DE102021207855A1 - Method of monitoring an electrochemical cell unit - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Überwachung einer elektrochemische Zelleneinheit (1, 49, 53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit gestapelten elektrochemischen Zellen (2, 50, 52) als Zellenstack (61) mit den Schritten: Betreiben der elektrochemischen Zelleneinheit (1, 49, 53) mit für den Betrieb notwendigen Betriebsparametern, so dass elektrochemische Energie in elektrische Energie oder elektrische Energie in elektrochemische Energie umgewandelt wird, Erfassen eines Zellenparameters getrennt für je eine Zelle (2, 50, 52) des Zellenstacks (61) der elektrochemischen Zelleneinheit (1, 49. 53) mit Sensoren, Übermitteln der getrennt für die einzelnen Zellen (2, 50, 52) erfassten Zellenparameter an eine Recheneinheit, Bestimmung eines Zellzustands als eine temporäre Betriebsbeeinträchtigung oder als einen Schaden an je einer Zelle (2, 50, 52) in Abhängigkeit von den getrennt für je eine Zelle (2, 50, 52) erfassten Zellenparametern mittels der Recheneinheit (62, 63), wobei wenigstens ein Betriebsparameter der elektrochemischen Zelleneinheit (1, 49, 53) in einem Veränderungszeitraum, insbesondere abweichend von den für den Betrieb notwendigen Betriebsparametern, für die Überwachung verändert wird zu wenigstens einem Überwachungsbetriebsparameter und die elektrochemischen Zelleneinheit (1, 49, 53) während des Veränderungszeitraumes mit dem wenigstens einen Überwachungsparameter betrieben wird und vor und/oder während und/oder nach dem Veränderungszeitraum das Erfassen der Zellenparameter für die Bestimmung des Zellzustands getrennt für die je eine Zelle (2, 50, 52) des Zellenstacks (61) der elektrochemischen Zelleneinheit (1, 49, 53) mit Sensoren ausgeführt wird.Method for monitoring an electrochemical cell unit (1, 49, 53) for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit (1) and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolytic cell unit (49) with stacked electrochemical cells (2, 50, 52 ) as a cell stack (61) with the steps: operating the electrochemical cell unit (1, 49, 53) with the operating parameters necessary for operation, so that electrochemical energy is converted into electrical energy or electrical energy into electrochemical energy, detecting a cell parameter separately for each a cell (2, 50, 52) of the cell stack (61) of the electrochemical cell unit (1, 49, 53) with sensors, transmission of the cell parameters recorded separately for the individual cells (2, 50, 52) to a computing unit, determination of a cell state as a temporary operational impairment or as damage to one cell each (2, 50, 52) in Depending on the cell parameters recorded separately for each cell (2, 50, 52) by means of the computing unit (62, 63), at least one operating parameter of the electrochemical cell unit (1, 49, 53) changing over a period of time, in particular differing from that for the Operating parameters required for operation, for which monitoring is changed to at least one monitoring operating parameter and the electrochemical cell unit (1, 49, 53) is operated with the at least one monitoring parameter during the change period and the cell parameters are recorded before and/or during and/or after the change period for determining the cell state separately for each cell (2, 50, 52) of the cell stack (61) of the electrochemical cell unit (1, 49, 53) is designed with sensors.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14.The present invention relates to a method for monitoring an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 1 and an electrochemical cell unit according to the preamble of
Stand der TechnikState of the art
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel als Brennstoffzellenstack angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. In analoger Weise ist ein Gasraum für Brennstoff vorhanden.Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent into electrical energy and water by means of redox reactions at an anode and cathode. Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping. In fuel cell units, a multiplicity of fuel cells are arranged in a fuel cell stack as a fuel cell stack. Inside each fuel cell there is a gas space for oxidizing agent, ie a flow space for conducting oxidizing agent, such as air from the environment with oxygen, through. The oxidant gas space is formed by channels on the bipolar plate and by a gas diffusion layer for a cathode. The channels are thus formed by a corresponding channel structure of a bipolar plate and the oxidizing agent, namely oxygen, reaches the cathode of the fuel cells through the gas diffusion layer. A gas space for fuel is present in an analogous manner.
Elektrolysezelleneinheiten aus gestapelt angeordneten Elektrolysezellen, analog wie bei Brennstoffzelleneinheiten, dienen beispielsweise zur elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser. Ferner sind Brennstoffzelleneinheiten bekannt, die als reversible Brennstoffzelleneinheiten und damit als Elektrolysezelleneinheiten betrieben werden können. Brennstoffzelleneinheiten und Elektrolysezelleinheiten bilden elektrochemische Zelleneinheiten. Brennstoffzellen und Elektrolysezellen bilden elektrochemische Zellen.Electrolytic cell units made up of stacked electrolytic cells, analogous to fuel cell units, are used, for example, for the electrolytic production of hydrogen and oxygen from water. Furthermore, fuel cell units are known which can be operated as reversible fuel cell units and thus as electrolytic cell units. Fuel cell units and electrolytic cell units form electrochemical cell units. Fuel cells and electrolytic cells form electrochemical cells.
In elektrochemischen Zelleneinheiten werden Prozessfluide zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie eingesetzt. Während des Betriebes der elektrochemischen Zelleneinheiten kann es zu Abweichungen an Zellenparametern der elektrochemischen Zellen aufgrund der ablaufenden Prozesse kommen, insbesondere bei einer längeren Betriebsdauer der elektrochemischen Zelleneinheiten. Beispielsweise kann es bei einer PEM-Brennstoffzelle zu einer Ablagerung bzw. Sammlung von Wasser, insbesondere Reaktionswasser, als Prozessfluid in den Anoden, Kathoden und Gasdiffusionsschichten sowie den Kanälen für Brennstoff und Oxidationsmittel kommen. Diese Anlagerungen haben negative Auswirkungen auf den Betrieb, insbesondere führt dies zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades und zu einer Beschleunigung des Alterungsvorganges in der PEM-Brennstoffzelle, so dass sich in je einer Brennstoffzelle die Spannung als ein Zellenparameter einer geschädigten Brennstoffzelle reduziert. Darüber hinaus kann es auch zu einer Anreicherung der Protonenaustauschermembran mit Kohlenmonoxid kommen mit negativen Auswirkungen. In einer SOFC-Brennstoffzelle kann es zu Ablagerungen von Kohlenstoff in den Kanälen kommen.In electrochemical cell units, process fluids are used to convert electrochemical energy into electrical energy and/or to convert electrical energy into electrochemical energy. During operation of the electrochemical cell units, there may be deviations in the cell parameters of the electrochemical cells due to the processes taking place, particularly when the electrochemical cell units are in operation for a longer period of time. For example, in a PEM fuel cell, water, in particular water of reaction, can be deposited or collected as process fluid in the anodes, cathodes and gas diffusion layers as well as the channels for fuel and oxidant. These deposits have negative effects on operation, in particular leading to a reduction in efficiency and accelerated aging in the PEM fuel cell, so that the voltage in each fuel cell is reduced as a cell parameter of a damaged fuel cell. In addition, the proton exchange membrane can also become enriched with carbon monoxide, which has negative effects. Carbon deposits can form in the channels in a SOFC fuel cell.
Dabei ist es bereits bekannt, mittels einer CVM-Vorrichtung (cell voltage monitoring-Vorrichtung) Schäden an einzelnen Brennstoffzellen zu erfassen. Dabei wird mittels der CVM-Vorrichtung der Zellenparameter der Spannung der Brennstoffzellen während des normalen Betriebes der Brennstoffzelleneinheit mit Betriebsparametern erfasst. Diese Betriebsparameter weisen jedoch im allgemeinen nur sehr kleine Veränderungen während des Betriebes auf, sodass sich dadurch keine oder auch nur geringfügige, schwer zu erfassende Veränderungen an den Zellenparametern als den Spannungen der Brennstoffzellen ergeben. Damit können in nachteiliger Weise Schäden an Brennstoffzellen erst dann erfasst werden, wenn im Allgemeinen erst eine wesentliche und irreparable Beschädigung von einzelnen Brennstoffzellen erfolgt ist. Die Lebensdauer von derartigen Brennstoffzelleneinheiten ist deshalb in nachteiliger Weise gering, weil Maßnahmen zur Verlängerung der Lebensdauer erst sehr spät eingeleitet werden können.It is already known to use a CVM device (cell voltage monitoring device) to detect damage to individual fuel cells. In this case, the cell parameter of the voltage of the fuel cells is detected during normal operation of the fuel cell unit with operating parameters by means of the CVM device. However, these operating parameters generally only show very small changes during operation, so that there are no changes or only minor changes that are difficult to detect in the cell parameters as the voltages of the fuel cells. As a result, damage to fuel cells can only be detected, in a disadvantageous manner, when individual fuel cells have generally only been substantially and irreparably damaged. The service life of such fuel cell units is disadvantageously short because measures to extend the service life can only be initiated very late.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Überwachung einer elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit gestapelten elektrochemischen Zellen als Zellenstack mit den Schritten: Betreiben der elektrochemischen Zelleneinheit mit für den Betrieb notwendigen Betriebsparametern, so dass elektrochemische Energie in elektrische Energie oder elektrische Energie in elektrochemische Energie umgewandelt wird, Erfassen eines Zellenparameters getrennt für je eine Zelle des Zellenstacks der elektrochemischen Zelleneinheit mit Sensoren, Übermitteln der getrennt für die einzelnen Zellen erfassten Zellenparameter an eine Recheneinheit, Bestimmung eines Zellzustands als eine temporäre Betriebsbeeinträchtigung oder als einen Schaden an je einer Zelle in Abhängigkeit von den getrennt für je eine Zelle erfassten Zellenparametern mittels der Recheneinheit, wobei wenigstens ein Betriebsparameter der elektrochemischen Zelleneinheit in einem Veränderungszeitraum, insbesondere abweichend von den für den Betrieb notwendigen Betriebsparametern, für die Überwachung verändert wird zu wenigstens einem Überwachungsbetriebsparameter und die elektrochemischen Zelleneinheit während des Veränderungszeitraumes mit dem wenigstens einen Überwachungsparameter betrieben wird und vor und/oder während und/oder nach dem Veränderungszeitraum das Erfassen der Zellenparameter für die Bestimmung des Schadens getrennt für die je eine Zelle des Zellenstacks der elektrochemischen Zelleneinheit mit Sensoren ausgeführt wird.Method according to the invention for monitoring an electrochemical cell unit for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit with stacked electrochemical cells as a cell stack, with the steps: operating the electrochemical cell unit with the operating parameters necessary for operation, see above that electrochemical energy is converted into electrical energy or electrical energy into electrochemical energy, detecting a cell parameter separately for each cell of the cell stack of the electrochemical cell unit with sensors, transmitting the cell parameters detected separately for the individual cells to a computing unit, determining a cell state as a temporary impairment of operation or as damage to one cell depending on the cell parameters recorded separately for each cell by means of the computing unit, with at least one operating parameter of the electrochemical cell unit in a change period, in particular deviating from the operating parameters necessary for operation, for the monitoring is changed to at least one monitoring operating parameter and the electrochemical cell unit is operated with the at least one monitoring parameter during the change period and before and/or during and/or after the change period the cell parameters for determining the damage are recorded separately for each cell of the cell stack of electrochemical cell unit is running with sensors.
In einer weiteren Ausführungsform wird vor und/oder während und/oder nach dem Veränderungszeitraum das Erfassen des Zellenparameters getrennt für die je eine Zelle des Zellenstacks der elektrochemischen Zelleneinheit mit Sensoren an verschiedenen, zeitlich aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ausgeführt.In a further embodiment, before and/or during and/or after the change period, the cell parameter is detected separately for each cell of the cell stack of the electrochemical cell unit with sensors at different, chronologically consecutive points in time.
In einer ergänzenden Variante wird die Bestimmung des Zellzustands an je einer Zelle in Abhängigkeit von den getrennt für je eine Zelle erfassten Zellenparametern in der Recheneinheit ausgeführt indem die, insbesondere während des Veränderungszeitraumes erfassten, Zellenparameter der Zellen an je einem Zeitpunkt mit den mathematischen Methoden der Statistik und/oder Stochastik ausgewertet werden.In a supplementary variant, the determination of the cell status of one cell each is carried out in the computing unit as a function of the cell parameters recorded separately for each cell by using the mathematical methods of statistics to determine the cell parameters of the cells, particularly those recorded during the change period, at a particular point in time and/or stochastics are evaluated.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird aus den erfassten Zellenparametern der Zellen ein statistischer und/oder stochastischer Wert des Zellenparameters für je einen Zeitpunkt bestimmt.In an additional embodiment, a statistical and/or stochastic value of the cell parameter is determined from the recorded cell parameters of the cells for a particular point in time.
Vorzugsweise wird eine Referenzabweichung von dem statistischen und/oder stochastischen Wert des Zellenparameters für je einen Zeitpunkt bestimmt oder vorgegeben und bei einem Überschreiten und/oder einem Unterschreiten und/oder einer Abweichung des Zellenparameters je einer Zelle während des je einen Zeitpunktes von der Referenzabweichung eine Zellzustandsindiz für diesen je einen Zeitpunkt für die je eine Zelle angenommen wird. Die Zellzustandsindiz ist somit ein Indiz oder ein Indikator für die temporäre Betriebsbeeinträchtigung und/oder den Mangel und/oder den Schaden als dem Zellzustand an je einer Zelle. Beispielsweise bei dem arithmetischen Mittelwert als dem statistischen und/oder stochastischen Wert ist die Referenzabweichung ein Bereich größer und kleiner als der arithmetische Mittelwert. Die Referenzabweichung ist somit wenigstens ein Wert und/oder ein Bereich des Zellenparameters.A reference deviation from the statistical and/or stochastic value of the cell parameter is preferably determined or specified for each point in time, and if the cell parameter exceeds and/or falls below and/or deviates from the reference deviation, a cell status index is generated for each cell during each point in time for this one point in time for which one cell is assumed. The cell condition index is therefore an indication or an indicator of the temporary operational impairment and/or the deficiency and/or the damage as the cell condition of one cell in each case. For example, given the arithmetic mean as the statistical and/or stochastic value, the reference deviation is a range larger and smaller than the arithmetic mean. The reference deviation is thus at least a value and/or a range of the cell parameter.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Zellenparameter und/oder Zellzustandsindizien für wenigstens 80 %, 90 % oder 95% der Zellen, insbesondere sämtliche Zellen, getrennt zu dem je einen Zeitpunkt erfasst.In a further embodiment, the cell parameters and/or cell state indicators for at least 80%, 90% or 95% of the cells, in particular all cells, are recorded separately at each point in time.
In einer zusätzlichen Variante wird die Veränderung des wenigstens einen Betriebsparameters zu dem Überwachungsbetriebsparameter als ein positiver und/oder negativer Sprung und/oder als ein Dirac-Impuls und/oder als eine periodische Veränderung, insbesondere Veränderung entsprechend der Sinusfunktion, ausgeführt.In an additional variant, the at least one operating parameter is changed to the monitoring operating parameter as a positive and/or negative jump and/or as a Dirac pulse and/or as a periodic change, in particular a change corresponding to the sine function.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird die Bestimmung des Zellzustands an je einer Zelle ausgeführt indem die Anzahl der Zellzustandsindizien der je einen Zelle an den verschiedenen Zeitpunkten durch die Gesamtanzahl der erfassten Zeitpunkte dividiert wird und ab dem Überschreiten eines Grenzwertes des Ergebnisses dieser Division als Anteilsindiz der Zellzustand der je einen Zelle bestimmt wird. Es wird somit als der Zellzustand ab dem Überschreiten eines Grenzwertes des Ergebnisses dieser Division die temporäre Beeinträchtigung oder der Schaden für je eine Zelle bestimmt oder erfasst.In an additional embodiment, the determination of the cell state is carried out on one cell at a time by dividing the number of cell state indicators of each cell at the different points in time by the total number of recorded points in time and, once a limit value of the result of this division has been exceeded, the cell state of the per cell is determined. The temporary impairment or damage for each cell is thus determined or recorded as the cell state from when a limit value of the result of this division is exceeded.
In einer ergänzenden Variante wird die Referenzabweichung und/oder der Grenzwert der Anteilsindiz mittels Algorithmen in Abhängigkeit von den in der Vergangenheit bestimmten Betriebsparametern und/oder Überwachungsbetriebsparametern und/oder Zellenparametern und/oder Anteilsindizien und/oder der Betriebszeit verändert. In diesen Algorithmen wird beispielsweise die Alterung einer Zelle berücksichtigt, so dass nach vielen Betriebsstunden, d. h. einer hohen Betriebszeit, die Referenzabweichung erhöht wird, so dass aufgrund der Alterung auftretende größere Abweichungen der Zellenparameter nicht oder geringfügig zu einer höheren Anzahl an Zellen mit Schäden oder temporären Beeinträchtigungen führen. Darüber hinaus sind die Referenzabweichung und/der der Grenzwert der Anteilsindiz auch eine Funktion des Betriebsparameters und Überwachungsbetriebsparameters, d. h. je größer der Betriebsparameter zu dem Überwachungsbetriebsparameter geändert wird, desto größer sind auch die Veränderungen an Zellenparametern und dies muss für eine effektive Bestimmung von Zellen mit dem Zellzustand berücksichtig werden. Dabei können auch Verfahren der künstlichen Intelligenz eingesetzt werden.In a supplementary variant, the reference deviation and/or the limit value of the proportion index is changed using algorithms depending on the operating parameters and/or monitoring operating parameters and/or cell parameters and/or proportion indices and/or the operating time determined in the past. In these algorithms, for example, the aging of a cell is taken into account so that after many hours of operation, i. H. a long operating time, the reference deviation is increased, so that larger deviations in the cell parameters that occur due to aging do not or only slightly lead to a higher number of cells with damage or temporary impairments. In addition, the reference deviation and/or the limit of the share index are also a function of the operating parameter and monitor operating parameter, i. H. the larger the operating parameter is changed to the monitoring operating parameter, the larger are also the changes in cell parameters and this must be taken into account for an effective determination of cells with the cell state. Artificial intelligence methods can also be used here.
Zweckmäßig ist der statistischer und/oder stochastischer Wert des Zellenparameters der Mittelwert, insbesondere der arithmetische und/oder geometrische und/oder harmonische Mittelwert, und/oder die Standardabweichung der Zellenparameter und/oder wenigstens ein statistisches Moment höherer Ordnung, beispielsweise die Schiefe, für den je einen Zeitpunkt. The statistical and/or stochastic value of the cell parameter is expediently the mean, in particular the arithmetic and/or geometric and/or harmonic mean, and/or which is the standard deviation of the cell parameters and/or at least one statistical moment of a higher order, for example the skewness, for each point in time.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der wenigstens eine Betriebsparameter und/oder Überwachungsbetriebsparameter der durch den Zellenstack geleitete Strom und/oder der Volumenstrom des durch den Zellenstack geleiteten Kathodengases und/oder der Volumenstrom des durch den Zellenstack geleiteten Anodengases und/oder die Konzentration des in den Zellenstack eingeleiteten Brennstoffes in dem Anodengas und/oder die Temperatur des in den Zellenstack eingeleiteten Kühlmittels und/oder der Volumenstrom des durch den Zellenstack geleiteten Kühlmittels und/oder der Volumenstrom des durch den Zellenstack geleiteten Elektrolyten an den Anoden und/oder der Volumenstrom des durch den Zellenstack geleiteten Elektrolyten an den Kathoden.In an additional configuration, the at least one operating parameter and/or monitoring operating parameter is the current conducted through the cell stack and/or the volume flow of the cathode gas conducted through the cell stack and/or the volume flow of the anode gas conducted through the cell stack and/or the concentration of the gas in the cell stack introduced fuel in the anode gas and/or the temperature of the coolant introduced into the cell stack and/or the volume flow of the coolant conducted through the cell stack and/or the volume flow of the electrolyte conducted through the cell stack at the anodes and/or the volume flow of the through the cell stack conducted electrolyte at the cathodes.
Vorzugsweise ist der Zellenparameter die Spannung an je einer Zelle und/oder die Verteilung eines Magnetfeldes an je einer Zelle.The cell parameter is preferably the voltage on each cell and/or the distribution of a magnetic field on each cell.
In einer weiteren Variante wird die Steuerung und/oder Regelung der elektrochemischen Zelleneinheit in Abhängigkeit von der Anzahl der bestimmten Zellen mit dem Zellzustand verändert. Beispielsweise können Überwachungsbetriebsparameter bestimmt werden, bei denen eine vorgegebenen größere Anzahl an Zellen mit einem Zellzustand als temporäre Beeinträchtigung und/oder Schaden und/oder Mangel bestimmt und anschließend werden im normalen Betrieb diese Betriebsparameter nicht mehr eingesetzt, beispielsweise eine sehr schnelle und starke Vergrößerung des Stromes.In a further variant, the control and/or regulation of the electrochemical cell unit is changed with the cell state as a function of the number of cells determined. For example, monitoring operating parameters can be determined in which a predetermined larger number of cells with a cell condition as temporary impairment and / or damage and / or deficiency and then these operating parameters are no longer used in normal operation, for example a very rapid and strong increase in current .
Erfindungsgemäße elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit, umfassend gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen und die elektrochemischen Zellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen, die Komponenten der elektrochemischen Zellen vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, Kanäle zum Durchleiten von Prozessfluiden, wobei mit der elektrochemische Zelleneinheit ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist.Electrochemical cell unit according to the invention for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit, comprising electrochemical cells arranged stacked and the electrochemical cells each comprising layered components arranged stacked, the components of the electrochemical cells preferably proton exchange membranes, anodes , Cathodes, preferably membrane electrode arrangements, preferably gas diffusion layers and bipolar plates are channels for the passage of process fluids, wherein a method described in this patent application can be carried out with the electrochemical cell unit.
In einer ergänzenden Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit wenigstens eine Messvorrichtung zur Erfassung des Zellenparameters der Spannung getrennt für je eine Zelle, insbesondere für sämtliche Zellen des Zellenstacks, und/oder Hallsensoren an den Zellen zur Erfassung des Magnetfeldes und/oder der Verteilung des Magnetfeldes getrennt für je eine Zelle, insbesondere für sämtliche Zellen des Zellenstacks.In an additional variant, the electrochemical cell unit comprises at least one measuring device for detecting the cell parameter of the voltage separately for each cell, in particular for all cells of the cell stack, and/or Hall sensors on the cells for detecting the magnetic field and/or the distribution of the magnetic field separately for one cell each, in particular for all cells of the cell stack.
Vorzugsweise sind der Betriebsparameter die an die Elektrolysezelleneinheit angelegte Spannung und/oder der an die Elektrolysezelleneinheit angelegte Strom und/oder der Druck und/oder Volumenstrom des in den Brennstoffzellenstack eingeleiteten Kathodengases und/oder der Druck und/oder der Volumenstrom des in den Brennstoffzellenstack eingeleiteten Anodengases und/oder der Druck und/oder der Volumenstrom des in den Brennstoffzellenstack eingeleiteten Kühlmittels.The operating parameters are preferably the voltage applied to the electrolytic cell unit and/or the current applied to the electrolytic cell unit and/or the pressure and/or volumetric flow of the cathode gas introduced into the fuel cell stack and/or the pressure and/or the volumetric flow of the anode gas introduced into the fuel cell stack and/or the pressure and/or the volume flow of the coolant introduced into the fuel cell stack.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der statistische und/oder stochastische Wert des Zellenparameters für den je einen Zeitpunkt die Standardabweichung. Die Standardabweichung ist ein Maß für die Streubreite der Zellenparameter zu je einem Zeitpunkt der Zellen um den arithmetischen Mittelwert der Zellenparameter der Zellen zu diesem je einen Zeitpunkt. Bei der Verwendung der Standardabweichung kann die Referenzabweichung auch als die Standardabweichung angenommen werden und sofern ein Zellenparameter innerhalb der Standardabweichung für je einen Zeitpunkt liegt, d. h. keine Abweichung von der Referenzabweichung als der Standardabweichung auftritt, wird keine Zellzustandsindiz für diesen je einen Zeitpunkt für diese Zelleneinheit angenommen und sofern ein Zellenparameter außerhalb der Referenzabweichung als der Standardabweichung für je einen Zeitpunkt liegt wird eine Zellzustandsindiz für diesen je einen Zeitpunkt für diese Zelleneinheit angenommen. Abweichend hiervon kann bei der Verwendung der Standardabweichung statistischer und/oder stochastischer Wert die oben beschriebene Vorgehensweise zur Bestimmung der Zellzustandsindiz verändert werden mit einer Bestimmung der Referenzabweichung indem die Standardabweichung zunächst nach dem bekannten Verfahren ermittelt wird und anschließend zu dieser Standardabweichung ein positiver und negativer Wert auf addiert wird, wobei auf den größeren Wert der Standardabweichung ein positiver Wert und auf den kleineren Wert der Standardabweichung ein negativer Wert auf addiert wird und dieser auf beiden Seiten der Standardabweichung um den negativen und positiven Wert vergrößerte Bereich als die Referenzabweichung vorgegeben wird.In an additional embodiment, the statistical and/or stochastic value of the cell parameter for each point in time is the standard deviation. The standard deviation is a measure of the spread of the cell parameters at each point in time of the cells around the arithmetic mean of the cell parameters of the cells at each point in time. When using the standard deviation, the reference deviation can also be taken as the standard deviation and if a cell parameter is within the standard deviation for any given point in time, i.e. H. no deviation from the reference deviation as the standard deviation occurs, no cell state indices for that one point in time are assumed for this cell unit and if a cell parameter is outside the reference deviation as the standard deviation for one point in time, a cell state indices for that one point in time are assumed for that cell unit. Deviating from this, when using the standard deviation statistical and/or stochastic value, the procedure described above for determining the cell condition index can be changed with a determination of the reference deviation by first determining the standard deviation using the known method and then adding a positive and negative value to this standard deviation is added, whereby a positive value is added to the larger value of the standard deviation and a negative value is added to the smaller value of the standard deviation and this range, increased by the negative and positive value on both sides of the standard deviation, is specified as the reference deviation.
In einer weiteren Variante werden die Zellenparameter und/oder die Zellzustandsindizien der Zellen an sämtlichen Zeitpunkten bestimmt.In a further variant, the cell parameters and/or the cell state indicators of the cells are determined at all points in time.
In einer weiteren Variante wird die Bestimmung des Zellzustands an je einer Zelle in Abhängigkeit von den getrennt für je eine Zelle erfassten Zellenparametern in der Recheneinheit ausgeführt wird indem die Differenzen einerseits der Zellenparameter der je einen Zelle vor dem Veränderungszeitraum und andererseits während und/oder nach dem Veränderungszeitraum bestimmt werden und diese Differenzen quantitativ anhand von Referenzdifferenzen ausgewertet werden.In a further variant, the determination of the cell status of one cell each is carried out as a function of the cell parameters recorded separately for each cell in the computing unit by determining the differences in the cell parameters of each cell before the change period on the one hand and during and/or after the change period on the other hand Change period are determined and these differences are evaluated quantitatively based on reference differences.
Zweckmäßig werden die Referenzdifferenzen in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Betriebsparameter und dem wenigstens einen Überwachungsbetriebsparameter bestimmt.The reference differences are expediently determined as a function of the at least one operating parameter and the at least one monitoring operating parameter.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird nach dem Veränderungszeitraum die Änderung des wenigstens einen Betriebsparameters auf den wenigstens einen Veränderungsparameter wieder rückgängig gemacht im Wesentlichen auf den Wert vor dem Veränderungszeitraum. Im Wesentlichen bedeutet mit einer Abweichung von weniger als 30 %, 20 % oder 10 %.In an additional embodiment, after the change period, the change in the at least one operating parameter to the at least one change parameter is reversed again, essentially to the value before the change period. Substantially means with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.
In einer weiteren Variante beträgt die Zeitdauer des Veränderungszeitraumes zwischen 10 ms und 100 s (Sekunden), insbesondere zwischen 100 ms und 10 s.In a further variant, the duration of the change period is between 10 ms and 100 s (seconds), in particular between 100 ms and 10 s.
In einer ergänzenden Variante ist ein positiver und/oder negativer Sprung eines Betriebsparameters eine Veränderung des Betriebsparameters um wenigstens 30 %, 50 %, 100 %, 200 %, 300 % oder 500 %.In an additional variant, a positive and/or negative jump in an operating parameter is a change in the operating parameter by at least 30%, 50%, 100%, 200%, 300% or 500%.
In einer ergänzenden Variante wird die Bestimmung des Zellzustands an je einer Zelle in Abhängigkeit von den getrennt für je eine Zelle erfassten Zellenparametern in der Recheneinheit ausgeführt indem die Zellenparameter der Zellen an je einem Zeitpunkt während mehrerer Veränderungszeiträume mit den mathematischen Methoden der Statistik und/oder Stochastik ausgewertet werden.In an additional variant, the determination of the cell status of one cell each is carried out in the computing unit as a function of the cell parameters recorded separately for each cell by changing the cell parameters of the cells at one point in time during several change periods using the mathematical methods of statistics and/or stochastics be evaluated.
Vorzugsweise wird das Verfahren zur Bestimmung des Zellzustands an je einer Zelle mit mehreren Veränderungszeiträumen ausgeführt. Beispielsweise wird somit die Zellzustandsindiz je einer Zelle mit mehreren Veränderungszeiträumen bestimmt.The method for determining the cell state is preferably carried out on one cell each with a plurality of change periods. For example, the cell state index is thus determined for each cell with a number of change periods.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird wenigstens ein Betriebsparameter der elektrochemischen Zelleneinheit in einem Veränderungszeitraum, abweichend von den für den Betrieb notwendigen Betriebsparametern, nur für die Überwachung verändert zu wenigstens einem Überwachungsbetriebsparameter. Während des Veränderungszeitraumes wird somit die elektrochemische Zelleneinheit mit wenigstens einem Überwachungsbetriebsparameter betrieben, welcher nur für die Überwachung in dieser Größe ausgeführt wird.In a supplementary embodiment, at least one operating parameter of the electrochemical cell unit is changed in a change period, deviating from the operating parameters necessary for the operation, only for the monitoring to at least one monitoring operating parameter. During the change period, the electrochemical cell unit is thus operated with at least one monitoring operating parameter, which is only carried out for the monitoring in this variable.
In einer ergänzenden Variante wird der wenigstens eine Betriebsparameter um wenigstens 100 %, 300 %, 500 % oder 700 % auf den wenigstens einen Überwachungsbetriebsparameter geändert als Vergrößerung, insbesondere als ein Maximum während des Veränderungszeitraumes.In a supplementary variant, the at least one operating parameter is changed by at least 100%, 300%, 500% or 700% to the at least one monitoring operating parameter as an increase, in particular as a maximum during the change period.
In einer ergänzenden Variante wird der wenigstens eine Überwachungsbetriebsparameter auf weniger als 90 %, 70 %, 50 %, 30 % oder 10 % des Wertes des wenigstens einen Betriebsparameters geändert als Reduzierung, insbesondere als ein Minimum während des Veränderungszeitraumes.In a supplementary variant, the at least one monitoring operating parameter is changed to less than 90%, 70%, 50%, 30% or 10% of the value of the at least one operating parameter as a reduction, in particular as a minimum during the change period.
In einer weiteren Variante wird das Verfahren während des Betriebes der elektrochemischen Zelleneinheit ausgeführt indem wenigstens ein Betriebsparameter auf einem Überwachungsparameter während des Veränderungszeitraumes verändert wird oder das Verfahren wird während der Wartung der elektrochemischen Zelleneinheit ausgeführt. Das Verfahren zur Überwachung der elektrochemischen Zelleneinheit kann somit sowohl während des Betriebes der elektrochemischen Zelleneinheit ausgeführt werden als auch während der Wartung der elektrochemischen Zelleneinheit.In a further variant, the method is carried out during operation of the electrochemical cell unit by changing at least one operating parameter on a monitoring parameter during the change period, or the method is carried out during maintenance of the electrochemical cell unit. The method for monitoring the electrochemical cell unit can thus be carried out both during operation of the electrochemical cell unit and during maintenance of the electrochemical cell unit.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird in Abhängigkeit von der erfassten Anzahl der Zellen mit dem bestimmten Zellzustand der notwendige Zeitpunkt für die Wartung der elektrochemischen Zelleneinheit bestimmt.In an additional embodiment, the time required for maintenance of the electrochemical cell unit is determined as a function of the detected number of cells with the specific cell condition.
In einer weiteren Ausführungsform wird in Abhängigkeit von der erfassten Anzahl der Zellen mit dem bestimmten Zellzustand eine Fehlermeldung ausgegeben.In a further embodiment, an error message is output as a function of the detected number of cells with the specific cell status.
Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.The invention also includes a computer program with program code means, which are stored on a computer-readable data carrier, in order to carry out a method described in this patent application, when the computer program is carried out on a computer or a corresponding computing unit.
Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.The invention also includes a computer program product with program code means that are stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this property right application when the computer program is carried out on a computer or a corresponding processing unit.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die elektrochemische Zelleneinheit eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie und/oder eine Elektrolysezelleneinheit zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie.In an additional embodiment, the electrochemical cell unit is a fuel cell unit as a fuel cell stack for converting electrochemical energy into electrical energy and/or an electrolytic cell unit for converting electrical energy into electrochemical energy.
Zweckmäßig sind die Bipolarplatten als Separatorplatten ausgebildet und zwischen je einer Anode und je einer Kathode eine elektrische Isolationsschicht, insbesondere eine Protonenaustauschermembran, angeordnet ist und vorzugsweise die Elektrolysezellen jeweils einen dritten Kanal für die getrennte Durchleitung eines Kühlfluid als drittes Prozessfluid umfassen.The bipolar plates are expediently designed as separator plates and an electrical insulation layer, in particular a proton exchange membrane, is arranged between each anode and each cathode, and preferably the electrolysis cells each include a third channel for the separate passage of a cooling fluid as the third process fluid.
In einer zusätzlichen Variante ist die Elektrolysezelleneinheit zusätzlich als Brennstoffzelleneinheit, insbesondere eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit, ausgebildet, so dass die Elektrolysezelleneinheit eine reversible Brennstoffzelleneinheit bildet.In an additional variant, the electrolytic cell unit is additionally designed as a fuel cell unit, in particular a fuel cell unit described in this patent application, so that the electrolytic cell unit forms a reversible fuel cell unit.
In einer weiteren Variante ist der erste Stoff Sauerstoff und der zweite Stoff Wasserstoff.In a further variant, the first substance is oxygen and the second substance is hydrogen.
In einer weiteren Variante sind die Elektrolysezellen der Elektrolysezelleneinheit Brennstoffzellen.In a further variant, the electrolytic cells of the electrolytic cell unit are fuel cells.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte. Der Zellenstapel ist von dem Gehäuse und/oder der Anschlussplatte umschlossen.In a further variant, the electrochemical cell unit comprises a housing and/or a connection plate. The cell stack is enclosed by the housing and/or the connection plate.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit ausgebildet ist.Fuel cell system according to the invention, in particular for a motor vehicle, comprising a fuel cell unit as a fuel cell stack with fuel cells, a compressed gas store for storing gaseous fuel, a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells, the fuel cell unit being a fuel cell unit described in this patent application and/or Electrolytic cell unit is formed.
Erfindungsgemäßes Elektrolysesystem und/oder Brennstoffzellensystem, umfassend eine Elektrolysezelleneinheit als Elektrolysezellenstapel mit Elektrolysezellen, vorzugsweise einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, vorzugsweise eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, einen Speicherbehälter für flüssigen Elektrolyten, eine Pumpe zur Förderung des flüssigen Elektrolyten, wobei die Elektrolysezelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Elektrolysezelleneinheit und/oder Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.Electrolysis system and/or fuel cell system according to the invention, comprising an electrolysis cell unit as an electrolysis cell stack with electrolysis cells, preferably a pressurized gas store for storing gaseous fuel, preferably a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells, a storage container for liquid electrolyte, a pump for delivering the liquid Electrolytes, wherein the electrolytic cell unit is designed as an electrolytic cell unit and/or fuel cell unit described in this patent application.
In einer weiteren Ausgestaltung bildet die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit zusätzlich eine Elektrolysezelleneinheit und vorzugsweise umgekehrt.In a further embodiment, the fuel cell unit described in this patent application also forms an electrolytic cell unit and preferably vice versa.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder die Elektrolysezelleneinheit, wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.In a further variant, the electrochemical cell unit, in particular the fuel cell unit and/or the electrolytic cell unit, comprises at least one connecting device, in particular a plurality of connecting devices, and tensioning elements.
Zweckmäßig sind Komponenten für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, vorzugsweise Isolationsschichten, insbesondere Protonenaustauschermembranen, vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, insbesondere Separatorplatten.Components for electrochemical cells, in particular fuel cells and/or electrolytic cells, preferably insulation layers, in particular proton exchange membranes, preferably membrane electrode arrangements, anodes, cathodes, preferably gas diffusion layers and bipolar plates, in particular separator plates, are expedient.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, jeweils vorzugsweise eine Isolationsschicht, insbesondere Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen, vorzugsweise wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte, insbesondere wenigstens eine Separatorplatte.In a further embodiment, the electrochemical cells, in particular fuel cells and/or electrolysis cells, each preferably comprise an insulating layer, in particular a proton exchange membrane, an anode, a cathode, preferably membrane electrode arrangements, preferably at least one gas diffusion layer and at least one bipolar plate, in particular at least one separator plate.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig und/oder ist als ein Spanngurt ausgebildet.In a further embodiment, the connecting device is designed as a bolt and/or is rod-shaped and/or is designed as a tension belt.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.The clamping elements are expediently designed as clamping plates.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder ein Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet.In a further variant, the gas conveying device is designed as a blower and/or a compressor and/or a pressure vessel with oxidizing agent.
Insbesondere umfasst die elektrochemischen Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit, wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.In particular, the electrochemical cell unit, in particular a fuel cell unit and/or an electrolytic cell unit, comprises at least 3, 4, 5 or 6 connecting devices.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.In a further embodiment, the tensioning elements are plate-shaped and/or disk-shaped and/or flat and/or designed as a lattice.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.Preferably the fuel is hydrogen, hydrogen rich gas, reformate gas or natural gas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.The fuel cells and/or electrolytic cells are expediently designed to be essentially flat and/or disc-shaped.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.In a supplementary variant, the oxidizing agent is air with oxygen or pure oxygen.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen oder eine SOFC-Brennstoffzelleneinheit mit SOFC-Brennstoffzellen oder eine alkalische Brennstoffzelle (AFC).Preferably, the fuel cell unit is a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells, or a SOFC fuel cell unit with SOFC fuel cells, or an alkaline fuel cell (AFC).
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Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
-
1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines elektrochemischen Zellensystems als Brennstoffzellensystem und Elektrolysezellensystem mit Komponenten einer elektrochemischen Zelle als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle, -
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle und Elektrolysezelle, -
3 einen Längsschnitt durch elektrochemische Zellen als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle, -
4 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel, -
5 eine Seitenansicht der elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel, -
6 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte und -
7 ein erstes oberes Diagramm mit dem Strom als einen Betriebs- und Veränderungsparameter der Brennstoffzelleneinheit aufgetragen an der Ordinate und der Zeit aufgetragen an der Abszisse und ein zweites unteres Diagramm mit der Spannung der Zellen aufgetragen an der Ordinate und der Zeit aufgetragen an der Abszisse und -
8 ein Diagramm mit dem Volumenstrom des in die Brennstoffzelleneinheit eingeleiteten Oxidationsmittel aufgetragen an der Ordinate und der Zeit aufgetragen an der Abszisse in einem ersten Ausführungsbeispiel, -
9 ein Diagramm mit dem Volumenstrom des in die Brennstoffzelleneinheit eingeleiteten Oxidationsmittel aufgetragen an der Ordinate und der Zeit aufgetragen an der Abszisse in einem zweiten Ausführungsbeispiel und -
10 ein stark vereinfachtes Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung der elektrochemischen Zelleneinheit.
-
1 a greatly simplified exploded view of an electrochemical cell system as a fuel cell system and electrolysis cell system with components of an electrochemical cell as a fuel cell and electrolysis cell, -
2 a perspective view of part of a fuel cell and electrolytic cell, -
3 a longitudinal section through electrochemical cells as fuel cells and electrolytic cells, -
4 a perspective view of an electrochemical cell unit as a fuel cell unit and electrolytic cell unit as a fuel cell stack and electrolytic cell stack, -
5 a side view of the electrochemical cell unit as a fuel cell unit and electrolytic cell unit as a fuel cell stack and electrolytic cell stack, -
6 a perspective view of a bipolar plate and -
7 a first upper diagram with the current as an operating and changing parameter of the fuel cell unit plotted on the ordinate and time plotted on the abscissa and a second lower diagram with the voltage of the cells plotted on the ordinate and time plotted on the abscissa and -
8th a diagram with the volume flow of the oxidizing agent introduced into the fuel cell unit plotted on the ordinate and the time plotted on the abscissa in a first exemplary embodiment, -
9 a diagram with the volume flow of the oxidizing agent introduced into the fuel cell unit plotted on the ordinate and the time plotted on the abscissa in a second exemplary embodiment and -
10 a highly simplified flow chart of a method for monitoring the electrochemical cell unit.
In den
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:
- Kathode:
O2 + 4 H+ + 4 e- --» 2 H2O - Anode:
2 H2 --» 4 H+ + 4 e- - Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode:
2 H2 + O2 --» 2H2O
- Cathode:
O 2 + 4 H + + 4 e - --» 2 H 2 O - Anode:
2 H 2 --» 4 H + + 4 e - - Summation reaction equation of cathode and anode:
2H2 + O2 --» 2H2O
Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 61 von mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.The difference between the normal potentials of the pairs of electrodes under standard conditions as a reversible fuel cell voltage or no-load voltage of the unloaded
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H+ und sperrt andere Ionen als Protonen H+ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H+ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H2 und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O2 als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.The
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 7, 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht (nicht dargestellt). Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf graphitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.The
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H+ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membrane).Deviating from this, the
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier als Träger- und Substratschicht und einer gebundenen Kohlepulverschicht als mikroporöser Schicht (microporous layer) aufgebaut.On the anode 7 and the
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase als Prozessfluide durch die Kanalstrukturen 29 und/oder Flussfelder 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 als Kanalstruktur 29 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Prozessfluid eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe und/oder Graphit eingesetzt.A bipolar plate 10 rests on the
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt zu einem Brennstoffzellenstack 61 angeordnet (
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine erste Spannplatte 35 liegt auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und eine zweiten Spannplatte 36 liegt auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in
In
Da die Bipolarplatte 10 auch den Gasraum 31 für Brennstoff von dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel fluiddicht abtrennt und ferner auch den Kanal 14 für Kühlmittel fluiddicht abdichtet kann für die Bipolarplatte 10 ergänzend auch der Begriff der Separatorplatte 51 zur fluiddichten Trennung bzw. Separierung von Prozessfluiden gewählt werden. Damit wird unter dem Begriff der Bipolarplatte 10 auch der Begriff der Separatorplatte 51 subsumiert und umgekehrt. Die Kanäle 12 für Brennstoff, die Kanäle 13 für Oxidationsmittel und die Kanäle 14 für Kühlmittel der Brennstoffzelle 2 sind auch an der elektrochemische Zelle 52 als Elektrolysezelle 50 ausgebildet, jedoch mit einer anderen Funktion.Since the bipolar plate 10 also separates the gas chamber 31 for fuel from the gas chamber 32 for oxidizing agent in a fluid-tight manner and also seals the
Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als Elektrolysezelleneinheit 49 eingesetzt und betrieben werden, d. h. bildet eine reversible Brennstoffzelleneinheit 1. Im Nachfolgenden werden einige Merkmale beschrieben, die den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 als Elektrolysezelleneinheit 49 ermöglichen. Für die Elektrolyse wird ein flüssiger Elektrolyt, nämlich stark verdünnte Schwefelsäure mit einer Konzentration von ungefähr c (H2SO4) = 1 mol/l, verwendet. Eine ausrechende Konzentration von Oxoniumionen H30+ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.The fuel cell unit 1 can also be used and operated as an electrolytic cell unit 49, ie forms a reversible fuel cell unit 1. A number of features that allow the fuel cell unit 1 to be operated as an electrolytic cell unit 49 are described below. A liquid electrolyte, namely highly diluted sulfuric acid with a concentration of approximately c(H 2 SO 4 ) = 1 mol/l, is used for the electrolysis. A sufficient concentration of oxonium ions H 3 0 + in the liquid electrolyte is necessary for the electrolysis.
Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:
- Kathode:
4 H3O+ + 4 e- → 2 H2 + 4 H2O - Anode:
6 H2O → O2 + 4 H3O+ + 4 e- - Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode:
2 H2O → 2 H2 + O2
- Cathode:
4H3O + + 4e - → 2H2 + 4H2O - Anode:
6 H 2 O → O 2 + 4 H 3 O + + 4 e - - Summation reaction equation of cathode and anode:
2H2O → 2H2 + O2
Die Polung der Elektroden 7, 8 erfolgt mit Elektrolyse bei dem Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgekehrt (nicht dargestellt) wie bei dem Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich in den Kanälen 12 für Brennstoff, durch den der flüssige Elektrolyt geleitet wird, an den Kathoden Wasserstoff H2 als zweiter Stoff gebildet wird und der Wasserstoff H2 von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert wird. Analog wird durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel der flüssige Elektrolyt geleitet und an den Anoden in bzw. an Kanälen 13 für Oxidationsmittel Sauerstoff O2 als erster Stoff gebildet wird. Die Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 fungieren beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 als Elektrolysezellen 50. Die Brennstoffzellen 2 und Elektrolysezellen 50 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Der gebildete Sauerstoff O2 wird von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert. Der flüssige Elektrolyt ist in einem Speicherbehälter 54 gelagert. In
An der Abführleitung 15 für Brennstoff ist ein Abscheider 57 für Wasserstoff angeordnet. Der Abscheider 57 scheidet aus dem Elektrolyten mit Wasserstoff den Wasserstoff ab und der abgeschiedene Wasserstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in den Druckgasspeicher 21 eingeleitet. Der aus dem Abscheider 57 für Wasserstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. An der Abführleitung 26 für Brennstoff ist ein Abscheider 58 für Sauerstoff angeordnet. Der Abscheider 58 scheidet aus dem Elektrolyten mit Sauerstoff den Sauerstoff ab und der abgeschiedene Sauerstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in einem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff eingeleitet. Der Sauerstoff in dem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff kann optional für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 genutzt werden indem mit einer nicht dargestellten Leitung der Sauerstoff in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel gleitet wird beim Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1. Der aus dem Abscheider 58 für Sauerstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. Die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 sind dahingehend ausgebildet, dass nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und dem Abschalten der Pumpe 56 der flüssige Elektrolyt wieder vollständig in den Speicherbehälter 54 zurück läuft aufgrund der Schwerkraft. Optional wird nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und vor der Verwendung als Brennstoffzelleneinheit 1 durch die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 ein Inertgas durchgeleitet zum vollständigen Entfernen des flüssigen Elektrolyten vor dem Durchleiten von gasförmigem Brennstoff und Oxidationsmittel. Die Brennstoffzellen 2 und die Elektrolysezellen 2 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Die Brennstoffzelleneinheit 1 und die Elektrolysezelleneinheit 49 bilden somit eine elektrochemische Zelleneinheit 53. Die Kanäle 12 für Brennstoff und der Kanäle für Oxidationsmittel bilden damit Kanäle 12, 13 zum Durchleiten des flüssigen Elektrolyten beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 und dies gilt analog für die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26. Eine Elektrolysezelleneinheit 49 benötigt aus prozesstechnischen Gründen normalerweise keine Kanäle 14 zum Durchleiten von Kühlmittel. In einer elektrochemischen Zelleneinheit 49 bilden die Kanäle 12 für Brennstoff auch Kanäle 12 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel bilden auch Kanäle 13 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten.A
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelleneinheit 1 als eine alkalische Brennstoffzelleneinheit 1 ausgebildet. Als mobiler Elektrolyt wird Kalilauge als Kaliumhydroxid-Lösung eingesetzt. Die Brennstoffzellen 2 sind gestapelt angeordnet. Dabei kann ein monopolarer Zellaufbau oder ein bipolarer Zellaufbau ausgebildet sein. Die Kaliumhydroxid-Lösung zirkuliert zwischen einer Anode und Kathode und transportiert Reaktionswasser, Wärme und Verunreinigungen (Carbonate, Gelöstgase) ab. Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als reversible Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. als Elektrolysezelleneinheit 49, betrieben werden.In a further exemplary embodiment, which is not shown, the fuel cell unit 1 is designed as an alkaline fuel cell unit 1 . Potassium hydroxide solution is used as a mobile electrolyte. The
Der Betrieb, die Steuerung, die Regelung und die Überwachung der Elektrolysezelleneinheit 49, nämlich die oben beschriebene Brennstoffzelleneinheit 1, wird mit einer Recheneinheit 62, d. h. einer Steuerungs- und/oder Regeleinheit 63, ausgeführt. Jede Bipolarplatte 10 ist mit einer Stromleitung 65 elektrisch leitend verbunden und die Stromleitungen 65 des Zellenstacks 61 als dem Brennstoffzellenstapel 61 sind mit einer Messvorrichtung 66 zur getrennten Erfassung der Spannungen an den Brennstoffzellen 2 je für eine Brennstoffzelle 2 verbunden. Die Messvorrichtung 66 und die Stromleitungen 65 bilden damit einen Sensor 64 zur Erfassung eines Zellenparameters der Brennstoffzellen 2, nämlich der Spannung der Brennstoffzellen 2. Dabei kann für jede Brennstoffzelle 2 eine separate Messvorrichtung 66 vorgesehen sein (
Im normalen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 zur Umwandlung der elektrochemischen Energie des Brennstoffes Wasserstoff in elektrische Energie wird die Brennstoffzelleneinheit 1 mit bestimmten und veränderlichen Betriebsparametern betrieben 68. Diese Betriebsparameter sind beispielsweise der durch den Brennstoffzellenstack 61 geleitete Strom, der Volumenstrom des Anodengases, d. h. des Brennstoffes Wasserstoff, der in die Brennstoffzelleneinheit 1 eingeleitet wird, der Volumenstrom des Kathodengases, d. h. des Oxidationsmittels Luft, der in die Brennstoffzelleneinheit 1 eingeleitet wird und die Temperatur und der Volumenstrom des in die Brennstoffzelleneinheit 1 eingeleiteten Kühlmittels.During normal operation of the fuel cell unit 1 for converting the electrochemical energy of the hydrogen fuel into electrical energy, the fuel cell unit 1 is operated with specific and
Zur Überwachung der Brennstoffzelleneinheit 1 als der elektrochemischen Zelleneinheit 53 wird während eines Veränderungszeitraumes 74 von wenigen Sekunden eine Veränderung, d. h. eine Vergrößerung und/oder eine Verkleinerung, von wenigstens einem Betriebsparameter oder mehreren Betriebsparametern zu einem Überwachungsparameter oder mehreren Überwachungsparametern ausgeführt. Nach der Beendigung des Veränderungszeitraumes 74 wird die Brennstoffzelleneinheit 1 wieder mit dem normalen, für den Betrieb erforderlichen Betriebsparametern betrieben.To monitor the fuel cell unit 1 as the electrochemical cell unit 53, a change, i. H. an increase and/or a reduction of at least one operating parameter or several operating parameters to a monitoring parameter or several monitoring parameters. After the
In dem in
In
Während einer Anfangsphase des Veränderungszeitraumes 74 wird ein Erfassen 70 der Zellenparameter sämtlicher Brennstoffzellen 2 zu unterschiedlichen, aufeinanderfolgenden Zeitpunkten tx ausgeführt. Dabei werden die Zellenparameter als die Spannungen getrennt für jede Brennstoffzelle 2 mit der Messvorrichtung 66 erfasst und dies wird für sämtliche der unterschiedlichen, zeitlich aufeinanderfolgenden Zeitpunkten tx ausgeführt. Die Daten von diesen Zellenparametern als die Spannungen werden anschließend zu der Recheneinheit 62 übertragen und es erfolgt für jeden Zeitpunkt tx die Bestimmung 71 des arithmetischen Mittelwertes als einem statistischen Wert des Zellenparameters der Spannung. Bei einer fiktiven Brennstoffzelleneinheit 1 mit 3 Brennstoffzellen 2, bei welcher zu einem Zeitpunkt tx die Spannungen 0,9 V, 1,0 V und 0,6 V ermittelt worden sind beträgt somit der arithmetische Mittelwert des Zellenparameters der Spannung zu diesem Zeitpunkt tx ungefähr 0,83 V. In
Anschließend wird ein Vergleichen 72 der Zellenparameter als Spannung der Brennstoffzellen 2 mit einer Referenzabweichung ausgeführt. Die Referenzabweichung wird bestimmt indem der arithmetische Mittelwert für den Zeitpunkt tx um einen positiven Wert von 0,2 V vergrößert und um einen negativen Wert von -0,2 V verkleinert wird und der Bereich dazwischen die Referenzabweichung ist. Bei einer Abweichung eines Zellenparameters je einer Brennstoffzelle 2 von der Referenzabweichung während je eines Zeitpunktes tx wird eine Zellzustandsindiz angenommen. Die Referenzabweichung ist ein Bereich der Spannung von +/- 0,2 V zu dem arithmetischen Mittelwert von 0,83 V, d. h. ein Bereich der Spannung zwischen 0,63 V und 1,03 V. Die erste Brennstoffzelle 2 mit der Spannung von 0,9 V liegt somit innerhalb der Referenzabweichung und der ersten Brennstoffzelle 2 wird somit keine Zellzustandsindiz als die temporäre Beeinträchtigung oder der Schaden zugewiesen. Die zweite Brennstoffzelle 2 weist eine Spannung von 1,0 V auf und auch diese liegt innerhalb der Referenzabweichung, sodass auch der zweiten Brennstoffzelle 2 keine Zellzustandsindiz zugewiesen wird. Die dritte Brennstoffzelle 2 weist zu dem Zeitpunkt tx die Spannung von 0,6 V auf und dies liegt außerhalb der Referenzabweichung, sodass der dritten Brennstoffzelle 2 für diesen Zeitpunkt tx ein Zellzustandsindiz zugewiesen wird. Dieser Vorgang wird für sämtliche Zeitpunkte tx ausgeführt, sodass für jeden Zeitpunkt tx für sämtliche Brennstoffzellen 2 ermittelt worden ist, ob je einer Brennstoffzelle 2 eine Zellzustandsindiz entsprechend der oben beschriebenen Vorgehensweise zugewiesen worden ist oder nicht. Beispielsweise wird das Verfahren während des Veränderungszeitraumes 74 mit 3, 15 oder 20 Zeitpunkten tx ausgeführt. Die Anzahl der Bestimmungen für die Brennstoffzellen 2, ob ein Zellzustandsindiz vorlegt oder nicht, entspricht somit dem Ergebnis der Multiplikation aus der Anzahl der Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 mit der Anzahl der Zeitpunkte tx.A
Anschließend wird die Bestimmung 73 des Zellzustands an den Brennstoffzellen 2 ausgeführt wird indem die Anzahl der Zellzustandsindizien der je einen Brennstoffzelle 2 während des Veränderungszeitraumes 74 durch die Gesamtanzahl der erfassten Zeitpunkte tx dividiert wird und ab dem Überschreiten eines Grenzwertes des Ergebnisses dieser Division als Anteilsindiz der Zellzustand der je einen Brennstoffzelle 2 bestimmt wird. Der Zellzustand ist eine für den Betrieb negative Eigenschaft einer Brennstoffzelle 2 als ein Schaden oder eine temporäre Betriebsbeeinträchtigung. Beträgt die Gesamtanzahl der Zeitpunkte tx 10 und der Grenzwert liegt bei 9 % wird bereits bei nur einer Zellzustandsindiz zu nur einem Zeitpunkt tx einer Brennstoffzelle 2 dieser Brennstoffzelle 2 der Zellzustand zugewiesen und ermittelt. Beträgt die Gesamtanzahl der Zeitpunkte tx 10 und der Grenzwert liegt bei 29 % wird bereits bei ab einer Zellzustandsindiz von wenigstens drei Zeitpunkten tx je einer Brennstoffzelle 2 dieser Brennstoffzelle 2 der Zellzustand zugewiesen und ermittelt. Beträgt die Gesamtanzahl der Zeitpunkte tx 3 und der Grenzwert liegt bei 30 % wird bereits bei nur einer Zellzustandsindiz zu nur einem Zeitpunkt tx einer Brennstoffzelle 2 dieser Brennstoffzelle 2 der Zellzustand zugewiesen und ermittelt, weil 33 % größer als 30 % ist.The
Das oben beschriebene Verfahren kann auch dahin kombiniert werden, dass die Zellzustandsindizien und/oder der ermittelte Zellzustand von Brennstoffzellen 2 zu verschiedenen unterschiedlichen Veränderungszeiträumen 74 mit unterschiedlichen Überwachungsbetriebsparametern bestimmt wird. Beispielsweise wird einer Brennstoffzelle 2 erst dann ein Zellzustand zugewiesen, falls für die getrennte Ermittlung zu den beiden unterschiedlichen Veränderungszeiträumen 74 mit den unterschiedlichen Überwachungsbetriebsparametern sich für diese Brennstoffzelle 2 ein Zellzustand ergibt. Darüber hinaus können während des Veränderungszeitraumes 74 auch zwei oder mehr der Betriebsparameter zu den Überwachungsbetriebsparametern verändert werden.The method described above can also be combined in such a way that the cell condition indicators and/or the determined cell condition of
Soweit als Zellenparameter die Spannung der Brennstoffzellen 2 verwendet wird und die Brennstoffzelleneinheit 1 sowie das Brennstoffzellensystem 4 über eine CVM-Vorrichtung (CVM: cell voltage monitoring) verfügt und das Verändern 69 von Betriebsparametern zu Überwachungsparameter mittels der Recheneinheit 62 als der Steuerungs- und/oder Regeleinheit 63 ausgeführt werden kann ist es möglich, dass erfindungsgemäße Verfahren durch eine softwarebasierte Verbesserung an einer elektrochemischen Zelleneinheit 53 auszuführen.If the voltage of the
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 und der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 wesentliche Vorteile verbunden. Temporäre Beeinträchtigungen, Schäden und Mängel als der Zellzustand am Brennstoffzellen 2 können im normalen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 mit den notwendigen Betriebsparametern nur schwierig frühzeitig erfasst werden, weil sich hier für die einzelnen Brennstoffzellen 2 nur geringfügige, schwer zu erfassende kleine Veränderungen der Zellenparameter ergeben. Aus diesem Grund wird während des Veränderungszeitraumes 74 eine wesentliche und große Veränderung wenigstens eines Betriebsparameters zu dem wenigstens einem Überwachungsparameter ausgeführt, sodass sich auch an den Brennstoffzellen 2 größere, leicht zu erfassende Veränderungen der Zellenparameter ergeben und damit auch bereits kleine und geringe Zellstände als Schäden, temporäre Beeinträchtigungen und Mängel an Brennstoffzellen 2 ermittelt werden können. Damit kann in vorteilhafter Weise ein Zellzustand an einer Brennstoffzelle 2 bereits in einem frühen Stadium erfasst werden und anschließend können Maßnahmen zur Steuerung und/oder Regelung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 automatisch eingeleitet werden, um eine weitere Verschlechterung des Zellzustandes an Brennstoffzellen 2 möglichst gering zu halten. Ergibt sich beispielsweise aus den in der Vergangenheit erfassten Zellenparametern dass für bestimmte extreme Überwachungsbetriebsparameter für einzelne Brennstoffzellen 2 Probleme und Schäden auftreten wird bei der Steuerung und/oder Regelung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 versucht auch im normalen Betrieb bestimmte extreme Betriebsparameter soweit möglich zu vermeiden. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Lebensdauer einer elektrochemischen Zelleneinheit 53, d. h. der Brennstoffzelleneinheit 1 und der Elektrolysezelleneinheit 49, verlängert werden.Overall, the method according to the invention for monitoring the electrochemical cell unit 53 and the electrochemical cell unit 53 according to the invention have significant advantages. Temporary impairments, damage and defects as the cell condition of the
Claims (15)
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DE102021207855.9A DE102021207855A1 (en) | 2021-07-22 | 2021-07-22 | Method of monitoring an electrochemical cell unit |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN116516416A (en) * | 2023-06-26 | 2023-08-01 | 上海治臻新能源股份有限公司 | Electrolytic tank detection method, single cell and electric pile device |
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- 2021-07-22 DE DE102021207855.9A patent/DE102021207855A1/en active Pending
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CN116516416A (en) * | 2023-06-26 | 2023-08-01 | 上海治臻新能源股份有限公司 | Electrolytic tank detection method, single cell and electric pile device |
CN116516416B (en) * | 2023-06-26 | 2023-10-27 | 上海治臻新能源股份有限公司 | Electrolytic tank detection method, single cell and electric pile device |
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