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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dadurch, dass der Entladeverbraucher als integraler Teil des selbstleitenden Entladeschaltelements ausgeführt ist, werden Platz und Kosten gespart. Insbesondere kann es sich bei dem Entladeverbraucher um einen Durchgangswiderstand eines elektronischen Bauelements, vorzugsweise eines MOSFETs, handeln.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
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Günstig ist eine Ausgestaltung, bei der zu Beginn des Normalbetriebszustands alle Zellen von den Entladeverbrauchern getrennt werden, indem alle selbstleitenden Entladeschaltelemente 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.
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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.
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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.
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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.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die einen sicheren und schnellen Verbrauch der nach einer Beendigung des Normalbetriebszustands in den Zellen verbliebenen Gasrestmenge ermöglicht.
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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.
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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.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den von Anspruch 6 abhängigen Ansprüchen.
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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.
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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.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelleneinheit mit für jede Zelle vorgesehenem eigenen Entladestromkreis, der jeweils ein selbstleitendes Schaltelement umfasst, und
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelleneinheit mit für jede Zelle vorgesehenem eigenen Entladestromkreis, der jeweils einen selbstleitenden MOSFET umfasst.
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Einander entsprechende Teile sind in den 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.
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In 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.
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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.
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Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst mehrere in Reihe geschaltete Zellen 4. 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.
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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.
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Bei der Reaktion des Wasserstoffs 2 am Katalysator 6 der Anode 7 wird jeweils ein Wasserstoffmolekül in zwei Wasserstoffatome aufgespaltet. Ein Wasserstoffatom weist zwei Bestandteile auf, nämlich ein negativ geladenes Elektron und ein positiv geladenes Proton. Bei der Reaktion gibt jedes Wasserstoffatom sein Elektron ab. Die positiv geladenen Protonen diffundieren durch den für die negativ geladenen Elektronen undurchlässigen Elektrolyten 10 und gelangen so zur Kathode 9.
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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.
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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 (+).
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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.
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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 Sauerstoffatom 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.
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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.
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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 Beschalten 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.
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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.
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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 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.
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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.
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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.
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In 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 2 nicht im Detail dargestellten in Reihe geschalteten Zellen 4.
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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.
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Bei dem in 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 zugehörigen 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.
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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 1 mit dargestellt.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5105142 [0002]
- WO 2009/117749 A1 [0003]
