EP4591377A1 - Verfahren zum betrieb einer elektrochemischen vorrichtung, steuer- oder regelvorrichtung und elektrochemische vorrichtung - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer elektrochemischen vorrichtung, steuer- oder regelvorrichtung und elektrochemische vorrichtung

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EP4591377A1
EP4591377A1 EP23773180.7A EP23773180A EP4591377A1 EP 4591377 A1 EP4591377 A1 EP 4591377A1 EP 23773180 A EP23773180 A EP 23773180A EP 4591377 A1 EP4591377 A1 EP 4591377A1
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EP
European Patent Office
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operating parameter
operating
electrochemical device
parameter
electrochemical
Prior art date
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Pending
Application number
EP23773180.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian Egger
Maxime Carre
Sebastian Schmaderer
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • a method for operating an electrochemical device in particular a fuel cell device, has already been proposed, in which at least one operating parameter and at least one further operating parameter different from the operating parameter are recorded in at least one method step for controlling or regulating the electrochemical device and in at least one Process step determines that a stationary operating state of the electrochemical device has been achieved.
  • the invention is based on a method for operating an electrochemical device, in particular a fuel cell device, wherein in at least one method step at least one operating parameter and at least one further operating parameter that is different from the operating parameter is recorded for controlling or regulating the electrochemical device and wherein is determined in at least one method step that a stationary operating state of the electrochemical device has been achieved.
  • the electrochemical device preferably comprises at least one electrochemical Conversion unit for an electrochemical conversion of at least one educt fluid into at least one product fluid.
  • the electrochemical conversion unit comprises at least one fuel cell, for an electrochemical conversion of a fuel, in particular hydrogen and/or natural gas, with the supply of oxygen and provision of electrical energy.
  • the at least one fuel cell converts an oxygen-containing fluid as a starting fluid into an oxygen-poor exhaust gas as a product fluid.
  • the at least one fuel cell converts the fuel as a further educt fluid into a fuel-poor exhaust gas as a further product fluid.
  • the terms “low fuel” and “low oxygen” refer to a content of fuel or oxygen in the respective product fluid relative to the respective educt fluid.
  • the electrochemical conversion unit comprises at least one electrolyzer, for example for splitting water as starting fluid into hydrogen and oxygen as product fluids while absorbing electrical energy.
  • the electrochemical device preferably comprises at least one sensor unit for detecting the operating parameter and/or the further operating parameter.
  • the sensor unit detects as an operating parameter and/or as a further operating parameter, for example an electrical parameter of the electrochemical conversion unit, a thermal parameter of the electrochemical conversion unit, the product fluid and/or the educt fluid, a flow parameter of the product fluid and/or the educt fluid or the like.
  • the electrical parameter is, for example, an electrical current provided or received by the electrochemical conversion unit and/or an electrical power provided or received by the electrochemical conversion unit and/or an electrical voltage applied to the electrochemical conversion unit.
  • the thermal parameter is, for example, a temperature or amount of heat of the educt fluid upon entry into the electrochemical conversion unit or a temperature or amount of heat of the product fluid upon exit from the electrochemical conversion unit.
  • the flow parameter is, for example, a volume flow, a mass flow, a particle flow or a mass flow of the product fluid or the educt fluid, a pressure or a pressure difference within the educt fluid or the product fluid or the like.
  • a control or regulating device of the fuel cell device determines the operating parameter as a function of the operating parameter and as a function of the further operating parameter, in particular as a function of more than two operating parameters.
  • the operating parameter is preferably dependent on an overall condition of the electrochemical device. Particularly preferably, the operating parameter is dependent on at least one electrical operating parameter, on at least one thermal operating parameter and/or on at least one flow parameter of the electrochemical device.
  • the operating parameter is particularly preferably a physical and/or chemical quantity or characteristic number, for example an electrical voltage, a temperature, an energy or the like.
  • the operating parameter is an abstract function with no physical-chemical meaning, for example a result of a scoring system.
  • the open-loop or closed-loop control device only evaluates the operating parameter and, in particular, depending on an embodiment of the method, possibly a time, in order to decide whether the electrochemical device is in a stationary or a transient operating state.
  • the open-loop or closed-loop control device particularly preferably recognizes the stationary operating state by the fact that the operating parameter only changes insignificantly. In particular, the open-loop or closed-loop control device recognizes unsteady operation because the operating parameter changes significantly.
  • the open-loop or closed-loop control device preferably determines a significant change and/or an insignificant change in the operating parameter by comparing a change variable that characterizes or describes the time course of the operating parameter with a threshold value.
  • the change variable can be designed, for example, as a differential, as a difference quotient, as a difference between successive determined values of the operating parameter, in particular as a measure of dispersion, or the like.
  • the open-loop or closed-loop control device preferably determines a large number of values of the operating parameter within a time window.
  • the open-loop or closed-loop control device particularly preferably determines values of the operating parameter continuously, in particular at predetermined regular time intervals or in real time.
  • “Real time” should be understood to mean time intervals that are only limited by the data processing speed of the control or regulating device.
  • the control or regulating device limits one Determination of a value of the operating parameter to one in 10 milliseconds, in particular to one in 50 milliseconds.
  • the open-loop or closed-loop control device determines at least one value of the operating characteristic in 10 minutes, preferably at least one value of the operating characteristic per minute, particularly preferably at least one value of the operating characteristic in 10 seconds, most preferably at least one value of the operating characteristic per second.
  • the control or regulating device preferably determines the change variable as a function of several values, preferably the majority of the values, in particular all values of the operating parameter, which are determined within the time window.
  • the open-loop or closed-loop control device excludes individual values of the operating parameter, which are determined within the time window, from further processing into the change variable, for example due to a plausibility check or the like.
  • the control or regulating device preferably determines the change variable as a function of more than three, particularly preferably more than five, particularly preferably more than ten, values of the operating parameter, which were determined in particular at different times within the time window.
  • the control or regulating device is preferably intended to bring about the stationary operating state by changing the operating parameters.
  • the open-loop or closed-loop control device controls at least one actuating unit of the electrochemical device in the transient operating state or at a change in operating point in order to change at least one of the operating parameters and/or an additional, unmonitored operating parameter of the electrochemical device.
  • the adjusting unit is, for example, a delivery unit, in particular a pump, a compressor, a fan or the like, for adjusting the flow parameter and/or the thermal parameter.
  • the adjusting unit is, for example, an inverter or an adjustable resistor for setting the electrical parameter.
  • the open-loop or closed-loop control device switches to a monitoring and/or analysis mode when the stationary operating state is reached.
  • the monitoring and/or analysis mode is preferably intended to maintain the stationary operating state and optionally to evaluate an actual value of at least one of the operating parameters in the stationary operating state for an operational analysis of the electrochemical device, for example for analyzing the Educt fluids, for detecting degradation of the electrochemical conversion unit, for detecting an efficiency of the electrochemical device or the like.
  • a stationary operating state can advantageously be easily recognized.
  • a waiting time after a load change to ensure that a stationary operating state exists can advantageously be kept short.
  • the method is advantageously robust and at the same time advantageously easy to implement and allows a simple interpretation of the operating parameter.
  • extended regulation and control functions as well as soft sensor concepts which are based, for example, on energy balances and are therefore only valid in stationary operating states, can advantageously be implemented reliably. In particular, this results in an advantageously extensive analysis option for the behavior of the electrochemical device.
  • an advantageously high storage and computing efficiency of the control or regulating device can be achieved, since a combined variable is included in the monitoring instead of a large number of individual operating parameters.
  • the operating parameter combines at least one electrical parameter, a flow parameter and a thermal parameter of the electrochemical device as an operating parameter in order to recognize that the steady-state operating state has been reached.
  • the open-loop or closed-loop control device determines the operating parameter, in particular without an additional sensor, as a function of standard sensor data from the sensor unit, which are recorded to control or regulate the electrochemical device.
  • the open-loop or closed-loop control device determines the operating parameter K, for example, using the following calculation rule: where I ei is the electrical current generated by the electrochemical conversion unit, U Ze u en is an electrical current linked to the generated current I ei Voltage of the electrochemical conversion unit, N Ze u en the number of fuel cells or electrolyzers in the electrochemical conversion unit, where F is the Faraday constant, h a molar enthalpy of the product fluid at exit from the electrochemical conversion unit, h a a molar enthalpy of the educt fluid at a Entry into the electrochemical conversion unit and n denotes a material stream of the educt fluid.
  • the electrical parameters ie the current I ei and the electrical voltage U Ze u en , are preferably detected by the sensor unit.
  • the flow parameter ie the material flow n a , is preferably detected by the sensor unit or determined from a volume flow or mass flow detected by the sensor unit.
  • the molar enthalpies h out , h in are determined by the open-loop or closed-loop control device, preferably as a function of a temperature of the educt fluid or the product fluid detected by the sensor unit.
  • regression functions for the molar enthalpies h out , h in depending on the temperature of the educt fluid or the product fluid are stored in a memory of the control or regulating device, which the control or regulating device uses to determine the molar enthalpies h out , h on determine.
  • the open-loop or closed-loop control device preferably uses the oxygen-containing fluid as the educt fluid and the low-oxygen exhaust gas as the product fluid in order to determine the operating parameter.
  • relevant operating parameters can advantageously be physically linked to evaluate an operating state of the electrochemical device.
  • a single physically interpretable quantity can be used to monitor the operating status.
  • a parameterization of criteria that allow conclusions to be drawn from the operating parameter about the operating state only needs to be created for one operating parameter and not for each operating parameter.
  • a measure of dispersion of the operating parameter is evaluated in order to recognize that the steady-state operating state has been reached.
  • the open-loop or closed-loop control device preferably evaluates the values of the operating parameter determined in the time window in order to determine the degree of variation.
  • the time window is preferably a sliding time window.
  • the control or regulating device preferably updates the time window regularly, in particular with each newly determined value of the operating parameter. For example, as a measure of dispersion: the sum of the squares of deviations, the empirical variance, the empirical standard deviation, the coefficient of variation, the mean absolute deviation from a mean, a quantile distance or the like of the values of the operating parameter determined in the time window can be used.
  • the mean value of the operating parameter can denote the arithmetic mean, the geometric mean, the median or another mean of the operating parameter.
  • the open-loop or closed-loop control device evaluates a determined value of the dispersion measure in order to decide, in particular independently of the mean value of the operating parameter, whether the electrochemical device is in a stationary operating state or in a transient operating state.
  • the open-loop or closed-loop control device decides that the electrochemical device is in a stationary operating state when the degree of variation is smaller than a threshold value.
  • the threshold can be defined absolute or relative to the mean.
  • the open-loop or closed-loop control device decides that the electrochemical device is in a transient operating state when the degree of scatter is greater than the threshold value or a further threshold value that is different from the threshold value.
  • the open-loop or closed-loop control device evaluates the operating parameter using wavelet transformation in order to recognize that the steady-state operating state has been reached. Due to the design according to the invention, a time course of the operating parameter can advantageously be easily evaluated.
  • the empirical variance of the operating parameter is used as a measure of dispersion in at least one method step of the method.
  • the empirical variance can be determined as the sum of the squares of the deviations divided by the number of degrees of freedom (corrected empirical variance) or divided by the number of values in the time window (uncorrected empirical variance). Due to the design according to the invention, a time course of the operating parameter can advantageously be easily evaluated.
  • the time window can be defined directly via the time period, especially if the values of the Operating parameter is stored with a time stamp, and / or a number of values of the operating parameter, especially if these are recorded at regular time intervals.
  • the time window preferably comprises at least 10 minutes, preferably at least 20 minutes, particularly preferably at least 30 minutes.
  • the open-loop or closed-loop control device preferably stores all determined values of the operating parameter in the time window.
  • the open-loop or closed-loop control device preferably stores at most a predetermined maximum number of values of the operating parameter, which is preferably defined by the time window.
  • a stored value of the operating parameter is replaced for each newly determined value of the operating parameter, preferably according to the first in, first out (FIFO) principle. Due to the design according to the invention, an assessment of whether the operating state is stationary or unsteady can preferably be carried out reliably.
  • an exponentially smoothed average of the operating parameter is determined in at least one method step of the method.
  • the control or regulating device determines the mean value of the operating parameter as an exponentially smoothed average based on all values determined in the time window.
  • the control or regulating device determines the degree of dispersion depending on the exponentially smoothed average.
  • the control or regulating device updates the degree of dispersion recursively.
  • the control or regulating device determines for each newly determined value of the operating parameter a deviation 8i of the newly determined value of the operating parameter from a previous value of the exponentially smoothed average in particular in accordance with
  • the control device updates the exponentially smoothed average K ema i by adding the deviation ⁇ 5; of the newly determined value of the operating parameter to the previous value of the exponentially smoothed average K ⁇ -i, the deviation being subjected to a smoothing factor a, in particular according to
  • the open-loop or closed-loop control device determines an updated value of the dispersion measure var K) ema i depending on the smoothing factor a, a previous value of the dispersion measure var K') ema ⁇ 1 and the deviation 6 of the newly determined value of the operating parameter, in particular according to
  • the smoothing factor is preferably between 0 and 1.
  • the control or regulating device preferably determines an initial value of the dispersion measure var(K) ema 0 non-recursively, in particular by means of an explicit form of the dispersion measure, such as the sum over the squares of deviation.
  • the control device can use the arithmetic mean, the geometric mean, the median of the values of the operating characteristic in the time window, a specific value of the determined values of the operating characteristic, for example the first value, the last value or the like , or use a randomly selected value of the operating parameter.
  • memory consumption and/or the computing power required by the open-loop or closed-loop control device to detect the stationary operating state can advantageously be kept small.
  • a smoothing factor for determining the exponentially smoothed average is selected depending on a relaxation time of the electrochemical device.
  • the time window is preferably longer than the relaxation time of the electrochemical device.
  • the smoothing factor is preferably determined as a function of a ratio of the relaxation time to the duration of the time window.
  • the relaxation time of the electrochemical device depends on a heat capacity of the electrochemical conversion unit and in particular indicates how quickly a temperature of the electrochemical conversion unit approaches, in particular exponentially, a new equilibrium temperature when the stationary operating state is left intentionally or caused by a disturbance.
  • a ratio of a meaning of past values and current values of the operating parameter in the exponentially smoothed average can advantageously be linked to a dynamic relevant to the electrochemical device. It is further proposed that in at least one method step of the method, the time course of the operating parameter until the stationary operating state is reached is evaluated to assess the condition of the electrochemical device.
  • the condition assessment can include, for example, an error analysis, a service life forecast and/or a determination of a degree of degradation of the electrochemical device by the open-loop or closed-loop control device or an external computing unit.
  • the open-loop or closed-loop control device when the stationary state is detected, the open-loop or closed-loop control device outputs a signal that the stationary state has been reached, so that a state assessment dependent on a stationary state can be started by the external computing unit.
  • the control or regulating device directly evaluated the time course of the operating parameter in order to carry out a condition assessment.
  • the open-loop or closed-loop control device or the external computing unit determines a duration until the steady-state operating state is reached, an amplitude of an overshoot or an asymptotic creep behavior of the operating parameter, a damping of the amplitude of the overshoot of the operating parameter, an average value of the operating parameter when the steady-state operating state is reached, or the like.
  • control or regulating device stores and/or sends the time course of the operating parameter for evaluation by a maintenance technician and/or an external computing device, for example a server on which a machine learning process for condition assessment has been implemented. Due to the design according to the invention, many additional parameters are advantageously available for a condition assessment. Furthermore, a starting time of the condition assessment can advantageously be selected reliably in the stationary operating state.
  • control or regulating device for an electrochemical device for carrying out a method according to the invention.
  • the control or regulating device is intended to control or regulate the electrochemical device.
  • the control or regulating device is preferably a unit with at least one control electronics.
  • Control electronics is to be understood in particular as a unit with a processor unit and with a memory as well as with an operating program stored in the memory.
  • the electrochemical conversion unit preferably comprises at least one fuel cell or an electrolyzer, preferably a stack of, in particular identical, fuel cells or electrolyzers or a combination of several stacks of, in particular identical, fuel cells or electrolysers.
  • the at least one fuel cell is preferably designed as a high-temperature fuel cell, in particular a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell.
  • the fuel cell is a phosphoric acid fuel cell, a direct methanol fuel cell or a polymer electrolyte membrane fuel cell.
  • the at least one electrolyzer is preferably designed as a high-temperature electrolyzer, in particular as a solid oxide electrolyzer cell.
  • the electrochemical device comprises at least one educt fluid delivery unit or an educt fluid shut-off element for adjusting an inflow rate of fresh educt fluid to the electrochemical conversion unit.
  • the educt fluid delivery unit or the educt fluid shut-off device are preferably controlled by the open-loop or closed-loop control device to set the stationary operating state.
  • the electrochemical device preferably comprises at least one inverter and/or an adjustable resistor for setting the electrical parameter.
  • the inverter and/or the adjustable resistor are preferably controlled by the open-loop or closed-loop control device to set the stationary operating state.
  • the electrochemical device preferably comprises the sensor unit for detecting the operating parameters of the electrical device.
  • the sensor unit includes, for example, at least one temperature sensor upstream of the electrochemical conversion unit.
  • the sensor unit includes, for example, at least one further temperature sensor downstream of the electrochemical conversion unit and/or in or on the electrochemical Conversion unit.
  • the sensor unit includes, for example, an ammeter and/or a voltmeter for detecting the electrical parameter.
  • the sensor unit preferably comprises at least one flow meter for detecting the flow parameter.
  • the electrochemical device optionally comprises an afterburner for utilizing fuel residues in the fuel-poor exhaust gas, a desulphurizer and/or a reformer for processing the fuel, a heat exchanger for transferring heat from a product fluid to the educt fluid and/or a Recirculation line for feeding the product fluid back into the educt fluid.
  • the embodiment according to the invention makes it possible to provide an electrochemical device whose operating state can be determined advantageously in a timely manner, in particular in real time, advantageously reliably and advantageously in a resource-saving manner during operation of the electrochemical device.
  • the method according to the invention, the control or regulating device according to the invention and/the electrochemical device according to the invention should not be limited to the application and embodiment described above.
  • the method according to the invention, the control or regulating device according to the invention and/the electrochemical device according to the invention can have a number of individual elements, components and units as well as process steps that deviate from the number of individual elements, components and units as well as method steps mentioned herein in order to fulfill a function of operation described herein.
  • values lying within the stated limits should also be considered disclosed and can be used in any way.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an electrochemical device according to the invention.
  • Fig. 2 is a schematic flow diagram of a method according to the invention.
  • FIG. 1 shows an electrochemical device 12.
  • the electrochemical device 12 is designed, for example, as a fuel cell device.
  • the electrochemical device 12 preferably comprises at least one electrochemical conversion unit 18.
  • the electrochemical conversion unit 18 comprises at least one fuel cell, preferably a plurality of fuel cells, which are particularly preferably arranged in at least one stack. For the sake of clarity, the electrochemical conversion unit 18 is shown here functionally as a single fuel cell.
  • the electrochemical conversion unit 18, in particular each fuel cell of the electrochemical conversion unit 18, comprises at least one oxygen electrode 20 and at least one fuel electrode 22.
  • the oxygen electrode 20 is intended for direct contact with an oxygen-containing fluid as a starting fluid.
  • the oxygen electrode 20 preferably outputs an oxygen-poor exhaust gas as a product fluid.
  • the fuel electrode 22 is intended for direct contact with a fuel as a further educt fluid.
  • the fuel electrode 22 preferably outputs a fuel-poor exhaust gas as further product fluid.
  • the electrochemical device 12 preferably includes an inverter 48 which is electrically connected to the oxygen electrode 20 and the fuel electrode 22.
  • the at least one fuel cell, in particular all fuel cells of the electrochemical conversion unit 18, is designed as a solid oxide fuel cell (SOFC).
  • the electrochemical device 12 preferably comprises an educt fluid delivery unit 24, in particular a fan, a blower or a compressor, for conveying the oxygen-containing fluid to the oxygen electrode 20.
  • the oxygen-containing fluid is particularly preferably ambient air, which is sucked in by the educt fluid delivery unit 24.
  • the oxygen-containing fluid is an industrial gas with a defined oxygen content.
  • the educt fluid delivery unit 24 is arranged upstream of the oxygen electrode 20 with respect to the oxygen-containing fluid.
  • the electrochemical device 12 preferably comprises a further educt fluid conveying unit 26, in particular a fan, a blower or a compressor, for conveying the fuel to the fuel electrode 22.
  • the fuel is preferably hydrogen and/or natural gas.
  • the fuel comprises at least one hydrocarbon as a pure substance or as a mixture and/or ammonia.
  • the further educt fluid delivery unit 26 is arranged upstream of the fuel electrode 22 with respect to the fuel.
  • the electrochemical conversion unit 18 is preferably intended to convert the fuel from the oxygen-containing fluid to the further product fluid while supplying oxygen.
  • the electrochemical device 12 comprises a desulphurizer 28.
  • the desulphurizer 28 is preferably arranged downstream of the further educt fluid conveying unit 26 and upstream of the electrochemical conversion unit 18 in relation to the further educt fluid.
  • the electrochemical device 12 includes a reformer 30 for reforming the further educt fluid.
  • the reformer 30 is preferably arranged, relative to the further educt fluid, downstream of the further educt fluid conveying unit 26, in particular downstream of the desulphurizer 28, and upstream of the electrochemical conversion unit 18.
  • the electrochemical device 12 preferably comprises a recirculation line 34 and a recirculation conveying unit 36, in particular a fan, a blower or a compressor, arranged in particular in or on the recirculation line 34, for returning the further product fluid emerging from the fuel electrode 22 into the further one Educt fluid upstream of the fuel electrode 22.
  • a feed opening of the recirculation line 34 is preferably arranged upstream of the reformer 30 and downstream of the desulphurizer 28 with respect to the further educt fluid.
  • the electrochemical device 12 preferably comprises an afterburner 32 for converting fuel residues contained in the further product fluid.
  • the afterburner 32 is preferably arranged downstream of the fuel electrode 22 in relation to the further product fluid and in particular downstream of a branch into the recirculation line 34.
  • the afterburner 32 is preferably arranged downstream of the oxygen electrode 20 with respect to the product fluid.
  • the electrochemical device 12 preferably comprises a heat exchanger 38 for transferring heat from an afterburner exhaust gas of the afterburner 32 emerging from the afterburner 32 to the educt fluid upstream of the electrochemical conversion unit 18.
  • the heat exchanger 38 is preferably downstream of the educt fluid conveying unit 24 and upstream of the educt fluid, based on the educt fluid electrochemical conversion unit 18 arranged.
  • the electrochemical device 12 preferably comprises a further heat exchanger 40 for transferring heat from the afterburner exhaust gas of the afterburner 32 emerging from the afterburner 32 to the further educt fluid upstream of the electrochemical conversion unit 18.
  • the further heat exchanger 40 is preferably downstream of the desulfurizer in relation to the further educt fluid 28 and arranged upstream of the feed opening of the recirculation line 34.
  • the further heat exchanger 40 is here, for example, arranged downstream of the heat exchanger 38 in relation to the afterburner exhaust gas.
  • the heat exchanger 38 is arranged downstream of the further heat exchanger 40 with respect to the afterburner exhaust gas.
  • the electrochemical device 12 comprises at least one control or regulating device 16.
  • the control or regulating device 16 is preferably too a control of the educt fluid delivery unit 24, the further educt fluid delivery unit 26, the recirculation delivery unit 36 is provided in order to set a flow parameter of the educt fluid and / or the further educt fluid through the electrochemical conversion unit 18.
  • the control or regulating device 16 is preferably intended to control the inverter 48 in order to set an electrical parameter of the electrochemical conversion unit 18.
  • the control or regulating device 16 is intended to carry out a method 10, which is explained in more detail in the following Figure 2.
  • the electrochemical device 12 includes at least one sensor unit.
  • the sensor unit preferably comprises a flow meter 42 for detecting the flow parameter of the educt fluid.
  • the flow meter 42 is preferably arranged downstream of the educt fluid delivery unit 24 and upstream of the electrochemical conversion unit 18, in particular the heat exchanger 38.
  • the control or regulating device 16 determines the flow parameter from a delivery rate, in particular a speed, of the educt fluid delivery unit 24.
  • the sensor unit preferably comprises at least one input temperature sensor 44 for detecting an input temperature of the educt fluid when it enters the electrochemical conversion unit 18.
  • the input temperature sensor 44 is preferably arranged upstream of the electrochemical conversion unit 18 and downstream of the educt fluid delivery unit 24, in particular of the heat exchanger 38.
  • the sensor unit preferably comprises at least one output temperature sensor 46 for detecting an output temperature of the product fluid upon exit from the electrochemical conversion unit 18.
  • the output temperature sensor 46 is preferably arranged downstream of the electrochemical conversion unit 18 and upstream of the afterburner 32.
  • the control or regulating device 16 preferably picks up the electrical parameter directly from the inverter 48.
  • Figure 2 shows the method 10 for operating the electrochemical device 12.
  • the electrochemical device 12 is preferably put into operation.
  • the control or regulating device 16 preferably controls an operating point of the electrochemical device 12.
  • the method 10 preferably comprises an operating characteristic determination step 52.
  • the control or regulating device 16 determines an operating characteristic based on operating parameters detected by the sensor unit.
  • at least one operating parameter and at least one further operating parameter different from the operating parameter are detected for controlling or regulating the electrochemical device 12.
  • the sensor unit preferably detects as one of the operating parameters the flow parameter, in particular as a volume flow, of the reactant fluid, the inlet temperature of the reactant fluid, the outlet temperature of the product fluid and the electrical parameter of the electrochemical conversion unit 18, in particular an electrical current provided by the electrochemical conversion unit 18 and an electrical voltage linked to the electrical current.
  • the control or regulating device 16 and the sensor unit preferably carry out the operating characteristic determination step 52 continuously.
  • the method 10 comprises a scatter determination step 54.
  • the open-loop or closed-loop control device 16 evaluates a time course of the operating characteristic variable that summarizes the at least one operating parameter and the at least one further operating parameter.
  • the control or regulating device 16 determines a measure of dispersion of the operating parameter.
  • the open-loop or closed-loop control device 16 determines the empirical variance of the operating parameter as a measure of dispersion.
  • the method 10 preferably includes a dispersion evaluation step 56.
  • the open-loop or closed-loop control device 16 evaluates the degree of dispersion of the operating parameter in order to recognize that the electrochemical device 12 has reached a stationary operating state 14.
  • the scatter evaluation step 56 the open-loop or closed-loop control device 16 determines whether a steady-state operating state 14 of the electrochemical device 12 has been reached or whether the electrochemical device 12 is (still) in a transient operating state 58.
  • the control or regulating device 16 preferably determines that the electrochemical device 12 is in the stationary operating state 14 when the degree of scatter is smaller than a predetermined threshold value.
  • the threshold value can be an absolute value or a value relative to an average value of the operating parameter.
  • the control or regulating device 16 preferably determines that the electrochemical device 12 is in the transient operating state 58 when the degree of scatter is greater than the predetermined threshold value.
  • the method 10 preferably includes a storage step 60.
  • the open-loop or closed-loop control device 16 preferably stores the operating parameter and preferably the degree of variation.
  • an exponentially smoothed average of the operating characteristic is determined and in the dispersion determination step 54 the degree of dispersion of the exponentially smoothed average of the operating characteristic is determined.
  • a smoothing factor for determining the exponentially smoothed average depends on a relaxation time of the electrochemical device 12.
  • the relaxation time which is given in particular by a heat capacity of the electrochemical conversion unit 18, can be determined in advance of the method 10 and stored in a memory of the open-loop or closed-loop control device 16 be stored or determined by the control or regulating device 16 through a test operation of the electrochemical device 12.
  • the smoothing factor is preferably dependent, in particular proportional, to a ratio of the relaxation time to a duration of a time window, which determines a number of values of the operating parameter to be taken into account when determining the exponentially smoothed average. At least two values of the operating parameter, which are included in a decision as to whether the stationary operating state 14 is present or not, are more than 10 minutes apart.
  • the open-loop or closed-loop control device 16 determines the exponentially smoothed average of the operating parameter and its degree of dispersion recursively depending on the last determined value of the operating parameter, the last determined value of the exponentially smoothed average and the last determined value of the dispersion dimension.
  • the last determined value of the exponentially smoothed average of the operating characteristic is stored in the storage step 60, in particular instead of the last determined value of the operating characteristic.
  • a predetermined number of values of the operating parameter determined in a time window, in particular all in a time window the storage step 60 is collected to determine the measure of dispersion using an explicit form of the measure of dispersion.
  • the open-loop or closed-loop control device 16 When the stationary operating state 14 is reached, the open-loop or closed-loop control device 16 preferably changes from an operating point control to a monitoring mode and/or outputs an indication signal that the electrochemical device 12 is in the stationary operating state 14. After reaching the stationary operating state 14, the time course of the operating parameter until the stationary operating state 14 is reached is evaluated by the open-loop or closed-loop control device 16 or an external computing device to evaluate the state of the electrochemical device 12.
  • the condition assessment can be output by the control or regulating device 16, for example to a maintenance service, and/or can be further processed to adapt a control or regulation.

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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

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Vorrichtung, Steuer- oder Regelvorrichtung und elektrochemische Vorrichtung
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: wobei Iei der von der elektrochemischen Umwandlungseinheit erzeugte elektrische Strom, UZeuen eine mit dem erzeugten Strom Iei verknüpfte elektrische Spannung der elektrochemischen Umwandlungseinheit, NZeuen die Anzahl der Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren in der elektrochemischen Umwandlungseinheit, wobei F die Faraday- Konstante, haus eine molare Enthalpie des Produktfluids bei Austritt aus der elektrochemischen Umwandlungseinheit, hein eine molare Enthalpie des Eduktfluids bei einem Eintritt in die elektrochemische Umwandlungseinheit und nein einen Stoffstrom des Eduktfluids bezeichnet. Die elektrischen Parameter, d.h. der Strom Iei und die elektrische Spannung UZeuen, werden vorzugsweise von der Sensoreinheit erfasst. Der Strömungsparameter, d.h. der Stoffstrom nein, wird vorzugsweise von der Sensoreinheit erfasst, bzw. aus einem von der Sensoreinheit erfassten Volumenstrom oder Massestrom ermittelt. Die molaren Enthalpien haus, hein 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 haus, hein in Abhängigkeit der Temperatur des Eduktfluids bzw. des Produktfluids hinterlegt, welche die Steuer- oder Regelvorrichtung nutzt, um die molaren Enthalpien haus, hein 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 Steueroder 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 der Betriebskenngröße eine Abweichung 8i des neu ermittelten Werts der Betriebskenngröße von einem bisherigen Wert des exponentiell geglätteten Durchschnitts insbesondere gemäß
Vorzugsweise aktualisiert die Steuer- oder Regelvorrichtung den exponentiell geglätteten Durchschnitt Kema i durch Addition der Abweichung <5; des neu ermittelten Werts der Betriebskenngröße zu dem bisherigen Wert des exponentiell geglätteten Durchschnitts K^-i, wobei die Abweichung mit einem Glättungsfaktor a beaufschlagt wird, insbesondere gemäß
^ema,i Ct ' 8t + Kema,i~l Vorzugsweise ermittelt die Steuer- oder Regelvorrichtung einen aktualisierten Wert des Streuungsmaßes var K)ema i in Abhängigkeit von dem Glättungsfaktor a, einem bisherigen Wert des Streuungsmaßes var K')ema^1 und der Abweichung 6 des neu ermittelten Werts der Betriebskenngröße, insbesondere gemäß
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 Kema 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 Steueroder 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 Steueroder 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:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung und
Fig. 2 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt eine elektrochemische Vorrichtung 12. Die elektrochemische Vorrichtung 12 ist beispielsweise als Brennstoffzellen Vorrichtung 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 Festoxid- brennstoffzelle (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 Rezirkulations- leitung 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 Brenn Stoffresten, 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 Figur 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.
Figur 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 Betriebskenngrößenermittlungsschritt 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 Betriebszu- stands 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

Ansprüche
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt als Streuungsmaß die empirische Varianz der Betriebskenngröße verwendet wird.
5. 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.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein exponentiell geglätteter Durchschnitt der Betriebskenngröße ermittelt wird.
7. 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.
8. 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.
9. Steuer- oder Regelvorrichtung für eine elektrochemische Vorrichtung zu einer Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. Elektrochemische Vorrichtung, insbesondere Brennstoffzellenvorrichtung, mit zumindest einer elektrochemischen Umwandlungseinheit (18) und mit zumindest einer Steuer- oder Regelvorrichtung nach Anspruch 9.
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