FR2535117A1 - cell protection circuit fuel - Google Patents

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David Errickson Dickey
Peter Wood
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Abstract

A.CIRCUIT DE PROTECTION DE CELLULE A COMBUSTIBLE.</P><P>B.CIRCUIT ET SYSTEME COMPRENANT UNE CELLULE A COMBUSTIBLE 22 AVEC EN PARALLELE UNE RESISTANCE DE PROTECTION 44 ET UN THYRISTOR 42, LE THYRISTOR 42 ETANT COMMANDE PAR UN MOYEN 46 DETECTANT LA TENSION ET GENERANT UN SIGNAL DE COMMANDE, AINSI QU'UN MOYEN DE COUPURE 48 POUR LA CELLULE.</P><P>C.L'INVENTION CONCERNE LES CELLULES A COMBUSTIBLE. A.CIRCUIT FUEL CELL PROTECTION. </ P> <P> B.CIRCUIT AND SYSTEM INCLUDING FUEL CELL WITH 22 IN PARALLEL RESISTANCE PROTECTION THYRISTOR 44 AND 42, THE BEING CONTROLLED THYRISTOR 42 MEANS 46 SENSING THE VOLTAGE AND gENERATING A CONTROL SIGNAL AND A CUT THROUGH 48 TO CELL. </ P> <P> C.L'INVENTION RESPECT TO fUEL CELL.

Description

Circuit de protection de cellule à combustible ". cell protection circuit to fuel ".

La présente invention concerne un circuit de pro- The invention relates to a circuit pro-

tection de cellule à combustible et notamment un circuit de protection pour commander un groupe de cellules à combustible branchées en parallèle et en particulier pour protéger les cellules à combustible au cours d'opérations cell detection fuel including a protection circuit for controlling a group of fuel cells connected in parallel and in particular to protect the fuel cell during operations

de démarrage, d'arrêt et pour les phases transitoires. Start, stop and for the transient phases.

Les cellules ou piles à combustible donnent du courant continu avec des caractéristiques de tension et d'intensité qui peuvent varier selon un grand nombre de facteurs tels que le combustible (pression, quantité ettype) de l'oxydant (pression et quantité) de l'âge de la cellule Cells or fuel cells provide direct current with voltage and intensity which vary according to many factors such as the fuel (pressure, amount ettype) of the oxidant (pressure and amount) of the age of the cell

à combustible, de la température de la cellule à combus- fuel, temperature of the cell to combus-

tible etc Lorsque plusieurs cellules à combustible sont branchées en parallèle sur une ligne de courant continu, une certaine cellule à combustible peut être endommagée si elle subit des tensions transitoires extrêmes Les dispositifs de connexion doivent être dimensionnés pour tible etc. When several fuel cells are connected in parallel to a DC power line, a certain fuel cell may be damaged if it undergoes extreme transients Connecting devices must be dimensioned for

couper le courant correspondant à un court-circuit perma- cutting the current corresponding to a permanent short-circuit

nent Dans les conditions accidentelles, les courants NEET in accident conditions, currents

très élevés peuvent se produire pendant quelques millise- very high may occur for a few millise-

condes Il faut donc un moyen pour protéger chaque cellule onds So you need a way to protect each cell

contre un accident au cours de tels phénomènes transi- against an accident during transitions such phenomena

toires. tories.

En outre, il peut être nécessaire de faire l'entre- In addition, it may be necessary to Entre

tien d'une cellule sans couper la ligne d'alimentation de tension continue Il faut donc un moyen permettant de débrancher et de rebrancher chaque cellule à combustible sans agir sur la ligne générale de tension continue Le courant continu et les ondes de tension n'ont pas de point de passage à zéro, naturel comme les courbes de tien a cell without cutting the continuous voltage supply line and must therefore means for disconnecting and reconnecting each fuel cell without affecting the general line DC voltage and the DC voltage waveforms have no point of zero crossing, as the natural curves of

courant alternatif et cela complique leur coupure Lors- alternating current and this complicates their cut Lors-

que les contacts d'un commutateur de courant continu s'ou- that the contacts of a DC switch or-

vrent, on éteint l'arc qui se forme et le courant qui passeen procédant de trois manières: vrent it off the arch is formed and the current proceeding passeen three ways:

( 1) en augmentant la longueur de l'arc et en le refroi- (1) by increasing the arc length and the cooled

dissant, ( 2) en envoyant des impulsions antagonistes (injection d'une impulsion de courant de polarité opposée à travers les contacts) pour créer un état de zéro momentané, ( 3) en coupant le passage du courant en un autre point du circuit. dissant, (2) sending pulses antagonists (injection of one polarity of current pulse of opposite through the contacts) to create a state of momentary zero, (3) cutting the flow of current in another circuit point. Les commutateurs à coupure mécanique commandés manuellement ou par des moteurs permettent facilement d'effectuer la fermeture et les fonctions de traitement de puissance nécessaires mais ils sont lents et ne peuvent être dimensionnés pour les conditions d'interruption de The mechanical cutoff switches controlled manually or by motors permit to do the closing and processing power necessary functions but they are slow and can not be sized to the conditions for interrupting

charge de courant continu, particulières. Load DC special.

Les disjoncteurs de circuits alternatifs sont par- Circuit breakers alternative circuits are par-

fois utilisés pour une alimentation de tension continue. When used for continuous voltage supply.

Dans ce cas, il faut effectuer des essais particuliers In this case, carry out special tests

pour déterminer les possibilités de traitement de la ten- to identify opportunities for treatment of ten-

sion continue dans l'application particulière Certaines données sont disponibles pour les petits disjoncteurs de circuit mais il n'en existe aucune pour des puissances importantes. sion continues in the particular application Some data are available for small circuit breakers but none exists for significant powers. Un disjoncteur de tension continue monopolaires pour une intensité de 4000 Ampères sous une tension de 3000 volts en continu est fabriqué en Europe par AEG Telefunken, mais de tels calibrages sont plus élevés que A monopolar DC breaker for a current of 4000 amps at a voltage of 3000 volts DC is manufactured in Europe by AEG Telefunken, but such calibrations are higher than

nécessaire et les calibrages de tension sont plus faibles. necessary and voltage calibrations are lower.

Il faudrait des circuits de déclenchement et de commande particuliers, si bien que de tels disjoncteurs connus ne It would trigger circuits and individual control, so that such known circuit breakers

constituent pas la solution idéale. not the ideal solution.

La présente invention a pour but de remédier à ces The present invention aims to remedy these

inconvénients et concerne à cet effet un circuit de pro- disadvantages and concerns for this purpose a circuit pro-

tection de cellule à combustible comportant un détecteur de tension et un générateur de signal pour détecter la tension de sortie de la cellule à combustible et générer un signal correspondant, une charge de protection et un moyen de branchement d'une charge recevant le signal pour cell detection in fuel comprising a voltage detector and a signal generator for detecting the cell output voltage of fuel and generating a corresponding signal, a load protection and connection means of a load receiving the signal for

brancher la charge de protection sur la cellule à combus- connect the protection load on the cell combus-

tible lorsque la tension de sortie de la cellule atteint tible when the cell output voltage reaches

un niveau prédéterminé, de façon à limiter toute excur- a predetermined level, so as to limit any excur-

sion en surtension de la cellule de combustible en créant sion overvoltage of the fuel cell by creating

un chemin de courant pour la sortie de la cellule à com- a current path for the cell output to com-

bustible. COMBUSTIBLE. La présente invention concerne également un circuit de protection d'un système à cellule à combustible avec un détecteur de tension et un générateur de signal pour détecter la tension de sortie de la cellule à combustible The present invention also relates to a protection circuit of a fuel cell system with a voltage detector and a signal generator for detecting the output voltage of the fuel cell

et générer un signal correspondant, une charge de protec- and generating a corresponding signal, a protective filler

tion et un moyen de branchement d'une charge recevant le signal pour brancher la charge de protection sur la cellule à combustible lorsque la tension de sortie de la cellule à combustible atteint un niveau prédéterminé, de façon à limiter l'excursion en surtension de la cellule à combustible en créant un chemin de courant pour la tion and a load connection means receiving the signal to connect the protection load on the fuel cell when the output voltage of the fuel cell reaches a predetermined level, so as to limit the voltage excursion of the fuel cell by creating a current path for the

sortie de la cellule à combustible. output of the fuel cell.

La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: The present invention will be described in more detail in the accompanying drawings, wherein:

la figure 1 est un schéma-bloc d'un poste de - Figure 1 is a block diagram of a station -

puissance à cellule à combustible, classique. cell to power fuel cells, vector.

la figure 2 représente les courbes caractéristi- 2 shows the curves charac-

ques tension/intensité d'une cellule à combustible classi- c voltage / current of a conventional fuel cell

que. than. la figure 3 est un schéma d'un système de cellule Figure 3 is a diagram of a cell system

à combustible. fuel.

Selon la figure 1, schématiquement un poste d'alimen- According to Figure 1 schematically a post SUPPLY TERMINAL

tation à cellules à combustible 20, caractéristique, com- fuel cell tation 20, feature, com-

porte des modules de cellule à combustible 22 branchés en parallèle sur une ligne de tension continue 24 La ligne 24 est reliée à un convertisseur courant continu/ courant alternatif qui peut être un inverseur 26 comme cela est connu L'inverseur 26 est lui-même relié à un transformateur 28 qui fournit le courant alternatif à gate cell modules fuel 22 connected in parallel to a DC voltage line 24 The line 24 is connected to a DC / AC converter may be an inverter 26 as is known The inverter 26 is itself connected a transformer 28 that provides alternating current

un ensemble de câbles 30 triphasés, de haute tension. a set of 30 three-phase cables, high voltage.

Un module 22 de cellule à combustible, distinct A module 22 for fuel cell, separate

peut de façon caractéristique fournir en sortie 350 ampè- may typically outputting 350 ampè-

res sous une tension continue de 1100 volts Comme repré- res under a DC voltage of 1100 volts, as represented

senté à la figure 1, il y a deux ensembles 32, 34 de dix modules à cellule à combustible 22, un coté étant relié à la masse commune 36 pour chaque ensemble 32, 34 Cela donne une tension continue de 2200 volts pour l'inverseur 26 avec une capacité correspondant à une intensité de sented in Figure 1, there are two sets 32, 34 of ten fuel cell modules 22, one side being connected to the common ground 36 for each set 32, 34 This provides a DC voltage of 2200 volts to the inverter 26 with a capacity corresponding to an intensity of

3500 ampères. 3500 amps.

La figure 2 montre un ensemble de courbes caracté- Figure 2 shows a set of curves character-

ristiques tension (E) /intensité (I) pour une cellule à combustible caractéristique Chacune des courbes A, 0, C, D et E représente la relation tension/intensité pour une teristics voltage (E) / intensity (I) for a fuel cell characteristic curves each of A, 0, C, D and E represents the voltage relationship / intensity for a

combinaison particulière de caractéristiques de combusti- particular combination of characteristics combusti-

ble et d'oxydant La forme caractéristique de chacune des ble and oxidant The shape characteristic of each of

courbes peut varier suivant que le combustible et l'oxy- curves may vary depending on whether the fuel and oxy

dant sont fournis à la cellule à combustible sous des pressions, des températures et des quantités différentes en général, la courbe monte de la droite vers la gauche ing are supplied to the fuel cell at pressures, temperatures and various amounts in general, the curve rises from the right to left

à partir d'un point d'ordonnée zéro. from an ordinate datum.

Il est intéressant de remarquer les points particu- It is interesting to note the points particu-

liers suivants: Aucune des tensions de charge n'est élevée, de façon caractéristique de 60 à 70 pourcent de plus que la following rams: No charge voltages is high, typically 60 to 70 percent more than the

2535117. 2535117.

tension de fonctionnement normale. normal operating voltage.

L'intensité de sortie atteint une limite de façon caractéristique 60-80 pourcent de plus que le courant The output current reaches a limit of typically 60-80 percent more than the current

de fonctionnement normal. normal operation.

Lorsque le débit de gaz (air et combustible) est réduit et que la quantité de gaz laissée dans une When the gas flow (air and fuel) is reduced and the amount of gas left in a

cellule diminue, la tension et l'intensité diminue- cell decreases, the voltage and current diminue-

ront. inclusion. * Une diminution du rapport combustible/air a le même * A decrease in the fuel / air ratio has the same

effet que la diminution des deux portionnellement. effect that the reduction of both proportionately.

Lorsque la température et la pression dans la cellule diminuent, le signal de sortie fourni par la cellule diminue. When the temperature and the pressure in the cell decreases, the output signal provided by the cell decreases. La figure 2 montre la plage de fonctionnement F dans laquelle la cellule à combustible est légèrement 2 shows the operating range F where the fuel cell is slightly

chargée et sa tension de sortie est relativement élevée. loaded and its output voltage is relatively high.

Le fonctionnement soutenu dans de telles conditions en- The supported operation in such conditions in-

dommage la cellule à combustible et doit pour cela être évité. damage the fuel cell and must for that to be avoided.

Dans des conditions transitoires telles qu'un court- In transient conditions such as short-

circuit sur la sortie, des courants très élevés ( 15 à 20 fois ceux correspondant à la charge maximale) peuvent se circuit on the output, very high currents (15 to 20 times those corresponding to the maximum load) can

produire pendant quelques millisecondes. produce for a few milliseconds.

Selon la figure 3, on voit qu'un module de cellule 22 est branché entre une ligne de tension continue 24 et la masse 36 De même, il y a une diode de blocage 38 et un commutateur de coupure 40 branchés en série avec le According to Figure 3, it is seen that cell module 22 is connected between a direct voltage line 24 and the mass 36 Similarly, there is a blocking diode 38 and a cut-off switch 40 connected in series with the

module 22 de la cellule à combustible sur la ligne de ten- module 22 of the fuel cell on the line ten-

sion continue 24 ainsi qu'un thyristor 42 et une charge résistive 44 en série, l'ensemble étant en parallèle sur le module à cellule à combustible 22 Le thyristor 42 est commandé par un moyen 46 détectant la tension et générant un signal comme cela est bien connu Ce moyen 46 détectant la tension et générant un signal peut également donner continuous sion 24 and a thyristor 42 and a resistive load 44 in series, the assembly being in parallel with the cell module 22 to fuel The thyristor 42 is controlled by a means 46 for detecting the voltage and generating a signal as is This well-known means 46 detects the voltage and generating a signal may also give

un signal au moyen de coupure 48 de la cellule à combus- a signal to the cut-off means 48 of the cell combus-

2535117. 2535117.

tible pour interrompre l'alimentation en combustible ou en oxydant ou les deux pour le module 22 de la cellule à combustible. tible for interrupting the supply of fuel or oxidant or both to the module 22 of the fuel cell. Pour un module de cellule à combustible 22 dont les caractéristiques sont de 350 ampères pour 1100 V de ten- sion continue, les composants représentés à la figure 3 sont choisis de façon caractéristique comme suit: 1) diode 38: 700 ampères sous une tension continue de 2000 volts; For a fuel cell module 22 whose characteristics are 350 amps for 1100 V dc, the components shown in Figure 3 are selected typically as follows: 1) Diode 38: 700 Amps at a DC voltage 2000 volts; 2) thyristor 42: 70 ampères sous une tension continue de 2000 volts; 2) thyristor 42: 70 amps under a DC voltage of 2000 volts; 3) disjoncteur 40: 350 ampères en continu; 3) CB 40: 350 amps continuously; tension d'attente 2000 volts en continu; voltage waiting 2000 volts DC; 4) Charge résistive 44: 16 ohms ou environ 1,0 kilowatt de charge pour un temps de coupure de cellule de 10 4) Resistive load 44: 16 ohms or about 1.0 kilowatt load for a cell switching time of 10

minutes à partir de l'arrêt d'alimentation en combus- minutes from the feed stop combus-

tible. tible. Le fonctionnement est le suivant: si la tension du module 22 de la cellule à combustible est inférieure à celle entre la ligne de tension continue 24 et la masse 36, la diode de blocage 38 évite que le module 22 de la cellule à combustible ne soit soumis au passage d'un courant inverse Comme il n'y a pas de passage de courant, le commutateur de coupure 40 peut être ouvert ou fermé sans qu'il ne se produise un arc Cela permet de mettre chaque module de cellule de combustible 22 en place ou The operation is as follows: If the voltage of module 22 of the fuel cell is less than that between the direct voltage line 24 and ground 36, blocking diode 38 prevents the module 22 from the fuel cell is submitted to the passage of a reverse current Since there is no current flow, the cut-off switch 40 can be opened or closed without occurring an arc This allows for each fuel cell unit 22 up or

de le mettre hors service sans couper la ligne d'alimen- to put off without cutting the line SUPPLY TERMINAL

tation 24 en tension continue Cet état de basse tension peut se réaliser intentionnellement en réduisant le débit de combustible et/ou l'oxydant alimentant le module 22 de la cellule à combustible ou encore accidentellement dans le cas d'un incident dans le module 22 lui-même, ce tion 24 with DC This low voltage state can be achieved intentionally by reducing the flow of fuel and / or oxidant supplied to the module 22 of the fuel cell or accidentally in the case of an incident in the module 22 it -even this

qui peut se traduire par un état de basse tension. which can result in a low voltage state.

Si la tension du module 22 de la cellule à combusti- If the voltage of module 22 of the cell combusti-

ble dépassait les limites acceptables, par exemple en cas ble exceeded acceptable limits, for example in case

2535117. 2535117.

disparition de la charge, le module 22 de la cellule à loss of load, 22 of the cell module

combustible donne une tension de sortie qui tend à aug- fuel gives an output voltage which tends to in-

menter à la valeur correspondant à l'ouverture du circuit pour le point particulier (voir figure 2) Cela diminue l'intensité, crée une haute tension et ne peut être évitée que par la coupure des gaz combustibles et de l'oxydant vers le module 22; Menter to the value corresponding to the opening of the circuit for the particular point (see Figure 2) This reduces the intensity, creates a high voltage and can only be avoided by switching the fuel gas and oxidant to the module 22; le combustible qui se trouve déjà the fuel which is already

dans le module 22 doit être utilisé ou être évacué instan- in the module 22 to be used or be evacuated instantaneous

tanément de manière différente En variante, on peut uti- taneously differently Alternatively, one can UTI

liser un commutateur électronique à grande vitesse tel qu'un thyristor 42 pour brancher une charge résistive 44 Liser a high-speed electronic switch such as a thyristor 42 to connect a resistive load 44

sur le module pour créer une charge suffisante pour main- on the module to create a sufficient charge for labor

tenir la tension à un niveau bas, acceptable jusqu'à ce que le combustible soit éliminé du module 22 A la figure 3, cette tension est détectée par le-moyen 46 qui détecte la tension et génère un signal commandant le thyristor-42 pour le rendre conducteur Cela permet au module 22 de générer du courant et de revenir sur la courbe (figure 2) au point de fonctionnement en sécurité En même temps, le moyen de coupure 48 de la cellule à combustible qui peut être constitué par des vannes commandées par des hold the voltage to a low, acceptable until the fuel is removed from the module 22 in Figure 3, this voltage is detected by the means 46, which detects the voltage and generates a signal controlling the thyristor 42 to the turning on This allows the module 22 to generate power and to return to the path (Figure 2) at the point of safe operation at the same time, the cut-off means 48 of the fuel cell which can be constituted by valves controlled by of the

bobines reioit un signal du module 46 détectant la ten- coils receives a signal module 46 detecting the ten-

sion et générant un signal, pour arrêter le débit de com- sion and generating a signal to stop the flow of com-

Lustible et d'oxydant alimentant le module 22 et mettant Lustible and oxidant supplied to the module 22 and putting

au repos ce module 22. break this module 22.

31 G Il Sng WOJ V 3 lnl 13 J VI 30 3 Undn OJ 30 N 3 AOW IVNDIS Nn 31 G It Sng WOJ lnl V 3 VI 30 3 13 J Undn OJ 30 N 3 AOW IVNDIS Nn

1 NVU 3 N 39 13 NOISN 31 VI INV 133130 N 3 ÀOW 1 NVU 3 N 39 13 31 VI NOISN INV 133 130 N 3 AOW

dn 3 l VWUOJSNVUI dn 3 l VWUOJSNVUI

8 N 35 U 3 ANI 8 N 35 U 3 ANI

9 i, T sz 9 zc zz 319 iisnswoi V 3 inl 13 DV 3 incow 3 Un 5 l A3 DN 383338 3 GN 3931 : 53 un Di A Xn V 533 SIlIin sinûm WON 533 N 3833 U 1 i L k SúSZ 9 i, T zc sz 9 zz 319 iisnswoi V 3 inl DV 13 3 incow 3 A 5 l A3 DN 383338 3 GN 3931: 53 a Di Xn A V 533 SIlIin sinum WON 533 N 3833 U 1 i L k Susz

Claims (1)

    REVENDICATIONS ) Circuit de protection de cellule à combustible caractérisé en ce qu'il comporte un moyen ( 46) détectant la tension et générant un signal pour détecter la tension de sortie et une cellule à combustible ( 22) et générer un signal correspondant, une charge de protection ( 44) et un moyen de branchement ( 42) de la charge de protec- tion ( 44) pour brancher cette charge de protection ( 44) sur la cellule à combustible ( 22) lorsque la tension de sortie de la cellule à combustible atteint un niveau prédéterminé, de façon à limiter toute excursion en sur- tension de la cellule à combustible en créant un chemin de courant pour la sortie de la cellule à combustible. CLAIMS) cell protection circuit fuel characterized in that it comprises means (46) detecting the voltage and generating a signal for detecting the output voltage and a fuel cell (22) and generating a corresponding signal, a filler protection (44) and a connection means (42) of the shielding filler (44) to connect this load protection (44) on the fuel cell (22) when the output voltage of the fuel cell reaches a predetermined level, so as to limit any overvoltage excursion of the fuel cell by creating a current path to the output of the fuel cell. ) Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de connexion ( 42) est un thyristor déclenché par un signal. ) Circuit according to claim 1, characterized in that the connection means (42) is a thyristor triggered by a signal. ) Circuit selon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit comporte un moyen de coupure ( 48) de la cellule à combustible ( 22) lorsque la tension de sortie de la cellule à combustible ( 22) atteint un niveau prédéterminé. ) Circuit according to any one of revendica- tions 1 or 2, characterized in that the circuit comprises a switching means (48) of the fuel cell (22) when the output voltage of the fuel cell (22) reaches a predetermined level. ) Système à cellules à combustible caractérisé en ce qu'il comporte une cellule à combustion ( 22), un moyen ( 46) détectant la tension et générant un signal pour détecter la tension de sortie de la cellule à com- bustible et générer un signal correspondant, une charge de protection ( 44), un moyen de branchement de charge ( 42) recevant le signal pour brancher la charge de protection ( 42) sur la cellule à combustible ( 22) lorsque la tension de sortie atteint un niveau prédéterminé de façon à limi- ter toute excursion de surtension de la cellule à combus- tible en créant un chemin de courant pour la sortie de la cellule à combustible ( 22), un moyen de coupure ( 48) de la cellule à combustible répondant à ce signal pour couper le fonctionnement de la cellule à combustible ( 22) 2535117 - lorsque la tension de sortie atteint un niveau prédéter- miné, une ligne reliée à la sortie de la cellule à combus- tible et un moyen ( 38) évitant le passage d'un co ) Fuel cell system characterized in that it comprises a combustion unit (22), means (46) detecting the voltage and generating a signal for detecting the cell output voltage and fuel to generate a signal corresponding protection load (44), a load connection means (42) receiving the signal to connect the shielding filler (42) on the fuel cell (22) when the output voltage reaches a predetermined level so ter to limiting any overvoltage excursion of the fuel cell by creating a current path to the output of the fuel cell (22), switching means (48) of the fuel cell corresponding to this signal to cutting operation of the fuel cell (22) 2535117 - when the output voltage reaches a predeter- mined level, a line connected to the output of the fuel cell and means (38) preventing the passage of a co urant inverse dans la cellule à combustible ( 22) lorsque la tension de la ligne ( 24) dépasse la tension de sortie de la cellule à combustible ( 22). reverse uring in the fuel cell (22) when the voltage of the line (24) exceeds the output voltage of the fuel cell (22). ) Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de branchement de charge ( 42) est un thyristor déclenché par un signal. ) System according to claim 4, characterized in that the load connection means (42) is a thyristor triggered by a signal.
  1. 60) Système selon l'une quelconque des revendica- 60) A system according to any one of revendica-
    tions 4 ou 5, caractérisé en ce que le moyen ( 38) évitant tions 4 or 5, characterized in that the means (38) avoiding
    le passage du courant inverse est une diode. the passage of reverse current is a diode.
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