DE60315525T2

DE60315525T2 - Vorrichtung und verfahren zur widerstandsprüfung bei brennstoffzellen

Info

Publication number: DE60315525T2
Application number: DE60315525T
Authority: DE
Inventors: Silvio Della Malva
Original assignee: Ansaldo Fuel Cells SpA
Current assignee: Ansaldo Fuel Cells SpA
Priority date: 2003-11-11
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2023-11-12
Also published as: DE60315525D1; EP1682912A1; US20070080694A1; ATE369569T1; WO2005045453A1; CA2544231A1; EP1682912B1; AU2003286162A1

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System, welches zur Messung des gesamten ohmschen Innenwiderstandes von Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln Anwendung findet. Die Vorrichtung besteht aus einer elektronischen Last, welche in der Probe einen impulsförmigen Kurzschluss erzeugt. Auf diese Weise wird unter Ausnutzung der vom elektrochemischen Generator selbst erzeugten Leistung eine hohe Stromstärke erzielt.
Um eine Beschädigung der Zelle und das Entstehen von elektrochemischen Erscheinungen zu vermeiden, muss der Kurzschluss unverzüglich aufhören, sobald die Messung erfolgt ist (Impulsdauer des Kurzschlusses typischerweise 0,1–100 ms), aber sie muss lang genug andauern, um das Ende von Reaktanzeffekten auf das Antwortverhalten abzuwarten. Die Einflüsse des Rauschens auf Messfehler werden mittels der hohen Stromstärken, die erhalten werden, vermindert.
Die Vorrichtung kann Stromimpulsketten mit einem Ein/Aus-Verhältnis und mit einer Arbeitsfrequenz erzeugen, die von der Bedienperson eingestellt werden können. Dieses Merkmal ermöglicht, die Leistungsaufnahme zu simulieren, wenn der Stapel an einen DA-Wandler angeschlossen ist, und dessen Antwortverhalten und dessen elektrisches Verhalten unter diesen Bedingungen zu messen.
Allgemeiner Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung., bei welcher Wasserstoff (oder ein an Wasserstoff reicher Brennstoff) und Sauerstoff benutzt werden, um durch einen elektrochemischen Prozess Elektrizität zu erzeugen.
Eine einzelne Brennstoffzelle besteht aus einem Elektrolyten, der in Form eines Sandwich zwischen zwei dünnen Elektroden (einer porösen Anode und der Katode) gelagert ist. Auch wenn es unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen gibt, so arbeiten sie alle nach demselben Prinzip: Wasserstoff oder ein an Wasserstoff reicher Brennstoff wird der Anode zugeführt, wo ein Katalysator die negativ geladenen Elektronen von den positiv geladenen Ionen (Protonen) trennt.
An der Katode vereinigt sich der Sauerstoff mit den Elektronen und in einigen Fällen mit Protonen oder Wasser, was zu Wasser bzw. Hydroxidionen führt. Für Brennstoffzellen auf der Grundlage der Polymeraustauschmembran (PEM) oder Phosphorsäure bewegen sich die Protonen durch den Elektrolyten zur Katode und vereinigen sich mit dem Sauerstoff und den Elektronen, wobei Wasser und Wärme entstehen.
Bei Alkali-, Schmelzkarbonat- und Festoxid-Brennstoffzellen wandern die negativen Ionen durch den Elektrolyten zur Anode, wo sie sich mit Wasserstoff verbinden, so dass Wasser und Elektronen entstehen. Die Elektronen von der Anodenseite der Zelle können nicht durch die Membran hindurch zur positiv geladenen Katode wandern; sie müssen sich um sie herum in einem elektrischen Stromkreis bewegen, um zur anderen Seite der Zelle zu gelangen. Diese Bewegung von Elektronen ist ein elektrischer Strom.
Die Menge an Leistung, die von einer Brennstoffzelle erzeugt wird, hängt von mehreren Faktoren ab wie beispielsweise vom Typ der Brennstoffzelle, von der Temperatur, bei der sie betrieben wird, und von dem Druck, unter welchem die Gase der Zelle zugeführt werden. Jedoch erzeugt eine einzelne Brennstoffzelle lediglich so viel Elektrizität, wie sie nur für die kleinsten Anwendungsfälle ausreichend ist. Daher werden die einzelnen Brennstoffzellen typischerweise zu einem Brennstoffzellenstapel in Reihe geschaltet. Ein typischer Brennstoffzellenstapel kann aus Hunderten von Brennstoffzellen bestehen.
Direkte Wasserstoff-Brennstoffzellen erzeugen reines Wasser als die einzige Emission. Dieses Wasser wird typischerweise als Wasserdampf abgegeben.
Brennstoffzellensysteme können auch mit wasserstoffreichen Brennstoffen wie beispielsweise Methanol, Erdgas, Benzin oder vergaster Kohle beschickt werden. In vielen Brennstoffzellensystemen werden diese Brennstoffe durch „Reformer" geschickt, welche den Wasserstoff aus dem Brennstoff ziehen. Das Onboard-Reforming hat mehrere Vorteile. Zunächst ermöglicht es den Einsatz von Brennstoffen mit einer höheren Energiedichte als reines Wasserstoffgas wie beispielsweise Methanol, Erdgas und Benzin. Ferner ermöglicht es den Einsatz von herkömmlichen Treibstoffen, welche unter Verwendung der vorhandenen Infrastruktur eingesetzt werden können (z. B. Kraftstoffpumpen für Kraftfahrzeuge und Erdgasleitungen für stationäre Quellen).
Bei Hochtemperatur-Brennstoffzellensystemen kann das Reforming der Brennstoffe innerhalb der Brennstoffzelle selbst erfolgen – ein Vorgang, der inneres Reforming genannt wird. Dadurch entfallen die Notwendigkeit eines getrennten Reformers und die damit verbundenen Kosten. Beim inneren Reforming wird jedoch Kohlendioxid emittiert genau wie bei einem getrennten Reformer.
Außerdem können Verunreinigungen im gasförmigen Brennstoff den Wirkungsgrad der Zelle herabsetzen.
Die Auslegung von Brennstoffzellensystemen ist recht kompliziert und kann je nach dem Typ von Brennstoffzelle und Anwendungsfall beträchtlich schwanken. Die meisten Brennstoffzellensystem bestehen jedoch aus vier Grundbestandteilen:
einem Brennstoffprozessor
einer Energieumwandlungsvorrichtung (der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellenstapel)
einem Leistungswandler
einer Wärmerückgewinnsystem (welches typischerweise bei Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem und bei stationären Anwendungen benutzt wird).
Weitere Bestandteile und Untersysteme sind vorgesehen, um die Feuchtigkeit, die Temperatur, den Gasdruck und das Abwasser der Brennstoffzelle zu steuern.
Der erste Bestandteil eines Brennstoffzellensystems ist der Brennstoffprozessor. Dieser Brennstoffprozessor wandelt den Brennstoff in eine Form um, welche von der Brennstoffzelle genutzt wird. Wenn dem System Wasserstoff zugeführt wird, dann ist kein Prozessor erforderlich oder dieser kann auf die Systeme zur Wasserstoffspeicherung und -speisung beschränkt sein.
Wenn das System mit einem wasserstoffreichen Brennstoff wie beispielsweise Methanol, Benzin, Dieselkraftstoff oder vergaster Kohle gespeist wird, dann wird typischerweise ein Reformer dazu benutzt, um die Kohlenwasserstoffe in ein „Reformat" genanntes Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffverbindungen umzuwandeln. In vielen Fällen wird das Reformat dann einem weiteren Reaktor zugeführt, um Verunreinigungen wie beispielsweise Kohlenstoffoxide oder Schwefel zu entfernen, bevor es zum Brennstoffzellenstapel geschickt wird. Dadurch wird verhindert, dass sich Verunreinigungen im Gas mit den Katalysatoren der Brennstoffzelle verbinden. Dieser Verbindungsvorgang wird auch „Vergiftung" genannt, da er den Wirkungsgrad und die Betriebsdauer der Brennstoffzelle herabsetzt.
Einige Brennstoffzellen wie beispielsweise solche auf der Basis von geschmolzenem Karbonat bzw. festem Oxid arbeiten bei Temperaturen, die hoch genug sind, dass der Brennstoff in der Brennstoffzelle selbst reformiert wird. Dies wird inneres Reforming genannt.
Sowohl beim inneren als auch beim äußeren Reforming wird infolge des bei Brennstoffzellen vorhandenen hohen Umwandlungswirkungsgrades Kohlendioxid freigesetzt, aber weniger als die Menge, die von Brennkraftmaschinen emittiert wird, wie sie beispielsweise in benzinbetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden.
Brennstoffzellesysteme werden nicht vorrangig zur Erzeugung von Wärme eingesetzt. Es werden jedoch beträchtliche Mengen an Wärme von einigen Brennstoffzellensystemen erzeugt, insbesondere solchen, die bei hoher Temperatur arbeiten wie beispielsweise Systemen auf der Grundlage von Festoxid oder geschmolzenem Karbonat. Bei diesen kann diese überschüssige Energie zur Erzeugung von Dampf oder heißem Wasser genutzt werden oder über eine Gasturbine oder mittels einer anderen Technologie in Elektrizität umgewandelt werden. Dadurch wird der energetische Gesamtwirkungsgrad der Systeme erhöht.
Der Brennstoffzellenstapel ist die Vorrichtung zur Energieumwandlung. Er erzeugt Elektrizität in Form von Gleichstrom (DC) aus chemischen Reaktionen, die in der Brennstoffzelle ablaufen. Der Zweck von Stromrichtern und Stromaufbereitern besteht darin, den elektrischen Strom aus der Brennstoffzelle den elektrischen Bedürfnissen der Anwendung anzupassen, sei es an einen einfachen Elektromotor oder ein kompliziertes Stromnetz eines Stromversorgers.
Wenn die Brennstoffzelle benutzt wird, um Anlagen, die mit Wechselspannung arbeiten, mit Energie zu versorgen, muss der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden. Sowohl der Wechselstrom als auch der Gleichstrom müssen aufbereitet werden. Zur Stromaufbereitung gehören die Steuerung des Stromflusses, der Spannung, der Frequenz und weiterer Merkmale des elektrischen Stromes, damit dieser den Anforderungen des Anwendungsfalls genügt. Die Stromwandlung und die Stromaufbereitung verringern den Systemwirkungsgrad nur geringfügig, nämlich um etwa 2 bis 6 Prozent.
Eine Brennstoffzelle im Leerlauf (d. h. wenn kein Strom erzeugt wird) erzeugt die Idealspannung, wie sie durch die Nernstsche Gleichung wiedergegeben wird. Sobald Stromfluss einsetzt, treten die folgenden Verluste auf;

• Ohmsche Verluste des Elektrolyten, der metallischen Leiter und im Kontaktbereich der Leiter;
• Aktivierungsverluste, die durch die endlichen Geschwindigkeiten der elektrochemischen Reaktion hervorgerufen werden;
• Diffusionsverluste infolge des schwierigen Masseaustausch zwischen dem Gas insgesamt und den Reaktionsstellen im Katalysator.

Um die inneren ohmschen Verluste einer Brennstoffzelle zu messen, ist es erforderlich, ihren Beitrag von den Aktivierungs- und Diffusionsverlusten abzutrennen. Da das dynamische Ansprechen der Ersteren viel schneller erfolgt als das Ansprechen der anderen, kann der ohmsche Widerstand mit Hilfe des ohmschen Gesetzes berechnet werden, wenn man Strom- und Spannungswerte einsetzt, die unverzüglich nach einem schrittweisen Schließen des Stromkreises gemessen werden, wenn elektrochemische Faktoren noch gar nicht die Zeit hatten, zur Wirkung zu kommen.
Außerdem wird erwartet, dass Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapel, die von kommerziellem Interesse sind und hohe Stromwerte aufweisen, mit niedrigem Spannungswert hergestellt werden. Typischerweise liegen die Stromwerte bei einigen Ampere bei Zellen im Labormaßstab bis zu tausend Ampere oder darüber bei Stapeln in voller Ausführung. Die Spannungswerte an der Zelle liegen in jedem Fall bei einem Volt oder darunter (typischerweise 0,5–1 V).
Die Anforderungen, die an eine Messvorrichtung gestellt werden, welche diesen breiten Strombereich erfasst, werden von der vorliegenden Erfindung erfüllt.
Bei anderen Arten von Vorrichtungen, die nach dem Stand der Technik entwickelt worden sind, erfolgt die Messung direkt nach dem Öffnen des Stromkreises oder durch die Untersuchung des Frequenzverhaltens der Zelle nach einer sinusförmigen Ansteuerung, was jedoch nur eine näherungsweise Abschätzung des Werts mit vielen Fehlerquellen liefert.
Ein niedriger Innenwiderstand ist eines der Merkmale von Brennstoffzellen. Daher erwartet man, dass über einen solchen Widerstand niedrige Spannungswerte gemessen werden. Aus diesem Grund ist eine hohe Genauigkeit (d. h. ein geringer Einfluss des Rauschens auf die Messung) nur durch Verwendung hoher Stromstärken erreichbar. Dieses Ziel ist noch nicht erreicht worden.
In der Tat geht aus dem Schrifttum hervor, dass viele Versuche in dieser Richtung zur Entwicklung von kostenaufwendigen Tischgeräte-Laborausrüstungen geführt haben, die aus vielen Subsystemen bestehen, die untereinander verschaltet sind, wie das aus der Arbeit „Anwendung der Wechselstromimpedanz bei der Brennstoffzellenforschung und -entwicklung" von J.R. Selman und Y.P. Lin oder aus dem US-Patent 6.002.238 hervorgeht, wo eine äußerst komplexe theoretische und technische Vorgehensweise für die Impedanzmesssung beschrieben wird.
Das US-Patent 3.676.770 offenbart eine Messschaltung, welche einen Energieimpuls erzeugt, welcher einen vom ohmschen Gesetz beherrschten ersten Parameter aufweist, der durch ein Element fließt, dessen Widerstand gemessen werden soll.
Bei diesen und in vielen anderen Fällen wird die erforderliche Genauigkeit der Messung stets durch technische und praktische Faktoren negativ beeinflusst, welche die Reproduzierbarkeit senken und die Kosten bei der Anwendung der Systeme erhöhen.
Anwendungsbereich der Erfindung
Das allgemeine Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, den gesamten Innenwiderstand von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln mit hoher Genauigkeit und ohne die Komplikationen des Standes der Technik zu messen. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darüber hinaus darin, eine Apparatur zur Verfügung zu stellen, welche die Messung eines Einzelimpulses und einer Kette von Impulsen ermöglicht, um das Verhalten der Brennstoffzelle, wenn diese an einen Wechselrichter angeschlossen wird, wirksam zu simulieren.
Die oben erwähnten Merkmale werden mittels einer Apparatur gemäß Anspruch 1 und durch ein entsprechendes Verfahren gemäß Anspruch 7 erreicht.
Das Messsystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: ein elektronisches Belastungssystem, zu welchem gehören:

– eine Eingangseinheit, welche einen Eingangsimpuls erzeugt,
– ein Treiber zur Steuerung des Eingangsimpulses,
– ein MOSFET-Modul, welcher mindestens ein MOSFET-Bauteil zur Erzeugung eines Kurzschlusses in einer Brennstoffzelle enthält,
– ein Satz von auswählbaren Widerständen,

und einen Messstromkreis, zu welchem gehören:

– ein Nebenschlusswiderstand, um den Brennstoffzellenstrom in ein Spannungssignal umzuwandeln,
– Differenzverstärker für die Strom- und Spannungssignale,
– ein Datenerfassungssystem, welches die Spannungs- und Stromsignale aufnimmt, die von den Differenzverstärkern erhalten werden.

Wie bereits weiter oben angeführt worden ist, wird wegen des niedrigen Innenwiderstandes von Brennstoffzellen ein Impuls hoher Stromstärke benutzt, um eine hohe Messgenauigkeit zu erzielen. Dieses Merkmal ist von großer Bedeutung für die Anwendung auf die Prüfung einer einzelnen Brennstoffzelle, wo niedrige Spannungswerte vorliegen.
Die von der zu prüfenden Brennstoffzelle selbst erzeugte Leistung wird für diesen Zweck genutzt, indem aus der Leerlaufbedingung heraus ein zeitweiliger Kurzschluss hervorgerufen wird. Die Dauer des Kurzschlusses muss lang genug sein, um das Ende des Reaktanzeffekts auf das Antwortverhalten abzuwarten, und gleichzeitig kurz genug sein, um Zellschäden und das Auftreten von elektrochemischen Erscheinungen wie beispielsweise Polarisierung oder Diffusion zu vermeiden.
Für die Belange der Messung wurde ein typischer Bereich von 0,1–100 ms für geeignet gefunden. Wegen seiner hohen Schaltgeschwindigkeit wurde ein MOSFET-Modul mit niedrigen Widerstand, der mindestens ein MOSFET-Bauteil enthält, eingesetzt, um den steilsten Kurzschlussimpuls zu erhalten. Die Anzahl der MOSFET-Bauteile im Modul kann geändert werden, um die Impulslänge zu modifizieren.
Der MOSFET (Metalloxid-Silizium-Feldeffekttransistor) ist ein Bauteil, welches einen Strom zwischen zwei Anschlüssen (Source und Drain) unter Verwendung eines Steuerspannungsanschlusses (Gate) steuert. Das Bauteil nutzt den Feldeffekt, um in einem Substrat vom p-Typ einen Bereich vom n-Typ (oder umgekehrt) zu erzeugen.
Wenn man den Aufbau eines einfachen Kondensators unter Verwendung eines Substrats vom p-Typ einer Oxidschicht und eines Metallgitters betrachtet, so werden durch Anlegen eines positiven Potentials an das Gate (das Substrat ist geerdet) Elektronen vom Gate angezogen und stapeln sich in dem Feld unterhalb des Gate.
Bei einer bestimmten Spannung V_th, welche Schwellwertspannung genannt wird, wird der Bereich unter dem Gate genügend zusätzliche Elektronen aufweisen, so dass n > p ist, und das Material wird vom n-Typ sein und nicht mehr vom p-Typ. Das Oxid ist sehr wichtig, da es den Stromfluss in Richtung auf das Gate stoppt und die Elektronen zwingt, sich unterhalb des Gate „aufzustapeln" und das Material zu einem solchen vom n-Typ zu machen.
Bei diesem grundsätzlichen MOSFET-Aufbau wird der Kondensatoraufbau mit Bereichen vom n-Typ, die sich an jedem Rand befinden und als Sourcezone und Drainzone bekannt sind, benutzt. Die grundsätzliche Wirkungsweise dieses Bauteils besteht darin, das Gate mit V_G > V_th vorzuspannen und einen Bereich vom n-Typ zwischen der Sourcezone und der Drainzone zu bilden. Dies ergibt zwischen der Source- und Drainzone vom n-Typ einen einfachen Pfad vom n-Typ für den Elektronenfluss. Es soll noch angemerkt werden, dass ohne die Ausbildung des Kanals zwei antiparallel geschaltete Dioden ausgebildet sind, die nicht zulassen, dass ein merklicher Strom fließt.
Die Ausbildung dieses Kanals liefert zwischen der Sourcezone und der Drainzone einen einfachen, einen Widerstand aufweisenden Pfad. Die Stärke des Kanals ist eine Funktion des Unterschieds zwischen dem Gate-Potential und dem Potential im Substrat in der Nähe des Feldbereichs.
Wenn man zwischen der Sourcezone und der Drainzone eine Spannung anlegt und somit einen Stromfluss bewirkt, wird die Sourcezone typischerweise geerdet und die Drainzone mit V_DS vorgespannt. Die Möglichkeit, die Stärke des Kanals unter Verwendung des Gate-Potentials zu ändern, liefert ein Mittel zur Steuerung des Stroms von der Source zur Drain, so dass vom Grunde her ein spannungsgesteuerter Widerstand ausgebildet werden kann.
Ein Umstand ist anzumerken, dass das Anlegen einer Drain-Spannung das Potential des Bereichs des Substrats im Feldbereich in der Nähe des Drainzone erhöht. Dies führt an jenem Ende zu einem dünneren Kanal (in dem Maße, wie das Potential des Gate zu dem des Substrats herabgesetzt wird).
Eine neue Bedingung entsteht, wenn die Drain-Spannung wesentlich erhöht wird (V_DS > V_DS,sat, wobei V_DS,sat die Sättigungsspannung genannt wird. Die Drain-Spannung wird hoch genug, damit das Potential des Gate zu dem des Substrats an der Drainzone kleiner als der Schwellwert wird. Daher geht an diesem Ende die Kanalstärke gegen Null. Dies wird Abschnüren genannt.
Von der elektrischen Seite her bedeutet der Effekt des Abschnürens, dass der Kanal nicht länger als einfacher Widerstand wirkt. Der Strom I_DS wird zu einem Festwert in der Höhe unmittelbar vor dem Abschnüren.
Daher lauten die Gleichungen für den MOSFET:

– Triodenbereich: V_GS > V_th, V_DS < V_DS,sat IDS = I0[(VGS – Vth)VDS – V2 DS/2]wobei der Ausdruck V²D_S/2 das Einengen des Kanals im Gate-Bereich berücksichtigt, während sich V_DS dem Wert V_DS,sat nähert.
– Sättigungsbereich: V_GS > V_th, V_DS > V_DS,sat Es lässt sich zeigen, dass VDS,sat = VGS – Vth und IDS,sat = I0(VGS – Vth)2/2

Bei Sättigung wirkt der MOSFET wie ein nichtlinearer spannungsgesteuerter Strom.
Der MOSFET-Modul ist gekennzeichnet durch ein sehr schnelles Antwortverhalten auf das Treibersignal, also seine Fähigkeit, des Stromkreis sehr schnell zu schließen und zu öffnen. Es ist auch wichtig, dass der MOSFET-Modul einen niedrigen Widerstand aufweist, weil hohe Ströme bei niedriger Spannung erwünscht sind.
Ein weiteres wichtiges Merkmal dieser Komponente besteht darin, dass es aktiviert bleibt, selbst wenn eine sehr niedrige Spannung anliegt. Insbesondere kann der MOSFET-Modul bei einer Spannung unter 0,5 V arbeiten. Dieser Spannungswert ist unter Verwendung der verschiedenen elektronischen Bauteile wie BJT, GTO, IGBT, die bei herkömmlichen Vorrichtungen für ähnliche Anwendungsfälle zum Einsatz gelangen, nicht erreichbar. Die Grenze kommerzieller Vorrichtungen, Messungen erst bei höheren Spannungen auszuführen, wird durch diese Erfindung ausgeschaltet.
Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst das System eine elektronische Last und eine Einheit zur Messung und zur Datenerfassung. Die Erstere, veranschaulicht in 1, weist eine Eingangseinheit auf, die einen Impuls mit einstellbarer Impulslänge erzeugt. Als Nächstes ist ein Treiber vorhanden, welcher den Eingangsimpuls zum Ansteuern des MOSFET passend gestaltet. Dieser bewirkt schließlich den Kurzschluss in der Brennstoffzelle.
Der Einsatz einer stromgetriebenen oder spannungsgetriebenen elektronischen Last wurde verworfen, da diese eine Rückkopplung auf den Stromkreis hervorruft, welche die Messung am Ausgang beeinträchtigt. Daher wird der Widerstandswert festgehalten, und sowohl Strom als auch Spannung werden gemessen.
Die Geschwindigkeit des Antwortverhaltens des Stromkreises, welcher einer RLC-Reihenschaltung äquivalent ist, hängt von seinem Gesamtwiderstand ab. Je höher der Widerstandswert ist, um so niedriger ist die Zeitkonstante des Stromkreises und folglich der Reaktanzeffekt auf das Antwortverhalten. Um dieses Merkmal zu verbessern, liegt mit der Brennstoffzelle ein Satz von auswählbaren Nebenschlusswiderständen in Reihe.
Auf alle Fälle verringert ein hoher Widerstand den Strom und folglich die Genauigkeit der Messung.
Daher muss der Widerstandswert als Kompromiss zwischen der gewünschten Schnelligkeit des Antwortverhaltens und der Genauigkeit ausgewählt werden. Alle Anschlüsse und Widerstände werden so ausgewählt, dass sie eine geringe Induktivität aufweisen. Die Lastelemente sind an ein Sicherheitssystem angeschlossen, welches den Strom begrenzt, sobald die örtlichen Temperaturen zu hoch werden.
Um den gewünschten Wert des Innenwiderstandes zu erhalten, wird dann die Brennstoffzelle an die Messapparatur angeschlossen.
2 stellt ein vereinfachtes Schaltbild dieser Messschaltung dar. Hier wird ein Nebenschlusswiderstand benutzt, um den Wert des Stromes über die Spannungsmessung an seinen Enden zu erhalten. Dieser Wert wird mit Hilfe eines Differenzverstärkers an ein Datenerfassungssystem geschickt. Die Spannung wird indessen an den beiden Enden der Brennstoffzelle direkt gemessen, und wie auch für das Stromsignal sendet auch in diesem Fall ein Differenzverstärker das Spannungssignal an das Erfassungssystem.
Aktive Differentialsonden sind in allen Signalanschlüssen vorhanden, um das Umgebungsrauschen bzw. die Umgebungsgeräusche herabzusetzen. Sie müssen auch das Signal verstärken (typischerweise ist der Verstärkungsgrad größer als 10), weil im Unterschied zur üblichen Anwendung die zu übertragenden Quellspannungen niedrig sind.
Das beschriebene System kann auch zur Bewertung des Brennstoffzellenverhaltens angewendet werden, wenn es an einen Wechselrichter angeschlossen wird. Für diesen Zweck kann eine Reihe von Stromimpulsen in der Brennstoffzelle erzeugt werden, wobei das Ein/Aus-Verhältnis und die Betriebsfrequenz von der Bedienperson in einem weiten Bereich eingestellt werden können.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist durch die Tatsache gegeben, dass normalerweise die Antriebsenergie, die für den Schritt des Stromübergangs benötigt wird, von einer externen Quelle stammt. Dies macht das ganze System kompliziert und bringt mehrere Probleme hinsichtlich der Optimierung der Wirksamkeit des Vorgangs mit sich. Bei dem vorliegenden System kann dagegen die innere Energie, die in der Brennstoffzelle verfügbar ist, genutzt werden.

Claims

Apparatur zur Messung des gesamten Innenwiderstandes von Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln, wobei diese Apparatur ein elektronisches Belastungssystem umfasst, zu welchem gehören: – eine Eingangseinheit, welche einen Eingangsimpuls erzeugt, – ein Treiber zur Steuerung des Eingangsimpulses, – ein MOSFET-Modul, welcher mindestens ein MOSFET-Bauteil zur Erzeugung eines Kurzschlusses in einer Brennstoffzelle enthält, – ein Satz von auswählbaren Widerständen, die mit dem MOSFET in Reihe geschaltet sind, sowie einen Messstromkreis, zu welchem gehören: – ein mit dem Satz von Widerstanden in Reihe liegender Nebenschlusswiderstand, um den Brennstoffzellenstrom in ein Spannungssignal umzuwandeln, – Differenzverstärker für die Strom- und Spannungssignale, – ein Datenerfassungssystem, welches die von den Differenzverstärkern erhaltenen Spannungs- und Stromsignale aufnimmt.
Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte MOSFET-Modul Kurzschlussimpulse von 0,1 bis 100 ms Dauer erzeugt.
Apparatur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Satz von auswählbaren Widerständen mit der Brennstoffzelle in Reihe geschaltet ist.
Apparatur nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aktive Differentialsonden in allen Signalleitungen enthalten sind, um das Rauschen bzw. die Umgebungsgeräusche zu senken.
Apparatur nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Verbindungen und Widerstände eine geringe Induktivität aufweisen.
Apparatur nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastelemente an ein Sicherheitssystem angeschlossen sind, welches den Strom begrenzt, wenn die örtlichen Temperaturen zu hoch werden.
Verfahren zur Messung des gesamten Innenwiderstandes von Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln, welches die folgenden Schritte umfasst: – Erzeugung eines Eingangsimpulses, – Hervorrufen eines Kurzschlusses in der Brennstoffzelle mittels eines MOSFET-Moduls, – Durchführung der Potentialmessung der Zelle zur Berechnung des Widerstandes, wenn der Stromkreis geschlossen wird, – Gewinnung des Zellenstromsignals mittels eines Nebenschlusswiderstandes, – Übermittlung des Spannungs- und Stromsignals an ein Datenerfassungssystem.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktanzeffekt auf das Antwortverhalten durch einen Satz von Widerständen verbessert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der MOSFET-Modul selbst beim Anliegen der Spannung einer einzigen Brennstoffzelle aktiv bleibt.
Verfahren nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einflüsse des Rauschens auf die Messfehler durch die erhaltene hohe Stromstärke vermindert werden.
Verfahren nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Stromimpulsketten erzeugt werden, deren Ein/Aus-Verhältnis und Betriebsfrequenzen durch die Bedienperson eingestellt werden können.