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WO1999067869A1 - Schaltungsanordnung für ein brennstoffzellenverbundsystem - Google Patents

Schaltungsanordnung für ein brennstoffzellenverbundsystem Download PDF

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Publication number
WO1999067869A1
WO1999067869A1 PCT/EP1999/003168 EP9903168W WO9967869A1 WO 1999067869 A1 WO1999067869 A1 WO 1999067869A1 EP 9903168 W EP9903168 W EP 9903168W WO 9967869 A1 WO9967869 A1 WO 9967869A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
circuit arrangement
arrangement according
voltage
composite system
Prior art date
Application number
PCT/EP1999/003168
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Axel Jansen
Jens Müller
Steffen Paul
Josef Sonntag
Original Assignee
Xcellsis Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xcellsis Gmbh filed Critical Xcellsis Gmbh
Priority to US09/720,434 priority Critical patent/US6677066B1/en
Publication of WO1999067869A1 publication Critical patent/WO1999067869A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits

Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement according to the preamble of patent claim 1 and to a method for operating a circuit arrangement according to the preamble of patent claims 14 and 15.
  • operating states can occur in which individual cells exchange their polarity.
  • the amount of cell voltage in this case is about 0.5 V.
  • the cell acts as a consumer and heats up to an unacceptably high level or is even destroyed.
  • electrical energy can be generated in a mobile energy generation system by means of a fuel cell composite system, which in turn can be used to drive electrical machines.
  • the fuel cell system consists of several individual fuel cells that are connected in series. Each of these individual fuel cells delivers the nominal current 1 ⁇ of the fuel cell system, the sum of the voltages of the individual fuel cells gives the nominal voltage ⁇ f of the fuel cell system.
  • the electrical energy generation takes place in the individual fuel cells through an electrochemical reaction of e.g. Hydrogen, hydrogen-containing gas, methanol or the like instead.
  • the hydrogen or oxygen supply can fail within individual fuel cells.
  • the voltage potentials of the anode or the cathode shift depending on the missing substance and the voltage of this individual fuel cell drifts from the positive to the negative range. This means that this fuel cell is reversed.
  • the fuel cell composite system can remain in operation by the electrical energy being supplied by the remaining fuel cells.
  • the components are diodes.
  • the components are controllable switches.
  • controllable switches By using controllable switches, the bridging of the individual fuel cells can be carried out more flexibly. For example, these controllable switches can already be activated if the voltage of the individual fuel cells has not yet reversed polarity but has fallen below a certain threshold value, which can be, for example, 0.5 V.
  • controllable switches when using controllable switches, it is possible to discharge the maintenance work by activating the controllable switches To effect fuel cell composite system, so that a hazard to people during the maintenance work to be carried out can be avoided.
  • controllable switches are MOS field effect transistors.
  • control can be carried out largely free of power losses, even with comparatively large switched powers.
  • the components are attached to the outside of the fuel cell composite system.
  • the contacting of the components has a large area in order to minimize the current density and thus the local heat development. It is also advantageous if the heat can be easily removed.
  • Claim 5 describes a circuit arrangement which, in particular, advantageously meets the requirement for heat dissipation.
  • the components can be contacted between the graphite plates.
  • the components are integrated in the fuel cell composite system.
  • the components according to the circuit arrangement according to claim 7 are integrated in the edge of the fuel cell composite system.
  • the components are integrated into the fuel cell system distributed over the cross-sectional area of the fuel cell system. As a result, the components no longer form additional components, so that the production process is simplified.
  • a cooling system is integrated in the fuel cell composite system.
  • the controllable switch is controlled via the output of an amplifier or comparator, the output of which is connected to the control connection of the controllable switch, the input of which is connected to the connections of the individual fuel cells, the power supply of the amplifier or comparator is done by connecting the amplifier or comparator via current sources or current sinks to the terminals of a battery arrangement, the connections for power supply also being connected in parallel with a potential shift element, this potential shift element being connected in parallel with a voltage dividing element, the tap of which is connected to the other terminal individual fuel cell is connected.
  • the potential shift element can be a zener diode, for example.
  • the voltage dividing element can be a potentiometer or a divided zener diode.
  • This circuit arrangement avoids the problems that arise due to a potential shift depending on which of the individual fuel cells is to be examined. Furthermore, the current sources absorb any fluctuations in the operating voltage of the battery arrangement.
  • the controllable switch can be designed as a MOS enhancement or depletion transistor of the n- or p-channel type or also as a Darlington bipolar transistor of the npn or pnp type.
  • the amplifier or comparator (inverting / non-inverting) and the appropriate assignment of the operating voltage reference point are determined by the choice of the corresponding controllable switch.
  • the circuit arrangement according to claim 11 in particular in the case of the fuel cells which are arranged on the edge of the fuel cell system, there is one between each connection of the individual fuel cell and the input of the amplifier or comparator and between the tap of the voltage dividing element and the other connection of the individual fuel cell Potential shift circuit arranged.
  • a sufficient voltage level can advantageously also be achieved for monitoring the individual fuel cells located at the edge of the fuel cell system.
  • a further advantageous embodiment of the circuit arrangement is described in claim 12, according to which a potential shift circuit is introduced between the output of the comparator or amplifier and the control connection of the controllable switch.
  • a sufficient voltage for controlling the controllable component can be achieved by the configurations of the circuit arrangement according to claim 12 or 13.
  • the circuit arrangement can advantageously be designed as an integrated circuit.
  • the fuel cells are bridged when the amount of their voltage falls below a certain threshold value or when their voltage has changed in sign compared to normal operation.
  • controllable switches are activated when the fuel cell composite system is to be discharged.
  • Fuel cell composite system is discharged before carrying out the maintenance work.
  • Fig. 1 a fuel cell composite system consisting of several individual
  • Fuel cells, Fig. 2 a fuel cell composite system consisting of several
  • FIGS. 4 and 5 design options of the components
  • FIGS. 6 to 10 mounting options of the components on
  • Fig. 18- ⁇ 20 Details of the circuit arrangement according to Figure 17.
  • Figure 1 shows the representation of a fuel cell composite system 1, which consists of several individual fuel cells, which are numbered 2 to 7.
  • Each of the individual fuel cells 2, 3, 4, 5, 6 and 7 delivers the nominal current 1 ⁇ of Fuel cell system 1.
  • the sum of the cell voltages of the individual fuel cells 2 to 7 gives the nominal voltage Ujsf of the fuel cell system.
  • the electrical energy generation takes place in the individual fuel cells 2, 3, 4, 5, 6 and 7 by an electrochemical reaction of, for example, hydrogen, which is serstoffhal tigern gas, methanol, etc.
  • FIG. 2 again shows a fuel cell composite system 1, in which, however, one fuel cell 3 is defective.
  • the hydrogen or air supply can fail in some cases within individual cells 2, 3, 4, 5, 6, 7.
  • the voltage potentials of the anode or the cathode shift depending on the missing substance.
  • the voltage of this individual fuel cell 3 drifts from the positive to the negative range.
  • the individual fuel cell 3 is reversed.
  • the polarity reversed fuel cell 3 thereby becomes a consumer and heats up due to the power loss falling therein. This leads to the destruction of the polarity reversed fuel cell 3 and, depending on the development of heat, can also destroy the entire fuel cell composite system 1.
  • the individual fuel cells 2, 3, 4, 5, 6, 7 can be bridged by means of one component 8 each in the sense of a low-resistance parallel connection. If, in the exemplary embodiment shown, the defective fuel cell 3 is bridged by the component 8 assigned to this fuel cell 3, no more power loss drops in the polarized fuel cell 3.
  • these components 8 can be diodes 9 connected antiparallel to the load current direction, parallel to the individual fuel cells 2, 3, 4, 5, 6, 7. These diodes 9 become conductive when the voltage of the associated individual fuel cell 2, 3, 4, 5, 6, 7 has reversed polarity.
  • This circuit arrangement is self-controlling. This means that the diode takes over the load current depending on the cell voltage according to its characteristic. For voltages above the diode threshold voltage, the diode can be regarded as switched on.
  • the forward voltage can be between 0.2 V for Schottky diodes and 0.7 V for silicon diodes.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment, according to which each individual fuel cell 2, 3, 4, 5, 6, 7 MOS-FETs 10 are connected in parallel, the drain-source paths of which assume the load current if the control electronics 11 have a voltage which is too low or negative individual fuel cell 2, 3, 4, 5, 6, 7 detected.
  • FIG. 5 shows the signal levels which are output by the control electronics 11 to the gates of the individual MOS-FETs 10.
  • the gate of the MOS-FET 10, which is assigned to the defective fuel cell 3 is supplied with the HIGH level in the transistor type used in the exemplary embodiment in FIG. 5, so that the load current is taken over by the drain-source path of this MOS-FET 10.
  • the gates of the other MOS-FETs 10, which are assigned to the fuel cells 2, 4, 5, 6, 7, are supplied with the LOW level in the transistor type used in the exemplary embodiment in FIG. 5, so that these MOS-FETs are blocked.
  • a defined, safe and non-destructive discharge of the individual fuel cells 2, 3, 4, 5, 6, 7 is also made possible with the circuit arrangement according to FIG.
  • the total voltage of the fuel cell composite system 1 can be kept so low that, for example, no persons are endangered when carrying out maintenance work.
  • a protective device with a controllable power element can therefore be implemented as a secondary path parallel to the individual fuel cell.
  • This controllable power element is influenced by a control device, which in turn has certain switch-on conditions.
  • a further switch-on condition can be derived from a voltage signal of the individual fuel cell. This voltage of the individual fuel cell is approximately 1 V during normal operation of the cell with a constant change to a negative value of the order of magnitude of -0.5 V with polarity reversal of the individual fuel cell.
  • FIG. 6 shows a side view of a fuel cell composite system 1, the graphite plates 12 being enlarged laterally in such a way that there is sufficient space for the components 8.
  • FIG. 7 shows a section through the fuel cell composite system corresponding to the illustration in FIG. 6.
  • the MEA can be seen, which is provided with the reference number 13 in the illustration in FIG. 6, on the outer edge of which the components 8 are arranged. This ensures that the heat loss can be dissipated to the environment. It can be seen in the configuration according to FIGS. 6 and 7 that simple contacting of the components 8 with the graphite plates 12 is possible because these lie directly on top of one another.
  • FIG. 8 A further possibility of attaching the components 8 is shown in FIG. 8.
  • the components 8 are arranged on the outside of the fuel cell composite system 1.
  • the electrical connections of the components 8 are inserted here between the graphite plates 12.
  • FIG. 9 A further possibility is shown in FIG. 9, in which the components 8 are offset inwards compared to the arrangement according to FIGS. 6 and 7.
  • FIG. 9 it has proven advantageous to provide additional cooling channels 14 in order to achieve improved heat dissipation.
  • FIG. 10 shows a further possibility of integrating the components 8 into the fuel cell composite system 1.
  • the MEA 13 is constructed in such a way that it forms a unit together with the components 8. This not only shows the advantages of electrical contacting, as has already been achieved with the arrangements according to FIGS. 6, 7 and 9.
  • the production process can be simplified because the components 8 no longer have to be designed as separate components.
  • Another problem is that a separate reference potential must be selected for the protective circuit arrangement of each individual fuel cell, which, for example, requires a separate power supply for the control unit. On the other hand, however, it makes sense to take the power supply from all the control units of the fuel cell itself, with possible operating voltage fluctuations being compensated for.
  • This problem can be solved by supplying the voltage of the individual fuel cells to an amplifier or comparator that controls a controllable switch. Instead of one controllable switch, it is also possible to control a plurality of controllable switches located in parallel. This further reduces the ohmic resistance.
  • a special circuit design ensures that the switch-on time of the controllable switch can be set as desired within the voltage range of the voltage of the individual fuel cells.
  • the change in the switch-on time is achieved by an additional (changeable) auxiliary voltage in series with the measurement signal of the individual fuel cell.
  • the auxiliary voltage is obtained by splitting the virtual ground point of the amplifier / comparator circuit and the ground point of the voltage supply to the amplifier.
  • the amplifier operating voltage is obtained as a voltage via two Zener diodes (with a parallel potentiometer), which are connected to the external connections of the fuel cell composite system or an auxiliary battery via current sources / current sinks. The current sources absorb the remaining voltage drops and thus also operating voltage fluctuations.
  • FIG 11 shows a first embodiment of such a circuit arrangement.
  • the tap P represents the reference potential ⁇ o of the circuit. This tap P is simultaneously connected to one of the two poles of the individual fuel cell to be protected.
  • the power protection element T which is expediently a field effect or Darlington bipolar transistor, is located in parallel with this individual fuel cell.
  • the amplifier has the virtual ground M at exactly half the operating voltage.
  • the auxiliary voltage is created between the potentiometer tap P and the virtual ground M.
  • a MOS power FET can advantageously be used as controllable switch T, which is connected in parallel with the individual fuel cell with its source-drain path in such a way that it works in resistance or saturation mode when the cell is blocked (cell blocking circuit).
  • cell blocking circuit In principle, corresponding operation on the flux-polarized single cell is also possible, but the cell blocking circuit should be preferred.
  • the protective circuit according to FIG. 13 can also be designed for a complementary circuit breaker.
  • the voltage U g is below the saturation voltage Up) gp, which is approximately between 0.1 and 2 V for power transistors. There is no threshold voltage Up in the Ip> - Up) g characteristic, as is the case for a semiconductor diode in which the threshold voltage Up is approximately 0.7 V.
  • the switch-on resistor R can be steplessly controlled between ⁇ (transistor switched off) and a minimum value (transistor-given) by the control voltage UQ ⁇ .
  • the adjustable resistor R depends on the required maximum current through the cell in the off state, it can be reduced if necessary by connecting several transistors in parallel and is determined by the type of transistor used.
  • an n-channel enhancement transistor is to serve as the controllable switch, which switches when the voltage of the individual cell is reversed (i.e. for the condition ⁇ a > ⁇ Q)
  • the gate potential ⁇ d must rise compared to ⁇ o because of UQS> 0 in order to switch on the transistor.
  • the transistor is switched on.
  • ⁇ j -U B - Upj + ⁇ o would occur on a reversing comparator and the transistor is switched off.
  • the switch-on condition due to the transistor threshold voltage U ⁇ ⁇ is UQ ⁇ - U-ppj> 0, i.e. UQ ⁇ > UJJJ.
  • a depletion n-channel transistor would be switched off in the first case and switched on in the second case.
  • the negative pole B 'of the individual fuel cell can also be selected as the reference potential ⁇ o. Then the control conditions of the controllable switch must be modified accordingly.
  • the bulk connection When using a field effect transistor, the bulk connection should be (negatively) biased so that the substrate diode remains blocked in both the forward and reverse operation of the transistor. If there is no bulk connection, the drain and spurce must be interchanged, that is to say exactly the opposite of the circuit arrangement shown in FIG. As a result, the substrate diode is in the non-polarized field (normal state) in the blocked state.
  • a Darlington bipolar transistor can also serve as a controllable switch.
  • the Darlington transistor offers the major advantage of the significantly lower control current (in the mA range) compared to the usual bipolar power transistor. Because of the large output current required in the range between 50A and 100A, control currents in the A range would otherwise be required, which the protective circuit cannot apply.
  • One or more series-connected zener diodes can be used as potential shifting elements, for example.
  • the control signal is at the amplifier input
  • the auxiliary voltage can now also be modified by Uyj or Uy2.
  • the initial potential is:
  • the voltage U G g - Uj j - j is again decisive for the switch-on voltage.
  • the displacement voltage Uy should be in the order of the supply voltage U B.
  • the circuit according to FIG. 15 can be designed for controllable switches such as, for example, n- or p-channel depletion / enrichment MOSFET, npn-Darlington transistor, the complementary transistor types for the last individual fuel cells located at the lower end (at B-) or also for the choice of B 'instead of A' as a common reference potential ⁇ Q.
  • controllable switches such as, for example, n- or p-channel depletion / enrichment MOSFET, npn-Darlington transistor, the complementary transistor types for the last individual fuel cells located at the lower end (at B-) or also for the choice of B 'instead of A' as a common reference potential ⁇ Q.
  • a further embodiment of the output circuit results from FIG. 16, according to which the amplifier output operates on a voltage shift-back circuit consisting of the two current sources IQ5, IQS and the shift element Uy3, the two current sources IQ5 and IQ ⁇ being as identical as possible.
  • the current source IQ5 should have the lowest possible compliance voltage (below the threshold voltage of T), which e.g. with a depletion field effect transistor can be implemented sufficiently well.
  • a further embodiment of the circuit arrangement results in accordance with FIG. 17, according to which one or more optocouplers connected in series are connected from the output of the amplifier, the output open circuit voltages of which are connected in series, as shown in FIGS. 18 to 20.
  • the number of optocouplers is determined by the required switch-on voltage of the controllable switch T.
  • the output idle voltage of a coupler is around IV.
  • the optocoupler can be connected between the amplifier output and the virtual ground point M or point P, and the polarity of the optocoupler can also be polarized if the amplifier output voltage U ⁇ is positive. Reverse polarity is also possible.
  • the output circuit with optocouplers according to FIG. 17 can also be applied to other exemplary embodiments of circuit arrangements (FIGS. 11 and 15). There is no need for a voltage shift-back circuit Uy3, UQS, UQ6.
  • the circuit arrangement according to FIG. 17 is particularly suitable for Darlington circuit breakers because of the larger output current of the optocoupler (a few mA).
  • circuit arrangement according to FIG. 17 can also be used for the controllable switches and other operating conditions which were explained in connection with FIGS. 11 and 15.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Brennstoffzellenverbundsystem, das aus mehreren einzelnen in Reihe geschalteten einzelnen Brennstoffzellen besteht, wobei eine Spannungsüberwachung der einzelnen Brennstoffzellen erfolgt, wobei Bauelemente vorhanden sind, mittels denen die einzelnen Brennstoffzellen im Sinne einer niederohmigen Parallelschaltung überbrückbar sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Schaltungsanordnung, wobei die Brennstoffzellen überbrückt werden, wenn deren Spannung betragsmäßig unter einen bestimmten Schwellwert fällt oder wenn deren Spannung gegenüber den Normalbetrieb das Vorzeichen geändert hat oder aber, wobei die Bauelemente steuerbare Schalter sind, die angesteuert werden, wenn eine Entladung des Brennstoffzellenverbundsystems erfolgen soll.

Description

Schaltungsanordnung für ein Brennstoffzellenverbundsystem
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 14 und 15.
Bei H2/O2 - Brennstoffzellenverbundsystemen können Betriebszustände eintreten, bei denen einzelne Zellen ihre Polarität vertauschen. Der Betrag der Zellenspannung liegt in diesem Fall bei etwa 0,5 V. In diesem Betriebszustand wirkt die Zelle als Verbraucher und erwärmt sich dabei unzulässig hoch oder wird sogar zerstört. Beispielsweise kann in einem mobilen Energieerzeugungssystem mittels eines Brennstoffzellenverbundsystems elektrische Energie erzeugt werden, die wiederum zum Antrieb elektrischer Maschinen benutzt werden kann.
Das Brennstoffzellenverbundsystem besteht aus mehreren einzelnen Brennstoffzellen, die in Reihe geschaltet sind. Jede dieser einzelnen Brennstoffzellen liefert den Nennstrom 1^ des Brennstoffzellenverbundsystems, die Summe der Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen ergibt die Nennspannung ^f des Brennstoffzellenverbundsystems. Die elektrische Energieerzeugung findet also in den einzelnen Brennstoffzellen durch eine elektrochemische Reaktion von z.B. Wasserstoff, wasserstoffhaltigem Gas, Methanol oder ähnlichem statt. Beim Betrieb kann es innerhalb einzelner Brennstoffzellen zum Ausfall der Wasserstoff- bzw. Sauerstoffversorgung kommen. Hierdurch verschieben sich je nach fehlendem Stoff die Spannungspotentiale der Anode oder der Kathode und die Spannung dieser einzelnen Brennstoffzelle driftet vom positiven in den negativen Bereich. Das bedeutet, daß sich diese Brennstoffzelle verpolt. Indem diese verpolte Brennstoffzelle mit den übrigen unverpolten Brennstoffzellen in Reihe geschaltet ist, wird der von den unverpolten Brennstoffzellen erzeugte Laststrom in die verpolte Brennstoffzelle eingeprägt. Die verpolte Brennstoffzelle wird dadurch zum Verbraucher und erwärmt sich aufgrund der in ihr abfallenden Verlustleistung. Dadurch kann die verpolte Brennstoffzelle zerstört werden. Je nach Wärmeentwicklung kann unter Umständen auch das gesamte Brennstoffzellenverbundsystem zerstört werden.
Um dies zu vermeiden, ist es bekannt, die Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen zu erfassen. Wenn bezüglich einzelner Brennstoffzellen erkannt wird, daß die Spannung zu stark abfällt oder sich bereits umpolt, wird die Zufuhr von Gas zu dem gesamten Brennstoffzellenverbundsystem unterbunden, um eine Zerstörung des Brennstoffzellenverbundsystems zu vermeiden.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bedarfsgerechte Maßnahmen vorzuschlagen, um im Fehlerfall einzelner Brennstoffzellen eine Zerstörung oder Beschädigung des Brennstoffzellenverbundsystems oder einzelner Zellen zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Anspruch 1 gelöst, wonach Bauelemente vorhanden sind, mittels denen die einzelnen Brennstoffzellen im Sinne einer niederohmigen Parallelschaltung überbrückbar sind.
Indem also einzelne defekte Brennstoffzellen überbrückbar sind, kann das Brennstoffzellenverbundsystem in Betrieb bleiben, indem die elektrische Energie von den verbleibenden Brennstoffzellen geliefert wird.
Bei der Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 sind die Bauelemente Dioden.
Dadurch kann eine selbsttätige Regelung erfolgen, indem die Dioden so ausgewählt werden, daß die Flußspannung der Dioden einen Wert hat, bei dem die einzelne Brennstoffzelle wegen einer Verpolung sinnvollerweise überbrückt werden sollte. Im Normalbetrieb der einzelnen Brennstoffzellen sind die Dioden in Sperrichtung geschaltet.
Bei der Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 sind die Bauelemente steuerbare Schalter.
Durch die Verwendung steuerbarer Schalter läßt sich die Überbrückung der einzelnen Brennstoffzellen flexibler vornehmen. Beispielsweise können diese steuerbaren Schalter bereits angesteuert werden, wenn sich die Spannung der einzelnen Brennstoffzellen noch nicht umgepolt hat sondern unter einen bestimmten Schwellwert gesunken ist, der beispielsweise bei 0,5 V liegen kann.
Weiterhin ist es bei Verwendung steuerbarer Schalter möglich, bei Wartungsarbeiten durch eine Ansteuerung der steuerbaren Schalter eine Entladung des Brennstoffzellenverbundsystems zu bewirken, so daß eine Gefährdung von Personen bei den durchzuführenden Wartungsarbeiten vermieden werden kann.
Bei der Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 sind die steuerbaren Schalter MOS-Feldeffekttransistoren.
Dadurch kann die Ansteuerung weitestgehend frei von Verlustleistungen auch bei vergleichsweise großen geschalteten Leistungen erfolgen.
Bei der Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 sind die Bauelemente außen am Brennstoffzellenverbundsystem angebracht.
Vorteilhaft ist es, wenn die Kontaktierung der Bauelemente eine große Fläche aufweist, um die Stromdichte und damit die lokale Wärmeentwicklung zu minimieren. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Wärme einfach abgeführt werden kann.
Anspruch 5 beschreibt eine Schaltungsanordnung, die insbesondere der Anforderung an die Wärmeabfuhr vorteilhaft gerecht wird. Die Kontaktierung der Bauelemente kann zwischen den Graphitplatten erfolgen.
Bei der Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 sind die Bauelemente in das Brennstoffzellenverbundsystem integriert.
Dadurch vereinfacht sich der Herstellungsprozeß, weil die Bauelemente nicht als separate Bauteile vorhanden sein müssen. Weiterhin ist es dabei möglich, durch eine entsprechend geeignete Dimensionierung der Bauteile die Stromdichte zu begrenzen.
In vorteilhafter Ausgestaltung sind die Bauelemente gemäß der Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 in den Rand des Brennstoffzellenverbundsystems integriert.
Dadurch wird vorteilhaft die Kontaktierung der Bauelemente vereinfacht, weil diese die Graphitplatten direkt berühren. Indem die Bauelemente in den Rand eingebracht sind, ist weiterhin eine gute Wärmeabfuhr gewährleistet.
Bei der Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 sind die Bauelemente über die Querschnittsfläche des Brennstoffzellenverbundsystems verteilt in das Brennstoffzellenverbundsystem integriert. Dadurch bilden die Bauelemente keine zusätzlichen Bauteile mehr, so daß der Produktionsablauf vereinfacht wird.
Bei der Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 ist ein Kühlsystem in das Brennstoffzellenverbundsystem integriert.
Dadurch wird vorteilhaft die Verlustwärme abgeführt, die in den Bauelementen entsteht und die nicht unmittelbar an die Umgebung abgegeben werden kann.
Bei der Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 erfolgt eine Ansteuerung des steuerbaren Schalters über den Ausgang eines Verstärkers bzw. Komparators, dessen Ausgang an den Steueranschluß des steuerbaren Schalters angeschlossen ist, dessen Eingang mit den Anschlüssen der einzelnen Brennstoffzelle verbunden ist, wobei die Energieversorgung des Verstärkers bzw. Komparators erfolgt, indem der Verstärker bzw. Komparator über Stromquellen bzw. Stromsenken an die Anschlußklemmen einer Batterieanordnung angeschlossen ist, wobei den Anschlüssen zur Energieversorgung weiterhin ein Potentialverschiebeelement parallelgeschaltet ist, wobei diesem Potentialverschiebeelement ein Spannungsteilungselement parallelgeschaltet ist, dessen Abgriff mit dem anderen Anschluß der einzelnen Brennstoffzelle verbunden ist.
Das Potentialverschiebeelement kann beispielsweise eine Zenerdiode sein. Das Spannungsteilungselement kann ein Potentiometer oder eine unterteilte Zenerdiode sein.
Dadurch wird es vorteilhaft möglich, durch eine interne Bezugsspannung des Verstärkers bzw. Komparators die Leistungsversorgung aus einer Batterieanordnung - beispielsweise auch aus dem Brennstoffzellenverbundsystem selbst - vorzunehmen. Durch diese Schaltungsanordnung werden die Probleme vermieden, die durch eine Potentialverschiebung abhängig davon auftreten, welche der einzelnen Brennstoffzellen untersucht werden soll. Weiterhin nehmen die Stromquellen eventuelle Betriebsspannungsschwankungen der Batterieanordnung auf.
Der steuerbare Schalter kann als MOS-Anreicherungs- oder Verarmungstransistor vom n- oder p-Kanal-Typ ausgebildet sein oder auch als Darlington-Bipolartransistor vom npn- oder pnp-Typ. Durch die Wahl des entsprechenden steuerbaren Schalters wird der Verstärker bzw. Komparator (invertierend / nicht invertierend) sowie die zweckmäßige Zuordnung des Betriebsspannungsbezugspunktes bestimmt. Bei der Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 ist insbesondere bei den Brennstoffzellen, die am Rand des Brennstoffzellensystems angeordnet sind, zwischen den einen Anschluß der einzelnen Brennstoffzelle und den Eingang des Verstärkers bzw. Komparators sowie zwischen den Abgriff des Spannungsteilungselementes und den anderen Anschluß der einzelnen Brennstoffzelle jeweils eine Potentialverschiebeschaltung angeordnet.
Dadurch kann vorteilhaft ein hinreichendes Spannungsniveau auch zur Überwachung der am Rand des Brennstoffzellensystems befindlichen einzelnen Brennstoffzellen erreicht werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist in Anspruch 12 beschrieben, nach dem zwischen den Ausgang des Komparators bzw. Verstärkers und den Steueranschluß des steuerbaren Schalters eine Potentialverschiebeschaltung eingebracht ist.
Weiterhin erweist es sich gemäß Anspruch 13 als vorteilhaft, die Schaltungsanordnung so auszubilden, daß die Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen mittels eines Verstärkers bzw. Komparators bewertet werden, dessen Ausgang mit wenigstens einem Optokoppler verbunden ist, wobei die Steuerung des steuerbaren Bauelementes über den Optokoppler erfolgt.
Insbesondere bei der Überwachung von einzelnen Brennstoffzellen, die am Rand des Brennstoffzellenverbundsystems angeordnet sind, kann durch die Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach Anspruch 12 oder 13 eine hinreichende Spannung zur Ansteuerung des steuerbaren Bauelementes erreicht werden.
Vorteilhaft kann die Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 14 als integrierte Schaltung ausgebildet sein.
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 15 werden die Brennstoffzellen überbrückt, wenn deren Spannung betragsmäßig unter einen bestimmten Schwellwert fällt oder wenn deren Spannung gegenüber dem Normalbetrieb das Vorzeichen geändert hat.
Dies kann durch eine geeignete Einstellung bzw. Dimensionierung der Schaltungsanordnung erfolgen. Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 16 werden die steuerbaren Schalter angesteuert, wenn eine Entladung des Brennstoffzellenverbundsystems erfolgen soll.
Dadurch kann die Sicherheit von Personen beispielsweise bei Wartungsarbeiten an dem Brennstoffzellenverbundsystem gewährleistet werden, wenn das
Brennstoffzellenverbundsytem vor der Durchführung der Wartungsarbeiten entladen wird.
Realisierungsmöglichkeiten von Potentialverschiebeelementen und Stromquellen bzw. Stromsenken sind in der Anmeldung derselben Anmelderin mit der internen Nummer 27908/4 beschrieben, die denselben Anmeldetag hat und auf deren Offenbarung zur Vermeidung von Wiederholungen ausdrücklich Bezug genommen wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung näher dargestellt. Es zeigt dabei im einzelnen:
Fig. 1 : ein Brennstoffzellenverbundsystem bestehend aus mehreren einzelnen
Brennstoffzellen, Fig. 2: ein Brennstoffzellenverbundsystem bestehend aus mehreren
Brennstoffzellen, von denen eine einen Defekt aufweist, Fig. 3 : eine Schaltungsanordnung, bei der jeder einzelnen Brennstoffzelle ein
Element parallel geschaltet ist, mit dem die jeweilige Brennstoffzelle niederohmig überbrückbar ist, Fig. 4 und 5: Ausführungsmöglichkeiten der Bauelemente, Fig. 6 bis 10: Anbringungsmöglichkeiten der Bauelemente am
Brennstoffzellenverbundsystem,
Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung,
Fig. 12-14: Signalverläufe der Schaltungsanordnung nach Figur 11,
Fig. 15 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung,
Fig. 16 ein Detail der Schaltungsanordnung,
Fig. 17 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung,
Fig. 18- ■20: Details der Schaltungsanordnung nach Figur 17.
Figur 1 zeigt die Darstellung eines Brennstoffzellenverbundsystems 1, das aus mehreren einzelnen Brennstoffzellen besteht, die mit den Ziffern 2 bis 7 numeriert sind. Jede der einzelnen Brennstoffzellen 2, 3, 4, 5, 6 und 7 liefert den Nennstrom 1 ^ des Brennstoffzellenverbundsystems 1. Wegen der Reihenschaltung der einzelnen Brennstoffzellen 2 bis 7 ergibt die Summe der Zellenspannungen der einzelnen Brennstoffzellen 2 bis 7 die Nennspannung Ujsf des Brennstoffzellenverbundsystems. Die elektrische Energieerzeugung findet in den einzelnen Brennstoffzellen 2, 3, 4, 5, 6 und 7 durch eine elektrochemische Reaktion von z.B. Wasserstoff, was serstoffhal tigern Gas, Methanol etc. statt.
Figur 2 zeigt wiederum ein Brennstoffzellenverbundsystem 1, bei dem allerdings eine Brennstoffzelle 3 defekt ist. Beim Betrieb des Brennstoffzellenverbundsystems 1 kann es in manchen Fällen innerhalb einzelner Zellen 2, 3, 4, 5, 6, 7 zum Ausfall der Wasserstoff- bzw. Luftversorgung kommen. Hierdurch verschieben sich je nach fehlendem Stoff die Spannungspotentiale der Anode oder der Kathode. Die Spannung dieser einzelnen Brennstoffzelle 3 driftet vom positiven in den negativen Bereich. Die einzelne Brennstoffzelle 3 verpolt sich. Durch die Reihenschaltung dieser nun verpolten einzelnen Brennstoffzelle 3 mit den übrigen unverpolten einzelnen Brennstoffzellen 2, 4, 5, 6, 7 wird der von diesen erzeugte Laststrom in die verpolte Brennstoffzelle 3 eingeprägt. Die verpolte Brennstoffzelle 3 wird dadurch zum Verbraucher und erwärmt sich aufgrund der in ihr abfallenden Verlustleistung. Dies führt zur Zerstörung der verpolten Brennstoffzelle 3 und kann je nach Wärmeentwicklung auch das gesamte Brennstoffzellenverbundsystem 1 zerstören.
Um dies zu vermeiden, ist gemäß Figur 3 vorgesehen, daß die einzelnen Brennstoffzellen 2, 3, 4, 5, 6, 7 mittels jeweils eines Bauelementes 8 im Sinne einer niederohmigen Parallelschaltung überbrückbar sind. Wenn in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die defekte Brennstoffzelle 3 durch das dieser Brennstoffzelle 3 zugeordnete Bauelement 8 überbrückt wird, fällt in der verpolten Brennstoffzelle 3 keine Verlustleistung mehr ab.
Entsprechend der Darstellung der Figur 4 können diese Bauelemente 8 antiparallel zur Laststromrichtung parallel zu den einzelnen Brennstoffzellen 2, 3, 4, 5, 6, 7 geschaltete Dioden 9 sein. Diese Dioden 9 werden jeweils dann leitend, wenn sich die Spannung der zugehörigen einzelnen Brennstoffzelle 2, 3, 4, 5, 6, 7 umgepolt hat. Diese Schaltungsanordnung ist selbststeuernd. Das heißt, die Diode übernimmt gemäß ihrer Kennlinie den Laststrom in Abhängigkeit von der Zellenspannung. Für Spannungen über der Diodenschwellspannung kann die Diode als durchgeschaltet betrachtet werden. Durch die Wahl einer geeigneten Diode kann die Flußspannung zwischen 0,2 V für Schottky-Dioden und 0,7 V für Silizium-Dioden liegen. Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Figur 5, wonach zu jeder einzelnen Brennstoffzelle 2, 3, 4, 5, 6, 7 MOS-FETs 10 parallel geschaltet, deren Drain-Source Strecken den Laststrom übernehmen, falls die Ansteuerelektronik 11 eine zu geringe oder negative Spannung einer einzelnen Brennstoffzelle 2, 3, 4, 5, 6, 7 erfaßt. In Figur 5 sind die Signalpegel zu sehen, die von der Ansteuerelektronik 11 an die Gates der einzelnen MOS-FETs 10 ausgegeben werden. Das Gate des MOS-FET's 10, der der defekten Brennstoffzelle 3 zugeordnet ist, wird bei dem im Ausführungsbeispiel der Figur 5 verwendeten Transistortyp mit dem Pegel HIGH beaufschlagt, so daß der Laststrom von der Drain-Source Strecke dieses MOS-FET's 10 übernommen wird. Die Gates der anderen MOS-FET's 10, die den Brennstoffzellen 2, 4, 5, 6, 7 zugeordnet sind, werden bei dem im Ausführungsbeispiel der Figur 5 verwendeten Transistortyp mit dem Pegel LOW beaufschlagt, so daß diese MOS-FET's sperren.
Mit der Schaltungsanordnung nach Figur 5 wird ebenso eine definierte, sichere und zerstörungsfreie Entladung der einzelnen Brennstoffzellen 2, 3, 4, 5, 6, 7 ermöglicht. Hierdurch kann bei abgeschaltetem Brennstoffzellenverbundsystem 1 die Gesamtspannung des Brennstoffzellenverbundsystems 1 so niedrig gehalten werden, daß beispielsweise bei der Durchfuhrung von Wartungsarbeiten keine Personen gefährdet werden.
Es kann also eine Schutzeinrichtung mit einem steuerbaren Leistungselement als Nebenweg parallel zur einzelnen Brennstoffzelle realisiert werden. Dieses steuerbare Leistungselement wird von einer Steuereinrichtung beeinflußt, die wiederum bestimmte Einschaltbedingungen hat. Neben der gerade beschriebenen Schutzfunktion kann eine weitere Einschaltbedingung aus einem Spannungssignal der einzelnen Brennstoffzelle abgeleitet werden. Diese Spannung der einzelnen Brennstoffzelle liegt bei etwa 1 V im Normalbetrieb der Zelle mit einem stetigen Wechsel auf einen negativen Wert in der Größenordnung von -0,5 V bei Verpolung der einzelnen Brennstoffzelle.
Die Bauelemente sollen entweder außen am Brennstoffzellenverbundsystem angebracht oder in das Brennstoffzellenverbundsystem integriert werden. Dazu ist es notwendig, gegenüber den bisher bekannten Brennstoffzellenverbundsystemen konstruktive Änderungen an den Graphitplatten vorzunehmen. Für die Integration der Bauelemente in das Brennstoffzellenverbundsystem müssen entsprechende Öffnungen vorgesehen werden, deren Positionen so gewählt werden müssen, daß einerseits eine gleichmäßige Verteilung der Stromdichte über die Zellenfläche als auch eine entsprechende Abführung der entstehenden Verlustleistungswärme gewährleistet ist. Die Figuren 6 und 7 zeigen mögliche Lösungen für die Integration der Bauelemente in das Brennstoffzellenverbundsystem. Figur 6 zeigt ein Brennstoffzellenverbundsystem 1 in Seitenansicht, wobei die Graphitplatten 12 seitlich so vergrößert sind, daß genügend Platz für die Bauelemente 8 vorhanden ist. Der gesamte Laststrom kann ohne Lei stungs einbüße durch den zusätzlichen Querschnitt fließen. Figur 7 zeigt einen Schnitt durch das Brennstoffzellenverbundsystem entsprechend der Darstellung der Figur 6. Es ist die MEA zu sehen, die in der Darstellung der Figur 6 mit der Bezugsziffer 13 versehen ist, an derem äußeren Rand die Bauelemente 8 angeordnet sind. Dadurch ist sichergestellt, daß die Verlustwärme an die Umgebung abgeführt werden kann. Es zeigt sich bei der Ausgestaltung entsprechend den Figuren 6 und 7, daß eine einfache Kontaktierung der Bauelemente 8 mit den Graphitplatten 12 möglich wird, weil diese unmittelbar aufeinander liegen.
Eine weitere Möglichkeit der Anbringung der Bauelemente 8 zeigt Figur 8. Hier sind die Bauelemente 8 außen an dem Brennstoffzellenverbundsystem 1 angeordnet. Die elektrischen Anschlüsse der Bauelemente 8 werden hier zwischen die Graphitplatten 12 eingefügt.
Eine weitere Möglichkeit zeigt Figur 9, bei der die Bauelemente 8 gegenüber der Anordnung nach den Figuren 6 und 7 nach innen versetzt sind. Es hat sich insbesondere bei dieser Ausgestaltung als vorteilhaft erwiesen, zusätzliche Kühlkanäle 14 vorzusehen, um eine verbesserte Wärmeabfuhr zu erreichen.
Figur 10 zeigt eine weitere Möglichkeit der Integration der Bauelemente 8 in das Brennstoffzellenverbundsystem 1. Hierbei ist die MEA 13 so aufgebaut, daß sie zusammen mit den Bauelementen 8 eine Einheit bildet. Hierbei zeigen sich nicht nur die Vorteile bei der elektrischen Kontaktierung wie diese auch bereits mit den Anordnungen nach den Figuren 6, 7 und 9 erreicht wurde. Zusätzlich läßt sich bei der Ausgestaltung nach Figur 10 noch der Produktionsablauf vereinfachen, weil die Bauelemente 8 nicht mehr als separate Bauteile ausgebildet werden müssen.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß für die Schutzschaltungsanordnung jeder einzelnen Brennstoffzelle ein eigenes Bezugspotential zu wählen ist, was z.B. eine jeweils getrennte Stromversorgung der Steuereinheit bedingt. Es ist aber andererseits sinnvoll, die Stromversorgung aller Steuereinheiten der Brennstoffzelle selbst zu entnehmen, wobei mögliche Betriebsspannungsschwankungen ausgeglichen werden sollen. Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, daß die Spannung der einzelnen Brennstoffzellen einem Verstärker bzw. Komparator zugeführt wird, der einen steuerbaren Schalter steuert. Anstelle eines steuerbaren Schalters können auch mehrere parallel liegende steuerbare Schalter gesteuert werden. Dadurch verringert sich nochmals der ohmsche Widerstand.
Eine spezielle Schaltungsauslegung sichert, daß der Einschaltzeitpunkt des steuerbaren Schalters innerhalb des Spannungsbereiches der Spannung der einzelnen Brennstoffzelle beliebig einstellbar ist.
Die Veränderung des Einschaltzeitpunktes wird durch eine zusätzliche (veränderbare) Hilfsspannung in Reihe zum Meßsignal der einzelnen Brennstoffzelle erreicht. Die Hilfsspannung ergibt sich durch Aufspaltung des virtuellen Massepunktes der Verstärker/Komparator- Schaltung und des Massepunktes der Spannungsversorgung des Verstärkers. Die Verstärkerbetriebsspannung wird als Spannung über zwei Zener-Diode (mit parallelliegendem Potentiometer) gewonnen, die über Stromquellen/Stromsenken an die Außenanschlüsse des Brennstoffzellenverbundsystems bzw. einer Hilfsbatterie angeschlossen sind. Die Stromquellen nehmen die restlichen Spannungsabfälle und so auch Betriebsspannungsschwankungen auf.
Figur 11 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer derartigen Schaltungsanordnung. Der Verstärker/Komparator V wird durch die beiden Stromquellen IQI , IQ2 (gleiche Größenordnung) potentialmäßig schwebend gespeist und seine Versorgungsspannung durch ein Potentialverschiebeelement Sc (beispielsweise zwei Zenerdioden), das eine Stabilisierung der Spannung bewirkt, auf U^ = 2UB eingestellt. Der Abgriff P stellt das Bezugspotential φo der Schaltung dar. Dieser Abgriff P ist gleichzeitig mit einem der beiden Pole der zu schützenden einzelnen Brennstoffzelle verbunden. Dieser einzelnen Brennstoffzelle parallel liegt das Leistungsschutzelement T, zweckmäßig ein Feldeffekt- oder Darlington-Bipolartransistor.
Der Verstärker hat die virtuelle Masse M auf genau der halben Betriebsspannung.
Zwischen Potentiometerabgriff P und virtueller Masse M entsteht die Hilfsspannung
(U2=k'2UB):
UH = UB - U2, => -UB <= UH <= UB, so daß M das Potential φc = φo -Uj-{ besitzt.
Der Verstärker/Komparator V (mit der Eingangsspannung Ue) ist eingangsseitig an die einzelne Brennstoffzelle (Anschluß B') geschaltet und es gilt: Ue = Φa - Φc = Φa - Φθ + UH = UQ + UH.
UQ ist die Zellenspannung der Batterie im Umkehrzustand >0. Hat der Verstärker/Komparator die Übertragungscharakteristik Ua = kUe für die Ausgangsspannung Ua (k>0: nichtinvertierend; k<0: invertierend; entsprechend den Darstellung in den Figuren 12 und 13), so beträgt das Ausgangspotential:
Figure imgf000013_0001
Im Komparator- bzw. Sättigungsbetrieb erreicht kUe maximal die Werte +UB bzw. - UB. Damit steht als Steuersignal für den Leistungsschalter die Spannung Φd - Φθ = UGS = +UB (bzw. -UB) - UH zur Verfügung, die je nach Auslegung maximal zwischen -2UB <= UQ§ <= 2UB liegen kann. Da die Komparatorschaltung (bzw. Verstärkeranordnung) bei Ue = 0 (das heißt bei φo - φa = Ujr) umschaltet und (φa - ΦQ) durch den jeweiligen Zustand der einzelnen Brennstoffzellen gegeben ist (dabei bedeutet: (φa - ΦQ) < 0: Normalbetrieb; (φa - φo) > 0: Umkehrbetrieb, Gefährdung der Zelle), kann der Umschaltpunkt durch die Wahl von ÜH = UB - U2 (größer, gleich oder kleiner als 0) und somit durch das Spannungsteilungselement (Potentiometer Rp) beliebig eingestellt werden.
Als steuerbarer Schalter T kann zweckmäßigerweise ein MOS-Leistungs-FET verwendet werden, der der einzelnen Brennstoffzelle mit seiner Source-Drain-Strecke so parallelgeschaltet wird, daß es bei Sperrung der Zelle im Widerstands- bzw. Sättigungsbetrieb arbeitet (Zellensperrschaltung). Grundsätzlich ist auch ein entsprechender Betrieb an der flußgepolten Einzelzelle möglich, doch sollte die Zellensperrschaltung vorgezogen werden.
Ohne Anliegen des Steuersignales UQ§ (genau genommen also für UQS < Ujfj, UTH Schwellspannung des n-Kanal-Anreicherungstransistors) wird der n-Kanal Transistor nach Figur 12:
• ausgeschaltet beim Anreicherungs-FET und
• eingeschaltet beim Verarmungs-FET.
Sinngemäß kann die Schutzschaltung gemäß Figur 13 auch für einen Komplementär- Leistungsschalter ausgelegt werden.
Im ausgeschalteten Zustand fließt durch die Source-Drain-Strecke des Feldeffekttransistors gemäß Figur 11 nur ein vernachlässigbarer Reststrom, was sich aus der Darstellung in Figur 14 ergibt. Im eingeschalteten Zustand beträgt der Widerstand (im Betriebsmodus Widerstandsbereich) etwa:
R = k / ( UGS - UTH)-
Dabei liegt die Spannung U g unter der Sättigungsspannung Up)gp, die bei Leistungstransistoren etwa zwischen 0,1 und 2 V liegt. Es gibt keine Schwellspannung Up in der Ip> - Up)g - Kennlinie, wie dies etwa bei einer Halbleiterdiode der Fall ist, bei der die Schwellspannung Up etwa 0,7 V beträgt. Durch die Steuerspannung UQ§ läßt sich der Einschaltwiderstand R stufenlos zwischen ∞ (Transistor ausgeschaltet) und einem Minimalwert (transistorgegeben) steuern.
Der einstellbare Widerstand R richtet sich nach dem erforderlichen Maximalstrom durch die Zelle im Sperrzustand, er kann gegebenenfalls durch die Parallelschaltung mehrerer Transistoren verkleinert werden und wird vom benutzten Transistortyp bestimmt.
Soll beispielsweise als steuerbarer Schalter ein n-Kanal-Anreicherungstransistor dienen, der bei Spannungsumkehr der Einzelzelle umschaltet (also für die Bedingung φa > ΦQ), so muß wegen UQS>0 das Gatepotential φd gegenüber φo ansteigen, um den Transistor einzuschalten. Da in diesem Fall das Ausgangspotential den Wert φj = UB - Ufj + ΦQ (bei nichtinvertierendem Verstärker/Komparator) hat, wird der Transistor eingeschaltet. An einem Umkehrkomparator würde hingegen φj = -UB - Upj + φo auftreten und der Transistor wird ausgeschaltet.
Genaugenommen lautet die Einschaltbedingung durch die Transistorschwellspannung Uχ ι (>0, n-Kanal-Anreicherungstransistor) UQ§ - U-ppj > 0, d.h. UQ§ > UJJJ. Umgekehrt würde ein Verarmungs-n-Kanal-Transistor im ersten Fall ausgeschaltet, im zweiten eingeschaltet.
Ohne Einschränkung der Allgemeinheit kann als Bezugspotential φo auch der Minuspol B' der einzelnen Brennstoffzelle gewählt werden. Dann sind die Steuerbedingungen des steuerbaren Schalters entsprechend zu modifizieren.
Bei Verwendung eines Feldeffekttransistors sollte der Bulkanschluß so (negativ) vorgespannt werden, daß die Substratdiode sowohl im Vorwärts- wie auch im Rückwärtsbetrieb des Transistors gesperrt bleibt. Ist kein Bulkanschluß vorhanden, so müssen Drain und Spurce vertauscht werden, also genau umgekehrt zu der in Figur 11 gezeigten Schaltungsanordnung. Dadurch befindet sich die Substratdiode im nicht-verpolten Feld (Normalzustand) im gesperrten Zustand.
Als steuerbarer Schalter kann auch ein Darlington-Bipolartransistor dienen. Dabei sind für einen npn-Transistor die Anschlußpunkte B'= Kollektor, A'= Emitter zu wählen und die Steuerspannung UBg hat sinngemäß das gleiche Vorzeichen wie UQS-
Der Darlingtontransistor bietet gegenüber dem gewöhnlichen Bipolarleistungstransistor den großen Vorteil des deutlich geringeren Steuerstromes (im mA-Bereich). Wegen des großen erforderlichen Ausgangsstromes im Bereich zwischen 50A und 100A wären sonst Steuerströme im A-Bereich erforderlich, die die Schutzschaltung nicht aufbringen kann.
Für die Stromquellen/Stromsenken IQ , IQ2 gibt es verschiedene Realisierungen, auf die hier nicht weiter eingegangen wird. Als Potentialverschiebeelemente können beispielsweise eine oder mehrere reihengeschaltete Zenerdioden verwendet werden.
Weiterhin muß dafür gesorgt werden, daß über den Stromquellen ein ausreichender Spannungsabfall auftritt. Das kann insbesondere bei der Verarbeitung von Signalen der Randzellen des Brennstoffzellenverbundsystems problematisch sein. Während die Stromversorgung des Verstärkers/Komparators über Stromquellen aus dem Brennstoffzellenverbundsystem stets möglich ist, wenn die zu schützende einzelne Brennstoffzelle im mittleren Teil des Brennstoffzellenverbundsystems liegt, können bei einer einzelnen Brennstoffzelle, die sich im Randbereich des Brennstoffzellenverbundsystems befindet, Probleme auftreten. Es kann dann passieren, daß für eine der beiden Stromquellen kein hinreichender Spannungsabfall mehr zur Verfügung steht.
Bei Verwendung einer Schaltung nach dem Ausführungsbeispiel nach Figur 15 ergeben sich folgende Steuerungsbedingungen. Das Potential φa des Batteriepols B', der das Meßsignal liefert, wird mit einer Potentialverschiebeschaltung (Uyj, I03) um die Spannung Uy j auf
Φa' = Φa " UV1 verschoben. Dasselbe gilt für den Ausgangsmassepunkt P, dessen Potential mit der
Potentialverschiebeschaltung Uy2, I04 zwischen den Punkten A, B des
Brennstoffzellenverbundsystems auf
ΦO '= Φo " UV2 verschoben wird.
Dann hat die virtuelle Masse M das Potential φc ' = ΦQ' - Upj, wobei gilt Upf = UB - U2. Am Verstärkereingang liegt das Steuersignal
Ue = Φa' " Φc' = Φa " UV1 " Φθ + UV2 + UH = Φa " Φθ + UH> mit UV1 = UV2-
Die Hilfsspannung kann jetzt zusätzlich noch durch Uyj oder Uy2 modifiziert werden. Das Ausgangspotential beträgt:
Φd' = ua + Φc' = kUe + Φc' => +UB + Φc' bzw- "UB + Φc'-
Die Steuerspannung des steuerbaren Schalters T (n-Kanal-Anreicherungs-FET) beträgt: UGS = Φd' - Φθ = Ua + Φc' - Φθ = +UB (bzw. -UB) + Ua - Uv2 - UH.
Für die Einschaltspannung ist wieder die Spannung UGg - Ujj-j maßgebend. Die Verschiebespannung Uy sollte in der Größenordnung der Versorgungsspannung UB liegen.
Die Schaltung nach Figur 15 kann ausgelegt werden für steuerbare Schalter wie beispielsweise n-/oder p-Kanal Verarmungs-/Anreicherungs-MOSFET, npn- Darlingtontransistor, die dazu komplementären Transistortypen, für die am unteren Ende (bei B-) liegenden letzten einzelnen Brennstoffzellen oder auch für die Wahl von B' statt A' als gemeinsames Bezugspotential ΦQ.
Eine weitere Ausgestaltung des Ausgangskreises ergibt sich gemäß Figur 16, wonach der Verstärkerausgang auf eine Spannungsrückverschiebeschaltung bestehend aus den beiden Stromquellen IQ5, IQS und dem Verschiebeelement Uy3 arbeitet, wobei die beiden Stromquellen IQ5 und IQÖ möglichst gleich sind. Die Steuerspannung beträgt: ÜGS = Φa " Φθ = Φd' + UV3 " Φθ = +Uß zw. -UB) + Uy3 - UV2 - UH mit dem Sonderfall U j = Uy2-
Die Stromquelle IQ5 sollte dabei eine möglichst geringe Kompliance-Spannung haben (unter der Schwellspannung von T), was z.B. mit einem Verarmungs- Feldeffekttransistor hinreichend gut realisierbar ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ergibt sich gemäß Figur 17, wonach vom Ausgang des Verstärkers ein oder mehrere reihengeschaltete Optokoppler angeschaltet werden, deren Ausgangsleerlaufspannungen reihengeschaltet sind, entsprechend den Darstellungen in den Figuren 18 bis 20. Die Zahl der Optokoppler wird durch die erforderliche Einschaltspannung des steuerbaren Schalters T bestimmt. Die Ausgangsleerlaufspannug eines Kopplers liegt bei etwa IV.
Der Optokoppler kann zwischen Verstärkerausgang und virtuellem Massepunkt M bzw. Punkt P geschaltet werden, ebenso ist bei positiver Verstärkerausgangsspannung U^ die Flußpolung des Optokopplers möglich. Ebenso ist eine Sperrpolung möglich.
Die Ausgangsschaltung mit Optokopplern nach Figur 17 kann auch auf andere Ausführungsbeispiele von Schaltungsanordnungen angewendet werden (Figuren 11 und 15). Dabei kann auf eine Spannungsrückverschiebeschaltung Uy3, UQS, UQ6 verzichtet werden.
Die Schaltungsanordnung nach Figur 17 eignet sich wegen des größeren Ausgangsstromes des Optokopplers (einige mA) besonders für Darlington- Leistungsschalter.
Die Schaltungsanordnung nach Figur 17 ist auch für die steuerbaren Schalter und übrigen Einsatzbedingungen verwendbar, die im Zusammenhang mit den Figuren 11 und 15 erläutert wurden.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung für ein Brennstoffzellenverbundsystem (1), das aus mehreren einzelnen in Reihe geschalteten einzelnen Brennstoffzellen (2, 3, 4, 5, 6, 7) besteht, wobei eine Spannungsüberwachung der einzelnen Brennstoffzellen (2, 3, 4, 5, 6, 7) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß Bauelemente (8, 9, 10, T) vorhanden sind, mittels denen die einzelnen Brennstoffzellen (2, 3, 4, 5, 6, 7) im Sinne einer niederohmigen Parallelschaltung überbrückbar sind.
2. S chaltungs anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (8) Dioden (9) sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (8) steuerbare Schalter (10, T) sind.
4. S chaltungs anordnung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Schalter (10, T) MOS- Feldeffekttransistoren sind.
5. S chaltungs anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (8, 9, 10, T) außen am Brennstoffzellenverbundsystem (1) angebracht sind.
6. S chaltungs anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (8, 9, 10, T) in das Brennstoffzellenverbundsystem (1) integriert sind.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (8, 9, 10, T) in den Rand des Brennstoffzellenverbundsystems (1) integriert sind.
8. S chaltungs anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (8, 9, 10, T) über die Querschnittsfläche des Brennstoffzellenverbundsystems (1) verteilt in das Brennstoffzellenverbundsystem (1) integriert sind.
9. S chaltungs anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlsystem (14) in das Brennstoffzellenverbundsystem (1) integriert ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansteuerung des steuerbaren Schalters (T) erfolgt über den Ausgang eines Verstärkers bzw. Komparators (V), dessen Ausgang an den Steueranschluß (G) des steuerbaren Schalters (T) angeschlossen ist, dessen Eingang mit dem einen Anschluß (B') der einzelnen Brennstoffzelle verbunden ist, wobei die Energieversorgung des Verstärkers bzw. Komparators (V) erfolgt, indem der Verstärker bzw. Komparator (V) über Stromquellen bzw. Stromsenken (ΪQ\ , IQ2) an die Anschlußklemmen einer Batterieanordnung angeschlossen ist, wobei den Anschlüssen zur Energieversorgung weiterhin eine Potentialverschiebeelement parallelgeschaltet ist, wobei diesem Potentialverschiebeelement ein Spannungsteilungselement (Rp) parallelgeschaltet ist, dessen Abgriff mit dem anderen Anschluß (A') der einzelnen Brennstoffzelle verbunden ist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere bei den Brennstoffzellen, die am Rand des Brennstoffzellenverbundsystems (1) angeordnet sind zwischen den einen Anschluß (B') der einzelnen Brennstoffzelle und den Eingang des Verstärkers bzw. Komparators (V) sowie zwischen den Abgriff des Spannungsteilungselementes (Rp) und den anderen Anschluß (A') der einzelnen Brennstoffzelle jeweils eine Potentialverschiebeschaltung (Uyj, Uy2) angeordnet ist.
12. S chaltungs anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang des Komparators bzw. Verstärkers (V) und den Steueranschluß (T) des steuerbaren Schalters eine Potentialverschiebeschaltung (Uy ) eingebracht ist.
13. S chaltungs anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen mittels eines Verstärkers bzw. Komparators (V) bewertet werden, dessen Ausgang mit wenigstens einem Optokoppler verbunden ist, wobei die Steuerung des steuerbaren Bauelementes (T) über den Optokoppler erfolgt.
14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung durch eine oder mehrere integrierte Schaltungengebildet wird.
15. Verfahren zum Betrieben einer S chaltungs anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellen (2, 3, 4, 5, 6, 7) überbrückt werden, wenn deren Spannung betragsmäßig unter einen bestimmten Schwellwert fällt oder wenn deren Spannung gegenüber dem Normalbetrieb das Vorzeichen geändert hat.
16. Verfahren zum Betreiben einer S chaltungs anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Schalter (10, T) angesteuert werden, wenn eine Entladung des Brennstoffzellenverbundsystems (1) erfolgen soll.
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