EP1155469A1 - Stromquelle mit in serie geschalteten zellen - Google Patents

Stromquelle mit in serie geschalteten zellen

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EP1155469A1
EP1155469A1 EP00909036A EP00909036A EP1155469A1 EP 1155469 A1 EP1155469 A1 EP 1155469A1 EP 00909036 A EP00909036 A EP 00909036A EP 00909036 A EP00909036 A EP 00909036A EP 1155469 A1 EP1155469 A1 EP 1155469A1
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diodes
fuel cells
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Forschungszentrum Juelich GmbH
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a current source consisting of a plurality of cells which are electrically connected in series. Electricity is generated or provided by the individual cells.
  • Examples of devices of the type mentioned at the outset are a plurality of batteries connected in series or a plurality of fuel cells connected in series, that is to say a fuel cell stack.
  • a fuel cell has a cathode, an electrolyte and an anode.
  • the cathode becomes an oxidizing agent, e.g. B. air and the anode becomes a fuel, e.g. B. supplied hydrogen.
  • the SOFC fuel cell is also called a high-temperature fuel cell because its operating temperature is up to 1000 ° C.
  • oxygen ions form on the cathode of a high-temperature fuel cell.
  • the oxygen ions pass through the electrolyte and recombine on the anode side with the hydrogen from the fuel to form water.
  • the recombination releases electrons and thus generates electrical energy.
  • the operating temperature of a PEM fuel cell is approximately 80 ° C.
  • Protons are formed on the anode of a PEM fuel cell in the presence of the fuel using a catalyst. The protons pass that Electrolytes and combine on the cathode side with the oxygen from the oxidizing agent to form water. Electrons are released and electrical energy is generated.
  • Several fuel cells are usually electrically and mechanically connected to one another by connecting elements to achieve high electrical outputs.
  • An example of such a connecting element is the bipolar plate known from DE 44 10 711 C1. Using bipolar plates, fuel cells stacked one above the other and electrically connected in series are produced. This arrangement is called a fuel cell stack.
  • methane or methanol can be provided as fuel.
  • the fuels mentioned are by reforming or oxidation u. a. converted to hydrogen or hydrogen-rich gas.
  • the individual cells of a power generation device are PEM fuel cells and a single fuel cell falls e.g. B. due to a malfunction of an operating fluid supply
  • the current flowing through the electrolysis membrane decomposes the water contained in the membrane to hydrogen and oxygen.
  • the oxygen emerges on the anode side and the hydrogen on the cathode side.
  • oxygen reaches the anode compartments of the other cells via feed lines.
  • Mixed potentials arise.
  • Sow material recombines with the hydrogen generated on the anode side. In this way, the generation of electricity in neighboring fuel cells is reduced and finally stopped.
  • the failure of a fuel cell in a series connection of fuel cells can thus poison other fuel cells. Overall, the performance of such a fuel cell stack is significantly reduced.
  • the object of the invention is to provide a device and to specify a use in which power losses which can be attributed to the defect of an individual cell in a series connection are minimized in a simple, inexpensive and low-volume manner.
  • the object of the invention is achieved by a device with the features of the main claim and by a
  • diodes are connected in parallel to individual cells.
  • the diodes are like this polarized that the current flow through the diodes is possible in the normal direction.
  • the normal direction is understood to mean the flow direction which is provided during the operation of an intact power generation device.
  • the diodes are switched so that there is no short circuit.
  • Each individual cell advantageously has a diode connected in parallel in order to achieve maximum success.
  • the provision of a diode is required to make one
  • the diode has a low ohmic resistance. During trouble-free operation of the device, the current flows through the individual cells, since these do not have an electrical resistance, but one
  • the device remains as powerful as possible with comparatively simple means even in the event of a fault.
  • symptoms of poisoning from neighboring cells as can occur in a fuel cell stack, are avoided.
  • the cells are fuel cells, since such a device not only prevents losses in performance due to ohmic resistances, but also prevents the occurrence of poisoning. In the case of a fuel cell stack is consequently have a particularly great performance-preserving effect.
  • a device according to the claims is used, for example, in mobile devices such as portable computers, portable lamps and the like, since special attention must be paid to light weight and volume.
  • a plurality of fuel cells 1 are electrically connected to one another in series.
  • a diode 2 is connected in parallel to each fuel cell 1 in such a way that the current I generated by the fuel cells cannot cause a short circuit.

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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. 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

B e s c h r e i b u n g
Stromquelle mit in Serie geschalteten Zellen
Die Erfindung betrifft eine Stromquelle, bestehend aus mehreren, elektrisch in Serie geschalteten Zellen. Durch die einzelnen Zellen wird Strom erzeugt oder bereitgestellt . Beispiele für Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind mehrere in Serie geschaltete Batterien oder mehrere 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 Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.
Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, so beispielsweise die SOFC-Brennstoffzelle aus der Druck- schrift DE 44 30 958 Cl sowie die PEM-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 Cl .
Die SOFC-Brennstoffzelle wird auch Hochtemperaturbrennstoffzelle 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 passieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite 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 eines 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 elektrische Energie erzeugt . Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzielung großer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Ein Beispiel für ein solches verbindendes Element stellt die aus DE 44 10 711 Cl bekannte bipolare Platte dar. Mittels bipolarer Platten entstehen übereinander gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoffzellen. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel genannt .
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 geschalteten 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 Vorrichtung verringert sich entsprechend.
Handelt es sich bei den einzelnen Zellen einer Stromerzeugungsvorrichtung 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 Sauerstoff. 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 erzeugten Wasserstoff. Auf diese Weise wird die Stromerzeugung auch in benachbarten Brennstoffzellen reduziert und schließlich gestoppt. Durch den Ausfall einer Brennstoffzelle in einer Serienschaltung von Brennstoffzellen können also weitere Brennstoffzellen vergiftet werden. Insgesamt wird die Leistungsfähigkeit eines solchen Brennstoffzellenstapels erheblich reduziert . Bei Brennstoffzellen ist zur Lösung eines solchen Problems gemäß der Druckschrift DE 197 466 16 AI vorgesehen, eine einzelne Brennstoffzelle im Schadensfall zu überbrücken. Hierfür werden entsprechende elektrische Schaltmittel bereitgestellt . Nachteilhaft ist diese vorgeschlagene Lösung technisch aufwendig, verursacht hohe Kosten und erfordert die Bereitstellung eines entsprechenden Volumens für die elektrischen Schaltmittel. Die Bereitstellung von Volumen und hiermit einhergehend von Gewicht ist insbeson- dere im mobilen Einsatz sehr nachteilhaft.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung sowie die Angabe einer Verwendung, bei der einfach, preiswert und mit geringem Volumenaufwand Lei- stungsverluste minimiert werden, die auf den Defekt einer einzelnen Zelle in einer Serienschaltung zurückzuführen 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 Unteransprüchen.
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 einer intakten Stromerzeugungsvorrichtung vorgesehen ist . Die Dioden sind also so geschaltet, daß kein Kurzschluß entsteht .
Vorteilhaft weist jede einzelne Zelle eine parallel geschaltete Diode auf, um den maximalen Erfolg herbeizuführen . 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 Vorrichtung 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 vergleichsweise 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 Einrichtung nicht nur Leistungsverluste aufgrund von Ohmschen 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 erhältlich. Mit relativ geringem Aufwand kann die Erfindung 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 skizziert. Mehrere Brennstoffzellen 1 sind seriell miteinander elektrisch verbunden. Zu einer jeden Brennstoffzelle 1 ist je eine Diode 2 so parallel geschaltet, daß der von den Brennstoffzellen erzeugte Strom I keinen Kurzschluß verursachen kann.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Stromquelle mit elektrisch in Serie geschalteten Zellen (1) , gekennzeichnet durch Dioden (2) , die zu den Zellen (1) parallel so geschaltet sind, daß kein Kurzschluß der Zellen durch die Dioden verursacht wird.
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 .
. Stromquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Bestandteil einer mobilen Vorrichtung.
5. Verwendung einer Stromquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer mobilen Vorrichtung.
EP00909036A 1999-02-20 2000-02-15 Stromquelle mit in serie geschalteten zellen Withdrawn EP1155469A1 (de)

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