DE10059393A1 - Gleichstromversorgungseinrichtung und Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellenblocks - Google Patents

Abstract

Wird ein Brennstoffzellenblock (3, 23, 43) nach dem Betrieb von einem elektrischen Verbraucher (9, 29, 49) oder einem Gleichstromnetz (7, 27, 47) getrennt, so besteht das Problem, dass noch Reste der Betriebsgase im Brennstoffzellenblock vorhanden sind. Diese Betriebsgase müssen aus dem Brennstoffzellenblock (3, 23, 43) entfernt werden. Zur Lösung dieses Problems schlägt die Erfindung vor, dem Brennstoffzellenblock (3, 23, 43) einen elektrischen Widerstand (11, 31, 51) parallel zuzuschalten. Beim Abschalten des Brennstoffzellenblocks (3, 23, 43) wird ein Stromfluss aus dem Brennstoffzellenblock (3, 23, 43) durch den elektrischen Widerstand (11, 31, 51) aufrechterhalten, wodurch die restlichen Betriebsgase im Brennstoffzellenblock (3, 23, 43) vollständig verbraucht werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichstromversorgungseinrichtung mit einem Brennstoffzellenblock und einer Schutzeinrichtung sowie ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellen­ blocks.

Ein Brennstoffzellenblock umfasst eine Vielzahl von Brenn­ stoffzellen sowie Einrichtungen zur Versorgung und Überwa­ chung der Brennstoffzellen. Die Brennstoffzellen können röh­ renförmig oder als Platten ausgestaltet sein. In einer Brenn­ stoffzelle wird durch die Zusammenführung von Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) in einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie und Wärme erzeugt, wobei sich der Wasser­ stoff und der Sauerstoff zu Wasser (H₂O) verbinden. Hierfür werden der Brennstoffzelle Betriebsgase zugeführt, die bei­ spielsweise ein wasserstoffhaltiges Brenngas und Luft sein können oder Wasserstoff und Sauerstoff in ihrer reinen Form. Die Art dieser Betriebsgase, die der Brennstoffzelle zuge­ führt werden, hängt wesentlich von der Betriebsumgebung ab, in der sie betrieben werden. Werden sie beispielsweise in ei­ nem hermetisch verschlossenen Raum betrieben, so ist darauf zu achten, dass sie eine möglichst geringe Menge an Abgasen erzeugen. In einem solchen Fall werden die Brennstoffzellen daher mit reinem Sauerstoff und reinem Wasserstoff betrieben. Als Betriebsgase werden der Brennstoffzelle also reiner Was­ serstoff und reiner Sauerstoff zugeführt, mit dem Ziel, dass diese Betriebsgase während des Betriebs des Blocks im wesent­ lichen rückstandsfrei zu Wasser reagieren und die Brennstoff­ zellen somit so gut wie keine Abgase erzeugen.

Die Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenblocks sind elekt­ risch in Reihe geschaltet und erzeugen während des Betriebs Gleichstrom. Ein Brennstoffzellenblock ist somit wesentlicher Bestandteil einer Gleichstromversorgungseinrichtung, deren Strom beispielsweise in ein Gleichstromnetz eingespeist wird, oder die ein Antriebsaggregat oder einen Akkumulator mit Gleichstrom versorgt. Genauso gut kann die Gleichstromversor­ gungseinrichtung auch mit einem Stromsteller verbunden sein, der den Gleichstrom aus der Stromversorgungseinrichtung in gewünschter Art und Weise transformiert.

Zum Abschalten des Brennstoffzellenblocks nach einem regulä­ ren Betrieb wird die Betriebsgaszufuhr zu dem Brennstoffzel­ lenblock unterbrochen. Ohne weitere Verfahrensschritte zum Abschalten des Brennstoffzellenblocks würde er in diesem Zu­ stand ruhen, bis wieder Leistung angefordert und somit die Betriebsgaszufuhr wieder geöffnet wird. In einem solchen Ru­ hezustand verbleiben jedoch noch Reste der Betriebsgase in den Gasräumen der Brennstoffzellen des Brennstoffzellen­ blocks. Diese Reste werden im Folgenden als Restgase bezeich­ net. Die Restgase in den Brennstoffzellen diffundieren sehr langsam durch die Elektroden-Elektrolyt-Einheit der Brenn­ stoffzellen hindurch und reagieren an den Elektroden der Brennstoffzellen unter Wärmeerzeugung zu Wasser.

Da keine stöchiometrische Verteilung der Restgasmengen in den abgeschalteten Brennstoffzellen vorliegt und da die Betriebs­ gasräume von Sauerstoff und Wasserstoff in den Brennstoffzel­ len üblicherweise in etwa gleich groß sind, bleibt Sauerstoff in den Brennstoffzellen zurück und ist schießlich in beiden Gasräumen der Brennstoffzellen mit gleichem Druck vorhanden. Ein solcher Ruhezustand mit verbliebenem Sauerstoff ist zu vermeiden, da Sauerstoff zu einer ungewünschten Alterung der Brennstoffzellen beiträgt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Gleich­ stromversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art und ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellenblocks an­ zugeben, mit dem die Gasräume der Brennstoffzellen innerhalb einer kurzen Zeit nach einer Unterbrechung der Betriebsgaszufuhr zu den Brennstoffzellen von Sauerstoff und Wasserstoff befreit werden können.

Die auf die Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird durch eine Gleichstromversorgungseinrichtung mit einem Brennstoffzellen­ block gelöst, das eine Schutzeinrichtung aufweist, die erfin­ dungsgemäß einen dem Brennstoffzellenblock parallel zuschalt­ baren elektrischen Widerstand umfasst. Die Schutzeinrichtung kann hierbei außerhalb des Brennstoffzellenblocks oder in den Block integriert oder teilweise innerhalb und außerhalb des Brennstoffzellenblocks angeordnet sein.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Restgase aus den Gasräumen der Brennstoffzellen durch eine Evakuierung der Gasräume effektiv entfernt werden. Bei einem in einem hermetisch abgeschlossenen Raum betriebenen Brennstoffzellen­ block, beispielsweise bei einem in einem Unterseeboot betrie­ benen Brennstoffzellenblock besteht hierbei allerdings das Problem, dass die Restgase entweder in die Umgebung des Blocks abgegeben werden oder gespeichert, insbesondere komp­ rimiert werden müssen. Die Speicherung und Komprimierung der Restgase ist jedoch aufwendig und das Abgeben der Restgase an die Umgebung des Brennstoffzellenblocks ist insbesondere in Unterseebooten nicht zulässig. Außerdem erfordert das Evaku­ ieren der Gasräume der Brennstoffzellen zusätzlichen appara­ tiven Aufwand.

Die Erfindung geht daher in einem zweiten Schritt von der Ü­ berlegung aus, dass eine Evakuierung der Gasräume der Brenn­ stoffzellen erreicht werden kann, wenn als Betriebsgase rei­ ner Sauerstoff (O₂) und reiner Wasserstoff (H₂) verwendet wird und diese Betriebsgase nach einer Unterbrechung der Be­ triebsgaszufuhr zu den Brenstoffzellen in der elektrochemi­ schen Reaktion vollständig zu Wasser (H₂O) umgesetzt werden. Dies ist jedoch nur möglich, wenn der dabei entstehende e­ lektrische Strom aus den Brennstoffzellen abgeführt wird. Wird jedoch von der Gleichstromversorgungseinrichtung kein elektrischer Strom mehr angefordert, beispielsweise weil der Stromkreis der Gleichstromversorgungseinrichtung mit einer elektrischen Last unterbrochen ist, kann die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen nur aufrechterhalten werden, wenn der dabei entstehende elektrische Strom in einem zusätz­ lichen Stromkreis verbraucht wird. Die Erfindung geht nunmehr von der weiteren Überlegung aus, dass mit einem dem Brenn­ stoffzellenblock parallel zugeschalteten elektrischen Wider­ stand ein solcher Stromkreis eingerichtet ist und der Strom aus der Restgasreaktion aus den Brennstoffzellen am elektri­ schen Widerstand in Wärme umgewandelt und somit verbraucht wird. Im Folgenden wird ein dem Brennstoffzellenblock paral­ lel zugeschalteter Widerstand auch als Entladewiderstand und der Verbrauch der Restgase auch als Entladung bezeichnet.

Die Erfindung weist außerdem den Vorteil auf, dass durch die Zuschaltung eines solchen Entladewiderstandes der Strom aus der Restgasreaktion solange weiterfließen kann, bis die Rest­ gase vollständig verbraucht sind. Dies liegt daran, dass ein ohmscher Widerstand auch bei sinkender Brennstoffzellenspan­ nung bis hin zu kleinsten Zellespannungen Strom führt. Dies wäre bei einem Verbrauch der Restgase durch eine Nutzlast, beispielsweise einen Motor, einen Akkumulator oder einen Stromsteller nicht möglich, da eine solche Nutzlast beim Un­ terschreiten der Spannung unter einen Grenzwert den Strom un­ terbricht. Es würde somit noch eine gewisse Menge Restgas in den Brennstoffzellen verbleiben.

Ein wie oben beschriebener dem Brennstoffzellenblock parallel zuschaltbarer elektrischer Widerstand weist außerdem den Vor­ teil auf, dass er sehr preiswert und mit einem äußerst gerin­ gen Aufwand in eine - eventuell noch andere Schutzkomponenten umfassende - Schutzeinrichtung der Gleichstromversorgungsein­ richtung integriert werden kann. Die Zuschaltung des Entlade­ widerstands geschieht beispielsweise durch einen einfachen Schalter, der in dem Brennstoffzellenblock und den Entladewi­ derstand umfassenden elektrischen Stromkreis angeordnet ist.

Auch bei einem Betrieb der Brennstoffzellen mit einem nur wasserstoffhaltigen Brenngas und Luft als Betriebsgase ist die Erfindung effektiv. Mit Hilfe des Entladewiderstands kön­ nen zwar die Restgase nicht vollständig verbraucht werden. Der in ihnen enthaltene Wasserstoff bzw. Sauerstoff wird je­ doch vollständig verbraucht. Hierdurch wird der Korrosion der Brennstoffzellen im Ruhezustand durch Wasserstoff oder Sauer­ stoff entgegengewirkt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Schutzeinrichtung der Gleichstromversorgungseinrichtung einen ersten von einer Steuereinrichtung steuerbaren Schal­ ter, durch den der elektrische Widerstand dem Brennstoffzel­ lenblock parallel zuschaltbar ist. Während des normalen Be­ triebs der Gleichstromversorgungseinrichtung ist der elektri­ sche Entladewiderstand dem Brennstoffzellenblock nicht paral­ lel zugeschaltet, da der von dem Brennstoffzellenblock er­ zeugte elektrische Strom ansonsten durch den den Brennstoff­ zellenblock und den Entladewiderstand umfassenden Stromkreis fließen würde. Wird kein Strom mehr von der Gleichstromver­ sorgungseinrichtung angefordert und ist die Zufuhr der Be­ triebsgase zum Brennstoffzellenblock geschlossen, so führt das Schließen des Schalters zum Verbrauch von Restgasen im Brennstoffzellenblock. Die Steuerung dieses ersten Schalters wird von der Steuereinrichtung übernommen, wodurch die Steue­ rung des ersten Schalters in einfache Weise an weitere Ver­ fahrensschritte zum Abschalten des Brennstoffzellenblocks ge­ koppelt werden kann. Vorteilhafterweise ist die Steuerein­ richtung auch dazu vorgesehen, das Unterbrechen der Betriebs­ gaszufuhr zum Brennstoffzellenblock zu steuern. Hierdurch werden zwei in direktem Zusammenhang stehende Verfahrens­ schritte zum Abschalten des Brennstoffzellenblocks von ledig­ lich einer Steuereinrichtung gesteuert.

Mit Vorteil weist die Schutzeinrichtung einen zweiten von der Steuereinrichtung steuerbaren Schalter auf, mit dem ein die Gleichstromversorgungseinrichtung und einen elektrischen Verbraucher umfassender Stromkreis schließbar ist. Während des Betriebs der Gleichstromversorgungseinrichtung steht die Gleichstromversorgungseinrichtung in einem geschlossen Strom­ kreis mit einem Verbraucher, der beispielsweise ein Antriebs­ aggregat, ein Akkumulator oder auch ein Stromrichter sein kann. Die Gleichstromversorgungseinrichtung kann gegebenen­ falls auch mit einem Gleichstromnetz verbunden sein, an das Verbraucher angeschlossen sind. Der Einfachheit halber wird ein solches Gleichstromnetz im Folgenden auch als "elektri­ scher Verbraucher" bezeichnet. Im Falle eines Abschaltens des Brennstoffzellenblocks ist es sinnvoll, die Gleichstromver­ sorgungseinrichtung von dem Verbraucher zu trennen. Dies kann dadurch geschehen, dass der elektrische Stromkreis, in der die Gleichstromversorgungseinrichtung und der elektrische Verbraucher angeordnet sind, unterbrochen wird oder aber auch dadurch, dass die Gleichstromversorgungseinrichtung vollstän­ dig vom Verbraucher elektrisch getrennt wird. Mit einer sol­ chen Trennung oder Unterbrechung des Stromkreises kann eine Entfernung der Restgase aus dem Brennstoffzellenblock sinn­ voll werden. Daher ist es von Vorteil, wenn das Trennen oder Unterbrechen des Stromkreises und das Zuschalten des Entlade­ widerstandes zum Brennstoffzellenblock von einer einzigen Steuereinheit gesteuert und zweckmäßigerweise auch überwacht wird.

In einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Gleichstromversorgungseinrichtung mehrere parallel ge­ schaltete Brennstoffzellenblöcke auf, wobei der elektrische Widerstand allen Brennstoffzellenblöcken parallel zuschaltbar ist. Es genügt somit ein einziger elektrischer Widerstand um die Entladung aller parallel geschalteten Brennstoffzellen­ blöcke zu gewährleisten.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Gleichstromversorgungseinrichtung mehrere seriell ge­ schaltete Brennstoffzellenblöcke, wobei der elektrische Widerstand allen Brennstoffzellenblöcken parallel zuschaltbar ist. Durch ein in Serie Schalten mehrerer Brennstoffzellen­ blöcke wird die Spannung der einzelnen Blöcke addiert. Hier­ durch kann einem Verbraucher Strom mit einer hohen Spannung zur Verfügung gestellt werden. Es ist hierbei nicht notwen­ dig, jedem einzelnen Brennstoffzellenblock einen diesem Brennstoffzellenblock zugeordneten Entladewiderstand parallel zu schalten. Es ist ausreichend und kostensparend, der Serie der Brennstoffzellenblöcke einen einzigen Entladewiderstand in der Weise parallel zu schalten, dass der Entladewiderstand jedem einzelnen der Brennstoffzellenblöcke parallel geschal­ tet ist.

Zweckmäßigerweise ist jedem der Brennstoffzellenblöcke eine Leistungsdiode parallel geschaltet. Bei einem Abschalten der Gleichstromversorgungseinrichtung und einem damit eingeleite­ ten Verbrauch der in den Brennstoffzellenblöcken verbliebenen Restgase kann es vorkommen, dass in einem der Brennstoffzel­ lenblöcke die Restgase bereits verbraucht sind, während in anderen Brennstoffzellenblöcken weiterhin Restgase vorhanden sind. Ein Brennstoffzellenblock, in dem keine Betriebsgase (oder Restgase) vorhanden sind, weist einen erhöhten elektri­ schen Widerstand auf. Bei in Serie geschalteten Brennstoff­ zellenblöcken behindert ein solcher Block den Stromfluss von den noch nicht vollständig von den Restgasen befreiten Brenn­ stoffzellenblöcken zum Entladewiderstand und behindert somit den Verbrauch der Restgase in diesen Blöcken. Außerdem ist ein entladener Brennstoffzellenblock unter noch nicht entla­ denen ein Stromverbraucher. Eine solche Konstellation muss vermieden werden. Bei einer Schaltung einer Leistungsdiode, die dazu ausgelegt ist, den maximalen Strom aus den noch nicht entladenen Brennstoffzellenblöcken durchzuleiten, pa­ rallel zum bereits entleerten Brennstoffzellenblock, wird der Entladestrom aus den noch nicht entleerten Brennstoffzellen­ blöcken um den entleerten und hochohmigen Brennstoffzellen­ block herumgeleitet. Während des regulären Betriebs der Gleichstromversorgungseinrichtung wird durch die Parellelschaltung einer Leistungsdiode zu jedem Brennstoffzellenblock erreicht, dass bei Ausfall eines Brennstoffzellenblocks der Strom aus den anderen Brennstoffzellenblöcken um diesen de­ fekten Brennstoffzellenblock herumgeleitet wird. Hierdurch wird verhindert, dass bei Ausfall eines Brennstoffzellen­ blocks der Betrieb der gesamten Gleichstromversorgungsein­ richtung zusammenbricht. Die Gleichstromversorgungseinrich­ tung verliert lediglich die Leistung des ausgefallenen Brenn­ stoffzellenblocks.

Ein weiterer Vorteil wird dadurch erreicht, dass die Schutz­ einrichtung eine dem Brennstoffzellenblock seriell angeordne­ te Leistungsdiode umfasst. Bei einer Gleichstromversorgungs­ einrichtung, die an ein Gleichstromnetz angeschlossen ist, kann es vorkommen, dass die Spannung des Gleichspannungsnet­ zes die von der Gleichstromversorgungseinrichtung aufgebaute Spannung übersteigt. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn eins oder mehrere der Brennstoffzellenblöcke der Gleich­ stromversorgungseinrichtung ausgefallen oder abgeschaltet sind. Eine zu dem Brennstoffzellenblock oder zu den Brenn­ stoffzellenblöcken seriell angeordnete Leistungsdiode verhin­ dert, dass der Strom aus dem Gleichstromnetz in unerwünschte Richtung durch den Brennstoffzellenblock hindurchgetrieben wird. Ein von Restgasen befreiter Brennstoffzellenblock weist jedoch einen Widerstand auf, der im Bereich des Sperrwider­ stands der seriell angeordneten Leistungsdiode oder aber auch darüber liegt. Hierdurch würde die Spannung aus dem Gleich­ stromnetz über den Sperrwiderstand der Leistungsdiode auch an den Brennstoffzellenblock gelegt und würde einen geringen Strom durch die in Sperrrichtung gepolte Leistungsdiode durch den Brennstoffzellenblock treiben. Durch die Parallelschal­ tung eines Entladewiderstandes zum Brennstoffzellenblock wird dieser Diodensperrstrom an dem Brennstoffzellenblock vorbei­ geleitet. Die maximale mögliche Spannung an dem Brennstoff­ zellenblock wird dabei nahezu auf Null gehalten, da der Wi­ derstandswert des Entladewiderstandes klein gegenüber dem Sperrwiderstand der Leistungsdiode ist.

Zweckmäßigerweise weist der elektrische Widerstand einen Wi­ derstandswert zwischen 1 Ohm und 85 Ohm auf. Es hat sich in Versuchen gezeigt, dass ein solcher Widerstandswert sowohl beim Entladen der Restgase aus dem Brennstoffzellenblock als auch zum Verhindern eines unerwünschten Stromflusses in Sperrrichtung der Leistungsdiode durch den Brennstoffzellen­ block günstig ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der elektrische Widerstand einen variabel einstellbaren und von der Steuereinrichtung steuerbaren Widerstandswert auf. Bei einem solchen Widerstand kann beispielsweise der Strom durch den Widerstand im Verlaufe des Entladungsvorgangs des Brenn­ stoffzellenblocks und somit die Wärmeentwicklung im Wider­ stand konstant gehalten werden. Außerdem kann durch einen va­ riablen Widerstand der Widerstandswert an die jeweiligen Be­ dürfnisse - beispielsweise das Entladen des Brennstoffzellen­ blocks oder das weitgehende Verhindern eines in Sperrrichtung der seriellen Leistungsdiode fließenden Stromes durch den Brennstoffzellenblock - angepasst werden.

Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird durch ein Ver­ fahren zum Abschalten eines Brennstoffzellenblocks gelöst, bei dem erfindungsgemäß ein elektrischer Widerstand dem Brennstoffzellenblock parallel geschaltet und die Zufuhr ei­ nes ersten Betriebsgases zum Brennstoffzellenblock unterbro­ chen wird und bei dem die Zufuhr eines zweiten Betriebsgases in Abhängigkeit vom Partialdruck des ersten Betriebsgases im Brennstoffzellenblock unterbrochen wird. Wie oben beschrieben wird durch das Zuschalten eines elektrischen Widerstands pa­ rallel zum Brennstoffzellenblock die elektrochemische Reakti­ on im Brennstoffzellenblock aufrecht erhalten, wodurch Be­ triebsgase in den Gasräumen des Brennstoffzellenblocks ver­ braucht werden. Für ein vollständiges Entfernen der Betriebs­ gase aus den Gasräumen ist es notwendig, dass als Betriebsga­ se reiner Sauerstoff und reiner Wasserstoff verwendet wird und diese Gase vollständig miteinander reagieren. Da jedoch Wasserstoff und Sauerstoff nicht im stöchiometrischen Ver­ hältnis - also im Verhältnis 2 : 1 - in den Gasräumen der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenmdouls vorliegen, wird zum Abschalten des Brennstoffzellenblocks zuerst die Zufuhr eines ersten Betriebsgases unterbrochen, beispielsweise die Zufuhr von Sauerstoff, wohingegen die Zufuhr von Wasserstoff aufrecht erhalten bleibt. Durch die Entladung des Brennstoff­ zellenblocks über den Entladewiderstand sinkt der Sauerstoff­ druck (sollte nicht reiner Sauerstoff als erstes Betriebsgas verwendet wird, so sinkt nur der Sauerstoffpartialdruck) wo­ hingegen der Druck des Wasserstoffs in den Anodengasräumen des Brennstoffzellenblocks konstant bleibt. Bei einem vorge­ gebenen Wert des Sauerstoffdrucks (bzw. Drucks des sauer­ stoffhaltigen Betriebsgases, der über einen festgelegten funktionalen Zusammenhang mit dem Sauerstoffpartialdruck zu­ sammenhängt) wird die Zufuhr von Wasserstoff zum Brennstoff­ zellenblock unterbrochen. Der Wert des Sauerstoffdrucks (bzw. des ersten Betriebsgases) ist hierbei zweckmäßgerweise so ge­ wählt, dass zum Zeitpunkt des Abschaltens der Wasserstoffzu­ fuhr Wasserstoff und Sauerstoff im stöchiometrischen Verhält­ nis im Brennstoffzellenblock vorliegen. Durch die Aufrechter­ haltung des Entladestroms reagieren somit der im Brennstoff­ zellenblock verbliebene Sauerstoff mit dem Wasserstoff voll­ ständig zu Wasser.

Zweckmäßigerweise wird ein den Brennstoffzellenblock und ei­ nen elektrischen Verbraucher umfassender Stromkreis unterbro­ chen. Dies geschieht zweckmäßigerweise bevor der elektrische Widerstand dem Brennstoffzellenblock parallel geschaltet wird. Hierdurch wird der Brennstoffzellenblock von der im e­ lektrischen Verbraucher herrschenden Spannung getrennt und kann somit unabhängig vom Zustand des elektrischen Verbrau­ chers abgeschaltet werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden die Gas­ räume des Brennstoffzellenblocks nach dem Unterbrechen der Zufuhr des zweiten Betriebsgases mit einem Inertgas befüllt. Hierdurch wird verhindert, dass in die evakuierten Betriebs­ gasräume unerwünschte Gase beispielsweise aus oder durch Dichtungsmaterialien des Brennstoffzellenblocks hineinströ­ men. Als Inertgas kann beispielsweise Stickstoff oder auch Argon verwendet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von drei Fi­ guren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Gleichstromversorgungseinrichtung mit einem Brenn­ stoffzellenblock und einem Entladewiderstand;

Fig. 2 eine Gleichstromversorgungseinrichtung mit mehreren in Serie geschalteten Brennstoffzellenblöcken;

Fig. 3 eine Gleichstromversorgungseinrichtung mit mehreren pa­ rallel geschalteten Brennstoffzellenblöcken.

Fig. 1 zeigt eine Gleichstromversorgungseinrichtung 1 mit einem Brennstoffzellenblock 3 und einer Schutzeinrichtung 5. Der Brennstoffzellenblock ist dafür vorgesehen, mit reinem Sauerstoff und reinem Wasserstoff als Betriebsgase betrieben zu werden. Die Gleichstromversorgungseinrichtung 1 ist an ein Gleichstromnetz 7 angeschlossen, das unter anderem einem e­ lektrischen Verbraucher 9 aufweist. Der elektrische Verbrau­ cher 9 ist beispielsweise ein Elektormotor oder auch ein Stromsteller 9a oder ein Akkumulator 9b. Die Schutzeinrich­ tung 5 weist einen elektrischen Widerstand 11 auf, der mit einem Schalter 13 dem Brennstoffzellenblock 3 parallel zu­ schaltbar ist. Außerdem weist die Schutzeinrichtung 5 einen zweiten Schalter 15 auf, durch den der Brennstoffzellenblock 3 vom Gleichstromnetz 7 und dem Verbraucher 9 elektrisch trennbar ist. Sowohl der erste Schalter 13 wie auch der zwei­ te Schalter 15 sind von einer nicht in der Figur dargestell­ ten Steuereinrichtung steuerbar. Desweiteren umfasst die Schutzeinrichtung 5 eine dem Brennstoffzellenblock seriell angeordnete Leistungsdiode 17. In dem Fall, dass die im Gleichstromnetz 7 anliegende Spannung größer ist, als die vom Brennstoffzellenblock 3 erzeugte Spannung, verhindert der Sperrwiderstand der Leistungsdiode 17 weitgehend einen Strom­ fluss durch den Brennstoffzellenblock 3.

Während des regulären Betriebs der Gleichstromversorgungsein­ richtung 1 ist der Schalter 15 geschlossen, so dass die Gleichstromversorgungseinrichtung 1 mit dem Gleichstromnetz 7 verbunden ist. Außerdem ist der erste Schalter 13 geöffnet, so dass der im Brennstoffzellenblock 3 erzeugte elektrische Strom nicht durch den elektrischen Widerstand 11 fließen kann. In dem Fall, dass von der Gleichstromversorgungsein­ richtung 1 kein Strom mehr angefordert wird, wird von der in Figur nicht näher dargestellten Steuereinrichtung ein Steuer­ puls an den zweiten Schalter 15 gegeben, der daraufhin öffnet und den Brennstoffzellenblock 3 vom Gleichstromnetz 7 trennt. Außerdem wird von der Steuereinrichtung ein Steuerpuls an den ersten Schalter 13 gegeben, der daraufhin schließt und den elektrischen Widerstand 11 somit dem Brennstoffzellenblock 3 parallel zuschaltet. Desweiteren wird von der Steuereinrich­ tung veranlasst, dass die Zufuhr des kathodenseitigen Be­ triebsgases, also die Zufuhr von Sauerstoff, zum Brennstoff­ zellenblock 3 unterbrochen wird. Im Brennstoffzellenblock 3 reagieren nun Wasserstoff und Sauerstoff weiterhin in einem elektrochemischen Prozess, wobei der durch diesen Prozess er­ zeugte elektrische Strom durch den Entladewiderstand 11 ge­ trieben wird, der ein Großteil der elektrischen Energie in Wärme umwandelt.

Der Entladewiderstand 11 weist einen variabel einstellbaren Widerstandswert auf, wobei die Größe dieses Wertes von der Steuereinrichtung gesteuert wird. Während der elektrochemi­ sche Prozess im Brennstoffzellenblock 3 aufrechterhalten bleibt, sinkt der Sauerstoffdruck im Brennstoffzellenblock 3. Bei Unterschreiten des Sauerstoffdrucks unter einen vorgege­ benen Wert wird von der Steuereinrichtung das Schließen der Zufuhr des anodenseitigen Betriebsgases zum Brennstoffzellen­ block veranlasst. Im weiteren Verlauf des Abschaltens des Brennstoffzellenblocks reagieren die im Brennstoffzellenblock 3 verbleibenden Restgase vollständig, so dass nach einer Wei­ le so gut wie kein Wasserstoff und so gut wie kein Sauerstoff mehr im Brennstoffzellenblock 3 vorhanden ist. Der Wasser­ stoffpartialdruck und der Sauerstoffpartialdruck werden von einer Steuereinrichtung überwacht und bei Unterschreiten der Partialdrücke unter einen jeweils vorgegebenen Wert wird von einer Steuereinrichtung die Zufuhr eines Inertgases zum Brennstoffzellenblock 3 geöffnet, als Inertgas wird Stick­ stoff verwendet. Die Gasräume des Brennstoffzellenblocks 3 füllen sich somit mit Stickstoff bis zu einem vorgegebenen Druck. In diesem Zustand ruht der Brennstoffzellenblock 3.

Während des regulären Betriebs der Gleichstromversorgungsein­ richtung 1 wird der Stromfluss vom Brennstoffzellenblock 3 zum Gleichstromnetz 7 durch die Leistungsdiode 17 nicht ge­ hemmt. Unterschreitet jedoch die vom Brennstoffzellenblock 3 erzeugte Spannung den Spannungswert des Gleichstromnetzes 7, so sorgt der Sperrwiderstand der Leistungsdiode 17 dafür, dass kein signifikanter Strom in gegenläufiger Richtung durch den Brennstoffzellenblock 3 hindurch getrieben wird. Bei ei­ nem vollständigen Ausfall des Brennstoffzellenblocks 3 jedoch weist der Brennstoffzellenblock 3 einen sehr hohen elektri­ schen Widerstand auf. Dieser Widerstand kann über dem Sperr­ widerstand der Leistungsdiode 17 liegen. Hierdurch würde sich auch eine durch das Gleichstromnetz 7 erzeugte Spannung am Brennstoffzellenblock 3 aufbauen und einen signifikanten Strom durch den Brennstoffzellenblock 3 hindurchtreiben. In einem solchen Fall wird der erste Schalter 13 von der Steuer­ einrichtung geschlossen, so dass der durch die Leistungsdiode 17 in Sperrrichtung hindurchfließende elektrische Strom durch den elektrischen Widerstand 11 durchgeführt wird. Die am Brennstoffzellenblock 3 anliegende Spannung U_M wird durch den Entladewiderstand 11 somit reduziert auf

mit
U_DC: Spannung des Gleichstromnetzes 7
R_E: Widerstandswert des Entladewiderstands 11
R_R: Widerstand der Leistungsdiode 17 in Sperrrichtung.

Da der Entladewiderstand 11 einen Widerstandswert R_E auf­ weist, der wesentlich geringer ist als der Widerstand R_R der Diode 17 in Sperrrichtung, ist die am Brennstoffzellenblock 3 anliegende Spannung U_M gering.

In Fig. 2 ist eine Gleichstromversorgungseinrichtung 21 dar­ gestellt, die mehrere Brennstoffzellenblöcke 23 umfasst, von denen jedoch lediglich zwei dargestellt sind. Außerdem um­ fasst die Gleichstromversorgungseinrichtung 21 eine Schutz­ einrichtung 25. Die Gleichstromversorgungseinrichtung 21 ist an ein Gleichstromnetz 27 angeschlossen, das einen elektri­ schen Verbraucher 29 aufweist. Die Schutzeinrichtung 25 um­ fasst einen elektrischen Widerstand 31, der allen Brennstoff­ zellenblöcken 23 mit Hilfe eines ersten Schalters 33 parallel zuschaltbar ist. Der elektrische Widerstand 31 weist einen Widerstandswert von 8 Ohm auf. Desweiteren weist die Schutz­ einrichtung 25 einen zweiten Schalter 35 auf, durch den die Brennstoffzellenblöcke 23 vom Gleichstromnetz 27 trennbar sind. Mit Hilfe des elektrischen Widerstands 31 wird er­ reicht, dass mit einem wie oben beschriebenen Verfahren die Brennstoffzellenblöcke 23 in der Weise abgeschaltet werden können, dass der Sauerstoff und der Wasserstoff der in den Brennstoffzellenblöcken 23 befindlichen Restgase vollständig aufgebraucht werden, so dass sich in einem Ruhezustand der Brennstoffzellenblöcke 23 so gut wie kein Sauerstoff und Was­ serstoff mehr in den Blöcken 23 befindet.

Jedem der Brennstoffzellenblöcke 23 ist eine Leistungsdiode 39 parallel geschaltet. Sollte einer der Brennstoffzellenblö­ cke 23 während des Abschaltvorgangs - oder auch während des regulären Betriebs - spannungslos werden, wohingegen die an­ deren Brennstoffzellenblöcke 23 einen elektrischen Strom er­ zeugen, so wird durch die dem spannungslosen Brennstoffzel­ lenblock 23 parallel geschaltete Leistungsdiode 39 erreicht, dass der in den übrigen Brennstoffzellenblöcken 23 erzeugte Strom weiterhin dem elektrischen Widerstand 31 bzw. dem Gleichstromnetz 27 zugeführt wird. Der elektrische Widerstand 31 sorgt in Verbindung mit der Leistungsdiode 37 außerdem da­ für, dass beim Abschalten eines Blocks (oder auch im regulä­ ren Betrieb) nicht mehr als nur unerheblicher Strom aus dem Gleichstromnetz 27 in unerwünschter Richtung durch die Brenn­ stoffzellenblöcke 23 hindurchgetrieben wird.

Fig. 3 zeigt eine Gleichstromversorgungseinrichtung 41, die eine Anzahl von Brennstoffzellenblöcken 43 umfasst, von denen lediglich zwei gezeigt sind. Die Gleichstromversorgungsein­ richtung 41 ist an ein Gleichstromnetz 47 angeschlossen, das einen elektrischen Verbraucher 49 aufweist. Die Gleichstrom­ versorgungseinrichtung umfasst einen elektrischen Widerstand 51, der mit Hilfe eines ersten Schalters 53 den Brennstoff­ zellenblöcken 43 parallel zuschaltbar ist. Mit Hilfe eines zweiten Schalters 55 ist die Gleichstromversorgungseinrich­ tung 41 von dem Gleichstromnetz 47 trennbar.

Die Brennstoffzellenblöcke 43 sind parallel geschaltet, wobei zu jedem der Brennstoffzellenblöcke 43 eine Leistungsdiode 57 seriell angeordnet ist. Mit Hilfe des elektrischen Wider­ stands 51 im Zusammenhang mit dem ersten Schalter 53 wird er­ reicht, dass bei einem Abschalten der Brennstoffzellenblöcke 43 der in den Blöcken 43 verbleibende Rest an Sauerstoff und Wasserstoff vollständig verbraucht werden kann. Die Leis­ tungsdioden 57 sorgen in Verbindung mit dem Widerstand 51 da­ für, dass bei einem Ausfall eines der Brennstoffzellenblöcke 43 kein Strom in unerwünschter Richtung durch diesen ausge­ fallenen Block 43 hindurchgetrieben wird.

Claims (12)

1. Gleichstromversorgungseinrichtung (1, 21, 41) mit einem Brennstoffzellenblock (3, 23, 43) und einer Schutzeinrichtung (5, 25), dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (5, 25) einen dem Brennstoffzel­ lenblock (3, 23, 43) parallel zuschaltbaren elektrischen Wi­ derstand (11, 31, 51) umfasst.

2. Gleichstromversorgungseinrichtung (3, 23, 43) nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (5, 25) einen ersten von einer Steuereinrichtung steuerbaren Schalter (13, 33, 53) umfasst, durch den der elektrische Widerstand (11, 31, 51) dem Brenn­ stoffzellenblock (3, 23, 43) parallel zuschaltbar ist.

3. Gleichstromversorgungseinrichtung (1, 21) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (5, 25) einen zweiten von der Steuerein­ richtung steuerbaren Schalter (15, 35) aufweist, mit dem ein die Gleichstromversorgungseinrichtung (1, 21) und einen e­ lektrischen Verbraucher (9, 29) umfassender Stromkreis schließbar ist.

4. Gleichstromversorgungseinrichtung (41) nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere parallel geschaltete Brennstoffzellenblö­ cke (43), wobei der elektrische Widerstand (51) allen Brenn­ stoffzellenblöcken (43) parallel zuschaltbar ist.

5. Gleichstromversorgungseinrichtung (21) nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere seriell geschaltete Brennstoffzellenblö­ cke (23), wobei der elektrische Widerstand (31) allen Brenn­ stoffzellenblöcken (23) parallel zuschaltbar ist.

6. Gleichstromversorgungseinrichtung (21) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der Brennstoffzellenblöcke (23) eine Leistungsdiode (39) pa­ rallel geschaltet ist.

7. Gleichstromversorgungseinrichtung (1, 21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Schutzeinrichtung (5, 25) eine dem Brennstoffzellenblock (3, 23) seriell angeordnete Leis­ tungsdiode (17, 37) umfasst.

8. Gleichstromversorgungseinrichtung (1, 21, 41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der elektrische Widerstand (11, 31, 51) einen Widerstandswert zwischen 1 Ohm und 85 Ohm aufweist.

9. Gleichstromversorgungseinrichtung (1) nach einem der An­ sprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, dass der elektrische Widerstand (11) einen variabel einstellbaren und von der Steuereinrichtung steuerbaren Wi­ derstandswert aufweist.

10. Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellenblocks (3, 23, 43), bei dem ein elektrischer Widerstand (11, 31, 51) dem Brennstoffzellenblock (3, 23, 43) parallel geschaltet und die Zufuhr eines ersten Betriebsgases zum Brennstoffzellenblock (3, 23, 43) unterbrochen wird und bei dem die Zufuhr eines zweiten Betriebsgases in Abhängigkeit vom Partialdruck des ersten Betriebsgases im Brennstoffzellenblock (3, 23, 43) un­ terbrochen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, dass ein den Brennstoffzellen­ block (3, 23, 43) und einen elektrischen Verbraucher (9, 29, 49) umfassender Stromkreis unterbrochen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach Unterbrechen der Zufuhr des zweiten Betriebsgases die Betriebsgasräume des Brennstoffzellenblocks (3, 23, 43) mit einem Inertgas befüllt werden.