DE102009001630A1

DE102009001630A1 - Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit Standby-Funktion sowie Brennstoffzellensystem mit Standby-Funktion

Info

Publication number: DE102009001630A1
Application number: DE102009001630A
Authority: DE
Inventors: Torsten Schwarz; Sven Dr. Schmitz; Sören Stobbe; Heiko Turner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Volkswagen AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Audi AG
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2010-09-23

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, welches einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Einzelbrennstoffzellen umfasst, vorgeschlagen, wobei in Phasen geringeren Enerrgiebereitstellungsbedarfs das Brennstoffzellensystem durch folgende Schritte auf einem Normalbetrieb in einen Standby-Betrieb versetzt wird: Abstellen der Sauerstoffzufuhr zum Kathodeneintritt, während die Regelung der Zufuhr des Brennstoffs aktiv bleibt; Verbleiben des Brennstoffzellenstapels am Gleichspannungsnetz; Einstellen und Halten eines Standby-Spannungswertes des mit dem Brennstoffzellenstapel verbundenen Gleichspannungsnetzes auf ein Spannungsniveau, bei dem es in den Einzelzellen des Stapels zu keinen Degradationsprozessen kommt. Bei Beendigung der Phase geringen Energiebereitstellungsbedarfs wird das Brennstoffzellensystem aus dem Standby-Betrieb durch folgende Schritte in den Normalbetrieb versetzt: Inbetriebnahme der Zufuhr von Sauerstoff, Beendigung der Einstellung und des Haltens des Spannungsniveaus des Gleichspannungsnetzes und Folgen der Spannung im Gleichspannungsnetz dem durch den Brennstoffzellenstapel generierten Spannungsverlauf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit Standby-Funktion bei geringerem Energiebedarf sowie eine entsprechende Vorrichtung, die auf zusätzlich aktive Komponenten verzichtet.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Das Grundprinzip der Brennstoffzelle ist die Oxidation des Brennstoffes auf elektrochemischem Wege in einer galvanischen Zelle. Dabei wird chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt, welche sich auf vielfältige Weise nutzen lässt. Möglich sind zum Beispiel der Antrieb eines Fahrzeuges mit Hilfe eines Elektromotors oder die Bordstromversorgung.
Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die einen Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode darstellt. Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polyelektrolyt besteht. Die Elektroden weisen eine katalytische Schicht auf, die entweder auf einem gasdurchlässigen Substrat aufgebracht ist oder direkt auf der Membran; im letzteren Fall besteht die Elektrode somit aus der katalytischen Schicht. Für den Einsatz im Sub-Megawatt-Bereich hat sich Wasserstoff als sinnvoller Energieträger herausgestellt. Dieser wird mit Sauerstoff, zum Beispiel aus der Luft, zu Wasser oxidiert. Der Wasserstoff kann dabei auf verschiedenen Wegen bereitgestellt werden. Er kann zum Beispiel in Reinform gespeichert oder durch Reformierung von Kohlenwasserstoffen erzeugt werden. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation des Wasserstoffs zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Die beiden Reaktionspartner sind durch die Membran beziehungsweise den Elektrolyt räumlich voneinander getrennt; wobei diese so gestaltet sein muss, dass sie nicht elektrisch leitfähig ist. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum im Wege der Diffusion. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Die bei der Reaktion frei werdenden Elektronen werden so gezwungen, sich durch einen elektrischen Stromkreis von der Anode zur Kathode zu bewegen, wo sie Arbeit verrichten können. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von Sauerstoff zu O₂- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig regieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den Protonen unter Bildung von Wasser, welches vornehmlich an der Kathode anfällt und mit dem Abgas abgeführt wird.
In der Regel umfasst eine Brennstoffzelle eine Vielzahl von Membran-Elektroden-Einheiten in so genannten Brennstoffzellenstapeln (Stacks), wobei außen an den Elektroden jeweils üblicherweise eine poröse Gasdiffusionsschicht zur homogenen Zufuhr der Reaktionsgase zu den Elektroden angeordnet ist. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Da die verwendeten Membranen/Elektrolyten üblicherweise eine eingeschränkte Diffusion zulassen, kommt es durch den Partialdruckunterschied zum Übertritt von Wasserdampf in den Anodengasraum. Beim Betrieb mit Luft lässt sich aus dem gleichen Grund auch der Übertritt von Stickstoff und geringen Mengen Argon auf die Anodenseite nicht verhindern.
Um eine Ansammlung von Kondensat und eine inhomogene Gasverteilung im Anodenflowfield zu verhindern, wird eine aktive Rezirkulation eingesetzt. Dabei wird die Anode mit einem Überschuss an Wasserstoff betrieben. Der nicht umgesetzte Wasserstoff wird aktiv vom Anodenaustritt zum Anodeneintritt zurückgeführt. Die sich im Kreislauf ansammelnden Inertgase werden meist zyklisch über ein Purgeventil abgelassen.
Zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels sind eine Reihe von Peripheriekomponenten nötig. Zu nennen sind hier unter anderem Luftverdichter, Rezirkulationsgebläse, Kühlwasserpumpe, Ventile, Sensoren etc. Die Leistungsaufnahme dieser Komponenten wird als parasitärer Verbrauch bezeichnet, da diese Energie zwar durch den Stack bereitgestellt werden muss, jedoch nicht für externe Verbraucher zur Verfügung steht.
Auch wenn das Brennstoffzellensystem keine Leistung abgibt, zum Beispiel an den Elektromotor eines Brennstoffzellenfahrzeuges, wird für den Selbsterhalt im Leerlauf Energie für die parasitären Verbraucher benötigt. Der Systemwirkungsgrad ist im Leerlauf daher Null. Es wird Wasserstoff in der Brennstoffzelle umgesetzt, jedoch keine nutzbare Leistung bereitgestellt. Gleichzeitig kommt es zum Verschleiß der Systemkomponenten und zu unerwünschter Geräuschentwicklung.
Brennstoffzellen können besonders vorteilhaft in mobilen Anwendungen, wie in Traktionssystemen von Kraftfahrzeugen oder zur Zusatzenergieversorgung als so genannte APU (für auxiliary power unit) in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Selbstverständlich sind sie gleichfalls für stationäre Anwendungen einsetzbar, insbesondere für Kleinkraftwerke oder Hausenergieversorgungseinrichtungen.
Insbesondere in einem Brennstoffzellenfahrzeug mit einem begrenzten Vorrat an Wasserstoff sind eine Maximierung des Wirkungsgrades und damit der Reichweite sowie eine Erhöhung des Fahrkomforts wünschenswert.
Wesentliche Elemente zum Erreichen dieser Ziele sind ein angepasstes Energiemanagement und der Start-Stopp-Betrieb des Brennstoffzellensystems. Letzterer wird in DE 102 30 783 A1 als Möglichkeit vorgestellt. Dabei wird bei Erhalt eines Start/Stop-Signals das periphere System des Brennstoffzellensystems auf einen reduzierten Energiebedarf umgeschaltet, welcher niedriger als sein Energieverbrauch im Leerlaufbetrieb ist.
Wird zum Beispiel beim Halten an einer Ampel oder der Fahrt bergab keine Antriebsleistung benötigt, befindet sich das Brennstoffzellensystem im Leerlauf. Um den Energieverbrauch zu minimieren, wäre es in diesem Betriebszustand zu bevorzugen, alle parasitären Verbraucher abzuschalten und das Brennstoffzellensystem in einen „Schlafzustand” zu versetzen. Sobald wieder Energie benötigt wird, muss sich das System in sehr kurzer Zeit wieder reaktivieren lassen und einsatzbereit sein.
Die Herausforderung besteht darin, den Schlafzustand in einer geeigneten Weise zu ermöglichen, da gerade die Start- und Stopp-Phasen die Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems maßgeblich beeinflussen. Im Bereich des Stack sind hier die Schädigungen durch Frontenbildung beim Gaswechsel, sowie Verweilzeiten bei Leerlaufspannung (> 0,9 V pro Zelle) zu nennen. Im Bereich der Peripherie sind die Lastrelais zum An- und Abkoppeln des Stacks an das DC-Netz zu nennen.
Für den Start und das Herunterfahren von Brennstoffzeilensystemen existiert bereits eine Reihe von Patenten. Problematisch darin ist, dass die Elektroden beschädigt werden können, wenn beim Starten oder Herunterfahren die elektrischen Potentiale vorbestimmte Schranken überschreiten. So wird der Katalysator oder Katalysatorträger geschädigt, wenn das Potential einen bestimmten Wert überschreitet, zum Beispiel 0,9 Volt. Durch ein gezieltes Beeinflussen der Halbzellenpotentiale während des Start/Stopp-Betriebes lassen sich Degradationsprozesse vermeiden beziehungsweise minimieren. Meist wird das durch zeitlich nacheinander ablaufende Teilprozesse und Spülvorgänge erreicht. Zu nennen sind hier WO 03/61040 A1 , WO 02/59997 A1 und WO 91/10266 A2 . Letzteres beschreibt die Grundlagen der Potentialkontrolle durch Absenken des Sauerstoffgehaltes auf der Kathode mit Hilfe einer Stickstoffspülung.
Nachteilig daran ist jedoch, dass für eine technische Umsetzung des Start/Stopp-Betriebs zusätzliche Bauteile sowie eine entsprechende Steuerung notwendig sind.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei dem auf zusätzlich aktive Bauteile für einen Standby- beziehungsweise Start/Stopp-Betrieb verzichtet werden kann.
Dementsprechend wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, welches einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Einzelbrennstoffzellen umfasst, vorgeschlagen, wobei das Verfahren im Normalbetrieb folgende Schritte umfasst:

– Regelung der Zufuhr eines Brennstoffs, der vorzugsweise Wasserstoff umfasst, zu dem Anodeneintritt des Brennstoffzellenstapels;
– Abführen eines Anodenabgases aus dem Anodenaustritt des Brennstoffzellenstapels;
– Zuführen von Sauerstoff zum Kathodeneintritt des Brennstoffzellenstapels;
– Abführen eines Kathodenabgases aus dem Kathodenaustritt des Brennstoffzellenstapels;
– Verbinden des Brennstoffzellenstapels mit einem Gleichspannungsnetz zur Übertragung der durch das Brennstoffzellensystem generierten Energie, wobei im Normalbetrieb das Gleichspannungsnetz dem Spannungsverlauf am Brennstoffzellenstapel folgt.

Dabei wird in Phasen geringeren Energiebereitstellungsbedarfs das Brennstoffzellensystem durch folgende Schritte aus dem Normalbetrieb in einen Standby-Betrieb versetzt:

– Abstellen der Sauerstoffzufuhr zum Kathodeneintritt, während die Regelung der Zufuhr des Brennstoffs aktiv bleibt;
– Verbleiben des Brennstoffzellenstapels am Gleichspannungsnetz;
– Einstellen und Halten eines Standby-Spannungswertes des mit dem Brennstoffzellenstapel verbundenen Gleichspannungsnetzes auf ein Spannungsniveau, bei dem es in den Einzelzellen des Stapels zu keinen Degradationsprozessen kommt.

Bei Beendigung der Phase geringeren Energiebereitstellungsbedarfs wird das Brennstoffzellensystem aus dem Standby-Betrieb durch folgende Schritte in den Normalbetrieb versetzt:

– Inbetriebnahme der Zufuhr von Sauerstoff,
– Beendigung der Einstellung und des Haltens des Spannungsniveaus des Gleichspannungsnetzes.

Nach Beendigung der Einstellung des Standby-Spannungsniveaus wird dann die Stromstärke, Spannung oder Leistung entsprechend den Betriebsanforderungen geregelt, damit sich der gewünschte Energiefluss einstellt.
Die Beendigung der Einstellung und des Haltens kann dabei bei Erreichen oder bei Überschreiten des Standby-Spannungswertes am Brennstoffzellenstapel erfolgen. Ab diesem Zeitpunkt übernimmt wieder der Brennstoffzellenstapel die Führung und das Gleichspannungsnetz folgt wieder dem am Brennstoffzellenstapel generierten Spannungsverlauf. Das Gleichspannungsnetz ist im Falle eines Fahrzeugs mit dem Antrieb und/oder einer Traktionsbatterie verbunden. Das Einstellen des Gleichspannungsnetzwerkes auf besagtes Spannungsniveau kann dabei über eine externe Energiequelle erfolgen, im Falle eines Fahrzeuges über die Traktionsbatterie.
Erfindungsgemäß sind also keinerlei zusätzlichen aktiven Mittel zur Realisierung des Standby- bzw. Start/Stopp-Betriebes notwendig. Der Brennstoffzellenstapel kann am Gleichspannungsnetzwerk verbleiben.
Das Verfahren kann im Normalbetrieb eine Rezirkulation eines Teils des Anodenabgases aus dem Anodenaustritt zum Anodeneintritt umfassen, welche im Standby-Betrieb aufrechterhalten bleibt.
Das im Standby-Betrieb eingestellte Spannungsniveau kann so eingestellt sein, dass es 0,9 V pro Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels nicht überschreitet oder aber bevorzugt 0,3 V bis 0,9 V pro Einzelzelle entspricht, noch bevorzugter 0,3 V bis 0,7 V. Dabei kommt es zu einem geringfügigen aber unschädlichen Stromfluss in den Stack, das heißt umgekehrt zum Stromfluss im Normalbetrieb, um diesen Zustand aufrechtzuerhalten.
Die Verbindung des Brennstoffzellenstapels mit dem Gleichspannungsnetz kann über eine Diode erfolgen, die zwischen einem Pol des Brennstoffzellenstapels und dem entsprechenden Pol des Gleichspannungsnetzes derart angeordnet ist, dass kein Stromfluss infolge des eingestellten Standby-Spannungsniveaus vom Gleichspannungsnetz in den Brennstoffzellenstapel erfolgt.
Vorteilhafterweise wird also ein Stromfluss aus der angeschlossenen Energiequelle, bei einem Fahrzeug bevorzugt die Traktionsbatterie, in den Stapel sicher vermieden.
Der Stromfluss durch die Diode kann dadurch realisiert sein, dass das Gleichspannungsnetz über zwei elektrische Schalter mit dem jeweiligen Pol des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, die Diode parallel zu einem der beiden Schalter angeordnet ist Die Rückkehr in den Normalbetrieb kann dann ferner folgenden Schritt umfassen:

– Schließen des geöffneten Schalters bei Erreichen eines Spannungswertes des Brennstoffzellenstapels oberhalb des Standby-Spannungswertes des Gleichspannungsnetzes.

Der Lastschalter muss dann lediglich den Spannungsabfall über der Diode ausgleichen. Gleichzeitig kann eine kostengünstige und lediglich passive Diode eingesetzt werden, die nur eine geringe Stromtragfähigkeit aufweisen muss. Im Normalbetrieb wird eine Verlustleistung durch die Diode vermieden.
Die Brennstoffzelle wird bevorzugt aus dem Standby-Betrieb vollständig heruntergefahren. Dies geschieht bevorzugt, sobald der Stromfluss in den Stack zum Halten des Standby-Betriebes einen bestimmtem Grenzwert überschreitet oder sobald eine vorgegebene Zeit überschritten ist oder sobald mindestens eine der Einzelzellenspannungen einen Spannungsgrenzwert überschreitet, zum Beispiel 0,9 Volt pro Zelle. Zum vollständigen Herunterfahren werden dann folgende Verfahrenschritte vorgenommen:

– Abtrennen der elektrischen Verbindung von Gleichspannungsnetz und Brennstoffzellenstapel;
– Abschalten des Mittels zur Regelung und des Mittels zur Rezirkulation; und
– Verschluss der Zu- und Ableitungen des Brennstoffzellenstapels.

Der Verschluss der Anodenableitung kann über ein erstes Mittel zum Verschließen und Öffnen einer Gasleitung erfolgen, bevorzugt realisiert als ein Purgeventil. Der Verschluss der Kathodenableitung kann über ein zweites Mittel zum Verschließen und Öffnen einer Gasleitung erfolgen, bevorzugt realisiert als eine erste Rückschlagklappe. Der Verschluss der Kathodenzuleitung kann direkt über das Mittel zur Sauerstoffzufuhr erreicht werden oder optional über ein drittes Mittel zum Verschließen und Öffnen einer Gasleitung, welches zwischen Mittel zur Sauerstoffzufuhr und Kathodeneintritt angeordnet ist, bevorzugt ausgebildet als eine zweite Rückschlagklappe.
Das System kann nach vollständigem Herunterverfahren durch folgende Schritte in den Normalbetrieb versetzt werden:

– Inbetriebnahme der Regelung der Brennstoffzufuhr;
– Erhöhung des Drucks im Anodenkreislauf;
– Inbetriebnahme der Rezirkulation des Teils des Anodenabgases;
– Inbetriebnahme der Sauerstoffzufuhr zum Kathodeneintritt;
– Wiederherstellen der elektrischen Verbindung des Brennstoffzellenstapels und des Gleichspannungsnetzes bei Erreichen oder oberhalb des im Standby-Betrieb eingestellten Spannungswertes.

Die Sauerstoffzufuhr kann über einen Luftverdichter realisiert sein. Die Regelung der Brennstoffzufuhr kann über ein Regelventil vorgenommen werden. Die Rezirkulation des Teils des Anodenabgases kann über ein Rezirkulationsgebläse erfolgen.
Teile des Anodengases können über ein Purgeventil zyklisch oder kontinuierlich an die Umgebung abgelassen werden.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, umfassend:

– einen Brennstoffzellenstapel, der eine Mehrzahl gestapelt angeordneter Einzelbrennstoffzellen umfasst, wobei jede Einzelbrennstoffzelle zwei Elektroden ausgebildet als Kathode und Anode aufweist, und der Brennstoffzellenstapel über einen Anodeneintritt, einen Anodenaustritt, einen Kathodeneintritt und einen Kathodenaustritt verfügt;
– einen Brennstofftank, der über ein Mittel zur Regelung der Brennstoffzufuhr mit dem Anodeneintritt des Brennstoffzellenstapels verbunden ist;
– ein erstes Mittel zum Verschließen und Öffnen einer Gasleitung, eingangsseitig mit dem Anodenaustritt und ausgangsseitig mit der Umgebung verbundenen;
– ein Mittel zur Sauerstoffzufuhr, verbunden mit dem Kathodeneintritt des Brennstoffzellenstapels; und
– ein zweites Mittel zum Verschließen und Öffnen einer Gasleitung, eingangseitig mit dem Kathodenaustritt und ausgangsseitig mit der Umgebung verbundenen.

Der Brennstoffzellenstapel ist dabei elektrisch über einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter abtrennbar mit einem Gleichspannungsnetz verbunden.
Parallel zum ersten Schalter kann zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Gleichspannungsnetz eine Diode in Durchlassrichtung angeordnet sein.
Ein Mittel zur Rezirkulation kann eingangsseitig mit dem Anodenaustritt und ausgangsseitig mit dem Anodeneintritt verbunden sein. Das Mittel zur Rezirkulation ist bevorzugt ein Rezirkulationsverdichter.
Ferner kann eine Kathodenrezirkulation angeordnet sein, so dass im Standby-Betrieb der Brennstoffzellenstapel permanent am Gleichspannungsnetz verbleiben kann.
Das Umschalten vom Normalbetrieb in den Standby-Betrieb kann durch verschiedene Parameter bestimmt werden, je nach Einsatzgebiet des Brennstoffzellenstapels. Bevorzugt wird der Brennstoffzellenstapel bei Unterschreiten eines vordefinierten Energiebedarfs in den Standby-Betrieb versetzt und nach einem darauf folgenden Überschreiten dieses Wertes wieder in den Normalbetrieb versetzt. Die Größe des vordefinierten Energiebedarfs ist dabei abhängig vom Einsatzgebiet.
Das Mittel zur Regelung der Brennstoffzufuhr ist bevorzugt als ein Regelventil ausgebildet. Das erste Mittel zum Verschließen und Öffnen einer Gasleitung ist bevorzugt als ein Purgeventil ausgebildet. Das zweite Mittel zum Verschließen und Öffnen einer Gasleitung ist bevorzugt als ein erstes Rückschlagventil/eine erste Rückschlagklappe ausgebildet.
Ein drittes Mittel zum Verschließen und Öffnen einer Gasleitung kann vorgesehen sein, welches eingangsseitig mit dem Luftverdichter und ausgangsseitig mit dem Kathodeneintritt verbunden ist und bevorzugt ein zweites Rückschlagventil/eine zweite Rückschlagklappe ist.
Die Erfindung besteht in einer Betriebsweise, die es erlaubt, ohne zusätzliche aktive Bauteile eine Beeinträchtigung der Lebensdauer des Systems durch einen Start-Stopp-Betrieb zu minimieren. Sie zeichnet sich zusätzlich durch geringe Wasserstoffemissionen sowie kurze (Wieder-)Startzeiten aus.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematisierte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
2 eine schematisierte Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
3 Eine schematisierte Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und
4 eine schematisierte Darstellung von Ausgleichsprozessen zwischen Anode und Kathode der Brennstoffzelle gemäß allen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
1 zeigt eine schematisierte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle. Als zentrale Einheit umfasst die Brennstoffzelle einen Brennstoffzellenstapel oder -stack 1. In ihm sind eine Mehrzahl von Einzelbrennstoffzellen in Reihe angeordnet. Der Brennstoffzellenstapel 1 verfügt über einen Anodenkreislauf, in 1 gebildet aus den Zu- und Ableitungen im oberen Bereich des Brennstoffzellenstapels 1, und einen Kathodenkreislauf, in 1 gebildet aus den Zu- und Ableitungen im unteren Bereich des Brennstoffzellenstapels 1. Anoden- und Kathodenkreislauf weisen keine Verbindung auf. Im Anodenkreislauf verfügt der Brennstoffzellenstapel 1 über einen Anodeneintritt 6 und einen Anodenaustritt 5. Ein Tank 3, der den Brennstoff der Brennstoffzelle beinhaltet, wobei der Brennstoff Wasserstoff umfasst beziehungsweise Wasserstoff ist, ist über ein Mittel zur Regelung der Brennstoffzufuhr, bevorzugt ein Regelventil oder Druckregler 2, mit dem Anodeneintritt 6 verbunden. Anodenaustritt 5 und Anodeneintritt 6 sind optional über ein Mittel zur Rezirkulation, bevorzugt ein Rezirkulationsgebläse 4, miteinander verbunden, wodurch eine aktive Rezirkulation bereitgestellt werden kann. Das heißt, die Anode des Brennstoffzellenstapels 1 wird mit einem Überschuss an Wasserstoff betrieben. Der nicht umgesetzte Wasserstoff wird optional in bevorzugter, aber nicht beschränkender Ausführungsform aktiv vom Anodenaustritt 5 zum Anodeneintritt 6 zurückgeführt, mittels einer Anodenrezirkulation 4. Ferner ist der Anodenaustritt 5 über ein erstes Mittel zum Verschließen und Öffnen einer Gasleitung, bevorzugt ein Purgeventil 7, mit der Umgebung verbunden. Das Purgeventil 7 erlaubt es, die im Anodenkreislauf angesammelten Inertgase abzulassen. Dies geschieht meist zyklisch. Der Kathodeneintritt 15 ist über ein Mittel zur Sauerstoffzufuhr, bevorzugt ausgebildet als ein Luftverdichter 8, mit der Umgebung verbunden. Der Kathodenaustritt 14 ist über zweites Mittel zum Verschließen und Öffnen einer Gasleitung, bevorzugt eine erste Rückschlagklappe 10, mit der Umgebung verbunden, wodurch der Kathodenaustritt 14 von der Umgebung abtrennbar beziehungsweise verschließbar ausgebildet wird. Optional kann zwischen Mittel zur Sauerstoffzufuhr 8 und Kathodeneintritt 15 ein drittes Mittel zum Verschließen und Öffnen einer Gasleitung 9, bevorzugt eine zweite Rückschlagklappe, angeordnet sein. Das dritte Mittel zum Verschließen und Öffnen einer Gasleitung 9 sorgt bei Bedarf für ein sicheres Verschließen des Kathodeneintritts 15, eine Funktion, die auch direkt vom Mittel zur Sauerstoffzufuhr 8 übernommen werden kann. Ferner ist der Plus- und Minuspol des Brennstoffzellenstapels 1 mit einem Gleichspannungsnetz 12 verbunden. Über das Gleichspannungsnetz 12, üblicherweise ein Hochspannungsnetz, beispielsweise mit 400 V, wird bevorzugt ein angeschlossener Antrieb eines Fahrzeuges und/oder eine Batterie, zum Beispiel eine Traktionsbatterie bei Fahrzeugen, mit der aus der Brennstoffzelle genierten Energie versorgt.
Optional kann in einem weiteren, zweiten Ausführungsbeispiel, wie in 2 gezeigt, der Brennstoffzellenstapel 1 abtrennbar mit dem Gleichspannungsnetz 12 verbunden sein. Alle anderen Bestandteile des zweiten Ausführungsbeispiels entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispiels und werden hier daher nicht noch einmal erläutert. Die abtrennbare Ausgestaltung wird bevorzugt über einen ersten Schalter 11a und einen zweiten Schalter 11b erreicht, die jeweils den Pluspol beziehungsweise den Minuspol des Brennstoffzellenstapels 1 mit dem Gleichspannungsnetz 12 verbinden. Die Schalter 11a, 11b sind bevorzugt Leistungsschalter. Die Schalter 11a, 11b können verbunden zusammenschaltbar ausgebildet sein, können aber auch einzeln separat schaltbar sein.
Zusätzlich kann optional in einem dritten Ausführungsbeispiel, wie in 3 gezeigt, der Brennstoffzellenstapel 1 neben den beiden Schaltern 11a und 11b der 2 auch über eine einem der beiden Schalter 11a und 11b parallel angeordnete Diode 13 mit dem Gleichspannungsnetz verbunden sein. Die Diode 13 kann dabei, wie in 3 gezeigt, parallel zum Schalter 11a zwischen Pluspol des Brennstoffzellenstapels 1 und Pluspol des Gleichspannungsnetzes 12 angeordnet sein oder aber, nicht gezeigt, parallel zum Schalter 11b zwischen Minuspol des Brennstoffzellenstapels 1 und Minuspol des Gleichspannungsnetzes 12. Die Diode 13 ist dabei so verschaltet, dass ein Stromfluss aus dem Gleichspannungsnetz 12 in den Brennstoffzellenstapel 1 vermieden wird: Alle anderen Bestandteile des dritten Ausführungsbeispiels entsprechen denen des zweiten Ausführungsbeispiels beziehungsweise denen des ersten Ausführungsbeispiels und werden hier daher nicht noch einmal erläutert.
Im Normalbetrieb wird dem Brennstoffzellenstapel 1 aller in dieser Erfindung beschriebenen Ausführungsbeispiele über das Regelventil 2 Wasserstoff aus dem Tank 3 zugeführt. Mit einem Gebläse 4 wird das Anodenabgas, welches unverbrauchten Wasserstoff sowie Wasserdampf und Stickstoff enthält, vom Anodenaustritt 5 zum Anodeneintritt 6 zurückgeführt. Ein bevorzugt zyklisches oder aber kontinuierliches Öffnen des Purgeventils 7 dient dem Ausschleusen von Inertgasen. Der Luftverdichter 8 führt dem Brennstoffzellenstapel 1 Luftsauerstoff zu, optional über die zweite Rückschlagklappe 9. Das Kathodenabgas wird über die erste Rückschlagklappe 10 an die Umgebung abgegeben.
Der Brennstoffzellenstapel 1 wird über zwei Leistungsschalter 11a und 11b mit dem Gleichspannungsnetz oder DC-Bus 12 verbunden. Die Leistungsschalter 11a, 11b sind im Normalbetrieb geschlossen, das Gleichspannungsnetz 12 hat daher immer die gleiche Spannung wie der Brennstoffzellenstapel 1 und folgt diesem in Abhängigkeit vom Lastpunkt entlang seiner U-I-Kennlinie.
Kommt es zu einem Fahrzustand, in dem keine oder nur sehr wenig Leistung für den Antrieb benötigt wird und gleichzeitig keine Bremsenergie zurück gewonnen werden muss, zum Beispiel bei einer Wartezeit an einer Ampel oder beim Einparken, kann je nach aktuellem Ladezustand der Traktionsbatterie noch Energie zugeführt werden. Hierfür ist das System bevorzugt im Punkt des besten Systemwirkungsgrad zu betreiben. Dieser kann je nach Systemaufbau zum Beispiel bei 3–5% der Maximalleistung liegen.
Ist kein weiteres Laden der Traktionsbatterie notwenig und der Fahrzeugzustand lässt erwarten, dass für eine gewisse Zeit keine Energie vom Brennstoffzellensystem benötig wird, kann das System in einen Standby- oder Schlafzustand versetzt werden. Dazu wird der Luftverdichter 1 abgestellt und der Spannungssollwert für das Gleichspannungsnetz 12 auf ein Spannungsniveau eingestellt, welches 0,9 V pro Einzelzelle nicht überschreitet. Vorzugsweise ist ein Spannungsniveau von 0,3 V bis 0,9 V pro Zelle einzuregeln, noch bevorzugter von 0,3 V bis 0,7 V. Das Wasserstoffdruckregelventil 2 sowie der Rezirkulationsverdichter 4, soweit vorhanden, bleiben weiter aktiv. Durch die weitere Belastung des Brennstoffzellenstapels wird der Sauerstoff im Kathodenflussfeld abgebaut. Der Laststrom ist dabei vorzugsweise so zu führen, dass die Spannung am Brennstoffzellenstapel 1 ausgehend vom Systemleerlauf durch das Abschalten des Verdichters 8 nicht weiter ansteigt, sondern kontinuierlich absinkt. Dies kann durch gezieltes Regeln der Traktionsnetzspannung mit Hilfe der Traktionsbatterie beispielsweise durch Laden der Batterie oder Verbrauch durch ein Nebenaggregat geschehen. Durch den bevorzugten, aber nicht unbedingt notwendigen, Einsatz von zwei Rückschlagklappen 9, 10 wird die Kathode verschlossen. Durch die Rückschlagklappe 9 strömt ein Teil Luft nach, wenn Sauerstoff verbraucht wird. Der Sauerstoffgehalt des Kathodengases nimmt daher ausgehend vom Kathodenaustritt 14 stetig ab.
Der Brennstoffzellenstapel 1 nähert sich so dem Spannungssollwert auf dem Gleichspannungsnetz 12. Wird dieser erreicht, übernimmt die Traktionsbatterie die Versorgung des Traktionsnetzes. Das Fahrzeug kann zu jedem Zeitpunkt batterieelektrisch weiter betrieben werden. Der Spannungssollwert ist dabei auf einem konstanten Niveau zu halten, welches eine ausreichend hohe Spannung für den Fahrbetrieb und gleichzeitig eine ausreichend niedrige Einzelzellspannung für den Brennstoffzellenstapel 1 gewährleistet. Die Leistungsschalter 11a und 11b bleiben geschlossen, der Brennstoffzellenstapel 1 verhält sich zu diesem Zeitpunkt passiv.
Durch die Sauerstoffverarmung an der Kathode befinden sich fast nur noch Stickstoff und Wasserdampf im Kathodenflowfield. Die Anode beinhaltet ein Gemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf. Anfangs wird das Kathodenpotential noch durch eine geringe Menge Sauerstoff aufrechterhalten – gerade soviel, um das Potential aufzubauen, das auf dem Gleichspannungsnetz 12 von der Traktionsbatterie gestützt wird. Mit längerer Stillstandszeit kommt es durch Diffusion zu Ausgleichsprozessen zwischen Anode und Kathode, die in 4 dargestellt sind. Wasserstoff tritt zur Kathode über und reagiert mit dem Restsauerstoff. Stickstoff tritt zur Anode über und reichert sich an. Ist der Sauerstoff an der Kathode verbraucht, bewirkt die von außen angelegte Spannung einen Protonenfluss von der Kathode zur Anode. Dadurch kehrt sich die Richtung des Stromflusses im Vergleich zum Normalbetrieb um. Das bedeutet, der von der Anode zur Kathode diffundierende Wasserstoff wird durch einen geringen Stromfluss zurück zur Anode transportiert. Die Kathode wird polarisiert, es finden jedoch keine weiteren Reaktionen statt. Das Rezirkulationsgebläse 4 sorgt für eine gleichmäßige Verteilung von Wasserstoff und dem sich anreichernden Stickstoff an der Kathode.
Dieser Zustand ist jedoch instabil, da es durch die Reihenschaltung der einzelnen Zellen im Brennstoffzellenstapel 1 und Unterschiede in der Wasserstoffdiffusion zu einer starken Potentialverschiebung der einzelnen Zeilen kommen kann. Einige Zellen transportieren nur Wasserstoff zurück zur Kathode, andere mit geringeren Diffusionsraten könnten jedoch bereits ein so hohes Potential aufweisen, das Elektrolyse stattfindet.
Bestandteil der Erfindung ist daher auch ein Verfahren, bei dem das Brennstoffzellensystem aus dem Standby-Betrieb vollständig heruntergefahren wird. Dabei wird zumindest einer der beiden Leistungsschalter 11a oder 11b dann geöffnet, wenn der Haltestrom in dem Stack einen bestimmten Grenzwert überschreitet oder eine bestimmte Zeit verstrichen ist oder mindestens eine Einzelzellenspannung einen Grenzwert überschreitet, zum Beispiel 0,9 V pro Zelle. Eine Schädigung einzelner Zellen kann damit vermieden werden. Nach dem Trennen des Brennstoffzellenstapels 1 vom Gleichspannungsnetz 12 können der Wasserstoffdruckregler 2 und das Rezirkulationsgebläse 4 ebenfalls abgeschaltet werden. Das System befindet sich jetzt in einem stabilen Zustand. Das Ruhepotential liegt in einem unschädlichen Bereich. Die Kathode ist mit einem Gemisch aus Stickstoff und Wasserdampf gefüllt und durch die Rückschlagklappen 9, 10 verschlossen. Die Anode enthält Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf.
Durch Diffusion kommt es zur Angleichung beider Gaszusammensetzungen, das heißt, Anode und Kathode enthalten schließlich ein Gemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf. Eindringender Sauerstoff wird an den Elektroden sofort mit Wasserstoff zu Wasser umgesetzt.
Für den Wiederstart des Systems nach dem vollständigen Herunterfahren wird zuerst der Druck im Anodenkreislauf erhöht und der Rezirkulationsverdichter 4, soweit vorhanden, in Betrieb genommen. Anschließend wird die Kathode über den Luftverdichter 8 wieder mit Luftsauerstoff versorgt. Optional kann ein Teil des Stickstoffes aktiv aus der Anode entfernt werden. Wenn der Brennstoffzellenstapel 1 die Spannung des Gleichspannungsnetzes 12 erreicht, werden die Lastschalter 11a und 11b wieder geschlossen.
Da im Schlafzustand nur Wasserstoff, Stickstoff und Wasser in Anode und Kathode enthalten waren, kommt es beim Wiederstart zu keiner schädlichen Frontenbildung. Eine Degradation des Kohlenstoffträgers an der Kathode wird damit vermieden. Das beim Wiederstart aus der Kathode an die Umgebung abgeführte Gasgemisch stellt keine Gefahrenquelle dar, da es nicht zündfähig ist.
Eine drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet eine Diode 13, die parallel zu einem der beiden Lastschalter 11a, 11b eingebaut ist (3). Damit lässt sich der Stromfluss aus der Traktionsbatterie in den Brennstoffzellenstapel 1 sicher vermeiden. Der Lastschalter 11a wird beim Abfahren bereits oberhalb des Sollwertes der eingestellten Spannung des Gleichspannungsnetzes 12 geöffnet. Bis sich der Brennstoffzellenstapel 1 auf die DC-Busspannung entladen hat, fließt der Strom durch die Diode 13.
Beim Wiederstart wird der Lastschalter 11a erst geschlossen, wenn der Brennstoffzellenstapel 1 die Spannung am Gleichspannungsnetz 12 bereits über den Sollwert angehoben hat. Der Lastschalter muss mit diesem Aufbau nur den Spannungsabfall über die Diode 13 ausgleichen. Gleichzeitig kann eine kostengünstige und lediglich passiv gekühlte Diode 13 eingesetzt werden, die nur eine geringe Stromtragfähigkeit aufweisen muss. Eine Verlustleistung durch die Diode 13 im Betrieb wird vermieden.
Ferner kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Kathodenrezirkulation, wie sie in WO 2003/041200 A2 oder WO 2005/036683 A1 beschrieben ist, verwendet werden. Vorteilhaft ist hier, dass der Brennstoffzellenstapel 1 permanent am Gleichspannungsnetz 12 verbleiben kann, ohne dass das Risiko der Ausbildung von hohen Potentialen in einzelnen Zellen besteht. Der Brennstoffzellenstapel 1 verhält sich in diesem Aufbau ähnlich wie ein Kondensator. Die einzige Reaktion ist der Rücktransport des diffundierten Wasserstoffes zur Anode. Ein weiterer Vorteil ist daher, dass sich im Schlafzustand des Systems kein Wasserstoff im Kathodengasraum anreichern kann. Ein Ausschluss von Zündquellen im Bereich der Kathode ist daher nicht notwendig. Die übrigen Vorteile in Bezug auf die Vermeidung von Degradation gelten für diese Variante ebenfalls.
Nachteilig ist jedoch, dass mindestens ein zusätzliches Bauteil für die Kathodenrezirkulation benötigt wird. Weiterhin müssen die Anoden- und Kathodenrezirkulation während der Stillstandsphasen permanent aufrechterhalten werden.
Zusammenfassend ist zu sagen, dass sich die Erfindung dadurch auszeichnet, dass die beiden Haupt-Schädigungsmechanismen, eine zu hohe Leerlaufspannung und Frontenbildung beim zyklischen Betrieb eines Brennstoffzellenstapels 1 ohne zusätzlichen technischen Aufwand unterdrücken lassen. Weiterhin besteht keine direkte Verbindung zwischen Anoden- und Kathodengasführung. Es ist keine aufwändige Spülung beziehungsweise kein Gasaustausch zwischen den beiden Teilsystemen notwendig.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf den beschriebenen Anwendungsfall eines Fahrzeugantriebes mit Brennstoffzellenantrieb. Vielmehr kann das beschriebene Prinzip auf alle Brennstoffzellentypen und jeden Einsatzbereich angewendet werden, bei dem ein häufiges Ein- und Ausschalten des Brennstoffzellensystems notwendig ist.

1: Brennstoffzellenstapel
2: Regelventil
3: Tank
4: Gebläse
5: Anodenaustritt
6: Anodeneintritt
7: Purgeventil
8: Luftverdichter
9: zweites Mittel zum Verschließen
10: erstes Mittel zum Verschließen
11a,: b erster und zweiter Schalter
12: Gleichspannungsnetz
13: Diode
14: Kathodenaustritt
15: Kathodeneintritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10230783 A1 [0011]
- WO 03/61040 A1 [0014]
- WO 02/59997 A1 [0014]
- WO 91/10266 A2 [0014]
- WO 2003/041200 A2 [0064]
- WO 2005/036683 A1 [0064]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems umfassend einem Brennstoffzellenstapel (1), der eine Vielzahl von Einzelbrennstoffzellen aufweist, sowie einen Anodeneintritt (6), einen Anodenaustritt (5), einen Kathodeneintritt (15) und einen Kathodenaustritt (14), wobei das Verfahren im Normalbetrieb folgende Schritte umfasst: – Regelung der Zufuhr eines Brennstoffs, der Wasserstoff umfasst, zum Anodeneintritt (6); – Abführen eines Anodenabgases aus dem Anodenaustritt (5); – Zuführen von Sauerstoff zum Kathodeneintritt (15); – Abführen eines Kathodenabgases aus dem Kathodenaustritt (14); – Verbinden des Brennstoffzellenstapels (1) mit einem Gleichspannungsnetz (12), wobei im Normalbetrieb das Gleichspannungsnetz dem Spannungsverlauf am Brennstoffzellenstapel (1) folgt; dadurch gekennzeichnet, dass (a) das Brennstoffzellensystem durch folgende Schritte aus dem Normalbetrieb in einen Standby-Betrieb versetzt wird: – Abstellen der Sauerstoffzufuhr am Kathodeneintritt (15) während die Regelung der Zufuhr des Brennstoffs aktiv bleibt; – Verbleiben des Brennstoffzellenstapels (1) am Gleichspannungsnetz (12); – Einstellen und Halten des Gleichspannungsnetzes (12) und somit der Spannung des mit dem Gleichspannungsnetz (12) verbundenen Brennstoffzellenstapels (1) auf einem vordefinierten Standby-Spannungsniveau, bei dem es in den Einzelzellen des Stapels (1) zu keinen Degradationsprozessen kommt; (b) das Brennstoffzellensystem aus dem Standby-Betrieb durch folgende Schritte in den Normalbetrieb versetzt wird: – Inbetriebnahme der Zufuhr von Sauerstoff; und – Beendigung der Einstellung und des Haltens des Standby-Spannungsniveaus am Gleichspannungsnetz (16).
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 1, wobei der Normalbetrieb ferner eine Rezirkulation eines Teils des Anodenabgases aus dem Anodenaustritt zum Anodeneintritt umfasst, welche im Standby-Betrieb aufrechterhalten bleibt.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 1 oder 2, wobei das im Standby-Betrieb eingestellte Spannungsniveau 0,9 V pro Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels (1) nicht überschreitet oder das im Standby-Betrieb eingestellte Spannungsniveau 0,3 V bis 0,9 V oder 0,3 bis 0,7 V pro Zelle entspricht.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brennstoffzellenstapel (1) mit dem Gleichspannungsnetz (12) über eine Diode (13) verbunden ist, die zwischen einem Pol des Brennstoffzellenstapels (1) und dem entsprechenden Pol des Gleichspannungsnetzes (12) derart angeordnet ist, dass kein Stromfluss infolge des eingestellten Standby-Spannungsniveaus vom Gleichspannungsnetz (12) in den Brennstoffzellenstapel (1) erfolgt.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 4, wobei das Gleichspannungsnetz (12) über zwei elektrische Schalter (11a, 11b) mit dem jeweiligen Pol des Brennstoffzellenstapels (1) verbunden ist und die Diode (2) parallel zu einem der beiden Schalter (11a, 11b) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Rückkehr in den Normalbetrieb ferner folgenden Schritt umfasst: – Schließen des geöffnete Schalters (11a, 11b) bei Erreichen einer Spannung des Brennstoffzellenstapel (1) oberhalb des Standby-Spannungswertes.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend die folgenden Schritte: – vollständiges Herunterfahren der Brennstoffzelle aus dem Standby-Betrieb, wenn sich die Richtung des Stromflusses im Brennstoffzellenstapel gegenüber der Richtung im Normalbetrieb umgekehrt hat und entweder der Stromfluss einen Grenzwert überschreitet oder eine definierte Zeitspanne verstrichen ist oder mindestens eine der Einzelzellenspannungen einen dGrenzwert überschritten hat, wobei dann folgende Verfahrenschritte vorgenommen werden: – Abtrennen der elektrischen Verbindung von Gleichspannungsnetz (12) und Brennstoffzellenstapel (1); – Abschalten des Mittels zur Regelung (2) und des Mittels zur Rezirkulation (4); – Verschluss der Zu- und Ableitungen des Brennstoffzellenstapels (1).
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System nach vollständigem Herunterverfahren aus dem Standby-Betrieb durch folgende Schritte in den Normalbetrieb versetzt wird: – Inbetriebnahme der Regelung der Brennstoffzufuhr; – Erhöhung des Drucks im Anodenkreislauf; – Inbetriebnahme der Sauerstoffzufuhr zum Kathodeneintritt (15), – Wiederherstellen der elektrischen Verbindung des Brennstoffzellenstapels (1) und des Gleichspannungsnetzes (12) bei oder oberhalb des im Standby-Betrieb eingestellten Spannungswertes.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei vor dem Wiederherstellen der elektrischen Verbindung ferner die Rezirkulation des Teils des Anodenabgases in Betrieb genommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Kathodenrezirkulation zur zeitlich unbegrenzten Verbindung des Brennstoffzellenstapels (1) und des Gleichspannungsnetzes (12) im Standby-Betrieb.
Brennstoffzellensystem, umfassend: – einen Brennstoffzellenstapel (1), der eine Mehrzahl gestapelt angeordneter Einzelbrennstoffzellen umfasst, wobei jede Einzelbrennstoffzelle zwei Elektroden ausgebildet als Kathode und Anode aufweist, und der Brennstoffzellenstapel (1) über einen Anodeneintritt (6), einen Anodenaustritt (5), einen Kathodeneintritt (15) und einen Kathodenaustritt (14) verfügt; – einen Brennstofftank (3), der über ein Mittel zur Regelung der Brennstoffzufuhr (2) mit dem Anodeneintritt (1) des Brennstoffzellenstapels (1) verbunden ist; – ein erstes Mittel zum Verschließen und Öffnen einer Gasleitung (7), eingangsseitig mit dem Anodenaustritt (5) und ausgangsseitig mit der Umgebung verbundenen; – ein Mittel zur Sauerstoffzufuhr (8), verbunden mit dem Kathodeneintritt (15) des Brennstoffzellenstapels (1); – ein zweites Mittel zum Verschließen und Öffnen einer Gasleitung (10), eingangseitig mit dem Kathodenaustritt (14) und ausgangsseitig mit der Umgebung verbundenen; dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (1) elektrisch über einen ersten Schalter (11a) und einen zweiten Schalter (11b) abtrennbar mit einem Gleichspannungsnetz (12) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei parallel zum ersten Schalter (11a) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (1) und dem Gleichspannungsnetz (12) eine Diode (13) in Durchlassrichtung angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein Mittel zur Rezirkulation (4) eingangsseitig mit dem Anodenaustritt (5) und ausgangsseitig mit dem Anodeneintritt (6) verbunden ist, und das Mittel zur Rezirkulation bevorzugt ein Rezirkulationsverdichter (4) ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Mittel zur Regelung der Brennstoffzufuhr (2) als ein Regelventil ausgebildet ist und/oder das erste Mittel zum Verschließen und Öffnen einer Gasleitung (7) als ein Purgeventil ausgebildet ist und/oder das zweite Mittel zum Verschließen und Öffnen einer Gasleitung (10) als ein erstes Rückschlagventil ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei ein drittes Mittel zum Verschließen und Öffnen einer Gasleitung (9) eingangsseitig mit dem Luftverdichter (8) und ausgangsseitig mit dem Kathodeneintritt (15) verbunden ist und bevorzugt ein zweites Rückschlagventil ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 11 bis 15, ferner aufweisend eine Kathodenrezirkulation.