DE4034183A1

DE4034183A1 - Schutzvorrichtung fuer eine brennstoffzelle

Info

Publication number: DE4034183A1
Application number: DE4034183A
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Takabayashi
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1989-10-27
Filing date: 1990-10-26
Publication date: 1991-05-02
Anticipated expiration: 2010-10-27
Also published as: JP2782854B2; JPH03141560A; US5156928A; DE4034183C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichung und ein Ver fahren zum Schützen einer Brennstoffzelle. Speziell geht es darum, eine Brennstoffzelle gegen Ausfall durch Überlastung oder Kurzschluß zu schützen, die möglicherweise in einer Brennstoffzellen-Energieversorgung hoher Kapazität auftre ten. Der Begriff Brennstoffzellen-Energieversorgung hoher Kapazität bedeutet hier ein Energieversorgungssystem mit einer Kapazität von mehr als 1 MW, zum Beispiel 5 MW oder 10 MW.

Eine Brennstoffzellen-Energieversorgung, die sich von ande ren Energiequellen unterscheidet, hält ihren Ausgangsstrom auch im Fall einer Überlastung oder eines Kurzschlusses im Ausgangskreis nahezu konstant. Dies führt zu dem Problem, daß Überstrom-Schutzvorrichtungen für andere Energiequellen sich nicht bei einer Brennstoffzellen-Energieversorgung einsetzen lassen.

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer herkömmli chen Brennstoffzellen-Energieversorgung. Ein als Stromwand ler ausgebildeter Stromdetektor (CT) 16 erfaßt den von ei ner Brennstoffzelle (FC = fuel cell) 1 an eine Last (R_L) 7 gelieferten Ausgangsstrom I_F. Eine Steuerung (CNT) 17 steu ert ein Rohbrennstoff-Steuerventil 18 nach Maßgabe des er faßten Stroms. Das Rohbrennstoff-Steuerventil 18 liefert die benötigte Menge Rohbrennstoff (Q) an einen Reformer (RF) 20.

In dem Reformer 20 wird durch die Reformierungs-Reaktion zwischen Methanol und Wasser in Form eines Gemisches er zeugter Wasserstoff U_I der Brennstoffzelle 1 zugeführt. Die Brennstoffzelle 1 wandelt durch die elektrochemische, zwi schen Wasserstoff und Sauerstoff stattfindende Reaktion, chemische Energie in elektrische Energie um, die als Elek trizität U_E anfällt. Ein Teil des nichtreagierten Wasser stoffs in der Brennstoffzelle 1 wird als Abgas U_B erzeugt. Das Abgas U_B wird zum Brenner des Reformers 20 zurückge führt, um zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Refor mier-Katalysators innerhalb des Reformers 20 verbrannt zu werden.

In Fig. 2 ist die I-V-Kennlinie A der Brennstoffzelle 1 dargestellt. Mit U_I ist die Menge der Elektrizität bezeich net, die der Gesamtmenge des Wasserstoffs entspricht, der durch die Reformierungs-Reaktion in dem Reformer 20 erzeugt wird. Die Größe U_I entspricht einem Strom I_FS, während der normale Nennstrom I_FN der Menge der Elektrizität U_E ent spricht.

Eine Zunahme der Last 7 ändert den Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 1 abhängig von der I- V-Kennlinie der Brennstoffzelle 1. Die Spannung V_FO ist die Leerlaufspannung. Die Spannung V_FP entspricht dem minimalen Strom, der von der Brennstoffzelle 1 in die Last 7 fließt, und die Linie, die diesen Punkt und den Ursprung durch läuft, definiert die Minimallastlinie B. Die Spannung V_FN ist die Spannung der Brennstoffzelle 1 im Normalbetrieb, und die diesen Punkt (I_FN, V_FN) und den Ursprung durch laufende Linie definiert die Nennlastlinie C.

Wenn die Spannung der Brennstoffzelle 1 unter den Wert V_FN aufgrund eines Kurzschlusses oder einer Überlastung durch Zunahme der Last 7 abfällt, das heißt, wenn der Ausgangs strom der Brennstoffzelle 1 den Wert I_FN übersteigt, ver ringert sich die Spannung rasch auf V_FS, anstatt der ge strichelten Linie D zu folgen, bei der es sich um die Ver längerungslinie der I-V-Kennlinie handelt. Die den Punkt (I_FS, V_FS) und den Ursprung durchlaufende Linie nennt man die Kurzschlußlinie E. Der Schnittpunkt S der Linien D und E entspricht dem Strom I_S, der später noch erläutert werden soll.

Im allgemeinen nennt man das Verhältnis U_E/U_I Brennstoff- Verfügbarkeit (fuel availability). Diese Verfügbarkeit läßt sich berechnen, indem man eine Division zwischen den beiden Größen vornimmt, nachdem die Wasserstoffmenge U_I in den Strom I_FS umgesetzt wurde oder nachdem der Strom I_FS, wie er von dem Stromdetektor 16 festgestellt wird, in die Was serstoffmenge U_I umgewandelt wurde.

Die Brennstoffzellen-Energieversorgung arbeitet normaler weise bei einer Verfügbarkeit von etwa 0,75-0,8. Tritt in diesem Zustand ein Kurzschluß auf, so wird der dem Reformer 20 als Abgas zuzuführende Wasserstoff vollständig durch die elektrochemische Reaktion innerhalb der Brennstoffzelle 1 verbraucht.

Dadurch wird U_I=U_E und mithin I_FS = I_FN/(0,75-0,8)= (1,33-1,25)× I_FN, was zu einer geringen Zunahme des Über stroms führt. Weiterhin bringt der Kurzschluß oder die Überlastung der Brennstoffzellen-Energieversorgung ein Pro blem insoweit mit sich, als dadurch eine Gasknappheit her vorgerufen wird, welche die Brennstoffzelle 1 beeinträch tigt.

Bei anderen Energieversorgungen als der Brennstoffzelle hat der Kurzschluß oder die Überlast zur Folge, daß der Strom I_S den Nennstrom um ein Mehrfaches oder ein Zigfaches über steigt. Dies läßt sich relativ einfach durch herkömmliche Überstrom-Schutzvorrichtungen erfassen, so daß die be troffenen Schaltungskreise ansprechend auf dieses Feststel lungsergebnis mühelos abgetrennt werden können.

Bei einer Brennstoffzellen-Energieversorgung jedoch kann keine rasche Aktion eingeleitet werden, um die Brennstoff zelle 1 zu schützen, weil der überschüssige Anteil des Überstroms sehr klein ist: Ein Überstrom von lediglich dem 1,33-1,25fachen des Nennstroms läßt sich durch herkömm liche Schutzvorrichtungen nicht feststellen, oder es ist eine erhebliche Zeitverzögerung in Kauf zu nehmen, um den zum Schutze der Anlage erforderlichen Betriebsablauf einzu leiten.

Der Erfinder plant zusammen mit anderen Fachleuten die Kon struktion einer Brennstoffzellen-Energieversorgungsanlage hoher Kapazität im Bereich von 5 bis 10 MW. In diesem Zu sammenhang wird mit folgenden Problemen gerechnet:

1) Das Erfassen des Überstrom- und Kurzschlußzustands für den Einzelbetrieb oder den Verbundbetrieb bei einer Brenn stoffzellen-Energieversorgungsanlage, und das Feststellen der generatorischen Leistung, wenn im Verbundbetrieb des Systems ein Wechselrichterfehler auftritt.
2) Die Leistung des Schalters zum Offnen des Ausgangskrei ses der Brennstoffzelle 1 in zuverlässiger und stabiler Weise, ansprechend auf das Feststellungssignal.

Das Problem (2) ist wichtig im Hinblick auf die Auslegung und den Aufbau des Schalters. Dies wird im einzelnen noch ausgeführt. Die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 1 ist bekanntlich eine Gleichspannung. Tabelle 1 zeigt ungefähre Ausgangswerte der Brennstoffzelle 1.

Tabelle 1

Die maximale Leistung herkömmlicher Gleichstrom-Leistungs schalter zum Ein- und Ausschalten von Gleichstrom beträgt 1500 V/4000 A (Gleichstrom) (Bei Leistungsschaltern ver schiedener Firmen ergeben sich ähnliche Werte). Die Schalt leistung des Gleichstrom-Leistungsschalters sinkt, wenn die Spannung ansteigt, bis sie einen Punkt erreicht, in dem der Schalter den Strom nicht mehr zu unterbrechen vermag.

Um die Strom-Leistung aufrechtzuerhalten, kann man zwei 4000 A-Gleichstrom-Leistungsschalter parallel schalten. Allerdings wurden noch keine Stromschalter entwickelt, die sich für 5 MW-10 MW-Brennstoffzellen-Energieversorgungsan lagen eignen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schutzvorrichtung und ein Schutzverfahren für eine Brennstoffzelle anzugeben, die beziehungsweise das die oben angegebenen Probleme weitest gehend zu lösen vermag, wobei ein herkömmlicher Schalter zum Schutz der Brennstoffzelle eingesetzt werden soll.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Schutz vorrichtung für eine Brennstoffzelle mit folgenden Merkma len geschaffen: Eine Schalteinrichtung, die an den Ausgang der Brennstoffzelle angeschlossen ist; eine Einrichtung zum Erfassen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle; eine Einrichtung zum Einstellen einer Bezugsspannung; eine Ein richtung zum Vergleichen der erfaßten Ausgangsspannung der Brennstoffzelle mit der Bezugsspannung, und eine Einrich tung zum Öffnen der Schalteinrichtung, wenn die erfaßte Ausgangsspannung der Brennstoffzelle unter die Bezugsspan nung abfällt.

Die Schalteinrichtung kann einen ersten und einen zweiten Schalter in Serienschaltung umfassen, wobei ein Halbleiter schalter parallel zu der ersten Schalteinrichtung angeord net ist.

Die Schutzvorrichtung für eine Brennstoffzelle kann außer dem eine Freilaufdiode enthalten, die zwischen die Aus gangsanschlüsse der Brennstoffzelle geschaltet ist.

Die Einstelleinrichtung kann eine erste Einstelleinheit zum Einstellen einer niedrigen Bezugsspannung aufweisen, die Vergleichereinrichtung kann einen ersten Vergleicher zum Vergleichen der erfaßten Ausgangsspannung der Brennstoff zelle mit der niedrigen Bezugsspannung umfassen, und die Einrichtung zum Öffnen der Schalteinrichtung kann den er sten Schalter öffnen, wenn die erfaßte Ausgangsspannung der Brennstoffzelle unter die niedrige Bezugsspannung abfällt, kann den Halbleiterschalter öffnen, wenn der erste Schalter geöffnet ist, und kann den zweiten Schalter öffnen, wenn der Halbleiterschalter geöffnet worden ist.

Die Einstelleinrichtung kann eine zweite Einstelleinheit aufweisen, um eine obere Bezugsspannung einzustellen, die Vergleichereinrichtung kann einen zweiten Vergleicher auf weisen, der die erfaßte Ausgangsspannung der Brennstoff zelle mit der oberen Bezugsspannung vergleicht, und die Einrichtung zum Öffnen der Schalteinrichtung kann den zwei ten Schalter öffnen, wenn die erfaßte Ausgangsspannung der Brennstoffzelle die obere Bezugsspannung übersteigt, kann den Halbleiterschalter öffnen, wenn der zweite Schalter ge öffnet worden ist, und kann den ersten Schalter öffnen, wenn der Halbleiterschalter geöffnet worden ist.

Die Einstelleinrichtung kann eine erste Einstelleinheit zum Einstellen einer unteren Bezugsspannung und eine zweite Einstelleinheit zum Einstellen einer oberen Bezugsspannung aufweisen, die Vergleichereinrichtung kann einen ersten Vergleicher zum Vergleichen der erfaßten Ausgangsspannung der Brennstoffzelle mit der unteren Bezugsspannung und einen zweiten Vergleicher zum Vergleichen der erfaßten Aus gangsspannung der Brennstoffzelle mit der oberen Bezugs spannung aufweisen, und die Einrichtung zum Öffnen der Schalteinrichtung kann den ersten Schalter öffnen, wenn die erfaßte Ausgangsspannung der Brennstoffzelle unter die un tere Bezugsspannung abfällt, kann den Halbleiterschalter öffnen, wenn der erste Schalter geöffnet worden ist, und kann den zweiten Schalter öffnen, wenn der Halbleiter schalter geöffnet worden ist.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Schutz vorrichtung für eine Brennstoffzelle mit folgenden Merkma len geschaffen: Eine Schalteinrichtung, die an den Ausgang der Brennstoffzelle angeschlossen ist; eine Einrichtung zum Erfassen des momentanen Spitzenstroms des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle; eine Einrichtung zum Speichern des Auftretens des momentanen Spitzenstroms; und eine Einrich tung zum Öffnen der Schalteinrichtung ansprechend auf ein Ausgangssignal der Speichereinrichtung, wenn der momentane Spitzenstrom auftritt.

Hier kann die Einrichtung zum Erfassen des momentanen Spit zenstroms einen Stromwandler zum Erfassen des Ausgangs stroms der Brennstoffzelle, eine Einrichtung zum Einstellen eines Bezugsstroms und einen Vergleicher zum Vergleichen des erfaßten Stroms der Brennstoffzelle mit dem Bezugsstrom aufweisen.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Schutz einer Brennstoffzelle mit folgenden Schritten geschaffen: Erfassen der Ausgangsspannung der Brennstoff zelle; Vergleichen der erfaßten Ausgangsspannung der Brenn stoffzelle mit einer vorbestimmten Bezugsspannung; und Öff nen des Ausgangs der Brennstoffzelle, wenn die erfaßte Ausgangsspannung der Brennstoffzelle unter den Bezugsspan nungswert abfällt.

Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Schutz einer Brennstoffzelle mit folgenden Schritten angegeben: Erfassen des momentanen Spitzenstroms des Aus gangsstroms der Brennstoffzelle; Speichern des Auftretens des momentanen Spitzenstroms; und Öffnen des Ausgangs der Brennstoffzelle ansprechend auf das gespeicherte Auftreten, wenn der momentane Spitzenstrom auftritt.

Gemäß vorliegender Erfindung wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erfaßt, und der Schalter, der in den Aus gangskreis der Brennstoffzelle eingefügt ist, wird auf der Grundlage der erfaßten Spannung geöffnet. Dies eröffnet die Möglichkeit, einen herkömmlichen Schalter bei einer Schutz vorrichtung für eine Brennstoffzelle zu verwenden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Anordnung einer herkömmli chen Brennstoffzellen-Energieversorgungsanlage,

Fig. 2 die I-V-Kennlinie der Brennstoffzelle nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 die I-V-Kennlinie der ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm einer zweiten Ausführungs form der Erfindung,

Fig. 6 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Be triebsweise der zweiten Ausführungsform bei einem Kurzschluß,

Fig. 7 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Ar beitsweise der zweiten Ausführungsform bei einer Regenerierung,

Fig. 8 eine Schaltungsskizze einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 ein Ersatzschaltbild der Brennstoffzelle nach Fig. 8

Fig. 10 eine graphische Darstellung, die die zeitliche Än derung des Ausgangsstroms der Ersatzschaltung nach Fig. 9 veranschaulicht, und

Fig. 11 die I-V-Kennlinie der dritten Ausführungsform.

A) Erste Ausführungsform

Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung einer ersten Ausführungs form. In Fig. 3 sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit glei chen Bezugszeichen versehen. Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der I-V-Kennlinie A und dem Spannungs-Einstell pegel Va. In Fig. 4 bezeichnen gleiche Bezugszeichen glei che Teile wie in Fig. 2.

Im Fall eines Fehlers, wie einer Überlast oder eines Kurz schlusses in der Brennstoffzellen-Energieversorgungsanlage fällt die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 1 plötzlich auf V_FS ab. Ein Spannungsdetektor 12 in Form eines Span nungstransformators (PT) erfaßt die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 1. Eine Spannungseinstelleinheit 13 in Form eines veränderlichen Widerstands (VR) stellt eine Bezugs spannung Va ein (siehe auch Fig. 4). Ein Spannungsdiskrimi nator 14 in Form eines Vergleichers (CP) bestimmt, ob die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 1, wie sie von dem Spannungsdetektor 12 erfaßt wird, unter die Bezugsspannung Va abfällt. Das Ausgangssignal des Spannungsdiskriminators 14 betätigt eine Auslösespule (TC) 11 eines Schalters (SW) 2, um den Schalter 2 zu öffnen.

B) Zweite Ausführungsform

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform. In Fig. 5 sind für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 1. Eine Schaltvorrichtung umfaßt ei nen Schalter SW1, einen Halbleiterschalter Q1 und einen Schalter SW2.

Fig. 6 ist ein Zeitdiagramm, welches den Betrieb der Brenn stoffzellen-Energieversorgung nach Fig. 5 im Fall eines Kurzschlusses veranschaulicht. Das Auftreten des Kurz schlusses erhöht den Brennstoffzellen-Strom I_F gemäß Fig. 6. Der erhöhte Strom beträgt etwa das 1,33-1,25fache des Stroms I_FN im stationären Zustand.

In diesem Fall fällt die Spannung V_F der Brennstoffzelle 1 plötzlich ab. Der Spannungsdetektor 12 erfaßt die Spannung V_F. Ein Spannungsdiskriminator 14A in Form eines Verglei chers (CP1) arbeitet, wenn die erfaßte Spannung niedriger ist als die von einer Niedrigspannung-Einstelleinheit (VR1) 31 eingestellte Bezugsspannung, um der Steuerung (CNT) 17 ein Signal 101 zuzuführen.

Die Steuerung 17 liefert ein Signal an eine Auslösespule (TC1) 11A, um dadurch den Schalter SW1 zu öffnen. Wenn der Schalter SW1 öffnet, schaltet ein Unterbrecherkontakt SW1b ein, und die Steuerung 17 liefert an den Halbleiterschalter Q1 einen Aus-Befehl 103. Damit schaltet der Halbleiter schalter Q1 aus, um den durch den Kurzschluß verursachten Strom zu sperren. Der Halbleiterschalter Q1 ist gegen Durchbruch gesichert, da er ein Überspannungs-Schutzelement aufweist, welches die Gegen-EMK absorbiert, die beim Aus schalten des Schalters Q1 erzeugt wird.

Danach liefert die Steuerung 17 an die Auslösespule (TC2) 11B ein Signal 104, um einen Schalter SW2 zu öffnen. Der Schalter SW2 öffnet, wodurch der Vorgang abgeschlossen ist.

Beim Auftreten eines Kurzschlusses fließt der Strom durch folgende Schleife: Brennstoffzelle 1, Schalter SW1, Schal ter SW2, Kurzschlußpunkt G, Schalter SW2 und Brennstoff zelle 1. Wenn der Schalter SW1 geöffnet wird, geht der Kurzschlußstrom vom Schalter SW1 auf den Halbleiterschalter Q1 über. Der Spannungsabfall V_Q am Schalter Q1 ist so klein (weniger als einige Volt), daß er für den Schalter SW1 aus reichend ist, um einen Schaltkreis zu öffnen, der einige Volt/mehrere Tausend Ampere führt. Man kann also einen Schalter mit niedriger Schaltleistung (z. B. einen Lei stungsschalter) als Schalter SW1 verwenden.

Weiterhin reicht es aus, wenn der Schalter SW2 eine ähnli che Schaltleistung aufweist wie der Schalter SW1, da der Schalter SW2 nur öffnet, nachdem der Halbleiterschalter Q1 den Kurzschlußstrom unterbricht. Kurz gesagt: man kann eine herkömmliche Schaltereinheit anstelle eines für Gleichstrom eingesetzten Leistungsschalters für hohe Spannungen und starke Ströme einsetzen.

Im normalen Betrieb überbrückt der Schalter SW1 den Halb leiterschalter Q1, wodurch die Leistungsverluste auf einen sehr geringen Wert herabgesetzt werden. Obschon die oben erläuterte Arbeitsweise den Fall eines Kurzschlusses be trifft, ergibt sich eine ähnliche Arbeitsweise im Fall ei ner Überlast.

Fig. 7 ist ein Zeitdiagramm für den Betrieb, wenn die Lei stungsregenerierung (Leistungsrückspeisung) von der System- Energieversorgung 27 zu der Brennstoffzelle 1 aus bestimm ten Gründen in der in Fig. 5 dargestellten Brennstoff zellen-Energieversorgung erfolgt.

Wie oben erläutert, bringt der Kurzschluß oder der Zustand der Überlast eine Beeinträchtigung der Brennstoffzelle 1 aufgrund von Gasmangel mit sich. Im Gegensatz dazu bringt die Leistungsregenerierung aufgrund des Rückstroms eine Elektrolyse in der Brennstoffzelle 1 mit sich. Dies kann die Gefahr einer Explosion heraufbeschwören, verursacht durch die Reaktion zwischen bei der Elektrolyse erzeugtem Wasserstoff und Sauerstoff.

Wenn die Leistungs-Regenerierung von der System-Energiever sorgung 27 zur Brennstoffzelle 1 hin erfolgt, erfolgen gleichzeitig eine Zunahme der Brennstoffzellenspannung V_F und die Abnahme des Brennstoffzellen-Stroms I_F. Wenn die Brennstoffzellenspannung V_F die von der Überspannungs-Ein stelleinheit (VR2) 32 eingestellte Bezugsspannung über steigt, wird ein in Form eines Vergleichers (CP2) ausgebil deter Spannungsdiskriminator 14B betätigt, um der Steuerung 17 ein Signal 102 zuzuführen.

Die Steuerung 17 empfängt das Signal 102 und liefert an die Auslösespule (TC2) 11B ein Signal 104 zum Öffnen des Schal ters SW2. Wenn der Schalter SW2 öffnet, schließt der Trenn kontakt SW2b des Schalters SW2. Dies führt dazu, daß die Steuerung 17 an den Halbleiterschalter Q1 einen Aus-Befehl liefert. Gleichzeitig sendet die Steuerung 17 einen Befehl an die Auslösespule (TC1) 11A des Schalters SW1, um den Schalter SW1 zur Öffnung des Schaltkreises freizugeben, wodurch der Betriebsablauf vervollständigt ist.

Es reicht aus, wenn der Schalter SW2 eine geringe Schalt leistung aufweist, wie es bei dem oben erläuterten Kurz schlußfall bereits erwähnt wurde. Dies deshalb, weil der Schalter SW2 den Kreis einer Niederspannung und eines klei nen Brennstoffzellenstroms öffnet, wobei die Spannung die Differenz zwischen der Brennstoffzellenspannung V_F und der Eingangsspannung des Wechselrichters 4 ist.

Weiterhin öffnen der Schalter SW1 und der Halbleiterschal tung Q1 den Schaltkreis stromlos. Wie oben erläutert, reicht es im Fall des Kurzschlusses aus, wenn der Schalter SW1 eine niedrige Spannung und einen starken Strom ab schaltet; es reicht aus, wenn der Schalter SW2 praktisch keine nennenswerte Schaltleistung aufweist, weil der Schal ter SW1 öffnet, nachdem der Halbleiterschalter Q1 den Kurz schlußstrom unterbrochen hat, so daß der Schalter SW1 den Schaltkreis stromlos öffnet.

Im Fall der Regenerierung reicht es aus, wenn der Schalter SW2 in der Lage ist, eine niedrige Spannung (die Differenz spannung) bei schwachem Strom öffnet. Der Schalter SW1 und der Halbleiterschalter Q1 öffnen den Schaltkreis stromlos. Eine Freilaufdiode (FWD) 26 verhindert, daß die beim Schaltvorgang entstehende Stoßspannung an die Brennstoff zelle 1 gelangt.

Da die Schalter SW1 und SW2 nur eine Schaltleistung bei niedriger Spannung und hohem Strom erfordern, oder eine Schaltleistung bei niedriger Spannung (Differenzspannung) und geringem Strom, lassen sich für die Schalter SW1 und SW2 herkömmliche Schalter verwenden. Außerdem macht die Herabsetzung der Ausschaltspannung und des Ausschaltstroms der Schalter SW1 und SW2 eine Lichtbogenlöschkammer über flüssig. Dadurch ist es möglich, die Größe der Brennstoff zellen-Energieversorgungsanlage zu verringern.

Da weiterhin der Halbleiterschalter Q1 normalerweise vom Schalter SW1 kurzgeschlossen wird, ist der Verlust im Halb leiterschalter Q1 Null. Dies erübrigt eine Kühlvorrichtung für den Halbleiterschalter Q1, so daß auch hierdurch die Größe der Brennstoffzellen-Energieversorgungsanlage herab gesetzt werden kann.

C) Dritte Ausführungsform

Fig. 8 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 8 sind für entsprechende Teile die gleichen Bezugszei chen verwendet wie in den Fig. 3 und 5. Ein Kurzschluß an der Ausgangsseite der Brennstoffzelle 1 oder eine Überlast an der Ausgangsseite des Transformators (TR) 6 in Fig. 8 führt zu einem unmittelbaren Stromfluß mit einer Spitze I_FSP gemäß Fig. 1 aus der Brennstoffzelle 1 heraus.

Im Hinblick auf die Tatsache, daß der momentane Spitzen strom I_FSP stets im Fall eines Kurzschlusses oder im Fall eines Überstroms stattfindet, wird beim vorliegenden Aus führungsbeispiel der momentane Spitzenstrom I_FSP erfaßt, um den Schalter SW2 zu öffnen und damit die Brennstoffzelle 1 sicher zu schützen.

Das Verhalten einer Brennstoffzelle im Fall eines Kurz schlusses unterscheidet sich von dem herkömmlicher Zellen folgendermaßen:

1) Im Anfangsstadium des Kurzschlusses fließt aufgrund des in Fig. 9 gezeigten Kondensators C der momentane Spitzen strom mit einem Wert, der dem 5-10-fachen des Nennstroms entspricht.
2) Der Spitzenstrom hört innerhalb einer sehr kurzen Zeit spanne auf: es ist nur ein kurzzeitiges Phänomen.
3) Wenn der Kurzschluß anhält, pegelt sich der Ausgangs strom der Brennstoffzelle bei einem Strom ein, der dem 1,33-1,25fachen des Nennstroms entspricht, ausgedrückt durch V_FN/I_FN in Fig. 4.

Der momentane Spitzenstrom kann einen mechanischen Schalter oder einen elektronischen Schalter betätigen, wenn das An sprechverhalten dieser Schalter ausreichend schnell ist. Allerdings haben Schalter hoher Leistung ein relativ lang sames Ansprechverhalten, so daß sie auf momentane Spitzen ströme nicht ansprechen können. Damit muß das Auftreten ei nes Spitzenstroms durch einen Speicher gespeichert werden, wie es im folgenden erläutert wird.

Fig. 9 zeigt das Ersatzschaltbild der Brennstoffzelle 1. Fig. 10 ist ein Zeitdiagramm für den zeitlichen Verlauf der Vorgänge in der Schaltung nach Fig. 9. In Fig. 9 bezeichnet das Bezugszeichen e einen theoretischen Wert der erzeugten Spannung der Brennstoffzelle 1, die Bezugszeichen R₁ und R₂ bezeichnen den Innenwiderstand der Brennstoffzelle 1, und das Bezugszeichen C steht für einen Kondensator in der Brennstoffzelle 1, wobei die elektrostatische Kapazität (die äquivalente elektrostatische Kapazität) den Wert C hat. Damit existiert die Spannung am Kondensator C, wenn die Brennstoffzellen-Energieversorgungsanlage in Betrieb ist, und die Spannung wird durch Vc ausgedrückt.

Nach Fig. 9 wird empirisch festgestellt, daß der momentane Spitzenstrom I_FSP beim Schließen des Schalters S in der in Fig. 10 dargestellen Weise fließt. Dieser Strom wird als Entladestrom des äquivalenten elektrostatischen Kondensa tors C in der Brennstoffzelle 1 im Augenblick des Schlie ßens des Schalters S betrachtet.

Wenn ein Kurzschluß an der Ausgangsseite der Brennstoff zelle 1 oder eine Überlast an der Ausgangsseite des Trans formators 6 gemäß Fig. 8 auftritt, fließt folgender Spit zenstrom I_FSP, wobei hier der Widerstand zwischen den Aus gangsanschlüssen der Brennstoffzelle 1 und dem Kurzschluß punkt vernachlässigt ist.

I_FSP=Vc/R₂∼I_FC
=Vc/(R₂+R_S+R_FL+R_TL+R_X)
wobei R_S=R₂+R_INV
R2: Innenwiderstand der Brennstoffzelle 1
R_INV: Widerstand des Wechselrichters 4
R_FL: Widerstand des Filters 5
R_TL: Widerstand des Transformators 6
R_X: Widerstand der Verdrahtung

Der Strom I_F der Brennstoffzelle klingt exponentiell ab, was man durch folgende Gleichung approximieren kann:

I_F=I_FSP×exp (-t/T)

wobei T=C×R₂ oder C×(R₂+R_S)

Somit wird die in der elektrostatischen Kapazität C gespei cherte elektrische Ladung nach einer gewissen Zeitspanne auf den Endwert von I_FS entladen

I_FS=I_FN×(1,33∼1,25)

Das oben erläuterte Phänomen soll anhand der Fig. 11 be schrieben werden. Wenn ein Kurzschluß am Ausgang der Brenn stoffzelle 1 während des Betriebs der Brennstoffzelle 1 mit der Spannung V_FN und dem Strom I_FN auftritt, steigt der Ausgangsstrom I_F in Richtung des Pfeils p zu dem Punkt S (hier fließt der maximale Strom I_FSP) in Fig. 11, wodurch der Kondensator C entladen wird. Danach nimmt der Brenn stoffzellen-Strom I_F, vom Punkt S an, ab bis auf die End werte V_FS und I_FS, und zwar in Richtung des Pfeils q.

Damit wird der Kurzschlußstrom (momentaner Spitzenwert) von dem Spannungsdiskriminator 14 erfaßt. Das Auftreten des Spitzenstroms wird von einem Speicher (einem Flip-Flop) 30 gespeichert, und das Ausgangssignal des Speichers 30 betä tigt die Auslösespule 11 zum Öffnen des Schalters SW2. Dies schützt die Brennstoffzelle 1 vor einem Kurzschluß-Versa gen. Das Auftreten des Spitzenstroms muß von dem Speicher gespeichert werden, um ausreichende Zeit zum Betätigen des eine hohe Leistung aufweisenden Schalters zu gewährleisten.

Wie oben erläutert, vermag die Erfindung sehr rasch die Brennstoffzelle vor der Auswirkung eines Betriebsfehlers zu schützen, beispielsweise einer Überlast, eines Kurzschlus ses oder einer Regenerierung, und zwar mit Hilfe einer ein fach aufgebauten Schaltung.

Claims

1. Schutzvorrichtung für eine Brennstoffzelle, umfas send:
eine Schalteinrichtung (SW), die an den Ausgang der Brennstoffzelle (1) angeschlossen ist;
eine Einrichtung (12) zum Erfassen der Ausgangsspan nung der Brennstoffzelle (1),
eine Einrichtung (13; 31, 32) zum Einstellen einer Bezugsspannung,
eine Einrichtung (14) zum Vergleichen der erfaßten Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (1) mit der Bezugs spannung, und
eine Einrichtung (11, 17, 30) zum Öffnen der Schalt einrichtung, wenn die erfaßte Ausgangsspannung der Brenn stoffzelle (1) unter die Bezugsspannung abfällt.

2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schalteinrichtung einen ersten und einen zweiten Schalter (SW1, SW2) in Serien schaltung und einen parallel zu dem ersten Schalter (SW1) geschalteten Halbleiterschalter (Q1) aufweist.

3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 2, gekenn zeichnet, durch eine parallel zu den Ausgangsan schlüssen der Brennstoffzelle (1) geschaltete Freilaufdiode (26).

4. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein richtung zum Einstellen einer Bezugsspannung aufweist:
eine erste Einstelleinheit (31) zum Einstellen einer unteren Bezugsspannung, wobei die Vergleichereinrichtung einen ersten Vergleicher (14A) zum Vergleichen der erfaßten Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (1) mit der unteren Bezugsspannung aufweist, und wobei
die Einrichtung (17) zum Öffnen der Schalteinrichtung den ersten Schalter (SW1) öffnet, wenn die erfaßte Aus gangsspannung der Brennstoffzelle (1) unter die untere Be zugsspannung abfällt,
den Halbleiterschalter (Q1) öffnet, wenn der erste Schalter (SW1) geöffnet worden ist, und
den zweiten Schalter (SW2) öffnet, wenn der Halblei terschalter geöffnet worden ist.

5. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein stelleinrichtung aufweist:
eine zweite Einstelleinheit (32) zum Einstellen einer oberen Bezugsspannung, wobei die Vergleichereinrichtung einen zweiten Vergleicher (14B) zum Vergleichen der er faßten Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (1) mit der oberen Bezugsspannung aufweist, und wobei
die Einrichtung (17) zum Öffnen der Schalteinrichtung den zweiten Schalter (SW2) öffnet, wenn die erfaßte Aus gangsspannung der Brennstoffzelle (1) die obere Bezugs spannung übersteigt,
den Halbleiterschalter (Q1) öffnet, wenn der zweite Schalter geöffnet worden ist, und den ersten Schalter (SW1) öffnet, wenn der Halbleiterschalter (Q1) geöffnet worden ist.

6. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein stelleinrichtung eine erste Einstelleinheit (31) zum Ein stellen einer unteren Bezugsspannung und eine zweite Ein stelleinheit (32) zum Einstellen einer oberen Bezugsspan nung aufweist, die Vergleichereinrichtung einen ersten Ver gleicher (14A) zum Vergleichen der erfaßten Ausgangsspan nung der Brennstoffzelle mit der unteren Bezugsspannung und einen zweiten Vergleicher (14B) zum Vergleichen der er faßten Ausgangsspannung der Brennstoffzelle mit der oberen Bezugsspannung aufweist, und die Einrichtung (17) zum Öff nen der Schalteinrichtung den ersten Schalter öffnet, wenn die erfaßte Ausgangsspannung der Brennstoffzelle unter die untere Bezugsspannung abfällt, den Halbleiterschalter (Q1) öffnet, wenn der erste Schalter geöffnet worden ist, und den zweiten Schalter (SW2) öffnet, wenn der Halbleiter schalter geöffnet worden ist.

7. Schutzvorrichtung für eine Brennstoffzelle, umfas send:
eine Schalteinrichtung, die an den Ausgang der Brenn stoffzelle (1) angeschlossen ist;
eine Einrichtung (16) zum Erfassen des augenblickli chen Spitzenstroms im Ausgangstrom der Brennstoffzelle (1);
eine Einrichtung (30) zum Speichern des Auftretens des augenblicklichen Spitzenstroms; und
eine Einrichtung (11) zum Öffnen der Schalteinrich tung (2) ansprechend auf das Ausgangssignal der Speicher einrichtung (30), wenn der augenblickliche Spitzenstrom auftritt.

8. Schutzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung aufweist:
einen Stromwandler (16) zum Erfassen des Aus gangsstroms der Brennstoffzelle (1);
eine Einrichtung (13) zum Einstellen eines Bezugs stroms; und
einen Vergleicher (14) zum Vergleichen des erfaßten Stroms der Brennstoffzelle mit dem Bezugsstrom.

9. Verfahren zum Schützen einer Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Erfassen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle;
Vergleichen der erfaßten Ausgangsspannung der Brenn stoffzelle mit einer vorbestimmten Bezugsspannung; und
Unterbrechen der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle, wenn die erfaßte Ausgangsspannung der Brennstoffzelle unter die Bezugsspannung abfällt.

10. Verfahren zum Schützen einer Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Erfassen des augenblicklichen Spitzenstroms im Aus gangstrom der Brennstoffzelle;
Speichern des Auftretens des augenblicklichen Spit zenstroms; und
Unterbrechen der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle als Folge der Speicherung des Auftretens des augenblickli chen Spitzenstroms.