WO2014056817A1 - Kaltstartprozedur für einen brennstoffzellenstack - Google Patents

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Sebastian Maass
Daniel MARXER
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell assembly, wherein the fuel cell assembly comprises at least a fuel cell having a cathode and an anode and at least two electrical contacts for tapping the electrical energy are present according to the preamble of claim 1, and a method for heating a fuel cell assembly according to the preamble of Claim 8.
  • Fuel cell assemblies especially in automotive use, can be in commissioning in an environment whose temperature is low, especially well below freezing. To damage the fuel cell assembly, in particular in the
  • Pre-set heating phase In this heating phase, the efficiency of the fuel cell assembly is usually deteriorated to the
  • This waste heat is used to heat the stack and the thermally tight air and fuel subsystems.
  • Fuel cell assembly can be achieved in accordance with DE 10 2007 026 003 A1 by an oversupply of reactants. Also one
  • Reactant depletion as disclosed for example in DE 600 05 836 T2, can lead to such a deterioration of the efficiency and a concomitant increased waste heat generation.
  • Short circuit fuel cell of the fuel cell assembly ie the electrical connections of the fuel cell assembly without Interconnected consumers uncontrollably connect with each other. It is also known to use already existing in the load circuit consumer as a power consumer. However, this can be increased with
  • a fuel cell arrangement according to the invention has at least one fuel cell with a cathode and an anode, wherein at least two electrical contacts for tapping the electrical energy are present.
  • an inventive fuel cell arrangement has at least one fuel cell with a cathode and an anode, wherein at least two electrical contacts for tapping the electrical energy are present.
  • Fuel cell assembly characterized in that between the electrical contacts of the fuel cell assembly, a load resistor is arranged, wherein the load resistance by means of a switching element at least during a heating phase of the fuel cell assembly as a sole or at least substantially sole consumer can be switched on.
  • the at least one fuel cell used in the fuel cell assembly may in particular be a proton exchange membrane fuel cell
  • the fuel cell assembly according to the invention may also be preferably used in a vehicle. At a start of the fuel cell assembly, in which the
  • Fuel cell assembly is located in an environment that has a low
  • Temperature especially below freezing, has, is a
  • Heating phase for optimal operation of the fuel cell assembly required or at least advantageous. Even at higher ambient temperatures, such a heating phase may be advantageous to the
  • Fuel cell assembly to allow operation at its ideal operating temperature. In this heating phase, the fuel cells of the
  • Fuel cell assembly preferably be operated so that her
  • Fuel cell assembly which has 100 kW of electrical power in normal operation, by reducing the efficiency, the electrical power can be reduced to 30 kW, while increasing the waste heat to over 100 kW. In order to achieve this high waste heat output, however, the still generated electric power of the fuel cell assembly must be consumed. This is realized in fuel cell assemblies according to the prior art via a DC-DC converter, the
  • Fuel cell arrangements elaborate interconnections. At a
  • Fuel cell assembly according to the invention is the consumption of
  • the load resistor is switched by means of a switching element defined between the electrical contacts of the fuel cell assembly.
  • One Short circuit of the electrical contacts of the fuel cell assembly which in particular represents an uncontrolled connection of the two electrical contacts of the fuel cell assembly, can be safely avoided.
  • the load resistance according to the invention is the sole or at least in
  • the load resistance of course as a single load resistance or as several
  • Be formed load resistors In the case of several load resistors, it is also possible to provide a plurality of switching elements in order to vary the individual load resistances depending on the situation, in particular, for example, depending on the
  • this load resistance can be dimensioned so as to safely consume the electrical power generated during the heating phase. A safe and fast heating of the
  • Fuel cell assembly and an associated short heating phase can be ensured.
  • the load resistor is designed as a low-voltage resistor and during a heating phase of the fuel cell assembly is switchable to generate heat for heating the at least one fuel cell, and / or the load resistance through the switching element directly between the electrical contacts Fuel cell arrangement can be arranged.
  • the load resistor can be used as a low-voltage resistor
  • the load resistor is designed such that the electrical energy flowing through it of the fuel cell assembly heat to
  • Fuel cell assembly can thus not only by the deterioration of the efficiency and the associated increase in the waste heat, but also by the heat generated by the electrical energy of the Fuel cell assembly is generated in the load resistance to be heated. As a result, an even faster heating of the fuel cell assembly and an associated shortening of the heating phase can be achieved.
  • the load resistor is arranged as a low-voltage resistor directly between the electrical contacts of the fuel cell assembly. This direct arrangement of the load resistance at the contacts of the
  • Fuel cell assembly allows a particularly compact design of the fuel cell assembly, which space can be saved. This is particularly advantageous in vehicle construction.
  • the fuel cell assembly of a downstream load circuit which is designed in particular as a high voltage circuit is separable, in particular, the downstream load circuit of the electrical contacts by at least one additional switching element is separable.
  • Fuel cell assembly in particular during its heating phase, completely separable from the downstream high-voltage circuit, wherein the electric power generated in the fuel cell assembly by the
  • Load resistance is consumed.
  • the load resistor is thus not in the high voltage circuit in which the remaining consumers, for example, an air conditioner are arranged in a vehicle.
  • Elaborate circuits in the high voltage circuit to compensate for the lower voltage during the heating phase can be saved, which in turn can be achieved at lower manufacturing costs. For example, in an automotive use of a fuel cell assembly in the load circuit a
  • Traction battery can be arranged, which provides electrical energy, especially for locomotion of the vehicle already at the start of the vehicle.
  • a lot of the produce Waste heat of the fuel cell assembly is adjustable by an air depletion and / or that during the heating phase, the waste heat generated
  • Fuel cell arrangements can be fed. By an air depletion can in particular the amount of waste heat generated over that of the
  • Fuel cell assembly generated and delivered electrical power can be adjusted.
  • the air depletion can be stationary and / or
  • Air depletion also represents a particularly simple way to control the electric current of a fuel cell and thus to increase the waste heat of a fuel cell. Furthermore, damage to the fuel cell arrangement can thus be avoided even when the voltage is greatly reduced, since a very high current can flow at greatly reduced voltage without measures, which can lead, for example, to thermal damage to the stack due to high temperature gradients. Of course, a depletion of fuel, especially hydrogen, conceivable.
  • the fuel cells used can be damaged, as a result of which they can no longer be operational after a short time.
  • the height of the electric power produced by the fuel cell assembly can be controlled while the
  • Fuel cell assembly in a vehicle the fuel cell assembly is indeed started, but no drive release request is present.
  • Trip approval request indicates the desire of the driver of the vehicle, as soon as possible, in particular without delay, a ride on the
  • the waste heat of the fuel cell assembly can be supplied, for example, an air conditioner or a heater of the vehicle to ensure the fastest possible heating of the interior of the vehicle. Also, a heating of an existing traction battery, the can provide electrical energy to propel the vehicle is conceivable. This is advantageous because such a traction battery also has a minimum operating temperature, which may also be lower than during operation at low temperatures, in particular temperatures below freezing.
  • a fuel cell assembly according to the invention may further be designed so that the fuel cell assembly comprises a cooling device for cooling the at least one fuel cell with a cooling fluid and the load resistor is arranged in adefiuidMapvoriques, wherein during the heating phase, the cooling fluid can be heated by waste heat of the load resistance.
  • a cooling device may be advantageous, since waste heat from the fuel cell arrangement can be transported away from the fuel cell arrangement by the cooling device.
  • Fuel cell arrangement it may happen, however, that a cooling by the cooling fluid of the cooling device, a heating of the
  • the cooling fluid may also have a low temperature, which in particular corresponds at least approximately to the temperature of the environment.
  • the cooling fluid can be additionally heated. An unwanted cooling of the fuel cell assembly during the
  • Heating phase through the cooling device can be safely avoided. Also by this embodiment of an inventive
  • Fuel cell assembly can thus the heating phase of the
  • Fuel cell arrangement can be shortened.
  • Fuel cell assembly may be provided that the cooling device has a cooling fluid bypass and that thedefiuidiffvortechnisch with the
  • Load resistance is arranged on and / or in the cooling fluid bypass.
  • a radiator which may in particular also be a vehicle radiator, are bypassed in the cooling device.
  • heat is transported from the fuel cell assembly to the radiator by the cooling fluid, in which the cooling fluid is cooled again.
  • the cooling fluid bypass By bypassing the radiator by the cooling fluid bypass, the heat is retained in the cooling fluid, the cooling fluid heats up faster.
  • Cooling fluid is thus heated faster and can even contribute to the heating of the fuel cell assembly. In this way, the
  • Heating phase of the fuel cell assembly can be further shortened.
  • the load resistance forms a discharge resistance in a discharge circuit of the fuel cell assembly.
  • the discharge circuit is used in particular in a shutdown of the fuel cell assembly.
  • the electrical energy still present in the fuel cell arrangement is passed through the discharge circuit or through one in the discharge circuit
  • Double use of the load resistance can thus components, in particular a special discharge circuit with a Entiadewiderstand, can be saved, whereby the entire fuel cell assembly can be produced more cheaply.
  • the object is achieved by a method for heating a fuel cell assembly, wherein the
  • Fuel cell assembly according to the first aspect of the invention configured solved.
  • the inventive method for heating a fuel cell assembly is configured such that upon presentation of a ride release request of the load resistance is switched by the switching element until reaching a certain first temperature between the electrical contacts of the fuel cell assembly and that without presentation of a ride release request, the load resistance by the
  • the first temperature can therefore be chosen such that the
  • Fuel cell arrangement has already heated so far that in particular 50% to 75% of the maximum achievable performance of the fuel cell assembly is available. Of course, it can achieve the first
  • Temperature can also be realized by a timed connection of the load resistor. For example, by operating the
  • Fuel cell assembly before heating, from -25 ° C reaching the first temperature can be ensured.
  • Load resistance may preferably be selected depending on an output temperature. A start of the vehicle with maximum acceleration is already possible at this time. Depending on the maximum performance of the
  • Fuel cell assembly, heat capacity and start temperature can pass up to reaching the first temperature up to 20 to 60 seconds.
  • the second temperature is selected to be the ideal operating temperature of the fuel cell assembly. Upon reaching the second temperature, the fuel cell assembly has thus reached its full capacity.
  • Fuel cell arrangements in which starting operations are stopped even before reaching the optimum operating temperature, can be safely avoided.
  • Method may be provided that the first temperature at -10 3 C to 0 C, preferably at -5 C is reached and / or the second temperature at 50 C to 70 C, preferably at 60 C is reached.
  • the achievement of the first and the second temperature by a time-controlled Be connected switching the load resistance.
  • Temperatures in these areas can be a particularly gentle operation or a gentle heating phase for an inventive
  • Fuel cell arrangement can be ensured.
  • the first and second temperatures in these areas are chosen such that a high level of comfort for a user of a fuel cell arrangement, in particular in the automotive sector, can be produced, in particular that one
  • Heating phase of a fuel cell assembly according to the invention does not take unnecessarily long.
  • the switching on of the load resistance by the switching element is achieved when a third temperature is reached, the third temperature between the first and the second temperature, in particular in the range from 15 C to 40 C, is temporarily interrupted.
  • the third temperature between the first and the second temperature in particular in the range from 15 C to 40 C
  • water it is possible for water to accumulate in the fuel cell assembly.
  • the interruption is particularly limited in time, preferably the duration of the interruption is between 3 and 5 seconds.
  • Fig. 3 is a thermal circuit of an inventive
  • Fig. 4 is a diagram of a heating phase
  • Fig. 5 is a diagram of a heating phase without
  • a fuel cell assembly 1 according to the prior art during a heating phase is shown.
  • the fuel cell assembly 1 in particular has fuel cells 2.
  • a first electrical contact 10 and a second electrical contact 1 1 are provided on the fuel cells 2, in particular via additional
  • Switching elements 12 are connected to a DC-DC converter 14.
  • this DC-DC converter 14 the electrical voltage is increased and stabilized and subsequently provided to a load circuit 13.
  • a starting heater 15 is provided in this load circuit, which during the heating phase of the
  • Fuel cell assembly 1 is also activated by additional switching elements 12. Further, a discharge resistor 17 is shown in a
  • Heating phase of the fuel cell assembly 1 the fuel cell 2 is operated with deteriorated efficiency to produce increased waste heat production of the fuel cell 2.
  • the electrical energy which is nevertheless generated is consumed in particular in the starting heater 15, which is already part of the load circuit 13.
  • the reduced electrical voltage of the fuel cell 2 during operation in the heating phase of the fuel cell assembly 1 must be compensated to the connected to the load circuit 13 consumers, in particular the Start heating 15 or, for example, an air compressor to provide the necessary voltage for this.
  • FIG. 2 shows a fuel cell arrangement 1 according to the invention.
  • Fuel cell assembly 1 to a load resistor 20, which via a
  • Switching element 21 is arranged directly on the first electrical contact 10 and second electrical contact 1 1 of the fuel cell assembly 1.
  • the load resistor 20 according to the invention during a heating phase of
  • Fuel cell assembly 1 is the sole or at least substantially sole consumer of the electrical energy of the fuel cell assembly. During the heating phase of the fuel cell assembly 1 shown, the additional switching elements 12, which are used to connect the
  • Load circuit 13 are provided to be open.
  • Load circuit 13 is thus decoupled from the fuel cell assembly 1 during the heating phase.
  • Load circuit 13 for compensation of a particular lower voltage of the fuel cell assembly 1 during a heating phase are therefore not necessary.
  • a short circuit of the electrical contacts 10, 1 1 of the fuel cell assembly 1, which in particular represents an uncontrolled connection of the two electrical contacts 10, 1 1 of the fuel cell assembly 1, can be safely avoided.
  • the load resistor 20 may in particular for an additional heating of the fuel cell 2 or a
  • Cooling device 30 (not shown) and thereby shorten the heating phase of the fuel cell assembly 1.
  • Fuel cell 2 which is connected via cooling lines with a radiator, in particular with a vehicle radiator 33.
  • cooling lines In the cooling lines is cooling fluid, which is circulated via a coolant pump 32.
  • adefiuidbypass 31 via a valve device 34 is also an alternative to the vehicle radiator
  • the cooling fluid is not cooled in the vehicle radiator 33 but is heated further and further until the fuel cell device 1 is its ideal
  • a cooling fluid heating device 22 may be provided, in which in particular the load resistor 20 is arranged. By heating the load resistor 20, the electrical energy of the
  • Fuel cell 2 consumed during the heating phase of the fuel cell assembly 1, the cooling fluid is additionally heated. An additional shortening of the heating phase of the fuel cell assembly 1 according to the invention can thus be achieved.
  • Fig. 4 is a diagram of a test run a heating phase of a
  • the temperature 42 is about -25 C.
  • the fuel cell assembly 1 is operated with the load resistor 20 connected, which is reflected in the first 20 seconds of the diagram in a very low voltage 40 and very low electrical power 41 but high thermal performance , During this time, the temperature 42 rises continuously from -25 C to about -10 ° C. At -10 C will be the first
  • Fuel cell assembly 1 is already so high at this temperature 42 that a ride without any loss of comfort is easily possible. Nevertheless, that is Temperature 42 at the first temperature 43 also high enough that the
  • FIG. 5 shows a diagram of a heating phase of a fuel cell arrangement 1 in the event that no travel release request is present.
  • voltage 40, power 41, and temperature 42 are shown against the time since the operation of the fuel cell assembly 1 began.
  • the fuel cell assembly 1 is operated with the load resistor 20 switched on until a second temperature 44, in this case about 70 C, is reached.
  • the temperature 42 continuously increases during this time, with voltage 40 and power 41 remaining on the low load level connected by the load resistor 20.
  • the connection of the load resistor 20 is terminated, which is reflected by a drop in the power 41 to zero. This is due to the fact that without the load resistor 20, no further consumer energy of the fuel cell assembly 1 consumed and thus no power 41 can be measured.
  • Operating temperature which corresponds in particular to the second temperature 44, safely reached at each start. Loads and aging phenomena of a fuel cell assembly 1, as they can occur in a premature termination of a heating phase, can be safely avoided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung (1), wobei die Brennstoffzellenanordnung (1) zumindest eine Brennstoffzelle (2) mit einer Kathode und einer Anode aufweist und zumindest zwei elektrische Kontakte (10, 11) zum Abgreifen der elektrischen Energie vorhanden sind, wobei die Brennstoffzellenanordnung (1) insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen den elektrischen Kontakten (10, 11) der Brennstoffzellenanordnung (1) ein Lastwiderstand (20) angeordnet ist, wobei der Lastwiderstand (20) mittels eines Schaltelementes (21) zumindest während einer Aufheizphase der Brennstoffzellenanordnung (1) als alleiniger oder zumindest im Wesentlichen alleiniger Verbraucher zuschaltbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufheizen einer derartigen Brennstoffzellenanordnung (1).

Description

Kaltstartprozedur für einen Brennstoffzellenstack
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung, wobei die Brennstoffzellenanordnung zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode aufweist und zumindest zwei elektrische Kontakte zum Abgreifen der elektrischen Energie vorhanden sind gemäß des Oberbegriffes von Anspruch 1 , sowie ein Verfahren zum Aufheizen einer Brennstoffzellenanordnung gemäß des Oberbegriffes von Anspruch 8. STAND DER TECHNIK
Brennstoffzellenanordnungen, insbesondere im automobilen Einsatz, können sich bei Inbetriebnahme in einer Umgebung befinden, deren Temperatur niedrig ist, insbesondere deutlich unter dem Gefrierpunkt liegt. Um eine Beschädigung der Brennstoffzellenanordnung, insbesondere der in der
Brennstoffzellenanordnung verwendeten Brennstoffzellen, zu vermeiden, ist es bekannt, dem normalen Betrieb der Brennstoffzellenanordnung eine
Aufheizphase voranzustellen. In dieser Aufheizphase wird üblicherweise der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanordnung verschlechtert, um die
Abwärmeproduktion der Brennstoffzellen in der Brennstoffzellenanordnung zu erhöhen. Diese Abwärme wird zur Aufheizung des Stacks und der thermisch eng angebundenen Luft- und Brennstoffteilsysteme verwendet.
Eine derartige Verschlechterung des Wirkungsgrades der
Brennstoffzellenanordnung kann dabei gemäß der DE 10 2007 026 003 A1 durch ein Überangebot an Reaktanten erreicht werden. Auch eine
Reaktantenverknappung, wie beispielsweise in der DE 600 05 836 T2 offenbart, kann zu einer derartigen Verschlechterung des Wirkungsgrades und einer damit einhergehenden erhöhten Abwärmeerzeugung führen. Alternativ können auch, beispielsweise gemäß der DE 10 2008 029 155 A1 , Mittel zum Beheizen der Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung vorgesehen sein.
Die zwar verminderte aber dennoch produzierte elektrische Leistung der Brennstoffzellenanordnung während der Aufheizphase muss jedoch auch während der Aufheizphase verbraucht werden. Dabei ist es bekannt, die
Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung kurzzuschließen, d. h. die elektrischen Anschlüsse der Brennstoffzellenanordnung ohne dazwischengeschalteten Verbraucher unkontrolliert miteinander zu verbinden. Ferner ist bekannt, bereits im Verbraucherstromkreis vorhandene Verbraucher als Leistungsabnehmer zu verwenden. Dies kann jedoch mit erhöhtem
schaltungstechnischem Aufwand verbunden sein, da diese Verbraucher oftmals spezifische Anforderungen, beispielsweise an die Spannung im
Verbraucherstromkreis, aufweisen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bekannter Brennstoffzellenanordnungen zumindest teilweise zu beheben.
Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Brennstoffzellenanordnung sowie ein Verfahren zum Aufheizen einer
Brennstoffzellenanordnung bereitzustellen, welche in einfacher und
kostengünstiger Weise eine besonders schnelle Aufheizung und damit eine besonders kurze Aufheizphase einer Brennstoffzellenanordnung ermöglichen.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Aufheizen einer Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des
Anspruchs 8. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten
Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung beschrieben sind, selbstverständlich auch im
Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufheizen einer Brennstoffzellenanordnung und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der
Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
In einem ersten Aspekt weist eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode auf, wobei zumindest zwei elektrische Kontakte zum Abgreifen der elektrischen Energie vorhanden sind. Insbesondere ist eine erfindungsgemäße
Brennstoffzellenanordnung dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den elektrischen Kontakten der Brennstoffzellenanordnung ein Lastwiderstand angeordnet ist, wobei der Lastwiderstand mittels eines Schaltelements zumindest während einer Aufheizphase der Brennstoffzellenanordnung als alleiniger oder zumindest im Wesentlichen alleiniger Verbraucher zuschaltbar ist.
Die in der Brennstoffzellenanordnung verwendete zumindest eine Brennstoffzelle kann dabei insbesondere eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle
(Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC) sein. Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung kann ferner bevorzugt in einem Fahrzeug eingesetzt sein. Bei einem Start der Brennstoffzellenanordnung, bei dem sich die
Brennstoffzellenanordnung in einer Umgebung befindet, die eine geringe
Temperatur, insbesondere unterhalb des Gefrierpunkts, aufweist, ist eine
Aufheizphase für einen optimalen Betrieb der Brennstoffzellenanordnung erforderlich oder zumindest von Vorteil. Auch bei höheren Temperaturen der Umgebung kann eine derartige Aufheizphase vorteilhaft sein, um der
Brennstoffzellenanordnung einen Betrieb bei ihrer idealen Betriebstemperatur zu ermöglichen. In dieser Aufheizphase können die Brennstoffzellen der
Brennstoffzellenanordnung bevorzugt derart betrieben werden, dass ihr
Wirkungsgrad verschlechtert ist. Dies ermöglicht die Maximierung der Abwärme der Brennstoffzellen, eine schnelle Aufheizung derselben und damit eine möglichst kurze Dauer der Aufheizphase. Dabei ist z. B. denkbar, die mittlere Einzelspannung der einzelnen Brennstoffzellen auf 0,2 bis 0,3 V, bevorzugt auf
0,05 bis 0,1 V, abzusenken. So kann beispielsweise bei einer
Brennstoffzellenanordnung, die im Normalbetrieb 100 kW elektrische Leistung aufweist, durch Verschlechterung des Wirkungsgrads die elektrische Leistung auf 30 kW reduziert werden, bei gleichzeitiger Erhöhung der Abwärmeleistung auf über 100 kW. Um diese hohe Abwärmeleistung zu erreichen, muss jedoch die dennoch erzeugte elektrische Leistung der Brennstoffzellenanordnung verbraucht werden. Dies wird bei Brennstoffzellenanordnungen gemäß dem Stand der Technik über einen Gleichspannungswandler realisiert, der die
Spannungsabsenkung der Brennstoffzellen einstellt und die entstehende elektrische Leistung zu Verbrauchern im Verbraucherstromkreis weiterleitet. Der
Verbrauch der elektrischen Leistung bedarf somit bei herkömmlichen
Brennstoffzellenanordnungen aufwendiger Verschaltungen. Bei einer
erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist der Verbrauch der
entstehenden elektrischen Leistung durch den Lastwiderstand möglich. Der Lastwiderstand wird mittels eines Schaltelements definiert zwischen den elektrischen Kontakten der Brennstoffzellenanordnung zugeschaltet. Ein Kurzschluss der elektrischen Kontakte der Brennstoffzellenanordnung, der insbesondere ein unkontrolliertes Verbinden der beiden elektrischen Kontakte der Brennstoffzellenanordnung darstellt, kann so sicher vermieden werden. Der Lastwiderstand stellt erfindungsgemäß den alleinigen oder zumindest im
Wesentlichen alleinigen Verbraucher der elektrischen Energie der
Brennstoffzellenanordnung dar. Erfindungsgemäß kann dabei der Lastwiderstand selbstverständlich als ein einzelner Lastwiderstand oder als mehrere
Lastwiderstände gebildet sein. Bei mehreren Lastwiderständen können auch mehrere Schaltelemente vorgesehen sein, um die einzelnen Lastwiderstände jeweils situationsabhängig, insbesondere beispielsweise abhängig von der
Temperatur der Umgebung oder der Dauer der Aufheizphase, zuzuschalten. Auch ein Lastwiderstand mit einem vernachlässigbaren Innenwiderstand ist denkbar. Dadurch, dass der Lastwiderstand alleiniger oder zumindest im
Wesentlichen alleiniger Verbraucher der elektrischen Energie der
Brennstoffzellenanordnung ist, kann dieser Lastwiderstand derart dimensioniert werden, die während der Aufheizphase anfallende elektrische Leistung sicher zu verbrauchen. Eine sichere und schnelle Aufheizung der
Brennstoffzellenanordnung und eine damit verbundene kurze Aufheizphase kann dadurch sichergestellt werden.
Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung vorgesehen sein, dass der Lastwiderstand als Niederspannungswiderstand ausgestaltet ist und während einer Aufheizphase der Brennstoffzellenanordnung zuschaltbar ist, um Wärme zum Aufheizen der zumindest einen Brennstoffzelle zu erzeugen, und/oder der Lastwiderstand durch das Schaltelement direkt zwischen den elektrischen Kontakten der Brennstoffzellenanordnung anordbar ist. Der Lastwiderstand kann dabei als Niederspannungswiderstand
insbesondere für einen Spannungsbereich zwischen 5 Volt bis 100 Volt ausgelegt sein. Da der Lastwiderstand derart ausgelegt ist, dass die durch ihn fließende elektrische Energie der Brennstoffzellenanordnung Wärme zum
Aufheizen der zumindest einen Brennstoffzelle erzeugt, kann diese elektrische Energie genutzt werden. Ohne die Nutzung durch den Lastwiderstand würde diese elektrische Energie ohne Nutzen verschwendet. Die
Brennstoffzellenanordnung kann somit nicht nur durch die Verschlechterung des Wirkungsgrades und die damit einhergehende Erhöhung der Abwärmeleistung, sondern zusätzlich auch durch die Wärme, die durch die elektrische Energie der Brennstoffzellenanordnung im Lastwiderstand erzeugt wird, aufgeheizt werden. Dadurch sind eine noch schnellere Aufheizung der Brennstoffzellenanordnung und eine damit verbundene Verkürzung der Aufheizphase erreichbar. Der Lastwiderstand ist als Niederspannungswiderstand direkt zwischen den elektrischen Kontakten der Brennstoffzellenanordnung angeordnet. Diese direkte Anordnung des Lastwiderstands an den Kontakten der
Brennstoffzellenanordnung ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise der Brennstoffzellenanordnung, wodurch Bauraum eingespart werden kann. Dies ist insbesondere im Fahrzeugbau vorteilhaft.
Darüber hinaus kann bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung vorgesehen sein, dass während der Aufheizphase die Brennstoffzellenanordnung von einem nachgeschalteten Verbraucherstromkreis, der insbesondere als Hochspannungskreis ausgestaltet ist, trennbar ist, wobei insbesondere der nachgeschaltete Verbraucherstromkreis von den elektrischen Kontakten durch zumindest ein zusätzliches Schaltelement trennbar ist. Dadurch ist die
Brennstoffzellenanordnung, insbesondere während ihrer Aufheizphase, vollständig vom nachgeschalteten Hochspannungskreis trennbar, wobei die in der Brennstoffzellenanordnung erzeugte elektrische Leistung durch den
Lastwiderstand verbraucht wird. Der Lastwiderstand befindet sich somit nicht im Hochspannungskreis, in dem die restlichen Verbraucher, bei einem Fahrzeug beispielsweise eine Klimaanlage, angeordnet sind. Aufwändige Schaltungen im Hochspannungskreis zur Kompensation der niedrigeren Spannung während der Aufheizphase können eingespart werden, wodurch wiederum niedrigere Kosten bei der Herstellung erreichbar sind. Beispielsweise kann bei einem automobilen Einsatz einer Brennstoffzellenanordnung im Verbraucherstromkreis eine
Traktionsbatterie angeordnet sein, die bereits beim Start des Fahrzeugs elektrische Energie, insbesondere für eine Fortbewegung des Fahrzeugs, zur Verfügung stellt. Durch die Trennung des Verbraucherstromkreises von der Brennstoffzellenanordnung ist beispielsweise eine Anpassung dieser
Traktionsbatterie auf die verminderte elektrische Leistung und Spannung der Brennstoffzellenanordnung während der Aufheizphase nicht nötig. Dadurch können bei der Herstellung Kosten eingespart werden.
Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung vorgesehen sein, dass während der Aufheizphase eine Menge der erzeu Abwärme der Brennstoffzellenanordnung durch eine Luftverarmung einstellbar ist und/oder dass während der Aufheizphase die erzeugte Abwärme der
Brennstoffzellenanordnung Vorrichtungen außerhalb der
Brennstoffzellenanordnungen zuführbar ist. Durch eine Luftverarmung kann dabei insbesondere die Menge der erzeugten Abwärme über den von der
Brennstoffzellenanordnung erzeugten und abgegebenen elektrische Strom eingestellt werden. Die Luftverarmung kann dabei stationär und/oder
ausreichend lange für den Aufheizvorgang und ferner in einer beliebigen Höhe eingestellt werden, da insbesondere eine Stöchiometrie von eins einstellbar ist und dadurch sämtlicher Luftsauerstoff verbraucht werden kann. Eine
Luftverarmung stellt dabei ferner eine besonders einfache Art und Weise dar, den elektrischen Strom einer Brennstoffzelle zu kontrollieren und damit die Abwärme einer Brennstoffzelle zu erhöhen. Ferner kann damit auch bei stark abgesenkter Spannung eine Schädigung der Brennstoffzellenanordnung vermieden werden, da bei stark abgesenkter Spannung ohne Maßnahmen ein sehr hoher Strom fließen kann, der beispielsweise zu thermischer Schädigung des Stacks durch hohe Temperaturgradienten führen kann. Selbstverständlich ist auch eine Verarmung an Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, denkbar.
Dadurch können die verwendeten Brennstoffzellen jedoch geschädigt werden, wodurch sie bereits nach kurzer Zeit nicht mehr betriebsfähig sein können.
Durch die Luftverarmung kann die Höhe des von der Brennstoffzellenanordnung produzierten elektrischen Stromes kontrolliert werden, während der
Wirkungsgrad durch die Spannungsvorgabe über den Lastwiderstand bestimmt wird. Durch beide Maßnahmen zusammen kann somit noch besser gesteuert werden, wie viel Abwärme die Brennstoffzellenanordnung produziert. Eine
Zuführung der Abwärme der Brennstoffzellenanordnung während der
Aufheizphase zu Vorrichtungen außerhalb der Brennstoffzellenanordnung kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn bei Einsatz der
Brennstoffzellenanordnung in einem Fahrzeug die Brennstoffzellenanordnung zwar gestartet wird, aber keine Fahrtfreigabeanforderung vorliegt. Eine
Fahrtfreigabeanforderung zeigt dabei den Wunsch des Fahrers des Fahrzeugs an, möglichst bald, insbesondere ohne Verzögerung, eine Fahrt mit dem
Fahrzeug zu beginnen. Die Abwärme der Brennstoffzellenanordnung kann dabei beispielsweise einer Klimaanlage bzw. einer Heizung des Fahrzeugs zugeführt werden, um eine möglichst rasche Aufheizung des Innenraums des Fahrzeugs zu gewährleisten. Auch eine Aufheizung einer vorhandenen Traktionsbatterie, die elektrische Energie zur Fortbewegung des Fahrzeugs bereitstellen kann, ist denkbar. Dies ist von Vorteil, da eine derartige Traktionsbatterie ebenfalls eine minimale Arbeitstemperatur aufweist, welche ebenfalls bei einem Betrieb bei niedrigen Temperaturen, insbesondere Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, unterschritten sein kann.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung kann ferner dahingehend ausgestaltet sein, dass die Brennstoffzellenanordnung eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der zumindest einen Brennstoffzelle mit einem Kühlfluid aufweist und der Lastwiderstand in einer Kühlfiuidheizvorrichtung angeordnet ist, wobei während der Aufheizphase das Kühlfluid durch Abwärme des Lastwiderstands erwärmbar ist. Im Normalbetrieb einer Brennstoffzellenanordnung kann eine derartige Kühlvorrichtung von Vorteil sein, da durch die Kühlvorrichtung Abwärme der Brennstoffzellenanordnung von der Brennstoffzellenanordnung wegtransportiert werden kann. In einer Aufheizphase nach einem Start einer
Brennstoffzellenanordnung kann es jedoch vorkommen, dass eine Kühlung durch das Kühlfluid der Kühlvorrichtung eine Aufheizung der
Brennstoffzellenanordnung behindert. Auch kann das Kühlfluid eine niedrige Temperatur, die insbesondere der Temperatur der Umgebung zumindest annähernd entspricht, aufweisen. Durch die Kühlfiuidheizvorrichtung, in der der Lastwiderstand angeordnet ist, kann das Kühlfluid zusätzlich aufgeheizt werden. Eine ungewollte Kühlung der Brennstoffzellenanordnung während der
Aufheizphase durch die Kühlvorrichtung kann so sicher vermieden werden. Auch durch diese Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenanordnung kann somit die Aufheizphase der
Brennstoffzellenanordnung verkürzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung einer erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenanordnung kann vorgesehen sein, dass die Kühlvorrichtung einen Kühlfluidbypass aufweist und dass die Kühlfiuidheizvorrichtung mit dem
Lastwiderstand an und/oder im Kühlfluidbypass angeordnet ist. Durch den Kühlfluidbypass kann ein Kühler, der insbesondere auch ein Fahrzeugkühler sein kann, in der Kühlvorrichtung umgangen werden. Im Normalbetrieb wird durch das Kühlfluid Wärme aus der Brennstoffzellenanordnung zum Kühler transportiert, in dem das Kühlfluid wieder abgekühlt wird. Durch die Umgehung des Kühlers durch den Kühlfluidbypass bleibt die Wärme im Kühlfluid erhalten, das Kühlfluid heizt sich schneller auf. Insbesondere eine Anordnung der
Kühlfluidheizvorrichtung mit dem Lastwiderstand an und/oder im Kühlfluidbypass ermöglicht eine besonders gute zusätzliche Heizung des Kühlfluids. Das
Kühlfluid wird somit schneller erwärmt und kann selbst zur Aufheizung der Brennstoffzellenanordnung beitragen. Auf diese Art und Weise kann die
Aufheizphase der Brennstoffzellenanordnung weiter verkürzt werden.
Auch kann bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung vorgesehen sein, dass der Lastwiderstand einen Entiadewiderstand in einer Entladeschaltung der Brennstoffzellenanordnung bildet. Die Entladeschaltung wird dabei insbesondere bei einer Abschaltung der Brennstoffzellenanordnung eingesetzt. Die noch in der Brennstoffzellenanordnung vorhandene elektrische Energie wird durch die Entladeschaltung bzw. durch einen in der Entladeschaltung
vorhandenen Entiadewiderstand vernichtet. Die Anwendung des Lastwiderstands als Entiadewiderstand in einer Entladeschaltung stellt somit eine zusätzliche Anwendungsmöglichkeit des Lastwiderstands dar. Durch diese
Doppelverwendung des Lastwiderstands können somit Bauteile, insbesondere eine spezielle Entladeschaltung mit einem Entiadewiderstand, eingespart werden, wodurch die gesamte Brennstoffzellenanordnung kostengünstiger hergestellt werden kann.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Aufheizen einer Brennstoffzellenanordnung, wobei die
Brennstoffzellenanordnung gemäß zum ersten Aspekt der Erfindung ausgestaltet ist, gelöst. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufheizen einer Brennstoffzellenanordnung derart ausgestaltet, dass bei Vorlage einer Fahrtfreigabeanforderung der Lastwiderstand durch das Schaltelement bis zum Erreichen einer bestimmten ersten Temperatur zwischen den elektrischen Kontakten der Brennstoffzellenanordnung zugeschaltet wird und dass ohne Vorlage einer Fahrtfreigabeanforderung der Lastwiderstand durch das
Schaltelement bis zum Erreichen einer bestimmten zweiten Temperatur zwischen den elektrischen Kontakten der Brennstoffzellenanordnung
zugeschaltet wird. Dadurch, dass durch das Verfahren zum Aufheizen einer Brennstoffzellenanordnung eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufgeheizt wird, ergeben sich sämtliche Vorteile, die zu einer Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind auch für ein erfindungsgemäßes Verfahren, das zum Aufheizen einer Brennstoffzellenanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgestaltet ist. Eine Fahrtfreigabeanforderung ist in einem
automobilen Einsatz einer Brennstoffzellenanordnung eine Anforderung durch den Benutzer eines Fahrzeugs zum Starten der Fortbewegung des Fahrzeugs.
Die erste Temperatur kann daher derart gewählt werden, dass sich die
Brennstoffzellenanordnung bereits soweit erwärmt hat, dass insbesondere 50 % bis 75 % der maximal erreichbaren Leistung der Brennstoffzellenanordnung zur Verfügung steht. Selbstverständlich kann dabei ein Erreichen der ersten
Temperatur auch durch ein zeitgesteuertes Zuschalten des Lastwiderstandes realisiert sein. So kann beispielsweise durch einen Betrieb der
Brennstoffzellenanordnung mit zugeschaltetem Lastwiderstand für 15 bis 20 Sekunden bei einer Ausgangstemperatur, das heißt der Temperatur der
Brennstoffzellenanordnung vor dem Aufheizen, von -25° C ein Erreichen der ersten Temperatur sichergestellt werden. Die Dauer des Zuschaltens des
Lastwiderstandes kann dabei bevorzugt von einer Ausgangstemperatur abhängig gewählt sein. Ein Losfahren des Fahrzeugs mit maximaler Beschleunigung ist zu diesem Zeitpunkt bereits möglich. Je nach maximaler Leistung der
Brennstoffzellenanordnung, Wärmekapazität und Starttemperatur kann bis zum Erreichen der ersten Temperatur bis zu 20 bis 60 Sekunden vergehen. Die zweite Temperatur ist derart gewählt, dass sie die ideale Betriebstemperatur der Brennstoffzellenanordnung darstellt. Bei Erreichen der zweiten Temperatur hat somit die Brennstoffzellenanordnung ihre volle Leistungsfähigkeit erreicht.
Dadurch, dass ohne Fahrtfreigabeanforderung, auch bei einem nachträglichen Wegfall einer Fahrtfreigabeanforderung, die Brennstoffzellenanordnung bei jedem Start bis zu ihrer Betriebstemperatur erwärmt wird, ist eine
Wiederholbarkeit dieses Startvorganges gegeben. Ermüdungseffekte an
Brennstoffzellenanordnungen, bei denen Startvorgänge schon vor Erreichen der optimalen Betriebstemperatur abgebrochen werden, können so sicher vermieden werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die erste Temperatur bei -103 C bis 0 C, bevorzugt bei -5 C erreicht wird und/oder die zweite Temperatur bei 50 C bis 70 C, bevorzugt bei 60 C erreicht wird. Selbstverständlich kann das Erreichen der ersten beziehungsweise der zweiten Temperatur durch ein zeitgesteuertes Zuschalten des Lastwiderstands realisiert sein. Bei ersten bzw. zweiten
Temperaturen in diesen Bereichen können ein besonders schonender Betrieb bzw. eine schonende Aufheizphase für eine erfindungsgemäße
Brennstoffzellenanordnung sichergestellt werden. Gleichzeitig sind die ersten bzw. zweiten Temperaturen in diesen Bereichen derart gewählt, dass ein hoher Komfort für einen Benutzer einer Brennstoffzellenanordnung, insbesondere im automobilen Bereich, hergestellt werden kann, insbesondere dass eine
Aufheizphase einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung nicht unnötig lange dauert.
Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufheizen einer Brennstoffzellenanordnung vorgesehen sein, dass das Zuschalten des Lastwiderstands durch das Schaltelement bei Erreichen einer dritten Temperatur, wobei die dritte Temperatur zwischen der ersten und der zweiten Temperatur, insbesondere im Bereich von 15 C bis 40 C, liegt, zeitlich begrenzt unterbrochen wird. Bei einem Betrieb der Brennstoffzellenanordnung mit verschlechtertem Wirkungsgrad ist es möglich, dass sich in der Brennstoffzellenanordnung Wasser ansammelt. Durch eine zeitlich begrenzte Unterbrechung der Zuschaltung des Lastwiderstands wird die Spannung der Brennstoffzellenanordnung erhöht und erzeugtes Wasser aus den Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung sicher ausgetragen. Die Unterbrechung ist dabei insbesondere zeitlich begrenzt, bevorzugt liegt die Zeitdauer der Unterbrechung zwischen 3 und 5 Sekunden. Nach der Unterbrechung, die darüber hinaus wiederholt vorgenommen werden kann, wird die Aufheizphase der Brennstoffzellenanordnung fortgesetzt, wodurch ein sicheres Erreichen der Betriebstemperatur der Brennstoffzellenanordnung sichergestellt werden kann.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung und ihre Weiterbildungen sowie deren Vorteile und das erfindungsgemäße Verfahren und seine
Weiterbildungen sowie dessen Vorteile werden nachfolgend anhand von
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Stand der Technik, Fig. 2 erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung,
Fig. 3 einen Thermalkreislauf einer erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenanordnung ,
Fig. 4 ein Diagramm einer Aufheizphase mit
Fahrtfreigabeanforderung und
Fig. 5 ein Diagramm einer Aufheizphase ohne
Fahrtfreigabeanforderung.
Elemente und Merkmale mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 , 2, 3, 4 und 5 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist eine Brennstoffzellenanordnung 1 gemäß dem Stand der Technik während einer Aufheizphase gezeigt. Die Brennstoffzellenanordnung 1 weist dabei insbesondere Brennstoffzellen 2 auf. An den Brennstoffzellen 2 sind dabei ferner insbesondere ein erster elektrischen Kontakt 10 und ein zweiter elektrischen Kontakt 1 1 vorgesehen, die insbesondere über zusätzliche
Schaltelemente 12 mit einem Gleichstromwandler 14 verbunden sind. In diesem Gleichstromwandler 14 wird die elektrische Spannung erhöht und stabilisiert und im Anschluss einem Verbraucherstromkreis 13 zur Verfügung gestellt.
Insbesondere ist in diesem Verbraucherstromkreis auch eine Startheizung 15 vorgesehen, die während der gezeigten Aufheizphase der
Brennstoffzellenanordnung 1 ebenfalls durch zusätzliche Schaltelemente 12 aktiviert ist. Ferner ist ein Entladewiderstand 17 gezeigt, die bei einem
Ausschalten der Brennstoffzellenanordnung 1 die noch in der Brennstoffzelle 2 vorhandene elektrische Energie verbraucht. Während der gezeigten
Aufheizphase der Brennstoffzellenanordnung 1 wird die Brennstoffzelle 2 mit verschlechtertem Wirkungsgrad betrieben, um eine erhöhte Abwärmeproduktion der Brennstoffzelle 2 zu erzeugen. Die elektrische Energie, die dennoch erzeugt wird, wird insbesondere in der Startheizung 15 verbraucht, die bereits ein Teil des Verbraucherstromkreises 13 ist. Durch aufwändige Schaltungen muss die verminderte elektrische Spannung der Brennstoffzellen 2 beim Betrieb in der Aufheizphase der Brennstoffzellenanordnung 1 kompensiert werden, um die an den Verbraucherstromkreis 13 angeschlossenen Verbraucher, insbesondere die Startheizung 15 oder beispielsweise einen Luftkompressor, mit der für diese notwendigen Spannung versorgen zu können.
In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung 1 gezeigt. Im Unterschied zur Brennstoffzellenanordnung 1 gemäß dem Stand der Technik, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, weist die erfindungsgemäße
Brennstoffzellenanordnung 1 einen Lastwiderstand 20 auf, der über ein
Schaltelement 21 direkt am ersten elektrischen Kontakt 10 und zweiten elektrischen Kontakt 1 1 der Brennstoffzellenanordnung 1 angeordnet ist. Der Lastwiderstand 20 stellt erfindungsgemäß während einer Aufheizphase der
Brennstoffzellenanordnung 1 den alleinigen oder zumindest im Wesentlichen alleinigen Verbraucher der elektrischen Energie der Brennstoffzellenanordnung dar. Während der dargestellten Aufheizphase der Brennstoffzellenanordnung 1 können die zusätzlichen Schaltelemente 12, die zur Verbindung der
Brennstoffzellenanordnung über einen Gleichstromwandler 14 zum
Verbraucherstromkreis 13 vorgesehen sind, geöffnet sein. Der
Verbraucherstromkreis 13 ist somit von der Brennstoffzellenanordnung 1 während der Aufheizphase entkoppelt. Aufwändige Schaltungen im
Verbraucherstromkreis 13 zur Kompensation einer insbesondere niedrigeren Spannung der Brennstoffzellenanordnung 1 während einer Aufheizphase sind somit nicht nötig. Auch ein Kurzschluss der elektrischen Kontakte 10, 1 1 der Brennstoffzellenanordnung 1 , der insbesondere ein unkontrolliertes Verbinden der beiden elektrischen Kontakte 10, 1 1 der Brennstoffzellenanordnung 1 darstellt, kann so sicher vermieden werden. Der Lastwiderstand 20 kann dabei insbesondere für eine zusätzliche Erwärmung der Brennstoffzelle 2 oder einer
Kühlvorrichtung 30 (nicht mit abgebildet) vorgesehen sein und dadurch die Aufheizphase der Brennstoffzellenanordnung 1 verkürzen.
Dies wird insbesondere deutlich in dem in Fig. 3 gezeigten Thermalkreislauf einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1. Gezeigt ist dabei eine
Brennstoffzelle 2, die über Kühlleitungen mit einem Kühler, insbesondere mit einem Fahrzeugkühler 33, verbunden ist. In den Kühlleitungen befindet sich Kühlfluid, das über eine Kühlmittelpumpe 32 umgewälzt wird. Während der Aufheizphase der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1 ist ferner ein Kühlfiuidbypass 31 über eine Ventilvorrichtung 34 alternativ zum Fahrzeugkühler
33, geschaltet. Während der Aufheizphase der Brennstoffzellenanordnung 1 wird somit das Kühlfluid nicht im Fahrzeugkühler 33 abgekühlt sondern wird immer weiter aufgeheizt, bis die Brennstoffzellenvorrichtung 1 ihre ideale
Betriebstemperatur erreicht hat. Ferner kann eine Kühlfluidheizvorrichtung 22 vorgesehen sein, in der insbesondere der Lastwiderstand 20 angeordnet ist. Durch die Erwärmung des Lastwiderstands 20, der die elektrische Energie der
Brennstoffzellen 2 während der Aufheizphase der Brennstoffzellenanordnung 1 verbraucht, wird das Kühlfluid zusätzlich aufgeheizt. Eine zusätzliche Verkürzung der Aufheizphase der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1 kann somit erreicht werden.
In Fig. 4 ist ein Diagramm eines Testlaufs einer Aufheizphase einer
erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1 für den Fall gezeigt, dass eine Fahrtfreigabeanforderung vorliegt. Gezeigt sind die Diagrammkurven für
Spannung 40, Leistung 41 und Temperatur 42. Gezeigt sind die einzelnen Diagrammkurven gegenüber der Zeit, wobei die Temperatur 42 von -30 C bis
120 C gezeigt ist und die Spannung 40 und die Leistung 41 ohne Einheit abgebildet sind. Beim Start des Testlaufs liegt die Temperatur 42 bei etwa -25 C. Die Brennstoffzellenanordnung 1 wird mit zugeschaltetem Lastwiderstand 20 betrieben, was sich in den ersten 20 Sekunden des Diagramms in einer sehr niedrigen Spannung 40 und sehr niedrigen elektrischer Leistung 41 aber hoher thermischer Leistung wiederspiegelt. Während dieser Zeit steigt die Temperatur 42 kontinuierlich von -25 C auf etwa -10°C an. Bei -10 C wird die erste
Temperatur 43 erreicht. Alternativ ist eine zeitdauergeführte Betriebsstrategie möglich. Da eine Fahrtfreigabeanforderung vorliegt, erfolgt somit bei 20
Sekunden bzw. -10 C eine Fahrtfreigabe 45, die Zuschaltung des
Lastwiderstands 20 wird beendet und über die zusätzlichen Schaltelemente 12 wird die Brennstoffzellenanordnung 1 mit dem Verbraucherstromkreis 1 3 verbunden (siehe beispielsweise Fig. 2). Dadurch steigt sowohl Spannung 40 als auch Leistung 41 sprunghaft an. Im Weiteren wird die Brennstoffzellenanordnung 1 im Normalbetrieb betrieben, wobei die Temperatur 42 weiter ansteigt, bis sie mit etwa 60 C bei etwa 70 Sekunden ihre ideale Betriebstemperatur erreicht. Der Testlauf wurde zu diesem Zeitpunkt abgebrochen. Somit wird deutlich, dass bei einer Fahrtfreigabeanforderung bereits nach sehr kurzer Zeit (20 Sekunden) eine Fahrtfreigabe 45 erreicht werden kann. Die Leistung 41 der
Brennstoffzellenanordnung 1 ist bei dieser Temperatur 42 bereits derart hoch, dass ein Losfahren ohne Komfortverlust problemlos möglich ist. Dennoch ist die Temperatur 42 bei der ersten Temperatur 43 auch hoch genug, dass die
Brennstoffzeiienanordnung 1 ohne Schaden für die Brennstoffzellenanordnung 1 betrieben werden kann.
In Fig. 5 wird ein Diagramm einer Aufheizphase einer Brennstoffzellenanordnung 1 für den Fall gezeigt, dass keine Fahrtfreigabeanforderung vorliegt. Wiederum sind Spannung 40, Leistung 41 und Temperatur 42 gegen die Zeit seit Beginn des Betriebs der Brennstoffzellenanordnung 1 gezeigt. In diesem Fall wird die Brennstoffzellenanordnung 1 mit zugeschaltetem Lastwiderstand 20 betrieben, bis eine zweite Temperatur 44, in diesem Fall etwa 70 C, erreicht ist. Die Temperatur 42 steigt während dieser Zeit kontinuierlich an, wobei Spannung 40 und Leistung 41 auf durch den zugeschalteten Lastwiderstand 20 niedrigem Niveau verharren. Bei Erreichen der zweiten Temperatur 44 wird die Zuschaltung des Lastwiderstands 20 beendet, was sich durch einen Abfall der Leistung 41 auf null sichtbar macht. Dies ist dadurch bedingt, dass ohne den Lastwiderstand 20 kein weiterer Verbraucher Energie der Brennstoffzellenanordnung 1 verbraucht und somit auch keine Leistung 41 gemessen werden kann. Durch das
Durchlaufen der Erwärmung der Brennstoffzellenanordnung 1 während der Aufheizphase bis zur zweiten Temperatur 44 kann sichergestellt werden, dass die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung 1 ihre ideale
Betriebstemperatur, die insbesondere der zweiten Temperatur 44 entspricht, bei jedem Start sicher erreicht. Belastungen und Alterungserscheinungen einer Brennstoffzellenanordnung 1 , wie sie bei einem verfrühten Abbruch einer Aufheizphase auftreten können, können so sicher vermieden werden.

Claims

Ansprüche
1 . Brennstoffzellenanordnung (1 ), wobei die Brennstoffzellenanordnung (1 ) zumindest eine Brennstoffzelle (2) mit einer Kathode und einer Anode aufweist und zumindest zwei elektrische Kontakte (10, 1 1 ) zum Abgreifen der elektrischen Energie vorhanden sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen den elektrischen Kontakten (10, 1 1 ) der
Brennstoffzellenanordnung (1 ) ein Lastwiderstand (20) angeordnet ist, wobei der Lastwiderstand (20) mittels eines Schaltelementes (21 ) zumindest während einer Aufheizphase der Brennstoffzellenanordnung (1 ) als alleiniger oder zumindest im Wesentlichen alleiniger Verbraucher zuschaltbar ist.
2. Brennstoffzellenanordnung (1 ) gemäß Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Lastwiderstand (20) als Niederspannungswiderstand ausgestaltet ist und während einer Aufheizphase der Brennstoffzellenanordnung (1 ) zuschaltbar ist, um Wärme zum Aufheizen der zumindest einen
Brennstoffzelle (2) zu erzeugen, und/oder der Lastwiderstand (20) durch das Schaltelement (21 ) direkt zwischen den elektrischen Kontakten (10, 1 1 ) der Brennstoffzellenanordnung (1 ) anordenbar ist.
3. Brennstoffzellenanordnung (1 ) gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass während der Aufheizphase die Brennstoffzellenanordnung (1 ) von einem nachgeschalteten Verbraucherstromkreis (13), der insbesondere als Hochspannungskreis ausgestaltet ist, trennbar ist, wobei insbesondere der nachgeschaltete Verbraucherstromkreis (13) von den elektrischen Kontakten (10, 1 1 ) durch zumindest ein zusätzliches Schaltelement (12) trennbar ist.
4. Brennstoffzellenanordnung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass während der Aufheizphase eine Menge der erzeugten Abwärme der Brennstoffzellenanordnung (1 ) durch eine Luftverarmung einstellbar ist und/oder dass während der Aufheizphase die erzeugte Abwärme der Brennstoffzeilenanordnung (1 ) Vorrichtungen außerhalb der
Brennstoffzellenanordnung (1 ) zuführbar ist.
Brennstoffzellenanordnung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennstoffzellenanordnung (1 ) eine Kühlvorrichtung (30) zum Kühlen der zumindest einen Brennstoffzelle (2) mit einem Kühlfluid aufweist und der Lastwiderstand (20) in einer Kühlfluidheizvorrichtung (22) angeordnet ist, wobei während der Aufheizphase das Kühlfluid durch Abwärme des Lastwiderstandes (20) erwärm bar ist.
Brennstoffzellenanordnung (1 ) gemäß Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kühlvorrichtung (30) einen Kühlfluidbypass (31 ) aufweist und dass insbesondere die Kühlfluidheizvorrichtung (22) mit dem Lastwiderstand (20) an und/oder im Kühlfluidbypass (31 ) angeordnet ist.
Brennstoffzellenanordnung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Lastwiderstand (20) einen Entladewiderstand (17) in einer
Entladeschaltung (16) der Brennstoffzellenanordnung (1 ) bildet.
Verfahren zum Aufheizen einer Brennstoffzellenanordnung (1 ), wobei die Brennstoffzellenanordnung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche ausgestaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei Vorlage einer Fahrtfreigabeanforderung der Lastwiderstand (20) durch das Schaltelement (21 ) bis zum Erreichen einer bestimmten ersten Temperatur (43) zwischen den elektrischen Kontakten (10, 1 1 ) der
Brennstoffzellenanordnung (1 ) zugeschaltet wird und dass ohne Vorlage einer Fahrtfreigabeanforderung der Lastwiderstand (20) durch das
Schaltelement (21 ) bis zum Erreichen einer bestimmten zweiten Temperatur (44) zwischen den elektrischen Kontakten (10, 1 1 ) der
Brennstoffzellenanordnung (1 ) zugeschaltet wird.
9. Verfahren zum Aufheizen einer Brennstoffzellenanordnung (1 ) gemäß
Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Temperatur (43) bei -10 C bis 0 C, bevorzugt bei -5 C erreicht wird und/oder die zweite Temperatur (44) bei 50 C bis 70 C, bevorzugt bei 60 C erreicht wird.
10. Verfahren zum Aufheizen einer Brennstoffzellenanordnung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zuschalten des Lastwiderstands (20) durch das Schaltelement (21 ) bei Erreichen einer dritten Temperatur, wobei die dritte Temperatur zwischen der ersten (43) und der zweiten Temperatur (44), insbesondere im Bereich von 15 C bis 40 C, liegt, zeitlich begrenzt unterbrochen wird.
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