DE102021209031A1

DE102021209031A1 - Verfahren zur Überwachung einer elektrochemischen Zelleneinheit

Info

Publication number: DE102021209031A1
Application number: DE102021209031.1A
Authority: DE
Inventors: Harald Schmeisser; Susanne Spindler; Thomas Wuerzbach; Kai Wipplinger; Jochen Wessner; Achim Brenk; Michael Giuseppe Marino; Joachim Schurr
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-08-18
Filing date: 2021-08-18
Publication date: 2023-02-23

Abstract

Verfahren zur Überwachung einer elektrochemischen Zelleneinheit (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 (52) als Zellenstack (61) mit den Schritten: Betreiben der elektrochemischen Zelleneinheit (53), so dass elektrochemische Energie in elektrische Energie oder elektrische Energie in elektrochemische Energie umgewandelt wird, Erfassen der Zellenparameter der Zellen (52) getrennt für je eine Zelle (52) und/oder getrennt für je einer Gruppe von Zellen (52) des Zellenstacks (61) der elektrochemischen Zelleneinheit (53) mit einer Vorrichtung (68) zur Erfassung der Zellenparameter, Übermitteln der getrennt für die einzelnen Zellen (52) und/oder Gruppen von Zellen erfassten Zellenparameter an eine Recheneinheit (62), Bestimmung eines kritischen Betriebszustandes an je einer Zelle (52) und/oder an je einer Gruppe von Zellen (52) in Abhängigkeit von den getrennt für je eine Zelle (52) und/oder getrennt für je eine Gruppe von Zellen (52) erfassten Zellenparameter mittels der Recheneinheit (62), wobei in der Recheneinheit (62) verschiedene Speicher-Muster der Zellenparameter für kritische Betriebszustände gespeichert sind und mit der Recheneinheit (62) ein Vergleich zwischen den Speicher-Mustern und den Mustern der erfassten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen (52) ausgeführt wird und bei einer Identität oder Ähnlichkeit zwischen je einem Speicher-Muster und den Mustern der erfassten Zellenparametern der kritische Betriebszustand bestimmt wird.

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 15.
Stand der Technik
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.
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.
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.
Dabei ist es bereits bekannt, mittels einer CVM-Vorrichtung (cell voltage monitoring-Vorrichtung) Schäden an einzelnen Brennstoffzellen oder Gruppen von Brennstoffzellen zu erfassen. In der CVM Vorrichtung werden die Spannungen der elektrochemischen Zellen oder Gruppen von Zellen als Zellenparameter erfasst und anschließend die erfassten Spannungen für die einzelnen Zellen oder Gruppen von Zellen ausgewertet. Die Auswertung erfolgt mit einfachen Kriterien, beispielsweise das Unterschreiten eines vorgegebenen Minimalwertes der Spannung der Zellen oder das Überschreiten eines vorgegebenen Maximalwertes der Spannungen der Zellen oder Gruppen von Zellen, sodass dadurch Schäden an den elektrochemischen Zellen erst sehr spät erfasst werden können. Maßnahmen zur Vermeidung von Schäden an der Brennstoffzelleneinheit oder der Elektrolysezelleneinheit können dadurch erst nach einer erheblichen Zeit nach Eintritt des Schadens eingeleitet werden, sodass dadurch mit dauerhaften und irreparablen Schäden an der Brennstoffzelleneinheit oder der Elektrolysezelleneinheit zu rechnen ist. Dies vermindert in nachteiliger Weise die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der elektrochemischen Zelleneinheit.
Die AT 522879 B1 zeigt eine Betriebsvorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel mit einer Anode, einer Kathode und einer zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolytmembran umfasst, aufweisend ein Erfassungsmodul zum Erfassen von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems, ein Ermittlungsmodul zum Ermitteln von Basis-Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems auf Basis der erfassten Betriebsparameter, ein Kontrollmodul zum Durchführen von verschiedenen Kontrolleingriffen zum Erzeugen eines Korrektur-Betriebszustandes ausgehend von den Basis-Betriebszuständen unter Verwendung einer Betriebsanalyse, einer THD-Analyse, einer CVM-Analyse und/oder einer Sicherheitsanalyse, und ein Priorisierungsmodul zum Definieren einer Anwendungsreihenfolge für die verschiedenen Kontrolleingriffe.
Die DE 11 2009 002 043 T5 zeigt ein Brennstoffzellensystem mit einer Spannungserfassungseinrichtung zur Erfassung einer Zellenspannung einer Zellengruppe, die eine oder mehrere Zellen enthält, einer Stromdichteerfassungseinrichtung zur Erfassung einer erzeugten Stromdichte der Zellengruppe, und einer Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines Wendepunkts einer Änderung in der Zellenspannung in Bezug auf die erzeugte Stromdichte auf der Grundlage der Erfassungsergebnisse der Spannungserfassungseinrichtung und der Stromdichteerfassungseinrichtung.
Die EP 2 845 255 B1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung kritischer Betriebszustände an einem Brennstoffzellenstack, bestehend aus in Serie geschalteten Einzelzellen, wobei dem Brennstoffzellenstack ein niederfrequentes Strom- oder Spannungssignal eingeprägt, das sich ergebende Spannungs- oder Stromsignal gemessen und der Klirrfaktor des Signals bestimmt wird, wobei zur Bestimmung eines mit unzulässigen Wasseransammlungen und Tröpfchenbildungen an den Membranen des Brennstoffzellenstacks korrelierenden Indikators die Parameter, sowie die Schwankungen der gemessenen Spannungskurve herangezogen werden, wobei diese jeweils Linearkombinationen der Klirrfaktoren von Strom und Spannung sind.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes
Verfahren zur Überwachung einer elektrochemischen 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, so dass elektrochemische Energie in elektrische Energie oder elektrische Energie in elektrochemische Energie umgewandelt wird, Erfassen der Zellenparameter der Zellen getrennt für je eine Zelle und/oder getrennt für je einer Gruppe von Zellen des Zellenstacks der elektrochemischen Zelleneinheit mit einer Vorrichtung zur Erfassung der Zellenparameter, Übermitteln der getrennt für die einzelnen Zellen und/oder Gruppen von Zellen erfassten Zellenparameter an eine Recheneinheit, Bestimmung eines kritischen Betriebszustandes an je einer Zelle und/oder an je einer Gruppe von Zellen in Abhängigkeit von den getrennt für je eine Zelle und/oder getrennt für je eine Gruppe von Zellen erfassten Zellenparameter mittels der Recheneinheit, wobei vorzugsweise in der Recheneinheit verschiedene Speicher-Muster der Zellenparameter für kritische Betriebszustände gespeichert sind und mit der Recheneinheit ein Vergleich zwischen den Speicher-Mustern und den Mustern der erfassten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen ausgeführt wird und bei einer Identität oder Ähnlichkeit zwischen je einem Speicher-Muster und den Mustern der erfassten Zellenparametern der kritische Betriebszustand bestimmt wird. In einem Speicher-Muster der elektrochemischen Zellen ist, vorzugsweise wenigstens 80%, 90% oder 95%, insbesondere sämtlichen, elektrochemischen Zellen und/oder Gruppen von Zellen, des Zellenstacks je ein bestimmter Wert des Zellenparameters zugeordnet. Die Anzahl der in einem Speicher-Muster gespeicherten Werte der Zellenparameter entspricht vorzugsweise zu wenigstens 80%, 90% oder 95%, insbesondere vollständig, der Anzahl der elektrochemischen Zellen und/oder Gruppen von Zellen in dem Zellenstack. Zur Prüfung der Identität zwischen dem Speicher-Muster und dem Muster der erfassten Zellenparameter werden die gespeicherten Werte der Zellenparameter des Speicher-Musters für jede einzelne Zelle und/oder Gruppe von Zellen mit den erfassten Werten der Zellenparameter verglichen und bei einer Identität zwischen den in dem Speicher-Muster gespeicherten Zellenparametern und sämtlichen erfassten Zellenparametern zu einem Zeitpunkt liegt eine Identität zwischen dem gespeicherten Speicher-Muster und dem Muster der erfassten Zellenparametern vor und bei einer Abweichung zwischen wenigstens einem in dem Speicher-Muster gespeicherten Wert des Zellenparameters und den erfassten Zellenparametern des erfassten Musters liegt eine Ähnlichkeit zwischen dem Speicher-Muster und dem Muster der erfassten Zellenparameter vor, sofern der Betrag der Differenz zwischen den jeweiligen Werten des Zellenparameters in dem Speicher-Muster und den erfassten zugeordneten Zellenparameter des Musters bei wenigstens 90% oder 95%, insbesondere sämtlichen, Zellen und/oder Gruppen von Zellen, kleiner ist als ein Referenzwert und andernfalls liegt keine Ähnlichkeit vor. Der Referenzwert beträgt beispielsweise 5 %, 10 % oder 20 % des durchschnittlichen Zellenparameters sämtlicher Zellen und/oder Gruppen von Zellen zu dem je einen Zeitpunkt. In einer Gruppe von Zellen sind wenigstens zwei Zellen zu der Gruppe zusammengefasst und der Zellenparameter wird für die Zellen in der je einen Gruppe gemeinsam erfasst. Beispielsweise bei dem Zellenparameter der Spannung der Zellen wird in der Gruppe die Spannung der Gruppe erfasst, d. h. die durchschnittliche Spannung der Spannungen der Zellen in der Gruppe.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Vergleich zwischen den Speicher-Mustern und den Mustern der erfassten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen und/oder Gruppen von elektrochemischen Zellen ausgeführt für die erfassten Zellenparameter zu je einem Zeitpunkt. Zu dem je einem Zeitpunkt werden die Zellenparameter der elektrochemischen Zellen erfasst und der Vergleich zwischen den Speichermustern und den Mustern der erfassten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen und/oder Gruppen von elektrochemischen Zellen ausgeführt.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird der Vergleich zwischen den Speicher-Mustern und den Mustern der erfassten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen und/oder Gruppen von elektrochemischen Zellen ausgeführt für mehrere zeitlich aufeinander folgende Zeitpunkte während des Betriebes der elektrochemischen Zelleneinheit. Während des Betriebes der elektrochemischen Zelleneinheit wird der Vergleich zwischen den Speichermustern und den Mustern der erfassten Zellenparameter kontinuierlich in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ausgeführt, beispielsweise nach jeder Sekunde oder Minute.
In einer zusätzlichen Variante werden in einem Modell die erfassten Zellenparameter zu dem je einen Zeitpunkt der elektrochemischen Zellen als fiktive und/oder tatsächliche Balkensymbole in Reihe an einer Abszisse in der Reihenfolge der elektrochemischen Zellen und/oder Gruppen von elektrochemischen Zellen des Zellenstacks aufgetragen und die Größe der Zellenparameter der Länge der fiktiven und/oder tatsächlichen Balkensymbole entspricht, so dass an der Ordinate die Größe der Zellenparameter aufgetragen ist. Die Abszisse und die Ordinate eines fiktiven oder tatsächlichen rechtwinkliges Koordinatensystems dienen somit zur Darstellung der erfassten Zellenparameter des Musters und des Speicher-Musters. Die fiktiven oder tatsächlichen Balkensymbole sind parallel zu der Ordinate und senkrecht zu der Abszisse ausgerichtet. Die Länge der fiktiven oder tatsächlichen Balkensymbole in Richtung der Ordinate gibt somit die Größe des Zellenparameters je einer Zelle und/oder je einer Gruppe von Zellen an. Die Reihenfolge der elektrochemischen Zellen und/oder Gruppen von elektrochemischen Zellen in den Zellenstack entspricht der Reihenfolge der den elektrochemischen Zellen zugeordneten fiktiven oder tatsächlichen Balkensymbole oder Geraden. Das Verfahren wird in einem Modell ausgeführt, so dass anstelle von tatsächlichen Balkensymbolen auch fiktive Balkensymbole als numerische Werte für die Durchführung des Verfahrens verwendet werden können.
Vorzugsweise wird in einem Modell der Vergleich zwischen den Speicher-Mustern und den Mustern der erfassten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen mit einer Bildverarbeitungssoftware ausgeführt indem Speicher-Muster als gespeicherte Balkensymbole in Reihe an der Abszisse in der Reihenfolge der elektrochemischen Zellen und/oder Gruppen von elektrochemischen Zellen des Zellenstacks gespeichert sind und mit erfassten fiktiven und/oder tatsächlichen Balkensymbole in Reihe an der Abszisse in der Reihenfolge der elektrochemischen Zellen und/oder Gruppen von elektrochemischen Zellen des Zellenstacks verglichen werden. Mithilfe einer Bildverarbeitungssoftware können identische und ähnliche grafische Darstellungen erfasst werden und aufgrund der grafischen Darstellung der Speicher-Muster und der Muster kann somit allein aufgrund des grafischen und optischen Vergleiches mittels der Bildverarbeitungssoftware einem Speicher-Muster ein identisches oder ähnliches Muster der erfassten Zellenparameter zugeordnet werden. Den Speicher-Mustern sind im Allgemeinen bestimmte Schadensereignisse zugeordnet, sodass aufgrund der Erfassung eines Speicher-Musters entsprechende Maßnahmen zur Reduzierung dieses bestimmten zugeordneten Schadensereignisses eingeleitet werden. Der Vergleich zwischen den Speicher-Mustern und den Mustern der erfassten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen wird mit einer Bildverarbeitungssoftware ausgeführt, vorzugsweise in einem Modell, ausgeführt, so dass anstelle von tatsächlichen Balkensymbolen auch fiktive Balkensymbole als numerische Werte für die Durchführung des Verfahrens verwendet werden können, d. h. in entsprechenden Algorithmen werden keine tatsächlichen Balkensymbole erzeugt, sondern lediglich die anhand der numerischen Werte als fiktive Balkensymbole wird mittels der Analysemethoden der Bildverarbeitungssoftware der Vergleich ausgeführt, so dass nur die Analysemethoden der Bildverarbeitungssoftware mit einer Software ausgeführt werden, jedoch keine Bildverarbeitung von tatsächlichen Bildern ausgeführt wird.
In einer ergänzenden Ausführungsform weist ein Speicher-Muster der gespeicherten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen die nachfolgenden Merkmale auf: im Wesentlichen konstante Zellenparameter außerhalb eines Endbereiches des Zellenstacks und die Zellenparameter an einem Endbereich des Zellenstacks wesentlich kleiner sind als die durchschnittlichen Zellenparameter außerhalb des einen Endbereiches. Wesentlich kleiner als der durchschnittliche Zellenparameter außerhalb des einen Endbereiches bedeutet vorzugsweise, dass die Zellenparameter des Endbereiches kleiner sind als 95 %, 90 %, 80 %, 70 % oder 60 % des durchschnittlichen Zellenparameters außerhalb des Endbereiches.
In einer weiteren Variante weist ein Speicher-Muster der gespeicherten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen die nachfolgenden Merkmale auf: im Wesentlichen konstante Zellenparameter außerhalb eines Endbereiches des Zellenstacks und die Zellenparameter an einem Endbereich des Zellenstacks wesentlich größer sind als die durchschnittlichen Zellenparameter außerhalb des einen Endbereiches. Wesentlich größer als der durchschnittliche Zellenparameter außerhalb des einen Endbereiches bedeutet vorzugsweise, dass die Zellenparameter des Endbereiches größer sind als 105 %, 110 %, 120 %, 130 % oder 140 % des durchschnittlichen Zellenparameters außerhalb des Endbereiches.
Zweckmäßig weist ein Speicher-Muster der gespeicherten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen die nachfolgenden Merkmale auf: im Wesentlichen konstanten Zellenparameter außerhalb wenigstens eines Teilbereiches des Zellenstacks und die Zellenparameter an dem wenigstens einem Teilbereich des Zellenstacks wesentlich größer und/oder kleiner sind als die durchschnittliche Zellenparameter außerhalb des wenigstens einen Teilbereiches.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung weisen der je eine Teilbereich bei einer Darstellung der gespeicherten Zellenparameter in dem Modell als gespeicherte fiktive oder tatsächliche Balkensymbole in Reihe an der Abszisse in der Reihenfolge der elektrochemischen Zellen des Zellenstacks im Wesentlichen die Form einer Aussparung und/oder einer Erhöhung im Vergleich zu den im Wesentlichen konstanten Zellenparametern außerhalb des wenigstens einen Teilbereiches des Zellenstacks auf.
In einer weiteren Ausgestaltung werden in einem Modell die erfassten Zellenparameter zu dem je einen Zeitpunkt der elektrochemischen Zellen als fiktive oder tatsächliche Geradenabschnitte in Reihe an einer Abszisse als x-Achse in der Reihenfolge der elektrochemischen Zellen und/oder Gruppen von elektrochemischen Zellen des Zellenstacks aufgetragen und die Geradenabschnitte an der Abszisse beginnen als erstes Ende der Geradenabschnitte und an einem zweiten Ende enden und die Geradenabschnitte senkrecht zu der Abszisse ausgerichtet sind und die Größe der Zellenparameter direkt proportional zu der Länge der Geradenabschnitte ist und an der Ordinate als y-Achse der Zellenparameter aufgetragen ist und die Geradenabschnitte in Richtung der Abszisse einen, insbesondere konstanten, Abstand zueinander aufweisen. Die Abstände entsprechen der Dicke der Zellen und/oder den Dicken der Gruppen der Zellen. Bei fiktiven Geradenabschnitten werden somit lediglich die numerischen Werte der Zellenparameter der Zellen und/oder Gruppen von Zellen als Punkte in dem, insbesondere kartesischen, Koordinatensystem mit der x-Achse und y-Achse aufgetragen und die Punkte entsprechen den zweiten Enden der Geraden bei tatsächlichen Geradenabschnitten.
In einer zusätzlichen Variante wird oder werden wenigstens eine mathematische Funktion, insbesondere als wenigstens eine Taylorreihe und/oder wenigstens eine Fourierreihe, bestimmt, so dass die zweiten Enden der Geradenabschnitte innerhalb einer Bandbreite des Funktionsgraphen der wenigstens einen mathematischen Funktion liegen und/oder die zweiten Enden in dem Funktionsgraphen der wenigstens einen mathematischen Funktion liegen und die wenigstens eine mathematische Funktion die x-Werte als die Zellennummern der in Reihe angeordneten elektrochemischen Zellen und/oder Gruppen von elektrochemischen Zellen die Funktionswerte des Zellenparameters als y-Werte zuordnen mit dem Funktionsgraphen der wenigstens einen mathematischen Funktion. Vorzugsweise beträgt die Bandbreite des Funktionsgraphen 1 %, 3 %, 5 %, 10 %, 15 %, 20 % oder 30 % des durchschnittlichen Zellenparameters zu dem je einen Zeitpunkt der elektrochemischen Zellen die mit der mathematischen Funktion mit dem Funktionsgraphen approximiert werden, insbesondere ist der Funktionsgraph hinsichtlich der y-Werte der Bandbreite mittig in der Bandbreite. Als Zellennummern werden auch die Nummern von Gruppen von Zellen betrachtet, so dass einer Aufteilung des Zellenstacks in Gruppen von Zellen die Anzahl der Zellennummern kleiner ist als die tatsächliche Anzahl der Zellen. Sind beispielsweise in je einer Gruppe von Zellen zwei Zellen zugeordnet entsprich die Anzahl der Gruppen der Hälfte der Anzahl der Zellen.
In einer ergänzenden Ausgestaltung werden die Steigungen und/oder Krümmungen und/oder wenigstens ein Maximum und/oder wenigstens ein Minimum des Funktionsgraphen und/oder die y-Werte der wenigstens einen mathematischen Funktion mit wenigstens einem Referenzwert verglichen und bei einer Abweichung der Steigungen und/oder Krümmungen und/oder wenigstens eines Maximums und/oder wenigstens eins Minimums und/oder der y-Werte von dem wenigstens einen Referenzwert der kritische Betriebszustand bestimmt wird. Im Idealfall eines Zellenstacks sind sämtliche erfassten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen in dem Muster konstant oder im Wesentlichen konstant, d. h. mit einer Abweichung von weniger als 10 %, 5 %, 3 % oder 1 %. Größere Beträge der Steigungen und/oder größere Beträge der Krümmungen weisen somit auf Mängel oder Schäden als kritische Betriebszustände in dem Zellenstack hin. Da jeder elektrochemischen Zelle und/oder Gruppe von Zellen ein Zellenparameter zugeordnet ist können aufgrund der erfassten großen Beträge der Steigungen und/oder Krümmungen diejenigen elektrochemischen Zellen und/oder Gruppen von Zellen in dem Zellenstack lokalisiert werden mit den Schäden, d. h. welchen in den Teilbereichen mit dem Betrag der Steigung und/oder Krümmung liegen. Beispielsweise deutet ein Maximum des Funktionsgraphen mit einer großen Krümmung des Funktionsgraphen aufgrund der großen Krümmung zu großen Unterschieden zu Zellen mit einem geringen Abstand zu der Zelle mit dem Maximum hin, so dass in diesem Teilbereich ein Mangel vorliegt, der einen kritischen Betriebszustand darstellt.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird der Vergleich zwischen den Speicher-Mustern und den Mustern der erfassten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen ausgeführt wird indem die Muster der erfassten der elektrochemischen Zellen und/oder der Gruppen von elektrochemischen Zellen in der Reihenfolge der elektrochemischen Zellen und/oder der Gruppen von elektrochemischen Zellen in dem Zellenstack mit Algorithmen, insbesondere Algorithmen der Bildverarbeitung, in der Recheneinheit analysiert werden und mit dem Speicher-Mustern verglichen werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Verfahren mit Methoden der künstlichen Intelligenz ausgeführt und/oder unterstützt.
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.
In einer weiteren Ausgestaltung werden vor dem Vergleich zwischen den Speicher-Mustern und den Mustern der erfassten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen die erfassten Zellenparameter des Musters mit einem Anpassungsfaktor multipliziert, so dass der Durchschnitt der erfassten Zellenparameter dem Durchschnitt der Zellenparameter des Speicher-Musters entspricht oder umgekehrt. Dies erleichtert den Vergleich, weil für die Identität oder Ähnlichkeit und die Erfassung des kritischen Betriebszustandes die absoluten Werte der Zellenparameter des Speicher-Musters und des Musters weniger wichtig sind.
In einer weiteren Ausführungsform werden für unterschiedliche elektrochemischen Zellen und/oder Gruppen von Zellen als unterschiedliche x-Werte in unterschiedlichen Teilbereichen des Zellenstacks verschiedenen mathematische Funktionen bestimmt. Unterschiedliche Teilbereiche des Zellenstacks werden somit mit verschiedenen mathematische Funktionen approximiert. Ein erster Teilbereich des Zellenstacks mit einem im Wesentlichen konstanten Zellenparameter a der elektrochemischen Zellen wird mit der Funktion y = a approximiert und ein zweiter Teilbereich des Zellenstacks mit einer lokalen Erhöhung der erfassten Zellenparameter wird mit einer Taylorreihe approximiert. Beispielsweise wird bei einem periodischen Verlauf der Zellenparameter des Zellenstacks die Approximation mit einer Fourierreihe und/oder Sinusfunktion und/oder Kosinusfunktion ausgeführt. Mit Hilfe der Fourierreihe können in dem periodischen Verlauf des Funktionsgraphen der Zellenparameter des Zellenstacks auch ein Gleichanteil, eine Grundschwingung und eine zweite Oberschwindung analysiert und ausgewertet werden.
Insbesondere ist der Zellenparameter die Spannung an je einer Zelle und/oder an je einer Gruppe von Zellen und/oder die Verteilung eines Magnetfeldes an je einer Zelle und/oder an je einer Gruppe von Zellen.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt die Anzahl der elektrochemischen Zellen des ersten Endbereiches und/oder des zweiten Endbereiches und/oder wenigstens eines Teilbereiches weniger als 20%, 10% oder 5 % der gesamten Anzahl der elektrochemischen Zellen.
In einer ergänzenden Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit wenigstens eine Messvorrichtung zur Erfassung des Zellenparameters der Spannung getrennt für je eine Zelle und/oder Gruppe von Zellen, insbesondere für sämtliche Zellen und/oder Gruppen von Zellen des Zellenstacks, und/oder Hallsensoren an den Zellen und/oder Gruppen von Zellen zur Erfassung des Magnetfeldes und/oder der Verteilung des Magnetfeldes getrennt für je eine Zelle und/oder Gruppe von Zellen, insbesondere für sämtliche Zellen und/oder Gruppen von Zellen des Zellenstacks. Die Messvorrichtung zur Erfassung des Zellenparameters der Spannung und/oder die Hallsensoren bilden damit die Vorrichtung zur Erfassung des Zellenparameters.
In einer ergänzenden Variante sind in einer Speichereinheit der Recheneinheit verschiedene Speicher-Muster der Zellenparameter für kritische Betriebszustände gespeichert und mit einer Prozesseinheit der Recheneinheit ein Vergleich zwischen den Speicher-Mustern und den Mustern der erfassten Zellenparameter von wenigstens 70%, 80%, 90% oder 95% der elektrochemischen Zellen und/oder Gruppen von Zellen, insbesondere sämtlichen elektrochemischen Zellen und/oder Gruppen von Zellen, des Zellenstacks ausgeführt wird und bei einer Identität oder Ähnlichkeit zwischen je einem Speicher-Muster und den Mustern der erfassten Zellenparametern der kritische Betriebszustand bestimmt wird.
In einer ergänzenden Variante sind in je einem Speicher-Muster die Zellenparameter von wenigstens 70%, 80%, 90% oder 95% der elektrochemischen Zellen und/oder Gruppe, insbesondere sämtlichen elektrochemischen Zellen und/oder Gruppe, des Zellenstacks, gespeichert.
In einer ergänzenden Ausführungsform weist ein Speicher-Muster der gespeicherten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen die nachfolgenden Merkmale auf: im Wesentlichen konstante Zellenparameter außerhalb zweier Endbereiches des Zellenstacks und die Zellenparameter an zwei Endbereichen des Zellenstacks wesentlich kleiner sind als die durchschnittlichen Zellenparameter außerhalb der zwei Endbereiche.
In einer weiteren Variante weist ein Speicher-Muster der gespeicherten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen die nachfolgenden Merkmale auf: im Wesentlichen konstante Zellenparameter außerhalb zweier Endbereiche des Zellenstacks und die Zellenparameter an den zwei Endbereichen des Zellenstacks wesentlich größer sind als die durchschnittlichen Zellenparameter außerhalb der zwei Endbereiche.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Funktionsgraph stetig, insbesondere auch zwischen den Zellen, so dass der Funktionsgraph die Zellenparameter zwischen den Zellen fiktiv interpoliert.
In einer weiteren Ausgestaltung sind in der Recheneinheit verschiedene Speicher-Muster als Muster-Funktionsgraphen der Zellenparameter für kritische Betriebszustände gespeichert sind und mit der Recheneinheit ein Vergleich zwischen den Speicher-Mustern als Muster-Funktionsgraphen und den Funktionsgraphen der erfassten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen und/oder Gruppen von Zellen ausgeführt wird und bei einer Identität oder Ähnlichkeit zwischen je einem Speicher-Muster als Muster-Funktionsgraphen und den Funktionsgraphen der erfassten Zellenparametern der kritische Betriebszustand bestimmt wird, wobei vorzugsweise eine Identität bei gleichen Muster-Funktionsgraphen und Funktionsgraphen vorliegt und eine Ähnlichkeit vorliegt sofern der Betrag der Differenz zwischen dem Muster-Funktionsgraphen und dem Funktionsgraphen, insbesondere stets, kleiner ist als 20%, 10% oder 5% des durchschnittlichen Zellenparameters sämtlicher Zellen zu je einem Zeitpunkt, vorzugsweise für wenigstens 90% oder 95% der Länge des Funktionsgraphen. Für jeden Zeitpunkt wird je ein Funktionsgraph bestimmt.
Zweckmäßig umfasst die Recheneinheit eine Speichereinheit zum Speichern von Daten und einer Prozesseinheit zum Verarbeiten von Daten.
Vorzugsweise ist der Zellenparameter die Stromdichte der elektrochemischen Zellen und/oder Gruppen von Zellen.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Zellenparameter für wenigstens 80%, 90% oder 95% der Zellen und/oder Gruppen von Zellen, insbesondere sämtliche Zellen und/oder Gruppen von Zellen, getrennt zu dem je einen Zeitpunkt erfasst.
In einer weiteren Variante wird die Steuerung und/oder Regelung der elektrochemischen Zelleneinheit in Abhängigkeit von dem bestimmten kritischen Betriebszustand verändert indem wenigstens ein Betriebsparameter in Abhängigkeit von dem bestimmten kritischen Betriebszustand verändert werden.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der wenigstens eine Betriebsparameter 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.
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.
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.
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.
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.
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 einer weiteren Variante ist der erste Stoff Sauerstoff und der zweite Stoff Wasserstoff.
In einer weiteren Variante sind die Elektrolysezellen der Elektrolysezelleneinheit Brennstoffzellen.
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.
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.
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.
In einer weiteren Ausgestaltung bildet die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit zusätzlich eine Elektrolysezelleneinheit und vorzugsweise umgekehrt.
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.
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.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen oder eine SOFC-Brennstoffzelleneinheit mit SOFC-Brennstoffzellen oder eine alkalische Brennstoffzelle (AFC).
Figurenliste
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 Diagramm mit den an der Abszisse aufgetragenen Zellennummern n der Brennstoffzellen einer Brennstoffzelleneinheit und an der Ordinate ist die erfasste Spannung in V der Brennstoffzellen aufgetragen und die erfassten Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen sind als Balkensymbole in dem Diagramm abgebildet für ein 1. Ausführungsbeispiel eines Speicher-Musters,
8 ein Diagramm mit den an der Abszisse aufgetragenen Zellennummern n der Brennstoffzellen einer Brennstoffzelleneinheit und an der Ordinate ist die erfasste Spannung in V der Brennstoffzellen aufgetragen und die erfassten Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen sind als Balkensymbole in dem Diagramm abgebildet für ein 2. Ausführungsbeispiel des Speicher-Musters,
9 ein Diagramm mit den an der Abszisse aufgetragenen Zellennummern n der Brennstoffzellen einer Brennstoffzelleneinheit und an der Ordinate ist die erfasste Spannung in V der Brennstoffzellen aufgetragen und die erfassten Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen sind als Balkensymbole in dem Diagramm abgebildet für ein 3. Ausführungsbeispiel des Speicher-Musters,
10 ein Diagramm mit den an der Abszisse aufgetragenen Zellennummern n der Brennstoffzellen einer Brennstoffzelleneinheit und an der Ordinate ist die erfasste Spannung in V der Brennstoffzellen aufgetragen und die erfassten Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen sind als Balkensymbole in dem Diagramm abgebildet für ein 4. Ausführungsbeispiel des Speicher-Musters,
11 ein Diagramm mit den an der Abszisse aufgetragenen Zellennummern n der Brennstoffzellen einer Brennstoffzelleneinheit und an der Ordinate ist die erfasste Spannung in V der Brennstoffzellen aufgetragen und die erfassten Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen sind als Balkensymbole in dem Diagramm abgebildet für ein 5. Ausführungsbeispiel des Speicher-Musters,
12 ein Diagramm mit den an der Abszisse aufgetragenen Zellennummern n der Brennstoffzellen einer Brennstoffzelleneinheit und an der Ordinate ist die erfasste Spannung in V der Brennstoffzellen aufgetragen und die erfassten Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen sind als Balkensymbole in dem Diagramm abgebildet für ein 6. Ausführungsbeispiel des Speicher-Musters,
13 ein Diagramm mit den an der Abszisse aufgetragenen Zellennummern n der Brennstoffzellen einer Brennstoffzelleneinheit und an der Ordinate ist die erfasste Spannung in V der Brennstoffzellen aufgetragen und die erfassten Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen sind als Balkensymbole in dem Diagramm abgebildet für ein 7. Ausführungsbeispiel des Speicher-Musters,
14 ein Diagramm mit den an der Abszisse aufgetragenen Zellennummern n der Brennstoffzellen einer Brennstoffzelleneinheit und an der Ordinate ist die erfasste Spannung in V der Brennstoffzellen aufgetragen und die erfassten Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen sind als Balkensymbole in dem Diagramm abgebildet für ein 8. Ausführungsbeispiel des Speicher-Musters,
15 ein Diagramm mit den an der Abszisse aufgetragenen Zellennummern n der Brennstoffzellen einer Brennstoffzelleneinheit und an der Ordinate ist die erfasste Spannung in V der Brennstoffzellen aufgetragen und die erfassten Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen sind als Balkensymbole in dem Diagramm abgebildet für ein 9. Ausführungsbeispiel des Speicher-Musters,
16 ein Diagramm mit den an der Abszisse aufgetragenen Zellennummern n der Brennstoffzellen einer Brennstoffzelleneinheit und an der Ordinate ist die erfasste Spannung in V der Brennstoffzellen aufgetragen und die erfassten Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen sind als Balkensymbole in dem Diagramm abgebildet für ein 10. Ausführungsbeispiel des Speicher-Musters,
17 ein rechtwinkliges Koordinatensystem mit der x-Achse als Abszisse und der y-Achse als Ordinate als Diagramm mit den an der Ordinate aufgetragenen Zellennummern n der Brennstoffzellen einer Brennstoffzelleneinheit und an der Ordinate ist die erfasste Spannung in V der Brennstoffzellen aufgetragen und die erfassten Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen sind als Geradenabschnitte in dem Diagramm abgebildet und die Geradenabschnitte an der x-Achse mit einem ersten Ende beginnen und an einem zweiten Ende enden mit einem Funktionsgraphen zur Approximation der zweiten Enden der Geradenabschnitte, welche die zweiten Enden miteinander verbindet und
18 ein Diagramm analog 16 mit einem andern Funktionsgraphen mit Darstellung einer Bandbreite des anderen Funktionsgraphen.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
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 → 2 H₂O
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.
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.
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 grafitierten 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.
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 membran).
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.
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.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt zu einem Brennstoffzellenstack 61 angeordnet (4 und 5). Der Brennstoffzellenstack 61 ist von einem nicht dargestellten Gehäuse und einer Anschlussplatte umschlossen. In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei fluchtend gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Dichtungen 11 dichten die Gasräume 31, 32 bzw. Kanäle 12, 13 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
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 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt. Am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 sind im Stapel als Zellenstack 61 der Brennstoffzelleneinheit 1 fluchtende Fluidöffnungen 41 an Abdichtplatten 39 als Verlängerung am Endbereich 40 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 der Brennstoffzellen 2 sind scheibenförmig ausgebildet und spannen zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen 59 auf. Die fluchtenden Fluidöffnungen 41 und Dichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 59 zwischen den Fluidöffnungen 41 bilden somit einen Zuführkanal 42 für Oxidationsmittel, einen Abführkanal 43 für Oxidationsmittel, einen Zuführkanal 44 für Brennstoff, einen Abführkanal 45 für Brennstoff, einen Zuführkanal 46 für Kühlmittel und einen Abführkanal 47 für Kühlmittel. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Zellenstacks 61 der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Zellenstacks 61 der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 innerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
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 4 und 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die erste Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und die zweite Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 61 als Brennstoffzellenstack 61 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtungen 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 61 als Zellenstack 61 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 37 als Bolzen 38 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 38 sind mit den Spanplatten 34 verbunden.
In 6 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 2 dargestellt. Die Bipolarplatte 10 umfasst die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29. Die Kanäle 12, 13 und 14 sind in 6 nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich vereinfacht als Schicht einer Kanalstruktur 29. Die Fluidöffnungen 41 an den Abdichtplatten 39 der Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 39 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 41 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47.
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.
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 H₃O⁺ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.
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
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 1 sind aus zeichnerischen Vereinfachungsgründen zwei Speicherbehälter 54 des Brennstoffzellensystem 4 dargestellt, welches auch als Elektrolysezellensystem 48 fungiert. Das 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 16 für Brennstoff wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Brennstoff aus dem Druckgasspeicher 21, sondern das flüssige Elektrolyt mit einer Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 16 für Brennstoff eingeleitet wird. Ein 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Oxidationsmittel als Luft aus der Gasfördereinrichtung 22, sondern das flüssige Elektrolyt mit der Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel eingeleitet wird. Die Brennstoffzelleneinheit 1, welche auch als Elektrolysezelleneinheit 49 fungiert, weist im Vergleich zu einer nur als Brennstoffzelleneinheit 1 betreibbaren Brennstoffzelleneinheit 1 optional Modifikationen an den Elektroden 7, 8 und der Gasdiffusionsschicht 9 auf: beispielsweise ist die Gasdiffusionsschicht 9 nicht saugfähig, so das der flüssige Elektrolyt leicht vollständig abläuft oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist nicht ausgebildet oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist eine Struktur an der Bipolarplatte 10. Die Elektrolysezelleneinheit 49 mit dem Speicherbehälter 54, der Pumpe 56 und den Abscheidern 57, 58 und vorzugsweise dem 3-Wege-Ventil 55 bildet ein elektrochemisches Zellensystem 60.
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.
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.
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 (3) und die von diesen Messvorrichtung 66 erfassten Zellenparameter werden anschließend, beispielsweise mittels eines Bussystems, als Daten zu der Recheneinheit 62 übertragen. Abweichend hiervon (nicht dargestellt) weist die Brennstoffzelleneinheit 1 eine zentrale Messvorrichtung 66 für sämtliche Brennstoffzellen 2 auf und die Stromleitungen 65 sind zu dieser zentralen Messvorrichtung 66 geführt. Zusätzlich kann an den Brennstoffzellen 2 auch jeweils ein Hallsensor 67 als Sensor 64 vorhanden sein zur quantitativen Erfassung des Magnetfeldes und/oder der Verteilung des Magnetfeldes an den Brennstoffzellen 2 als einen weiteren Zellenparameter der Brennstoffzellen 2. Abweichend hiervon (nicht dargestellt) können auch Gruppen von Zellen 52 erfasst werden und jeder Gruppe sind wenigstens zwei Zellen 52. Bei zwei Zellen 52 in je einer Gruppe sind somit zu der Gruppe mit zwei Zellen 52 lediglich zwei Stromleitungen 65 geführt und zu der mittigen Bipolarplatte 10 zwischen den zwei Zellen 52 der Gruppe ist keine Stromleitung 65 geführt. Die Zellenparameter können auch für Gruppen von Brennstoffzellen 2 erfasst werden (nicht dargestellt).
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. 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.
Zur Überwachung der Brennstoffzelleneinheit 1 als der elektrochemischen Zelleneinheit 53 werden somit die Zellenparameter der elektrochemischen Zellen 52 mit einer Vorrichtung 68 zur Erfassung der Zellenparameter erfasst. Die Vorrichtung 68 ist beispielsweise die Messvorrichtung 66 zur Erfassung der Spannung als dem Zellenparameter und/oder der Hallsensor 67.
In den 7 bis 16 sind Beispiele für Speicher-Muster der Spannungen der Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt.
In 7 ist ein Diagramm mit den an der Abszisse aufgetragenen Zellennummern n der Brennstoffzellen 2 und/oder Gruppen von Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 und an der Ordinate ist die erfasste Spannung in V der Brennstoffzellen 2 und/oder Gruppen von Brennstoffzellen 2 aufgetragen und die erfassten Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen 2 und/oder Gruppen von Brennstoffzellen 2 sind als tatsächliche Balkensymbole 69 in dem Diagramm abgebildet für ein erstes Ausführungsbeispiel eines Speicher-Musters. Die Abszisse und Ordinate sind senkrecht zueinander ausgerichtet. Die Balkensymbole 69, welche den Zellenparameter der Spannung für je eine Brennstoffzelle 2 und/oder Gruppen von Brennstoffzellen 2 symbolisieren, beginnen an der Abszisse und die Balkensymbole 69 sind parallel zu der Ordinate ausgerichtet. Die Länge der Balkensymbole 69 ist direkt proportional zu der Spannung der erfassten Brennstoffzelle 2 und/oder Gruppen von Brennstoffzellen 2, welche von dem Balkensymbol 69 symbolisiert wird. Die Reihenfolge der Balkensymbole 69 in Richtung der Abszisse entspricht der Reihenfolge der Brennstoffzellen 2 und/oder Gruppen von Brennstoffzellen 2 in dem Brennstoffzellenstack 61 senkrecht zu der fiktiven Ebene 59. Die Brennstoffzellen 2 und/oder Gruppen von Brennstoffzellen 2 sind gemäß in der Darstellung in 5 von oben nach unten mit den Zellennummern n versehen und diese Zellennummern n sind in 7 an der Abszisse von links nach rechts aufgetragen. In dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zu dem erfassten Zeitpunkt die Spannungen der Brennstoffzellen 2 und/oder Gruppen von Brennstoffzellen 2 im Wesentlichen konstant und identisch, sodass die Balkensymbole 69 die im Wesentlichen gleiche Länge in Richtung der Ordinate aufweisen. In dem in 7 dargestellten Speicher-Muster liegt eine ideale Verteilung der Spannungen der Brennstoffzellen 2 und/oder Gruppen von Brennstoffzellen 2 vor, d. h. es ist kein kritischer Betriebszustand vorhanden.
In der Beschreibung der Beispiele gemäß den 8 bis 16 werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel in 7 beschrieben, wobei Gruppen von Brennstoffzellen 2 nicht mehr explizit beschrieben sind, jedoch auch die Beispiele gemäß den 8 bis 16 auch Gruppen von Brennstoffzellen 2 umfassen können.
Der Zellenstack 61 in 8 weist einen ersten Endbereich 70, einem zweiten Endbereich 71 und einen mittleren Bereich 72 zwischen dem ersten und zweiten Endbereich 70, 71 auf (5 und 8). In dem mittleren Bereich 72 sind die erfassten Spannungen der Brennstoffzellen 2 im Wesentlichen konstant. In dem ersten Endbereich 70 nehmen die Spannungen in Richtung zu dem in 8 dargestellten linken Ende des Zellenstacks 61, welcher dem oberen Ende des Zellenstacks 61 gemäß 5 entspricht, ab. In dem zweiten Endbereich 71 nehmen die Spannungen in Richtung zu dem in 8 dargestellten rechten Ende des Zellenstacks 61, welcher dem unteren Ende des Zellenstacks 61 gemäß 5 entspricht, in dem Speicher-Muster ab. Das in 8 dargestellte Speicher-Muster ist ein Indiz für eine ungenügende Heizung an den Endbereichen 70, 71 und/oder eine mangelhafte Zuführung von Kühlmittel.
In 9 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des Speicher-Musters dargestellt. Im Vergleich zu dem in 8 dargestellten Speicher-Muster nehmen die Spannungen an den Endbereichen 70, 71 zu. Das in 9 dargestellte Speicher-Muster ist ein Indiz für eine ungenügende Heizung an den Endbereichen 70, 71 und/oder eine mangelhafte Zuführung von Kühlmittel.
In 10 ist ein viertes Ausführungsbeispiel des Speicher-Musters dargestellt. Im Vergleich zu dem in 8 dargestellten Speicher-Muster nehmen an nur einem Endbereich 70 die Spannungen ab und in dem übrigen Teilbereich 73 außerhalb des Endbereiches 70 liegt eine im Wesentlichen konstante Spannung vor. Das in 10 dargestellte Speicher-Muster ist ein Indiz für eine ungleichmäßige Verteilung und/oder einen zu geringen Versorgungsdruck des Brennstoffes.
In 11 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel des Speicher-Musters dargestellt. Das in 11 dargestellten Speicher-Muster unterscheidet sich von dem in 10 dargestellten Speicher-Muster lediglich dadurch, dass an dem Endbereich 70 die Spannungen zunehmen.
In 12 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel des Speicher-Musters dargestellt. Der Zellenstack 61 ist gemäß der Darstellung in 12 von links nach rechts in 3 Teilbereiche 73 unterteilt. An dem in 12 links dargestellten Teilbereich 73 und an dem in 12 rechts dargestellten Teilbereich 73 liegt eine im Wesentlichen konstante Spannung vor, welche durch die Balkensymbole 69 mit der im Wesentlichen identischen Länge symbolisiert und dargestellt sind. In dem Teilbereich 73 zwischen dem linken und rechten Teilbereich 73 liegt eine vulkanförmige Ausbildung der Spannungen vor, d. h. es liegt ein Minimum vor und links und rechts von dem Minimum ist ein Maximum vorhanden. Das in 12 dargestellte Speicher-Muster ist ein Indiz für eine Verstopfung einer einzelnen Brennstoffzellen 2, beispielsweise nach einem Eis bei einem Froststart, sodass eine lokale Unterversorgung einer Brennstoffzelle 2 mit Brennstoff und Oxidationsmittel auftritt und die benachbarten Brennstoffzellen 2 mit Brennstoff und Oxidationsmittel überversorgt sind.
In 13 ist ein siebtes Ausführungsbeispiel des Speicher-Musters dargestellt. Im Vergleich zu dem in 12 dargestellten Speicher-Muster liegt an dem mittleren Teilbereich 73 zwischen dem linken und rechten Teilbereich 73 eine Vertiefung oder ein Minimum vor gebildet von mehreren Brennstoffzellen 2. Das in 13 dargestellte Speicher-Muster ist ein Indiz für eine Verstopfung bzw. Blockierung mehrerer Brennstoffzellen 2 beispielsweise aufgrund einer Wasseransammlung in den Kanälen 12, 13 und/oder ein Indiz für eine Fehlstelle in Membranelektrodenanordnungen 6 der Brennstoffzelleneinheit 1 in dem mittleren Teilbereich 73.
In 14 ist ein achtes Ausführungsbeispiel des Speicher-Musters dargestellt. Der Brennstoffzellenstack 61 ist in einen linken Teilbereich 73 mit einer großen Anzahl an Brennstoffzellen 2 und einen rechten Teilbereich 73 mit einer kleinen Anzahl an Brennstoffzellen 2 unterteilt. In dem rechten Teilbereich bilden einige Brennstoffzellen 2, symbolisiert durch einige Balkensymbole 69, ein Minimum im Vergleich zu dem linken Teilbereich 73 mit der im Wesentlichen konstanten Spannung. Das in 14 dargestellte Speicher-Muster ist ein Indiz für eine unzureichende Aufheizung des rechten Endbereiches 73 durch eine Heizung an der Spannplatte 34.
In 15 ist ein neuntes Ausführungsbeispiel des Speicher-Musters dargestellt. Die Spannungen der Brennstoffzellen 2 nehmen gemäß der Darstellung in 5 von dem linken Ende zu dem rechten Ende der Abszisse, welche dem oberen und unteren Ende des Brennstoffzellenstacks 61 entsprechen im Wesentlichen konstant zu. Die Endpunkte der Balkensymbole 69 können somit in dem in 15 dargestellten neunten Ausführungsbeispiel mit einer Geraden mit einer konstanten Steigung approximiert werden. Das in 15 dargestellte Speicher-Muster ist ein Indiz für eine unzureichende Versorgung der Brennstoffzellen 2 mit Brennstoff dahingehend, dass, die Versorgung mit Brennstoff der Brennstoffzellen 2 von der Einleitung an dem in 15 rechten Ende der Abszisse zu der Ausleitung an dem in 15 linken Ende der Abszisse abnimmt.
In 16 ist ein zehntes Ausführungsbeispiel des Speicher-Musters dargestellt. Die Spannungen in dem Brennstoffzellenstapel 61 weisen einen periodisch sich wiederholenden Verlauf in der Richtung der Abszisse auf, d. h. in einer Richtung von oben nach unten in dem Brennstoffzellenstapel 61 gemäß 5. Dadurch liegt eine große Anzahl an Teilbereichen 73 vor jeweils mit einem Teilbereich73 mit einer zunehmenden Spannung und einem Teilbereich 73 mit einer im Wesentlichen konstanten Spannung die sich periodisch wiederholen. Das in 16 dargestellte Speicher-Muster ist ein Indiz für Schwierigkeiten bei der Erfassung der Spannungen der Brennstoffzellen 2 mit den Sensoren 64.
In der Recheneinheit 62 sind die Speicher-Muster in einem Datenspeicher gespeichert. Zur Erfassung eines kritischen Betriebszustandes der Brennstoffzelleneinheit 1 wird zu jeweils einem Zeitpunkt während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit 1 eine Erfassung der Spannungen sämtlicher Brennstoffzellen 2 des Brennstoffzellenstapels 61 ausgeführt. Die Daten der Spannungen werden zu der Recheneinheit 62 übermittelt und in der Recheneinheit 62 wird ein Vergleich zwischen den erfassten Spannungen als einem Muster der erfassten Spannungen der Brennstoffzellen 2 und den gespeicherten Speicher-Mustern ausgeführt. Sofern von der Recheneinheit 62 eine Identität oder eine Ähnlichkeit zwischen einem gespeicherten Speicher-Muster und dem Muster der erfassten Spannungen der Brennstoffzellen 2 des Brennstoffzellenstapels 61 erfasst wird, erfolgt die Bestimmung des kritischen Betriebszustandes. Dabei ist jedem Speicher-Muster ein bestimmter kritischer Betriebszustand zugeordnet.
In 17 sind über der Abszisse als der x-Achse im Vergleich zu 7 bis 16 nicht tatsächliche Balkensymbole 69, sondern tatsächliche Geradenabschnitte 74 angeordnet. Die Geradenabschnitte 74, d. h. die Länge der Geradenabschnitte 74, ist direkt proportional zu der Spannung der Brennstoffzellen 2 und/oder Gruppen von Brennstoffzellen 2, welche je einem Geradenabschnitt 74 zugeordnet sind. 17 entspricht somit im Wesentlichen den 7 bis 16, wobei lediglich die tatsächlichen Balkensymbole 69 durch die tatsächlichen Geradenabschnitte 74 ersetzt sind. Die Geradenabschnitte 74 beginnen jeweils an einem ersten Ende 75 an der Abszisse als der x-Achse und Enden an einem zweiten Ende 76. In 17 sind die Zellennummern n für die in 17 dargestellten exemplarischen Brennstoffzellen 2 und/oder Gruppen von Brennstoffzellen 2 mit den Zellennummern n = 1 bis 10 an der Abszisse aufgetragenen. Auch Gruppen von Brennstoffzellen 2 werden mit den Zellennummern n aufgetragen. An der Ordinate als der y-Achse ist die Spannung V der Brennstoffzellen 2 und/oder Gruppen von Brennstoffzellen 2 aufgetragen und die Spannung in je einer Brennstoffzelle 2 und/oder Gruppe von Brennstoffzellen 2 ist durch die Länge der Geradenabschnitte 74 angegeben. Die x-Achse und die y-Achse bilden ein kartesisches Koordinatensystem und stehen damit aufeinander senkrecht. Sämtliche zweiten Enden 76 der Geradenabschnitte 74 liegen auf einem Funktionsgraphen 77 von zwei mathematischen Funktionen. Der in 17 links und rechts dargestellte Teilbereich 73 des Funktionsgraphen 77 ist von der mathematischen Funktion y = f(x) = 0,7 gebildet. Der Teilbereich 74 zwischen dem linken und rechten Teilbereich des Funktionsgraphen 77 ist von der mathematischen Funktion eines Taylorpolynoms und/oder einer Parabelfunktion gebildet.
In 18 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für die Approximation der zweiten Enden 76 der tatsächlichen Geradenabschnitte 74 mit dem Funktionsgraphen 77 dargestellt. Die zweiten Enden 76 der Geradenabschnitte 74 sind auf dem Funktionsgraphen 77 oder innerhalb einer Bandbreite 78 des Funktionsgraphen 77 ausgerichtet. Die Approximation erfolgt somit in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 17 mit einer größeren Ungenauigkeit. Die Bandbreite 78 beträgt beispielsweise 10 % der durchschnittlichen Spannung sämtlicher Brennstoffzellen 2 und in der Richtung von der y-Achse ist der Funktionsgraph 77 jeweils mittig in der Bandbreite 78 angeordnet, d. h. die Bandbreite 78 beispielsweise mit einer Bandbreite 78 von 0,1 V weist gemäß der Darstellung in 18 über dem Funktionsgraphen 77 eine Ausdehnung der Bandbreite 78 von 0,05 V auf und unter dem Funktionsgraphen 77 eine Ausdehnung der Bandbreite 78 von 0,05 V auf. In der Recheneinheit 62 sind Speicher-Muster für die Funktionsgraphen 77 abgespeichert und mittels eines Vergleiches zwischen den Speichermustern der Funktionsgraphen 77 und den berechneten Funktionsgraphen 77 entsprechend der Approximation der zweiten Enden 76 der Geradenabschnitte 74 aufgrund der Erfassung der Spannungen der Brennstoffzellen 2 und/oder Gruppen von Brennstoffzellen 2 erfolgt eine Bestimmung des kritischen Betriebszustand sofern eine Identität oder Ähnlichkeit zwischen dem Speicher-Muster des Funktionsgraphen 77 und dem berechneten Funktionsgraphen 77 vorliegt. Darüber hinaus können die berechneten Funktionsgraphen 77 mit den mathematischen Methoden der Kurvendiskussion einer Analyse zugeführt werden. Beispielsweise wird der Betrag der Krümmung und/oder der Betrag der Steigung und/oder ein Maximum und/oder ein Minimum des Funktionsgraphen 77 ermittelt und mit gespeicherten Referenzwerten verglichen. Beispielsweise bei einem Überschreiten eines Referenzwertes für die Krümmungen des Funktionsgraphen 77 und/oder der Ermittlung eines Maximums an einer besonders großen Krümmung des Funktionsgraphen 77 kann auf einen kritischen Betriebszustand an dem entsprechenden Brennstoffzellen 2 und/oder Gruppen von Brennstoffzellen 2 geschlossen werden.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 und der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 wesentliche Vorteile verbunden. In der Recheneinheit 62 sind eine große Anzahl an Speicher-Muster für die Verteilung der Zellenparameter der elektrochemischen Zellen 52 gespeichert und aus dem Vergleich der gespeicherten Speicher-Muster mit dem bestimmten und erfassten Mustern der Zellenparameter der elektrochemischen Zellen 52 kann bereits in einem sehr frühen Schadenszustand der elektrochemischen Zelleneinheit 53 lokal für einige elektrochemische Zellen 52 und/oder Gruppen von Zellen 52 ein Schaden oder ein kritischer Betriebszustand erfasst werden. Dadurch können in dem bereits sehr frühen Stadium Maßnahmen eingeleitet werden als Veränderung von wenigstens einem Betriebsparameter, um einen wesentlichen und dauerhaften Schaden an der elektrochemischen Zelleneinheit 53 zu vermeiden. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der elektrochemischen Zelleneinheit 53 erhöht werden und dies ist insbesondere bei der Anwendung in der Kraftfahrzeugtechnik von Vorteil.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

AT 522879 B1 [0006]
DE 112009002043 T5 [0007]
EP 2845255 B1 [0008]

Claims

Verfahren zur Überwachung einer elektrochemischen Zelleneinheit (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 (52) als Zellenstack (61) mit den Schritten: - Betreiben der elektrochemischen Zelleneinheit (53), so dass elektrochemische Energie in elektrische Energie oder elektrische Energie in elektrochemische Energie umgewandelt wird, - Erfassen der Zellenparameter der Zellen (52) getrennt für je eine Zelle (52) und/oder getrennt für je einer Gruppe von Zellen (52) des Zellenstacks (61) der elektrochemischen Zelleneinheit (53) mit einer Vorrichtung (68) zur Erfassung der Zellenparameter, - Übermitteln der getrennt für die einzelnen Zellen (52) und/oder Gruppen von Zellen erfassten Zellenparameter an eine Recheneinheit (62), - Bestimmung eines kritischen Betriebszustandes an je einer Zelle (52) und/oder an je einer Gruppe von Zellen (52) in Abhängigkeit von den getrennt für je eine Zelle (52) und/oder getrennt für je eine Gruppe von Zellen (52) erfassten Zellenparameter mittels der Recheneinheit (62), dadurch gekennzeichnet, dass in der Recheneinheit (62) verschiedene Speicher-Muster der Zellenparameter für kritische Betriebszustände gespeichert sind und mit der Recheneinheit (62) ein Vergleich zwischen den Speicher-Mustern und den Mustern der erfassten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen (52) ausgeführt wird und bei einer Identität oder Ähnlichkeit zwischen je einem Speicher-Muster und den Mustern der erfassten Zellenparametern der kritische Betriebszustand bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich zwischen den Speicher-Mustern und den Mustern der erfassten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen (52) und/oder Gruppen von elektrochemischen Zellen (52) ausgeführt wird für die erfassten Zellenparameter zu je einem Zeitpunkt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich zwischen den Speicher-Mustern und den Mustern der erfassten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen (52) und/oder Gruppen von elektrochemischen Zellen (52) ausgeführt wird für mehrere zeitlich aufeinander folgende Zeitpunkte während des Betriebes der elektrochemischen Zelleneinheit (53).
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Modell die erfassten Zellenparameter zu dem je einen Zeitpunkt der elektrochemischen Zellen (52) als fiktive oder tatsächliche Balkensymbole (69) in Reihe an einer Abszisse in der Reihenfolge der elektrochemischen Zellen (52) und/oder Gruppen von elektrochemischen Zellen (52) des Zellenstacks (61) aufgetragen werden und die Größe der Zellenparameter der Länge fiktiven oder tatsächlichen der Balkensymbole (69) entspricht, so dass an der Ordinate die Größe der Zellenparameter aufgetragen ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Modell der Vergleich zwischen den Speicher-Mustern und den Mustern der erfassten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen (52) mit einer Bildverarbeitungssoftware ausgeführt wird indem Speicher-Muster als gespeicherte fiktive oder tatsächliche Balkensymbole (69) in Reihe an der Abszisse in der Reihenfolge der elektrochemischen Zellen (52) und/oder Gruppen von elektrochemischen Zellen (52) des Zellenstacks (61) gespeichert sind und mit erfassten fiktiven oder tatsächlichen Balkensymbolen (69) in Reihe an der Abszisse in der Reihenfolge der elektrochemischen Zellen (52) und/oder Gruppen von elektrochemischen Zellen (52) des Zellenstacks (61) verglichen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher-Muster der gespeicherten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen (52) die nachfolgenden Merkmale aufweist: im Wesentlichen konstante Zellenparameter außerhalb eines Endbereiches (70, 71) des Zellenstacks (61) und die Zellenparameter an einem Endbereich (70, 71) des Zellenstacks (61) wesentlich kleiner sind als die durchschnittlichen Zellenparameter außerhalb des einen Endbereiches (70, 71).
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher-Muster der gespeicherten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen (52) die nachfolgenden Merkmale aufweist: im Wesentlichen konstante Zellenparameter außerhalb eines Endbereiches (70, 71) des Zellenstacks (61) und die Zellenparameter an einem Endbereich (70, 71) des Zellenstacks (61) wesentlich größer sind als die durchschnittlichen Zellenparameter außerhalb des einen Endbereiches (70, 71).
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher-Muster der gespeicherten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen (52) die nachfolgenden Merkmale aufweist: im Wesentlichen konstante Zellenparameter außerhalb wenigstens eines Teilbereiches (73) des Zellenstacks (61) und die Zellenparameter an dem wenigstens einem Teilbereich (73) des Zellenstacks (61) wesentlich größer und/oder kleiner sind als die durchschnittliche Zellenparameter außerhalb des wenigstens einen Teilbereiches (73).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der je eine Teilbereich (73) bei einer Darstellung der gespeicherten Zellenparameter in dem Modell als gespeicherte fiktive oder tatsächliche Balkensymbole (69) in Reihe an der Abszisse in der Reihenfolge der elektrochemischen Zellen (52) des Zellenstacks (61) im Wesentlichen die Form einer Aussparung und/oder einer Erhöhung im Vergleich zu den im Wesentlichen konstanten Zellenparametern außerhalb des wenigstens einen Teilbereiches (73) des Zellenstacks (61) aufweisen.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Modell die erfassten Zellenparameter zu dem je einen Zeitpunkt der elektrochemischen Zellen (52) als fiktive oder tatsächliche Geradenabschnitte (74) in Reihe an einer Abszisse als x-Achse in der Reihenfolge der elektrochemischen Zellen (52) und/oder Gruppen von elektrochemischen Zellen (52) des Zellenstacks (61) aufgetragen werden und die Geradenabschnitte (74) an der Abszisse beginnen als erstes Ende (75) der Geradenabschnitte (74) und an einem zweiten Ende (76) enden und die Geradenabschnitte (74) senkrecht zu der Abszisse ausgerichtet sind und die Größe der Zellenparameter direkt proportional zu der Länge der Geradenabschnitte (74) ist und an der Ordinate als y-Achse der Zellenparameter aufgetragen ist und die Geradenabschnitte (74) in Richtung der Abszisse einen, insbesondere konstanten, Abstand zueinander aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine mathematische Funktion, insbesondere als wenigstens eine Taylorreihe und/oder wenigstens eine Fourierreihe, bestimmt wird oder werden, so dass die zweiten Enden (76) der Geradenabschnitte (74) innerhalb einer Bandbreite (78) des Funktionsgraphen der wenigstens einen mathematischen Funktion liegen und/oder die zweiten Enden (76) in dem Funktionsgraphen (77) der wenigstens einen mathematischen Funktion liegen und die wenigstens eine mathematische Funktion die x-Werte als die Zellennummer der in Reihe angeordneten elektrochemischen Zellen (52) und/oder Gruppen von elektrochemischen Zellen (52) die Funktionswerte des Zellenparameters als y-Werte zuordnen mit dem Funktionsgraphen (77) der wenigstens einen mathematischen Funktion.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigungen und/oder Krümmungen und/oder wenigstens ein Maximum und/oder wenigstens ein Minimum des Funktionsgraphen (77) und/oder die y-Werte der wenigstens einen mathematischen Funktion mit wenigstens einem Referenzwert verglichen werden und bei einer Abweichung der Steigungen und/oder Krümmungen und/oder wenigstens eines Maximums und/oder wenigstens eins Minimums und/oder der y-Werte von dem wenigstens einen Referenzwert der kritische Betriebszustand bestimmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich zwischen den Speicher-Mustern und den Mustern der erfassten Zellenparameter der elektrochemischen Zellen (52) ausgeführt wird indem die Muster der erfassten der elektrochemischen Zellen (52) und/oder der Gruppen von elektrochemischen Zellen (52) in der Reihenfolge der elektrochemischen Zellen (52) und/oder der Gruppen von elektrochemischen Zellen (52) in dem Zellenstack (61) mit Algorithmen, insbesondere Algorithmen der Bildverarbeitung, in der Recheneinheit (62) analysiert werden und mit dem Speicher-Mustern verglichen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit Methoden der künstlichen Intelligenz ausgeführt und/oder unterstützt wird.
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), umfassend - gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen (2, 50, 52) und die elektrochemischen Zellen (52) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) umfassen, - die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) der elektrochemischen Zellen (2, 50, 52) vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen (6), vorzugsweise Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10) sind, - Kanäle (12, 13, 14) zum Durchleiten von Prozessfluiden, dadurch gekennzeichnet, dass mit der elektrochemische Zelleneinheit (1, 49, 53) ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausführbar ist.