Verfahren zum Inbetriebsetzen eines Brennstoffzellen -Stack

Stand der Technik

Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Basis für ein Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Solche Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, die mit einer Mehrzahl von solchen elektrochemischen Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellen-Stack zusammengeschaltet werden, um eine entsprechend hohe Gesamtspannung bereitstellen zu können.

Die Edukte Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) werden in elektrische Energie, Wasser (H20) und Wärme gewandelt. Beispielsweise P EM- Brennstoffzellen (PEM engl.: “proton-exchange-membran“; Protonen-Austausch-Membran) können mit der Kathode der Brennstoffzelle zugeführten Luft, mit Sauerstoff als Oxidationsmittel, und der Anode der Brennstoffzelle zugeführtem Wasserstoff als Brennstoff in einem elektrokatalytischen Elektrodenprozess betrieben werden, um elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad bereitzustellen.

Offenbarung der Erfindung

Die elektrochemischen Reaktionen solcher Brennstoffzellen werden typischerweise durch Platin katalysiert. Dazu können kleine Platinpartikel auf einem porösen Kohlenstoffträger aufgetragen werden.

Unter lokaler Wasserstoff arm ut in den Brennstoffzellen kann es im Betrieb der Brennstoffzellen zu unerwünschten Nebenreaktionen kommen. In der Figur la ist ein „reverse current decay“ (RCD)-Mechanismus skizziert, der eine solche unerwünschte Nebenreaktion darstellt. Das Bild la skizziert einen beispielhaften Zustand einer Brennstoffzelle 100 mit Anodenraum 110, Kathodenraum 130 und der Membran 120 während des Inbetriebsetzens der Brennstoffzelle 100.

In einem Ausgangszustand sind sowohl der Anodenraum 110 als auch der Kathodenraum 120 mit Luft befüllt (Luft/Luft- Startup). Zum Starten der Brennstoffzelle 100 wird Wasserstoff (h ) in den luftgefüllten Anodenraum 110 geleitet. Wie in der Figur la skizziert ist, ist kurzzeitig ein in Flussrichtung des Brennstoffs stromaufwärtiger Teil 110a einer Anode 110 einer Brennstoffzelle 100 mit Wasserstoff befüllt, während ein stromabwärtiger Teil 110b weiterhin mit Luft befüllt ist.

Die Figur lb skizziert in einem ortsabhängigen Potentialdiagramm 150 einen daraus resultierenden Verlauf 180 eines Elektrolytpotentials. Eingezeichnet sind auch das Kathodenpotential 160 und das Anodenpotential 170. Aufgrund der beschriebenen Wasserstoff- und Luftverteilung kommt es zu hohen elektrischen Potentialdifferenzen U _x zwischen der Kathode 110 und einem Elektrolyten der Brennstoffzelle 100. Dies kann zu einer Kohlenstoffkorrosion in der Kathoden- Katalysatorschicht führen. Dieser Degradationsvorgang dauert so lange an, wie sich die H2/02-Gasfront durch die Anode bewegt.

Der beschriebene RCD-Mechanismus tritt immer dann auf, wenn der Kathodenraum mit Luft gefüllt ist, während Teile der Anodenraums mit Wasserstoff gefüllt sind und andere Teile des Anodenraums mit Sauerstoff gefüllt sind.

Eine entsprechende Situation ergibt sich auch während des “ Shut-down“- Vorgangs, d. h. beim Beenden des Betriebs der Brennstoffzelle.

Wird die H2-Versorgung der Brennstoffzelle beendet, reagiert der restliche Wasserstoff bei Kontakt mit Sauerstoff, und weiterer Sauerstoff aus der Umgebungsluft dringt in den Anodenraum ein. Daher ist zu erwarten, dass der Wasserstoff nicht gleichmäßig abreagiert. Bereiche nahe dem Ein- und Ausgang werden zuerst an Wasserstoff verarmen, während der mittlere Bereich noch mit Wasserstoff gefüllt ist.

Ein weiterer Degradationsmechanismus ist das sogenannte “ cell reversal“.

Dies tritt auf, wenn eine Zelle nicht ausreichend mit Wasserstoff versorgt wird um den Strombedarf zu decken. Wird ein Strom, z.B. durch andere Zellen im Stack oder durch eine externe Spannungsquelle, durch die an Wasserstoff verarmte Zelle getrieben, treten unerwünschte Nebenreaktionen (Kohlenstoffkorrosion oder Wasserelektrolyte) in der Anodenkatalysatorschicht auf, um die geforderten Elektronen bereit zu stellen. Diese Nebenreaktionen führen zu irreversibler Schädigung der Zelle.

Ein Kurzschluss des Brennstoffzellen-Stacks ist eine Methode, um die Degradation während des Start- und Shutdown-Vorganges zu reduzieren. Der Kurzschluss sorgt dafür, dass das in Abbildung la eingezeichnete Kathodenpotential 160 und das Anodenpotential 170 aufeinander fallen. Dadurch wird die schädliche Potentialüberhöhung U _x reduziert. Falls der Kurzschluss allerdings mehreren Brennstoffzellen aufgeprägt wird, ist die einzelne Brennstoffzellen-Spannung nicht unbedingt Null. Es entstehen unterschiedliche Brennstoffzellen-Spannungen, die sich zwar in der Summe zu Null summieren, aber die individuelle Spannung einzelner Brennstoffzellen kann zu einer Schädigung führen. Aufgrund des Kurzschlusses des Brennstoffzellen-Stacks fließt ein Strom durch alle Zellen. Sind nun einige Zellen unzureichend mit Wasserstoff (F ) versorgt, kommt es zum “ cell reversal“. Somit verhindert der Kurzschluss den „reverse-current-decay- Mechanismus“, allerdings tritt das ebenfalls schädliche cell reversal auf.

Entsprechend einem Aspekt wird ein Verfahren zum Inbetriebsetzen eines Brennstoffzellen-Stacks, ein Verfahren zum Beenden eines Betriebs eines Brennstoffzellen-Stacks, eine mobile Plattform, und ein Computerprogramm vorgeschlagen, die zumindest zum Teil die beschriebenen Aufgaben lösen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

In dieser gesamten Beschreibung der Erfindung ist die Abfolge von Verfahrensschritten so dargestellt, dass das Verfahren leicht nachvollziehbar ist. Der Fachmann wird aber erkennen, dass viele der Verfahrensschritte auch in einer anderen Reihenfolge durchlaufen werden können und zu dem gleichen oder einem entsprechenden Ergebnis führen. In diesem Sinne kann die Reihenfolge der Verfahrensschritte entsprechend geändert werden. Einige Merkmale sind mit Zählwörtern versehen, um die Lesbarkeit zu verbessern oder die Zuordnung eindeutiger zu machen, dies impliziert aber nicht ein Vorhandensein bestimmter Merkmale.

Es wird ein Verfahren zum Inbetriebsetzen eines Brennstoffzellen-Stacks, der eine Mehrzahl von schichtartig nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen aufweist, die jeweils eine Anoden- Elektrode und eine Kathoden- Elektrode aufweisen, vorgeschlagen. In einem Schritt des Verfahrens wird eine elektrische Verbindung der Anoden- Elektrode und der Kathoden- Elektrode der jeweiligen Brennstoffzelle zumindest eines Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks geschlossen. In einem weiteren Schritt wird ein Brennstoff in einen Anodenraum der jeweiligen Brennstoffzelle zumindest eines Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen eingeleitet. In einem weiteren Schritt wird ein Oxidationsmittel in einen Kathodenraum der jeweiligen Brennstoffzelle zumindest eines Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen eingeleitet, wobei das Einleiten in den jeweiligen Kathodenraum beginnt, bevor eine Befüllung des jeweiligen Anodenraumes abgeschlossen ist, um den Brennstoffzellen-Stack in Betrieb zu setzen.

Dabei ist eine geschlossene elektrische Verbindung, insbesondere eine geschlossene elektrische Verbindung zwischen der Anoden- Elektrode und der Kathoden- Elektrode, eine elektrische Verbindung, durch die ein elektrischer Strom fließen kann. Und entsprechend eine offene elektrische Verbindung eine Verbindung, durch die praktisch kein elektrischer Strom fließen kann.

Ohne das beschriebene Verfahren müssen zur Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellen-Stacks sequenziell erst die Anode mit Wasserstoff (H2) und dann die Kathode mit Luft befüllt werden, bevor eine Startprozedur initiiert werden kann. Durch einen solchen sequenziellen Prozess und die Anwesenheit von z.B. Luft in der Anode, entsteht bei geringen Umgebungstemperaturen ein Wasserfilm, der vereisen kann. Dadurch kann der Start eines Brennstoffzellen- Stack, insbesondere bei tiefen Temperaturen, misslingen. Die Eisabdeckung gewisser Bereiche kann auch zur lokalen Wasserstoffarmut mit einhergehender Degradation führen.

Mit dem beschriebenen Verfahren kann dagegen vorteilhafterweise ein schneller, degradationsfreier und zuverlässiger Start im ganzen Temperaturbereich eines Brennstoffzellen-Stacks, durch die Anwendung eines zellenindividuellen Kurzschlusses sowie einer geeigneten, nicht sequentiellen Startstrategie gewährleistet werden.

Ferner sorgt die Parallelisierung der Anodenbefüllung und der Startprozedur bzw. der Kathodenbefüllung dafür, dass die Wärmeentstehung sofort eintritt.

Somit ist das Risiko deutlich geringer, dass die während der Anodenbefüllung und bei sonstigen Zwischenschritten produzierte Wassermenge eine Eisschicht in den Katalysatorschichten bildet, was zu unzuverlässigem Start und/oder Degradation des Katalysators auf Grund von Wasserstoffarmut führen kann.

Da in diesem Verfahren das Oxidationsmittel in einen jeweiligen Kathodenraum der Brennstoffzellen eingeleitet wird, bevor die Befüllung des Anodenraums mit dem Brennstoff abgeschlossen ist, d. h. durch eine mit diesem Verfahren mögliche Parallelisierung der beiden Verfahrensschritte, entfällt auch die sonst notwendige Luft-Verdünnung von, an die Umgebung ausgeleitetem, Wasserstoff, da die Verdünnung durch die Parallelisierung der beiden Verfahrensschritte sichergestellt wird.

Die Anodenbefüllung erfolgt parallel zur Startprozedur. Der zellenindividuelle Kurzschluss sorgt dafür, dass bei einer gleichzeitig stattfindenden Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff im Anodenraum, sowie zwischen Anode und Kathode, die beschriebene Degradation der Brennstoffzelle zumindest reduziert ist, da das Brennstoffzellenpotential aller Brennstoffzellen Null ist.

Insbesondere wird ein weiteres Verfahren zum Inbetriebsetzen eines Brennstoffzellen-Stacks vorgeschlagen, bei dem der Brennstoffzellen-Stack eine Mehrzahl von schichtartig nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen aufweist, die jeweils eine Anoden- Elektrode und eine Kathoden- Elektrode aufweisen. In einem ersten Schritt des Verfahrens wird eine elektrische Verbindung der Anoden- Elektrode und der Kathoden- Elektrode der jeweiligen Brennstoffzelle zumindest eines Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks geschlossen. In einem zweiten Schritt wird ein Brennstoff in einen Anodenraum der jeweiligen Brennstoffzelle zumindest eines Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen eingeleitet. In einem dritten Schritt wird ein Oxidationsmittel in einen Kathodenraum der jeweiligen Brennstoffzelle zumindest eines Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen eingeleitet, wobei das Einleiten in den jeweiligen Kathodenraum beginnt, bevor eine Befüllung des jeweiligen Anodenraumes abgeschlossen ist, um den Brennstoffzellen-Stack in Betrieb zu setzen.

Bei dieser Reihenfolge der Verfahrensschritte kann eine besonders geringe Degradation der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks beim Inbetriebsetzen erreicht werden

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die elektrische Verbindung der Anoden- Elektrode und der Kathoden- Elektrode, der jeweiligen Brennstoffzelle zumindest eines Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen- Stacks, eine Kurzschluss-Verbindung ist.

Damit wird sichergestellt, dass das elektrische Potential der beiden Elektroden Null ist.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die elektrische Verbindung der Anoden- Elektrode und der Kathoden- Elektrode, der jeweiligen Brennstoffzelle zumindest eines Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen- Stacks, eingerichtet wird, bevor der Brennstoff in einen Anodenraum der jeweiligen Brennstoffzelle der Mehrzahl der Brennstoffzellen mit einem Brennstoff eingeleitet wird.

Dadurch, dass die elektrische Verbindung eingerichtet wird, bevor der Brennstoff in den Anodenraum eingeleitet wird, kann die Degradation der Brennstoffzelle verhindert werden.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass, während des Einleitens des Oxidationsmittels in den Kathodenraum der jeweiligen Brennstoffzelle der Mehrzahl der Brennstoffzellen, die elektrische Verbindung der Brennstoffzellen- Elektroden der jeweiligen Brennstoffzelle der Mehrzahl von Brennstoffzellen eingerichtet wird.

Dabei bedeutet eine eingerichtete elektrische Verbindung eine geschlossene elektrische Verbindung, die einen elektrischen Stromfluss zwischen den jeweiligen Elektroden, d. h. der Anoden- Elektrode und der Kathoden- Elektrode einer jeweiligen Brennstoffzelle des Brennstoffzellen-Stack ermöglicht.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass ein Wert eines Kurzschluss- Stromes, durch die elektrische Verbindung der Anoden- Elektrode und der Kathoden- Elektrode, der jeweiligen Brennstoffzellen durch eine zumindest gesteuerte Menge eines Flusses des Oxidationsmittels, durch den Kathodenraum der jeweiligen Brennstoffzelle des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen bei dem Einleiten in den jeweiligen Kathodenraum begrenzt wird.

Vorteilhafterweise ermöglicht diese Begrenzung des Kurzschluss-Stroms über eine Steuerung bzw. Regelung eines Luftstroms, in dem das Oxidationsmittel Sauerstoff enthalten ist, eine kontrollierte Erwärmung des Brennstoffzellen- Stacks.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen die oben beschriebenen Verfahren mit den folgenden Schritten zu ergänzen. In einem Schritt wird eine Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks bestimmt.

In einem weiteren Schritt wird die elektrische Verbindung der Anoden- Elektrode und der Kathoden- Elektrode der jeweiligen Brennstoffzelle des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks geöffnet, sofern die gemessene Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks einen Temperatursollwert überschritten hat, um einen Normalbetrieb des Brennstoffzellen-Stacks einzuleiten. Eine solche Bestimmung der Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks ermöglicht die Zeit für das Inbetriebsetzen des Brennstoffzellen-Stacks zu optimieren.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Einleiten eines Brennstoffs in den Anodenraum der jeweiligen Brennstoffzelle der Mehrzahl der Brennstoffzellen die folgenden Schritte aufweist: In einem Schritt des Verfahrens wird ein Absperrventil zum Einleiten des Brennstoffs in den Anodenraum der jeweiligen Brennstoffzelle von zumindest dem Teil der Mehrzahl der Brennstoffzellen geöffnet. In einem weiteren Schritt wird ein Ausgangsventil zum Spülen des Anodenraums der jeweiligen Brennstoffzelle von zumindest dem Teil der Mehrzahl der Brennstoffzellen mit dem Brennstoff geöffnet. In einem weiteren Schritt wird das Ausgangsventil geschlossen, sobald eine Konzentration des Brennstoffs in dem Anodenraum der jeweiligen Brennstoffzelle von zumindest dem Teil der Mehrzahl der Brennstoffzellen einem festgelegten Wert entspricht.

Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Beenden eines Betriebs eines Brennstoffzellen-Stacks vorgeschlagen, wobei der Brennstoffzellen-Stack eine Mehrzahl von schichtartig nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen aufweist, die jeweils eine Anoden- Elektrode und eine Kathoden- Elektrode aufweisen.

In einem Schritt des Verfahrens wird für einen Kathodenraum, der jeweiligen Brennstoffzelle von zumindest dem Teil der Mehrzahl der Brennstoffzellen, eine Bereitstellung von Oxidationsmittel, zum Beenden des Betriebs des Brennstoffzellen-Stacks, unterbrochen.

In einem weiteren Schritt wird eine Bereitstellung von Brennstoff für einen Anodenraum, der jeweiligen Brennstoffzelle von zumindest dem Teil der Mehrzahl der Brennstoffzellen, unterbrochen.

In einem weiteren Schritt werden die Anoden- Elektrode und die Kathoden- Elektrode von zumindest einem Teil der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks, zum Herstellen einer elektrischen Verbindung verbunden.

Insbesondere kann die Bereitstellung des Oxidationsmittels unterbrochen werden bevor die Bereitstellung des Wasserstoffs unterbrochen wird, damit ein Rest des Oxidationsmittels abreagieren kann, ohne dass dies zu einer Wasserstoffarmut führt.

Wie schon oben beschrieben wurde, treten auch bei dem Beenden des Betriebs eines Brennstoffzellen-Stacks die entsprechenden vorher beschriebenen Degradationsprozesse auf, die mit dem hier beschriebenen Aspekt des Verfahrens, dem das gleiche Prinzip zugrunde liegt wie dem Verfahren zum Inbetriebsetzen des Brennstoffzellen-Stacks, zumindest reduziert werden können.

Es wird ein Brennstoffzellen-Stack vorgeschlagen, der eingerichtet ist, in einem Schritt mit dem oben beschriebenen Verfahren zum Inbetriebsetzen eines Brennstoffzellen Stacks in Betrieb gesetzt zu werden, und in einem weiteren Schritt, mit dem oben beschriebenen Verfahren zum Beenden eines Betriebs eines Brennstoffzellen-Stacks außer Betrieb gesetzt zu werden.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Anoden- Elektrode und die Kathoden- Elektrode, der jeweiligen Brennstoffzelle zumindest des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks, abhängig von einem Schaltzustand einer Menge von Schaltzuständen mittels eines Vielfachschalters elektrisch verbunden werden.

Ein solcher Vielfachschalter ermöglicht es, individuell für die Brennstoffzellen eines Brennstoffzellen-Stacks elektrische Verbindungen der jeweiligen Anoden- Elektrode und der jeweiligen Kathoden- Elektrode bereitzustellen.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Vielfachschalter eine erste und zumindest eine zweite Schaltstellung aufweist, und eingerichtet ist in der ersten Schaltstellung die Anoden- Elektrode und die Kathoden- Elektrode, der jeweiligen Brennstoffzelle zumindest des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks, elektrisch miteinander zu verbinden und in der zweiten Schaltstellung die Anoden- Elektrode und die Kathoden- Elektrode der jeweiligen Brennstoffzelle des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks elektrisch gegeneinander zu isolieren.

Mit einem solchen Vielfachschalter kann das oben beschriebene Verfahren realisiert werden.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Vielfachschalter eine Mehrzahl von Schaltstellungen aufweist und eingerichtet ist, individuell für jede Brennstoffzelle, zumindest des Teils des Brennstoffzellen-Stacks, die jeweilige Anoden- Elektrode und die jeweilige Kathoden- Elektrode, abhängig von der Schaltstellung der Mehrzahl von Schaltstellungen, elektrisch mit unterschiedlichen elektrischen Widerständen miteinander zu verbinden. Durch die Möglichkeit mit einem so ausgestalteten Vielfachschalter den Übergang, beispielsweise aus der Kurzschluss-Stellung der Elektroden in eine Isolation-Stellung, über geeignete Abstufungen der Widerstandswerte, d. h. durch eine Segmentierung der Widerstandswerte, kann die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden der Brennstoffzelle geöffnet und geschlossen werden, ohne dass ein Lichtbogen entsteht, der zu Defekten führen kann. Vorteilhafterweise entfällt dadurch auch ein entsprechendes Öffnen oder Schließen eines Kathodenbypasses, das ansonsten notwendig wäre, um, über eine Begrenzung des Oxidationsmittels, den Strom der Brennstoffzelle für ein Öffnen oder Schließen der elektrischen Verbindung der Elektroden zu reduzieren.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Anoden- Elektrode und die Kathoden- Elektrode der jeweiligen Brennstoffzelle, zumindest des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen, eine elektrisch leitfähige Kontaktfläche aufweisen und der Vielfachschalter eingerichtet ist, mit einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Verbindungselementen mechanisch die jeweiligen elektrisch leitfähigen Kontaktflächen zu kontaktieren, um die Anoden- Elektrode mit der Kathoden- Elektrode, der jeweiligen Brennstoffzelle, zumindest des Teils der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks, elektrisch zu verbinden.

Durch einen solchen Aufbau des Vielfachschalters ergibt sich eine kompakte Bauweise, da keine Verkabelung oder elektrische Verbindung zu einem externen Vielfachschalter notwendig ist.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Vielzahl von elektrisch leitfähigen Verbindungselementen des Vielfachschalters jeweils eine Anzahl von unterschiedlichen Sektoren aufweisen, wobei die unterschiedlichen Sektoren, abhängig von der Schalterstellung der Mehrzahl von Schalterstellungen des Vielfachschalters, die elektrisch leitfähige Kontaktfläche der Anoden- Elektrode und der Kathoden- Elektrode der jeweiligen Brennstoffzelle zumindest des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen mechanisch kontaktieren, und die Anzahl von unterschiedlichen Sektoren eingerichtet sind, die elektrisch leitfähige Kontaktfläche der Anoden- Elektrode und der Kathoden- Elektrode der jeweiligen Brennstoffzelle zumindest des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen elektrisch mit unterschiedlichen elektrischen Widerständen miteinander zu verbinden.

Auf diese Weise lässt sich ein Vielfachschalter aufbauen, der individuell für die Brennstoffzellen eines Brennstoffzellen-Stacks elektrische Verbindungen mit den oben beschriebenen Eigenschaften realisiert. Es wird eine mobile Plattform vorgeschlagen, die einen Brennstoffzellen-Stack aufweist und eingerichtet ist, eines der oben beschriebenen Verfahren durchzuführen.

Es wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen. Ein solches Computerprogramm ermöglicht den Einsatz des beschriebenen Verfahrens in unterschiedlichen Systemen.

Es wird ein maschinenlesbares Speichermedium vorgeschlagen, auf dem das oben beschriebene Computerprogramm gespeichert ist.

Eine mobile Plattform kann ein zumindest teilweise automatisiertes System sein, das mobil ist, und/oder ein Fahrerassistenzsystem. Ein Beispiel kann ein zumindest teilweise automatisiertes Fahrzeug bzw. ein Fahrzeug mit einem Fahrerassistenzsystem sein. Das heißt, in diesem Zusammenhang beinhaltet ein zumindest teilweise automatisiertes System eine mobile Plattform in Bezug auf eine zumindest teilweise automatisierte Funktionalität, aber eine mobile Plattform beinhaltet auch Fahrzeuge und andere mobile Maschinen einschließlich Fahrerassistenzsysteme. Weitere Beispiele für mobile Plattformen können Fahrerassistenzsysteme mit mehreren Sensoren, mobile Multisensor- Roboter wie z.B. Roboterstaubsauger oder Rasenmäher, ein Multisensor-Überwachungssystem, eine Fertigungsmaschine, ein Flugzeug, ein Schiff, eine Drohne, ein persönlicher Assistent oder ein Zugangskontrollsystem sein. Jedes dieser Systeme kann ein vollständig oder teilweise autonomes System sein.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 7 näher erläutert. Hierbei zeigt die:

Figur la eine Skizze zu einem Degradationsmechanismus einer Brennstoffzelle;

Figur lb eine Skizze zur Potentialüberhöhung beim Inbetriebsetzen einer Brennstoffzelle;

Figur 2 ein Verfahren zum Inbetriebsetzen eines Brennstoffzellen-Stacks;

Figur 3 einen Ablauf einer Startprozedur zur Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellen-Stacks;

Figur 4 ein Ablaufdiagramm einer Anoden-Befüllung einer Brennstoffzelle;

Figur 5 eine Brennstoffzelle mit einem Vielfachschalter; Figur 6 ein Verbindungselement eines Vielfachschalters; und Figur 7 ein System zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks.

Die Figuren la und lb wurden schon weiter oben beschrieben.

Die Figur 2 skizziert einen Ablauf 200 einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellen-Stacks. Bei Anforderung der Inbetriebsetzung S1 eines Brennstoffzellen-Stacks 514 wird parallel eine Anoden-Befüllung S2 und eine Startprozedur S3 durchgeführt, bevor der Brennstoffzellen-Stack normal betrieben wird S4.

Die Figur 3 skizziert mit einem Ablaufdiagramm 300 einen Ablauf der in Figur 2 beschriebenen Startprozedur S3 eines Brennstoffzellen-Stacks 514. In einem ersten Schritt S21 wird eine elektrische Verbindung der jeweiligen Anoden- Elektrode und der jeweiligen Kathoden- Elektrode des Brennstoffzellen-Stacks 514 geschlossen, sodass ein Strom zwischen der Anoden- Elektrode und der Kathoden- Elektrode der jeweiligen Brennstoffzelle des Brennstoffzellen-Stacks 514 fließen kann.

In einem beispielsweise nachfolgenden Schritt S 22 wird das Oxidationsmittel, das beispielsweise der in der Luft enthaltene Sauerstoff sein kann, in den Kathodenraum zumindest eines Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen eingeleitet. Mit dem Verfahrensschritt S 23 wird überprüft ob die Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks einen Temperatursollwert überschritten hat. Sofern die Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks den Temperatursollwert überschritten hat, kann in dem Verfahren Schritt S24 der Normalbetrieb des Brennstoffzellen- Stacks eingeleitet werden, indem die elektrische Verbindung der Anoden- Elektrode und der Kathoden- Elektrode der jeweiligen Brennstoffzelle des Brennstoffzellen-Stacks 514 geöffnet wird, sodass keine elektrische Verbindung zwischen den beiden Elektroden besteht und den Brennstoffzellen bzw. dem Brennstoffzellen-Stack 514 elektrische Energie entnommen werden kann.

Die Figur 4 skizziert mit dem Ablaufdiagramm 400 die in der Figur 2 beschriebene Anoden-Befüllung S2 des Brennstoffzellen-Stacks 514, die parallel zu der Startprozedur S3 durchgeführt wird.

Dabei wird mit dem Verfahrensschritt S 31 der Brennstoff in den Anodenraum der jeweiligen Brennstoffzelle des Brennstoffzellen-Stacks 514 eingeleitet, indem das Tank- bzw. Anodenabsperrventil und das Purge- und Drainventil geöffnet werden. Mit dem Verfahrensschritt S32 wird geprüft, ob die Brennstoffkonzentration im Anodenraum der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks 514 ausreichend ist. Sofern die Brennstoffkonzentration im Anodenraum der Brennstoffzelle ausreichend hoch ist, wird in dem Verfahrensschritt S33 das Purge- und Drainventil geschlossen, um in den Normalbetrieb des Brennstoffzellen-Stacks 514 übergehen zu können.

In der Figur 5 wird ein System aus einem Brennstoffzellen-Stack 514 mit einem Vielfachschalter 520 skizziert, wobei der Brennstoffzellen-Stack 514, eine Mehrzahl von schichtartig nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen aufweist und wobei jede der Brennstoffzellen jeweils eine Anoden- Elektrode und einer Kathoden- Elektrode zur Entnahme des elektrischen Stroms aufweist. Dabei können die Anoden- Elektrode und die Kathoden- Elektrode der jeweiligen Brennstoffzelle der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks 514 wahlweise mittels eines Vielfachschalters 520 elektrisch verbunden werden.

Der Vielfachschalter 520 kann eine Mehrzahl von Schaltstellungen aufweisen und ist eingerichtet, individuell für jede Brennstoffzelle des Brennstoffzellen- Stacks 514 die jeweilige Anoden- Elektrode und die jeweilige Kathoden- Elektrode, abhängig von einer Schaltstellung der Mehrzahl von Schaltstellungen, elektrisch mit unterschiedlichen elektrischen Widerständen miteinander zu verbinden.

Durch die unterschiedlichen elektrischen Widerstände wird der Strom durch die elektrische Verbindung, abhängig vom Wert des elektrischen Widerstandes, begrenzt.

Dabei bedeutet die wahlweise elektrische Verbindung, dass der Vielfachschalter 520 eingerichtet ist, wahlweise einen elektrischen Kontakt zu schließen oder zu öffnen. D. h. mit einem geschlossenen elektrischen Kontakt einen elektrischen Stromfluss zwischen Elektroden zu ermöglichen bzw. bei einem offenen elektrischen Kontakt einen elektrischen Stromfluss zu unterbinden.

Zur elektrischen Verbindung der jeweiligen Anoden- Elektrode und der Kathoden- Elektrode der jeweiligen Brennstoffzelle der Mehrzahl der Brennstoffzellen weist der Brennstoffzellen-Stack eine Anzahl von elektrisch leitfähigen Kontaktflächen 600 auf. Da die Brennstoffzellen schichtartig nebeneinander angeordnet sind und elektrisch untereinander kontaktiert sind, reicht jeweils ein Kontakt 512 einer sogenannten bipolaren Platte, um einen elektrischen Kontakt zu einer Anoden- Elektrode einer Brennstoffzelle und einer Kathoden- Elektrode der jeweiligen angrenzenden Brennstoffzelle herzustellen. Dabei ist der Vielfachschalter 520 eingerichtet, mit einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Verbindungselementen 600 mechanisch die jeweiligen elektrisch leitfähigen Kontaktflächen 512 zu kontaktieren, um die Anoden- Elektrode mit der Kathoden- Elektrode der jeweiligen Brennstoffzelle der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks 514 elektrisch zu verbinden.

In der Figur 6 ist skizziert, dass die Vielzahl von elektrisch leitfähigen Verbindungselementen 600 des Vielfachschalters 520 jeweils eine Anzahl von unterschiedlichen Sektoren 610, 620, 630, 640, 650 aufweisen, und die unterschiedlichen Sektoren 610, 620, 630, 640, 650 kontaktieren mechanisch, abhängig von der Schalterstellung der Mehrzahl von Schalterstellungen des Vielfachschalters 520, die elektrisch leitfähige Kontaktfläche 512 der jeweiligen Anoden- Elektrode und der jeweiligen Kathoden- Elektrode. Die unterschiedliche Schaltstellung des Vielfachschalters 520 kann durch einen Winkel Phi beschrieben werden, der die Stellung der unterschiedlichen Sektoren 610, 620, 630, 640, 650 des Verbindungselementes 600 zu den Kontaktflächen 512 charakterisiert.

Durch den mechanischen Kontakt der Anzahl von unterschiedlichen Sektoren 610, 620, 630, 640, 650 der Verbindungselemente 600 mit den elektrisch leitfähigen Kontaktflächen 512 der jeweiligen Anoden- Elektrode und der jeweiligen Kathoden- Elektrode, können die jeweilige Anoden- Elektrode und die jeweilige Kathoden- Elektrode mit unterschiedlichen elektrischen Widerständen miteinander verbunden werden.

Die Figur 7 zeigt eine Systemtopologie 700 zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks entsprechend zumindest einiger Aspekte der oben beschriebenen Verfahren. Der Brennstoffzellen -Stack weist eine Kathodenseite 714 mit einem kathodenseitigen Stromanschluss 718 und einer Anodenseite 712 mit einem anodenseitigen Stromanschluss 716 des Brennstoffzellen-Stacks auf. Stromaufwärts wird für die Versorgung der Kathodenseite 714 des Brennstoffzellen-Stacks Luft als Kathodengas aus der Umgebung über einen Luftfilter 721 geführt, um schädliche Partikel und insbesondere schädliche chemische Verbindungen aus der Luft zu filtern. Mittels eines Kathodengas- Kompressors 722, der mit einem Motor angetrieben wird, wird ein Kathodengas- Strom der gefilterten Luft einem Wärmetauscher und/oder Befeuchter 723 zugeführt. Mittels eines steuerbaren Bypassventils 724 kann ein Überschuss im Kathodengas-Strom nach dem Kompressor 722 direkt über ein Ventil 725 an die Umgebung geleitet werden.

In dem Wärmetauscher und/oder Befeuchter 723 wird die komprimierte Luft des Kathodengases mit Wasser angereichert, damit eine Membran von Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks durch die zugeführte komprimierte Luft nicht austrocknet.

Die mittels des Wärmetauschers und/oder Befeuchters 723 mit Wasser angereicherte Luft wird zur Kathodenseite 714 des Brennstoffzellen-Stacks geleitet.

Während des Betriebs des Brennstoffzellen-Stacks wird die Luft des Kathodengas-Stroms, der durch einen Elektroden-Raum der Kathodenseite 714 des Brennstoffzellen-Stacks geführt wird, durch die elektrokatalytische Reaktion von beispielsweise einem Brennstoff wie Wasserstoff mit einem Oxidationsmittel wie dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff, mit Produkt-Wasser angereichert.

Stromabwärts wird der Kathodengas-Strom über ein Abluft-Ventil 725 an die Umgebung des Brennstoffzellen-Stacks abgegeben.

Für eine Kühlung 722 des Brennstoffzellen-Stacks wird ein Kühlmittel stromabwärts des Brennstoffzellen-Stacks über einen Kühler 732 geführt, um Wärme an eine Umgebung abgeben zu können. Dabei kann das Kühlmittel mittels eines Dreiwegeventils über eine Bypassleitung des Kühlers 732 geführt werden, um ohne die Kühlwirkung des Kühlers 732 eine schnellere Erwärmung des Brennstoffzellen-Stacks in einer Anlaufphase erreichen zu können. Stromaufwärts zu dem Brennstoffzellen-Stack wird das Kühlmittel mittels einer Kühlmittel-Pumpe 731 dem Brennstoffzellen-Stack zur Kühlung zugeführt. Damit ist der Kühlkreislauf geschlossen.

Eine Versorgung der Anode 712 des Brennstoffzellen-Stacks mit dem Brennstoff wird stromabwärts des Brennstoffzellen-Stacks mittels eines Wasserstofftanks 741 gewährleistet, der über ein Absperrventil 742 und einen Druckregler 743 mittels einer Jet-Pumpe 744 der Anodenseite 712 des Brennstoffzellen-Stacks zugeführt wird. Ein Überschuss des Brennstoffs kann über die Zirkulationspumpe 745 von einem Ausgang der Anodenseite 712 der Jet-Pumpe 744 wieder zugeführt werden. Im Normalbetrieb kann das Gas des Anodenausgangs der Brennstoffzelle über einen Wasserabscheider 747 und einen Wasserbehälter 748 kontrolliert durch ein Drain-Ventil 749 über das Abluft-Ventil 725 an die Umgebung abgegeben werden. Das Gas des Ausgangs der Anode 712 des Brennstoffzellen-Stacks kann zur Inbetriebsetzung des Brennstoffzellen-Stacks auch über ein Purge-Ventil 746 und das Abluftventil 725 an die Umgebung des Brennstoffzellen-Stacks abgegeben werden.

Der Fachmann erkennt, dass neben den hier dargestellten Topologien des Systems zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks die erfinderische Lehre auch mit anderen Topologien realisiert werden können. Wie beispielsweise mit Luftsystem mit mehrfacher Verdichtung oder einer anderen zur Schaltung von Pumpen und Ventilen.