THDA

THDA ist ein elektrisches Messverfahren zum Erkennen kritischer Betriebszustände in Brennstoffzellen. Das Verfahren nutzt einen Effekt aus, der in der Gesamtspannung eines Brennstoffzellen-Stapels detektierbar ist, auch wenn nur einzelne Zellen unter kritischen Bedingungen betrieben werden. Der Begriff "THDA" ist die Abkürzung von (Engl.) "total harmonic distortion analysis".

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1 Hintergrund

In einer Brennstoffzelle (BZ) wird die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandelt. Zur Leistungssteigerung werden mehrere einzelne Zelleinheiten zu einem Stapel geschaltet. Der Betrieb kann nur aufrecht erhalten werden, wenn alle Zellen eines Stapels einwandfrei operieren. Andererseits heißt das, dass der kritische Zustand einer einzelnen Zelle (z.B. durch lokale Medienunterversorgung) zum Ausfall des gesamten Stapels führen kann bzw. sich relevant auf die Lebenszeit der Brennstoffzelle auswirkt. Um kritische Zustände detektieren zu können, kann z.B. jede Zelle einzeln verkabelt, gemessen und in Bezug auf Spannungsabfall ausgewertet werden (vergl. CVM bzw. "cell voltage measurement"). Die Messtechnik und die damit verbundenen Kosten sind speziell bei Systemen mit höherer Leistung sehr aufwendig.

2 Funktionsprinzip

Beim "THDA"-Ansatz werden nicht mehr einzelne Zellspannungen gemessen, sondern Effekte analysiert, die bei Zellspannungseinbrüchen entstehen. Auf den Zellstapel übertragen heißt das, dass sich ein kritischer Spannungseinbruch einer einzelnen Zelle auch auf die Gesamtspannung auswirkt und damit detektierbar wird.

Das Verfahren basiert auf der lokalen Nichtlinearität der Übertragungskennlinie im Betriebspunkt einer Brennstoffzelle unter kritischen Betriebsbedingungen. Dabei wird ein eingeprägtes Wechselstromsignal harmonisch verzerrt und erzeugt bei ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz Oberschwingungen ("klirren") - also zusätzliche Komponenten im Frequenzspektrum der BZ-Spannung. Unter „normalen“ Betriebsbedingungen ist die Übertragungskennlinie im Betriebspunkt linear, d.h. das Frequenzspektrum des resultierenden (Spannungs-)Signals ist identisch mit dem des eingeprägten (Strom-)Signals. Durch den Vergleich des Klirrfaktors in der gemessenen BZ-Spannung mit dem Klirrfaktor des eingeprägten (Strom-)Signals wird die Information über kritische bzw. unkritische Betriebszustände in einzelnen Zellen bzw. im Stapel erzeugt.