DE10343445A1 - Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen, mit dessen Hilfe es möglich wird, die Lichtdurchlässigkeit dieser elektrochromen Systeme stufenlos reproduzierbar zu steuern. Das neuartige Verfahren zur elektrischen Ansteuerung ermöglicht außerdem durch die dynamische Anpassung der Schaltspannung an sich ändernde Widerstände im System und an sich ändernde Schaltströme auch eine starke Beschleunigung des Schaltvorganges von elektrochromen Elementen, ohne zu Stabilitätseinbußen zu führen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Anordnungen, mit dessen Hilfe es möglich wird, die Lichtdurchlässigkeit dieser elektrochromen Elemente stufenlos reproduzierbar zu steuern. Das neue Verfahren ermöglicht gegenüber dem Stand der Technik durch die dynamische Anpassung der Schaltspannung an sich ändernde Widerstände im System und an sich ändernde Schaltströme auch eine starke Beschleunigung des Schaltvorganges von elektrochromen Elementen mit hohen inneren Widerständen aufgrund grosser Flächen und/oder vergleichsweise niedrig leitfähiger Elektrolyte, ohne zu Stabilitätseinbußen zu führen.
  • Mit Elektrochromie wird die reversible Farbänderung von Materialien bezeichnet, welche durch das Fliessen eines elektrischen Stromes und/oder das Anlegen einer elektrischen Spannung ausgelöst wird. Es gibt eine Vielzahl elektrochromer Substanzen aus verschiedenen Substanzklassen, z. B. Metalloxide (Beispiel: Wolframoxid), anorganische Komplexverbindungen (Beispiel: Preussisch Blau) oder elektronisch leitfähige organische Polymere (Beispiel: Polyanilin). Allen ist gemeinsam, dass sie in unterschiedlichen Oxidationszuständen verschieden gefärbt sind und dass man zwischen diesen Oxidationszuständen reversibel durch elektrochemische Oxidation bzw. Reduktion schalten kann. Für die meisten in Frage kommenden praktischen Anwendungen bevorzugt man Substanzen, die mindestens zwischen einem ungefärbten und einem gefärbten Zustand schaltbar sind.
  • Zur Anwendung des Effektes der Elektrochromie werden elektrochrome Anordnungen verwendet, in denen die elektrisch gesteuerte Modulation des einfallenden Lichtes für verschiedene Anwendungszwecke, wie z.B. für Gebäude- und Fahrzeugverglasungen mit automatisch veränderbarer Lichtdurchlässigkeit (Smart Windows), grossflächige Displays, schaltbare optische Filter für Kameras, Mikroskope usw. oder auch für automatisch abblendbare Autorückspiegel eingesetzt wird.
  • In elektrochromen Anordnungen befinden sich die elektrochromen Materialien zwischen zwei Elektroden von denen mindestens eine (z.B. bei Displays oder Spiegeln) oder beide (z.B. bei Smart Windows oder schaltbaren optischen Filtern) transparent sind. Die elektrochromen Substanzen können sich als Film auf den Elektroden befinden und/oder im Elektrolyten gelöst vorliegen. Die Erfindung bezieht sich auf elektrochrome Anordnungen mit festen elektrochromen Schichten, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet. Diese Variante elektrochromer Elemente hat einen batterieähnlichen Aufbau und zeigt dementsprechend auch ein batterieähnliches elektrisches Verhalten, d.h. ein Stromfluss muss nur während der Lade- und Entladevorgänge, die Färbung und Entfärbung entsprechen, erfolgen. Der Stromfluss zur Änderung der Lichtdurchlässigkeit der elektrochromen Anordnungen wird in der Regel durch Anlegen einer Gleichspannung hervorgerufen, wobei die Polarität zwischen Färbung und Entfärbung gewechselt wird.
  • Der Aufbau eines solchen elektrochromen Elementes kann wie folgt schematisch dargestellt werden:
    Substrat 1/TCO/EC1/Elektrolyt/EC2/TCO/Substrat 2,
    wobei mit TCO die transparenten leitfähigen Schichten und mit EC1 und EC2 die beiden elektrochemisch schaltbaren, elektrochromen Schichten bezeichnet werden. EC1 kann z.B. aus Wolframoxid oder Polyethylendioxythiophen und EC2 beispielsweise aus Preussisch Blau, Polyanilin oder Nickeloxid bestehen. Die Kombination einer elektrochromen Schicht EC1 mit einer ihre Farbe bei der Schaltung nicht ändernden sogenannten lonenspeicherschicht (an Stelle von EC2) ist ebenfalls möglich.
  • Bei elektrochromen Elementen wird als Elektrolyt oft ein möglichst mechanisch stabiler polymerer Festelektrolyt (wie z.B. in EP1227362 beschrieben) vorgeschlagen, um ein belastungsfähiges, z.B. in der Gebäudeverglasung praktisch einsetzbares elektrochromes Element zu erhalten. Solche polymeren Festelektrolyte bestehen in der Regel aus mindestens einem geeigneten Polymer, mindestens einem Weichmacher und mindestens einem Leitsalz so wie gegebenenfalls weiteren Zusätzen, wie z.B. UV-Absorbern, Füllstoffen oder Antioxidantien. Die lonenleitfähigkeit solcher polymerer Festelektrolyte ist um mehrere Grössenordnungen schlechter, als die von flüssigen Elektrolyten. Je grösser der Polymeranteil im Festelektrolyten, desto besser sind seine mechanischen Eigenschaften umso schlechter ist aber seine lonenleitfähigkeit. Typischerweise beträgt die lonenleitfähigkeit von flüssigen Elektrolyten bestehend aus einem hochsiedenden organischen Lösungsmittel wie zum Beispiel γ-Butyrolacton und einem Lithiumsalz wie zum Beispiel Lithiumperchlorat um 10–2 S/cm. Die lonenleitfähigkeit eines polymeren Festelektrolyten, z.B. einer ionenleitenden PVB-Folie, wie in WO02/040578 beschrieben, beträgt dagegen nur um 10–5 S/cm bei Raumtemperatur. Diese stark verringerte lonenleitfähigkeit von polymeren Festelektrolyten gegenüber flüssigen Elektrolyten führt zu einer starken Verringerung der Schaltgeschwindigkeit von elektrochromen Anordnungen, wenn sie mit den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen betrieben werden.
  • Es sind nach dem Stand der Technik verschiedene Varianten von Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen bekannt.
  • Im einfachsten Fall erfolgen Färbung und Entfärbung durch Anlegen einer zeitlich konstanten Gleichspannung, die meist zwischen 0,5 und 3 V liegt und deren Polarität zwischen Färbe- und Entfärbevorgängen gewechselt wird. Um den Absorptionsgrad der elektrochromen Elemente stufenlos einzustellen zu können, wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen. So ist in EP78464 eine optische Regelschaltung für elektrochrome Elemente beschrieben, bei der die Absorption des elektrochromen Elementes laufend optisch gemessen wird, das Signal mit einem vorgegebenen Wert verglichen und danach elektrische Ladungen dem Element zu- oder abgeführt werden, bis der gemessene optische Absorptionsgrad dem Sollwert entspricht. Ein solches Verfahren ist aber aufwendig, insbesondere da zur Messung eine Lichtquelle und ein Detektor an den gegenüberliegenden Seiten des elektrochromen Elementes angebracht werden müssen.
  • In DE3142909 ist eine kontinuierliche Ladungssteuerung für elektrochrome Schichten beschrieben, bei der die stufenlose Einstellung des Absorptionsgrades über das Zählen der elektrischen Ladungen, die der elektrochromen Schicht zugeführt oder entnommen werden, erfolgt. Dieses Verfahren stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber der optischen Messung des Absorptionsgrades dar, da die Ladungszählung direkt in die Elektronik integriert werden kann. Allerdings wird in DE3142909 auch ausgesagt, dass für die Entfärbevorgänge kleinere Ladungsmengen entnommen werden, als beim Färben zugeführt wurden. Eine dauerhaft reversible Schaltung ist jedoch nur möglich wenn die Ladungsmengen für Färbung und Entfärbung möglichst gleich gross sind.
  • In WO02/17008 sind eine Methode und eine Vorrichtung zur ladungs- und temperaturkontrollierten Schaltung elektrochromer Elemente beschrieben. Dabei wird die Temperatur des elektrochromen Elementes über einen Temperatursensor gemessen, zum Schalten wird dann eine temperaturabhängige Spannung angelegt und ausserdem wird der Schaltvorgang über die fliessende elektrische Ladungsmenge kontrolliert.
  • In EP445720 sind ein Verfahren und eine Anordnung zum Anlegen einer elektrischen Betriebsspannung an ein elektrooptisches Schichtsystem beschrieben, mit dem Ziel der schnelleren Schaltung von elektrochromen Elementen. Diese beschleunigte Schaltung wird dadurch erreicht, dass bei Beginn des Schaltprozesses eine höhere Spannung als die eigentlich maximal zulässige innere Potentialdifferenz zwischen den beiden transparenten Leitschichten angelegt wird, um den Spannungsabfall in diesen Leitschichten zu kompensieren. Am Ende des Schaltvorganges wird wieder die ansonsten übliche Spannung angelegt. Dabei kann der Verlauf der Spannung zeitgesteuert sein und an eine vorgegebene Spannungs-Zeit-Kurve angepasst werden oder es erfolgt die Messung einer inneren Potentialdifferenz direkt zwischen gegenüberliegenden Stellen der elektrochromen Schichten (ein vorher festgelegter Grenzwert darf hier nicht überschritten werden). Eine ähnliche Technik ist in der US-Patentschrift US5124833 beschrieben. Mit diesen Methoden kann zwar der Spannungsabfall in den transparenten Leitschichten, nicht aber der oft beträchtliche Spannungsabfall im Elektrolyten kompensiert werden.
  • In DE19706918 ist ein ebenfalls Verfahren zum Betreiben eines elektrochromen Elementes beschrieben. Dabei wird in einer Anlaufphase des Umfärbevorganges die Spannung stetig bis maximal zu einem temperaturabhängigen Endwert erhöht bzw. erniedrigt, wobei die Spannung abhängig vom Strom geführt wird. Die maximal zulässige Schaltspannung Umax hängt dabei linear von der Scheibentemperatur nach Umax = A – B·T abhängt. A und B sind für das verwendete System charakteristische Konstanten und experimentell zu ermitteln. Die Temperaturabhängigkeit der Schaltspannung wird durch die starke Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit des polymeren Festelektrolyten hervorgerufen. Diese ist jedoch real nicht linear von der Temperatur abhängig, sondern gehorcht einem komplizierteren Zusammenhang, der sogenannten Vogel-Tamann-Fulcher-Beziehung. Eine lineare Temperaturabhängigkeit ist deshalb nur als Näherung für kleine Temperaturintervalle zulässig. Wenn sie über grössere Temperaturbereiche angewandt wird, führt das im Langzeitbetrieb zur irreversiblen Zerstörung der elektrochromen Elemente. Aufwendig ist auch die notwendige experimentelle Ermittlung der Konstanten A und B. Für eine temperaturangepasste Ansteuerspannung muss eine Messung der Scheibentemperatur erfolgen. Diese kann nach DE19839748 mittels eines Temperaturfühlers, welcher im Bereich des Abstandshalters des elektrochromen Isolierglases angeordnet ist, geschehen. Das bedeutet aber einen zusätzlichen Aufwand und erhöht die Kosten einer elektrochromen Verglasung.
  • Der Stand der Technik lässt sich also wie folgt zusammenfassen: Es ist bekannt, dass elektrochrome Elemente stufenlos über eine optische Kontrolle des Absorptionsgrades oder über die Kontrolle der geflossenen elektrischen Ladungen geschaltet werden können. Prinzipiell ist damit jeder optische Zwischenzustand einstellbar. Des weiteren ist bekannt, eine temperaturabhängige zeitlich unveränderliche Ansteuerspannung zu verwenden, wobei meist eine linear von der Temperatur abhängige Spannung verwendet wird und eine Messung der Temperatur notwendig ist. Eine Beschleunigung der Schaltung grösserer elektrochromer Elemente durch Erhöhung der Ansteuerspannung als Kompensation des Spannungsabfalls der transparenten leitfähigen Schichten ist ebenfalls bekannt.
  • Nachteilig bei diesem beschriebenen Stand der Technik ist vor allem, dass damit die geringe Schaltgeschwindigkeit elektrochromer Elemente bei Verwendung mechanisch sehr stabiler, aber mit vergleichsweise niedriger lonenleitfähigkeit ausgestatteter Polymerfestelektrolyte nicht beschleunigt werden kann.
    •
  • Dir Aufgabe der Erfindung besteht deshalb vor allem darin, ein neuartiges Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen anzugeben, bei dem durch eine dynamische Änderung der Ansteuerspannung während der Schaltung nicht nur die Spannungsabfälle in den transparenten Leitschichten sondern auch der Spannungsabfall im Festelektrolyten zwischen den elektrochromen Schichten kompensiert werden kann. Dadurch können elektrochrome Elemente mit polymeren Festelektrolyten prinzipiell genauso schnell geschaltet werden, wie elektrochrome Elemente mit flüssigen Elektrolyten ohne die Dauerstabilität des Systems zu gefährden. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, einfache Methoden der Kontrolle der Färbungstiefe elektrochromer Elemente zu liefern.
  • Überraschenderweise wurde gefunden, dass eine bisher nicht erreichte Beschleunigung der Schaltgeschwindigkeit elektrochromer Elemente mit vergleichsweise schlechtleitenden Polymerfestelektrolyten und mit relativ hohen Widerständen der TCO-Schichten aufgrund der Grösse der elektrochromen Elemente erreicht werden kann, indem die Gleichspannung zur Färbung USchalt,Färbung Gleichspannung zur Entfärbung USchalt,Entfärbung des Elementes jeweils aus 2 Teilspannungen U1 und U2 zusammengesetzt wird, wobei die Teilspannung U2 dynamisch an den bei der Schaltung fliessenden Strom i und an den elektrischen Widerstand des elektrochromen Elementes R angepasst wird.
  • Erfindungsgemäss werden die Teilspannungen für die Färbung U1,Färbung und für die Entfärbung U1,Entfärbung so gewählt, dass die elektrochromen Elemente auch bei einem langen Anliegen dieser Spannung nicht geschädigt werden. In der Regel ist diese Forderung erfüllt, wenn die Spannung für die Färbung U1,Färbung betragsmässig kleiner oder gleich der Leerlaufspannung des voll gefärbten und die Spannung für die Entfärbung U1,Entfärbung betragsmässig kleiner oder gleich der Leerlaufspannung des voll entfärbten elektrochromen Elementes sind. Auch Spannungen, die wenig oberhalb dieser Leerlaufspannungen liegen, sind zulässig. Die Leerlaufspannungen des voll gefärbten bzw. voll entfärbten Zustandes des elektrochromen Elementes dürfen aber um nicht mehr als den Faktor 1,5 überschritten werden. Die Grösse der Leerlaufspannungen des voll gefärbten und entfärbten Zustandes sind typisch für die konkret gewählten elektrochromen Schichtkombinationen und können temperaturabhängig sein.
  • Der elektrische Widerstand R des elektrochromen Elementes setzt sich, wie in Gleichung 1 angegeben, aus 4 Teilwiderständen zusammen, dem von der Fläche und dem spezifischen Flächenwiderstand der TCO-Schicht abhängigen Widerstand der transparenten Leitschicht RTCO, den Widerständen der beiden schaltbaren Schichten (EC1 und EC2) REC1 und REC2 und dem stark temperaturabhängigen Widerstand des Elektrolyten RElektrolyt. R = RTCO + REC1 + REC2 + RElektrolyt 1
  • Der Widerstand der transparenten Leitschicht RTCO bleibt in einem elektrochromen Element vorgegebener Geometrie weitgehend unbeeinflusst von den praktisch auftretenden Scheibentemperaturen (etwa zwischen –40 und +90°C) und vom Schaltzustand des Elementes. Er kann aus dem Produkt des Flächenwiderstandes Rsq der TCO-Schicht mit dem Kontaktabstand I1 [cm] geteilt durch die Breite I2 [cm] des elektrochromen Elementes berechnet werden (Gleichung 2). RTCO = Rsq·I1/I2 2
  • Überraschenderweise wurde gefunden, dass es für das erfindungsgemässe Verfahren zur elektrischen Ansteuerung elektrochromer Elemente ausreichend ist, die Widerstände der transparenten Leitschicht RTCO und des Elektrolyten RElektrolyt auszuwerten, da die Widerstände der elektrochromen Schichten REC1 und REC2 in praxisrelevanten elektrochromen Anordnungen (Gebäudeverglasungen, Fahrzeugverglasungen, Autorückspiegel, grossflächige Informationsanzeigen) mit relativ niedrig leitfähigen Elektrolyten und/oder grossen zu schaltenden Flächen klein gegenüber RTCO und RElektrolyt sind.
  • Erfindungsgemäss werden daher die dynamischen Teilspannungen für die Färbung U2,Färbung und für die Entfärbung U2,Entfärbung an die Teilwiderstände RElektrolyt und RTCO und an den bei der Schaltung fliessenden Strom i laufend nach U2,Färbung = i·(a·RElektrolyt + b·RTCO) 3bzw. U2,Entfärbung = i·(c·RElektrolyt + d·RTCO) 4(mit a, b, c und d ... Konstanten) angepasst, wobei für die Konstanten vorzugsweise die Werte a = 1, c = 1 sowie b = 2/3 und d = 2/3 verwendet werden. Durch diese dynamische Anpassung der Teilspannung U2 wird eine starke Beschleunigung der Schaltung elektrochromer Elemente möglich, da dadurch Spannungsabfälle, die durch die entsprechenden Widerstände und den fliessenden Strom verursacht werden, zumindest teilweise kompensiert werden können.
  • Die Konstanten a bis d liegen zwischen 0 und 1 und geben an, bis zu welchem Grad der entsprechende Widerstand der transparenten Leitschicht RTCO bzw. des Elektrolyten RElektrolyt in die Gleichung eingehen. Wenn die Konstanten a und c gleich 1 betragen, wird mit der Berechnung der dynamischen Teilspannung U2 nach Gleichung 3 und 4 der volle Spannungsabfall über den Elektrolyten berücksichtigt. Sind a und c grösser 1 besteht die Gefahr des Anlegens zu hoher wirksamer Spannungen an das elektrochrome Element, was zu Schädigungen und letztlich zur Zerstörung des elektrochromen Elementes führen könnte. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass der Widerstand der TCO-Schicht nicht vollständig kompensiert werden kann (das würde bedeuten: b bzw. d = 1), wenn die wirksamen Spannungen im Randbereich des elektrochromen Elementes nicht zu hoch sein sollen. Nach eigenen Modellberechnungen beträgt der im Dauerbertieb zulässige Wert für b und d maximal 2/3, da es hier auch im bei hohen Schaltzyklenzahlen nicht zu einer Schädigung der elektrochromen Elemente kommt.
  • Die Gesamtspannung zur Färbung bzw. Entfärbung eines elektrochromen Elementes berechnet sich also nach dem erfindungsgemässen Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen wie in Gleichung 5 und 6 angegeben: USchalt,Färbung = U1,Färbung + i·(a·RElektrolyt + b·RTCO) 5bzw. USchalt,Entfärbung = U1,Entfärbung + i·(c·RElektrolyt + d·RTCO) 6
  • Bei Beginn eines solchen erfindungsgemässen Schaltvorganges wird an das elektrochrome Element die Teilspannung U1,Färbung bzw. beim Entfärben U1,Entfärbung angelegt. Der dann fliessende Strom i wird gemessen und die neue anzulegende Spannung USchalt,Färbung bzw. USchalt,Entfärbung nach den oben angegebenen Gleichungen 5 bzw. 6 berechnet und an das Element angelegt. Dann erfolgt wiederum Messung des Stroms, Berechnung und Anlegen der neuen Schaltspannung. Diese Vorgänge werden solange wiederholt, bis die gewünschte Färbungstiefe erreicht ist. Erfindungsgemäss betragen die Zeitintervalle für die Anpassung der Ansteuerspannung zwischen 10 Millisekunden und 1 Sekunde.
  • Während der Widerstand der transparenten Leitschichten RTCO unter den Betriebsbedingungen eines elektrochromen Elementes weitgehend unverändert bleibt, kann sich der Widerstand des Elektrolyten RElektrolyt aufgrund von Temperaturänderungen, die bei praktischen Anwendungen zwischen etwa –40 und +90°C liegen können, um mehrere Grössenordnungen ändern.
  • In einer erfindungsgemässen Ausführung des Verfahrens zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen wird deshalb der stark temperaturabhängige Widerstand RElektrolyt des ionenleitenden Elektrolyten in bestimmten Zeitintervallen als Wechselspannungswiderstand bei einer sinusförmigen Wechselspannung mit einer Amplitude kleiner 100 mV und einer Frequenz, die zwischen 100 Hz und 100 kHz liegt, gemessen. Vorzugsweise erfolgt diese Widerstandsmessung vor Beginn eines jeden neuen Schaltprozesses. Die an das elektrochrome Element zur Widerstandsmessung angelegte sinusförmige Wechselspannung wird bevorzugterweise auf die momentane Leerlaufspannung des elektrochromen Elementes aufaddiert und dann die sich daraus ergebende Spannung angelegt. Mit dieser Vorgehensweise vermeidet man das Schalten des Elementes während der Messung, was zum Verfälschen der Messwerte führen kann. Der dabei fliessende Strom wird gemessen und der Wechselstromwiderstand RAC des elektrochromen Elementes daraus berechnet. Indem von diesem Wechselstromwiderstand RAC der Widerstand der transparenten Leitschichten RTCO abgezogen wird, erhält man nach Gleichung 7 den Widerstand des ionenleitenden Elektrolyten. RElektrolyt = RAC – RTCO 7
  • Der so bestimmte Elektrolytwiderstand kann zur dynamischen Anpassung der Schaltspannung gemäss Gleichung 5 und 6 verwendet werden. Bei dieser Verfahrensweise ist eine Messung der Temperatur des elektrochromen Elementes nicht mehr nötig. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist es, dass kein Temperatursensor in den Verglasungsbereich integriert werden muss.
  • In einer anderen erfindungsgemässen Ausführung des Verfahrens zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen erfolgt die Bestimmung der Betriebsbedingungen der elektrochromen Elemente wie der Temperatur des elekrochromen Elementes und der Temperatur und der Helligkeit der Umgebung des elektrochromen Elementes vermittels Sensoren, deren Signale von einem elektronischen Steuermodul erfasst und zur Steuerung der Elemente genutzt werden. Bei dieser Vorgehensweise kann man auf die Messung des Elektrolytwiderstandes verzichten und ihn statt dessen erfindungsgemäss aus einer bekannten, vorher aufgenommenen und in einem elektronischen Steuermodul gespeicherten Widerstands-Temperatur-Kennlinie und der gemessenen Folien- bzw. Scheibentemperatur ermitteln.
  • In einer erfindungsgemässen Ausführung der elektronischen Ansteuerung für elektrochrome Elemente wird die Färbungstiefe über die Kontrolle der beim Färben bzw. Entfärben geflossenen elektrischen Ladungen pro Fläche eingestellt.
  • Überraschenderweise wurde aber auch gefunden, dass die Färbungstiefe bzw. die Menge der injizierten Ladungen der Leerlaufspannung des elektrochromen Elementes proportional sind. Demzufolge erfolgt in einer anderen erfindungsgemässen Ausführung der elektronischen Ansteuerung für elektrochrome Elemente die stufenlose Schaltung über die Kontrolle der Leerlaufspannung. Dazu wird der Schaltvorgang in kurzzeitig aufeinanderfolgenden Intervallen für kurze Zeit unterbrochen und hier die Leerlaufspannung gemessen, die mit der für die gewünschte Farbtiefe sich ergebenden Leerlaufspannung verglichen wird. Ist diese erreicht, wird der Färbe- oder Entfärbevorgang unterbrochen. Bei dieser Vorgehensweise kann auf die Kontrolle der geflossenen elektrischen Ladungen verzichtet werden.
  • Die Steuerung der elektrochromen Elemente kann bei dem erfindungsgemässen Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen auch vermittels charakteristischer Stromdichte-Zeit- oder Stromdichte-Ladungsdichte-Kennlinen erfolgen. Zu diesem Zweck werden solche Kennlinien für die jeweiligen Betriebsbedingungen der elektrochromen Elemente aufgenommen und in einem elektronischen Steuermodul gespeichert. Diese typischen Stromdichte-Zeit- oder Stromdichte-Ladungsdichte-Kennlinen der elektrochromen Elemente werden vorzugsweise unter Verwendung der erfindungsgemässen sich dynamisch an Strom und Widerstand anpassenden Färbe- und Entfärbespannungen aufgenommen.
  • Über eine längere Zeitdauer des Betriebes eines elektrochromen Elementes kann es durch Kriechströme und/oder im Polymerelektrolyten vorhandene Spuren von Oxidations- und/oder Reduktionsmitteln zu einer Beeinflussung des Ladezustandes unabhängig von den kontrollierten Ladungsmengen kommen. Um das elektrochrome Element wieder in einen definierten, kontrollierbaren Ausgangszustand zu bringen, erfolgt deshalb in einer erfindungsgemässen Ausführungsvariante in bestimmten grösseren Zeitabständen, welche vorzugsweise zwischen 1 Stunde und 3 Monaten betragen können, eine Tiefentfärbung bzw. Tiefentladung des Elementes. Zu diesem Zweck wird für einen Zeitabschnitt, der zwischen 5 Minuten und 2 Stunden liegen kann, eine Entfärbespannung angelegt, die betragsmässig um 0,3 bis 2,4 V über der Leerlaufspannung des voll entfärbten elektrochromen Elementes liegt.
  • Das kann, um die Funktionsfähigkeit der Scheiben am Tag nicht zu beeinträchtigen, zum Beispiel in den oben genannten Zeitabständen nachts geschehen, wenn die Schaltfunktion des elektrochromen Elementes ohnehin nicht genutzt wird.
    •
  • Ausführungsbeispiel
  • Ein elektrochromes Element der Struktur:
    Glas/FTO/Wolframoxid/ionenleitende PVB-Folie/Preussisch Blau/FTO/Glas mit einer aktiven Schaltfläche von 30 cm × 8,5 cm wurde, wie in EP1227365 beschrieben, hergestellt und abgedichtet. Die Ionenleitfähigkeit der ionenleitenden PVB-Folie (PVB ... Polyvinylbutyral) betrug etwa 7·10–6 S/cm, der Flächenwiderstand der FTO-Schichten ca. 18 Ω/sq. Die Kombination Glas/FTO ist handelsübliches K-Glas der Fa. Pilkington (FTO ist eine transparente leitfähige Schicht und steht für Fluor-dotiertes Zinndioxid). Nach der Herstellung des Elementes erfolgte die Grundentfärbung durch Anlegen einer Gleichspannung von 2,4 V für 2 Stunden, wobei das Preussisch Blau als Minuspol und das Wolframoxid als Pluspol geschaltet wurden. Nach Ende der Grundentfärbung wurde die Leerlaufspannung des entfärbten Zustandes bestimmt. Sie betrug –720 mV. Danach wurde das elektrochrome Element durch Anlegen einer Spannung von 1,4 V (Wolframoxid: Minuspol, Preussisch Blau: Pluspol) gefärbt. Nach dem eine Ladungsmenge von 15 mC/cm2 geflossen war, wurde der Färbevorgang beendet und die Leerlaufspannung des gefärbten Zustandes bestimmt. Sie betrug +1100 mV.
  • Danach wurde der Zusammenhang zwischen injizierter Ladungsmenge und Leerlaufspannung ermittelt. Dazu wurde das voll gefärbte elektrochrome Element durch 3-minütiges Anlegen einer Gleichspannung von 1,4 V (Wolframoxid: Pluspol, Preussisch Blau: Minuspol) entfärbt. Danach wurde das Element durch Anlegen von 1,4 V umgekehrter Polarität wieder schrittweise gefärbt und zwischenzeitlich die Leerlaufspannung gemessen. Der Zusammenhang zwischen injizierten Ladungen und Leerlaufspannung ist in 1 dargestellt. Man erkennt, dass dieser Zusammenhang zur Bewertung und Kontrolle der Menge der injizierten Ladungen und damit der Färbungstiefe eines elektrochromen Elementes genutzt werden kann.
  • Dieses elektrochrome Element wurde danach einmal mit Konstantspannung nach dem Stand der Technik und danach mit der erfindungsgemässen kontinuierlichen Anpassung der Schaltspannung geschaltet und dabei jeweils die Stromdichte-Zeit-Kennlinie aufgenommen. Beide Kennlinien sind in 2 dargestellt. Mit 1 ist hier die Stromdichte-Zeit-Kennlinie bei Färbung und Entfärbung mit ±1,4 V und mit 2 ist die Kennlinie bei Schaltung mit kontinuierlichen Anpassung der Schaltspannung mit den oben ermittelten Leerlaufspannungen (U1,Entfärbung = –720 mV, U1,Färbung = +1,1 V) und Werten für (a·RElektrolyt + b·RTCO) und (c·RElektrolyt + d·RTCO) von jeweils 40 Ohm dargestellt. Kurve 1 zeigt den Stromdichte-Zeit-Verlauf für eine Färbung und eine Entfärbung innerhalb der dargestellten Zeit von 480 Sekunden. In der gleichen Zeit erfolgen bei dynamischer Anpassung der Schaltspannung 8 Färbe- und Entfärbezyklen (Kurve 2). Die schnellere Schaltung bei dem erfindungsgemässen Verfahren ist auch an der höheren Stromdichte und an der pro Zeit geschalteten Ladung zu erkennen. Mittels der kontinuierlichen Anpassung der Schaltspannung wird in 30 Sekunden in etwa soviel Ladung pro Fläche geschaltet wie bei Konstantspannungsschaltung in 4 Minuten.
  • 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Schaltspannung für eine Schaltung nach dem Stand der Technik mit Konstantspannung (hier ±1,4 V, Kurve 1) und für die erfindungsgemässe Schaltung mit kontinuierlicher Anpassung der Schaltspannung an den Widerstand und den fliessenden Strom (Kurve 2). Im Bereich hoher Stromdichten werden auch hohe Schaltspannungen von ca. 12 V erreicht, die aber nicht schädlich auf das elektrochrome Element wirken. Gegen Ende einer Schaltung sind die anliegenden Spannungen bei dem erfindungsgemässen Verfahren sogar kleiner, als bei der Konstantspannungsschaltung, so dass das elektrochrome Element insgesamt schonender geschaltet wird.

Claims (12)

  1. Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gleichspannung zur Färbung USchalt,Färbung und die Gleichspannung zur Entfärbung USchalt,Entfärbung des Elementes jeweils aus 2 Teilspannungen U1 und U2 zusammensetzen, wobei die Teilspannung U2 dynamisch an den bei der Schaltung fliessenden Strom i und an den elektrischen Widerstand des elektrochromen Elementes R angepasst wird.
  2. Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilspannungen für die Färbung U1,Färbung Und für die Entfärbung U1,Entfärbung so gewählt werden, dass sie die Leerlaufspannungen des voll gefärbten bzw. voll entfärbten Zustandes des elektrochromen Elementes um nicht mehr als den Faktor 1,5 überschreiten.
  3. Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamischen Teilspannungen für die Färbung U2,Färbung und für die Entfärbung U2,Enftärbung an die beiden Teilwiderstände RElektrolyt und RTCO und den bei der Schaltung fliessenden Stromes i laufend nach U2,Färbung = i·(a·RElektrolyt + b·RTCO)bzw. U2,Entfärbung = i·(c·RElektrolyt + d·RTCO)(mit a, b, c und d ... Konstanten) angepasst werden, wobei für die Konstanten vorzugsweise die Werte a und c gleich 1 und b und d gleich 2/3 verwendet werden.
  4. Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Ansteuerspannung in Zeitintervallen zwischen 10 Millisekunden und 1 Sekunde erfolgt.
  5. Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der stark temperaturabhängige Widerstand RElektrolyt des ionenleitenden Elektrolyten in bestimmten Zeitintervallen bei einer sinusförmigen Wechselspannung mit einer Amplitude kleiner 100 mV und bei einer Frequenz, die zwischen 100 Hz und 100 kHz gemessen liegt, wird.
  6. Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Betriebsbedingungen der elektrochromen Elemente wie der Temperatur des elektrochromen Elementes und der Temperatur und der Helligkeit der Umgebung des elektrochromen Elementes vermittels Sensoren erfolgt, deren Signale von einem elektronischen Steuermodul erfasst und zur elektrischen Ansteuerung der Elemente genutzt werden.
  7. Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elemente nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytwiderstand RElektrolyt einer bekannten, vorher aufgenommenen und in einem elektronischen Steuermodul gespeicherten Widerstands-Temperatur-Kennlinie entnommen wird.
  8. Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Färbung über die Kontrolle der beim Färben bzw. Entfärben geflossenen elektrischen Ladungen pro Fläche erfolgt.
  9. Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Färbung über die Messung und Kontrolle der Leerlaufspannung des elektrochromen Elementes erfolgt.
  10. Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der elektrochromen Elemente vermittels charakteristischer Stromdichte-Zeit-Kennlinen erfolgt, welche in einem elektronischen Steuermodul gespeichert sind.
  11. Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die typischen Stromdichte-Zeit-Kennlinen der Elemente unter Verwendung von Färbe- und Entfärbespannungen nach den Ansprüchen 1 bis 3 aufgenommen werden.
  12. Verfahren zur elektrischen Ansteuerung von elektrochromen Elementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in bestimmten größeren Zeitintervallen, welche zwischen 1 Stunde und 3 Monaten betragen können, eine Tiefentladung des Elementes durchgeführt wird.
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