DE102013226021A1

DE102013226021A1 - Schutzverfahren für eine Brennstoffzelle sowie Brennstoffzelle mit Schutzvorrichtung

Info

Publication number: DE102013226021A1
Application number: DE102013226021.0A
Authority: DE
Inventors: Helerson Kemmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz vor einer möglichen Beschädigung zumindest einer Brennstoffzelle (10) bei einer Beendigung eines Betriebs der Brennstoffzelle (10). Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (30) zum Schutz vor einer möglichen Beschädigung zumindest einer Brennstoffzelle (10) bei einer Beendigung eines Betriebs der Brennstoffzelle (10) und eine Brennstoffzelle (10), aufweisend eine Vorrichtung (30) zum Schutz vor einer möglichen Beschädigung einer Brennstoffzelle (10) bei einer Beendigung eines Betriebs der Brennstoffzelle (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß des Oberbegriffes von Anspruch 1 zum Schutz vor einer möglichen Beschädigung zumindest einer Brennstoffzelle bei einer Beendigung eines Betriebs der Brennstoffzelle. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 6 zum Schutz vor einer möglichen Beschädigung zumindest einer Brennstoffzelle bei einer Beendigung eines Betriebs der Brennstoffzelle sowie ferner eine Brennstoffzelle.
Stand der Technik
Brennstoffzellen werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Dabei bildet oftmals Wasserstoff die für die Erzeugung von elektrischer Energie in den Brennstoffzellen nötigen Elektronenspender, während der für dessen Oxidation erforderliche Sauerstoff beispielsweise durch die Zuführung von Luft zur Verfügung gestellt wird. Bei einem Betrieb der Brennstoffzelle wird durch eine Reaktion dieser Brennstofffluide in der Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt.
Bei einer Beendigung eines Betriebs der Brennstoffzelle wird eine Entnahme von elektrischer Energie von der Brennstoffzelle beendet sowie eine Zuführung der Brennstofffluide gestoppt. Die Reaktion der in der Brennstoffzellen verbleibenden Brennstofffluide kann jedoch nicht durch diese Maßnahmen unterbunden werden. Auch nach der Entnahme elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle und dem Stoppen der Zufuhr von Brennstoffzellenfluiden werden diese in der Brennstoffzelle verbleibenden Fluide weiter reagieren, so dass zwischen den Anschlüssen und innerhalb der Brennstoffzelle eine elektrische Spannung aufgebaut wird. Eine derartige Spannung kann jedoch zu einer Beschädigung der katalytischen Schichten in den Brennstoffzellen führen. Um einer derartigen Beschädigung entgegenzuwirken, ist es, beispielsweise aus der DE 10 2006 031 717 A1 , bekannt, dass die Beendigung der Entnahme der elektrischen Energie und/oder die Beendigung des Zuführens der Brennstoffzellenfluide nicht schlagartig erfolgt, sondern graduell über eine gewisse Zeit abnehmend durchgeführt wird. Auch ist es ferner bekannt, direkt im Anschluss an ein, insbesondere auch schlagartiges, Beenden der Entnahme elektrischer Energie und der Zuführung von Brennstoffzellenfluid die elektrischen Anschlüsse der Brennstoffzelle kurzzuschließen, und so die sich entwickelnde Spannung abzubauen. Als nachteilig hat sich dabei herausgestellt, dass, insbesondere durch eine Diffusion von Sauerstoff in der Brennstoffzelle nach Beendigung der beschriebenen Maßnahmen, die Spannung wieder ansteigen kann. Dadurch kann durch die bekannten Maßnahmen eine Beschädigung der katalytischen Schichten in der Brennstoffzelle nur vermindert, jedoch nicht verhindert werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bekannter Verfahren zum Schutz vor einer möglichen Beschädigung einer Brennstoffzelle, bekannter Vorrichtungen zum Schutz vor einer möglichen Beschädigung einer Brennstoffzelle und bekannter Brennstoffzellen zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die in möglichst einfacher und kostengünstiger Art und Weise eine Beschädigung der katalytischen Schichten der Brennstoffzelle bei einer Beendigung eines Betriebs der Brennstoffzelle verhindern.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Schutz vor einer möglichen Beschädigung zumindest einer Brennstoffzelle bei einer Beendigung eines Betriebs der Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ferner wird die voranstehende Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Schutz vor einer möglichen Beschädigung zumindest einer Brennstoffzelle bei einer Beendigung eines Betriebs der Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
In einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Schutz vor einer möglichen Beschädigung zumindest einer Brennstoffzelle bei einer Beendigung eines Betriebs der Brennstoffzelle gelöst. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle wiederholt elektrisch kurzgeschlossen wird. Bei einer Beendigung eines Betriebs der Brennstoffzelle wird die Entnahme elektrischer Leistung beendet sowie die Zufuhr von Brennstoffzellenfluiden, insbesondere Wasserstoff und Luft, gestoppt. Selbstverständlich ist dabei zumeist ein späteres Wiederaufnehmen des Betriebs der Brennstoffzelle geplant, so dass eine Beschädigung der Brennstoffzelle bei einer derartigen Beendigung des Betriebs der Brennstoffzelle vermieden werden muss. Selbst bei gestoppter Fluidzufuhr verbleiben Reste der Fluide, insbesondere von Wasserstoff und Luft, in der Brennstoffzelle und können auch nach der Beendigung der aktiven Zuführung der Brennstoffzellenfluide innerhalb der Brennstoffzelle weiter miteinander reagieren. Dies ist insbesondere darin begründet, dass die Brennstoffzelle ein offenes System darstellt, wobei insbesondere in die Kathodenseite der Brennstoffzelle auch während des Stillstands der Brennstoffzelle Luft eindringen kann. Durch die Reaktionen der in der Brennstoffzelle verbleibenden Fluide wird eine elektrische Spannung erzeugt, die zu einer Degradierung und dadurch zu einer Beschädigung der katalytischen Schichten innerhalb der Brennstoffzelle führen kann. Um diese Spannung abzuführen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Brennstoffzelle wiederholt elektrisch kurzgeschlossen wird. Dadurch kann sich die elektrische Spannung, die sich zwischen den Anschlüssen und dadurch zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle aufbaut, wieder abbauen. Dabei bedeutet ein elektrisches Kurzschließen im Sinne der Erfindung sowohl ein direktes Kurzschließen als auch ein Kurzschließen über einen, insbesondere bevorzugt niederohmigen, Widerstand. Dadurch, dass das Kurzschließen wiederholt und damit mit Pausen zwischen den einzelnen Kurzschlussphasen durchgeführt wird, kann es erreicht werden, dass sich die Spannung zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle nie zu einer Größe aufbauen kann, in der eine Beschädigung der Brennstoffzelle auftreten kann. Wiederholt im Sinne der Erfindung heißt dabei insbesondere, dass das Kurzschließen der Brennstoffzelle zwei- oder mehrmals durchgeführt wird, wobei zwischen den einzelnen Kurzschlussphasen Pausen liegen, in denen die Brennstoffzelle nicht kurzgeschlossen ist. Insbesondere durch dieses wiederholte elektrische Kurzschließen kann es verhindert werden, dass sich zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle eine Spannung aufbaut, die zu einer Degradierung und damit zu einer Beschädigung der katalytischen Schichten in der Brennstoffzelle führen würde. Die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Beendigung eines Betriebs der Brennstoffzelle führt somit insgesamt zu einer längeren Lebensdauer und auch zu geringeren Unterhaltskosten beim Betrieb der Brennstoffzelle. Die beschriebenen Vorteile ergeben sich selbstverständlich auch für einen Brennstoffzellenstapel, in dem mehrere Brennstoffzellen verbaut sind, wobei zumindest eine, bevorzugt alle, Brennstoffzellen unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Beendigung eines Betriebs des Brennstoffzellenstapels abgeschaltet werden.
Ferner kann es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass für eine Anzahl an Wiederholungen und/oder eine zeitliche Dauer zumindest eines elektrischen Kurzschließens und/oder eine zeitliche Dauer zumindest einer Unterbrechung eines elektrischen Kurzschließens vorbestimmte Werte verwendet werden. Durch die Verwendung vorbestimmter Werte kann ein erfindungsgemäßes Verfahren besonders einfach durchgeführt werden. Die Werte werden dabei im Vorfeld, d.h. insbesondere vor dem Betrieb der Brennstoffzelle, bestimmt und festgesetzt. Dabei ist es insbesondere möglich, dass die Werte für eine Anzahl an Wiederholungen und/oder eine zeitliche Dauer zumindest eines elektrischen Kurzschließens oder einer Unterbrechung eines elektrischen Kurzschließens auf die jeweilige Brennstoffzelle, bei der das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird, angepasst werden. Selbstverständlich können dabei beispielsweise die Werte der zeitlichen Dauern der verschiedenen elektrischen Kurzschließzeiten auch gleich gewählt werden. Da die Werte insbesondere im Vorfeld bestimmt sind, müssen sie nicht bei jeder Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens neu bestimmt werden. Eine besonders einfache Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch möglich.
Ferner kann es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass das Verfahren durchgeführt wird, solange eine gemessene Spannung der Brennstoffzelle zumindest zeitweise größer ist als eine vorbestimmte erste Grenzspannung. Insbesondere kann dabei die vorbestimmte erste Grenzspannung derart gewählt sein, dass für Spannungen kleiner als diese erste Grenzspannung eine Degradierung der katalytischen Schichten der Brennstoffzelle nicht oder nur noch in vernachlässigbarem Maße auftritt. Dadurch kann es auf besonders einfache Art und Weise sichergestellt werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren derart lange durchgeführt wird, solange eine Beschädigung der Brennstoffzelle bei einer Beendigung des Betriebs der Brennstoffzelle zu befürchten ist. Insbesondere kann durch eine derartige Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens auch auf ein späteres, erneutes Ansteigen der Spannung reagiert werden. Somit kann eine Beschädigung einer Brennstoffzelle durch ein derartiges erfindungsgemäßes Verfahren besonders sicher vermieden werden.
Auch kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterentwickelt sein, dass eine Anzahl an Wiederholungen und/oder eine zeitliche Dauer zumindest eines elektrischen Kurzschließens und/oder eine zeitliche Dauer zumindest einer Unterbrechung des elektrischen Kurzschließens unter Verwendung einer gemessenen Spannung der Brennstoffzelle, insbesondere einer nach einer Unterbrechung gemessenen Spannung in der Brennstoffzelle, bestimmt werden. Durch die Berücksichtigung der Größe einer gemessenen Spannung der Brennstoffzelle ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren besonders effektiv und bedarfsgerecht durchzuführen. Ein elektrisches Kurzschließen und/oder eine Dauer bis zum nächsten elektrischen Kurzschließen und/oder eine Anzahl der Wiederholungen wird dabei derart bestimmt, dass beispielsweise eine höhere Spannung nach einer Unterbrechung zu einem längeren Kurzschließen führen kann. Auch ist es denkbar, wenn nach einer Unterbrechung eine geringe Spannung gemessen wird, dass für eine zeitliche Dauer der nächsten Unterbrechung ein größerer Wert gewählt wird. Durch eine derartige bedarfsgerechte Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann ferner sichergestellt werden, dass die Dauer des durchgeführten Verfahrens ebenfalls minimiert und insbesondere an den Bedarf der Brennstoffzelle angepasst werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ferner vorgesehen sein, dass ein elektrisches Kurzschließen der Brennstoffzelle vorgenommen wird, sobald eine gemessene Spannung der Brennstoffzelle größer ist als eine vorbestimmte zweite Grenzspannung. Dadurch ist es insbesondere möglich, ein erfindungsgemäßes Verfahren in Abhängigkeit von einer gemessenen Spannung zu starten. Auch kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eine Ansteuerungseinheit vorgesehen ist, die zur Durchführung eines Energiesparmodus ausgebildet ist, wobei die Ansteuerungseinheit insbesondere in den zeitlichen Dauern der Unterbrechung des elektrischen Kurzschließens sich in diesem Energiesparmodus befindet. Sobald eine gemessene Spannung der Brennstoffzelle größer ist als eine vorbestimmte zweite Grenzspannung, kann der Energiesparmodus beendet werden und durch die Ansteuerungseinheit ein erneutes elektrisches Kurzschließen der Anschlüsse der Brennstoffzelle durchgeführt werden. Dazu kann beispielsweise die Ansteuerungseinheit eine Aufweckfunktion aufweisen, die als Aufwecksignal die gemessene Spannung der Brennstoffzelle verwendet.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Schutz vor einer möglichen Beschädigung zumindest einer Brennstoffzelle bei einer Beendigung eines Betriebs der Brennstoffzelle. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Ansteuerungseinheit und eine elektrische Schaltung aufweist, wobei die Ansteuerungseinheit durch Ansteuern der elektrischen Schaltung zu einem wiederholten elektrischen Kurzschließen der Brennstoffzelle ausgebildet ist. Bei der Beendigung eines Betriebs einer Brennstoffzelle wird insbesondere die Entnahme elektrischer Energie beendet und die Zufuhr von Brennstoffzellenfluiden gestoppt. Die in der Brennstoffzelle verbleibenden Fluide reagieren jedoch auch nach Beendigung der Entnahme elektrischer Energie weiter und somit baut sich zwischen der Kathode und der Anode der Brennstoffzelle eine elektrische Spannung auf. Durch ein einfaches elektrisches Kurzschließen, wie es gemäß dem Stand der Technik bekannt ist, kann zwar eine anfänglich vorhandene Spannung abgebaut werden, jedoch verbleibt auch nach Beendigung dieses Kurzschließens weiterhin reaktionsfähiges Fluidmaterial in der Brennstoffzelle. Dadurch kommt es, insbesondere nach einer gewissen Zeit nach dem Kurzschließen, zu einem erneuten Anstieg der Spannung zwischen Anode und Kathode, wodurch eine Degradierung und dadurch eine Beschädigung der katalytischen Schichten in der Brennstoffzelle auftreten kann. Durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, besonders durch die Ansteuerungseinheit und die durch die Ansteuerungseinheit angesteuerte elektrische Schaltung ist es möglich, die Brennstoffzelle wiederholt und mehrmals elektrisch kurzzuschließen. Dadurch kann es besonders effektiv verhindert werden, dass sich zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle eine Spannung aufbaut, die zu einer Degradierung der katalytischen Schichten in der Brennstoffzelle führen könnte. Dabei ist ein Kurzschließen im Sinne der Erfindung insbesondere ein direktes Kurzschließen oder auch ein Kurzschließen über einen, bevorzugt niederohmigen, Widerstand. Durch ein derartiges wiederholtes, intermittierendes elektrisches Kurzschließen der Brennstoffzelle kann es somit besonders effektiv verhindert werden, dass sich eine Spannung durch die Reaktion der in der Brennstoffzelle verbleibenden Fluide aufbaut. Eine Degradierung und dadurch eine Beschädigung der katalytischen Schichten der Brennstoffzelle kann sicher vermieden werden. Insbesondere dadurch kann die Lebensdauer einer Brennstoffzelle, die eine derartige Vorrichtung aufweist, verlängert werden. Auch Unterhaltskosten beim Betrieb der Brennstoffzelle, insbesondere durch die längere Lebensdauer der Brennstoffzelle, können dadurch gesenkt werden.
Besonders bevorzugt kann es bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Sämtliche Vorteile, die zu einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, ergeben sich somit selbstverständlich auch für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die zur Ausführung eines derartigen Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist.
Darüber hinaus kann es bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Vorrichtung einen Sensor zur Messung der Spannung der Brennstoffzelle aufweist. Durch einen derartigen Sensor ist es möglich, die Spannung der Brennstoffzelle bei der Beendigung des Betriebs der Brennstoffzelle zu messen, insbesondere zu überwachen. Durch ein derartiges Messen beziehungsweise Überwachen ist ein besonders bedarfsgerechtes elektrisches Kurzschließen der Brennstoffzelle möglich. Insbesondere kann das Kurzschließen, das durch die Ansteuerungseinheit durch Ansteuern der elektrischen Schaltung durchgeführt wird, an die gemessene Spannung der Brennstoffzelle angepasst durchgeführt werden. Der Schutz der Brennstoffzelle vor einer Beschädigung kann dadurch noch effizienter sichergestellt werden.
Auch kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Ansteuerungseinheit während Unterbrechungen des elektrischen Kurzschließens zumindest teilweise in einem Energiesparmodus betreibbar ist, wobei insbesondere die Vorrichtung einen Sensor zur Messung der Spannung der Brennstoffzelle aufweist und die Ansteuerungseinheit aus dem Energiesparmodus erweckbar ist, sobald die gemessene Spannung der Brennstoffzelle größer ist als eine vorbestimmte dritte Grenzspannung. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung wird bei einer Beendigung des Betriebs der Brennstoffzelle eingesetzt. Insbesondere beinhaltet eine derartige Beendigung des Betriebs der Brennstoffzelle, dass keine elektrische Energie der Brennstoffzelle mehr entnommen wird. Elektrische Energie zum Betreiben der Vorrichtung muss deshalb von einer externen Energiequelle, beispielsweise einer Batterie, bereitgestellt werden. Durch das Vorsehen eines Energiesparmodus, in dem die Vorrichtung insbesondere keine oder zumindest wenig elektrische Energie verbraucht, kann man dadurch den Energieverbrauch beim Beenden eines Betriebs der Brennstoffzelle senken. Dies stellt, insbesondere in einer mobilen Anwendung der zu schützenden Brennstoffzelle, einen großen Vorteil dar. Insbesondere kann es dabei vorgesehen sein, dass der Energiesparmodus in Abhängigkeit von einer gemessenen Spannung der Brennstoffzelle beendet wird. Dabei kann beispielsweise die Spannung der Brennstoffzelle einem Trickereingang der Ansteuerungseinheit zugeführt werden. Überschreitet die Spannung der Brennstoffzelle dabei eine vorbestimmte dritte Grenzspannung, wird automatisch die Ansteuerungseinheit aus ihrem Energiesparmodus geweckt und kann sofort wieder ein Kurzschließen der Anschlüsse der Brennstoffzelle durchführen. Auf diese Weise ist eine besonders effektive und gleichzeitig energiesparende Durchführung eines Schutzes vor einer möglichen Beschädigung der Brennstoffzelle möglich.
In einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Brennstoffzelle, aufweisend eine Vorrichtung zum Schutz vor einer möglichen Beschädigung einer Brennstoffzelle bei einer Beendigung eines Betriebs der Brennstoffzelle, gelöst. Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Sämtliche Vorteile, die zu einer Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, ergeben sich somit selbstverständlich auch für eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle, die eine derartige Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung aufweist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
Das erfindungsgemäße Verfahren und seine Weiterbildungen sowie deren Vorteile, die erfindungsgemäße Vorrichtung und ihre Weiterbildungen sowie deren Vorteile sowie die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
1 ein Zeitdiagramm einer Beendigung eines Betriebs einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik,
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
3a eine erste Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
3b ein Zeitdiagramm einer Beendigung eines Betriebs einer Brennstoffzelle bei Durchführung einer ersten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
4a eine zweite Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
4b ein Zeitdiagramm einer Beendigung eines Betriebs einer Brennstoffzelle bei Durchführung einer zweiten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
5 eine dritte Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1, 2, 3a, 3b, 4a, 4b und 5 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen Zeitablauf einer Beendigung eines Betriebs einer Brennstoffzelle, wie er gemäß dem Stand der Technik durchgeführt wird. Aufgetragen ist im oberen Diagramm ein Verlauf einer Spannung 12 einer Brennstoffzelle, bei der zum Zeitpunkt t = 0 eine Entnahme elektrischer Energie beendet wurde und die Zuführung von Fluid, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, zu diesem Zeitpunkt gestoppt wurde. Gleichzeitig, sichtbar im unteren Abschnitt des Zeitdiagramms, wurde ein Kurzschließen 20 einmalig durchgeführt. Deutlich sichtbar ist, dass zur Zeit des Kurzschließens 20 die Spannung der Brennstoffzelle konstant 0 V beträgt. Nach Beendigung des Kurzschließens 20 jedoch steigt, bedingt durch die Reaktion der noch in der Brennstoffzelle vorhandenen Fluide, die Spannung 12 wieder an. Solange diese Spannung 12 vorhanden ist, kann es jedoch in der Brennstoffzelle zu einer Degradierung und damit zu einer Beschädigung der katalytischen Schichten der Brennstoffzelle kommen.
In 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 30 gezeigt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 30 weist dabei eine Ansteuerungseinheit 31 auf, die zum Ansteuern einer elektrischen Schaltung 32 ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 30 befindet sich dabei zwischen den Anschlüssen 11 der Brennstoffzelle 10 und einem Verbraucher 40, der durch die Brennstoffzelle 10 im Normalfall mit elektrischer Energie versorgt wird. Bei einer Beendigung des Betriebs der Brennstoffzelle 10 wird die Verbindung zum Verbraucher 40 getrennt und damit die Entnahme elektrischer Energie der Brennstoffzelle 10 beendet. Durch die Ansteuerungseinheit 31 ist ein wiederholtes Kurzschließen der Anschlüsse 11 der Brennstoffzelle 10 durch ein Ansteuern der elektrischen Schaltung 32 ermöglicht. Die elektrische Schaltung 32 weist dabei einen niederohmigen Widerstand 34 auf. Ferner weist die Vorrichtung 30 einen Sensor 33 auf, der zur Messung der zwischen den Anschlüssen 11 der Brennstoffzelle 10 anliegenden Spannung ausgebildet ist. In der Ansteuerungseinheit 31 kann insbesondere eine Auswertung dieser Messung 33 vorgenommen werden. Dadurch ist es insbesondere möglich, beispielsweise die Ansteuerung der elektrischen Schaltung 32 derart bedarfsgerecht vorzunehmen, dass ein Ansteigen der Spannung zwischen den Anschlüssen 11 der Brennstoffzelle über einen für die Brennstoffzelle schädlichen Wert sicher vermieden werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass beispielsweise die Ansteuerungseinheit 31 einen Energiesparmodus aufweist, der insbesondere dann aktiviert sein kann, wenn die elektrische Schaltung 32 geöffnet und damit die Anschlüsse 11 der Brennstoffzelle nicht kurzgeschlossen sind. In diesem Fall kann durch die Reaktion der in der Brennstoffzelle 10 verbleibenden Fluide die Spannung zwischen den Anschlüssen 11 wieder ansteigen, wobei dieses Ansteigen durch den Sensor 33 registriert wird. Übersteigt die Spannung zwischen den Anschlüssen 11 einen gewissen Wert, kann der Energiesparmodus der Ansteuerungseinheit 31 beendet und ein erneutes Kurzschließen durch Ansteuern der elektrischen Schaltung 32 vorgenommen werden. Zusammenfassend ist es durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 30 möglich, ein Ansteigen einer Spannung zwischen den elektrischen Anschlüssen 11 der Brennstoffzelle 10 derart sicher zu verhindern, dass eine Degradierung und damit eine Beschädigung der Brennstoffzelle 10 bei einer Beendigung des Betriebs der Brennstoffzelle 10 sicher vermieden werden kann.
3a zeigt eine erste Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei in 3b ein Zeitdiagramm der Spannung 12 beziehungsweise des wiederholten Kurzschließens 20 und der Unterbrechungen 21 gezeigt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt dabei mit einer Ansteuerung 22 der elektrischen Schaltung 12 derart, dass ein Kurzschließen 20 der Anschlüsse 11 der Brennstoffzelle 10 durchgeführt wird. Nach dem Kurzschließen 20 wird durch ein erneutes Ansteuern 23 der elektrischen Schaltung 32 das Kurzschließen 20 wieder beendet. Es schließt sich im Folgenden eine Unterbrechung 21 des Kurzschließens an. Gezeigt sind zwei Zyklen von Kurzschließen 20 und Unterbrechungen 21, wobei selbstverständlich auch mehrere derartiger Zyklen durchlaufen werden können. In 3b ist insbesondere im oberen Feld ein Verlauf der Spannung 12 zwischen den Anschlüssen 11 der Brennstoffzelle 10 gezeigt. Zum Zeitpunkt t = 0 wird der Betrieb der Brennstoffzelle 10 beendet und ein erstes Kurzschließen 20 durchgeführt. Nach Beendigung des Kurzschließens 20 folgt eine Unterbrechung 21 des Kurzschließens 20. Deutlich sichtbar ist, dass, je länger die Unterbrechung 21 dauert, die Spannung 12 der Brennstoffzelle 10 wieder ansteigt. Hier wird der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders deutlich. Durch das wiederholte Kurzschließen 20 wird ein Ansteigen der Spannung 12 auf schädliche Werte sicher vermieden. Auch wird deutlich, dass, je länger das Verfahren durchgeführt wird, die Anstiege der Spannung 12 desto niedriger sind. In der vorliegenden Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens sind die zeitlichen Dauern des jeweiligen Kurzschließens 20 und der Unterbrechungen 21 für sich jeweils gleich gewählt. Selbstverständlich ist es möglich, die einzelnen zeitlichen Dauern auch unterschiedlich, insbesondere angepasst an die zu schützende Brennstoffzelle 10, zu wählen. Eine besonders bedarfsgerechte und sichere Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, auch abgestimmt auf die zu schützende Brennstoffzelle 10, ist dadurch ermöglicht.
4a zeigt ebenfalls eine Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Von der in 3a gezeigten Ausgestaltungsform unterscheidet sich das hier gezeigte Verfahren dadurch, dass im Anschluss einer Unterbrechung 21 des Kurzschließens 20 ein Messen der Spannung 12 der Brennstoffzelle 10 und eine Auswertung 25 der Messung 24 durchgeführt wird. Durch diese Auswertung 25 ist es insbesondere möglich, beispielsweise die zeitlichen Dauern der Unterbrechungen 21 des Kurzschließens 20 an die zu schützende Brennstoffzelle 10 anzupassen. Dies ist insbesondere in 4b deutlich zu sehen. 4b zeigt einen zeitlichen Verlauf, im oberen Abschnitt der Spannung 12 und im unteren Abschnitt der zeitlichen Dauern des jeweiligen Kurzschließens 20 und der Unterbrechungen 21. Deutlich sichtbar ist, dass die zeitlichen Dauern der Unterbrechungen 21 im Verlauf der Durchführung des Verfahrens zunehmen. Dies liegt darin begründet, dass durch die Reaktion der Fluide in der Brennstoffzelle die Fluide langsam verbraucht werden und somit die Spannung 12 immer weniger stark ansteigt. Dies ist auch im Verlauf der Spannung 12 im oberen Abschnitt der 4b sichtbar. Trotz der längeren Unterbrechungen 21 steigt die Spannung 12 auf immer kleinere Werte an, je länger das Verfahren durchgeführt wird. Eine besonders bedarfsgerechte Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch erreicht werden. Insbesondere, wenn die verwendete Ansteuerungseinheit 31 über einen Energiesparmodus verfügt und dieser Energiesparmodus während der Unterbrechungen 21 aktiviert ist, kann dadurch eine besonders energiesparende Möglichkeit zur Verfügung gestellt werden, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Besonders bei Einsatz der zu schützenden Brennstoffzelle 10 in einem mobilen Umfeld, beispielsweise in einem Fahrzeug, kann dies vorteilhaft sein, da eine externe Batterie, die beispielsweise auch später bei einem erneuten Start des Betriebs der Brennstoffzelle 10 Energie zur Verfügung stellen muss, geschont wird.
5 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere kann ein derartiges Verfahren angewendet werden, wenn eine Ansteuerungseinheit 31 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 einen Energiesparmodus aufweist. Ein erfindungsgemäßes Verfahren beginnt dabei mit einem Beenden des Energiesparmodus 26. Im Anschluss wird durch die Ansteuerungseinheit 31 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 die elektrische Schaltung 32 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 derart angesteuert, dass ein Kurzschließen 20 der Anschlüsse 11 der Brennstoffzelle 10 durchgeführt wird. Im Anschluss an das Kurzschließen 20 wird die elektrische Schaltung 32 erneut angesteuert 23, um das Kurzschließen 20 zu beenden. Die Unterbrechung 21 zwischen den einzelnen Kurzschlüssen 20 wird bei dieser Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens nicht fest eingestellt. Beispielsweise kann ein Beenden 26 des Energiesparmodus' der Ansteuerungseinheit 31 durch die Spannung 12 der Brennstoffzelle 10 selbst erfolgen. Dazu wird die Spannung 12 der Brennstoffzelle 10 direkt der Ansteuerungseinheit 31, insbesondere einem Trigger- oder Weckport der Ansteuerungseinheit zugeführt. Sobald die Spannung 12 über eine Grenzspannung steigt, wird automatisch ein Beenden 26 des Energiesparmodus gestartet und dadurch ein erneutes Kurzschließen 20 durch die Ansteuerungseinheit 31 initiiert. Auf diese Weise ist es möglich, ebenfalls ein besonders bedarfsgerechtes Kurzschließen 20 der Anschlüsse 11 der Brennstoffzelle 10 zu erreichen, wobei insbesondere durch den Energiesparmodus der Ansteuerungseinheit ein besonders stromsparendes Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006031717 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Schutz vor einer möglichen Beschädigung zumindest einer Brennstoffzelle (10) bei einer Beendigung eines Betriebs der Brennstoffzelle (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (10) wiederholt elektrisch kurzgeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Anzahl an Wiederholungen und/oder eine zeitliche Dauer zumindest eines elektrischen Kurzschließens (20) und/oder eine zeitliche Dauer zumindest einer Unterbrechung (21) eines elektrischen Kurzschließens (20) vorbestimmte Werte verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durchgeführt wird, so lange eine gemessene Spannung (12) der Brennstoffzelle (10) zumindest zeitweise größer ist als eine vorbestimmte erste Grenzspannung.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl an Wiederholungen und/oder eine zeitliche Dauer zumindest eines elektrischen Kurzschließens (20) und/oder eine zeitliche Dauer zumindest einer Unterbrechung (21) eines elektrischen Kurzschließens (20) unter Verwendung einer gemessenen Spannung (12) der Brennstoffzelle (10), insbesondere einer nach einer Unterbrechung (21) gemessenen Spannung (12) der Brennstoffzelle (10), bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Kurzschließen (20) der Brennstoffzelle (10) vorgenommen wird, sobald eine gemessene Spannung (12) der Brennstoffzelle (10) größer ist als eine vorbestimmte zweite Grenzspannung.
Vorrichtung (30) zum Schutz vor einer möglichen Beschädigung zumindest einer Brennstoffzelle (10) bei einer Beendigung eines Betriebs der Brennstoffzelle (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) eine Ansteuerungseinheit (31) und eine elektrische Schaltung (32) aufweist, wobei die Ansteuerungseinheit (31) durch Ansteuern der elektrischen Schaltung (32) zu einem wiederholten elektrischen Kurzschließen (20) der Brennstoffzelle (10) ausgebildet ist.
Vorrichtung (30) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) zum Ausführen eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.
Vorrichtung (30) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) einen Sensor (33) zur Messung der Spannung (12) der Brennstoffzelle (10) aufweist.
Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungseinheit (31) während Unterbrechungen () des elektrischen Kurzschließens (20) zumindest teilweise in einem Energiesparmodus betreibbar ist, wobei insbesondere die Vorrichtung (30) einen Sensor (33) zur Messung der Spannung (12) der Brennstoffzelle (10) aufweist und die Ansteuerungseinheit (31) aus dem Energiesparmodus erweckbar ist, sobald die gemessene Spannung (12) der Brennstoffzelle (10) größer ist als eine vorbestimmte dritte Grenzspannung.
Brennstoffzelle (10), aufweisend eine Vorrichtung (30) zum Schutz vor einer möglichen Beschädigung einer Brennstoffzelle (10) bei einer Beendigung eines Betriebs der Brennstoffzelle (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9 ausgebildet ist.