DE-102024210736-A1 - Verfahren zum Erwärmen wenigstens einer Brennstoffzelle

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen wenigstens einer Brennstoffzelle (14) eines Brennstoffzellensystems (10). Das Brennstoffzellensystem (10) umfasst zusätzlich einen DC/DC-Wandler (18), über welchen die Brennstoffzelle (14) mit einem Strom beaufschlagbar ist, und eine Energiequelle (14, 34) zum Bereitstellen von Energie. Das Verfahren weist wenigstens die Schritte des Umwandelns (B) der Energie der Energiequelle (14, 34) in einen Wechselstrom mit einer Frequenz größer 1kHz auf, des Aufbringens (C) des Wechselstroms auf die Brennstoffzelle (14), so dass die Brennstoffzelle (14) erwärmt wird, des Messens (D) einer Temperatur (T) der Brennstoffzelle, und des Startens (E) der Brennstoffzelle (14), bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur (T S ) der Brennstoffzelle (14).

Inventors

• Ruediger Kleinschmidt
• Andreas Gleiter
• Nico Alexander Mattes

Assignees

• Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241107

Claims (10)

1. Verfahren zum Erwärmen wenigstens einer Brennstoffzelle (14) eines Brennstoffzellensystems (10), wobei das Brennstoffzellensystem (10) zusätzlich einen DC/DC-Wandler (18) umfasst, über welchen die Brennstoffzelle (14) mit einem Strom beaufschlagbar ist, und eine Energiequelle (14, 34) zum Bereitstellen von Energie, wobei das Verfahren wenigstens die Schritte aufweist: - Umwandeln (B) der Energie der Energiequelle (14, 34) in einen Wechselstrom mit einer Frequenz größer 1kHz, - Aufbringen (C) des Wechselstroms auf die Brennstoffzelle (14), so dass die Brennstoffzelle (14) erwärmt wird, - Messen (D) einer Temperatur (T) der Brennstoffzelle, und - Starten (E) der Brennstoffzelle (14), bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur (T S ) der Brennstoffzelle (14).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass das Brennstoffzellensystem (10) als Energiequelle (34) eine Batterie umfasst, welche Strom für den DC/DC-Wandler (18) bereitstellt, wobei der DC/DC-Wandler (18) zum Aufbringen des Wechselstroms auf die Brennstoffzelle (14) mit einer Frequenz größer 1kHz angesteuert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass das Brennstoffzellensystem (10) als Energiequelle (14) die Brennstoffzelle (14) umfasst, die im Leerlaufzustand betrieben wird (A), und der DC/DC-Wandler (18) ein Schaltelement (26) aufweist, mit welchem die Brennstoffzelle (14) kurzschließbar ist, wobei ein von der Brennstoffzelle (14) generierter Strom (i B ) über das Schaltelement (26) getaktet kurzgeschlossen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass in einem ungeschalteten Zustand des Schaltelements (26) eine parallel zum Schaltelement (26) geschaltete Kapazität (22) durch die Brennstoffzelle (14) aufgeladen wird, welche sich wieder entlädt und die Energie an die Brennstoffzelle (14) abgibt.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass auf die Brennstoffzelle (14) ein Wechselstrom mit einer Frequenz größer als 10kHz aufgebracht wird.
6. Brennstoffzellensystem (10) zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der vorherigen Ansprüche, umfassend: - wenigstens eine Brennstoffzelle (14), zum Umwandeln von chemischer in elektrische Energie, - eine Energiequelle (14, 34), zum Bereitstellen von Energie, und - einen DC/DC-Wandler (18), welcher mit der Brennstoffzelle (14) verbunden ist, und über welchen die Brennstoffzelle (14) mit einem Strom beaufschlagbar ist.
7. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet , dass die Energiequelle (34) eine Batterie ist, welche über den DC/DC-Wandler (18) mit der Brennstoffzelle (14) elektrisch verbunden ist.
8. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet , dass die Energiequelle (14) die Brennstoffzelle (14) ist, welche im Leerlauf betrieben ist, wobei zum Kurzschließen der Brennstoffzelle (14) ein Schaltelement (26) vorgesehen ist.
9. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet , dass eine Kapazität (22) vorgesehen ist, welche parallel zu dem Schaltelement (26) angeordnet und mit dem DC/DC-Wandler (18) verbunden ist, wobei die Kapazität (22) über den DC/DC-Wandler (18) Energie der Brennstoffzelle (14) aufnimmt und an diese abgibt.
10. Kraftfahrzeug umfassend ein Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 9 .

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen wenigstens einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, mit welchem ein solches Verfahren ausführbar ist. Stand der Technik PEM-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane) sind Energiewandler, die in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kommen, von Fahrzeugen bis hin zu stationären Energieerzeugungsanlagen. Eine der Herausforderungen bei der Nutzung dieser Technologie ist der Start unter extremen Bedingungen, insbesondere unterhalb des Gefrierpunkts. Bei solchen Temperaturen kann die Funktionalität der Membran und der Elektroden beeinträchtigt werden, was die Effizienz der Brennstoffzelle erheblich mindert. Die Reaktionskinetik verlangsamt sich, und Wasser, das während des Betriebs entsteht, kann gefrieren und die Systeme blockieren. Daher ist es entscheidend, Lösungen zu entwickeln, die den zuverlässigen Betrieb von PEM-Brennstoffzellen auch bei frostigen Temperaturen gewährleisten. Die Erforschung geeigneter Materialien und Kühlstrategien spielt hierbei eine zentrale Rolle. Zudem sind neue Betriebsstrategien erforderlich, um die Zellen schnell und effektiv auf Betriebstemperatur zu bringen. Die US 2006/0051640 A1 beschreibt ein PEM-Brennstoffzellensystem, das eine Heizvorrichtung mit einem integrierten Thermosensor umfasst. Diese Heizvorrichtung soll verhindern, dass die Temperatur des Elektrolyten unter den Gefrierpunkt fällt, was die Effizienz des Systems in kalten Bedingungen verbessert. Das System besteht aus einem Stapel von Brennstoffzellen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, und umfasst auch eine Kühlvorrichtung sowie Versorgungsleitungen für die Reaktionsgase. Die Heizvorrichtung kann unabhängig vom Betrieb der Brennstoffzelle aktiviert werden, um die Temperatur zu regulieren. Ein Mikroprozessor steuert die Heizvorrichtungen basierend auf den Signalen der Thermosensoren, um die Temperatur in den einzelnen Brennstoffzellen zu stabilisieren. Die Betriebssicherheit und Effizienz von PEM-Brennstoffzellen unter verschiedenen Temperaturbedingungen soll dadurch verbessern werden. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe liegt darin, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem das Brennstoffzellensystem wirtschaftlicher aufheizbar ist. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Erwärmen einer Brennstoffzelle mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. Offenbarung der Erfindung Die Erfindung gibt ein Verfahren zum Erwärmen wenigstens einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems an. Das Brennstoffzellensystem umfasst zusätzlich einen DC/DC-Wandler, über welchen die Brennstoffzelle mit einem Strom beaufschlagbar ist, und eine Energiequelle zum Bereitstellen von Energie. Das Verfahren weist wenigstens die Schritte des Umwandelns der Energie der Energiequelle in einen Wechselstrom mit einer Frequenz größer 1kHz auf, des Aufbringens des Wechselstroms auf die Brennstoffzelle, so dass die Brennstoffzelle erwärmt wird, des Messens einer Temperatur der Brennstoffzelle, und des Startens der Brennstoffzelle, bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur der Brennstoffzelle. Nach dem Stand der Technik werden zum Aufheizen der Brennstoffzelle Heizelemente verwendet, über die das Kühlmedium aufgeheizt wird, welches zur Brennstoffzelle geleitet wird. Über das warme Kühlmedium wird ebenso die Brennstoffzelle aufgeheizt. Erfindungsgemäß wird lediglich ein Wechselstrom mit einer Frequenz von größer 1kHz auf die Brennstoffzelle aufgebracht. Dadurch kann auf separate Heizelemente verzichtet werden, wodurch ein solches Brennstoffzellensystem wirtschaftlicher hergestellt werden kann. Im Gegensatz zu einem indirekten Aufheizen der Brennstoffzelle über eine Wärmeleitung des Kühlmediums, wird durch den Wechselstrom, und die daraus resultierenden Verluste, Wärme erzeugt, über die die Brennstoffzelle direkt aufgeheizt wird. Ein Aufheizen der Brennstoffzelle kann dadurch schneller und verlustfreier durchgeführt werden. Zudem kann auf Heizelemente verzichtet werden. Durch ein solches Verfahren ist somit die Brennstoffzelle wirtschaftlicher aufheizbar. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst das Brennstoffzellensystem als Energiequelle eine Batterie, welche Strom für den DC/DC-Wandler bereitstellt, wobei der DC/DC-Wandler zum Aufbringen des Wechselstroms auf die Brennstoffzelle mit einer Frequenz größer 1kHz angesteuert wird. Der DC/DC-Wandler ist ein Bauteil, welches bei einem Brennstoffzellensystem benötig wird, um eine erzeugte Gleichspannung der Brennstoffzelle an eine Gleichspannung für die Batterie anzupassen. Entsprechend wird der DC/DC-Wandler für den Betrieb der Brennstoffzelle benötigt. Zum Umwandeln der Gleichspannung in eine Wechselspannung wird somit kein separates Bauteil benötigt, so dass die Brennstoffzelle auf wirtschaftliche Weise aufheizbar ist. Es werden somit keine zusätzl