DE102023200744A1

DE102023200744A1 - Verfahren zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung

Info

Publication number: DE102023200744A1
Application number: DE102023200744.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Mueller; Jochen Wolff
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-02-01
Filing date: 2023-01-31
Publication date: 2023-08-03
Also published as: WO2023148132A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1), wobei die Energieversorgungseinrichtung (1) zumindest einem Verbraucher (99) und/oder einem Stromnetz (99) Strom bereitstellt, und wobei die Energieversorgungseinrichtung (1) mindestens eine Brennstoffzelleneinheit (12) zur Erzeugung von elektrischem Strom aufweist, und wobei mindestens ein Stromsteuerungsmittel (80) ausgebildet ist, und wobei das Stromsteuerungsmittel (80) ausgebildet ist, den bereitgestellten Strom zu ändern, umfassend die Schritte:
• Ändern (110) des bereitgestellten Stroms mittels dem Stromsteuerungsmittel (80);
• Erfassen (120) von zumindest einem Messwert, insbesondere einer Spannungswert und/oder Stromwert;
• Erneutes Ändern (130) des bereitgestellten Stroms mittels dem Stromsteuerungsmittel (80), insbesondere auf den Ausgangswert;
• Ermitteln des Zustands (140) zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten (12) mittels der erfassten Messwerte.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung sowie ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium und eine elektronische Steuereinheit.
Stand der Technik
Um größere Leistungen zu ermöglichen, ist es bekannt mehrere Brennstoffzelleneinheiten als Energieversorgungseinrichtungen zusammenzuschalten. Es ist bekannt die Brennstoffzelleneinheiten in Strängen miteinander zusammenzuschalten. Vorteilhaft ist es, wenn alle Brennstoffzelleneinheiten die gleichen Innenwiderstände aufweisen. Umwelteinflüsse und weitere Einflüsse führen jedoch dazu, dass die Brennstoffzelleneinheiten mit der Zeit von ihren ursprünglichen Spezifikationen abweichen. Die Feststellung dieser Abweichungen stellt sich bisher als sehr komplex dar.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung. Die Energieversorgungseinrichtung stellt zumindest einem Verbraucher und/oder einem Stromnetz Strom bereit. Die Energieversorgungseinrichtung weist mindestens eine Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung von elektrischem Strom auf. Die Energieversorgungseinrichtung wandelt chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Die Energieversorgungseinrichtung erzeugt einen elektrischen Strom. Die umgewandelte elektrische Energie wird als elektrischer Strom bereitgestellt. Die Energieversorgungseinrichtung weist mindestens ein Stromsteuerungsmittel auf. Das Stromsteuerungsmittel ist ausgebildet den bereitgestellten Strom zu ändern.
Das Verfahren umfasst die im Folgenden aufgeführten Verfahrensschritte.
In einem Verfahrensschritt erfolgt das Ändern des bereitgestellten Stroms mittels dem Stromsteuerungsmittel.
In einem Verfahrensschritt erfolgt das Erfassen von zumindest einem Messwert, insbesondere zumindest zwei Messwerte, insbesondere einer Spannungswert und/oder Stromwert.
In einem Verfahrensschritt erfolgt ein erneutes Ändern des bereitgestellten Stroms mittels dem Stromsteuerungsmittel, insbesondere auf den Ausgangswert.
In einem Verfahrensschritt erfolgt das Ermitteln des Zustands zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten, vorzugsweise mehrere Brennstoffzelleneinheiten, beispielsweise aller Brennstoffzelleneinheiten, die miteinander in Serie verschaltet sind, mittels der erfassten Messwerte, insbesondere mittels des erfassten Messwerts und mindestens einem weiteren Messwert. Vorzugsweise wird einer der Messwerte, insbesondere der weitere Messwert, bei kontanter Last und/oder bei konstantem Betrieb erfasst. Der weitere Messwert wird erfasst bevor bereitgestellte Strom geändert wird oder nachdem der ursprüngliche Strom wieder eingestellt wurde.
Vorteilhaft kann der Zustand der Energieversorgungseinrichtung auf einfach Weise ermittelt werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens.
Eine vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Verfahrensschritt des Erfassens mindestens ein weiteres Mal ausgeführt wird. Vorzugsweise wird zumindest ein Messwert, insbesondere der weitere Messwert, bei konstanter Last und/oder bei konstantem Betrieb erfasst. Insbesondere Erfassen (105) eines weiteren Messwerts, vorzugsweise einem Spannungswert und/oder Stromwert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist, dass bei der Erfassung zumindest eine Spannungsmessung an der Brennstoffzelleneinheit und/oder eine Spannungsmessung über mehrere seriell verschaltete Brennstoffzelleneinheiten durchgeführt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass beim Ändern des bereitgestellten Stroms, der Strom erhöht oder reduziert wird, insbesondere dass der Strom auf null Ampere reduziert wird. Vorzugsweise wird bei einer Reduzierung des Stroms auf null Ampere der Stromkreis unterbrochen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass das Ändern des bereitgestellten Stroms stufenweise durchgeführt wird. Insbesondere erfolgt für jede Stufe das Erfassen zumindest eines Messwerts. Vorzugsweise wird das Ändern des bereitgestellten Stroms und ein anschließendes Erfassen eines Messwerts wiederholt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung erfolgt das Ermitteln des Zustands zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten mittels eines erfassten Messwerts und mindestens einem, insbesondere mehreren, Messwerten, die zu einem früheren Zeitpunkt erfasst wurden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass es sich bei dem Stromsteuerungsmittel um einen Stromrichter, insbesondere einen Gleichrichter, Gleichspannungswandler oder Umrichter, oder um einen Schalter, insbesondere einen elektrischen Schalter, vorzugsweise einen Halbleiterschalter, oder ein Relais handelt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass zumindest eine der Brennstoffzelleneinheiten trotz dem Ändern des bereitgestellten Stroms unverändert weiter betrieben wird. Im Rahmen des Verfahrens erfolgt kein Regeleingriff in die Brennstoffzelleneinheit und der Prozessoreinheiten selbst.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass der Zeitraum zwischen Ändern und erneutem Ändern weniger als 1s, vorzugsweise weniger als 100 Millisekunden, insbesondere weniger als 10 Millisekunden beträgt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass das Verfahren regelmäßig, insbesondere monatlich, vorzugsweise wöchentlich, wiederholt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich durch die im Folgenden aufgeführten Verfahrensschritte aus.
In einem Verfahrensschritt erfolgt das Abspeichern zumindest eines der erfassten Messwerte auf einem Datenspeicher. Der Datenspeicher kann lokal, insbesondere als Teil der elektrischen Steuereinheit oder des maschinenlesbaren Speichermediums ausgebildet sein. Er kann auch entfernt, insbesondere auf einem Server oder in der Cloud ausgebildet sein.
Eine vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich durch die im Folgenden aufgeführten Verfahrensschritte aus.
In einem Verfahrensschritt erfolgt das Auslesen zumindest eines erfassten Messwerts aus einem Datenspeicher.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens auszuführen.
Die Erfindung betrifft auch ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
Die Erfindung betrifft auch eine elektronische Steuereinheit, die eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens auszuführen.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung;
2 schematisch die elektrische Verschaltung einer Energieversorgungseinrichtung; und
3 den Verfahrensablauf des Verfahrens;
4 und 5 den Spannungs- und Stromverlauf über die Zeit bei einem Sprungartigen ändern; und
6 und 7 den Spannungs- und Stromverlauf über die Zeit bei einem stufenweisen ändern.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren 100 zur Steuerung einer Energieversorgungseinrichtung 1. Die Energieversorgungseinrichtung 1 umfasst zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 sowie zumindest zwei Brennstoffzelleneinheiten 12.
In 1 ist beispielhaft der Aufbau einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 dargestellt.
In 2 ist beispielhaft der Aufbau einer Energieversorgungseinrichtung 1 mit sechs Brennstoffzelleneinheiten 12 dargestellt. Die 2 ist dahingehend vereinfacht, dass nur die elektrischen Pfade schematisch dargestellt sind. Es ist selbstverständlich, dass die in der 2 gezeigt Energieversorgungseinrichtung 1 neben den Brennstoffzelleneinheiten 12 auch zusätzliche Prozessoreinheiten 14 aufweisen.
Die Prozessoreinheiten 14 werden im Folgenden in 1 näher beschrieben. Die Brennstoffzelleneinheiten 12 und die Prozessoreinheiten 14 können beliebig zu Brennstoffzellenvorrichtung 10 zusammengefasst sein.
In 1 ist ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst beispielhaft zwei Brennstoffzelleneinheiten 12. Insbesondere können mehr als die zwei in 1 gezeigten Brennstoffzelleneinheiten 12 ausgebildet sein.
Die Brennstoffzelleneinheiten 12 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Brennstoffzellenstack ausgeführt, welche eine Vielzahl von Brennstoffzellen, im vorliegenden Fall Festoxidbrennstoffzellen (englisch: solid oxide fuel cell, SOFC), aufweisen.
Des Weiteren umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Vielzahl von Prozessoreinheiten 14. Die Anzahl und Skalierung der Prozessoreinheiten 14 hängt von der Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten 12 ab sowie von dem Aufbau und der Struktur der gesamten Energieversorgungseinrichtung 1.
Unter einer „Prozessoreinheit“ 14 soll im Rahmen dieser Erfindung insbesondere eine Einheit oder Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung 10, bzw. der Energieversorgungseinrichtung 1 verstanden werden, bei der es sich nicht um eine Brennstoffzelleneinheit 12 handelt. In dem vorliegenden Fall handelt es sich bei den Prozessoreinheiten 14 um Einheiten zur chemischen und/oder thermischen Vor- und/oder Nachbereitung zumindest eines in einer Brennstoffzelleneinheit 12 umzusetzenden und/oder umgesetzten Mediums, wie beispielsweise eines Oxidationsmedium, insbesondere Luft und/oder Sauerstoff, und/oder eines Abgases und/oder eines Brennstoffs, vorzugsweise eines Brenngases, insbesondere Erdgas oder Wasserstoff.
Bei einer der Prozessoreinheiten 14 handelt es sich um einen in einer Luftzuführung 16 angeordneten Wärmeübertrager 18 zur Erwärmung einer den Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere sauerstoffhaltigen Luft L. Im vorliegenden Fall wird das Oxidationsmedium, insbesondere die Luft L, beispielsweise in einem Normalbetrieb, jeweils einem Kathodenraum 20 der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, während jeweils einem Anodenraum 22 reformierter Brennstoff RB, im vorliegenden Wasserstoff oder Erdgas, zugeführt wird. In den Brennstoffzelleneinheiten 12 wird der reformierte Brennstoff RB durch Mitwirkung von Sauerstoff aus der Luft L unter Erzeugung von Strom und Wärme elektrochemisch umgesetzt. Es wird elektrische Energie erzeugt.
Der reformierte Brennstoff RB wird erzeugt, indem der Brennstoffzellenvorrichtung 10 über eine Brennstoffzuführung 24 Brennstoff B, insbesondere Erdgas oder Wasserstoff oder Methan oder Kohlegas, zugeführt wird, welcher in einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall einem Reformer 26, reformiert wird.
Des Weiteren sind die Brennstoffzelleneinheiten 12 abgasseitig mit einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall mit einem Nachbrenner 28, verbunden. Dem Nachbrenner 28 wird Abgas der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, im vorliegenden Fall Kathodenabgas KA über eine Kathodenabgasführung 30 und ein Teil des Anodenabgas AA über eine Anodenabgasführung 32. Das Kathodenabgas KA enthält unverbrauchtes Oxidationsmedium, insbesondere Luft L, bzw. unverbrauchten Sauerstoff, während das Anodenabgas AA ggf. nicht-umgesetzten, reformierten Brennstoff RB und/oder ggf. nicht-reformierten Brennstoff B enthält. Mittels des Nachbrenners 28 wird das Anodenabgas AA, bzw. der ggf. darin enthaltene nicht-umgesetzte, reformierte Brennstoff RB und/oder der ggf. darin enthaltende nicht-reformierte Brennstoff B, unter Beimischung des Kathodenabgases KA, bzw. des darin enthaltenen Sauerstoffs des Oxidationsmedium, insbesondere der Luft L, verbrannt, wodurch zusätzliche Wärme erzeugt werden kann.
Das bei der Verbrennung im Nachbrenner 28 entstehende heiße Abgas A wird über eine Abgasführung 34 über eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall über einen Wärmeübertrager 36, vom Nachbrenner 28 abgeführt. Der Wärmeübertrager 36 ist dabei wiederum mit dem Reformer 26 strömungstechnisch verbunden, so dass Wärme von dem heißen Abgas A, auf den dem Reformer 26 zugeführten Brennstoff B übertragen wird. Entsprechend kann die Wärme des heißen Abgases A für die Reformierung des zugeführten Brennstoffs B im Reformer 26 genutzt werden.
Stromabwärts des Wärmeübertragers 36 befindet sich eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall der Wärmeübertrager 18, in der Abgasführung 34, so dass die verbleibende Wärme des heißen Abgases A auf das zugeführte Oxidationsmedium, insbesondere Luft L in der Luftzuführung 16 übertragen werden kann. Entsprechend kann die verbleibende Wärme des heißen Abgases für ein Vorwärmen des zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere der Luft L in der Luftführung 16 genutzt werden.
Darüber hinaus weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Rückführung 38 auf, mittels welcher ein Teil des Anodenabgas AA aus der Anodenabgasleitung 32 abgezweigt und einem Anodenrezirkulationskreis 40 zugeführt werden kann. Dabei passiert das abgezweigte Anodenabgas AA eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall einen weiteren Wärmeübertrager 39.
Mittels des Anodenrezirkulationskreises 40 kann der abgezweigte Teil des Anodenabgas AA dem jeweiligen Anodenraum 22 der Brennstoffzelleneinheiten 12 und/oder dem Reformer 26 rückgeführt, bzw. erneut zugeführt, werden, so dass der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-umgesetzte, reformierte Brennstoff RB im Nachgang in der Brennstoffzelleneinheit 12 umgesetzt und/oder der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-reformierte Brennstoff B im Nachgang im Reformer 26 reformiert werden kann. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung 10 weiter erhöht werden. Zudem kann über die Brennstoffzuführleitung 24 frischer Brennstoff B dem im Anodenrezirkulationskreis 40 rezirkuliertem, abgezweigten Anodenabgas AA beigemischt werden. Mittels des Weiteren Wärmeübertragers 39 kann dann zur thermischen Aufbereitung Wärme von dem abgezweigten Anodenabgas AA aus der Rückführleitung 38 auf das durch die Beimischung des frischen Brennstoffs B entstehende Brennstoffgemisch im Anodenrezirkulationskreis 40 übertragen werden.
Über Verdichter 42 in den jeweiligen Leitungen, kann die Zufuhr eines Oxidationsmediums, insbesondere von Oxidationsmedien, vorzugsweise Luft L in der Luftzuführung 16, die Zufuhr von Brennstoff B in der Brennstoffzuführung 24 und die Rezirkulationsrate des Anodenabgases AA im Anodenrezirkulationskreis 40 geregelt und/oder aufeinander abgestimmt werden.
Vorzugsweise weist die Brennstoffzellenvorrichtung ein Heizelement 44 zur, im vorliegenden Fall zusätzlichen, Erwärmung der den Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere Luft L in einer Bypassleitung 46, wodurch die Betriebseffizienz der Brennstoffzellevorrichtung 10 gesteigert wird.
Die Erfindung ist nicht auf Festoxidbrennstoffzellen beschränkt. Vielmehr können beliebige Brennstoffzellen ausgeführt sein. Beispielsweise können die Brennstoffzellen auch als alkalische Brennstoffzelle (AFC), Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (NT-PEMFC), Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (HT-PEMFC), Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) ausgeführt sein. Entsprechend unterscheiden sich die verwendeten Brennstoffe oder das Oxidationsmedium. Beispiel für Brennstoffe sind Wasserstoff, Alkohole (Ethanol, Propanol, Glycerin, Methanol), Methan, Kohlegas, Ammoniak Reformatgas, insbesondere Methanol. Beispiels für Oxidationsmedien sind Luft, insbesondere der Luftsauerstoff der Luft, Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Salpertersäure oder Halogene.
Abhängig von der verwendeten Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit 12 sind die Prozesseinheiten 14 angepasst.
In 2 ist schematisch die elektrische Verschaltung einer Energieversorgungseinrichtung 1 dargestellt. Die Energieversorgungseinrichtung 1 weist beispielhaft drei Stränge 50, 60, 70 mit jeweils zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 auf. Die Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs 50, 60, 70 sind hier beispielhaft seriell miteinander verschaltet. Vorzugsweise ist auch eine serielle und parallele Verschaltung der Brennstoffzelleneinheiten 12 in einem Strang 50, 60, 70 denkbar. Auch die Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12 je Strang ist beliebig wählbar. So können insbesondere auch mehr Brennstoffzelleneinheiten 12 in einem Strang angeordnet sein.
Die Stränge 50, 60, 70 sind zueinander elektrisch parallel verschaltet. Erfindungsgemäß kann die Anzahl der Stränge 50, 60, 70 beliebig gewählt werden. Auch kann die Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12 je Strang beliebig gewählt werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform bilden die Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs 50, 60, 70 eine Brennstoffzellenvorrichtung 10. Entsprechend sind in 2 jeweils eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 je Strang, also drei Brennstoffzellenvorrichtungen 10 dargestellt.
Eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 kann auch entgegen dem Beispiel in 1 mehr oder weniger als die in 1 angegebenen zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 aufweisen. Entsprechend sind die Prozessoreinheiten 14, die eine Brennstoffzelleneinheit benötigt, in Anzahl, Leistung und Abmessung angepasst. Vorzugsweise benötigt jede Brennstoffzelleneinheit 12 eine Vielzahl von Prozessoreinheiten 14 entsprechend 1.
Einzelne Prozessoreinheiten 14 können derart ausgebildet und eingerichtet sein, dass sie sich mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 teilen. Beispielsweise sind in 1 zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 sowie eine Vielzahl an Prozessoreinheiten 14 zu deren Versorgung dargestellt.
Gemäß einer Weiterbildung können einzelne Prozessoreinheiten 14, gleichzeitig mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 versorgen. Eine einzelne Prozessoreinheiten 14 kann hierbei auch Brennstoffzelleneinheiten 12 von mehr als einem Strang 50, 60, 70 versorgen. Insbesondere kann ein Verdichter 42 für zwei oder mehr Brennstoffzelleneinheiten 12 vorgesehen sein. Auch kann die Luftzuführung 16 für viele, insbesondere alle, Brennstoffzelleneinheiten 12 verwendet werden.
Der Strom, der sich in einem Strang ausbildet, hängt von dem Innenwidersand der Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs 50, 60, 70 ab. Der Innenwiderstand hängt beispielsweise von der Temperatur der Brennstoffzelleneinheit 12, der Alterung der Brennstoffzelleneinheit 12, dem zugeführten Oxidationsmedium und dem zugeführten Brennstoff ab.
In 2 sind Stromsteuerungsmittel 80, 80`, 80" dargestellt. Bei den Stromsteuerungsmittels 80, 80`, 80" handelt es sich insbesondere um Stromrichter oder Schalter.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Stromsteuerungsmittels 80 und 80' jeweils um einen Stromrichter, vorzugsweise um einen Gleichspannungswandler, der die Gleichspannung der Brennstoffzelleneinheit 12 umwandelt. Vorzugsweise sind Gleichspannungswandler als Stromsteuermittel entweder an der Position 80 oder 80' ausgebildet. Gleichspannungswandler wandeln Gleichspannung in Gleichspannung um. Die Stromrichter 80 und 80' dienen insbesondere auch der Steuerung der Stromentnahme aus den Brennstoffzelleneinheiten 12.
Insbesondere handelt es sich bei dem Stromsteuerungsmittel 80" um einen Stromrichter, vorzugsweise einen Umrichter, beispielsweise einen DC/AC Spannungswandler, welcher die von den Brennstoffzelleneinheit 12 oder die von einem Stromrichter an einem der Positionen 80 oder 80' erzeugte Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt. Insbesondere die öffentlichen Stromnetze 99 sowie die meisten Verbraucher 99 arbeiten mit einer Wechselspannung. Ferner entspricht das Spannungsniveau der Brennstoffzelleneinheiten 12 nicht den Anforderungen durch den Verbraucher 99 oder das Stromnetz 99.
Vorzugsweise ist dem optionalen Stromsteuerungsmittel 80" ein Stromrichter, insbesondere ein Gleichspannungswandler 80`, vorgeschaltet. Bei dem Stromrichter 80` handelt sich um einen Gleichspannungswandler. Der Gleichspannungswandler 80` ist insbesondere notwendig, da vor einem Umrichter 80" stets eine definierte minimale Spannungslage erforderlich ist, so dass der Umrichter 80" vernünftig und effizient in Wechselstrom umwandeln kann. Alternativ kann der Gleichspannungswandler 80` auch für jeden Strang als Gleichspannungswandler 80 ausgebildet sein. Befinden sich in den meisten, insbesondere allen Strängen jeweils ein Gleichspannungswandler 80, kann der Gleichspannungswandler 80` entfallen.
Der Gleichspannungswandler 80` oder die Gleichspannungswandler 80 erzeugen eine Zwischenkreisspannung 97 mit einer minimal notwendigen Spannungslage, so dass der Stromrichter, insbesondere Umrichter 80" vernünftig und/oder effizient arbeiten kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass die Stromrichter 80' und 80" in einem Gerät kombiniert sind. Vorteilhaft erfolgt so eine Kosten- und Bauraum-Optimierung erreicht werden. Auch besteht eine geringere Ausfallwahrscheinlichkeit durch eine geringe Anzahl an Einzelkomponenten.
Die Stromsteuerungsmittel 80, 80`, 80" können alternativ oder zusätzlich als elektrischer Schalter ausgebildet sein oder einen solchen umfassen. Das als elektrische Schalter ausgebildete Stromsteuerungsmittel 80, 80`, 80" kann insbesondere als Thyristor, Relais oder Halbleiterschalter, insbesondere Transistor, vorzugsweise Feldeffekttransistor, beispielsweise MosFets, JFet oder Bipolartransistor, ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass eine Kombination aus verschiedenen dieser genannten Schalter oder Sicherungen ausgebildet ist. Auch eine Parallelschaltung von mehreren Halbleiterschaltern, Transistoren, Feldeffekttransistoren, MosFets, JFets oder Bipolartransistoren ist denkbar.
Das Stromsteuerungsmittel 80, 80`, 80" ist ausgebildet den Strom, insbesondere den bereitgestellten Strom, zu ändern, insbesondere zu reduzieren oder erhöhen. Es kann mittels einem Stromsteuerungsmittel 80, 80`, 80" der bereitgestellte Strom geändert werden. Insbesondere kann das Stromsteuerungsmittel 80 den von den Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs bereitgestellten Strom ändern. Die Stromsteuerungsmittel 80' und 80" können den von allen Strängen summierten Strom ändern. Das Ändern umfasst insbesondere ein Reduzieren oder ein Erhöhen. Insbesondere kann der Strom auf null Amper reduziert werden. Das Ändern auf einen Strom mit 0 Amper erfolgt insbesondere durch ein Unterbrechen des Stromkreises.
In 3 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 dargestellt.
Zur Durchführung des Verfahrens 100 ist es vorteilhaft, wenn die Energieversorgungseinrichtung 1 in einem stabilen und/oder eingeschwungenen Zustand betrieben wird. Insbesondere wird das Verfahren 100 durchgeführt, wenn sich die Energieversorgungseinrichtung 1 und/oder Brennstoffzelleneinheit 12 und/oder Brennstoffzelleneinheit 12, die gemessen werden sollen, in einem konstanten Betrieb, insbesondere mit konstanter Last befinden.
Insbesondere wirkt die Brennstoffzelleneinheit 12 lediglich reaktiv auf eine Veränderung des Stroms durch die Stromsteuerungsmittel 80, 80`, 80". Es erfolgt für die Messung, insbesondere das Erfassen, kein Eingriff, der Teil des Verfahrens 100 ist, in die Medienversorgung der Brennstoffzelleneinheiten 12 selbst. Insbesondere wird die Luftzufuhr und die Brennstoffzufuhr nicht verändert. Die Brennstoffzelleneinheit 12 wird nicht im Anfahr- oder Abfahrbetrieb betrieben.
Vorzugsweise wird das Verfahren 100 für jede Brennstoffzelleinheit 12, jede Brennstoffzelleneinheit 12 eines Strangs 50, 60, 70, oder alle Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs durchgeführt. Entsprechend werden die Stromsteuerungsmittel 80, 80`, 80" eingesetzt und eingestellt.
In einem optionalen Verfahrensschritt erfolgt das optionale ermitteln, ob sich die Energieversorgungseinrichtung 1 und/oder Brennstoffzelleneinheit 12 in konstanten Betrieb, mit insbesondere r Last befindet.
In einem Verfahrensschritt 105 erfolgt das Erfassen zumindest eines Messwerts (siehe t₀ oder t₈ in 4 und 7). Insbesondere erfolgt das Erfassen eines Spannungswerts und/ oder eines Stromwerts. Der Stromwert kann insbesondere mittels eines Shunt-Widerstands ermittelt werden, wobei der Shunt-Widerstand im Strompfad der Brennstoffzelleneinheit 12 ausgebildet ist. Die Messung des Spannungswerts erfolgt insbesondere über eine Brennstoffzelleneinheit 12 oder mehrere Brennstoffzelleneinheit 12, insbesondere alle Brennstoffzelleneinheiten eines Strangs 50, 60, 70. In den 4 bis 7 ist der Messzeitpunkt mit t₀ dargestellt. Insbesondere wird die Klemmspannung einer Brennstoffzelleneinheit 12 oder mehrerer Brennstoffzelleneinheiten 12 oder aller Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs erfasst. Insbesondere erfolgt das Erfassen des Messwerts für einen Strang, vorzugsweise für mehrere, beispielsweise alle Stränge.
In einem Verfahrensschritt 110 erfolgt ein Ändern des bereitgestellten Stroms mittels dem Stromsteuerungsmittel 80, 80`, 80" (siehe t₁ in 5 und 7). Soll der Zustand einer einzelnen Brennstoffzelleneinheit 12 oder der Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs 50, 60, 70 ermittelt werden, erfolgt ein Ändern durch das Stromsteuerungsmittel 80 in dessen Strang die Brennstoffzelleneinheit 12 angeordnet ist. Soll der Zustand aller Brennstoffzelleneinheiten 12 ermittelt werden, erfolgt ein Ändern durch das Stromsteuerungsmittel 80' oder 80". Insbesondere wird auch von den betroffen Brennstoffzelleneinheiten 12 die Klemmspannung und/oder der Strom ermittelt.
Das Stromsteuerungsmittel 80, 80`, 80" reduziert oder erhöht beim Ändern 110 den Strom, der einem Verbraucher 99 oder Stromnetz 99 durch die Energieversorgungseinrichtung 1 bereitgestellt werden kann. Insbesondere kann das Stromsteuerungsmittel 80, wenn es als Schalter ausgebildet ist den Stromkreis unterbrechen. Bei einer Unterbrechung des Stromkreises stellt sich ein Strom mit 0 Amper ein.
Das Ändern 110 erfolgt nicht mittels Änderns der Zufuhr an Brennstoff und/oder dem Oxidationsmedium zu der Brennstoffzelleneinheit 12. Das Ändern 110 umfasst insbesondere lediglich den elektrischen Strompfad von der Brennstoffzelleneinheit 12 zum Verbraucher 99 und/oder dem Stromnetz 99, in welches der elektrische Strom eingespeist werden soll, zu ändern. Insbesondere erfolgt das Ändern, vorzugsweise reduzieren oder Erhöhen des breitgestellten Stroms.
In einem Verfahrensschritt 120 erfolgt das Erfassen zumindest eines Messwerts. Insbesondere erfolgt das Erfassen eines Spannungswerts und/oder eines Stromwerts. Der Stromwert kann insbesondere mittels eines Shunt-Widerstands, der im Strompfad der Brennstoffzelleneinheit 12 ausgebildet ist, ermittelt werden. Die Messung des Spannungswerts erfolgt insbesondere über eine Brennstoffzelleneinheit 12 oder mehrere Brennstoffzelleneinheit 12, insbesondere alle Brennstoffzelleneinheiten eines Strangs 50, 60, 70, insbesondere deren Zustand ermittelt werden soll.
Insbesondere weisen die Stromsteuerungsmittel 80, 80`, 80", insbesondere einen, Shuntwiderstände zur Erfassung der Stromstärke auf.
Im Falle einer Absenkung des bereitgestellten Stroms auf 0A, insbesondere einem unterbrechen, stellt jede Brennstoffzelleneinheit 12 die Funktion einer Lambda-Sonde dar. Anhand der erfassten Spannung können konkrete Rückschlüsse auf die Gaszusammensetzung (CO, H2, CH4) und/oder auf den Zustand der Zellen selbst geschlossen werden. Das Reduzieren des Stroms bewirkt ein Erhöhen der Spannung, die an einer oder mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 anliegt. Eine entsprechende Darstellung ist in den 4 und 6 gezeigt und wird im Folgenden näher erläutert.
Es ist auch möglich, anstatt einer Stromreduzierung eine Stromerhöhung durchzuführen. Dies wäre insbesondere dann interessant, wenn die Energieversorgungseinrichtung 1 über einen langen Zeitraum nur in einem Teillastbetrieb betrieben würde.
Verfahrensschritt 105 entspricht dem Erfassen 120 bei konstanter Last und/oder konstantem Betrieb.
In einem weiteren Verfahrensschritt 130 erfolgt das erneute Ändern des bereitgestellten Stroms mittels dem Stromsteuerungsmittels 80 (Siehe t₃ in 4 und 5; siehe t₇ in 6 und 7). Insbesondere wird auf den Ausgangswert des Stroms (siehe t₀) geändert. Insbesondere der Wert, welcher optional zum Zeitpunkt t₀ erfasst wurde. Insbesondere erfolgt das Ändern bei einem als Schalter ausgebildeten Stromsteuerungsmittel durch das Schließen der Schaltkontakte und/oder dem Wiederherstellen einer elektrischen Verbindung.
Am Ende des Erfassens 120 wird die Stromentnahme, insbesondere der bereitgestellte Strom, wieder auf das Niveau angehoben 130, das vor dem Zeitpunkt, insbesondere vor t₁, der Aktivierung des Verfahrens eingestellt war. Insbesondere wird das Niveau zum Zeitpunkt t₀ eingestellt.
Auch kann ein stufenweises Ändern 110 des Stroms erfolgen (siehe 6 und 7) (t₁, t₃, t₅). Die Stromreduzierung 110 könnte auch stufenweise geschehen, um weitere Messpunkte (t₂, t₄, t₆) zu erhalten. Insbesondere werden dann die Verfahrensschritte 120 und 110 abwechselnd wiederholt. Nach dem Ändern 110 des Stroms erfolgt ein Erfassen 120 zumindest eines Messwerts. Anschließen wird der Strom erneut reduziert. Es ergibt sich eine gestufte Stromreduzierung. Insbesondere sind die einzelnen Stufenhöhen identisch. Insbesondere wird der Strom um einen definierten Wert je Ausführen des Verfahrensschritts 110 geändert, vorzugsweise reduziert oder erhöht. Insbesondere werden die Verfahrensschritte 110 und 120 zumindest einmal wiederholt. Insbesondere werden die Verfahrensschritte 110 und 120 mehrmals wiederholt.
Nach dem Erfassen eines Messwerts 120 erfolgt das optionale Abspeichern 125 des Messwerts. Der Verfahrensschritt 125 muss nicht direkt nach dem Verfahrensschritt 120 erfolgen. Insbesondere kann in dem Verfahrensschritt 125 auch mehrere der zuvor gemessenen Messwerte abgespeichert werden.
Vorzugsweise kann der Verfahrensschritt 120 auch mehrmals nach dem Ändern 120 und vor dem wiederholten Ändern 110 oder dem erneuten Ändern 130 durchgeführt werden. Es kann dann ein Messwert aus den erfassten Messwerten, insbesondere mittels Mittelwertbildung, gebildet werden. Die Verfahrensschritte 130 und 140 können in der Reihenfolge vertauscht sein.
In einem weiteren Verfahrensschritt 140 erfolgt das Ermitteln des Zustands zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten 12 oder der Energieversorgungseinrichtung 1 mittels eines erfassten Messwerts und mindestens einem weiteren Messwert. Vorzugsweise wird einer der Messwerte erfasst, wenn kein Strom fließt. Insbesondere wird der Spannungswert erfasst. Insbesondere wird zumindest einer zum Zeitpunkt t₂ erfasster Messwert mit einem zum Zeitpunkt t₀ oder t₈ erfassten Wert verwendet. Vorzugsweise wird der erfasste Messwert mit dem oder mehreren zuvor erfasste Messwerte verwendet. Gemäß 4 und 5 werden die Messwerte zum Zeitpunkt t₀ / t₈ und t₂ verwendet. Gemäß 6 und 7 werden die Messwerte zum Zeitpunkt t₀ und t₂ und/oder t₀/ t₈ oder t₂ und t₄ und/oder t₀/ t₈ oder t₂ oder t₄ und t₆ verwendet.
Verfahrensschritt 105 kann alternativ oder zusätzlich auch zum Zeitpunkt t₈ ausgeführt werden. In Verfahrensschritt 105 erfolgt das Erfassen eines Messwerts, insbesondere eines Strom- und/oder Spannungswerts, nachdem Verfahrensschritt 130 ausgeführt wurde. Die Messungen zu den Zeitpunkten t₈ und t₀ erfolgen bei konstanter Last, insbesondere konstanten Betrieb. Vorzugsweise erfolgt vor dem Ermitteln 140 das Auslesen zumindest eines zu einem früheren Zeitpunkt, oder insbesondere zuvor, erfassten Messwerts oder ermittelten Zustands aus einem Speicher.
Gemäß einer Weiterbildung wird ein historischer Messwert oder historischer Zustand ausgelesen. Hierbei kann es sich insbesondere um den beim letzten Durchlauf des Verfahrens 100 ermittelten Messwert handeln. Auch kann es sich um den Messwert handeln, der bei der Inbetriebnahme oder bei einem der ersten Durchläufe des Verfahrens 100 ermittelt wurde. Hierbei kann es sich insbesondere um den beim letzten Durchlauf des Verfahrens 100 ermittelten Zustand handeln. Auch kann es sich um den ermittelten Zustand handeln, der bei der Inbetriebnahme oder bei einem der ersten Durchläufe des Verfahrens 100 ermittelt wurde.
Insbesondere erfolgt das Ermitteln, insbesondere der Vergleich, mit mehreren Messwerten oder ermittelten Zuständen, die zu einem früheren Zeitpunkten erfasst wurden. Insbesondere wird der aktuelle Messwert t₂ mit einem früheren Messwert zum vergleichbaren Zeit punkt t₂ verwendet. Gleiches gilt für die Messwerte t₄, t₆ usw. Vorzugsweise wird der Messwert verwendet, welcher ermittelt wurde, während kein Strom fließt.
Insbesondere die Verwendung, vorzugsweise der Vergleich, von unterschiedlichen Messwerte oder ermittelten Zuständen derselben Anlage zu unterschiedlichen Zeitpunkten, insbesondere bei unterschiedlichen Strömen, bringt eine große Aussagekraft bezüglich Zellalterungsverhalten, Brennstoffzellenstack Alterung, OCV Werten (Open Circuit Voltage), Gesundheitszustand der Zellen, defekter und/oder kurzgeschlossener Brennstoffzellen, Anzahl defekter und/oder kurzgeschlossener Brennstoffzellen, Zustand des IR-CATs.
Vorzugsweise lässt sich durch das Verfahren 100 sogar Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit eines vorgeschalteten Reformers 26 schließen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können die erfassten Messwerte an ein Auswertemittel gesendet werden. Das Auswertemittel kann insbesondere zentral ausgebildet sein. Vorzugsweise ermöglich es die Auswertung von Messwerten mehrere Energieversorgungseinrichtung 1. Insbesondere ist es in der Cloud ausgebildet.
Vorzugsweise können die Messwerte von mindestens zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 untereinander verglichen werden.
Die Zeitspanne t_A der Stromunterbrechung/-reduzierung/-erhöhung also zwischen den Verfahrensschritten 110 und 130 ist so zu wählen, dass kapazitive und induktive Effekte der Stromänderung keine Rollen mehr spielen. Die Zeitspanne t_A erstreckt sich in 4 und 5 beispielhaft von t₁ bis t₃ und in 6 und 7 beispielhaft von t₁ bis t₇. Die Zeitspanne t_A der Stromunterbrechung/- reduzierung/-erhöhung also zwischen den Verfahrensschritten 110 und 130 ist derart zu wählen, dass die Unterbrechung der Stromentnahme die verfahrenstechnischen Prozesse nicht oder nur unwesentlich stört.
Während der Zeitspanne t_A der Unterbrechung bzw. Reduzierung des entnehmbaren Strom, bzw. des bereitgestellten Stroms, wird nicht mehr die gleiche Energiemenge aus dem Brennstoff entnommen, da weniger Strom entnommen wird. Somit wird insbesondere mehr unverbrauchtes Brennstoff, insbesondere Gas auf der Auslassseite der Brennstoffzelleneinheit 12 ausströmen. Die Zeitspanne t_A sollte also so gering gewählt werden, dass die Konsequenz keine größeren Einflüsse auf die Energieversorgungseinrichtung 1 hat.
Insbesondere ist ein Zeitraum t_A von weniger als 1s, vorzugsweise weniger als 100 Millisekunden, insbesondere weniger als 10 Millisekunden vorteilhaft.
Das Verfahren 100 wird durchgeführt, wenn die Grundfunktion der Energieversorgungseinrichtung 1 und/oder den Brennstoffzelleneinheiten 12 nicht gestört wird. Ist die betroffene Energieversorgungseinrichtung 1 Stromnetzgeführt, das bedeutet direkt mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden, wird eine kurze Stromunterbrechung in der Regel kein Problem darstellen.
Wird die Energieversorgungseinrichtung 1 in einem elektrischen Inselbetrieb betrieben, das bedeutet sie ist nicht an das öffentliche Stromnetz gekoppelt, dann erfolgt eine Prüfung, ob die Durchführung des Verfahrens 100 ein Risiko für den Betrieb des Insel-Stromnetztes, für dessen Stabilität und für die Stabilität der angeschlossenen Verbraucher darstellt. Auch sollte darauf geachtet werden, dass nicht bei mehreren Energieversorgungseinrichtung 1, die in unmittelbarer Nähe an ein Stromnetz angeschlossen sind, oder zu viele Brennstoffzelleneinheiten 12 gleichzeitig das Verfahren 100 durchführen.
Vorzugsweise wird das Verfahren 100 mit einer zeitlichen Staffelung bei mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 oder Energieversorgungseinrichtung 1 angewendet. Insbesondere werden einzelne Brennstoffzelleneinheiten 12 oder Stränge mit Brennstoffzelleneinheiten 12 nacheinander erfasst.
Die Häufigkeit, mit der das Verfahren 100 durchgeführt wird, ist insbesondere abhängig von der zu erwartenden Alterungseigenschaften des Brennstoffzelleneinheiten 12. Eine wöchentliche oder monatliche Durchführung je Brennstoffzelleneinheit 12 ist vorteilhaft und ausreichend. Das Verfahren 100 kann jedoch auch Event-getriggert durchgeführt werden, insbesondere wenn ein auffälliges Verhalten vorliegt oder wenn sich verfahrenstechnische Parameter in einem kurzen Zeitrahmen ändern.
In 4 ist ein Diagramm mit einem Spannungsverlauf über die Zeit dargestellt. In 5 ist ein Diagramm mit einem dazugehörigen Stromverlauf über die Zeit dargestellt. Die x-Achse bildet den Zeitverlauf.
Zum Zeitpunkt t₁ erfolgt die Änderung 110 des bereitgestellten Stroms. Insbesondere wird der Stromkreis mittels dem Stromsteuerungsmittel 80, 80`, 80" unterbrochen. Vorzugsweise erfolgt dies mittels eines Schalters. Der Strom fällt auf 0 Amper ab. Es fließt kein Strom. Die Spannung nimmt bis zur Leerlaufspannung V₂ zu. Zum Zeitpunkt t₂ erfolgte ein Erfassen 120 eines Messwerts, insbesondere der Spannung (U_{Klemmspannung}), vorzugsweise der Leerlaufspannung (wenn der Strom auf 0 Ampere reduziert wurde). Zum Zeitpunkt t₂ wird dir bereitgestellte Strom auf den Ausgangswert zurück geändert. Diese erfolgt insbesondere durch Schließen des Stromkreises durch das Stromsteuerungsmittel 80.
In 6 ist ein Diagramm mit einem Spannungsverlauf über die Zeit dargestellt. In 7 ist ein Diagramm mit einem Stromverlauf über die Zeit dargestellt. Zum Zeitpunkt t₁ wird erfolgt die Änderung 110 des bereitgestellten Stroms. Insbesondere wird der Stromkreis mittels dem Stromsteuerungsmittel 80 stufenweise reduziert. Zum Zeitpunkt t₁ erfolgt eine erste Reduzierung. Zum Zeitpunkt t₂ erfolgte ein erstes Erfassen 120 eines Messwerts, insbesondere der Spannung und/oder des Stroms. Der Verfahrensschritt 110 wird wiederholt und der bereitgestellte Strom erneut zum Zeitpunkt t₃ geändert, insbesondere reduziert. Zum Zeitpunkt t₃ erfolgte ein Erfassen 120 eines zweiten Messwerts. Der Verfahrensschritt 110 wird wiederholt und der bereitgestellte Strom erneut zum Zeitpunkt t5 geändert, insbesondere reduziert. Zum Zeitpunkt t6 erfolgte ein Erfassen 120 eines zweiten Messwerts.
Dies kann beliebig oft wiederholt werden bis der Strom Null ist. Die Anzahl der Wiederholungen ist davon abhängig, wie groß die einzelnen Schritte sind. Es stellt sich eine Spannung entsprechend 5 ein. Die Spannung erhöht sich stufenweise bis zum Erreichen der Leerlaufspannung V₂.
Zum Zeitpunkt t₇ wird der bereitgestellte Strom auf den Ausgangswert zurück geändert. Insbesondere auf den Wert, der zum Zeitpunkt t₀ ermittelt wurde. Dies entspricht dem Verfahrensschritt 130 „erneutes Ändern“.
Das Ermitteln des Zustands 140 erfolgt mittels zumindest zwei erfasster Messwert. Die Messwerte werden insbesondere in den Verfahrensschritten 105 und 120 erfasst. Insbesondere erfolgt das Ermittelten des Zustands bei einem einmaligen Ausführen von 110 und 120 (siehe 4, 5) mit den Messwerten, die zum Zeitpunkt t₀ und t₂ oder t₂ und t₈ erfasst wurden. Insbesondere erfolgt das Ermitteln des Zustands 140 bei einem mehrmaligen Ausführen von 110 und 120 (siehe 6, 7) mit den Messwerten t₀ oder t₈ und einem der im Verfahrensschritt 120 erfassten Messwerte t₂, t₄, t₆
Vorzugsweise kann das Ermitteln des Zustands 140 auch nach dem Erfassen 120 erfolgen.
Vorzugsweise wird der Innenwiederstand der Brennstoffzelleneinheit 12 beim Ermitteln 140 ermittelt. Dieser lässt einen Rückschluss auf den Zustand der Brennstoffzelleneinheit 12 zu. Der Innenwiderstand hängt beispielsweise von der Temperatur der Brennstoffzelleneinheit 12, der Alterung der Brennstoffzelleneinheit 12, dem zugeführten Oxidationsmedium und dem zugeführten Brennstoff ab.
Vorzugsweise liegt der Zeitpunkt t₀ vor dem Zeitpunkt t₁. Vorzugsweise sind die Zeitpunkte t₀ und t₁ maximal 1 Sekunde, vorzugsweise 100 Millisekunden, beispielsweise 10 Millisekunden entfernt.
Insbesondere können auch mehrere Messungen vor dem ersten Ändern 110 erfolgen und den Messwert zum Zeitpunkt to repräsentieren. Der anschließend verwendete Messwert wird aus den einzelnen Messungen, insbesondere mittels Mittelwertbildung, bestimmt. Der Verfahrensschritt 105 wird kurz vor dem erstmaligen Ausführen des Verfahrensschritts 110 ausgeführt. Kurz ist hierbei als weniger als 1 Sekunde, vorzugsweise weniger als 100 Millisekunden, beispielsweise weniger als 10 Millisekunden zu verstehen.
Insbesondere können auch mehrere Messungen nach dem erneuten Ändern 130 durchgeführt werden und den Messwert zum Zeitpunkt t₈ repräsentieren. Der anschließend verwendete Messwert wird aus den einzelnen Messungen, insbesondere mittels Mittelwertbildung, bestimmt. Der Verfahrensschritt 105 wird kurz nach dem erstmaligen Ausführen des Verfahrensschritts 110 ausgeführt. Kurz ist hierbei als weniger als 1 Sekunde, vorzugsweise weniger als 100 Millisekunden, beispielsweise weniger als 10 Millisekunden zu verstehen.
Insbesondere wird der Messwert, der zum Zeitpunkt t₀ oder t₈ erfasst wird, auch als weiterer Messwert bezeichnet.
Insbesondere wird der Verfahrensschritt 105 bei konstanter Last, insbesondere im konstanten Betrieb durchgeführt.
Vorzugsweise werden beim Ermitteln des Zustands 140 einer oder mehrere der zuvor erfassten Messwerte verwendet.
Vorzugsweise wird in Verfahrensschritt 140 der Innenwiederstand ermittelt. Der Innenwiderstand lässt dann Rückschlüsse über den Zustand zu.
Der Innenwiderstand wird insbesondere wie folgt ermittelt. Insbesondere stellt eine Brennstoffzelleneinheit 12 eine reale Spannungsquelle dar. Eine reale Spannungsquelle wiederum setzt sich vereinfacht aus einem Innenwiderstand R_i zusammen, der in Reihe mit einer idealen Spannungsquelle U₀ geschalten ist. Die Spannung zwischen den Polen einer Brennstoffzelleneinheit 12 oder aller Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs, insbesondere bei geschlossenem Stromkreis bezeichnet man als Klemmenspannung U_{Klemmspannung}. Es ergibt sich die Formel $U_{0} = U_{Klemmspannung} + I * R_{i}$
Solange die reale Spannungsquelle an keinen Verbraucher R_Verbraucher, insbesondere das Stromnetz 99 angeschlossen ist, durch den Strom fließt, ist l= 0 Amper. Zum Zeitpunkt t₂ (4 und 5) und zum Zeitpunkt t₆ (6 und 7) unterbricht das Stromsteuerungsmittel 80, 80`, 80" den Stromfluss. An den Klemmen des Strangs stellt sich die Leerlaufspannung V₂ein. Der Strom ist 0 Amper. Die U_{Klemmspannung} entspricht der Leerlaufspannung V₂. Die Klemmspannung entspricht insbesondere der Strangspannung. Also der Spannung, gemessen über einen Strang, insbesondere der Strang bei dem das Ermitteln 140 erfolgt. $U_{0} = U_{Klemmspannung}$
Somit ist die Spannung der idealen Quelle bekannt.
Zu dem Zeitpunkt t₀ (4 und 5) und zum Zeitpunkt t₀, t₂, t₄, (6 und 7) fließt ein Strom. Insbesondere über das Stromnetz oder den Verbraucher 99. $U_{0} = U_{Klemmspanung} + I * R_{i}$
Es ergibt sich: $R_{i} = (U_{0} - U_{Klemmspannung}) / I$
Somit kann der Innenwiederstandswert Ri ermittelt werden. U₀ wurde zum Zeitpunkt t₀ oder t₈ erfasst. Und die Klemmspannung wird zum Zeitpunkt erfasst, bei dem der Stromkreis nicht unterbrochen ist.
Das Stromsteuerungsmittel 80" ist DC/AC Spannungswandler ausgebildet.
Bei einer Serienschaltung gemäß 2 von zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 in einem Strang sind vereinfacht zwei Innenwiderstände und zwei Spannungsquellen ausgebildet, wobei diese in Reihe geschaltet sind. Die Klemmspannung erstreckt sich über beide Brennstoffzelleneinheiten 12. Entsprechend ist bei einer Brennstoffzelleneinheit 12 in einem Strang vereinfacht nur ein Innenwiederstand und eine Quelle ausgebildet.
Ist der Strom, insbesondere die Stromdifferenz, und die Spannung, insbesondere die Spannungsdifferenz, bekannt, kann der momentane Innenwiederstand bestimmt werden.
Durch das Widerholen der Verfahrens kann dann die Veränderung des Innenwiderstands ermittelt werden. Insbesondere kann anhand der Veränderung des Innenwiderstands Rückschlüsse auf den Zustand der Brennstoffzelleneinheit 12, insbesondere die Alterung geschlossen werden.
Gemäß einer Weiterbildung wird der aktuelle Messwert mit einem oder mehrerer vorhergehenden Messwerte verglichen. Hierdurch kann der Zustand der Brennstoffzelleneinheit ermittelt werden.
Vorzugsweise ist mindestens eine elektronische Steuereinheit zur Ausführung des Verfahrens 100 vorgesehen. Die elektronische Steuereinheit weist mindestens einen Mikroprozessor auf.
Durch das Ermitteln mittels zwei Messwerten, die innerhalb von kurzer Zeit erfasst wurden, können ungewollte physikalische Effekte ausgeschlossen werden. Insbesondere können Temperatureinflüsse oder Einflüsse durch die Zusammensetzung des Brennstoffes ausgeschlossen werden.
Das Ändern 120 des Stroms bewirkt, dass sich die Spannung entsprechend dem Innenwiderstand einstellt. Der Innenwiderstand hängt beispielsweise von der Temperatur der Brennstoffzelleneinheit 12, der Alterung der Brennstoffzelleneinheit 12, dem zugeführten Oxidationsmedium und dem zugeführten Brennstoff ab.
Die Brennstoffzelleneinheiten 12 weisen keinen linearen Verlauf auch. Durch das wiederholte Messen bei geändertem bereitgestelltem Storm können Messungenauigkeiten herausgefiltert werden.

Claims

Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1), wobei die Energieversorgungseinrichtung (1) zumindest einem Verbraucher (99) und/oder einem Stromnetz (99) Strom bereitstellt, und wobei die Energieversorgungseinrichtung (1) mindestens eine Brennstoffzelleneinheit (12) zur Erzeugung von elektrischem Strom aufweist, und wobei mindestens ein Stromsteuerungsmittel (80) ausgebildet ist, und wobei das Stromsteuerungsmittel (80) ausgebildet ist, den bereitgestellten Strom zu ändern, umfassend die Schritte: • Ändern (110) des bereitgestellten Stroms mittels dem Stromsteuerungsmittel (80); • Erfassen (120) von zumindest einem Messwert, insbesondere einem Spannungswert und/oder Stromwert; • Erneutes Ändern (130) des bereitgestellten Stroms mittels dem Stromsteuerungsmittel (80), insbesondere auf den Ausgangswert; • Ermitteln des Zustands (140) zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten (12) mittels der erfassten Messwerte.
Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt des Erfassens (120, 105) von zumindest einem Messwert mindestens zweimal durchgeführt wird.
Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Erfassen (120) zumindest eine Spannungsmessung (U_{Klemmspannung}) an der Brennstoffzelleneinheit (12) und/oder eine Spannungsmessung über mehrere seriell verschaltete Brennstoffzelleneinheiten (12) durchgeführt wird.
Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ändern (110) des bereitgestellten Stroms, der Strom erhöht oder reduziert wird, insbesondere dass der Strom auf null Ampere reduziert wird.
Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: • Ändern (110) des bereitgestellten Stroms stufenweise; und • Erfassen (120) zumindest eines Messwerts im Anschluss an das Ändern (110) des Stroms; und • Ermitteln (140) des Zustands zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten mittels der erfassten Messwerte.
Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Stromsteuerungsmittel (80) um einen Stromrichter, insbesondere einen Gleichrichter, Gleichspannungswandler oder Umrichter, oder um einen Schalter, insbesondere einen elektrischen Schalter, vorzugsweise einen Halbleiterschalter, oder ein Relais handelt.
Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Brennstoffzelleneinheiten (12) trotz dem Ändern des bereitgestellten Stroms unverändert weiter betrieben wird.
Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitraum zwischen Ändern (110) und erneutem Ändern (130) weniger als 1s, vorzugsweise weniger als 100 Millisekunden, insbesondere weniger als 10 Millisekunden beträgt.
Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (100) regelmäßig, insbesondere monatlich, vorzugsweise wöchentlich, wiederholt wird.
Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: • Abspeichern (125) zumindest einen der erfassten Messwerte auf einem Datenspeicher.
Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: • Auslesen (135) zumindest eines abgespeicherten Messwerts aus einem Datenspeicher.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist.
Elektronische Steuereinheit, die eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahren (100) nach Anspruch 1 bis 10 auszuführen.