AT512622B1 - METHOD AND DEVICE FOR OPERATING A FUEL CELL UNIT - Google Patents

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AT512622B1
AT512622B1 ATA191/2012A AT1912012A AT512622B1 AT 512622 B1 AT512622 B1 AT 512622B1 AT 1912012 A AT1912012 A AT 1912012A AT 512622 B1 AT512622 B1 AT 512622B1
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Simon Wolfsegger
Christian Riffelsberger
Thomas Stadler
Stefan Gruber
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Fronius Int Gmbh
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Abstract

Das Verfahren ist zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit (1) mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen (4) bestimmt. Während eines Normalbetriebszustands werden den Zellen (4) mindestens zwei Reaktionsgase (2, 3) zugeführt, und es wird mittels chemischer Reaktion aus den Reaktionsgasen (2, 3) elektrische Energie erzeugt. Bei einer Beendigung des Normalbetriebszustands wird ein Entladebetriebszustand durchlaufen, bei dem die Zuführung zumindest eines Reaktionsgases (2, 3) unterbrochen wird und eine Gasrestmenge zumindest eines der in den Zellen (4) verbliebenen Reaktionsgase (2, 3) verbraucht wird, indem ein durch die Reaktionsgase (2, 3) in den Zellen (4) erzeugter elektrischer Strom über mindestens einen Entladeverbraucher (17) abgeführt wird. Jede Zelle (4) wird während des Entladebetriebszustands gesondert mittels eines eigenen selbstleitenden Entladeschaltelements (16) mit einem eigenen Entladeverbraucher (17) verbunden, so dass zeitgleich für alle Zellen (4) Entladestromkreise (15) gebildet werden, die jeweils einer Zelle (4) zugeordnet sind und jeweils ein selbstleitendes Entladeschaltelement (16) und einen Entladeverbraucher (17) umfassen.The method is intended for operating a fuel cell unit (1) with a plurality of cells (4) connected in series. During a normal operating state, at least two reaction gases (2, 3) are supplied to the cells (4), and electrical energy is generated from the reaction gases (2, 3) by means of a chemical reaction. At a termination of the normal operating state, a discharge operating state is passed, in which the supply of at least one reaction gas (2, 3) is interrupted and a residual amount of gas of at least one of the cells (4) remaining reaction gases (2, 3) is consumed by one by the Reaction gases (2, 3) in the cells (4) generated electrical power via at least one discharge load (17) is dissipated. Each cell (4) is separately connected during the discharge operating state by means of its own self-conducting Entladeschaltelements (16) with its own discharge load (17), so that at the same time for all cells (4) Entladestromkreise (15) are formed, each of a cell (4) are assigned and each comprise a self-conducting Entladeschaltelement (16) and a discharge load (17).

Description

Beschreibungdescription

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM BETREIBEN EINER BRENNSTOFFZELLENEINHEITMETHOD AND DEVICE FOR OPERATING A FUEL CELL UNIT

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen, wobei während eines Normalbetriebszustands den Zellen mindestens zwei Reaktionsgase zugeführt werden, und mittels chemischer Reaktion aus den Reaktionsgasen elektrische Energie erzeugt wird, und wobei bei einer Beendigung des Normalbetriebszustands ein Entladebetriebszustand durchlaufen wird, bei dem die Zuführung zumindest eines Reaktionsgases unterbrochen wird und eine Gasrestmenge zumindest eines der in den Zellen verbliebenen Reaktionsgase verbraucht wird, indem ein durch die Reaktionsgase in den Zellen erzeugter elektrischer Strom über mindestens einen Entladeverbraucher abgeführt wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen, wobei die Vorrichtung die Brennstoffzelleneinheit, Anschlüsse zur Versorgung der Zellen während eines Normalbetriebszustands mit zumindest zwei Reaktionsgasen, wobei in den Zellen mittels chemischer Reaktion aus den Reaktionsgasen elektrische Energie erzeugbar ist, und mindestens einen Entladeverbraucher zur Abführung eines durch eine in den Zellen nach Beendigung des Normalbetriebszustands befindliche Gasrestmenge der Reaktionsgase erzeugten elektrischen Stromes umfasst.The invention relates to a method for operating a fuel cell unit having a plurality of cells connected in series, wherein at least two reaction gases are supplied to the cells during a normal operating state, and by means of chemical reaction from the reaction gases, electrical energy is generated, and wherein at a termination of the normal operating state a discharge operating condition is passed, in which the supply of at least one reaction gas is interrupted and a residual amount of gas is consumed at least one of the reaction gases remaining in the cells by an electric current generated by the reaction gases in the cells is discharged through at least one discharge consumer. In addition, the invention relates to a device for operating a fuel cell unit with a plurality of cells connected in series, wherein the device, the fuel cell unit, terminals for supplying the cells during a normal operating state with at least two reaction gases, wherein in the cells by means of chemical reaction from the reaction gases electrical energy can be generated and at least one discharge consumer for discharging an electric current generated by a residual amount of gas of the reaction gases in the cells after completion of the normal operating condition.

[0002] Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung werden in der US 5,105,142 beschrieben. Zum Verbrauch der nach einem Abschalten in der Brennstoffzelleneinheit verbliebenen Gasrestmenge an Reaktionsgasen wird eine Entladeschaltung mit einem Entladeverbraucher in Form eines Entladewiderstands eingesetzt. Der Entladewiderstand kann in seinem Widerstandswert verändert und über ein Entladeschaltelement an die Ausgangsanschlüsse der Brennstoffzelleneinheit geschaltet werden. Das als Relais ausgeführte Entladeschaltelement kann selbstsperrend oder selbstleitend sein. Bei einer an den Ausgangsanschlüssen der Brennstoffzelleneinheit angeschlossenen Entladeschaltung kann es zu einem unterschiedlich schnellen Verbrauch der in den einzelnen Zellen befindlichen Restgase kommen, insbesondere, wenn die Gesamtmenge an Restgasen ungleich auf die Zellen verteilt ist. Der elektrische Strom fließt in der Entladeschaltung aber solange, bis die Restgase in allen Zellen verbraucht sind. Es werden also auch Zellen vom Strom durchflossen, deren Restgase bereits verbraucht wurden. Folglich kehren sich die elektrischen Spannungsverhältnisse in diesen gasverarmten Zellen um. Dies ist zum einen gefährlich, da dann eine Elektrolyse-Reaktion mit Bildung von explosivem Gas einsetzen kann. Die Zellen können also massiv beschädigt werden. Zum anderen kann eine Degradation der betroffenen Zellen einsetzen, wodurch sich der Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Brennstoffzelleneinheit verschlechtern.Such a method and apparatus are described in US 5,105,142. For consumption of remaining after a shutdown in the fuel cell unit residual gas amount of reaction gases, a discharge circuit is used with a discharge load in the form of a discharge resistor. The discharge resistor can be changed in its resistance value and connected via a discharge switching element to the output terminals of the fuel cell unit. The discharge switching element designed as a relay can be self-locking or self-conducting. In the case of a discharge circuit connected to the output terminals of the fuel cell unit, a different rate of consumption of the residual gases present in the individual cells may occur, in particular if the total amount of residual gases is unevenly distributed among the cells. The electric current flows in the discharge circuit but until the residual gases are consumed in all cells. It also flows through cells from the stream, the residual gases have already been consumed. Consequently, the electrical voltage conditions in these gas-depleted cells are reversed. This is on the one hand dangerous because then can use an electrolysis reaction with the formation of explosive gas. The cells can thus be damaged massively. On the other hand, a degradation of the affected cells can occur, whereby the efficiency and the life of the fuel cell unit deteriorate.

[0003] Weiterhin wird in der WO 2009/117749 A1 eine Entladeschaltung für eine Brennstoffzelleneinheit beschrieben, bei der ein Entladewiderstand sukzessive an die einzelnen Zellen geschaltet wird. Die Umschaltung des Entladewiderstands an die nächste Zelle erfolgt, sobald das Restgas in der zuletzt beschalteten Zelle verbraucht ist. Dadurch wird zwar die oben beschriebene Situation mit einer Spannungsumkehr in einzelnen Zellen verhindert. Allerdings benötigt der vollständige Gasverbrauch in allen Zellen relativ lange, so dass die Brennstoffzelleneinheit erst mit einer gewissen Zeitverzögerung wieder in Betrieb genommen werden kann. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass bei Ausfall der Spannungsversorgung keine Entladung mehr möglich ist.Furthermore, a discharge circuit for a fuel cell unit is described in WO 2009/117749 A1, in which a discharge resistor is switched successively to the individual cells. The switching of the discharge resistor to the next cell takes place as soon as the residual gas in the last connected cell has been consumed. Although this prevents the situation described above with a voltage reversal in individual cells. However, the complete gas consumption in all cells takes a relatively long time, so that the fuel cell unit can be put back into operation only with a certain time delay. Another disadvantage is that in case of failure of the power supply no discharge is possible.

[0004] Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art anzugeben, das einen sicheren und schnellen Verbrauch der nach einer Beendigung des Normalbetriebszustands in den Zellen verbliebenen Gasrestmenge ermöglicht.The process of the invention, the task is now to provide a method of the type described above, which allows a safe and rapid consumption of remaining after completion of the normal operating state in the cells residual amount of gas.

[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jede Zelle während des Entladebetriebszustands und/oder bei einer Notabschaltung gesondert mittels eines eigenen selbstleitenden Entladeschaltelements mit einem eigenen Entladeverbraucher verbunden, so dass zeitgleich für alle Zellen Entladestromkreise gebildet werden, die jeweils einer Zelle zugeordnet sind und jeweils ein selbstleitendes Entladeschaltelement und einen Entladeverbraucher umfassen. Der Entladeverbraucher wird als integraler Teil des selbstleitenden Entladeschaltelements ausgeführt.To solve this problem, a method according to the features of claim 1 is given. In the method according to the invention, each cell is separately connected during the discharge operating state and / or emergency shutdown by means of its own self-conducting Entladeschaltelements with its own discharge, so that at the same time for all cells discharge circuits are formed, each associated with a cell and each have a self-conducting Entladeschaltelement and include a discharge consumer. The discharge consumer is designed as an integral part of the self-conducting Entladeschaltelements.

[0006] Dadurch, dass für jede Zelle ein eigener Entladestromkreis vorgesehen ist, fließt in jeder Zelle während des Entladebetriebszustands insbesondere genau so lange ein elektrischer Strom, bis die Gasrestmenge zumindest eines der in dieser Zelle verbliebenen Reaktionsgase vollständig verbraucht ist. Danach ist die betreffende Zelle im Wesentlichen stromfrei und zwar unabhängig davon, ob in anderen Zellen der Entladevorgang mit dem Verbrauch der dort befindlichen Gasrestmenge noch andauert. Folglich wird die unerwünschte und ggf. sogar gefährliche Spannungsumkehr in einzelnen Zellen sicher ausgeschlossen.Characterized in that a separate discharge circuit is provided for each cell flows in each cell during the discharge operating state, in particular just as long an electric current until the residual amount of gas at least one of the remaining reaction gases in this cell is completely consumed. Thereafter, the cell in question is substantially free of electrical current, regardless of whether in other cells, the discharge process continues with the consumption of the gas remaining there. Consequently, the unwanted and possibly even dangerous voltage reversal in individual cells is safely excluded.

[0007] Dabei spielt es vorzugsweise keine Rolle, wie es zum Ende des vorangegangenen Normalbetriebszustands gekommen ist. Es kann sich insbesondere entweder um eine gezielt herbei geführte Abschaltung, um eine Notabschaltung oder auch um ein Stoppen der chemischen Reaktion in der Brennstoffzelleneinheit aufgrund eines Fehlers, z.B. eines Ausfalls der Netzversorgungsspannung bzw. Betriebsspannung/Systemspannung, handeln. In jedem Fall werden alle Zellen der die Brennstoffzelleneinheit mittels der Entladestromkreise in einen sicheren, vorzugsweise inertisierten Zustand gebracht, der ein problemloses Wiederstarten der Brennstoffzelleneinheit insbesondere ohne die Gefahr von Degradationen gestattet.It preferably does not matter how it came to the end of the previous normal operating state. In particular, it may either be a deliberately caused shutdown, an emergency shutdown, or also a stoppage of the chemical reaction in the fuel cell unit due to an error, e.g. a failure of the mains supply voltage or operating voltage / system voltage act. In any case, all cells of the fuel cell unit are brought by means of the discharge circuits in a safe, preferably inerted state, which allows trouble-free restarting of the fuel cell unit, in particular without the risk of degradation.

[0008] Die Verwendung selbstleitender Entladeschaltelemente führt außerdem zu einem sicheren Zustand bei unvorhergesehenen Ereignissen. Unter „selbstleitend“ ist hier zu verstehen, dass das betreffende Entladeschaltelement ohne Einwirken von außen elektrisch leitend ist. Der geschlossene Schalterzustand ist also der Normalzustand eines solchen selbstleitenden Entladeschaltelements. Um das selbstleitende Entladeschaltelement zu sperren, also in den offenen Schalterzustand zu überführen, muss dagegen eine gezielte Maßnahme, z.B. eine Ansteuerung mit einem von Null verschiedenen Steuersignal, erfolgen. Bei einem Ausfall einer für die Erzeugung des Steuersignals benötigten Versorgungsspannung geht das selbstleitende Entladeschaltelement automatisch in seinen leitenden Zustand über, so dass der betreffende Entladestromkreis geschlossen wird und die zugehörige Zelle in ihren inertisierten Zustand überführt wird. Dies alles erfolgt ohne Zutun von außen, so dass ein eigensicheres Betriebsverfahren gegeben ist. Es ist somit eine Not-Stopp-Funktion gegeben. Daraus ergibt sich ein wesentlich weiterer Vorteil, nämlich, dass ein beispielsweise als Entladeverbraucher in dem Entladestromkreis enthaltener Widerstand vorzugsweise immer an der Reihenschaltung der Zellen (= Stack) der Brennstoffzelleneinheit bleibt, so dass immer eine Entladung zustande kommt, auch wenn keine Betriebsspannung mehr vorhanden ist.The use of self-conducting Entladeschaltelemente also leads to a safe state in case of unforeseen events. By "self-conducting" is to be understood here that the respective discharge switching element is electrically conductive without external influence. The closed switch state is thus the normal state of such a self-conducting Entladeschaltelements. In order to block the self-conducting Entladeschaltelement, ie to transfer to the open switch state, on the other hand, a targeted action, e.g. a control with a non-zero control signal, done. In the event of a failure of a supply voltage required for the generation of the control signal, the normally-on discharging switching element automatically goes into its conducting state, so that the relevant discharging circuit is closed and the associated cell is transferred to its inerted state. All this is done without external intervention, so that an intrinsically safe operating procedure is given. There is thus an emergency stop function. This results in a significantly further advantage, namely that a resistor contained in the discharge circuit, for example, as a discharge load, preferably always remains connected to the series connection of the cells (= stack) of the fuel cell unit, so that a discharge always occurs, even if no operating voltage is present ,

[0009] Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass während des Entladebetriebszustands in allen Zellen gleichzeitig die Gasrestmenge verbraucht wird und somit alle Zellen gleichzeitig in ihren inertisierten Zustand überführt werden können. Die Brennstoffzelleneinheit ist demnach sehr schnell wieder für einen Neustart bereit.Another advantage is that during the Entladebetriebszustands in all cells at the same time the residual amount of gas is consumed and thus all cells can be converted simultaneously in their inertized state. The fuel cell unit is therefore very quickly ready for a reboot.

[0010] Dadurch, dass der Entladeverbraucher als integraler Teil des selbstleitenden Entla-deschaltelements ausgeführt ist, werden Platz und Kosten gespart. Insbesondere kann es sich bei dem Entladeverbraucher um einen Durchgangswiderstand eines elektronischen Bauelements, vorzugsweise eines MOSFETs, handeln.Characterized in that the discharge load is designed as an integral part of the self-conducting Entla-deschaltelements, space and costs are saved. In particular, the discharge load may be a volume resistance of an electronic component, preferably a MOSFET.

[0011] Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.Advantageous embodiments of the method according to the invention will become apparent from the features of the dependent claims of claim 1.

[0012] Günstig ist eine Ausgestaltung, bei der zu Beginn des Normalbetriebszustands alle Zellen von den Entladeverbrauchern getrennt werden, indem alle selbstleitenden Entla- deschaltelemente in ihren geöffneten Schalterzustand überführt werden. Auf diese Weise lässt sich die Brennstoffzelleneinheit sehr schnell in ihren Normalbetriebszustand bringen. Außerdem befinden sich alle Zellen bis zur Einleitung dieser Schalthandlungen in einem definierten und insbesondere sicheren inertisierten Zustand.An embodiment in which all cells are separated from the discharge consumers at the beginning of the normal operating state is advantageous in that all the normally-conducting discharge switching elements are transferred into their opened switch state. In this way, the fuel cell unit can bring very quickly to its normal operating state. In addition, all cells are in a defined and in particular safe inerted state until the initiation of these switching operations.

[0013] Gemäß einer anderen günstigen Ausgestaltung erfolgt die Überführung aller selbstleitenden Entladeschaltelemente in den geöffneten Schalterzustand gleichzeitig mittels eines einzigen gemeinsamen Steuersignals. Dies ist besonders effizient und reduziert den erforderlichen Aufwand. Außerdem ist so gewährleistet, dass in allen Zellen der Brennstoffzelleneinheit im Wesentlichen zu einem einheitlichen Zeitpunkt die chemische Reaktion zur Umwandlung der Reaktionsgase in elektrische Energie beginnt und der Übergang in den Normalbetriebszustand stattfindet.According to another advantageous embodiment, the transfer of all normally-off Entladeschaltelemente in the open switch state is carried out simultaneously by means of a single common control signal. This is particularly efficient and reduces the required effort. In addition, it is thus ensured that the chemical reaction for converting the reaction gases into electrical energy begins in all cells of the fuel cell unit substantially at a uniform time and the transition to the normal operating state takes place.

[0014] Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung wird als Entladeschaltelement ein selbstleitender Halbleiterschalter, insbesondere ein selbstleitender MOSFET (= Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor; englisch: „Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor“), vorgesehen. Diese Schaltelemente sind mit den verschiedensten Spezifikationen frei verfügbar. Sie funktionieren sehr zuverlässig. Insbesondere tritt bei einem halbleitenden Schalter, wie z.B. einem MOSFET, während der Schalthandlung im Gegensatz zu anderen mechanisch funktionierenden Schaltelementen, wie z.B. einem Relais, keine Funkenbildung auf. Insofern bietet ein halbleitender Schalter gerade in einer Umgebung mit explosionsfähigen Gasen oder Gasgemischen eine besonders hohe Sicherheit. Außerdem lassen sich Halbleiterschalter und insbesondere MOSFETs vorzugsweise ohne weiteres in einer selbstleitenden Ausführungsform realisieren. Weiterhin haben sie eine sehr geringe Baugröße, so dass sie sich gut für eine Integration in eine andere Baugruppe oder Baueinheit und/oder für einen Einsatz bei geringem verfügbaren Einbauvolumen eignen.According to a further advantageous embodiment, the discharge switching element is a self-conducting semiconductor switch, in particular a self-conducting MOSFET (= metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, in English: "Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor"). These switching elements are freely available with a wide variety of specifications. They work very reliably. In particular, in a semiconducting switch, such as a semiconductor switch, e.g. a MOSFET, during the switching operation in contrast to other mechanically functioning switching elements, such. a relay, no sparking on. In this respect, a semi-conductive switch offers a particularly high degree of safety, especially in an environment with explosive gases or gas mixtures. In addition, semiconductor switches and, in particular, MOSFETs can preferably be realized in a self-conducting embodiment without further ado. Furthermore, they have a very small size, so that they are well suited for integration into another module or assembly and / or for use with low available installation volume.

[0015] Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung werden die Entladeverbraucher und die selbstleitenden Entladeschaltelemente gemeinsam mit den Zellen in einem Gehäuse untergebracht. Damit resultiert eine sehr kompakte Bauform. Ggf. können auch noch weitere Einheiten, wie z.B. eine Zellspannungsüberwachungseinheit und/oder eine Zellspannungsabgriffeinheit, in dem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.According to a further advantageous embodiment, the discharge load and the self-conducting Entladeschaltelemente be housed together with the cells in a housing. This results in a very compact design. Possibly. may also be other units, such as. a cell voltage monitoring unit and / or a cell voltage tap unit, may be arranged in the common housing.

[0016] Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs be-zeichneten Art anzugeben, die einen sicheren und schnellem Verbrauch der nach einer Beendigung des Normalbetriebszustands in den Zellen verbliebenen Gasrestmenge ermöglicht.Another object of the invention is to provide a device of the type described be-recorded, which allows a safe and rapid consumption of remaining after completion of the normal operating state in the cells residual amount of gas.

[0017] Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung entsprechend den Merkmalen des Patentanspruches 6 angegeben. Bei der Vorrichtung ist jeder Zelle ein eigener Entladestromkreis mit einem eigenen selbstleitenden Entladeschaltelement und einem eigenen Entladeverbraucher zugeordnet, und jede Zelle ist mittels des zugehörigen selbstleitenden Entladeschaltelements mit dem zugehörigen Entladeverbraucher verbindbar, so dass ein in der betreffenden Zelle nach Beendigung des Normalbetriebszustands erzeugter elektrische Strom über den zugehörigen Entladeverbraucher abführbar ist. Der Entladeverbraucher ist ein integraler Teil des selbstleitenden Entladeschaltelements.To solve this problem, a device according to the features of claim 6 is given. In the apparatus, each cell is associated with its own discharge circuit with its own self-discharging and a separate discharge consumer, and each cell is connected by means of the associated self-conducting Entladeschaltelements with the associated discharge load, so that in the cell in question after completion of the normal operating state generated electrical current over the associated discharge consumer can be discharged. The discharge consumer is an integral part of the self-conducting discharge switching element.

[0018] Die erfindungsgemäße Vorrichtung und ihre Ausgestaltungen haben im Wesentlichen die gleichen besonderen Eigenschaften und Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dessen Ausgestaltungen beschrieben worden sind.The device according to the invention and its embodiments have essentially the same special properties and advantages that have already been described in connection with the method according to the invention and its embodiments.

[0019] Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den von Anspruch 6 abhängigen Ansprüchen.Advantageous embodiments of the device according to the invention will become apparent from the dependent claims of claim 6.

[0020] Gemäß einer günstigen Ausgestaltung sind alle selbstleitenden Entladeschaltelemente zur insbesondere gleichzeitigen Veränderung ihres jeweiligen Schalterzustands, vorzugsweise zur Überführung in ihren jeweiligen geöffneten Schalterzustand, an eine gemeinsame Steuereinheit angeschlossen. Dies ist effizient und spart Einzelkomponenten sowie Kosten.According to a favorable embodiment, all the self-conducting Entladeschaltelemente for particular simultaneous change in their respective switch state, preferably for transfer to their respective open switch state, connected to a common control unit. This is efficient and saves individual components as well as costs.

[0021] Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung sind alle selbstleitenden Entladeschaltelemente gleichzeitig mittels eines einzigen gemeinsamen von der Steuereinheit erzeugten Steuersignals in ihrem jeweiligen Schalterzustand veränderbar. Insbesondere sind alle Entladeschaltelemente an einen einzigen gemeinsamen Steuersignalausgang der Steuereinheit angeschlossen. Alternativ können die Entladeschaltelemente aber auch an mehrere Steuersignalausgänge der Steuereinheit angeschlossen sein. Dadurch lässt sich vorzugsweise das Starten des Entladebetriebszustands und des Normalbetriebszustands in allen Zellen sehr einfach synchronisieren. Auch ist es möglich, dass mehrere Entladeschaltelemente in Gruppen, z.B. zu zwölft, zusammen geschaltet sind, wobei hierzu bevorzugt vier Gruppen gebildet werden. Somit sind dann insbesondere vier Steuersignale vorgesehen, die vorteilhafterweise einfach synchronisierbar sind.According to a further advantageous embodiment, all the self-conducting Entladeschaltelemente simultaneously by means of a single common control signal generated by the control unit in their respective switch state can be changed. In particular, all discharge switching elements are connected to a single common control signal output of the control unit. Alternatively, however, the discharge switching elements can also be connected to a plurality of control signal outputs of the control unit. As a result, it is possible to very easily synchronize the starting of the discharge operating state and the normal operating state in all cells. It is also possible that a plurality of discharge switching elements in groups, e.g. to twelfth, are connected together, for this purpose preferably four groups are formed. Thus, in particular four control signals are provided, which are advantageously easy to synchronize.

[0022] Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt: [0023] Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelleneinheit mit für jede Zelle vorgesehenem eigenen Entladestromkreis, der jeweils ein selbstleitendes Schaltelement umfasst, und [0024] Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelleneinheit mit für jedeFurther features, advantages and details of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing. 1 shows an embodiment of a fuel cell unit with its own discharge circuit provided for each cell, each comprising a self-conducting switching element, and FIG. 2 shows another embodiment of a fuel cell unit with for each

Zelle vorgesehenem eigenen Entladestromkreis, der jeweils einen selbstleitenden MOSFET umfasst.Cell provided own discharge circuit, each comprising a self-conducting MOSFET.

[0025] Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch Einzelheiten der im Folgenden näher erläuterten Ausführungsbeispiele können für sich genommen eine Erfindung darstellen oder Teil eines Erfindungsgegenstands sein.Corresponding parts are provided in Figs. 1 and 2 with the same reference numerals. Also details of the embodiments explained in more detail below may constitute an invention in itself or be part of an inventive subject matter.

[0026] In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelleneinheit 1 zur Erzeugung von elektrischer Energie aus zumindest zwei Reaktionsgasen, insbesondere aus Wasserstoff 2 und aus Sauerstoff 3 oder Luft, gezeigt.In Fig. 1, an embodiment of a fuel cell unit 1 for generating electrical energy from at least two reaction gases, in particular from hydrogen 2 and from oxygen 3 or air, is shown.

[0027] Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Stromerzeuger, die direkt aus einer chemischen Reaktion einen elektrischen Strom erzeugt. Das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle beruht insbesondere auf der Umkehrung der elektrolytischen Zersetzung von Wasser, bei der durch einen Stromfluss die Reaktionsgase Wasserstoff 2 und Sauerstoff 3 gebildet werden. Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie der Reaktionsgase in elektrische Energie wandelt. Sie wird deshalb auch als Energiewandler bezeichnet. Die Energie zur Stromproduktion wird in chemisch gebundener Form mit den Reaktionsgasen zugeführt.A fuel cell is an electrochemical generator that generates an electrical current directly from a chemical reaction. The operating principle of a fuel cell is based in particular on the reversal of the electrolytic decomposition of water, in which the reaction gases hydrogen 2 and oxygen 3 are formed by a flow of current. A fuel cell is a galvanic cell that converts the chemical reaction energy of the reaction gases into electrical energy. It is therefore also referred to as an energy converter. The energy for power production is supplied in chemically bonded form with the reaction gases.

[0028] Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst mehrere in Reihe geschaltete Zellen. Der Gesamtaufbau mit der Reihenschaltung aller Zellen 11 bildet einen Stack 5. In den einzelnen Zellen 4 der Brennstoffzelleneinheit 1 reagieren jeweils die Reaktionsgase Wasserstoff 2 und Sauerstoff 3 miteinander, wodurch elektrischer Strom erzeugt wird. Jede Zelle 4 hat eine mit einem ersten Katalysator 6 versehene Anode 7, eine mit einem zweiten Katalysator 8 versehene Kathode 9 sowie einen Elektrolyt 10. Die Anode 7 und die Kathode 9 sind durch den Elektrolyt 10 voneinander getrennt. Die Katalysatoren 6 und 8 sind jeweils an der dem Elektrolyten 10 zugewandten Seite der Anode 7 bzw. der Kathode 9 angeordnet. Sie bestehen insbesondere jeweils aus Platin, das auf eine Kohlenstoffträgerschicht aufgebracht ist. Der Elektrolyt 10 ist insbesondere eine Polymerschicht.The fuel cell unit 1 comprises a plurality of cells connected in series. The overall structure with the series connection of all cells 11 forms a stack 5. In the individual cells 4 of the fuel cell unit 1, the reaction gases hydrogen 2 and oxygen 3 react with each other, whereby electric current is generated. Each cell 4 has an anode 7 provided with a first catalyst 6, a cathode 9 provided with a second catalyst 8, and an electrolyte 10. The anode 7 and the cathode 9 are separated from each other by the electrolyte 10. The catalysts 6 and 8 are respectively arranged on the side of the anode 7 or the cathode 9 facing the electrolyte 10. In particular, they each consist of platinum, which is applied to a carbon carrier layer. The electrolyte 10 is in particular a polymer layer.

[0029] Weiterhin sind in jeder Zelle 4 nicht näher gezeigte Mittel zur Zuführung des Wasserstoffs 2 zur Anode 7 und zur Zuführung des Sauerstoffs 3 zur Kathode 9 vorgesehen. Die Katalysatoren 6 und 8 bewirken Einzelreaktionen des zugeführten Wasserstoffs 2 und Sauerstoffs 3 an der jeweiligen Elektrode, also an der Anode 7 bzw. an der Kathode 9.Furthermore, 4 means not shown in detail for supplying the hydrogen 2 to the anode 7 and for supplying the oxygen 3 to the cathode 9 are provided in each cell. The catalysts 6 and 8 cause individual reactions of the supplied hydrogen 2 and oxygen 3 at the respective electrode, ie at the anode 7 and at the cathode 9, respectively.

[0030] Bei der Reaktion des Wasserstoffs 2 am Katalysator 6 der Anode 7 wird jeweils ein Wasserstoffmolekül in zwei Wasserstoffatome aufgespaltet. Ein Wasserstoff atom weist zwei Bestandteile auf, nämlich ein negativ geladenes Elektron und ein positiv geladenes Proton. Bei der Reaktion gibt jedes Wasserstoff atom sein Elektron ab. Die positiv geladenen Protonen diffundieren durch den für die negativ geladenen Elektronen undurchlässigen Elektrolyten 10 und gelangen so zur Kathode 9.In the reaction of the hydrogen 2 on the catalyst 6 of the anode 7, a hydrogen molecule is split into two hydrogen atoms in each case. A hydrogen atom has two components, a negatively charged electron and a positively charged proton. In the reaction, every atom of hydrogen releases its electron. The positively charged protons diffuse through the electrolyte 10, which is impermeable to the negatively charged electrons, and thus reaches the cathode 9.

[0031] Bei der zeitgleich erfolgenden Reaktion des Sauerstoffs 3 am Katalysator 8 der Kathode 9 teilen sich Sauerstoffmoleküle jeweils in zwei Sauerstoffatome, welche sich an der Kathode 9 ablagern.In the simultaneous reaction of the oxygen 3 at the catalyst 8 of the cathode 9, oxygen molecules are divided into two oxygen atoms, which are deposited on the cathode 9.

[0032] Somit sind an der Kathode 9 die positiv geladenen Protonen des Wasserstoffs 2 sowie die Sauerstoffatome, und an der Anode 7 die negativ geladenen Elektronen des Wasserstoffs 2 abgelagert. Dadurch herrscht an der Kathode 9 ein Elektronenmangel und an der Anode 7 ein Elektronenüberschuss, so dass sich die Anode 7 gegenüber der Kathode 9 auf negativem Potential befindet. Dementsprechend bildet die Anode 7 einen Minuspol (-) und die Kathode 9 einen Pluspol (+).Thus, at the cathode 9, the positively charged protons of hydrogen 2 and the oxygen atoms, and deposited at the anode 7, the negatively charged electrons of the hydrogen 2. As a result, there is an electron deficiency at the cathode 9 and an excess of electrons at the anode 7, so that the anode 7 is at a negative potential with respect to the cathode 9. Accordingly, the anode 7 forms a negative pole (-) and the cathode 9 a positive pole (+).

[0033] Verbindet man die beiden Elektroden, also die Anode 7 und die Kathode 9, mit einem elektrischen Leiter 11, so wandern die Elektronen aufgrund des Potentialunterschiedes über den elektrischen Leiter 11 von der Anode 7 zur Kathode 9. Es fließt elektrischer Gleichstrom durch den Leiter 11 und durch eine ggf. in den Leiter 11 eingebundene Last 12. Die Last 12 kann beispielsweise durch eine Batterie, die die erzeugte elektrische Energie speichert, durch einen Wechselrichter, welcher den Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt, oder durch einen Verbraucherwiderstand gebildet sein. Der Stromkreis mit dem Leiter 11 und der Last 12 ist mittels eines Lastkreisschalters 13 zu- und abschaltbar.Connecting the two electrodes, so the anode 7 and the cathode 9, with an electrical conductor 11, the electrons migrate due to the potential difference across the electrical conductor 11 from the anode 7 to the cathode 9. It flows electrical DC through the Ladder 11 and by a possibly integrated in the conductor 11 load 12. The load 12 may be formed for example by a battery that stores the electrical energy generated, by an inverter, which converts the direct current into an alternating current, or by a load resistor. The circuit with the conductor 11 and the load 12 can be switched on and off by means of a load circuit breaker 13.

[0034] Zwei Elektronen, welche über den elektrischen Leiter 11 von der Anode 7 zur Kathode 9 gewandert sind, werden an der Kathode 9 jeweils von einem Sauerstoff atom aufgenommen. Es bilden sich zweifach negativ geladene Sauerstoff-Ionen. Diese Sauerstoff-Ionen vereinigen sich mit den positiv geladenen und durch den Elektrolyt 10 von der Anode 7 zur Kathode 9 diffundierten Protonen des Wasserstoffs 2 zu Wasser 14. Das Wasser 14 wird als Reaktionsendprodukt von der Kathode 9 abgeführt.Two electrons, which have migrated via the electrical conductor 11 from the anode 7 to the cathode 9 are added to the cathode 9 each of an oxygen atom. There are two times negatively charged oxygen ions. These oxygen ions combine with the positively charged protons of hydrogen 2, which have been diffused through the electrolyte 10 from the anode 7 to the cathode 9, to form water 14. The water 14 is removed from the cathode 9 as a reaction end product.

[0035] Zum Abschalten der Brennstoffzelleneinheit 1 wird bevorzugt die Zufuhr des Reaktionsgases Sauerstoff 3 bzw. Luft unterbrochen. Dabei bleibt zumindest ein Teil der Reaktionsgase in den Zellen 4. Ohne weitere Maßnahmen hätte dies zumindest bei einigen Brennstoffzellentypen zur Folge, dass Wasserstoff 2 durch den Elektrolyt 10 diffundiert und sich an der Kathode 9 der Zellen 4 ein explosionsfähiges Gasgemisch bildet. Ebenso kann die in den Zellen 4 verbliebene Gasrestmenge zu einer Degradation der Zellen 4, insbesondere des Elektrolyts 10 und der Katalysatoren 6 und 8, und damit zu einer Verringerung des Wirkungsgrads und/oder der Lebensdauer der Brennstoffzelleneinheit 1 führen. Um dies zu verhindern, wird nach einer Beendigung des Normalbetriebszustands der Brennstoffzelleneinheit 1 ein gezieltes Entladeverfahren durchlaufen. Während dieses Entladebetriebszustands wird zumindest der Anteil des Sauerstoffs 3 in der in den Zellen 4 verbliebenen Gasrestmenge der Reaktionsgase soweit verbraucht, dass die Brennstoffzelleneinheit 1 im abgeschalteten Zustand gefahrlos abgestellt werden kann und sich der Stack 5 in einem zumindest weitgehend inertisierten Zustand befindet.For switching off the fuel cell unit 1, the supply of the reaction gas oxygen 3 or air is preferably interrupted. At least some of the reaction gases remain in the cells 4. Without further measures, this would have the consequence, at least in some types of fuel cells, that hydrogen 2 diffuses through the electrolyte 10 and forms an explosive gas mixture at the cathode 9 of the cells 4. Likewise, the remaining amount of gas in the cells 4 can lead to a degradation of the cells 4, in particular of the electrolyte 10 and the catalysts 6 and 8, and thus to a reduction in the efficiency and / or the life of the fuel cell unit 1. In order to prevent this, after a termination of the normal operating state of the fuel cell unit 1, a targeted discharging process is performed. During this discharge operating state, at least the proportion of the oxygen 3 in the residual gas remaining in the cells 4 of the reaction gases is consumed so far that the fuel cell unit 1 can be turned off safely when switched off and the stack 5 is in an at least substantially inertized state.

[0036] Bei der Brennstoffzelleneinheit 1 wird der praktisch vollständige Verbrauch der nach der Beendigung des Normalbetriebszustands, also z.B. nach einem Abschalten der Brennstoffzelleneinheit 1, in den Zellen 4 verbliebenen Gasrestmenge zumindest eines der Reaktionsgase mittels jeder Zelle 4 zuschaltbarer Entladestromkreise 15 erreicht. Jeder Zelle 4 ist ein eigener Entladestromkreis 15 zugeordnet, der neben der betreffenden Zelle 4 jeweils ein selbstleitendes Entladeschaltelement 16 sowie einen Entladeverbraucher 17 in Form eines elektrischen Entladewiderstands umfasst. Dadurch kann es im Gegensatz zum Beschälten aller Zellen 4 mit einem gemeinsamen Widerstand zu keiner für die Zellen 4 gefährlichen Spannungsumkehr im Falle einer vorzeitigen Gasverarmung in einer der Zellen 4 kommen. Das Verbrauchen der Gasrestmenge der Reaktionsgase in den Zellen 4 der Brennstoffzelleneinheit 1 wird auch als Abreagieren der Zellen 4 bezeichnet.In the fuel cell unit 1, the practically complete consumption of the after the termination of the normal operating state, that is, e.g. after a shutdown of the fuel cell unit 1, in the cells 4 remaining amount of gas at least one of the reaction gases by means of each cell 4 switchable discharge circuits 15 reaches. Each cell 4 is associated with its own discharge circuit 15, which comprises, in addition to the relevant cell 4, in each case a self-conducting discharge switching element 16 and a discharge consumer 17 in the form of an electrical discharge resistor. As a result, in contrast to the coating of all cells 4 with a common resistance, no voltage reversal dangerous for the cells 4 can occur in the case of premature gas depletion in one of the cells 4. The consumption of the gas residual amount of the reaction gases in the cells 4 of the fuel cell unit 1 is also referred to as reacting the cells 4.

[0037] Das selbstleitende Entladeschaltelement 16 und der dazu in Reihe geschaltete Entladeverbraucher 17 sind zwischen die Anode 7 und die Kathode 9 der betreffenden Zelle 4 geschaltet. Die Entladestromkreise 15 benachbarter Zellen 4 können einen Teil der elektrischen Leitungen gemeinsam nutzen. Die Kathode 9 der einen Zelle 4 ist mit der Anode 7 der benachbarten Zelle 4 kurzgeschlossen.The self-conducting discharge switching element 16 and the discharge load 17 connected in series are connected between the anode 7 and the cathode 9 of the relevant cell 4. The discharge circuits 15 of adjacent cells 4 may share a part of the electric wires. The cathode 9 of a cell 4 is short-circuited to the anode 7 of the adjacent cell 4.

[0038] Die Entladeschaltelement 16 sind selbstleitend, d.h. sie befinden sich normalerweise im geschlossenen Schalterzustand. Die Entladestromkreise 15 sind also ohne gezielte Einwirkung von außen geschlossen und an die betreffende Zelle 4 angeschlossen. Die Entladeschaltelemente 16 sind über in Fig. 1 gestrichelt dargestellte Steuerleitungen an eine Steuereinheit 18, insbesondere an einen gemeinsamen Steuersignalausgang 19 dieser Steuereinheit 18, angeschlossen. Die Steuereinheit 18 ist dazu ausgelegt, ein Steuersignal SS zu erzeugen und den Entladeschaltelementen 16 über den Steuersignalausgang 19 sowie die daran angeschlossenen Steuerleitungen zuzuführen. Mittels des gemeinsamen Steuersignals SS, das insbesondere während des Normalbetriebszustands der Brennstoffzelleneinheit 1 anliegt, werden alle Entladeschaltelemente 16 und damit alle Entladestromkreise 15 geöffnet und danach geöffnet gehalten.The discharge switching elements 16 are self-conducting, i. they are normally in the closed switch state. The discharge circuits 15 are therefore closed without targeted action from the outside and connected to the relevant cell 4. The discharge switching elements 16 are connected via dashed control lines shown in Fig. 1 to a control unit 18, in particular to a common control signal output 19 of this control unit 18. The control unit 18 is designed to generate a control signal SS and to supply the discharge switching elements 16 via the control signal output 19 and the control lines connected thereto. By means of the common control signal SS, which is present in particular during the normal operating state of the fuel cell unit 1, all discharge switching elements 16 and thus all discharge circuits 15 are opened and then kept open.

[0039] Dieser geöffnete Zustand bleibt solange bestehen, wie das Steuersignal SS anliegt. Ist dies aus welchen Gründen auch immer nicht mehr der Fall, und/oder sinkt der Absolutwert des Steuersignals SS unter eine bestimmte Auslöseschwelle, und geht insbesondere sogar auf Null zurück, fallen die Entladeschaltelemente 16 automatisch in ihren Normalzustand mit geschlossener Schaltstrecke zurück. In diesem Zustand beginnt die Abreaktion in den Zellen 4, um die Brennstoffzelleneinheit 1 in einen gesicherten Abschaltzustand mit inertisiertem Stack 5 zu überführen. Diese Abreaktion erfolgt vorteilhafterweise in allen Zellen 4 gleichzeitig, so dass der Entladebetriebszustand sehr schnell abgeschlossen werden kann. Ist die Gasrestmenge in einer der Zellen 4 verbraucht, kommt der Stromfluss in dem zugehörigen Entladestromkreis 15 automatisch zum Erliegen, und zwar unabhängig davon, ob die Abreaktion in den anderen Zellen 4 noch andauert und in deren Entladestromkreisen 15 noch Strom fließt.This opened state remains as long as the control signal SS is applied. If this is no longer the case for whatever reason, and / or if the absolute value of the control signal SS falls below a certain trigger threshold, and in particular even goes back to zero, the discharge switching elements 16 automatically fall back into their normal state with the switching path closed. In this state, the Abreaction begins in the cells 4, in order to convert the fuel cell unit 1 in a safe shutdown with inerted stack 5. This Abreaktion takes place advantageously in all cells 4 simultaneously, so that the discharge operating state can be completed very quickly. If the residual amount of gas consumed in one of the cells 4, the current flow in the associated discharge circuit 15 automatically stops, regardless of whether the Abreaction in the other cells 4 is still ongoing and in the discharge circuits 15 still current flows.

[0040] Bevorzugt wird die Last 12, welche während des Normalbetriebszustands der Brennstoffzelleneinheit 1 mit Strom versorgt wird, während des Entladebetriebszustands durch Öffnen des Lastkreisschalters 13 weggeschaltet. Dadurch werden während des Verbrauchs der Gasrestmenge an Reaktionsgasen in den Zellen 4 definierte Stromflussverhältnisse geschaffen, die ausschließlich durch den Stromfluss in den Entladestromkreisen 15 über die Entladeverbraucher 17 bestimmt sind.Preferably, the load 12, which is supplied with power during the normal operating state of the fuel cell unit 1, during the discharge operating state by opening the load circuit switch 13 is switched off. As a result, defined current flow conditions are created during the consumption of the residual amount of gas in reaction gases in the cells 4, which are determined exclusively by the current flow in the discharge circuits 15 via the discharge consumers 17.

[0041] In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelleneinheit 20 zur Erzeugung von elektrischer Energie aus zumindest zwei Reaktionsgasen gezeigt. Auch die Brennstoffzelleneinheit 20 umfasst den Stack 5 mit den in Fig. 2 nicht im Detail dargestellten in Reihe geschalteten Zellen 4.FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a fuel cell unit 20 for generating electrical energy from at least two reaction gases. The fuel cell unit 20 also comprises the stack 5 with the cells 4, not shown in detail in FIG. 2, connected in series.

[0042] Jeder Zelle 4 ist wiederum ein eigener Entladestromkreis 21 zugeordnet. Die Entladestromkreise 21 umfassen neben der betreffenden Zelle 4 jeweils als Entladeverbraucher einen Entladewiderstand 22 sowie als Entladeschaltelement einen selbstleitenden MOSFET 23. Gate-Anschlüsse 24 der MOSFETs 23 sind mittels der Steuerleitungen jeweils an den Steuersignalausgang 19 der Steuereinheit 18 angeschlossen. Mittels des Steuersignals SS können die Gate-Anschlüsse auf ein negatives Gate-Potential gebracht werden, so dass die MOSFETs 23 jeweils in den nichtleitenden Zustand versetzt werden. Die Entladestromkreise 21 sind dann geöffnet und stromfrei.Each cell 4 is in turn assigned a separate discharge circuit 21. The discharge circuits 21 comprise, in addition to the relevant cell 4 in each case as discharging a discharge resistor 22 and as discharge a self-conducting MOSFET 23. Gate terminals 24 of the MOSFETs 23 are connected by means of the control lines respectively to the control signal output 19 of the control unit 18. By means of the control signal SS, the gate terminals can be brought to a negative gate potential, so that the MOSFETs 23 are each put in the non-conducting state. The discharge circuits 21 are then opened and de-energized.

[0043] Bei dem in Fig.2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind in den Entladestromkreisen 21 ohmsche Entladewiderstand 22 als gesonderte Bauelemente vorgesehen. Es gibt aber auch alternative nicht gezeigte Ausgestaltungen mit anders ausgestalteten Entladeverbrauchern. So können die Entladeverbraucher auch durch variable Widerstände, z.B. in Form eines Transistors im Linearbetrieb, gebildet sein. Deren Widerstandswerte können dann z.B. auch von der Steuereinheit 18 entsprechend den aktuell gegebenen Anforderungen eingestellt oder geregelt werden. Weiterhin kann der Entladewiderstand 22 Teil des Entladeschaltelements des zugehö rigen Entladestromkreises 21 sein. Bei einem als MOSFET 23 ausgeführten Entladeschaltelement kann der Entladewiderstand 22 insbesondere der interne Durchgangswiderstand des MOSFETs 23 sein. Dies führt zu einem sehr kompakten Aufbau mit relativ wenigen Einzelkomponenten.In the embodiment shown in Figure 2 ohmic discharge resistor 22 are provided as separate components in the discharge circuits 21. But there are also alternative embodiments not shown with differently designed discharge consumers. Thus, the discharge consumers may also be protected by variable resistances, e.g. in the form of a transistor in linear operation, be formed. Their resistance values may then be e.g. be set or regulated by the control unit 18 according to the currently given requirements. Furthermore, the discharge resistor 22 may be part of the discharge switching element of the zugehö ring discharge circuit 21. In the case of a discharge switching element designed as a MOSFET 23, the discharge resistor 22 may in particular be the internal volume resistance of the MOSFET 23. This leads to a very compact construction with relatively few individual components.

[0044] Insbesondere bei Verwendung von MOSFETs 23 ist der Platzbedarf der Entladestromkreise 21 sehr gering. Sie können dann vorzugsweise zusammen mit dem Stack 5 und auch der Steuereinheit 18 in einem gemeinsamen Gehäuse 25 platziert sein. Ein solches gemeinsames Gehäuse 25 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit dargestellt.In particular, when using MOSFETs 23, the space requirement of the discharge circuits 21 is very low. They can then preferably be placed together with the stack 5 and also the control unit 18 in a common housing 25. Such a common housing 25 is shown in the embodiment of FIG. 1 with.

[0045] Insgesamt ermöglichen die Brennstoffzelleneinheiten 1 und 20 aufgrund der gesonderten Beschaltung jeder Zelle 4 mit einem eigenen Entladestromkreis 15 bzw. 21 ein sicheres und schnelles Abreagieren aller Zellen 4 nach einem Abschalten der Brennstoffzelleneinheiten 1 bzw. 20. Durch die Verwendung selbstleitender Entladeschaltelemente 16 bzw. MOSFETs 23 wird außerdem eine Eigensicherheit erreicht. Bei einem Systemdefekt, insbesondere bei einem Ausfall des Steuersignals SS, schließen sich die selbstleitenden Entladeschaltelemente 16 bzw. MOSFETs 23 automatisch, und die Brennstoffzelleneinheit 1 bzw. 20 wird in einen sicheren Abschaltzustand überführt.Overall, allow the fuel cell units 1 and 20 due to the separate wiring of each cell 4 with its own discharge circuit 15 and 21, a safe and fast Abreagieren all cells 4 after switching off the fuel cell units 1 and 20. By using self-conducting Entladeschaltelemente 16 and MOSFETs 23 also achieve intrinsic safety. In the event of a system defect, in particular if the control signal SS fails, the normally-on discharging switching elements 16 or MOSFETs 23 close automatically and the fuel cell unit 1 or 20 is brought into a safe switch-off state.

Claims (10)

Patentansprücheclaims 1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit (1; 20) mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen (4), wobei a) während eines Normalbetriebszustands den Zellen (4) mindestens zwei Reaktionsgase (2, 3) zugeführt werden, und mittels chemischer Reaktion aus den Reaktionsgasen (2, 3) elektrische Energie erzeugt wird, b) bei einer Beendigung des Normalbetriebszustands ein Entladebetriebszustand durchlaufen wird, bei dem die Zuführung zumindest eines Reaktionsgases (2, 3) unterbrochen wird und eine Gasrestmenge zumindest eines der in den Zellen (4) verbliebenen Reaktionsgase (2, 3) verbraucht wird, indem ein durch die Reaktionsgase (2, 3) in den Zellen (4) erzeugter elektrischer Strom über mindestens einen Entladeverbraucher (17; 22) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass c) jede Zelle (4) während des Entladebetriebszustands und/oder bei einer Notabschaltung gesondert mittels eines eigenen selbstleitenden Entladeschaltelements (16; 23) mit einem eigenen Entladeverbraucher (17; 22) verbunden wird, so dass zeitgleich für alle Zellen (4) Entladestromkreise (15; 21) gebildet werden, die jeweils einer Zelle (4) zugeordnet sind und jeweils ein selbstleitendes Entladeschaltelement (16; 23) und einen Entladeverbraucher (17; 22) umfassen, und d) der Entladeverbraucher (17; 22) als integraler Teil des selbstleitenden Entladeschaltelements (16; 23) ausgeführt wird.A method of operating a fuel cell unit (1; 20) having a plurality of cells (4) connected in series, wherein a) during a normal operating state the cells (4) at least two reaction gases (2, 3) are supplied, and by chemical reaction of the Reactive gases (2, 3) electrical energy is generated, b) at a termination of the normal operating state, a discharge operating state is passed, in which the supply of at least one reaction gas (2, 3) is interrupted and a residual amount of gas at least one of the remaining in the cells (4) Reaction gases (2, 3) is consumed by discharging an electric current generated by the reaction gases (2, 3) in the cells (4) via at least one discharge consumer (17; 22), characterized in that c) each cell (4 ) during the discharge operating state and / or in an emergency shutdown separately by means of a separate self-conducting Entladeschaltelements (16; 23) with its own discharge consumption r (17; 22), so that at the same time for all cells (4) discharge circuits (15; 21) are formed, which are each associated with a cell (4) and in each case a self-conducting Entladeschaltelement (16; 23) and a discharge load (17; 22) and d) the discharge consumer (17; 22) is implemented as an integral part of the self-conducting discharge switching element (16; 23). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Normalbetriebszustands alle Zellen (4) von den Entladeverbrauchern (17; 22) getrennt werden, indem alle selbstleitenden Entladeschaltelemente (16; 23) in ihren geöffneten Schalterzustand überführt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that at the beginning of the normal operating state all cells (4) are separated from the discharge consumers (17; 22) by all self-conducting Entladeschaltelemente (16; 23) are transferred to their open switch state. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überführung aller selbstleitenden Entladeschaltelemente (16; 23) in den geöffneten Schalterzustand gleichzeitig mittels eines einzigen gemeinsamen Steuersignals (SS) erfolgt.3. The method according to claim 2, characterized in that the transfer of all normally-off Entladeschaltelemente (16; 23) takes place in the open switch state at the same time by means of a single common control signal (SS). 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Entladeschaltelement ein selbstleitender Halbleiterschalter, insbesondere ein selbstleitender MOSFET (23), vorgesehen wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the discharge switching element is a normally-on semiconductor switch, in particular a self-conducting MOSFET (23), is provided. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeverbraucher (17; 22) und die selbstleitenden Entladeschaltelemente (16; 23) gemeinsam mit den Zellen (4) in einem Gehäuse (25) untergebracht werden.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the discharge load (17; 22) and the self-conducting Entladeschaltelemente (16; 23) are housed together with the cells (4) in a housing (25). 6. Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit (1; 20) mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen (4), umfassend a) die Brennstoffzelleneinheit (1; 20), b) Anschlüsse zur Versorgung der Zellen (4) während eines Normalbetriebszustands mit zumindest zwei Reaktionsgasen (2, 3), wobei in den Zellen (4) mittels chemischer Reaktion aus den Reaktionsgasen (2, 3) elektrische Energie erzeugbar ist, und c) mindestens einen Entladeverbraucher (17; 22) zur Abführung eines durch eine in den Zellen (4) nach Beendigung des Normalbetriebszustands befindliche Gasrestmenge der Reaktionsgase (2, 3) erzeugten elektrischen Stromes, dadurch gekennzeichnet, dass d) jeder Zelle (4) ein eigener Entladestromkreis mit einem eigenen selbstleitenden Entladeschaltelement (16; 23) und einem eigenen Entladeverbraucher (17; 22) zugeordnet ist, und jede Zelle (4) mittels des zugehörigen selbstleitenden Entladeschaltelements (16; 23) mit dem zugehörigen Entladeverbraucher (17; 22) verbindbar ist, so dass ein in der betreffenden Zelle (4) nach Beendigung des Normalbetriebszustands erzeugter elektrische Strom über den zugehörigen Entladeverbraucher (17; 22) abführbar ist, und e) der Entladeverbraucher (17; 22) ein integraler Teil des selbstleitenden Entladeschaltelements (16; 23) ist.Apparatus for operating a fuel cell unit (1; 20) having a plurality of cells (4) connected in series, comprising a) the fuel cell unit (1; 20), b) terminals for supplying the cells (4) during a normal operating state with at least two reaction gases (2, 3), wherein in the cells (4) by means of chemical reaction from the reaction gases (2, 3) electrical energy can be generated, and c) at least one discharge consumer (17; 22) for discharging one by one in the cells (4 ) after completion of the normal operating state residual amount of gas of the reaction gases (2, 3) generated electric current, characterized in that d) each cell (4) has its own discharge circuit with its own self-conducting Entladeschaltelement (16; 23) and its own discharge load (17; ), and each cell (4) can be connected to the associated discharge consumer (17; 22) by means of the associated self-conducting discharge switching element (16; an electrical current generated in the relevant cell (4) after termination of the normal operating state via the associated discharge consumer (17; 22), and e) the discharge consumer (17; 22) is an integral part of the self-conducting discharge switching element (16; 23). 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle selbstleitenden Entladeschaltelemente (16; 23) zur Veränderung ihres jeweiligen Schalterzustands an eine gemeinsame Steuereinheit (18) angeschlossen sind.7. Apparatus according to claim 6, characterized in that all the self-conducting Entladeschaltelemente (16; 23) are connected to change their respective switch state to a common control unit (18). 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle selbstleitenden Entladeschaltelemente (16; 23) gleichzeitig mittels eines einzigen gemeinsamen von der Steuereinheit (18) erzeugten Steuersignals (SS) in ihrem jeweiligen Schalterzustand veränderbar sind.8. The device according to claim 7, characterized in that all the self-conducting Entladeschaltelemente (16; 23) at the same time by means of a single common generated by the control unit (18) control signal (SS) are variable in their respective switch state. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladeschaltelement jeweils als selbstleitender Halbleiterschalter, insbesondere als selbstleitender MOSFET (23), ausgebildet ist.9. Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the discharge switching element is in each case designed as a self-conducting semiconductor switch, in particular as a self-conducting MOSFET (23). 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeverbraucher (17; 22) und die selbstleitenden Entladeschaltelemente (16; 23) gemeinsam mit den Zellen (4) in einem Gehäuse (25) untergebracht sind. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen10. Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the discharge load (17; 22) and the self-conducting Entladeschaltelemente (16; 23) are housed together with the cells (4) in a housing (25). For this 2 sheets of drawings
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