DE102022206806A1

DE102022206806A1 - Verfahren zur Prüfung und/oder Optimierung einer Herstellung von Zellensystemen, eine Prüfungs- und/oder Optimierungsvorrichtung und ein Computerprogramm

Info

Publication number: DE102022206806A1
Application number: DE102022206806.8A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Egger; Ingo KERKAMM; Alexander Konstandin; Felix Eberhard Hildebrand; Markus Klinsmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-07-04
Filing date: 2022-07-04
Publication date: 2024-01-04

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Prüfung und/oder Optimierung einer Herstellung von Zellensystemen (22), welche zumindest eine elektrochemische Zelle (24) aufweisen.Es wird vorgeschlagen, dass bei einem Freigabetest eines Zellensystems (22) mit zumindest einer elektrochemischen Zelle (24) zumindest ein Freigabekriterium für zumindest eine Zellenkenngröße des Zellensystems (22) ortsaufgelöst überprüft wird.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits ein Verfahren zur Prüfung und/oder Optimierung einer Herstellung von Zellensystemen, welche zumindest eine elektrochemische Zelle aufweisen, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Prüfung und/oder Optimierung einer Herstellung von Zellensystemen, welche zumindest eine elektrochemische Zelle aufweisen.
Es wird vorgeschlagen, dass an einem Zellensystem mit zumindest einer elektrochemischen Zelle zumindest ein Freigabekriterium für zumindest eine Zellenkenngröße des Zellensystems ortsaufgelöst überprüft wird.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens kann eine besonders präzise Prüfung eines Freigabekriteriums durchgeführt werden. Vorteilhaft kann eine besonders präzise Qualitätsprüfung für Zellensysteme realisiert werden. Vorteilhaft kann eine Herstellung von Zellensystemen besonders detailliert überprüft werden. Vorteilhaft kann eine Gewährleistung einer besonders hohen Qualität der Zellensysteme unterstützt werden. Vorteilhaft können Mängel an Zellensystemen besonders präzise identifiziert werden. Vorteilhaft kann ein Herstellungsprozess besonders detailliert ausgewertet werden. Vorteilhaft kann ein Herstellungsprozess von Zellensystemen besonders effizient und präzise verbessert werden.
Die elektrochemische Zelle ist vorzugsweise als eine Festoxidbrennstoffzelle ausgebildet. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass die elektrochemische Zelle als eine andere Brennstoffzelle, beispielsweise als eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle oder dergleichen, als eine Elektrolysezelle oder als eine Akkumulatorzelle ausgebildet ist. Beispielsweise ist alternativ auch denkbar, dass die elektrochemische Zelle in einem Elektrolyseur verwendet wird. Es ist denkbar, dass das Zellensystem lediglich eine, insbesondere die zuvor bereits genannte, elektrochemische Zelle aufweist oder dass das Zellensystem mehrere elektrochemische Zellen aufweist, beispielsweise zwei, drei oder mehrere hundert elektrochemische Zellen. Vorzugsweise sind die elektrochemischen Zellen des mehrere elektrochemische Zellen aufweisenden Zellensystems zu einem Stapel zusammengefasst und insbesondere in Serie geschaltet. Es ist auch denkbar, dass das Zellensystem mehrere, aus mehreren elektrochemischen Zellen gebildete Stapel umfasst, die vorzugsweise zu einem Modul oder einem Turm zusammengefasst sind.
Das Freigabekriterium für die zumindest eine Zellenkenngröße ist beispielsweise eine Einhaltung eines vorgegebenen Wertebereichs für die zumindest eine Zellenkenngröße, insbesondere eine Einhaltung eines Minimums für die zumindest eine Zellenkenngröße und/oder eine Einhaltung eines Maximums für die zumindest eine Zellenkenngröße, bei einem Betrieb des Zellensystems, bevorzugt bei einem Betrieb des Zellensystems mit zumindest einer vorgegebenen Eingangskenngröße des Zellensystems. Die zumindest eine Zellenkenngröße ist insbesondere eine Betriebskenngröße des Zellensystems, vorzugsweise eine ortsaufgelöste Ausgangskenngröße des Zellensystems oder eine interne Kenngröße des Zellensystems. Die Ausgangskenngröße des Zellensystems ist bevorzugt eine Leistungskenngröße des Zellensystems. Die Leistungskenngröße des Zellensystems ist vorzugsweise eine Ausgangsspannung des Zellensystems, insbesondere der elektrochemischen Zelle, vorzugsweise des durch mehrere elektrochemische Zellen gebildeten Stapels. Die interne Kenngröße ist beispielsweise eine interne Temperaturkenngröße des Zellensystems. Die interne Temperaturkenngröße ist vorzugsweise eine Temperatur des Zellensystems, vorzugsweise der zumindest einen elektrochemischen Zelle oder des durch mehrere elektrochemische Zellen gebildeten Stapels. Die interne Kenngröße ist insbesondere eine lokale Feldgröße. Alternativ ist denkbar, dass die interne Kenngröße beispielsweise eine Fluidverteilung, vorzugsweise eine Sauerstoffverteilung oder eine Wasserstoffverteilung, im Zellensystem, eine Stromdichteverteilung im Zellensystem, ein spezifischer Flächenwiderstand oder dergleichen ist. Es ist denkbar, dass an dem Zellensystem für mehrere Zellenkenngrößen, vorzugsweise für die Ausgangskenngröße, insbesondere die Leistungskenngröße und die zumindest eine interne Kenngröße oder für mehrere interne Kenngrößen ein jeweiliges Freigabekriterium ortsaufgelöst überprüft wird.
Bevorzugt wird das zumindest eine Freigabekriterium für die zumindest eine Zellenkenngröße bei einem Freigabetest des Zellensystems ortsaufgelöst überprüft. Der Freigabetest wird insbesondere nach einem letzten Produktionsschritt bei der Herstellung des Zellensystems durchgeführt. Der Freigabetest ist vorzugsweise dazu vorgesehen, eine Funktion des Zellensystems zu überprüfen, insbesondere vor einer Auslieferung des Zellensystems. Vorzugsweise wird das Zellensystem, insbesondere bei dem Freigabetest, betrieben, vorzugsweise mit der zumindest einen vorgegebenen Eingangskenngröße, bevorzugt mit mehreren vorgegebenen Eingangskenngrößen des Zellensystems, um zu überprüfen, ob die zumindest eine Zellenkenngröße das Freigabekriterium, vorzugsweise zu der zumindest einen vorgegebenen Eingangskenngröße des Zellensystems, erfüllt. Bevorzugt wird das Zellensystem, insbesondere bei dem Freigabetest, mit der zumindest einen vorgegebenen Eingangskenngröße des Zellensystems, betrieben, um eine Einhaltung des Freigabekriteriums für die zumindest eine Zellenkenngröße, insbesondere zu der zumindest einen vorgegebenen Eingangskenngröße, ortsaufgelöst zu überprüfen. Die zumindest eine Eingangskenngröße weist vorzugsweise zumindest einen Betriebsparameter des Zellensystems auf. Die zumindest eine Eingangskenngröße ist insbesondere eine Betriebskenngröße des Zellensystems. Der zumindest eine Betriebsparameter ist beispielsweise ein abgefragter Laststrom, eine Temperatur, insbesondere eine Gastemperatur, ein Volumenfluss, ein Luftausnutzungsgrad, ein Kraftstoffausnutzungsgrad, eine Gaszusammensetzung, einen Druck, eine Druckdifferenz oder dergleichen. Es ist denkbar, dass der zumindest eine Betriebsparameter eine Stellgröße oder eine Regelgröße, insbesondere ein Ist-Wert oder ein Soll-Wert der Regelgröße, des Zellensystems ist.
Eine Prüfungs- und/oder Optimierungsvorrichtung ist insbesondere dazu vorgesehen, das Verfahren zur Prüfung und/oder Optimierung einer Herstellung von Zellensystemen durchzuführen. Die Prüfungs- und/oder Optimierungsvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, das Verfahren zur Prüfung und/oder Optimierung einer Herstellung von Zellensystemen durchzuführen. Unter „vorgesehen“ soll speziell eingerichtet, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Die Steuereinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, an dem Zellensystem das zumindest eine Freigabekriterium für die zumindest eine Zellenkenngröße des Zellensystems ortsaufgelöst zu überprüfen.
Die Steuereinheit umfasst insbesondere zumindest einen Prozessor und ein Speicherelement sowie ein auf dem Speicherelement gespeichertes Betriebsprogramm. Das Speicherelement ist vorzugsweise als digitales Speichermedium, beispielsweise als eine Festplatte oder dergleichen ausgebildet. Es ist denkbar, dass die Prüfungs- und/oder Optimierungsvorrichtung eine externe Einheit aufweist, wobei die externe Einheit beispielsweise zumindest einen Teil der Steuereinheit umfasst. Die externe Einheit kann beispielsweise eine Cloud, ein Server oder dergleichen sein.
Das zumindest eine Freigabekriterium für die zumindest eine Zellenkenngröße und/oder die zumindest eine vorgegebene Eingangskenngröße des Zellensystems sind/ist vorzugsweise auf der Steuereinheit, insbesondere dem Speicherelement, gespeichert. Die Steuereinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, den Betrieb des Zellensystems, vorzugsweise der zumindest einen elektrochemischen Zelle oder des durch mehrere elektrochemische Zellen gebildeten Stapels, anhand der Betriebsparameter zu steuern. Das Zellensystem weist vorzugsweise zumindest ein Steuergerät zu einer Steuerung des Betriebs des Zellensystems, vorzugsweise der zumindest einen elektrochemischen Zelle oder des durch mehrere elektrochemische Zellen gebildeten Stapels auf. Das Steuergerät ist insbesondere datentechnisch mit der Steuereinheit verbunden, vorzugsweise zumindest bei der Durchführung zumindest eines Teils des Verfahrens, beispielsweise kabellos oder kabelgebunden. Die Steuereinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, den Betrieb des Zellensystems, vorzugsweise der zumindest eine elektrochemischen Zelle oder des durch mehrere elektrochemische Zellen gebildeten Stapels, über das Steuergerät zu steuern, bevorzugt zumindest in einem mit dem Steuergerät datentechnisch verbundenen Zustand der Steuereinheit.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass, vorzugsweise in dem Freigabetest Betriebskenngrößen eines, insbesondere des zuvor bereits genannten, Zellensystems mit zumindest einer, insbesondere der zuvor bereits genannten, elektrochemischen Zelle erfasst werden, welche anhand eines Modells des Zellensystems zur Optimierung zumindest eines Produktionsparameters für Zellensysteme mit zumindest einer elektrochemischen Zelle, insbesondere für die Herstellung zumindest eines, vorzugsweise in einer Herstellungsreihenfolge, folgenden Zellensystems mit zumindest einer elektrochemischen Zelle, ausgewertet werden. Der Produktionsparameter kann beispielsweise ein Parameter bezüglich eines Sprühverfahrens bei der Herstellung von Funktionsschichten, ein Parameter bezüglich eines Siebdrucks, ein Montageparameter, insbesondere ein Stapelmontageparameter, oder ein anderer, einem Fachmann als sinnvoll erscheinender Produktionsparameter sein. Insbesondere werden die Betriebskenngrößen zumindest teilweise an dem Zellensystem erfasst. Vorzugsweise wird, insbesondere bei dem Freigabetest des Zellensystems, zumindest die zumindest eine Ausgangskenngröße, insbesondere die Leistungskenngröße, des Zellensystems erfasst. Bevorzugt wird, insbesondere bei dem Freigabetest des Zellensystems, zumindest die zumindest eine Eingangskenngröße, vorzugsweise der zumindest eine Betriebsparameter, erfasst. Das Modell ist vorzugsweise ein physikalisches Modell. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass das Modell ein probabilistisches Modell ist. Das physikalische Modell ist vorzugsweise ein Simulationsmodell des Zellensystems, welches insbesondere einen Betrieb des Zellensystems im stationären Zustand beschreibt. Bevorzugt basiert das physikalische Modell auf der Finite-Elemente-Methode. Das physikalische Modell weist insbesondere eine eindeutige Invertierbarkeit bezüglich einer Alterungskenngröße des Zellensystems auf. Es ist denkbar, dass das physikalische Modell zumindest durch ein Herausfiltern von physikalisch irrelevanten Ergebnissen des physikalischen Modells eine eindeutige Invertierbarkeit bezüglich der Alterungskenngröße aufweist. Beispielsweise kann das physikalische Modell gemäß einer Veröffentlichung von Zaccaria, Tucker und Traverso mit dem Titel „A distributed real-time model of degradation in a solid oxide fuel cell" (2016, Journal of Power Sources 311, 175-181) eine Degradation des Festoxidbrennstoffzellen aufweisenden Zellensystems beschreiben, wobei ein ohmscher Anteil von inneren Spannungsverlusten mit der Alterungskenngröße als Vorfaktor versehen ist. Alternativ ist beispielsweise auch denkbar, dass andere vom ohmschen Anteil verschiedene Widerstände von internen Spannungsverlusten, insbesondere die Konzentrationsverluste oder Polarisationsverluste, des Zellensystems oder ein gesamter innerer Widerstand des Zellensystems mit der Alterungskenngröße als Vorfaktor multipliziert werden. In dem bevorzugten physikalischen Modell wird insbesondere ein gesamter spezifischer Flächenwiderstand des Zellensystems mit der Alterungskenngröße multipliziert. Die Alterungskenngröße beschreibt insbesondere einen Alterungszustand des Zellensystems. Beispielsweise weist die Alterungskenngröße bei einem ungealterten Zustand des Zellensystems einen Wert von 1 auf und vorzugsweise einen Wert größer 1 für einen gealterten Zustand des Zellensystems auf. Die Alterungskenngröße ist vorzugsweise eine skalare Größe. Das physikalische Modell weist insbesondere zumindest eine Eingangsgröße und zumindest eine Ausgangsgröße auf. Bevorzugt weist die zumindest eine Eingangsgröße des physikalischen Modells zumindest eine der Betriebskenngrößen des Zellensystems, insbesondere die zumindest eine Eingangskenngröße des Zellensystems, vorzugsweise den zumindest einen Betriebsparameter des Zellensystems, auf. Vorzugsweise ist zumindest eine weitere Eingangsgröße des physikalischen Modells die Alterungskenngröße. Bevorzugt umfasst die zumindest eine Ausgangsgröße des physikalischen Modells zumindest eine der Betriebskenngrößen des Zellensystems, insbesondere die zumindest eine Ausgangskenngröße des Zellensystems, vorzugsweise die zumindest eine Leistungskenngröße des Zellensystems. Es ist denkbar, dass die Ausgangsgrößen des physikalischen Modells die zumindest eine interne Kenngröße aufweisen. Das physikalische Modell stellt insbesondere eine Abbildung dar, welche die Eingangsgrößen des physikalischen Modells, bevorzugt den zumindest einen Betriebsparameter des Zellensystems und die Alterungskenngröße des Zellensystems, auf den Ausgangsgrößen des physikalischen Modells, bevorzugt die zumindest eine Leistungskenngröße des Zellensystems und insbesondere die zumindest eine interne Kenngröße, abbildet. Bevorzugt wird zumindest die Leistungskenngröße, insbesondere die Ausgangsspannung, des Zellensystems an dem Zellensystem, vorzugsweise sensorisch, erfasst. Vorzugsweise weist die Prüfungs- und/oder Optimierungsvorrichtung eine Erfassungseinheit zur zumindest teilweisen Erfassung der Betriebskenngrößen auf. Es ist denkbar, dass das Zellensystem zumindest einen Teil der Erfassungseinheit bildet. Die Erfassungseinheit ist vorzugsweise datentechnisch mit dem Steuergerät und/oder der Steuereinheit verbunden, insbesondere zu einer kabellosen und/oder kabelgebundenen Datenübertragung. Es ist auch denkbar, dass die Steuereinheit zumindest teilweise die Erfassungseinheit umfasst. Es ist denkbar, dass die als Eingangskenngrößen des Zellensystems ausgebildeten Betriebskenngrößen und/oder die als Ausgangskenngrößen des Zellensystems ausgebildeten Betriebskenngrößen zumindest teilweise, bevorzugt sensorisch, erfasst werden, vorzugsweise mittels der Erfassungseinheit. Die Erfassungseinheit umfasst beispielsweise zumindest eine Sensoreinheit zum zumindest teilweisen Erfassen der Betriebskenngrößen. Die Erfassungseinheit ist bevorzugt dazu eingerichtet, zumindest die als Leistungskenngröße ausgebildete Ausgangskenngröße, insbesondere sensorisch, zu erfassen. Die Sensoreinheit umfasst beispielsweise zumindest einen Spannungssensor, insbesondere zum Erfassen der als Ausgangsspannung ausgebildeten Leistungskenngröße des Zellensystems. Es ist denkbar, dass die Erfassungseinheit dazu eingerichtet ist, zumindest die eine als Betriebsparameter ausgebildete Eingangskenngröße des Zellensystems zu erfassen. Zusätzlich oder alternativ ist denkbar, dass die zumindest eine Eingangskenngröße, vorzugsweise die als Stellgröße oder Regelgröße ausgebildete Eingangskenngröße, insbesondere der Soll-Wert der als Regelgröße ausgebildeten Eingangskenngröße, direkt mittels der Steuereinheit ausgelesen wird, bevorzugt von der Steuereinheit bereitgestellt wird. Vorteilhaft kann eine Herstellung von Zellensystemen besonders effizient und präzise verbessert werden. Vorteilhaft kann mithilfe des Modells eine Funktion der Zellensysteme bei einer Herstellung besonders zeitsparend überprüft werden. Vorteilhaft kann eine besonders hohe Fertigungsqualität für Zellensysteme erreicht werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Produktionsparameter in Abhängigkeit von zumindest einer, insbesondere der zuvor bereits genannten, anhand des Modells aus den Betriebskenngrößen ermittelten Zellenkenngröße optimiert wird.
Insbesondere wird zumindest die Alterungskenngröße des Zellensystems anhand des physikalischen Modells ermittelt. Die zumindest eine Zellenkenngröße des Zellensystems wird vorzugsweise anhand des physikalischen Modells ermittelt, vorzugsweise anhand des Modells in Abhängigkeit von der mittels des Modells ermittelten Alterungskenngröße. Zu einer Ermittlung der Alterungskenngröße wird das physikalische Modell invertiert und optimiert, insbesondere bezüglich der Alterungskenngröße. Vorzugsweise wird das physikalische Modell bezüglich der Alterungskenngröße, die insbesondere eine der Eingangsgrößen des physikalischen Modells ist, invertiert und optimiert, um die Alterungskenngröße zu ermitteln, und um bevorzugt anschließend anhand des physikalischen Modells, und insbesondere in Abhängigkeit von der ermittelten Alterungskenngröße die zumindest eine Zellenkenngröße zu ermitteln. Die Steuereinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, zu den, bevorzugt im Freigabetest, erfassten Betriebskenngrößen, insbesondere zu der erfassten Ausgangskenngröße, vorzugsweise der Leistungskenngröße, bei der zumindest einen vorgegebenen Eingangskenngröße, die Alterungskenngröße zu ermitteln. Es ist denkbar, dass die Betriebskenngrö-ßen zumindest teilweise vorverarbeitet werden, beispielsweise Oszillationen oder dergleichen durch einen Filter entfernt werden. Es ist denkbar, dass die Betriebskenngrößen, insbesondere die zumindest eine vorgegebene Eingangskenngröße und die zumindest eine Ausgangskenngröße, zumindest teilweise zusammengefasst werden. Es ist auch denkbar, dass die zu dem Zeitpunkt zugeordneten Betriebskenngrößen zur Anpassung an das physikalische Modell, vorzugsweise in einem Umrechnungsschritt, zumindest teilweise umgerechnet werden, insbesondere durch die Steuereinheit. Vorzugsweise werden die zu dem Zeitpunkt zugeordneten Betriebskenngrößen, insbesondere in dem Umrechnungsschritt, bei Bedarf auf die Eingangsgrößen und/oder Ausgangsgrößen des physikalischen Modells umgerechnet. Beispielsweise ist denkbar, dass das Zellensystem mehrere Stapel, welche jeweils mehrere elektrochemische Zellen aufweisen, aufweist, wobei eine Mittelung über die einzelnen Stapel durchgeführt wird oder dass ein erfasster Strom des Zellensystems in eine Stromdichte umgerechnet wird. Anhand des physikalischen Modells wird vorzugsweise, insbesondere in einem Ermittlungsschritt, die Alterungskenngröße bestimmt, für den das physikalische Modell zusammen mit der zumindest einen vorgegebenen Eingangskenngröße die zumindest eine, bevorzugt erfasste, Ausgangskenngröße vorhersagt. Insbesondere wird für die Ermittlung der Alterungskenngröße, vorzugsweise in dem Ermittlungsschritt, ein Optimierungsverfahren angewandt, beispielsweise eine Bayessche Optimierung, ein Simulated-Annealing-Verfahren, ein Gradientenverfahren oder dergleichen, insbesondere bezüglich der erfassten Ausgangskenngröße des Zellensystems zu der zumindest einen vorgegebenen Eingangskenngröße und der von dem physikalischen Modell vorhergesagten Ausgangskenngröße zu der zumindest einen vorgegebenen Eingangskenngröße des ausgewählten Zeitpunkts. Die zumindest eine Zellenkenngröße wird in Abhängigkeit von der ermittelten Alterungskenngröße ermittelt, vorzugsweise in dem Ermittlungsschritt. Bevorzugt wird die zumindest eine Zellenkenngröße, die insbesondere eine der Ausgangsgrößen des physikalischen Modells ist, anhand des physikalischen Modells in Abhängigkeit von der anhand des physikalischen Modells, insbesondere durch eine Invertierung und Optimierung des physikalischen Modells bezüglich der Alterungskenngröße oder durch ein mittels des physikalischen Modells erzeugbares Regressionsmodell, ermittelten Alterungskenngröße ermittelt. Bevorzugt wird der zumindest eine Produktionsparameter in Abhängigkeit von der ermittelten Zellenkenngröße, insbesondere mittels der Steuereinheit, zur Optimierung der Herstellung des zumindest einen, vorzugsweise in der Herstellungsreihenfolge, folgenden Zellensystems angepasst. Beispielsweise wird der Produktionsparameter in Abhängigkeit von der ermittelten Zellenkenngröße anhand einer Produktionsdatenbank optimiert. Die Produktionsdatenbank ist beispielsweise auf dem Speicherelement der Steuereinheit hinterlegt. Die Produktionsdatenbank weist vorzugsweise zumindest Produktionsdaten zu zumindest einem weiteren, insbesondere bereits hergestellten Zellensystem auf. Es ist denkbar, dass die Produktionsdatenbank Anpassungsanweisungen zu einer Anpassung des zumindest einen Produktionsparameters ausgehend von der zumindest einen Zellenkenngröße umfasst. Beispielsweise ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, den zumindest einen Produktionsparameter in Abhängigkeit von der ermittelten Zellenkenngröße anhand der Anpassungsanweisungen anzupassen, insbesondere zu optimieren. Vorteilhaft kann eine Herstellung von Zellensystemen besonders präzise und effizient optimiert werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass anhand eines, insbesondere des zuvor bereits genannten, Modells in Abhängigkeit von, insbesondere den zuvor bereits genannten, Betriebskenngrößen des Zellensystems die zumindest eine Zellenkenngröße ortsaufgelöst ermittelt wird. Vorzugsweise wird eine lokale Verteilung der zumindest einen Zellenkenngröße ermittelt. Bevorzugt entspricht die zumindest eine ortsaufgelöste Zellenkenngröße der ortsaufgelösten Ausgangskenngröße des Zellensystems, insbesondere der ortsaufgelösten Leistungskenngröße des Zellensystems, oder der zumindest einen ortsaufgelösten internen Kenngröße. Insbesondere entspricht die zumindest eine ortsaufgelöste Zellenkenngröße der lokalen Verteilung der zumindest einen Zellenkenngröße. Vorzugsweise wird die zumindest eine ortsaufgelöste Zellenkenngröße anhand des physikalischen Modells in Abhängigkeit von den Betriebskenngrößen des Zellensystems ermittelt, vorzugsweise durch das auf das invertierte physikalische Modell angewandte Optimierungsverfahren bezüglich der Alterungskenngröße oder durch das mittels des physikalischen Modells erzeugte Regressionsmodell. Insbesondere kann die zumindest eine Zellenkenngröße an einer Position oder an einer Liste von Positionen im Zellensystem ermittelt werden. Es ist auch denkbar, dass eine Kombination mehrerer Zellenkenngrößen des Zellensystems, beispielsweise ein Produkt, eine Summe, eine nichtlineare Funktion oder dergleichen, an der Position oder an der Liste von Positionen im Zellensystem ermittelt werden. Ferner ist auch denkbar, dass abgeleitete Werte der zumindest einen Zellenkenngröße oder der Kombination der mehreren Zellenkenngrößen wie beispielsweise ein Maximum, ein Minimum, ein Durchschnitt in einem Teilvolumen oder in einem Gesamtvolumen des Zellensystems, zur Beschreibung der Verteilung wie beispielsweise ein Flächenmoment ersten Grades, ein Flächenmoment zweiten Grades, Stützstellen einer kumulativen Verteilungsdichte oder dergleichen, Gradienten oder Änderungsraten ermittelt werden. Vorteilhaft kann eine besonders präzise Prüfung eines Freigabekriteriums durchgeführt werden. Vorteilhaft kann eine besonders präzise Qualitätsprüfung für Zellensysteme realisiert werden. Vorteilhaft kann eine Herstellung von Zellensystemen besonders detailliert überprüft werden. Vorteilhaft kann eine Gewährleistung einer besonders hohen Qualität der Zellensysteme unterstützt werden. Vorteilhaft können Mängel an Zellensystemen besonders präzise identifiziert werden. Vorteilhaft kann ein Herstellungsprozess besonders detailliert ausgewertet werden. Vorteilhaft kann ein Herstellungsprozess von Zellensystemen besonders effizient und präzise optimiert werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Zellenkenngröße eine Temperaturverteilung im Zellensystem umfasst. Es ist denkbar, dass die Zellenkenngröße einer Temperaturverteilung im Zellensystem entspricht. Vorteilhaft erlaubt die Kenntnis der Temperaturverteilung im Zellensystem, insbesondere in dem von mehreren elektrochemischen Zellen gebildeten Stapel oder in der elektrochemischen Zelle, eine Sicherstellung einer Einhaltung vorgegebener Grenzen für die Verteilung, beispielsweise für die minimale Temperatur und/oder maximale Temperatur, zur Verhinderung von lokalen Schädigungen im Zellensystem. Vorteilhaft kann eine Funktion des Zellensystems bezüglich eines Freigabekriteriums für die Temperatur besonders präzise überprüft werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Zellenkenngröße eine Fluidverteilung, insbesondere eine Sauerstoffverteilung und/oder eine Wasserstoffverteilung, im Zellensystem aufweist. Es ist denkbar, dass die zumindest eine Zellenkenngröße der Fluidverteilung, insbesondere der Sauerstoffverteilung und/oder der Wasserstoffverteilung, im Zellensystem entspricht. Vorteilhaft erlaubt die Kenntnis der Fluidverteilung im Zellensystem, insbesondere in dem von mehreren elektrochemischen Zellen gebildeten Stapel oder in der elektrochemischen Zelle, eine Sicherstellung einer Einhaltung vorgegebener Grenzen für die Verteilung, beispielsweise für eine minimale Konzentration zur Verhinderung von lokalen Schädigungen im Zellensystem. Vorteilhaft kann eine Funktion des Zellensystems bezüglich eines Freigabekriteriums für die Fluidverteilung, insbesondere Fluidkonzentration, besonders präzise überprüft werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Zellenkenngröße eine Stromdichteverteilung im Zellensystem aufweist. Es ist denkbar, dass die zumindest eine Zellenkenngröße der Stromdichteverteilung im Zellensystem entspricht. Vorzugsweise sind anhand des physikalischen Modells in Abhängigkeit von den Betriebskenngrößen des Zellensystems mehrere, bevorzugt ortsaufgelöste, Zellenkenngrößen ermittelbar, insbesondere die Temperaturverteilung im Zellensystem, die Fluidverteilung im Zellensystem, die Stromdichteverteilung im Zellensystem und/oder die ortsaufgelöste Leistungskenngröße, bevorzugt die ortsaufgelöste Ausgangsspannung, des Zellensystems. Vorteilhaft erlaubt eine Kenntnis der Stromdichteverteilung im Zellensystem eine Sicherstellung einer Einhaltung vorgegebener Grenzen für die Verteilung, beispielsweise für eine maximale Stromdichte, um lokalen Schädigungen im Zellensystem entgegenzuwirken. Vorteilhaft kann eine Funktion des Zellensystems bezüglich eines Freigabekriteriums für die Stromdichteverteilung besonders präzise überprüft werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Modell zum Training eines, insbesondere des zuvor bereits genannten, Regressionsmodells verwendet wird. Vorzugsweise wird das Regressionsmodell anhand von mittels des physikalischen Modells ermittelter Ergebnisse trainiert. Bevorzugt ist das trainierte Regressionsmodell dazu vorgesehen, das physikalische Modell zumindest zur Ermittlung der Alterungskenngröße in Abhängigkeit von den Betriebskenngrößen des Zellensystems zu ersetzen. Das Regressionsmodell ist insbesondere zur Verwendung in einem Optimierungsverfahren zur Ermittlung der Alterungskenngröße oder zur direkten Ermittlung der Alterungskenngröße anhand der Betriebskenngrößen vorgesehen. Insbesondere ist denkbar, dass das Regressionsmodell derart trainiert wird, dass das Regressionsmodell die Alterungskenngröße des Zellensystems direkt aus den im Betrieb erfassten Betriebskenngrößen, vorzugsweise aus der zumindest einen Eingangskenngröße und der zumindest einen Ausgangskenngröße, des Zellensystems, bestimmt, wobei insbesondere eine Invertierung des physikalischen Modells entfällt. Es ist denkbar, dass das Regressionsmodell mittels an dem Zellensystem erfasster Betriebskenngrößen und/oder mittels statistischer Versuchsplanung, beispielsweise mittels Latin Hypercube Sampling, Active Learning oder dergleichen, trainiert wird. Insbesondere wird die statistische Versuchsplanung aus einer Kombination von Betriebskenngrößen des physikalischen Modells erzeugt, zu welchen anhand des physikalischen Modells die Alterungskenngröße ermittelt wird, wobei Ergebnisse zum Training des Regressionsmodells genutzt werden. Das Training des Regressionsmodells basiert beispielsweise auf linearer Regression, auf einem Random Forest, auf einem Gauß-Prozess, auf einem neuronalen Netzwerk, auf einer Explainable Boosting Machine oder dergleichen. Vorzugsweise wird zumindest die Alterungskenngröße im Betrieb des Zellensystems anhand des trainierten Regressionsmodells ermittelt. Vorteilhaft kann die zumindest eine Zellenkenngröße, insbesondere ortsaufgelöste Zellenkenngröße, anhand der durch das Regressionsmodell ermittelten Alterungskenngröße besonders zeiteffizient und recheneffizient ermittelt werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass zur Optimierung des Produktionsparameters ein Abgleich der zumindest einen Zellenkenngröße mit Produktionsdaten von zumindest einem weiteren Zellensystem, welches zumindest eine elektrochemische Zelle aufweist, durchgeführt wird, um Korrelationsdaten zu ermitteln. Die Korrelationsdaten sind insbesondere Daten bezüglich einer Korrelation des zumindest einen Produktionsparameters mit der zumindest einen Zellenkenngröße. Insbesondere wird zur Optimierung des Produktionsparameters ein Abgleich der zumindest einen Zellenkenngröße mit den in der Produktionsdatenbank hinterlegten Produktionsdaten durchgeführt, vorzugsweise um die Korrelationsdaten zu ermitteln. Die Produktionsdaten umfassen beispielsweise Informationen zu Produktionskomponenten, Produktionsparametern, Produktionstoleranzen oder dergleichen, welche bei dem zumindest einen weiteren Zellensystem verwendet wurden. Die Produktionsdaten sind vorzugsweise auf der Steuereinheit, insbesondere auf dem Speicherelement, gespeichert. Insbesondere wird der zumindest eine Produktionsparameter in Abhängigkeit von den Korrelationsdaten angepasst, insbesondere optimiert. Bevorzugt wird bei der Herstellung zumindest des folgenden Zellensystems der zumindest eine optimierte Produktionsparameter genutzt. Beispielsweise wird anhand der Korrelationsdaten eine Anpassungsanweisung aus der Produktionsdatenbank ausgewählt, vorzugsweise mittels der Steuereinheit, und auf den zumindest einen Produktionsparameter angewendet. Vorzugsweise werden die zu dem Zellensystem ermittelten Korrelationsdaten in die Produktionsdatenbank eingearbeitet, vorzugsweise durch die Steuereinheit, insbesondere zur Verwendung bei dem zumindest einen, vorzugsweise in der Herstellungsreihenfolge, folgenden Zellensystem. Es ist auch denkbar, dass die Korrelationsdaten zu einem Training eines datenbasierten Modells, vorzugsweise für jeweils eine einzelne elektrochemische Zelle des Zellensystems, verwendet werden. Vorteilhaft kann ein Herstellungsprozess stetig verbessert werden. Vorteilhaft können hinsichtlich einer Herstellungsqualität verbesserungsfähige Produktionsparameter einfach und präzise identifiziert werden.
Zudem wird eine, insbesondere die zuvor bereits genannte, Prüfungs- und/oder Optimierungsvorrichtung mit zumindest einer Steuereinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Vorteilhaft kann eine Prüfungs- und/oder Optimierungsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die eine besonders präzise Überprüfung und/oder eine besonders effiziente Optimierung einer Herstellung von Zellensystemen ermöglicht.
Ferner wird ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei einer Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, vorgeschlagen. Das Computerprogramm ist vorzugsweise auf dem Speicherelement der Steuereinheit gespeichert. Alternativ ist auch denkbar, dass das Computerprogramm auf einem tragbaren Datenträger, beispielsweise auf einem USB-Stick, auf einer tragbaren Festplatte, auf einem optischen Datenträger, insbesondere auf einer CD oder dergleichen, in einer Cloud, auf einem Server oder dergleichen gespeichert ist. Insbesondere weist die Steuereinheit den Computer zur Durchführung des Computerprogramms an. Vorteilhaft kann das Verfahren zur Prüfung und/oder Optimierung einer Herstellung von Zellensystemen besonders komfortabel und flexibel angepasst werden. Vorteilhaft kann das Verfahren in unterschiedlichen Produktionsstätten angewandt und insbesondere besonders komfortabel an eine jeweilige Produktionsstätte angepasst werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Prüfungs- und/oder Optimierungsvorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Computerprogramm sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Prüfungs- und/oder Optimierungsvorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Computerprogramm zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Prüfungs- und/oder Optimierungsvorrichtung mit zumindest einer Steuereinheit zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Prüfung und/oder Optimierung einer Herstellung von Zellensystemen in einer schematischen Darstellung und
2 einen schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine Prüfungs- und/oder Optimierungsvorrichtung 30 zur Prüfung und/oder Optimierung einer Herstellung von Zellensystemen 22 und ein Zellensystem 22 mit mehreren elektrochemischen Zellen 24 (in 1 ist beispielhaft lediglich eine elektrochemische Zelle 24 dargestellt). Alternativ ist auch denkbar, dass das Zellensystem 22 lediglich eine elektrochemische Zelle 24 aufweist. Die elektrochemischen Zellen 24 sind zu einem Stapel zusammengefasst. Es ist auch denkbar, dass das Zellensystem 22 mehrere, aus mehreren elektrochemischen Zellen 24 gebildete Stapel umfasst, die vorzugsweise zu einem Modul oder einem Turm zusammengefasst sind. Die elektrochemischen Zellen 24 sind in Serie geschaltet. Die elektrochemischen Zellen 24 sind als Festoxidbrennstoffzellen ausgebildet. Alternativ ist auch denkbar, dass die elektrochemischen Zellen 24 als andere Brennstoffzellen, beispielsweise als Polymerelektrolytbrennstoffzellen oder dergleichen, als Elektrolysezellen oder als Akkumulatorzellen ausgebildet sind. Beispielsweise ist alternativ auch denkbar, dass die elektrochemischen Zellen 24 in einem Elektrolyseur verwendet werden.
Die Prüfungs- und/oder Optimierungsvorrichtung 30 weist zumindest eine Steuereinheit 26 auf. Die Steuereinheit 26 ist zur Durchführung eines Verfahrens zur Prüfung und/oder Optimierung einer Herstellung von Zellensystemen 22 vorgesehen. Die Steuereinheit 26 ist zur Ermittlung einer Alterungskenngröße des Zellensystems 22 vorgesehen. Die Steuereinheit 26 ist zur Ermittlung von mehreren Zellenkenngrößen des Zellensystems 22 vorgesehen. Die Steuereinheit 26 ist zu einer ortsaufgelösten Überprüfung eines jeweiligen Freigabekriteriums für die Zellenkenngrößen des Zellensystems 22, insbesondere bei einem Freigabetest des Zellensystems 22, vorgesehen. Alternativ ist auch denkbar, dass in dem Verfahren lediglich zu einer Zellenkenngröße ein Freigabekriterium ortsaufgelöst überprüft wird.
Das jeweilige Freigabekriterium für die Zellenkenngrößen ist beispielsweise eine Einhaltung eines vorgegebenen Wertebereichs für die jeweilige Zellenkenngröße der Zellenkenngrößen, insbesondere eine Einhaltung eines Minimums für die jeweilige Zellenkenngröße und/oder eine Einhaltung eines Maximums für die jeweilige Zellenkenngröße der Zellenkenngrößen, bei einem Betrieb des Zellensystems 22, bevorzugt bei einem Betrieb des Zellensystems 22 mit mehreren vorgegebenen Eingangskenngrößen des Zellensystems 22 oder alternativ lediglich mit einer vorgegebenen Eingangskenngröße des Zellensystems 22. Die Eingangskenngrößen des Zellensystems 22 sind Betriebsparameter des Zellensystems 22.
Die Steuereinheit 26 weist zumindest einen Prozessor (hier nicht dargestellt) und ein Speicherelement (hier nicht dargestellt) sowie ein auf dem Speicherelement gespeichertes Betriebsprogramm auf. Das Speicherelement ist als digitales Speichermedium, beispielsweise als eine Festplatte oder dergleichen, ausgebildet. Es ist denkbar, dass die Prüfungs- und/oder Optimierungsvorrichtung 30 eine externe Einheit (hier nicht dargestellt) aufweist, wobei die externe Einheit zumindest einen Teil der Steuereinheit 26 umfasst. Die externe Einheit kann beispielsweise eine Cloud, ein Server oder dergleichen sein. Es ist auch denkbar, dass die externe Einheit das Speicherelement der Steuereinheit 26 umfasst. Auf dem Speicherelement ist ein Computerprogramm 28 gespeichert, umfassend Befehle, die bei einer Ausführung des Computerprogramms 28 durch einen Computer diesen/diese veranlassen, das Verfahren zur Prüfung und/oder Optimierung einer Herstellung von Zellensystemen 22 durchzuführen. Die Steuereinheit 26 weist den Computer auf. Alternativ ist auch denkbar, dass das Computerprogramm 28 auf einem tragbaren Datenträger, beispielsweise auf einem USB-Stick, auf einer tragbaren Festplatte, auf einem optischen Datenträger, insbesondere auf einer CD oder dergleichen, in einer Cloud, auf einem Server oder dergleichen gespeichert ist.
Das Zellensystem 22 weist zumindest ein Steuergerät (hier nicht dargestellt) zu einer Steuerung des Betriebs des Zellensystems 22, vorzugsweise des durch mehrere elektrochemische Zellen 24 gebildeten Stapels, auf. Das Steuergerät ist dazu vorgesehen, den Betrieb des Zellensystems 22, vorzugsweise des durch mehrere elektrochemische Zellen 24 gebildeten Stapels, anhand von den Eingangskenngrößen des Zellensystems 22, vorzugsweise der Betriebsparameter des Zellensystems 22, zu steuern. Die Betriebsparameter können beispielhaft ein abgefragter Laststrom, eine Temperatur, insbesondere eine Gastemperatur, ein Volumenfluss, eine Gaszusammensetzung, einen Druck, eine Druckdifferenz oder dergleichen umfassen. Es ist denkbar, dass die Betriebsparameter des Zellensystems 22 zumindest teilweise Stellgrößen oder Regelgrößen, insbesondere Ist-Werte oder Soll-Werte der Regelgrößen, des Zellensystems 22 sind.
Die Steuereinheit 26 ist insbesondere dazu vorgesehen, den Betrieb des Zellensystems 22, vorzugsweise des durch mehrere elektrochemische Zellen 24 gebildeten Stapels, anhand der Eingangskenngrößen, insbesondere anhand der Betriebsparameter, über das Steuergerät zu steuern. Das Steuergerät ist datentechnisch mit der Steuereinheit 26 verbunden, vorzugsweise zumindest bei der Durchführung des Verfahrens, beispielsweise kabellos oder kabelgebunden. Die Steuereinheit 26 ist dazu vorgesehen, den Betrieb des Zellensystems 22, vorzugsweise des durch mehrere elektrochemische Zellen 24 gebildeten Stapels, über das Steuergerät zu steuern, bevorzugt zumindest in einem mit dem Steuergerät datentechnisch verbundenen Zustand der Steuereinheit 26.
2 zeigt einen schematischen Ablauf des Verfahrens zur Prüfung und/oder Optimierung einer Herstellung von Zellensystemen 22. Das jeweilige zumindest eine Freigabekriterium für die Zellenkenngrößen wird vorzugsweise zumindest bei einem Freigabetest des Zellensystems 22 ortsaufgelöst überprüft. Der Freigabetest wird insbesondere nach einem letzten Produktionsschritt bei der Herstellung des Zellensystems 22 durchgeführt. Der Freigabetest ist vorzugsweise dazu vorgesehen, eine Funktion des Zellensystems 22 zu überprüfen, insbesondere vor einer Auslieferung des Zellensystems 22. Das Zellensystem 22 wird, insbesondere bei dem Freigabetest, bevorzugt in einem Erfassungsschritt 10 des Verfahrens, mit den vorgegebenen Eingangskenngrößen, bevorzugt mit den vorgegebenen Betriebsparametern, betrieben, um zu überprüfen, ob die Zellenkenngrößen das jeweilige Freigabekriterium zu den vorgegebenen Eingangskenngrö-ßen insbesondere den vorgegebenen Betriebsparametern, des Zellensystems 22 erfüllen. Das Zellensystem 22 wird, insbesondere bei dem Freigabetest, vorzugsweise in dem Erfassungsschritt 10, mit den vorgegebenen Eingangskenngrößen, bevorzugt den vorgegebenen Betriebsparametern, betrieben, um eine Einhaltung des jeweiligen Freigabekriteriums für die Zellenkenngrößen, zu den vorgegebenen Eingangskenngrößen, insbesondere den vorgegebenen Betriebsparametern, ortsaufgelöst zu überprüfen.
In einem Verfahrensschritt des Verfahrens, insbesondere dem Erfassungsschritt 10, werden Betriebskenngrößen, bevorzugt zumindest die Ausgangskenngröße zu den vorgegebenen Eingangskenngrößen, insbesondere zu den vorgegebenen Betriebsparametern, an dem Zellensystem 22 erfasst.
Die Ausgangskenngröße des Zellensystems 22 weist eine Leistungskenngröße des Zellensystems 22 auf. Die Leistungskenngröße des Zellensystems 22 ist eine Ausgangsspannung des Zellensystems 22, insbesondere des durch mehrere elektrochemische Zellen 24 gebildeten Stapels. Es ist denkbar, dass eine Zellenkenngröße der Zellenkenngrößen der ortsaufgelösten Leistungskenngröße des Zellensystems 22 entspricht. Die Zellenkenngrößen umfassen mehrere interne Kenngrößen des Zellensystems 22. Es ist alternativ jedoch auch denkbar, dass die Zellenkenngrößen lediglich interne Kenngrößen des Zellensystems 22 umfassen.
Die Prüfungs- und/oder Optimierungsvorrichtung 30 weist eine Erfassungseinheit (hier nicht dargestellt) zur zumindest teilweisen Erfassung der Betriebskenngrö-ßen des Zellensystems 22 auf. Es ist denkbar, dass das Zellensystem 22 zumindest einen Teil der Erfassungseinheit bildet. Die Erfassungseinheit ist datentechnisch mit der Steuereinheit 26 und/oder dem Steuergerät verbunden, insbesondere zu einer kabellosen und/oder kabelgebundenen Datenübertragung. Es ist auch denkbar, dass die Steuereinheit 26 zumindest teilweise die Erfassungseinheit umfasst. Die Erfassungseinheit umfasst eine Sensoreinheit zum zumindest teilweise Erfassen der Betriebskenngrößen. Die Erfassungseinheit, insbesondere die Sensoreinheit, ist dazu eingerichtet, zumindest die als Leistungskenngröße ausgebildete Ausgangskenngröße des Zellensystems 22, insbesondere sensorisch, zu erfassen. Die Sensoreinheit umfasst beispielsweise zumindest einen Spannungssensor, insbesondere zum Erfassen der als Ausgangsspannung ausgebildeten Leistungskenngröße des Zellensystems 22.
Es ist denkbar, dass die als Eingangskenngrößen des Zellensystems 22 ausgebildeten Betriebskenngrößen zumindest teilweise mittels der Erfassungseinheit, bevorzugt sensorisch, erfassbar sind. Zusätzlich oder alternativ ist auch denkbar, dass die Eingangskenngrößen, vorzugsweise die als Stellgrößen oder Regelgrö-ßen ausgebildeten Eingangskenngrößen, insbesondere die Soll-Werte der als Regelgrößen ausgebildeten Eingangskenngrößen, in dem Erfassungsschritt 10, zumindest teilweise direkt mittels der Steuereinheit 26 ausgelesen werden, bevorzugt von der Steuereinheit 26 bereitgestellt werden.
Die Steuereinheit 26 ist dazu vorgesehen, zu den erfassten Betriebskenngrößen, insbesondere zu der erfassten Ausgangskenngröße, vorzugsweise Leistungskenngröße, bei den vorgegebenen Eingangskenngrößen, die Alterungskenngröße zu ermitteln. Die Steuereinheit 26 ist dazu vorgesehen, zu den erfassten Betriebskenngrößen, insbesondere zu der erfassten Ausgangskenngröße, vorzugsweise Leistungskenngröße, bei den vorgegebenen Eingangskenngrößen, die Alterungskenngröße anhand eines Modells zu ermitteln. Das Modell ist ein physikalisches Modell des Zellensystems 22. Das physikalische Modell ist ein Simulationsmodell des Zellensystems 22, welches insbesondere einen Betrieb des Zellensystems 22 im stationären Zustand beschreibt. Das physikalische Modell basiert auf der Finite-Elemente-Methode. Das physikalische Modell weist eine eindeutige Invertierbarkeit zumindest bezüglich der Alterungskenngröße auf.
Es ist denkbar, dass das physikalische Modell zumindest durch ein Herausfiltern von physikalisch irrelevanten Ergebnissen des physikalischen Modells eine eindeutige Invertierbarkeit bezüglich der Alterungskenngröße aufweist. Beispielsweise kann das physikalische Model gemäß einer Veröffentlichung von Zaccaria, Tucker und Traverso mit dem Titel „A distributed real-time model of degradation in a solid oxide fuel cell" (2016, Journal of Power Sources 311, 175-181) eine Degradation des Zellensystems 22 beschreiben, wobei ein ohmscher Anteil von inneren Spannungsverlusten mit der Alterungskenngröße als Vorfaktor versehen ist.
Alternativ ist beispielsweise auch denkbar, dass andere vom ohmschen Anteil verschiedene Widerstände von internen Spannungsverlusten, insbesondere die Konzentrationsverluste oder Polarisationsverluste, des Zellensystems 22 oder ein gesamter innerer Widerstand des Zellensystems 22 mit der Alterungskenngröße als Vorfaktor multipliziert werden. In dem bevorzugten physikalischen Modell wird ein gesamter spezifischer Flächenwiderstand des Zellensystems 22 mit der Alterungskenngröße multipliziert. Die Alterungskenngröße beschreibt einen Alterungszustand des Zellensystems 22. Die Alterungskenngröße weist bei einem ungealterten Zustand des Zellensystems 22 einen Wert von 1 auf und einen Wert größer 1 für einen gealterten Zustand des Zellensystems 22 auf. Die Alterungskenngröße ist eine skalare Größe.
Das physikalische Modell weist mehrere Eingangsgrößen und mehrere Ausgangsgrößen auf. Alternativ ist auch denkbar, dass das physikalische Modell lediglich eine Eingangsgröße und/oder lediglich eine Ausgangsgröße aufweist. Die Eingangsgrößen des physikalischen Modells sind zumindest teilweise Betriebskenngrößen des Zellensystems 22. Die Eingangsgrößen des physikalischen Modells umfassen die Alterungskenngröße des Zellensystems 22. Die Eingangsgrö-ßen des physikalischen Modells umfassen die Eingangskenngrößen, insbesondere die Betriebsparameter, des Zellensystems 22. Die Ausgangsgrößen des physikalischen Modells umfassen zumindest eine der Betriebskenngrößen des Zellensystems 22, insbesondere die als Leistungskenngröße des Zellensystems 22 ausgebildete Ausgangskenngröße des Zellensystems 22. Die Ausgangsgrö-ßen des physikalischen Modells weisen die internen Kenngrößen des Zellensystems 22 auf.
Das physikalische Modell stellt insbesondere eine Abbildung dar, welche die Eingangsgrößen des physikalischen Modells, bevorzugt die, insbesondere vorgegebenen, Eingangskenngrößen, vorzugsweise die, insbesondere vorgegebenen, Betriebsparameter, des Zellensystems 22 und die Alterungskenngröße des Zellensystems 22, auf den Ausgangsgrößen des physikalischen Modells, bevorzugt auf die Leistungskenngröße des Zellensystems 22 und die internen Kenngrößen des Zellensystems 22 abbildet.
Es ist denkbar, dass die zu dem Zeitpunkt zugeordneten Betriebskenngrößen zur Anpassung an das physikalische Modell in einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem Umrechnungsschritt 12, zumindest teilweise umgerechnet werden, bevorzugt durch die Steuereinheit 26. Die dem Zeitpunkt zugeordneten Betriebskenngrößen werden, insbesondere in dem Umrechnungsschritt 12, bei Bedarf auf die Eingangsgrößen und/oder Ausgangsgrößen des physikalischen Modells umgerechnet. Es ist auch denkbar, dass die Betriebskenngrößen zumindest teilweise vorverarbeitet werden, beispielsweise Oszillationen oder dergleichen durch einen Filter entfernt werden. Ferner ist denkbar, dass die Betriebskenngrößen, insbesondere in dem Umrechnungsschritt 12, zumindest teilweise zusammengefasst werden.
Anhand des physikalischen Modells wird in einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem Ermittlungsschritt 14, die Alterungskenngröße bestimmt, für den das physikalische Modell zusammen mit den vorgegebenen Eingangskenngrö-ßen die erfasste Ausgangskenngröße, insbesondere die Leistungskenngröße, Zeitpunkt vorhersagt. Zur Ermittlung der Alterungskenngröße wird das physikalische Modell in dem Ermittlungsschritt 14 invertiert und optimiert, insbesondere bezüglich der Alterungskenngröße.
In dem Ermittlungsschritt 14 wird ein Optimierungsverfahren angewandt, um die die Alterungskenngröße zu ermitteln, beispielsweise eine Bayessche Optimierung, ein Simulated-Annealing-Verfahren, ein Gradientenverfahren oder dergleichen, insbesondere bezüglich der erfassten Ausgangskenngröße des Zellensystems 22 zu den vorgegebenen Eingangskenngrößen des ausgewählten Zeitpunkts und der von dem physikalischen Modell vorhergesagten Ausgangskenngröße zu den vorgegebenen Eingangskenngrößen des ausgewählten Zeitpunkts.
Anhand des physikalischen Modells des Zellensystems 22 werden die Zellenkenngrößen, insbesondere die ortsaufgelöste Leistungskenngröße und die internen Kenngrößen, in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen, insbesondere in Abhängigkeit von der zu den vorgegebenen Eingangskenngrößen erfassten Ausgangskenngröße, des Zellensystems 22 ermittelt. Die Zellenkenngrößen, insbesondere die ortsaufgelöste Leistungskenngröße und die internen Kenngrößen, werden anhand des physikalischen Modells des Zellensystems 22 ermittelt. Das physikalische Modell wird bezüglich der Alterungskenngröße, die insbesondere eine der Eingangsgrößen des physikalischen Modells ist, invertiert und optimiert, um die Alterungskenngröße zu ermitteln, und um anschließend anhand des physikalischen Modells in Abhängigkeit von der ermittelten Alterungskenngröße die Zellenkenngrößen, insbesondere die ortsaufgelöste Leistungskenngröße und die internen Kenngrößen, zu ermitteln.
Die Zellenkenngrößen, insbesondere die ortsaufgelöste Leistungskenngröße und die internen Kenngrößen, werden in Abhängigkeit von der ermittelten Alterungskenngröße ermittelt, vorzugsweise in dem Ermittlungsschritt 14. Die Zellenkenngrößen, insbesondere die ortsaufgelöste Leistungskenngröße und die internen Kenngrößen, die insbesondere Ausgangsgrößen des physikalischen Modells sind, werden anhand des physikalischen Modells in Abhängigkeit von der anhand des physikalischen Modells, insbesondere durch eine Invertierung und Optimierung des physikalischen Modells bezüglich der Alterungskenngröße oder durch ein mittels des physikalischen Modells erzeugbares Regressionsmodell, ermittelten Alterungskenngröße ermittelt.
Es ist auch denkbar, dass das physikalische Modell zum Training eines insbesondere des zuvor bereits genannten, Regressionsmodells verwendet wird. Das Regressionsmodell wird anhand von mittels des physikalischen Modells ermittelter Ergebnisse trainiert. Das trainierte Regressionsmodell ist dazu vorgesehen, das physikalische Modell zumindest zur Ermittlung der Alterungskenngröße in Abhängigkeit von den Betriebskenngrößen des Zellensystems 22 zu ersetzen. Das Regressionsmodell ist insbesondere zur Verwendung in einem Optimierungsverfahren zur Ermittlung der Alterungskenngröße oder zur direkten Ermittlung der Alterungskenngröße anhand der Betriebskenngrößen vorgesehen. Es ist denkbar, dass das Regressionsmodell derart trainiert wird, dass das Regressionsmodell die Alterungskenngröße direkt aus den im Betrieb erfassten Betriebskenngrößen, vorzugsweise den Eingangskenngrößen und der zumindest einen Ausgangskenngröße, des Zellensystems 22, bestimmt, wobei insbesondere eine Invertierung des physikalischen Modells entfällt. Das Regressionsmodell wird mittels an dem Zellensystem 22 erfasster Betriebskenngrößen und/oder mittels statistischer Versuchsplanung, beispielsweise mittels Latin Hypercube Sampling, Active Learning oder dergleichen, trainiert. Insbesondere wird die statistische Versuchsplanung aus einer Kombination von Betriebskenngrößen des physikalischen Modells erzeugt, zu welchen anhand des physikalischen Modells die Alterungskenngröße ermittelt wird, wobei Ergebnisse zum Training des Regressionsmodells genutzt werden. Das Training des Regressionsmodells basiert beispielsweise auf linearer Regression, auf einem Random Forest, auf einem Gauß-Prozess, auf einem neuronalen Netzwerk, auf einer Explainable Boosting Machine oder dergleichen. Die Alterungskenngröße wird im Betrieb des Zellensystems 22 anhand des trainierten Regressionsmodells ermittelt.
Die Zellenkenngrößen, vorzugsweise die ortsaufgelöste Leistungskenngröße und die internen Kenngrößen, werden, insbesondere in dem Ermittlungsschritt 14, anhand des Modells in Abhängigkeit von den Betriebskenngrößen ortsaufgelöst ermittelt. Eine erste interne Kenngröße der internen Kenngrößen der Zellenkenngrößen umfasst eine Temperaturverteilung im Zellensystem 22, insbesondere entspricht die erste interne Kenngröße der Temperaturverteilung im Zellensystem 22. Eine zweite interne Kenngröße der internen Kenngrößen der Zellenkenngrö-ßen umfasst eine Stromdichteverteilung im Zellensystem 22, insbesondere entspricht die zweite interne Kenngröße der Stromdichteverteilung im Zellensystem 22. Eine dritte interne Kenngröße der internen Kenngrößen der Zellenkenngrö-ßen umfasst eine Fluidverteilung, insbesondere eine Wasserstoffverteilung, im Zellensystem 22, insbesondere entspricht die dritte interne Kenngröße der Wasserstoffverteilung im Zellensystem 22. Eine vierte interne Kenngröße der internen Kenngrößen der Zellenkenngrößen umfasst eine Fluidverteilung, insbesondere eine Sauerstoffverteilung, im Zellensystem 22, insbesondere entspricht die vierte interne Kenngröße der Sauerstoffverteilung im Zellensystem 22. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass die internen Kenngrößen einen spezifischen Flächenwiderstand umfassen.
In dem Ermittlungsschritt 14 wird eine lokale Verteilung der Zellenkenngrößen ermittelt. Insbesondere entsprechen die ortsaufgelösten Zellenkenngrößen der lokalen Verteilung der jeweiligen Zellenkenngröße der Zellenkenngrößen. Die lokale Verteilung der Zellenkenngrößen wird anhand des physikalischen Modells in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen des Zellensystems 22 ermittelt, vorzugsweise durch das auf das invertierte physikalische Modell angewandte Optimierungsverfahren oder durch das mittels des physikalischen Modells erzeugte Regressionsmodell. Die Zellenkenngrößen können an einer Position oder an einer Liste von Positionen im Zellensystem 22 ermittelt werden. Es ist auch denkbar, dass eine Kombination mehrerer Zellenkenngrößen des Zellensystems 22, beispielsweise ein Produkt, eine Summe, eine nichtlineare Funktion oder dergleichen, an der Position oder an der Liste von Positionen im Zellensystem 22 ermittelt werden. Ferner ist auch denkbar, dass abgeleitete Werte der Zellenkenngrö-ßen oder der Kombination der mehreren Zellenkenngrößen wie beispielsweise ein Maximum, ein Minimum, ein Durchschnitt in einem Teilvolumen oder in einem Gesamtvolumen des Zellensystems 22, zur Beschreibung der Verteilung wie beispielsweise ein Flächenmoment ersten Grades, ein Flächenmoment zweiten Grades, Stützstellen einer kumulativen Verteilungsdichte oder dergleichen, Gradienten oder Änderungsraten ermittelt werden.
In einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem Prüfungsschritt 16, wird zumindest ein jeweiliges Freigabekriterium für die Zellenkenngrößen ortsaufgelöst überprüft. In dem Prüfungsschritt 16 werden die ermittelten ortsaufgelösten Zellenkenngrößen mit dem zumindest einen jeweiligen Freigabekriterium abgeglichen. Es ist denkbar, dass die Prüfungs- und/oder Optimierungsvorrichtung 30 eine Ausgabeeinheit zumindest zur Ausgabe eines Ergebnisses eines Abgleichs der Zellenkenngrößen mit dem zumindest eine jeweiligen Freigabekriterium umfasst. Die Ausgabeeinheit kann beispielsweise ein Bildschirm, ein Lautsprecher, eine Leuchtanzeige oder dergleichen sein.
In einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem Korrelationsschritt 18, werden die, vorzugsweise im Erfassungsschritt 10 erfassten, Betriebskenngrößen des Zellensystems 22 zur Optimierung zumindest eines Produktionsparameters für Zellensysteme 22, insbesondere für die Herstellung zumindest eines, vorzugsweise in einer Herstellungsreihenfolge, folgenden Zellensystems, ausgewertet. Der Produktionsparameter kann beispielsweise ein Parameter bezüglich eines Sprühverfahrens bei der Herstellung von Funktionsschichten, ein Parameter bezüglich eines Siebdrucks, ein Montageparameter, insbesondere ein Stapelmontageparameter, oder ein anderer, einem Fachmann als sinnvoll erscheinender Produktionsparameter sein. Zur Optimierung des Produktionsparameters wird ein Abgleich der Zellenkenngrößen mit Produktionsdaten von zumindest einem weiteren, insbesondere bereits hergestellten, Zellensystem, welches zumindest eine elektrochemische Zelle aufweist, durchgeführt, um Korrelationsdaten zu ermitteln. Die Korrelationsdaten sind insbesondere Daten bezüglich einer Korrelation des zumindest einen Produktionsparameters und der Zellenkenngrößen. Zur Optimierung des zumindest einen Produktionsparameters wird, vorzugsweise in dem Korrelationsschritt 18, ein Abgleich der ermittelten Zellenkenngrößen mit den in einer Produktionsdatenbank hinterlegten Produktionsdaten durchgeführt, vorzugsweise um die Korrelationsdaten zu ermitteln. Die Produktionsdatenbank ist beispielsweise auf dem Speicherelement der Steuereinheit 26 hinterlegt. Die Produktionsdatenbank weist vorzugsweise zumindest Produktionsdaten zu dem zumindest einen weiteren, insbesondere bereits hergestellten, Zellensystem auf. Die Produktionsdaten umfassen Informationen zu Produktionskomponenten, Produktionsparametern, Produktionstoleranzen oder dergleichen, welche bei dem zumindest einen weiteren Zellensystem verwendet wurden. Die Produktionsdaten sind vorzugsweise auf der Steuereinheit 26, insbesondere auf dem Speicherelement, gespeichert.
In einem Verfahrensschritt, insbesondere in einem Optimierungsschritt 20, wird der zumindest eine Produktionsparameter in Abhängigkeit von den zumindest einen anhand des Modells, insbesondere des physikalischen Modells, aus den Betriebskenngrößen ermittelten Zellenkenngrößen optimiert. Zur Optimierung des zumindest einen Produktionsparameters wird ein Abgleich der Zellenkenngrößen mit den Produktionsdaten von dem zumindest einen weiteren Zellensystem durchgeführt. Der Produktionsparameter wird in Abhängigkeit von den ermittelten Zellenkenngrößen, insbesondere mittels der Steuereinheit 26, zur Optimierung der Herstellung des zumindest einen, vorzugsweise in der Herstellungsreihenfolge, folgenden Zellensystems angepasst. Beispielsweise wird der Produktionsparameter in Abhängigkeit von den ermittelten Zellenkenngrößen anhand der Produktionsdatenbank optimiert. Die Produktionsdatenbank ist vorzugsweise auf dem Speicherelement der Steuereinheit 26 gespeichert. Es ist denkbar, dass die Produktionsdatenbank Anpassungsanweisungen zu einer Anpassung des zumindest einen Produktionsparameters ausgehend von den Zellenkenngrößen umfasst. Beispielsweise ist die Steuereinheit 26 dazu vorgesehen, den zumindest einen Produktionsparameter in Abhängigkeit von den ermittelten Zellenkenngrö-ßen anhand der Anpassungsanweisungen anzupassen, insbesondere zu optimieren, bevorzugt in dem Optimierungsschritt 20.
Der zumindest eine Produktionsparameter wird in Abhängigkeit von den Korrelationsdaten angepasst, insbesondere optimiert. Bei der Herstellung zumindest des folgenden Zellensystems 22 wird der zumindest eine optimierte Produktionsparameter genutzt. Beispielsweise wird anhand der Korrelationsdaten eine Anpassungsanweisung aus der Produktionsdatenbank ausgewählt, vorzugsweise mittels der Steuereinheit 26, und auf den zumindest einen Produktionsparameter angewendet. Die zu dem Zellensystem 22 ermittelten Korrelationsdaten werden in die Produktionsdatenbank eingearbeitet, vorzugsweise durch die Steuereinheit 26, insbesondere zur Verwendung bei dem zumindest einen, vorzugsweise in der Herstellungsreihenfolge, folgenden Zellensystem 22. Es ist auch denkbar, dass die Korrelationsdaten zu einem Training eines datenbasierten Modells, vorzugsweise für jeweils eine einzelne elektrochemische Zelle 22 des Zellensystems 22, verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Zaccaria, Tucker und Traverso mit dem Titel „A distributed real-time model of degradation in a solid oxide fuel cell“ (2016, Journal of Power Sources 311, 175-181 [0011]
Tucker und Traverso mit dem Titel „A distributed real-time model of degradation in a solid oxide fuel cell“ (2016, Journal of Power Sources 311, 175-181 [0037]

Claims

Verfahren zur Prüfung und/oder Optimierung einer Herstellung von Zellensystemen (22), welche zumindest eine elektrochemische Zelle (24) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Zellensystem (22) mit zumindest einer elektrochemischen Zelle (24) zumindest ein Freigabekriterium für zumindest eine Zellenkenngröße des Zellensystems (22) ortsaufgelöst überprüft wird.
Verfahren zumindest nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Betriebskenngrößen eines Zellensystems (22), das zumindest eine elektrochemische Zelle (24) aufweist, erfasst werden, welche anhand eines Modells des Zellensystems (22) zur Optimierung zumindest eines Produktionsparameters für Zellensysteme (22) mit zumindest einer elektrochemischen Zelle (24), insbesondere für die Herstellung zumindest eines folgenden Zellensystems mit zumindest einer elektrochemischen Zelle, ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Produktionsparameter in Abhängigkeit von zumindest einer anhand des Modells aus den Betriebskenngrößen ermittelten Zellenkenngröße optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass anhand eines Modells in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen des Zellensystems (22) die Zellenkenngröße ortsaufgelöst ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenkenngröße eine Temperaturverteilung im Zellensystem (22) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenkenngröße eine Fluidverteilung, insbesondere eine Sauerstoffverteilung und/oder eine Wasserstoffverteilung, im Zellensystem (22) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenkenngröße eine Stromdichteverteilung im Zellensystem (22) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell zum Training eines Regressionsmodells verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung des Produktionsparameters ein Abgleich der Zellenkenngröße mit Produktionsdaten von zumindest einem weiteren Zellensystem, welches zumindest eine elektrochemische Zelle aufweist, durchgeführt wird, um Korrelationsdaten zu ermitteln.
Prüfungs- und/oder Optimierungsvorrichtung (30) mit zumindest einer Steuereinheit (26) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Computerprogramm (28), umfassend Befehle, die bei einer Ausführung des Computerprogramms (28) durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.