EP1866991A1 - Vorrichtung und verfahren zum aufheizen eines brennstoffzellenstacks mittels einspeisung von wechselstrom - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum aufheizen eines brennstoffzellenstacks mittels einspeisung von wechselstrom

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EP1866991A1
EP1866991A1 EP06707503A EP06707503A EP1866991A1 EP 1866991 A1 EP1866991 A1 EP 1866991A1 EP 06707503 A EP06707503 A EP 06707503A EP 06707503 A EP06707503 A EP 06707503A EP 1866991 A1 EP1866991 A1 EP 1866991A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel cell
voltage
cell stack
cell system
alternating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06707503A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bruno Burger
Jan Hesselmann
Mario Zedda
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1866991A1 publication Critical patent/EP1866991A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04037—Electrical heating
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates in the field of fuel cell technology to an apparatus and a method for heating a fuel cell or a fuel cell stack.
  • fuel cell stack (or fuel cell stack) will be understood below to mean an arrangement of at least one fuel cell, i. Single cell, but usually several fuel cells, understood. If the fuel cell stack has more than one fuel cell, then the individual fuel cells of the fuel cell stack can be electrically connected in parallel and / or in series.
  • Fuel cell stacks or the individual fuel cells are devices in which an electric chemical reaction is used to recover electrical energy.
  • Such fuel cell systems have a potentially high energy density and are characterized by the fact that overall the exhaust gases or waste products in energy production compared to other current power generation systems are significantly reduced.
  • Fuel cell systems or the individual fuel cells convert chemical energy into electrical energy by means of electrochemical reactions.
  • the reactions take place separately from each other in separated by an electrolytic ion conductor reaction spaces.
  • PEMFC polymer electrolyte membrane fuel cell
  • hydrogen at the anode is oxidized to protons.
  • the protons move through the electrolytic membrane to the cathode, while the electrons remain due to the electrical insulation properties of the membrane or forced into an external electrical circuit.
  • oxygen is reduced to water with the help of electrons and protons, which is the only emission product of the hydrogen-powered PEMFC.
  • the electrochemical reaction at the anode is the conversion of methanol and water to carbon dioxide, hydrogen ions and electrons.
  • the hydrogen ions flow e.g. by a polymer or Kunststoffmemb- ran as electrolyte to the cathode, while the free
  • Prior art methods for such heating include heating by means of heating foils or heating by means of a heating circuit using water as the heat carrier.
  • Another disadvantage relates to the fact that only indirect heating is possible because the heat is not generated in the fuel cell, but is supplied from the outside.
  • the object of the present invention is to provide, starting from the prior art, a fuel cell system whose fuel cell stack or its fuel cells are heated simply and reliably and at sufficient speed. you can. It is also an object of the present invention to provide a corresponding heating method for a fuel cell stack or for fuel cells.
  • a fuel cell system according to the invention has a fuel cell stack having at least one fuel cell, which is provided with at least one electrical connection per pole, i. positive and negative pole, which can serve in particular for connection of an external electrical load, equipped and is inventively characterized in that the fuel cell stack on the
  • the AC voltage generating device here advantageously has an AC voltage source connected in series and a DC voltage source or, connected in series, an AC voltage source and a capacitor.
  • the alternating current may in this case be e.g. via terminals in the fuel cell stack or the fuel cells are fed.
  • the one used to feed the alternating current by the AC voltage generating device to the fuel cell stack or the fuel cell applied AC voltage can have any curved or rectangular shape.
  • These include, for example, a pure sinusoidal AC voltage or a pure rectangular AC voltage.
  • an intermediate form between the two extremes of the pure rectangular shape and the pure sinusoidal shape can be used.
  • the pure rectangular shape is associated with the advantage that the fuel cell can be brought to the fastest operating or switch-on.
  • the disadvantage of the pure rectangular shape is that very high currents flow at the edges of the square-wave voltage. It is therefore preferable to select a waveform having a shape approximated to the rectangular shape, but which is brushed at the edges.
  • this preferred shape is assigned to the rectangular shape.
  • a trapezoidal shape is possible.
  • resonant methods can also be used to supply the alternating current.
  • a preferred embodiment of the fuel cell system according to the invention comprises an AC voltage generating device, which is constructed from an AC voltage source and a DC voltage source connected electrically in series with the AC voltage source.
  • the alternating and the DC voltage source are integrated in one unit or the AC voltage generating device contains a single device, which has both functions at the same time.
  • AC and DC voltage sources are realized by a power electronic circuit.
  • a power electronic circuit This can e.g. consist of a buck converter, a boost converter, an inverting converter, a single-ended primary inductance converter (SEPIC) converter, a Cuk converter and / or a circuit related thereto.
  • SEPIC single-ended primary inductance converter
  • a bidirectional circuit is used, which can be used both for heating the fuel cell stack, as well as for the conversion of the output voltage (DC / DC converter) ' in the normal fuel cell operation.
  • a further preferred variant provides that the AC voltage generating device has an AC voltage source and a capacitor connected electrically in series with the AC voltage source.
  • an AC voltage with a frequency of 10 Hz to 10 MHz, preferably from 100 Hz to 1 MHz and more preferably and 1 kHz to 100 kHz, can be generated.
  • an AC voltage to the fuel cell stack can be applied.
  • the capacitance of the series capacitor is dependent on the fuel cell size and the frequency of the AC voltage and is preferably in the range between 1 ⁇ F to 10 F.
  • the inventive fuel cell system has the particular advantages that the heat generation takes place directly in the fuel cell and no heating of additional components or masses is required. This means that for other components, such. a heating element can be dispensed with. Depending on the design of the required voltage converter to stabilize the output voltage, i. To supply the connected consumers, this can be designed bidirectionally and take over the heating of the fuel cell.
  • Another advantage of the fuel cell system according to the invention is based on the fact that an air cooling of the fuel cell is possible.
  • the invention likewise provides a heating method for heating a fuel cell stack having at least one fuel cell.
  • an alternating current is fed into at least one of the individual cells of the fuel cell stack, wherein preferably the fuel cell system described above is used.
  • a fuel cell system according to the invention can be designed or used as described in one of the following examples.
  • the examples belonging to the example and described below ren have identical reference numerals for the same or similar components or components.
  • FIG. 1a schematically shows a first fuel cell system according to the invention with an in-line fuel cell system
  • FIG. 1b shows a second example of a fuel cell system according to the invention with an AC voltage source which is connected in series with a capacitor.
  • Fig. 2 shows a simple equivalent circuit of a fuel cell stack with two single cells in series.
  • FIG. 3a shows a first variant according to the invention of a bidirectional, power-electronic circuit.
  • 3b shows a second variant of a bidirectional power electronic circuit according to the invention.
  • reference numeral 1 denotes a fuel cell stack, which in the present case has six individual series-connected fuel cells. However, the fuel cell stack can also have more or fewer fuel cells, wherein the fuel cells can also be connected in parallel.
  • the fuel cell stack is provided with two electrical connections Ia and Ib in the form of connection terminals, via which an electrical load can be connected to the fuel cell stack.
  • the connection Ia Connected via a electrical line 3a to a first terminal of an AC voltage source 2a.
  • the other electrical connection of the AC voltage source 2a is connected via a further electrical line 3b to a first terminal of a DC voltage source 2b.
  • the second terminal of the DC voltage source 2b is connected via an electrical line 3c to the second terminal Ib of the fuel cell stack 1.
  • the AC heating or AC voltage generating device 2 for the fuel cell stack is thus designed so that an AC voltage source 2a and a DC voltage source 2b (which determines the operating point) are connected in series.
  • the voltage generated by the voltage sources is applied via the terminals Ia and Ib to the fuel cell stack 1, whereby an alternating current is fed directly through the terminals of the fuel cell stack 1 in the individual fuel cells of the stack. Due to the ohmic resistance of the stack, a heating thus takes place directly in the interior of the fuel cell stack.
  • the applied voltage is selected, for example, such that an alternating voltage having an amplitude of 0.4 V per fuel cell of the fuel cell stack 1 is superimposed on the no-load voltage or the operating voltage of the fuel cell stack 1. Since in the present case the stack has six individual fuel cells, an alternating voltage with an amplitude of 2.4 V is thus superimposed on the fuel cell stack. However, larger or smaller amplitude values can also be applied. _
  • the waveform of the applied AC voltage can be chosen to be rectangular or sinusoidal or to increase the power.
  • Preferred here is a form of the alternating voltage, which is based on a rectangular shape, but is rounded by a sinusoidal superposition on the flanks.
  • the frequency of the applied AC voltage is freely selectable in wide ranges, particularly advantageous frequencies between 10 Hz and 10 MHz.
  • resonant methods can also be used depending on the capacity of the fuel cell stack.
  • FIG. 1b shows a further embodiment of an alternating current heater according to the invention.
  • the AC voltage generating device 2 has an AC voltage source 2 a and a capacitor 2 c connected in series with it via the electrical line 3 b.
  • the alternating voltage generating device is connected via the two electrical leads 3 a and 3 c to the connection terminals 1 a and 1 c of the fuel cell stack 1.
  • One or more consumers which are connected via corresponding electrical connections to the fuel cell or the fuel cell stack, can be connected to the fuel cell via its own circuit.
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of a fuel cell stack consisting of two fuel cells, which consists in the simplest form of a series circuit of resistors and capacitors.
  • the resistances of the equivalent circuit diagram are determined by the conductivity of the materials used and the capacitor is replaced by the bipolar _ _
  • Fig. 3a shows a bidirectional according to the invention
  • the DC voltage of the capacitor Cl or a DC voltage source or battery connected in parallel to the CI is transformed by clocking the electronic switches S1 and S2 into a controllable DC voltage with a superimposed alternating voltage.
  • the alternating voltage component causes the heating of the stack.
  • the stack is the power source and the circuit operates as a boost converter and converts the DC voltage of the stack to a higher output voltage on capacitor C1.
  • Parallel to Cl the electrical consumers can be connected.
  • Capacitor C2 may optionally be connected in parallel with the fuel cell stack to support the voltage and / or smooth the currents.
  • FIG. 3b shows a second variant of a bidirectional circuit according to the invention.
  • the bidirectional converter operates as a boost converter to heat the fuel cell stack.
  • the DC voltage of the capacitor Cl or a DC voltage source or battery connected in parallel to the CI is transformed by clocking the electronic switches S1 and S2 into a controllable DC voltage with a superimposed alternating voltage.
  • the AC voltage component causes the heating of the stack.
  • the stack is the power source and the circuit converts the DC voltage of the stack to a lower output voltage across capacitor C1.
  • Parallel to C1 the electrical consumers can be connected.
  • the capacitor C2 may advertising optionally connected in parallel to the fuel cell stack •, to support the voltage and / or to smooth the currents.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoff zellensystem, welches mit einer Wechselspannungserzeugungsvorrichtung aufheizbar ist. Das Brennstoff zellensystem weist einen mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoff zellenstack (1) auf, der mit mindestens einem elektrischen Anschluss (Ia und Ib) ausgestattet ist und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff zellenstack (1) über den mindestens einen Anschluss (Ia und Ib) mit einer Wechselspannungserzeugungsvorrichtung (2) verbunden ist, über die ein Wechselstrom über die Anschlüsse (Ia und Ib) zur elektrischen Heizung des Brennstoff zellenstacks (1) einspeisbar ist.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM AUFHEIZEN EINES BRENNSTOFFZELLENSTACKS MITTELS EINSPEISUNG VON WECHSELSTROM
Vorrichtung und Verfahren zur Heizung einer Brennstoffzelle oder eines BrennstoffZellenstacks
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Bereich der BrennstoffZellentechnologie auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufheizung einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstacks .
Unter dem Begriff des Brennstoffzellenstacks (bzw. Brennstoffzellenstapels) wird im Folgenden eine Anordnung von mindestens einer Brennstoffzelle, d.h. Einzelzelle, in der Regel jedoch mehrerer Brennstoffzellen, verstanden. Weist der Brennstoffzellenstack mehr als eine Brennstoffzelle auf, so können die ein- zelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstacks elektrisch parallel und/oder in Reihe geschaltet sein.
Brennstoffzellenstacks bzw. die einzelnen Brennstoff- zellen sind Vorrichtungen, in welchen eine elektro- chemische Reaktion verwendet wird, um elektrische E- nergie zu gewinnen. Solche BrennstoffZellensysteme weisen eine potentiell hohe Energiedichte auf und zeichnen sich dadurch aus, dass insgesamt gesehen die Abgase bzw. die Abfallprodukte bei der Energieerzeugung im Vergleich zu anderen gegenwärtigen Energieerzeugungssystemen deutlich reduziert werden.
BrennstoffZeilensysteme bzw. die einzelnen Brenn- stoffzellen wandeln chemische Energie in elektrische Energie mit Hilfe von elektrochemischen Reaktionen um. Die Reaktionen laufen dabei getrennt voneinander in durch einen elektrolytischen Ionenleiter getrennten Reaktionsräumen ab. So wird beispielsweise in einer wasserstoffbetriebenen Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEMFC) Wasserstoff an der Anode zu Protonen oxydiert . Die Protonen wandern durch die elektrolytische Membran zur Kathode, während die Elektronen aufgrund der elektrischen Isolierungsei- genschaften der Membran zurückbleiben bzw. in einen äußeren elektrischen Stromkreis gezwungen werden. An der Kathode wird Sauerstoff mit Hilfe von Elektronen und Protonen zu Wasser reduziert, welche das einzige Emissionsprodukt der wasserstoffbetriebenen PEMFC ist. In der Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) ist die elektrochemische Reaktion an der Anode die Umwandlung von Methanol und Wasser zu Kohlendioxid, Wasserstoffionen und Elektronen. Die Wasserstoffionen fließen z.B. durch eine Polymer- bzw. Kunststoffmemb- ran als Elektrolyt zur Kathode, während die freien
Elektronen durch einen Verbraucher, der normalerweise zwischen die Anode und die Kathode geschaltet ist, fließen. An der Kathode reagiert Sauerstoff mit Wasserstoffionen und freien Elektronen zu Wasser. Somit besteht der Ausstoß einer DMFC lediglich in Kohlendioxid und Wasser. Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstacks können bei Temperaturen unter O0C ohne Fremdheizung nur sehr langsam oder mit großen Problemen anlaufen. Um einen schnellen Start der Brennstoffzelle bei niedrigen
Temperaturen zu erreichen, muss die Brennstoffzelle bzw. müssen die einzelnen Brennstoffzellen des Systems beheizt werden. Verfahren nach dem Stand der Technik zu einer solchen Beheizung sind die Heizung mit Hilfe von Heizfolien oder die Heizung mit Hilfe eines Wärmekreislaufs mit Wasser als Wärmeträger.
Bei der Verwendung eines Wärmekreislaufs mit Wasser als Wärmeträger treten jedoch die Nachteile auf, dass hierfür recht aufwendige Komponenten erforderlich sind. Zunächst muss ein Heizelement im Kühl- oder Heizkreislauf eingebaut werden. Die Flüssigkeit im Kühl- oder Heizkreislauf selbst muss ebenfalls erwärmt werden, was zu einem zusätzlichen Energiebedarf führt. Ein weiterer Aspekt hinsichtlich des hohen
Energiebedarfs betrifft das Erfordernis einer Pumpe zum Umpumpen des Wassers .
Bei der Verwendung einer Heizung mittels einer Heiz- folie tritt auch hier der Nachteil auf, dass zusätzliche Komponenten erforderlich sind. Ein weiterer Nachteil betrifft die Tatsache, dass lediglich eine indirekte Aufheizung möglich ist, da die Wärme nicht in der Brennstoffzelle entsteht, sondern von außen zugeführt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik ein BrennstoffZellensystem zur Verfügung zu stellen, dessen Brennstoffzellenstack bzw. dessen Brennstoffzellen einfach und zuverlässig und mit ausreichender Geschwindigkeit aufgeheizt wer- den können. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es darüber hinaus ein entsprechendes Heizverfahren für ein Brennstoffzellenstack bzw. für Brennstoffzellen zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch das BrennstoffZeilensystem gemäß Anspruch 1 und durch das Heizverfahren gem. Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsge- mäßen Verfahrens sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem weist einen mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstack auf, welcher mit mindestens einem elektrischen Anschluss pro Pol, d.h. positivem und negativem Pol, welcher insbesondere zum Anschluss eines externen elektrischen Verbrauchers dienen kann, ausgestattet ist und ist erfindungsgemäß dadurch ge- kennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstack über die
Anschlüsse mit einer Wechselspannungserzeugungsvor- richtung verbunden ist, so dass mittels der Wechsel- spannungserzeugungsvorrichtung ein elektrischer Wechselstrom in die Brennstoffzellen bzw. den Brennstoff- zellenstack zur Heizung des Brennstoffzellenstacks bzw. der Zellen eingekoppelt werden kann. Die Wech- selspannungserzeugungsvorrichtung weist hier vorteilhafterweise in Reihe geschaltet eine Wechselspannungsquelle und eine Gleichspannungsquelle oder in Reihe geschaltet eine WechselSpannungsquelle und einen Kondensator auf. Der Wechselstrom kann hierbei z.B. über Anschlussklemmen in den Brennstoffzellenstack bzw. die Brennstoffzellen eingespeist werden.
Die zur Einspeisung des Wechselstroms verwendete, durch die Wechselspannungserzeugungsvorrichtung an den Brennstoffzellenstack bzw. die Brennstoffzellen angelegte WechselSpannung kann eine beliebige Kurvenoder Rechteckform aufweisen. Hierzu zählen beispiels- weise eine reine sinusförmige WechselSpannung oder eine reine rechteckförmige WechselSpannung. Ebenso ist es aber auch möglich, dass eine Zwischenform zwischen den beiden Extremen der reinen Rechteckform und der reinen Sinusform verwendet werden kann. Die reine Rechteckform ist dabei mit dem Vorteil verbunden, dass die Brennstoffzelle am schnellsten auf die Betriebs- bzw. Einschalttemperatur gebracht werden kann. Auf der anderen Seite ist mit der reinen Rechteckform der Nachteil verbunden, dass an den Flanken der Rechteckspannung sehr hohe Ströme fließen. Es ist daher bevorzugt, eine Kurvenform zu wählen, die eine der Rechteckform angenäherte Form aufweist, die jedoch an den Kanten angeruήdet ist . Als Zwischenform zwischen der Rechteckform und der Sinusform, ist die- se bevorzugte Form der Rechteckform zuzuordnen. Ebenso ist aber auch eine Trapezform möglich.
Je nach elektrischer Kapazität des aufzuheizenden BrennstoffZellenstacks können zur Einspeisung des Wechselstroms auch resonante Verfahren eingesetzt werden .
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen BrennstoffZellensystems weist eine Wechselspannungs- erzeugungsvorrichtung auf, die aus einer Wechselspannungsquelle und einer elektrisch in Reihe mit der Wechselspannungsquelle geschalteten Gleichspannungs- quelle aufgebaut ist. Dabei ist es möglich, dass die Wechsel- und die Gleichspannungsquelle in einer Ein- heit integriert sind bzw. die Wechselspannungserzeugungsvorrichtung eine einzige Vorrichtung enthält, die beide Funktionen gleichzeitig aufweist .
Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass die Wechsel- und Gleichspannungsquellen durch eine leistungselekt- ronische Schaltung realisiert sind. Diese kann z.B. aus einem Tiefsetzsteiler, einem Hochsetzsteller, einem Inverswandler, einem SEPIC (Single-ended prima- ry inductance Converter) -Wandler, einem Cuk-Wandler und/oder einer hiermit verwandten Schaltung bestehen.
Besonders bevorzugt wird eine bidirektionale Schaltung eingesetzt, die sowohl zur Heizung des Brennstoffzellenstacks, als auch zur Wandlung der AusgangsSpannung (DC/DC-Wandler) ' im normalen Brenn- stoffzellenbetrieb genutzt werden kann.
Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass die Wechselspannungserzeugungsvorrichtung eine Wechsel- Spannungsquelle und einen elektrisch in Reihe mit der Wechselspannungsquelle geschalteten Kondensator aufweist .
Dabei ist es bevorzugt, dass mit der Wechselspan- nungserzeugungsvorrichtung eine WechselSpannung mit einer Amplitude von 0,2 V bis 0,6 V, bevorzugt 0,3 V bis 0,5 V und besonders bevorzugt 0,35 V bis 0,45 V, pro Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstacks, der LeerlaufSpannung oder der Arbeitsspannung des Brennstoffzellenstacks überlagert ist.
Mit der Wechselspannungserzeugungsvorrichtung ist eine WechselSpannung mit einer Frequenz von 10 Hz bis 10 MHz, bevorzugt von 100 Hz bis 1 MHz und besonders bevorzugt und 1 kHz bis 100 kHz, erzeugbar. Vorzugsweise ist mit der Wechselspannungserzeugungs- Vorrichtung mittels eines redundanten Verfahrens eine Wechselspannung an den Brennstoffzellenstack anlegbar. Die Kapazität des Serienkondensators ist dabei abhängig von der Brennstoffzellengröße und der Frequenz der WechselSpannung und liegt bevorzugt im Bereich zwischen 1 μF bis 10 F.
Gegenüber dem Stand der Technik weist das erfindungs- gemäße Brennstoffzellensystem insbesondere die Vorteile auf, dass die Wärmeentstehung direkt in der Brennstoffzelle erfolgt und keine Aufheizung zusätzlicher Komponenten bzw. Massen erforderlich ist. Dies bedeutet, dass auf weitere Bauteile, wie z.B. ein Heizelement, verzichtet werden kann. Je nach Ausführung des benötigten Spannungswandlers zur Stabilisierung der AusgangsSpannung, d.h. zur Versorgung der angeschlossenen Verbraucher, kann dieser bidirektional ausgelegt werden und die Heizung der Brennstoff- zelle übernehmen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Brennstoffzellesystems beruht darauf, dass auch eine Luftkühlung der Brennstoffzellen möglich ist.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Heizverfahren für die Aufheizung eines mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstacks bereitgestellt. Bei diesem Verfahren wird ein Wechselstrom in mindestens einer der Einzelzellen des Brennstoffzellenstacks eingespeist, wobei vorzugsweise das zuvor beschriebene Brennstoffzellensystem eingesetzt wird.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem kann wie in einem der nachfolgenden Beispiele beschrieben aus- geführt sein oder verwendet werden. Die zu dem Beispiel gehörenden und nachfolgend beschriebenen Figu- ren weisen für die selben oder ähnliche Bestandteile bzw. Bauteile identische Bezugszeichen auf.
Fig. Ia zeigt schematisch ein erstes erfindungs- gemäßes BrennstoffZeilensystem mit einer in
Reihe geschalteten Gleichspannungsquelle und Wechselspannungsquelle zur Aufheizung.
Fig. Ib zeigt ein zweites Beispiel für ein erfin- dungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einer Wechselspannungsquelle, welche mit einem Kondensator in Serie geschaltet ist.
Fig. 2 zeigt ein einfaches Ersatzschaltbild eines BrennstoffZeilenstacks mit zwei Einzelzellen in Serie.
Fig. 3a zeigt eine erste erfindungsgemäße Variante einer bidirektionalen, leistungselektroni- sehen Schaltung.
Fig. 3b zeigt eine zweite Variante einer erfindungsgemäßen bidirektionalen, leistungselektronischen Schaltung.
In Fig. Ia bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Brennstoffzellenstack, welcher im vorliegenden Fall sechs einzelne, in Reihe geschaltete Brennstoffzellen aufweist. Der Brennstoffzellenstack kann jedoch auch mehr oder weniger Brennstoffzellen aufweisen, wobei die Brennstoffzellen auch parallel geschaltet sein können. Der Brennstoffzellenstack ist mit zwei elektrischen Anschlüssen Ia und Ib in Form von Anschluss- klemmen versehen, über die ein elektrischer Verbrau- eher an den Brennstoffzellenstack angeschlossen werden kann. Im vorliegenden Fall ist der Anschluss Ia über eine elektrische Leitung 3a mit einem ersten An- schluss einer Wechselspannungsquelle 2a verbunden. Der andere elektrische Anschluss der Wechselspannungsquelle 2a ist über eine weitere elektrische Lei- tung 3b mit einem ersten Anschluss einer Gleichspannungsquelle 2b verbunden. Der zweite Anschluss der Gleichspannungsquelle 2b ist über eine elektrische Leitung 3c mit dem zweiten Anschluss Ib des Brennstoffzellenstacks 1 verbunden. Ebenso ist es auch möglich, dass die Wechselspannungsquelle und die
Gleichspannungsquelle in umgekehrter Reihenfolge angeordnet sind, da die Reihenfolge der einzelnen integrierten Spannungsquellen beliebig ist. Im vorliegenden Fall ist die Wechselstromheizung bzw. Wechsel- spannungserzeugungsvorrichtung 2 für den Brennstoffzellenstack also so ausgeführt, dass eine Wechsel- Spannungsquelle 2a und eine Gleichspannungsquelle 2b (welche den Arbeitspunkt festlegt) in Reihe geschaltet sind. Die durch die Spannungsquellen erzeugte Spannung wird über die Anschlussklemmen Ia und Ib an den Brennstoffzellenstack 1 angelegt, wodurch ein Wechselstrom direkt über die Anschlussklemmen des Brennstoffzellenstacks 1 in die einzelnen Brennstoffzellen des Stacks eingespeist wird. Durch den ohm- sehen Widerstand des Stacks erfolgt somit eine Heizung direkt im Inneren des Brennstoffzellenstacks . Die angelegte Spannung wird hierbei beispielsweise so gewählt, dass der LeerlaufSpannung oder der Arbeits- Spannung des Brennstoffzellenstacks 1 eine Wechsel- Spannung mit einer Amplitude von 0,4 V pro Brenstoff- zelle des Brennstoffzellenstacks 1 überlagert wird. Da im vorliegenden Fall der Stack sechs einzelne Brennstoffzellen aufweist, wird somit dem Brennstoff- zellenstack eine WechselSpannung mit einer Amplitude von 2,4 V überlagert. Es können jedoch auch größere oder kleinere Amplitudenwerte angelegt werden. _
Die Kurvenform der angelegten WechselSpannung kann hierbei sinusförmig oder auch zur Erhöhung der Leistung rechteckförmig gewählt werden. Bevorzugt ist hier eine Form der WechselSpannung, die auf einer rechteckigen Form basiert, durch eine sinusförmige Überlagerung an den Flanken jedoch abgerundet ist. Die Frequenz der angelegten WechselSpannung ist in weiten Bereichen frei wählbar, besonders vorteilhaft sind Frequenzen zwischen 10 Hz und 10 MHz. Wie bereits beschrieben, können je nach Kapazität des Brennstoffzellenstacks auch resonante Verfahren angewendet werden.
Fig. Ib zeigt eine weitere Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen WechselStromheizung. Hierbei weist die Wechselspannungserzeugungsvorrichtung 2 eine Wechselspannungsquelle 2a und einen mit ihr über die elektrische Leitung 3b in Reihe geschalteten Konden- sator 2c auf. Die Wechselspannungserzeugungsvorrich- tung ist wie in Fig. Ia über die beiden elektrischen Leitungen 3a und 3c mit den Anschlussklemmen Ia und Ic des Brennstoffzellenstacks 1 verbunden. An die Brennstoffzelle können über einen eigenen Kreislauf ein oder mehrere Verbraucher, die über entsprechende elektrische Anschlüsse mit der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellenstack verbunden sind, angeschlossen werden.
In Fig. 2 ist ein Ersatzschaltbild eines aus zwei Brennstoffzellen bestehenden Brenstoffzellenstacks dargestellt, das in einfachsten Form aus einer Serienschaltung von' Widerständen und Kondensatoren besteht. Die Widerstände des Ersatzschaltbildes werden durch die Leitfähigkeit der verwendeten Materialien bestimmt und der Kondensator wird durch die Bipo- _ _
larplatten und die Membran als Dielektrikum gebildet. Aus dem Ersatzschaltbild ist ersichtlich, dass eine Heizung mit Gleichstrom nicht möglich ist, da der Gleichstrom nicht stetig durch die Kondensatoren fließen kann. Für Wechselstrom genügend hoher Frequenz werden die Kondensatoren jedoch leitfähig bzw. die Impedanz (Z=I/ (ωC) ) nimmt so stark ab, dass ein ■ Wechselstrom fließen kann. Dieser Wechselstrom erzeugt dann an den Ohmschen Widerständen eine elektri- sehe Verlustleistung, die den Stack aufheizt. Dies bedeutet, dass keine zusätzlichen Komponenten, wie z.B. Heizfolien benötigt werden und die Heizung so direkt im Stack erfolgen kann, wo sie benötigt wird.
Fig. 3a zeigt eine erfindungsgemäße bidirektionale
Schaltung, in der der verwendete bidirektionale Wandler zur Stackheizung als Tiefsetzsteiler arbeitet.
Die Gleichspannung des Kondensators Cl bzw. einer zu Cl parallel angeschlossenen Gleichspannungsquelle oder Batterie wird durch Taktung der elektronischen Schalter Sl und S2 in eine regelbare Gleichspannung mit einer überlagerten WechselSpannung umgeformt. Der WechselSpannungsanteil bewirkt dabei die Heizung des Stacks. Im normalen Brennstoffzellenbetrieb ohne Heizung ist der Stack die Energiequelle und die Schaltung arbeitet als Hochsetzsteller und wandelt die Gleichspannung des Stacks in eine höhere Ausgangs- Spannung am Kondensator Cl. Parallel zu Cl können die elektrischen Verbraucher angeschlossen werden. Der
Kondensator C2 kann optional parallel zum Brennstoffzellenstack angeschlossen werden, um die Spannung zu stützen und/oder die Ströme zu glätten.
In Fig. 3b ist eine zweite Variante einer erfindungs- gemäßen bidirektionalen Schaltung dargestellt. In dieser Variante arbeitet der bidirektionale Wandler als Hochsetzsteller, um den Brennstoffzellenstack zu beheizen.
Die Gleichspannung des Kondensators Cl bzw. einer zu Cl parallel angeschlossenen Gleichspannungsquelle oder Batterie wird durch Taktung der elektronischen Schalter Sl und S2 in eine regelbare Gleichspannung mit einer überlagerten WechselSpannung umgeformt. Der Wechselspannungsanteil bewirkt dabei die Heizung des Stacks. Im normalen BrennstoffZeilenbetrieb ohne Heizung ist der Stack die Energiequelle und die Schaltung wandelt die Gleichspannung des Stacks in eine niedrigere AusgangsSpannung am Kondensator Cl. Paral- IeI zu Cl können die elektrischen Verbraucher angeschlossen werden. Der Kondensator C2 kann optional parallel zum Brennstoffzellenstack angeschlossen wer- • den, um die Spannung zu stützen und/oder die Ströme zu glätten.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem
mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstack (1) , welcher mindestens einen elektrischen Anschluss pro Pol (Ia, Ib) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brennstoffzellenstack (1) über die Anschlüsse (Ia, Ib) mit einer Wechselspannungserzeu- gungsvorrichtung (2) verbunden ist zur elektri- sehen Heizung des BrennstoffZellenstacks (1) .
2. Brennstoffzellensystem nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
der mindestens eine elektrische Anschluss (Ia, Ib) zum Anschluss eines externen elektrischen
Verbrauchers geeignet ist und/oder mindestens eine Anschlussklemme ist.
3. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wechselspannungserzeugungsvorrichtung (2) eine WechselSpannungsquelle (2a) und eine elektrisch in Reihe mit der Wechselspannungsquelle (2a) geschaltete Gleichspannungsquelle (2b) aufweist.
4. BrennstoffZellensystem nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
. die Spannungsquellen (2a, 2b) in einer einzigen Vorrichtung integriert sind.
5. BrennstoffZeilensystem nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Spannungsquellen (2a, 2b) durch eine leis- tungselektronische Schaltung realisiert sind.
6. BrennstoffZeilensystem nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die leistungselektronische Schaltung durch einen Tiefsetzsteller, Hochsetzsteller, Inverswandler, SEPIC-Wandler, Cuk-Wandler gebildet ist.
7. BrennstoffZeilensystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die leistungselektronische Schaltung eine bidi- rektionale Schaltung zum Heizen des Brennstoff- zellenstacks und zur Wandlung der Ausgangsspannung im BrennstoffZeilenbetrieb ist.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungserzeugungsvorrichtung (2) eine WechselSpannungsquelle (2a) und einen elektrisch in Reihe mit der Wechselspannungs- quelle (2a) geschalteten Kondensator (2c) auf- weist .
9. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels der Wechselspannungserzeugungsvorrich- tung (2) der LeerlaufSpannung oder der Arbeitsspannung des Brennstoffzellenstacks eine Wechselspannung mit einer Amplitude von über 0.2 V und/oder unter 0.6 V, insbesondere von über 0.3 V und/oder unter 0.5 V, insbesondere von über 0.35 V und/oder unter 0.45 V, insbesondere von
0.4 V je Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstacks überlagerbar ist.
10. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit der Wechselspannungserzeugungsvorrichtung (2) eine rechteckförmige WechselSpannung, die an den Flanken abgerundet ist, erzeugbar ist.
11. Brennstoffzellensystem nach einem der vorherge- henden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit 'der Wechselspannungserzeugungsvorrichtung (2) eine WechselSpannung mit einer Frequenz von über 10 Hz und/oder unter 10 MHz, insbesondere von über 100 Hz und/oder unter 1 MHz, insbeson- dere von über 1 kHz und/oder unter 100 kHz erzeugbar ist.
12. BrennstoffZellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit der Wechselspannungserzeugungsvorrichtung (2) mittels eines resonanten Verfahrens eine Wechselspannung an den Brennstoffzellenstack (1) anlegbar ist.
13. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brennstoffzellenstack (1) mindestens zwei elektrisch in Reihe geschaltete Brennstoffzellen oder mindestens zwei elektrisch parallel geschaltete Brennstoffzellen aufweist.
14. Heizverfahren für die Aufheizung eines mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstacks (1) ,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Wechselstrom in mindestens eine der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstacks (1) eingespeist wird.
15. Heizverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13 verwendet wird.
16. Heizverfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wechselstrom durch Anlegen einer Wechsel- Spannung an mindestens einen, insbesondere zum
Anschlüss mindestens eines externen Verbrauchers verwendbaren oder verwendeten elektrischen An- schluss (Ia, Ib) , insbesondere Anschlussklemmen, des Brennstoffzellenstacks (1) eingespeist wird.
17. Heizverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wechselstrom mit Hilfe einer Wechselspan- nungserzeugungsVorrichtung (2) , welche elekt- risch in Reihe geschaltet eine Wechselspannungs- quelle (2a) und eine Gleichspannungsquelle (2b) aufweist, eingespeist wird.
18. Heizverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wechselstrom mit Hilfe einer Wechselspan- nungserzeugungsvorrichtung (2) , welche elektrisch in Reihe geschaltet eine Wechselspannungs- quelle (2a) und einen Kondensator (2c) aufweist, eingespeist wird.
19. Heizverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Einspeisung des Wechselstroms der Leerlaufspannung oder der Arbeitsspannung des Brennstoffzellenstacks eine Wechselspannung mit einer Amplitude von über 0.2 V und/oder unter 0.6 V, insbesondere von über 0.3 V und/oder unter 0.5 V, insbesondere von über 0.35 V und/oder unter 0.45 V, insbesondere von 0.4. V je Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstacks überlagert wird.
20. Heizverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Einspeisung des Wechselstroms der Leerlaufspannung oder der Arbeitsspannung des Brennstoffzellenstacks eine rechteckförmige
WechselSpannung, die an den Flanken durch eine sinusförmige Überlagerung abgerundet ist, überlagert wird.
21. Heizverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Einspeisung des Wechselstroms der Leerlaufspannung oder der Arbeitsspannung des Brennstoffzellenstacks eine WechselSpannung mit einer Frequenz im Bereich von 10 Hz bis 10 MHz, insbesondere von 100 Hz bis 1 MHz, insbesondere von 1 kHz bis 100 kHz überlagert wird.
22. Heizverfahren .nach einem der Ansprüche 14 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrom bzw. die WechselSpannung mittels eines resonanten Verfahrens eingespeist bzw. angelegt wird.
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