DE102004001298A1 - Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und wenigstens einer elektrischen Energiespeichereinrichtung - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und wenigstens einer elektrischen Energiespeichereinrichtung Download PDF

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel und wenigstens eine elektrische Energiespeichereinrichtung, welche mittels wenigstens eines elektronischen Schaltelements, z. B. auf der Basis eines MOSFETs, elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel trenn- und/oder verbindbar ist. Der Brennstoffzellenstapel selbst ist gekühlt. Erfindungsgemäß steht das wenigstens eine Schaltelement in wärmeleitender Verbindung mit einem Kühlkreislauf zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels, z. B. in dem es auf dessen Endplatten aufgebracht ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und wenigstens einer elektrischen Energiespeichereinrichtung, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
  • Ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem wird durch die DE 101 25 106 A1 beschreiben. Das dort beschriebene Brennstoffzellensystem weist einen bevorzugt elektronisch ausgebildeten Schalter auf, mittels welchem der Brennstoffzelle ein getakteter Stromfluss entnommen werden kann.
  • Die Regelung der Brennstoffzelle erfolgt dabei so, dass im Falle des Erreichens eines kritischen Grenzwerts, beispielsweise einer minimalen Spannung, einem kritischen Druck, einem vorgegebenen Innenwiderstand oder dergleichen, der Strom aus der Brennstoffzelle durch den Schalter unterbrochen wird, damit die Spannung an den Einzelzellen bzw. an einer der Einzelzellen nicht unter eine schädliche Grenze fallen kann. Typischerweise liegt eine solche schädliche Grenze bei einer Zellspannung von 0 Volt. Während der Stromfluss aus der Brennstoffzelle abgeschaltet ist, erfolgt die Energieversorgung der Verbraucher aus dem elektrischen Energiespeicher, hier einer Kombination aus Batterie und Hochleistungskonden sator. Das pulsweitenmodulierte Schalten, insbesondere mit hohen Frequenzen, stellt sehr hohe Ansprüche an das Schaltelement selbst, da die Ströme im allgemeinen unter Last geschaltet werden müssen, und da der Innenwiderstand des Schaltelements zur Vermeidung einer hohen Verlustleistung möglichst klein gehalten werden soll.
  • Diese Anforderungen können durch die Anwendung von Halbleiterschalter, beispielsweise in Form von Feldeffekttransistoren auf der Basis von Metall-Oxid-Halbleiterbauelementen, sogenannten MOS-FET's, realisiert werden. Dadurch, dass diese MOS-FET's, auch unter Last extrem kleine Schaltzeiten ermöglichen, können bei gleichzeitig moderaten Verlustleistungen hohe Frequenzen der Pulsweitenmodulation realisiert werden. Außerdem verkraften derartige MOS-FET's auch extrem hohe Stromstöße, wie sie beispielsweise bei einem Einsatz von niederohmigen Zwischenspeichern, wie dem oben beschriebenen Hochleistungskondensator, typischerweise auftreten.
  • Trotz der vergleichsweise moderaten Verlustleistung von derartigen elektronischen Schalter, entsteht aufgrund der hohen Ströme und der hohen Leistungen dennoch eine vergleichsweise große Wärmemenge durch die Verlustleistungen. In dem ohnehin schon sehr komplexen Brennstoffzellensystem stellt es nun einen gravierenden Nachteil dar, wenn zur Abfuhr dieser sich als thermische Energie manifestierenden Verlustleistung spezielle Maßnahmen vorgesehen werden müssen.
  • Insbesondere bei Brennstoffzellensystemen, welche ihren benötigten Wasserstoff aus Gaserzeugungssystemen beziehen, wird außerdem die Umgebungstemperatur der elektronischen Schalter vergleichsweise hoch sein, so dass eine Kühlung über Konvektion unter Zuhilfenahme allgemein üblicher Kühlelemente bzw. Kühlkörper zusätzlich erschwert wird.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Aufbau zu schaffen, welcher die oben genannten Nachteile vermeidet und die Einsetzbarkeit von elektronischen Schaltern in gattungsgemäßen Brennstoffzellensystemen optimiert.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
  • Durch die thermische Kopplung der Schaltelemente mit dem bei einem Brennstoffzellenstapel, beispielsweise auf der Basis von PEM-Brennstoffzellen, ohnehin vorhandenen Kühlsystem kann der vorhandene Kühlkreislauf für die Kühlung der elektronischen Schaltelemente mitbenutzt werden kann. Typischerweise wird die Kühlung des Brennstoffzellenstapels durch den Kühlkreislauf dabei als aktive und geregelte Kühlung ausgebildet sein. So werden beispielsweise die Temperaturen im Falle eines PEM-Brennstoffzellenstapels zur Aufrechterhaltung seiner Funktionsweise auf ca. 70 bis 90°C, mit einer Toleranz von ± 1°C, eingeregelt. Da dieser Temperaturenbereich von den im Allgemeinen eingesetzten elektronischen Schaltelemente auf der Basis von Halbleiterbauelementen ebenfalls sehr gut verkraftet wird, kann somit der Kühlkreislauf sowohl die Kühlung des Brennstoffzellenstapels als auch die Kühlung der leistungselektronischen Bauelemente übernehmen.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Schaltelement als Halbleiterbauelement mit wenigstens einem Schalter ausgebildet ist. Entsprechend einer sehr günstigen Weiterbildung kann dieser Schalter dann als Feldeffekttransistor auf der Basis eines Metall-Oxid-Halbleiterbauelements (MOS-FET), insbesondere als n-Kanal MOS-FET, ausgebildet sein. Der Vorteil derartiger MOS-FET's liegt in den bereits erwähnten, auch unter Last ex trem kleinen Schaltzeiten bei moderaten Verlustleistungen am Innenwiderstand der MOS-FET's, sowie an der Tatsache, dass mit Hilfe eines MOS-FET's sehr hohe Schaltfrequenzen realisiert werden können. Der Einsatz von n-Kanal MOS-FET's bietet darüber hinaus den bekannten Vorteil, dass n-Kanal-Halbleiterbauelemente einen geringeren Innenwiderstand aufweisen als entsprechende p-Kanal Bauelemente. Prinzipiell wäre jedoch auch der Einsatz von p-Kanal MOS-FET's denkbar.
  • Entsprechend einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass wenigstens zwei der Schaltelemente auf der Basis von MOS-FET's zum elektrischen Trennen und/oder Verbindungen des Brennstoffzellenstapels und der wenigstens einen Energiespeichereinrichtung antiseriell verschaltet sind.
  • Der besondere Vorteil dieser Art der Verschaltung liegt darin, dass bei getrennter elektrischer Verbindung durch die antiserielle Verschaltung der MOS-FET's eine "echte" elektrische Trennung zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der wenigstens einen Energiespeichereinrichtung erreicht wird. Bei antiserieller Verschaltung kann der Nachteil der typischerweise vorhandenen Substratdiode der MOS-FET's eliminiert werden. Durch die antiserielle Verschaltung ist nämlich bei gesperrten MOS-FET's der Stromfluss in beide Richtungen sicher unterbunden. Die Verbindung zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der wenigstens einen Energiespeichereinrichtung wird bipolar, also in beide Richtungen, elektrisch getrennt, so dass keine Ströme von der Brennstoffzelle zur wenigstens einen Energiespeichereinrichtung und, was zum Schutz der Brennstoffzelle vor Zerstörung entsprechend wichtiger ist, auch nicht von der Energiespeichereinrichtung in Richtung der Brennstoffzelle fließen können.
  • Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist das wenigstens eine Schaltelement in elektrisch leitendem und wärmeleitenden Kontakt auf wenigstens einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels angeordnet.
  • Neben der unmittelbaren thermischen Kopplung des Schaltelements mit dem gekühlten Brennstoffzellenstapel bzw. dessen ebenfalls gekühlten Endplatten, wird die ideale Kühlung des Schaltelements ebenso erreicht, wie dessen elektrische Verbindung mit der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel. Aufgrund der Tatsache, dass hier vergleichsweise große Ströme in der Größenordnung von bis zu einigen 100 A, fließen, kann durch die Einsparung einer ansonsten erforderlichen elektrischen Verbindungsleitung ein erheblicher Vorteil hinsichtlich Aufwand, Montage, Bauraum und Kosten erzielt werden.
  • Der Eintrag der thermischen Energie, welche im Bereich der Schaltelemente aus der Verlustleistung entsteht, im Bereich der Endplatten des Brennstoffzellenstapels hat darüber hinaus den Vorteil, dass in diesem Bereich des Brennstoffzellenstapels üblicherweise eine ohnehin etwas geringere Temperatur vorliegt, als in der Mitte des Brennstoffzellenstapels. Die thermische Verbindung zwischen dem Schaltelement und der Endplatte des Brennstoffzellenstapels sorgt also für eine gute Kühlung des Schaltelements einerseits und für eine Erwärmung des Randbereichs des Brennstoffzellenstapels andererseits. Der gesamte Brennstoffzellenstapel weist damit über alle Bereiche eine gleichmäßigere Temperatur auf, so dass eine gleichmäßigere Funktion aller Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel realisiert werden kann. Letztendlich ist dadurch eine bessere Performance des Brennstoffzellenstapels zu erwarten.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel, welches anhand der Zeichnung erläutert werden wird.
  • Dabei zeigen:
  • 1 ein Brennstoffzellensystem;
  • 2 einen MOS-FET als elektrisches Schaltelement;
  • 3 ein Prinzipschaltbild eines derartigen Schaltelements;
  • 4 eine Möglichkeit zur antiseriellen Verschaltung von Schaltelementen; und
  • 5 eine alternative Möglichkeit zur antiseriellen Verschaltung von Schaltelementen.
  • 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem hier symbolisch angedeuteten Brennstoffzellenstapel 2, welcher beispielsweise als PEM-Brennstoffzellenstapel ausgebildet sein kann. Der Brennstoffzellenstapel 2 besteht dabei aus mehreren Brennstoffzellen, welche jeweils seriell miteinander verschaltet sind. Außerdem kann der Brennstoffzellenstapel mehrere derartige Unterstapel umfassen, welche dann wiederum parallel zueinander geschaltet wären. Die nachfolgenden Ausführungen werden jeweils anhand eines einzelnen Brennstoffzellenstapels 2 beschrieben, sie können jedoch genauso auf mehrere, parallel geschaltete Brennstoffzellenstapel analog angewendet werden.
  • Der Brennstoffzellenstapel 2 ist durch einen Kühlkreislauf 3, in welchem ein flüssiges Kühlmedium, beispielsweise ein Wasser-Frostschutz-Gemisch, zirkuliert, gekühlt. Der Kühlkreislauf 3 umfasst neben einem Kühlwärmetauscher 4 in dem Brennstoffzellenstapel 2 eine Fördereinrichtung 5 sowie einen Kühlwärmetauscher 6 zur Abgabe der thermischen Energie in dem Kühlmedium an die Umgebung. Der Brennstoffzellenstapel 2 wird durch diesen Kühlkreislauf 3 aktiv auf eine vorgegebene Temperatur, welche meistens in einem Bereich zwischen 70 und 90 °C liegt wird, gekühlt. Die aktive Kühlung des Brennstoffzellenstapels 2 erfolgt dabei mit einer sehr hohen Präzision, da die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2 bevorzugt bei einer sehr geringen Temperaturschwankung in der bevorzugten Größenordnung von ± 1 bis 2 K arbeiten. Zur Regelung der Kühlung ist in dem Kühlkreislauf 3 ein entsprechender Sensor 5a, welcher hier im Bereich des Kühlmedieneintritts in den Wärmetauscher 4 angedeutet ist, vorgesehen. Auf der Basis der von diesem Sensor erfassten Daten, sowie gegebenenfalls in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur des Kühlwärmetauschers 6, wird dann der Durchfluss des Kühlmediums beispielsweise durch eine regel- bzw. steuerbare Kühlmittelfördereinrichtung 6, wie hier durch den punktierten Pfeil angedeutet, und/oder eine Ventileinrichtung zur Beeinflussung des Kühlmedienvolumenstroms und/oder einen Lüfter 6a im Bereich des Kühlwärmetauschers 6 geregelt.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst außerdem entsprechende, an sich bekannte und deshalb hier nicht dargestellte Einrichtungen zur Zufuhr der Betriebsmedien, wie beispielsweise Wasserstoff oder wasserstoffreiches Reformatgas und Luft. Des weiteren umfasst das hier dargestellte Brennstoffzellensystem 1 eine Energiespeichereinrichtung 7, welche mittels wenigstens eines elektronischen Schaltelements 8 elektrisch mit der Brennstoffzelle verbunden und/oder getrennt werden kann. Ein derartiger Aufbau eines Brennstoffzellensystems 1, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, dient dabei zur Versorgung eines hier angedeuteten elektrischen Verbrauchers 9 mit elektrischer Leistung. Eine entsprechende Steuerung des hier dargestellten Brennstoffzellensystems 1 erfolgt durch eine getaktete pulsweitenmodulierte Stromentnahme aus dem Brennstoffzellenstapel 2 über das Schaltelement 8. Der Verbraucher 9 ist dabei immer mit der Energiespeichereinrichtung 7 und bei geschlossenem Schaltelement 8 außerdem mit dem Brennstoffzellenstapel 2 verbunden, so dass im Falle des geöffneten Schaltelements 8 die Leistung für den elektrischen Verbraucher 9 aus der Energiespeichereinrichtung 7 entnommen werden kann. Das Brennstoffzellensystem 1 erlaubt somit bei idealer Nutzung des Brennstoffzellenstapels 2 bzw. der ihm zugeführten Edukte die kontinuierliche Leistungsversorgung des elektrischen Verbrauchers 9.
  • Die Energiespeichereinrichtung 7 kann dabei aus einer Batterie 7a bestehen, sie kann jedoch auch, wie hier dargestellt, aus einer Parallelschaltung der Batterie 7a und einem Kondensator 7b, welcher einen deutlich geringeren Innenwiderstand als die Batterie 7a aufweist, bestehen. Ein derartiger Aufbau ist mit all seinen Ausgestaltungsmöglichkeiten und Vorteilen durch die eingangs genannte DE 102 25 106 A1 beschrieben.
  • In 2 ist nun das Schaltelement 8 nochmals in einer möglichen Verschaltung dargestellt. Das Schaltelement 8 weist in der Darstellung einen Schalter auf, welcher als Feldeffekttransistor auf der Basis eines Metall-Oxid-Halbleiters als sogenannter MOS-FET 10 ausgebildet ist. Prinzipiell würde ein einziger MOS-FET 10 als Schalter in dem Schaltelement 8 ausreichen. Um jedoch einen im durchgeschalteten Zustand möglichst niederohmigen Aufbau zu realisieren, können auch mehrere MOS-FET's 10 parallel als Schalter in dem Schaltelement 8 eingesetzt werden. Neben dem Erzielen einer niederohmigen Verbindung im durchgeschalteten Zustand kann so außerdem erreicht werden, dass mehrere kleinere MOS-FET's 10 eingesetzt werden, was letztendlich die gesamte Fläche, welche von den MOS-FET's 10 beansprucht wird, erhöht. Diese erhöhte Fläche stellt dabei eine verbesserte Kühlung der MOS-FET's 10 sicher, da diese über diese die Substratfläche, welche typischerweise gleichzeitig den "Drain"-Anschluß D darstellt, gekühlt werden. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Drain D des MOS-FET's 10 mit dem Brennstoffzellenstapel 2, beispielsweise dessen anodenseitiger Endplatte, verbunden. Diese Verbindung, welche in 2 exemplarisch durch die Leitung 11 angedeutet ist, wird dabei in idealer Weise als direkte Montage des MOS-FET's und damit dessen Substrat, also dem Drain-Anschluß D, auf die Endplatte erfolgen. Diese unmittelbare Montage des MOS-FET's 10 auf die Endplatte des Brennstoffzellenstapels 2, welche gleichzeitig bei den im Allgemeinen eingesetzten Aufbauten für Brennstoffzellenstapel 2 dessen einen elektrischen Pol darstellt, wird erreicht, dass eine ideale thermische und elektrische Ankopplung des Schaltelements 8 an den Brennstoffzellenstapel 2 erzielt wird. Mit minimalem Aufwand und ohne, dass eine Verbindungsleitung für die in diesem Bereich typischerweise fließenden Ströme von einigen 100 A, benötigt wird, kann so ein hinsichtlich der elektrischen und thermischen Anbindung des Schaltelements 8 idealer Aufbau erzielt werden.
  • Die Betätigung des MOS-FET's 10 folgt dabei über eine Steuerspannung, welche beispielsweise von einer Steuer- und/oder Regelungselektronik im Bereich des Gates G des MOS-FET's 10 angelegt wird und dadurch die Verbindung zwischen Drain D und Source S für einen Stromfluss freischaltet.
  • Anstelle der unmittelbaren Anbindung des Schaltelements 8 in thermischer Hinsicht an die Endplatte des Brennstoffzellenstapels 2 wäre es auch denkbar, das Schaltelement 8 in Kontakt mit dem im Kühlkreislauf 3 strömenden Kühlmedium zu bringen, wobei hierfür der in 1 mit 12 gekennzeichnete Bereich vor dem Eintritt des Kühlmediums in den Wärmetauscher geeignet wäre. Die zu kühlende Verlustleistung des Schaltelements 8 ist dabei so gering, dass diese das Kühlmedium nicht so stark erwärmt, dass die Kühlung des Brennstoffzellenstapels 2 durch den Wärmetauscher 4 nachteilig beeinflusst wird. Andererseits ist das Kühlmedium vor dem Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 2 bzw. den Wärmetauscher 4 deutlich kühler als nach dessen Verlassen, so dass in diesem Bereich 12 aufgrund der höheren Temperaturdifferenz eine ideale Kühlung des Schaltelements 8 durch das Kühlmedium 3 sichergestellt werden kann.
  • Neben dieser in 2 dargestellten einfachsten Ausführungsform des Schaltelements 8 ist auch die Integration weiterer Elektronikkomponenten in den Bereich des Schaltelements 8 denkbar. In 3 ist ein derartiges Schaltelement 8 nochmals dargestellt, wobei für den MOS-FET 10 die Darstellung seines Ersatzschaltbildes gewählt wird. Neben dem MOS-FET 10, welcher wie oben bereits beschrieben, auch aus einer Parallelschaltung einer Vielzahl von MOS-FET's 10 bestehen kann, weist das Schaltelement 8 in der Ausgestaltung gemäß 3 eine Einrichtung zum Erfassen und Verstärken des Spannungsabfalls am Innenwiderstand RDS on des bzw. der durchgeschalteten MOS-FET's 10 auf. Die MOS-FET's 10 haben typischerweise einen bekannten Innenwiderstand RDS on, wenn sie durchgeschaltet sind. Dieser Innenwiderstand liegt zwar nur bei wenigen mΩ, aufgrund der im hier dargestellten Fall sehr hohen geschalteten Strömen entsteht jedoch ein durchaus messbarer Spannungsabfall, welcher über eine entsprechende Verstärkungseinrichtung 13, beispielsweise einen Operationsverstärker, verstärkt und als Messsignal für den dem Brennstoffzellenstapel 2 entnommenen Strom IBZ genutzt werden kann. Die Messung des Brennstoffzellenstroms über den Spannungsabfall am Innenwiderstand RDS on des MOS-FET's 10 lässt sich auf + 5 bis 10 des eigentlichen Brennstoffzellenstroms IBZ realisieren, so dass dieser Wert für viele Regelungsaufgaben, beispielsweise Sicherheitsabschaltungen oder dergleichen, vollkommen ausreichend ist. Auf andere mit entsprechendem Mehraufwand und mit weiteren Kosten verbundene Sensorik kann dann verzichtet werden.
  • Ferner ist in der Darstellung des Schaltelements 8 gemäß 3 eine integrierte Schaltung 14 dargestellt, welche das Gate G des MOS-FET's 10 mit der Steuerspannung versorgt. Die Integration einer derartigen Schaltung 14, welche wiederum von einer Steuerungs- und Regelungselektronik angesteuert werden kann, wie dies durch den punktierten Pfeil angedeutet ist, bietet den Vorteil, dass auch diese Komponente einerseits gekühlt wird und andererseits durch die Integration in das Schaltelement 8 eine Ansteuerung des MOS-FET's 10 erleichtert.
  • Eine weitere Besonderheit der MOS-FET's 10 ergibt sich aus dem in 3 für den MOS-FET gewählten Ersatzschaltbild. Aufgrund des halbleitertechnischen Aufbaus des MOS-FET's 10 als Metall-Oxid-Halbleiterbauelement beinhaltet der MOS-FET 10 zusätzlich eine Diodenwirkung 15, welche sich in der Art einer Freilaufdiode auswirkt. Aufgrund dieser "Freilaufdiode" kann es auch bei nicht anliegender Steuerspannung am Gate des MOS-FET's 10 zu einem Stromfluss von Source S zu Drain D durch den MOS-FET 10, hier beispielsweise von der Energiespeichereinrichtung 7 hin zu dem Brennstoffzellenstapel 2 erfolgen, welche diesen gegebenenfalls nachteilig beeinflussen und/oder zerstören könnte. In den nachfolgenden Figuren sind daher entsprechende Aufbauten dargestellt, welche eine "echte" bzw. bipolare Trennung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 2 und der Energiespeichereinrichtung 7 realisieren können.
  • In 4 ist nun ein Aufbau dargestellt, bei dem zwei der Schaltelemente 8 in der oben beschriebenen Art antiseriell miteinander verschaltet sind. Die beiden Schaltelemente 8 befinden sich auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels 2 und weisen eine elektrische Verbindung mit diesem bzw. einer seiner Endplatten auf. Die beiden Schaltelemente 8 sind dabei so verschaltet, dass die Source-Anschlüße S ihrer MOS-FET's zusammengeschaltet sind. Die in den MOS-FET's 10 enthaltenen Dioden 15 sind dadurch antiseriell verschaltet, so dass ein Stromfluss durch die Serie der beiden Schaltelemente 8 nur möglich ist, wenn eine Steuerspannung an den Gates G anliegt. Für die Kühlung sind hier zwei verschiedene Ansätze möglich. Zum einen kann der Drain D und damit typischerweise das Substrat des einen MOS-FET 10 bzw. des einen Schaltelements 8 wiederum unmittelbar mit der Endplatte verbunden werden. Der anderen MOS-FET 10 bzw. das andere der Schaltelemente 8 muß jedoch elektrisch isoliert montiert werden. Es kann dann durch den Kühlkreislauf 3 beispielsweise in dem oben beschriebenen Bereich 12 desselben gekühlt werden. Ferner ist es auch denkbar beide MOS-FET's 10 bzw. Schaltelemente 8 gemeinsam durch den Kühlkreislauf 3 zu kühlen. Der Aufbau erlaubt dabei eine sehr einfache, da gemeinsame, Ansteuerung der Gates G der einzelnen Schaltelemente 8.
  • Der Aufbau kann prinzipiell selbstverständlich auch durch eine Verbindung der beiden Darin-Anschlüsse D der Schaltelemente 8 realisiert werden. Durch die unmittelbare Verbindung der Drain-Anschlüsse D und damit typischerweise der Substrate der MOS-FET's 10 lässt sich eine einfache Kühlung sicherstellen, wobei hier die Kühlung in der oben beschriebenen Art im Bereich 12 des Kühlkreislaufs 3 zu bevorzugten wäre.
  • In 5 ist nun eine weitere Ausführungsform des Ausbaus dargestellt, wobei auch hier zwei der Schaltelemente 8 einge setzt werden, welche antiseriell miteinander verschaltet sind. Im Gegensatz zu dem oben dargestellten Ausführungsbeispiel sind dabei nicht die Schaltelemente 8 unmittelbar miteinander verbunden, sondern das eine der Schaltelemente 8 ist auf der einen Seite des Brennstoffzellenstapels 2, das andere auf der anderen Seite des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet. Dieser Aufbau ermöglicht es, dass jeweils der Drain D der MOS-FET's 10 der beiden Schaltelemente 8 und damit deren großflächige Substrate auf die beiden Endplatten des Brennstoffzellenstapels 2, ohne elektrische und thermische Isolation aufgebracht werden können. Die eine, die Kathode darstellende Endplatte steht dann in unmittelbarer elektrischer und wärmeleitender Verbindung mit dem einen der Schaltelemente 8 bzw, dem Drain D von dessen MOS-FET's 10. Die andere, mit der Anode verbundene Endplatte des Brennstoffzellenstapels 2 steht in ebenso direktem thermischen und elektrischen Kontakt mit dem Drain-Anschluss D des MOS-FET's 10 des anderen Schaltelements 8.
  • Der Aufbau stellt wiederum eine antiserielle Verschaltung hinsichtlich der den hier dargestellten MOS-FET's 10 immanenten Dioden 15 dar, so dass auch hier nur eine elektrische Verbindung und der Stromfluss möglich ist, wenn an den Gates G der MOS-FET's 10 der beiden Schaltelemente 8 ein Steuersignal anliegt.
  • Wie durch die beiden Pfeile 16, 17 dargestellt, erfolgt hier die Ansteuerung des Gates G nicht mehr gemeinsam, sondern jeweils getrennt, wobei hierfür die in das jeweilige Schaltelement 8, in der im Rahmen von 3 erläuterten Art integrierte Schaltung 14 zur Erzeugung eines Vorort-Ansteuersignals, beispielsweise ausgelöst durch eine externe Ansteuerung (z.B. Impuls) von einer Steuerungs- und/oder Regelungselektronik erzeugt. Der Vorteil gegenüber dem oben darge stellten System ist hier die unmittelbare thermische und elektrische Kopplung mit den Endplatten des Brennstoffzellenstapels 2, welche außerdem den Eintrag von thermischer Energie in einem Bereich des Brennstoffzellenstapels 2 sicherstellt, in welchem diese thermische Energie zum Ausgleich und zur Harmonisierung des Temperaturverlaufs über den gesamten Brennstoffzellenstapel sehr günstig ist. Dies überwiegt dabei sicherlich den Nachteil der gegenüber der Ausführung gemäß 4 etwas komplexeren Ansteuerung der MOS-FET's 10 der Schaltelemente 8.
  • Selbstverständlich können alle hier dargestellten Schaltelemente 8 dabei den in 3 exemplarisch dargestellten Aufbau aufweisen und neben einer gegebenenfalls größeren Anzahl von parallel geschalteten MOS-FET's 10 über entsprechende Einrichtungen zur Erfassung des Brennstoffzellenstroms IBZ sowie über entsprechende Schaltungen 14 zur Erzeugung des Ansteuersignals für die Gates G der MOS-FET's 10 verfügen. Sie könnten jedoch ohne eine Beeinträchtigung der zugrunde liegenden Funktionsweise auch lediglich als einzelner MOS-FET oder als andersartig aufgebauter elektronischer Schalter ausgebildet sein, wobei die antiserielle Verschaltung selbstverständlich nur im Falle von MOS-FET's sinnvoll einsetzbar ist.

Claims (11)

  1. Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und wenigstens einer elektrischen Energiespeichereinrichtung, welche mittels wenigstens eines elektronischen Schaltelements elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel trenn- und/oder verbindbar ist, wobei der Brennstoffzellenstapel gekühlt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Schaltelemente (8) in wärmeleitender Verbindung mit einem Kühlkreislauf (3) zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels (2) steht.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (8) als Halbleiterschaltelement mit wenigstens einem Schalter ausgebildet ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Schalter als Feldeffekttransistoren auf Basis eines Metall-Oxid-Halbleiterbauelements (MOS-FET 10), insbesondere als n-Kanal MOS-FET, ausgebildet ist.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (8) auf Basis von MOS-FET's (10) den Spannungsabfall am Innenwiderstand (RDS on) wenigstens eines der MOS-FET's (10) erfasst.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens zwei der Schaltelemente (8) auf Basis von MOS-FET's (10) zum elektrischen Trennen und/oder verbinden des Brennstoffzellenstapels (2) und der Energiespeichereinrichtung (7) antiseriell verschaltet sind
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Schaltelemente (8) wenigstens einen elektronischen Schalter (MOS-FET 10) sowie einen Schaltungsaufbau (14) zu dessen Ansteuerung aufweist.
  7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Schaltelemente (8) wenigstens einen elektronischen Schalter (MOS-FET 10) sowie eine Einrichtung (13) zum Erfassen und Verstärken des Spannungsabfalls am Innenwiderstand (RDS on) des Schalters desselben aufweist.
  8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Schaltelemente (8) mehrere parallel geschalteten elektronische Schalter (MOS-FET 10) aufweist.
  9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Schaltelement (8) in elektrisch leitendem und wärmeleitendem Kontakt auf wenigstens einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels (2) angeordnet ist.
  10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Schaltelemente (8) auf der mit der Anode verbundenen Endplatte des Brennstoffzellenstapels (2) und wenigstens ein anderes der Schaltelemente (8) auf der mit der Kathode verbundenen Endplatte des Brennstoffzellenstapels (2) angeordnet ist.
  11. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Schaltelement (8) in wärmeleitendem Kontakt mit dem Kühlmedium des Kühlkreislauf (3) vor dessen Eintritt (Bereich 12) in den Brennstoffzellenstapel (2) steht.
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