DE19907369C2 - Stromquelle mit in Serie geschalteten Zellen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft mehrere Zellen zur Stromerzeugung, insbesondere Brennstoffzellen, die seriell miteinander verbunden sind. Zu Brennstoffzellen sind Dioden so parallel geschaltet, daß der von den Brennstoffzellen erzeugte Strom I keinen Kurzschluß verursachen kann. DOLLAR A Fällt eine einzelne Zelle aufgrund eines Defektes aus, so fließt der Strom über eine parallel geschaltete Diode, da dann die Diode den geringeren ohmschen Widerstand bildet. Einfach und preiswert werden so defekte Zellen "automatisch" in einem Störfall überbrückt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromquelle, bestehend aus mehreren, elektrisch in Serie geschalteten Zellen. Durch die einzelnen Zellen wird Strom erzeugt oder be­ reitgestellt.

Beispiele für Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind mehrere in Serie geschaltete Batterien oder meh­ rere in Serie geschaltete Brennstoffzellen, also ein Brennstoffzellenstapel.

Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektro­ lyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxida­ tionsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brenn­ stoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.

Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, so beispielsweise die SOFC-Brennstoffzelle aus der Druck­ schrift DE 44 30 958 C1 sowie die PEM-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 C1.

Die SOFC-Brennstoffzelle wird auch Hochtemperaturbrenn­ stoffzelle genannt, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C beträgt. An der Kathode einer Hochtemperatur­ brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidati­ onsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen pas­ sieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der An­ odenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt.

Die Betriebstemperatur einer PEM-Brennstoffzelle liegt bei ca. 80°C. An der Anode einer PEM-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brennstoffs mittels ei­ nes Katalysators Protonen. Die Protonen passieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. Elektronen werden dabei freigesetzt und elek­ trische Energie erzeugt.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie­ lung großer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente elektrisch und mechanisch miteinander verbun­ den. Ein Beispiel für ein solches verbindendes Element stellt die aus DE 44 10 711 C1 bekannte bipolare Platte dar. Mittels bipolarer Platten entstehen übereinander gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoff­ zellen. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel ge­ nannt.

Als Brennstoff kann unter anderem Methan oder Methanol vorgesehen werden. Die genannten Brennstoffe werden durch Reformierung oder Oxidation u. a. in Wasserstoff oder wasserstoffreiches Gas umgewandelt.

Fällt eine einzelne Zelle innerhalb von in Serie ge­ schalteten Zellen zum Beispiel aufgrund eines Defektes aus, so stellt diese einen elektrischen Widerstand in der Serienschaltung dar. Die Leistungsfähigkeit wird daher nicht nur durch die ausgefallene Zelle reduziert, sondern auch durch das Auftreten eines zusätzlichen elektrischen Widerstandes, für dessen Überwindung Lei­ stung aufgewendet werden muß. Der Wirkungsgrad der Vor­ richtung verringert sich entsprechend.

Handelt es sich bei den einzelnen Zellen einer Stromer­ zeugungsvorrichtung um PEM-Brennstoffzellen und fällt eine einzelne Brennstoffzelle z. B. aufgrund einer Stö­ rung einer Betriebsmittelzufuhr aus, so zersetzt der durch die Elektrolysemembran fließende Strom das in der Membran enthaltene Wasser zu Wasserstoff und Sauer­ stoff. Der Sauerstoff tritt an der Anodenseite und der Wasserstoff an der Kathodenseite aus. Über Zufüh­ rungsleitungen gelangt so Sauerstoff in die Anodenräume der anderen Zellen. Es entstehen Mischpotentiale. Sau­ erstoff rekombiniert mit dem auf der Anodenseite er­ zeugten Wasserstoff. Auf diese Weise wird die Stromer­ zeugung auch in benachbarten Brennstoffzellen reduziert und schließlich gestoppt. Durch den Ausfall einer Brennstoffzelle in einer Serienschaltung von Brenn­ stoffzellen können also weitere Brennstoffzellen ver­ giftet werden. Insgesamt wird die Leistungsfähigkeit eines solchen Brennstoffzellenstapels erheblich redu­ ziert.

Bei Brennstoffzellen ist zur Lösung eines solchen Pro­ blems gemäß der Druckschrift DE 197 46 616 A1 vor­ gesehen, eine einzelne Brennstoffzelle im Schadensfall zu überbrücken. Hierfür werden entsprechende elektri­ sche Schaltmittel bereitgestellt.

Nachteilhaft ist diese vorgeschlagene Lösung technisch aufwendig, verursacht hohe Kosten und erfordert die Be­ reitstellung eines entsprechenden Volumens für die elektrischen Schaltmittel. Die Bereitstellung von Volu­ men und hiermit einhergehend von Gewicht ist insbeson­ dere im mobilen Einsatz sehr nachteilhaft.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Vor­ richtung sowie die Angabe einer Verwendung, bei der einfach, preiswert und mit geringem Volumenaufwand Lei­ stungsverluste minimiert werden, die auf den Defekt ei­ ner einzelnen Zelle in einer Serienschaltung zurück­ zuführen sind.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch eine Verwendung mit den Merkmalen des Nebenanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus Unteran­ sprüchen.

Bei der anspruchsgemäßen Vorrichtung sind Dioden paral­ lel zu einzelnen Zellen geschaltet. Die Dioden sind so gepolt, daß der Stromfluß durch die Dioden in Normal­ richtung möglich ist. Unter Normalrichtung wird die Fließrichtung verstanden, die während des Betriebes ei­ ner intakten Stromerzeugungsvorrichtung vorgesehen ist. Die Dioden sind also so geschaltet, daß kein Kurzschluß entsteht.

Vorteilhaft weist jede einzelne Zelle eine parallel ge­ schaltete Diode auf, um den maximalen Erfolg herbeizu­ führen.

Das Vorsehen einer Diode ist erforderlich, um einen Kurzschluß zu vermeiden. Entgegengesetzt zur Sperrich­ tung weist die Diode einen geringen Ohmschen Widerstand auf. Während eines störungsfreien Betriebes der Vor­ richtung fließt der Strom durch die einzelnen Zellen, da diese keinen elektrischen Widerstand, sondern eine Stromquelle darstellen. In einem solchen Zustand fließt daher kein oder praktisch kein Strom durch die Diode.

Tritt eine Störung einer einzelnen Zelle auf, so stellt diese aufgrund der Störung einen großen Ohmschen Wider­ stand im Vergleich zum Ohmschen Widerstand der Diode dar. In einem solchen Fall wird der Strom, statt durch die einzelne Zelle, durch die parallel geschaltete Diode fließen. Leistungsverluste, die zur Überwindung von Ohmschen Widerständen erforderlich sind, werden so minimiert. Insgesamt bleibt so die Vorrichtung mit ver­ gleichsweise einfachen Mitteln auch bei einer Störung so leistungsfähig wie maximal möglich. Ferner werden Vergiftungserscheinungen von benachbarten Zellen, wie sie bei einem Brennstoffzellenstapel auftreten können, vermieden. Insbesondere handelt es sich deshalb bei den Zellen um Brennstoffzellen, da bei einer solchen Ein­ richtung nicht nur Leistungsverluste aufgrund von Ohm­ schen Widerständen vermieden werden, sondern darüber hinaus auch Vergiftungserscheinungen verhindert werden können. Bei einem Brennstoffzellenstapel ist folglich eine besonders große leistungserhaltende Wirkung zu verzeichnen.

Kleine, leichte, preiswerte Dioden sind kommerziell er­ hältlich. Mit relativ geringem Aufwand kann die Erfin­ dung also realisiert werden.

Eine anspruchsgemäße Vorrichtung wird zum Beispiel in mobilen Vorrichtungen wie tragbare Computer, tragbare Lampen und dergleichen eingesetzt, da hier auf geringes Gewicht und Volumen besonders zu achten ist.

In der Figur ist die anspruchsgemäße Verschaltung skiz­ ziert. Mehrere Brennstoffzellen 1 sind seriell mitein­ ander elektrisch verbunden. Zu einer jeden Brennstoff­ zelle 1 ist je eine Diode 2 so parallel geschaltet, daß der von den Brennstoffzellen erzeugte Strom I keinen Kurzschluß verursachen kann.

Claims (4)

1. Stromquelle mit elektrisch in Serie geschalteten Zellen (1), dadurch gekennzeichnet, daß zu den einzelnen Zellen (1) Dioden (2) zur Überbrückung einer solchen Zelle bei deren Ausfall so parallel geschaltet sind, daß die Dioden die einzelnen Zellen nicht kurzschließen.

2. Stromquelle nach Anspruch 1 mit Brennstoffzellen, die als Zellen vorgesehen sind.

3. Stromquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jede Zelle eine parallel geschaltete Diode aufweist.

4. Verwendung der Stromquelle nach Anspruch 1 bis 3 in mobilen Vorrichtungen.