WO2024061781A1 - Diagnoseverfahren zur diagnose eines zustands einer elektrochemischen zelle eines elektrochemischen energiewandlers - Google Patents

Diagnoseverfahren zur diagnose eines zustands einer elektrochemischen zelle eines elektrochemischen energiewandlers Download PDF

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WO2024061781A1
WO2024061781A1 PCT/EP2023/075553 EP2023075553W WO2024061781A1 WO 2024061781 A1 WO2024061781 A1 WO 2024061781A1 EP 2023075553 W EP2023075553 W EP 2023075553W WO 2024061781 A1 WO2024061781 A1 WO 2024061781A1
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electrochemical
energy converter
diagnostic method
electrochemical energy
electrochemical cell
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PCT/EP2023/075553
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Julian Ruepp
Michael Phrygus Nguegnou
Chen JIN
Christophe Gerling
Stefan Nagel
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04664—Failure or abnormal function

Definitions

  • the presented invention relates to a diagnostic method for diagnosing a state of an electrochemical cell of an electrochemical energy converter, a computing unit and electrochemical energy converters according to the appended claims.
  • Fuel cells are electrochemical energy converters in which, for example, hydrogen and oxygen are converted into water, electrical energy and heat.
  • Porous electrodes of a fuel cell usually called catalyst layers, typically consist of platinum particles supported on larger carbon particles.
  • This carbon phase ensures electron and heat transport.
  • the carbon phase is permeated with ionomer to ensure proton conductivity.
  • the electrochemical reaction requires three-phase boundaries, which are created by the meeting of platinum, ionomer and reactant.
  • a membrane is located in the center of a fuel cell and consists mainly of ionomer. It is the continuity of the ionomer phase of the electrodes. The function of this membrane is to transport hydrogen protons from the anode electrode to the cathode electrode with as little loss as possible. but also to separate the two gas spaces from each other and to act as an electrical insulator.
  • the proton conductivity of a membrane depends mainly on its temperature and water content.
  • the presented invention serves in particular to determine and quantify the state of at least one electrochemical cell of an electrochemical energy converter.
  • a diagnostic method for diagnosing a state of an electrochemical cell of an electrochemical energy converter is therefore presented.
  • the presented diagnostic method includes determining a course of electrical properties of the electrochemical cell over time, determining evaluable data packets, aggregating at least respective areas of the evaluable data packets into an aggregated course, determining a slope for at least a region of the aggregated course, assigning a characteristic value to the slope according to a predetermined allocation scheme in order to quantify a state of the electrochemical cell and outputting the characteristic value on an output unit, wherein an evaluable data packet comprises a plurality of data points whose values differ from each other by at most a predetermined threshold value, at least for a predetermined duration differentiate.
  • an evaluable data packet is to be understood as a number of measured values that correspond to a quasi-stationary state.
  • the diagnostic method presented is based on the principle that measured values of an electrical property of a respective electrochemical cell determined by a sensor are evaluated and only those measured values that are relevant or characteristic of the state of the electrochemical cell are used to diagnose the state of the electrochemical cell.
  • data packets that can be evaluated are determined in the measured values, i.e. in particular data that correspond to a quasi-stationary state, and these data packets are aggregated into an aggregated history. Accordingly, data that were determined in non-stationary states, in particular in a starting phase or a stationary phase, are discarded, so that only data that were determined in a steady system state are used.
  • the predetermined duration provided according to the invention specifies a minimum time for which an electrochemical energy converter can settle into a respective state, so that there is no influence from external Influences such as load and/or temperature changes are minimized and a signal response of electrical properties of the respective electrochemical cell is maximized.
  • a reliable statement can be made about the state of the electrochemical cell by determining a slope of the aggregated course.
  • the slope is assigned a characteristic value, such as a numerical value of an ordinal scale or a color of a color scheme, in particular a traffic light scheme.
  • an evaluable data packet In order to ensure that respective data of an evaluable data packet correspond to a quasi-stationary state, i.e. were determined during a quasi-stationary state of the electrochemical energy converter, an evaluable data packet only includes those data points whose values differ from one another by at most a predetermined threshold value, at least for a predetermined duration .
  • an evaluable data packet comprises a range of a large number of data points, the values of which differ from one another by a maximum of a predetermined threshold value, at least for a predetermined duration, the range ending at a late end of the evaluable data packet and being smaller than the evaluable data packet Data package.
  • a range from a large number of data points whose values differ from one another by at most a predetermined threshold value, at least for a predetermined duration, in particular a late range after a predetermined duration of values which differ from one another by at most a predetermined threshold value a special long stabilization of the state or the electrochemical energy converter is ensured, so that influences from changing conditions, such as temperature changes or load changes, on the aggregated course are minimized. Accordingly, the aggregate forms In a particularly valid way, only a change in the electrical properties of the electrochemical cell occurs.
  • the electrical properties include at least one parameter from the following list of parameters: current, voltage, power.
  • the aggregated course is extrapolated into the future and the diagnostic method further determines a further slope for at least a region of the extrapolated course, assigning a further characteristic value to the further slope according to a predetermined assignment scheme in order to determine a state of the quantifying the electrochemical cell in the future and outputting the further characteristic value on the output unit.
  • the aggregated course can be extrapolated.
  • a straight line can be continued with the slope determined for the aggregated course or a fitting function, such as the least squares method or a polynomial fit, can be used to determine a future course.
  • an evaluable data packet includes a plurality of data points whose values differ from one another by a maximum of a predetermined threshold value, at least for a predetermined duration, a variance and/or a derivative of the plurality of data points is calculated.
  • the course of electrical properties is filtered using a filter so that only data points are included in the course which meet a predetermined filter criterion, wherein the filter criterion includes that an operating temperature of the electrochemical energy converter is in a predetermined temperature range and / or a power of the electrochemical energy converter is not zero.
  • states in which a power of an electrochemical energy converter is zero are not representative of an age of respective electrochemical cells of the electrochemical energy converter, so that by filtering out corresponding measured values, the validity of data remaining after filtering for determining the age of the electrochemical cell is maximized.
  • the presented invention relates to a computing unit for diagnosing a state of an electrochemical energy converter.
  • the computing unit is configured to determine evaluable data packets from a course determined by a sensor of the electrochemical energy converter, to aggregate at least a region of respective evaluable data packets into an aggregated course, to determine a slope for at least a region of the aggregated course, and to determine the slope as a characteristic value according to a predetermined assignment scheme in order to quantify a state of the electrochemical cell and to output the characteristic value on an output unit, wherein an evaluable data packet comprises a plurality of data points, the values of which differ from one another at most by a predetermined threshold value, at least for a predetermined duration.
  • a computing unit is understood to mean a computer, a server, a processor, a control device or any other programmable circuit.
  • the presented computing unit can be a central server that is communicatively connected to a large number of electrochemical energy converters in order to carry out the presented diagnostic method, ie to receive measured values from respective electrochemical energy converters and a to determine the corresponding characteristic value.
  • the characteristic value can be determined online and without visiting a workshop.
  • the computing unit presented can be part of a respective electrochemical energy converter, in particular part of a control device.
  • the presented invention relates to an electrochemical energy converter.
  • the electrochemical energy converter includes a number of electrochemical cells, a sensor that is configured to measure an electrical property of at least one electrochemical cell of the number of electrochemical cells and a communication interface, wherein the communication interface is configured to transmit measured values determined by the sensor to a possible embodiment of the presented Computing unit to be transmitted.
  • the communication interface of the electrochemical energy converter can be, for example, a wireless interface for communication with a central server or a cable for communication with a control device.
  • the presented invention relates to a further electrochemical energy converter.
  • the further electrochemical energy converter includes a number of electrochemical cells, a sensor that is configured to measure an electrical property of at least one electrochemical cell of the number of electrochemical cells and a possible embodiment of the computing unit presented.
  • the further electrochemical energy converter is able to carry out the diagnostic method presented itself thanks to its own, in particular local, computing unit.
  • the presented electrochemical energy converter or the further electrochemical energy converter is an electrolyzer or a fuel cell system.
  • Figure 1 shows a possible embodiment of the diagnostic method presented
  • FIG 2 shows a detailed representation of the diagnostic method according to Figure 1
  • FIG. 3 shows a system with a possible embodiment of the electrolyzer presented and a possible embodiment of the computing unit presented
  • the diagnostic method 100 includes a determination step 101, in which a course of electrical properties of the electrochemical cell is determined over time, for example determined using an electrical sensor.
  • the diagnostic method 100 includes a determination step 103, in which evaluable data packets are determined in the history that was determined in the determination step 101, and an aggregation step 105, in which at least areas of respective evaluable data packets determined in the determination step 103 are aggregated into an aggregated history.
  • the diagnostic method 100 includes a further determination step 107, in which a slope is determined for at least a region of the aggregated curve, an assignment step 109, in which the slope is assigned a characteristic value according to a predetermined assignment scheme in order to quantify a state of the electrochemical cell and an output step 111, in which the characteristic value is output on an output unit, such as a display and/or a loudspeaker.
  • an evaluable data packet comprises a large number of data points, the values of which differ from one another by at most a predetermined threshold value, at least for a predetermined duration.
  • a curve 201 corresponds to current values measured by a sensor of an electrochemical energy converter for an electrochemical cell.
  • the electrochemical energy converter which here is a fuel cell system as an example, is subjected to a load, whereupon the electrochemical energy converter adjusts to the load and changes to a quasi-stationary state 203, in which the respective measured values change at most, at least for a predetermined duration differ from each other by a predetermined threshold value. Accordingly, the quasi-stationary state 203 forms an evaluable data packet 205.
  • FIG. 2 shows an area 207 consisting of a large number of data points, the values of which differ from each other by at most a predetermined threshold value, at least for a predetermined duration.
  • the area 207 corresponds to a part of the evaluable data packet 205 and ends at a late end of the evaluable data packet 205, whereby the length of the area 207 can be predetermined.
  • the area 207 can correspond to the length of the data packet 205. Accordingly, the measured values or data points of the area 207 were determined in a state in which the electrochemical energy converter has settled into the quasi-stationary state for a particularly long time and a variance in the measured values is particularly small.
  • the course 201 jumps to a further quasi-stationary state and forms a further evaluable data packet 209 with a further area 211.
  • an aggregated course can be determined which only affects electrical properties of the electrochemical cell in quasi-stationary areas and thus particularly validly describes aging of the electrochemical cell.
  • the electrochemical energy converter 300 includes a number of electrochemical cells 301, a sensor 303 configured to measure an electrical property of at least one electrochemical cell 301 of the number of electrochemical cells 301, and a communication interface 305 configured to receive measured values determined by the sensor 303 to transmit a computing unit 307 in order to carry out the diagnostic method 100 according to FIG.

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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren (100) zur Diagnose eines Zustands einer elektrochemischen Zelle (301) eines elektrochemischen Energiewandlers (300), wobei das Diagnoseverfahren (100) umfasst: - Ermitteln (101) eines Verlaufs (201) elektrischer Eigenschaften der elektrochemischen Zelle über die Zeit, - Bestimmen (103) von auswertbaren Datenpaketen (205, 209), - Aggregieren (105) zumindest eines Bereichs (207, 211) jeweiliger auswertbarer Datenpakete (205, 209) zu einem aggregierten Verlauf, - Bestimmen (107) einer Steigung für zumindest einen Bereich des aggregierten Verlaufs, - Zuordnen (109) eines Kennwerts zu der Steigung gemäß einem vorgegebenen Zuordnungsschema, um einen Zustand der elektrochemischen Zelle zu quantifizieren, - Ausgeben (111) des Kennwerts auf einer Ausgabeeinheit wobei ein auswertbares Datenpaket (205, 209) eine Vielzahl Datenpunkte umfasst, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden.

Description

Beschreibung
Titel
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eines Zustands einer elektrochemischen Zelle eines elektrochemischen
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Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren zur Diagnose eines Zustands einer elektrochemischen Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers, eine Recheneinheit und elektrochemische Energiewandler gemäß den beigefügten Ansprüchen.
Stand der Technik
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen bspw. Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, elektrische Energie und Wärme gewandelt werden.
Poröse Elektroden einer Brennstoffzelle, meistens Katalysatorschichten genannt, bestehen typischerweise aus Platin-Partikeln, die auf größeren Kohlenstoffpartikeln geträgert sind. Diese Kohlenstoffphase sorgt für Elektronen- und Wärmetransport. Zudem ist die Kohlenstoffphase mit Ionomer durchzogen, um die Protonenleitfähigkeit zu gewährleisten.
Für die elektrochemische Reaktion sind Dreiphasengrenzen erforderlich, die durch das Zusammentreffen von Platin, Ionomer und Reaktant entstehen.
Eine Membran befindet sich im Zentrum einer Brennstoffzelle und besteht hauptsächlich aus Ionomer. Sie ist die Kontinuität der lonomerphase der Elektroden. Die Funktion dieser Membran ist es, Wasserstoffprotonen von der Anodenelektrode zur Kathodenelektrode möglichst verlustarm zu transportieren, aber auch beide Gasräume voneinander zu trennen sowie elektrisch isolierend zu wirken. Die Protonenleitfähigkeit einer Membran hängt hauptsächlich von deren Temperatur und Wassergehalt ab.
Die Alterung dieser unterschiedlichen Komponenten beim Betrieb einer Brennstoffzelle führt zu fallender Brennstoffzellenleistung über die Zeit und muss somit überwacht werden.
Zur Überwachung der Alterung ist es bekannt, auf dem Prüfstand, bspw. während einer Wartung, eine aktuelle Polarisationskurve zu messen und mit einer Referenzkurve zu vergleichen, eine Zyklovoltametrie durchzuführen, eine Linear Sweep Voltammetry (LSV) durchzuführen und/oder Bleed-Down Zeiten zu messen und/oder eine elektrochemische Impedanzspektroskopie durchzuführen.
Diese Methoden sind allerdings hoch komplex und zeitaufwändig und können nicht online und kontinuierlich im Normalbetrieb durchgeführt werden.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Diagnoseverfahren, eine Recheneinheit und chemische Energiewandler vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Recheneinheit und den elektrochemischen Energiewandlern sowie jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, den Zustand zumindest einer elektrochemischen Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers zu bestimmen und zu quantifizieren. Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Diagnoseverfahren zur Diagnose eines Zustands einer elektrochemischen Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers vorgestellt. Das vorgestellte Diagnoseverfahren umfasst das Ermitteln eines Verlaufs elektrischer Eigenschaften der elektrochemischen Zelle über die Zeit, das Bestimmen von auswertbaren Datenpaketen, das Aggregieren zumindest jeweiliger Bereiche der auswertbaren Datenpakete zu einem aggregierten Verlauf, das Bestimmen einer Steigung für zumindest einen Bereich des aggregierten Verlaufs, das Zuordnen eines Kennwerts zu der Steigung gemäß einem vorgegebenen Zuordnungsschema, um einen Zustand der elektrochemischen Zelle zu quantifizieren und das Ausgeben des Kennwerts auf einer Ausgabeeinheit, wobei ein auswertbares Datenpaket eine Vielzahl Datenpunkte umfasst, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden.
Unter einem auswertbaren Datenpaket ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Anzahl von Messwerten zu verstehen, die einem quasi stationären Zustand entsprechen.
Das vorgestellte Diagnoseverfahren basiert auf dem Prinzip, dass von einem Sensor ermittelte Messwerte einer elektrischen Eigenschaft einer jeweiligen elektrochemischen Zelle ausgewertet werden und lediglich solche Messwerte zur Diagnose des Zustands der elektrochemischen Zelle herangezogen werden, die relevant bzw. charakteristisch für den Zustand der elektrochemischen Zelle sind. Dazu werden in den Messwerten auswertbare Datenpakete bestimmt, d.h. insbesondere solche Daten, die einem quasi stationären Zustand entsprechen, und diese Datenpakete zu einem aggregierten Verlauf aggregiert. Entsprechend werden solche Daten, die in nicht stationären Zuständen, insbesondere in einer Startphase oder einer Standphase ermittelt wurden, verworfen, sodass lediglich Daten verwendet werden, die in einem eingeschwungenen Systemzustand ermittelt wurden.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene vorgegebene Dauer wird eine Mindestzeit vorgegeben, für die ein elektrochemischer Energiewandler sich in einen jeweiligen Zustand einschwingen kann, sodass ein Einfluss durch externe Einflüsse, wie bspw. Last- und/oder Temperaturänderungen minimiert und eine Signalantwort elektrischer Eigenschaften der jeweiligen elektrochemischen Zelle maximiert wird.
Anhand des aggregierten Verlaufs der auswertbaren Datenpakete kann eine belastbare Aussage über einen Zustand der elektrochemischen Zelle getroffen werden, indem eine Steigung des aggregierten Verlaufs bestimmt wird. Zur Quantifizierung wird der Steigung ein Kennwert, wie bspw. ein numerischer Wert einer Ordinalskala oder eine Farbe eines Farbschemas, insbesondere eines Ampelschemas zugeordnet.
Um sicherzustellen, dass jeweilige Daten eines auswertbaren Datenpakets einem quasi stationären Zustand entsprechen, d.h. während eines quasi stationären Zustands des elektrochemischen Energiewandlers ermittelt wurden, umfasst ein auswertbares Datenpaket lediglich solche Datenpunkte, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein auswertbares Datenpaket einen Bereich aus einer Vielzahl Datenpunkte umfasst, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden, wobei der Bereich an einem späten Ende des auswertbaren Datenpakets endet und kleiner ist als das auswertbare Datenpaket.
Durch eine Auswahl eines Bereichs aus einer Vielzahl Datenpunkte, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden, insbesondere eines späten Bereichs nach einer vorgegebenen Dauer von Werten, die sich höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden, wird ein besonders langes Einschwingen des Zustands bzw. des elektrochemischen Energiewandlers sichergestellt, sodass Einflüsse durch wechselnde Bedingungen, wie bspw. Temperaturwechsel oder Lastwechsel auf den aggregierten Verlauf minimiert werden. Entsprechend bildet der aggregierte Verlauf besonders valide lediglich eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften der elektrochemischen Zelle ab.
Es kann vorgesehen sein, dass die elektrischen Eigenschaften zumindest einen Parameter der folgenden Liste an Parametern umfassen: Stromstärke, Spannung, Leistung.
Da die Parameter Stromstärke, Spannung und Leistung einer elektrochemischen Zelle sich mit zunehmendem Alter verändern, eigenen sich diese besonders gut um einen Zustand einer elektrochemischen Zelle zu bestimmen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der aggregierte Verlauf in die Zukunft extrapoliert wird und das Diagnoseverfahren weiterhin das Bestimmen einer weiteren Steigung für zumindest einen Bereich des extrapolierten Verlaufs, das Zuordnen eines weiteren Kennwerts zu der weiteren Steigung gemäß einem vorgegebenen Zuordnungsschema, um einen Zustand der elektrochemischen Zelle in der Zukunft zu quantifizieren und das Ausgeben des weiteren Kennwerts auf der Ausgabeeinheit umfasst.
Um einen Zustand einer elektrochemischen Zelle in der Zukunft vorherzusagen und bspw. einen Zeitpunkt einer Außerbetriebnahme bzw. sogenanntes „End-of- life“ vorherzusagen, kann der aggregierte Verlauf extrapoliert werden. Dazu kann bspw. eine Gerade mit der für den aggregierten Verlauf bestimmten Steigung weitergeführt werden oder eine Fittingfunktion, wie bspw. die Methode der kleinsten Fehlerquadrate oder ein Polynomfit verwendet werden, um einen zukünftigen Verlauf zu bestimmen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass zum Bestimmen, ob ein auswertbares Datenpaket eine Vielzahl Datenpunkte umfasst, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden, eine Varianz und/oder eine Ableitung der Vielzahl Datenpunkte berechnet wird.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Verlauf elektrischer Eigenschaften mittels eines Filters gefiltert wird, sodass lediglich Datenpunkte in den Verlauf eingehen, die einem vorgegebenen Filterkriterium genügen, wobei das Filterkriterium, dass eine Betriebstemperatur des elektrochemischen Energiewandlers in einem vorgegebenen Temperaturbereich liegt und/oder eine Leistung des elektrochemischen Energiewandlers nicht Null ist, umfasst.
Insbesondere Zustände, in denen eine Leistung eines elektrochemischen Energiewandlers Null ist, sind nicht repräsentativ für ein Alter jeweiliger elektrochemischer Zellen des elektrochemischen Energiewandlers, sodass durch ein herausfiltern entsprechender Messwerte eine Validität von nach dem Filtern verbleibenden Daten zur Bestimmung des Alters der elektrochemischen Zelle maximiert wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung eine Recheneinheit zur Diagnose eines Zustands eines elektrochemischen Energiewandlers. Die Recheneinheit ist dazu konfiguriert, aus einem durch einen Sensor des elektrochemischen Energiewandlers ermittelten Verlauf auswertbare Datenpakete zu bestimmen, zumindest einen Bereich jeweiliger auswertbarer Datenpakete zu einem aggregierten Verlauf zu aggregieren, eine Steigung für zumindest einen Bereich des aggregierten Verlaufs zu bestimmen, der Steigung einen Kennwert gemäß einem vorgegebenen Zuordnungsschema zuzuordnen, um einen Zustand der elektrochemischen Zelle zu quantifizieren und den Kennwert auf einer Ausgabeeinheit auszugeben, wobei ein auswertbares Datenpaket eine Vielzahl Datenpunkte umfasst, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden.
Unter einer Recheneinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Computer, ein Server, ein Prozessor, ein Steuergerät oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen.
Insbesondere kann die vorgestellte Recheneinheit ein zentraler Server, der mit einer Vielzahl elektrochemischer Energiewandler kommunikativ verbunden ist, um das vorgestellte Diagnoseverfahren auszuführen, d.h. Messwerte von jeweiligen elektrochemischen Energiewandlern zu empfangen und einen entsprechenden Kennwert zu bestimmen. Entsprechend kann das Bestimmen des Kennwerts online und ohne Besuch in einer Werkstatt erfolgen.
Alternativ kann die vorgestellte Recheneinheit Teil eines jeweiligen elektrochemischen Energiewandlers, insbesondere Teil eines Steuergeräts sein.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung einen elektrochemischen Energiewandler. Der elektrochemische Energiewandler umfasst eine Anzahl elektrochemischer Zellen, einen Sensor, der zum Messen einer elektrischen Eigenschaft zumindest einer elektrochemischen Zelle der Anzahl elektrochemischer Zellen konfiguriert ist und eine Kommunikationsschnittstelle, wobei die Kommunikationsschnittstelle dazu konfiguriert ist, durch den Sensor ermittelte Messwerte an eine mögliche Ausgestaltung der vorgestellten Recheneinheit zu übermitteln.
Die Kommunikationsschnittstelle des elektrochemischen Energiewandlers kann bspw. eine Drahtlosschnittstelle zur Kommunikation mit einem zentralen Server oder ein Kabel zur Kommunikation mit einem Steuergerät sein.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung einen weiteren elektrochemischen Energiewandler. Der weitere elektrochemische Energiewandler umfasst eine Anzahl elektrochemischer Zellen, einen Sensor, der zum Messen einer elektrischen Eigenschaft zumindest einer elektrochemischen Zelle der Anzahl elektrochemischer Zellen konfiguriert ist und eine mögliche Ausgestaltung der vorgestellten Recheneinheit.
Der weitere elektrochemische Energiewandler ist durch die eigene, insbesondere lokale Recheneinheit in der Lage, das vorgestellte Diagnoseverfahren selbst durchzuführen.
Es kann vorgesehen sein, dass der vorgestellte elektrochemische Energiewandler bzw. der weitere elektrochemische Energiewandler ein Elektrolyseur oder ein Brennstoffzellensystem ist. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
Figur 1 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Diagnoseverfahrens,
Figur 2 eine Detaildarstellung des Diagnoseverfahrens gemäß Figur 1,
Figur 3 ein System mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Elektrolyseurs und einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Recheneinheit,
In Figur 1 ist ein Diagnoseverfahren 100 zur Diagnose eines Zustands einer elektrochemischen Zelle eines elektrochemischen Energiewandlers dargestellt. Das Diagnoseverfahren 100 umfasst einen Ermittlungsschritt 101, bei dem ein Verlauf elektrischer Eigenschaften der elektrochemischen Zelle über die Zeit ermittelt wird, bspw. mittels eines elektrischen Sensors ermittelt wird.
Ferner umfasst das Diagnoseverfahren 100 einen Bestimmungsschritt 103, bei dem auswertbare Datenpakete in dem Verlauf ermittelt werden, der in dem Ermittlungsschritt 101 ermittelt wurde sowie einen Aggregationsschritt 105, bei dem zumindest Bereiche jeweiliger in dem Ermittlungsschritt 103 ermittelter auswertbarer Datenpakete zu einem aggregierten Verlauf aggregiert werden.
Ferner umfasst das Diagnoseverfahren 100 einen weiteren Bestimmungsschritt 107, bei dem eine Steigung für zumindest einen Bereich des aggregierten Verlaufs bestimmt wird, einen Zuordnungsschritt 109, bei dem der Steigung ein Kennwert gemäß einem vorgegebenen Zuordnungsschema zugeordnet wird, um einen Zustand der elektrochemischen Zelle zu quantifizieren sowie einen Ausgabeschritt 111, bei dem der Kennwert auf einer Ausgabeeinheit, wie bspw. einer Anzeige und/oder einem Lautsprecher ausgegeben wird. Gemäß dem Diagnoseverfahren 100 ist vorgesehen, dass ein auswertbares Datenpaket eine Vielzahl von Datenpunkten umfasst, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden.
In Figur 2 ist ein Diagramm 200 dargestellt, das sich auf seiner Abszisse über die Zeit und auf seiner Ordinate über eine Stromstärke aufspannt. Ein Verlauf 201 entspricht durch einen Sensor eines elektrochemischen Energiewandlers für eine elektrochemische Zelle gemessenen Stromstärkewerten.
Nach einer Aufwärmphase wird der elektrochemische Energiewandler, der hier beispielhaft ein Brennstoffzellensystem ist, mit einer Last beaufschlagt, woraufhin der elektrochemische Energiewandler sich auf die Last einschwingt und in einen quasi stationären Zustand 203 übergeht, in dem jeweilige Messwerte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden. Entsprechend bildet der quasi stationäre Zustand 203 ein auswertbares Datenpaket 205.
Ferner ist in Figur 2 ein Bereich 207 aus einer Vielzahl Datenpunkte dargestellt, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden. Der Bereich 207 entspricht vorliegend einem Teil des auswertbaren Datenpakets 205 und endet an einem späten Ende des auswertbaren Datenpakets 205, wobei die Länge des Bereichs 207 vorgegeben sein kann. Alternativ kann der Bereich 207 der Länge des Datenpakets 205 entsprechen. Entsprechend wurden die Messwerte bzw. Datenpunkte des Bereichs 207 in einem Zustand ermittelt, in dem der elektrochemische Energiewandler besonders lange in den quasi stationären Zustand eingeschwungen ist und eine Varianz der Messwerte besonders gering ist.
Durch eine weitere Laständerung springt der Verlauf 201 auf einen weiteren quasi stationären Zustand und bildet ein weiteres auswertbares Datenpaket 209 mit einem weiteren Bereich 211. Durch Aggregation der Bereiche 207 und 211 kann ein aggregierter Verlauf ermittelt werden, der lediglich elektrische Eigenschaften der elektrochemischen Zelle in quasi stationären Bereichen betrifft und somit besonders valide eine Alterung der elektrochemischen Zelle beschreibt.
In Figur 3 ist ein elektrochemischer Energiewandler 300 dargestellt. Der elektrochemische Energiewandler 300 umfasst eine Anzahl elektrochemischer Zellen 301, einen Sensor 303, der zum Messen einer elektrischen Eigenschaft zumindest einer elektrochemischen Zelle 301 der Anzahl elektrochemischer Zellen 301 konfiguriert ist und eine Kommunikationsschnittstelle 305, die dazu konfiguriert ist, durch den Sensor 303 ermittelte Messwerte an eine Recheneinheit 307 zu übermitteln, um das Diagnoseverfahren 100 gemäß Figur 1 auszuführen.

Claims

Ansprüche
1. Diagnoseverfahren (100) zur Diagnose eines Zustands einer elektrochemischen Zelle (301) eines elektrochemischen Energiewandlers (300), wobei das Diagnoseverfahren (100) umfasst:
- Ermitteln (101) eines Verlaufs (201) elektrischer Eigenschaften der elektrochemischen Zelle über die Zeit,
- Bestimmen (103) von auswertbaren Datenpaketen (205, 209),
- Aggregieren (105) zumindest eines Bereichs (207, 211) jeweiliger auswertbarer Datenpakete (205, 209) zu einem aggregierten Verlauf,
- Bestimmen (107) einer Steigung für zumindest einen Bereich des aggregierten Verlaufs,
- Zuordnen (109) eines Kennwerts zu der Steigung gemäß einem vorgegebenen Zuordnungsschema, um einen Zustand der elektrochemischen Zelle zu quantifizieren,
- Ausgeben (111) des Kennwerts auf einer Ausgabeeinheit, wobei ein auswertbares Datenpaket (205, 209) eine Vielzahl Datenpunkte umfasst, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden.
2. Diagnoseverfahren (100) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein auswertbares Datenpaket (205, 209) einen Bereich (207, 211) aus einer Vielzahl Datenpunkte umfasst, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden, wobei der Bereich (207, 211) an einem späten Ende des auswertbaren Datenpakets (205, 209) endet und kleiner ist als das auswertbare Datenpaket (205, 209). Diagnoseverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Eigenschaften zumindest einen Parameter der folgenden Liste an Parametern umfassen: Stromstärke, Spannung, Leistung. Diagnoseverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aggregierte Verlauf in die Zukunft extrapoliert wird und das Diagnoseverfahren (100) weiterhin umfasst:
- Bestimmen einer weiteren Steigung für zumindest einen Bereich des extrapolierten Verlaufs,
- Zuordnen eines weiteren Kennwerts zu der weiteren Steigung gemäß einem vorgegebenen Zuordnungsschema, um einen Zustand der elektrochemischen Zelle in der Zukunft zu quantifizieren,
- Ausgeben des weiteren Kennwerts auf der Ausgabeeinheit, Diagnoseverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen, ob ein auswertbares Datenpaket (205, 209) eine Vielzahl Datenpunkte umfasst, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden, eine Varianz und/oder eine Ableitung der Vielzahl Datenpunkte berechnet wird. Diagnoseverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf elektrischer Eigenschaften mittels eines Filters gefiltert wird, sodass lediglich Datenpunkte in den Verlauf (201) eingehen, die einem vorgegebenen Filterkriterium genügen, wobei das Filterkriterium umfasst, dass eine Betriebstemperatur des elektrochemischen Energiewandlers (300) in einem vorgegebenen Temperaturbereich liegt und/oder eine Leistung des elektrochemischen Energiewandlers (300) nicht Null ist. Recheneinheit (307) zur Diagnose eines Zustands eines elektrochemischen Energiewandlers (300), wobei die Recheneinheit (307) dazu konfiguriert ist, aus einem durch einen Sensor (303) des elektrochemischen Energiewandlers (300) ermittelten Verlauf (201) auswertbare Datenpakete (205, 209) zu bestimmen, zumindest einen Bereich (207, 211) jeweiliger auswertbarer Datenpakete (205, 209) zu einem aggregierten Verlauf zu aggregieren, eine Steigung für zumindest einen Bereich des aggregierten Verlaufs zu bestimmen, der Steigung einen Kennwert gemäß einem vorgegebenen Zuordnungsschema zuzuordnen, um einen Zustand der elektrochemischen Zelle (301) zu quantifizieren, und den Kennwert auf einer Ausgabeeinheit auszugeben, wobei ein auswertbares Datenpaket (205, 209) eine Vielzahl Datenpunkte umfasst, deren Werte sich zumindest für eine vorgegebene Dauer höchstens um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander unterscheiden. Elektrochemischer Energiewandler (300), wobei der elektrochemische Energiewandler (300) umfasst:
- eine Anzahl elektrochemischer Zellen (301),
- einen Sensor (303), der zum Messen einer elektrischen Eigenschaft zumindest einer elektrochemischen Zelle (301) der Anzahl elektrochemischer Zellen (301) konfiguriert ist,
- eine Kommunikationsschnittstelle (305), wobei die Kommunikationsschnittstelle (305) dazu konfiguriert ist, durch den Sensor (303) ermittelte Messwerte an eine Recheneinheit (307) nach Anspruch 7 zu übermitteln.
9. Elektrochemischer Energiewandler (300), wobei der elektrochemische Energiewandler (300) umfasst:
- eine Anzahl elektrochemischer Zellen (301), - einen Sensor (303), der zum Messen einer elektrischen Eigenschaft zumindest einer elektrochemischen Zelle (301) der Anzahl elektrochemischer Zellen (301) konfiguriert ist,
- eine Recheneinheit (307) nach Anspruch 7.
10. Elektrochemischer Energiewandler (300) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemische Energiewandler (300) ein Elektrolyseur oder ein Brennstoffzellensystem ist.
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