WO2001080340A1 - Schaltungsanordnung zum erzeugen von spannungspulsen und zum aufprägen der spannungspulse auf eine brennstoffzelle sowie brennstoffzellensystem - Google Patents

Schaltungsanordnung zum erzeugen von spannungspulsen und zum aufprägen der spannungspulse auf eine brennstoffzelle sowie brennstoffzellensystem Download PDF

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WO2001080340A1
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circuit
voltage
circuit arrangement
pulse
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Holger Klos
Michael Kah
Robert Goldner
Thomas GÖSCHL
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Vodafone Ag
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • Circuit arrangement for generating voltage pulses and for impressing the voltage peak on a fuel cell and fuel cell system
  • the present invention relates generally to a circuit arrangement for generating voltage pulses and for impressing the voltage pulse on a fuel cell, a fuel cell system and an advantageous use of the circuit arrangement.
  • Fuel cells have been known for a long time and have become significantly more important, particularly in the automotive industry.
  • a fuel cell for example a PEM fuel cell
  • electricity is generated by a chemical reaction.
  • a fuel such as hydrogen and an oxidizing agent such as oxygen are converted into electrical energy and a reaction product such as water.
  • a fuel cell essentially consists of an anode part, a membrane and a cathode part.
  • the membrane consists of a gas-tight and proton-conducting material and is arranged between the anode and the cathode in order to exchange ions.
  • the fuel is supplied on the anode side, while the oxidant is supplied on the cathode side.
  • protons i.e. Generates hydrogen ions that move through the membrane to the cathode. They react at the cathode
  • Hydrogen ions with the oxygen, and water is formed.
  • the electrons released during the reaction can be conducted as electrical current through a consumer, for example the electric motor of an automobile.
  • a consumer for example the electric motor of an automobile.
  • these hydrocarbons must first be converted into a hydrogen-rich gas in an arrangement for producing / processing a fuel. This essentially produces hydrogen, carbon dioxide and also to a certain extent carbon monoxide (CO), which is a gas that is harmful to the fuel cell and should therefore be removed as far as possible before the fuel enters the fuel cell.
  • CO carbon monoxide
  • the carbon monoxide in the fuel cell can lead to a reduction in the power output by the fuel cell and consequently to a great reduction in the efficiency of the fuel cell.
  • Fuel cell has been described in which performance losses due to impurities absorbed on the anode catalyst are to be avoided. This is achieved in that the fuel cell is connected to means which impart a positive voltage pulse to the anode of the fuel cell.
  • the stamping of the voltage pulse causes a powder-like change in the anode potential, which leads to the carbon monoxide in the fuel cell being oxidized.
  • the voltagemodule can be impressed on the fuel cell by temporarily connecting an external DC voltage source to the fuel cell via a switch.
  • this object is achieved by a
  • Circuit arrangement for generating voltage pulses and for applying the voltage pulses to a fuel cell, with a pulse generator for generating the voltagemodule, a charge / discharge circuit connected to the pulse generator, in which at least one fuel cell and at least one capacitance is provided, and with a switch arrangement for Switching the charging / discharging circuit in terms of capacity into a charging circuit or an discharging circuit.
  • the circuit arrangement according to the invention makes it possible to impress voltagemodule on a fuel cell, as a result of which the advantages described above with regard to the oxidation of harmful substances such as carbon monoxide can be achieved.
  • the voltagemodule is advantageously impressed on the anode of the fuel cell.
  • This embossing causes a powder-like change in the anode potential.
  • the pulse generator provided in the circuit arrangement makes it possible to regulate or control the voltageinstalle, so that depending on the operating situation and operating state, voltagemodules of different sizes and shapes can be generated and imprinted on the fuel cell.
  • the use of a capacity in the charge / discharge circuit makes it possible to store electrical energy. If voltagemodules are impressed on the fuel cell, in particular the anode, its anode potential increases. At the same time, the terminal voltage of the fuel cell is reduced because electricity is out the fuel cell is withdrawn. These electrical charges can be stored by the capacity. The fuel cell is polarized via the voltage peak until the potential to oxidize the harmful substances, for example carbon monoxide, is reached.
  • Carbon monoxide is deposited on the catalyst of the fuel cell, so that these catalyst areas occupied by carbon monoxide are no longer available for the hydrogen addition. This negative effect is known as poisoning of the fuel cell. Oxidation of the carbon monoxide can reverse this accumulation of the carbon monoxide, which ultimately leads to detoxification of the fuel cell.
  • the charging / discharging circuit is switched via the switch arrangement during the voltage pulse impression in such a way that it forms a charging circuit with respect to the capacitance.
  • the use of at least one capacitor ensures that the electrical charges released when voltage pulses are impressed on the fuel cell are not lost, but can be used further.
  • the switch arrangement is switched after the voltage pulse has been impressed in such a way that the charge / discharge circuit functions as a discharge circuit.
  • a load can advantageously be provided in the discharge circuit.
  • the energy stored in the capacity can be delivered to this load.
  • the invention is not limited to certain configurations of the load.
  • the load is designed as a load resistor and / or coil and / or as another usable electrical consumer. If the load is designed as a load resistor, the capacitance is loaded onto the fuel cell when voltage pulses are applied and then discharged again via the load resistor. The electrical charge transferred is converted into heat in the load resistor.
  • a useful consumer such as a rechargeable battery or the like can take the place of the load resistor, which can then be charged via the capacity.
  • any other suitable consumer is also conceivable.
  • the capacitance can preferably be designed as an ultra capacitor (UltraCap).
  • Ultra capacitors which are known per se from the prior art, have not only a high capacitance but also a particularly high power density. They are therefore suitable for storing or releasing large amounts of energy within a short period of time.
  • Ultra capacitors are often referred to as supercapacitors or double layer capacitors and are in terms of their energy density and the access time to the energy content between large aluminum electrolytic capacitors and smaller accumulators.
  • the pulse generator can advantageously be designed to generate substantially rectangular voltage pulses.
  • Such voltagetraine which are preferably designed as a positive voltagemodule, allow particularly precise switching within the circuit arrangement due to their steep flanks.
  • the voltagemodule can advantageously have a variable pulse duration and / or a variable pulse spacing.
  • the definition of these terms results from FIG. 1, which schematically shows the course of the voltage over time.
  • the pulse duration of the voltage pulse is denoted by D and the pulse interval is the time interval between two pulses by A.
  • the letter F in Figure 1 denotes the pulse frequency.
  • the time interval (period) between the beginning of a pulse and the beginning of the immediately following pulse corresponds to the reciprocal of the pulse frequency F.
  • the invention is not limited to specific pulse durations, pulse intervals or pulse frequencies.
  • Advantageous pulse durations can range, for example, in the range between 10 msec and 10 seconds, preferably in a range between 100 msec and 7 seconds.
  • Non-exclusive examples of suitable pulse intervals are in the range between 500 msec and 2 seconds.
  • the pulse generator can advantageously have a circuit for calibrating the pulse duration of the voltage peak.
  • the pulse frequency can, for example, be fixed.
  • the pulse duration and the pulse interval are also essentially determined. Only the pulse duration is calibrated via the circuit, which means that the pulse duration can be fine-tuned. This embodiment is a largely "rigid" option for generating voltage pulses.
  • the pulse generator can have a circuit for variably setting the ratio of pulse duration to pulse spacing of the voltagemodule.
  • a circuit for variably setting the ratio of pulse duration to pulse spacing of the voltagemodule makes it possible for the ratio, also called the duty cycle, between pulse duration and pulse interval to be set as desired within the pulse frequency, which in turn can be predetermined.
  • Potentiometers are known per se from the prior art. These are continuously adjustable electrical resistors that have a sliding contact for picking up partial resistors. Potentiometers can be designed, for example, as sliding or rotating resistors.
  • the pulse generator can have a counter module which is connected to the circuit for calibrating the pulse duration. With the aid of such a counter module and a corresponding circuit as described above, the required voltagemodule can be generated.
  • the counter module can have, for example, a so-called "CIock input", via which the signals coming from the circuit are fed into the counter module.
  • Counter modules which are known per se from the prior art, are generally sequential circuits for Counting pulses.
  • the pulse generator can have one or both of the aforementioned circuits. In the latter case, it is possible to set voltagemodule with any pulse duration and pulse interval.
  • the pulse generator advantageously have a switch element for optional switching between the two circuits.
  • the invention is not restricted to certain types of switch elements.
  • the switch element can be designed as a transistor circuit or the like.
  • the switch arrangement for switching the charge / discharge circuit can have a driver element and one or more transistors.
  • the pulses generated in the two circuits described above can first be switched to the driver element.
  • the driver element ensures an overlap-free switching of the transistor (s) between the charge and discharge cycle of the capacitance.
  • the one or more transistors can advantageously be designed as field effect transistors, for example as MOSFET transistors.
  • the driver element provided in the switch arrangement for switching the charge / discharge circuit can act like a two-way switch that switches individual transistors on and other transistors off. This will be explained using a concrete example.
  • the switch arrangement can have a driver element and two transistors.
  • one of the transistors can be turned on via the driver element, while the other transistor is turned off.
  • the charging / charging circuit is converted into a pure charging circuit, so that the capacitance, for example the UltraCap capacitor, can be charged.
  • the capacitance for example the UltraCap capacitor
  • the capacity can then be discharged if no voltagemodule is applied.
  • the transistors are switched via the driver element in such a way that the initially conductive transistor blocks and that the previously blocking transistor is switched conductive.
  • the charge / discharge circuit is designed as a pure discharge circuit, so that the capacity is discharged and the electrical energy stored in the capacitance can be used for any consumer or load resistor.
  • An arrangement for temporally smoothing the electrical current emitted during the discharge of the capacitance via the load can advantageously be provided in the discharge circuit.
  • Such a smoothing of the current is generally necessary if usable consumers are to be operated via the electrical charge stored in the capacitance.
  • the charging or discharging of a capacitance usually takes place along a non-linear curve.
  • such a discharge curve is often not very suitable for downstream consumers.
  • the arrangement for smoothing can advantageously have a diode and a capacitance connected in series with it.
  • the arrangement can be provided either parallel to the load or parallel to the at least one capacitance in the circuit arrangement.
  • the purpose of the diode which can be a Schottky diode, a low Schottky diode or the like, is to prevent the capacitance connected in series from being discharged via the load or the at least one capacitance in the charge / discharge circuit.
  • a good DC voltage can be generated, which can be made available to other consumers.
  • the arrangement for smoothing can have a capacitance and a transistor connected in series with it.
  • the arrangement can be provided either parallel to the load or parallel to the at least one capacitance in the circuit arrangement.
  • a suitable DC voltage can in turn be generated by a suitable selection of the capacitance provided in the arrangement for smoothing.
  • the transistor which can be a field effect transistor, for example, can be connected in the same clock cycle as one of the transistors in the switch arrangement.
  • An arrangement for smoothing in the previously described embodiments can, however, also be integrated in the circuit arrangement in a completely different way.
  • the load is designed as a coil
  • the at least one capacitance provided in the charging / discharging circuit is discharged, a current can flow through the coil, which then builds up a magnetic field in it.
  • the current is switched off, for example by blocking the corresponding transistor in the switch arrangement, the magnetic energy in the coil is converted into a short but high voltage pulse. This then flows into the capacity of the arrangement for smoothing.
  • the " also provided diode or the transistor prevents the capacitance from being discharged unintentionally.
  • the arrangement for smoothing the load (coil) is preferably connected downstream.
  • the circuit arrangement according to the invention can also be temporarily replaced by another voltage source, which generates voltagemodule to be impressed on the fuel cell if the fuel cell or the system of fuel cells itself is not able to provide the electrical energy required to operate the circuit arrangement.
  • a voltage source can expediently be connected to the fuel cell via a switch device as an alternative to the circuit arrangement. As soon as the fuel cell can again provide enough energy for the operation of the circuit arrangement, the other voltage source is switched off again via the switch device.
  • a fuel cell system having one or more fuel cells and a circuit arrangement according to the invention as described above for generating voltage pulses and for at least temporarily impressing the voltage surge on the fuel cell (s).
  • the pulse generator can advantageously be connected to one or more fuel cells in order to obtain the electrical energy required to generate the voltage pulse.
  • a separate power source in the form of a battery as was described, for example, with reference to DE 197 10 819, can be dispensed with.
  • the energy required to generate the voltage surge can be provided by the fuel cell system itself.
  • the pulse generator it is also possible for the pulse generator to be connected to a battery in order to obtain the electrical energy required to generate the voltage surge.
  • Such an embodiment of the fuel cell system is advantageous, for example, during the starting process, that is to say during the startup of the fuel cell system.
  • the fuel cell is not yet producing sufficient electrical energy during the starting process.
  • voltagemodule can also be applied to the fuel cell (s) via the additional battery during the starting process of the fuel cell system, so that detoxification of the fuel cell (s) via the oxidation of the harmful substances due to the changing potential, in particular the anode potential, is possible at any time within the fuel cell.
  • the fuel cell system can advantageously have one or more fuel cell modules, each with one or more fuel cells.
  • Fuel cell systems usually consist not only of a single fuel cell but of a large number of fuel cells. Several fuel cells are combined to form so-called fuel cell stacks.
  • the fuel cell system can have one or more such fuel cell stacks, which are then combined as individual fuel cell modules to form an overall system.
  • the voltagemodules generated by the circuit arrangement are impressed only on a part of the fuel cell modules or fuel cells independently of other fuel cell modules or fuel cells of the fuel cell system.
  • Such a configuration of the fuel cell system leads to a whole series of advantages. If the voltagemodule is impressed on the fuel cell (s), this leads to an increase in the potential, for example the anode potential, within the fuel cell, but also to a reduction in the fuel cell terminal voltage. If all the fuel cells of the fuel cell system were now subjected to the voltage pulses at the same time, this could lead to brief total failures of the fuel cell system. If fuel cells are used to drive electrical consumers, for example to drive electric motors in an automobile, such a, if only brief, total failure of the fuel cell system or even only a brief, significant loss in performance of the fuel cell system would be of considerable disadvantage.
  • those fuel cell modules that are not currently being charged with voltage pulses can always be used to generate electrical energy for generating voltage pulses to provide for those fuel cell modules that are to be impressed with corresponding voltagemodule for detoxification.
  • a circuit arrangement according to the invention as described above can advantageously be used to apply voltage pulses to one or more fuel cells in a fuel cell system, in particular a fuel cell system according to the invention as described above.
  • a fuel cell system can advantageously be used in or for a vehicle.
  • fuel cell technology Due to the rapid development of fuel cell technology in the vehicle sector, such use currently offers particularly good applications.
  • fuel cell technology is particularly suitable for the decentralized energy supply of houses, industrial plants or the like.
  • the present invention is preferably used in connection with fuel cells with polymer membranes (PEM). These fuel cells have a high electrical efficiency, cause only minimal emissions, have an optimal part load behavior and are essentially free of mechanical wear. They also work at a temperature level that is advantageous for mobile use, which is around 80 °.
  • PEM polymer membranes
  • FIG. 1 shows the schematic course over time of a voltage pulse that can be impressed on a fuel cell
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement according to the invention in schematic form
  • FIG. 3 shows a schematic view of the structure of a pulse generator provided in the circuit arrangement
  • FIG. 4 shows a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 5 shows a first embodiment variant for an arrangement for smoothing the energy given to the load during the discharge of the capacitance, which is implemented in a circuit arrangement according to the invention as shown in FIG. 2
  • FIG. 6 shows a second embodiment variant for an arrangement for smoothing the energy given off to the load during the discharge of the capacitance, which is implemented in a circuit arrangement according to the invention according to FIG. 2;
  • FIG. 7 shows a third embodiment variant for an arrangement for smoothing the energy given off to the load during the discharge of the capacitance, which is implemented in a circuit arrangement according to the invention according to FIG. 2.
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement 10 for generating voltage pulses 40 and for impressing the voltage pulse 40 on one or more fuel cells 51 of a fuel cell system 50 (see FIG. 4). For the sake of a better overview, only a single fuel cell 51 is shown in FIG.
  • the circuit arrangement 10 has a pulse generator 30, which is described in more detail in connection with FIG. 3 and which generates essentially rectangular voltagethee 40. As shown in FIG. 1, the voltagemodules 40 have a defined pulse frequency F, a pulse duration D and a pulse interval A.
  • the rectangular voltage pulses 40 can be generated in different ways.
  • the pulse generator 30 is supplied with electrical energy via an electrical line 31, which is to be converted into rectangular voltagemodule 40.
  • a circuit 33 and a circuit 34 are provided in the pulse generator 30, which can be selectively controlled via a shaft element 35.
  • the circuit 33 is such a circuit in which the pulse duration D can be calibrated, that is to say finely adjusted, at a predetermined pulse frequency F and an essentially predetermined pulse duration D and pulse interval A.
  • the calibration or fine adjustment can be carried out, for example, with the aid of an or several potentiometers, not shown.
  • the signals set in this way are made available to a counter module 36 via a clock input 37. In this way, the voltagemodule will be converted into rectangular voltageannoe 40 with the desired pulse duration D and the desired pulse spacing A. With a corresponding position of a second switch element 38, the voltagemodules 40 generated in this way can be discharged from the pulse generator 30 via an electrical line 32 and fed to other components of the circuit arrangement 10.
  • the circuit 34 can be configured using one or more potentiometers (not shown) such that the ratio (duty cycle) of the pulse duration D to the pulse interval A can be varied and set as desired within a predetermined pulse frequency F.
  • the circuit 34 thus makes it possible to generate voltagemodule with any pulse duration and pulse interval.
  • the voltagemodules 40 generated in this way are passed from the pulse generator 30 to a charging / discharging circuit 11, 12 of the circuit arrangement 10. This takes place via a switch arrangement 20.
  • One or more fuel cells 51 are arranged in the charging / discharging circuit 11, 12.
  • a capacitance 13 designed as an UltraCap capacitor is provided in the charging / discharging circuit 11, 12.
  • the switch arrangement 20 has a driver element 21 and two transistors 22, 23, which are preferably designed as field effect transistors. Via the driver element 21, the transistors 22, 23 can either be switched on or off.
  • the driver element 21 is activated such that the transistor 22 is switched on and the transistor 23 is switched off.
  • the charging / discharging circuit 11, 12 is switched as a pure charging circuit 11 with respect to the capacitance 13.
  • the fuel cell 51 is thus short-circuited, as it were, via the capacitance 13.
  • the voltagemodule 40 are thus indirectly impressed on the fuel cell 51 via the control signals given by the driver element 21 to the transistor 22.
  • This increases the fuel cell potential, for example the anode potential, which at the same time leads to a reduction in the terminal voltage of the fuel cell 51, since current is drawn from the fuel cell 51.
  • the changing potential can oxidize carbon monoxide present in the fuel cell 51, so that the fuel cell 51 is detoxified.
  • the switch arrangement 20 is actuated again.
  • the driver element 21 is switched such that the transistor 22 is turned off and the transistor 23 is turned on.
  • the charge / discharge circuit 11, 12 is switched as a pure discharge circuit 12, so that the capacitor 13 can be discharged and the electrical charge stored therein can be made available to a load 14.
  • the load 14 is shown as a load resistor.
  • the electrical charge from the capacitor 13 is converted into heat in this load resistor 14.
  • the load 14 in the form of a sensible consumer, such as a rechargeable battery or the like, so that the energy stored in the capacitor 13 can be used sensibly when it is discharged.
  • An arrangement 70 for smoothing the energy delivered to the load 14 during the discharge of the capacitance 13 can advantageously be provided in the discharge circuit 12.
  • FIGS. 5 to 7 exemplarily show three non-exclusive exemplary embodiments for suitable arrangements 70 for smoothing.
  • the arrangements 70 are each in the form shown and described in FIG Circuit arrangement 10 integrated, so that the same components are each identified by identical reference numerals. A renewed description of the entire circuit arrangement 10 can therefore be dispensed with and reference is made to the explanations relating to FIG. 2. With regard to FIGS. 5 to 7, the focus is subsequently only on the arrangement 70 for smoothing.
  • the arrangement 70 for smoothing has a low Schottky diode 71 and a capacitance 72 connected in series with it.
  • the arrangement 70 is arranged parallel to the load 14 in the discharge circuit 12, but can also be provided parallel to the at least one capacitor 13.
  • the diode 71 has the task of preventing the capacitance 72 connected in series from being discharged through the load 14. With a suitable selection of the capacitance 72, a good DC voltage can be generated, which can be made available to other consumers (not shown).
  • the arrangement 70 for smoothing has a capacitance 72 and one for this
  • the arrangement 70 is arranged parallel to the at least one capacitance 13, but can also be provided parallel to the load 14.
  • a suitable direct voltage can in turn be generated via a suitable selection of the capacitance 72 provided in the arrangement 70 for smoothing.
  • the transistor 73 which is, for example, a field effect transistor, can be connected in the same clock cycle as the transistor 23 in the switch arrangement 20 and in parallel with this.
  • FIG. 7 shows an arrangement 70 for smoothing, which is integrated in the circuit arrangement 10 in a completely different way.
  • the load 14 is designed as a coil in the variant shown in FIG.
  • a current flows through the coil 14 and builds up a magnetic field therein.
  • the current is switched off, for example by blocking the corresponding transistor 23 in the switch arrangement 20, the magnetic energy in the coil 14 is converted into a short but high voltage pulse.
  • the capacitance 72 of the arrangement 70 is thus acted upon for smoothing.
  • the diode 71 or a corresponding transistor, which is also provided, prevents the capacitance 72 from being discharged in an undesired manner.
  • the arrangement 70 for smoothing the coil 14 is raked.
  • the arrangement 70 is connected in parallel with the transistor 23. This embodiment can also generate a well-smoothed voltage signal that can be made available to other consumers.
  • FIG. 4 shows a fuel cell system 50 in which a circuit arrangement 10 according to the invention as described above is provided.
  • the fuel cell system 50 has a number of fuel cells 51.
  • fuel cell systems 50 generally have a number of fuel cell modules, each fuel cell module usually consisting of a number of fuel cells which are combined to form what are known as fuel cell stacks.
  • Such fuel cell systems 50 can be used, for example, to provide electrical energy for operating an electrical drive in a motor vehicle or the like.
  • the individual fuel cells 51 are connected to supply lines 52 and discharge lines 53, via which a suitable fuel and a suitable oxidizing agent are supplied or removed.
  • the lines for the fuel and the lines for the oxidizing agent have not been shown separately from one another.
  • the individual fuel cells 51 can be called
  • PEM fuel cells are designed and have a cathode, an anode and an intermediate membrane.
  • the individual fuel cells 51 are connected to a circuit arrangement 10 as described above, via which essentially rectangular voltage peaks 40 are applied to the anodes of the fuel cells 51 can.
  • Pulse generator 30 is used.
  • the voltagemodules 40 generated by the circuit arrangement 10 can be impressed on the fuel cells 51 in a similar manner.
  • the voltagemodule 40 is impressed on the respective fuel cells 51 via the electrical line 32 leading away from the circuit arrangement 10 and a switch element 59 and via corresponding electrical connecting lines 60 which are connected to the switch element 59.
  • the use of such a switch element 59 makes it possible for individual fuel cells 51 to be subjected to the voltage pulses 40 in a targeted manner.
  • FIG. 4 also shows a voltage source 54 (e.g. electric battery) that is completely independent of the fuel cell 51.
  • the battery 54 is connected to the circuit arrangement 10 via an electrical connecting line 57 and a switch element 58.
  • the battery 54 is provided. This battery 54 then provides the total electrical energy required to generate the voltagemodule that is to be impressed on the individual fuel cells 51.
  • the voltage generated by the battery 54 is switched to the circuit arrangement 10 by a corresponding switching of the switch element 58.
  • the circuit arrangement 10 can then directly generate the voltagemodule which is applied to the individual fuel cells 51, so that these are detoxified due to a change in the fuel cell potential, which leads to an oxidation of the carbon monoxide. If the fuel cells 51 generate sufficient electrical energy so that the voltagemodule 40 can be generated via the electrical energy generated by the fuel cells 51, the switch element 58 can be switched (as shown in FIG. 4) such that the voltagemodule 40 is generated takes place via the circuit arrangement 10.
  • the voltage source 54 could also be connected directly to the line 32 via a switch element, provided that it is set up to generate voltage pulses, and thus impress the voltagemodule on the fuel cells 51.
  • Fuel cell system 50 lead, which is a considerable disadvantage.
  • the fact that only individual fuel cells 51 or fuel cell modules are subjected to voltage pulses 40 while the remaining fuel cells 51 or fuel cell modules continue to operate in normal operation means that the entire fuel cell system 50 has only a minimal, imperceptible drop in performance if only individual fuel cells in each case 51 or fuel cell modules are detoxified.
  • the use of a switch element 56 ensures that the circuit arrangement 10 is always supplied with sufficient electrical energy via the fuel cells 51. If the electrical energy required for the circuit arrangement 10 itself is made available via the fuel cells 51, the situation would occur with the simultaneous application of voltage pulses 40 to all fuel cells 51 that a total failure or the power would occur during the application of the voltage pulses 40 of the fuel cells 51 would be significantly reduced. This would have the consequence that no or only a small electrical power could be provided by the fuel cells 51 in these time periods. However, the circuit arrangement 10 would not be able to generate the voltageinstalle 40 required for the detoxification.
  • a corresponding selection or position of the switch element 56 can ensure that the circuit arrangement 10 is always supplied with electrical energy by a fuel cell 51 or a fuel cell module which is not currently being charged with voltage pulses, that is to say works in normal operation.
  • the position of the switch element 56 is preferably coordinated with the position of the switch element 59, so that always such fuel cells 51 or fuel cell modules are connected via the switch element 56 to the line 31 leading to the circuit arrangement 10, which is not currently connected via the switch element 59 to that of the circuit arrangement 10 discharging line 32 are connected.

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Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Spannungspulsen und zum Aufprägen der Spannungspulse auf eine Brennstoffzelle beschrieben, wobei die Spannungspulse in einem Pulsgenerator (30) erzeugt werden. Der Pulsgenerator ist über eine aus einem Treiberelement (21) und zwei Transistoren (22, 23) bestehende Schalteranordnung mit einem Lade-/Entladekreis (11, 12) verbunden, in dem wenigstens eine Brennstoffzelle (51) und wenigstens eine Kapazität (13) vorgesehen ist. Je nach Einstellung der Schalteranordnung kann der Lade-/Entladekreis in Bezug auf die Kapazität als reiner Ladekreis (11) oder reiner Entladekreis (12) fungieren. Wenn der Lade-/Entladekreis als Ladekreis fungiert, werden die Spannungspulse auf die Brennstoffzelle aufgeprägt, wodurch sich das Brennstoffzellenpotenzial ändert und schädliche Konzentrationen an Kohlenmonoxid in der Brennstoffzelle oxidiert werden. Die dabei frei werdenden elektrischen Ladungen können in der Kapazität (13) zwischengespeichert werden. Bei entsprechender Umschaltung der Schalteranordnung kann die Kapazität entladen und die Energie für eine Last (14) genutzt werden. Über den Pulsgenerator können weiterhin die Pulsdauer und der Pulsabstand der Spannungspulse varriert werden.

Description

Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Spannungspulsen und zum Aufprägen der Spannungspuise auf eine Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellensystem
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft generell eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Spannungspulsen und zum Aufprägen der Spannungspuise auf eine Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem sowie eine vorteilhafte Verwendung der Schaltungsanordnuπg.
Brennstoffzellen sind bereits seit langem bekannt und haben insbesondere im Bereich der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen.
In einer Brennstoffzelle, beispielsweise einer PEM-Brennstoffzelle, wird durch eine chemische Reaktion Strom erzeugt. Dabei wird ein Brennstoff wie beispielsweise Wasserstoff und ein Oxidationsmittel wie beispielsweise Sauerstoff in elektrische Energie und ein Reaktionsprodukt wie beispielsweise Wasser umgewandelt. Eine Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus einem Anodenteil, einer Membran und einem Kathodenteil. Die Membran besteht aus einem gasdichten und protonenleitenden Material und ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet, um Ionen auszutauschen. Auf der Seite der Anode wird der Brennstoff zugeführt, während auf der Seite der Kathode das Oxidationsmittel zugeführt wird. An der Anode werden durch katalytische Reaktionen Protonen, d.h. Wasserstoffionen erzeugt, die sich durch die Membran zur Kathode bewegen. An der Kathode reagieren die
Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff, und es bildet sich Wasser. Die bei der Reaktion abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise den Elektromotor eines Automobils. Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder zu speichernden Brennstoff wie Erdgas, Methanol, Benzin oder dergleichen betreiben, muss man diese Kohlenwasserstoffe in einer Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Dabei entsteht im wesentlichen Wasserstoff, Kohlendioxid und auch in gewissem Umfang Kohlenmonoxid (CO), das ein für die Brennstoffzelle schädliches Gas darstellt und deshalb vor Eintritt des Brennstoffs in die Brennstoffzelle möglichst weitgehend entfernt werden sollte.
In der Brennstoffzelle kann das Kohlenmonoxid ab einer bestimmten Konzentration dazu führen, dass sich die von der Brennstoffzelle abgegebene Leistung verringert und folglich der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle stark reduziert wird.
Um eine solch schädliche Einflussnahme von Kohlenmonoxid (CO) auf die Brennstoffzelle verhindern zu können, ist in der DE 197 10 819 C1 , deren Offenbarungsgehalt in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird, eine
Brennstoffzelle beschrieben worden, bei der Leistungseinbussen auf Grund von am Anodenkatalysator absorbierten Verunreinigungen vermieden werden sollen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Brennstoffzelle mit Mitteln verbunden ist, die der Anode der Brennstoffzelle einen positiven Spannungspuls aufprägen. Durch die Aufprägung des Spaπnuπgspulses wird eine puisförmige Änderung des Anodeπpotenzials bewirkt, die dazu führt, dass das in der Brennstoffzelle befindliche Kohlenmonoxid oxidiert wird. Die Spannungspuise können auf die Brennstoffzelle aufgeprägt werden, indem eine externe Gleichspannungsquelle über einen Schalter zeitweilig mit der Brennstoffzelle verbunden wird.
In der DE 197 10 819 C1 ist zwar bereits in allgemeinerweise beschrieben worden ist, dass die Oxidation von Kohlenmonoxid vorteilhaft über das Aufprägen von Spannungspulsen auf die Brennstoffzelle erfolgen kann. Das in dieser Druckschrift beschriebene Beispiel einer dazu vorgesehenen Schaltungsanordnung weist aber noch eine Reihe von Nachteilen auf. So kann beispielsweise die elektrische Energie, die für die Aufprägung des Spannungspulses auf die Brennstoffzelle aufgewandt wird, nicht weiter verwertet werden, geht also verloren. Auch ist zur Bereitstellung der elektrischen Energie für die Spannungspulsgenerierung immer eine separate, externe Spannungsquelle erforderlich. Schließlich ist es mit der bekannten Schaltungsanordnung nicht möglich, die auf die Brennstoffzelle aufgeprägten Spannungspuise in ihrer Größe und Form steuern oder regeln zu können, um diese an verschiedene Betriebszustände und Betriebssituationen anpassen zu können.
Ausgehend vom dem in der DE 197 10 819 beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte
Schaltungsanordnung sowie ein verbessertes Brennstoffzellensystem bereitzustellen, mit dem insbesondere die vorstehend beschriebenen Nachteile vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch eine
Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Spannungspulsen und zum Aufprägen der- Spannungspulse auf eine Brennstoffzelle, mit einem Pulsgenerator zum Erzeugen der Spannungspuise, einem mit dem Pulsgenerator verbundenen Lade-/Entladekreis, in dem wenigstens eine Brennstoffzelle und wenigstens eine Kapazität vorgesehen ist, und mit einer Schalteranordnung zum Schalten des Lade/Entladekreises in Bezug auf die Kapazität in einen Ladekreis oder einen Entladekreis.
Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird es zum einen möglich, Spannungspuise auf eine Brennstoffzelle aufprägen zu können, wodurch die weiter oben beschriebenen Vorteile im Hinblick auf die Oxidation von schädlichen Stoffen wie beispielsweise Kohlenmonoxid erreicht werden können. Die Spannungspuise werden dabei vorteilhaft der Anode der Brennstoffzelle aufgeprägt.
Durch diese Aufprägung wird eine puisförmige Änderung des Anodenpotenzials bewirkt.
Durch den in der Schaltungsanordnung vorgesehenen Pulsgenerator wird es ermöglicht, die Spannungspuise regeln beziehungsweise steuern zu können, so dass je nach Betriebssituation und Betriebszustand Spannungspuise mit unterschiedlicher Größe und Form erzeugt und auf die Brennstoffzelle aufgeprägt werden können.
Schließlich wird es durch die Verwendung einer Kapazität im Lade-/Entladekreis möglich, elektrische Energie zu speichern. Wenn der Brennstoffzelle, insbesondere der Anode, Spannungspuise aufgeprägt werden, erhöht sich deren Anodenpotenzial. Gleichzeitig wird die Klemmenspannung der Brennstoffzelle verringert, da Strom aus der Brennstoffzelle abgezogen wird. Diese elektrischen Ladungen können von der Kapazität gespeichert werden. Über die Spannungspuise wird die Brennstoffzelle so lange polarisiert, bis das Potenzial zur Oxidation der schädlichen Stoffe, beispielsweise von Kohlenmonoxid, erreicht ist.
Kohlenmonoxid lagert sich auf dem Katalysator der Brennstoffzelle an, so dass diese von Kohlenmonoxid belegten Katalysatorbereiche nicht mehr für die Wasserstoffanlagerung zur Verfügung stehen. Dieser negative Effekt wird als Vergiftung der Brennstoffzelle bezeichnet. Durch eine Oxidation des Kohlenmonoxids kann diese Anlagerung des Kohlenmonoxids rückgängig gemacht werden, was schließlich zu einer Entgiftung der Brennstoffzelle führt.
Um die Kapazität laden zu können, wird der Lade-/Entladekreis über die Schalteranordnung während der Spannungspulsaufprägung derart geschaltet, dass er in Bezug auf die Kapazität einen Ladekreis bildet. Durch die Verwendung wenigstens eines Kondensators wird erreicht, dass die bei der Aufprägung von Spannungspulsen auf die Brennstoffzelle frei werdenden elektrischen Ladungen nicht verloren gehen, sondern weiter genutzt werden können. Um diese Ladungen nutzen zu können, was einer Entladung der Kapazität entspricht, wird die Schalteranordnung nach der Spannungspulsaufprägung derart geschaltet, dass der Lade-/Entladekreis als Entladekreis fungiert.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorteilhaft kann in dem Entladekreis eine Last vorgesehen sein. An diese Last kann die in der Kapazität gespeicherte Energie abgegeben werden. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Ausgestaltungsformen der Last beschränkt.
So ist es beispielsweise denkbar, dass die Last als Lastwiderstand und /oder Spule und/oder als sonstiger nutzbarer elektrischer Verbraucher ausgebildet ist. Wenn die Last als Lastwiderstand ausgebildet ist, wird die Kapazität bei Aufprägung von Spannungspulsen auf die Brennstoffzelle geladen und anschließend über den Lastwiderstaπd wieder entladen. Die übertragene elektrische Ladung wird dabei im Lastwiderstand in Wärme umgesetzt. Es ist jedoch auch möglich, die in der Kapazität gespeicherte Energie sinnvoll zu nutzen. Hierbei kann an die Stelle des Lastwiderstands ein nützlicher Verbraucher wie beispielsweise eine aufladbare Batterie oder dergleichen treten, die dann über die Kapazität geladen werden kann. Im Hinblick auf die vorliegende Erfindung ist jedoch auch jeder andere geeignete Verbraucher denkbar.
Vorzugsweise kann die Kapazität als Ultra-Kondensator (UltraCap) ausgebildet sein. Derartige Kondensatoren, die an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind, verfügen neben einer hohen Kapazität auch über eine besonders hohe Leistungsdichte. Sie sind somit geeignet, innerhalb kurzer Zeiten große Energiemenge zu speichern oder abgeben zu können. Ultra-Kondensatoren werden häufig auch als- Superkondensatoren oder Doppelschichtkondensatoren bezeichnet und liegen in bezug auf ihre Energiedichte sowie die Zugriffszeit auf den Energieinhalt zwischen großen Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren und kleineren Akkumulatoren.
Vorteilhaft kann der Pulsgenerator zur Erzeugung von im wesentlichen rechteckigen Spannungspulsen ausgebildet sein. Derartige Spannungspuise, die vorzugsweise als positive Spannungspuise ausgebildet sind, ermöglichen auf Grund ihrer steilen Flanken ein besonders genaues Schalten innerhalb der Schaltungsanordnung.
Vorteilhaft können die Spannungspuise eine variable Pulsdauer und/oder einen variablen Pulsabstaπd aufweisen. Die Definition dieser Begriffe ergibt sich dabei aus der Figur 1 , die den zeitlichen Verlauf der Spannung schematisch wiedergibt. Darin ist die Puisdauer des Spannungspulses mit D und der Pulsabstand als zeitlicher Zwischenraum zwischen zwei Pulsen mit A bezeichnet. Der Buchstabe F in Figur 1 bezeichnet die Pulsfrequenz. Der zeitliche Abstand (Periode) zwischen dem Beginn eines Pulses und dem Beginn des unmittelbar darauffolgenden Pulses entspricht dabei dem Kehrwert der Pulsfrequenz F. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Pulsdauern, Pulsabstände oder Pulsfrequenzen beschränkt. Vorteilhafte Pulsdauern können sich beispielsweise im Bereich zwischen 10 msec und 10 sec, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 100 msec und 7 Sekunden bewegen. Nicht ausschließliche Beispiele für geeignete Pulsabstände liegen im Bereich zwischen 500 msec und 2 Sekunden. Der Pulsgenerator kann vorteilhaft eine Schaltung zur Kalibrierung der Pulsdauer der Spannungspuise aufweisen. Bei Verwendung einer solchen Schaltung kann die Pulsfrequenz beispielsweise fest vorgegeben sein. Auch die Pulsdauer und der Pulsabstand sind im wesentlichen festgelegt. Über die Schaltung wird lediglich die Pulsdauer kalibriert, was bedeutet, dass eine Feineinstellung der Pulsdauer vorgenommen werden kann. Bei dieser Ausgestaltungsform handelt es sich um eine weitgehend „starre" Möglichkeit zur Erzeugung von Spaπnungspulsen.
In weiterer Ausgestaltung kann der Pulsgenerator eine Schaltung zum variablen Einstellen des Verhältnisses von Pulsdauer zu Pulsabstand der Spannungspuise aufweisen. Durch eine solche Schaltung wird es möglich, dass innerhalb der Pulsfrequenz, die wiederum fest vorgegeben sein kann, das Verhältnis, das auch Duty Cycle genannt wird, zwischen Pulsdauer und Pulsabstand beliebig eingestellt werden kann.
Die im Hinblick auf die beiden genannten Schaltungen beschriebene Einstellung der Pulsdauer und/oder des Pulsabstands kann beispielsweise über ein oder mehrere Potentiometer erfolgen. Potentiometer sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Hierbei handelt es sich um stetig regelbare elektrische Widerstände, die einen Schleifkontakt zum Abgreifen von Teilwiderständen aufweisen. Potentiometer können beispielsweise als,Schiebe- oder Drehwiderstände ausgebildet sein.
In weiterer Ausgestaltung kann der Pulsgenerator einen Zählerbaustein aufweisen, der mit der Schaltung zur Kalibrierung der Pulsdauer verbunden ist. Mit Hilfe eines solchen Zählerbausteins und einer wie oben beschriebenen entsprechenden Schaltung können die benötigten Spannungspuise erzeugt werden. Der Zählerbaustein kann beispielsweise über einen sogenannten „CIock-Eingang" verfügen, über den die von der Schaltung abgehenden Signale in den Zählerbaustein eingespeist werden. Bei Zählerbausteinen, die an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind, handelt es sich allgemein um sequentielle Schaltungen zum Zählen von Impulsen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Pulsgenerator jeweils eine oder beide der vorgenannten Schaltungen aufweisen. Im letztgenannten Fall wird es möglich, Spannungspuise mit jeder beliebigen Pulsdauer und jedem beliebigen Pulsabstand einstellen zu können. Bei Verwendung beider Schaltungen kann der Pulsgenerator vorteilhaft ein Schalterelement zum wahlweisen Umstellen zwischen den beiden Schaltungen aufweisen. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Schalterelementtypen beschränkt. Beispielsweise kann das Schalterelement als Transistorschaltung oder dergleichen ausgebildet sein.
In weiterer Ausgestaltung kann die Schalteranordnung für die Schaltung des Lade/Entladekreises ein Treiberelement und einen oder mehrere Transistoren aufweisen. Bei Verwendung einer solchen Schalteranordnung können die in den beiden vorstehend beschriebenen Schaltungen erzeugten Impulse zunächst auf das Treiberelement geschaltet werden. Das Treiberelement sorgt für ein überlappungsfreies Hin- und Herschalten des/der Transistors/Transistoren zwischen - Lade- und Entladezyklus der Kapazität.
Der oder die Transistoren kann/können vorteilhaft als Feldeffekttransistoren, beispielsweise als MOSFET-Transitoren, ausgebildet sein.
Das in der Schalteranordnung für die Schaltung des Lade/Entladekreises vorgesehene Treiberelement kann wie ein Wechselschalter fungieren, der einzelne Transistoren leitend und andere Transistoren sperrend schaltet. Dies soll an Hand eines konkreten Beispiels erläutert werden.
Beispielsweise kann die Schalteranordnung ein Treiberelement und zwei Transistoren aufweisen. Um Spannungspuise auf die Brennstoffzelle aufprägen zu können, kann einer der Transistoren über das Treiberelement leitend geschaltet werden, während der andere Transistor sperrend geschaltet wird. Dadurch wird der Lade-/Eπtladekreis in einen reinen Ladekreis umgewandelt, so dass die Kapazität, beispielsweise der UltraCap-Kondensator, geladen werden kann. Durch die Aufprägung der Spannungspuise beispielsweise auf die Anode der Brennstoffzelle, erhöht sich das Anodenpotenzial, wobei gleichzeitig die Klemmenspannung verringert und Strom aus der Brennstoffzelle gezogen wird. Diese elektrischen Ladungen werden in der
Kapazität gespeichert. Die Kapazität kann anschließend, wenn keine Spannungspuise aufgeprägt werden, entladen werden. Dazu werden die Transistoren über das Treiberelement derart geschaltet, dass der zunächst leitende Transistor sperrt und dass der zuvor sperrende Transistor leitend geschaltet wird. Dadurch wird der Lade-/Entladekreis als reiner Entladekreis ausgebildet, so dass die Kapazität entladen und die in der Kapazität gespeicherte elektrische Energie für beliebige Verbraucher beziehungsweise einen Lastwiderstand genutzt werden kann.
Vorteilhaft kann im Entladekreis eine Anordnung zum zeitlichen Glätten des während der Entladung der Kapazität über die Last abgegebenen elektrischen Stroms vorgesehen sein. Eine solche Glättung des Stroms ist in der Regel dann erforderlich, wenn über die in der Kapazität gespeicherte elektrische Ladung nutzbare Verbraucher betrieben werden sollen. Üblicherweise erfolgt die Ladung beziehungsweise Entladung einer Kapazität entlang eines nicht linearen kurvenförmigen Verlaufs. Eine solche Entladungskurve ist jedoch für nachgeschaltete Verbraucher häufig wenig geeignet. Durch eine entsprechende Anordnung zum Glätten des von der Kapazität abgegebenen Stroms kann erreicht werden, dass die von der Kapazität abgegebene Energie entsprechend dem Bedarf des jeweils nachgeschalteten Verbrauchers in zeitlich „gestreckter* Form zur Vrfügung gestellt wird.
Vorteilhaft kann die Anordnung zum Glätten eine Diode und eine dazu in Reihe geschaltete Kapazität aufweisen. Die Anordnung kann entweder parallel zur Last oder aber parallel zur wenigstens einen Kapazität in der Schaltungsanordnuπg vorgesehen sein.
Die Diode, die eine Schottky-Diode, eine Low-Schottky-Diode oder dergleichen sein kann hat die Aufgabe, zu verhindern, daß die mit ihr in Reihe geschaltete Kapazität über die Last oder die wenigstens eine Kapazität im Lade-/Entladekreis entladen wird. Bei geeigneter Auswahl der in der Anordnung zum Glätten vorgesehenen Kapazität kann eine gute Gleichspannung erzeugt werden, die weiteren Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden kann.
In anderer Ausgestaltung kann die Anordnung zum Glätten eine Kapazität und einen dazu in Reihe geschalteten Transistor aufweisen. Die Anordnung kann entweder parallel zur Last, oder aber parallel zur wenigstens einen Kapazität in der Schaltungsanordnung vorgesehen sein.
Über eine geeignete Auswahl der in der Anordnung zum Glätten vorgesehenen Kapazität kann wiederum eine gute Gleichspannung erzeugt werden. Der Transistor, bei dem es sich beispielsweise um einen Feldeffekttransistor handeln kann, kann im gleichen Takt wie einer der Transistoren in der Schalteranordnung geschaltet sein.
Eine Anordnung zum Glätten in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann aber auch auf ganz andere Weise in der Schaltungsanordnung integriert werden. Wenn die Last als Spule ausgebildet ist, kann beim Entladen der im Lade-/ Entladekreis vorgesehenen wenigstens einen Kapazität ein Strom durch die Spule fließen, der dann in dieser ein Magnetfeld aufbaut. Wenn der Strom abgeschaltet wird, etwa indem der entsprechende Transistor in der Schalteranordnung sperrt, wird die magnetische Energie in der Spule in einen kurzen aber hohen Spannungspuls umgesetzt. Dieser fließt dann in die Kapazität der Anordnung zum Glätten. Über die " ebenfalls vorgesehene Diode oder den Transistor wird verhindert, daß sich die Kapazität in ungewollter Weise entlädt. Bei einer solchen Ausführungsform ist die Anordnung zum Glätten der Last (Spule) vorzugsweise nachgeschaltet.
Die erfiπdungsgemäße Schaltungsanordnung kann zeitweilig auch durch eine andere Spannungsquelle ersetzt werden, die Spannungspuise zur Aufprägung auf die Brennstoffzelle erzeugt, wenn die Brennstoffzelle oder das System von Brennstoffzellen selbst nicht in der Lage ist, die erforderliche elektrische Energie für den Betrieb der Schaltungsanordnung bereitzustellen. In diesem Fall ist eine solche Spannungsquelle zweckmäßig über eine Schaltereinrichtung alternativ zur Schaltungsanordnung mit der Brennstoffzelle verbindbar. Sobald die Brennstoffzelle wieder genügend Energie für den Betrieb der Schaltungsanordnung zur Verfügung stellen kann, wird die andere Spannungsquelle über die Schaltereinrichtung wieder abgeschaltet.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, mit einer oder mehreren Brennstoffzellen und einer wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Spannungspulsen und zum zumindest zeitweiligen Aufprägen der Spannungspuise auf die Brennstoffzelle(n).
Bei einem solchen erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann zunächst auf einfache Weise erreicht werden, dass durch das Aufprägen von Spannungspulsen eine Vergiftung der Brennstoffzelle(n) durch darin befindliches Kohlenmonoxid oder dergleichen verhindert bzw. rückgänig gemacht wird. Weiterhin können die während des Aufprägens der Spannungspuise aus der oder den Brennstoffzelle(n) freigesetzten elektrischen Ladungen zwischengespeichert und anschließend beliebigen Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden. Schließlich ist es möglich, der oder den Brennstoffzelle(n) Spannungspuise aufprägen zu können, die an eine jeweils vorherrschende Betriebssituation angepaßt sind. Zu den Vorteilen, Wirkungen, Effekten und der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems wird ebenfalls auf die vorstehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorteilhaft kann der Pulsgenerator zum Bezug der zur Erzeugung der Spannungspuise benötigten elektrischen Energie mit einer oder mehreren Brennstoffzellen verbunden sein. Auf diese Weise kann auf eine separate Leistungsquelle in Form einer Batterie, wie dies beispielsweise in Bezug auf die DE 197 10 819 beschrieben war, verzichtet werden. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Brennstoffzelleπsystems kann nämlich die zur Erzeugung der Spannungspuise erforderlich Energie vom Brennstoffzellensystem selbst bereitgestellt werden.
Es ist jedoch auch möglich, dass der Pulsgenerator zum Bezug der zur Erzeugung der Spannungspuise benötigten elektrischen Energie mit einer Batterie verbunden ist. Eine solche Ausgestaltungsform des Brennstoffzellensystems ist beispielsweise während des Startvorgangs, das heißt während des Hochfahrens des Brennstoffzellensystems, von Vorteil. Während des Startvorgangs produziert die Brennstoffzelle noch nicht in ausreichendem Maße elektrische Energie. Allerdings kann gerade in dieser Phase die Situation auftreten, dass die Brennstoffzelle mit einem erhöhten Kohlenmonoxidgehalt oder anderen Schadstoffen belastet wird. In diesem Fall können über die zusätzliche Batterie auch während des Startvorgangs des Brennstoffzellensystems Spannungspuise auf die Brennstoffzelle(n) aufgeprägt werden, so dass eine Entgiftung der Brennstoffzelle(n) über die Oxidation der schädlichen Stoffe auf Grund des sich ändernden Potenzials, insbesondere des Anodenpotenzials, innerhalb der Brennstoffzelle zu jeder Zeit möglich ist. Vorteilhaft kann das Brennstoffzellensystem ein oder mehrere Breπnstoffzellenmodule mit jeweils einer oder mehreren Brennstoffzellen aufweisen. Üblicherweise bestehen Brennstoffzellensysteme nicht nur aus einer einzigen Brennstoffzelle sondern aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen. Dabei werden mehrere Brennstoffeellen zu sogenannten Brennstoffzellen-Stacks zusammengefügt. Das Brennstoffzellensystem kann über ein oder mehrere solcher Brennstoffzellen-Stacks verfügen, die dann als einzelne Brennstoffzellenmodule zu einem Gesamtsystem zusammengefügt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die von der Schaltungsanordnung erzeugten Spannungspuise lediglich auf einen Teil der Brennstoffzellenmodule beziehungsweise Brennstoffzellen- unabhängig von anderen Brennstoffzellenmodulen beziehungsweise Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems aufgeprägt werden. Eine solche Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems führt zu einer ganzen Reihe von Vorteilen. Wenn die Spannungspuise auf die Brennstoffzelle(n) aufgeprägt werden, führt dies zwar zu einer Erhöhung des Potenzials, beispielsweise des Anodenpotenzials, innerhalb der Brennstoffzelle, jedoch auch zu einer Reduzierung der Brennstoffzellen- Klemmenspannung. Wenn nun alle Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems gleichzeitig mit den Spannungspulsen beaufschlagt würden, könnte dies zu jeweils kurzzeitigen Totalausfällen des Brennstoffzellensystems führen. Wenn Brennstoffzellen zum Antrieb elektrischer Verbraucher, beispielsweise zum Antrieb von Elektromotoren in einem Automobil, verwendet werden, wäre ein solcher, wenn auch nur kurzzeitiger Totalausfall des Brennstoffzellensystems oder aber auch nur eine kurzzeitige erhebliche Leistungseinbuße des Brennstoffzellensystems von erheblichem Nachteil.
Wenn nun lediglich einzelne Brennstoffzellenmodule unabhängig voneinander mit Spannungspulseπ beaufschlagt werden, führt dies dazu, dass solche kurzzeitigen Totalausfälle immer nur in einem kleinen Teilbereich des Brennstoffzellensystems auftreten, so dass die Leistungseinbußen des gesamten Systems minimal gehalten werden können.
Weiterhin können in einem derart ausgebildeten Brenπstoffzellensystem immer solche Brennstoffzellenmodule, die gerade nicht mit Spannungspulsen beaufschlagt werden, dazu verwendet werden, um elektrische Energie zur Erzeugung von Spannungspulsen für solche Brennstoffeellenmodule bereitzustellen, denen entsprechende Spannungspuise zur Entgiftung aufgeprägt werden sollen.
Vorteilhaft kann eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Aufprägen von Spannungspulsen auf eine oder mehrere Brennstoffeellen in einem Brennstoffeellensystem, insbesondere einem wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, verwendet werden. Vorteilhaft kann ein solches Brennstoffzellensystem in einem oder für ein Fahrzeug verwendet werden.
Auf Grund der rasanten Entwicklung der Brennstoffzelleπtechnologie im Fahrzeugsektor bietet eine solche Verwendung zur Zeit besonders gute Einsatzmöglichkeiten. Dennoch sind auch andere Einsatzmöglichkeiten denkbar. Zu nennen sind hier beispielsweise Brennstoffeellen für mobile Geräte wie Computer oder dergleichen bis hin zu stationären Einrichtungen wie Kraftwerksanlagen. Hier eignet sich die Brennstoffzellentechnik besonders für die dezentrale Energieversorgung von Häusern, Industrieanlagen oder dergleichen.
In bevorzugter weise wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Brennstoffzellen mit Polymermembraπen (PEM) verwendet. Diese Brennstoffzellen haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, verursachen nur minimale Emissionen, weisen ein optimales Teillastverhalteπ auf und sind im wesentlichen frei von mechanischem Verschleiß. Außerdem arbeiten sie auf einem für den mobilen Einsatz vorteilhaften Temperaturniveau, das bei etwa 80° liegt.
Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 den schematischen zeitlichen Verlauf eines Spannungspulses, der auf eine Brennstoffzelle aufgeprägt werden kann,
Figur 2 in schematischer Form eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
Figur 3 in schematischer Ansicht den Aufbau eines in der Schaltungsanordnung vorgesehenen Pulsgenerators, Figur 4 ein eriϊndungsgemäßes Brennstoffzellensystem, Figur 5 eine erste Ausgestaltungsvariante für eine Anordnung zum Glätten der während der Entladung der Kapazität an die Last abgegebenen Energie, die in einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Figur 2 realisiert ist; Figur 6 eine zweite Ausgestaltungsvariante für eine Anordnung zum Glätten der während der Entladung der Kapazität an die Last abgegebenen Energie, die in einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Figur 2 realisiert ist; und
Figur 7 eine dritte Ausgestaltungsvariante für eine Anordnung zum Glätten der während der Entladung der Kapazität an die Last abgegebenen Energie, die in einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Figur 2 realisiert ist.
In Figur 2 ist eine Schaltungsanordnung 10 zum Erzeugen von Spannungspulsen 40 und zum Aufprägen der Spannungspuise 40 auf eine oder mehrere Brennstoffeellen 51 eines Brennstoffzellensystems 50 (siehe Figur 4) dargestellt. Der besseren Übersicht halber ist in Figur 2 nur eine einzige Brennstoffeelle 51 gezeigt.
Die Schaltungsanordnung 10 weist einen Pulsgenerator 30 auf, der in Verbindung mit Figur 3 detaillierter beschrieben wird und der im wesentlichen rechteckförmige Spannungspuise 40 erzeugt. Die Spannungspuise 40 weisen, wie dies in Figur 1 dargestellt ist, eine definierte Pulsfrequenz F, eine Pulsdauer D sowie einen Pulsabstand A auf.
Gemäß Figur 3 kann die Erzeugung der Rechteck-Spannuπgspulse 40 auf verschiedene Weise erfolgen. Zunächst wird der Pulsgenerator 30 über eine elektrische Leitung 31 mit elektrischer Energie versorgt, die in rechteckförmige Spannungspuise 40 umgewandelt werden soll. Dazu sind in dem Pulsgenerator 30 jeweils eine Schaltung 33 und eine Schaltung 34 vorgesehen, die über ein Schafterelement 35 wahlweise angesteuert werden können.
Bei der Schaltung 33 handelt es sich um eine solche Schaltung, bei der bei fest vorgegebener Pulsfrequenz F und im wesentlichen vorgegebener Pulsdauer D sowie Pulsabstand A die Pulsdauer D kalibriert, das heißt fein eingestellt werden kann. Die Kalibrierung beziehungsweise Feineinstellung kann beispielsweise mit Hilfe eines oder mehrerer nicht dargestellter Potentiometer erfolgen. Die so eingestellten Signale werden über einen Clock-Eingang 37 einem Zählerbaustein 36 zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise werden die Spannungspuise in rechteckförmige Spannungspuise 40 mit der gewünschten Pulsdauer D und dem gewünschten Pulsabstand A umgewandelt werden. Bei entsprechender Stellung eines zweiten Schalterelements 38 können die so erzeugten Spannungspuise 40 über eine elektrische Leitung 32 aus dem Pulsgenerator 30 abgeführt und anderen Bauelementen der Schaltungsanordnung 10 zugeführt werden.
Bei umgekehrter Stellung der Schalterelemente 35 und 38 ist es jedoch auch möglich, die rechteckförmigen Spannungspuise 40 über die Schaltung 34 zu erzeugen. Die Schaltung 34 kann unter Verwendung eines oder mehrerer nicht dargestellter Potentiometer derart ausgestaltet sein, dass über sie innerhalb einer vorgegebenen Pulsfrequenz F das Verhältnis (Duty Cycle) der Pulsdauer D zum Pulsabstand A beliebig variiert und eingestellt werden kann. Über die Schaltung 34 wird es somit möglich, Spannungspuise mit beliebiger Pulsdauer und beliebigem Pulsabstand zu erzeugen.
Zurückkommend auf Figur 2 werden die so erzeugten Spannungspuise 40 vom Pulsgenerator 30 an einen Lade-/Entladekreis 11 , 12 der Schaitungsanordnung 10 gegeben. Dies erfolgt über eine Schalteranordnung 20. In dem Lade-/Entladekreis 11, 12 sind eine oder mehrere Brennstoffzellen 51 angeordnet. Weiterhin ist in dem Lade- /Entladekreis 11, 12 eine als UltraCap-Kondensator ausgebildete Kapazität 13 vorgesehen.
Die Schalteranordnung 20 verfügt über ein Treiberelement 21 sowie zwei Transistoren 22, 23, die vorzugsweise als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind. Über das Treiberelement 21 können die Transistoren 22, 23 entweder leitend oder sperrend geschaltet werden.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise der Schaltungsanordnung 10 beschrieben. Wenn die Brennstoffeelle 51 mit Spannungspulsen 40 beaufschlagt werden soll, wird das Treiberelement 21 derart angesteuert, dass der Transistor 22 leitend und der Transistor 23 sperrend geschaltet wird. Dadurch wird der Lade-/Entladekreis 11 , 12 in Bezug auf die Kapazität 13 als reiner Ladekreis 11 geschaltet. Die Brennstoffeelle 51 wird also gleichsam über die Kapazität 13 kurzzeitig kurzgeschlossen. Die Spannungspuise 40 werden somit über die vom Treiberelement 21 an den Transistor 22 gegebenen Steuersignale mittelbar auf die Brennstoffzelle 51 aufgeprägt. Dadurch wird das Brennstoffzellenpotenziai, beispielsweise das Anodenpotenzial, erhöht, was gleichzeitig zu einer Reduzierung der Klemmenspannung der Brennstoffzelle 51 führt, da Strom aus der Brennstoffzelle 51 gezogen wird. Durch das sich ändernde Potenzial kann in der Brennstoffzelle 51 vorhandenes Kohlenmonoxid oxidiert werden, so dass die Brennstoffzelle 51 entgiftet wird.
Da der Transistor 23 sperrend geschaltet ist, wird durch die in der Brennstoffzelle 51 ablaufenden Vorgänge der Kondensator 13 geladen. Die beim Aufprägen der Spannungspuise 40 auf die Brennstoffeelle 51 frei werdenden elektrischen Ladungen gehen somit nicht verloren, sondern können in dem Kondensator 13 zwischengespeichert werden.
Um den Kondensator 13 später entladen zu können, wird erneut die Schalteranordnung 20 betätigt. Dazu wird das Treiberelement 21 derart geschaltet, dass der Transistor 22 sperrend und der Transistor 23 leitend geschaltet wird. Dadurch wird der Lade-/Entladekreis 11 , 12 als reiner Entladekreis 12 geschaltet, so dass der Kondensator 13 entladen und die darin gespeicherte elektrische Ladung einer Last 14 zur Verfügung gestellt werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist die Last 14 als Lastwiderstand dargestellt. Die elektrische Ladung aus dem Kondensator 13 wird in diesem Lastwiderstand 14 in Wärme umgewandelt. Es ist jedoch auch denkbar, die Last 14 in Form eines sinnvollen Verbrauchers wie beispielsweise einer aufladbaren Batterie oder dergleichen auszugestalten, so dass die im Kondensator 13 gespeicherte Energie bei dessen Entladung sinnvoll genutzt werden kann.
Vorteilhaft kann im Entladekreis 12 eine Anordnung 70 zum Glätten der während der Entladung der Kapazität 13 an die Last 14 abgegebenen Energie vorgesehen sein.
Eine solche Glättung der Energie ist insbesondere dann erforderlich, wenn über die in der Kapazität 13 gespeicherte elektrische Ladung Verbraucher betrieben werden sollen. In den Figuren 5 bis 7 sind exemplarisch drei nicht ausschließliche Ausführungsbeispiele für geeignete Anordnungen 70 zum Glätten dargestellt. Die Anordnungen 70 sind jeweils in einer wie in Figur 2 dargestellten und beschriebenen Schaltungsanordnung 10 integriert, so daß gleiche Bauelemente jeweils mit identischen Bezugsziffern bezeichnet sind. Auf eine erneute Beschreibung der gesamten Schaltungsanordnung 10 kann daher verzichtet und auf die Ausführungen zu Figur 2 verwiesen werden. Im Hinblick auf die Figuren 5 bis 7 wird das Augenmerk nachfolgend nur auf die Anordnung 70 zum Glätten gerichtet.
In Figur 5 weist die Anordnung 70 zum Glätten eine Low-Schottky-Diode 71 und eine dazu in Reihe geschaltete Kapazität 72 auf. Die Anordnung 70 ist parallel zur Last 14 im Entladekreis 12 angeordnet, kann aber auch parallel zur wenigstens einen Kapazität 13 vorgesehen sein. Die Diode 71 hat die Aufgabe zu verhindern, daß die mit ihr in Reihe geschaltete Kapazität 72 über die Last 14 entladen wird. Bei geeigneter Auswähl der Kapazität 72 kann eine gute Gleichspannung erzeugt werden, die weiteren Verbrauchern (nicht dargestellt) zur Verfügung gestellt werden kann.
In Figur 6 weist die Anordnung 70 zum Glätten eine Kapazität 72 und einen dazu in
Reihe geschalteten Transistor 73 auf. Die Anordnung 70 ist parallel zur wenigstens einen Kapazität 13 angeordnet, kann aber auch parallel zur Last 14 vorgesehen sein. Über eine geeignete Auswahl der in der Anordnung 70 zum Glätten vorgesehenen Kapazität 72 kann wiederum eine gute Gleichspannung erzeugt werden. Der Transistor 73, bei dem es sich beispielsweise um einen Feldeffekttransistor handelt, kann im gleichen Takt wie der Transistor 23 in der Schalteranordnung 20 und zu diesem parallel geschaltet sein.
In Figur 7 ist schließlich eine Anordnung 70 zum Glätten dargestellt, die auf ganz andere Weise in der Schaltungsanordnung 10 integriert ist. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist bei der in Figur 7 dargestellten Variante die Last 14 als Spule ausgebildet. Beim Entladen der im Entladekreis 12 vorgesehenen wenigstens einen Kapazität 13 fließt ein Strom durch die Spule 14 und baut in dieser ein Magnetfeld auf. Wenn der Strom abgeschaltet wird, etwa indem der entsprechende Transistor 23 in der Schalteranordnung 20 sperrt, wird die magnetische Energie in der Spule 14 in einen kurzen aber hohen Spannungspuls umgesetzt. Damit wird die Kapazität 72 der Anordnung 70 zum Glätten beaufschlagt. Über die ebenfalls vorgesehene Diode 71 (oder einen entsprechenden Transistor) wird verhindert, daß sich die Kapazität 72 in ungewollter Weise entlädt. Bei einer solchen Ausführungsform ist die Anordnung 70 zum Glätten der Spule 14 nachgeschartet. Gleichzeitig ist die Anordnung 70 zum Transistor 23 parallelgeschaltet. Auch durch diese Ausführungsform läßt sich ein gut geglättetes Spannungssignal erzeugen, daß weiteren Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden kann.
In Figur 4 ist schließlich ein Brennstoffeellensystem 50 dargestellt, in dem eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 10 vorgesehen ist. Das Brennstoffzellensystem 50 weist eine Anzahl von Brennstoffzellen 51 auf. Im vorliegenden Beispiel sind der Einfachheit halber nur drei Brennstoffeellen 51 dargestellt. In der Praxis weisen derartige Brennstoffzellensysteme 50 in der Regel eine Anzahl von Brennstoffeellenmodulen auf, wobei jedes Brennstoffzellenmodul üblicherweise aus einer Anzahl von Brennstoffzellen besteht, die zu sogenannten Brennstoffeellen-Stacks zusammengefasst sind. Solche Brennstoffeellensysteme 50 können beispielsweise verwendet werden, um elektrische Energie zum Betrieb eines elektrischen Antriebs in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen bereitzustellen. Die einzelnen Brennstoffeellen 51 sind mit Zuleitungen 52 und Ableitungen 53 verbunden, über die ein geeigneter Brennstoff und ein geeignetes Oxidationsmittel zugeführt beziehungsweise abgeführt wird. Der Einfachheit halber sind die Leitungen für den Brennstoff und die Leitungen für das Oxidationsmittel nicht separat voneinander dargestellt worden. Die einzelnen Brennstoffeellen 51 können als sogenannte
PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein und verfügen über eine Kathode, eine Anode sowie eine dazwischen liegende Membran. Um bei Vorhandensein von schädlichen Kohlenmonoxid-Konzentrationen oder anderen Stoffen in den Brennstoffeellen 51 eine Entgiftung herbeiführen zu können, sind die einzelnen Brennstoffzellen 51 mit einer wie vorstehen beschriebenen Schaltungsanordnung 10 verbunden, über die im wesentlichen rechteckförmige Spannungspuise 40 auf die Anoden der Brennstoffeellen 51 aufgeprägt werden können. Die zur Erzeuσunα der SDannunαsDulse 40
Pulsgenerator 30 verwendet wird. Auf ähnliche Weise können die von der Schaltungsanordnung 10 erzeugten Spannungspuise 40 auf die Brennstoffeellen 51 aufgeprägt werden. Dazu werden die Spannungspuise 40 über die von der Schaltungsanordnung 10 abführende elektrische Leitung 32 einem Schalterelement 59 und über entsprechende elektrische Verbindungsleitungen 60, die mit dem Schalterelement 59 verbunden sind, den jeweiligen Brennstoffzellen 51 aufgeprägt. Durch die Verwendung eines solchen Schalterelements 59 wird es möglich, dass einzelne Brennstoffeellen 51 gezielt mit den Spannungspulsen 40 beaufschlagt werden können.
In Figur 4 ist weiterhin eine von der Brennstoffzelle 51 völlig unabhängige Spannungsquelle 54 (z.B. elektrische Batterie) dargestellt. Die Batterie 54 ist über eine elektrische Verbindungsleitung 57 und ein Schalterelement 58 mit der Schaltungsaπordnung 10 verbunden.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise der vorstehend beschriebenen Anordnung erläutert. Insbesondere während der Startphase des Brennstoffzellensystems 50 kann die Situation auftreten, dass die einzelnen Brennstoffzellen 51 noch nicht in ausreichender Menge elektrische Energie erzeugen, dennoch aber die einzelnen Brennstoffzellen 51 mit zu hohen Kohlenmonoxid-Konzentrationen belastet werden. Um auch in diesem Zustand eine Entgiftung der Brennstoffzellen 51 erreichen zu können, ist die Batterie 54 vorgesehen. Diese Batterie 54 stellt dann insgesamt die elektrische Energie zur Verfügung, die zur Erzeugung der Spannungspuise erforderlich ist, die auf die einzelnen Brennstoffzellen 51 aufgeprägt werden sollen. Durch eine entsprechende Schaltung des Schalterelements 58 wird die von der Batterie 54 erzeugte Spannung auf die Schaltungsanordnung 10 geschaltet. Die Schaltungsanordnung 10 kann dann unmittelbar die Spannungspuise erzeugen, die den einzelnen Brennstoffzellen 51 aufgeprägt werden, so dass diese auf Grund einer Änderung des Brennstoffzellenpotenzials, das zu einer Oxidation des Kohlenmonoxids führt, entgiftet werden. Wenn die Brennstoffeellen 51 genügend elektrische Energie erzeugen, so dass die Erzeugung der Spannungspuise 40 über die von den Brennstoffeellen 51 erzeugte elektrische Energie erfolgen kann, kann das Schalterelement 58 so geschaltet werden (wie in Fig. 4 gezeigt), dass die Erzeugung der Spannungspuise 40 über die Schaltungsanordnung 10 erfolgt. Alternativ könnte die Spannungsquelle 54 auch über ein Schalterelement unmittelbar an die Leitung 32 angeschlossen werden, sofern sie zur Erzeugung von Spannungspulsen eingerichtet ist, und so die Spannungspuise auf die Brennstoffeellen 51 aufprägen.
Durch die Verwendung der Schalterelemente 56 und 59 wird es möglich, dass die einzelnen Brennstoffeellen 51, beziehungsweise die einzelnen Brennstoffeellenmodule, unabhängig voneinander mit Span'nüngspulsen 40 beaufschlagt werden können. Würden alle Brennstoffeellen 51 gleichzeitig mit den Spannungspulsen 40 beaufschlagt, würde dies zu einem kurzzeitigen Totalausfall des
Brennstoffeellensystems 50 führen, was von erheblichem Nachteil ist. Durch die Tatsache, dass nur einzelne Brennstoffeellen 51 beziehungsweise Brennstoffeellenmodule mit Spannungspulsen 40 beaufschlagt werden, während die restlichen Brennstoffzellen 51 beziehungsweise Brennstoffeellenmodule im Normalbetrieb weiteriaufen, wird erreicht, dass das gesamte Brennstoffzelleπsystem 50 nur einen minimalen, nicht spürbaren Leistungsabfall aufweist, wenn nur jeweils einzelne Brennstoffzellen 51 oder Brennstoffeellenmodule entgiftet werden.
Durch die Verwendung eines Schalterelements 56 wird auf der anderen Seite sichergestellt, dass die Schaltungsanordnung 10 über die Brennstoffeellen 51 immer mit ausreichender elektrischer Energie versorgt wird. Wenn die für die Schaltungsanordnuπg 10 erforderliche elektrische Energie über die Brennstoffzellen 51 selbst zur Verfügung gestellt wird, würde bei gleichzeitiger Aufprägung von Spannungspulsen 40 auf alle Brennstoffeellen 51 die Situation auftreten, dass in diesen während der Beaufschlagung mit den Spannungspulsen 40 ein Totalausfall aufträte beziehungsweise die Leistung der Brennstoffzellen 51 in erheblichem Maße reduziert würde. Dies hätte zur Folge, dass in diesen Zeiträumen keine beziehungsweise nur eine geringe elektrische Leistung von den Brennstoffeellen 51 zur Verfügung gestellt werden könnte. Damit wäre jedoch die Schaltungsanordnung 10 nicht in der Lage, die für die Entgiftung erforderlichen Spannungspuise 40 zu erzeugen. Durch eine entsprechende Auswahl beziehungsweise Stellung des Schalterelements 56 kann erreicht werden, dass die Schaltungsanordnung 10 immer von einer Brennstoffeelle 51 beziehungsweise einem Brennstoffzellenmodul mit elektrischer Energie versorgt wird, die beziehungsweise das gerade nicht mit Spannungspulsen beaufschlagt wird, also im Normalbetrieb arbeitet. Die Stellung des Schalterelements 56 erfolgt vorzugsweise koordiniert mit der Stellung des Schalterelements 59, so dass immer solche Brennstoffeellen 51 beziehungsweise Brennstoffeellenmodule über das Schalterelement 56 mit der zur Schaltungsanordnung 10 hinführenden Leitung 31 verbunden sind, die gerade nicht über das Schalterelement 59 mit der von der Schaltungsanordnung 10 abführenden Leitung 32 verbunden sind.
Bezugszeichenliste
10 :__: Schaltungsanordnung
11 = Ladekreis
12 = Entladekreis
13 = Kapazität
14 = Last
20 _= Schalteranordnung
21 = Treiberelement
22 = Transistor
23 = Transistor
30 = Pulsgenerator
31 = elektrische Leitung (Zuleitung elektrischer Energie)
32 = elektrische Leitung (Ableitung der Spannungspuise)
33 = Schaltung
34 _= Schaltung
35 = Schalterelement
36 = Zählerbaustein
37 = Clock-Eingang
38 = Schatterelement
40 = Spannungspuls (rechteckig)
50 = Brennstoffeellensystem
51 = Brennstoffeelle
52 = Brenπstoff-/Oxidationsmittelzuleitung 53 = Brenπstoff-/Oxidatioπsmittelableitung
54 = elektrische Spannungsquelle (Batterie)
55 = elektrische Verbindungsleitung
56 = Schalterelement
57 = elektrische Verbindungsleitung 58 = Schalterelement 59 = Schalterelement
60 = elektrische Verbindungsleitung
70 = Anordnung zum Glätten
71 = Diode
72 =_ Kapazität
73 = Transistor
D —\ Pulsdauer
A = Pulsabstand
F = Pulsfrequenz

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Spannungspulsen und zum Aufprägen der Spannungspuise auf eine Brennstoffzelle, mit einem Pulsgenerator (30) zum Erzeugen der Spannungspuise (40), einem mit dem
Pulsgenerator (30) verbundenen Lade-/Entladekreis (11 , 12), in dem wenigstens eine Brennstoffeelle (51) und wenigstens eine Kapazität (13) vorgesehen ist, und mit einer Schalteranordnung (20) zum Schalten des Lade- /Entladekreises (11 , 12) in Bezug auf die Kapazität (13) während der Spannungspulsaufprägung in einen Ladekreis (11) und nach der
Spannungspulsaufprägung in einen Entladekreis (12).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Entladekreis (12) eine Last (14) vorgesehen ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Last (14) als Lastwiderstand und/oder Spule und/oder nutzbarer elektrischer Verbraucher ausgebildet ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität (13) als Ultra-Kondensator ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgenerator (30) zur Erzeugung von im wesentlichen rechteckigen
Spannungspulsen (40) ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungspuise (40) eine variable Pulsdauer (D) und/oder einen variablen Pulsabstand (A) aufweisen.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgenerator (30) eine Schaltung (33) zur Kalibrierung der Pulsdauer (D) der Spannungspuise (40) aufweist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgenerator (30) eine Schaltung (34) zum variablen Einstellen des Verhältnisses von Pulsdauer (D) zu Pulsabstand (A) der Spannungspuise (40) aufweist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (33) und/oder die Schaltung (34) ein oder mehrere Potentiometer aufweist/aufweisen.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgenerator (30) einen mit der Schaltung (33) verbundenen Zählerbaustein (36) aufweist.
11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgeneratόr (30) ein Schatterelement (38) zum wahlweisen Umschalten zwischen der Schaltung (33) und der Schaltung (34) aufweist.
12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteranordnung (20) ein Treiberelement (21) und einen oder mehrere Transistoren (22, 23) aufweist.
13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Entladekreis (12) eine Anordnung (70) zum Glätten des während der Entladung der Kapazität (13) über die Last (14) abgegebenen elektrischen Stroms vorgesehen ist.
14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zum Glätten eine Diode (71) und eine dazu in Reihe geschaltete Kapazität (72) aufweist.
15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zum Glätten eine Kapazität (72) und einen dazu in Reihe¬ geschalteten Transistor (73) aufweist.
16. Brennstoffeellensystem, mit einer oder mehreren Brennstoffeellen (51 ) und einer Schaltungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, zum Erzeugen von Spannungspulsen (40) und zum zumindest zeitweiligen Aufprägen der Spannungspuise (40) auf die Brennstoffeelle(n) (51 ).
17. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgenerator (30) zum Bezug der zur Erzeugung der Spannungspuise (40) benötigten elektrischen Energie mit einer oder mehreren Brennstoffzellen (51) verbunden ist.
18. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgenerator (30) zum Bezug der zur Erzeugung der Spannungspuise (40) benötigten elektrischen Energie mit einer von der brennstoffeelle (51) unabhängigen Spanπungsquelle(54)f insbesondere einer elektrischen Batterie verbunden ist.
19. Brennstoffeellensystem nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Brennstoffeellenmodule mit jeweils mehreren Brennstoffzellen (51) vorgesehen sind.
20. Brennstoffeellensystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Schaltungsanordnung (10) erzeugten Spannungspuise (40) auf jedes Brennstoffeellenmodul unabhängig von anderen
Brennstoffzellenmodulen aufprägbar sind.
21. Verwendung eines Brennstoffzellensystem (50) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, insbesondere in einem Fahrzeug.
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