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DE102019215900A1 - Method for commissioning a fuel cell stack - Google Patents

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DE102019215900A1
DE102019215900A1 DE102019215900.1A DE102019215900A DE102019215900A1 DE 102019215900 A1 DE102019215900 A1 DE 102019215900A1 DE 102019215900 A DE102019215900 A DE 102019215900A DE 102019215900 A1 DE102019215900 A1 DE 102019215900A1
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DE
Germany
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fuel cell
cell stack
fuel cells
electrical connection
anode electrode
Prior art date
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DE102019215900.1A
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German (de)
Inventor
Helerson Kemmer
Matthias Rink
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Inbetriebsetzen eines Brennstoffzellen-Stacks, der eine Mehrzahl von schichtartig nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen aufweist vorgeschlagen, die jeweils eine Anoden-Elektrode und eine Kathoden-Elektrode aufweisen, mit den Schritten:Schließen einer elektrischen Verbindung (S1) der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode zumindest des Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks;Einleiten eines Brennstoffs (S2) in einen jeweiligen Anodenraum zumindest eines Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen;Einleiten eines Oxidationsmittels (S3) in einen jeweiligen Kathodenraum zumindest des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen;Alternierendes Öffnen und Schließen (S4) der elektrischen Verbindung der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode zumindest des Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks, zur Erhöhung einer Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks;Bestimmen einer Temperatur (S5) 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;Öffnen der elektrischen Verbindung (S6) der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks, sofern die gemessene Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks einen Temperatursollwert überschritten hat, um einen Normalbetrieb des Brennstoffzellen-Stacks einzuleiten.A method is proposed for putting a fuel cell stack into operation, which has a plurality of fuel cells arranged next to one another in layers, each having an anode electrode and a cathode electrode, with the following steps: closing an electrical connection (S1) of the respective anode Electrode and the respective cathode electrode of at least part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack; introduction of a fuel (S2) into a respective anode compartment of at least a part of the plurality of fuel cells; introduction of an oxidizing agent (S3) into a respective cathode compartment of at least the portion the plurality of fuel cells; alternating opening and closing (S4) of the electrical connection of the respective anode electrode and the respective cathode electrode at least that part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack, for increasing a temperature of the fuel cell stack; determination en a temperature (S5) of the fuel cell stack during the alternating opening and closing of the electrical connection of the respective anode electrode and the respective cathode electrode of the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack; opening of the electrical connection (S6) of the respective Anode electrode and the respective cathode electrode of the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack, provided that the measured temperature of the fuel cell stack has exceeded a temperature setpoint in order to initiate normal operation of the fuel cell stack.

Description

Stand der TechnikState of the art

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.Hydrogen-based fuel cells are considered to be the basis for a mobility concept of the future, as they essentially only emit water and enable fast refueling times. Fuel cells are electrochemical energy converters, a plurality of such fuel cells being interconnected to form a fuel cell stack in order to be able to provide a correspondingly high total voltage or total power. The starting materials hydrogen (H2) and oxygen (02) are converted into electrical energy, water (H2O) and heat.
For example, PEM fuel cells (PEM: “proton exchange membrane”; proton exchange membrane) can use the air supplied to the cathode of the fuel cell with oxygen as the oxidizing agent and the hydrogen supplied to the anode of the fuel cell as fuel operated in an electrocatalytic electrode process in order to provide electrical energy with a high degree of efficiency. Fuel cell systems with PEM fuel cells are already on the market in their first series applications and have great potential to play a decisive role in the energy and transport transition.
The electrochemical reactions of such fuel cells are typically catalyzed by platinum. For this purpose, small platinum particles can be applied to a porous carbon support.

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.An effective method to start a fuel cell stack quickly, especially at temperatures below 0 ° C, is the so-called short-circuit start. The connections of the fuel cell stack are short-circuited so that the highest possible power is drawn, which means that the highest possible heat output occurs in order to prevent the water produced from freezing under these operating conditions.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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.The 1 sketches a locally dependent oxygen concentration c ( 110 ) from an input port ( 112 ) to an outlet ( 114 ) of a cathode compartment of a fuel cell, as well as a locally dependent current density i ( 120 ) inside a fuel cell under normal operating conditions.
The cathode of the fuel cell is supplied with oxygen in such a way that the oxygen concentration between the inlet connection and the outlet decreases evenly.
This results in a homogeneous electrical current density i ( 120 ), because the same amount of oxygen per area is consumed over the entire cell area.

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.
The 2 sketches the current density i (210) and the oxygen concentration c (220) between the input connection ( 112 ) and the outlet ( 114 ) of the cathode compartment of the fuel cell. Because of the low external electrical resistance due to the short circuit and an excess of oxygen, the electrical current density increases sharply in the entry area of the cathode, which means that the amount of oxygen available is quickly consumed. This creates a lot of heat and water locally.
In the downstream area of the cell, therefore, no fuel cell reaction takes place, but rather a hydrogen pump operation, which generates hydrogen and little heat in the downstream part of the cathode. The disadvantage of this rapid heat generation with an inhomogeneous course is:
  • - Hydrogen emissions in the exhaust, which require additional measures such as a bypass of cathode air to dilute the hydrogen.
  • - Local overcurrents in the stack that cannot be regulated, which can lead to local overheating and damage.
  • - Heat generation primarily in the inlet area of the fuel cells.
  • - Risk of freezing inside the fuel cell, as the water produced is transported downstream with the air mass flow that has not yet been sufficiently heated.

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.According to one aspect, a method for putting a fuel cell stack into operation, a fuel cell stack system, a mobile platform, and a computer program according to the features of the independent claims are proposed, which at least in part achieve the tasks described. Advantageous configurations are the subject matter of the dependent claims and the following description.

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.According to one aspect, a method for putting a fuel cell stack into operation is proposed, which has a plurality of fuel cells arranged next to one another in layers, each having an anode electrode and a cathode electrode. In one step of the method, an electrical connection between the respective anode electrode and the respective cathode electrode, at least that part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack, is closed.
In a further step, a fuel is introduced into a respective anode space of at least a part of the plurality of fuel cells. In a further step, an oxidizing agent is in introduced a respective cathode compartment of at least the part of the plurality of fuel cells. In a further step, the electrical connection of the respective anode electrode and the respective cathode electrode of at least the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack is alternately opened and closed in order to increase a temperature of the fuel cell stack. In a further step, a temperature of the fuel cell stack is determined during the alternating opening and closing of the electrical connection of the respective anode electrode and the respective cathode electrode of the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack. In a further step, the electrical connection of the respective anode electrode and the respective cathode electrode of the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack is opened if the measured temperature of the fuel cell stack has exceeded a temperature setpoint, in order to then normal operation of the fuel cell -Initiate stacks.

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.The normal operation of the fuel cell stack is characterized in that the stack supplies electrical power to a consumer, such as a vehicle. In other words, the electrical connection remains open during normal operation.
With the alternating opening and closing of the electrical connection, no current flows in the open state and a short-circuit current flows in the closed state.

Durch dieses Verfahren wird eine stetige Erwärmung sowohl der vereisungssensitiven Komponenten des Brennstoffzellen-Stacks, als auch des Kühlmediums des Brennstoffzellen-Stacks sichergestellt.This process ensures constant heating of both the icing-sensitive components of the fuel cell stack and the cooling medium of the fuel cell stack.

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.Due to the cell-specific short circuit when the electrical connection is closed, negative cell voltages are prevented in this short-circuit operation, and irreversible degradation that would otherwise occur is prevented. In addition, the electrical current density and the generation of heat in the cells are homogenized. The hydrogen emissions are reduced, local overcurrents, i. H. very high local current densities are prevented and the formation of ice in the exit area of the cathode is prevented.

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.With this method, both the temperature of the stack and the coolant temperature can be set to the respective target values as quickly and robustly as possible. The icing-sensitive components of the fuel cell stack as well as the cooling medium are continuously heated.
The temperature of the fuel cell stack can be measured downstream, for example at the cathode outlet in the corresponding gas flow, or at another point in order to determine a membrane temperature of the fuel cells as precisely as possible.

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.Because in addition to the stack itself, ie the bipolar plates and the membrane electrode units (MEAs), at least part of the entire cooling circuit including the coolant contained therein must also be heated up during a cold start. If the coolant is circulated strongly, the heating of the stack is delayed accordingly.
Since the coolant is highly viscous at low temperatures and thus circulation is difficult, the result is a corresponding energy consumption for operating the pump. On the other hand, if there is insufficient circulation, there is a risk that hotspots will form within the stack, which can cause irreversible damage. The constant heating of this process can avoid this.

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.According to one aspect, it is proposed that the frequency of the alternating opening and closing of the electrical connection of the respective anode electrode and the respective cathode electrode of at least the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack is dependent on the oxygen partial pressure of the cathode space.
The frequency can indicate a periodicity, ie opening and closing per unit of time, which is uniform, or the respective opening or closing can depend directly on the oxygen partial pressure. This oxygen partial pressure can, for example, be measured downstream at the exit of the cathode space.
By determining the oxygen partial pressure, the alternating opening and closing of the electrical connection can be optimized.

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.According to one aspect, it is proposed that when the electrical connection is alternately opened and closed, the electrical connection remains closed after each closing until an oxygen partial pressure in the cathode space of at least some of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack has fallen to a predefined minimum value.
This ensures that the short-circuit current only flows as long as there is sufficient oxygen in the fuel cells.

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.According to one aspect, it is proposed that when the electrical connection is alternately opened and closed, the electrical connection remains open after each opening until the oxygen partial pressure in the cathode compartment, at least in part of the majority of the fuel cells in the fuel cell stack, has risen to a predefined maximum value. At an air pressure of 2 bar this can be, for example, an oxygen partial pressure of approx. 400 mbar.
As a result, the oxygen partial pressure in the cathode compartment of the fuel cells of the fuel cell stack is homogenized.

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.According to one aspect, it is proposed that during the alternating opening and closing of the electrical connection, a current that flows via the electrical connection, from the closed state to the open state and / or from the open state to the closed state, is limited to at least one current value, the at least one current value lies between a short-circuit current value in the closed state and an insulation current value in the open state of the electrical connection.
This limitation of the current value can also be extended to other current values in order to ensure that no arcing occurs when switching over. This limitation to different current values can be achieved by different resistances when opening or closing the electrical connection, in that the electrical connection itself is set up in such a way that different resistances are successively passed through when opening or closing the electrical connection.
To prevent arcing when opening or closing the electrical connection, for example, the multiple switch can be designed and interact with the contact surfaces in such a way that, in individual switch positions of the multiple switch, the electrical connection has successive resistances in the range of one milliohm, one ohm, one kOhm and one MOhm having.

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.According to one aspect, it is proposed that the respective anode electrode and the respective cathode electrode at least of the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack are optionally electrically connected by means of a multiple switch.

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.According to one aspect, it is proposed that the multiple switch has a first and at least one second switch position and is set up to electrically connect the respective anode electrode and the respective cathode electrode to at least part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack in the first switch position to connect and to electrically isolate the respective anode electrode and the respective cathode electrode of the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack from one another in the second switching position.

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.According to one aspect, it is proposed that the multiple switch has a plurality of switch positions and is set up, individually for each fuel cell of at least the part of the fuel cell stack, the respective anode electrode and the respective cathode electrode, depending on the switch position of the plurality of switch positions, to be electrically connected to each other with different electrical resistances.

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.According to one aspect, it is proposed that the respective anode electrode and the respective cathode electrode have an electrically conductive contact surface at least in part of the plurality of fuel cells and the multiple switch is set up to mechanically close the respective electrically conductive contact surfaces with a plurality of electrically conductive connecting elements contact in order to electrically connect the respective anode electrode to the respective cathode electrode of at least the part of the fuel cells of the fuel cell stack.
Such an arrangement of the multiple switch and the contact surfaces of the fuel cell stack can achieve a compact design which provides the necessary electrical connections of the respective anode electrode and the respective cathode electrode without additional cabling.

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.According to one aspect, it is proposed that the plurality of electrically conductive connecting elements of the multiple switch each have a number of different sectors, the different sectors, depending on the switch position of the plurality of switch positions of the multiple switch, the electrically conductive contact surface of the respective anode electrode and the mechanically contact the respective cathode electrode of at least the part of the plurality of fuel cells, and the number of different sectors are set up, the electrically conductive contact surface of the respective anode electrode and the respective cathode electrode of at least the part of the plurality of fuel cells electrically with different electrical resistances to connect with each other.

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.In other words, this interaction of a multiple switch and a fuel cell stack enables the electrical connection to be opened or closed without further measures due to the stepped change in resistance.

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.The multiple switch thus enables the alternating opening and closing of the electrical connection to be ensured, thanks to the different electrical resistances, which can be graded in such a way that no damaging arcing occurs when switching between opening and closing and / or closing and opening.

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.A mobile platform is specified which has a fuel cell stack and is set up to carry out one of the methods described above. The mobile platform thus benefits from the gentle and fast process for commissioning the fuel cell stack.

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.A computer program is specified which comprises instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to execute one of the methods described above. Such a computer program enables the described method to be used in different systems.

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.A mobile platform can be an at least partially automated system that is mobile and / or a driver assistance system. An example can be an at least partially automated vehicle or a vehicle with a driver assistance system. That is, in this context, an at least partially automated system includes a mobile platform with regard to an at least partially automated functionality, but a mobile platform also includes vehicles and other mobile machines including driver assistance systems. Further examples of mobile platforms can be driver assistance systems with several sensors, mobile multi-sensor robots such as robotic vacuum cleaners or lawn mowers, a multi-sensor monitoring system, a production machine, an aircraft, a ship, a drone, a personal assistant or an access control system. Each of these systems can be a fully or partially autonomous system.

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.
In the following, embodiments of the invention are based on the 1 to 7th explained in more detail. Here the shows:
  • 1 a diagram of the course of the oxygen partial pressure in normal operation;
  • 2 a diagram of the course of the oxygen partial pressure in the short circuit;
  • 3 a diagram for the course of the oxygen partial pressure according to the method;
  • 4a a time profile of the oxygen partial pressure and the cell current;
  • 4b a time profile of the resistance of the electrical connection;
  • 5 an embodiment of the method;
  • 6th a fuel cell stack with a multiple switch; and
  • 7th a rotationally symmetrical connecting element with segments.

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.The 1 and the 2 have already been described above.
The 5 outlines a procedure 500 for commissioning a fuel cell stack 640 which has a plurality of fuel cells arranged in layers next to one another, each having an anode electrode and a cathode electrode. In one step S1 of the procedure 500 is an electrical connection of the respective anode electrode and the respective cathode electrode at least the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack 640 closed.
In a further step S2 a fuel is introduced into a respective anode compartment of at least a part of the plurality of fuel cells. In a further step S3 an oxidizing agent is introduced into a respective cathode compartment of at least part of the plurality of fuel cells. In a further step S4 the electrical connection of the respective anode electrode and the respective cathode electrode of at least the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack is alternately opened and closed in order to increase a temperature of the fuel cell stack. In a further step S5 a temperature of the fuel cell stack is determined during the alternating opening and closing of the electrical connection of the respective anode electrode and the respective cathode electrode of the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack. In a further step S6 the electrical connection of the respective anode electrode and the respective cathode electrode of the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack is opened if the measured temperature of the fuel cell stack has exceeded a temperature setpoint, in order to then initiate normal operation of the fuel cell stack.
This is done in step S5 it is checked in each case whether the temperature of the fuel cell stack exceeds the temperature setpoint of, for example, 0 ° C. If this is not the case, the electrical connection continues to be opened and closed alternately S4.

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.In other words, during the (freezing) start, a cell-specific short-circuit device such as the multiple switch is moved in such a way that it alternates between the “open circuit” position and short-circuit. Depending on the configuration of a multiple switch, this can take place by continuous rotation or by a back and forth movement of the short-circuit device. A rotation of the short-circuit device can be characterized by an alternating rotation in clockwise and counterclockwise directions instead of continuous rotation. By segmenting connecting elements of the device, the resistance can be changed in stages in order to prevent arcing during these switching processes.

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.In the further steps outlined in the 5 become additional peripheral units of the fuel cell stack 640 controlled depending on temperature. In the step S7 it is checked whether the temperature of the fuel cell stack 640 is greater than a third temperature setpoint. If this is the case (Y), the cooling circuit pump is switched on S10 and a speed of the cooling circuit pump as a function of a change in the temperature of the fuel cell stack over time 640 controlled. When the temperature of the fuel cell stack 640 is less than the third temperature setpoint (N), it is checked whether the temperature of the fuel cell stack 640 is smaller than a second temperature setpoint S8 . If this is not the case (N), this part of the procedure starts with step S10 continued, ie that the coolant pump is switched on. If in this step S8 the temperature of the fuel cell stack 640 is lower than the second setpoint temperature (Y), the coolant pump is switched off and the method continues with step S7 continued. In the step S11 it is checked whether a temperature of the coolant is greater than a fourth setpoint. If this is the case (Y), the coolant pump is regulated according to a target temperature for the fuel cell stack S12 . If in the step S11 the temperature of the coolant is not greater than a fourth setpoint value (N) the method with step S7 continued.

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.In the 4b shows a curve of a resistance value of the electrical connection over time in order to limit the current flowing in the electrical connection. It can be seen that the electrical resistance of the electrical connection is periodically repeated with two intermediate values between the open state in which the electrodes are insulated and the closed state with a resistance close to zero.
As a result of this limitation of the current that flows through the electrical connection by means of various resistance values, when the electrical connection is alternately opened and closed, a current that flows via the electrical connection changes from the closed state to the open state and / or from the open state to the closed state , limited to two current values, the at least one current value reaching between the short-circuit current value in the closed state and an insulation current value in the open state of the electrical connection.

Diese Begrenzung des Stromwertes kann auch auf weitere Stromwerte erweitert werden, um zu erreichen, dass beim Umschalten kein Lichtbogen entsteht. This limitation of the current value can also be extended to other current values in order to ensure that no arcing occurs when switching over.

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.The gradation of the resistance values can also be set up continuously. This limitation to different current values can be achieved by different resistors, so that in each case when the electrical connection is opened or closed by the establishment or the establishment of the electrical connection itself, different resistances are passed through in series.

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.In other words it shows 4b a timeline 400 of the method described, the resistance 460 the short-circuit device is displayed: it varies from high resistance (isolation; "open circuit") over 2 or more stages to short-circuit resistance and back.
The 4a represents the resulting current curve 420 for a constant air mass flow 410 represents: in "open circuit" operation the current i is zero. It rises with the gradual decrease of the resistance R up to the maximum value and falls again with the increase of the resistance R. In "open circuit" operation the oxygen concentration c rises 430 in the fuel cells because it is not consumed. In the short-circuit phase, it decreases to zero in the rear area of the fuel cells due to consumption.

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.In the 4a a course of the electric current i 420 and the partial pressure of oxygen c 430 shown at the downstream exit of the cathode compartment. Here is the air mass flow 410 constant. If, as at the beginning of the diagram 4b , the resistance is high for a certain time, this results in an increasing oxygen partial pressure 430 . As soon as the resistance is lowered in steps, if necessary, the current increases 420 by the electrical connection and the partial pressure of oxygen 430 can drop to zero. These process steps can be repeated periodically by alternating the opening and closing of the electrical connection.

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.The frequency of opening and closing of the electrical connection must be selected so that in "open circuit" operation the oxygen concentration in the rear area of the cells increases to approx. 21% oxygen concentration. On the other hand, the short-circuit phase should last until the oxygen concentration in the rear area of the cells decreases to approx. 0%.

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.The 3 outlines in a diagram a local distribution of the oxygen partial pressure in a fuel cell. For this purpose, the oxygen partial pressure c, 310 , 330 and the electric current density i, 320 , a fuel cell over a local course with an inlet 112 and an outlet 114 applied to a cathode space of a fuel cell, this course being distributed almost homogeneously over a length of the cathode space. As long as the electrical connection is closed, the oxygen partial pressure, which has a maximum value before the short-circuit operation of the fuel cell, remains 310 that over time to a low value 330 decreases or even goes back to zero concentration.
This shows in particular the 3 that the method described results in a more homogeneous distribution of both the oxidizing agent c and the electrical current i.

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.The 6th outlines a fuel cell stack 640 , which has a plurality of fuel cells arranged in layers next to one another and wherein each of the fuel cells has an anode electrode and a cathode electrode for drawing the electrical current. The respective anode electrode and the respective cathode electrode of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack can thereby 640 optionally by means of a multiple switch 620 be electrically connected.

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.The multiple switch 620 has a plurality of switching positions and is set up to connect the respective anode electrode and the respective cathode electrode to one another individually for each fuel cell of the fuel cell stack, depending on a switching position of the plurality of switching positions, electrically with different electrical resistances.
Due to the different electrical resistances, the current through the electrical connection is limited, depending on the value of the electrical resistance.

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.For the electrical connection of the respective anode electrode and the respective cathode electrode of the plurality of fuel cells, the fuel cell stack has a number of electrically conductive contact surfaces 630 on. Since the fuel cells are arranged in layers next to one another and are in electrical contact with one another, one contact is sufficient in each case 630 a so-called bipolar plate in order to establish electrical contact with an anode electrode of a fuel cell and a cathode electrode of the respective adjacent fuel cell.
Here is the multiple switch 620 set up with a multiplicity of electrically conductive connecting elements 700 mechanically the respective electrically conductive contact surfaces 630 to contact to the respective anode electrode with the respective cathode electrode of the fuel cells of the fuel cell stack 640 to connect electrically.
For this purpose, the large number of electrically conductive connecting elements 710 of the multiple switch 620 each a number of different sectors 710a , 710b , 710c , 710d , 710e on, and the different sectors 710a , 710b , 710c , 710d , 710e contact mechanically, depending on the switch position of the plurality of switch positions of the multiple switch 620 , the electrically conductive contact surface 630 the respective anode electrode and the respective cathode electrode.
Due to the mechanical contact of the number of different sectors 710a , 710b , 710c , 710d , 710e the fasteners 710 with the electrically conductive contact surfaces 630 the respective anode electrode and the respective cathode electrode, the respective anode electrode and the respective cathode electrode can be connected to one another with different electrical resistances.

Claims (12)

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, mit den Schritten: Schließen einer elektrischen Verbindung (S1) der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode zumindest des Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks; Einleiten eines Brennstoffs (S2) in einen jeweiligen Anodenraum zumindest eines Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen; Einleiten eines Oxidationsmittels (S3) in einen jeweiligen Kathodenraum zumindest des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen; Alternierendes Öffnen und Schließen (S4) der elektrischen Verbindung der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode zumindest des Teiles der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks, zur Erhöhung einer Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks; Bestimmen einer Temperatur (S5) 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; Öffnen der elektrischen Verbindung (S6) der jeweiligen Anoden-Elektrode und der jeweiligen Kathoden-Elektrode des Teils der Mehrzahl der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks, sofern die gemessene Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks einen Temperatursollwert überschritten hat, um einen Normalbetrieb des Brennstoffzellen-Stacks einzuleiten.Method for starting up a fuel cell stack which has a plurality of fuel cells arranged next to one another in layers, each having an anode electrode and a cathode electrode, with the steps: Closing an electrical connection (S1) of the respective anode electrode and the respective cathode electrode at least that part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack; Introducing a fuel (S2) into a respective anode space of at least a part of the plurality of fuel cells; Introducing an oxidizing agent (S3) into a respective cathode compartment of at least that part of the plurality of fuel cells; Alternating opening and closing (S4) of the electrical connection of the respective anode electrode and the respective cathode electrode at least that part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack, in order to increase a temperature of the fuel cell stack; Determining a temperature (S5) of the fuel cell stack during the alternating opening and closing of the electrical connection of the respective anode electrode and the respective cathode electrode of the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack; Opening the electrical connection (S6) of the respective anode electrode and the respective cathode electrode of the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack if the measured temperature of the fuel cell stack has exceeded a temperature setpoint in order to initiate normal operation of the fuel cell stack . Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem 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.Procedure according to Claim 1 , in which a frequency of the alternating opening and closing of the electrical connection of the respective anode electrode and the respective cathode electrode of at least the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack is dependent on the oxygen partial pressure of the cathode space. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem 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.Procedure according to Claim 1 or 2 , in which the alternating opening and closing of the electrical connection the electrical connection remains closed after each closing until an oxygen partial pressure in the cathode space of at least the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack has fallen to a predefined minimum value. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem 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.Method according to one of the preceding claims, in which when the electrical connection is alternately opened and closed, the electrical connection remains open after each opening until the oxygen partial pressure in the cathode compartment of at least some of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack has risen to a predefined maximum value. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem 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.Method according to one of the preceding claims, in which, when the electrical connection is alternately opened and closed, a current which flows via the electrical connection from the closed state to the open state and / or from the open state to the closed state is limited to at least one current value, wherein the at least one current value lies between a short-circuit current value in the closed state and an insulation current value in the open state of the electrical connection. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei 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.Method according to one of the preceding claims, wherein the respective anode electrode and the respective cathode electrode at least the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack are optionally electrically connected by means of a multiple switch. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei 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.Procedure according to Claim 6 , wherein the multiple switch has a first and at least one second switch position, and is set up to electrically connect the respective anode electrode and the respective cathode electrode to at least the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack with one another and in the first switch position second switching position to electrically isolate the respective anode electrode and the respective cathode electrode of the part of the plurality of fuel cells of the fuel cell stack from one another. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei 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.Procedure according to Claim 6 or 7th , wherein the multiple switch has a plurality of switch positions and is set up, individually for each fuel cell of at least the part of the fuel cell stack, the respective anode electrode and the respective cathode electrode, depending on the switch position of the plurality of switch positions, electrically with different electrical resistances to connect with each other. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei 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.Method according to one of the Claims 6 to 8th , wherein the respective anode electrode and the respective cathode electrode at least of the part of the plurality of fuel cells have an electrically conductive contact surface and the multiple switch is set up to mechanically contact the respective electrically conductive contact surfaces with a plurality of electrically conductive connecting elements in order to the respective To electrically connect anode electrode to the respective cathode electrode of at least the part of the fuel cells of the fuel cell stack. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei 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.Procedure according to Claim 9 , wherein the plurality of electrically conductive connecting elements of the multiple switch each have a number of different sectors, the different sectors, depending on the switch position of the plurality of switch positions of the multiple switch, the electrically conductive contact surface of the respective anode electrode and the respective cathode electrode at least of the part of the plurality of fuel cells mechanically contact, and the number of different sectors are set up to electrically connect the electrically conductive contact surface of the respective anode electrode and the respective cathode electrode of at least the part of the plurality of fuel cells to one another with different electrical resistances. Mobile Plattform, die einen Brennstoffzellen-Stack aufweist und eingerichtet ist ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.Mobile platform which has a fuel cell stack and is set up to carry out a method according to one of the preceding claims. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.Computer program, comprising instructions which cause the computer program to be executed by a computer, the method according to one of the Claims 1 to 10 to execute.
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