AT528584B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Stapelzustandes eines Elektrolyseurzellenstapels - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (500) zum Ermitteln eines Stapelzustandes (151) eines Elektrolyseurzellenstapels (200). In diesem wird der Versorgungsstrom (211) des Elektrolyseurzellenstapels (200) mit einem Erregerstrom (111) überlagert. Die sich dabei an dem Elektrolyseurzellenstapel (200) einstellende Stapelspannung (131) wird gemessen. Für die gemessene Stapelspannung (131) wird wenigstens ein auf den Erregerstrom (111) bezogener Ist-THD-Wert (700) ermittelt, welcher die Oberschwingungsgesamtverzerrung der gemessenen Stapelspannung (131) angibt. Anhand des ermittelten Ist-THD-Wertes (700) wird der Stapelzustand (151) des Elektrolyseurzellenstapels (200) ermittelt und schließlich wird der Stapelzustand (151) ausgegeben. Die Erfindung betrifft ferner eine Regelungsvorrichtung (140), ein Regelungssystem (100) und ein Computerprogrammprodukt, in denen das Verfahren (500) zum Ermitteln des Stapelzustandes (151) jeweils implementiert wird.

Description

Beschreibung

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM ERMITTELN EINES STAPELZUSTANDES EINES ELEKTROLYSEURZELLENSTAPELS

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Stapelzustandes eines Elektrolyseurzellenstapels mittels Analyse der Oberschwingungsgesamtverzerrung (Total Harmonic Distortion). Die Erfindung betrifft ferner eine Regelungsvorrichtung, ein Regelungssystem und ein Computerprogrammprodukt, in denen dieses Verfahren jeweils implementiert wird.

[0002] Die synthetische Herstellung von Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen stellt eine Möglichkeit dar, den Einsatz fossiler Rohstoffvorkommen für die Energieerzeugung zu reduzieren oder gar zu ersetzen. Entsprechende Herstellungsverfahren basieren auf dem Prinzip der Elektrolyse. So kann beispielsweise Wasserdampf in einer Elektrolyseurzelle unter Zuführung von elektrischem Strom in Wasser- und Sauerstoff gespalten werden. Industrielle Elektrolyseprozesse verwenden oftmals eine Hochtemperatur-Elektrolyse, bei der eine Vielzahl aufeinander gestapelter Festoxid-Elektrolyseurzellen (kurz SOEC für Englisch "Solid Oxide Electrolyzer Cell") eingesetzt wird. Bei diesen handelt es sich im Grunde um Festoxid-Brennstoffzellen (kurz SOFC für Englisch "Solid Oxide Fuel Cell), die im reversen Modus betrieben werden.

[0003] Festoxid-Elektrolyseurzellen arbeiten besonders effizient bei Temperaturen zwischen 500°C und 900°C. Die Elektrolyseurzellen eines Elektrolyseurzellenstapels sind somit hohen thermischen, chemischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Hierdurch kann es zu Alterungs- und Ermüdungsprozessen an den eingesetzten Zellenkomponenten und Bauteilen, wie der Zellen-Membran oder den Elektroden, kommen. Ferner weisen Elektrolyseurzellen eine komplexe Struktur und Regelung auf, bei welchen Probleme mit den Massenflüssen in und aus den Elektrolyseurzellen auftreten können, welche das Elektrolyseverfahren ineffizient machen.

[0004] Eine frühzeitige Detektion eines problematischen Betriebs- oder Gesundheitszustands des Elektrolyseurzellenstapels ist daher wünschenwert, um Ausfälle und Ineffizienzen zu erkennen und diese zu vermeiden oder diesen entgegenzuwirken.

[0005] Aus dem Stand der Technik sind die Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und die Analyse der Oberschwingungsgesamtverzerrung (Total Harmonic Distortion, kurz THD) bekannt, mittels denen Informationen zu dem Gesundheitszustand und der Funktionstüchtigkeit von Brennstoffzellenstapeln abgeleitet werden können.

[0006] Beide Analysemethoden basieren unter anderem darauf, dass elektrochemische Systeme, wie Brennstoffzellen, im linearen Bereich ihrer Strom/Spannungs- Charakteristik betrieben werden. Wenn sie im nichtlinearen Bereich betrieben werden, weist ein Ausgangssignal in Reaktion auf ein Eingangssignal höhere Oberwellen auf. Beispielsweise zeigt die Stapelpolarisationskurve bereits in einem voll funktionsfähigen Zustand kleine Nichtlinearitäten, aber wenn ein Stapel degradiert ist, würden höhere Oberwellen erzeugt, obwohl der Stapel im linearen Bereich betrieben wird.

[0007] Die EIS nutzt eine Messung der komplexen Impedanz eines Brennstoffzellenstapels über einen breiten Frequenzbereich (oftmals mehrere Dekaden). Speziell werden Wechselströme und Wechselspannungen für verschiedene Frequenzen als Eingangs-Signal erzeugt und gemessen. Zur Identifikation eines problematischen Zustands des Brennstoffzellenstapels, wie eine defekte Membran oder Elektrode, werden die so ermittelten Impedanzen mit Referenzkurven verglichen, welche jeweils mit einem Gesundheitszustand korrespondieren. Die Eingangs-Signale weisen stets eine geringe Amplitude auf, um von einem quasi-linearen Systemverhalten ausgehen zu können. Bei der EIS werden somit nichtlineare Anteile des gemessenen Ausgangs-Signals bewusst ignoriert, so dass nicht unmittelbar identifiziert werden kann, ob eine gemessene Systemantwort linear ist oder nicht.

[0008] Die THD Analyse erlaubt im Vergleich zur EIS die Identifikation und Analyse von Nichtlinearitäten in einem elektrochemischen System. Die Grundidee der THD Analyse ist, Abweichun-

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gen des elektrochemischen Systems von einem erwarteten nichtlinearen Verhalten zu identifizieren, um so auf problematische Zustände zu schließen. Dafür werden System-Signal-Antworten auf sinusförmige Eingangs-Signale unterschiedlicher Frequenz gemessen. Üblicherweise wird hierbei, ähnlich zur EIS, ein Frequenzband zwischen 0.01 Hz und 10kHz durchlaufen. Die Ausgangs-Signale werden auf ein Auftreten harmonischer Frequenzen einer Grundfrequenz untersucht, welche stets ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind. Speziell wird in der THD-AnaIyse eine Nichtlinearität durch die Bewertung der Amplituden einer Anzahl von Harmonischen gegenüber der Amplitude der Grundfrequenz qualifiziert. Hierfür kann das gemessene Signal mittels FFT vom Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert werden, um die Größe eines Frequenzanteils des Ausgangs-Signals zu bestimmen.

[90009] Nachteile der genannten Analyse-Methoden sind, dass diese zeitaufwendig und messintensiv sind. Dies ergibt sich insbesondere daraus, dass ein System stets mit verschiedenen Anregungssignalen aus einem großen Frequenzbereich anzuregen ist und für eine sinnvolle Messung des Ausgangs-Signals das System zunächst einen eingeschwungen Zustand einzunehmen hat. Die sich so einstellenden Messzeiten sind jedoch für eine wiederholte Überprüfung von Elektrolyseurzellenstapeln während des laufenden Betriebs impraktikabel.

[0010] Aus der US 2020386818 A1, der CN 118996438 A, der EP 4465512 A1 und der EP 4001463 A1 sind weitere Verfahren zur Ermittlung eines Stapelzustandes von Elektrolysevorrichtungen bzw. Regelvorrichtungen und Systeme zur Ermittlung von Stapelzuständen offenbart.

[0011] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die an einem Elektrolyseurzellenstapels während des Betriebes auftretende Alterung und Fehlerzustände schnell, genau, robust und effizient zu detektieren.

[0012] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Regelungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14, ein Regelungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und ein Computerprogramm-produkt mit den Merkmalen des Anspruchs 16.

[0013] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung, dem erfindungsgemäßen Regelungssystem und dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise Bezug genommen werden kann.

[0014] Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Stapelzustandes eines Elektrolyseurzellenstapels. Das Verfahren weist einen Schritt auf, bei dem der Elektrolyseurzellenstapel mit einem Versorgungsstrom versorgt wird. Der Versorgungsstrom des Elektrolyseurzellenstapels wird mit einem Erregerstrom überlagert. Der Erregerstrom weist dabei wenigstens eine Signalkomponente auf, welche mit einer Erregerfrequenz aus einem Niederfrequenzbereich von 0.1 Hz bis 10 Hz oszilliert. Die sich an dem Elektrolyseurzellenstapel beim Überlagern einstellende Stapelspannung wird gemessen. Ferner erfolgt ein Schritt, bei dem wenigstens ein auf den Erregerstrom bezogener Ist-THD-Wert für die gemessene Stapelspannung ermittelt wird. Hierbei wird die Oberschwingungsgesamtverzerrung der gemessenen Stapelspannung von dem Ist-THD-Wert angegeben. Auf Basis des ermittelten Ist-THD-Wertes wird der Stapelzustand des Elektrolyseurzellenstapels ermittelt und der so ermittelte Stapelzustand ausgegeben.

[0015] Insbesondere wird der Stapelzustand nur dann als Ausgabe gesendet, ein Ringspeicher mit THD-Werten gefüllt ist, die aus wiederholten Anregungsereignissen berechnet wurden.

[0016] Im Rahmen der Erfindung kann dabei unter einem Stapelzustand insbesondere der Gesundheitszustand, die physische Konstitution, und/oder eine Indikation bezüglich des Vorliegens eines ordnungsgemäßen Betriebs eines Elektrolyseurzellenstapels verstanden werden. Die Er-

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mittlung kann somit für den Gesamtstapel erfolgen. Der Elektrolyseurzellenstapel kann dabei insbesondere eine Vielzahl von Elektrolyseurzellen aufweisen, welche entlang einer Stapelrichtung aneinander gereiht angeordnet sind. Der Elektrolyseurzellenstapel kann beispielsweise ein Hochtemperatur-Elektrolyseurzellenstapel (SOEC) sein. Der Versorgungsstrom kann dem Elektrolyseurzellenstapel bevorzugt als Gleichstrom (DC) bereitgestellt sein. Bevorzugt ermöglicht der Versorgungsstrom einen Elektrolyse-Betrieb des Elektrolyseurzellenstapels. Der Erregerstrom kann dem Elektrolyseurzellenstapel bevorzugt als Wechselstrom (AC) bereitgestellt sein. Der Erregerstrom kann somit einen periodischen Verlauf aufweisen, bei dem dieser innerhalb der Periode zwischen wenigstens zwei Strom-Amplituden variiert. Ein Überlagern des Versorgungsstroms mit dem Erregerstrom kann insbesondere als ein Addieren zweier elektrischer Ströme verstanden werden. Die Stapelspannung kann insbesondere als die an den Elektroden des Elektrolyseurzellenstapels auftretende Potentialdifferenz verstanden werden.

[0017] Der Ist-THD-Wert oder die Oberschwingungsgesamtverzerrung kann insbesondere als das Verhältnis der summierten Leistungen Phparmoniscn aller Oberschwingungen zur Leistung der Grundschwingung Po berechnet werden, wie durch nachfolgende Formel ausgedrückt:

PD. . THD [%] = A x 100

[0018] Der Ist-THD-Wert wird somit in Bezug auf den Erregerstrom berechnet wird.

[0019] Mit anderen Worten wird von der Erfindung ein Verfahren bereitgestellt, mit dem an einem Elektrolyseurzellenstapel während des Betriebs unerwartet auftretende Nichtlinearitäten schnell, genau und effizient detektiert werden können. Durch die identifizierten Nichtlinearitäten können Verschlechterungen des physischen Zustands, wie Degradation, sowie Betriebsstörungen des Elektrolyseurzellenstapels erkannt werden. Anhand des Ist-THD-Wertes lässt sich so ein normaler Stapelzustand von einem kritischen Stapelzustand unterscheiden werden. Anders als im Stand der Technik erfolgt die Detektion jedoch nicht dadurch, dass dem Elektrolyseurzellenstapel Erregerströme eines vollständigen Frequenzlaufs eingeprägt werden, sondern dadurch, dass allein ein Erregerstrom mit einer niederfrequenten Erregerfrequenz eingesetzt wird. Dies führt unmittelbar zu einer Reduktion der notwendigen Prozessorleistung und Speicher, da eine Zeit-Frequenz- Transformation der gemessenen Stapelspannung für die THD Analyse für einen wesentlich geringeren Frequenzbereich zu erfolgen hat. Die Erfinder haben zudem überraschend festgestellt, dass bei Elektrolyseurzellenstapeln die THD-Werten für verschiedene Stapelzustände am deutlichsten für niederfrequente Erregerströme zeigen während die THD-Werte für Erregerströme mit Erregerfrequenzen jenseits von 10 Hz unabhängig von dem zu ihnen auftretendem Stapelzustand kaum voneinander abweichen. Dies ist auch exemplarisch in Figur 4 gezeigt, in der vier Verläufe von THD-Werten für vier verschiedene Stapelzustände in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz gezeigt sind. Der Verlauf (1000) zeigt einen Referenzwert für einen unkritischen Stapelzustand während die Verläufe (1001 bis 1003) kritische Stapelzustände verdeutlichen. Ein Grund hierfür könnte sein, dass eine langsamere Erregung insbesondere bei trägen Systemen, wie die chemischen Reaktionen an den Elektroden, gute Systemantworten bzw. Resonanzen erzeugen. Somit ermöglicht das Verfahren gemäß der Erfindung ein genaues und aussagekräftiges Ergebnis bei deutlich reduziertem Mess- und Signalverarbeitungsaufwand. Entsprechend kann auch die Durchlaufzeit, welche beispielsweise primär durch Messzeit und Post-Processing Zeit bestimmt wird, für das Verfahren deutlich reduziert werden.

[0020] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Erregerstrom nur die eine Signalkomponente aufweisen. Effizienz- und Zeitvorteile können so weiter verstärkt werden, da mit dieser Ausgestaltung die Messung und die THD-Analyse nur noch für eine einzige Erregerfrequenz durchgeführt werden braucht.

[0021] Ferner von Vorteil kann es sein, wenn die Erregerfrequenz eine Frequenz aus einem Niederfrequenzbereich von 0.1 Hz bis 5 Hz, von 0.1 Hz bis 1 Hz, oder von 0.25 Hz bis 0.75 Hz aufweist. Alternativ kann die Erregerfrequenz 0.5 Hz betragen. So hatte sich in Experimenten überraschend gezeigt, dass für diese Erregerfrequenzen aussage- und unterscheidungskräftige Ist-THD-Werte für verschiedene Stapelzustände des Elektrolyseurzellenstapels vorliegen.

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[0022] Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann der Versorgungsstrom mit dem Erregerstrom wenigstens für eine definierte Mindest-Erregerdauer überlagert werden. Hierbei kann die Mindest-Erregerdauer mit einer Periodendauer wenigstens einer der Signalkomponenten des Erregerstroms korreliert sein. Beispielsweise kann die Mindest-Erregerdauer wenigstens das Fünffache der bei der Erregerfrequenz auftretenden Periodendauer beträgt. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Stapelspannung zuverlässig in einem eingeschwungenen Zustand des Elektrolyseurzellenstapels und nach Ablauf stapelinherenter Latenzen gemessen wird.

[0023] Weiter vorteilhaft ist es, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Ermitteln des Ist-THD-Wertes ein Transformieren der gemessenen Stapelspannung in den Zeit-Frequenzbereich aufweist. Die gemessene Stapelspannung kann dabei durch eine Fourier- Transformation in den Frequenzbereich transformiert werden.

[0024] Weiter kann zum Ermitteln des Ist-THD-Wertes wenigstens eine definierte Anzahl der größten harmonischen Oberschwingungen ermittelt werden und der Ist-THD-Wert für wenigstens die ermittelten Oberschwingungen berechnet werden.

[0025] Alternativ oder zusätzlich ist es auch vorstellbar, den Ist-THD-Wert mit dem Goertzel-Algorithmus in Relation zu dem Erregerstrom zu berechnen.

[0026] Der Goertzel-Algorithmus ist aus der digitalen Signalverarbeitung als eine besondere Form der diskreten Fourier-Transformation bekannt. Anders als beispielsweise die schnelle Fourier-Transformation werden bei dem Goertzel-Algorithmus nur einzelne, diskrete Spektralanteile berechnet. Hierdurch kann mittels des Goertzel-Algorithmus allein der Betrag für die zu der Erregerfrequenz vorliegenden Spektralkomponenten berechnet werden. Dies ermöglicht eine schnelle, effiziente und resourcenschonende Berechnung. Ferner kann der Goertzel-Algorithmus auch mit weniger Wiederholungen der Messung während einer Anregung bereits zuverlässige Ergebnisse zurückliefern.

[0027] Bevorzugt kann die Ermittlung des Ist-THD-Wert mittels des Goertzel-Algorithmus parallel zu einem Ermitteln mittels der vorgenannten Zeit-Frequenzbereich- Transformation erfolgen. Ferner bevorzugt kann von den zwei so ermittelten Ist-THD-Werten das Minimum als der ermittelte Ist-THD-Wert gewählt werden. Hierdurch können die Berechnungsergebnisse des Ist-THD-Wertes gegeneinander verglichen werden und bei starker Abweichung Maßnahmen ergriffen werden. Falls die Messung der Stapelspannung unzureichend oder sehr schnell durchzuführen war, können dennoch zuverlässige Ergebnisse für den Ist-THD-Wert ermittelt werden.

[0028] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Erregerstrom ein Wechselstrom sein. Beispielsweise kann der Erregerstrom ein Sinus-Signal sein oder zumindest ein Sinus-Signal aufweisen. Dies ist von Vorteil, da mit einer Sinus-Anregung die Spektralanteile an den harmonischen Frequenzen leichter von Rausch-Komponenten getrennt werden können.

[0029] Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann der Erregerstrom eine ErregerAmplitude im Bereich zwischen 1% und 10% der Amplitude des Versorgungsstroms aufweisen oder eine Erreger-Amplitude von wenigstens 5% der Amplitude des Versorgungsstroms aufweisen. Hierdurch kann, ähnlich zu der EIS, eine Anregung des Elektrolyseurzellenstapels im quasilinearen Bereich erfolgen.

[0030] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Stapelzustand des Elektrolyseurzellenstapels ermittelt werden, indem ein Stapelzustand als kritisch ermittelt wird, wenn wenigstens eine Fehlerbedingung mit dem ermittelten Ist-THD- Wert erfüllt wird. Bevorzugt kann dabei die Fehlerbedingung wenigstens einen THD- Referenzwert aufweisen.

[0031] Im Rahmen der Erfindung kann dabei unter einem kritischen Stapelzustand eine vom Normalbetrieb abweichende Konstitution des Elektrolyseurzellenstapels verstanden werden. So kann beispielsweise ein kritischer Stapelzustand das Auftreten einer Unterversorgung der Anode oder Kathode mit Sauerstoff oder Wasserdampf oder ein Auftreten von Feuchtigkeit in der Sauerstoff-Elektrode sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Degradation der Trennmembran von Elektrolyseurzellen oder der Elektroden des Elektrolyseurzellenstapels ein kritischer Stapelzustand sein. Derart kann eine effiziente Unterscheidung zwischen verschiedenen kritischen Sta-

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pelzuständen implementiert werden.

[0032] Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann das Verfahren mit einer definierten Überprüfungstaktung in Iterationen wiederholt werden. Hierbei kann der Erregerstrom bevorzugt jeweils identisch konfiguriert sein. Die Überprüfungstaktung kann beispielsweise eine Taktfrequenz von 2min, 5min, 10min oder 15min aufweisen. Dies erlaubt es den Stapelzustand regelmäßig zu überprüfen und schnell auf den Eintritt kritischer Stapelzustände reagieren zu können. Ferner ist es von Vorteil, dass mit einem identisch konfigurierten Erregerstrom vergleichbare Messergebnisse erzeugt werden können, so dass Mess-Ausreißer oder Sondervorgänge weniger ins Gewicht fallen, wodurch das Verfahren robuster und zuverlässiger wird.

[0033] Bevorzugt kann der Stapelzustand des Elektrolyseurzellenstapels ermittelt werden, indem ein gleitender Ist-THD-Mittelwert aus einer Folge von aufeinanderfolgenden Ist-THD-Werten berechnet wird. Die Anzahl an Ist-THD-Werten für die Mittelwertbildung kann dabei durch eine Mittelungsanzahl vorgegeben sein. Die für die Mittelwertbildung verwendeten Ist-THD-Werte sind dabei bevorzugt in aufeinanderfolgenden Iterationen des Verfahrens ermittelt worden. Ein kritischer Stapelzustand kann identifiziert werden, wenn die wenigstens eine Fehlerbedingung von dem berechneten Ist-THD-Mittelwert erfüllt wird. Derart kann der Einfluss von Mess-Ausreißern oder sonstigen Ausnahmewerten der Stapelspannung verringert werden, wodurch das Verfahren robuster und zuverlässiger wird.

[0034] Bevorzugt kann dabei das Berechnen des gleitenden THD-Mittelwertes ein Speichern aufweisen. Beim Speichern kann dabei der Ist-THD-Wert einer Iteration in einem Ringspeicher abgespeichert werden. Der Ringspeicher kann dabei bevorzugt eine Anzahl an indizierten Speicherplätzen aufweisen, die bevorzugt der Mittelungsanzahl entspricht. Die Speicherplätze können bevorzugt in umlaufender Reihenfolge ihrer Indizes mit dem jeweils aktuell ermittelten Ist-THD-Wert belegt werden. Dies erlaubt eine effiziente und resourcenschonende Implementierung für die Mittelwertbildung des Ist-THD-Mittelwertes, bei der die Aktualität der verwendeten Daten mit einfachen Mitteln sichergestellt wird. Auch kann die Durchlaufzeit des Verfahrens weiter reduziert werden. Insbesondere wird der Stapelzustand nur dann als Ausgabe gesendet, wenn der erste Ringspeicher mit THD-Werten gefüllt ist.

[0035] Ferner bevorzugt kann eine Fehlerbedingung erfüllt sein, wenn der in der momentanen Iteration ermittelte Ist-THD-Mittelwert wenigstens zweimal so groß ist wie ein THD-Initialwert. Der THD-Initialwert kann dabei bevorzugt derjenige Ist-THD- Mittelwert sein, der sich aus einem Mitteln der Ist-THD-Werte ergibt, die in den ersten Iterationen bis zum Erreichen der Mittelungszahl ermittelt werden. Derart kann ein Referenzwert zu Beginn des Verfahrens automatisiert erzeugt werden. Dabei wird die Annahme ausgenutzt, dass der Elektrolyseurzellenstapel zu Beginn des Verfahrens eine hohe Wahrscheinlichkeit für eine ordnungsgemäße Funktionstüchtigkeit aufweist. Ferner kann so eine Verschlechterung des Stapelzustands relativ zu dem zu Beginn vorliegenden Stapelzustand ermittelt werden.

[0036] Alternativ oder zusätzlich kann eine Fehlerbedingung erfüllt sein, wenn der Ist-THD-Mittelwert größer als ein definierter THD-Grenzwert ist. Beispielsweise kann der THD-Grenzwert einen THD-Wert von 10% aufweisen. Derart kann eine einfache und effiziente Überprüfung des Stapelzustands implementiert werden.

[0037] Alternativ oder zusätzlich kann eine Fehlerbedingung erfüllt sein, wenn ein sich über eine Betrachtungszeit einstellender Gradient zwischen dem in der momentanen Iteration ermittelte IstTHD-Mittelwert und wenigstens einem von einer definierten Anzahl von in vorangehenden Iterationen ermittelten Ist-THD-Mittelwerten einen insbesondere positiven THD-Gradienten-Grenzwert überschreitet. Derart können über einen Zeitraum auftretende deutliche Variationen der Ist-THDMittelwerte detektiert werden.

[0038] Bevorzugt kann es erforderlich sein, dass die vorgenannten Fehlerbedingungen einzeln oder zusammen erfüllt sind, um einen Stapelzustand als kritisch identifiziert oder klassifiziert zu werden.

[0039] Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann der der Versorgungsstrom mit

dem Erregerstrom in einem stationären Betrieb des Elektrolyseurzellenstapels überlagert werden. Derart kann das Verfahrens nach einem Einschwingen des Elektrolyseurzellenstapels durchgeführt werden. Dies reduziert den Anteil an Störsignalen, die sich bei Messung der Stapelspannung für instationäre Bedingungen an dem Elektrolyseurzellenstapel ergäben.

[0040] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann neben dem ermittelten Stapelzustand, auch ein potentieller Fehlerort, eine Warnung und/oder ein angepasster Steuerparameter für das Steuern des Elektrolyseurzellenstapels ausgegeben werden. Derart können nach Erkennung unerwarteter Nichtlinearitäten weitere Verschlechterungen oder Verunreinigungen des Elektrolyseurzellenstapels verhindert werden, indem Fehler isoliert werden und durch Anpassung von Steuerparametern in den Betrieb des Elektrolyseurzellenstapels eingegriffen werden kann.

[0041] Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann der Erregerstrom parallel und simultan zu der Stapelspannung mit einer bevorzugt identischen Messfrequenz gemessen werden. Die Messfrequenz zum Messen kann dabei wenigstens 1000 Hz betragen. Derart können neben den Frequenzspektren gegebenenfalls auch Phasenverschiebungen zwischen dem Erregerstrom und dem Wechselanteil des Stapelstroms bestimmt werden, wodurch weitere und detailierte Aussagen über den Stapelzustand möglich sind.

[0042] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Regelungsvorrichtung zum Ermitteln eines Stapelzustandes eines Elektrolyseurzellenstapels mit einem erfindungsgemäßen Verfahren. Der Elektrolyseurzellenstapel wird dabei mit einem Versorgungsstrom versorgt und an dessen Elektroden ist eine Stapelspannung abgreifbar. Die Regelungsvorrichtung weist einen Prozessor auf, der angepasst ist, einen Erregerstrom über einen Erregerstrom-Ausgang zu regeln. Dabei ist die Regelung des Erregerstroms angepasst, dass der Erregerstrom wenigstens eine mit einer Erregerfrequenz aus einem Niederfrequenzbereich von 0.1 Hz bis 10 Hz oszillierende Signalkomponente aufweist. Der Prozessor ist ferner angepasst, während des Regelns wenigstens die Stapelspannung über einen Mess-Eingang zu messen. Der Prozessor ist weiter angepasst, wenigstens einen auf den Erregerstrom bezogenen Ist-THD-Wert für die gemessene Stapelspannung zu ermitteln, wobei der Ist-THD-Wert die Oberschwingungsgesamtverzerrung der gemessenen Stapelspannung angibt. Der Prozessor ist zudem angepasst, einen Stapelzustand des Elektrolyseurzellenstapels auf Basis des ermittelten Ist-THD-Wertes zu ermitteln und den so ermittelten Stapelzustand über einen Ausgabe-Ausgang auszugeben. Bevorzugt kann der Prozessor ist weiter angepasst sein, einen Steuerparameter für das Steuern des Elektrolyseurzellenstapels anzupassen und über einen Steuer-Ausgang oder den Ausgabe-Ausgang auszugeben.

[0043] Im Rahmen der Erfindung kann unter Regeln insbesondere ein Kontrollieren, Steuern und Anpassen von physikalischen Größen oder Parametern verstanden werden.

[0044] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ferner ein Regelungssystem zum Ermitteln eines Stapelzustandes eines Elektrolyseurzellenstapels. Das Regelungssystem weist eine Erregerstromquelle zum Erzeugen eines Erregerstroms auf. Ferner weist das Regelungssystem eine Überlagerungsvorrichtung zum Überlagern eines Versorgungsstroms des Elektrolyseurzellenstapels mit dem Erregerstrom auf. Das Regelungssystem weist weiterhin eine Messvorrichtung zum Messen der Stapelspannung des Elektrolyseurzellenstapels, welche sich beim Überlagern an dem Elektrolyseurzellenstapel einstellt. Zusätzlich weist das Regelungssystem die zuvor beschriebene Regelungsvorrichtung auf.

[0045] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Elektrolyseurzellen-System mit einem Elektrolyseurzellenstapel und dem zuvor genannten Regelungssystem.

[0046] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, welches Befehle aufweist, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen.

[0047] Das Computerprogrammprodukt kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA oder C++ implementiert sein. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem computerlesbaren Speichermedium, einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher, oder einem eingebauten Speicher/Prozessor abgespeichert

sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie bspw. Steuer- bzw. Kontrollgeräte derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogrammprodukt in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden bzw. sein, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann. Das Computerprogrammprodukt kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d.h. in Hardware, oder in beliebig hybrider Form, d. h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden bzw. sein.

[0048] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Speichermedium, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen.

[0049] Durch die vorgenannten Vorrichtungen und Systeme können dieselben Effekte und Vorteile hervorgerufen werden, wie sie eingangs bereits für das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben wurden.

[0050] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen schematisch:

[0051] Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung und eines erfindungsgemäß en Regelungssystems,

[0052] Fig. 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

[0053] Fig. 3A eine initiale Speicherbelegung mit wiederholt ermittelten Ist-THD-Werten zur Berechnung eines THD-Initialwertes in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,

[0054] Fig. 3B den Speicher aus Figur 3A in einer erstmalig vollständigen Belegung,

[0055] Fig. 3C die Speicherbelegung aus Figur 3B nach Füllen des Speichers nach einer weiteren Iteration des Verfahren, und

[0056] Fig. 4 Beispielverläufe von THD-Indizes für kritische Stapelzustände und einen unkritischen Stapelzustand in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz.

[0057] Die Figuren zeigen unterschiedliche Ansichten von unterschiedlichen Aspekten und Ausführungsformen der Erfindung.

[0058] Figur 1 zeigt ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Regelungssystem 100 zum Ermitteln eines Stapelzustandes eines Elektrolyseurzellenstapels 200.

[0059] Der zu überwachende kann dabei eine Vielzahl von übereinander gestapelten Elektrolyseurzellen 201 aufweisen. Der Elektrolyseurzellenstapel 200 wird während des Betriebs über dessen Elektroden 221, 222 mit einem Versorgungsstrom 211 aus einer Versorgungsstromquelle 210 zur Umsetzung eines Elektrolysprozesses versorgt. Die Versorgungsstromquelle 210 kann bspw. eine Gleichstromquelle sein, welche über Stromleitungen mit den Elektroden 221, 222 verbunden sein kann. Bevorzugt kann die Versorgungsstromquelle 210 einen Steuer-Eingang aufweisen, über den eine Anpassung des Versorgungsstroms 211 erfolgen kann.

[0060] Das Regelungssystem 100 weist ferner eine Erregerstromquelle 110 zum Erzeugen eines Erregerstroms 111 auf. Die Erregerstromquelle 110 kann beispielsweise ein Sinus-Generator oder eine Wechselstromquelle sein. Die Erregerstromquelle 110 kann separat zu oder integral mit der Versorgungsstromquelle 210 angeordnet sein. Bevorzugt kann die Erregerstromquelle 110 einen Steuer-Eingang aufweisen, über den eine Anpassung des Erregerstroms 111 erfolgen kann.

[0061] Das Regelungssystem 100 weist zudem eine Überlagerungsvorrichtung 120 auf, um den Versorgungsstroms 211 mit dem Erregerstrom 111 zu überlagern. Beispielsweise kann die Uberlagerungsvorrichtung 120 ein Knotenpunkt oder ein Signaladdierer sein. In Figur 1 ist die Uberla-

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gerungsvorrichtung 120 exemplarisch als Bestandteil der Erregerstromquelle 110 dargestellt. Jedoch kann die Überlagerungsvorrichtung 120 auch separat von der Erregerstromquelle 110 angeordnet sein.

[0062] Das Regelungssystem 100 weist ferner eine Messvorrichtung 130 zum Messen einer Stapelspannung 131 des Elektrolyseurzellenstapels 200 auf. In Figur 1 wird die Stapelspannung 131 als Potentialdifferenz zwischen den Abgreifpunkten 133, 134 gemessen. Die Messvorrichtung 130 kann beispielsweise ein Potentiometer mit einem digitalen oder analogen Mess-Ausgang sein. Zusätzlich kann das Regelungssystem 100 eine Strommessvorrichtung 135 aufweisen, von welcher der mit dem Erregerstrom 111 überlagerte Versorgungsstrom 211 gemessen werden kann. Beispielsweise kann die Strommessvorrichtung 135 ein Strommessgerät mit einem digitalen oder analogen Mess-Ausgang sein.

[0063] Das Regelungssystem 100 weist ferner eine Regelungsvorrichtung 140 mit einem Prozessor 147 auf. Die Regelungsvorrichtung 140 kann beispielsweise eine Recheneinheit, eine Kontrolleinheit, ein Mikrokontroller oder ein Computer sein.

[0064] Die Regelungsvorrichtung 140 weist Signal-Eingänge und Signal-Ausgänge auf, um die Komponenten des Regelungssystems 100 zu regeln.

[0065] So weist die Regelungsvorrichtung 140 einen Erregerstrom-Ausgang 141 auf, welcher bevorzugt über eine Signalleitung mit der Erregerstromquelle 110 verbunden ist. Ferner weist die Regelungsvorrichtung 140 einen Mess-Eingang 143 auf, welcher bevorzugt über eine Signalleitung mit der Messvorrichtung 130 verbunden ist.

[0066] Der Prozessor 147 ist dazu angepasst, dass erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln eines Stapelzustands auszuführen. Dieses ist exemplarisch in Figur 2 als Abfolge von Verfahrensschritten 501 bis 506 dargestellt.

[9067] In einem ersten Verfahrensschritt 501 wird der Elektrolyseurzellenstapel 200 mit dem Versorgungsstrom 211 versorgt.

[0068] In einem hierzu parallelen oder diesem nachfolgenden Verfahrensschritt 502 wird der Versorgungsstrom 211 mit dem Erregerstrom 111 überlagert. Bevorzugt wird hierfür bis zu dem Erreichen eines stationären Betrieb des Elektrolyseurzellenstapels 200 gewartet. Prozessor 147 ist angepasst, den Erregerstrom 111 über den Erregerstrom-Ausgang 141 zu regeln. Speziell wird durch den Prozessor 147 der Erregerstroms 111 so geregelt, dass der Erregerstrom 111 eine sinusförmig oszillierende Signalkomponente mit einer Erregerfrequenz aus einem Frequenzbereich von 0.1 Hz bis 10 Hz aufweist. Die hierbei erzeugte Anregung des Elektrolyseurzellenstapels 200 kann eine definierte Mindest-Erregerdauer andauern ehe sie wieder beendet wird, so dass ein zeitlich begrenztes Anregungs-Event erzeugt wird. Bevorzugt kann von dem Prozessor 147 eine Erreger-Amplitude von wenigstens 5% der Amplitude des Versorgungsstroms 211 eingestellt werden.

[0069] In einem hierzu parallelen oder diesem nachfolgenden Verfahrensschritt 503 wird die Stapelspannung 131 gemessen, welche sich während des Überlagerns (des Anregungs-Events) einstellt. Der Prozessor 147 ist hierfür dazu angepasst, die Stapelspannung 131 während des Regelns des Erregerstroms 111 über den Mess-Eingang 143 zu messen. Bevorzugt kann die Regelungsvorrichtung 140 auch einen Stapeleingangsstrom-Messeingang 144 aufweisen, über den der Strom, der von der Strommessvorrichtung 135 gemessen ist, von dem Prozessor 147 erfasst und ausgewertet werden kann. Bevorzugt kann der Prozessor 147 den Strom und die Stapelspannung 135 mit einer Messrate von 1kHz parallel erfassen.

[9070] In einem dem Verfahrensschritt 503 folgenden Verfahrensschritt 504 kann ein auf den Erregerstrom 111 bezogener Ist-THD-Wert 700 für die gemessene Stapelspannung 131 ermittelt werden, welcher die Oberschwingungsgesamtverzerrung der gemessenen Stapelspannung 131 angibt. Der Prozessor 147 kann hierzu beispielsweise eine Fourier-Transformation und/oder den Goertzel-Algorithmus auf die Stapelspannung 131 anwenden. Hierzu kann die mit der Erregerfrequenz f_O0 korrespondierende spektrale Leistung ins Verhältnis gesetzt werden zu der Leistung der Harmonischen der Erregerfrequenz f_0.

[0071] In Verfahrensschritt 505 wird auf Basis des ermittelten Ist-THD-Wertes 700 ein Stapelzustand 151 des Elektrolyseurzellenstapels 200 ermittelt. Hierzu kann von dem Prozessor 147 überprüft werden, ob mit dem ermittelten Ist-THD-Wert 700 eine benutzerdefinierte Fehlerbedingung vorliegt. Im einfachsten Fall kann beispielsweise der ermittelte Ist-THD-Wert 700 mit einem THDReferenzwert verglichen werden. Ist die eine oder die mehreren Fehlerbedingung(en) erfüllt, so kann von dem Prozessor 147 das Vorliegen eines kritischen Stapelzustands 151 festgestellt werden.

[0072] Der so ermittelte Stapelzustand 151 wird dann über einen Ausgabe-Ausgang 145 ausgegeben. Beispielsweise ist in Figur 1 ein Augabe-Monitor 150 dargestellt, auf welchem bei Vorliegen eines ermittelten kritischen Stapelzustands 151 eine Warnung ausgegeben wird. Alternativ oder zusätzlich zu der Darstellung auf dem Monitor 150 kann der Stapelzustand 151 auch an einen Regelungsabschnitt 149 des Prozessors 147 ausgegeben werden, von dem beispielsweise ein Steuerparameter SP für den Betrieb des Elektrolyseurzellenstapels 200 angepasst wird. Der Steuerparameter SP kann dann über einen Steuer-Ausgang 142 ausgegeben werden. Dies ist beispielhaft in Verfahrensschritt 506 gezeigt. In dem Beispiel der Figur 1 wird ferner beispielhaft gezeigt, dass basierend auf dem Stapelzustand 151 der Versorgungsstrom 211 angepasst werden kann. Derart kann beispielsweise der Elektrolyseurzellenstapel 200 abgeschalten werden, wenn mit den vorliegenden Betriebsbedingungen eine zu starke Degradation des Elektrolyseurzellenstapels 200 droht.

[0073] Bevorzugt kann das Verfahren 500 mit einer Überprüfungstaktung von 2min bis 5min jeweils mit einem identisch konfigurierten Erregerstrom 111 in Iterationen wiederholt werden.

[0074] In Rückgriff auf die zuvor beschriebenen Fehlerbedingungen unter Verwendung eines THD-Referenzwertes hat es sich in Versuchen als vorteilhaft erwiesen, bevorzugt einen THDInitialwert 890 als den THD-Referenzwert zu berechnen und Ist-THD-Mittelwerte 800 anstelle der Ist-THD-Werte 700 der Werte 700 zu verwenden. Hierbei konnte eine effiziente Berechnung durch die Verwendung eines Ringspeichers 600 erreicht werden. Dies ist exemplarisch in den Figuren 3A bis 3C gezeigt. Der dort dargestellte Ringspeicher 600 weist eine Anzahl an indizierten Speicherplätzen auf. In jeder Iteration des Verfahrens 500 werden diese Speicherplätze umlaufend besetzt (vgl. Figuren 3B und 3C für Ist-THD-Wert 716). Der THD-Initialwert 890 kann bevorzugt als Mittelwert der intial ermittelten Ist-THD-Werte 701 bis 710 errechnet werden. In Figur 3B ist die darauffolgende (elfte) Iteration des Verfahrens 500 gezeigt, für die ein erster Ist-THD-Mittelwert 801 als gleitender Mittelwert von den zehn Ist-THD-Werten 702 bis 722 errechnet werden. Die Erfindung ist hierbei nicht auf die gezeigte Anzahl an Speicherplätzen und Mittelungszahl beschränkt, sondern soll in den Figuren nur verbildlicht werden. In weiteren Iterationen des Verfahrens 500 können so weitere Ist-THD-Mittelwerte berechnet werden, wie die in Figur 3B gezeigten Ist-THD-Mittelwerte 802 und weitere durch Punkte angedeutete Ist-THD-Mittelwerte. Figur 3C zeigt die Berechnung der Ist-THD-Mittelwerte 801 bis 806, nachdem der Ringspeicher 600 (mit der fünfzehnten Iteration) zum erstenmal vollständig gefüllt war.

[0075] Anhand Figur 4 wird deutlich, dass die Vorgabe der Erregerfrequenz f_0 aus einem Niederfrequenzbereichs nicht beliebig erfolgt. Die in Figur 4 dargestellten Verläufe der THD-Werte 1000 bis 1003 zeigen in dem Frequenzbereich von 0.1 Hz bis 10 Hz deutliche Unterschiede, so dass es möglich wird, unkritische von kritischen Stapelzuständen 151 zu unterscheiden. Ferner können auch unterschiedliche kritische Stapelzustände 151 voneinander unterschieden werden und so ein auftretender Fehler in dem Elektrolyseurzellenstapel 200 lokalisiert werden. Figur 4 zeigt dies anhand eines Referenzverlaufs eines unkritischen Stapelzustands 1000 sowie anhand drei verschiedener THD-Verläufe kritischer Stapelzustände 1001 bis 1003.

[0076] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

BEZUGSZEICHENLISTE

Regelungssystem 100 Erregerstromquelle 110 Erregerstrom 111 Überlagerungsvorrichtung 120 Messvorrichtung 130 Stapelspannung 131 Abgreifpunkte 133, 134 Strommessvorrichtung 135 Regelungsvorrichtung 140 Erregerstrom-Ausgang 141 Steuer-Ausgang 142 Mess-Eingang 143 Stapeleingangsstrom-Messeingang 144 Ausgabe-Ausgang 145 Prozessor 147 Regelungsabschnitt 149 Monitor 150 Stapelszustand 151 Elektrolyseurzellenstapel 200 Elektrolyseurzelle 201 Versorgungsstromquelle 210 Versorgungsstrom 211 Elektroden 221, 222 Verfahren 500 Verfahrensschritte 501 bis 506 Ringspeicher 600 Ist-THD-Wert 700 Elemente einer Ist-THD-Werte-Folge 701 bis 716 Ist-THD-Mittelwert 800 Elemente einer Ist-THD-Mittelwerte-Folge 801, 802, 803, 806 THD-Initialwert 890 Referenzverlauf eines unkritischen Stapelzustands 1000 THD-Verläufe kritischer Stapelzustände 1001 bis 1003 Erregerfrequenz f_0 Steuerparameter SP

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren (500) zum Ermitteln eines Stapelzustandes (151) eines Elektrolyseurzellenstapels (200), gekennzeichnet durch

   Versorgen des Elektrolyseurzellenstapels (200) mit einem Versorgungsstrom (211),

   Überlagern des Versorgungsstroms (211) des Elektrolyseurzellenstapels (200) mit einem Erregerstrom (111), welcher wenigstens eine mit einer Erregerfrequenz (f_0) aus einem Niederfrequenzbereich von 0.1 Hz bis 10 Hz oszillierende Signalkomponente aufweist,

   Messen der Stapelspannung (131) des Elektrolyseurzellenstapels (200), welche sich an dem Elektrolyseurzellenstapel (200) beim Uberlagern einstellt,

   Ermitteln wenigstens eines auf den Erregerstrom (111) bezogenen Ist-THD-Wertes (700) für die gemessene Stapelspannung (131), wobei der Ist-THD-Wert (700) die Oberschwingungsgesamtverzerrung der gemessenen Stapelspannung (131) angibt,

   Ermitteln des Stapelzustandes (151) des Elektrolyseurzellenstapels (200) auf Basis des ermittelten Ist-THD-Wertes (700), und

   Ausgeben des ermittelten Stapelzustandes (151).

   2. Verfahren (500) gemäß Anspruch 1, wobei der Erregerstrom (111) nur die eine Signalkomponente aufweist, und/oder

   wobei die Erregerfrequenz (f_0) eine Frequenz aus einem Niederfrequenzbereich von 0.1 Hz bis 5 Hz, von 0.1 Hz bis 1 Hz, oder von 0.25 Hz bis 0.75 Hz aufweist, oder eine Frequenz von 0.5 Hz aufweist.

   3. Verfahren (500) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Versorgungsstrom (211) mit dem Erregerstrom (111) wenigstens für eine definierte Mindest-Erregerdauer überlagert wird, wobei bevorzugt die Mindest-Erregerdauer mit einer Periodendauer wenigstens einer der Signalkomponenten des Erregerstroms (111) korreliert.

   4. Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln des IstTHD-Wertes (700) aufweist:

   * ein Transformieren der gemessenen Stapelspannung (131) in den Zeit-Frequenzbereich, bevorzugt durch eine Fourier-Transformation, ferner ein Ermitteln wenigstens einer definierten Anzahl der größten harmonischen Oberschwingungen und ein Berechnen des Ist-THD-Wertes (700) für wenigstens die ermittelten Oberschwingungen, und/ oder

   * ein Berechnen des Ist-THD-Wertes (700) mit dem Goertzel-Algorithmus in Relation zu dem Erregerstrom (111), welches bevorzugt parallel zu dem Ermitteln mittels der ZeitFrequenzbereich-Transformation erfolgt.

   5. Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Erregerstrom (111) ein Wechselstrom ist und/oder ein Sinus-Signal aufweist, wobei der Erregerstrom (111) bevorzugt eine Erreger-Amplitude im Bereich zwischen 1% und 10% der Amplitude des Versorgungsstroms (211) aufweist oder eine Erreger-Amplitude von wenigstens 5% der Amplitude des Versorgungsstroms (211) aufweist.

   6. Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln des Stapelzustandes (151) des Elektrolyseurzellenstapels (200) aufweist:

   * Identifizieren eines Stapelzustandes (151) als einen kritischen Stapelzustand (151), wenn wenigstens eine Fehlerbedingung mit dem Ist-THD-Wert (700) erfüllt wird, wobei die Fehlerbedingung wenigstens einen THD-Referenzwert aufweist.

   7. Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (500) mit einer definierten Überprüfungstaktung bevorzugt jeweils mit einem identisch konfigurierten Erregerstrom (111) in Iterationen wiederholt wird, wobei bevorzugt die Überprüfungstaktung mit einer Taktfrequenz von 2min, 5min, 10min oder 15min aufweist.

   11717

   10.

   11.

   12.

   13.

   14.

   AT 528 584 B1 2026-03-15

   Verfahren (500) gemäß Anspruch 6 und Anspruch 7, wobei das Ermitteln des Stapelzustandes (151) des Elektrolyseurzellenstapels (200) aufweist:

   * Berechnen eines gleitenden Ist-THD-Mittelwertes (800) aus einer durch eine Mittelungsanzahl definierten Anzahl von Ist-THD-Werten (700), welche in aufeinanderfolgenden Iterationen des Verfahrens (500) ermittelt wurden, und

   * Identifzieren als kritischen Stapelzustand (151), wenn die wenigstens eine Fehlerbedingung von dem berechneten Ist-THD-Mittelwert (800) erfüllt wird.

   Verfahren (500) gemäß Anspruch 8, wobei das Berechnen des gleitenden THD-Mittelwertes ein Speichern aufweist, in dem der Ist-THD-Wert (700) einer Iteration in einem Ringspeicher (600) abgespeichert wird, wobei der Ringspeicher (600) eine Anzahl an indizierten Speicherplätzen aufweist, die bevorzugt der Mittelungsanzahl entspricht.

   Verfahren (500) gemäß Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei die Fehlerbedingung erfüllt wird, wenn:

   * der Ist-THD-Mittelwert (800) wenigstens zweimal so groß ist wie ein THD-Initialwert (890), wobei der THD-Initialwert (890) bevorzugt der Ist-THD-Mittelwert (800) ist, der sich aus einem Mitteln der Ist-THD-Werte (700) ergibt, die in den ersten Iterationen bis zum Erreichen der Iteration in der Mittelungszahl ermittelt werden;

   * der Ist-THD-Mittelwert (800) größer als ein definierter THD-Grenzwert ist, welcher bevorzugt ein THD-Wert von 10% ist, und/oder

   * ein sich über eine Betrachtungszeit einstellender Gradient zwischen dem in der momentanen Iteration ermittelte Ist-THD-Mittelwert (800) und wenigstens einem von einer definierten Anzahl von in vorangehenden Iterationen ermittelten Ist-THD-Mittelwerten (800) einen insbesondere positiven THD-Gradienten-Grenzwert überschreitet.

   Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Versorgungsstrom (211) mit dem Erregerstrom (111) in einem stationären Betrieb des Elektrolyseurzellenstapels (200) überlagert wird.

   Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ermittelte Stapelzustand (151), ein potentieller Fehlerort, eine Warnung und/oder ein angepasster Steuerparameter (SP) für das Steuern des Elektrolyseurzellenstapels (200) ausgegeben wird.

   Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei parallel zu der Stapelspannung (131) simultan auch der Erregerstrom (111) bevorzugt mit einer identischen Messfrequenz gemessen wird, und/oder

   wobei das Messen mit einer Messfrequenz von wenigstens 1000 Hz erfolgt.

   Regelungsvorrichtung (140) zum Ermitteln eines Stapelzustandes (151) eines Elektrolyseurzellenstapels (200) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, welcher mit einem Versorgungsstrom (211) versorgt wird und an dessen Elektroden (221, 222) eine Stapelspannung (131) abgreifbar ist, gekennzeichnet durch

   einen Prozessor (147), der angepasst ist,

   - einen Erregerstrom (111) über einen Erregerstrom-Ausgang (141) zu regeln, wobei die Regelung des Erregerstroms (111) angepasst ist, dass der Erregerstrom (111) wenigstens eine mit einer Erregerfrequenz (f_0) aus einem Niederfrequenzbereich von 0.1 Hz bis 10 Hz oszillierende Signalkomponente aufweist,

   - wenigstens die Stapelspannung (131) während des Regelns des Erregerstroms (111) über einen Mess-Eingang (143) zu messen,

   - wenigstens einen auf den Erregerstrom (111) bezogenen Ist-THD-Wert (700) für die gemessene Stapelspannung (131) zu ermitteln, wobei der Ist-THD-Wert (700) die Oberschwingungsgesamtverzerrung der gemessenen Stapelspannung (131) angibt,

   - einen Stapelzustand (151) des Elektrolyseurzellenstapels (200) auf Basis des ermittelten Ist-THD-Wertes (700) zu ermitteln,

   - den ermittelten Stapelzustand (151) über einen Ausgabe-Ausgang (145) auszugeben, und

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   - bevorzugt einen Steuerparameter (SP) für das Steuern des Elektrolyseurzellenstapels (200) anzupassen und über einen Steuer-Ausgang (142) oder den Ausgabe-Ausgang (145) auszugeben.

   15. Regelungssystem (100) zum Ermitteln eines Stapelzustandes (151) eines Elektrolyseurzellenstapels (200), gekennzeichnet durch

   eine Erregerstromquelle (110) zum Erzeugen eines Erregerstroms (111),

   eine Überlagerungsvorrichtung (120) zum Überlagern eines Versorgungsstroms (211) des Elektrolyseurzellenstapels (200) mit dem Erregerstrom (111),

   eine Messvorrichtung (130) zum Messen der Stapelspannung (131) des Elektrolyseurzellenstapels (200), welche sich an dem Elektrolyseurzellenstapel (200) beim UÜberlagern einstellt, und

   eine Regelungsvorrichtung (140) gemäß Anspruch 14.

   16. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.

   Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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