammensetzung eines Brenngases bedingt sein, mit welchem die Brennstoffzelle 42 über die Peripheriegeräteeinheit 46 versorgt wird. Um eine vorzeitige Degradation der elektrochemischen Vorrichtung zumindest abzumildern, könnte die Steuereinheit 36 in diesem Falle anhand des durch die Analyseeinheit 20 ermittelten Zustands die Peripheriegeräteeinheit 46 derart ansteuern, dass eine Zusammensetzung des Brenngases verändert wird.
2 zeigt ein schematisches Diagramm zur Darstellung eines beispielhaften zeitlichen Verlaufs des durch die Messeinheit 16 gemessenen Signals 18. Auf einer Abszisse 64 des Diagramms ist eine Zeit in Sekunden aufgetragen. Auf einer Ordinate 66 des Diagramms ist eine Spannung in Volt aufgetragen. Das Signal 18 ist ein Ausgangssignal 22 der elektrochemischen Vorrichtung 12. Das Ausgangssignal 22 ist eine Ausgangsspannung 24 der elektrochemischen Vorrichtung. Die Messeinheit 16 misst das Signal 18 in regelmäßigen Zeitintervallen 68 und mit einer für eine Analyse durch die Analyseeinheit 20 hinreichenden Genauigkeit 70.
3 zeigt ein Diagramm mit einem beispielhaften Verlauf der zeitabhängigen Funktion 28 des Signals 18, welche in der Speichereinheit 26 gespeichert ist. Auf einer Abszisse 72 des Diagramms ist eine Zeit in Stunden aufgetragen. Auf einer Ordinate 74 ist eine Spannung in Volt aufgetragen. Die Analyseeinheit 20 unterteilt die zeitabhängige Funktion 28 in mehrere Zeitabschnitte 30, 38. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind beispielhaft ein Zeitabschnitt 30 und ein weiterer Zeitabschnitt 38 dargestellt. Der Zeitabschnitt 30 ist in dem Diagramm der 3 durch ein Fenster mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Eine Zeitdauer des Zeitabschnitts 30 beträgt beispielsweise 24 Stunden. Der weitere Zeitabschnitt 38 ist in dem Diagramm der 3 durch ein Fenster mit einer Strichpunktlinie dargestellt. Eine Zeitdauer des weiteren Zeitabschnitts 38 beträgt beispielsweise ebenfalls 24 Stunden. Der weitere Zeitabschnitt 38 ist zu dem Zeitabschnitt 30 um eine Zeitsequenz 76 versetzt. Die Analyseeinheit 20 ermittelt für den Zeitabschnitt 30 zumindest einen Analyseparameter 32 (vgl. 4). Die Analyseeinheit 20 ermittelt für den weiteren Zeitabschnitt 38 zumindest einen weiteren Analyseparameter 44 (vgl. 5).
Die Analyseeinheit 20 führt zu der Ermittlung des Analyseparameters 32 zumindest eine trendbereinigte Fluktuationsanalyse durch. Die Analyseeinheit 20 ermittelt mittels trendbereinigter Fluktuationsanalyse eine Fluktuationsfunktion 48 (vgl. 5). Die Analyseeinheit bereinigt dabei die zeitabhängige Funktion 28 um lokale Trends in den Zeitabschnitten 30, 38, welche ein Ergebnis der Analyse verfälschen würden. Zu der Trendbereinigung wendet die Analyseeinheit für jeden der Zeitabschnitte 30, 38 zumindest einen Polynomfit n-ter Ordnung und/oder zumindest eine geeignete Korrekturfunktion auf die zeitabhängige Funktion 28a an.
4 zeigt ein schematisches Diagramm zur bespielhaften Darstellung des Analyseparameters 32. Auf einer Abszisse 72 des Diagramms ist ein statistisches Moment aufgetragen. Auf einer Ordinate 74 ist ein Wert des Analyseparameters 32 aufgetragen. Der Analyseparameter 32 ist dimensionslos. Vorliegend handelt es sich bei dem Analyseparameter 32 um einen verallgemeinerten Fluktuationsexponenten, welcher ein Skalenverhalten der Fluktuationen der zeitabhängigen Funktion 28 in dem Zeitabschnitt 30 beschreibt. Der als verallgemeinerter Fluktuationsexponent ausgebildete Analyseparameter 32 weist einen Wertebereich einer Breite 82 auf. Die Breite 82 kann als ein Maß für eine Multifraktalität des Analyseparameters 32 verstanden werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Breite 82 größer Null und zeigt an, dass der Analyseparameter 32 für verschiedene statistische Momente unterschiedliche Werte annimmt und daher multifraktal ist.
5 zeigt ein schematisches Diagramm zur Darstellung der Fluktuationsfunktion 48. Auf einer Abszisse 78 des Diagramms ist eine logarithmische Skala aufgetragen. Auf einer Ordinate 80 des Diagramms ist ein Wert der Fluktuationsfunktion 48 logarithmisch aufgetragen. In einem ersten Bereich der Skala weist die Fluktuationsfunktion 48 eine erste gemittelte Steigung 88 auf. Vorliegend entspricht ein Wert der ersten gemittelten Steigung 88 dem Analyseparameter 32 für einen Zeitabschnitt 30. In einem zweiten Bereich der Skala weist die Fluktuationsfunktion 48 eine zweite gemittelte Steigung 90 auf. Vorliegend entspricht ein Wert der zweiten gemittelten Steigung 90 einem weiteren Analyseparameter 44 für denselben Zeitabschnitt 30. Die Fluktuationsfunktion 48 weist einen Schnittpunkt 92 zwischen der ersten gemittelten Steigung 88 und der zweiten gemittelten Steigung 90 auf. Der Wert der Skala an der Stelle des Schnittpunkts 92 stellt einen Übergang zwischen dem ersten Analyseparameter 32 und dem weiteren Analyseparameter 44 dar und kann von der Analyseeinheit 20 als ein weiterer Analyseparameter 108 zu der Bestimmung und/oder Vorhersage des Zustands der elektrochemischen Vorrichtung 12 herangezogen werden.
6 zeigt ein weiteres Diagramm zur Darstellung des Analyseparameters 32. Auf einer Abszisse 84 ist eine Zeit in Stunden aufgetragen. Auf einer Ordinate 86 ist ein Wert des Analyseparameters 32 aufgetragen. Die Analyseeinheit 20 speichert die Werte des ermittelten Analyseparameters 32 für jeden der Zeitabschnitte 30, 38 in der Speichereinheit 26 und bildet daraus eine fortlaufende Reihe 112. Die Reihe 112 wird mit einer Aktualisierungsrate 110 fortlaufend aktualisiert. Die Analyseeinheit 20 ermittelt aus der Reihe 112 einen Merkmalsvektor 106 der Analyseparameter.
Die Analyseeinheit 20 untersucht eine Korrelation zwischen den Analyseparametern 32, 44, 108 und bekannten Degradationsmechanismen der elektrochemischen Vorrichtung, welche in der Speichereinheit 26 hinterlegt sind, und leitet daraus den Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 12 ab. Die bekannten Mechanismen der Degradation der elektrochemischen Vorrichtung 12 sind in der Speichereinheit in Form eines n-dimensionalen Merkmalsraums 98 hinterlegt.
In 7 ist der Merkmalsraum 98 schematisch und beispielhaft dargestellt. In dem Merkmalsraum 98 sind beispielhaft ein Degradationsmechanismus 100, ein weiterer Degradationsmechanismus 102 und ein weiterer Degradationsmechanismus 104 dargestellt. Der Degradationsmechanismus 100 könnte beispielsweise einer Vergiftung der Brennstoffzelle 42 der als Brennstoffzellenvorrichtung 14 ausgebildeten elektrochemischen Vorrichtung 12 entsprechen. Der weitere Degradationsmechanismus 102 könnte beispielsweise einer erhöhten Temperatur innerhalb der Brennstoffzelle 42 der als Brennstoffzellenvorrichtung 14 ausgebildeten elektrochemischen Vorrichtung 12 entsprechen. Bei dem weitere Degradationsmechanismus 104 könnte es sich beispielsweise um einen Alterungsmechanismus, beispielsweise durch Agglomeration eines Nickelkatalysators, der Brennstoffzelle 42 der als Brennstoffzellenvorrichtung 14 ausgebildeten elektrochemischen Vorrichtung 12 handeln. Zu der Korrelation zwischen den Analyseparametern 32, 44 und den Degradationsmechanismen 100, 102, 104 zieht die Analyseeinheit 20 den zumindest einen Merkmalsvektor 106 heran. Der Merkmalsvektor 106 zeigt in dem Merkmalsraum 98 auf einen Punkt, welcher beispielsweise dem weiteren Degradationsmechanismus 102 zugeordnet ist. Die Analyseeinheit 20 ermittelt hieraus den Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 12. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel würde die Analyseeinheit 20 beispielsweise ermitteln, dass für die als Brennstoffzellenvorrichtung 14 ausgebildete elektrochemische Vorrichtung 12 ein Zustand erhöhter Temperatur innerhalb der Brennstoffzelle 42 vorliegt.
Der Merkmalsvektor 106 kann sich in einem zeitlichen Verlauf auf charakteristische Art und Weise verändern, wobei eine Veränderung mit bestimmten spezifischen Ereignissen korreliert sein kann.
8 zeigt eine Zusammenschau von drei Diagrammen. In den Diagrammen ist auf der Abszisse jeweils die Zeit aufgetragen. In einem oberen Diagramm sind beispielhaft mehrere Ereignisse in Form von Balken dargestellt, welche zu einer Veränderung des Analyseparameters 32 und damit zu einer charakteristischen Änderung des Merkmalsvektors 106 führen. In einem mittleren Diagramm ist das Signal 18 aufgetragen gegen die Zeit aufgetragen. In einem unteren Diagramm ist eine Veränderung des Merkmalsvektors 106 aufgetragen. Ein beispielhaftes Ereignis 114 hat einen starken Abfall der Ausgangsspannung 22 zur Folge. Die Auswirkung des Ereignisses 114 deutet sich bereits frühzeitig in einem Wendepunkt in dem Verlauf des Merkmalsvektors 106 in dem unteren Diagramm an. Die Analyseeinheit 20 kann anhand der Analyseparameter 32, 44, 108 eine Restlebensdauer 116 der elektrochemischen Vorrichtung 12 bestimmen.
9 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer potentiellen Lebensdauer der elektrochemischen Vorrichtung 12 in Abhängigkeit des Merkmalsvektors 106. Auf einer Abszisse 118 des Diagramms ist ein Wert des Merkmalsvektors 106 aufgetragen. Auf einer Ordinate 120 des Diagramms ist die potentielle Lebensdauer der elektrochemischen Vorrichtung 12 aufgetragen, welche von der Analyseeinheit 20 im Rahmen der Analyse berechnet wird. Eine erste Lebensdauerkurve 122 zeigt einen potentiellen Verlauf anhand eines typischen Alterungsmechanismus der elektrochemischen Vorrichtung 12. Eine zweite Lebensdauerkurve 124 zeigt einen anderen potentiellen Verlauf für einen anderen Alterungs- und/oder Vergiftungsmechanismus. Ohne eine Eingriffsmaßnahme führt die Degradation zu einer verkürzten verbleibenden Lebensdauer der elektrochemischen Vorrichtung 12. Abhängig von der Größe des Analyseparameters ergibt sich die zu erwartende Restlebensdauer der elektrochemischen Vorrichtung 12, welche durch die Analyseeinheit 20 ermittelbar ist. Durch eine von der Steuereinheit 36 eingeleitete Maßnahme zur Abmilderung einer vorzeitigen Degradation der elektrochemischen Vorrichtung 12 kann eine entsprechende Lebensdauerverlängerung erreicht werden.
10 zeigt ein Diagramm zur Darstellung zweier Messreihen, welche mit der Messeinheit 16 der Diagnosevorrichtung 10 durchgeführt wurden. Auf einer Abszisse 126 des Diagramms ist eine Betriebsdauer in Stunden aufgetragen. Auf einer Ordinate 128 ist eine Spannung in Volt aufgetragen. In dem Diagramm ist der Verlauf des Signals 18 der elektrochemischen Vorrichtung 12 dargestellt. Das Signal 18 bleibt über die gezeigte Betriebsdauer von 500 Stunden im Wesentlichen konstant und weist Fluktuationen um einen Mittelwert von ca. 0,8 Volt auf. In dem Diagramm ist ein Verlauf eines weiteren Signals 130 einer weiteren elektrochemischen Vorrichtung (nicht dargestellt) gezeigt. Die weitere elektrochemische Vorrichtung ist im Wesentlichen identisch zu der elektrochemischen Vorrichtung 12 ausgebildet und wurde zu der Messung mit gegenüber der elektrochemischen Vorrichtung 12 veränderten Betriebsparametern betrieben. Das weitere Signal 130 zeigt zu Beginn der Messreihe eine gegenüber dem Signal 18 erhöhte Spannung. In dem Diagramm ist ein vergrößerter Ausschnitt 132 des Verlaufs des weiteren Signals 130 in den ersten 100 Betriebsstunden dargestellt. In dem vergrößerten Ausschnitt 130 ist zu erkennen, dass das weitere Signal 130 eine im Mittel konstante Abnahme der Spannung aufweist, welche durch die veränderten Betriebsparameter bedingt ist. Nach 100 Betriebsstunden zeigen die Messreihen des Signals 18 und des weiteren Signals 130 jeweils eine Unterbrechung 134. Während der Unterbrechung 134 wurden die elektrochemische Vorrichtung 12 und die weitere elektrochemische Vorrichtung jeweils mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie untersucht, um Degradationsmechanismen zu identifizieren. Während einer weiteren Unterbrechung 136 wurden die elektrochemische Vorrichtung 12 und die weitere elektrochemische Vorrichtung jeweils erneut mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie untersucht.
11 zeigt zwei Diagramme zur Darstellung einer Analyse der in der 10 dargestellten Messreihe des Signals 18 mittels der Analyseeinheit 20. In einem linken Diagramm ist auf einer Abszisse eine logarithmische Skala aufgetragen. Auf einer Ordinate des linken Diagramms ist ein Wert der Fluktuationsfunktion 48 logarithmisch aufgetragen. In dem linken Diagramm sind die Verläufe der Fluktuationsfunktion 48 dargestellt, welche mit Polynomfits der Ordnungen 1 bis 16 trendbereinigt sind. Die Fluktuationsfunktion 48 zeigt für die Ordnungen 1 bis 16 jeweils einen ähnlichen Verlauf und weist eine Steigung 138 auf, welcher als ein Anzeichen für einen möglichen Degradationsprozess interpretiert werden kann. In einem rechten Diagramm ist auf einer Abszisse der Grad der Polynomfits aufgetragen. Auf einer Ordinate des rechten Diagramms ist ein asymptotischer Wert des als Fluktuationsexponent ausgebildeten Analyseparameters 32 dargestellt, welchem die Fluktuationsfunktion 48 zustrebt. Mit steigendem Grad des Polynomfits fällt der asymptotische Wert des Analyseparameters 32 ab und nähert sich einem Wert leicht unterhalb von 0,6 an, wodurch eine Konvergenz bei der Trendbereinigung überprüfbar ist.
12 zeigt zwei Diagramme zur Darstellung einer Analyse der in der 9 dargestellten Messreihe des weiteren Signals 130 mittels der Analyseeinheit 20. In einem linken Diagramm ist auf einer Abszisse eine logarithmische Skala aufgetragen. Auf einer Ordinate des linken Diagramms ist ein lokaler Wert des Analyseparameters 48 aufgetragen. In dem linken Diagramm ist die lokale Steigung der Fluktuationsfunktion 48 für verschiedene Ordnungen von Trendbereinigungen dargestellt. Die Fluktuationsfunktion 48 weist eine Steigung 140 Übergänge zu mehreren weiteren Steigungen 142, 144, 146 auf. Die Steigung 140 und die weiteren Steigungen 142, 144, 146 signalisieren zumindest einen möglichen Mechanismus. In einem rechten Diagramm ist auf einer Abszisse der Grad der Polynomfits aufgetragen. Auf einer Ordinate des rechten Diagramms ist ein asymptotischer Wert des als Fluktuationsexponent ausgebildeten Analyseparameters 32 dargestellt, welchem die Fluktuationsfunktion 48 zustrebt. Es zeigt sich, dass die Werte der Analyseparameter 32 auf unterschiedlichen Zeitskalen unterschiedliche Werte besitzen.
13 zeigt ein schematisches Verfahrensschema eines Verfahrens zur Analyse eines Zustands der elektrochemischen Vorrichtung 12. In dem Verfahren wird der Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 12 mit der Diagnosevorrichtung 10 analysiert, wobei zumindest das Signal 18 der elektrochemischen Vorrichtung 12 gemessen wird und der Zustand mittels zumindest eines Algorithmus anhand von Fluktuationen des Signals 18 analysiert wird. Das Verfahren umfasst mehrere Verfahrensschritte: In einem Verfahrensschritt 50 werden Degradationsmechanismen 100, 102, 104 der elektrochemischen Vorrichtung 12 mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie systematisch erfasst und gespeichert. In einem weiteren Verfahrensschritt 52 wird das Signal 18 der elektrochemischen Vorrichtung 12 gemessen und in Form der zeitabhängigen Funktion 28 gespeichert. In einem weiteren Verfahrensschritt 54 wird die zeitabhängige Funktion 28 in die Zeitabschnitte 30, 38 unterteilt. In einem weiteren Verfahrensschritt 56 wird eine trendbereinigte Fluktuationsanalyse durchgeführt und für jeden der Zeitabschnitte 30, 38 zumindest ein Analyseparameter 32, 44 ermittelt. In einem weiteren Verfahrensschritt 58 wird eine Korrelation zwischen den Analyseparametern 32, 44 und den in dem Verfahrensschritt 50 bestimmten Degradationsmechanismen 100, 102, 104 untersucht und daraus der Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 12 bestimmt. In einem weiteren Verfahrensschritt 60 wird der in dem weiteren Verfahrensschritt 58 bestimmte Zustand ausgegeben. In einem optionalen weiteren Verfahrensschritt 62 wird im Falle einer Abweichung des Zustands von einem Sollzustand zumindest eine Maßnahme automatisch eingeleitet, um eine vorzeitige Degradation der elektrochemischen Vorrichtung zumindest abzumildern.

Claims

Diagnosevorrichtung (10) zur Analyse zumindest eines Zustands einer elektrochemischen Vorrichtung (12), insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung (14), mit zumindest einer Messeinheit (16) zur Messung zumindest eines Signals (18) der elektrochemischen Vorrichtung (12), gekennzeichnet durch eine Analyseeinheit (20), welche den Zustand mittels zumindest eines Algorithmus anhand von Fluktuationen des Signals (18) analysiert.
Diagnosevorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal (18) ein Ausgangssignal (22) der elektrochemischen Vorrichtung (12) ist.
Diagnosevorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal (22) eine Ausgangsspannung (24) der elektrochemischen Vorrichtung (12) ist.
Diagnosevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (16) das Signal (18) in einem Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung (12) dauerhaft überwacht.
Diagnosevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit (20) eine Speichereinheit (26) zum Speichern des Signals (18) in Form von zumindest einer zeitabhängigen Funktion (28) aufweist.
Diagnosevorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit (20) die zeitabhängige Funktion (28) in mehrere Zeitabschnitte (30, 38) unterteilt und für jeden der Zeitabschnitte (30, 38) zumindest einen Analyseparameter (32, 44, 108) ermittelt.
Diagnosevorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit (20) zu der Ermittlung des zumindest einen Analyseparameters (32, 44, 108) zumindest eine trendbereinigte Fluktuationsanalyse durchführt.
Diagnosevorrichtung (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit (20) eine Korrelation zwischen den Analyseparametern (32, 44, 108) und bekannten Degradationsmechanismen (100, 102, 104) der elektrochemischen Vorrichtung (12), welche in der Speichereinheit (26) hinterlegt sind, untersucht und daraus den Zustand der elektrochemischen Vorrichtung (12) ableitet.
Diagnosevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausgabeeinheit (34) zur Ausgabe des Zustands der elektrochemischen Vorrichtung (12).
Diagnosevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (36), welche im Falle einer Abweichung des ermittelten Zustands von einem Sollzustand zumindest eine Maßnahme einleitet, um eine vorzeitige Degradation der elektrochemischen Vorrichtung (12) zumindest abzumildern.
System (40) mit zumindest einer Diagnosevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit der elektrochemischen Vorrichtung (12).
Verfahren zur Analyse zumindest eines Zustands einer elektrochemischen Vorrichtung (12), insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung (14), insbesondere mit einer Diagnosevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zumindest ein Signal (18) der elektrochemischen Vorrichtung (12) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand mittels zumindest eines Algorithmus anhand von Fluktuationen des Signals (18) analysiert wird.