DE10020126A1

DE10020126A1 - Circuit for generating voltage pulses, applying to fuel cell has arrangement for switching capacitance in charging/discharge circuit while/after voltage being applied

Info

Publication number: DE10020126A1
Application number: DE10020126A
Authority: DE
Inventors: Holger Klos; Michael Kah; Robert Goldner; Thomas Goeschl
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: P21 - POWER FOR THE 21ST CENTURY GMBH, 85649 BRUNN
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2001-10-25

Abstract

The circuit has a pulse generator (30) for generating voltage pulses, a charge/discharge circuit (11/12) connected to the pulse generator containing at least one fuel cell (51) and capacitance (13) and a switch arrangement (20) for switching the charge/discharge circuit in relation to the capacitance in a charging circuit (11) while the voltage is being applied and in a discharge circuit (12) after applying the voltage. Independent claims are also included for the following: fuel cell system and the use of a fuel cell system, especially in a motor vehicle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Spannungspulsen und zum Aufprägen der Spannungspulse auf eine Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem sowie eine vorteilhafte Verwendung der Schaltungsanordnung.The present invention relates generally to a circuit arrangement for generating of voltage pulses and for impressing the voltage pulses on one Fuel cell, a fuel cell system and an advantageous use of Circuit arrangement.

Brennstoffzellen sind bereits seit langem bekannt und haben insbesondere im Bereich der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen.Fuel cells have been known for a long time and have particularly in the field the automotive industry has become significantly more important in recent years.

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.In a fuel cell, for example a PEM fuel cell, a chemical reaction generates electricity. This is a fuel such as Hydrogen and an oxidizing agent such as oxygen in electrical Energy and a reaction product such as water converted. 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, to exchange ions. The fuel is supplied on the side of the anode, while the oxidant is supplied on the side of the cathode. At the anode protons, e.g. H. 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 one in the reaction emitted electrons can be consumed as electrical current by a consumer conduct, for example, the electric motor of an automobile.

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.If you want the fuel cell with an easily available or storable one You have to run fuel such as natural gas, methanol, gasoline or the like Hydrocarbons in a fuel production / processing arrangement first convert to a hydrogen-rich gas. This essentially creates Hydrogen, carbon dioxide and, to some extent, carbon monoxide (CO) that is a harmful gas for the fuel cell and therefore before the entry of the Fuel in the fuel cell should be removed as much as possible.

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.In the fuel cell, the carbon monoxide can reach a certain concentration cause the power output by the fuel cell to decrease and consequently, the efficiency of the fuel cell is greatly reduced.

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 Spannungspulses wird eine pulsförmige Änderung des Anodenpotenzials bewirkt, die dazu führt, dass das in der Brennstoffzelle befindliche Kohlenmonoxid oxidiert wird. Die Spannungspulse können auf die Brennstoffzelle aufgeprägt werden, indem eine externe Gleichspannungsquelle über einen Schalter zeitweilig mit der Brennstoffzelle verbunden wird.To such a harmful influence of carbon monoxide (CO) on the To be able to prevent fuel cells is in DE 197 10 819 C1, the Disclosure content is included in the present application, a Fuel cell has been described in which performance losses due to am Anode catalyst absorbed impurities should be avoided. this will achieved in that the fuel cell is connected to means that the the anode Apply a positive voltage pulse to the fuel cell. By embossing the Voltage pulse causes a pulsed change in the anode potential leads to the fact that the carbon monoxide in the fuel cell is oxidized. The voltage pulses can be impressed on the fuel cell by a external DC voltage source via a switch temporarily with the fuel cell is connected.

In der DE 197 10 819 C1 ist zwar bereits in allgemeiner Weise 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 Spannungspulse in ihrer Größe und Form steuern oder regeln zu können, um diese an verschiedene Betriebszustände und Betriebssituationen anpassen zu können.DE 197 10 819 C1 has already been described in a general manner, that the oxidation of carbon monoxide is beneficial via the imprinting of Voltage pulses can take place on the fuel cell. That in this publication However, described example of a circuit arrangement provided for this purpose still have a number of disadvantages. For example, electrical energy, which is used to apply the voltage pulse to the fuel cell, are no longer used, so it is lost. Is also to provide the electrical energy for voltage pulse generation always a separate, external Power source required. After all, it is with the known Circuit arrangement not possible, which are stamped on the fuel cell To be able to control or regulate voltage pulses in their size and shape in order to control them to be able to adapt different operating states and operating situations.

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.Starting from the prior art described in DE 197 10 819, the present invention the object of an improved To provide circuitry and an improved fuel cell system with which in particular the disadvantages described above are avoided can.

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 Spannungspulse, 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.According to the first aspect of the invention, this object is achieved by a Circuit arrangement for generating voltage pulses and for impressing the Voltage pulses on a fuel cell, with a pulse generator for generating the Voltage pulses, a charge / discharge circuit connected to the pulse generator, in at least one fuel cell and at least one capacity is provided, and with a switch arrangement for switching the charge / discharge circuit with respect to the capacity in a loading circuit or an unloading circuit.

Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird es zum einen möglich, Spannungspulse 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 Spannungspulse werden dabei vorteilhaft der Anode der Brennstoffzelle aufgeprägt.On the one hand, the circuit arrangement according to the invention makes it possible To be able to impress voltage pulses on a fuel cell, which further Advantages described above with regard to the oxidation of harmful substances such as For example, carbon monoxide can be achieved. The voltage pulses are the anode of the fuel cell is advantageously imprinted.

Durch diese Aufprägung wird eine pulsförmige Änderung des Anodenpotenzials bewirkt.This stamping results in a pulsed change in the anode potential causes.

Durch den in der Schaltungsanordnung vorgesehenen Pulsgenerator wird es ermöglicht, die Spannungspulse regeln beziehungsweise steuern zu können, so dass je nach Betriebssituation und Betriebszustand Spannungspulse mit unterschiedlicher Größe und Form erzeugt und auf die Brennstoffzelle aufgeprägt werden können. It is due to the pulse generator provided in the circuit arrangement enables to regulate or control the voltage pulses, so that Depending on the operating situation and operating state, voltage pulses with different Size and shape can be generated and stamped on the fuel cell.

Schließlich wird es durch die Verwendung einer Kapazität im Lade-/Entladekreis möglich, elektrische Energie zu speichern. Wenn der Brennstoffzelle, insbesondere der Anode, Spannungspulse 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 Spannungspulse wird die Brennstoffzelle so lange polarisiert, bis das Potenzial zur Oxidation der schädlichen Stoffe, beispielsweise von Kohlenmonoxid, erreicht ist. Befindet sich Kohlenmonoxid innerhalb des Anodenraums der Brennstoffzelle, kann dieses oxidiert werden, wäs zu einer Entgiftung der Brennstoffzelle führt.Eventually it will be through the use of capacity in the charge / discharge circuit possible to store electrical energy. If the fuel cell, especially the Anode, voltage pulses are impressed, their 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 from the Capacity can be saved. The fuel cell becomes like this via the voltage pulses long polarized until the potential to oxidize the harmful substances, for example of carbon monoxide. Is carbon monoxide inside the Anode space of the fuel cell, this can be oxidized to what Detoxification of the fuel cell leads.

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.In order to be able to charge the capacity, the charging / discharging circuit is connected to the Switch arrangement switched during the voltage pulse impression such that it forms a charging circuit in terms of capacity. By using at least A capacitor achieves that when impressing voltage pulses electrical charges released on the fuel cell are not lost, but can continue to be used. To be able to use these charges, what corresponds to a discharge of the capacity, the switch arrangement according to the Voltage pulse stamped switched so that the charge / discharge circuit as Discharge circuit acts.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Preferred embodiments of the circuit arrangement according to the invention result from the subclaims.

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.A load can advantageously be provided in the discharge circuit. To this load the energy stored in the capacity is released. Here is the invention not limited to certain configurations of the load.

So ist es beispielsweise denkbar, dass die Last als Lastwiderstand und/oder 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 Lastwiderstand 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.For example, it is conceivable for the load to be a load resistor and / or other usable electrical consumer is formed. If the load as a load resistor is formed, the capacitance when voltage pulses are impressed on the Fuel cell loaded and then discharged again via the load resistor. The electrical charge transferred is converted into heat in the load resistor implemented. However, it is also possible to use the energy stored in the capacity to use sensibly. Here, a useful one can replace the load resistor Consumers such as a rechargeable battery or the like kick that then can be loaded over the capacity. With regard to the present However, any other suitable consumer is also conceivable according to the invention.

Vorzugsweise kann die Kapazität als UltraCap-Kondensator 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.The capacitance can preferably be designed as an UltraCap capacitor. Such capacitors, which are known per se from the prior art, have a high capacity and a particularly high one Power density. They are therefore suitable for large amounts of energy within short times to save or to be able to deliver.

Vorteilhaft kann der Pulsgenerator zur Erzeugung von im wesentlichen rechteckigen Spannungspulsen ausgebildet sein. Derartige Spannungspulse, die vorzugsweise als positive Spannungspulse ausgebildet sind, ermöglichen auf Grund ihrer steilen Flanken ein besonders genaues Schalten innerhalb der Schaltungsanordnung.The pulse generator can advantageously be used to generate substantially rectangular ones Voltage pulses can be formed. Such voltage pulses, preferably as positive voltage pulses are formed due to their steep Flanks a particularly precise switching within the circuit arrangement.

Vorteilhaft können die Spannungspulse eine variable Pulsdauer und/oder einen variablen Pulsabstand aufweisen. Die Definition dieser Begriffe ergibt sich dabei aus der Fig. 1, die den zeitlichen Verlauf der Spannung schematisch wiedergibt. Darin ist die Pulsdauer des Spannungspulses mit D und der Pulsabstand als zeitlicher Zwischenraum zwischen zwei Pulsen mit A bezeichnet. Der Buchstabe F in Fig. 1 bezeichnet die Pulsfrequenz. Der zeitliche Abstand (Periode) zwischen dem Beginn eines Pulses und dem Beginn des unmittelbar darauf folgenden 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 2 sec, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 100 und 500 msec bewegen. Beispiele für geeignete Pulsabstände liegen im Bereich zwischen 2 und 7 Sekunden, vorteilhaft zwischen 4 und 5 Sekunden.The voltage pulses can advantageously have a variable pulse duration and / or a variable pulse interval. 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 Fig. 1 denotes the pulse frequency. The time interval (period) between the start of a pulse and the start of the immediately following pulse corresponds to the reciprocal of the pulse frequency F. The invention is not restricted to specific pulse durations, pulse intervals or pulse frequencies. Advantageous pulse durations can range, for example, in the range between 10 msec and 2 sec, preferably in a range between 100 and 500 msec. Examples of suitable pulse intervals are in the range between 2 and 7 seconds, advantageously between 4 and 5 seconds.

Der Pulsgenerator kann vorteilhaft eine Schaltung zur Kalibrierung der Pulsdauer der Spannungspulse 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 Spannungspulsen.The pulse generator can advantageously be a circuit for calibrating the pulse duration of the Have voltage pulses. When using such a circuit, the Pulse frequency can be fixed, for example. The pulse duration and the The pulse interval is essentially fixed. Only the Pulse duration calibrated, which means a fine adjustment of the pulse duration can be made. This embodiment is a largely "rigid" possibility of generating voltage pulses.

In weiterer Ausgestaltung kann der Pulsgenerator eine Schaltung zum variablen Einstellen des Verhältnisses von Pulsdauer zu Pulsabstand der Spannungspulse 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.In a further embodiment, the pulse generator can be a variable circuit Setting the ratio of the pulse duration to the pulse spacing of the voltage pulses exhibit. Such a circuit makes it possible that within the Pulse frequency, which in turn can be fixed, the ratio, which is also duty Cycle is called, between pulse duration and pulse interval can be set as desired can.

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 Dreh widerstände ausgebildet sein.The setting of the described with regard to the two circuits mentioned The pulse duration and / or the pulse interval can be, for example, one or more Potentiometer done. Potentiometers are inherently state of the art known. These are continuously adjustable electrical resistors that have a sliding contact for tapping part resistors. Potentiometer can for example be designed as sliding or rotating resistors.

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 Spannungspulse erzeugt werden. Der Zählerbaustein kann beispielsweise über einen sogenannten "Clock-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 a further embodiment, the pulse generator can have a counter module that is connected to the circuit for calibration of the pulse duration. With the help of one Counter module and a corresponding circuit as described above can the required voltage pulses are generated. The counter module can For example, have a so-called "clock input", which is used by the the circuit outgoing signals are fed into the counter module. At Counter modules, which are known per se from the prior art, are concerned are generally sequential circuits for counting pulses.

In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Pulsgenerator jeweils eine oder beide der vorgenannten Schaltungen aufweisen. Im letztgenannten Fall wird es möglich, Spannungspulse 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 an advantageous embodiment, the pulse generator can do one or both of the aforementioned circuits. In the latter case it becomes possible Voltage pulses with any pulse duration and any pulse interval to be able to adjust. When using both circuits, the pulse generator advantageously a switch element for optional switching between the two Have circuits. The invention is not limited to this Switch element types limited. For example, the switch element as Transistor circuit or the like may be formed.

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.In a further embodiment, the switch arrangement for switching the Charge / discharge circuit a driver element and one or more transistors exhibit. When using such a switch arrangement can in the two circuits described above first generated pulses on the Driver element are switched. The driver element ensures a non-overlapping switching of the transistor (s) between Capacity charge and discharge cycle.

Der oder die Transistoren kann/können vorteilhaft als Feldeffekttransistoren, beispielsweise als MOSFET-Transistoren, ausgebildet sein.The one or more transistors can advantageously be used as field effect transistors, for example, as MOSFET transistors.

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.The one provided in the switch arrangement for switching the charge / discharge circuit Driver element can act like a changeover switch, the individual transistors turns on and turns off other transistors. This is supposed to be based on a concrete Example will be explained.

Beispielsweise kann die Schalteranordnung ein Treiberelement und zwei Transistoren aufweisen. Um Spannungspulse 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-/Entladekreis in einen reinen Ladekreis umgewandelt, so dass die Kapazität, beispielsweise der UltraCap-Kondensator, geladen werden kann. Durch die Aufprägung der Spannungspulse 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 Spannungspulse 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.For example, the switch arrangement can have a driver element and two transistors exhibit. In order to be able to impress voltage pulses on the fuel cell one of the transistors are turned on via the driver element, while the other transistor is turned off. This will make the charge / discharge circuit converted into a pure charging circuit so that the capacity, for example the UltraCap capacitor that can be charged. By embossing the Voltage pulses, for example on the anode of the fuel cell, increase Anode potential, while reducing the terminal voltage and power off the fuel cell is pulled. These electrical charges are in the Capacity saved. The capacitance can then, if no voltage pulses be imprinted, unloaded. To do this, the transistors are connected to the Driver element switched such that the initially conductive transistor blocks and that the previously blocking transistor is turned on. This will make the Charging / discharging circuit designed as a pure discharge circuit so that the capacity is discharged and the electrical energy stored in the capacity for any consumer or a load resistor can be used.

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 Glättendes 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 Verfügung gestellt wird.An arrangement for smoothing the time during the can advantageously be in the discharge circuit the discharge of the capacity via the electrical power delivered be provided. Such a smoothing of the current is usually required if usable consumers via the electrical charge stored in the capacity to be operated. The loading or unloading usually takes place a capacitance along a non-linear curve. Such However, the discharge curve is often not very suitable for downstream consumers. By an appropriate arrangement to smooth the capacity emitted current can be achieved that the emitted by the capacity Energy according to the needs of the downstream consumer temporally "stretched" form is made available.

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 Spannungspulse auf die Brennstoffzelle(n).According to a second aspect of the present invention, a Fuel cell system provided with one or more fuel cells and a circuit arrangement according to the invention as described above for Generating voltage pulses and at least temporarily impressing the Voltage pulses on the fuel cell (s).

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. rückgängig gemacht wird. Weiterhin können die während des Aufprägens der Spannungspulse 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) Spannungspulse 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. With such a fuel cell system according to the invention, the first step is can be easily achieved by impressing voltage pulses poisoning of the fuel cell (s) by carbon monoxide therein or the like is prevented or reversed. Furthermore, the during the embossing of the voltage pulses released from the fuel cell (s) electrical charges temporarily stored and then any Be made available to consumers. After all, it is possible the Fuel cell (s) to be able to apply voltage pulses to each prevailing operating situation are adjusted. The advantages, effects, Effects and the functioning of the fuel cell system according to the invention is also based on the above statements on the invention Circuitry fully referenced and hereby referenced.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous embodiments of the fuel cell system according to the invention result from the subclaims.

Vorteilhaft kann der Pulsgenerator zum Bezug der zur Erzeugung der Spannungspulse 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 Brennstoffzellensystems kann nämlich die zur Erzeugung der Spannungspulse erforderlich Energie vom Brennstoffzellensystem selbst bereitgestellt werden.The pulse generator can advantageously be used to obtain the voltage pulses required electrical energy connected to one or more fuel cells his. In this way, a separate power source in the form of a battery, as was described, for example, in relation to DE 197 10 819 become. With such a configuration of the fuel cell system, namely the energy required to generate the voltage pulses Fuel cell system itself can be provided.

Es ist jedoch auch möglich, dass der Pulsgenerator zum Bezug der zur Erzeugung der Spannungspulse 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 Spannungspulse 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.However, it is also possible for the pulse generator to be used to generate the Voltage pulses required electrical energy is connected to a battery. A such an embodiment of the fuel cell system is for example during the starting process, that is to say during the startup of the fuel cell system, advantageous. During the starting process, the fuel cell is not yet in production sufficient electrical energy. However, it is precisely in this phase that Situation occur that the fuel cell with an increased carbon monoxide content or other pollutants. In this case, you can use the additional Battery also during the starting process of the fuel cell system Voltage pulses are impressed on the fuel cell (s), causing detoxification the fuel cell (s) on the oxidation of the harmful substances due to the changing potential, especially the anode potential, within the Fuel cell is possible at any time.

Vorteilhaft kann das Brennstoffzellensystem ein oder mehrere Brennstoffzellenmodule 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 Brennstoffzellen 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. The fuel cell system can advantageously have one or more fuel cell modules each with one or more fuel cells. Usually exist Fuel cell systems not only from a single fuel cell but from a variety of fuel cells. Several fuel cells are used so-called fuel cell stacks assembled. The fuel cell system can have one or more such fuel cell stacks, which then as individual fuel cell modules can be combined to form an overall system.

Vorteilhaft ist es, wenn die von der Schaltungsanordnung erzeugten Spannungspulse 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 Spannungspulse 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.It is advantageous if the voltage pulses generated by the circuit arrangement only on a part of the fuel cell modules or fuel cells independent of other fuel cell modules or fuel cells of the fuel cell system. Such an embodiment of the Fuel cell systems have a number of advantages. If the Voltage pulses are impressed on the fuel cell (s), this leads to a Increasing the potential, for example the anode potential, within the Fuel cell, but also to reduce the fuel cell Terminal voltage. If now all fuel cells of the fuel cell system If the voltage pulses were applied simultaneously, this could in each case short-term total failures of the fuel cell system. If Fuel cells for driving electrical consumers, for example for driving Electric motors used in an automobile would be one, though only a brief total failure of the fuel cell system or only one short-term considerable loss of performance of the fuel cell system of considerable Disadvantage.

Wenn nun lediglich einzelne Brennstoffzellenmodule unabhängig voneinander mit Spannungspulsen 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.If only individual fuel cell modules are now independent of each other Voltage pulses are applied, this leads to such short-term Total failures only in a small part of the fuel cell system occur so that the performance degradation of the entire system is kept to a minimum can be.

Weiterhin können in einem derart ausgebildeten Brennstoffzellensystem immer solche Brennstoffzellenmodule, die gerade nicht mit Spannungspulsen beaufschlagt werden, dazu verwendet werden, um elektrische Energie zur Erzeugung von Spannungspulsen für solche Brennstoffzellenmodule bereitzustellen, denen entsprechende Spannungspulse zur Entgiftung aufgeprägt werden sollen.Furthermore, in such a fuel cell system such can always Fuel cell modules that are not currently being subjected to voltage pulses, used to generate electrical energy to generate voltage pulses to provide for such fuel cell modules, the corresponding Voltage pulses for detoxification should be impressed.

Vorteilhaft kann eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Aufprägen von Spannungspulsen auf eine oder mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere einem wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, verwendet werden. An invention as described above can be advantageous Circuit arrangement for impressing voltage pulses on one or more Fuel cells in a fuel cell system, in particular one as above described fuel cell system according to the invention can be used.

Vorteilhaft kann ein solches Brennstoffzellensystem in einem oder für ein Fahrzeug verwendet werden.Such a fuel cell system can be advantageous in or for a vehicle be used.

Auf Grund der rasanten Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie im Fahrzeugsektor bietet eine solche Verwendung zur Zeit besonders gute Einsatzmöglichkeiten. Dennoch sind auch andere Einsatzmöglichkeiten denkbar. Zu nennen sind hier beispielsweise Brennstoffzellen 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.Due to the rapid development of fuel cell technology in the The automotive sector currently offers such use particularly well Possible uses. However, other possible uses are also conceivable. To Examples include fuel cells for mobile devices such as computers or the like to stationary facilities such as power plants. Suitable here fuel cell technology especially for the decentralized energy supply of Houses, industrial plants or the like.

In bevorzugter Weise wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Brennstoffzellen mit Polymermembranen (PEM) verwendet. Diese Brennstoffzellen haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, verursachen nur minimale Emissionen, weisen ein optimales Teillastverhalten auf und sind im wesentlichen frei von mechanischem Verschleiß. Außerdem arbeiten sie auf einem für den mobilen Einsatz vorteilhaften Temperaturniveau.Preferably, the present invention is in connection with Fuel cells with polymer membranes (PEM) are used. These fuel cells have a high electrical efficiency, cause minimal emissions, have optimal part-load behavior and are essentially free of mechanical wear. They also work on one for mobile use advantageous temperature level.

Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described by way of example using exemplary embodiments explained in more detail with reference to the accompanying drawing. Show it:

Fig. 1 den schematischen zeitlichen Verlauf von Spannungspulsen, die auf eine Brennstoffzelle aufgeprägt werden können, Fig. 1 shows the schematic time course of voltage pulses that can be imparted to a fuel cell,

Fig. 2 in schematischer Form eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, Fig. 2 shows in schematic form a circuit arrangement according to the invention,

Fig. 3 in schematischer Ansicht den Aufbau eines in der Schaltungsanordnung vorgesehenen Pulsgenerators und Fig. 3 shows a schematic view of the structure of a pulse generator provided in the circuit arrangement and

Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem. Fig. 4 shows a fuel cell system according to the invention.

In Fig. 2 ist eine Schaltungsanordnung 10 zum Erzeugen von Spannungspulsen 40 und zum Aufprägen der Spannungspulse 40 auf eine oder mehrere Brennstoffzellen 51 eines Brennstoffzellensystems 50 (siehe Fig. 4) dargestellt. Der besseren Übersicht halber ist in Fig. 2 nur eine einzige Brennstoffzelle 51 gezeigt. FIG. 2 shows a circuit arrangement 10 for generating voltage pulses 40 and for applying the voltage pulses 40 to one or more fuel cells 51 of a fuel cell system 50 (see FIG. 4). For the sake of clarity, only a single fuel cell 51 is shown in FIG. 2.

Die Schaltungsanordnung 10 weist einen Pulsgenerator 30 auf, der in Verbindung mit Fig. 3 detaillierter beschrieben wird und der im wesentlichen rechteckförmige Spannungspulse 40 erzeugt. Die Spannungspulse 40 weisen, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, eine definierte Pulsfrequenz F, eine Pulsdauer D sowie einen Pulsabstand A auf.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 voltage pulses 40 . As shown in FIG. 1, the voltage pulses 40 have a defined pulse frequency F, a pulse duration D and a pulse spacing A.

Gemäß Fig. 3 kann die Erzeugung der Rechteck-Spannungspulse 40 auf verschiedene Weise erfolgen. Zunächst wird der Pulsgenerator 30 über eine elektrische Leitung 31 mit elektrischer Energie versorgt, die in rechteckförmige Spannungspulse 40 umgewandelt werden soll. Dazu sind in dem Pulsgenerator 30 jeweils eine Schaltung 33 und eine Schaltung 34 vorgesehen, die über ein Schalterelement 35 wahlweise angesteuert werden können.Referring to FIG. 3, the formation can be made of rectangular voltage pulses 40 in various ways. First, the pulse generator 30 is supplied with electrical energy via an electrical line 31 , which is to be converted into rectangular voltage pulses 40 . For this purpose, a circuit 33 and a circuit 34 are provided in the pulse generator 30 , which can be selectively controlled via a switch element 35 .

Beider 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 Spannungspulse in rechteckförmige Spannungspulse 40 mit der gewünschten Pulsdauer D und dem gewünschten Pulsabstand A umgewandelt werden. Bei entsprechender Stellung eines zweiten Schalterelements 38 können die so erzeugten Spannungspulse 40 über eine elektrische Leitung 32 aus dem Pulsgenerator 30 abgeführt und anderen Bauelementen der Schaltungsanordnung 10 zugeführt werden.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, using one or more 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 voltage pulses will be converted into rectangular voltage pulses 40 with the desired pulse duration D and the desired pulse spacing A. With a corresponding position of a second switch element 38 , the voltage pulses 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 .

Bei umgekehrter Stellung der Schalterelemente 35 und 38 ist es jedoch auch möglich, die rechteckförmigen Spannungspulse 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, Spannungspulse mit beliebiger Pulsdauer und beliebigem Pulsabstand zu erzeugen. With the reversed position of the switch elements 35 and 38 , however, it is also possible to generate the rectangular voltage pulses 40 via the circuit 34 . 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 voltage pulses with any pulse duration and pulse interval.

Zurückkommend auf Fig. 2 werden die so erzeugten Spannungspulse 40 vom Pulsgenerator 30 an einen Lade-/Entladekreis 11, 12 der Schaltungsanordnung 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.Returning to FIG. 2, the voltage pulses 40 generated in this way are passed from the pulse generator 30 to a charge / discharge 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 . Furthermore, a capacitance 13 designed as an UltraCap capacitor is provided in the charging / discharging circuit 11 , 12 .

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.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.

Nachfolgend wird nun die Funktionsweise der Schaltungsanordnung 10 beschrieben. Wenn die Brennstoffzelle 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 Brennstoffzelle 51 wird also gleichsam über die Kapazität 13 kurzzeitig kurzgeschlossen. Die Spannungspulse 40 werden somit über die vom Treiberelement 21 an den Transistor 22 gegebenen Steuersignale mittelbar auf die Brennstoffzelle 51 aufgeprägt. Dadurch wird das Brennstoffzellenpotenzial, 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.The functioning of the circuit arrangement 10 will now be described below. If voltage pulses 40 are to be applied to the fuel cell 51 , the driver element 21 is activated in such a way that the transistor 22 is switched on and the transistor 23 is switched off. As a result, 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 voltage pulses 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.

Da der Transistor 23 sperrend geschaltet ist, wird durch die in der Brennstoffzelle 51 ablaufenden Vorgänge der Kondensator 13 geladen. Die beim Aufprägen der Spannungspulse 40 auf die Brennstoffzelle 51 frei werdenden elektrischen Ladungen gehen somit nicht verloren, sondern können in dem Kondensator 13 zwischengespeichert werden. Since the transistor 23 is switched off, the capacitor 13 is charged by the processes taking place in the fuel cell 51 . The electrical charges released when the voltage pulses 40 are impressed on the fuel cell 51 are therefore not lost, but can be buffered in the capacitor 13 .

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 Fig. 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.In order to be able to discharge the capacitor 13 later, the switch arrangement 20 is actuated again. For this purpose, the driver element 21 is switched such that the transistor 22 is turned off and the transistor 23 is turned on. As a result, 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 . In the present exemplary embodiment according to FIG. 2, 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 . However, it is also conceivable to design 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.

In Fig. 4 ist schließlich ein Brennstoffzellensystem 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 Brennstoffzellen 51 dargestellt. In der Praxis weisen derartige Brennstoffzellensysteme 50 in der Regel eine Anzahl von Brennstoffzellenmodulen auf, wobei jedes Brennstoffzellenmodul üblicherweise aus einer Anzahl von Brennstoffzellen besteht, die zu sogenannten Brennstoffzellen-Stacks zusammengefasst sind. Solche Brennstoffzellensysteme 50 können beispielsweise verwendet werden, um elektrische Energie zum Betrieb eines elektrischen Antriebs in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen bereitzustellen. Die einzelnen Brennstoffzellen 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 Brennstoffzellen 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 Brennstoffzellen 51 eine Entgiftung herbeiführen zu können, sind die einzelnen Brennstoffzellen 51 mit einer wie vorstehen beschriebenen Schaltungsanordnung 10 verbunden, über die im wesentlichen rechteckförmige Spannungspulse 40 auf die Anoden der Brennstoffzellen 51 aufgeprägt werden können. Die zur Erzeugung der Spannungspulse 40 erforderliche elektrische Energie für den Pulsgenerator 30 in der Schaltungsanordnung 10 wird über die Brennstoffzelten 51 selbst zur Verfügung gestellt. Dazu sind die einzelnen Brennstoffzellen 51 über entsprechende elektrische Verbindungsleitungen 55 mit der zuführenden elektrischen Verbindungsleitung 31 des Pulsgenerators 30 verbunden. Die einzelnen von den Brennstoffzellen 51 abführenden elektrischen Verbindungsleitungen 55 sind über ein geeignetes Schalterelement 56 mit der elektrischen Leitung 31 verbunden. Auf diese Weise kann ausgewählt werden, welche der Brennstoffzellen 51 jeweils zur Bereitstellung der elektrischen Energie für den Pulsgenerator 30 verwendet wird. Auf ähnliche Weise können die von der Schaltungsanordnung 10 erzeugten Spannungspulse 40 auf die Brennstoffzellen 51 aufgeprägt werden. Dazu werden die Spannungspulse 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 Brennstoffzellen 51 gezielt mit den Spannungspulsen 40 beaufschlagt werden können.Finally, FIG. 4 shows a fuel cell system 50 in which a circuit arrangement 10 as described above is provided. The fuel cell system 50 has a number of fuel cells 51 . For the sake of simplicity, only three fuel cells 51 are shown in the present example. In practice, fuel cell systems 50 of this type 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 so-called 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. For the sake of simplicity, 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 designed as so-called PEM fuel cells and have a cathode, an anode and an intermediate membrane. In order to be able to detoxify in the presence of harmful carbon monoxide concentrations or other substances in the fuel cells 51 , the individual fuel cells 51 are connected to a circuit arrangement 10 as described above, via which essentially rectangular voltage pulses 40 are impressed on the anodes of the fuel cells 51 can. The electrical energy required for generating the voltage pulses 40 for the pulse generator 30 in the circuit arrangement 10 is made available via the fuel tents 51 themselves. For this purpose, the individual fuel cells 51 are connected to the supplying electrical connection line 31 of the pulse generator 30 via corresponding electrical connection lines 55 . The individual electrical connecting lines 55 leading away from the fuel cells 51 are connected to the electrical line 31 via a suitable switch element 56 . In this way, it can be selected which of the fuel cells 51 is used in each case to provide the electrical energy for the pulse generator 30 . The voltage pulses 40 generated by the circuit arrangement 10 can be impressed on the fuel cells 51 in a similar manner. For this purpose, the voltage pulses 40 are 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.

In Fig. 4 ist weiterhin eine Batterie 54 dargestellt. Die Batterie 54 ist über eine elektrische Verbindungsleitung 57 und ein Schalterelement 58 mit der Schaltungsanordnung 10 verbunden.A battery 54 is also shown in FIG. 4. The battery 54 is connected to the circuit arrangement 10 via an electrical connecting line 57 and a switch element 58 .

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 vergiftet 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 Spannungspulse 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 Spannungspulse 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 Brennstoffzellen 51 genügend elektrische Energie erzeugen, so dass die Erzeugung der Spannungspulse 40 über die von den Brennstoffzellen 51 erzeugte elektrische Energie erfolgen kann, kann das Schalterelement 58 so geschaltet werden (wie in Fig. 4 gezeigt), dass die Erzeugung der Spannungspulse 40 über die Schaltungsanordnung 10 erfolgt.The operation of the arrangement described above is now explained below. In particular during the start-up phase of the fuel cell system 50 , the situation can occur that the individual fuel cells 51 do not yet generate sufficient electrical energy, but nevertheless the individual fuel cells 51 are poisoned with excessively high carbon monoxide concentrations. In order to be able to achieve detoxification of the fuel cells 51 even in this state, the battery 54 is provided. This battery 54 then provides the electrical energy that is required to generate the voltage pulses that are 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 voltage pulses that are impressed on 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 generation of the voltage pulses 40 can take place via the electrical energy generated by the fuel cells 51 , the switch element 58 can be switched (as shown in FIG. 4) in such a way that the generation of the voltage pulses 40 takes place via the circuit arrangement 10 .

Durch die Verwendung der Schalterelemente 56 und 59 wird es möglich, dass die einzelnen Brennstoffzellen 51, beziehungsweise die einzelnen Brennstoffzellenmodule, unabhängig voneinander mit Spannungspulsen 40 beaufschlagt werden können. Würden alle Brennstoffzellen 51 gleichzeitig mit den Spannungspulsen 40 beaufschlagt, würde dies zu einem kurzzeitigen Totalausfall des Brennstoffzellensystems 50 führen, was von erheblichem Nachteil ist. Durch die Tatsache, dass nur einzelne Brennstoffzellen 51 beziehungsweise Brennstoffzellenmodule mit Spannungspulsen 40 beaufschlagt werden, während die restlichen Brennstoffzellen 51 beziehungsweise Brennstoffzellenmodule im Normalbetrieb weiterlaufen, wird, erreicht, dass das gesamte Brennstoffzellensystem 50 nur einen minimalen, nicht spürbaren Leistungsabfall aufweist, wenn nur jeweils einzelne Brennstoffzellen 51 oder Brennstoffzellenmodule entgiftet werden.The use of the switch elements 56 and 59 makes it possible for the individual fuel cells 51 or the individual fuel cell modules to be subjected to voltage pulses 40 independently of one another. If the voltage pulses 40 were applied to all fuel cells 51 at the same time, this would lead to a brief total failure of the fuel cell system 50 , 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 ones Fuel cells 51 or fuel cell modules are detoxified.

Durch die Verwendung eines Schalterelements 56 wird auf der anderen Seite sichergestellt, dass die Schaltungsanordnung 10 über die Brennstoffzellen 51 immer mit ausreichender elektrischer Energie versorgt wird. Wenn die für die Schaltungsanordnung 10 erforderliche elektrische Energie über die Brennstoffzellen 51 selbst zur Verfügung gestellt wird, würde bei gleichzeitiger Aufprägung von Spannungspulsen 40 auf alle Brennstoffzellen 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 Brennstoffzellen 51 zur Verfügung gestellt werden könnte. Damit wäre jedoch die Schaltungsanordnung 10 nicht in der Lage, die für die Entgiftung erforderlichen Spannungspulse 40 zu erzeugen. Durch eine entsprechende Auswahl beziehungsweise Stellung des Schalterelements 56 kann erreicht werden, dass die Schaltungsanordnung 10 immer von einer Brennstoffzelle 51 beziehungsweise einem Brennstoffzellenmodul mit elektrischer Energie versorgt wird, die beziehungsweise das gerade nicht mit Spannungspulsen beaufschlagt wird, also im Normalbetrieb arbeitet.On the other hand, 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 is made available via the fuel cells 51 themselves, with simultaneous application of voltage pulses 40 to all fuel cells 51, the situation would arise that there would be a total failure or the power 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, this would not enable the circuit arrangement 10 to generate the voltage pulses 40 required for the detoxification. By a corresponding selection or position of the switch element 56 it can be achieved 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 subjected to voltage pulses, that is to say works in normal operation.

Die Stellung des Schalterelements 56 erfolgt vorzugsweise koordiniert mit der Stellung des Schalterelements 59, so dass immer solche Brennstoffzellen 51 beziehungsweise Brennstoffzellenmodule 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. The position of the switch element 56 is preferably coordinated with the position of the switch element 59 , so that such fuel cells 51 or fuel cell modules are always connected via the switch element 56 to the line 31 leading to the circuit arrangement 10 , which is just not via the switch element 59 to that of the circuit arrangement 10 discharging line 32 are connected.

Reference list

1010th

Schaltungsanordnung
Circuit arrangement

1111

Ladekreis
Charging circuit

1212th

Entladekreis
Discharge circuit

1313

Kapazität
capacity

1414

Last
load

2020th

Schalteranordnung
Switch arrangement

2121

Treiberelement
Driver element

2222

Transistor
transistor

2323

Transistor
transistor

3030th

Pulsgenerator
Pulse generator

3131

elektrische Leitung (Zuleitung elektrischer Energie)
electrical line (supply of electrical energy)

3232

elektrische Leitung (Ableitung der Spannungspulse)
electrical line (derivation of voltage pulses)

3333

Schaltung
circuit

3434

Schaltung
circuit

3535

Schalterelement
Switch element

3636

Zählerbaustein
Counter module

3737

Clock-Eingang
Clock input

3838

Schalterelement
Switch element

4040

Spannungspuls (rechteckig)
Voltage pulse (rectangular)

5050

Brennstoffzellensystem
Fuel cell system

5151

Brennstoffzelle
Fuel cell

5252

Brennstoff-/Oxidationsmittelzuleitung
Fuel / oxidant feed line

5353

Brennstoff-/Oxidationsmittelableitung
Fuel / oxidant discharge

5454

Batterie
battery

5555

elektrische Verbindungsleitung
electrical connection line

5656

Schalterelement
Switch element

5757

elektrische Verbindungsleitung
electrical connection line

5858

Schalterelement
Switch element

5959

Schalterelement
Switch element

6060

elektrische Verbindungsleitung
D Pulsdauer
A Pulsabstand
F Pulsfrequenz
electrical connection line
D pulse duration
A pulse interval
F pulse rate

Claims

1. Circuit arrangement for generating voltage pulses and for impressing the voltage pulses on a fuel cell, with a pulse generator ( 30 ) for generating the voltage pulses ( 40 ), a charge / discharge circuit ( 11 , 12 ) connected to the pulse generator ( 30 ), in which at least one fuel cell ( 51 ) and at least one capacitance ( 13 ) is provided, and with a switch arrangement ( 20 ) for switching the charge / discharge circuit ( 11 , 12 ) with respect to the capacitance ( 13 ) during the voltage pulse impression in a charge circuit ( 11 ) and after the voltage pulse has been impressed into a discharge circuit ( 12 ).

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that a load ( 14 ) is provided in the discharge circuit ( 12 ).

3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the load ( 14 ) is designed as a load resistor and / or usable electrical consumers.

4. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the capacitance ( 13 ) is designed as an UltraCap capacitor.

5. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the pulse generator ( 30 ) is designed to generate substantially rectangular voltage pulses ( 40 ).

6. Circuit arrangement according to claim 5, characterized in that the voltage pulses ( 40 ) have a variable pulse duration (D) and / or a variable pulse interval (A).

7. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the pulse generator ( 30 ) has a circuit ( 33 ) for calibrating the pulse duration (D) of the voltage pulses ( 40 ).

8. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the pulse generator ( 30 ) has a circuit ( 34 ) for variably setting the ratio of pulse duration (D) to pulse interval (A) of the voltage pulses ( 40 ).

9. Circuit arrangement according to claim 7 or 8, characterized in that the circuit ( 33 ) and / or the circuit ( 34 ) has / have one or more potentiometers.

10. Circuit arrangement according to one of claims 7 to 9, characterized in that the pulse generator ( 30 ) has a counter module ( 36 ) connected to the circuit ( 33 ).

11. Circuit arrangement according to one of claims 8 to 10, characterized in that the pulse generator ( 30 ) has a switch element ( 38 ) for optional switching between the circuit ( 33 ) and the circuit ( 34 ).

12. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 11, characterized in that the switch arrangement ( 20 ) has a driver element ( 21 ) and one or more transistors ( 22 , 23 ).

13. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized in that an arrangement for smoothing the electrical current emitted during the discharge of the capacitance ( 13 ) via the load ( 14 ) is provided in the discharge circuit ( 12 ).

14. Fuel cell system, with one or more fuel cells ( 51 ) and a circuit arrangement ( 10 ) according to one of claims 1 to 13, for generating voltage pulses ( 40 ) and for at least temporarily impressing the voltage pulses ( 40 ) on the fuel cell (s) ( 51 ).

15. Fuel cell system according to claim 14, characterized in that the pulse generator ( 30 ) is connected to one or more fuel cells ( 51 ) for obtaining the electrical energy required to generate the voltage pulses ( 40 ).

16. The fuel cell system according to claim 14 or 15, characterized in that the pulse generator ( 30 ) is connected to a battery ( 54 ) for obtaining the electrical energy required to generate the voltage pulses ( 40 ).

17. Fuel cell system according to one of claims 14 to 16, characterized in that a plurality of fuel cell modules, each with a plurality of fuel cells ( 51 ) are provided.

18. Fuel cell system according to claim 17, characterized in that the voltage pulses ( 40 ) generated by the circuit arrangement ( 10 ) can be impressed on each fuel cell module independently of other fuel cell modules.

19. Use of a fuel cell system ( 50 ) according to one of claims 14 to 18, in particular in a vehicle.