CN101836319A - 包括至少一个燃料电池的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池系统，该燃料电池系统包括与电连接导线(3，4)连接的燃料电池(2)。该燃料电池(2)在需要紧急切断的情况下可被短路。

Description

包括至少一个燃料电池的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及具有至少一个燃料电池的燃料电池系统，该燃料电池与电连接导线相连接。
背景技术
当在车辆中使用电池作为能量源时，已知通过打开机电式开关使系统与电源——即电池——在两极被切断或分离。这种电池的控制装置通常包括两个接触器，这两个接触器将电池与导向外部的触点分隔开。目前在燃料电池系统中也以相应的方式实现这种实施方式。这种实施方式的一个缺点是构件较复杂/昂贵，因为为了达到安全标准必须至少以双重方式实现致动装置。这种实施方式的另一个缺点是在分隔开后仍会出现高压，这会危及人员的安全。这种已知的具有接触器的实施方式的缺点是，当接触器暂时被施加电流强度较大的电流时，接触器的可靠性降低。另外，当切断直流电时，必须满足较高的要求。特别是，大量组件需要较大的安装空间，并且需要较多的组装费用。此外，驱控较复杂，由于部件数量大而重量较大。特别是，所有这些缺点还导致成本增加。
发明内容
本发明的目的是发明一种燃料电池系统，其中可以以降低的费用实现对工作状态的调节的安全性。这一目的由具有权利要求1所述的特征的燃料电池系统实现。
根据本发明的燃料电池系统包括至少一个燃料电池，该燃料电池与电连接导线相连接。所述燃料电池可以为进行所需的紧急切断而被短路。因此提出：可以有意地、进而以期望的方式产生短路。因此，正是在紧急切断时——例如在事故情况下这是必须的，可以以可靠、低费用的方式实现期望的操作状态。通过使燃料电池短路，可以避免危及人员的不允许的高压，因此不会出现由电源引起的(形式为电击/电震)危险。尤其是，由此可以降低驱控费用、组装费用、以及空间需求。另外，由于不再需要至少两个致动器，所以能减少构件(数量)、进而降低重量。
在本发明的范围内，术语“导线”不仅应理解为狭义的电导线，还应理解为例如汇流排、空心导体等。
燃料电池系统优选包括短路装置，该短路装置具有能烟火式触发的机械开关。
还可以提出短路装置具有能机电式触发的开关。
还可以提出：短路装置具有半导体开关，该半导体开关的电阻能以确定的方式被降低以使燃料电池短路。
还可以提出：短路装置具有火花隙、特别是气体放电保护装置(Gasableiter)。本领域的技术人员已知该气体放电保护装置的另一术语为气体放电泄电器/避雷器、火花隙或充气的放电间隙/火花间隙。气体放电保护装置可以设计成可被至少一个触发电极/点火电极触发的元件。该至少一个触发电极可以至少有时与一用于产生触发脉冲(电流或电压脉冲)的装置导电连接。
所述短路装置、特别是火花隙可设计用于多次产生短路，这可以使维修成本和维修费用最小化。
或者，所述短路装置可设计用于一次性地产生短路。
特别是，所述短路装置具有至少一个附加的开关元件，该附加的开关元件设计用于在与紧急切断不同的其它操作阶段中切断系统。这种不同于紧急切断的其它操作阶段例如在这种系统的维修或常规保养时出现。
这种附加的开关元件优选被配设给一变换器或变流器。代替变换器或变流器，也可考虑升压斩波器、降压斩波器或二者的组合。尤其是可以规定，附加的开关元件为一开关或优选为晶体管。
特别是，在燃料电池短路后至多60秒后、优选5秒后、特别优选3秒后，引向外部的连接导线上的电压低于60V、优选低于30V、特别优选几乎为0V。
还可以规定，所述系统包括多个燃料电池，即一所谓的燃料电池组，该燃料电池组可被导电元件短路，所述导电元件可桥接所有燃料电池以进行紧急切断，并且能电连接至连接导线。
需要紧急切断的状态可由专用的传感器系统识别出。当燃料电池系统设计成移动式系统并且布置在车辆内时，可例如检测车辆的事故。为此例如设置有加速度传感器，其中根据通过加速度传感器对事故状态的识别来确定一紧急切断并与之相关地使燃料电池可被短路。这仅是传感器系统的一个示例，通过该传感器系统可识别出针对紧急切断的具体状态。附加地或替代地还可提出，由气囊触发确定随后对燃料电池系统进行紧急切断。
通过在紧急切断时有意地、主动地触发燃料电池的短路，使向外作用的电压变成几乎为0V。留下的剩余电荷被转移至能量源、即燃料电池本身中，这尤其导致燃料电池被加热。通过这种方法可以在燃料电池工作时十分有效、却费用极低地实现对紧急切断的控制，从而能够使燃料电池放电。另外，由此还可以达到防止向外出现高压的安全标准。
另外，与具有至少两个致动器和复杂的驱控装置的常规实施方式相比，由此可实现明显地降低重量。
特别地，由于电压高于60V(根据标准的电压限值)的电源可能威胁生命安全，因而这种电源需满足较高的安全标准。
因此，对于可能出现上述高压的电池使用分离开关，而这种分离开关却由于可能的极高的直流电流而需要相应的高费用和高成本。另外，由于在能量源与车辆之间的单侧回路，而必须特别是在壳体上设置两极式分离装置。
附图说明
下面参照附图对本发明的实施方式进行更加详细的说明，其中：
图1示出根据本发明的燃料电池系统的第一实施方式；
图2示出根据本发明的燃料电池系统的第二实施方式；
图3示出根据本发明的燃料电池系统的第三实施方式；
图4示出根据本发明的燃料电池系统的第四实施方式。
具体实施方式
图中，同样的元件或者具有相同功能的元件具有相同的附图标记。
图1示意性地示出燃料电池系统1，图中仅示出足以理解本发明的燃料电池系统1的部件。
燃料电池系统1是移动式燃料电池系统，并且被布置在车辆内。在本实施例中，燃料电池系统1包括具有多个燃料电池的燃料电池组2，所述燃料电池优选为PEM燃料电池。
燃料电池组2与第一电接线3和第二电接线4接触。
在燃料电池组2外，第一电接线3具有电触点5，第二电接线4具有电触点6。
燃料电池系统1还包括具有开关8的短路装置7，该开关可通过控制元件(Stellelement)9致动。
图1示出短路装置7的打开状态。
为使燃料电池组2短路，在所需的紧急切断中通过控制元件9使开关8与电触点5和6电连接，由此产生短路。
在图1中，通过开关8和控制元件9实现一烟火式触发的机械开关。
还可以规定，开关8可形成为机电式触发的开关。在本实施方式中可规定，正常状态可由“断开”状态或者甚至也可以由“接通”状态限定。
作为烟火式触发的机械开关或机电式触发开关的替代，还可以设置半导体开关10，如图1中以示例性的方式在燃料电池系统1旁边附加示出的。该半导体开关10可被布置在短路装置7中以代替开关8和控制元件9。
可以有针对性地损坏半导体开关10以使燃料电池组2产生短路，从而使该燃料电池组从高电阻状态转变为低电阻状态。
还可考虑可反向切换的半导体开关，例如晶(体)闸(流)管。特别是当电流等于零时，这些开关甚至自动开启。
另外，还可考虑其中熔接有专用于此目的(短路)的合金开关，从而产生短路。
作为半导体开关、烟火式触发的机械开关和机电式触发的开关的替代，也可以设置用于使燃料电池组2发生短路的火花隙。
在燃料电池系统1旁边附加地示出一火花隙，特别是一气体放电保护装置18。该气体放电保护装置18可被布置在短路装置7中以代替开关8和开关元件9。气体放电保护装置18可具有至少一个触发电极(未详细示出)，该触发电极可至少有时与用于产生触发脉冲的装置(未示出)导电连接。
图2示出燃料电池系统1的另一个实施方式，其中，燃料电池组2可由导电元件11短路。为紧急切断该导电元件11可设置成，使导电元件11接触两条连接导线3和4并桥接各燃料电池。在该实施方式中，在紧急状态下，横向地在(整个)燃料电池组2上产生导电连接，从而使每个燃料电池都被短路并能放电。由此防止单个燃料电池的可能的破坏性的极性变换(Umpolen)。另外，还将高压短路问题转化为低于1V的电压短路。
在调节气体供给时能掌控燃料电池组2的剩余电荷，这在任何紧急的情况下都是需要的，并且不存在过热危险的可能。因此，燃料电池组2可被短路以满足端电压低于60V的条件。
根据图1说明的替代实施方案涉及可烟火式触发的机械开关8或半导体开关10，这些替代实施方案类似于一次性开关元件。这与图1示出的机电式触发的开关8或图2中示出的具有可由控制元件12致动的导电元件11的开关机构的实施方式不同。这些最后提到的实施方式被设计成可多次切换的元件，因此可以反复地被激活以产生短路。
在首先提到的可被称为一次性开关元件的实施方式中，还规定：在正常的停车时间中和维修操作时实施可靠的切断原则。这一点例如图3中的实施方式中示出。为此可以设置附加的开关元件14来代替常规的接触器，该附加的开关元件14被配设给变流器或变换器13。该变流器或变换器13还包括电感15和二极管16。附加的开关元件14可以是开关，或者例如也可以是晶体管。在图3示出的实施方式中，该附加的开关元件是一在变流器或者变换器13中已有的电子开关14。该电子开关无需根据事故的要求而进行改变，因此无需与附加部件相关的附加费用。
在此方面，图4示出另一实施方式，其中晶体管14’被配设给变流器或变换器13’。附加地设置另一开关17。在所示情况下，示出附加的开关14’，该开关是在无流时接通。其优点是，在无主动驱控的情况下实现电压消除(即，短路)。而整流器中通常使用的晶体管是无流时断开的晶体管。
附图标记列表
1       燃料电池系统
2       燃料电池组
3，4    电连接导线
5，6    电触点
7       短路装置
8       开关
9，12   控制元件
10      半导体开关
11      导体元件
13，13’变换器或变流器
14      开关元件
14’    晶体管
15      电感
16      二极管
17      开关
18      气体放电保护装置

Claims (12)

1.一种具有至少一个燃料电池(2)的燃料电池系统，所述燃料电池与电连接导线(3，4)连接，其特征在于，
所述燃料电池(2)能被短路以进行所需的紧急切断。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，设有用于使燃料电池(2)短路的短路装置(7)，所述短路装置具有能烟火式触发的机械开关(8)。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，设有用于使燃料电池(2)短路的短路装置(7)，所述短路装置具有能机电式触发的开关(8)。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，设有用于使燃料电池(2)短路的短路装置(7)，所述短路装置具有半导体开关(10)，所述半导体开关的电阻能被降低以使所述燃料电池(2)短路。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，设有用于使燃料电池(2)短路的短路装置(7)，所述短路装置具有一火花隙、特别是一气体放电保护装置。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述短路装置(7)设计用于一次性地产生短路。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述短路装置(7)具有一附加的开关元件(14，14’)，所述附加的开关元件(14，14’)设计用于在与紧急切断不同的其它操作阶段中切断系统。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述开关元件(14，14’)被配设给一变换器或变流器(13，13’)。
9.根据权利要求7或8所述的燃料电池系统，其特征在于，所述开关元件(4，14’)是晶体管。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，短路装置(7)设计用于多次可重复地产生短路。
11.根据上述权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
在燃料电池(2)短路后至多60秒后、优选5秒后、特别优选3秒后，引向外界的连接导线(3，4)上的电压低于60V、优选低于30V、特别优选接近0V。
12.根据上述权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述系统(1)包括多个燃料电池(2)，所述燃料电池能被一导电元件(11)短路，所述导电元件(11)能桥接所有燃料电池(2)以进行紧急切断，所述导电元件能与连接导线(3，4)电连接。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20100915