DE102013226028A1 - Increasing the lifetime of fuel cells due to cell-specific short circuit - Google Patents

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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.The invention relates to a method for increasing the service life of a fuel cell stack for a motor vehicle, which comprises a plurality of fuel cells (1). According to the invention, it is provided that at least one of the fuel cells (1) of the fuel cell stack (5) is individually short-circuited during a start or a shutdown process of the fuel cell stack (5).

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.The invention relates to a method for increasing the service life of a fuel cell stack for a motor vehicle, which comprises a plurality of fuel cells, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a device for increasing the service life of a fuel cell stack according to the preamble of claim 6.

Stand der TechnikState of the art

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. Fuel cells are electrochemical energy converters. The series connection of a plurality of fuel cells is referred to as a fuel cell stack. For example, the educts hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) are converted into electrical energy, water (H 2 O) and heat. The electrochemical reactions are typically catalyzed by platinum. For this purpose, small platinum particles are applied to a porous carbon carrier. It is known that there is undesirable side reactions under low local hydrogen.

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. In 6 the state of a fuel cell during the start of the fuel cell stack is shown. In the initial state, both the anode and the cathode of the fuel cell are filled with air. This represents a so-called air / air startup. To start the fuel cell, hydrogen is directed into the air filled anode. There is a short time before a state, as also out 6 can be seen, in which the front part of the anode is supplied with hydrogen, while air is present in the rear part of the anode. In this case, a potential distribution occurs, as in 7 is shown. Due to the gas arrangement described, there are high potential differences between the cathode and the electrolyte, which is why Δφ C > 1 V. These potential differences lead to carbon corrosion in the cathode catalyst layer. This process, referred to as degradation, lasts as long as the H 2 / O 2 gas front moves through the anode.

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. The described RCD (reverse current degree) mechanism always occurs when the cathode is filled with air, while the anode is partially filled with hydrogen and partly with air.

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. Such a situation also arises during a shutdown process of the fuel cell. If the H 2 gasification of the fuel cell is switched off, the remaining hydrogen reacts on contact with oxygen and further oxygen from the ambient air penetrates into the anode of the fuel cell. It can be expected that the hydrogen does not react evenly. Areas near the entrance and exit of the anode will first deplete of hydrogen, while central areas are still filled with hydrogen.

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.Another degradation mechanism is the so-called cell reversal. This mechanism occurs when a fuel cell is not sufficiently supplied with hydrogen to meet the electricity demand. If a current, for. B. driven by other fuel cells in the fuel cell stack or by an external voltage source through the hydrogen-depleted fuel cell, also occur undesirable side reactions such as carbon corrosion or water electrolytes in the anode catalyst layer to provide the required electrons. These side reactions lead to irreversible damage to the fuel cell, which are of course undesirable.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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.It is therefore the object of the invention to provide a method and a device for increasing the service life of a fuel cell stack, in which the described degradation mechanisms are prevented and thus damage to the fuel cells is reliably prevented.

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. To solve the problem, a method with all features of claim 1, in particular the characterizing part proposed. Advantageous developments of the method are given in the dependent method claims. The object is further achieved by a device having all the features of independent claim 6, in particular of the characterizing part. Advantageous developments of the fuel cell system are given in the dependent device claims. Features and details described in connection with the method according to the invention also apply in connection with the device according to the invention and vice versa. The features mentioned in the claims and in the description may each be individually according to the invention and in combination. Thus, with respect to the disclosure of the individual aspects of the invention always reciprocal reference can be made.

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.According to the invention, at least one of the fuel cells of the fuel cell stack is individually short-circuited during a start or a shutdown process of the fuel cell stack. This has the advantage that the short circuit of the fuel cell, the degradation during the start and shutdown process is avoided. The short circuit causes the cathode and anode potentials of the fuel cell to collapse, thereby reducing the harmful potential overshoot. Thus, the damage to the fuel cell is reduced and the Lifetime of the fuel cell stack significantly increased. A provision of complex catalysts, such as platinum, is thereby avoided, which has positive effects on the Brennstoffzellenstack- or fuel cell system costs. The individual fuel cells are usually connected in series in the fuel cell stack. An individual short circuit should be understood to mean that the anode and the cathode of a fuel cell are galvanically connected to each other directly, so that a short circuit occurs. This galvanic connection may preferably be generated by an electrical switching element, such as a relay or a thyristor or the like.

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.It is also conceivable that all fuel cells of the fuel cell stack are individually short-circuited. Even with this arrangement, the short circuit prevents a degradation of the fuel cell is particularly effective.

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. In addition, in the context of the invention, an upper potential and an underpotential of each fuel cell can be switched to ground. This ensures that each fuel cell can certainly not build an electrochemical potential. This means that a damage mechanism of the fuel cell is surely suppressed.

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. Alternatively, the degradation mechanism may be further inhibited if the underpotential of a first fuel cell is connected to the underpotential of a second fuel cell. This also prevents each fuel cell can build an electrochemical potential.

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.It can also be provided that only a predetermined number of fuel cells, preferably at the beginning and at the end of an electrical chain of the fuel cell stack, individually and simultaneously the entire fuel cell stack is short-circuited. Since the shorted separate fuel cells are forced to a zero potential by the cell-specific short circuit, the remaining fuel cells will also assume a zero potential due to the overall short circuit of the fuel cell stack. This is particularly advantageous whenever the same fuel cells suffer from hydrogen undersupply during the start or shutdown process due to design or thermal constraints. A sole overall short circuit of the fuel cell stack can not completely prevent the degradation process in the individual fuel cells, since a single cell voltage of the fuel cell does not necessarily have to be zero. This results in different cell voltages, which sum up to zero in total for the fuel cell stack, but can lead to damage in the individual fuel cell.

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. The object of the invention is also achieved by a device for increasing the service life of a fuel cell stack, preferably in a motor vehicle, wherein the fuel cell stack is composed of a plurality of fuel cells connected in series. In the device according to the invention, it is provided that at least one fuel cell of the fuel cell stack has an individual short circuit. This individual short-circuit, which can be realized, for example, in the form of an electrical or mechanical or electromechanical switching element, is arranged between the anode and cathode of the respective fuel cell, wherein when the switching element is closed, there is a short circuit and thus a zero potential of the affected fuel cell. By setting this zero potential, the degradation in the fuel cell can be prevented, thus ensuring the safe operation of the fuel cell stack, in particular during the start or the shutdown process.

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. It can be inventively provided that an upper potential and an underpotential of each fuel cell of the fuel cell stack are connected via a switch to ground. This connection to ground ensures that no electrochemical potential can be built up on the fuel cell, whereby damage to the fuel cell is prevented.

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. Preferably, each of the fuel cells connected in series may have an individual short circuit, wherein the upper potential of the fuel cell is connected to its lower potential via a switch. Also in this arrangement, no electrochemical potential can be established, whereby damage to the fuel cell stack is prevented and the life of the fuel cell stack is increased.

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. It is also possible that at least one fuel cell at the beginning and at the end of an electric chain of the fuel cell stack has an individual short circuit and the fuel cell stack comprises a total short circuit. This refinement likewise ensures a zero potential at each individual fuel cell. This happens once in that the respective individual fuel cell sets an individual short circuit, while the other fuel cells assume the zero potential over the total short circuit of the total fuel cell stack. It is advantageous here that the number of required switches can be drastically reduced compared to the other embodiments.

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. A development of the invention relates to a vehicle, preferably a motor vehicle, with a device for increasing the service life of a fuel cell stack. The device can be designed according to one of the features described in this patent application.

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:Further, measures improving the invention will become apparent from the following description of an embodiment of the invention, which is shown schematically in the figures. All, from the claims, the description or the drawings resulting features and / or advantages including constructive details, spatial arrangements and method steps may be essential to the invention both in itself and in various combinations. Show it:

1 Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kurzschlussschaltung einer Brennstoffzelle, 1 Representation of an embodiment of a short circuit of a fuel cell according to the invention,

2 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 2 a first embodiment of the device according to the invention,

3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 3 a further embodiment of the device according to the invention,

4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 4 a further embodiment of the device according to the invention,

5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 5 a further embodiment of the device according to the invention,

6 eine Prinzipdarstellung der Arbeitsweise einer Brennstoffzelle, 6 a schematic representation of the operation of a fuel cell,

7 eine Potentialverteilung in einer Brennstoffzelle gemäß 6. 7 a potential distribution in a fuel cell according to 6 ,

Elemente und technische Merkmale mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren unabhängig von den Ausführungsbeispielen mit demselben Bezugszeichen versehen.Elements and technical features with the same function and mode of operation are provided in the figures, regardless of the embodiments with the same reference numerals.

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. In 1 is a single fuel cell 1 represented, which is galvanically short-circuited. This is between an upper potential 2 and an underpotential 3 a short-circuit switch 4 arranged, which may be formed for example as a relay or as a thyristor. With open short-circuit switch 4 shows the fuel cell 1 a cell potential U 1 . Will the short-circuit switch 4 closed, the cell potential drops to 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. 2 shows a first embodiment of the device according to the invention in a fuel cell stack 5 , The fuel cell stack 5 consists of n fuel cells 1 where each fuel cell 1 between the respective upper potential 2 and the underpotential 3 a cell potential U 1 , U 2 , U 3 , ... U n . The upper potential 2 and the underpotential 3 every fuel cell 1 is in each case via a switch 6 1 to 6 n with mass 7 connected. In the number of n fuel cells 1 are in this embodiment n + 1 switch 6 necessary, so that really all upper potentials 2 and underpotentials 3 with the crowd 7 can be connected. This wiring ensures that none of the n fuel cells 1 can build up an electrochemical potential. To stop the degradation mechanisms, the switches 6 simultaneously switched only during the start and shutdown process of the fuel cell stack.

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.Another embodiment of the device according to the invention is in 3 shown. The upper and lower potentials 2 . 3 every fuel cell 1 are each by a short-circuit switch 4 connected, creating a short circuit. Even with this circuit, it is ensured that none of the n fuel cells 1 can build up an electrochemical potential. This design has the advantage that every short-circuit switch 4 only a low load of at most 1.4 V must withstand what the life of the short-circuit switch 4 elevated. For n fuel cells, only n are short-circuit switches 4 required.

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. According to the in 4 shown further embodiment, only individual fuel cells 1 of the fuel cell stack 5 with a short-circuit switch 4 shorted. Advantageously, the individual short circuit is only at the respective first fuel cell (fuel cell 1 and n) the beginning and the end of the electric chain of the fuel cell stack 5 educated. In addition, the entire fuel cell stack 5 via a switch 8th shorted. Again, with each of the aforementioned fuel cells 1 the upper and lower potential 2 . 3 over the respective short-circuit switch 4 connected. In the process, the cells become 1 and n are forced to a zero potential by the respective individual cell-specific short circuit. The remaining fuel cells ( 2 to n - 1) are over the total short circuit which the total short circuit switch 8th caused to zero potential.

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. The same function is used in the device according to 5 used. Again, at the beginning and at the end of the electrical series connection of the fuel cell 1 in the fuel cell stack 5 arranged fuel cells ( 1 . 2 or n - 1) and n via a short-circuit switch 4 shorted. The individual short circuit of the respective fuel cell ( 1 . 2 , n - 1, n) forces a zero potential of the cell voltage. The total short circuit across the total short-circuit switch 8th ensures that the remaining fuel cells ( 3 , ..., n - 2) assume a zero potential with their cell potential.

Claims (10)

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.Method for increasing the service life of a fuel cell stack for a motor vehicle, which comprises a plurality of fuel cells ( 1 ), characterized in that during a start or a shutdown of the fuel cell stack ( 5 ) at least one of the fuel cells ( 1 ) of the fuel cell stack ( 5 ) is individually shorted. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Brennstoffzellen (2) des Brennstoffzellenstacks (5) individuell kurzgeschlossen werden.Method according to claim 1, characterized in that all fuel cells ( 2 ) of the fuel cell stack ( 5 ) are individually short-circuited. 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.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that an upper potential ( 2 ) and an underpotential ( 3 ) of each fuel cell ( 1 ) to ground ( 7 ). 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.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the underpotential ( 3 ) a first fuel cell ( 1 ) with the underpotential ( 3 ) a second fuel cell ( 1 ) is connected. 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. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a predetermined number of fuel cells ( 1 ), preferably at the beginning and at the end of an electric chain of the fuel cell stack ( 5 ), individually and at the same time the entire fuel cell stack ( 5 ) are short-circuited. 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.Device for increasing the service life of a fuel cell stack, preferably in a motor vehicle, wherein the fuel cell stack ( 5 ) of a plurality of series-connected fuel cells ( 1 ), characterized in that at least one fuel cell ( 1 ) of the fuel cell stack ( 5 ) has an individual short circuit. 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.Device according to claim 6, characterized in that an upper potential ( 2 ) and an underpotential ( 3 ) of each fuel cell ( 1 ) of the fuel cell stack ( 5 ) via a switch ( 6 ) to ground ( 7 ) are switched. 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. Apparatus according to claim 6 or 7, characterized in that each of the series-connected fuel cells ( 1 ) has an individual short circuit, wherein the upper potential ( 2 ) of the fuel cell ( 1 ) with their underpotential ( 3 ) via a switch ( 4 ) connected is. 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.Device according to at least one of the preceding claims 6, 7 or 8, characterized in that at least one fuel cell ( 1 ) at a beginning and an end of an electric chain of the fuel cell stack ( 5 ) has an individual short circuit and the fuel cell stack ( 5 ) comprises an overall short circuit. 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.Vehicle, preferably motor vehicle, with a device for increasing the service life of a fuel cell stack, characterized in that the device is designed according to at least one of claims 6 to 9.
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