FR2865069A1 - Fuel cell system useful in providing continuous power supply to electrical load, comprises electrical energy storage device(s) electrically connectible with and/or disconnectable from fuel cell stack by electronic switching element(s) - Google Patents
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Abstract
Description
DescriptionDescription
L'invention concerne un système de pile à combustible muni d'un empilement de cellules à combustible et d'au moins un dispositif d'accumulation d'énergie électrique qui peut être séparé et/ou raccordé électriquement à l'empilement de cellules à combustible par l'intermédiaire d'au moins un élément de commutation électronique, l'empilement de cellules à combustible étant refroidi. A fuel cell system having a fuel cell stack and at least one electrical energy storage device that can be separated and / or electrically connected to the fuel cell stack. via at least one electronic switching element, the stack of fuel cells being cooled.
Un système de pile à combustible de ce genre est décrit dans le document DE 101 25 106 Al. Le système de pile à combustible qui y est décrit est muni d'un commutateur de préférence électronique, au moyen duquel un flux de courant synchronisé peut être prélevé de l'empilement de cellules à combustible. A fuel cell system of this type is described in DE 101 25 106 A1. The fuel cell system described therein is provided with an electronic preference switch, by means of which a synchronized current flow can be taken from the stack of fuel cells.
Le réglage de l'empilement de cellules à combustible se fait de sorte que lorsqu'une valeur limite critique est atteinte, par exemple une tension minimale, une pression critique, une résistance interne prédéterminée ou autre, le courant sortant de l'empilement de cellules à combustible est interrompu par le commutateur pour empêcher la tension de chacune des piles à combustion ou de certaines d'entre elles de chuter en dessous d'une limite dommageable. De façon typique, une telle limite dommageable est de 0 Volt pour une tension de pile. Lorsque le flux de courant sortant de la pile à combustible est interrompu, l'alimentation en énergie du consommateur se fait à partir de l'accumulateur d'énergie électrique, ici une combinaison d'une batterie et d'un condensateur à grande capacité. La commutation modulée largeur d'impulsion impose à l'élément de commutation lui-même des contraintes très élevées, notamment pour les hautes fréquences, étant donné que les courants doivent généralement être commutés en charge et que la résistance interne de l'élément de commutation doit être maintenue la plus faible possible pour éviter une perte de puissance importante. The setting of the fuel cell stack is such that when a critical limit value is reached, for example a minimum voltage, a critical pressure, a predetermined internal resistance or the like, the current leaving the stack of cells The fuel switch is interrupted by the switch to prevent the voltage of each of the fuel cells or some of them from falling below a damaging limit. Typically, such a damaging limit is 0 volts for a battery voltage. When the flow of current leaving the fuel cell is interrupted, the power supply of the consumer is made from the electric energy accumulator, here a combination of a battery and a capacitor with large capacity. The modulated pulse width switching imposes very high stresses on the switching element itself, in particular for high frequencies, since the currents must generally be switched in load and the internal resistance of the switching element should be kept as low as possible to avoid significant loss of power.
Ce niveau d'exigence peut être atteint en utilisant des commutateurs à semi-conducteurs, par exemple sous forme de transistors à effet de champ à base de composants métal oxyde semi-conducteurs, couramment désignés MOS F.E.T. Les temps de commutation extrêmement courts des MOS F.E.T., et ce également en charge, permettent d'obtenir des fréquences de modulation d'impulsions en largeur élevées tout en enregistrant que des pertes de puissance modérées. De plus, de tels MOS F.E.T. supportent généralement des impulsions de courant extrêmement importantes, telles que celles qui se créent par exemple lorsque l'on utilise des accumulateurs intermédiaires à faible résistance, tel que le condensateur à grande capacité précédemment cité. This level of requirement can be achieved by using semiconductor switches, for example in the form of field effect transistors based on semiconductor oxide metal components, commonly referred to as MOS F.E.T. The extremely short switching times of the MOS F.E.T., and this also in load, make it possible to obtain high pulse width modulation frequencies while recording only moderate power losses. In addition, such MOS F.E.T. generally support extremely large current pulses, such as those created for example when low-resistance intermediate accumulators are used, such as the capacitance capacitor previously mentioned.
Malgré la perte de puissance relativement modérée de tels commutateurs électroniques, les courants et les puissances élevés produisent une quantité de chaleur relativement importante du fait des pertes de puissance. Devoir prévoir des mesures spécifiques pour évacuer cette perte de puissance se manifestant sous la forme d'énergie thermique est un sérieux inconvénient du système de piles à combustible déjà très complexe w par ailleurs. Despite the relatively moderate power loss of such electronic switches, high currents and powers produce a relatively large amount of heat due to power losses. Having to plan specific measures to evacuate this loss of power manifesting itself in the form of thermal energy is a serious drawback of the already very complex fuel cell system.
La température ambiante des commutateurs électroniques est relativement élevée, notamment dans les systèmes de piles à combustible qui tirent l'hydrogène nécessaire de systèmes de générateur de gaz, ce qui rend plus difficile le refroidissement par convection réalisé au moyen d'éléments de refroidissement et/ou de corps de refroidissement conventionnels. The ambient temperature of the electronic switches is relatively high, particularly in fuel cell systems that draw the necessary hydrogen from gas generator systems, which makes convection cooling by means of cooling elements more difficult. or conventional cooling bodies.
L'objectif de la présente invention est donc de créer une structure évitant les inconvénients susnommés et optimisant l'application de commutateurs électroniques dans 20 des systèmes de pile à combustible comme ceux présentés dans le préambule. The object of the present invention is therefore to create a structure avoiding the aforementioned drawbacks and optimizing the application of electronic switches in fuel cell systems such as those presented in the preamble.
Cet objectif est atteint avec le système de pile à combustion de l'invention dans lequel au moins un des éléments de commutation est couplé thermiquement avec un circuit de refroidissement pour refroidir l'empilement de piles à combustible. This object is achieved with the fuel cell system of the invention wherein at least one of the switching elements is thermally coupled with a cooling circuit for cooling the fuel cell stack.
Le couplage thermique des éléments de commutation avec le système de refroidissement déjà présent dans un empilement de cellules à combustible, par exemple à base de cellules à combustible PEM, permet d'utiliser le circuit de refroidissement déjà présent pour refroidir les éléments de commutation électroniques. Le refroidissement de l'empilement de cellules à combustible par le circuit de refroidissement est typiquement configuré comme un refroidissement actif et réglé. Dans le cas d'un empilement de cellules à combustible PEM, les températures sont par exemple réglées à environ 70 à 90 C, avec une tolérance de 1 C afin d'assurer son bon fonctionnement. Etant donné que ce domaine de températures est très bien supporté par les éléments de commutation électroniques généralement utilisés à base de composants semi-conducteurs, le circuit de refroidissement peut se charger autant du refroidissement de l'empilement de cellules à combustible que du refroidissement des composants de l'électronique de puissance. The thermal coupling of the switching elements with the cooling system already present in a stack of fuel cells, for example based on PEM fuel cells, makes it possible to use the cooling circuit already present to cool the electronic switching elements. Cooling of the fuel cell stack by the cooling circuit is typically configured as active and tuned cooling. In the case of a stack of PEM fuel cells, the temperatures are for example set to approximately 70 to 90 C, with a tolerance of 1 C to ensure its proper operation. Since this temperature range is very well supported by the generally used electronic switching elements based on semiconductor components, the cooling circuit can take care of both the cooling of the fuel cell stack and the cooling of the components. of power electronics.
Dans une configuration particulièrement avantageuse de l'invention, il est prévu de configurer l'élément de commutation sous la forme d'un composant semi-conducteur muni d'au moins un commutateur. Conformément à un perfectionnement très avantageux, ce commutateur peut être configuré sous la forme un transistor à effet de champ à base de composant métal oxyde semi-conducteur(MOS F.E.T.), notamment sous la forme d'un MOS F.E.T. avec canal n. L'avantage de tels MOS F.E.T. réside dans les temps de commutation extrêmement courts déjà évoqués, et ce également en charge, pour des pertes de puissance modérées au niveau de la résistance interne des MOS F.E.T., ainsi que dans les fréquences de commutation très élevées que les MOS F.E.T. permettent d'atteindre. L'utilisation de MOS F.E.T. avec canal n offre en outre l'avantage connu que les composants semiconducteurs avec canal n ont une résistance interne plus faible que les composants avec canal p correspondants. L'utilisation de MOS F.E.T. avec canal p peut toutefois être théoriquement envisagée. In a particularly advantageous configuration of the invention, provision is made to configure the switching element in the form of a semiconductor component provided with at least one switch. According to a very advantageous improvement, this switch can be configured in the form of a semiconductor oxide metal oxide field effect transistor (MOS F.E.T.), in particular in the form of a MOS F.E.T. with channel n. The advantage of such MOS F.E.T. This is due to the extremely short switching times already mentioned, and this also in load, for moderate power losses at the internal resistance of the MOS F.E.T., as well as in the very high switching frequencies that the MOS F.E.T. allow to reach. The use of MOS F.E.T. With n-channel it furthermore has the known advantage that the n-channel semiconductor components have lower internal resistance than the corresponding p-channel components. The use of MOS F.E.T. with p-channel can however be theoretically considered.
Conformément à une autre configuration très avantageuse du système de pile à combustible conforme à l'invention, il est en outre prévu qu'au moins deux des éléments de commutation à base de MOS F.E.T. soient raccordés tête-bêche pour séparer et/ou raccorder électriquement l'empilement de cellules à combustible et le dispositif d'accumulation d'énergie. According to another very advantageous configuration of the fuel cell system according to the invention, it is furthermore provided that at least two of the MOS-based switching elements F.E.T. are connected head-to-tail for separating and / or electrically connecting the fuel cell stack and the energy storage device.
L'avantage particulier de ce type de montage réside dans la séparation de la liaison électrique du fait du montage tête-bêche des MOS F.E.T., ce qui permet d'obtenir une véritable séparation électrique entre l'empilement de cellules à combustible et l'au moins un dispositif d'accumulation d'énergie. Le montage tête-bêche permet de supprimer l'inconvénient de l'utilisation de la diode de substrat typiquement présent dans les MOS F. E.T. Avec le montage tête-bêche, le flux de courant est bloqué de manière sûre dans les deux directions lorsque les MOS F.E.T. sont verrouillés. Le raccordement entre l'empilement de cellules à combustible et l'au moins un dispositif d'accumulation d'énergie est séparé électriquement de manière bipolaire, donc bidirectionnelle, de sorte qu'aucun courant ne peut circuler de la pile à combustible vers l'au moins un dispositif d'accumulation d'énergie et, ce qui est encore plus important pour empêcher que la pile à combustible ne soit endommagée, du dispositif d'accumulation d'énergie vers la pile à combustible. The particular advantage of this type of assembly lies in the separation of the electrical connection due to the head-to-tail assembly of the MOS FETs, which makes it possible to obtain a true electrical separation between the stack of fuel cells and the less an energy storage device. The head-to-tail arrangement makes it possible to eliminate the disadvantage of using the substrate diode typically present in the MOS F. E. With the head-to-toe arrangement, the current flow is securely blocked in both directions when the MOS F.E.T. are locked. The connection between the fuel cell stack and the at least one energy storage device is bipolar electrically separated, thus bidirectional, so that no current can flow from the fuel cell to the fuel cell. at least one energy storage device and, more importantly, to prevent the fuel cell from being damaged, from the energy storage device to the fuel cell.
Selon un perfectionnement très avantageux du système de pile à combustible conforme à l'invention, l'au moins un élément de commutation est en contact conducteur d'électricité et conducteur thermique, sur au moins une plaque terminale de l'empilement de cellules à combustible. According to a very advantageous improvement of the fuel cell system according to the invention, the at least one switching element is in electrically conductive and thermal conductor contact on at least one end plate of the fuel cell stack. .
On obtient, outre le couplage thermique direct de l'élément de commutation avec l'empilement de cellules à combustible refroidi ou ses plaques terminales également refroidies, le refroidissement idéal de l'élément de commutation ainsi que de sa liaison électrique avec la pile à combustible ou son empilement de cellules à combustible. Que des courants relativement importants circulent ici, d'un ordre de grandeur pouvant atteindre quelques centaines d'ampères, peut représenter un avantage considérable en matière de niveau de difficulté, de montage, d'encombrement et de coût en économisant une conduite de raccordement électrique qui aurait été autrement nécessaire. In addition to the direct thermal coupling of the switching element with the stack of cooled fuel cells or its also cooled end plates, the ideal cooling of the switching element as well as its electrical connection with the fuel cell is obtained. or its stack of fuel cells. That relatively large currents circulating here, of an order of magnitude up to a few hundred amps, can represent a considerable advantage in terms of difficulty level, mounting, space and cost by saving an electrical connection pipe which would have been otherwise necessary.
Le transfert, dans la zone des plaques terminales de l'empilement de cellules à combustible, de l'énergie thermique provenant de la perte de puissance au niveau des éléments de commutation présente en outre l'avantage que la température régnant dans cette zone de l'empilement de cellules à combustible est généralement légèrement plus basse qu'au centre de l'empilement de cellules à combustible. La liaison thermique reliant l'élément de commutation et la plaque terminale de l'empilement de cellules à combustible veille donc d'une part au bon refroidissement de l'élément de commutation et d'autre part à un échauffement de la zone périphérique de l'empilement de cellules à combustible. L'ensemble de l'empilement de cellules à combustible a ainsi une température plus homogène sur les différentes zones de sorte que toutes les cellules à combustible de l'empilement peuvent fonctionner de manière plus homogène. On peut en outre s'attendre à ce que la performance de l'empilement de cellules à combustible soit améliorée. The transfer, in the zone of the end plates of the stack of fuel cells, of the thermal energy originating from the power loss at the level of the switching elements has the further advantage that the temperature prevailing in this zone of the The fuel cell stack is generally slightly lower than the center of the fuel cell stack. The thermal connection connecting the switching element and the end plate of the fuel cell stack therefore ensures, on the one hand, good cooling of the switching element and, on the other hand, heating of the peripheral zone of the fuel cell. stack of fuel cells. The entire stack of fuel cells thus has a more homogeneous temperature on the different zones so that all the fuel cells of the stack can operate more homogeneously. It can further be expected that the performance of the fuel cell stack will be improved.
D'autres configurations avantageuses de l'invention ressortent des variantes de 30 réalisation notamment du fait que: É l'élément de commutation à base de MOS F.E.T. peut mesurer la chute de tension dans la résistance interne (RDs0n) d'au moins un des MOS F.E.T. ; et/ou É chacun des éléments de commutation peut être muni d'au moins d'un commutateur électronique (MOS F.E.T.) et d'un circuit intégré pour sa commande; et/ou chacun des éléments de commutation peut être muni d'au moins un commutateur électronique (MOS F.E.T.) et d'un dispositif pour mesurer et amplifier la chute de tension à la résistance interne (RDs ON) du commutateur; et/ou É chacun des éléments de commutation peut être muni de plusieurs commutateurs 5 éléctroniques (MOS F.E.T.) raccordés en parallèle; et/ou É au moins un des éléments de commutation peut être disposé sur la plaque terminale de l'empilement de cellules à combustible reliée à l'anode, et au moins un autre élément de commutation peut être disposé sur la plaque terminale de l'empilement de cellules à combustible reliée à la cathode; et/ou É l'élément de commutation peut être en contact conducteur de chaleur avec le fluide de refroidissement du circuit de refroidissement avant son entrée dans l'empilement de piles à combustible. Other advantageous configurations of the invention emerge from the variant embodiments in particular because: l'the switching element based on MOS F.E.T. can measure the voltage drop in the internal resistance (RDs0n) of at least one of the MOS F.E.T. ; and / or E each of the switching elements may be provided with at least one electronic switch (MOS F.E.T.) and an integrated circuit for its control; and / or each of the switching elements may be provided with at least one electronic switch (MOS F.E.T.) and a device for measuring and amplifying the voltage drop at the internal resistance (RDs ON) of the switch; and / or each of the switching elements may be provided with a plurality of electronic switches (MOS F.E.T.) connected in parallel; and / or E at least one of the switching elements can be arranged on the end plate of the fuel cell stack connected to the anode, and at least one other switching element can be arranged on the end plate of the stack of fuel cells connected to the cathode; and / or E the switching element may be in heat-conducting contact with the coolant of the cooling circuit prior to its entry into the fuel cell stack.
Un exemple de réalisation est présenté ci-dessous à l'aide des figures qui montrent: Figure 1 un système de pile à combustible; Figure 2 un MOS F.E.T. servant d'élément de commutation électrique; Figure 3 un schéma de principe d'un tel élément de commutation; Figure 4 une possibilité de montage tête-bêche d'éléments de commutation; et Figure 5 une variante de montage tête-bêche d'éléments de commutation. An exemplary embodiment is presented below with the aid of the figures which show: FIG. 1 a fuel cell system; Figure 2 a MOS F.E.T. serving as an electrical switching element; Figure 3 a block diagram of such a switching element; Figure 4 a possibility of mounting head to tail switching elements; and Figure 5 a variant of head-to-tail assembly of switching elements.
La figure 1 représente un système de pile à combustible (1) muni d'un empilement de cellules à combustible (2) représenté ici de manière symbolique, ledit empilement de cellules à combustible pouvant être configuré par exemple comme un empilement de cellules à combustible PEM. L'empilement de cellules à combustible (2) se compose de plusieurs cellules à combustible qui sont chacune montée en série avec les autres. L'empilement de cellules à combustible peut en outre comporter plusieurs sous-empilements qui sont à leur tour montés en série les uns par rapport aux autres. Les modes de réalisation suivants sont décrits avec un seul empilement de cellules à combustible (2), mais on peut également utiliser plusieurs empilements de cellules à combustible montés en parallèle. FIG. 1 represents a fuel cell system (1) provided with a stack of fuel cells (2) represented here symbolically, said stack of fuel cells being able to be configured for example as a stack of PEM fuel cells; . The stack of fuel cells (2) consists of several fuel cells which are each mounted in series with the others. The fuel cell stack may further comprise a plurality of sub-stacks which in turn are serially connected to one another. The following embodiments are described with a single stack of fuel cells (2), but it is also possible to use several stacks of fuel cells connected in parallel.
L'empilement de cellules à combustible (2) est refroidi par un circuit de refroidissement (3) dans lequel un fluide de refroidissement liquide circule, par exemple un mélange d'eau et d'antigel. Le circuit de refroidissement (3) comprend, outre un échangeur thermique (4) situé dans l'empilement de cellules à combustible (2), un dispositif de circulation (5) ainsi qu'un échangeur thermique (6) destiné à transférer l'énergie thermique du fluide de refroidissement vers l'environnement. L'empilement de cellules à combustible (2) est activement refroidi par ce circuit de refroidissement (3) à une température prédéterminée, généralement comprise dans une fourchette allant de 70 à 90 C. Le refroidissement actif de l'empilement de cellules à combustible (2) se fait ici avec une précision très élevée étant donné que les cellules à combustible de l'empilement (2) fonctionnent de préférence avec une variation de température très limitée d'un ordre de grandeur privilégié de 1 à 2 K. Un capteur (5a) correspondant situé dans le circuit de refroidissement (3) est prévu pour réguler le refroidissement, ledit capteur étant représenté ici dans la zone d'entrée du fluide de o refroidissement dans l'échangeur thermique (4). Le débit du fluide de refroidissement est réglé sur la base des données saisies par ce capteur, ainsi qu'éventuellement en fonction de la température ambiante de l'échangeur thermique (6), par exemple au moyen d'un dispositif de circulation du fluide de refroidissement (5) pouvant être commandé ou réglé, comme cela est représenté ici par la flèche en pointillés, et/ou d'un dispositif à valve destiné à influer sur le débit volumétrique du fluide de refroidissement et/ou d'un aérateur (6a) situé au niveau de l'échangeur thermique (6). The stack of fuel cells (2) is cooled by a cooling circuit (3) in which a liquid cooling fluid circulates, for example a mixture of water and antifreeze. The cooling circuit (3) comprises, in addition to a heat exchanger (4) located in the stack of fuel cells (2), a circulation device (5) and a heat exchanger (6) for transferring the thermal energy of the coolant to the environment. The stack of fuel cells (2) is actively cooled by this cooling circuit (3) to a predetermined temperature, generally in a range of 70 to 90 C. The active cooling of the fuel cell stack ( 2) is done here with a very high precision since the fuel cells of the stack (2) preferably operate with a very limited temperature variation of a preferred order of magnitude of 1 to 2 K. A sensor ( 5a) located in the cooling circuit (3) is provided for controlling the cooling, said sensor being shown here in the inlet zone of the cooling fluid in the heat exchanger (4). The flow rate of the cooling fluid is set on the basis of the data input by this sensor, as well as possibly depending on the ambient temperature of the heat exchanger (6), for example by means of a fluid circulation device. cooling device (5) controllable or adjustable, as shown here by the dashed arrow, and / or a valve device for influencing the volumetric flow rate of the cooling fluid and / or an aerator (6a). ) located at the heat exchanger (6).
Le système de pile à combustible (1) comprend en outre des dispositifs correspondants connus en soi et donc non présentés d'alimentation en combustible, comme par exemple de l'hydrogène ou un mélange de gaz de reformage enrichi en hydrogène et d'air. Le système de pile à combustible (1) représenté ici comprend en outre un dispositif d'accumulation d'énergie (7) qui peut être raccordé à et/ou séparé électriquement de la pile à combustible au moyen d'au moins un élément de commutation électronique (8). Un tel montage du système de pile à combustible (1), tel qu'il est connu dans l'état de la technique, sert à alimenter en courant électrique un consommateur électrique (9) représenté ici. Le système de pile à combustible (1) représen té ici est commandé par un prélèvement de courant synchronisé modulé en largeur d'impulsion à partir de l'empilement de cellules à combustible (2), par l'intermédiaire de l'élément de commutation (8). Le consommateur (9) est toujours relié au dispositif d'accumulation d'énergie (7) ainsi qu'à l'empilement de cellules à combustible (2) lorsque l'élément de commutation (8) est fermé, de sorte que lorsque l'élément de commutation (8) est ouvert, la puissance destinée au consommateur électrique (9) peut être prélevée du dispositif d'accumulation d'énergie (7). Le système de pile à combustible (1) permet ainsi une alimentation en puissance continue du consommateur électrique (9) avec une utilisation idéale de l'empilement de cellules à combustible (2) ou des produits de départ avec lesquelles il est alimenté. The fuel cell system (1) further comprises corresponding devices known per se and therefore not shown fuel supply, such as for example hydrogen or a mixture of hydrogen-enriched reforming gas and air. The fuel cell system (1) shown here further comprises an energy storage device (7) which can be connected to and / or electrically separated from the fuel cell by means of at least one switching element. electronic (8). Such an assembly of the fuel cell system (1), as known in the state of the art, serves to supply electrical current to an electrical consumer (9) shown here. The fuel cell system (1) shown here is controlled by pulse width modulated synchronous current pickup from the fuel cell stack (2) via the switching element. (8). The consumer (9) is always connected to the energy storage device (7) and to the stack of fuel cells (2) when the switching element (8) is closed, so that when the switching element (8) is open, the power for the electrical consumer (9) can be taken from the energy storage device (7). The fuel cell system (1) thus allows a continuous power supply of the electric consumer (9) with an ideal use of the fuel cell stack (2) or the feedstock with which it is fed.
Le dispositif d'accumulation d'énergie (7) peut comporter une batterie (7a) , il peut également, comme cela est représenté ici, comporter un branchement en parallèle de la batterie (7a) et d'un condensateur (7b) qui présente une résistance interne sensiblement inférieure à celle de la batterie (7a). Un tel montage est décrit avec ses différentes possibilités de configuration et ses avantages dans le document DE 102 25 106 Al présenté précédemment. The energy storage device (7) may comprise a battery (7a), it may also, as shown here, include a parallel connection of the battery (7a) and a capacitor (7b) which presents an internal resistance substantially lower than that of the battery (7a). Such an arrangement is described with its various configuration possibilities and advantages in DE 102 25 106 A1 presented previously.
La figure 2 représente de nouveau l'élément de commutation (8) dans un montage possible. Sur la représentation, l'élément de commutation (8) est muni d'un commutateur qui est configuré sous la forme d'un transistor à effet de champ à base de métal oxyde semi-conducteur, comme un MOS F.E.T. (10). En principe, un seul MOS F.E.T. (10) devrait suffire comme commutateur dans l'élément de commutation (8). II est toutefois possible d'utiliser plusieurs MOS F.E.T. (10) montés en parallèle comme commutateur dans l'élément de commutation (8) pour réaliser un montage ayant une résistance la plus faible possible à l'état passant. Ceci permet, outre l'obtention d'une liaison à faible résistance à l'état passant, d'insérer plusieurs MOS F.E.T. (10) de plus petite taille, ce qui accroît la surface totale nécessaire aux MOS F.E.T. (10). Cette surface accrue permet d'améliorer le refroidissement des MOS F.E.T. (10) étant donné que ceux-ci sont refroidis au moyen de la surface de substrat, qui représente typiquement en même temps le raccord de drain (D). Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 2, le drain (D) du MOS F.E.T. (10) est relié à l'empilement de cellules à combustible (2), par exemple à la plaque terminale située côté anode. Cette liaison, qui est représentée à titre d'exemple par la ligne (11) sur la figure 2, est idéalement montée directement sur le MOS F.E.T. et donc à son substrat, donc au raccord de drain (D), sur la plaque terminale. Ce montage direct du MOS F.E.T. (10) sur la plaque terminale de l'empilement de cellules à combustible (2), qui représente en même temps son pôle électrique dans les structures généralement utilisées d'empilement de cellules à combustible (2), permet d'atteindre un couplage thermique et électrique idéal de l'élément de commutation (8) à l'empilement de cellules à combustible (2). Ceci permet d'obtenir une réalisation idéale de l'élément de commutation (8) du point de vue du raccordement électrique et thermique, et ce avec un investissement minimal et sans qu'une ligne de liaison soit nécessaire pour les courants de quelques centaines d'ampères circulant typiquement dans cette zone. Fig. 2 again shows the switching element (8) in a possible arrangement. In the representation, the switching element (8) is provided with a switch which is configured as a metal oxide semiconductor field effect transistor, such as a MOS F.E.T. (10). In principle, only one MOS F.E.T. (10) should suffice as a switch in the switching element (8). However, it is possible to use several MOS F.E.T. (10) connected in parallel as a switch in the switching element (8) for mounting with the lowest possible resistance in the on state. This makes it possible, besides obtaining a connection with low resistance in the on state, to insert several MOS F.E.T. (10) of smaller size, which increases the total area required for MOS F.E.T. (10). This increased surface makes it possible to improve the cooling of the MOS F.E.T. (10) since these are cooled by means of the substrate surface, which typically represents at the same time the drain fitting (D). In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the drain (D) of the MOS F.E.T. (10) is connected to the stack of fuel cells (2), for example to the end plate located on the anode side. This link, which is represented by way of example by line (11) in FIG. 2, is ideally mounted directly on the MOS F.E.T. and therefore to its substrate, and therefore to the drain connection (D), on the end plate. This direct editing of the MOS F.E.T. (10) on the end plate of the fuel cell stack (2), which at the same time represents its electrical pole in the generally used fuel cell stacking structures (2), achieves thermal coupling and electrical ideal switching element (8) to the stack of fuel cells (2). This makes it possible to obtain an ideal embodiment of the switching element (8) from the point of view of the electrical and thermal connection, and with minimal investment and without the need for a connection line for currents of a few hundred or so. typically circulating amps in this area.
La commande du MOS F.E.T. (10) se fait au moyen d'une tension de commande appliquée par exemple par un dispositif électronique de commande et/ou de réglage dans la zone de la porte (G) du MOS F.E.T. (10) et libère ainsi la liaison reliant le drain (D) et la source (S) pour un flux de courant. The order of MOS F.E.T. (10) is by means of a control voltage applied for example by an electronic control and / or adjustment device in the area of the door (G) of the MOS F.E.T. (10) and thus releases the link connecting the drain (D) and the source (S) for a current flow.
A la place du raccordement direct, d'un point de vue thermique, de l'élément de commutation (8) à la plaque terminale de l'empilement de cellules à combustible (2), on pourrait également envisager de mettre en contact l'élément de commutation (8) avec le fluide de refroidissement circulant dans le circuit de refroidissement (3), la zone désignée par la référence (12) sur la figure 1, située avant l'entrée du fluide de refroidissement dans l'échangeur thermique, étant adaptée à cet effet. La perte de puissance à refroidir de l'élément de commutation (8) est si faible qu'elle ne réchauffe pas le fluide de refroidissement, au point d'influencer désavantageusement le refroidissement de l'empilement de cellules à combustible (2) par l'échangeur thermique (4). D'un autre côté, le fluide de refroidissement est sensiblement plus froid avant son entrée dans l'empilement de cellules à combustible (2) et/ou dans l'échangeur thermique (4) qu'à sa sortie, de sorte qu'il est possible de garantir un refroidissement idéal de l'élément de commutation (8) par le fluide de refroidissement (3) dans cette zone (12) en raison de la différence de température plus importante. Instead of the direct connection, from a thermal point of view, of the switching element (8) to the end plate of the fuel cell stack (2), it could also be envisaged to put the switching element (8) with the coolant circulating in the cooling circuit (3), the zone designated by the reference (12) in FIG. 1, situated before the cooling fluid enters the heat exchanger, being adapted for this purpose. The power loss to be cooled of the switching element (8) is so low that it does not heat the cooling fluid, so as to disadvantageously influence the cooling of the fuel cell stack (2) by the heat exchanger (4). On the other hand, the cooling fluid is substantially colder before it enters the stack of fuel cells (2) and / or the heat exchanger (4) than at its outlet, so that it it is possible to guarantee an ideal cooling of the switching element (8) by the cooling fluid (3) in this zone (12) due to the larger temperature difference.
On peut en outre envisager d'intégrer d'autres composants électroniques dans la zone de l'élément de commutation (8), en plus de ceux du mode de réalisation de l'élément de commutation (8) des plus simples représenté sur la figure 2. La figure 3 représente encore un élément de commutation (8) de ce genre pour lequel on a opté pour la représentation d'un schéma équivalent du MOS F.E.T. (10). L'élément de commutation (8) est muni, dans la configuration selon la figure 3, outre du MOS F.E.T. (10) qui, tel que précédemment décrit, peut consister en un montage en parallèle d'une pluralité de MOS F.E.T. (10), d'un dispositif pour déterminer et amplifier la chute de tension au niveau de la résistance interne R05 on du ou des MOS F.E.T. (10) connectés. Les MOS F.E.T. (10) ont typiquement une résistance interne Ros on, connue lorsqu'ils sont commutés. Cette résistance interne n'est que de quelques mS) mais les courants commutés très importants dans le cas présenté ici provoquent une chute de tension mesurable qui peut être amplifiée au moyen d'un dispositif d'amplification (13) correspondant, par exemple un amplificateur opérationnel et pouvant servir de signal de mesure pour le courant IBz prélevé de l'empilement de cellules à combustible (2). La mesure du courant de la pile à combustible au moyen de la chute de tension mesurée au niveau de la résistance interne RDs on du MOS F.E.T. (10) peut être réalisée sur 5 à 10 % du courant de la pile à combustible IBz à proprement parlé de sorte que cette valeur suffit amplement pour de nombreux réglages, par exemple les déconnexions de sécurité ou autres. Une analyse sensorielle supplémentaire qui entraînerait des difficultés et des coûts supplémentaires correspondants est donc superflue. It can furthermore be envisaged to integrate other electronic components in the region of the switching element (8), in addition to those of the embodiment of the simplest switching element (8) shown in FIG. 2. FIG. 3 further represents a switching element (8) of this type for which the representation of an equivalent diagram of the MOS FET has been chosen. (10). The switching element (8) is provided, in the configuration according to FIG. 3, in addition to the MOS F.E.T. (10) which, as previously described, may consist of a parallel connection of a plurality of MOS F.E.T. (10), a device for determining and amplifying the voltage drop at the internal resistance R05 on the MOS F.E.T. (10) connected. The MOS F.E.T. (10) typically have an internal resistance Ros on, known when switched. This internal resistance is only a few mS) but the switched currents very important in the case presented here cause a measurable voltage drop that can be amplified by means of a corresponding amplification device (13), for example an amplifier operational and can serve as a measurement signal for the current IBz taken from the stack of fuel cells (2). The measurement of the fuel cell current by means of the measured voltage drop at the internal resistance RDs on of the MOS F.E.T. (10) can be performed on 5 to 10% of the current of the fuel cell IBz itself so that this value is amply sufficient for many settings, for example safety disconnections or others. Additional sensory analysis which would lead to additional difficulties and additional costs is therefore superfluous.
Un circuit intégré (14) est en outre représenté sur la représentation de l'élément de commutation (8) conforme à la figure 3, ledit circuit intégré alimentant la porte (G) du MOS F.E.T. (10) en tension de commande. L'intégration d'un tel circuit (14), pouvant à son tour être commandé par un dispositif électronique de commande et de réglage, comme le montre la flèche en pointillés, offre l'avantage d'une part que ces composants sont eux aussi refroidis et d'autre part que la commande du MOS F.E.T. (10) est facilitée par l'intégration dans l'élément de commutation (8). An integrated circuit (14) is furthermore represented in the representation of the switching element (8) according to FIG. 3, said integrated circuit supplying the gate (G) of the MOS F.E.T. (10) in control voltage. The integration of such a circuit (14), which can in turn be controlled by an electronic control and adjustment device, as shown by the dashed arrow, offers the advantage on the one hand that these components are also cooled and secondly that the control of the MOS FET (10) is facilitated by integration into the switching element (8).
Une autre particularité des MOS F.E.T. (10) ressort du schéma équivalent du MOS F.E.T. représenté sur la figure 3. Le MOS F.E.T. (10) contient, du fait de la structure semi-conductrice du MOS F.E.T. (10) prenant la forme d'un composant métal oxyde semi-conducteur, un outre un effet de diode (15) supplémentaire agissant comme une diode indépendante. En raison de cette diode indépendante , il peut de créer un flux de courant de la source (S) au drain (D) à travers le MOS F.E.T. (10), ici par exemple depuis le dispositif d'accumulation d'énergie (7) vers l'empilement de cellules à combustible (2), et ce même lorsqu'il n'y a pas de tension de commande à la porte (G) du MOS F.E.T. (10), cette situation pouvant influencer le MOS F.E.T. de manière désavantageuse et/ou le détruire. Les figures suivantes montrent donc des montages permettant de réaliser une séparation véritable ou bipolaire entre l'empilement de cellules à combustible (2) et le dispositif d'accumulation d'énergie (7). Another peculiarity of the MOS F.E.T. (10) appears from the equivalent diagram of the MOS F.E.T. shown in Figure 3. The MOS F.E.T. (10) contains, due to the semiconductor structure of the MOS F.E.T. (10) in the form of a semiconductor oxide metal component, in addition to an additional diode effect (15) acting as an independent diode. Due to this independent diode, it can create a flow of current from the source (S) to the drain (D) through the MOS F.E.T. (10), here for example from the energy storage device (7) to the stack of fuel cells (2), even when there is no control voltage at the door ( G) MOS FET (10), this situation may influence the MOS F.E.T. disadvantageously and / or destroy it. The following figures therefore show arrangements for real separation or bipolar separation between the stack of fuel cells (2) and the energy storage device (7).
La figure 4 représente un montage dans lequel deux des éléments de commutation (8) sont montés tête-bêche entre eux de la façon décrite précédemment. Les deux éléments de commutation (8) se trouvent d'un côté de l'empilement de cellules à combustible (2) et sont munis d'une liaison électrique avec celui-ci ou avec une de ses plaques terminales. Les deux éléments de commutation (8) sont connectés à cet effet de telle sorte que les raccords de source (S) de leurs MOS F.E.T. soient interconnectés. Les diodes (15) contenues dans les MOS F.E.T. (10) sont donc montées têtebêche, de sorte qu'un flux de courant ne peut traverser la série de deux éléments de commutation (8) que lorsqu'une tension de commande est appliquée à la porte (G). Deux dispositions sont ici envisageables pour le refroidissement. Une possibilité est que le drain (D) et donc typiquement le substrat de l'un des MOS F.E.T. (10) ou de l'un des élément s de commutation (8) puissent être reliés directement à la plaque terminale. L'autre MOS F.E.T. (10) ou l'autre élément de commutation (8) doit toutefois être monté de manière électriquement isolée. II peut être refroidi au moyen du circuit de refroidissement (3), par exemple dans la zone (12) précédemment décrite de celui-ci. II est également envisageable de refroidir ensemble les deux MOS F.E.T. (10) ou les éléments de commutation (8) au moyen du circuit de refroidissement (3). Le montage permet une commande très simple, car commune, des portes (G) des différents éléments de commutation (8). FIG. 4 shows a mounting in which two of the switching elements (8) are mounted head-to-tail with each other in the manner previously described. The two switching elements (8) are on one side of the stack of fuel cells (2) and are provided with an electrical connection therewith or with one of its terminal plates. The two switching elements (8) are connected for this purpose so that the source connections (S) of their MOS F.E.T. are interconnected. The diodes (15) contained in the MOS F.E.T. (10) are thus mounted folded, so that a current flow can pass through the series of two switching elements (8) only when a control voltage is applied to the gate (G). Two arrangements are possible here for cooling. One possibility is that the drain (D) and therefore typically the substrate of one of the MOS F.E.T. (10) or one of the switching elements (8) can be connected directly to the end plate. The other MOS F.E.T. (10) or the other switching element (8) must however be mounted electrically insulated. It can be cooled by means of the cooling circuit (3), for example in the previously described zone (12) thereof. It is also possible to cool together the two MOS F.E.T. (10) or the switching elements (8) by means of the cooling circuit (3). The assembly allows a very simple control, because common, doors (G) of the various switching elements (8).
Le montage peut naturellement être réalisé en principe au moyen d'une liaison des deux raccords de drain (D) des éléments de commutation (8). La liaison directe des raccords de drain (D) et donc typiquement des substrats des MOS F.E.T. (10) permet d'assurer un refroidissement simple devant de préférence être réalisé dans la zone (12) du circuit de refroidissement (3) de la façon présentée précédemment. The mounting can naturally be achieved in principle by means of a connection of the two drain connections (D) of the switching elements (8). The direct connection of the drain connections (D) and therefore typically substrates of the MOS F.E.T. (10) ensures a simple cooling preferably to be performed in the zone (12) of the cooling circuit (3) as previously presented.
La figure 5 représente un autre mode de réalisation du montage, deux des éléments de commutation (8) étant ici aussi utilisés, montés tête-bêche l'un par rapport à l'autre. FIG. 5 represents another embodiment of the assembly, two of the switching elements (8) being used here as well, mounted head-to-tail with respect to each other.
Contrairement à l'exemple de réalisation présenté précédemment, les éléments de commutation (8) ne sont pas reliés directement entre eux; au contraire, l'un des éléments de commutation (8) est disposé sur un des côtés de l'empilement de cellules à combustible (2) et l'autre est disposé sur l'autre côté de l'empilement de cellules à combustible (2). Ce montage permet que les drains (D) de chacun des MOS F.E.T. (10) des deux éléments de commutation (8), et donc ses substrats à grande surface, puisse être appliqués sans isolation électrique et thermique sur les deux plaques terminales de l'empilement de cellules à combustible (2). L'une de ces plaques terminales, celle représentant la cathode, est en liaison électrique et thermoconductrice directe avec l'un des éléments de commutation (8) ou le drain (D) de son MOS F.E.T. (10). L'autre, la plaque terminale de l'empilement de cellules à combustible (2) reliée à l'anode, est elle aussi en contact thermique et électrique direct, cette fois avec le raccord de drain (D) du MOS F.E. T. (10) de l'autre élément de commutation (8). Unlike the embodiment shown above, the switching elements (8) are not directly connected to each other; instead, one of the switching elements (8) is arranged on one side of the fuel cell stack (2) and the other is arranged on the other side of the fuel cell stack ( 2). This assembly allows the drains (D) of each of the MOS F.E.T. (10) of the two switching elements (8), and therefore its large area substrates, can be applied without electrical and thermal insulation on the two end plates of the fuel cell stack (2). One of these terminal plates, that representing the cathode, is in direct electrical and thermoconductive connection with one of the switching elements (8) or the drain (D) of its MOS F.E.T. (10). The other, the end plate of the fuel cell stack (2) connected to the anode, is also in direct thermal and electrical contact, this time with the drain connection (D) of the MOS FET (10). of the other switching element (8).
Le montage ici aussi constitue un montage tête-bêche par rapport aux diodes (15) 35 immanentes des MOS F.E.T. (10) ici représentés, de sorte qu'ici aussi une liaison électrique et le passage de courant sont possibles que lorsqu'un signal de commande est appliqué aux portes (G) des MOS F.E.T. (10) des deux éléments de commutation (8). The assembly here also constitutes a head-to-tail assembly with respect to the diodes (15) 35 immanent MOS F.E.T. (10) here shown, so that here also an electrical connection and the current flow are possible that when a control signal is applied to the doors (G) of the MOS F.E.T. (10) of the two switching elements (8).
Comme le montrent les deux flèches (16, 17), la commande des portes (G) ne se fait plus conjointement mais séparément, le circuit intégré (14) dans chacun des éléments de commutation (8), du type expliqué dans le cadre de la figure 3, servant à émettre à cette fin un signal de commande in situ, déclenché par exemple par une commande extérieure (par exemple une impulsion) par un dispositif électronique de commande et/ou de réglage. L'avantage par rapport au système précédemment représenté réside ici dans le couplage thermique et électrique direct avec les plaques terminales de l'empilement de cellules à combustible (2), ledit couplage assurant en outre le transfert de l'énergie thermique dans une zone de l'empilement de cellules à combustible (2) dans laquelle cette énergie thermique est très favorable pour équilibrer et harmoniser la courbe de température de l'ensemble de l'empilement de cellules à combustible. Cet avantage l'emporte certainement sur l'inconvénient de la commande des MOS F.E.T. (10) des éléments de commutation (8) un peu plus complexe que dans le mode de réalisation conforme à la figure 4. As shown by the two arrows (16, 17), the control of the doors (G) is no longer jointly but separately, the integrated circuit (14) in each of the switching elements (8), of the type explained in the context of FIG. FIG. 3, serving to emit for this purpose an in situ control signal, for example triggered by an external control (for example a pulse) by an electronic control and / or adjustment device. The advantage over the system previously shown lies here in the direct thermal and electrical coupling with the end plates of the stack of fuel cells (2), said coupling further ensuring the transfer of thermal energy in a zone of the stack of fuel cells (2) in which this thermal energy is very favorable for balancing and harmonizing the temperature curve of the entire stack of fuel cells. This advantage certainly outweighs the disadvantage of controlling the MOS F.E.T. (10) switching elements (8) a little more complex than in the embodiment according to Figure 4.
Tous les éléments de commutation (8) ici représentés peuvent naturellement présenter la structure montrée à titre d'exemple sur la figure 3 et disposer, outre le cas échéant d'un plus grand nombre de MOS F.E.T. (10)montés en parallèle, de dispositifs correspondants pour déterminer le courant de pile à combustible IBZ ainsi que de circuits (14) correspondants pour émettre le signal de commande des portes (G) des MOS F.E.T. (10). Ils peuvent toutefois, sans porter atteinte au fonctionnement de base de l'invention, être configurés comme un seul MOS F.E.T. ou comme un commutateur électronique différent, le montage tête- bêche ne pouvant naturellement être mis en place de manière satisfaisante que dans le cas de MOS F.E.T. All of the switching elements (8) shown here may naturally have the structure shown by way of example in FIG. 3 and have, in addition to possibly a larger number of MOS F.E.T. (10) connected in parallel, corresponding devices for determining the fuel cell current IBZ and corresponding circuits (14) for transmitting the gate control signal (G) of the MOS F.E.T. (10). They can however, without impairing the basic operation of the invention, be configured as a single MOS F.E.T. or as a different electronic switch, the mounting head-bêche can naturally be implemented satisfactorily only in the case of MOS F.E.T.
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