DE102015014939A1

DE102015014939A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102015014939A1
Application number: DE102015014939.3A
Authority: DE
Inventors: Sascha Mielke; Pere Antoni Pastor Nigorra
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2016-06-09

Abstract

Ein Verfahren dient zum Betreiben einer Brennstoffzelle (5), welche einen Betriebszustand und einen Nichtbetriebszustand kennt. Im Betriebszustand der Brennstoffzelle (5) wird diese mit Luft und Wasserstoff versorgt und stellt elektrische Leistung bereit. Im Nichtbetriebszustand der Brennstoffzelle ist zumindest die Luftversorgung (9) abgestellt und es wird keine elektrische Leistung durch die Brennstoffzelle (5) bereitgestellt. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass die Brennstoffzelle (5) im Nichtbetriebszustand mit Spannung, in derselben Polung wie im Betriebszustand, beaufschlagt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Verfahrens.
Brennstoffzellen, insbesondere Brennstoffzellenstapel aus PEM-Brennstoffzellen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie werden beispielsweise zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in Fahrzeugen eingesetzt. Eines der bekannten Probleme bezüglich der Lebensdauer der Brennstoffzelle besteht nun darin, dass am Ende des Abstellens des Brennstoffzellensystems typischerweise ein Überdruck an Wasserstoff auf der Anodenseite der Brennstoffzelle vorliegt. Nach dem Abstellen beginnt dieser Wasserstoff in der Anode über die Membran hinweg zur Kathode zu permeieren. Dies führt nun typischerweise dazu, dass Wasserstoff auf der Anode verloren geht und sich in der Kathode sammelt. Gleichzeitig permeiert jedoch Sauerstoff und, da typischerweise Luft als Sauerstofflieferant eingesetzt wird, Stickstoff von der Kathode zur Anode. Solange im Bereich der Anode noch Wasserstoff vorhanden ist, kann sich kein Sauerstoff in der Anode sammeln, da er sofort mit dem dort vorhandenen Wasserstoff am Katalysator der Brennstoffzelle zu Wasser rekombiniert wird. Nach einer gewissen Zeit ist der gesamte im Anodenbereich vorhandene Wasserstoff aufgebraucht oder durch die Permeation auf die Kathodenseite verloren gegangen. Die Anodenseite der Brennstoffzelle beginnt sich nun mit Sauerstoff zu füllen. Dieser Zeitraum, bis der gesamte Wasserstoff auf der Anodenseite der Brennstoffzelle verloren gegangen oder aufgebraucht worden ist, wir auch mit dem englischen Begriff H2 Protection Time bezeichnet. Im Endzustand ist die Anodenseite der Brennstoffzelle dann komplett mit Umgebungsluft gefüllt. Ein Start des Brennstoffzellensystems aus diesem Zustand heraus führt nun dazu, dass mit der Zudosierung von Wasserstoff in die Anode eine Wasserstoff-Sauerstoff-Front durch die Anode läuft, während kathodenseitig Sauerstoff vorhanden ist. Die Wasserstoff-Sauerstoff-Front führt nun zu einer erheblichen Potenzialdifferenz entlang dieser Front, da bei Anwesenheit von Wasserstoff anodenseitig und Sauerstoff aus der Luft kathodenseitig die volle Brennstoffzellenspannung anfällt, während beim Vorhandensein von Luft auf beiden Seiten dies eben nicht der Fall ist. Dieser Mechanismus ist nach allgemeinem Einschätzen für eine erhöhte Degradation der Brennstoffzelle verantwortlich, da hierdurch der Katalysator geschädigt wird. Dies stellt, zumindest bei einem häufigen Start der Brennstoffzelle, wie er beispielsweise bei Fahrzeuganwendungen auftritt, einen erheblichen Nachteil hinsichtlich der Gesamtlebensdauer der Brennstoffzelle dar.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es deshalb auch geläufig, Wasserstoff beispielsweise in Abhängigkeit des Drucks oder der Wasserstoffkonzentration auf der Anodenseite während des gesamten Systemstillstands von Zeit zu Zeit nachzudosieren. Dies ist entsprechend aufwändig und benötigt eine hohe Menge an Wasserstoff. Außerdem erfordert es ein Öffnen des Wasserstofftanks zur Nachdosierung von Wasserstoff im unbeaufsichtigten Zustand des Brennstoffzellensystems, was häufig als kritisch hinsichtlich der Betriebssicherheit angesehen wird.
Wenn sich während der oben beschriebenen Phasen Wasserstoff auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle ansammelt, dann können dort auch entsprechend hohe Wasserstoffkonzentrationen auftreten, welche, zumindest bei einem Start des Brennstoffzellensystems aus der Kathode ausgetragen werden und in der Abluftstrecke, beispielsweise eines Brennstoffzellenfahrzeugs, Wasserstoffemissionen verursachen, welche oberhalb der zulässigen Grenzwerte liegen. Auch dies stellt einen erheblichen Nachteil dar.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind nun sogenannte Wasserstoffpumpen bekannt. Die Wasserstoffpumpen funktionieren im Prinzip wie eine umgekehrte Brennstoffzelle, sodass bei entsprechend angelegter Spannung Wasserstoff von der einen Seite einer Membran auf die andere Seite transportiert wird. Der Einsatz von derartigen Wasserstoffpumpen in Brennstoffzellensystemen ist beispielsweise in der DE 10 2008 024 233 A1 beschrieben. Die Wasserstoffpumpe wird dort immer eingesetzt, um ein wasserstoffhaltiges Gas, dessen Wasserstoffkonzentration nicht ausreichend hoch ist, so aufzubereiten, dass die Wasserstoffkonzentration ansteigt und die nicht erwünschten Stoffe abgeschieden werden.
Im Zusammenhang mit dem oben beschriebenen Thema der Degradation ist ferner aus der WO 2014/109761 A1 ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems bekannt, bei welchem dafür gesorgt werden soll, dass bewusst Wasserstoff auf die Kathodenseite geleitet wird, um den dort vorhandenen Sauerstoff aufzubrauchen. Anschließend wird die Kathodenseite entsprechend abgesperrt, um die sauerstofffreie Atmosphäre über einen entsprechend langen Zeitraum aufrechtzuerhalten. Im Rahmen dieser Beschreibung ist dabei als eine der Einrichtungen zum Transport von Wasserstoff von der Anodenseite zur Kathodenseite auch eine Wasserstoffpumpe, als Alternative zu einem einfachen Ventil, beschrieben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welches mit einfachen Mitteln eine lange Lebensdauer der Brennstoffzelle, auch wenn diese entsprechend häufig gestartet werden muss, gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Im Anspruch 7 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung für das Verfahren angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun so, dass die Erfinder erkannt haben, dass die Brennstoffzelle selbst als Wasserstoffpumpe eingesetzt werden kann. In einem Nichtbetriebszustand der Brennstoffzelle, bei welchem zumindest die Luftversorgung abgestellt ist und keine elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle gezogen wird, wird die Brennstoffzelle gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Spannung beaufschlagt. Diese Spannung in derselben Polarität, wie im regulären Betrieb der Brennstoffzelle sorgt nun dafür, dass Wasserstoff, welcher gemäß dem oben beschriebenen Mechanismus von der Anodenseite auf die Kathodenseite diffundiert ist, durch die angelegte Spannung an der Brennstoffzelle in Form von Protonen durch die Membranen der Brennstoffzelle zurücktransportiert wird. Dies führt dazu, dass die Wasserstoffkonzentration auf der Kathodenseite signifikant sinkt, während gleichzeitig die Verfügbarkeit von Wasserstoff auf der Anodenseite erhöht wird. Somit liegt für einen längeren Zeitraum, als ohne das erfindungsgemäße Verfahren, Wasserstoff auf der Anodenseite vor, was zu einer verlängerten H2 Protection Time führt. Es kann also über einen längeren Zeitraum hinweg, als beim Stand der Technik, ein Wiederstart der Brennstoffzelle erfolgen, ohne dass die Brennstoffzelle schädigende Mechanismen ablaufen.
Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die Brennstoffzelle selbst als Wasserstoffpumpe eingesetzt wird, kann immer dann genutzt werden, wenn die Brennstoffzelle nicht betrieben wird. Im Sinne der Erfindung bedeutet dies, dass die Luftfördereinrichtung abgestellt ist. Die Wasserstoffdosierung kann abgestellt sein, muss jedoch, je nach Betriebssituation, nicht zwingend abgestellt sein. Allerdings wird im Nichtbetriebszustand aus der Brennstoffzelle keine elektrische Leistung entnommen. Eine solche Situation kann immer während des Stillstands des Brennstoffzellensystems und eines gegebenenfalls mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Fahrzeugs vorliegen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der im Stillstand in den Kathodenraum übergetretene Wasserstoff wieder zurück auf die Anodenseite gefördert. Das Verfahren kann insbesondere auch angewandt werden, um unmittelbar vor dem Start des Brennstoffzellensystems den Wasserstoff von der Kathodenseite auf die Anodenseite zurückzufördern. Dies kann beispielsweise beim Einsatz in einem Fahrzeug erfolgen, nachdem die Zündung des Fahrzeugs eingestellt ist und während die Komponenten der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems vorgewärmt werden. In dieser Situation wird noch keine Leistung aus der Brennstoffzelle entnommen und die Luftfördereinrichtung ist noch nicht gestartet. Solange dies der Fall ist, kann die elektrische Spannung in derselben Polarität, wie im regulären Betrieb der Brennstoffzelle, angelegt werden, um den Kathodenraum (nochmals) zuverlässig von Wasserstoff zu befreien und so beim Start des Brennstoffzellensystems gegebenenfalls auftretende Probleme in der oben beschriebenen Art sicher und zuverlässig zu vermeiden. Da für das erfindungsgemäße Verfahren das anlagen des entsprechenden Potenzials für wenige Sekunden ausreichend ist, kommt es hierdurch zu keiner unerwünschten Verlagerung der Startzeit, das das Verfahren parallel zu ohnehin benötigten Startvorbereitungsmaßnahmen ablaufen kann.
Ferner ist es auch denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren dann anzuwenden, wenn die Brennstoffzelle, und dies gilt insbesondere wieder für ein Brennstoffzellensystem, welches in einem Fahrzeug eingesetzt wird, in einem Bereitschaftszustand verharrt. Ein solcher Bereitschaftszustand mit abgeschalteter Luftfördereinrichtung kann beispielsweise dann vorliegen, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug mit einem sogenannten Start/Stopp-System ausgerüstet ist. In diesem Fall wird typischerweise in einer Stopp-Phase die Wasserstoffversorgung reduziert und die Luftversorgung angehalten, insbesondere auch um die Lärmemissionen zu mindern. In dieser Situation kann ebenfalls durch ein Anlegen einer Spannung in dem erfindungsgemäßen Sinn der Übertritt von Wasserstoff von der Anodenseite in die Kathodenseite verhindert, oder falls dieser bereits erfolgt ist, rückgängig gemacht werden.
Anders als im Stand der Technik ist zum Verlängern der H2 Protection Time im Stillstand des Brennstoffzellensystems dabei keine Nachdosierung von Wasserstoff erforderlich, sodass gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Wasserstoffversorgung im Nichtbetriebszustand vollständig abgestellt wird.
Dadurch, dass sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weniger Wasserstoff auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle ansammeln kann, ist auch die eingangs geschilderte Problematik mit Wasserstoffemissionen über die Abluftstrecke des Brennstoffzellensystems beim Start der Brennstoffzelle entschärft.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun also so, dass der Wasserstoff, welcher durch die Permeation von der Anodenseite auf die Kathodenseite verloren gegangen ist, durch das Anlegen der Spannung zur Anodenseite zurücktransportiert wird. Der Wasserstoff wird also nur durch mechanische Leckagen, welche bei Wasserstoff nie gänzlich zu verhindern sind, und durch die Rekombination mit Sauerstoff, welcher durch die Membranen von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundiert ist, aufgebraucht. Um den Wasserstoff noch länger im System zu halten, kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nun vorgesehen sein, dass zumindest die Zuluftleitung zu der Brennstoffzelle im Nichtbetriebszustand abgesperrt wird. Durch ein solches Absperren der Zuluftleitung zu der Brennstoffzelle wird der Eintrag von weiterer frischer Luft und damit weiterem frischen Sauerstoff auf die Kathodenseite der Brennstoffzelle reduziert. Durch ein einziges, idealerweise zuluftseitig angeordnetes, Absperrventil kann der Eintrag von frischer Luft und Sauerstoff beispielsweise durch Windeffekte oder dergleichen signifikant reduziert werden. Damit wird auch die Permeation von Sauerstoff durch die Membranen von der Kathodenseite auf die Anodenseite reduziert. Dies führt zu einem geringeren Verbrauch von Wasserstoff und dient ebenfalls dazu, die gewünschte Wasserstoffatmosphäre auf der Anodenseite der Brennstoffzelle über einen sehr langen Zeitraum hinweg aufrechtzuerhalten.
Die Leistung, welche zum Anlegen der Spannung in dem erfindungsgemäßen Sinn an die Brennstoffzelle erforderlich ist, ist typischerweise eher klein. Dennoch kann es, je nach Betriebssituation, sinnvoll sein, diese Spannung direkt über eine Hochspannungsbatterie als Leistungsquelle und die entsprechende Elektronik bereitzustellen. Dies gilt insbesondere dann, wenn diese elektrischen Systeme ohnehin noch in Betrieb sind, beispielsweise während der Stopp-Phase in einem Start/Stopp-Betrieb. Ansonsten ist es auch denkbar, die geringen benötigten Leistungen anderweitig bereitzustellen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es deshalb vorgesehen, dass die Spannung zum Beaufschlagen der Brennstoffzelle im Nichtbetriebszustand aus einer Niederspannungsquelle stammt. Eine solche Niederspannungsquelle, beispielsweise bei einem Fahrzeugeinsatz eine 12-V-Batterie, ist bei Weitem ausreichend, um den gewünschten Effekt zu erzielen, und durch die Beaufschlagung der Brennstoffzelle mit Spannung zu erreichen, dass Wasserstoff nicht oder nur noch in sehr geringem Maß über die Kathodenseite der Brennstoffzelle im Nichtbetriebszustand verloren geht.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es als Alternative zu einer solchen Niederspannungsquelle vor, dass die Niederspannung aus der Traktionsbatterie des Fahrzeugs stammt und durch die Leistungselektronik auf das gewünschte Niederspannungs-Niveau herabgesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es also, die Lebensdauer der Brennstoffzelle, auch wenn diese häufigen Starts ausgesetzt ist, zu verlängern. Das Verfahren bietet sich daher insbesondere dann an, wenn die Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems entsprechend oft abgestellt und häufig nach einer vergleichsweise kurzen Zeit, beispielsweise nach wenigen Stunden, wieder gestartet wird. Ein solcher Anwendungsfall liegt insbesondere bei der Anwendung in Fahrzeugen, welcher über die Brennstoffzelle elektrische Antriebsleistung bereitgestellt wird, vor. Die besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es deshalb vor, dass das Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug eingesetzt wird, wobei die Brennstoffzelle elektrische Antriebsleistung für das Fahrzeug bereitstellt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
Die einzige beigefügte Figur zeigt ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.
In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug 1 zu erkennen. Es soll elektrisch angetrieben werden, wofür ein elektrischer Antriebsmotor 2 vorgesehen ist. Die elektrische Antriebsleistung wird über eine Leistungselektronik 3 aufbereitet und dem elektrischen Fahrmotor 2 zur Verfügung gestellt. Die zum Antrieb des Fahrzeugs 1 genutzte Leistung kann dabei einerseits aus einer Traktionsbatterie 4, einer Hochvoltbatterie, stammen und kann außerdem durch eine mit 5 bezeichnete Brennstoffzelle eines sehr stark vereinfacht dargestellten Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden. Den Kern dieses Brennstoffzellensystems bildet die bereits angesprochene Brennstoffzelle 5, welche als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellen-Stack ausgebildet ist. Die Einzelzellen sind dabei in PEM-Technologie aufgebaut, sodass jede der Einzelzellen einen Kathodenbereich und einen Anodenbereich aufweist. Beispielhaft sind in der Darstellung der Figur ein gemeinsamer Kathodenraum 6 sowie ein gemeinsamer Anodenraum 7 dargestellt. Diese sind durch eine angedeutete Membran 8, welche in der Realität Teil einer sogenannten Membranelektrodenanordnung (MEA) ist, getrennt. In an sich bekannter Weise wird dem Kathodenraum 6 Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 9 beispielsweise ein Strömungsverdichter zugeführt. Dem Anodenraum 7 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 10 über ein Druckregel- und Dosierventil 11 zugeführt. Das Abgas aus dem Anodenraum 7 wird über eine Rezirkulationsleitung 12 zurückgeführt und kann beispielsweise über eine mit 13 bezeichnete Gasstrahlpumpe wieder angesaugt und zusammen mit frischem Wasserstoff dem Anodenraum 7 erneut zugeführt werden. In einer solchen an sich bekannten Anodenrezirkulation reichert sich mit der Zeit Wasser und inertes Gas an. Dieses kann beispielsweise über einen hier nicht dargestellten Wasserabscheider gesammelt werden. Wasser und inertes Gas können über ein sogenanntes Purge-Ventil 14 abgelassen werden. Wasser und Abgase gelangen dann in die Abluft aus dem Kathodenraum 6 der Brennstoffzelle 5 und damit entsprechend verdünnt in die Umgebung.
Zusätzlich zu der Traktionsbatterie 4 und der Leistungselektronik 3 weist die elektrische Seite des Fahrzeugs 1 ein weiteres Steuergerät 15 mit einer Schaltelektronik auf, welches in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Niedervoltbatterie 16 verbunden ist. Das Steuergerät 15 kann dabei auch Teil der Leistungselektronik 3 sein, oder in ein anderes hier nicht dargestelltes Steuerungssystem des Fahrzeugs 1 integriert ausgeführt sein.
Im Betriebszustand der Brennstoffzelle 5 liefert diese elektrische Leistung, welche dem Fahrzeug 1 zum Fahren zur Verfügung gestellt wird. Eventuelle Überschussleistung wird in der Traktionsbatterie 4 eingespeichert. Außerdem kann aus der Traktionsbatterie 4 bei einem hochdynamischen Leistungsbedarf Leistung zusätzlich zu der von der Brennstoffzelle 5 erzeugten Leistung bereitgestellt werden. In der Traktionsbatterie 4 wird auch in an sich bekannter Art und Weise Leistung, welche beim Abbremsen des Fahrzeugs durch den Fahrmotor 2 als Generator anfällt, zwischengespeichert.
In einem Nichtbetriebszustand der Brennstoffzelle 5 liefert diese keine elektrische Leistung und die Luftzufuhr ist durch ein Abschalten der Luftfördereinrichtung 9 abgestellt. Dieser Nichtbetriebszustand tritt typischerweise dann auf, wenn das Fahrzeug 1 abgestellt wird. Er kann jedoch auch während der Stopp-Phase in einem Start/Stopp-Betrieb des Fahrzeugs 1 auftreten. Er kann ferner insbesondere auch dann vorliegen, wenn ein Signal zum Starten des Fahrzeugs 1 und damit letztlich auch der Brennstoffzelle 5 ausgelöst worden ist, also unmittelbar vor dem Wiederstart der Brennstoffzelle 5 und der Luftfördereinrichtung 9.
In diesem Nichtbetriebszustand der Brennstoffzelle 5 ist es also nun so, dass die Luftzufuhr durch ein Abstellen der Luftfördereinrichtung 9 abgeschaltet ist. Gleichzeitig wird durch ein Schließen des Druckregel- und Dosierventils 11 bzw. eines parallel hierzu vorhandenen Systemabsperrventils die Wasserstoffzufuhr abgestellt. Das Purge-Ventil 14 ist geschlossen, sodass der Wasserstoff im Anodenkreislauf eingeschlossen ist. Es liegt somit also auch im Anodenraum 7 der Brennstoffzelle 5 Wasserstoff vor, während auf ihrer Kathodenseite im Kathodenraum 6 Luft vorliegt. Ein Nachströmen von Luft wird idealerweise durch ein Schließen eines Ventils 17 in der Zuluftleitung verhindert. In der Abluftleitung kann optional ein weiteres Ventil vorhanden sein, typischerweise reicht es jedoch aus, die Zuluftleitung zu dem Kathodenraum 6 einseitig abzusperren, um einen Luftaustausch und ein Nachdiffundieren von frischer Luft, insbesondere von frischem Sauerstoff, beispielsweise durch Windeffekte beim abgestellten Fahrzeug 1 zu verhindern.
Nachdem nun im Anodenraum 7 Wasserstoff und im Kathodenraum 6 Luft bzw. der in der Luft vorhandene Sauerstoff vorliegt, wird es unweigerlich durch die Membranen 8 hindurch zu einer Permeation kommen. Wasserstoff gelangt also von der Anodenseite in den Kathodenraum 6 und Sauerstoff sowie Stickstoff gelangt vom Kathodenraum 6 in den Anodenraum 7. Sauerstoff wird im Bereich des Anodenraums 7 unmittelbar mit dem dort vorhandenen Wasserstoff am Elektrokatalysator der Brennstoffzelle 5 rekombinieren und zu Wasser werden, sodass eine nennenswerte Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite nicht möglich ist, solange hier noch Wasserstoff vorhanden ist. Der in den Kathodenraum 6 diffundierende Wasserstoff verringert die Wasserstoffmenge auf der Anodenseite jedoch. Um dies zu verhindern, kann nun über das Steuergerät 15 und je nach Betriebssituation beispielweise über die Niedervoltbatterie 16 eine Spannung an die Brennstoffzelle 5 angelegt werden. Diese Spannung, welche in ihrer Polarität der im Betriebszustand der Brennstoffzelle 5 von dieser gelieferten Spannung entspricht, sorgt nun dafür, dass der Wasserstoff, welcher durch die Membranen 8 vom Anodenraum 7 in den Kathodenraum 6 diffundiert ist, durch die Brennstoffzelle 5 selbst in einer Funktion als Wasserstoffpumpe wieder zurückgefördert wird. Der Wasserstoff gelangt also wieder zurück in den Anodenraum 7, sodass hierdurch die Wasserstoffverluste begrenzt werden. Ohne die Notwendigkeit einer Nachdosierung von Wasserstoff kann so eine signifikant längere Zeit mit Wasserstoff im Anodenraum 6 erreicht werden.
Im Falle eines Wiederstarts stellt dies einen erheblichen Vorteil dar, da so eine Wasserstoff-Sauerstoff-Front, die über den Katalysator des Anodenraums 7 verläuft, sicher und zuverlässig verhindert wird. Gleichzeitig wird die Gefahr von Wasserstoffemissionen aus dem Kathodenraum 6 beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems über die Abluftleitung deutlich verringert. Die Lebensdauer der Brennstoffzelle 5 lässt sich so durch das Anlegen der Spannung im Nichtbetriebszustand der Brennstoffzelle 5 signifikant erhöhen, wobei dies mit minimalem zusätzlichen Aufwand erfolgen kann, da eine Niedervoltbatterie 16 häufig für Startvorgänge sowie den Betrieb von Lüftern oder Ähnlichem im Stand des Fahrzeugs 1 ohnehin notwendig und vorgesehen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008024233 A1 [0005]
WO 2014/109761 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle (5) mit zumindest einem Betriebszustand, in welchem die Brennstoffzelle (5) mit Luft und Wasserstoff versorgt wird, und elektrische Leistung bereitstellt, und mit wenigstens einem Nichtbetriebszustand, in welchem zumindest die Luftversorgung (9) abgestellt wird und keine elektrische Leistung von der Brennstoffzelle (5) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (5) im Nichtbetriebszustand mit Spannung in derselben Polung wie im Betriebszustand, beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffversorgung im Nichtbetriebszustand vollständig abgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Zuluftleitung zu der Brennstoffzelle (5) im Nichtbetriebszustand abgesperrt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung zur Beaufschlagung der Brennstoffzelle (5) im Nichtbetriebszustand aus einer Niederspannungs-Quelle stammt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung zur Beaufschlagung der Brennstoffzelle (5) im Nichtbetriebszustand aus einer Hochspannungs-Batterie stammt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung zur Beaufschlagung der Brennstoffzelle (5) im Nichtbetriebszustand von einer Leistungselektronik auf ein Niederspannungs-Niveau transformiert wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zum Betreiben einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug (1), wobei durch die Brennstoffzelle (5) elektrische Antriebsleistung für das Fahrzeug (1) bereitgestellt wird.
Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (5) mit einer Spannung gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 unmittelbar vor dem Wiederstart der Brennstoffzelle (5), bevor die Luftfördereinrichtung (9) gestartet wird, beaufschlagt wird.
Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (5) mit einer Spannung im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 beaufschlagt wird, wenn sich das Fahrzeug (1) mit der Brennstoffzelle (5) in einer Stopp-Phase eines Start/Stopp-Betriebs des Fahrzeugs (1) befindet.