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Stand der Technik
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Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Basis für ein Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie im Wesentlichen nur Wasser emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, wobei eine Mehrzahl von solchen Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellen-Stack zusammengeschaltet werden, um eine entsprechend hohe Gesamtspannung bzw. Gesamtleistung bereitstellen zu können. Die Edukte Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) werden in elektrische Energie, Wasser (H2O) und Wärme gewandelt.
Beispielsweise PEM-Brennstoffzellen (PEM engl.:„proton-exchange-membran‟; Protonen-Austausch-Membran) können mit der, der Kathode der Brennstoffzelle zugeführten, Luft mit Sauerstoff als Oxidationsmittel und dem, der Anode der Brennstoffzelle zugeführten, Wasserstoff als Brennstoff in einem elektrokatalytischen Elektrodenprozess betrieben werden, um elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad bereitzustellen. Brennstoffzellensysteme mit PEM-Brennstoffzellen sind bereits in ersten Serienanwendungen am Markt und haben ein großes Potential eine maßgebliche Rolle bei der Energie- und Verkehrswende zu spielen.
Die elektrochemischen Reaktionen solcher Brennstoffzellen werden typischerweise durch Platin katalysiert. Dazu können kleine Platinpartikel auf einem porösen Kohlenstoffträger aufgetragen werden.
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Eine effektive Methode um einen Brennstoffzellen-Stack schnell zu starten, und dies insbesondere bei Temperaturen unter 0°C, ist der sogenannte Kurzschlussstart. Dabei werden die Anschlüsse des Brennstoffzellen-Stack kurzgeschlossen, so dass die höchstmögliche Leistung entnommen wird, womit eine entsprechende höchstmögliche Wärmeleistung auftritt, um ein Einfrieren des produzierten Wassers bei diesen Betriebsbedingungen zu verhindern.
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Offenbarung der Erfindung
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Die 1 skizziert eine örtlich abhängige Sauerstoffkonzentration c (110) von einem Eingangsanschluss (112) zu einem Auslass (114) eines Kathodenraumes einer Brennstoffzelle, so wie eine örtlich abhängige Stromdichte i (120) innerhalb einer Brennstoffzelle unter normalen Betriebsbedingungen.
Dabei ist die Kathode der Brennstoffzelle so mit Sauerstoff versorgt, dass die Sauerstoffkonzentration zwischen dem Eingangsanschluss und dem Auslass gleichmäßig abnimmt.
Daraus resultiert eine homogene elektrische Stromdichte i (120), da über die gesamte Zellenfläche die gleiche Menge Sauerstoff pro Fläche verbraucht wird.
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Die 2 skizziert wie bei einem Kurzschluss über einer Brennstoffzelle die Stromdichte i (210) und die Sauerstoffkonzentration c (220) zwischen dem Eingangsanschluss (112) und dem Auslass (114) des Kathodenraums der Brennstoffzelle verläuft. Wegen des geringen äußeren elektrischen Widerstandes aufgrund des Kurzschlusses und eines Überschusses an Sauerstoff steigt die elektrische Stromdichte im Eintrittsbereich der Kathode stark an, wodurch die angebotene Sauerstoffmenge schnell verbraucht wird. Dabei entsteht lokal sehr viel Wärme und Wasser.
Im stromabwärts liegenden Bereich der Zelle findet daher keine Brennstoffzellenreaktion statt, sondern ein Wasserstoffpumpenbetrieb, der in dem stromabwärts liegenden Teil der Kathode Wasserstoff und wenig Wärme entstehen lässt. Nachteilig bei dieser schnellen Wärmeerzeugung mit inhomogenem Verlauf ist:
- - Wasserstoffemissionen im Auspuff, die durch zusätzliche Maßnahmen wie beispielsweise einen Bypass von Kathodenluft zur Verdünnung des Wasserstoffs erfordern.
- - Lokale Überströme im Stack, die nicht regelbar sind, was zu lokalen Überhitzungen und Beschädigungen führen kann.
- - Wärmeerzeugung vornehmlich im Einlassbereich der Brennstoffzellen.
- - Vereisungsgefahr innerhalb der Brennstoffzelle, da das produzierte Wasser mit dem Luftmassenstrom stromabwärts transportiert wird, der noch nicht ausreichend erwärmt wurde.
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Entsprechend einem Aspekt wird ein Verfahren zum Inbetriebsetzen eines Brennstoffzellen-Stack, ein Brennstoffzellen-Stack-System, eine mobile Plattform, und ein Computerprogramm entsprechend den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen, die zumindest zum Teil die beschriebenen Aufgaben lösen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Inbetriebsetzen eines Brennstoffzellen-Stack vorgeschlagen, der eine Mehrzahl von schichtartig nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen aufweist, die jeweils eine Anoden-Elektrode und eine Kathoden-Elektrode aufweisen. In einem Schritt des Verfahrens wird eine elektrische Verbindung der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode, zumindest des Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks, geschlossen.
In einem weiteren Schritt wird ein Brennstoff in einen jeweiligen Anodenraum zumindest eines Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen eingeleitet. In einem weiteren Schritt wird ein Oxidationsmittel in einen jeweiligen Kathodenraum zumindest des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen eingeleitet. In einem weiteren Schritt wird die elektrische Verbindung der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode zumindest des Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks alternierend geöffnet und geschlossen, um eine Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks zu erhöhen. In einem weiteren Schritt wird eine Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks während des alternierenden Öffnens und Schließens der elektrischen Verbindung der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks bestimmt. In einem weiteren Schritt wird die elektrische Verbindung der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks geöffnet, sofern die gemessene Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks einen Temperatursollwert überschritten hat, um dann einen Normalbetrieb des Brennstoffzellen-Stacks einzuleiten.
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Dabei ist der Normalbetrieb des Brennstoffzellen-Stacks dadurch gekennzeichnet, dass der Stack elektrische Leistung an einen Verbraucher liefert, wie beispielsweise an ein Fahrzeug. D. h., im Normalbetrieb bleibt die elektrische Verbindung offen.
Bei dem alternierenden Öffnen und Schließen der elektrischen Verbindung fließt im geöffneten Zustand kein Strom und im geschlossenen Zustand fließt ein Kurzschlussstrom.
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Durch dieses Verfahren wird eine stetige Erwärmung sowohl der vereisungssensitiven Komponenten des Brennstoffzellen-Stacks, als auch des Kühlmediums des Brennstoffzellen-Stacks sichergestellt.
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Durch den zellenindividuellen Kurzschluss beim Schließen der elektrischen Verbindung werden in diesem Kurzschlussbetrieb negative Zellenspannungen verhindert, und somit ansonsten auftretende irreversible Degradation unterbunden. Zusätzlich wird die elektrische Stromdichte und die Wärmeerzeugung in den Zellen homogenisiert. Die Wasserstoffemissionen werden reduziert, lokale Überströme, d. h. sehr hohe lokale Stromdichten, werden verhindert und die Eisbildung im Austrittsbereich der Kathode wird verhindert.
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Somit kann mit diesem Verfahren sowohl die Temperatur des Stacks, als auch die Kühlmitteltemperatur, möglichst schnell und robust auf die jeweiligen Zielwerte eingestellt werden. Dabei erfolgt eine stetige Erwärmung sowohl der vereisungssensitiven Komponenten des Brennstoffzellen-Stacks, als auch des Kühlmediums.
Die Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks kann stromabwärts beispielsweise am Kathoden-Ausgang im entsprechenden Gasstrom gemessen werden oder an einer anderen Stelle, um möglichst genau eine Membran-Temperatur der Brennstoffzellen zu bestimmen.
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Denn zusätzlich zu dem Stack an sich, d. h. den Bipolarplatten und den Membranelektrodeneinheiten (MEAs), muss beim Kaltstart auch zumindest ein Teil des gesamten Kühlkreises mitsamt dem darin enthaltenen Kühlmittel aufgeheizt werden. Wird das Kühlmittel stark umgewälzt, verzögert sich die Erwärmung des Stacks entsprechend.
Da das Kühlmittel bei tiefen Temperaturen hoch viskos ist und somit die Umwälzung erschwert ist, resultiert ein entsprechender Energieverbrauch für den Betrieb der Pumpe. Andererseits besteht bei unzureichender Umwälzung die Gefahr, dass sich innerhalb des Stacks Hotspots bilden, die irreversible Schäden verursachen können. Die stetige Erwärmung dieses Verfahrens kann dies vermeiden.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass eine Häufigkeit des alternierenden Öffnens und Schließens der elektrischen Verbindung der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode zumindest des Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks abhängig vom Sauerstoffpartialdruck des Kathodenraums ist.
Dabei kann die Häufigkeit eine Periodizität, d. h. ein Öffnen und Schließen pro Zeiteinheit, angeben die gleichmäßig ist oder das jeweilige Öffnen bzw. Schließen kann direkt vom Sauerstoffpartialdruck abhängen. Dieser Sauerstoffpartialdruck kann beispielsweise stromabwärts am Ausgang des Kathodenraumes gemessen werden.
Durch das Bestimmen des Sauerstoffpartialdrucks kann das alternierende Öffnen und Schließen der elektrischen Verbindung optimiert werden.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass beim alternierenden Öffnen und Schließen der elektrischen Verbindung die elektrische Verbindung nach jedem Schließen so lange geschlossen bleibt, bis ein Sauerstoffpartialdruck im Kathodenraum, zumindest des Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks auf einen vordefinierten Minimalwert gefallen ist.
Damit kann sichergestellt werden, dass der Kurzschlussstrom nur so lange fließt wie ausreichend Sauerstoff in den Brennstoffzellen vorhanden ist.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass beim alternierenden Öffnen und Schließen der elektrischen Verbindung die elektrische Verbindung nach jedem Öffnen so lange geöffnet bleibt bis der Sauerstoffpartialdruck im Kathodenraum, zumindest des Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks, auf einen vordefinierten Maximalwert gestiegen ist. Bei einem Luftdruck von 2 bar kann das beispielsweise ein Sauerstoffpartialdruck von ca. 400 mbar sein.
Dadurch wird der Sauerstoffpartialdruck in dem Kathodenraum der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks homogenisiert.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass beim alternierenden Öffnen und Schließen der elektrischen Verbindung ein Strom, der über die elektrische Verbindung fließt, vom geschlossenen Zustand zum offenen Zustand und/oder vom offenen Zustand zum geschlossenen Zustand, auf zumindest einen Stromwert begrenzt wird, wobei der zumindest eine Stromwert zwischen einem Kurzschluss-Stromwert im geschlossenen Zustand und einem Isolations-Stromwert im offenen Zustand der elektrischen Verbindung liegt.
Diese Begrenzung des Stromwertes kann auch auf weitere Stromwerte erweitert werden, um zu erreichen, dass beim Umschalten kein Lichtbogen entsteht. Diese Begrenzung auf unterschiedliche Stromwerte kann durch verschiedene Widerstände jeweils beim Öffnen oder Schließen der elektrischen Verbindung erreicht werden, indem die elektrische Verbindung selbst so eingerichtet wird, dass verschiedene Widerstände beim Öffnen oder Schließen der elektrischen Verbindung sukzessive durchlaufen werden.
Zur Verhinderung von Lichtbögen beim Öffnen oder Schließen der elektrischen Verbindung kann beispielsweise der Vielfachschalter so ausgebildet sein und mit den Kontaktflächen so zusammenwirken, dass in einzelnen Schalterpositionen des Vielfachschalters die elektrische Verbindung sukzessive Widerstände im Bereich von einem Milliohm, einem Ohm, einem kOhm und einem MOhm aufweist.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die jeweilige Anoden-Elektrode und die jeweilige Kathoden-Elektrode zumindest des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks wahlweise mittels eines Vielfachschalters elektrisch verbunden werden.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Vielfachschalter eine erste und zumindest eine zweite Schaltstellung aufweist, und eingerichtet ist, in der ersten Schaltstellung die jeweilige Anoden-Elektrode und die jeweilige Kathoden-Elektrode zumindest des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks elektrisch miteinander zu verbinden und in der zweiten Schaltstellung die jeweilige Anoden-Elektrode und die jeweilige Kathoden-Elektrode des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks elektrisch gegeneinander zu isolieren.
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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.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die jeweilige Anoden-Elektrode und die jeweilige Kathoden-Elektrode 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 jeweilige Anoden-Elektrode mit der jeweiligen Kathoden-Elektrode zumindest des Teils der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks elektrisch zu verbinden.
Durch eine solche Anordnung des Vielfachschalters und der Kontaktflächen des Brennstoffzellen-Stacks kann eine kompakte Bauform erreicht werden, die ohne eine zusätzliche Verkabelung die notwendigen elektrischen Verbindungen der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode bereitstellt.
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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 jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode zumindest des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen mechanisch kontaktieren, und die Anzahl von unterschiedlichen Sektoren eingerichtet sind, die elektrisch leitfähige Kontaktfläche der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode zumindest des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen elektrisch mit unterschiedlichen elektrischen Widerständen miteinander zu verbinden.
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Mit anderen Worten ermöglicht dieses Zusammenwirken eines Vielfachschalters und eines Brennstoffzellen-Stacks aufgrund der gestuften Widerstandsänderung ein Öffnen bzw. Schließen der elektrischen Verbindung ohne weitere Maßnahmen.
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Damit ermöglicht der Vielfachschalter das alternierende Öffnen und Schließen der elektrischen Verbindung zu gewährleisten und dabei durch die unterschiedlichen elektrischen Widerstände, die so abgestuft sein können, dass bei dem Umschalten zwischen dem Öffnen und Schließen und/oder dem Schließen und Öffnen kein schädigender Lichtbogen auftritt.
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Es wird eine mobile Plattform angegeben, die einen Brennstoffzellen-Stack aufweist und eingerichtet ist eines der oben beschriebenen Verfahren durchzuführen. Damit profitiert die mobile Plattform von dem schonenden und schnellen Verfahren zur Inbetriebsetzung des Brennstoffzellen-Stacks.
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Es wird ein Computerprogramm angegeben, 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.
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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.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der 1 bis 7 näher erläutert. Hierbei zeigt die:
- 1 ein Diagramm zum Verlauf des Sauerstoffpartialdrucks im Normalbetrieb;
- 2 ein Diagramm zum Verlauf des Sauerstoffpartialdrucks im Kurzschluss;
- 3 ein Diagramm zum Verlauf des Sauerstoffpartialdrucks entsprechend dem Verfahren;
- 4a einen zeitlichen Verlauf des Sauerstoffpartialdrucks und des Zellenstroms;
- 4b einen zeitlichen Verlauf des Widerstandes der elektrischen Verbindung;
- 5 ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens;
- 6 ein Brennstoffzellen-Stack mit einem Vielfachschalter; und
- 7 ein rotationssymmetrisches Verbindungselement mit Segmenten.
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Die 1 und die 2 sind schon weiter oben beschrieben worden.
Die 5 skizziert ein Verfahren 500 zum Inbetriebsetzen eines Brennstoffzellen-Stacks 640, der eine Mehrzahl von schichtartig nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen aufweist, die jeweils eine Anoden-Elektrode und eine Kathoden-Elektrode aufweisen. In einem Schritt S1 des Verfahrens 500 wird eine elektrische Verbindung der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode zumindest des Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks 640 geschlossen.
In einem weiteren Schritt S2 wird ein Brennstoff in einen jeweiligen Anodenraum zumindest eines Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen eingeleitet. In einem weiteren Schritt S3 wird ein Oxidationsmittel in einen jeweiligen Kathodenraum zumindest des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen eingeleitet. In einem weiteren Schritt S4 wird die elektrische Verbindung der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode zumindest des Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks alternierend geöffnet und geschlossen, um eine Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks zu erhöhen. In einem weiteren Schritt S5 wird eine Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks während des alternierenden Öffnens und Schließens der elektrischen Verbindung der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks bestimmt. In einem weiteren Schritt S6 wird die elektrische Verbindung der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks geöffnet, sofern die gemessene Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks einen Temperatursollwert überschritten hat, um dann einen Normalbetrieb des Brennstoffzellen-Stacks einzuleiten.
Dazu wird im Schritt S5 jeweils geprüft ob die Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks den Temperatursollwert von beispielsweise 0 °C überschreitet. Wenn das nicht der Fall ist wird die elektrische Verbindung weiterhin alternierend geöffnet und geschlossen S4.
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Mit anderen Worten wird im (Gefrier-)Start eine zellenindividuelle Kurzschlussvorrichtung wie der Vielfachschalter so bewegt, dass sie zwischen der Position „open circuit“ und Kurzschluss alterniert. Dies kann abhängig von der Ausgestaltung eines Vielfachschalters durch eine kontinuierliche Rotation bzw. durch eine Hin- und Her-Bewegung der Kurzschlussvorrichtung erfolgen. Eine Rotation der Kurzschlussvorrichtung kann anstelle kontinuierlicher Rotation sich durch eine alternierende Rotation in Uhrzeiger- und Gegenuhrzeigerrichtung kennzeichnen. Durch die Segmentierung von Verbindungselementen der Vorrichtung kann der Widerstand gestaffelt verändert werden, um Lichtbögen bei diesen Schaltvorgängen zu verhindern.
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In den weiteren skizzierten Schritten der 5 werden weitere periphere Aggregate des Brennstoffzellen-Stacks 640 temperaturabhängig gesteuert. In dem Schritt S7 wird geprüft ob die Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks 640 größer als ein dritter Temperatursollwert ist. Wenn das der Fall ist (Y), wird die Kühlkreislaufpumpe eingeschaltet S10 und eine Geschwindigkeit der Kühlkreislaufpumpe abhängig von einer zeitlichen Änderung der Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks 640 gesteuert. Wenn die Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks 640 kleiner als der dritte Temperatursollwert ist (N) wird geprüft, ob die Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks 640 kleiner als ein zweiter Temperatur Sollwert ist S8. Ist dies nicht der Fall (N), wird dieser Teil des Verfahrens mit dem Schritt S10 fortgesetzt, d. h., dass die Kühlmittelpumpe eingeschaltet wird. Wenn in diesem Schritt S8 die Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks 640 kleiner als die zweite Solltemperatur ist (Y), wird die Kühlmittelpumpe ausgeschaltet und das Verfahren mit dem Schritt S7 fortgesetzt. In dem Schritt S11 wird geprüft ob eine Temperatur des Kühlmittels größer als ein vierter Sollwert ist. Wenn dies der Fall ist (Y), wird die Kühlmittelpumpe entsprechend einer Solltemperatur für den Brennstoffzellen-Stack geregelt S12. Wenn in dem Schritt S11 die Temperatur des Kühlmittels nicht größer als ein vierter Sollwert ist (N) wird das Verfahren mit dem Schritt S7 fortgesetzt.
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In der 4b wird ein Verlauf eines Widerstandswertes der elektrischen Verbindung über der Zeit dargestellt, um den in der elektrischen Verbindung fließenden Strom zu begrenzen. Es ist zu erkennen, dass der elektrische Widerstand der elektrischen Verbindung mit zwei Zwischenwerten zwischen dem geöffneten Zustand, in dem die Elektroden isoliert sind und dem geschlossenen Zustand mit einem Widerstand nahe Null periodisch wiederholt wird.
Durch diese Begrenzung des Stroms, der durch die elektrische Verbindung mittels verschiedener Widerstandswerte fließt, wird beim alternierenden Öffnen und Schließen der elektrischen Verbindung ein Strom, der über die elektrische Verbindung fließt, vom geschlossenen Zustand zum offenen Zustand und/oder vom offenen Zustand zum geschlossenen Zustand, auf zwei Stromwerte begrenzt, wobei der zumindest eine Stromwert zwischen dem Kurzschluss-Stromwert im geschlossenen Zustand und einem Isolations-Stromwert im offenen Zustand der elektrischen Verbindung erreicht.
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Diese Begrenzung des Stromwertes kann auch auf weitere Stromwerte erweitert werden, um zu erreichen, dass beim Umschalten kein Lichtbogen entsteht.
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Wobei die Abstufung der Wiederstandswerte auch stufenlos eingerichtet sein kann. Diese Begrenzung auf unterschiedliche Stromwerte kann durch verschiedene Widerstände erreicht werden, so dass jeweils beim Öffnen oder Schließen der elektrischen Verbindung durch die Einrichtung bzw. dem Aufbau der elektrischen Verbindung selbst, unterschiedliche Widerstände seriell durchlaufen werden.
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Mit anderen Worten zeigt die 4b einen zeitlichen Ablauf 400 des beschriebenen Verfahrens, wobei der Widerstand 460 der Kurzschlussvorrichtung angezeigt wird: er variiert vom hohen Widerstand (Isolation; „open circuit“) über 2 oder mehrere Stufen zum Kurzschlusswiderstand und zurück.
Die 4a stellt den resultierenden Stromverlauf 420 für einen konstanten Luftmassenstrom 410 dar: im „open circuit“-Betrieb ist der Strom i Null. Er steigt mit der gestaffelten Abnahme des Widerstandes R bis zum maximalen Wert und fällt wieder bei der Erhöhung des Widerstandes R. Im „open circuit“-Betrieb steigt die Sauerstoffkonzentration c 430 in den Brennstoffzellen, da er nicht verbraucht wird. In der Kurzschlussphase nimmt er im hinteren Bereich der Brennstoffzellen auf Grund des Verbrauches bis Null ab.
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In der 4a wird ein Verlauf des elektrischen Stroms i 420 und des Sauerstoffpartialdrucks c 430 am stromabwärts gelegenen Ausgang des Kathodenraums dargestellt. Dabei ist der Luftmassenstrom 410 konstant. Wenn, wie am Anfang von dem Diagramm 4b, für eine gewisse Zeit der Widerstand hoch ist, resultiert daraus ein ansteigender Sauerstoffpartialdruck 430. Sobald der Widerstand gegebenenfalls in Stufen gesenkt wird, steigt der Strom 420 durch die elektrische Verbindung und der Sauerstoffpartialdruck 430 kann bis auf null sinken. Diese Verfahrensschritte können periodisch wiederholt werden indem das Öffnen und das Schließen der elektrischen Verbindung alternierend durchlaufen werden.
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Die Häufigkeit des Öffnens und Schließens der elektrischen Verbindung muss so gewählt werden, dass im „open circuit“-Betrieb die Sauerstoffkonzentration im hinteren Bereich der Zellen bis ca. 21% Sauerstoffkonzentration zunimmt. Auf der anderen Seite soll die Kurzschlussphase solange andauern, bis die Sauerstoffkonzentration im hinteren Bereich der Zellen bis ca. 0% abnimmt.
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Die 3 skizziert in einem Diagramm eine örtliche Verteilung des Sauerstoffpartialdrucks in einer Brennstoffzelle. Dazu ist der Sauerstoffpartialdruck c, 310, 330 und die elektrische Stromdichte i, 320, einer Brennstoffzelle über einen örtlichen Verlauf mit einem Einlass 112 und einem Auslass 114 eines Kathoden-Raumes einer Brennstoffzelle aufgetragen, wobei dieser Verlauf nahezu homogen über eine Länge des Kathoden-Raumes verteilt ist. Solange die elektrische Verbindung geschlossen wird, wird der Sauerstoffpartialdruck, der vor dem Kurzschlussbetrieb der Brennstoffzelle einen Maximalwert aufweist 310, der im Laufe der Zeit auf einen niedrigen Wert 330 verringert oder geht sogar auf die Konzentration null zurück.
Damit zeigt insbesondere die 3, dass das beschriebene Verfahren eine homogenere Verteilung sowohl des Oxidationsmittels c als auch des elektrischen Stroms i zur Folge hat.
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Die 6 skizziert einen Brennstoffzellen-Stack 640, der eine Mehrzahl von schichtartig nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen aufweist und wobei jede der Brennstoffzellen jeweils eine Anoden-Elektrode und eine Kathoden-Elektrode zur Entnahme des elektrischen Stroms aufweist. Dabei können die jeweilige Anoden-Elektrode und die jeweilige Kathoden-Elektrode der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks 640 wahlweise mittels eines Vielfachschalters 620 elektrisch verbunden werden.
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Der Vielfachschalter 620 weist eine Mehrzahl von Schaltstellungen auf und ist eingerichtet, individuell für jede Brennstoffzelle des Brennstoffzellen-Stacks 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.
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Zur elektrischen Verbindung der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode der Mehrzahl der Brennstoffzellen weist der Brennstoffzellen-Stack eine Anzahl von elektrisch leitfähigen Kontaktflächen 630 auf. Da die Brennstoffzellen schichtartig nebeneinander angeordnet sind und elektrisch untereinander kontaktiert sind, reicht jeweils ein Kontakt 630 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 620 eingerichtet, mit einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Verbindungselementen 700 mechanisch die jeweiligen elektrisch leitfähigen Kontaktflächen 630 zu kontaktieren, um die jeweilige Anoden-Elektrode mit der jeweiligen Kathoden-Elektrode der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks 640 elektrisch zu verbinden.
Dazu weisen die Vielzahl von elektrisch leitfähigen Verbindungselementen 710 des Vielfachschalters 620 jeweils eine Anzahl von unterschiedlichen Sektoren 710a, 710b, 710c, 710d, 710e auf, und die unterschiedlichen Sektoren 710a, 710b, 710c, 710d, 710e kontaktieren mechanisch, abhängig von der Schalterstellung der Mehrzahl von Schalterstellungen des Vielfachschalters 620, die elektrisch leitfähige Kontaktfläche 630 der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden- Elektrode.
Durch den mechanischen Kontakt der Anzahl von unterschiedlichen Sektoren 710a, 710b, 710c, 710d, 710e der Verbindungselemente 710 mit den elektrisch leitfähigen Kontaktflächen 630 der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode, können die jeweiligen Anoden-Elektrode und die jeweilige Kathoden-Elektrode mit unterschiedlichen elektrischen Widerständen miteinander verbunden werden.