DE102022209836A1

DE102022209836A1 - Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Vorrichtung, Steuer- oder Regel-vorrichtung und elektrochemische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102022209836A1
Application number: DE102022209836.6A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Egger; Maxime Carre; Sebastian Schmaderer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-09-19
Filing date: 2022-09-19
Publication date: 2024-03-21
Also published as: WO2024061716A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Vorrichtung, insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Betriebsparameter und zumindest ein von dem Betriebsparameter unterschiedlicher weiterer Betriebsparameter zur Steuerung oder Regelung der elektrochemischen Vorrichtung erfasst werden und wobei in zumindest einem Verfahrensschritt festgelegt wird, dass ein stationärer Betriebszustand (14) der elektrochemischen Vorrichtung erreicht wurde.Es wird vorgeschlagen, dass ein zeitlicher Verlauf einer, insbesondere einzelnen, den zumindest einen Betriebsparameter und den zumindest einen weiteren Betriebsparameter zusammenfassenden Betriebskenngröße ausgewertet wird, um das Erreichen des stationären Betriebszustands (14) zu erkennen.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits ein Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Vorrichtung, insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung, vorgeschlagen worden, bei dem in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Betriebsparameter und zumindest ein von dem Betriebsparameter unterschiedlicher weiterer Betriebsparameter zur Steuerung oder Regelung der elektrochemischen Vorrichtung erfasst werden und wobei in zumindest einem Verfahrensschritt festgelegt wird, dass ein stationärer Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung erreicht wurde.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Vorrichtung, insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Betriebsparameter und zumindest ein von dem Betriebsparameter unterschiedlicher weiterer Betriebsparameter zur Steuerung oder Regelung der elektrochemischen Vorrichtung erfasst wird und wobei in zumindest einem Verfahrensschritt festgelegt wird, dass ein stationärer Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung erreicht wurde.
Es wird vorgeschlagen, dass ein zeitlicher Verlauf einer, insbesondere einzelnen, den zumindest einen Betriebsparameter und den zumindest einen weiteren Betriebsparameter zusammenfassenden Betriebskenngröße ausgewertet wird, um das Erreichen des stationären Betriebszustands zu erkennen. Die elektrochemische Vorrichtung umfasst vorzugsweise zumindest eine elektrochemische Umwandlungseinheit, zu einer elektrochemischen Umwandlung zumindest eines Eduktfluids in zumindest ein Produktfluid. Besonders bevorzugt umfasst die elektrochemische Umwandlungseinheit zumindest eine Brennstoffzelle, zu einer elektrochemischen Umwandlung eines Brennstoffs, insbesondere Wasserstoff und/oder Erdgas, unter Zuführung von Sauerstoff unter Bereitstellung von elektrischer Energie. Vorzugsweise setzt die zumindest eine Brennstoffzelle ein sauerstoffhaltiges Fluid als Eduktfluid in ein sauerstoffarmes Abgas als Produktfluid um. Vorzugsweise setzt die zumindest eine Brennstoffzelle den Brennstoff als weiteres Eduktfluid in ein brennstoffarmes Abgas als weiteres Produktfluid um. Die Begriffe „brennstoffarm“ und „sauerstoffarm“ beziehen sich auf einen Gehalt an Brennstoff bzw. Sauerstoff in dem jeweiligen Produktfluid relativ zu dem jeweiligen Eduktfluid. Alternativ umfasst die elektrochemische Umwandlungseinheit zumindest einen Elektrolyseur, beispielsweise zu einer Aufspaltung von Wasser als Eduktfluid in Wasserstoff und Sauerstoff als Produktfluide unter Aufnahme von elektrischer Energie. Die elektrochemische Vorrichtung umfasst vorzugsweise zumindest eine Sensoreinheit zu einer Erfassung des Betriebsparameters und/oder des weiteren Betriebsparameters.
Die Sensoreinheit erfasst als Betriebsparameter und/oder als weiteren Betriebsparameter beispielsweise einen elektrischen Parameter der elektrochemischen Umwandlungseinheit, einen thermischen Parameter der elektrochemischen Umwandlungseinheit, des Produktfluids und/oder des Eduktfluids, einen Strömungsparameter des Produktfluids und/oder des Eduktfluids oder dergleichen. Der elektrische Parameter ist beispielsweise ein von der elektrochemischen Umwandlungseinheit bereitgestellter oder aufgenommener elektrischer Strom und/oder eine von der elektrochemischen Umwandlungseinheit bereitgestellte oder aufgenommene elektrische Leistung und/oder eine an der elektrochemischen Umwandlungseinheit anliegende elektrische Spannung. Der thermische Parameter ist beispielsweise eine Temperatur oder Wärmemenge des Eduktfluids bei Eintritt in die elektrochemische Umwandlungseinheit oder eine Temperatur oder Wärmemenge des Produktfluids bei Austritt aus der elektrochemischen Umwandlungseinheit. Der Strömungsparameter ist beispielsweise ein Volumenstrom, ein Stoffmengenstrom, ein Teilchenstrom oder ein Massenstrom des Produktfluids oder des Eduktfluids, ein Druck oder eine Druckdifferenz innerhalb des Eduktfluids oder des Produktfluids oder dergleichen.
Vorzugsweise ermittelt eine Steuer- oder Regelvorrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung die Betriebskenngröße in Abhängigkeit von dem Betriebsparameter und in Abhängigkeit von dem weiteren Betriebsparameter, insbesondere in Abhängigkeit von mehr als zwei Betriebsparametern. Die Betriebskenngröße ist vorzugsweise abhängig von einem Gesamtzustand der elektrochemischen Vorrichtung. Besonders bevorzugt ist die Betriebskenngröße abhängig von zumindest einem elektrischen Betriebsparameter, von zumindest einem thermischen Betriebsparameter und/oder von zumindest einem Strömungsparameter der elektrochemischen Vorrichtung. Besonders bevorzugt ist die Betriebskenngröße eine physikalische und/oder chemische Größe oder Kennzahl, beispielsweise eine elektrische Spannung, eine Temperatur, eine Energie oder dergleichen. Alternativ ist die Betriebskenngröße eine abstrakte Funktion ohne physikalisch-chemische Bedeutung, beispielsweise ein Ergebnis eines Scoring-Systems. Besonders bevorzugt wertet die Steuer- oder Regelvorrichtung nur die Betriebskenngröße und insbesondere abhängig von einer Ausgestaltung des Verfahrens gegebenenfalls eine Zeit aus, um zu entscheiden, ob sich die elektrochemische Vorrichtung in einem stationären oder in einem instationären Betriebszustand befindet. Besonders bevorzugt erkennt die Steuer- oder Regelvorrichtung den stationären Betriebszustand daran, dass sich die Betriebskenngröße nur noch unwesentlich verändert. Insbesondere erkennt die Steuer- oder Regelvorrichtung einen instationären Betrieb daran, dass sich die Betriebskenngröße wesentlich ändert. Eine wesentliche Änderung und/oder eine unwesentliche Änderung der Betriebskenngröße ermittelt die Steuer- oder Regelvorrichtung vorzugsweise durch einen Vergleich einer den zeitlichen Verlauf der Betriebskenngröße charakterisierenden oder beschreibenden Veränderungsgröße mit einem Schwellwert. Die Veränderungsgröße kann beispielsweise als Differential, als Differenzenquotient, als Differenz zwischen aufeinanderfolgenden ermittelten Werten der Betriebskenngröße, insbesondere als Streuungsmaß, oder dergleichen ausgebildet sein. Bevorzugt ermittelt die Steuer- oder Regelvorrichtung eine Vielzahl an Werten der Betriebskenngröße innerhalb eines Zeitfensters. Besonders bevorzugt ermittelt die Steuer- oder Regelvorrichtung Werte der Betriebskenngröße kontinuierlich, insbesondere in vorgegebenen regelmäßigen Zeitabständen oder in Echtzeit. Unter „Echtzeit“ soll hierbei in Zeitabständen, welche nur durch eine Datenverarbeitungsgeschwindigkeit der Steuer- oder Regelvorrichtung begrenzt sind, verstanden werden. Alternativ beschränkt die Steuer- oder Regelvorrichtung eine Ermittlung eines Wert der Betriebskenngröße auf einen in 10 Millisekunden, insbesondere auf einen in 50 Millisekunden. Besonders bevorzugt ermittelt die Steuer- oder Regelvorrichtung zumindest einen Wert der Betriebskenngröße in 10 Minuten, bevorzugt zumindest einen Wert der Betriebskenngröße pro Minute, besonders bevorzugt zumindest einen Wert der Betriebskenngröße in 10 Sekunden, überaus bevorzugt zumindest einen Wert der Betriebskenngröße pro Sekunde. Die Steuer- oder Regelvorrichtung ermittelt die Veränderungsgröße vorzugsweise in Abhängigkeit von mehreren Werten, bevorzugt der Mehrheit der Werte, insbesondere allen Werten der Betriebskenngröße, welche innerhalb des Zeitfensters ermittelt werden. Optional schließt die Steuer- oder Regelvorrichtung einzelne Werte der Betriebskenngröße, welche innerhalb des Zeitfensters ermittelt werden, von einer Weiterverarbeitung zu der Veränderungsgröße aus, beispielsweise aufgrund einer Plausibilitätsüberprüfung oder dergleichen. Die Steuer- oder Regelvorrichtung ermittelt die Veränderungsgröße vorzugsweise in Abhängigkeit von mehr als drei, besonders bevorzugt von mehr als fünf, besonders bevorzugt mehr als zehn, Werten der Betriebskenngröße, welche insbesondere zu verschiedenen Zeitpunkten innerhalb des Zeitfensters ermittelt wurden.
Die Steuer- oder Regelvorrichtung ist vorzugsweise dazu vorgesehen, den stationären Betriebszustand durch Veränderung der Betriebsparameter herbeizuführen. Insbesondere steuert die Steuer- oder Regelvorrichtung in dem instationären Betriebszustand oder zu einem Betriebspunktwechsel zumindest eine Stelleinheit der elektrochemischen Vorrichtung an, um zumindest einen der Betriebsparameter und/oder einen zusätzlichen, nicht überwachten Betriebsparameter der elektrochemischen Vorrichtung zu verändern. Die Stelleinheit ist beispielsweise eine Fördereinheit, insbesondere eine Pumpe, ein Verdichter, ein Gebläse oder dergleichen, zum Einstellen des Strömungsparameters und oder des thermischen Parameters. Die Stelleinheit ist beispielsweise ein Inverter oder ein einstellbarer Widerstand zur Einstellung des elektrischen Parameters. Vorzugsweise wechselt die Steuer- oder Regelvorrichtung bei einem Erreichen des stationären Betriebszustands in einen Überwachungs- und/oder Analysemodus. Der Überwachungs- und/oder Analysemodus ist vorzugsweise dazu vorgesehen, den stationären Betriebszustand aufrechtzuerhalten und optional einen Istwert zumindest eines der Betriebsparameter in dem stationären Betriebszustand zu einer Betriebsanalyse der elektrochemischen Vorrichtung auszuwerten, beispielsweise zur Analyse des Eduktfluids, zur Detektion einer Degradation der elektrochemischen Umwandlungseinheit, zur Erfassung einer Effizienz der elektrochemischen Vorrichtung oder dergleichen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein stationärer Betriebszustand vorteilhaft einfach erkannt werden. Insbesondere kann auf die Festlegung einer Vielzahl an Kriterien, Schwellwerten, Zeitkonstanten oder dergleichen für jeden einzelnen Betriebsparameter verzichtet werden. Weiter kann eine Wartezeit nach einem Lastwechsel, um sicherzustellen, dass ein stationärer Betriebszustand vorliegt, vorteilhaft kurz gehalten werden. Insbesondere kann bei einem Lastwechsel gezielt auf ein Einschwingen des stationären Betriebszustands gewartet werden. Dies erlaubt eine vorteilhaft robuste Systemdynamik. Das Verfahren ist vorteilhaft robust und gleichzeitig vorteilhaft einfach in der Umsetzung und erlaubt eine einfache Interpretation der Betriebskenngröße. Weiter können erweiterte Regel- und Steuerungsfunktionen sowie Soft-Sensorkonzepte, die beispielsweise auf Energiebilanzen basieren und daher nur im stationären Betriebszustand gültig sind, vorteilhaft zuverlässig implementiert werden. Insbesondere ergibt sich eine vorteilhaft umfangreiche Analysemöglichkeit eines Verhaltens der elektrochemischen Vorrichtung. Ferner kann eine vorteilhaft hohe Speicher- und Recheneffizienz der Steuer- oder Regelvorrichtung erreicht werden, da anstelle einer Vielzahl von einzelnen Betriebsparametern eine kombinierte Größe in die Überwachung einfließt.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Betriebskenngröße als Betriebsparameter zumindest einen elektrischen Parameter, einen Strömungsparameter und einen thermischen Parameter der elektrochemischen Vorrichtung zusammenfasst, um das Erreichen des stationären Betriebszustands zu erkennen. Besonders bevorzugt ermittelt die Steuer- oder Regelvorrichtung die Betriebskenngröße, insbesondere ohne zusätzlichen Sensor, in Abhängigkeit von Standard-Sensordaten der Sensoreinheit, welche zu einer Steuerung oder Regelung der elektrochemischen Vorrichtung erfasst werden. Die Steuer- oder Regelvorrichtung ermittelt die Betriebskenngröße K beispielsweise anhand der folgenden Rechenvorschrift: $K = [{\dot{n}}_{e i n} (h_{a u s} - h_{e i n}) - h_{a u s} \frac{I_{e l} N_{Z e l l e n}}{4 \cdot F} + I_{e l} U_{Z e l l e n} N_{Z e l l e n}] \cdot {(I_{e l} N_{Z e l l e n})}^{- 1}$
wobei I_el der von der elektrochemischen Umwandlungseinheit erzeugte elektrische Strom, U_Zellen eine mit dem erzeugten Strom I_el verknüpfte elektrische Spannung der elektrochemischen Umwandlungseinheit, N_Zellen die Anzahl der Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren in der elektrochemischen Umwandlungseinheit, wobei F die Faraday-Konstante, h_aus eine molare Enthalpie des Produktfluids bei Austritt aus der elektrochemischen Umwandlungseinheit, h_ein eine molare Enthalpie des Eduktfluids bei einem Eintritt in die elektrochemische Umwandlungseinheit und ṅ_ein einen Stoffstrom des Eduktfluids bezeichnet. Die elektrischen Parameter, d.h. der Strom I_el und die elektrische Spannung U_Zellen, werden vorzugsweise von der Sensoreinheit erfasst. Der Strömungsparameter, d.h. der Stoffstrom ṅ_ein, wird vorzugsweise von der Sensoreinheit erfasst, bzw. aus einem von der Sensoreinheit erfassten Volumenstrom oder Massestrom ermittelt. Die molaren Enthalpien h_aus, h_ein werden von der Steuer- oder Regelvorrichtung vorzugsweise in Abhängigkeit von einer von der Sensoreinheit erfassten Temperatur des Eduktfluids bzw. des Produktfluids ermittelt. Vorzugsweise sind in einem Speicher der Steuer- oder Regelvorrichtung Regressionsfunktionen für die molaren Enthalpien h_aus, h_ein in Abhängigkeit der Temperatur des Eduktfluids bzw. des Produktfluids hinterlegt, welche die Steuer- oder Regelvorrichtung nutzt, um die molaren Enthalpien h_aus, h_ein zu ermitteln. Vorzugsweise verwendet die Steuer- oder Regelvorrichtung das sauerstoffhaltige Fluid als Eduktfluid und das sauerstoffarme Abgas als Produktfluid, um die Betriebskenngröße zu ermitteln. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können zur Bewertung eines Betriebszustands der elektrochemischen Vorrichtung vorteilhaft relevante Betriebsparameter physikalisch verknüpft werden. Insbesondere kann eine einzelne physikalisch interpretierbare Größe zur Überwachung des Betriebszustands verwendet werden. Eine Parametrisierung von Kriterien, welche von der Betriebskenngröße auf den Betriebszustand schließen lassen, muss nur für die eine Betriebskenngröße und nicht für jeden Betriebsparameter erstellt werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens ein Streuungsmaß der Betriebskenngröße ausgewertet wird, um das Erreichen des stationären Betriebszustands zu erkennen. Die Steuer- oder Regelvorrichtung wertet vorzugsweise die in dem Zeitfenster ermittelten Werte der Betriebskenngröße aus, um das Streuungsmaß zu ermitteln. Das Zeitfenster ist vorzugsweise ein gleitendes Zeitfenster. Die Steuer- oder Regelvorrichtung aktualisiert das Zeitfenster vorzugsweise regelmäßig, insbesondere mit jedem neu ermittelten Wert der Betriebskenngröße. Als Streuungsmaß kann beispielsweise die Summe der Abweichungsquadrate, die empirische Varianz, die empirische Standardabweichung, der Variationskoeffizient, die mittlere absolute Abweichung von einem Mittelwert, ein Quantilsabstand oder dergleichen der in dem Zeitfenster ermittelten Werte der Betriebskenngröße verwendet werden. Der Mittelwert der Betriebskenngröße kann das arithmetische Mittel, das geometrische Mittel, den Median oder ein anderes Mittel der Betriebskenngröße bezeichnen. Vorzugsweise wertet die Steuer- oder Regelvorrichtung einen ermittelten Wert des Streuungsmaßes aus, um, insbesondere unabhängig von dem Mittelwert der Betriebskenngröße, zu entscheiden, ob sich die elektrochemische Vorrichtung in einem stationären Betriebszustand oder in einem instationären Betriebszustand befindet. Vorzugsweise entscheidet die Steuer- oder Regelvorrichtung, dass sich die elektrochemische Vorrichtung in einem stationären Betriebszustand befindet, wenn das Streuungsmaß kleiner als ein Schwellenwert ist. Der Schwellenwert kann absolut oder relativ zu dem Mittelwert definiert sein. Vorzugsweise entscheidet die Steuer- oder Regelvorrichtung, dass sich die elektrochemische Vorrichtung in einem instationären Betriebszustand befindet, wenn das Streuungsmaß größer als der Schwellenwert oder ein weiterer von dem Schwellenwert unterschiedlicher Schwellenwert ist. Alternativ wertet die Steuer- oder Regelvorrichtung die Betriebskenngröße mittelts Wavelet-Transformation aus, um das Erreichen des stationären Betriebszustands zu erkennen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Zeitverlauf der Betriebskenngröße vorteilhaft einfach ausgewertet werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens als Streuungsmaß die empirische Varianz der Betriebskenngröße verwendet wird. Die empirische Varianz kann als Summe der Abweichungsquadrate geteilt durch die Anzahl an Freiheitsgraden (korrigierte empirische Varianz) oder geteilt durch die Anzahl an Werten in dem Zeitfenster (unkorrigierte empirische Varianz) ermittelt werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Zeitverlauf der Betriebskenngröße vorteilhaft einfach ausgewertet werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass zumindest zwei Werte der Betriebskenngröße, welche in eine Entscheidung einfließen, ob der stationäre Betriebszustand vorliegt oder nicht, mehr als 10 Minuten auseinander liegen. Das Zeitfenster kann direkt über die Zeitdauer definiert sein, insbesondere wenn die Werte der Betriebskenngröße mit einem Zeitstempel versehen abgespeichert werden, und/oder über eine Anzahl an Werten der Betriebskenngröße, insbesondere wenn diese in zeitlich regelmäßigen Abständen erfasst werden. Vorzugsweise umfasst das Zeitfenster zumindest 10 Minuten, bevorzugt zumindest 20 Minuten, besonders bevorzugt zumindest 30 Minuten. Vorzugsweise speichert die Steuer- oder Regelvorrichtung alle ermittelten Werte der Betriebskenngröße in dem Zeitfenster ab. Vorzugsweise speichert die Steuer- oder Regelvorrichtung höchstens eine vorgegeben maximale Anzahl an Werten der Betriebskenngröße ab, welche vorzugsweise durch das Zeitfenster definiert wird. Bei einem Erreichen der maximalen Anzahl an Werten der Bezugskenngröße wird je neu ermittelten Wert der Betriebskenngröße ein abgespeicherter Wert der Betriebskenngröße vorzugsweise nach dem First in, First-out (FIFO)-Prinzip ersetzt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Bewertung, ob der Betriebszustand stationär oder instationär ist, vorzugsweise zuverlässig erfolgen.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens ein exponentiell geglätteter Durchschnitt der Betriebskenngröße ermittelt wird. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regelvorrichtung den Mittelwert der Betriebskenngröße als exponentiell geglätteten Durchschnitt basierend auf allen in dem Zeitfenster ermittelten Werte. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regelvorrichtung das Streuungsmaß in Abhängigkeit von dem exponentiell geglätteten Durchschnitt. Vorzugsweise aktualisiert die Steuer- oder Regelvorrichtung das Streuungsmaß rekursiv. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regelvorrichtung für jeden neu ermittelten Wert K_i der Betriebskenngröße eine Abweichung δ_i des neu ermittelten Werts der Betriebskenngröße von einem bisherigen Wert des exponentiell geglätteten Durchschnitts K_ema,i-1 insbesondere gemäß $δ_{i} = K_{i} - K_{e m a, i - 1}$
Vorzugsweise aktualisiert die Steuer- oder Regelvorrichtung den exponentiell geglätteten Durchschnitt K_ema,i durch Addition der Abweichung δ_i des neu ermittelten Werts der Betriebskenngröße K_i zu dem bisherigen Wert des exponentiell geglätteten Durchschnitts K_ema,i-1, wobei die Abweichung mit einem Glättungsfaktor α beaufschlagt wird, insbesondere gemäß $K_{e m a, i} = α \cdot δ_{i} + K_{e m a, i - 1}$
Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regelvorrichtung einen aktualisierten Wert des Streuungsmaßes var(K)_ema,i in Abhängigkeit von dem Glättungsfaktor α, einem bisherigen Wert des Streuungsmaßes var(K)_ema,i-1 und der Abweichung δ_i des neu ermittelten Werts der Betriebskenngröße, insbesondere gemäß $v a r {(K)}_{e m a, i} = (1 - α) \cdot (v a r {(K)}_{e m a, i - 1} + α \cdot δ_{i}^{2})$
Der Glättungsfaktor ist vorzugsweise zwischen 0 und 1. Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regelvorrichtung einen Initialwert des Streuungsmaßes var(K)_ema,0 nicht-rekursiv, insbesondere mittels einer expliziten Form des Streuungsmaßes, wie etwa der Summe über die Abweichungsquadrate. Als Initialwert der Betriebskenngröße K_ema,0 kann die Steuer- oder Regelvorrichtung das arithmetische Mittel, das geometrische Mittel, den Median der Werte der Betriebskenngröße in dem Zeitfenster, einen bestimmten Wert der ermittelten Werte der Betriebskenngröße, beispielsweise den ersten Wert, den letzte Wert oder dergleichen, oder einen zufällig ausgewählten Wert der Betriebskenngröße verwenden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Speicherverbrauch und/oder eine notwendige Rechenleistung der Steuer- oder Regelvorrichtung zu einer Erkennung des stationären Betriebszustands vorteilhaft klein gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens ein Glättungsfaktor zur Ermittlung des exponentiell geglätteten Durchschnitts abhängig von einer Relaxationszeit der elektrochemischen Vorrichtung gewählt wird. Das Zeitfenster ist vorzugsweise länger als die Relaxationszeit der elektrochemischen Vorrichtung. Vorzugsweise wird der Glättungsfaktor in Abhängigkeit von einem Verhältnis der Relaxationszeit zu der Dauer des Zeitfensters ermittelt. Die Relaxationszeit der elektrochemischen Vorrichtung ist abhängig von einer Wärmekapazität der elektrochemischen Umwandlungseinheit und gibt insbesondere an, wie schnell eine Temperatur der elektrochemischen Umwandlungseinheit bei einem absichtlichen oder durch eine Störung verursachten Verlassen des stationären Betriebszustands sich, insbesondere exponentiell, einer neuen Gleichgewichtstemperatur annähert. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Verhältnis einer Bedeutung von vergangenen Werten und aktuellen Werten der Betriebskenngröße in dem exponentiell geglätteten Durchschnitt vorteilhaft mit einer für die elektrochemische Vorrichtung relevanten Dynamik verknüpft werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens der zeitliche Verlauf der Betriebskenngröße bis zum Erreichen des stationären Betriebszustands zu einer Zustandsbewertung der elektrochemischen Vorrichtung ausgewertet wird. Die Zustandsbewertung kann beispielsweise eine Fehleranalyse, eine Lebensdauerprognose und/oder eine Bestimmung eines Degradationsgrades der elektrochemischen Vorrichtung durch die Steuer- oder Regelvorrichtung oder eine externe Recheneinheit umfassen. Vorzugsweise gibt die Steuer- oder Regelvorrichtung bei einem Erkennen des stationären Zustands ein Signal aus, dass der stationäre Zustand erreicht wurde, so dass eine von einem stationären Zustand abhängige Zustandsbewertung von der externen Recheneinheit gestartet werden kann. Zusätzlich oder alternativ wertete die Steuer- oder Regelvorrichtung den zeitlichen Verlauf der Betriebskenngröße unmittelbar aus, um eine Zustandsbewertung durchzuführen. Beispielsweise ermittelt die Steuer- oder Regelvorrichtung oder die externe Recheneinheit eine Dauer bis zum Erreichen des stationären Betriebszustands, eine Amplitude eines Überschwingens oder eines asymptotischen Kriechverhaltens der Betriebskenngröße, eine Dämpfung der Amplitude des Überschwingens der Betriebskenngröße, einen Mittelwert der Betriebskenngröße bei Erreichen des stationären Betriebszustands oder dergleichen.. Alternativ oder zusätzlich speichert und/oder versendet die Steuer- oder Regelvorrichtung den zeitlichen Verlauf der Betriebskenngröße zu einer Auswertung durch eine Wartungstechniker und/oder eine externe Rechenvorrichtung, beispielsweise einem Server, auf welchem ein Maschinenlernprozess zur Zustandsbewertung implementiert wurde. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung stehen vorteilhaft viele zusätzliche Parameter zu einer Zustandsbewertung zur Verfügung. Ferner kann ein Startzeitpunkt der Zustandsbewertung vorteilhaft zuverlässig in dem stationären Betriebszustand gewählt werden.
Weiter wird eine Steuer- oder Regelvorrichtung für eine elektrochemische Vorrichtung zu einer Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Die Steuer- oder Regelvorrichtung ist zu einem Steuern oder Regeln der elektrochemischen Vorrichtung vorgesehen. Die Steuer- oder Regelvorrichtung ist vorzugsweise eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einem Speicher sowie mit einem in dem Speicher gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Steuer- oder Regelvorrichtung bereitgestellt werden, welche mit einem vorteilhaft geringen Speicher- und/oder Rechenbedarf vorteilhaft zuverlässig einen stationären Betriebszustand erkennen kann.
Ferner wird eine elektrochemische Vorrichtung, insbesondere eine Brennstoffzellenvorrichtung, mit zumindest einer elektrochemischen Umwandlungseinheit und mit zumindest einer erfindungsgemäßen Steuer- oder Regelvorrichtung vorgeschlagen. Die elektrochemische Umwandlungseinheit umfasst vorzugsweise zumindest eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, vorzugsweise einen Stack an, insbesondere baugleichen, Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren oder einen Verbund mehrerer Stacks an, insbesondere baugleichen, Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren. Die zumindest eine Brennstoffzelle ist vorzugsweise als Hochtemperaturbrennstoffzelle, insbesondere eine Festoxidbrennstoffzelle oder eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle, ausgebildet. Alternativ ist die Brennstoffzelle eine Phosphorsäurebrennstoffzelle, eine Direktmethanolbrennstoffzelle oder eine Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle. Der zumindest eine Elektrolyseur ist vorzugsweise als Hochtemperaturelektrolyseur ausgebildet, insbesondere als Festoxidelektrolyseurzelle.
Vorzugsweise umfasst die elektrochemische Vorrichtung zumindest eine Eduktfluidfördereinheit oder ein Eduktfluidabsperrorgan, zu einer Einstellung einer Zustromrate an frischem Eduktfluid zu der elektrochemischen Umwandlungseinheit. Die Eduktfluidfördereinheit oder das Eduktfluidabsperrorgan werden vorzugsweise von der Steuer- oder Regelvorrichtung zu einem Einstellen des stationären Betriebszustands angesteuert. Die elektrochemische Vorrichtung umfasst vorzugsweise zumindest einen Inverter und/oder einen einstellbaren Widerstand zur Einstellung des elektrischen Parameters. Der Inverter und/oder der einstellbare Widerstand werden vorzugsweise von der Steuer- oder Regelvorrichtung zu einem Einstellen des stationären Betriebszustands angesteuert. Die elektrochemische Vorrichtung umfasst vorzugsweise die Sensoreinheit zu einer Erfassung der Betriebsparameter der elektrischen Vorrichtung. Die Sensoreinheit umfasst beispielsweise zumindest einen Temperatursensor stromaufwärts der elektrochemischen Umwandlungseinheit. Die Sensoreinheit umfasst beispielsweise zumindest einen weiteren Temperatursensor stromabwärts der elektrochemischen Umwandlungseinheit und/oder in oder an der elektrochemischen Umwandlungseinheit. Die Sensoreinheit umfasst beispielsweise ein Amperemeter und/oder ein Voltmeter zur Erfassung des elektrischen Parameters. Die Sensoreinheit umfasst vorzugsweise zumindest einen Durchflussmesser zur Erfassung des Strömungsparameters.
Insbesondere bei einer Ausbildung als Brennstoffzellenvorrichtung umfasst die elektrochemische Vorrichtung optional einen Nachbrenner zur Verwertung von Brennstoffresten in dem brennstoffarmen Abgas, einen Entschwefler und/oder einen Reformer zu einer Aufbereitung des Brennstoffs, einen Wärmeübertrager zu einer Wärmeübertragung von einem Produktfluid auf das Eduktfluid und/oder eine Rezirkulationsleitung zu einer Rückspeisung des Produktfluids in das Eduktfluid.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine elektrochemische Vorrichtung bereitgestellt werden, deren Betriebszustand während eines Betriebs der elektrochemischen Vorrichtung vorteilhaft zeitnah, insbesondere in Echtzeit, vorteilhaft zuverlässig und vorteilhaft ressourcenschonend ermittelt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Steuer- oder Regelvorrichtung und/die erfindungsgemäße elektrochemische Vorrichtung sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Steuer- oder Regelvorrichtung und/die erfindungsgemäße elektrochemische Vorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, 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 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung und
2 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine elektrochemische Vorrichtung 12. Die elektrochemische Vorrichtung 12 ist beispielsweise als Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet. Die elektrochemische Vorrichtung 12 umfasst vorzugsweise zumindest eine elektrochemische Umwandlungseinheit 18. Die elektrochemische Umwandlungseinheit 18 umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, bevorzugt eine Vielzahl an Brennstoffzellen, welche besonders bevorzugt in zumindest einem Stack angeordnet sind. Die elektrochemische Umwandlungseinheit 18 ist hier der Übersicht halber funktional als einzelne Brennstoffzelle dargestellt. Die elektrochemische Umwandlungseinheit 18, insbesondere jede Brennstoffzelle der elektrochemischen Umwandlungseinheit 18, umfasst zumindest eine Sauerstoffelektrode 20 und zumindest eine Brennstoffelektrode 22. Die Sauerstoffelektrode 20 ist zu einem direkten Kontakt mit einem sauerstoffhaltigen Fluid als Eduktfluid vorgesehen. Die Sauerstoffelektrode 20 gibt vorzugsweise ein sauerstoffarmes Abgas als Produktfluid aus. Die Brennstoffelektrode 22 ist zu einem direkten Kontakt mit einem Brennstoff als weiteren Eduktfluid vorgesehen. Die Brennstoffelektrode 22 gibt vorzugsweise ein brennstoffarmes Abgas als weiteres Produktfluid aus. Die elektrochemische Vorrichtung 12 umfasst vorzugsweise einen Inverter 48, welcher elektrisch an der Sauerstoffelektrode 20 und der Brennstoffelektrode 22 angeschlossen ist.
Besonders bevorzugt ist die zumindest eine Brennstoffzelle, insbesondere alle Brennstoffzellen der elektrochemischen Umwandlungseinheit 18, als Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) ausgebildet.
Die elektrochemische Vorrichtung 12 umfasst vorzugsweise eine Eduktfluidfördereinheit 24, insbesondere einen Ventilator, ein Gebläse oder einen Verdichter, zu einer Förderung des sauerstoffhaltigen Fluids zu der Sauerstoffelektrode 20. Das sauerstoffhaltige Fluid ist besonders bevorzugt Umgebungsluft, welche von der Eduktfluidfördereinheit 24 angesaugt wird. Alternativ ist das sauerstoffhaltige Fluid ein Industriegas mit einem definierten Sauerstoffanteil. Die Eduktfluidfördereinheit 24 ist bezogen auf das sauerstoffhaltige Fluid stromaufwärts der Sauerstoffelektrode 20 angeordnet.
Die elektrochemische Vorrichtung 12 umfasst vorzugsweise eine weitere Eduktfluidfördereinheit 26, insbesondere einen Ventilator, ein Gebläse oder einen Verdichter, zu einer Förderung des Brennstoffs zu der Brennstoffelektrode 22. Der Brennstoff ist bevorzugt Wasserstoff und/oder Erdgas. Alternativ umfasst der Brennstoff zumindest ein Kohlenwasserstoff als Reinstoff oder als Gemisch und/oder Ammoniak. Die weitere Eduktfluidfördereinheit 26 ist bezogen auf den Brennstoff stromaufwärts der Brennstoffelektrode 22 angeordnet. Die elektrochemische Umwandlungseinheit 18 ist zu einem Bereitstellen von elektrischer Energie vorzugsweise dazu vorgesehen, den Brennstoff unter Zuführung von Sauerstoff aus dem sauerstoffhaltigen Fluid zu dem weiteren Produktfluid umzusetzen.
Optional umfasst die elektrochemische Vorrichtung 12 einen Entschwefler 28. Der Entschwefler 28 ist vorzugsweise bezogen auf das weitere Eduktfluid stromabwärts der weiteren Eduktfluidfördereinheit 26 und stromaufwärts der elektrochemischen Umwandlungseinheit 18 angeordnet. Optional umfasst die elektrochemischen Vorrichtung 12 einen Reformer 30, zu einem Reformieren des weiteren Eduktfluids. Der Reformer 30 ist vorzugsweise bezogen auf das weitere Eduktfluid stromabwärts der weiteren Eduktfluidfördereinheit 26, insbesondere stromabwärts des Entschweflers 28, und stromaufwärts der elektrochemischen Umwandlungseinheit 18 angeordnet.
Vorzugsweise umfasst die elektrochemische Vorrichtung 12 eine Rezirkulationsleitung 34 und eine, insbesondere in oder an der Rezirkulationsleitung 34 angeordnete, Rezirkulationsfördereinheit 36, insbesondere einen Ventilator, ein Gebläse oder einen Verdichter, zu einer Rückführung des aus der Brennstoffelektrode 22 austretenden weiteren Produktfluids in das weitere Eduktfluid stromaufwärts der Brennstoffelektrode 22. Eine Einspeisemündung der Rezirkulationsleitung 34 ist bezogen auf das weitere Eduktfluid vorzugsweise stromaufwärts des Reformers 30 und stromabwärts des Entschweflers 28 angeordnet.
Die elektrochemische Vorrichtung 12 umfasst vorzugsweise einen Nachbrenner 32, zu einem Umsetzen von Brennstoffresten, die in dem weiteren Produktfluid enthalten sind. Der Nachbrenner 32 ist vorzugsweise bezogen auf das weitere Produktfluid stromabwärts der Brennstoffelektrode 22 und insbesondere stromabwärts einer Abzweigung in die Rezirkulationsleitung 34 angeordnet. Der Nachbrenner 32 ist vorzugsweise bezogen auf das Produktfluid stromabwärts der Sauerstoffelektrode 20 angeordnet. Vorzugsweise umfasst die elektrochemische Vorrichtung 12 einen Wärmeübertrager 38 zu einer Übertragung von Wärme von einem aus dem Nachbrenner 32 austretenden Nachbrennerabgas des Nachbrenners 32 auf das Eduktfluid stromaufwärts der elektrochemischen Umwandlungseinheit 18. Der Wärmeübertrager 38 ist bezogen auf das Eduktfluid vorzugsweise stromabwärts der Eduktfluidfördereinheit 24 und stromaufwärts der elektrochemischen Umwandlungseinheit 18 angeordnet. Vorzugsweise umfasst die elektrochemische Vorrichtung 12 einen weiteren Wärmeübertrager 40 zu einer Übertragung von Wärme von dem aus dem Nachbrenner 32 austretenden Nachbrennerabgas des Nachbrenners 32 auf das weitere Eduktfluid stromaufwärts der elektrochemischen Umwandlungseinheit 18. Der weitere Wärmeübertrager 40 ist bezogen auf das weitere Eduktfluid vorzugsweise stromabwärts des Entschweflers 28 und stromaufwärts der Einspeisemündung der Rezirkulationsleitung 34 angeordnet. Der weitere Wärmeübertrager 40 ist hier beispielhaft bezogen auf das Nachbrennerabgas stromabwärts des Wärmeübertragers 38 angeordnet. Alternativ ist der Wärmeübertrager 38 bezogen auf das Nachbrennerabgas stromabwärts des weiteren Wärmeübertragers 40 angeordnet.
Die elektrochemische Vorrichtung 12 umfasst zumindest eine Steuer- oder Regelvorrichtung 16. Die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 ist vorzugsweise zu einem Ansteuern der Eduktfluidfördereinheit 24, der weiteren Eduktfluidfördereinheit 26, der Rezirkulationsfördereinheit 36 vorgesehen, um einen Strömungsparameter des Eduktfluids und/oder des weiteren Eduktfluids durch die elektrochemische Umwandlungseinheit 18 einzustellen. Die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 ist vorzugsweise zu einem Ansteuern des Inverters 48 vorgesehen, um einen elektrischen Parameter der elektrochemischen Umwandlungseinheit 18 einzustellen. Die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 ist zu einer Durchführung eines Verfahrens 10 vorgesehen, das in der nachfolgenden 2 näher erläutert wird.
Die elektrochemische Vorrichtung 12 umfasst zumindest eine Sensoreinheit. Die Sensoreinheit umfasst vorzugsweise einen Durchflussmesser 42 zur Erfassung des Strömungsparameters des Eduktfluids. Der Durchflussmesser 42 ist vorzugsweise stromabwärts der Eduktfluidfördereinheit 24 und stromaufwärts der elektrochemischen Umwandlungseinheit 18, insbesondere des Wärmeübertragers 38 angeordnet. Alternativ ermittelt die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 den Strömungsparameter aus einer Förderleistung, insbesondere einer Drehzahl, der Eduktfluidfördereinheit 24. Die Sensoreinheit umfasst vorzugsweise zumindest einen Eingangstemperatursensor 44 zu einer Erfassung einer Eingangstemperatur des Eduktfluids bei einem Eintritt in die elektrochemische Umwandlungseinheit 18. Der Eingangstemperatursensor 44 ist vorzugsweise stromaufwärts der elektrochemischen Umwandlungseinheit 18 und stromabwärts der Eduktfluidfördereinheit 24, insbesondere des Wärmeübertragers 38, angeordnet. Die Sensoreinheit umfasst vorzugsweise zumindest einen Ausgangstemperatursensor 46 zu einer Erfassung einer Ausgangstemperatur des Produktfluids bei einem Austritt aus der elektrochemischen Umwandlungseinheit 18. Der Ausgangstemperatursensor 46 ist vorzugsweise stromabwärts der elektrochemischen Umwandlungseinheit 18 und stromaufwärts des Nachbrenners 32 angeordnet. Den elektrischen Parameter greift die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 vorzugsweise direkt von dem Inverter 48 ab.
2 zeigt das Verfahren 10 zum Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 12. Bei einem Start 50 des Verfahrens 10 wird die elektrochemische Vorrichtung 12 vorzugsweise in Betrieb genommen. Während des Starts 50 steuert die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 vorzugsweise einen Betriebspunkt der elektrochemischen Vorrichtung 12 an. Das Verfahren 10 umfasst vorzugsweise einen Betriebskenngrößenermittlungsschritt 52. In dem Betriebskenngrößenermittlungsschritt 52 ermittelt die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 eine Betriebskenngröße basierend auf von der Sensoreinheit erfassten Betriebsparametern. In dem Betriebskenngrößenermittlungsschritt 52 des Verfahrens 10 werden zumindest ein Betriebsparameter und zumindest ein von dem Betriebsparameter unterschiedlicher weiterer Betriebsparameter zur Steuerung oder Regelung der elektrochemischen Vorrichtung 12 erfasst. Vorzugsweise erfasst die Sensoreinheit als einen der Betriebsparameter den Strömungsparameter, insbesondere als Volumenstrom, des Eduktfluids, die Eingangstemperatur des Eduktfluids, die Ausgangstemperatur des Produktfluids und den elektrischen Parameter der elektrochemischen Umwandlungseinheit 18, insbesondere einen von der elektrochemischen Umwandlungseinheit 18 bereitgestellten elektrischen Strom und eine mit dem elektrischen Strom verknüpfte elektrische Spannung. Vorzugsweise führt die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 und die Sensoreinheit den Betriebskenngrö-ßenermittlungsschritt 52 kontinuierlich aus.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10 einen Streuungsermittlungsschritt 54. In dem Streuungsermittlungsschritt 54 wertet die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 einen zeitlichen Verlauf der den zumindest einen Betriebsparameter und den zumindest einen weiteren Betriebsparameter zusammenfassenden Betriebskenngröße aus. Die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 ermittelt ein Streuungsmaß der Betriebskenngröße. Die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 ermittelt als Streuungsmaß die empirische Varianz der Betriebskenngröße.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10 einen Streuungsbewertungsschritt 56. In dem Streuungsbewertungsschritt 56 wertet die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 das Streuungsmaß der Betriebskenngröße aus, um das Erreichen eines stationären Betriebszustands 14 der elektrochemischen Vorrichtung 12 zu erkennen. In dem Streuungsbewertungsschritt 56 legt die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 fest, ob ein stationärer Betriebszustand 14 der elektrochemischen Vorrichtung 12 erreicht wurde oder ob sich die elektrochemische Vorrichtung 12 (immer noch) in einem instationären Betriebszustand 58 befindet. Die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 legt vorzugsweise fest, dass sich die elektrochemische Vorrichtung 12 in dem stationären Betriebszustand 14 befindet, wenn das Streuungsmaß kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist. Der Schwellenwert kann ein absoluter Wert oder ein Wert relativ zu einem Mittelwert der Betriebskenngröße sein. Die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 legt vorzugsweise fest, dass sich die elektrochemische Vorrichtung 12 in dem instationären Betriebszustand 58 befindet, wenn das Streuungsmaß größer als der vorgegebener Schwellenwert ist.
Das Verfahren 10 umfasst vorzugsweise einen Speicherschritt 60. In dem Speicherschritt 60 speichert die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 vorzugsweise die Betriebskenngröße und vorzugsweise das Streuungsmaß ab. In dem Betriebskenngrößenermittlungsschritt 52 wird ein exponentiell geglätteter Durchschnitt der Betriebskenngröße ermittelt und in dem Streuungsermittlungsschritt 54 das Streuungsmaß des exponentiell geglätteten Durchschnitts der Betriebskenngröße ermittelt. Ein Glättungsfaktor zur Ermittlung des exponentiell geglätteten Durchschnitts ist abhängig von einer Relaxationszeit der elektrochemischen Vorrichtung 12. Die Relaxationszeit, welche insbesondere durch eine Wärmekapazität der elektrochemischen Umwandlungseinheit 18 gegeben ist, kann im Vorfeld des Verfahrens 10 ermittelt und in einem Speicher der Steuer- oder Regelvorrichtung 16 hinterlegt sein oder von der Steuer- oder Regelvorrichtung 16 durch einen Testbetrieb der elektrochemischen Vorrichtung 12 ermittelt werden. Vorzugsweise ist der Glättungsfaktor abhängig, insbesondere proportional, zu einem Verhältnis der Relaxationszeit zu einer Dauer eines Zeitfensters, welches eine Anzahl an bei einer Ermittlung des exponentiell geglätteten Durchschnitts zu berücksichtigenden Werten der Betriebskenngröße festlegt. Zumindest zwei Werte der Betriebskenngröße, welche in eine Entscheidung einfließen, ob der stationäre Betriebszustand 14 vorliegt oder nicht, liegen mehr als 10 Minuten auseinander.
Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 den exponentiell geglätteten Durchschnitt der Betriebskenngröße und dessen Streuungsmaß rekursiv in Abhängigkeit des zuletzt ermittelten Werts der Betriebskenngröße, des zuletzt ermittelten Werts des exponentiell geglätteten Durchschnitts und des zuletzt ermittelten Werts des Streumaßes. Vorzugsweise wird der zuletzt ermittelte Wert des exponentiell geglätteten Durchschnitts der Betriebskenngröße in dem Speicherschritt 60 abgespeichert, insbesondere anstelle des zuletzt ermittelten Werts der Betriebskenngröße. Alternativ werden eine vorgegebene Anzahl an, insbesondere alle in einem Zeitfenster, ermittelten Werte des Betriebskenngröße in dem Speicherschritt 60 gesammelt, um das Streuungsmaß mittels einer expliziten Form des Streuungsmaßes zu ermitteln.
Bei einem Erreichen des stationären Betriebszustands 14 wechselt die Steuer- oder Regelvorrichtung 16 vorzugsweise von einer Betriebspunktansteuerung in einen Überwachungsmodus und/oder gibt ein Hinweissignal aus, dass sich die elektrochemische Vorrichtung 12 in dem stationären Betriebszustand 14 befindet. Nach einem Erreichen des stationären Betriebszustands 14 wird der zeitliche Verlauf der Betriebskenngröße bis zum Erreichen des stationären Betriebszustands 14 zu einer Zustandsbewertung der elektrochemischen Vorrichtung 12 von der Steuer- oder Regelvorrichtung 16 oder einer externen Rechenvorrichtung ausgewertet. Die Zustandsbewertung kann von der Steuer- oder Regelvorrichtung 16, beispielsweise an einen Wartungsdienst, ausgegeben werden und/oder zu einer Anpassung einer Steuerung oder Regelung weiterverarbeitet werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Vorrichtung, insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Betriebsparameter und zumindest ein von dem Betriebsparameter unterschiedlicher weiterer Betriebsparameter zur Steuerung oder Regelung der elektrochemischen Vorrichtung erfasst werden und wobei in zumindest einem Verfahrensschritt festgelegt wird, dass ein stationärer Betriebszustand (14) der elektrochemischen Vorrichtung erreicht wurde, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Verlauf einer, insbesondere einzelnen, den zumindest einen Betriebsparameter und den zumindest einen weiteren Betriebsparameter zusammenfassenden Betriebskenngröße ausgewertet wird, um das Erreichen des stationären Betriebszustands (14) zu erkennen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskenngröße als Betriebsparameter zumindest einen elektrischen Parameter, einen Strömungsparameter und einen thermischen Parameter der elektrochemischen Vorrichtung zusammenfasst, um das Erreichen des stationären Betriebszustands (14) zu erkennen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein Streuungsmaß der Betriebskenngröße ausgewertet wird, um das Erreichen des stationären Betriebszustands (14) zu erkennen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt als Streuungsmaß die empirische Varianz der Betriebskenngröße verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Werte der Betriebskenngröße, welche in eine Entscheidung einfließen, ob der stationäre Betriebszustand (14) vorliegt oder nicht, mehr als 10 Minuten auseinander liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein exponentiell geglätteter Durchschnitt der Betriebskenngröße ermittelt wird.
Verfahren zumindest nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein Glättungsfaktor zur Ermittlung des exponentiell geglätteten Durchschnitts abhängig von einer Relaxationszeit der elektrochemischen Vorrichtung gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt der zeitliche Verlauf der Betriebskenngröße bis zum Erreichen des stationären Betriebszustands (14) zu einer Zustandsbewertung der elektrochemischen Vorrichtung ausgewertet wird.
Steuer- oder Regelvorrichtung für eine elektrochemische Vorrichtung zu einer Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrochemische Vorrichtung, insbesondere Brennstoffzellenvorrichtung, mit zumindest einer elektrochemischen Umwandlungseinheit (18) und mit zumindest einer Steuer- oder Regelvorrichtung nach Anspruch 9.