-
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.