DE102013226028A1 - Erhöhung der Lebensdauer von Brennstoffzellen durch zellenindividuellen Kurzschluss - Google Patents

Erhöhung der Lebensdauer von Brennstoffzellen durch zellenindividuellen Kurzschluss Download PDF

Info

Publication number
DE102013226028A1
DE102013226028A1 DE102013226028.8A DE102013226028A DE102013226028A1 DE 102013226028 A1 DE102013226028 A1 DE 102013226028A1 DE 102013226028 A DE102013226028 A DE 102013226028A DE 102013226028 A1 DE102013226028 A1 DE 102013226028A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
cell stack
short circuit
fuel
fuel cells
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102013226028.8A
Other languages
English (en)
Inventor
Helerson Kemmer
Jan Hendrik Ohs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102013226028.8A priority Critical patent/DE102013226028A1/de
Publication of DE102013226028A1 publication Critical patent/DE102013226028A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04955—Shut-off or shut-down of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/70—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
    • B60L50/72—Constructional details of fuel cells specially adapted for electric vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04238—Depolarisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04246—Short circuiting means for defective fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer eines Brennstoffzellenstacks für ein Kraftfahrzeug, welches mehrere Brennstoffzellen (1) umfasst. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass während eines Start- oder eines Abschaltvorganges des Brennstoffzellenstacks (5) mindestens eine der Brennstoffzellen (1) des Brennstoffzellenstacks (5) individuell kurzgeschlossen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer eines Brennstoffzellenstacks für ein Kraftfahrzeug, welches mehrere Brennstoffzellen umfasst, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erhöhung der Lebensdauer eines Brennstoffzellenstacks gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6.
  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen wird als Brennstoffzellenstack bezeichnet. Beispielsweise werden die Edukte Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in elektrische Energie, Wasser (H2O) und Wärme umgewandelt. Die elektrochemischen Reaktionen werden typischerweise durch Platin katalysiert. Dazu werden kleine Platinpartikel auf einen porösen Kohlenstoffträger aufgetragen. Dabei ist es bekannt, dass es unter lokaler Wasserstoffarmut zu unerwünschten Nebenreaktionen kommt.
  • In 6 ist der Zustand einer Brennstoffzelle während des Starts des Brennstoffzellenstacks dargestellt. Im Ausgangszustand sind sowohl die Anode als auch die Kathode der Brennstoffzelle mit Luft befüllt. Dies stellt einen sogenannten Luft/Luft-Startup dar. Zum Starten der Brennstoffzelle wird Wasserstoff in die luftgefüllte Anode geleitet. Dabei liegt kurzzeitig ein Zustand vor, wie ebenfalls aus 6 ersichtlich, bei dem der vordere Teil der Anode mit Wasserstoff versorgt ist, während im hinteren Teil der Anode Luft vorliegt. Dabei tritt eine Potentialverteilung auf, wie sie in 7 gezeigt ist. Aufgrund der beschriebenen Gasanordnung kommt es zu hohen Potentialdifferenzen zwischen der Kathode und dem Elektrolyten, weshalb ∆φC>1 V sind. Diese Potentialdifferenzen führen zur Kohlenstoffkorrosion in der Kathodenkatalysatorschicht. Dieser als Degradation bezeichnete Vorgang dauert solange an, wie sich die H2/O2-Gasfront durch die Anode bewegt.
  • Der beschriebene RCD-Mechanismus (Reverse Current Degree) tritt immer dann auf, wenn die Kathode mit Luft befüllt ist, während die Anode teilweise mit Wasserstoff und teilweise mit Luft befüllt ist.
  • Eine solche Situation stellt sich auch während eines Shutdown-Vorganges der Brennstoffzelle ein. Wird die H2-Begasung der Brennstoffzelle abgeschaltet, reagiert der restliche Wasserstoff bei Kontakt mit Sauerstoff ab und weiterer Sauerstoff aus der Umgebungsluft dringt in die Anode der Brennstoffzelle ein. Dabei ist zu erwarten, dass der Wasserstoff nicht gleichmäßig abreagiert. Bereiche nahe dem Ein- und Ausgang der Anode werden zuerst an Wasserstoff verarmen, während mittlere Bereiche noch mit Wasserstoff befüllt sind.
  • Ein weiterer Degradationsmechanismus ist der sogenannte Cell Reversal. Dieser Mechanismus tritt auf, wenn eine Brennstoffzelle nicht ausreichend mit Wasserstoff versorgt wird, um den Strombedarf zu decken. Wird ein Strom, z. B. durch andere Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstack oder durch eine externe Spannungsquelle durch die an Wasserstoff verarmte Brennstoffzelle getrieben, treten ebenfalls unerwünschte Nebenreaktionen wie Kohlenstoffkorrosion oder Wasserelektrolyte in der Anodenkatalysatorschicht auf, um die geforderten Elektronen bereitzustellen. Diese Nebenreaktionen führen zu irreversiblen Schädigungen der Brennstoffzelle, die selbstverständlich unerwünscht sind.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erhöhung der Lebensdauer eines Brennstoffzellenstacks bereitzustellen, bei welchen die beschriebenen Degradationsmechanismen unterbunden und somit eine Schädigung der Brennstoffzellen zuverlässig verhindert wird.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit sämtlichen Merkmalen des Anspruchs 1, insbesondere des kennzeichnenden Teils, vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen gegeben. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung mit sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 6, insbesondere des kennzeichnenden Teils. Vorteilhafte Weiterbildungen des Brennstoffzellensystems sind in den abhängigen Vorrichtungsansprüchen angegeben. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, gelten dabei auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich und in Kombination erfindungsgemäß sein. So kann bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass während eines Start- oder eines Abschaltvorganges des Brennstoffzellenstacks mindestens eine der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstacks individuell kurzgeschlossen wird. Dieses hat den Vorteil, dass durch den Kurzschluss der Brennstoffzelle die Degradation während des Start- und Shutdown-Vorganges vermieden wird. Der Kurzschluss sorgt dafür, dass die Kathoden- und Anodenpotentiale der Brennstoffzelle aufeinander fallen, wodurch die schädliche Potentialüberhöhung reduziert wird. Somit wird die Schädigung der Brennstoffzelle gemindert und die Lebensdauer des Brennstoffzellenstacks deutlich erhöht. Ein Vorhalt an aufwändigen Katalysatoren, wie beispielsweise Platin, wird dadurch vermieden, was positive Auswirkungen auf die Brennstoffzellenstack- bzw. Brennstoffzellensystemkosten hat. Die einzelnen Brennstoffzellen sind in dem Brennstoffzellenstack in der Regel in Reihe geschaltet. Unter einer individuellen Kurzschlussschaltung soll dabei verstanden werden, dass die Anode und die Kathode einer Brennstoffzelle galvanisch insbesondere direkt miteinander verbunden werden, so dass ein Kurzschluss auftritt. Diese galvanische Verbindung kann vorzugsweise durch ein elektrisches Schaltelement, wie einem Relais oder einem Thyristor oder ähnlichem erzeugt werden.
  • Es ist ferner denkbar, dass alle Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstacks individuell kurzgeschlossen werden. Auch bei dieser Anordnung verhindert der Kurzschluss eine Degradation der Brennstoffzellen besonderes effektiv.
  • Darüber hinaus kann – im Rahmen der Erfindung – ein Oberpotential und ein Unterpotential jeder Brennstoffzelle an Masse geschaltet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass jede Brennstoffzelle sicher kein elektrochemisches Potential aufbauen kann. Das bedeutet, dass ein Schädigungsmechanismus der Brennstoffzelle sicher unterdrückt wird.
  • Alternativ kann der Degradationsmechanismus weiterhin unterbunden werden, wenn das Unterpotential einer ersten Brennstoffzelle mit dem Unterpotential einer zweiten Brennstoffzelle verbunden ist. Auch dadurch wird verhindert, dass jede Brennstoffzelle ein elektrochemisches Potential aufbauen kann.
  • Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass nur eine vorgegebene Anzahl von Brennstoffzellen, vorzugsweise am Anfang und am Ende einer elektrischen Kette des Brennstoffzellenstacks, individuell und gleichzeitig der gesamte Brennstoffzellenstack kurzgeschlossen wird. Da die kurzgeschlossenen separaten Brennstoffzellen durch den zellenspezifischen Kurzschluss zu einem Nullpotential gezwungen werden, werden die übrigen Brennstoffzellen durch den Gesamtkurzschluss des Brennstoffzellenstacks ebenfalls ein Nullpotential annehmen. Dies ist besonders immer dann vorteilhaft, wenn konstruktiv oder thermisch bedingt immer dieselben Brennstoffzellen unter Wasserstoffunterversorgung während des Start- bzw. Shutdownvorgangs leiden. Ein alleiniger Gesamtkurzschluss des Brennstoffzellenstacks kann den Degradationsvorgang in den einzelnen Brennstoffzellen nicht vollständig unterbinden, da dabei eine einzelne Zellenspannung der Brennstoffzelle nicht unbedingt Null sein muss. Dabei entstehen verschiedene Zellenspannungen, die sich zwar in der Summe zu Null für das Brennstoffzellenstack summieren, aber bei der einzelnen Brennstoffzelle zur Schädigung führen können.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls gelöst durch eine Vorrichtung zur Erhöhung der Lebensdauer eines Brennstoffzellenstacks, vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, wobei der Brennstoffzellenstack aus mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen aufgebaut ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass mindestens eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstacks eine individuelle Kurzschlussschaltung aufweist. Diese individuelle Kurzschlussschaltung, welche beispielsweise in Form eines elektrischen oder mechanischen bzw. elektromechanischen Schaltelementes realisiert werden kann, wird zwischen Anode und Kathode der jeweiligen Brennstoffzelle angeordnet, wobei bei einem Schließen des Schaltelementes es zu einem Kurzschluss und somit zu einem Nullpotential der betroffenen Brennstoffzelle kommt. Durch Einstellung dieses Nullpotentials werden die Degradationen in der Brennstoffzelle unterbunden und somit der sichere Betrieb des Brennstoffzellenstacks insbesondere während des Starts bzw. des Shutdownvorganges gewährleistet.
  • Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass ein Oberpotential und ein Unterpotential jeder Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstacks über einen Schalter an Masse geschaltet werden. Diese Verbindung mit Masse stellt sicher, dass kein elektrochemisches Potential an der Brennstoffzelle aufgebaut werden kann, wodurch eine Schädigung der Brennstoffzelle unterbunden wird.
  • Vorzugsweise kann jede der in Reihe geschalteten Brennstoffzellen eine individuelle Kurzschlussschaltung aufweisen, wobei das Oberpotential der Brennstoffzelle mit deren Unterpotential über einen Schalter verbunden ist. Auch bei dieser Anordnung kann kein elektrochemisches Potential aufgebaut werden, wodurch eine Beschädigung des Brennstoffzellenstacks unterbunden und die Lebensdauer des Brennstoffzellenstacks erhöht wird.
  • Ebenso ist es möglich, dass mindestens eine Brennstoffzelle am Anfang und am Ende einer elektrischen Kette des Brennstoffzellenstacks eine individuelle Kurzschlussschaltung aufweist und der Brennstoffzellenstack eine Gesamtkurzschlussschaltung umfasst. Durch diese Ausgestaltung wird ebenfalls ein Nullpotential an jeder einzelnen Brennstoffzelle gewährleistet. Dies geschieht einmal dadurch, dass die jeweilige einzelne Brennstoffzelle einen individuellen Kurzschluss einstellt, während die anderen Brennstoffzellen über den Gesamtkurzschluss des Gesamtbrennstoffzellenstacks das Nullpotential einnehmen. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Anzahl der benötigten Schalter gegenüber den anderen Ausgestaltungen drastisch reduziert werden kann.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, vorzugsweise ein Kraftfahrzeug, mit einer Vorrichtung zur Erhöhung der Lebensdauer eines Brennstoffzellenstacks. Die Vorrichtung kann dabei nach einem, der in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Merkmale ausgebildet sein.
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in den Figuren schematisch dargestellt ist. Sämtliche, aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
  • 1 Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kurzschlussschaltung einer Brennstoffzelle,
  • 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 6 eine Prinzipdarstellung der Arbeitsweise einer Brennstoffzelle,
  • 7 eine Potentialverteilung in einer Brennstoffzelle gemäß 6.
  • Elemente und technische Merkmale mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren unabhängig von den Ausführungsbeispielen mit demselben Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist eine einzelne Brennstoffzelle 1 dargestellt, welche galvanisch kurzgeschlossen ist. Dazu ist zwischen einem Oberpotential 2 und einem Unterpotential 3 ein Kurzschlussschalter 4 angeordnet, welcher beispielsweise als Relais oder als Thyristor ausgebildet sein kann. Bei geöffnetem Kurzschlussschalter 4 weist die Brennstoffzelle 1 ein Zellenpotential U1 auf. Wird der Kurzschlussschalter 4 geschlossen, sinkt das Zellenpotential auf 0.
  • 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Brennstoffzellenstack 5. Der Brennstoffzellenstack 5 besteht aus n Brennstoffzellen 1, wobei jede Brennstoffzelle 1 zwischen dem jeweiligen Oberpotential 2 und dem Unterpotential 3 ein Zellpotential U1, U2, U3, ... Un aufweist. Das Oberpotential 2 und das Unterpotential 3 jeder Brennstoffzelle 1 ist dabei über jeweils einen Schalter 6 1 bis 6 n mit Masse 7 verbunden. Bei der Anzahl von n Brennstoffzellen 1 sind bei dieser Ausgestaltung n + 1 Schalter 6 notwendig, damit auch wirklich alle Oberpotentiale 2 und Unterpotentiale 3 mit der Masse 7 verbunden werden können. Durch diese Beschaltung wird gewährleistet, dass keine der n Brennstoffzellen 1 ein elektrochemisches Potential aufbauen kann. Um die Degradationsmechanismen zu unterbinden, werden die Schalter 6 gleichzeitig nur im Start- und Shutdownvorgang des Brennstoffzellenstacks geschaltet.
  • Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 3 gezeigt. Die Ober- und Unterpotentiale 2, 3 jeder Brennstoffzelle 1 werden durch jeweils einen Kurzschlussschalter 4 verbunden, wodurch ein Kurzschluss erzeugt wird. Auch bei dieser Beschaltung wird sichergestellt, dass keine der n Brennstoffzellen 1 ein elektrochemisches Potential aufbauen kann. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass jeder Kurzschlussschalter 4 nur einer geringen Belastung von höchstens 1,4 V Stand halten muss, was die Lebensdauer der Kurzschlussschalter 4 erhöht. Bei n Brennstoffzellen sind nur n Kurzschlussschalter 4 erforderlich.
  • Gemäß der in 4 dargestellten weiteren Ausführungsform werden nur einzelne Brennstoffzellen 1 des Brennstoffzellenstacks 5 mit einem Kurzschlussschalter 4 kurzgeschlossen. Vorteilhafterweise wird der individuelle Kurzschlussschaltkreis nur an der jeweiligen ersten Brennstoffzelle (Brennstoffzelle 1 und n) des Anfangs und des Endes der elektrischen Kette des Brennstoffzellenstacks 5 ausgebildet. Zusätzlich wird der gesamte Brennstoffzellenstack 5 über einen Schalter 8 kurzgeschlossen. Auch hier wird bei jeder der genannten Brennstoffzellen 1 das Ober- und Unterpotential 2, 3 über den jeweiligen Kurzschlussschalter 4 verbunden. Dabei werden die Zellen 1 und n durch den jeweiligen individuellen zellenspezifischen Kurzschluss zu einem Nullpotential gezwungen. Die übrigen Brennstoffzellen (2 bis n – 1) werden über den Gesamtkurzschluss, welchen der Gesamtkurzschlussschalter 8 verursacht, auf das Nullpotential gezogen.
  • Dieselbe Funktion wird bei der Vorrichtung gemäß 5 genutzt. Auch hier sind die am Anfang und am Ende der elektrischen Reihenschaltung der Brennstoffzellen 1 in dem Brennstoffzellenstack 5 angeordneten Brennstoffzellen (1, 2 bzw. n – 1) und n über jeweils einen Kurzschlussschalter 4 kurzgeschlossen. Der individuelle Kurzschluss der jeweiligen Brennstoffzelle (1, 2, n – 1, n) erzwingt ein Nullpotential der Zellspannung. Der Gesamtkurzschluss über den Gesamtkurzschlussschalter 8 sorgt dafür, dass die verbleibenden Brennstoffzellen (3, ..., n – 2) mit ihrem Zellpotential ein Nullpotential einnehmen.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer eines Brennstoffzellenstacks für ein Kraftfahrzeug, welches mehrere Brennstoffzellen (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Start- oder eines Abschaltvorganges des Brennstoffzellenstacks (5) mindestens eine der Brennstoffzellen (1) des Brennstoffzellenstacks (5) individuell kurzgeschlossen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Brennstoffzellen (2) des Brennstoffzellenstacks (5) individuell kurzgeschlossen werden.
  3. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oberpotential (2) und ein Unterpotential (3) jeder Brennstoffzelle (1) an Masse (7) geschaltet werden.
  4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterpotential (3) einer ersten Brennstoffzelle (1) mit dem Unterpotential (3) einer zweiten Brennstoffzelle (1) verbunden wird.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgegebene Anzahl von Brennstoffzellen (1), vorzugsweise am Anfang und am Ende einer elektrischen Kette des Brennstoffzellenstacks (5), individuell und gleichzeitig der gesamte Brennstoffzellenstack (5) kurzgeschlossen werden.
  6. Vorrichtung zur Erhöhung der Lebensdauer eines Brennstoffzellenstacks, vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, wobei der Brennstoffzellenstack (5) aus mehreren, in Reihe geschalteten Brennstoffzellen (1) aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Brennstoffzelle (1) des Brennstoffzellenstacks (5) eine individuelle Kurzschlussschaltung aufweist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oberpotential (2) und ein Unterpotential (3) jeder Brennstoffzelle (1) des Brennstoffzellenstacks (5) über einen Schalter (6) an Masse (7) geschaltet sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede der in Reihe geschalteten Brennstoffzellen (1) eine individuelle Kurzschlussschaltung aufweist, wobei das Oberpotential (2) der Brennstoffzelle (1) mit deren Unterpotential (3) über einen Schalter (4) verbunden ist.
  9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Brennstoffzelle (1) an einem Anfang und einem Ende einer elektrischen Kette des Brennstoffzellenstacks (5) eine individuelle Kurzschlussschaltung aufweist und der Brennstoffzellenstack (5) eine Gesamtkurzschlussschaltung umfasst.
  10. Fahrzeug, vorzugsweise Kraftfahrzeug, mit einer Vorrichtung zur Erhöhung der Lebensdauer eines Brennstoffzellenstacks, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9 ausgebildet ist.
DE102013226028.8A 2013-12-16 2013-12-16 Erhöhung der Lebensdauer von Brennstoffzellen durch zellenindividuellen Kurzschluss Pending DE102013226028A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013226028.8A DE102013226028A1 (de) 2013-12-16 2013-12-16 Erhöhung der Lebensdauer von Brennstoffzellen durch zellenindividuellen Kurzschluss

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013226028.8A DE102013226028A1 (de) 2013-12-16 2013-12-16 Erhöhung der Lebensdauer von Brennstoffzellen durch zellenindividuellen Kurzschluss

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102013226028A1 true DE102013226028A1 (de) 2015-06-18

Family

ID=53192352

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102013226028.8A Pending DE102013226028A1 (de) 2013-12-16 2013-12-16 Erhöhung der Lebensdauer von Brennstoffzellen durch zellenindividuellen Kurzschluss

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102013226028A1 (de)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020025195A1 (de) 2018-08-02 2020-02-06 Robert Bosch Gmbh Betrieb eines antriebsstrangs mit brennstoffzellenanordnung
DE102019215895A1 (de) * 2019-10-16 2021-04-22 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Inbetriebsetzen eines Brennstoffzellen-Stack
WO2021110347A1 (de) 2019-12-04 2021-06-10 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzelle, brennstoffzellenstapel sowie verfahren zum betreiben eines brennstoffzellenstapels
DE102020211861A1 (de) 2020-09-23 2022-03-24 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Inbetriebsetzen eines Brennstoffzellen-Stacks
DE102020212780A1 (de) 2020-10-09 2022-04-14 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
DE102020212779A1 (de) 2020-10-09 2022-04-14 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels, Brennstoffzellenstapel sowie Brennstoffzellensystem
DE102020212781A1 (de) 2020-10-09 2022-04-14 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellensystem, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
WO2023285026A1 (de) 2021-07-13 2023-01-19 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzelle mit mitteln zum zellinternen kurzschliessen der elektroden, sowie brennstoffzellenstapel
DE102021209557A1 (de) 2021-08-31 2023-03-02 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellenstapel

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020025195A1 (de) 2018-08-02 2020-02-06 Robert Bosch Gmbh Betrieb eines antriebsstrangs mit brennstoffzellenanordnung
DE102019215895A1 (de) * 2019-10-16 2021-04-22 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Inbetriebsetzen eines Brennstoffzellen-Stack
WO2021073881A1 (de) * 2019-10-16 2021-04-22 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum inbetriebsetzen eines brennstoffzellen-stack
US20230027847A1 (en) * 2019-12-04 2023-01-26 Robert Bosch Gmbh Fuel cell, fuel cell stack and method of operating a fuel cell stack
WO2021110347A1 (de) 2019-12-04 2021-06-10 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzelle, brennstoffzellenstapel sowie verfahren zum betreiben eines brennstoffzellenstapels
US11721817B2 (en) * 2019-12-04 2023-08-08 Robert Bosch Gmbh Fuel cell, fuel cell stack and method of operating a fuel cell stack
DE102020211861A1 (de) 2020-09-23 2022-03-24 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Inbetriebsetzen eines Brennstoffzellen-Stacks
DE102020212779A1 (de) 2020-10-09 2022-04-14 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels, Brennstoffzellenstapel sowie Brennstoffzellensystem
DE102020212781A1 (de) 2020-10-09 2022-04-14 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellensystem, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102020212780A1 (de) 2020-10-09 2022-04-14 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
WO2023285026A1 (de) 2021-07-13 2023-01-19 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzelle mit mitteln zum zellinternen kurzschliessen der elektroden, sowie brennstoffzellenstapel
DE102021207392A1 (de) 2021-07-13 2023-01-19 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellenstapel
DE102021209557A1 (de) 2021-08-31 2023-03-02 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellenstapel

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102013226028A1 (de) Erhöhung der Lebensdauer von Brennstoffzellen durch zellenindividuellen Kurzschluss
WO2018006996A1 (de) Batterieanordnung für ein kraftfahrzeug
DE102015006208A1 (de) Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug mit elektrischer Trenneinrichtung sowie Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung
DE102011051627A1 (de) Baukastensystem für eine Batterie
EP3433891B1 (de) Batterie und verfahren zur herstellung einer batterie
DE102009028977A1 (de) Batteriesystem
DE102015225507A1 (de) Verfahren zum Beschleunigen der Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels
DE102014210358A1 (de) Brennstoffzellenstapel mit einer dummyzelle
AT512622B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer brennstoffzelleneinheit
WO2021164999A1 (de) Vorrichtung und verfahren zum montieren eines elektrochemischen zellenstapels
DE102012003023A1 (de) Energieversorgungseinheit zur Energieversorgung eines Fahrzeugs
EP2511956B1 (de) Drei-Schalter Überspannungsschutz für eine Photovoltaikanlage
DE102014224873A1 (de) Brennstoffzellenstapel
DE102015120285B4 (de) Batterie, Fahrzeug mit einer solchen Batterie und Verwendung einer solchen Batterie
WO2021233643A1 (de) Korrosionsschutz in einem co2-elektrolyse-stack
WO2017211508A1 (de) Verfahren zum kontaktieren von mehreren separatorplatten sowie brennstoffzellensystem
DE102016225432A1 (de) Verfahren zum Kontaktieren von Separatorplatten eines Brennstoffzellenstapels
DE102012208349A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Einstellen der Ladezustände von Batteriemodulen einer Batterie
DE102021121261A1 (de) Ladevorrichtung und Verfahren zum Laden mindestens eines Elektrofahrzeugs
DE102016215666A1 (de) Elektrodenanordnung für Lithium-basierte galvanische Zellen und Verfahren zu deren Herstellung
DE10317986B4 (de) Kraftfahrzeugbatterie
WO2010000355A1 (de) Vorrichtung zum erzeugen eines sauerstoff-/wasserstoffgemisches
DE102019207456A1 (de) Ladeschaltung und Verfahren zum Betrieb einer solchen
DE102018007901A1 (de) Elektrolyt für eine Lithium-Schwefel-Zelle zum Speichern von elektrischer Energie sowie Speichereinrichtung für ein Kraftfahrzeug
DE102017008841A1 (de) Elektrisches Bordnetz mit Brennstoffzelleneinheit

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0008040000

Ipc: H01M0008042230