DE102021203562A1 - Electrochemical device and a method for operating such an electrochemical device - Google Patents

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Abstract

Es wird eine elektrochemische Vorrichtung (10), insbesondere Brennstoffzellenvorrichtung, vorgeschlagen, welche eine Überwachungseinheit (12) aufweist, welche zur Analyse zumindest eines Zustands einer elektrochemischen Einheit (14), insbesondere einer Brennstoffzelleneinheit, zumindest ein Eingangssignal der elektrochemischen Einheit (14) und zumindest ein Ausgangssignal der elektrochemischen Einheit (14) misst.An electrochemical device (10), in particular a fuel cell device, is proposed, which has a monitoring unit (12) which, for analyzing at least one state of an electrochemical unit (14), in particular a fuel cell unit, at least one input signal of the electrochemical unit (14) and at least measures an output signal of the electrochemical unit (14).

Description

Stand der TechnikState of the art

Es ist bereits eine Diagnosevorrichtung zur Analyse eines Zustands einer Brennstoffzelle vorgeschlagen worden, wobei eine Nernst-Spannung der Brennstoffzelle anhand einer Zellspannung der Brennstoffzelle und mehreren Verlusttermen, wie beispielsweise Ohm'schen Verlusten und/oder Aktivierungsverlusten, hinsichtlich der Brennstoffzelle, modulierbar ist.A diagnostic device for analyzing a state of a fuel cell has already been proposed, wherein a Nernst voltage of the fuel cell can be modulated based on a cell voltage of the fuel cell and a plurality of loss terms, such as ohmic losses and/or activation losses, with respect to the fuel cell.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Es wird eine elektrochemische Vorrichtung, insbesondere eine Brennstoffzellenvorrichtung, mit einer Überwachungseinheit vorgeschlagen, welche zur Analyse zumindest eines Zustands, insbesondere eines Degradationszustands, einer elektrochemischen Einheit, insbesondere einer Brennstoffzelleneinheit, zumindest ein Eingangssignal der elektrochemischen Einheit und zumindest ein Ausgangssignal der elektrochemischen Einheit misst.An electrochemical device, in particular a fuel cell device, with a monitoring unit is proposed, which measures at least one input signal of the electrochemical unit and at least one output signal of the electrochemical unit to analyze at least one state, in particular a degradation state, of an electrochemical unit, in particular a fuel cell unit.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der elektrochemischen Vorrichtung kann vorteilhaft eine Bestimmung und/oder eine Vorhersage eines Zustands, insbesondere eines Degradationszustands, einer elektrochemischen Einheit mit vereinfachten technischen Mitteln ermöglicht werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Vorrichtungen, beispielsweise einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie, welche aufwändige, zusätzliche Messgeräte zu einer Zustandsermittlung erfordern, und/oder aufwändigen und/oder ungenauen Berechnungsverfahren, möglicherweise einer Nernst-Spannungsberechnung der elektrochemischen Einheit mittels Verlusttermen der elektrochemischen Einheit, kann aufgrund der vorgeschlagenen elektrochemischen Vorrichtung vorteilhaft der Zustand einfach und effizient, und zwar während eines Betriebs der elektrochemischen Einheit analysiert werden, wobei vorzugsweise die Nernst-Spannung während des Betriebs unkompliziert berechnet werden kann. Hierdurch besteht die vorteilhafte Möglichkeit, den Zustand der elektrochemischen Einheit während des Betriebs zumindest zeitlich wiederkehrend, insbesondere dauerhaft, zu überwachen, wodurch kritische Zustände, bevorzugt der Degradationszustand, zeitnah erkannt und etwaige Gegenmaßnahmen frühzeitig eingeleitet werden können. Damit kann gerade eine potentielle Lebensdauer der elektrochemischen Einheit vorteilhaft verlängert werden. Zudem kann eine besonders effiziente, insbesondere kostengünstige, elektrochemische Vorrichtung zur Analyse des Zustands, insbesondere während des Betriebs, bereitgestellt werden.The configuration of the electrochemical device according to the invention advantageously makes it possible to determine and/or predict a state, in particular a degradation state, of an electrochemical unit with simplified technical means. In contrast to conventional devices, for example electrochemical impedance spectroscopy, which require complex, additional measuring devices to determine the condition, and/or complex and/or inaccurate calculation methods, possibly a Nernst voltage calculation of the electrochemical unit using loss terms of the electrochemical unit, due to the proposed electrochemical Device advantageously the state easily and efficiently, namely analyzed during operation of the electrochemical unit, preferably the Nernst voltage can be easily calculated during operation. This offers the advantageous possibility of monitoring the state of the electrochemical unit during operation at least periodically, in particular permanently, as a result of which critical states, preferably the state of degradation, can be recognized promptly and any countermeasures can be initiated at an early stage. A potential service life of the electrochemical unit can thus advantageously be lengthened. In addition, a particularly efficient, in particular cost-effective, electrochemical device for analyzing the state, in particular during operation, can be provided.

Die elektrochemische Vorrichtung könnte Teil eines elektrochemischen Systems sein oder das gesamte elektrochemische System umfassen, wobei das elektrochemische System als ein Brennstoffzellensystem ausgebildet sein könnte. Ein derartiges System zeichnet sich insbesondere durch Randbedingungen aus, welche für die elektrochemische Vorrichtung und/oder elektrochemische Einheit einen Betrieb in zumindest einem Betriebszustand, mit insbesondere optimaler Betriebsdauer, ermöglichen. Vorliegend wird die elektrochemische Vorrichtung zur Analyse und/oder Diagnose zumindest des, insbesondere aktuellen und/oder zukünftigen, Zustands der elektrochemischen Einheit bereitgestellt, welche vorzugsweise als eine Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist. Das elektrochemische System und/oder die elektrochemische Vorrichtung könnte/könnten die elektrochemische Einheit aufweisen, welche insbesondere zur Stoffumwandlung zumindest eines Edukts in zumindest ein Produkt, vorzugsweise zur Umsetzung eines Brennstoffs, vorgesehen ist. Das elektrochemische System handhabt insbesondere zumindest den Brennstoff, bevorzugt ein sauerstoffhaltiges Fluid und/oder ein Abgas als Prozessfluid. Der Brennstoff weist vorzugsweise Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid und/oder zumindest einen Kohlenwasserstoff, insbesondere Methan, Ethan, Butan, Propan, Erdgas oder dergleichen, als Energieträger auf. Der Brennstoff könnte optional inerte Bestandteile, insbesondere Stickstoff und/oder Kohlenstoffdioxid und/oder Wasser umfassen. Als sauerstoffhaltiges Fluid könnte reiner Sauerstoff oder ein Sauerstoffgemisch, insbesondere Luft, verwendet werden. Das Abgas ist insbesondere ein Umsetzungsprodukt aus dem Brennstoff und dem sauerstoffhaltigen Fluid. Vorzugsweise ist die elektrochemische Einheit zum Umsetzen des Brennstoffs und des sauerstoffhaltigen Fluids zu dem Abgas vorgesehen.The electrochemical device could be part of an electrochemical system or encompass the entire electrochemical system, where the electrochemical system could be designed as a fuel cell system. Such a system is characterized in particular by boundary conditions which enable operation in at least one operating state, in particular with an optimal operating time, for the electrochemical device and/or electrochemical unit. In the present case, the electrochemical device is provided for the analysis and/or diagnosis of at least the, in particular current and/or future, state of the electrochemical unit, which is preferably designed as a fuel cell unit. The electrochemical system and/or the electrochemical device could have the electrochemical unit, which is provided in particular for converting at least one starting material into at least one product, preferably for converting a fuel. In particular, the electrochemical system handles at least the fuel, preferably an oxygen-containing fluid and/or an exhaust gas as the process fluid. The fuel preferably has hydrogen and/or carbon monoxide and/or at least one hydrocarbon, in particular methane, ethane, butane, propane, natural gas or the like, as an energy source. The fuel could optionally include inert components, in particular nitrogen and/or carbon dioxide and/or water. Pure oxygen or an oxygen mixture, in particular air, could be used as the oxygen-containing fluid. The exhaust gas is in particular a reaction product from the fuel and the oxygen-containing fluid. The electrochemical unit is preferably provided for converting the fuel and the oxygen-containing fluid into the exhaust gas.

Bevorzugt weist die elektrochemische Einheit, insbesondere die Brennstoffzelleneinheit, zumindest eine elektrochemische Zelle, und zwar bevorzugt eine Brennstoffzelle, ein Stack aus Brennstoffzellen und/oder einen Verbund mehrerer Stacks aus Brennstoffzellen und/oder ein System von Brennstoffzellen auf. Ohne darauf beschränkt zu sein, könnte/können die Brennstoffzelle und/oder die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit bevorzugt 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) und/oder als Brennstoffzelle eines anderen Typs ausgebildet sein. Zumindest die Brennstoffzelle könnte zumindest eine Sauerstoffelektrode und/oder eine Brennstoffelektrode und/oder ein Elektrolyt aufweisen.The electrochemical unit, in particular the fuel cell unit, preferably has at least one electrochemical cell, specifically preferably a fuel cell, a stack of fuel cells and/or a composite of a plurality of stacks of fuel cells and/or a system of fuel cells. Without being limited to this, the fuel cell and/or the fuel cells of the fuel cell unit could/can preferably be used as a high-temperature fuel cell, in particular as a solid oxide fuel cell (SOFC), and/or as a molten carbonate fuel cell (MCFC) and/or proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), and /or as a phosphoric acid fuel cell (PAFC) and/or as a direct methanol fuel cell (DMFC) and/or as an alkaline fuel cell (AFC) and/or as a fuel cell of another type. At least the fuel cell could at least at least have an oxygen electrode and/or a fuel electrode and/or an electrolyte.

Alternativ und/oder zusätzlich könnte die elektrochemische Vorrichtung zur Analyse und/oder Diagnose zumindest des, insbesondere aktuellen und/oder zukünftigen, Zustands der elektrochemischen Einheit vorgesehen sein, welche als eine von einer Brennstoffzelleneinheit verschiedene elektrochemische Einheit ausgebildet ist und zumindest eine elektrochemische Zelle aufweist. Die elektrochemische Einheit könnte beispielsweise einen Elektrolyseur oder zumindest ein Bestandteil eines Elektrolyseurs aufweisen, welcher zumindest die als eine Elektrolysezelle ausgebildete elektrochemische Zelle umfasst. Der Elektrolyseur könnte zur Stoffumwandlung zumindest des Edukts in zumindest das 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.Alternatively and/or additionally, the electrochemical device could be provided for analyzing and/or diagnosing at least the current and/or future state of the electrochemical unit, which is designed as an electrochemical unit that is different from a fuel cell unit and has at least one electrochemical cell. The electrochemical unit could, for example, have an electrolyzer or at least a component part of an electrolyzer, which comprises at least the electrochemical cell designed as an electrolytic cell. The electrolyzer could be used to convert at least the starting material into at least the product using electric current, for example for chlor-alkali electrolysis or for electrolytic refining of copper or other precious metals or for fused-salt electrolysis or for solid oxide electrolysis or for another electrolysis process, be provided.

Es wäre auch denkbar, dass die elektrochemische Einheit alternativ als Verbrennungsmotor, als Heizkessel, als Brenner oder als andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Einheit, welche einen Brennstoff unter Zuführung von Sauerstoff in Abgas umwandelt, ausgebildet ist. Vorteilhaft weist das elektrochemische System und/oder die elektrochemische Vorrichtung eine Peripheriegerätevorrichtung auf. Die Peripheriegerätevorrichtung könnte sämtliche Elemente und Einheiten umfassen, welche zu einem Betrieb der elektrochemischen Einheit erforderlich sind und/oder einen Betrieb der elektrochemischen Einheit in zumindest dem Betriebszustand unterstützen. Beispielsweise könnte die Peripheriegerätevorrichtung eine Zufuhr von sauerstoffhaltigem Fluid, insbesondere eine Frischluftzufuhr, eine Brennstoffzufuhr, eine Reformereinheit und/oder eine Rezirkulationsleitung aufweisen. Zusätzlich könnte die Peripheriegerätevorrichtung beispielsweise Förderelemente zur Förderung des Brennstoffs, eines Oxidans und/oder eines Abgases, weitere Reformereinheiten und/oder Wärmeübertrager und dergleichen aufweisen.It would also be conceivable for the electrochemical unit to be designed alternatively as an internal combustion engine, as a heating boiler, as a burner or as another unit which a person skilled in the art considers appropriate and which converts a fuel into exhaust gas while supplying oxygen. The electrochemical system and/or the electrochemical device advantageously has a peripheral device device. The peripheral device device could comprise all elements and units which are required for operation of the electrochemical unit and/or support operation of the electrochemical unit in at least the operating state. For example, the peripheral device device could have a supply of oxygen-containing fluid, in particular a fresh air supply, a fuel supply, a reformer unit and/or a recirculation line. In addition, the peripheral device device could, for example, have conveying elements for conveying the fuel, an oxidant and/or an exhaust gas, further reformer units and/or heat exchangers and the like.

Die Überwachungseinheit ist zur Messung des Eingangs- und/oder Ausgangssignals der elektrochemischen Einheit mit einer zur Analyse des Zustands ausreichenden Genauigkeit vorgesehen. Vorzugsweise misst die Überwachungseinheit das Eingangs- und/oder Ausgangssignal mit einer Auflösung von zumindest 8 Bit, vorteilhaft von zumindest 12 Bit, bevorzugt von zumindest 16 Bit und besonders bevorzugt mit einer Auflösung größer als 16 Bit. Bei dem Eingangs- und/oder Ausgangssignal der elektrochemischen Einheit handelt es sich vorzugsweise um ein physikalisches und/oder chemisches Signal, welches durch die Überwachungseinheit messbar ist. Das Eingangs- und/oder Ausgangssignal ist/sind insbesondere zumindest ein Signal eines zu untersuchenden Prozessfluids. Vorzugsweise ist das Eingangssignal ein Eduktorsignal, insbesondere ein Brennstoffsignal, und das Ausgangssignal ein Produktsignal, insbesondere ein Abgassignal, wobei das Eingangs- und/oder Ausgangssignal das Prozessfluid charakterisieren könnte. Bei dem Signal könnte es sich, ohne darauf beschränkt zu sein, beispielsweise um einen elektrischen Eingangs- und/oder Ausgangsstrom und/oder bevorzugt um eine elektrische Eingangs- und/oder Ausgangspannung 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 Einheit handeln.The monitoring unit is provided for measuring the input and/or output signal of the electrochemical unit with sufficient accuracy for analyzing the condition. The monitoring unit preferably measures the input and/or output signal with a resolution of at least 8 bits, advantageously at least 12 bits, preferably at least 16 bits and particularly preferably with a resolution greater than 16 bits. The input and/or output signal of the electrochemical unit is preferably a physical and/or chemical signal that can be measured by the monitoring unit. The input and/or output signal is/are in particular at least one signal of a process fluid to be examined. Preferably, the input signal is an eductor signal, in particular a fuel signal, and the output signal is a product signal, in particular an exhaust signal, wherein the input and/or output signal could characterize the process fluid. The signal could be, but is not limited to, an electrical input and/or output current and/or preferably an electrical input and/or output voltage and/or an entropy and/or an enthalpy and/or a Act temperature and / or a pressure and / or a concentration and / or a particle and / or volume flow of one or more reactants and / or products of the electrochemical unit.

Unter „vorgesehen“ soll in diesem Dokument speziell programmiert, eingerichtet, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.As used in this document, “designed” means specifically programmed, configured, designed and/or equipped. The fact that an object is provided for a specific function should be understood to mean that the object fulfills and/or executes this specific function in at least one application and/or operating state.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Überwachungseinheit das Eingangssignal an einer brenngasseitigen Eintrittsseite der elektrochemischen Einheit misst. Hierdurch kann eine Effizienz hinsichtlich einer Analyse eines Zustands einer elektrochemischen Einheit gesteigert werden. Die brenngasseitige Eintrittsseite definiert vorzugsweise eine Seite der elektrochemischen Einheit, auf welcher ausgehend von der Brennstoffzufuhr über eine Eingangsleitung der elektrochemischen Vorrichtung und/oder des elektrochemischen Systems, insbesondere der Peripheriegerätevorrichtung, das Edukt, insbesondere der Brennstoff, der elektrochemischen Einheit zuführbar ist. Die Eingangsleitung könnte eine Kathodeneingangsleitung und/oder vorzugsweise eine Anodeneingangsleitung sein.It is also proposed that the monitoring unit measures the input signal on an inlet side of the electrochemical unit on the combustion gas side. As a result, efficiency with regard to an analysis of a state of an electrochemical unit can be increased. The inlet side on the fuel gas side preferably defines a side of the electrochemical unit on which, starting from the fuel supply, the reactant, in particular the fuel, can be fed to the electrochemical unit via an inlet line of the electrochemical device and/or the electrochemical system, in particular the peripheral device device. The input line could be a cathode input line and/or preferably an anode input line.

Wenn die Überwachungseinheit das Ausgangssignal an einer brenngasseitigen Austrittsseite der elektrochemischen Einheit misst, kann eine effizientere, insbesondere verbesserte, Messung und/oder Analyse eines Zustands einer elektrochemischen Einheit bereitgestellt werden. Die brenngasseitige Austrittsseite definiert vorzugsweise eine Seite der elektrochemischen Einheit, auf welcher ausgehend von der elektrochemischen Einheit über eine Ausgangsleitung der elektrochemischen Vorrichtung und/oder des elektrochemischen Systems, insbesondere der Peripheriegerätevorrichtung, umgesetzter Brennstoff, insbesondere das Abgas, abführbar ist. Vorteilhaft misst die Überwachungseinheit das Ausgangssignal vor einer Abzweigung der Ausgangsleitung zu der Rezirkulationsleitung. Die Ausgangsleitung könnte eine Kathodenabgasleitung und/oder vorzugsweise eine Anodenabgasleitung sein.If the monitoring unit measures the output signal on an outlet side of the electrochemical unit on the fuel gas side, a more efficient, in particular improved, measurement and/or analysis of a state of an electrochemical unit can be provided. The outlet side on the combustion gas side preferably defines a side of the electrochemical unit on which reacted fuel, in particular the exhaust gas, can be discharged from the electrochemical unit via an outlet line of the electrochemical device and/or the electrochemical system, in particular the peripheral device device is. The monitoring unit advantageously measures the output signal before the output line branches off to the recirculation line. The exit line could be a cathode exhaust line and/or preferably an anode exhaust line.

Vorteilhaft ist/sind das Eingangs- und/oder Ausgangssignal, und zwar gemessen an der brenngasseitigen Eintrittsseite und/oder der brenngasseitigen Austrittsseite, von einer Gaszusammensetzung an der brenngasseitigen Eintrittsseite und/oder der brenngasseitigen Austrittsseite, insbesondere des Edukts, bevorzugt des Brennstoffs, und/oder des Produkts, bevorzugt des Abgases, abhängig. Es wäre denkbar, dass das Eingangssignal und/oder das Ausgangssignal beispielsweise zumindest ein Fluidparameter des Prozessfluids und/oder zumindest eine elektrische Eingangs- und/oder Ausgangsleistung der elektrochemischen Einheit ist. Um eine vorteilhaft einfache Signalmessung sowie eine zuverlässige Analyse eines Zustands, insbesondere eines Degradationszustands, einer elektrochemischen Einheit, und zwar vorzugsweise während zumindest eines Betriebszustands der elektrochemischen Einheit, bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass das Eingangssignal eine an einem Eingang, insbesondere der brenngasseitigen Eintrittsseite, der elektrochemischen Einheit gemessene elektrische Eingangsspannung ist. Bei der am Eingang gemessenen Eingangsspannung handelt es sich insbesondere um eine Eingangs-Nernst-Spannung, vorzugsweise um eine Anoden-Eingangs-Nernst-Spannung UNernst,An,ein.Advantageously, the input and/or output signal, measured on the fuel gas-side entry side and/or the fuel gas-side exit side, is/are of a gas composition on the fuel-gas-side entry side and/or the fuel-gas-side exit side, in particular of the educt, preferably the fuel, and/or or the product, preferably the exhaust gas. It would be conceivable that the input signal and/or the output signal is, for example, at least one fluid parameter of the process fluid and/or at least one electrical input and/or output power of the electrochemical unit. In order to provide an advantageously simple signal measurement and a reliable analysis of a state, in particular a degradation state, of an electrochemical unit, preferably during at least one operating state of the electrochemical unit, it is proposed that the input signal at an input, in particular the inlet side on the fuel gas side, of the electrical input voltage measured electrochemical unit. The input voltage measured at the input is in particular an input Nernst voltage, preferably an anode input Nernst voltage U Nernst,An,in .

Zudem wird vorgeschlagen, dass das Ausgangssignal eine an einem Ausgang der elektrochemischen Einheit, insbesondere der brenngasseitigen Austrittsseite, gemessene elektrische Ausgangsspannung ist. Somit kann eine Signalmessung maximal vereinfacht und effizienter gestaltet werden. Ferner kann eine Analyse eines Zustands einer elektrochemischen Einheit weiter verbessert werden. Darüber hinaus kann mittels einer Messung einer an einem Ausgang der elektrochemischen Einheit gemessenen elektrischen Ausgangsspannung und möglicherweise an einem Eingang der elektrochemischen Einheit gemessenen elektrischen Eingangsspannung vorteilhaft eine Nernst-Spannung der elektrochemischen Einheit berechnet werden. Bei der am Ausgang gemessenen Ausgangsspannung handelt es sich insbesondere um eine Ausgangs-Nernst-Spannung, vorzugsweise eine Anoden-Ausgangs-Nernst-Spannung UNernst,An,aus,. Die Eingangs- und/oder Ausgangspannung, und zwar bevorzugt die Anoden-Eingangs-Nernst-Spannung und/oder die Anoden-Ausgangs-Nernst-Spannung, könnte/könnten von der Gaszusammensetzung, insbesondere an der brenngasseitigen Eintrittsseite und der brenngasseitigen Austrittsseite, abhängig sein. Es wäre denkbar, dass die gemessene Eingangs- und/oder Ausgangsspannung eine chemische Zusammensetzung des untersuchten Prozessfluids, insbesondere des Brennstoffs und/oder des Abgases, beschreibt und/oder charakterisiert.In addition, it is proposed that the output signal is an electrical output voltage measured at an output of the electrochemical unit, in particular the outlet side on the combustion gas side. Thus, a signal measurement can be simplified to the maximum and made more efficient. Furthermore, an analysis of a state of an electrochemical unit can be further improved. In addition, a Nernst voltage of the electrochemical unit can advantageously be calculated by measuring an electrical output voltage measured at an output of the electrochemical unit and possibly an electrical input voltage measured at an input of the electrochemical unit. The output voltage measured at the output is in particular an output Nernst voltage, preferably an anode output Nernst voltage U Nernst,on,off ,. The input and/or output voltage, preferably the anode input Nernst voltage and/or the anode output Nernst voltage, could/could be dependent on the gas composition, in particular on the fuel-gas-side entry side and the fuel-gas-side exit side . It would be conceivable for the measured input and/or output voltage to describe and/or characterize a chemical composition of the process fluid being examined, in particular the fuel and/or the exhaust gas.

Zur Messung des Eingangs- und/oder Ausgangssignals und/oder des Fluidparameters zumindest des zu untersuchenden Prozessfluids könnte die Überwachungseinheit zumindest einen Sensor aufweisen. Es wäre denkbar, dass es sich bei dem Sensor beispielsweise um einen magnetischen und/oder elektrischen und/oder optischen Sensor handelt. Hinsichtlich einer Bestimmung der Gaszusammensetzung mittels des Eingangs- und/oder Ausgangssignals könnte die Überwachungseinheit beispielsweise einen Gassensor und/oder einen Sensor zur Messung von Partialdrücken innerhalb des Prozessfluids, insbesondere des Brennstoffs und/oder des Abgases, und/oder einen Sensor zur Gaschromatographie und/oder IR-Spektroskopie und/oder ein Massenspektrometer aufweisen.The monitoring unit could have at least one sensor for measuring the input and/or output signal and/or the fluid parameter of at least the process fluid to be examined. It would be conceivable for the sensor to be a magnetic and/or electrical and/or optical sensor, for example. With regard to determining the gas composition by means of the input and/or output signal, the monitoring unit could, for example, have a gas sensor and/or a sensor for measuring partial pressures within the process fluid, in particular the fuel and/or the exhaust gas, and/or a sensor for gas chromatography and/or or IR spectroscopy and/or a mass spectrometer.

Damit eine vorteilhaft effiziente und/oder komfortable Analyse eines Zustands einer elektrochemischen Einheit ermöglicht werden kann, wird vorgeschlagen, dass die Überwachungseinheit zumindest einen elektrodenbasierten Sensor aufweist. Insbesondere weist der elektrodenbasierte Sensor zumindest eine Elektrode auf. Die Elektrode könnte in einem direkten Kontakt mit dem zu untersuchenden Prozessfluid, insbesondere dem Brennstoff und/oder dem Abgas, stehen. Zumindest der elektrodenbasierte Sensor könnte beispielsweise in der Eingangs- und/oder der Ausgangsleitung angeordnet sein. Zusätzlich könnte der elektrodenbasierte Sensor und/oder ein weiterer elektrodenbasierter Sensor in der Rezirkulationsleitung angeordnet sein. Der elektrodenbasierte Sensor könnte den gesamten elektrodenbasierten Sensor und/oder Bestandteile des elektrochemischen Sensors, beispielsweise eines amperometrischen elektrochemischen Gassensors, umfassen, welcher zumindest eine elektrochemische Sensorzelle aufweist. Der elektrodenbasierte Sensor ist dazu vorgesehen, zumindest das Eingangs- und/oder das Ausgangssignal zu messen. Bevorzugt erfasst der elektrodenbasierte Sensor die Eingangs- und/oder Ausgangsspannung. Vorzugsweise ist die Eingangs- und/oder Ausgangsspannung eine elektrische Spannung, welche mittels der elektrochemischen Sensorzelle messbar ist und insbesondere an der elektrochemischen Sensorzelle, während eines zumindest quasi-stationären, vorzugsweise stationären, Betriebs der elektrochemischen Einheit in zumindest dem Betriebszustand abfällt.So that an advantageously efficient and/or convenient analysis of a state of an electrochemical unit can be made possible, it is proposed that the monitoring unit have at least one electrode-based sensor. In particular, the electrode-based sensor has at least one electrode. The electrode could be in direct contact with the process fluid to be examined, in particular the fuel and/or the exhaust gas. At least the electrode-based sensor could be arranged in the input and/or the output line, for example. In addition, the electrode-based sensor and/or another electrode-based sensor could be arranged in the recirculation line. The electrode-based sensor could include the entire electrode-based sensor and/or components of the electrochemical sensor, for example an amperometric electrochemical gas sensor, which has at least one electrochemical sensor cell. The electrode-based sensor is intended to measure at least the input and/or the output signal. The electrode-based sensor preferably detects the input and/or output voltage. The input and/or output voltage is preferably an electrical voltage which can be measured by means of the electrochemical sensor cell and in particular drops at the electrochemical sensor cell during at least quasi-stationary, preferably stationary, operation of the electrochemical unit in at least the operating state.

Insbesondere ist der elektrodenbasierte Sensor als ein Degradationssensor zur Messung einer Degradation der elektrochemischen Einheit vorgesehen. Vorzugsweise ist der elektrodenbasierte Sensor, insbesondere hinsichtlich einer Materialzusammensetzung, an die vorliegende elektrochemische Einheit, insbesondere eine Art und/oder Ausgestaltung der Brennstoffzelle, angepasst. Wenn der elektrodenbasierte Sensor als eine Sprung-Lambdasonde ausgebildet ist, kann eine Analyse eines Zustands, insbesondere eines Degradationszustands, einer elektrochemischen Einheit vereinfacht sowie eine Überwachung der elektrochemischen Einheit, vorzugsweise in zumindest einem Betriebszustand der elektrochemischen Einheit, verbessert werden. Zudem kann mittels der Sprung-Lambdasonde eine Nernst-Spannung der elektrochemischen Einheit gemessen sowie vorzugsweise mittels der Nernst-Spannung auf eine Gaszusammensetzung eines zu untersuchenden Prozessfluids, insbesondere des Brennstoffs und/oder des Abgases, geschlossen werden.In particular, the electrode-based sensor is provided as a degradation sensor for measuring degradation of the electrochemical unit hen. The electrode-based sensor is preferably adapted to the present electrochemical unit, in particular a type and/or configuration of the fuel cell, in particular with regard to a material composition. If the electrode-based sensor is designed as a jump lambda probe, an analysis of a state, in particular a degradation state, of an electrochemical unit can be simplified and monitoring of the electrochemical unit, preferably in at least one operating state of the electrochemical unit, can be improved. In addition, a Nernst voltage of the electrochemical unit can be measured using the jump lambda probe and a gas composition of a process fluid to be examined, in particular the fuel and/or the exhaust gas, can be inferred preferably using the Nernst voltage.

Die Sprung-Lambdasonde könnte einen Sauerstoffüberschuss und/oder Sauerstoffmangel in Relation zur stöchiometrischen Zusammensetzung in dem zu untersuchenden Prozessfluid, insbesondere dem Brenngas und/oder dem Abgas, messen. Alternativ könnte es sich bei der Sprung-Lambdasonde auch um eine Zweipunkt-Lambdasonde handeln. Insbesondere weist die Sprung-Lambdasonde die elektrochemische Sensorzelle auf. Alternativ und/oder zusätzlich könnte der elektrochemische Sensor, insbesondere anstatt der Sprung-Lambdasonde, eine stromlose Brennstoffeinzelzelle, insbesondere SOFC-Zelle, aufweisen, wobei eine offene Klemmspannung derjenigen Zelle der Nernst-Spannung entsprechen würde.The jump lambda probe could measure an oxygen excess and/or oxygen deficiency in relation to the stoichiometric composition in the process fluid to be examined, in particular the fuel gas and/or the exhaust gas. Alternatively, the jump lambda probe could also be a two-point lambda probe. In particular, the jump lambda probe has the electrochemical sensor cell. Alternatively and/or additionally, the electrochemical sensor, in particular instead of the jump lambda probe, could have a currentless single fuel cell, in particular SOFC cell, in which case an open terminal voltage of that cell would correspond to the Nernst voltage.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die elektrochemische Vorrichtung eine Recheneinheit aufweist, welche den Zustand, insbesondere den Degradationszustand, mittels zumindest des Eingangs- und des Ausgangssignals analysiert und zumindest einen Degradationsparameter der elektrochemischen Einheit ermittelt. Dadurch kann in einem Betriebszustand einer elektrochemischen Einheit eine Nernst-Spannung der elektrochemischen Einheit ermittelt sowie damit ein Degradationsparameter, welcher eine Degradation der elektrochemischen Einheit beschreibt, berechnet werden. Ferner kann eine Analyse eines Zustands, insbesondere eines Degradationszustands, der elektrochemischen Einheit effizienter, vorteilhaft vereinfacht, werden. Zudem kann eine Vorhersage über eine potentielle Lebensdauer der elektrochemischen Einheit getroffen werden.In a further embodiment of the invention it is proposed that the electrochemical device has a computing unit which analyzes the state, in particular the degradation state, using at least the input and output signals and determines at least one degradation parameter of the electrochemical unit. As a result, in an operating state of an electrochemical unit, a Nernst voltage of the electrochemical unit can be determined and a degradation parameter, which describes a degradation of the electrochemical unit, can be calculated. Furthermore, an analysis of a state, in particular a degradation state, of the electrochemical unit can be made more efficient, advantageously simplified. In addition, a prediction can be made about a potential service life of the electrochemical unit.

Die Recheneinheit könnte zumindest einen Algorithmus auf das Eingangs- und/oder Ausgangssignal anwenden. Unter einem „Algorithmus“ soll in diesem Zusammenhang zumindest eine Rechenvorschrift verstanden werden, welche die Recheneinheit zur Analyse des Zustands auf das gemessene Eingangs- und/oder Ausgangssignal anwendet. Der Algorithmus könnte selbstlernend ausgebildet sein und insbesondere zumindest ein Ergebnis einer vorhergehenden Analyse eines vorhergehenden Zustands der elektrochemischen Einheit in eine Analyse eines aktuellen und/oder zukünftigen Zustands mit einbeziehen. Unter der Wendung, dass die Recheneinheit den Zustand „analysiert“, soll verstanden werden, dass die Recheneinheit den Zustand, vorzugsweise den Degradationszustand, bestimmt und/oder vorhersagt. Vorzugsweise ist der Zustand, welchen die Recheneinheit bestimmt und/oder vorhersagt, durch zumindest einen aktuellen und/oder zukünftigen Betriebsparameter der elektrochemischen Einheit, beispielsweise die aktuelle und/oder zukünftige elektrische Eingangs- und/oder Ausgangspannung und/oder eine Zellspannung der elektrochemischen Einheit und/oder einen Zellstrom der elektrochemischen Einheit und/oder eine Umsatzrate zumindest des Edukts und/oder dergleichen, charakterisiert. Möglicherweise ist der Zustand, welchen die Recheneinheit bestimmt und/oder vorhersagt, durch die Gesamtheit aller aktuellen und/oder zukünftigen Betriebsparameter der elektrochemischen Einheit charakterisiert, wobei einzelne Betriebsparameter der elektrochemischen Einheit bei der Analyse durch die Recheneinheit unterschiedlich gewichtet sein können. Ein Ergebnis des durch die Recheneinheit analysierten Zustands könnte rein quantitativ, beispielsweise in Form eines aktuellen und/oder zukünftigen Betriebsparameters der elektrochemischen Einheit ausgeben werden. Vorzugsweise umfasst das Ergebnis des durch die Recheneinheit analysierten Zustands, neben einer quantitativen Angabe zumindest des Betriebsparameters, auch eine qualitative Bewertung des aktuellen und/oder zukünftigen Zustands sowie eine Angabe potentieller Ursachen für eine aktuelle oder zu erwartende Zustandsänderung, insbesondere einen Degradationsverlauf der elektrochemischen Einheit.The arithmetic unit could apply at least one algorithm to the input and/or output signal. In this context, an “algorithm” should be understood to mean at least one computing rule that the computing unit uses to analyze the state of the measured input and/or output signal. The algorithm could be self-learning and in particular include at least one result of a previous analysis of a previous state of the electrochemical unit in an analysis of a current and/or future state. The phrase that the processing unit “analyzes” the state is to be understood as meaning that the processing unit determines and/or predicts the state, preferably the degradation state. The state which the computing unit determines and/or predicts is preferably based on at least one current and/or future operating parameter of the electrochemical unit, for example the current and/or future electrical input and/or output voltage and/or a cell voltage of the electrochemical unit and /or a cell current of the electrochemical unit and/or a conversion rate of at least the starting material and/or the like. The state which the computing unit determines and/or predicts is possibly characterized by all current and/or future operating parameters of the electrochemical unit, individual operating parameters of the electrochemical unit being able to be weighted differently in the analysis by the computing unit. A result of the state analyzed by the computing unit could be output purely quantitatively, for example in the form of a current and/or future operating parameter of the electrochemical unit. The result of the state analyzed by the computing unit preferably includes, in addition to a quantitative indication of at least the operating parameter, also a qualitative assessment of the current and/or future state and an indication of potential causes for a current or expected change in state, in particular a degradation profile of the electrochemical unit.

Vorzugsweise wertet die Recheneinheit zumindest ein mittels der Überwachungseinheit gemessenes Signal, insbesondere zumindest das Eingangssignal und zumindest das Ausgangssignal, aus. Insbesondere wertet die Recheneinheit die Eingangs- und/oder die Ausgangsspannung aus. Die Recheneinheit könnte beispielsweise einen Mittelwert, einen asymptotischen Grenzwert, eine Position und/oder einen Wert von Maxima und/oder Wendepunkten, eine Position eines Nulldurchgangs, ein Einschwingverhalten bei einer Änderung einer Einstellung der elektrochemischen Einheit, insbesondere eine Einschwingfrequenz, eine Einschwingamplitude und/oder eine Einschwingdauer, eine zeitliche Verzögerung gegenüber einer Änderung der Einstellung oder dergleichen berechnen und/oder auswerten. Es wäre denkbar, dass die Recheneinheit Verlustterme der elektrochemischen Einheit berechnet, wie beispielsweise Ohm'sche Verluste und/oder Aktivierungsverluste und/oder Diffusionsverluste. Insbesondere ist die Recheneinheit dazu vorgesehen, zumindest eine elektrische Größe zu berechnen. Bevorzugt berechnet die Recheneinheit eine Nernst-Spannung der elektrochemischen Einheit, insbesondere der Brennstoffzelle. Die Recheneinheit könnte zumindest einen arithmetischen Mittelwert aus der Eingangsspannung, insbesondere aus UNernst,An,ein, und der Ausgangsspannung, insbesondere aus UNernst,An,aus, berechnen, und zwar besonders bevorzugt damit die Nernst-Spannung UNernst,Zelle ermitteln. Insbesondere berechnet die Recheneinheit die Nernst-Spannung während des Betriebszustands der elektrochemischen Einheit.The computing unit preferably evaluates at least one signal measured by the monitoring unit, in particular at least the input signal and at least the output signal. In particular, the computing unit evaluates the input and/or the output voltage. The computing unit could, for example, record a mean value, an asymptotic limit value, a position and/or a value of maxima and/or turning points, a position of a zero crossing, a transient response when a setting of the electrochemical unit changes, in particular a transient frequency, a transient amplitude and/or calculate and/or evaluate a transient period, a time delay compared to a change in the setting or the like. It would be conceivable that the rake unit calculates loss terms of the electrochemical unit, such as ohmic losses and/or activation losses and/or diffusion losses. In particular, the computing unit is provided to calculate at least one electrical variable. The computing unit preferably calculates a Nernst voltage of the electrochemical unit, in particular of the fuel cell. The arithmetic unit could calculate at least one arithmetic mean value from the input voltage, in particular from U Nernst,on,in , and the output voltage, in particular from U Nernst,on,off , particularly preferably thereby determining the Nernst voltage U Nernst,cell . In particular, the computing unit calculates the Nernst voltage during the operating state of the electrochemical unit.

Der Degradationsparameter ist vorteilhaft ein Parameter, welcher den Degradationszustand der elektrochemischen Einheit, insbesondere der Brennstoffzelle, beschreibt. Eine Degradation und/oder Degradationsmechanismen innerhalb der elektrochemischen Einheit beschreibt/beschreiben insbesondere eine zumindest im Wesentlichen auftretende Alterung der elektrochemischen Einheit, und zwar insbesondere von Elektroden und/oder Zellkomponenten der elektrochemischen Einheit durch beispielsweise Diffusionsvorgänge und/oder Mikrostrukturveränderungen. Vorzugsweise sind mikroskopisch relevante Mechanismen innerhalb der elektrochemischen Einheit, 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 Einheit charakterisierbar, welche insbesondere mittels der Überwachungseinheit ermittelbar sind. Ohne darauf beschränkt zu sein, könnten die Degradationsmechanismen, beispielsweise eine Vergiftung von Elektroden der elektrochemischen Einheit, welche beispielsweise durch Komponenten aus Edukten, mit welchen die elektrochemische Einheit 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 Einheit und/oder dergleichen umfassen.The degradation parameter is advantageously a parameter that describes the degradation state of the electrochemical unit, in particular the fuel cell. Degradation and/or degradation mechanisms within the electrochemical unit describe/describe in particular an at least essentially occurring aging of the electrochemical unit, in particular of electrodes and/or cell components of the electrochemical unit, for example due to diffusion processes and/or microstructural changes. Microscopically relevant mechanisms within the electrochemical unit, for example transport and/or accumulation of charge carriers and/or formation of oxide layers and/or deposition of solids, for example carbon, can preferably be characterized by physical and/or chemical parameters of the electrochemical unit. which can be determined in particular by means of the monitoring unit. Without being limited to this, the degradation mechanisms could, for example, poisoning of the electrodes of the electrochemical unit, which can be caused, for example, by components from educts with which the electrochemical unit is operated, and/or an operating temperature that is too high or too low, and /or an operating pressure that is too high or too low, and/or an unsuitable ratio of the starting materials or components of the starting materials to one another, for example an unsuitable ratio of water vapor to carbon or of oxygen to carbon, and/or various adsorption and/or absorption processes, such as such as agglomeration of catalyst materials and/or blockage of membranes and/or pores, wear of components such as seals of the electrochemical unit and/or the like.

Die Recheneinheit könnte basierend auf dem Eingangs- und/oder Ausgangssignal bekannte Degradationsmechanismen der elektrochemischen Einheit untersuchen und daraus den Zustand der elektrochemischen Einheit ableiten. Vorzugsweise ermittelt die Recheneinheit mithilfe der Nernst-Spannung UNernst,Zelle den Degradationsparameter, insbesondere den ASR-Wert, vorzugsweise nach der Formel U Zelle = U Nernst ,Zelle j Zelle × ASR ,

Figure DE102021203562A1_0001
wobei jZelle vorteilhaft eine Stromdichte der elektrochemischen Einheit, insbesondere der Brennstoffzelle und/oder des Stacks, beschreibt. Die Stromdichte jZelle könnte an der elektrochemischen Einheit messbar sein, möglicherweise mittels der elektrochemischen Vorrichtung und/oder der Überwachungseinheit. Vorzugsweise ist/sind zumindest die Zellspannung UZelle und/oder der Zellstrom IZelle und/oder eine Zelltemperatur TZelle der elektrochemischen Einheit in zumindest dem Betriebszustand bekannt, insbesondere derart, dass die Recheneinheit zur Analyse des Zustands und bei Ermittlung des Degradationsparameters auf die Werte der Zellspannung und/oder des Zellstroms und/oder der Zelltemperatur zugreifen könnte. Insbesondere ist der ASR-Wert ein flächenspezifischer Widerstand, welcher temperatur- und druckabhängig ist. In Abhängigkeit von der Zeit könnte mittels einer Veränderung des ASR-Werts die Degradation der elektrochemischen Einheit vorteilhaft zeitlich beschrieben werden. Beispielsweise könnte die Recheneinheit den Zustand anhand eines aktuellen Betriebsparameters, beispielsweise der gemessenen Eingangs- und/oder Ausgangsspannung und/oder der Nernst-Spannung, und/oder des ermittelten Degradationsparameters, insbesondere des ASR-Werts, angeben und zusätzlich mit einer qualitativen Angabe, beispielsweise „vorzeitige Alterung durch potentielle Vergiftung“ oder „kritische Kohlenstoffablagerung“ oder dergleichen, versehen.Based on the input and/or output signal, the computing unit could examine known degradation mechanisms of the electrochemical unit and derive the state of the electrochemical unit therefrom. The computing unit preferably uses the Nernst voltage U Nernst,cell to determine the degradation parameter, in particular the ASR value, preferably according to the formula u cell = u Nernst ,Cell j cell × ASR ,
Figure DE102021203562A1_0001
where j cell advantageously describes a current density of the electrochemical unit, in particular the fuel cell and/or the stack. The current density j cell could be measurable at the electrochemical unit, possibly by means of the electrochemical device and/or the monitoring unit. Preferably, at least the cell voltage U cell and/or the cell current I cell and/or a cell temperature T cell of the electrochemical unit is/are known at least in the operating state, in particular in such a way that the computing unit analyzes the state and when determining the degradation parameter on the values the cell voltage and/or the cell current and/or the cell temperature. In particular, the ASR value is an area-specific resistance that depends on temperature and pressure. The degradation of the electrochemical unit could advantageously be described in terms of time as a function of time by means of a change in the ASR value. For example, the computing unit could indicate the status based on a current operating parameter, for example the measured input and/or output voltage and/or the Nernst voltage, and/or the determined degradation parameter, in particular the ASR value, and additionally with a qualitative indication, for example "premature aging due to potential poisoning" or "critical carbon deposition" or the like.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die elektrochemische Vorrichtung eine Steuereinheit aufweist, welche im Falle einer Abweichung des analysierten Zustands von einem Sollzustand zumindest eine Maßnahme einleitet, um eine vorzeitige Degradation der elektrochemischen Einheit zumindest abzumildern. Dadurch kann gerade eine Lebensdauer einer elektrochemischen Einheit verlängert werden. Des Weiteren kann vorteilhaft eine Möglichkeit zu einer rechtzeitigen Einleitung von Gegenmaßnahmen gegeben werden, um eine vorzeitige Degradation der elektrochemischen Einheit zumindest abzumildern, vorzugsweise zu verhindern.Furthermore, it is proposed that the electrochemical device has a control unit which, in the event of a deviation of the analyzed state from a target state, initiates at least one measure in order to at least mitigate premature degradation of the electrochemical unit. As a result, the service life of an electrochemical unit can be lengthened. Furthermore, there can advantageously be a possibility for timely initiation of countermeasures in order to at least mitigate, preferably prevent, premature degradation of the electrochemical unit.

Vorzugsweise entspricht der Sollzustand einem Zustand der elektrochemischen Einheit, bei welchem keine Mechanismen wirken, welche zu der vorzeitigen Degradation der elektrochemischen Einheit führen. Bevorzugt ist die Steuereinheit regelungstechnisch mit zumindest einer Einheit und/oder zumindest einem Element der elektrochemischen Einheit verbunden. Maßnahmen, welche die Steuereinheit einleitet, um die vorzeitige Degradation der elektrochemischen Einheit zumindest abzumildern, könnten beispielsweise eine Veränderung eines Betriebspunktes der elektrochemischen Einheit und/oder eine Veränderung eines Volumenstroms und/oder einer Zusammensetzung von Edukten, welche der elektrochemischen Einheit in dem Betriebszustand zugeführt werden, oder weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Maßnahmen, umfassen. Bevorzugt steuert die Steuereinheit zumindest die Brennstoffzufuhr und/oder einen Strom der Rezirkulationsleitung. Alternativ könnte anstatt einer Rezirkulation des Abgases, insbesondere eines Anodenabgases, eine externe Zufuhr von Wasserdampf des elektrochemischen Systems zur Dampfreformierung vorgesehen sein. Die Steuereinheit könnte die externe Zufuhr steuern und/oder regeln. Es wäre denkbar, dass die Recheneinheit Teil der Steuereinheit ist.The target state preferably corresponds to a state of the electrochemical unit in which no mechanisms are active that lead to the premature degradation of the electrochemical unit. The control unit is preferably active mechanically connected to at least one unit and/or at least one element of the electrochemical unit. Measures which the control unit initiates in order to at least mitigate the premature degradation of the electrochemical unit could, for example, change an operating point of the electrochemical unit and/or change a volume flow and/or a composition of educts which are supplied to the electrochemical unit in the operating state , or other measures that appear sensible to those skilled in the art. The control unit preferably controls at least the fuel supply and/or a flow of the recirculation line. Alternatively, instead of recirculating the exhaust gas, in particular an anode exhaust gas, an external supply of steam to the electrochemical system for steam reforming could be provided. The control unit could control and/or regulate the external supply. It would be conceivable for the computing unit to be part of the control unit.

Zudem wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit zur Ansteuerung der elektrochemischen Einheit vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit bei der Ansteuerung den Degradationsparameter berücksichtigt. Dadurch kann eine besonders zuverlässige und effiziente Steuerung einer elektrochemischen Einheit bereitgestellt werden, wobei auf Basis eines analysierten Zustands der elektrochemischen Einheit, insbesondere unter Berücksichtigung eines Degradationsparameters, eine Lebensdauer der elektrochemischen Einheit vorteilhaft verlängert werden kann. Ferner kann vorteilhaft ein Wert und/oder ein Verlauf des Degradationsparameters einem konkreten physikalischen und/oder chemischen Parameter, insbesondere Betriebsparameter, der elektrochemischen Einheit zugeordnet werden, wodurch vorteilhaft eine gezielte Einleitung von Gegenmaßnahmen zu einer Abmilderung, vorzugsweise zu einer vollständigen Verhinderung, einer vorzeitigen Degradation der elektrochemischen Einheit ermöglicht werden kann. Besonders bevorzugt steuert die Steuereinheit unter Berücksichtigung des Degradationsparameters zumindest die Brennstoffzufuhr und/oder den Strom der Rezirkulationsleitung. Alternativ und/oder zusätzlich könnte die Steuereinheit den Zellstrom und/oder die Zellspannung der elektrochemischen Einheit steuern und/oder regeln.In addition, it is proposed that the control unit is provided for activating the electrochemical unit, with the control unit taking the degradation parameter into account during the activation. A particularly reliable and efficient control of an electrochemical unit can thereby be provided, wherein a service life of the electrochemical unit can advantageously be extended on the basis of an analyzed state of the electrochemical unit, in particular taking into account a degradation parameter. Furthermore, a value and/or a profile of the degradation parameter can advantageously be assigned to a specific physical and/or chemical parameter, in particular operating parameters, of the electrochemical unit, which advantageously allows targeted initiation of countermeasures to mitigate, preferably completely prevent, premature degradation the electrochemical unit can be made possible. The control unit particularly preferably controls at least the fuel supply and/or the flow of the recirculation line, taking the degradation parameter into account. Alternatively and/or additionally, the control unit could control and/or regulate the cell current and/or the cell voltage of the electrochemical unit.

Die Überwachungseinheit könnte das Eingangs- und/oder Ausgangssignal in dem Betriebszustand der elektrochemischen Einheit beispielsweise einmalig messen. Vorzugsweise wird jedoch vorgeschlagen, dass die Überwachungseinheit das Eingangssignal und/oder das Ausgangssignal in einem Betriebszustand der elektrochemischen Einheit, insbesondere in dem Betriebszustand, zumindest zeitlich wiederkehrend überwacht. Hierdurch kann vorteilhaft eine besonders präzise und/oder zuverlässige Analyse eines Zustands einer elektrochemischen Einheit mittels einer Überwachungseinheit ermöglicht werden. Zudem kann vorteilhaft eine dauerhafte Analyse des Zustands ermöglicht werden, wodurch Veränderungen in dem Zustand der elektrochemischen Einheit frühzeitig erkannt und etwaige Gegenmaßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden können. Darüber hinaus könnte mittels einer Speichereinheit zur Speicherung eines Eingangs- und/oder Ausgangssignals möglicherweise die Analyse des Zustands weiter verbessert werden, insbesondere können vorteilhaft zeitliche Veränderungen des Signals vorteilhaft zu der Analyse des Zustands herangezogen werden. Des Weiteren kann/könnte das gemessene Eingangs- und/oder Ausgangssignal mit gespeicherten Werten in der Speichereinheit verglichen und damit die Analyse des Zustands weiter optimiert werden.The monitoring unit could, for example, measure the input and/or output signal once in the operating state of the electrochemical unit. However, it is preferably proposed that the monitoring unit monitors the input signal and/or the output signal in an operating state of the electrochemical unit, in particular in the operating state, at least periodically. This can advantageously enable a particularly precise and/or reliable analysis of a state of an electrochemical unit by means of a monitoring unit. In addition, a permanent analysis of the state can advantageously be made possible, as a result of which changes in the state of the electrochemical unit can be detected at an early stage and any countermeasures can be initiated in good time. In addition, the analysis of the state could possibly be further improved by means of a memory unit for storing an input and/or output signal; in particular, changes in the signal over time can advantageously be used to analyze the state. Furthermore, the measured input and/or output signal can/could be compared with stored values in the memory unit and the analysis of the state can thus be further optimized.

Die Überwachungseinheit könnte das Eingangs- und/oder das Ausgangssignal in dem Betriebszustand der elektrochemischen Einheit teilweise, beispielsweise in regelmäßigen oder unregelmäßigen, zeitlichen Abständen, überwachen. Bevorzugt überwacht die Überwachungseinheit das Eingangs- und/oder das Ausgangssignal in dem Betriebszustand dauerhaft. Es wäre denkbar, dass die elektrochemische Vorrichtung und/oder die Überwachungseinheit eine Speichereinheit zum Speichern zumindest des Eingangs- und/oder des Ausgangssignals, insbesondere in Form von zumindest einer zeitabhängigen Funktion, aufweist. Unter einer „Speichereinheit“ soll in diesem Zusammenhang eine Einheit der elektrochemischen Vorrichtung und/oder der Überwachungseinheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine Information, vorteilhaft unabhängig von einer Stromversorgung, insbesondere dauerhaft, zu speichern. Vorzugsweise ist die Speichereinheit, neben der Speicherung zumindest des Eingangs- und/oder des Ausgangssignals, zu einem Speichern von weiteren Daten, wie beispielsweise Betriebsbedingungen der elektrochemischen Einheit und/oder Betriebsparametern und/oder Analyseparametern und/oder Zuständen der elektrochemischen Einheit vorgesehen.The monitoring unit could partially monitor the input signal and/or the output signal in the operating state of the electrochemical unit, for example at regular or irregular time intervals. The monitoring unit preferably continuously monitors the input signal and/or the output signal in the operating state. It would be conceivable for the electrochemical device and/or the monitoring unit to have a storage unit for storing at least the input signal and/or the output signal, in particular in the form of at least one time-dependent function. In this context, a “memory unit” should be understood to mean a unit of the electrochemical device and/or the monitoring unit, which is intended to store at least one piece of information, advantageously independently of a power supply, in particular permanently. In addition to storing at least the input signal and/or the output signal, the memory unit is preferably provided for storing further data, such as operating conditions of the electrochemical unit and/or operating parameters and/or analysis parameters and/or states of the electrochemical unit.

Zumindest ein Degradationsmechanismus könnte in der Speichereinheit hinterlegt sein. Vorzugsweise sind die physikalischen Parameter, insbesondere Betriebsparameter, welche die bekannten Mechanismen der Degradation charakterisieren, in Form einer Datenbank in der Speichereinheit hinterlegt. Möglicherweise greift die Steuereinheit bei Ansteuerung der elektrochemischen Einheit auf den in der Speichereinheit hinterlegten Betriebsparameter zu. Es wäre auch denkbar, dass die Speichereinheit in dem Betriebszustand zumindest den ermittelten Degradationsparameter speichert. Möglicherweise könnte der Algorithmus, welcher von der Recheneinheit zur Analyse des Zustands und insbesondere zur Ermittlung des Degradationsparameters angewendet wird, selbstlernend sein und vorteilhaft zumindest ein Ergebnis einer vorhergehenden Analyse des vorhergehenden Zustands in eine Analyse des aktuellen und/oder zukünftigen Zustands mit einbeziehen, wobei insbesondere der vorhergehende Zustand und/oder Informationen bezüglich des vorhergehenden Zustands in der Speichereinheit hinterlegt sein könnten. Zudem könnte die Recheneinheit und/oder die Steuereinheit mit zumindest weiteren Recheneinheiten und/oder zumindest weiteren Steuereinheiten der elektrochemischen Vorrichtung und/oder von weiteren elektrochemischen Vorrichtungen vernetzt sein.At least one degradation mechanism could be stored in the memory unit. The physical parameters, in particular operating parameters, which characterize the known degradation mechanisms are preferably stored in the memory unit in the form of a database. The control unit may access the operating parameters stored in the memory unit when the electrochemical unit is activated. It would also be conceivable for the storage unit to store at least the determined degradation parameter in the operating state. The algorithm used by the computing unit to analyze the condition and in particular to determine the degradation parameter could possibly be self-learning and advantageously include at least one result of a previous analysis of the previous condition in an analysis of the current and/or future condition, with in particular the previous state and/or information regarding the previous state could be stored in the memory unit. In addition, the computing unit and/or the control unit could be networked with at least further computing units and/or at least further control units of the electrochemical device and/or of further electrochemical devices.

Es wäre denkbar, dass die elektrochemische Vorrichtung und/oder die Überwachungseinheit eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe des analysierten Zustands der elektrochemischen Einheit aufweist. Für den Fall, dass die Überwachungseinheit einen von einem Sollzustand abweichenden Zustand der elektrochemischen Einheit ermittelt und/oder vorhergesagt hat, welcher eine vorzeitige Degradation der elektrochemischen Einheit und/oder des elektrochemischen Systems anzeigt und/oder vorhersagt, könnte einem Benutzer vorteilhaft eine mögliche Ursache für den schädlichen Zustand angezeigt werden. Die Ausgabeeinheit kann zu einer optischen und/oder akustischen Ausgabe des Zustands der elektrochemischen Einheit vorgesehen sein und beispielsweise ein Display aufweisen. Zur akustischen Ausgabe des Zustands könnte die Ausgabeeinheit 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 Betriebsparametern und/oder dergleichen, vorgesehen. Zudem ist denkbar, dass die elektrochemische Vorrichtung und/oder die Überwachungseinheit 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 des Benutzers und/oder möglicherweise an eine zentrale Stelle zur Datenerfassung oder dergleichen, vorgesehen ist.It would be conceivable for the electrochemical device and/or the monitoring unit to have an output unit for outputting the analyzed state of the electrochemical unit. In the event that the monitoring unit has determined and/or predicted a state of the electrochemical unit that deviates from a target state, which indicates and/or predicts premature degradation of the electrochemical unit and/or the electrochemical system, a possible cause for the harmful state are displayed. The output unit can be provided for optical and/or acoustic output of the state of the electrochemical unit and can have a display, for example. The output unit could have a loudspeaker, for example, for the acoustic output of the state. In addition to outputting the state, the output unit is preferably also provided for outputting further data, for example analysis parameters and/or fluctuation functions and/or operating parameters and/or the like. It is also conceivable for the electrochemical device and/or the monitoring unit to have a data transmission unit, which can be used to transmit, in particular by cable and/or wirelessly, the determined status and/or other data, for example by means of a Bluetooth or WLAN signal, to at least an external unit, for example to a smartphone and/or to a tablet and/or to a laptop of the user and/or possibly to a central location for data collection or the like.

Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betrieb einer, insbesondere zuvor beschriebenen, elektrochemischen Vorrichtung vorgeschlagen, wobei zur Analyse zumindest eines Zustands einer elektrochemischen Einheit zumindest ein Eingangssignal der elektrochemischen Einheit und ein Ausgangssignal der elektrochemischen Einheit, insbesondere automatisiert, gemessen wird. Durch ein derartiges erfindungsgemäßes Verfahren kann vorteilhaft eine Bestimmung und/oder eine Vorhersage eines Zustands, insbesondere eines Degradationszustands, einer elektrochemischen Einheit effizienter, insbesondere einfacher, gestaltet werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen ungenauen Verfahren, insbesondere Berechnungsverfahren, möglicherweise einer Nernst-Spannungsberechnung mittels Verlusttermen der elektrochemischen Einheit, kann aufgrund des vorgeschlagenen Verfahrens der Zustand vorteilhaft effizient, und zwar während eines Betriebs der elektrochemischen Einheit analysiert werden. Hierdurch besteht die vorteilhafte Möglichkeit, den Zustand der elektrochemischen Einheit während des Betriebs zumindest zeitlich wiederkehrend, insbesondere dauerhaft, zu überwachen, wodurch kritische Zustände, bevorzugt der Degradationszustand, zeitnah erkannt und etwaige Gegenmaßnahmen frühzeitig eingeleitet werden können. Damit kann gerade eine potentielle Lebensdauer der elektrochemischen Einheit vorteilhaft verlängert werden.In addition, a method for operating an electrochemical device, in particular as described above, is proposed, wherein at least one input signal of the electrochemical unit and one output signal of the electrochemical unit are measured, in particular automatically, to analyze at least one state of an electrochemical unit. Such a method according to the invention can advantageously be used to make a determination and/or a prediction of a state, in particular a degradation state, of an electrochemical unit more efficient, in particular simpler. In contrast to conventional imprecise methods, in particular calculation methods, possibly a Nernst voltage calculation using loss terms of the electrochemical unit, the proposed method can advantageously analyze the state efficiently, specifically during operation of the electrochemical unit. This offers the advantageous possibility of monitoring the state of the electrochemical unit during operation at least periodically, in particular permanently, as a result of which critical states, preferably the state of degradation, can be recognized promptly and any countermeasures can be initiated at an early stage. A potential service life of the electrochemical unit can thus advantageously be lengthened.

Das Verfahren könnte mehrere Verfahrensteilschritte aufweisen. Insbesondere wird in einem als Erfassungsschritt bezeichneten ersten Verfahrensschritt des Verfahrens zur Analyse des Zustands der elektrochemischen Einheit zumindest das Eingangssignal und zumindest das Ausgangssignal gemessen, insbesondere zumindest die Eingangsspannung und zumindest die Ausgangsspannung, vorzugsweise mittels der Überwachungseinheit. Der elektrodenbasierte Sensor könnte in dem Erfassungsschritt in einem direkten Kontakt mit dem zu untersuchenden Prozessfluid, insbesondere dem Brennstoff und/oder Abgas stehen. Entlang eines zeitlichen Verlaufs des Verfahrens könnte auf den Erfassungsschritt ein zweiter Verfahrensteilschritt, und zwar ein Auswertschritt des Verfahrens folgen. Vorteilhaft wird in dem Auswertschritt, insbesondere mittels der Recheneinheit, der Zustand mittels zumindest des Eingangs- und des Ausgangssignals analysiert und zumindest der Degradationsparameter der elektrochemischen Einheit ermittelt. Ein dritter Verfahrensteilschritt des Verfahrens, welcher als Steuer- und/oder Regelschritt bezeichnet wird, könnte hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs nach dem Auswertschritt erfolgen. Bevorzugt wird in dem Steuer- und/oder Regelschritt, vorteilhaft mittels der Steuereinheit, im Falle der Abweichung des analysierten Zustands von dem Sollzustand zumindest eine Maßnahme eingeleitet, um die vorzeitige Degradation der elektrochemischen Einheit zumindest abzumildern. Beispielsweise könnte in dem Steuer- und/oder Regelschritt zumindest die Brennstoffzufuhr und/oder der Strom der Rezirkulationsleitung und/oder die Zellspannung und/oder der Zellstrom und/oder die Zufuhr des saustoffhaltigen Fluids, und zwar bevorzugt unter Berücksichtigung des Degradationsparameters, geregelt und/oder gesteuert werden.The method could have several partial method steps. In particular, in a first method step of the method for analyzing the state of the electrochemical unit, referred to as a detection step, at least the input signal and at least the output signal are measured, in particular at least the input voltage and at least the output voltage, preferably by means of the monitoring unit. In the detection step, the electrode-based sensor could be in direct contact with the process fluid to be examined, in particular the fuel and/or exhaust gas. Along the course of the method over time, the detection step could be followed by a second partial method step, specifically an evaluation step of the method. In the evaluation step, in particular by means of the computing unit, the state is advantageously analyzed by means of at least the input signal and the output signal and at least the degradation parameter of the electrochemical unit is determined. A third sub-step of the method, which is referred to as a control and/or regulation step, could take place after the evaluation step with regard to the course over time. Preferably, in the control and/or regulation step, if the analyzed state deviates from the target state, at least one measure is initiated, advantageously by means of the control unit, in order to at least mitigate the premature degradation of the electrochemical unit. For example, in the open-loop and/or closed-loop control step, at least the fuel supply and/or the current of the recirculation line and/or the cell voltage and/or the cell current and/or the supply of the oxygen-containing fluid, preferably taking into account the degra dation parameters, regulated and / or controlled.

Die elektrochemische Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die elektrochemische Vorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen.The electrochemical device and the method according to the invention should not be limited to the application and embodiment described above. In particular, the electrochemical device can have a number of individual elements, components and units as well as method steps that differs from the number of individual elements, components and units as well as method steps specified here in order to fulfill a functionality described herein.

Figurenlistecharacter list

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.Further advantages result from the following description of the drawings. In the drawing an embodiment of the invention is shown. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into further meaningful combinations.

Es zeigen:

  • 1 eine als Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildete elektrochemische Vorrichtung mit einer Überwachungseinheit und
  • 2 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung.
Show it:
  • 1 an electrochemical device designed as a fuel cell device with a monitoring unit and
  • 2 a schematic flow diagram of a method for operating the electrochemical device.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

1 zeigt ein elektrochemisches System 40. Das elektrochemische System 40 ist beispielhaft als Brennstoffzellensystem ausgebildet und weist eine als Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildete elektrochemische Vorrichtung 10 auf. Vorliegend weist das elektrochemische System 40 eine elektrochemische Einheit 14 auf, welche zur Umsetzung zumindest eines Edukts in zumindest ein Produkt, vorliegend zur Umsetzung eines Brennstoffs, vorgesehen ist. Alternativ könnte die elektrochemische Einheit 14 auch Teil der elektrochemischen Vorrichtung 10 sein. Die elektrochemische Einheit 14 ist hierbei funktional als eine einzelne Brennstoffzelle dargestellt. Bevorzugt umfasst die elektrochemische Einheit 14 eine Vielzahl an Brennstoffzellen, welche beispielsweise in einem oder mehreren Brennstoffzellenstacks gruppiert angeordnet sein könnten. Zumindest die Brennstoffzelle könnte zumindest eine Sauerstoffelektrode und/oder eine Brennstoffelektrode und/oder ein Elektrolyt aufweisen (nicht dargestellt). 1 1 shows an electrochemical system 40. The electrochemical system 40 is embodied as a fuel cell system, for example, and has an electrochemical device 10 embodied as a fuel cell device. In the present case, the electrochemical system 40 has an electrochemical unit 14 which is provided for converting at least one reactant into at least one product, in the present case for converting a fuel. Alternatively, the electrochemical unit 14 could also be part of the electrochemical device 10 . Here, the electrochemical unit 14 is represented functionally as a single fuel cell. The electrochemical unit 14 preferably comprises a multiplicity of fuel cells which, for example, could be arranged grouped in one or more fuel cell stacks. At least the fuel cell could have at least one oxygen electrode and/or one fuel electrode and/or one electrolyte (not shown).

Ferner weist das elektrochemische System 40 eine Peripheriegerätevorrichtung 38 auf. Die Peripheriegerätevorrichtung 38 umfasst sämtliche Elemente und Einheiten, welche zu einem Betrieb der elektrochemischen Einheit 14, und zwar vorliegend der Brennstoffzelle erforderlich sind und/oder einen Betrieb der elektrochemischen Einheit 14 unterstützen. In der vorliegenden vereinfachten Darstellung weist die Peripheriegerätevorrichtung 38 eine Zufuhr von sauerstoffhaltigem Fluid 28, eine Brennstoffzufuhr 30, eine Reformereinheit 32 und eine Rezirkulationsleitung 42 auf. Zusätzlich könnte die Peripheriegerätevorrichtung 38 beispielsweise Förderelemente zur Förderung eines Brennstoffs, eines Oxidans und/oder eines Abgases, weitere Reformereinheiten und/oder Wärmeübertrager und dergleichen aufweisen. 1 zeigt, dass die Reformereinheit 32 zwischen der Brennstoffzufuhr 30 und der elektrochemischen Einheit 14 angeordnet ist. Vorliegend weist das elektrochemische System 40 eine nach der elektrochemischen Einheit 14 nachgestellte Nachbrennereinheit 44 auf, wobei das elektrochemische System 40 eine Kathodenabgasleitung 46 und eine Anodenabgasleitung 18, 48 aufweist, welche die elektrochemische Einheit 14 mit der Nachbrennereinheit 44 verbinden. Von der Nachbrennereinheit 44 geht wiederum eine Abgasleitung 50 des elektrochemischen Systems 40 ab. In dieser beispielhaften Ausführung rückkoppelt die Rezirkulationsleitung 42 die Anodenabgasleitung 18, 48 mit einer als Brennstoffeingangsleitung ausgebildeten Eingangsleitung 16 des elektrochemischen Systems 40, welche die elektrochemische Einheit 14 mit Brennstoff versorgt.Furthermore, the electrochemical system 40 has a peripheral device 38 . The peripheral device device 38 includes all elements and units which are required for operation of the electrochemical unit 14 , specifically the fuel cell in the present case, and/or support operation of the electrochemical unit 14 . In the present simplified representation, the peripheral device 38 has a supply of oxygen-containing fluid 28 , a fuel supply 30 , a reformer unit 32 and a recirculation line 42 . In addition, the peripheral device device 38 could, for example, have conveying elements for conveying a fuel, an oxidant and/or an exhaust gas, further reformer units and/or heat exchangers and the like. 1 12 shows that the reformer unit 32 is positioned between the fuel supply 30 and the electrochemical unit 14. FIG. In the present case, the electrochemical system 40 has an afterburner unit 44 downstream of the electrochemical unit 14 , the electrochemical system 40 having a cathode exhaust gas line 46 and an anode exhaust gas line 18 , 48 which connect the electrochemical unit 14 to the afterburner unit 44 . In turn, an exhaust gas line 50 of the electrochemical system 40 leads from the afterburner unit 44 . In this exemplary embodiment, the recirculation line 42 feeds back the anode exhaust gas line 18, 48 to an input line 16 of the electrochemical system 40 which is designed as a fuel input line and which supplies the electrochemical unit 14 with fuel.

Zur Analyse zumindest eines Zustands der elektrochemischen Einheit 14 weist die elektrochemische Vorrichtung 10 eine Überwachungseinheit 12 auf. Die Überwachungseinheit 12 weist zumindest einen elektrodenbasierten Sensor 24, 26 auf. In dieser Ausführung ist der elektrodenbasierte Sensor 24, 26 als eine Sprung-Lambdasonde ausgebildet. Wie in 1 ersichtlich ist, ist der elektrodenbasierte Sensor 24 in der Eingangsleitung 16 angeordnet. Ferner ist der elektrodenbasierte Sensor 26 in einer von der elektrochemischen Einheit 14 ausgehenden Ausgangsleitung 18 des elektrochemischen Systems 40 angeordnet.The electrochemical device 10 has a monitoring unit 12 for analyzing at least one state of the electrochemical unit 14 . The monitoring unit 12 has at least one electrode-based sensor 24, 26. In this embodiment, the electrode-based sensor 24, 26 is designed as a jump lambda probe. As in 1 As can be seen, the electrode-based sensor 24 is arranged in the input line 16 . Furthermore, the electrode-based sensor 26 is arranged in an output line 18 of the electrochemical system 40 emanating from the electrochemical unit 14 .

In zumindest einem Betriebszustand misst die Überwachungseinheit 12, und zwar gerade mittels des elektrodenbasierten Sensors 24, 26 zumindest ein Eingangssignal der elektrochemischen Einheit 14 und zumindest ein Ausgangssignal der elektrochemischen Einheit 14. Hinsichtlich 1 misst die Überwachungseinheit 12 das Eingangssignal mittels des elektrodenbasierten Sensors 24 an einer brenngasseitigen Eintrittsseite 20 der elektrochemischen Einheit 14. Mittels des elektrodenbasierten Sensors 26 misst die Überwachungseinheit 12 das Ausgangssignal an einer brenngasseitigen Austrittsseite 22 der elektrochemischen Einheit 14.In at least one operating state, the monitoring unit 12 measures at least one input signal of the electrochemical unit 14 and at least one output signal of the electrochemical unit 14, precisely by means of the electrode-based sensor 24, 26. Regarding 1 monitoring unit 12 measures the input signal by means of electrode-based sensor 24 on an inlet side 20 of electrochemical unit 14 on the combustion gas side. Monitoring unit 12 uses electrode-based sensor 26 to measure the output signal on an outlet side 22 of electrochemical unit 14 on the combustion gas side.

Der elektrodenbasierte Sensor 24, 26 ist dazu vorgesehen, ein von einem zu untersuchenden Prozessfluid in der Eingangsleitung 16 und/oder der Ausgangsleitung 18 abhängiges Eingangs- und/oder Ausgangssignal zu erzeugen. Vorliegend ist das Eingangssignal eine an einem Eingang der elektrochemischen Einheit 14, und zwar der brenngasseitigen Eintrittsseite 20, gemessene elektrische Eingangsspannung. Ferner ist das Ausgangssignal eine an einem Ausgang der elektrochemischen Einheit 14, und zwar der brenngasseitigen Austrittsseite 22, gemessene elektrische Ausgangsspannung. Mittels des als Sprung-Lambdasonde ausgebildeten elektrodenbasierten Sensors 24, 26 ist/sind an dem Eingang und/oder Ausgang die elektrische Eingangsspannung und/oder Ausgangsspannung messbar. In dieser beispielhaften Ausführung handelt es sich bei der Eingangsspannung um eine Anoden-Eingangs-Nernst-Spannung UNernst,An,ein. Bei der Ausgangsspannung handelt es sich vorliegend um eine Anoden-Ausgangs-Nernst-Spannung UNernst,An,aus.The electrode-based sensor 24, 26 is intended to generate an input and/or output signal dependent on a process fluid to be examined in the input line 16 and/or the output line 18. In the present case, the input signal is an electrical input voltage measured at an input of the electrochemical unit 14, specifically the inlet side 20 on the combustion gas side. Furthermore, the output signal is an electrical output voltage measured at an output of the electrochemical unit 14, specifically the outlet side 22 on the combustion gas side. The electrical input voltage and/or output voltage can be measured at the input and/or output by means of the electrode-based sensor 24, 26 designed as a jump lambda probe. In this exemplary embodiment, the input voltage is an anode input Nernst voltage U Nernst,An,in . In the present case, the output voltage is an anode output Nernst voltage UNernst,on,off.

Um eine Überwachung des Zustands der elektrochemischen Einheit 14, vorzugsweise des Degradationszustands, effizienter und komfortabler zu gestalten, überwacht die Überwachungseinheit 12 das Eingangssignal und/oder das Ausgangssignal in dem Betriebszustand der elektrochemischen Einheit 14 zumindest zeitlich wiederkehrend, vorzugsweise in regelmäßigen zeitlichen Abständen und besonders bevorzugt dauerhaft. Vorliegend umfasst die elektrochemische Vorrichtung 10 eine Recheneinheit 34, welche den Zustand mittels zumindest des Eingangs- und des Ausgangssignals analysiert und zumindest einen Degradationsparameter der elektrochemischen Einheit 14 ermittelt. Die Recheneinheit 34 ist dazu vorgesehen, zumindest eine elektrische Größe zu berechnen. Vorliegend berechnet die Recheneinheit 34 zumindest aus einem arithmetischen Mittelwert aus der Eingangsspannung, und zwar UNernst,An,ein, und der Ausgangsspannung, und zwar UNernst,An,aus, eine Nernst-Spannung UNernst,Zelle der elektrochemischen Einheit 14, vorliegend der Brennstoffzelle.In order to make monitoring the state of electrochemical unit 14, preferably the state of degradation, more efficient and convenient, monitoring unit 12 monitors the input signal and/or the output signal in the operating state of electrochemical unit 14 at least periodically, preferably at regular time intervals and particularly preferably continuous. In the present case, the electrochemical device 10 includes a computing unit 34 which analyzes the state by means of at least the input signal and the output signal and determines at least one degradation parameter of the electrochemical unit 14 . The arithmetic unit 34 is provided to calculate at least one electrical variable. In the present case, the computing unit 34 calculates a Nernst voltage U Nernst,cell of the electrochemical unit 14, present, at least from an arithmetic mean of the input voltage, namely U Nernst,An,in , and the output voltage, namely U Nernst,An,aus the fuel cell.

Des Weiteren weist die elektrochemische Vorrichtung 10 eine Steuereinheit 36 auf, welche im Falle einer Abweichung des analysierten Zustands von einem Sollzustand zumindest eine Maßnahme einleitet, um eine vorzeitige Degradation der elektrochemischen Einheit 14 zumindest abzumildern. Hierbei ist der Sollzustand ein Zustand der elektrochemischen Einheit 14, bei welchem keine Mechanismen wirken, welche zu der vorzeitigen Degradation der elektrochemischen Einheit 14 führen. Maßnahmen, welche die Steuereinheit 36 einleitet, um die vorzeitige Degradation der elektrochemischen Einheit 14 zumindest abzumildern, könnten beispielsweise eine Veränderung eines Betriebspunktes der elektrochemischen Einheit 14 und/oder eine Veränderung eines Volumenstroms und/oder einer Zusammensetzung von Edukten, welche der elektrochemischen Einheit 14 in dem Betriebszustand über die Eingangsleitung 16 zugeführt werden, oder weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Maßnahmen, umfassen. Vorliegend steuert die Steuereinheit 36 zumindest die Brennstoffzufuhr 30 und/oder den Strom der Rezirkulationsleitung 42, und zwar unter Berücksichtigung des Degradationsparameters. Zusätzlich ist die Steuereinheit 36 zur Ansteuerung der elektrochemischen Einheit 14 vorgesehen, wobei die Steuereinheit 36 bei der Ansteuerung den Degradationsparameter berücksichtigt. Die Steuereinheit 36 könnte bei Ansteuerung der elektrochemischen Einheit 14 beispielsweise einen Strom, insbesondere einen Zellstrom IZelle, und/oder eine Spannung, insbesondere eine Zellspannung UZelle, der elektrochemischen Einheit 14 steuern und/oder regeln, um damit die Degradation der elektrochemischen Einheit 14 zumindest abzumildern. Zusätzlich könnte die Steuereinheit 36 zur Ansteuerung der Zufuhr des sauerstoffhaltigen Fluids 28 vorgesehen sein, wobei die Steuereinheit 36 bei der Ansteuerung den Degradationsparameter berücksichtigt (nicht dargestellt).Furthermore, the electrochemical device 10 has a control unit 36 which, in the event of a deviation of the analyzed state from a target state, initiates at least one measure in order to at least mitigate premature degradation of the electrochemical unit 14 . In this case, the desired state is a state of the electrochemical unit 14 in which no mechanisms leading to the premature degradation of the electrochemical unit 14 are at work. Measures that control unit 36 initiates in order to at least mitigate the premature degradation of electrochemical unit 14 could include, for example, a change in an operating point of electrochemical unit 14 and/or a change in a volume flow and/or a composition of educts that are present in electrochemical unit 14 in be supplied to the operating state via the input line 16, or include other measures that appear sensible to those skilled in the art. In the present case, the control unit 36 controls at least the fuel supply 30 and/or the flow of the recirculation line 42, specifically taking into account the degradation parameter. In addition, the control unit 36 is provided for activating the electrochemical unit 14, the control unit 36 taking the degradation parameter into account during the activation. When controlling the electrochemical unit 14, the control unit 36 could, for example, control and/or regulate a current, in particular a cell current I cell , and/or a voltage, in particular a cell voltage U cell , of the electrochemical unit 14 in order to thereby reduce the degradation of the electrochemical unit 14 at least mitigate it. In addition, the control unit 36 could be provided for controlling the supply of the oxygen-containing fluid 28, with the control unit 36 taking the degradation parameter into account during the control (not shown).

In 2 ist schematisch ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb der zuvor beschriebenen elektrochemischen Vorrichtung 10 dargestellt. Das Verfahren umfasst mehrere Verfahrensteilschritte. In einem als Erfassungsschritt 100 bezeichnenden ersten Verfahrensteilschritt des Verfahrens wird mittels der Überwachungseinheit 12 zur Analyse des Zustands der elektrochemischen Einheit 14 zumindest das Eingangssignal und zumindest das Ausgangssignal automatisiert gemessen. Entlang eines zeitlichen Verlaufs des Verfahrens erfolgt auf den Erfassungsschritt 100 ein zweiter Verfahrensteilschritt, und zwar ein Auswertschritt 110 des Verfahrens. In dem Auswertschritt 110 wird, insbesondere mittels der Recheneinheit 34, der Zustand mittels zumindest des Eingangs- und des Ausgangssignals analysiert und zumindest der Degradationsparameter der elektrochemischen Einheit 14 ermittelt. Ein dritter Verfahrensteilschritt des Verfahrens, welcher als Steuer- und/oder Regelschritt 120 bezeichnet wird, erfolgt hinsichtlich des zeitlichen Verlaufes nach dem Auswertschritt 110. In dem Steuer- und/oder Regelschritt 120 wird, bevorzugt mittels der Steuereinheit 36, im Falle der Abweichung des analysierten Zustands von dem Sollzustand zumindest eine Maßnahme einleitet, um die vorzeitige Degradation der elektrochemischen Einheit 14 zumindest abzumildern. Hierbei wird zumindest die Brennstoffzufuhr 30 und/oder der Strom der Rezirkulationsleitung 42 und/oder die Zufuhr an sauerstoffhaltigem Fluid 28 und/oder die Zellspannung UZelle und/oder der Zellstrom IZelle, und zwar bevorzugt unter Berücksichtigung des Degradationsparameters, geregelt und/oder gesteuert.In 2 a flowchart of a method for operating the electrochemical device 10 described above is shown schematically. The method comprises several partial method steps. In a first sub-step of the method, referred to as detection step 100, at least the input signal and at least the output signal are automatically measured by the monitoring unit 12 for analyzing the state of the electrochemical unit 14. Along the course of the method over time, the detection step 100 is followed by a second partial method step, specifically an evaluation step 110 of the method. In the evaluation step 110, the state is analyzed using at least the input signal and the output signal, in particular using the computing unit 34, and at least the degradation parameter of the electrochemical unit 14 is determined. A third sub-step of the method, which is referred to as control and/or regulation step 120, takes place after evaluation step 110 with regard to the time profile. In control and/or regulation step 120, preferably by means of control unit 36, in the event of a deviation of analyzed state initiates at least one measure from the desired state in order to at least mitigate the premature degradation of the electrochemical unit 14 . At least the fuel supply 30 and/or the flow of the recirculation line 42 and/or the supply of oxygen-containing fluid 28 and/or the cell voltage U cell and/or the cell current I cell , preferably taking into account the Degradation parameters, regulated and / or controlled.

Claims (13)

Elektrochemische Vorrichtung (10), insbesondere Brennstoffzellenvorrichtung, mit einer Überwachungseinheit (12), welche zur Analyse zumindest eines Zustands einer elektrochemischen Einheit (14), insbesondere einer Brennstoffzelleneinheit, zumindest ein Eingangssignal der elektrochemischen Einheit (14) und zumindest ein Ausgangssignal der elektrochemischen Einheit (14) misst.Electrochemical device (10), in particular fuel cell device, with a monitoring unit (12) which, for analyzing at least one state of an electrochemical unit (14), in particular a fuel cell unit, at least one input signal of the electrochemical unit (14) and at least one output signal of the electrochemical unit ( 14) measures. Elektrochemische Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (12) das Eingangssignal an einer brenngasseitigen Eintrittsseite (20) der elektrochemischen Einheit (14) misst.Electrochemical device (10) after claim 1 , characterized in that the monitoring unit (12) measures the input signal on an inlet side (20) of the electrochemical unit (14) on the combustion gas side. Elektrochemische Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (12) das Ausgangssignal an einer brenngasseitigen Austrittsseite (22) der elektrochemischen Einheit (14) misst.Electrochemical device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the monitoring unit (12) measures the output signal on an outlet side (22) of the electrochemical unit (14) on the combustion gas side. Elektrochemische Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal eine an einem Eingang der elektrochemischen Einheit (14) gemessene elektrische Eingangsspannung ist.Electrochemical device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the input signal is an electrical input voltage measured at an input of the electrochemical unit (14). Elektrochemische Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal eine an einem Ausgang der elektrochemischen Einheit (14) gemessene elektrische Ausgangsspannung ist.Electrochemical device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the output signal is an electrical output voltage measured at an output of the electrochemical unit (14). Elektrochemische Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (12) zumindest einen elektrodenbasierten Sensor (24, 26) aufweist.Electrochemical device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the monitoring unit (12) has at least one electrode-based sensor (24, 26). Elektrochemische Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrodenbasierte Sensor (24, 26) als eine Sprung-Lambdasonde ausgebildet ist.Electrochemical device (10) after claim 6 , characterized in that the electrode-based sensor (24, 26) is designed as a jump lambda probe. Elektrochemische Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Recheneinheit (34), welche den Zustand mittels zumindest des Eingangs- und des Ausgangssignals analysiert und zumindest einen Degradationsparameter der elektrochemischen Einheit (14) ermittelt.Electrochemical device (10) according to one of the preceding claims, characterized by a computing unit (34) which analyzes the state using at least the input and output signals and determines at least one degradation parameter of the electrochemical unit (14). Elektrochemische Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (36), welche im Falle einer Abweichung des analysierten Zustands von einem Sollzustand zumindest eine Maßnahme einleitet, um eine vorzeitige Degradation der elektrochemischen Einheit (14) zumindest abzumildern.Electrochemical device (10) according to one of the preceding claims, characterized by a control unit (36) which, if the analyzed state deviates from a target state, initiates at least one measure in order to at least mitigate premature degradation of the electrochemical unit (14). Elektrochemische Vorrichtung (10) nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (36) zur Ansteuerung der elektrochemischen Einheit (14) vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit (36) bei der Ansteuerung den Degradationsparameter berücksichtigt.Electrochemical device (10) according to claims 8 and 9 , characterized in that the control unit (36) for controlling the electrochemical unit (14) is provided, wherein the control unit (36) takes into account the degradation parameter in the control. Elektrochemische Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (12) das Eingangssignal und/oder das Ausgangssignal in einem Betriebszustand der elektrochemischen Einheit (14) zumindest zeitlich wiederkehrend überwacht.Electrochemical device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the monitoring unit (12) monitors the input signal and/or the output signal in an operating state of the electrochemical unit (14) at least periodically. Elektrochemisches System (40), insbesondere Brennstoffzellensystem, mit einer elektrochemischen Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Electrochemical system (40), in particular fuel cell system, with an electrochemical device (10) according to one of the preceding claims. Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Vorrichtung (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei zur Analyse zumindest eines Zustands einer elektrochemischen Einheit (14) zumindest ein Eingangssignal der elektrochemischen Einheit (14) und ein Ausgangssignal der elektrochemischen Einheit (14) gemessen wird.Method for operating an electrochemical device (10), in particular according to one of Claims 1 until 11 , wherein at least one input signal of the electrochemical unit (14) and one output signal of the electrochemical unit (14) are measured to analyze at least one state of an electrochemical unit (14).
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