DE4034183C2 - Schutzvorrichtung für eine Brennstoffzelle und Verfahren zum Schützen einer Brennstoffzelle - Google Patents

Schutzvorrichtung für eine Brennstoffzelle und Verfahren zum Schützen einer Brennstoffzelle

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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 (RL) 7 gelieferten Ausgangsstrom IF. Eine Steuerung (CNT) 17 steu­ ert ein Rohbrennstoff-Steuerventil 18 nach Maßgabe des erfaßten 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 UI 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 UE anfällt. Ein Teil des nichtreagierten Wasser­ stoffs in der Brennstoffzelle 1 wird als Abgas UB erzeugt. Das Abgas UB 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 UI 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 UI entspricht einem Strom IFS, während der normale Nennstrom IFN der Menge der Elektrizität UE 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 VFO ist die Leerlaufspannung. Die Spannung VFP 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 VFN ist die Spannung der Brennstoffzelle 1 im Normalbetrieb, und die diesen Punkt (IFN, VFN) und den Ursprung durch­ laufende Linie definiert die Nennlastlinie C.
Wenn die Spannung der Brennstoffzelle 1 unter den Wert VFN aufgrund eines Kurzschlusses oder einer Überlastung durch Zunahme der Last 7 abfällt, das heißt, wenn der Ausgangs­ strom der Brennstoffzelle 1 den Wert IFN übersteigt, ver­ ringert sich die Spannung rasch auf VFS, anstatt der ge­ strichelten Linie D zu folgen, bei der es sich um die Ver­ längerungslinie der I-V-Kennlinie handelt. Die den Punkt (IFS, VFS) und den Ursprung durchlaufende Linie nennt man die Kurzschlußlinie E. Der Schnittpunkt S der Linien D und E entspricht dem Strom IS, der später noch erläutert werden soll.
Im allgemeinen nennt man das Verhältnis UE/UI Brennstoff- Verfügbarkeit (fuel availability). Diese Verfügbarkeit läßt sich berechnen, indem man eine Division zwischen den beiden Größen vornimmt, nachdem die Wasserstoffmenge UI in den Strom IFS umgesetzt wurde oder nachdem der Strom IFS, wie er von dem Stromdetektor 16 festgestellt wird, in die Was­ serstoffmenge UI 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 UI = UE und mithin IFS = IFN/(0,75-0,8) = (1,33-1,25) × IFN, 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 IS 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 1,33-1,25-fachen 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 öffnen 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.
Aus der DE 33 21 421 A1 ist eine Schutzvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
Aus der US 4 677 037, der US 4 424 491, der US 3 850 696 und der US 3 745 047 sind weitere Steuerungen für Brennstoffzellen bekannt.
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 können soll.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schutzvorrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 6, beziehungsweise ein Verfahren nach Anspruch 8 oder 9.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erfaßt, und der Schalter, der in den Ausgangskreis der Brennstoffzelle eingefügt ist, wird auf der Grundlage der erfaßten Spannung geöffnet. Dies eröffnet die Möglichkeit, einen herkömmlichen Schalter bei einer Schutzvorrichtung 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 Änderung 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 Oberlast oder eines Kurz­ schlusses in der Brennstoffzellen-Energieversorgungsanlage fällt die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 1 plötzlich auf VFS 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 IF gemäß Fig. 6. Der erhöhte Strom beträgt etwa das 1,33-1,25-fache des Stroms IFN im stationären Zustand.
In diesem Fall fällt die Spannung VF der Brennstoffzelle 1 plötzlich ab. Der Spannungsdetektor 12 erfaßt die Spannung VF. 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 VQ 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 VF und die Abnahme des Brennstoffzellen-Stroms IF. Wenn die Brennstoffzellenspannung VF 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 VF 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 abschaltet; 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 Bezugszeichen verwendet wie in den Fig. 3 und 5. Ein Kurzschluß an der Ausgangsseite der Brennstoffzelle 1 oder eine Oberlast an der Ausgangsseite des Transformators (TR) 6 in Fig. 8 führt zu einem unmittelbaren Stromfluß mit einer Spitze IFSP gemäß Fig. 1 aus der Brennstoffzelle 1 heraus.
Im Hinblick auf die Tatsache, daß der momentane Spitzen­ strom IFSP stets im Fall eines Kurzschlusses oder im Fall eines Überstroms stattfindet, wird beim vorliegenden Aus­ führungsbeispiel der momentane Spitzenstrom IFSP 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 1,33-1,25-fachen des Nennstroms entspricht, ausgedrückt durch VFN/IFN 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 IFSP 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 IFSP, wobei hier der Widerstand zwischen den Aus­ gangsanschlüssen der Brennstoffzelle 1 und dem Kurzschluß­ punkt vernachlässigt ist.
IFSP = Vc/R2 ~ IFC = Vc/(R2 + RS + RFL + RTL + RX)
wobei RS = R2 + RINV
R2: Innenwiderstand der Brennstoffzelle 1
RINV: Widerstand des Wechselrichters 4
RFL: Widerstand des Filters 5
RTL: Widerstand des Transformators 6
RX: Widerstand der Verdrahtung
Der Strom IF der Brennstoffzelle klingt exponentiell ab, was man durch folgende Gleichung approximieren kann:
IF = IFSP × exp(-t/T)
wobei T = C × R2 oder C × (R2 + RS)
Somit wird die in der elektrostatischen Kapazität C gespei­ cherte elektrische Ladung nach einer gewissen Zeitspanne auf den Endwert von IFS entladen
IFS = IFN × (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 VFN und dem Strom IFN auftritt, steigt der Ausgangsstrom IF in Richtung des Pfeils p zu dem Punkt S (hier fließt der maximale Strom IFSP) in Fig. 11, wodurch der Kondensator C entladen wird. Danach nimmt der Brenn­ stoffzellen-Strom IF, vom Punkt S an, ab bis auf die End­ werte VFS und IFS 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 (9)

1. Schutzvorrichtung für eine Brennstoffzelle, mit
einer Schalteinrichtung (SW), die an den Ausgang der Brennstoffzelle (1) angeschlossen ist, einer Erfassungseinrichtung (12) zum Erfassen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (1), und einer Abschalteinrichtung (11, 17, 30),
dadurch gekennzeichnet, daß eine Einstelleinrichtung (13; 31, 32) zum Ein­ stellen einer Bezugsspannung, und eine Vergleichereinrichtung (14) zum Vergleichen der erfaßten Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (1) mit der Bezugsspannung vorhanden sind, und daß die Abschalteinrichtung (11, 17, 30) die Schalteinrichtung öffnet, wenn die erfaßte Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (1) unter die Bezugsspannung abfällt.
2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung einen ersten und einen zweiten Schalter (SW1, SW2) in Serienschaltung und einen parallel zu dem ersten Schalter (SW1) geschalteten Halbleiterschalter (Q1) aufweist.
3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine parallel zu den Ausgangsanschlüssen der Brennstoff­ zelle (1) geschaltete Freilaufdiode (26).
4. Schutzvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung eine erste Einstelleinheit (31) zum Einstellen einer unteren Bezugsspannung aufweist,
daß die Vergleichereinrichtung einen ersten Vergleicher (14A) zum Vergleichen der erfaßten Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (1) mit der unteren Bezugsspannung aufweist, und
daß die Abschalteinrichtung (17) den ersten Schalter (SW1) öffnet, wenn die erfaßte Augangsspannung der Brennstoffzelle (1) unter die untere Bezugsspannung abfällt,
den Halbleiterschalter (Q1) öffnet, wenn der erste Schalter (SW1) geöffnet worden ist, und
den zweiten Schalter (SW2) öffnet, wenn der Halbleiterschalter geöffnet worden ist.
5. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung eine zweite Einstelleinheit (32) zum Einstellen einer oberen Bezugsspannung aufweist,
daß die Vergleichereinrichtung einen zweiten Vergleicher (14B) zum Ver­ gleichen der erfaßten Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (1) mit der oberen Bezugs­ spannung enthält, und
daß die Abschalteinrichtung (17) den zweiten Schalter (SW2) öffnet, wenn die erfaßte Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (1) die obere Bezugsspannung 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 für eine Brennstoffzelle mit
einer Schalteinrichtung, die an den Ausgang der Brennstoffzelle (1) ange­ schlossen ist;
einer Einrichtung (16) zum Erfassen des augenblicklichen Spitzenstroms im Ausgangsstrom der Brennstoffzelle (1);
einer Speichereinrichtung (30) zum Speichern des Auftretens des augenblick­ lichen Spitzenstroms; und
einer Einrichtung (11) zum Öffnen der Schalteinrichtung (2) als Reaktion auf das Ausgangssignal der Speichereinrichtung (30), wenn der augenblickliche Spitzenstrom auftritt.
7. Schutzvorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung aufweist:
einen Stromwandler (16) zum Erfassen des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle (1);
eine Einrichtung (13) zum Einstellen eines Bezugsstroms; und
einen Vergleicher (14) zum Vergleichen des erfaßten Stroms der Brennstoff­ zelle mit dem Bezugsstrom.
8. Verfahren zum Schützen einer Brennstoffzelle, mit folgenden Schritten:
Erfassen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle;
Vergleichen der erfaßten Ausgangsspannung der Brennstoffzelle mit einer vorbestimmten Bezugsspannung; und
Unterbrechen der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle, wenn die erfaßte Ausgangsspannung der Brennstoffzelle unter die Bezugsspannung abfällt.
9. Verfahren zum Schützen einer Brennstoffzelle,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Erfassen des augenblicklichen Spitzenstroms in dem aus der Brennstoffzelle fließenden Strom, Speichern des Auftretens des augenblicklichen Spitzenstroms in einem Speicher (30), und
Unterbrechen der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Speichers (30), wenn der augenblickliche Spitzenstrom erfaßt wird.
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