AT527608A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbessern einer Qualität einer Analysemethode eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern einer Qualität einer Analysemethode eines Brennstoffzellensystems (100), mit den folgenden Schritten: - Anregen eines Brennstoffzellenstapels (30) des Brennstoffzellensystems (100) mit einem elektrischen sinusförmigen Anregungssignal aufweisend eine Anregungssignal-Frequenz (fexc), - Detektieren eines von dem Brennstoffzellenstapel (30) aufgrund des elektrischen sinusförmigen Anregungssignals abgesendeten Reaktionssignals (A(t)), - Durchführen einer Fouriertransformation bei dem Reaktionssignal (A(t)), um ein Reaktionssignal-Frequenzspektrum (A(f)) aufweisend mehrere Frequenzkomponenten mit unterschiedlichen Intensitäten zu erhalten, - Ermitteln einer Basisfrequenz (f1), welches die Frequenzkomponente mit der größten Intensität in dem Reaktionssignal-Frequenzspektrum (A(f)) ist, - Bestimmen eines Offsetwerts (foffset), - Vergleichen, ob die Basisfrequenz (f1) innerhalb eines Intervalls von Anregungssignal-Frequenz (fexc) minus Offsetwert (foffset) bis Anregungssignal-Frequenz (fexc) plus Offsetwert (foffset) liegt, und - Verwenden des Reaktionssignal-Frequenzspektrums (A(f)) für die Analysemethode falls die Basisfrequenz (f1) innerhalb des Intervalls liegt.

Description

thode eines Brennstoffzellensystems

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern einer Qualität einer Analysemethode eines Brennstoffzellensystems, eine Vorrichtung zum Verbessern einer Qualität einer Analysemethode eines Brennstoffzellensystems und ein Brenn-

stoffzellensystem mit einer solchen Vorrichtung.

Im Stand der Technik sind Analysemethoden wie THD (Total Harmonic Distortion; auf deutsch Oberschwingungsgesamtverzerrung) und EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy; auf deutsch elektrochemische Impedanzspektroskopie) bei der Analyse von Brennstoffzellen prinzipiell bekannt. Die THD ist eine Analysemethode, bei welcher die Größe der Anteile, die durch nichtlineare Verzerrungen eines Signals entstehen, quantifiziert werden können. Bei den Brennstoffzellen wird die THD verwendet, um die Degradation der Brennstoffzellen zu ermitteln und um Fehlfunktionen des Brennstoffzellensystems feststellen zu können. Dabei werden die Nichtlinearitäten des Brennstoffzellensystems gemessen und untersucht. Fehlereingrenzung oder Erkennung der Grundursache einer Degradation sind die Hauptanwendungsfälle der THD. Die THD hängt von mehreren Faktoren ab, wie dem Arbeitspunkt des Brennstoffzellensystems, der Frequenz und der Amplitude des Anregungssignals und vor allem von der Qualität des detektierten Reaktionssignals. Daher liefert die THD nicht

immer optimale Ergebnisse.

Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Qualität einer Analysemethode,

wie z.B. THD oder EIS, eines Brennstoffzellensystems zu verbessern.

Die voranstehenden Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zum Verbessern einer Qualität einer Analysemethode mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Vorrichtung zum Verbessern einer Qualität einer Analysemethode mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren be-

schrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der

erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-

system und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen

Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise

werden kann.

Demgemäß wird ein Verfahren zum Verbessern einer Qualität einer Analysemethode eines Brennstoffzellensystems beschrieben. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

Anregen eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems mit einem elektrischen sinusförmigen Anregungssignal aufweisend eine Anregungssignal-Fre-

quenz,

Detektieren eines von dem Brennstoffzellenstapel aufgrund des elektrischen sinus-

förmigen Anregungssignals abgesendeten Reaktionssignals,

Durchführen einer Fouriertransformation bei dem Reaktionssignal, um ein Reaktionssignal-Frequenzspektrum aufweisend mehrere Frequenzkomponenten mit unter-

schiedlichen Intensitäten zu erhalten,

Ermitteln einer Basisfrequenz, welches die Frequenzkomponente mit der größten In-

tensität in dem Reaktionssignal-Frequenzspektrum ist, Bestimmen eines Offsetwerts,

Vergleichen, ob die Basisfrequenz innerhalb eines Intervalls von Anregungssignal-

Frequenz minus Offsetwert bis Anregungssignal-Frequenz plus Offsetwert liegt, und

Verwenden des Reaktionssignal-Frequenzspektrums für die Analysemethode falls

die Basisfrequenz innerhalb des Intervalls liegt.

Dadurch, dass der Vergleich durchgeführt wird, ob die Basisfrequenz innerhalb eines Intervalls von Anregungssignal-Frequenz minus Offsetwert bis Anregungssignal-Frequenz plus Offsetwert liegt, kann entschieden werden, ob die Qualität des Anregungssignals ausreicht, um die Analysemethode durchzuführen. Mit dem Verfahren kann deshalb die Qualität des Anregungssignals überprüft werden. Dabei wird überprüft, ob es bei der Basisfrequenz zu einem Ausreißer kommt, d.h. zu einer Basisfre-

quenz, welche außerhalb des Intervalls liegt. Liegt die Basisfrequenz außerhalb des

gungssignal besser nicht für eine Analysemethode verwendet wird.

Das Verfahren bietet daher eine einfach zu implementierende Möglichkeit, fehler-

hafte Messungen zu erkennen. Es kann indirekt die Qualität und Vertrauenswürdigkeit des elektrischen sinusförmigen Anregungssignals überprüft werden. Daher können Analysemethoden, wie z.B. THD oder EIS, mit den Schritten des Verfahrens robuster und vertrauenswürdiger werden. Insbesondere ist das Verfahren für Analysemethoden geeignet, welche ein elektrisches sinusförmiges Anregungssignal aufwei-

sen.

Ein Ausreißer ist ganz allgemein eine Zahl, die entweder größer oder kleiner ist als alle anderen Werte oder die nicht in den üblichen Mittelwert oder den vorher festgelegten Bereich passt. Hier geht es darum, zu prüfen, ob die bestimmte Basisfrequenz ein Ausreißer ist oder nicht. Um zu überprüfen, ob die bestimmte Basisfrequenz ein Ausreißer ist oder nicht, wird ein Bereich festgelegt. Der Bereich wird festgelegt, indem ein Intervall bestimmt wird. Das Intervall erstreckt sich von der AnregungssignalFrequenz minus einem Offsetwert bis zu der Anregungssignal-Frequenz plus den Offsetwert. Der Offsetwert bestimmt demnach die Größe dieses Intervalls. Der Offsetwert kann als ein fester Wert festgelegt oder mit Hilfe von Parametern bestimmt

werden.

Idealerweise entspricht die Basisfrequenz der Anregungssignal-Frequenz. Es kann jedoch aufgrund von Komponenten des Brennstoffzellensystems, wie z.B. Verdampfer, Gebläse-Vorrichtungen, Umluftklappen etc., welche zusätzliche Störungen und/oder Einflüsse auf die Messungen des elektrischen sinusförmigen Anregungssignals und/oder des Reaktionssignals verursachen, zu Abweichungen kommen. Solche Abweichungen könnten bei der Analysemethode zu falschen Schlussfolgerungen führen. Daher ist es sinnvoll Ausreißer festzustellen, damit mit den Daten von Mes-

sungen, bei welchen Ausreißer festgestellt werden, keine Analyse durchgeführt wird.

Die Schritte des Verfahrens zum Verbessern der Qualität einer Analysemethode können teilweise die gleichen Schritte sein, die bei der Analysemethode an sich ausgeführt werden. Beispielsweise kann die Fouriertransformation des detektierten Reakti-

onssignals ohnehin auch bei einer Analysemethode durchgeführt werden. Daher

durchgeführt werden.

Das elektrische sinusförmige Anregungssignal kann mittels eines Anregungsmoduls an den Brennstoffzellenstapel angelegt werden. Das Reaktionssignal ist dann ebenfalls ein elektrisches Signal. Bei dem elektrischen sinusförmigen Anregungssignal und/oder bei dem Reaktionssignal kann es sich um ein Stromsignal oder ein Span-

nungssignal handeln.

Die Fouriertransformation kann insbesondere eine sogenannte Fast Fourier Transformation (FFT) sein. Die FFT kann verwendet werden, um Frequenzbereichsdaten aus dem zeitlich gemessenen Signal zu extrahieren, die für Methoden zur Degradation von Brennstoffzellenstapeln benötigt werden. Die Analysemethode dient z.B. dazu

die Degradation eines Brennstoffzellenstapels zu erkennen und zu überwachen.

Der Brennstoffzellenstapel kann mehrere Brennstoffzellen oder mehrere Elektrolysezellen aufweisen. Insbesondere kann es sich bei den Zellen um SOECs (Solid Oxide

Electrolyzer Cells) handeln.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird der Offsetwert durch die Anregungssignal-Frequenz und eine Abtast-Frequenz bestimmt. Dadurch ergibt sich eine automatische und selbstregulierende Bestimmung des Offsetwerts. Je nach Anregungssignal-Frequenz und Abtast-Frequenz fällt der Offsetwert unterschiedlich aus. Dabei ist die Abtast-Frequenz diejenige Frequenz, mit welcher das Reaktionssignal abgetastet wird. Mittels des Offsetwerts wird wiederum das Intervall bestimmt,

bei welchem überprüft wird, ob die Basisfrequenz innerhalb des Intervalls liegt.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird der Offsetwert mit-

3 tels der Formel foffset = Fexc+*V2 bestimmt. Dabei ist forrse: der Offsetwert, fexc die Anre-

fs gungssignal-Frequenz und fs die Abtast-Frequenz. Die Formel für den Offsetwert ist so optimiert, dass der Offsetwert schmaler oder breiter werden kann, je nach der verwendeten Anregungssignal-Frequenz und Abtast-Frequenz. Daher ist der Offsetwert

für eine genaue Ausreißer Erkennung nicht konstant, sondern flexibel.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens erfolgt der Vergleich, ob

die Basisfrequenz innerhalb des Intervalls liegt, nachdem das Reaktionssignal

Iysemethode zu sparen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens erfolgt das Anregen des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems mit mehreren elektrischen sinusförmigen Anregungssignalen aufweisend mehrere verschiedene Anregungssignal-Frequenzen. Dementsprechend können auch die weiteren Schritte des Verfahrens bei mehreren aufeinanderfolgenden elektrischen sinusförmigen Anregungssignalen aufweisend mehrere verschiedene Anregungssignal-Frequenzen durchgeführt werden. Ebenfalls kann das Verfahren mit einem bestimmten elektrischen sinusförmigen Anregungssignal mit einer bestimmten Anregungssignal-Frequenz durchgeführt werden und die Analysemethode kann mit mehreren elektrischen sinusförmigen Anregungssignalen mit mehreren verschiedenen Anregungssignal-Frequenzen

durchgeführt werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist die Analysemethode THD oder EIS.

Die THD (Total Harmonic Distortion) ist eine Analysemethode, bei der die Größe von Anteilen, die durch nichtlineare Verzerrungen eines elektrischen Signals entstehen, quantifiziert werden können. Die THD analysiert die harmonischen Frequenzen einer bekannten Basisfrequenz. Harmonische Frequenzen sind Vielfache der Basisfrequenz. Je nach den vorhandenen Nichtlinearitäten in der Polarisationskurve des Brennstoffzellenstapels können harmonische Frequenzen des Anregungssignals er-

zeugt werden, die die Systemantwort verzerren.

Die EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) ist eine Analysemethode, bei der die Impedanz, d. h. der Wechselstromwiderstand, eines Systems als Funktion der

Frequenz einer Wechselspannung bzw. eines Wechselstroms bestimmt wird.

Die Anwendung des Verfahrens ist nicht nur für THD oder EIS geeignet, sondern

kann die Qualität jeder Analysemethode verbessern, die elektrische sinusförmige An-

regungssignale als Quelle der Analysemethode verwendet. Das Verfahren führt ins-

besondere dazu, dass man den THD- oder EIS-Analysewerten besser trauen kann.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das elektrische sinusförmige Anregungssignal mindestens drei vollständige Zyklen auf. Vorteilhafterweise ist das elektrische sinusförmige Anregungssignal dann insbesondere für die THD geeignet. Das elektrische sinusförmige Anregungssignal kann insbesondere zwischen 3 und 10, zwischen 3 und 20 oder zwischen 3 und 50 Zyklen aufweisen.

Weiter kann die Genauigkeit mit der Anzahl der Zyklen zunehmen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird ein THDindex bestimmt, welcher eine Kombination von Intensitäten der Frequenzkomponenten der höheren harmonischen Frequenzen des Reaktionssignal-Frequenzspektrums (A(f)) und eine Intensität der Frequenzkomponente der Basisfrequenz berücksichtigt. Der THDindex dient als Maß für das Verhältnis der höheren harmonischen Frequenzen zu der Basisfrequenz. Die höheren harmonischen Frequenzen sind Vielfache der Basis-

frequenz.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird der THDinaex mit

N 2 i=2"

der Formel THDipaex = * 100[%] bestimmt. Dabei ist Yı die Intensität der Ba-

sisfrequenz und Yi ist die Intensität der i-ten höheren harmonischen Frequenz des

Reaktionssignal-Frequenzspektrums.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist eine Abtast-Frequenz des elektrischen sinusförmigen Anregungssignals und/oder des Reaktionssignals größer als 2*nH*f1, wobei ny die Anzahl der beobachteten harmonischen Frequenzen und f+ die Basisfrequenz ist. Bei den beobachteten harmonischen Frequenzen handelt es sich um die harmonischen Frequenzen, welche in dem Reaktionssig-

nal-Frequenzspektrum aufgefunden werden können.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens sind die Abtast-Fre-

quenz des elektrischen sinusförmigen Anregungssignals und die Abtast-Frequenz

elektrische sinusförmige Anregungssignal und für das Reaktionssignal gleich.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens erfolgt neben einer Anregung des Brennstoffzellenstapels mit einer Hauptenergiequelle die Anregung mit einem Anregungsmodul zum Anregen mit dem elektrischen sinusförmigen Anregungssignal, wobei die Leistung des Anregungsmoduls in einem Bereich von 1% bis 30%, 1% bis 15% oder 1% bis 10% der Leistung der Hauptenergiequelle liegt. Das Anregungsmodul liefert ein zusätzliches elektrisches sinusförmiges Anregungssignal. Die THD basiert auf der Hinzufügung eines Wechselstromanteils zur Stromvorspannung als Anregungssignal für den Brennstoffzellenstapel. Der Wechselstromanteil

kann insbesondere bis zu 10 % des Stromvorspannungswertes betragen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens liegt die Anregungssignal-Frequenz in einem Bereich von 0.01 Hz bis 10 kHz. Vorteilhafterweise ist eine

Anregungssignal-Frequenz in diesem Frequenzbereich für die THD geeignet.

Weiter wird eine Vorrichtung zum Verbessern einer Qualität einer Analysemethode

eines Brennstoffzellensystems beschrieben. Die Vorrichtung umfasst

ein Anregungsmodul zum Anregen eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems mit einem elektrischen sinusförmigen Anregungssignal aufweisend eine

Anregungssignal-Frequenz,

ein Detektionsmodul zum Detektieren eines von dem Brennstoffzellenstapel aufgrund

des elektrischen sinusförmigen Anregungssignals abgesendeten Reaktionssignals,

ein Berechnungsmodul zum Durchführen einer Fouriertransformation bei dem Reaktionssignal, um ein Reaktionssignal-Frequenzspektrum aufweisend mehrere Fre-

quenzkomponenten mit unterschiedlichen Intensitäten zu erhalten,

ein Ermittlungsmodul zum Ermitteln einer Basisfrequenz, welches die Frequenzkom-

ponente mit der größten Intensität in dem Reaktionssignal-Frequenzspektrum ist,

ein Bestimmungsmodul zum Bestimmen eines Offsetwerts,

ein Vergleichsmodul zum Vergleichen, ob die Basisfrequenz innerhalb eines Inter-

valls von Anregungssignal-Frequenz minus Offsetwert bis Anregungssignal-Fre-

quenz plus Offsetwert liegt, und

ein Analysemodul zum Verwenden des Reaktionssignal-Frequenzspektrums für die

Analysemethode falls die Basisfrequenz innerhalb des Intervalls liegt.

Dabei sind das Anregungsmodul, das Detektionsmodul, das Berechnungsmodul, das Ermittlungsmodul, das Bestimmungsmodul, das Vergleichsmodul und das Analysemodul insbesondere zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbessern einer Qualität einer Analysemethode eines Brennstoffzellensystems eingerichtet. Damit weist auch die Vorrichtung die gleichen Vorteile auf, wie sie ausführ-

lich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben werden.

Zudem wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung und zumindest einen Brennstoffzellen-

stapel.

Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hin-

zufügen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus-

führungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems mit einer Vorrichtung zum Verbessern einer Qualität einer Analysemethode und mit ei-

nem Brennstoffzellenstapel;

Fig. 2 ein Diagramm bei welchem das detektierte Reaktionssignal gegen die Zeit

aufgetragen ist;

Fig. 3 ein Diagramm bei welchem das Reaktionssignal-Frequenzspektrum gegen

die Frequenz aufgetragen ist; und

Analysemethode.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems 100 mit einer Vorrichtung 10 zum Verbessern einer Qualität einer Analysemethode und mit einem Brennstoffzellenstapel 30. Das Brennstoffzellensystem 100 kann zusätzlich eine Hauptenergiequelle 40 zum Anlegen einer Spannung an den Brennstoffzellenstapel 30 umfassen. Der Brennstoffzellenstapel 30 kann mehrere Zellen aufweisen. Bei den Zellen kann es sich um SOECSs (Solid Oxide Electrolyzer Cells) oder SOFCs (Solid Oxide Fuel Cells) handeln.

Die Vorrichtung 10 weist ein Anregungsmodul 12, ein Detektionsmodul 14, ein Berechnungsmodul 16, ein Ermittlungsmodul 18, ein Bestimmungsmodul 20, ein Vergleichsmodul 22 und ein Analysemodul 24 auf. Das Anregungsmodul 12, das Detektionsmodul 14, das Berechnungsmodul 16, das Ermittlungsmodul 18, das Bestimmungsmodul 20, das Vergleichsmodul 22 und das Analysemodul 24 sind miteinander verbunden, um Daten austauschen zu können. Bei der Verbindung kann es sich um eine Funkverbindung oder um eine Verbindung handeln, bei welcher ein mechanischer Kontakt besteht. Weiter können das Berechnungsmodul 16, das Ermittlungsmodul 18, das Bestimmungsmodul 20, das Vergleichsmodul 22 und das Analysemo-

dul 24 in einer gemeinsamen Einrichtung 50 angeordnet sein.

Die Vorrichtung 10 dient zum Verbessern einer Qualität einer Analysemethode des Brennstoffzellensystems 100. Bei der Analysemethode kann es sich um THD (Total

Harmonic Distortion) oder EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) handeln.

Mit dem Anregungsmodul 12 kann der Brennstoffzellenstapel 30 des Brennstoffzellensystems mit einem elektrischen sinusförmigen Anregungssignal aufweisend eine

Anregungssignal-Frequenz angeregt werden.

Das Detektionsmodul 14 dient zum Detektieren eines von dem Brennstoffzellenstapel 30 aufgrund des elektrischen sinusförmigen Anregungssignals abgesendeten Re-

aktionssignals A(t) (siehe Fig. 2).

Mittels des Berechnungsmoduls kann die Fouriertransformation bei dem Reaktions-

signal A(t) durchgeführt werden. Als Ergebnis der Fouriertransformation erhält man

nenten mit unterschiedlichen Intensitäten (siehe Fig. 3).

Aufgabe des Ermittlungsmoduls 18 ist es die Basisfrequenz f1 zu ermitteln. Die Basisfrequenz fı ist die Frequenzkomponente mit der größten Intensität in dem Reakti-

onssignal-Frequenzspektrum A(f).

Das Bestimmungsmodul 20 dient zum Bestimmen eines Offsetwerts foftset. Der Offset-

wert foftse: kann ein festgelegter Wert sein oder mittels Parameter bestimmt werden.

Mit dem Vergleichsmodul 22 kann verglichen werden, ob die Basisfrequenz f1 innerhalb eines Intervalls von Anregungssignal-Frequenz fexe Minus Offsetwert fofrset DIS Anregungssignal-Frequenz fexe plus Offsetwert foffset liegt (siehe Fig. 3). Mittels des Vergleichsmoduls 22 wird demnach überprüft, ob es sich bei der Basisfrequenz fı um

einen Ausreißer handelt.

Das Analysemodul 24 dient schließlich dazu das Reaktionssignal-Frequenzspektrum A(f) für die Analysemethode zu verwenden, falls die Basisfrequenz fı innerhalb des

Intervalls liegt.

Durch den Vergleich, bei welchem festgestellt wird, ob es sich bei der Basisfrequenz f1 um einen Ausreißer handelt, wird überprüft, ob die Qualität des Anregungssignals

ausreicht, um die Analysemethode durchzuführen.

Bei der THD wird ein THDindex bestimmt. Der THDindex Stellt ein Maß dafür dar, wie das Verhältnis der höheren harmonischen Frequenzen zu der Basisfrequenz fı ist. Dabei wird eine Kombination von Intensitäten der Frequenzkomponenten der höheren harmonischen Frequenzen des Reaktionssignal-Frequenzspektrums A(f) mit ei-

ner Intensität der Frequenzkomponente der Basisfrequenz fı1 verglichen.

n 2 Zi=2 Wi

Konkret kann der THDindex mit der Formel THDipdgex = * 100[%] bestimmt wer-

den. Dabei ist Yı die Intensität der Basisfrequenz und Yi ist die Intensität der i-ten hö-

heren harmonischen Frequenz des Reaktionssignal-Frequenzspektrums A(f).

Neben der Anregung des Brennstoffzellenstapels 30 mit der Hauptenergiequelle 40

erfolgt auch die Anregung mit dem Anregungsmodul 12. Das Anregungsmodul 12

kann das elektrische sinusförmige Anregungssignal für die THD zu Verfügung stel-

len. Dabei kann die Leistung des Anregungsmoduls 12 in einem Bereich von 1% bis

30%, 1% bis 15% oder 1% bis 10% der Leistung der Hauptenergiequelle 40 liegen.

Die Anregungssignal-Frequenz fexe des elektrischen sinusförmigen Anregungssignals liegt insbesondere in einem Bereich von 0.01 Hz bis 10 kHz. Weiter weist das elektri-

sche sinusförmige Anregungssignal mindestens drei vollständige Zyklen auf.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, bei welchem das detektierte Reaktionssignal A(t) gegen die Zeit t aufgetragen ist. Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, hat das Reaktionssignal

A(t) keinen reinen sinusförmigen Verlauf.

Sowohl eine Abtast-Frequenz fs des elektrischen sinusförmigen Anregungssignals als auch eine Abtast-Frequenz fs des Reaktionssignals A(t) sind bevorzugt größer als 2*nu*f1. Dabei ist n4 die Anzahl der beobachteten harmonischen Frequenzen (siehe Fig. 3) und f1 die Basisfrequenz. Insbesondere können die Abtast-Frequenz fs des elektrischen sinusförmigen Anregungssignals und die Abtast-Frequenz fs des Reakti-

onssignals A(t) gleich sein.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, bei welchem das Reaktionssignal-Frequenzspektrum A(f) gegen die Frequenz f aufgetragen ist. Dabei ist das Reaktionssignal-Frequenzspektrum A(f) das Ergebnis der Fouriertransformation des in der Fig. 2 dargestellten Reaktionssignals A(t). Da das Reaktionssignal A(t) keinen rein sinusförmigen Verlauf hat, kann man in dem Reaktionssignal-Frequenzspektrum A(f) neben der Basisfrequenz f1 auch höhere harmonische Frequenzen sehen. Dabei nimmt die Intensität der höhe-

ren harmonischen Frequenzen gegebenenfalls mit steigender Frequenz ab.

Zudem ist in Fig. 3 das Intervall von Anregungssignal-Frequenz fexc minus Offsetwert Toftset DIS Anregungssignal-Frequenz fexe plus Offsetwert fofrse: dargestellt. Die Basisfre-

quenz fı liegt hier innerhalb des Intervalls.

Die Größe des Intervalls wird durch den Offsetwert foftsee: bestimmt. Der Offsetwert foffset kann mittels der Anregungssignal-Frequenz fexe und der Abtast-Frequenz fs be-

3— — Fexc* v2

NS

rechnet werden. Konkret kann der Offsetwert fofrset Mittels der Formel forfser

bestimmt werden.

Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Verbessern einer Qualität ei-

ner Analysemethode. Das Verfahren kann bei dem Brennstoffzellensystem 100, wie

in Fig. 1 dargestellt, angewendet werden. Dabei weist das Verfahren die folgenden

Schritte auf:

In einem ersten Schritt S$1 wird ein Brennstoffzellenstapel 30 des Brennstoffzellensystems 100 mit einem elektrischen sinusförmigen Anregungssignal aufweisend eine

Anregungssignal-Frequenz fexc angeregt.

In einem zweiten Schritt S2 wird ein von dem Brennstoffzellenstapel 30 aufgrund des elektrischen sinusförmigen Anregungssignals abgesendetes Reaktionssignal A(t) detektiert.

In einem dritten Schritt S3 wird eine Fouriertransformation bei dem Reaktionssignal A(t) durchgeführt, um ein Reaktionssignal-Frequenzspektrum A(f) aufweisend meh-

rere Frequenzkomponenten mit unterschiedlichen Intensitäten zu erhalten.

In einem vierten Schritt S4 wird eine Basisfrequenz fı1 ermittelt, welches die Frequenzkomponente mit der größten Intensität in dem Reaktionssignal-Frequenzspektrum A(f) ist.

In einem fünften Schritt S5 wird ein Offsetwert fortset bestimmt.

In einem sechsten Schritt S6 wird verglichen, ob die Basisfrequenz fı1 innerhalb eines Intervalls von Anregungssignal-Frequenz fexce Minus Offsetwert foftse: DIS Anregungs-

signal-Frequenz fexe plus Offsetwert foffset liegt.

In einem siebten Schritt S7 wird das Reaktionssignal-Frequenzspektrum A(f) für die

Analysemethode verwendet, falls die Basisfrequenz f1 innerhalb des Intervalls liegt.

Das Verfahren zum Verbessern der Qualität einer Analysemethode kann für die LiveÜberwachung eingesetzt werden. Alternativ kann die Erkennung, ob die Basisfrequenz fı einen Ausreißer darstellt, auch erst dann erfolgen, wenn alle Daten erfasst wurden. Dementsprechend kann der Vergleich, ob die Basisfrequenz fı innerhalb des Intervalls liegt, erfolgen, nachdem das Reaktionssignal A(t) detektiert wurde oder

während das Reaktionssignal A(t) detektiert wird.

Weiter können mehrere aufeinanderfolgende elektrische sinusförmige Anregungssignale aufweisend mehrere verschiedene Anregungssignal-Frequenzen fexe für die An-

regung des Brennstoffzellenstapels 30 verwendet werden.

14 Bezugszeichenliste 10 Vorrichtung 12 Anregungsmodul 14 Detektionsmodul 16 Berechnungsmodul 18 Ermittlungsmodul 20 Bestimmungsmodul 22 Vergleichsmodul 24 Analysemodul 30 Brennstoffzellenstapel 40 Hauptenergiequelle 50 Einrichtung 100 Brennstoffzellensystem A(t) Reaktionssignal A(f) Reaktionssignal-Frequenzspektrum f1 Basisfrequenz fexc Anregungssignal-Frequenz foffset Offsetwert fs Abtast-Frequenz

S1-57 Schritte des Ablaufdiagramms

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zum Verbessern einer Qualität einer Analysemethode eines Brenn-

   stoffzellensystems (100), wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:

   — Anregen eines Brennstoffzellenstapels (30) des Brennstoffzellensystems (100) mit einem elektrischen sinusförmigen Anregungssignal aufweisend

   eine Anregungssignal-Frequenz (fexe),

   — Detektieren eines von dem Brennstoffzellenstapel (30) aufgrund des elektrischen sinusförmigen Anregungssignals abgesendeten Reaktionssignals (A(t)),

   — Durchführen einer Fouriertransformation bei dem Reaktionssignal (A(t)), um ein Reaktionssignal-Frequenzspektrum (A(f)) aufweisend mehrere

   Frequenzkomponenten mit unterschiedlichen Intensitäten zu erhalten,

   — Ermitteln einer Basisfrequenz (f1), welches die Frequenzkomponente mit der größten Intensität in dem Reaktionssignal-Frequenzspektrum (A(f))

   ist, — Bestimmen eines Offsetwerts (foffset),

   — Vergleichen, ob die Basisfrequenz (f1) innerhalb eines Intervalls von Anregungssignal-Frequenz (fexe) Minus Offsetwert (fofrset) bIS Anregungssig-

   nal-Frequenz (fexe) plus Offsetwert (fofrset) liegt, und

   — Verwenden des Reaktionssignal-Frequenzspektrums (A(f)) für die Analy-

   semethode falls die Basisfrequenz (f1) innerhalb des Intervalls liegt.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Offsetwert (fortset) durch die Anregungssignal-Frequenz (fexe) und eine Abtast-Frequenz (fs)

   bestimmt wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Offsetwert

   i fexc+ VZ (foftset) Mittels der Formel foffser = ar

   bestimmt wird.

   5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregen des Brennstoffzellenstapels (30) des Brennstoffzellensystems (100) mit mehreren, insbesondere aufeinanderfolgenden, elektrischen sinusförmigen Anregungssignalen aufweisend mehrere verschiedene Anre-

   gungssignal-Frequenzen (fexe) erfolgt.

   6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysemethode THD oder EIS ist.

   7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische

   sinusförmige Anregungssignal mindestens drei vollständige Zyklen aufweist.

   8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein THDindex bestimmt wird, welcher eine Kombination von Intensitäten der Frequenzkomponenten der höheren harmonischen Frequenzen des Reaktionssignal-Frequenzspektrums (A(f)) und eine Intensität der Frequenzkomponente der Basis-

   frequenz (f1) berücksichtigt.

   9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der THDindex mit

   N 2 i=2 1

   der Formel THDipndex = * 100[%] bestimmt wird.

   10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtast-Frequenz (fs) des elektrischen sinusförmigen Anregungssignals und/oder des Reaktionssignals (A(t)) größer als 2*nu*f4 ist, wobei nu die Anzahl

   der beobachteten harmonischen Frequenzen und fı die Basisfrequenz ist.

   11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtast-Frequenz (fs) des elektrischen sinusförmigen Anregungssignals und die Abtast-Fre-

   quenz (fs) des Reaktionssignals (A(t)) gleich sind.

   15% oder 1% bis 10% der Leistung der Hauptenergiequelle (40) liegt.

   13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungssignal-Frequenz (fexe) in einem Bereich von 0.01 Hz bis 10 kHz liegt.

   14. Vorrichtung (10) zum Verbessern einer Qualität einer Analysemethode eines

   Brennstoffzellensystems (100), gekennzeichnet durch

   — ein Anregungsmodul (12) zum Anregen eines Brennstoffzellenstapels (30) des Brennstoffzellensystems mit einem elektrischen sinusförmigen

   Anregungssignal aufweisend eine Anregungssignal-Frequenz,

   — ein Detektionsmodul (14) zum Detektieren eines von dem Brennstoffzellenstapel (30) aufgrund des elektrischen sinusförmigen Anregungssig-

   nals abgesendeten Reaktionssignals (A(t)),

   — ein Berechnungsmodul (16) zum Durchführen einer Fouriertransformation bei dem Reaktionssignal (A(t)), um ein Reaktionssignal-Frequenzspektrum (A(f)) aufweisend mehrere Frequenzkomponenten mit unter-

   schiedlichen Intensitäten zu erhalten,

   — ein Ermittlungsmodul (18) zum Ermitteln einer Basisfrequenz (f1), welches die Frequenzkomponente mit der größten Intensität in dem Reakti-

   onssignal-Frequenzspektrum (A(f)) ist, — ein Bestimmungsmodul (20) zum Bestimmen eines Offsetwerts (fofrset),

   — ein Vergleichsmodul (22) zum Vergleichen, ob die Basisfrequenz (f1) innerhalb eines Intervalls von Anregungssignal-Frequenz (fexe) Minus Offsetwert (forrsetr) Dis Anregungssignal-Frequenz (fexe) plus Offsetwert (foffset)

   liegt, und

   — ein Analysemodul (24) zum Verwenden des Reaktionssignal-Frequenzspektrums (A(f)) für die Analysemethode falls die Basisfrequenz (f1) in-

   nerhalb des Intervalls liegt.

   15. Brennstoffzellensystem (100) gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (10)

   nach Anspruch 14 und zumindest einen Brennstoffzellenstapel (30).